首页 > 专利学习

用于产生金属-陶瓷基板的方法和加热炉与流程

用于产生金属-陶瓷基板的方法和加热炉
1.本发明涉及一种用于产生金属-陶瓷基板的方法和一种适于实施所述方法的加热炉。
2.金属-陶瓷基板在电力电子领域中发挥着重要作用。它们是电子部件构造中的关键元件，可确保在这些部件运行期间快速散发大量热量。金属-陶瓷基板通常由陶瓷层和连接到陶瓷层的金属层组成。
3.从现有技术中已知几种用于将金属层连接到陶瓷层的方法。在所谓的直接铜粘结(dcb)方法中，通过铜与反应性气体(通常为氧气)的反应，铜箔表面上具有熔点低于铜的铜化合物(通常为氧化铜)。当将以这种方式处理的铜箔施加到陶瓷体上并加热复合材料时，铜化合物熔化并润湿陶瓷体的表面，从而在铜箔与陶瓷体之间形成稳定的整体粘结。该方法例如在us 3744120 a或de 2319854 c2中描述。
4.尽管有明显的优点，但dcb方法具有两个主要缺点。首先，该方法必须在相对高(具体地略低于铜的熔点)的温度下进行。其次，该方法只能用于基于氧化物的陶瓷诸如氧化铝或表面氧化的氮化铝。因此，需要一种在不那么严格的条件下产生金属-陶瓷基板的替代方法。在一种替代方法中，可以在大约650℃至1000℃的温度下将金属箔连接到陶瓷体，所使用的具体焊料含有熔点为至少700℃的金属(通常为银)和活性金属。活性金属的作用是与陶瓷材料反应，从而使得陶瓷材料能够连接到其余焊料以形成反应层，而熔点为至少700℃的金属用于将该反应层连接到金属箔。例如，jp4812985 b2提出使用含有50重量％至89重量％的银以及铜、铋和活性金属的焊料将铜箔连接到陶瓷体。利用这种方法，可以将铜箔可靠地接合到陶瓷体。为了避免与银迁移相关的问题，可能有利的是使用无银焊料将金属箔连接到陶瓷体。这些焊料例如基于高熔点金属(特别是铜)、低熔点金属(诸如铋、铟或锡)和活性金属(诸如钛)。这种技术例如在de 102017114893 a1中提出。该技术原则上可产生一种新的、独立的连接类别，因为所使用的焊料的基料由另一种金属(铜而不是银)形成，这会导致材料特性发生变化，并产生对其他焊料成分和改良的接合条件的适应。因此，以这种方式产生的金属-陶瓷基板除了具有金属层和陶瓷层之外，还具有位于金属层与陶瓷层之间并且包含活性金属的连接层。
5.由于电力电子领域中的需求不断增加，还需要进一步改进使用含有熔点为至少700℃的金属、熔点小于700℃的金属和活性金属的焊料材料产生的金属-陶瓷基板的热传导性和电流传导性。
6.增加金属-陶瓷基板的热传导性和电流传导性的现有方法集中在改变金属层与陶瓷层之间的连接层的组成。然而，这在由于一些原因连接层的组成保持不变的情况下可能是有利的。因此，例如，连接层的给定组成理想地可以满足除热传导性和电流传导性之外的技术要求，可以易于生产，或者甚至可以更具成本效益。因此，有利的是通过合适的方法措施改进具有连接层的给定组成的金属-陶瓷基板的热传导性和电流传导性。
7.因此，本发明的目的是提供一种方法，利用该方法，可以使用包含熔点为至少700℃的金属、熔点小于700℃的金属以及活性金属的焊料材料获得热传导性和电流传导性增加的金属-陶瓷基板。
8.该目的通过权利要求1的方法实现。因此，本发明提供了一种用于产生金属-陶瓷基板的方法，所述方法包括以下步骤：
9.a)提供叠堆，所述叠堆包含
10.a1)陶瓷体，
11.a2)金属箔，以及
12.a3)与所述陶瓷体和所述金属箔接触的焊料材料，所述焊料材料包含：
13.(i)熔点为至少700℃的金属，
14.(ii)熔点小于700℃的金属，以及
15.(iii)活性金属，以及
16.b)加热所述叠堆，所述叠堆穿过用于加热的加热区。
17.本发明还涉及一种适于实施所述方法的加热炉。
18.在根据本发明的方法中，首先提供叠堆，所述叠堆包含陶瓷体、金属箔以及与所述陶瓷体和所述金属箔接触的焊料材料。
19.因此，焊料材料优选地位于叠堆中陶瓷体与金属箔之间。根据一个优选实施方案，叠堆包含陶瓷体、(第一)金属箔、与陶瓷体和第一金属箔接触的(第一)焊料材料、第二金属箔以及与陶瓷体和第二金属箔接触的第二焊料材料。根据该实施方案，(第一)焊料材料优选地位于陶瓷体与(第一)金属箔之间，并且第二焊料材料优选地位于陶瓷体与第二金属箔之间。此外，根据该实施方案，第一焊料材料优选地对应于第二焊料材料。
20.因此，陶瓷体优选地具有第一表面和第二表面。金属箔优选地具有第一表面。第二金属箔(只要其存在)优选地具有第一表面。根据一个优选实施方案，(第一)焊料材料因此位于叠堆中陶瓷体的第一表面与(第一)金属箔的第一表面之间。根据另一个优选实施方案，叠堆包含与陶瓷体的第二表面和第二金属箔的第一表面接触的第二焊料材料。根据该实施方案，(第一)焊料材料优选地位于叠堆中陶瓷体的第一表面与(第一)金属箔的第一表面之间，并且第二焊料材料优选地位于陶瓷体的第二表面与第二金属箔的第一表面之间。根据另一个优选实施方案，除了根据本发明的焊料材料之外，没有另外的层位于陶瓷体与(第一)金属箔之间。根据又一个实施方案，除了根据本发明的焊料材料之外，没有另外的层位于陶瓷体与第二金属箔(只要其存在)之间。
21.陶瓷体的陶瓷优选地是绝缘陶瓷。根据一个优选实施方案，陶瓷选自由氧化物陶瓷、氮化物陶瓷和碳化物陶瓷组成的组。根据另一个优选实施方案，陶瓷选自由金属氧化物陶瓷、氧化硅陶瓷、金属氮化物陶瓷、氮化硅陶瓷、氮化硼陶瓷和碳化硼陶瓷组成的组。根据一个特别优选的实施方案，陶瓷选自由氮化铝陶瓷、氮化硅陶瓷和氧化铝陶瓷(诸如氧化锆增韧氧化铝(zta)陶瓷)组成的组。陶瓷体优选地具有0.05mm-10mm、更优选0.1mm-5mm范围内、特别优选0.15mm-3mm范围内的厚度。
22.金属箔的金属优选地选自由铜、铝和钼组成的组。根据一个特别优选的实施方案，金属箔的金属选自由铜和钼组成的组。根据一个非常特别优选的实施方案，金属箔的金属是铜。金属箔优选地具有0.01mm-10mm范围内、更优选0.03mm-5mm范围内、特别优选0.05mm-3mm范围内的厚度。
23.焊料材料包含(i)熔点为至少700℃的金属，(ii)熔点小于700℃的金属，以及(iii)活性金属。
24.根据一个优选实施方案，(i)熔点为至少700℃的金属、(ii)熔点小于700℃的金属以及(iii)活性金属作为至少一种金属组分的成分存在。因此，焊料材料优选地包含含有(i)熔点为至少700℃的金属、(ii)熔点小于700℃的金属以及(iii)活性金属的至少一种金属组分。例如，可能优选的是，焊料材料包含：含有熔点为至少700℃的金属的金属组分(i)，含有熔点小于700℃的金属的金属组分(ii)，以及含有活性金属的金属组分(iii)。此外，还可能优选的是，焊料材料包含：含有由(i)熔点为至少700℃的金属、(ii)熔点小于700℃的金属以及(iii)活性金属组成的组的成员的金属组分(i)，以及含有由(i)熔点为至少700℃的金属、(ii)熔点小于700℃的金属以及(iii)活性金属组成的组的不包括在金属组分(i)中的成员的金属组分(ii)。术语金属组分不受进一步限制。除了金属和金属合金之外，它还包括金属化合物诸如金属间相和其他化合物诸如金属氢化物。根据一个优选实施方案，金属组分因此选自由金属、金属合金和金属化合物组成的组。
25.焊料材料包含(i)熔点为至少700℃的金属。熔点为至少700℃的金属优选地具有至少850℃的熔点、特别优选至少1000℃的熔点。根据一个优选实施方案，熔点为至少700℃的金属选自由铜、镍、钨和钼组成的组。根据一个特别优选的实施方案，熔点为至少700℃的金属是铜。根据一个另外的优选实施方案，焊料材料包含含有熔点为至少700℃的金属的金属组分(i)。根据一个特别优选的实施方案，焊料材料包含含有铜的金属组分(i)。根据一个另外的优选实施方案，金属组分(i)是铜。
26.焊料材料(ii)包含熔点小于700℃的金属。熔点小于700℃的金属优选地具有小于600℃的熔点、特别优选小于550℃的熔点。根据一个优选实施方案，熔点小于700℃的金属选自由锡、铋、铟、镓、锌、锑和镁组成的组。根据一个特别优选的实施方案，熔点小于700℃的金属是锡。根据一个另外的优选实施方案，焊料材料包含含有熔点小于700℃的金属的金属组分(ii)。根据一个特别优选的实施方案，金属组分(ii)是熔点小于700℃的金属与另一种金属的合金。另一种金属可以选自例如由熔点小于700℃的金属、熔点为至少700℃的金属和活性金属组成的组。根据一个另外的优选实施方案，含有熔点小于700℃的金属的金属组分(ii)选自由锡、铋、铟、镓、锌、锑、镁、锡-铜合金、锡-铋合金、锡-锑合金、锡-锌-铋合金和铟-锡合金组成的组。根据又一个特别优选的实施方案，含有熔点小于700℃的金属的金属组分(ii)选自由锡、锡-铜合金、锡-铋合金、锡-锑合金、锡-锌-铋合金和铟-锡合金组成的组。
27.焊料材料包含活性金属。活性金属优选地是通过化学反应在由焊料材料的成分形成的焊料与陶瓷之间产生连接的金属。根据一个优选实施方案，活性金属选自由铪、钛、锆、铌、钽、钒和铈组成的组。根据一个更优选的实施方案，活性金属选自由铪、钛、锆、铌和铈组成的组。根据一个特别优选的实施方案，活性金属选自由铪、钛和锆组成的组。根据一个非常特别优选的实施方案，活性金属是钛。根据一个另外的优选实施方案，焊料材料包含含有活性金属的金属组分(iii)。根据一个特别优选的实施方案，金属组分(iii)是活性金属合金或活性金属化合物，特别优选活性金属氢化物。金属组分(iii)优选地选自由氢化钛、钛-锆-铜合金、氢化锆和氢化铪组成的组。根据一个特别优选的实施方案，金属组分(iii)选自由氢化铪、氢化钛和氢化锆组成的组。根据一个非常特别优选的实施方案，金属组分(iii)是氢化钛。
28.根据一个优选实施方案，相对于焊料材料的总金属重量，熔点为至少700℃的金属
的比例为50重量％至90重量％、更优选55重量％至90重量％、特别优选65重量％至90重量％、非常特别优选70重量％至90重量％。根据一个另外的优选实施方案，相对于焊料材料的总金属重量，熔点小于700℃的金属的比例为5重量％至45重量％、更优选5重量％至40重量％、特别优选5重量％至30重量％、非常特别优选5重量％至25重量％。根据又一个优选实施方案，相对于焊料材料的总金属重量，活性金属的比例为1重量％至20重量％、更优选1重量％至15重量％、特别优选1重量％至12重量％、非常特别优选1重量％至10重量％。
29.焊料材料优选地不含银或含少量银。因此，相对于焊料材料的金属总重量，银的比例优选小于3.0重量％、特别优选小于1.0重量％、非常特别优选小于0.2重量％。不存在银或仅存在少量银意味着可以避免或减少银在成品金属-陶瓷基板中的连接层边缘处的迁移。令人惊讶的是，已发现根据本发明的方法还可以改进具有这种降低的银含量的金属-陶瓷基板的电流传导性和热传导性。这是令人惊讶的，因为由于银作为焊料基料被替换，此类金属-陶瓷基板实际上代表具有其他材料特性的独立连接类别，这有时需要对其他焊料成分和改良的接合条件的适应。
30.根据一个另外的优选实施方案，焊料材料含少量硅或不含硅。因此，相对于焊料材料中所有金属和半金属的总重量，硅的比例优选小于3.0重量％、特别优选小于1.0重量％、非常特别优选小于0.5重量％。
31.焊料材料与陶瓷体和金属箔接触。因此，焊料材料优选地位于陶瓷体与金属箔之间。例如，可以将焊料材料提供在陶瓷体上，然后可以将金属箔施加到焊料材料上。焊料材料优选地是选自由含有熔点为至少700℃的金属、熔点小于700℃的金属和活性金属的糊料、箔和沉积物组成的组的至少一种材料。因此，焊料材料也可以由两种或更多种不同组成的材料形成。例如，优选地与陶瓷体直接接触的第一材料可以包含含有活性金属的金属组分(iii)，并且优选地布置在第一材料与金属箔之间的第二材料可以包含含有熔点为至少700℃的金属的金属组分(i)和含有熔点小于700℃的金属的金属组分(ii)。
32.焊料材料可以是糊料。糊料优选地包含(a)含有熔点为至少700℃的金属、熔点小于700℃的金属和活性金属的至少一种金属组分，以及(b)有机介质。
33.有机介质优选地是通常用于相应技术领域的有机介质。优选地，有机介质包含有机粘结剂、有机分散介质或它们的混合物。
34.优选地在加热过程中从焊料材料中除去有机粘结剂。有机粘结剂优选地是热塑性的或热固性的。有机粘结剂的示例包括纤维素衍生物(诸如乙基纤维素、丁基纤维素和醋酸纤维素)、聚醚(诸如聚甲醛)和丙烯酸树脂(诸如聚甲基丙烯酸甲酯和聚甲基丙烯酸丁二醇酯)。
35.有机分散介质优选地是赋予糊料合适粘度并且在糊料干燥过程中或在加热过程中被排出的有机化合物。有机分散介质可以选自例如脂族醇、萜烯醇、脂环醇、芳族环状羧酸酯、脂族酯、卡必醇和脂族多元醇。有机分散介质的示例包括辛醇、癸醇、萜品醇(例如二氢萜品醇)、环己醇、邻苯二甲酸二丁酯、卡必醇、乙基卡必醇、乙二醇、丁二醇和甘油。
36.此外，糊料可以含有常规添加剂。此类添加剂的示例包括无机粘结剂(诸如玻璃料)、稳定剂、表面活性剂、分散剂、流变改性剂、润湿助剂、消泡剂、填料和硬化剂。
37.根据一个优选实施方案，相对于糊料的总重量，含有熔点为至少700℃的金属、熔点小于700℃的金属和活性金属的至少一种金属组分的比例为20重量％至95重量％、更优
选30重量％至95重量％、特别优选75重量％至95重量％。根据一个另外的优选实施方案，相对于糊料的总重量，有机介质的比例为5重量％至80重量％、更优选5重量％至70重量％、特别优选5重量％至25重量％。
38.根据一个另外的优选实施方案，(a)含有熔点为至少700℃的金属、熔点小于700℃的金属和活性金属的至少一种金属组分的总重量与(b)有机介质的重量的比率为至少5:1、特别优选至少7:1、非常特别优选至少8:1。根据一个另外的优选实施方案，(a)含有熔点为至少700℃的金属、熔点小于700℃的金属和活性金属的至少一种金属组分的总重量与(b)有机介质的重量的比率在1:1至20:1的范围内、特别优选在2:1至20:1的范围内、非常特别优选在5:1至15:1的范围内。
39.为了提供叠堆，优选地将糊料施加到陶瓷体的表面上。例如可以通过分散方法或印刷方法施加糊料。合适的印刷方法是例如丝网印刷法、喷墨印刷法和胶版印刷法。优选地，通过丝网印刷法将糊料施加到陶瓷体的表面上。
40.在施加糊料之后，如果需要，可以将糊料预干燥。预干燥可以在室温或高温下进行。预干燥的条件可以根据糊料中所含的有机介质而变化。预干燥温度可以例如在50℃至180℃的范围内，并且优选地在80℃至150℃的范围内。预干燥通常进行2分钟至2小时的时间、优选5分钟至1小时的时间。
41.然后可以将金属箔的表面施加到糊料上，如果需要，将其预干燥，以获得叠堆。
42.焊料材料也可以是箔。
43.箔包含(i)熔点为至少700℃的金属，(ii)熔点小于700℃的金属，以及(iii)活性金属。另外，箔可以包含其他成分，诸如合适的粘结剂。
44.箔可以例如通过以下方式获得：均化含有熔点为至少700℃的金属、熔点小于700℃的金属和活性金属以及任选的另外成分的至少一种金属组分，并将它们加热至低于熔点为至少700℃的金属、熔点小于700℃的金属和活性金属的熔融温度但足以在金属之间形成粘结的温度。该温度可以是例如至少200℃。
45.另选地，箔可以例如通过以下方式获得：混合含有熔点为至少700℃的金属、熔点小于700℃的金属和活性金属以及粘结剂的至少一种金属组分，并形成和加热混合物以形成生坯。在加热过程中，粘结剂可以固化并形成金属分布于其中的基质。
46.例如，为了提供叠堆，可以将箔放置在陶瓷上。然后可以将金属箔的表面施加到位于陶瓷上的箔上以获得叠堆。
47.根据一个另外的实施方案，焊料材料可以是沉积物。焊料的沉积物可以例如通过电镀或化学气相沉积来产生。优选地，焊料材料的沉积物在陶瓷体上产生。然后可以将金属箔施加到沉积在陶瓷上的焊料材料上以获得叠堆。
48.在提供叠堆之后，加热叠堆，叠堆穿过用于加热的加热区。
49.优选地对叠堆进行加热以获得金属-陶瓷基板。根据一个优选实施方案，进行加热，其中获得金属-陶瓷基板，从而经由焊料材料在陶瓷体与金属箔之间形成整体粘结。整体粘结优选地形成为使得活性金属成为与陶瓷体的连接的一部分，并且熔点为至少700℃的金属、熔点小于700℃的金属和金属箔的金属连接以形成合金。在随后的凝固过程中，然后经由焊料材料在陶瓷体与金属箔之间形成整体粘结。
50.因此，使得能够经由焊料材料在陶瓷与金属箔之间形成整体粘结的条件优选地在
加热区中占主导。加热区中存在的温度和气氛优选地是可调节的。加热区优选地具有入口和出口。当穿过加热区时，叠堆优选地通过入口进入加热区并通过出口离开加热区。优选地，入口不同于出口。
51.根据一个优选实施方案，叠堆和加热区被布置成使得可以相对于加热区的位置改变叠堆的位置，以便允许叠堆穿过加热区。优选地，叠堆与加热区之间的距离在穿过加热区之前减小，在穿过加热区过程中达到最小，并且在穿过加热区之后增加。根据一个优选实施方案，为此进行叠堆和加热区的相对移动，其中叠堆和加热区最初执行朝向彼此的相对移动，并且在穿过之后执行远离彼此的相对移动。为此，叠堆可以静止方式布置并且加热区可被布置成可移动的，叠堆可被布置成可移动的并且加热区可以静止方式布置，或者叠堆和加热区可被布置成可移动的。
52.当穿过加热区时，叠堆经历温度升高。因此，叠堆在穿过时距加热区一定距离，这确保了在陶瓷体与金属箔之间形成整体粘结所需的温度输入。
53.令人惊讶的是，已发现当叠堆穿过用于加热的加热区时，可以获得热传导性和电流传导性改进的金属-陶瓷基板。
54.不希望受理论束缚，这可能是由于通过穿过加热区可以实现对能量输入的目标控制这一事实。如果叠堆穿过加热区，则可以将加热区中的温度和叠堆穿过加热区的速度理想地与叠堆的结构和尺寸匹配，使得仅发生在陶瓷体与金属箔之间形成整体粘结所需的能量输入。这防止了过度能量输入，过度能量输入通常会导致熔点为至少700℃的金属和熔点小于700℃的金属到金属箔中的扩散增加，这可能最终导致成品金属-陶瓷基板中的电流传导性和热传导性降低。此外，在穿过加热区时确保温度和加热区中所含的气体(例如惰性气体)的均匀分布。因此，当使用根据本发明的方法产生多个金属-陶瓷基板时，与常规方法(例如使用分批加热炉)相比，所产生的金属-陶瓷基板的质量变化较小。在这方面，已证明通过穿过加热区来加热叠堆优于固定加热(例如在分批加热炉中)。
55.根据一个特别优选的实施方案，在加热炉中、优选地在连续加热炉中加热叠堆。
56.加热炉优选地具有加热区和载体系统。叠堆优选地被布置在载体系统上。优选地，加热区和载体系统被设计成使得可以相对于加热区的位置改变叠堆的位置，以便允许在叠堆穿过加热区时对其进行加热。优选地，加热区和载体系统因此以这样的方式设计：在穿过加热区过程中，叠堆和加热区之间的距离可以减小，直至该距离最小，并且在穿过加热区之后该距离可以增加。根据一个优选实施方案，加热区域和载体系统因此被设计成用于发生相对移动，使得叠堆和加热区域最初执行朝向彼此的相对移动，并且在穿过之后执行远离彼此的相对移动。
57.加热炉优选地是连续加热炉。因此，根据一个优选实施方案，在连续加热炉中加热叠堆，其中在加热过程中叠堆穿过连续加热炉的加热区。连续加热炉优选地具有至少一个加热区以及例如作为载体系统的旋转传送链、传送辊系统或滑动系统，工件可以在该载体系统上被传送通过加热区。在传送方向上，在连续加热炉中在加热区之前和加热区之后可以有另外的区。例如，可能有利的是冷却区在连续加热炉中位于加热区之后。另外，可能有利的是气体入口和气体出口(可以通过其向这些区供应气体(例如惰性气体，诸如氮气))位于加热区和可能存在的任何其他区中。此类连续加热炉在现有技术中是众所周知的(参见例如de 4008979 c1和ep 0085914 a2)。
58.根据本发明的方法的一个优选实施方案，首先将叠堆施加到载体上。例如，载体可以由碳化硅制成。碳化硅载体可以设置有另外的支撑件，例如石墨箔。
59.随后将优选地布置在载体上的叠堆优选地放置在载体系统(例如传送带)上。传送带可以是例如连续加热炉的传送链、传送辊系统或滑动系统。
60.根据一个优选实施方案，叠堆穿过载体系统上的加热区。载体系统优选地例如借助于辊驱动。
61.在加热过程中，将叠堆加热至峰值温度。峰值温度不受进一步限制，并且优选地小于或等于熔点为至少700℃的金属的熔点并且低于金属箔的金属的熔点。根据一个优选实施方案，峰值温度比金属箔的金属的熔点低至少10℃、特别优选低至少50℃。根据一个另外的优选实施方案，峰值温度为至少700℃。峰值温度优选在700℃至1100℃的范围内、特别优选在750℃至1050℃的范围内、非常特别优选在800℃至1000℃的范围内。如本文所用，峰值温度是指借助于热电偶在叠堆处测量的温度。峰值温度是在叠堆处测量的最大温度。为了防止由于熔融金属的过度流动性而引起的不利影响，诸如熔融金属的过度收缩或渗出，本领域技术人员将寻求避免过高的峰值温度。
62.在加热过程中，叠堆在加热持续时间内经历温度输入。本文的加热持续时间优选地是指在加热过程中叠堆暴露于至少200℃的温度的时间段。加热持续时间不受进一步限制，只要它足以确保待连接的表面的润湿和它们用于整体粘结的可用性。根据一个优选实施方案，加热持续时间为至少2分钟、特别优选至少10分钟。根据一个另外的优选实施方案，加热持续时间不超过5小时、特别优选不超过2小时、非常特别优选不超过90分钟。加热持续时间优选在2分钟至5小时的范围内、特别优选在2分钟至2小时的范围内、非常特别优选在10分钟至90分钟的范围内。
63.在加热过程中，叠堆在高温加热持续时间内经历温度输入。本文的高温加热持续时间优选地是指在加热过程中叠堆暴露于至少对应于峰值温度-250℃的温度的时间段。因此，对于900℃的示例性峰值温度，高温加热持续时间对应于在加热过程中叠堆暴露于至少650℃的温度的时间段。根据一个优选实施方案，高温加热持续时间不超过60分钟、更优选不超过50分钟、特别优选不超过45分钟、非常特别优选不超过40分钟。高温加热持续时间优选在2分钟至60分钟的范围内、更优选在3分钟至50分钟的范围内、特别优选在5分钟至45分钟的范围内、非常特别优选在10分钟至40分钟的范围内。
64.在加热过程中，叠堆在峰值温度加热持续时间内经历温度输入。本文的峰值温度加热持续时间优选地是指在加热过程中叠堆暴露于至少对应于峰值温度-50℃的温度的时间段。因此，对于900℃的示例性峰值温度，峰值温度加热持续时间对应于在加热过程中叠堆暴露于至少850℃的温度的时间段。根据一个优选实施方案，峰值温度加热持续时间不超过30分钟、更优选不超过25分钟、特别优选不超过20分钟、非常特别优选不超过15分钟。峰值温度加热持续时间优选在1分钟至30分钟的范围内、更优选在1分钟至25分钟的范围内、特别优选在2分钟至20分钟的范围内、非常特别优选在3分钟至15分钟的范围内。
65.根据一个另外的特别优选的实施方案，高温加热持续时间在10分钟至40分钟的范围内，并且峰值温度加热持续时间在3分钟至15分钟的范围内。
66.令人惊讶的是，已发现较短高温加热持续时间和较短峰值温度加热持续时间对成品金属-陶瓷基板的电流传导性和热传导性具有有利影响。
67.根据一个另外的优选实施方案，峰值温度加热持续时间(以分钟计)与加热持续时间(以分钟计)的比率不超过1:2。峰值温度加热持续时间(以分钟计)与加热持续时间(以分钟计)的比率优选在1:2至1:15的范围内、更优选在1:2至1:10的范围内、特别优选在1:2至1:7的范围内、非常特别优选在1:3至1:6的范围内。令人惊讶的是，已发现在峰值温度加热持续时间(以分钟计)与加热持续时间(以分钟计)的比率在指定范围内的情况下，可以进一步改进金属-陶瓷基板的热传导性和电流传导性。
68.当加热叠堆时，在升温持续时间内发生温度输入。此处的升温持续时间优选地表示叠堆为了从100℃的温度开始达到峰值温度所需的时间段。根据一个优选实施方案，升温持续时间不超过60分钟、特别优选不超过45分钟、非常特别优选不超过30分钟。升温持续时间优选在1分钟至60分钟的范围内、更优选在5分钟至45分钟的范围内、特别优选在10分钟至30分钟的范围内。
69.在加热区中优选地存在非氧化气氛。非氧化气氛优选地是惰性气体气氛。优选地，在加热区中存在氮气氛、氦气氛或氩气氛。根据一个特别优选的实施方案，在加热区中存在氮气氛。优选地，反应性气体、特别是氧气在非氧化气氛中的比例小于1000ppm、更优选小于500ppm、特别优选小于40ppm。
70.当加热叠堆时，经由焊料材料在陶瓷体与金属箔之间形成整体粘结，以获得金属-陶瓷基板。如果需要，可以使金属-陶瓷基板经受进一步的处理步骤。例如，可以抛光金属-陶瓷基板、优选金属-陶瓷基板的金属箔的暴露表面。优选地，物理或化学抛光金属-陶瓷基板的金属箔的表面。此外，可以构造金属-陶瓷基板。例如，金属-陶瓷基板可以设置有导体迹线。导体迹线优选地通过蚀刻产生。
71.根据本发明产生的金属-陶瓷基板可以特别用于电子应用，尤其是电力电子领域。
72.根据一个优选实施方案，本发明还涉及一种如上所述关于所述方法的加热炉。所述加热炉优选地具有
73.(1)加热区，
74.(2)载体系统，以及
75.(3)叠堆，所述叠堆布置在所述载体系统上并且包含
76.a1)陶瓷体，
77.a2)金属箔，以及
78.a3)与所述陶瓷体和所述金属箔接触的焊料材料，所述焊料材料包含：
79.(i)熔点为至少700℃的金属，
80.(ii)熔点小于700℃的金属，以及
81.(iii)活性金属，
82.其中所述加热区和所述载体系统被设计成使得可以相对于所述加热区的位置改变所述叠堆的位置，以便允许在所述叠堆穿过所述加热区时对其进行加热。
83.根据一个特别优选的实施方案，加热炉是连续加热炉。载体系统优选地被设计成旋转传送链、传送辊系统或滑动系统。根据一个优选实施方案，叠堆被布置在传送链上并且可以在传送链上移动穿过加热区。
84.加热炉特别适于实施根据本发明的方法。
85.示例性实施方案：
86.在实施例中，在各种条件下产生金属-陶瓷基板。在每种情况下，提供包含陶瓷体、金属箔以及与陶瓷体和金属箔接触的焊料材料的叠堆，然后加热。焊料材料是含有铜、锡和钛作为金属的标准糊料。然后定性评价电流和热传导性。用其他材料组合也可以获得类似的结果。
87.实施例1：
88.为了产生金属-陶瓷基板，首先将31.67重量％的sncu0.7粉末、7.24重量％的氢化钛和9.50重量％的含有texanol的有机媒介物在立式混合器中以35hz混合20分钟。然后，以增量添加51.59重量％的铜粉。将由此产生的混合物高速搅拌，直至获得均匀的糊料。
89.利用以这种方式产生的糊料，将陶瓷体的相对表面接合到铜箔的两面。为此，在每种情况下使用尺寸为177.8mm
×
139.7mm
×
0.32mm且前后特性相同的陶瓷体(从toshiba materials获得)。借助于165目筛网将糊料丝网印刷到这种陶瓷体的背面上尺寸为137
×
175mm2的区域中，并在125℃下预干燥15分钟。预干燥后的糊料厚度为35μm+/-5μm。然后将由此产生的布置翻转，并将糊料同样印刷到陶瓷体的正面上，并预干燥。然后在两面设置有糊料的陶瓷的两面上设置上由纯度为99.99％且尺寸为174mm
×
137mm
×
0.3mm的无氧高导电铜制成的铜箔，以获得具有以下结构的叠堆：铜箔-预干燥糊料-陶瓷-预干燥糊料-铜箔。
90.然后在连续加热炉中加热叠堆。为此，首先将施加有石墨箔的碳化硅板放置在连续加热炉的传送链上。将叠堆放置在石墨箔上，然后用另一石墨箔覆盖并用另一碳化硅板加重(重量＝600g)。该结构随后在传送链上被传送通过连续加热炉的加热区。峰值温度(利用由temperatur messelemente hettstedt gmbh制造的k型热电偶在叠堆处测量)为935℃。然后将由此获得的金属-陶瓷基板冷却至室温，以获得包含两面经由连接层连接到铜层的陶瓷层的金属-陶瓷基板。
91.实施例2：
92.类似于实施例1进行实施例2，但峰值温度(使用由temperatur messelemente hettstedt gmbh制造的k型热电偶在叠堆处测量)为910℃。
93.比较例：
94.类似于实施例1进行比较例，但在分批加热炉中而不是在连续加热炉中加热叠堆。为此，将叠堆放置在分批加热炉中并加热。峰值温度(利用由temperatur messelemente hettstedt gmbh制造的k型热电偶在叠堆处测量)为910℃。
95.然后如下评价在实施例中获得的金属-陶瓷基板的热传导性和电流传导性：
96.实施例传导性实施例1高实施例2高比较例低
97.已发现，当使用根据本发明的方法时，可以显著改进金属-陶瓷基板的传导性。不希望受理论束缚，这可能是由于以下事实：由于仅临时穿过加热区，与常规方法相比，根据本发明的方法能够实现精确的目标能量输入，该目标能量输入一方面足够高以确保形成整体粘结，但另一方面可防止金属从焊料材料深深地渗入金属箔中。因此，可以显示，在根据本发明的方法中，熔点小于700℃的金属(在实施例中为锡)渗入金属箔中的深度小于常规方法的情况。对于在实施例1和2中获得的金属-陶瓷基板，深度分布分析显示，与比较例的
金属-陶瓷基板相比，锡到铜箔中的扩散减少超过30％。因此，在实施例1和2中，成品金属-陶瓷基板的传导性较少受损。

技术特征：

1.一种用于产生金属-陶瓷基板的方法，所述方法包括以下步骤：a)提供叠堆，所述叠堆包含a1)陶瓷体，a2)金属箔，以及a3)与所述陶瓷体和所述金属箔接触的焊料材料，所述焊料材料包含：(i)熔点为至少700℃的金属，(ii)熔点小于700℃的金属，以及(iii)活性金属，以及b)加热所述叠堆，所述叠堆穿过用于加热的加热区。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述陶瓷体的所述陶瓷选自由氮化铝陶瓷、氮化硅陶瓷和氧化铝陶瓷组成的组。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述金属箔的所述金属是铜。4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述熔点为至少700℃的金属是铜。5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述熔点小于700℃的金属选自由锡、铋、铟、镓、锌、锑和镁组成的组。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述活性金属选自由铪、钛、锆、铌、钽、钒和铈组成的组。7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，相对于所述焊料材料的总金属重量，银的比例小于3.0重量％。8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述加热区中存在非氧化气氛。9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述加热区中存在氮气氛。10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，峰值温度加热持续时间不超过30分钟，其中所述峰值温度加热持续时间是指所述叠堆暴露于至少对应于所述峰值温度-50℃的温度期间的持续时间。11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，升温持续时间不超过60分钟，其中所述升温持续时间表示所述叠堆为了从100℃的温度开始达到所述峰值温度所需的时间段。12.一种加热炉，所述加热炉至少具有(1)加热区，(2)载体系统，以及(3)叠堆，所述叠堆布置在所述载体系统上并且包含a1)陶瓷体，a2)金属箔，以及a3)与所述陶瓷体和所述金属箔接触的焊料材料，所述焊料材料包含：(i)熔点为至少700℃的金属，(ii)熔点小于700℃的金属，以及(iii)活性金属，
其中所述加热区和所述载体系统被设计成使得能够相对于所述加热区的位置改变所述叠堆的位置，以便允许在所述叠堆穿过所述加热区时对其进行加热。

技术总结

本发明涉及一种用于产生金属-陶瓷基板的方法和一种适于实施该方法的加热炉。利用该方法，可以获得热传导性和电流传导性增加的金属-陶瓷基板。该方法包括以下步骤：a)提供叠堆，该叠堆包含a1)陶瓷体，a2)金属箔，以及a3)与该陶瓷体和该金属箔接触的焊料材料，该焊料材料包含：(i)熔点为至少700℃的金属，(ii)熔点小于700℃的金属，以及(iii)活性金属；以及b)加热该叠堆，该叠堆穿过用于加热的加热区。该叠堆穿过用于加热的加热区。