[发明专利]用于产生金属-陶瓷基板的方法和加热炉

说明书

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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：

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