焊料材料、制造这种焊料材料的方法以及将这种焊料材料用于使金属层结合到陶瓷层上的应用

摘要

一种用于将金属层(20)结合到陶瓷层(10)上的焊料材料(30)，尤其用于构成作为电的元器件的载体的金属‑陶瓷基底，所述焊料材料包括：‑基础材料，和‑活性金属，其中所述焊料材料(30)是膜，所述膜在第一层(31)中具有基础材料并且在第二层(32)中具有活性金属，和其中所述膜的总厚度(GD)小于50μm，优选小于25μm，并且特别优选小于15μm。

说明书

技术领域

本发明涉及一种焊料材料、一种用于制造这种焊料材料的方法以及这种焊料材料用于将金属层结合到陶瓷层上的一种应用。

背景技术

金属-陶瓷基底例如作为电路板或印刷电路板从现有技术中是充分已知的，例如从DE 10 2013 104 739 A1、DE 19 927 046 B4和DE 10 2009 033 029 A1中充分已知。通常，用于电的元器件和带状导线的连接面设置在金属-陶瓷基底的元器件侧上，其中电的元器件和带状导线能够连接在一起以形成电路。金属-陶瓷基底的主要组成部分是绝缘层和至少一个结合到绝缘层上的金属层，所述绝缘层优选由陶瓷制成。由于其相对高的绝缘强度，由陶瓷制成的绝缘层在功率电子设备中被证明为是特别有利的。通过对金属层进行结构化，于是能够实现用于电的元器件的带状导线和/或连接面。

提供这种金属-陶瓷基底的前提条件是将金属层持久地结合到陶瓷层上。除了所谓的直接结合方法，即DCB或DAB方法，在现有技术中已知的是，经由焊料材料将金属层结合到陶瓷层上。

将例如用于将金属层或金属膜，尤其还有铜层或铜膜与陶瓷材料连接的活性焊料方法理解为如下方法，所述方法专门用于制造金属-陶瓷基底。在此，在约650℃-1000℃之间的温度中利用硬焊料建立在金属膜、例如铜膜和陶瓷基底、例如氮化铝陶瓷之间的连接，除了诸如铜、银和/或金的主要组分之外，所述硬焊料还含有活性金属。例如为出自Hf、Ti、Zr、Nb、Ce的至少一种元素的这种活性金属通过化学反应建立在焊料和陶瓷之间的连接，同时在焊料和金属之间的连接是金属硬焊接连接。

从US 2018 0 169 796 A中已知一种三层的焊料材料，其中外层片通过由活性金属构成的两个层形成。膜在此厚于100μm。

从US 6,722,002 B1中描述了一种方法，其中为了构成焊料膜，通过滚压将钛膜设置在铜膜或铜/镍膜之间。在此，膜厚度大于100μm。

在US 3,981,429中描述了一种多层的焊接膜，其中钛层具有薄于25μm的厚度。所述焊接膜应在飞机制造中使用，尤其在结合到蜂窝结构上时使用。

发明内容

本发明的目的是，提供一种焊料材料，所述焊料材料相对于从现有技术中已知的焊料材料得以改进，尤其在将金属层结合到陶瓷层上方面得以改进。

本发明借助根据权利要求1所述的焊料材料、根据权利要求7所述的用于制造焊料材料的方法以及根据权利要求10所述的焊料材料的应用实现所述目的。其他实施形式能够在从属权利要求和说明书中得出。

根据本发明的第一方面提供一种焊料材料，所述焊料材料用于将金属层结合到陶瓷层上，尤其用于构成作为电的元器件的载体的金属-陶瓷基底，所述焊料材料包括：

-基础材料，和

-活性金属，其中所述焊料材料是膜，所述膜在第一层中具有基础材料并且在第二层中具有活性金属，并且

其中所述膜的总厚度小于50μm，优选小于25μm，并且特别优选小于15μm。

与在现有技术中已知的焊料材料相比，根据本发明提出，膜的总厚度小于50μm，优选小于25μm，特别优选小于15μm。这尤其被证明为是有利的，不仅因为通过焊料材料的减小的厚度节省了材料，而且因为此外活性金属能够桥接距陶瓷层和/或金属层的相对小的距离，以便在该处构成反应层，所述反应层实现在AMB工艺的过程中的结合。尤其已证明为特别有利的是，使用这种焊料材料将金属层结合到陶瓷层上，以便因此构成用作为电的元器件的载体的金属-陶瓷基底。所述载体或所述金属-陶瓷基底在生产期间和在运行时尤其受到热负荷，由于金属和陶瓷的不同的膨胀系数，所述热负荷通常会导致相对高的热机械应力，所述热机械应力又会损坏金属-陶瓷基底或缩短其使用寿命。以相应的方式，对在此使用的焊料材料提出特殊要求，所述焊料材料设置用于将金属层结合到陶瓷层上。在此已证实，具有由活性材料构成的第一层和由基础材料构成的第二层的这种薄的焊料材料能够用作膜，以便实现在金属层和陶瓷层之间的持久和稳定的结合。

此外优选提出，总厚度具有在2μm和50μm之间的值，优选在4μm和25μm之间的值，特别优选在6μm和15μm之间的值。已证实，具有这种厚度的构成为膜的焊料材料足以工艺可靠地实现陶瓷层和金属层之间的连接。已证明为有利的是针对这种膜或焊料材料的所给出的总厚度，其中最外层，例如第一和第三层或最终的保护层不含活性金属。

活性金属的示例是钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)、铬(Cr)、铌(Nb)、铈(Ce)和钒(V)。尤其地，基础材料是基于金属的基础材料，优选基于银或基于铜的基础材料。在基于银的基础材料中，银是主要组分，即具有关于重量百分比最高份额的成分，而在基于铜的基础材料中，铜是主要组分。基于银的基础材料的示例是AgCu，尤其是AgCu28、AgCuln、AgCuSn和AgCuGa。基于铜的基础材料的示例是铜CuSn、CuAg、Culn、CuGa、CulnSn、CulnMb、CuGaSn。也可设想的是将NiCrMn或SnCu用作为基础材料。优选地，焊料材料是银-铜-钛混合物，其含有65重量％至75重量％和20重量％至30重量％和2重量％至重量8％的钛，其中银和铜作为基础材料存在于第一层或第三层中，而钛作为活性金属存在于第二层中，并且优选地，银-铜-钛的总和基本上为焊料材料的100重量％，即除了少量杂质。银、铜和钛的这种组合物也称为

可设想作为用于金属-陶瓷基底中的金属化部或金属层的材料是铜、铝、钼和/或其合金，以及层压层，如CuW、CuMo、CuAl、AlCu和/或CuCu，尤其具有第一铜层和第二铜层的铜夹层结构，其中第一铜层中的粒度不同于第二铜层中的粒度。此外优选提出，至少一个金属化部、尤其部件金属化部是表面改性的。作为表面改性部例如可考虑借助于贵金属，尤其是银和/或金，或ENIG(“electroless nicket immersion gold”，化学镀镍浸金)密封或在第一或第二金属化层上进行边缘封装，以抑制形成或裂纹加宽。

优选地，陶瓷层具有Al

符合目的地提出，焊料材料不含银。因此有利地避免了银迁移和/或在金属层和陶瓷层之间的边界层区域中构成难以蚀刻掉的银层，所述银层在金属层中建立结构化部以在“二次蚀刻”的过程中构成带状导线时是尤其不利的。此外，已证明为特别便宜的是，使用不含银的焊料材料，因为能够省去相对昂贵的银。优选地，其是基于铜的焊料材料。此外，对于本领域技术人员而言，如果在焊料材料中银的份额小于2重量％，优选小于1重量％并且特别优选小于0.2重量％，那么理解为是不含银的。也可考虑的是，在焊料材料中银的份额小于15重量％，优选小于10重量％，并且特别优选小于10重量％。

根据一个优选的实施形式提出，膜具有第三层，其中第三层包括基础材料或不同于该基础材料的另一基础材料，其中第二层沿着堆叠方向设置在第一层和第三层之间。因此有利地可行的是，能够提供夹层结构，其中优选地，活性金属设置在第一层和第三层之间。替选地，可设想的是，第一层和第三层由一种或不同的活性金属成形，而第二层提供基础材料并且设置在第一层和第三层之间。

根据另一优选的实施形式提出，第一层具有第一厚度，第二层具有第二厚度并且第三层具有第三厚度，其中第二厚度小于第一厚度和/或第三厚度，尤其小于第一和第三厚度的总和，其中尤其地，第二厚度与第一厚度的比具有在0.01和0.3之间、优选在0.01和0.2之间并且特别优选在0.01和0.1之间的值。换言之：优选具有活性金属或由活性金属构成的第二层与第一和第三层相比相对薄。已证实，即使借助相对少量的活性金属，尤其在第一层和第三层之间，在接合方之间的有意义的和有效的结合，即在金属层和陶瓷层之间的有意义的和有效的结合是可行的。在此已证实，第二层，尤其当所述第二层由活性金属形成时，也能够具有裂纹或者并非必须不中断地或连贯地构成以便能够经由焊料材料在金属层和陶瓷层之间形成有效的结合。也就是说，可设想的是，第二层在焊料材料中在平行于主延伸平面伸展的方向上具有中断部。

优选提出，第二层被图案化和/或具有中断部。尤其地，图案通过在第二层中的留空部或凹槽形成，在第一层和第二层接合之前，所述留空部或凹槽被引入第二层中。例如，在将第二层与第一层和/或第三层接合之前，将所述留空部和凹槽借助于压印工具和/或借助于激光引入第二层中以形成结构化部或图案化部。当经由轧制包覆或电镀进行接合时，这尤其被证明为是有利的，因为在这种情况下由于不同的屈服极限可行的是，让出自第一层和/或第二层的基础材料在第二层中的相应的凹槽和/或留空部中断裂或侵入，由此能够在第一层和第三层上进行实际的电镀。优选地，可设想的是，图案化根据在已制成的金属-陶瓷基底中所规划的带状导线图案来进行。也就是说，所述图案化基本上对应于规划的线路图案或规划的线路图案的一部分。因此，能够有针对性地将活性金属堆积或积累到以下区域中，在所述区域中在稍后制成的金属-陶瓷基底中规划有电带状导线和/或连接面，而在位于其中的区域中省去活性金属。这被证明为是有利的，因为于是能够简单地去除总归要露出的区域，例如在蚀刻的过程中，尤其“二次蚀刻”的过程中。例如可设想的是，图案设计为，在生产金属-陶瓷基底时，焊料材料的无活性金属的区域能够设置在规划的期望断裂线的伸展部上方。优选地，焊料材料包括取向辅助件，以便能够根据期望将焊料材料，尤其图案定向，或者以便在结构化或蚀刻之前识别：在哪个部位处设置有无活性金属的区域。对于本领域技术人员而言，也能够将第二层中的中断部理解为在第二层中的裂纹，所述裂纹例如在接合的过程中产生，并且所述裂纹例如不受控地或无系统地分布在第二层中的与主延伸平面平行地伸展的平面中。

优选地，所述膜具有保护层，尤其沿着堆叠方向观察终止焊料材料的保护层。因此保护焊料材料免受不期望的氧化、磨损或划伤。因此能够实现相对长的存放时间，这进一步简化了焊料材料的处理。例如，保护层是由铜、银、铟、镍和/或钛镍(TiN)构成的层。这种保护层优选在物理或化学气相沉积过程的范畴中实现。

优选提出，第一厚度不同于第三厚度。因此能够使第二层不居中地，而是沿着堆叠方向不对称地在焊料材料内定向。如果接合方之一，例如陶瓷层和/或金属层，需要更高份额的活性材料来确保经由焊料材料进行有效的结合，那么这尤其是有利的。

本发明的另一方面是用于制造根据本发明的焊料材料的方法，其中将第一层和第二层和优选第三层组合成、优选接合成膜。例如，制造在压制过程，例如轧制包覆、抛丸电镀、热压和/或滚压的范畴中进行。因此，小于20μm的总厚度是可行的。此外可设想的是，第一层、第二层和第三层的组成借助于沉积过程，例如借助于物理或化学气相沉积过程，例如溅射来实现。例如，为此将活性材料溅射到基础材料上或将基础材料溅射到活性材料上。因此能够实现以下焊料膜，所述焊料膜例如具有小于8μm或小于5μm的总厚度。替选地，可设想的是，第一层、第二层和/或第三层借助于电镀或电化学过程来组成。例如，在此能够涉及电镀储罐覆层或电镀辊压。因此能够实现小于5μm或者甚至3μm的总厚度。对于焊料材料描述的所有特征和优点类似地适用于所述方法，并且反之亦然。

在电镀时，优选选择用于第一层、第二层和第三层的初始膜，所述初始膜在接合之前就已经薄于100μm薄，优选薄于80μm，并且特别优选薄于50μm。

符合目的地，在第一层和第二层、优选第三层组合之前，将图案引入第二层中。如果第一层和/或第三层的基础材料能够侵入到第二层的该留空部中以便因此实现在第一和第三层之间的直接电镀，那么借助于引入凹槽或留空部将第二层相应地图案化或结构化尤其被证明为是有利的。例如，在第二层中通过压印或冲压过程或借助于利用激光的切割过程将图案引入第二层中。

优选地，在形成膜之后，将膜设置在金属层和/或陶瓷层上，所述金属层和/或陶瓷层与膜相互连接。例如，在生产之后立即将膜放置在金属层和/或陶瓷层上。替选地，也可设想的是，将膜中暂存，例如作为“线圈”。

本发明的另一主题是根据本发明的焊料材料用于将金属层结合到陶瓷层上，尤其用于构成金属-陶瓷基底的应用。对于焊料材料描述的所有特征和特性能够类似地转用于所述应用，并且反之亦然。如已经表明的那样，如果将根据本发明的焊料材料用于将金属层连接到陶瓷层上，尤其以构成金属-陶瓷基底，所述金属-陶瓷基底用作为用于电气或电子元器件的载体，那么使用所述焊料材料尤其被证明为是有利的。在此可设想的是，在使用焊料材料的过程中，在将焊料材料设置在陶瓷层和金属层之间之后，使陶瓷层、金属层和焊料材料整体经受温度处理。在此可设想的是，温度处理包括在温度发展中的时间变化，例如在结合工艺期间使用斜坡状的温度变化曲线。优选地，使用约900℃的工作温度。优选地，在结合工艺中使用650℃和1050℃、优选在700℃和1000℃之间并且特别优选在750℃和950℃之间的工作温度。

附图说明

参考附图从以下对根据本发明的主题的优选的实施形式的描述中产生其他优点和特征。各个特征和各个实施形式在此在本发明的范围中能够相互组合。

附图示出：

图1示出陶瓷层、焊料材料和金属层的示意图；

图2示出根据本发明的一个优选的实施形式的焊料材料；

图3示出根据本发明的第一优选的实施形式的用于制造焊料材料的方法；

图4示出根据本发明的第二优选的实施形式的用于制造焊料材料的方法；

图5示出根据本发明的第三优选的实施形式的用于制造焊料材料的方法；并且

图6示出根据本发明的第四优选的实施形式的用于制造焊料材料的方法。

具体实施方式

在图1中示出陶瓷层10和金属层20，所述陶瓷层和金属层应通过焊料材料30连接。这种焊料材料30优选用于活性焊接工艺，其中金属层20结合到陶瓷层10上以构成金属-陶瓷基底。金属层20和陶瓷层10在此沿着主延伸平面HSE延伸并且沿着垂直于主延伸平面HSE伸展的堆叠方向S上下相叠地堆叠。尤其地，在这种情况下涉及呈膜形式的焊料材料30。在此，各个接合方的连接，即金属层20和陶瓷层10的连接，在对于设置用于相应的焊料材料30的工作温度例如900℃中进行。在这种情况下，包含在焊料材料30中的活性金属与要接合的表面、尤其陶瓷层10的表面构成反应层。该反应层又被基础材料润湿。以这种方式，在活性焊接工艺期间能够实现在金属层20和陶瓷层10之间的结合部，只要其能够承受在连接或焊接工艺期间存在的温度。尤其提出，为了进行结合，将焊料材料30设置在金属层20和陶瓷层10之间。

在接合金属层20和陶瓷层10之后，将金属层20结构化，例如通过刻蚀、激光和/或铣削来结构化，以便构成带状导线和/或连接面，由此所述金属-陶瓷基底能够用作为电路板。

在图2中示出根据本发明的一个优选的实施形式的焊料材料30。尤其地，焊料材料30包括第一层31和第二层32。在此，作为膜提供的焊料材料30通过由基础材料构成的第一层31和由活性材料构成的第二层32组成。优选地，焊料材料30包括第三层33，其中尤其地，由活性材料构成的第二层32设置在由基础材料构成的第一层31和由基础材料构成和/或由与第一层31的基础材料不同的另外的基础材料构成的第三层33之间。换言之：第一层31、第二层32和第三层33形成夹层结构，尤其三金属结构。替选地，可设想的是，第一层31和第三层33由相同或不同的活性材料成形，同时在由活性材料构成的第一层31和第三层33之间以第二层32的构型设置基础材料。在这种情况下，第一层31和第三层33优选被另一保护层包围或包罩。

优选提出，第一层31、第二层32和第三层33沿着堆叠方向S观察上下相叠地设置，其中沿着堆叠方向测量，第一层31具有第一厚度D1，第二层32具有第二厚度D2，并且第三层33具有第三厚度D3。在此尤其提出，第二厚度D2与第一厚度D1和/或与第三厚度D3的比具有在0.01和0.3之间，优选在0.01和0.2之间，并且特别优选在0.01和0.1之间的值。此外还可设想的是，第一厚度D1与第三厚度D3不同，使得第二层32沿着堆叠方向S观察不居中地，而是非对称地设置在由第一层31、第二层32和第三层33构成的复合结构中。

此外，特别优选地提出，膜的总厚度GD小于50μm，优选小于25μm，并且特别优选小于15μm。在此，膜的总厚度GD优选沿着堆叠方向S从外侧测量，所述外侧在结合方法期间贴靠或邻接于陶瓷层10或金属层20。这样薄的焊接材料30不仅由于降低的材料耗费被证明为是有利的，而且也关于以下距离被证明为是有利的，所述距离是活性材料需克服以便达到在焊接材料30和陶瓷层10或焊料材料30和金属层20之间的边界层的距离。因此能够确保：足够的活性材料到达与陶瓷层10或金属层20的边界区域中，以便在该处构成反应层。这对于在金属层20和陶瓷层10之间进行成功的结合所需的活性材料的量再次附加地证明为是有利的。

在图3中示出根据本发明的第一示例性的实施形式的用于制造焊料材料30的方法。尤其地，图3的实施例中的方法提出，提供第一层31、第二层32和第三层33，并且在轧制包覆过程中利用辊35将它们接合在一起。优选地，在此，将用于第一层31、第二层32和第三层33的初始膜选择为，使得其在接合之前就已经薄于200μm，优选薄于100μm并且特别优选薄于50μm。

例如可设想的是将钛等级1或钛4N层用作为第二层32，所述第二层例如具有10μm的第二厚度D2。在轧制包覆或滚压步骤的范畴中接合在一起的由第一层31、第二层32和第三层33构成的整体由于轧制包覆形成焊料膜或焊料材料30，其总厚度GD为第一层31、第二层32和第三层33在接合之前的总厚度的一半。特别优选地提出，在对于接合所设置的滚压步骤，即接合滚压步骤之后，设有至少一个另外的滚压步骤、优选多个另外的滚压步骤，以便进一步减小焊料材料30的总厚度GD。尤其地，在使用第二层32，优选由活性材料构成的第二层32时，在优选由所述基础材料或其他基础材料构成的第一层31和第三层33之间，通过轧制包覆或重复的轧制包覆在第二层32中产生裂纹。已证实，尽管存在这些裂纹或中断部，金属层20和陶瓷层10的成功结合仍是可行的。

在图4中示出根据本发明的第二示例性的实施形式的用于制造焊料材料30的方法。在此，该实施例再次利用轧制包覆将第一层31、第二层32和第三层33接合为焊料材料30。图4中的方法与图3中的方法的区别在于，第二层32是结构化的，即，第二层是图案化的或者具有有针对性地引入的中断部。尤其地，凹槽或留空部或中断部引入第二层32中，第一层31和/或第三层33能够在轧制包覆期间侵入或挤入其中。如果基础材料或基础材料的选择引起第一层31或第三层33在其屈服极限方面与第二层32不同，这尤其被证明为是有利的。通过使用在第二层32中的凹槽或留空部，第二层32，尤其构成为活性材料层的第二层32于是能够有利地在轧制包覆期间断裂，并且实际的电镀过程经由第一层31和第三层33在断裂区中进行，即在第二层32的两个凹槽或留空部或中断部之间的区域中进行。为了在第二层32中构成图案或结构化部，例如使用锯割工具或激光器。替选于轧制包覆，也能够使用爆炸包覆、热压和/或滚压。借助于这种方法能够实现小于20μm的用于焊料膜的总厚度GD。

在图5中示出根据第三示例性的实施形式的用于制造焊料材料30的方法。在所示出的实施例中，第二层32经过覆层设备40。为此，尤其由基础材料或活性金属或活性材料形成的第二层32从第一辊45展开，并且随后沿着前方方向F输送，以便在离开覆层设备40之后卷绕在第二辊46上。覆层设备40优选借助于沉积过程，尤其化学或物理气相沉积过程，例如溅射对第二层32的前侧和/或背侧进行覆层。在图5中示出的实施例中，呈钛形式的活性材料借助于第一沉积设备41涂覆到第二层32的外侧上。在涂覆活性材料之后，借助于通过第二沉积设备42进行的进一步的气相沉积附加地覆层，所述第二沉积设备又以优选呈铜形式的保护层来覆盖所述活性材料。优选地，第一沉积设备41和/或第二沉积设备42的气相沉积过程在沿着第二输送方向F运动的第二层32的这两侧上进行。

在图6中示出根据第四示例性的实施形式用于制造焊料材料30的方法。在这种情况下尤其提出，第一层31和第三层33电镀地或电化学地涂覆到第二层32上。在此，优选地，第二层32是活性金属膜。然后将卷绕在第一辊45上的第二层32展开并且经由转向辊47引导穿过容器，在所述容器中存在电镀介质49和电极48。

因此，与电极48和电镀介质49一起确保：第二层32被相应的基础材料覆盖，使得构成由基础材料构成的第一层31和第二层32。因此能够有利地生产总厚度GD小于5μm或者甚至小于3μm的焊料膜30。

附图标记列表：

10 陶瓷层

20 金属层

30 焊料材料

31 第一层

32 第二层

33 第三层

35 轧辊

40 覆层设备

41 第一沉积设备

42 第二沉积设备

45 第一辊子

46 第二辊子

48 电极

47 偏转辊

49 电镀介质

F 输送方向

S 堆叠方向

HSE 主延伸平面

D1 第一厚度

D2 第二厚度

D3 第三厚度

GD 总厚度。