專利名稱：具有其表面已金屬化的陶瓷體的結(jié)構(gòu)部件的制作方法
具有其表面已金屬化的陶瓷體的結(jié)構(gòu)部件本發(fā)明涉及一種具有一個(gè)陶瓷體的結(jié)構(gòu)部件，所述陶瓷體在至少一個(gè)區(qū)域中在它 的表面上用金屬化部覆蓋。隨著大功率電子裝置越來越進(jìn)入更高的電壓范圍關(guān)于高絕緣電壓和大的部分放 電耐受度的要求在增加。此外絕緣強(qiáng)度和部分放電耐受度和底板絕緣的厚度、材料和均質(zhì) 性，和殼體材料、填充材料有關(guān)，并且在必要時(shí)也和芯片的布局有關(guān)。由以頻率大體低于3KHz，并且主要是在間歇式運(yùn)行時(shí)，例如主要是在牽引、提升和 脈沖應(yīng)用時(shí)，引起模塊內(nèi)部的連接，也就是粘接連接、芯片的背面釬焊，DCB/底板的釬焊和 基質(zhì)層(Al2O3或者AlN上的銅)的溫度交變應(yīng)力。單個(gè)層的不同的線膨脹系數(shù)在制造和運(yùn) 行期間引起熱應(yīng)力。這些應(yīng)力最終導(dǎo)致材料疲勞和磨損。壽命(可能的換向循環(huán)的次數(shù)) 隨著在這些循環(huán)期間的芯片溫度的變化幅度的提高而下降。DE 10 2004 033 227 Al公開了一種板形的金屬陶瓷基質(zhì)。這種基質(zhì)可靠地包含 有< IOpC 的部分放電耐受度(Teilentladungsfestigkeit)。本發(fā)明的任務(wù)是提供一種具有在它的表面上金屬化的陶瓷體的結(jié)構(gòu)部件。這種結(jié) 構(gòu)部件不僅是板形的，平整的，并且具有高的部分放電耐受度。本發(fā)明的任務(wù)借助權(quán)利要求1的特性特征得以完成。在從屬權(quán)利要求中介紹了本 發(fā)明的一些有利的方案。根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)部件是立體設(shè)計(jì)。陶瓷體不是一個(gè)平板，而是一個(gè)三維的物體。這樣例如可在一個(gè)平板上可連接另一些部件，這樣就可以產(chǎn)生任何形狀的物體。但是整個(gè) 物體是整體的，也就是說它不是由單個(gè)部件組成。例如當(dāng)多個(gè)另外的平板垂直在一個(gè)平板 上，則例如可產(chǎn)生一個(gè)E形的總物體。散熱器(Heatsink)例如具有這樣的形狀。根據(jù)本發(fā)明，由相同類型的或者不同的材料構(gòu)成的金屬化部的至少兩層之間，以 及在金屬化部的層和陶瓷之間的部分放電耐受度<20pC。按照規(guī)定的相同的或者不相同的 測(cè)量方法，在相同的或者不相同的，或者變化的規(guī)定測(cè)量電壓下或者在相同的或者不相同 的或者變化的測(cè)量條件下達(dá)到這一部分放電耐受度。測(cè)量條件例如可以是壓力或者溫度或 者空氣濕度或者金屬化部的相同的或者不相同的距離。當(dāng)在陶瓷體上施加金屬化部時(shí)，或重疊的幾個(gè)金屬化部時(shí)可能在邊緣區(qū)域形成氣 泡和空腔以及分離。在相連接的結(jié)構(gòu)部件和金屬化部之間的過渡處也會(huì)出現(xiàn)這種情況。 在兩個(gè)金屬化部之間以及在一個(gè)金屬化部和陶瓷體之間，或者在一個(gè)連接的結(jié)構(gòu)部件和 金屬化部之間的過渡處的這些缺陷對(duì)部分放電耐受度有不良的影響。為了不超過所要求 的< 20pC的部分放電耐受度，這些缺陷處的直徑不得超過100 μ m，并且其高度不得超過 100 μ m。這個(gè)直徑表示一個(gè)任意形成的缺陷的內(nèi)接一個(gè)圓的投影。此外通過金屬化部的結(jié)構(gòu)化形成的在結(jié)構(gòu)部件的表面上的突起部或者凹陷形狀 的缺陷由于在這些部位的電場(chǎng)的干擾而對(duì)部分放電耐受度有影響。因此這些缺陷只允許有 這樣的邊緣曲線，即它的曲率半徑不低于10 μ m，這樣就不超過所要求的< 20pC的部分放 電耐受度。作為金屬化部?jī)?yōu)選地金屬以涂層或者薄膜或者薄片的形式全表面或者部分表面地和陶瓷體材料連接或機(jī)械形狀配合連接。所述金屬具有和陶瓷體相同或者不同的導(dǎo)熱 性。金屬化部例如可由鎢、銀、金、銅、鉬、鈀、鎳、鋁或者鋼以純的或者技術(shù)的質(zhì)量構(gòu)成，或者 由至少兩個(gè)不同的金屬的混合物構(gòu)成。金屬化部例如也可附加地或者單獨(dú)地由反應(yīng)焊料、 軟焊料或者硬焊料構(gòu)成。給以涂層或者薄膜或者薄片的形式金屬化部的金屬添加增加附著力的添加材料 或者其它的添加材料，例如玻璃或者聚合的材料，或者可用這些材料給所述金屬涂層，以提 高陶瓷體上的金屬化部的附著性。金屬化部的層或者一些層是在使用一種DCB方法(Direct CopperBonding-直接 銅熔接)，或者AMB方法(Active Metal Brazing-活性金屬釬焊)，或者絲網(wǎng)印刷方法，或 者電解方法，或者化學(xué)沉積，或者蒸鍍方法，或者借助粘接或者粘貼，或者這些方法的組合 施加到對(duì)置的，和/或相鄰的表面上的陶瓷體的表面上。陶瓷體上的金屬化部由每個(gè)金屬化表面的至少一個(gè)層構(gòu)成。金屬化部作為金屬體 部分表面地，或者全表面地，或者部分地，或者全部地以平面平行或者幾乎平面平行的形式 或者任意幾何形狀成形地，或者這些形式組合地覆蓋陶瓷體的表面。金屬化部的層厚度應(yīng)低于2毫米，這樣就不超過所要求的< 20pC的部分放電耐受度。陶瓷體上的一個(gè)或者多個(gè)金屬化部可僅由銅構(gòu)成。和陶瓷體的連接可借助絲網(wǎng)印刷方法，并且接著進(jìn)行熱處理，或者借助DCB方法完成。在陶瓷體上的一個(gè)或者多個(gè)金屬化部可僅由鋁構(gòu)成。和陶瓷體的連接可借助絲網(wǎng)印刷方法，并且接著進(jìn)行熱處理，或者借助AMB方法完成。若應(yīng)在陶瓷體的或者在一個(gè)金屬化部的表面上施加另一個(gè)層，下述做法是有利 的，即為了增加附著力施加一個(gè)中間層。這樣一個(gè)中間層優(yōu)選地具有< 20cm的厚度。若應(yīng) 借助DCB方法例如將由銅構(gòu)成的金屬化部施加到氮化鋁_陶瓷上，則下述做法是有利的，即 在陶瓷體的表面上產(chǎn)生一個(gè)由Al2O3構(gòu)成的中間層。通過這一措施提高了帶銅的金屬化的 附著強(qiáng)度。至少一個(gè)金屬化部和/或另一金屬化部與陶瓷體的連接> 90%。至少一個(gè)金屬化部用至少12N/厘米的附著強(qiáng)度和陶瓷體連接。通過這一措施保證，特別是通過熱負(fù)荷也不會(huì)使金屬化部從陶瓷體上分離。結(jié)構(gòu)部件的本體由陶瓷材料構(gòu)成。所述陶瓷材料在它的組成上可和所要求的特性，例如絕緣、部分放電耐受度和熱穩(wěn)定性相協(xié)調(diào)。陶瓷材料作為主成份含有50. 1重量％至100重量％的&02/Hf02，或者51. 1重 量％至100重量％ WAl2O3，或者50. 1重量％至100重量％&Α1Ν，或者50. 1重量％至100 重量^WSi3N4，或者50. 1重量％至100重量％&Be0，50. 1重量％至100重量％&SiC，或 者以規(guī)定的比例范圍按任意組合的至少兩個(gè)主成份的組合，以及作為副成份含有在至少一 種氧化階段里和/或化合物里的元素Ca、Sr、Si、Mg、B、Y、Sc、Ce、Cu、Zn、Pb，所述元素的氧 化物和/或化合物單獨(dú)地或者按規(guī)定份額范圍以任意組合具有< 49. 9重量％的份額。主 成份和副成份在扣除< 3重量％的雜質(zhì)份額的情況下以任意的組合彼此組合成一個(gè)100重 量％的總組成。優(yōu)選地將結(jié)構(gòu)部件的陶瓷體設(shè)計(jì)為散熱件。這個(gè)散熱件可以理解為這樣的物體，即它支承著電氣的或者電子的結(jié)構(gòu)元件或者線路，并且它是如此形成的，即它可如此地排 走在結(jié)構(gòu)元件或者線路中出現(xiàn)的熱量，即不出現(xiàn)可損害結(jié)構(gòu)元件或者線路的蓄熱。這個(gè)支 承體是由這樣一種材料構(gòu)成的物體，即它不導(dǎo)電或者幾乎不導(dǎo)電，并且具有良好的導(dǎo)熱性 能。用于這種物體的理想材料是陶瓷。該物體是整件的，并且具有用于保護(hù)電子結(jié)構(gòu)元件或線路的排熱或者輸熱部件。優(yōu)選地支承體是一個(gè)印制電路板，元件是孔、通道、肋，和/或空隙，可給它們提供熱或者冷 卻介質(zhì)。介質(zhì)可以是流體或者氣體。支承體，和/或冷卻部件優(yōu)選地由至少一個(gè)陶瓷的部 件或者一個(gè)由不同的陶瓷材料的混合物構(gòu)成。借助一個(gè)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更加詳細(xì)的說明。示出一個(gè)結(jié)構(gòu)部件。它具有一個(gè) 陶瓷體2。根據(jù)本發(fā)明該陶瓷體不是板形的。不是板形的意味著該陶瓷體2的上表面3和 下表面4是如此設(shè)計(jì)的，即它們分別具有一個(gè)不同大小的表面。該陶瓷體為空間結(jié)構(gòu)。結(jié) 構(gòu)部件1的上表面3在本實(shí)施例中具有一個(gè)平的表面。在這個(gè)上表面3上設(shè)置有不同的金 屬化的區(qū)域5。上表面3是一個(gè)線路載體。在陶瓷體2的上表面3的至少一個(gè)金屬化部5 上施加有至少一個(gè)另外的金屬化部6。在本情況中這個(gè)另外的金屬化部覆蓋住第一金屬化 部5的表面的部分表面。在本實(shí)施例中陶瓷體2為E形狀。該陶瓷體是一個(gè)散熱件。陶瓷體2的下側(cè)面4 具有冷卻片7。這些冷卻片7也設(shè)置一些金屬化區(qū)域5。在這些金屬化區(qū)域上例如可以釬 焊一些電子結(jié)構(gòu)部件。在陶瓷體2的表面3上借助釬焊連接9將一個(gè)芯片8固定在一個(gè)金屬化的區(qū)域5 上。通過導(dǎo)線10將芯片和一個(gè)金屬化的區(qū)域5連接。這個(gè)芯片8是一個(gè)熱源。通過冷卻 片7將它的熱量排走。若應(yīng)借助DCB方法將由銅構(gòu)成的金屬化部施加到氮化鋁_陶瓷上，則下述做法是 有利的，即在陶瓷體的表面上設(shè)置一個(gè)由Al2O3構(gòu)成的中間層。在本實(shí)施例中在冷卻片7上 在陶瓷體2的左側(cè)示出了這個(gè)中間層。假設(shè)這個(gè)陶瓷體2是由氮化鋁構(gòu)成，在由銅構(gòu)成的 金屬化部11和陶瓷體2的表面之間產(chǎn)生一個(gè)由Al2O3構(gòu)成的中間層12。借助焊料13將電 子結(jié)構(gòu)部件14和由銅11構(gòu)成的金屬化部連接。
權(quán)利要求
具有陶瓷體(2)的結(jié)構(gòu)部件(1)，其在至少一個(gè)區(qū)域中在它的表面(3、4)上用金屬化部(5、6；11)覆蓋住，其特征在于，在由相同類型的或者不同的材料構(gòu)成的金屬化部(5、6)的至少兩個(gè)層之間，以及在金屬化部的層(5；11)和陶瓷之間的部分放電耐受度＜20pC；并且陶瓷體(2)為空間結(jié)構(gòu)(7)。
2.按照權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)部件，其特征在于，在兩個(gè)金屬化部(5、6)之間的過渡 處，在金屬化部(5 ；11)和陶瓷體(2)之間的過渡處，以及在連接的結(jié)構(gòu)部件(8 ； 14)和金屬 化部(5 ；11)之間的過渡處的形成空腔的缺陷處直徑不超過100 μ m，高度不超過100 μ m。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的結(jié)構(gòu)部件，其特征在于，在結(jié)構(gòu)部件的表面上突起部或者 凹陷處形式的由結(jié)構(gòu)化的金屬化部(5、6;11)形成的缺陷處，具有邊緣曲線，該邊緣曲線的 曲率半徑不低于10 μ m。
4.按照權(quán)利要求1至3的任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)部件，其特征在于，作為金屬化部(5，6; 11)優(yōu)選地金屬以涂層或者薄膜或者薄片的形式材全表面或者部分表面地和陶瓷體(2)材 料連接或形狀配合連接，所述金屬具有和支承體相同或者不同的導(dǎo)熱性。
5.按照權(quán)利要求1至4的任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)部件，其特征在于，金屬化部(5，6;11)由 鎢、銀、金、銅、鉬、鈀、鎳、鋁或者鋼以純的或者技術(shù)的質(zhì)量構(gòu)成，或者由至少兩種不同的金 屬的混合物構(gòu)成，和/或附加地或者單獨(dú)地由反應(yīng)焊料、軟焊料或者硬焊料(9;13)構(gòu)成。
6.按照權(quán)利要求1至5的任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)部件，其特征在于，給以涂層或者薄膜或者 薄片形式金屬化部(5，6;11)的金屬添加增加附著力的添加料或者其它的添加料，如特別 是玻璃或者聚合材料，或者用這些材料給所述金屬涂層。
7.按照權(quán)利要求1至6的任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)部件，其特征在于，陶瓷體(2)上的金屬 化部(5，6;11)由至少一個(gè)層構(gòu)成；這個(gè)層是在使用DCB方法(直接銅熔接)，或者AMB方 法(活性金屬釬焊)，或者絲網(wǎng)印刷方法，或者電解方法，或者化學(xué)沉積，或者蒸鍍方法，或 者借助粘接或者粘貼，或者這些方法的組合施加到對(duì)置的和/或相鄰的表面上的陶瓷體的 表面上。
8.按照權(quán)利要求1至7的任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)部件，其特征在于，金屬化部(5，6；11)作 為金屬體，部分表面、或者全表面、或者部分地、或者全部地以平面平行或者幾乎平面平行 的形式或者任意幾何形狀成形地，或者以這些形式的組合覆蓋陶瓷體(2)的表面(3，4)。
9.按照權(quán)利要求1至8的任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)部件，其特征在于，在陶瓷體(2)的至少一 個(gè)金屬化部(5)上施加至少一個(gè)另外的金屬化部(6)，它部分表面或者全表面地覆蓋其表 面。
10.按照權(quán)利要求1至9的任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)部件，其特征在于，金屬化部(5，6；11)的層厚度低于2毫米。
11.按照權(quán)利要求1至10的任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)部件，其特征在于，陶瓷體(2)上的一個(gè) 或者多個(gè)金屬化部(11)僅由銅構(gòu)成；并且借助絲網(wǎng)印刷方法和接著的熱處理，或者DCB方 法完成和陶瓷體(2)的連接。
12.按照權(quán)利要求1至10的任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)部件，其特征在于，陶瓷體(2)上的一個(gè) 或者多個(gè)金屬化部?jī)H由鋁構(gòu)成；并且借助絲網(wǎng)印刷方法和接著的熱處理，或者AMB-工序完 成和陶瓷體⑵的連接。
13.按照權(quán)利要求1至12的任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)部件，其特征在于，至少一個(gè)金屬化部，和/或另一金屬化部(5，6;11)到陶瓷體(2)上的連接大于90%。
14.按照權(quán)利要求1至13的任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)部件，其特征在于，所述至少一個(gè)金屬化 部(5，6 ；11)用至少12N/cm的附著強(qiáng)度和陶瓷體(2)連接。
15.按照權(quán)利要求1至14的任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)部件，其特征在于，金屬化部(5，6；11) 的層的厚度<2毫米。
16.按照權(quán)利要求1至15的任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)部件，其特征在于，在陶瓷體(2)的至少 一個(gè)表面上，或者在金屬化部的至少一個(gè)表面上，為了增加另一層(11)或者結(jié)構(gòu)部件的附 著力，施加中間層(12)。
17.按照權(quán)利要求16所述的結(jié)構(gòu)部件，其特征在于，中間層(12)的厚度<20μπι。
18.按照權(quán)利要求16或17所述的結(jié)構(gòu)部件，其特征在于，中間層(12)由Al2O3構(gòu)成。
19.按照權(quán)利要求1至18的任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)部件，其特征在于，陶瓷材料作為主成 份含有50. 1重量％至100重量％的&02/Hf02，或者50. 1重量％至100重量％的Al2O3，或 者50. 1重量％至100重量％的A1N，或者50. 1重量％至100重量％的Si3N4，或者50. 1重 量％至100重量％的徹0，50. 1重量％至100重量％的3比，或者以規(guī)定的比例范圍按任意 組合的至少兩個(gè)主成份的組合，以及作為副成份含有在至少一種氧化階段里和/或化合物 里的元素Ca、Sr、Si、Mg、B、Y、Sc、Ce、Cu、Zn、Pb，所述元素的氧化物和/或化合物單獨(dú)地或 者按規(guī)定份額范圍以任意組合具有< 49. 9重量％的份額；并且主成份和副成份扣除< 3重 量％份額雜質(zhì)的情況下以任意的組合彼此組合成100重量％的總組成。
20.按照權(quán)利要求1至19的任一項(xiàng)所述的結(jié)構(gòu)部件，其特征在于，陶瓷體(2)設(shè)置散熱 片(7)，作為散熱件。
全文摘要
隨著大功率電子進(jìn)入越來越高的電壓范圍對(duì)高絕緣電壓和大的部分放電耐受度的要求越來越強(qiáng)烈。因此本發(fā)明建議一種具有陶瓷體(2)的結(jié)構(gòu)部件(1)。所述陶瓷體在它的表面(3、4)上的至少一個(gè)區(qū)域用金屬化部5、6；11)覆蓋住，并且其中，該陶瓷體(2)為空間結(jié)構(gòu)(7)，并且在由相同的類型或者不相同的材料構(gòu)成的金屬化部5、6)的至少兩個(gè)涂層之間，以及在金屬化部涂層(5；11)和陶瓷之間的部分放電耐受度＜20pC。
文檔編號(hào)C04B37/02GK101801886SQ200880021824
公開日2010年8月11日 申請(qǐng)日期2008年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月24日
發(fā)明者C·P·克盧格 申請(qǐng)人:陶瓷技術(shù)股份公司