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CN107787259B - 用于制造复合材料的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于制造复合材料(5)，尤其电路板的方法，其中所述复合材料(5)具有面状的基础材料(1)，尤其陶瓷，在所述基础材料上单侧地或者双侧地借助于焊剂层(3)安置有附加层(2)、尤其金属化部，其特征在于，‑提供基础材料(1)，其中基础材料(1)在至少一侧上具有第一表面(A1)；‑提供附加层(2)并且将焊剂层(3)设置在附加层(2)的第二表面(A2)和第一表面(A1)之间，使得在将附加层(3)铺设到第一表面(A1)上时，基础材料(1)的第一表面(A1)面状地借助焊剂层(3)覆盖，其中焊剂层(3)在基础材料(1)和附加层(2)之间的厚度小于12μm，尤其小于7μm；‑加热基础材料(1)和设置在第一表面(A1)上的附加层(2)以至少部分地熔化焊剂层(3)并且将基础材料(1)与至少一个附加层(2)连接。

Description

用于制造复合材料的方法
技术领域
本发明涉及一种用于制造复合材料，尤其电路板的方法，以及涉及一种复合材料。
背景技术
从现有技术中已知复合材料，如具有呈金属化部形式的附加层的电路板的多种实施方案并且用于电力电子技术的目的，其中所述金属化部设置在陶瓷的基础材料上。此外，为了将附加层固定在基础材料上，例如从DE 22 13 115中已知活性焊剂法。在这种也专门用于制造金属-陶瓷-衬底的方法中，利用相应的焊剂材料在从650℃至1000℃的温度下建立金属薄膜、例如铜薄膜和陶瓷衬底、例如氮化铝陶瓷之间的力配合的连接。焊剂材料除了主成分、如铜、银和/或金外，还包含活性金属。这种活性金属，其例如是Hf、Ti、Zr、Nb或者Ce中的至少一种元素，通过化学反应建立焊剂和陶瓷之间的连接，而焊剂和金属之间的连接是金属的硬焊连接。
在焊接工艺中，活性元素与陶瓷形成反应层，所述反应层能够在焊接工艺中由其它焊剂元素润湿。通常，活性焊剂作为膏在丝网印刷法中在如下部位处施加到待焊接的接合配对上，在所述部位处安置该连接，其中在所述膏中活性元素作为颗粒存在。当然，在此产生的反应层的几何形状导致衬底/复合材料在其热学特性和机械特性方面不是最佳的。此外，所述方法由于高的银消耗是相对昂贵的。
此外，使用具有活性焊剂材料成分的轧制的焊剂带也是已知的，当然，所述轧制的焊剂带同样不适合于消除之前提到的缺点，因为在此也无法最佳地构成反应层。
发明内容
因此，本发明的目的是，提出一种用于制造复合材料，尤其电路板的方法，以及提出一种复合材料，所述复合材料可最高程度地承受机械负荷以及热负荷并且是较便宜的。
该目的通过一种用于制造复合材料，尤其电路板的方法以及通过一种复合材料实现。本发明的其它优点和特征从说明书和附图中得出。
根据本发明提出一种用于制造复合材料，尤其电路板的方法，其中复合材料具有面状的基础材料，尤其陶瓷，在所述陶瓷上在一侧或两侧借助于焊剂层安置附加层，尤其金属化部，并且其中所述方法的特征在于设有下述步骤：
-提供基础材料，其中基础材料在至少一侧上具有第一表面；
-提供附加层并且将焊剂层设置在附加层的第二表面和第一表面之间，尤其通过将焊剂层施加在附加层的至少一个第二表面上以将焊剂层设置在附加层的第二表面和第一表面之间，使得在将附加层铺设到第一表面上时，基础材料的第一表面面状地，尤其整面地借助焊剂层覆盖，其中焊剂层在基础材料和附加层之间的厚度小于12μm，尤其小于7μm；
-加热基础材料和设置在第一表面上的附加层，以至少部分地熔化焊剂层并且将所述材料与至少一个附加层连接。
用焊剂层面状地，尤其整面地覆盖基础材料的第一表面明显与丝网印刷法中的已知的方法途径不同或者明显与在多个焊道中铺设窄的焊剂带不同。在此应注意的是，“整面地”也指：在基础材料中例如保留小的边缘，所述边缘不具有焊剂层，其中该边缘能够直至数毫米，例如2mm、3mm、5mm或者6mm。需将整面地理解为与仅点状地或者部分地/部段地施加焊剂层区划分界限，并且需将其解释为，使得存在整面的覆盖，即使第一表面的一小部分或者较小的部段/区域无论出于何种原因也总是不应被覆盖时也仍如此。
在丝网印刷法中，例如仅逐点地或者在小的面或部段中施加膏/焊剂层，这仅仅由于材料成本就使得所述方法不必要地变昂贵，因为受方法所决定通常施加过高或过厚的焊剂层。此外，由于在此出现的厚的焊剂层，会实现在机械上不那么好的结果。将现有技术中已知的焊剂带施加到基础材料上通常逐焊道地并且恰好非面状地，尤其非整面地进行。此外，施加焊剂带是耗费的，因为必须密切关注：焊道/焊剂带精确地并排。如果焊剂层焊道叠加，那么这点状地或分部段地产生过厚的焊剂层和相应差的机械特性。如果在所涂覆的焊剂焊道之间存在间隙，那么润湿就会受其影响并且会在焊剂层和随后的接触部中造成真正的缺陷部位。
在此所提出的面状地，尤其整面地覆盖基础材料实现了补救措施，所述基础材料在一个实施方式中具有大致矩形的形状，所述形状具有大约7.5×11.5英寸的边长。基础材料的厚度在一个实施方式中位于0.1mm至2.5mm的范围中，优选在0.2mm和1mm之间。
在一个实施方式中，基础材料具有AlN、Si3N4、SiC、Al2O3、ZrO2、ZTA(锆石增韧氧化铝，二氧化锆增强型氧化铝)、BeO、TiO2、HPS、HPI和/或TiOx，或者由上述物质/材料中的一种或其组合构成。HPS基底借助于掺杂锆的Al2O3陶瓷制造。所述基底是鲁棒的并且主要使用在中等功率范围中。但是，使用在此未详细提及的其它陶瓷也同样是可行的。
在一个实施方式中，附加层具有Cu、Cu合金、Mo、W、Ta、Nb、Ni、Fe、Al、铝合金、钢和/或Ti合金，或者由上述物质/材料中的一种或其组合构成。附加层的厚度在一个实施方式中位于大约0.1mm至1mm的范围中，优选位于0.2mm至0.8mm的范围中。
为了提供具有尽可能最好的机械特性(例如在温度变化抗性、剥离抗性和剪切抗性方面)以及热学特性，焊剂层在活性焊剂法(AMB，活性金属钎焊Active Metall Brazing)中构成为，使得在基础材料上达到相应厚度的反应层，其中所述机械特性以及热学特性例如实现在电子电力技术的模块中的良好的散热。优选地，反应层的厚度为大约0.01μm至10μm，尤其优选大约0.05μm至1μm。
反应层的厚度对于基底/复合材料的机械稳定性至关重要，也就是说，该反应层越薄，复合材料关于温度变化抗性和剥离抗性或剪切抗性的特性就越好。这取决于所构成的反应层的，例如TiN的脆性。此外，在焊剂层中余留一定份额的活性元素并且在真正的焊接之后进行冷却时形成金属间相，例如CuTi或者AgTi，所述金属间相就其而言以一定脆性损害焊剂层的韧性。
为了以期望的厚度/大小实现均匀的反应层而提出：将焊剂层的厚度减小到小于12μm，尤其减小到小于7μm。焊剂层的厚度/层厚度的优选的范围大约在2μm和5μm之间。
为了产生薄的反应层，原则上也能够将较少含量的活性元素引入到例如在丝网印刷法中所使用的膏中，但是由此基于颗粒而可能不再存在活性元素的均匀的分布从而不再存在反应层的均匀的形成。此外，在粒度分布均匀的同时制造对此必要的非常小的颗粒在技术上仅在巨大的困难和巨大的成本投入下才可行。对此的原因在所描述的复合材料/基底的情况下在于：在焊剂工艺中的所提供的热保持温度下的焊剂的液态状态的时间限制，因为在例如铜金属化部的情况下铜可能持续地溶解在焊剂中，由此提高所存在的熔融物的固相线。
通过将焊剂层厚度减小到所规定的小于12μm的尺寸上，或者甚至减小到小于7μm，精确地以在如下面上分布的方式提供活性元素的量，在焊接过程中必须实现所述面，以便产生均匀的反应层，所述反应层是持久且稳定的。
在一个实施方式中，焊剂层是活性焊剂层，所述活性焊剂层具有焊剂材料或焊剂元素，尤其Ag、Cu、Sn、Zn和/或In，或者上述材料的组合。此外，焊剂层具有活性材料或活性元素，尤其Ti、Tr、Hf、Cr、Y、Nb和/或V。
活性焊剂-合金或焊剂层在一个实施方式中由金属银、铜、铟和钛构成。焊剂由于因铜与银的比例而降低的熔点而熔化。根据应用，这两种金属能够彼此间以任意的比例存在于焊剂中，但是这对焊剂温度有直接影响。焊剂中的铟(In)或者锡(Sn)(0重量％至15重量％)将焊剂的工作范围/熔化范围增大至低于Ag-Cu混合物所允许的温度上。此外，铟改进对参与复合的表面的润湿。作为活性元素，能够通过其它作用为活性元素的元素(金属)来替代钛。首先，这是Zr和Hf。但是也能够使用Y、V、Zr、Nb作为活性元素，其中所述活性元素的活化温度远高于钛的活化温度。钛的含量需匹配于待连接的表面并且在正常情况下位于1重量％和10重量％之间。
在反应层厚度为0.01μm的情况下，在一个实施方式中，TiN的比重大约为5.21μg/cm2。在反应层厚度为0.05μm的情况下，在一个实施方式中，TiN的比重大约为26.05μg/cm2。在反应层厚度为1μm的情况下，在一个实施方式中，TiN的比重大约为521μg/cm2。在反应层厚度为10μm的情况下，在一个实施方式中，TiN的比重大约为5210μg/cm2。
适当地，将整个焊剂层/焊剂合金的成分选择为，使得在焊接温度位于大约600℃至700℃(必要时也更高)的范围中时，附加层/金属化层由所施加的焊剂层仅部分熔化(例如在铜的情况下)或者润湿，并且所包含的活性元素完全地与焊剂熔化物脱离，使得所述活性元素能够在焊剂温度中与待接合的配对件反应。焊接工艺能够利用适当的炉不仅在堆叠工艺中执行而且在连续式加热炉中执行。
与层厚度无关，焊剂层必须在整个体积上在焊接温度的范围中被加热。根据一个实施方式，焊接温度为大约650℃至1000℃，优选为大约700℃至950℃，其中用焊接温度指示焊剂层中的温度。适当地，力求实现尽可能小的焊接温度。
焊剂层的厚度在一个实施方式中大约为10μm至30μm，但是优选小于大约7μm至12μm，例如大约2μm至10μm或优选2μm至5μm。
根据一个实施方式，热保持时间为大约10分钟至180分钟，焊接时间为大约5分钟至160分钟。在此，热保持时间是指在炉处所设定的温度。类似地，热保持温度可以是在炉处所设定的温度。焊接温度或焊接时间是焊剂材料层中的温度和时间。能够进行该焊接工艺的可能的气氛包括氩气，氮气和/或氦气或者由其构成。
根据一个实施方式，可能的炉类型是电阻加热的、具有石墨加热器或者金属加热器的真空炉。使用电阻加热的惰性气体炉作为连续式加热炉或者作为进料炉也是可行的。根据一个实施方式，也将感应式加热的惰性气体炉设置为进料炉。在另一实施方式中，设有具有惰性气体或者真空的热压机或者具有封装的叠片的热等静压机。
可行的焊剂层成分如下组成：
理想的共晶的且优选的成分例如包括65重量％至75重量％的银(Ag)和25重量％至35重量％的铜(Cu)。在一个实施方式中，在焊接温度高达900℃时，所述范围也达到40重量％至95重量％的银(Ag)和5重量％至60重量％的铜(Cu)。
一种优选的活性元素是钛。同样地，可使用Cr、V、Nb、Y、Ta、Zr和/或Hf。在此，份额为0.5重量％至10重量％，优选1重量％至5重量％。作为添加元素使用0重量％至15重量％，优选大约1重量％至10重量％的份额的Sn和/或In。因此，根据一个实施方式，也能够弃用添加元素。
将焊剂层或焊剂材料/焊剂合金的成分适当地选择为，使得所述成分例如不仅适合于施加到第二表面上，例如适合于轧制包覆，而且适合于随后的焊接工艺。一般而言，焊剂层或其合金成分对于在AMB基底中的应用而言满足活性焊接的目的并且同时能够在轧制包覆工艺中应用。
薄的焊剂层的另一优点在于这种复合材料的改进的导热性。因此，所讨论的类型的焊剂层与相应的纯元素例如Cu(390W/mK)或者Ag(429W/mK)相比具有更差的导热性(大约70W/mK)。这方面是尤其重要的，作为一个决定性的目标则是提供一种具有良好的散热的复合材料以在电力电子模块中使用。
在所述方法的一个实施方式中，通过轧制包覆将焊剂层施加到附加层的第二表面上。在轧制包覆时，焊剂层在压力和热下被轧制到承载件上。在此，通过扩散和压焊产生不可脱离的连接。
在轧制包覆中，焊剂材料/焊剂层根据一个实施方式要么能够单侧地直接施加到附加层上，要么能够在两侧施加到载体材料上，所述载体材料例如是单独的金属薄膜(例如Cu)。由此，与在纯轧制的焊剂带中(没有载体材料)相比，明显更薄的焊剂层是可行的。如果探讨焊剂层的“厚度”，那么在对载体材料进行两侧覆层时是指“总厚度”。
也就是说，在一个实施方式中，在将焊剂层施加到附加层的至少一个第二表面上或者施加到基础材料的第一表面上之前，在载体材料上提供所述焊剂层。载体材料例如是单独的(金属)薄膜，例如由铜构成的薄膜，所述薄膜构成为，使得所述薄膜能够承载、保持和/或支撑焊剂层。换言之，载体材料在某种程度上可以说必须实现对焊剂层进行操作。适当地，如此固定在载体材料上的焊剂层可缠绕为卷或者线圈，随后在需要时所述焊剂层能够从所述卷/线圈展开以进行继续处理。
在另一实施方式中，载体材料是附加层，例如铜薄膜，在所述附加层上已经固定或设置有焊剂层，其中该铜薄膜之后形成真正的金属化部。
与载体材料是否通过附加层形成无关，在一个实施方式中进行两级的轧制工艺，其包括下述步骤：
-第一次轧制焊剂材料以制造焊剂带并且将焊剂带施加到附加层的第二表面上或载体材料上；
-第二次轧制焊剂材料这样包覆的附加层/这样包覆的载体材料，使得达到焊剂层的小于12μm，尤其小于7μm的厚度；以及
-必要时在轧制步骤之间或在轧制步骤期间，尤其在第二次轧制之间或期间进行退火、中间退火或者加热。
在一个实施方式中，在第一次轧制步骤中，执行关于焊剂材料的初始厚度优选超过40％的厚度减小。随后的轧制步骤引起更小的厚度减小并且用于设定最终厚度。所述工艺被控制为，使得不引起焊剂层的裂开或剥落。
在一个实施方式中，两级的轧制法的特征尤其还在于设有下述步骤：
-在轧制时轻微地延展已包覆的附加层或已包覆的载体材料，例如延展大约5％至10％。
这实现了对焊剂层和附加层之间的连接的进一步改进并且尤其实现了进一步的厚度减小。在一个实施方式中，也设有具有多于两级的轧制工艺，例如具有3、4、5、6、7或者更多级。多级的方法进程带来下述优点：在每个级中总是仅须进行非常小的厚度减小，如果需要的话在热影响下进行。
如此包覆的并且必要时延展的附加层随后能够在第一表面上(或在第一表面中的一个上)面状地，尤其整面地铺设。如果已经使用了载体材料，那么该载体材料在一个实施方式中铺设在附加层的第二表面上。替选地，其能够在基础材料的第一表面上或第一表面中的一个上设置/铺设所述载体材料。需注意的是，在所述布置中，原则上反应层总是必须在朝向基础材料的一侧上，即朝向陶瓷的一侧上构成。在使用载体材料时，该载体材料必要时仍须移除。但是，替选地，如果保证由此不负面地影响焊接法，那么也能够放弃移除。特别地，在两侧用焊剂材料对载体材料覆层时，必须将用于载体材料的材料选择为，使得能够放弃移除载体材料。
在一个实施方式中，也设有层结构或三明治结构，其中载体薄膜在朝向基础材料的第一表面的一侧上用活性焊剂或活性焊剂层来覆层，而在相对置的一侧上用传统的焊剂来覆层，其中传统的焊剂如下挑选：可以与附加层，即金属化部良好地实现焊接连接。
在一个实施方式中，也能够提出用于施加焊剂层的上述方法的组合：使得活性材料单独地置于待接合的表面中的一个上。也就是说，活性元素于是并非是焊剂材料的组成部分，而是单独地，例如以粉末的形式置于待接合的表面中的一个上。
通过本发明显著降低含银的焊剂的消耗，因为已知的焊剂层厚度通常位于10μm至30μm和更高的范围中。相对于从现有技术中已知的方法，能够节省10％至20％的银。
此外，除了这种复合材料的成本优势和已经提及的更好的机械特性，在所谓的“第二刻蚀”中可提及更好的可刻蚀性。在特征还在于相对于氧化铝陶瓷更高的导热性的氮化铝陶瓷中，活性焊剂组分与氮化铝形成导电连接部，例如氮化钛，使得对于金属化部的结构化必要的刻蚀法必须至少两级地执行，更确切地说使得在第一刻蚀步骤(“第一刻蚀”)中进行金属化部的结构化以产生带状导线、接触面等，并且随后在后续的第二方法步骤(“第二刻蚀”)中，在带状导线、接触面等之间通过活性焊剂组分与氮化铝化学反应形成的、导电的材料必须通过刻蚀移除。小于12μm或7μm的非常薄的焊剂层在此简化焊剂层的移除。
本发明也包括一种按照根据本发明的方法制造的复合材料，尤其电路板。关于制造方法所提及的优点和特征类似地并且相应地适用于根据本发明的复合材料，以及反之亦然。
附图说明
其它的优点和特征参考附图从接下来对根据本发明的用于制造复合材料的方法或复合材料的优选的实施例的描述中得出。各个实施方式的特征在此能够在本发明的范围中彼此组合。
附图示出：
图1示出复合材料的一个实施方式的剖视图；
图2示出具有两级的轧制工艺的方法的一个实施方式的原理图。
具体实施方式
图1示出基础材料1，所述基础材料在两侧具有第一表面A1。在基础材料1的第一表面A1处，经由相应的第二表面A2在焊剂层3上方固定附加层2。在一个实施方式中，基础材料1具有AIN、Si3N4、SiC、A12O3,ZrO2,ZTA(锆石增韧氧化铝，氧化锆增强型氧化铝)、BeO、TiO2、HPS、HPI和/或TiOx，或者由上述物质/材料中的一种或其组合构成。下部的附加层2以不需要结构化的方式构成并且优选用于热传导或散热，所述下部的附加层在一个实施方式中是金属层，例如由铜、铜合金、Mo、W、Ta、Nb、Ni、Fe、Al、铝合金、钢和/或钛合金构成的金属层。与此相对，上部的附加层2以结构化的方式构成并且构成为所谓的活性层、带状导线、接触面等。通过小于12μm的、尤其小于7μm的极其薄的焊剂层3，这种结构化能够尤其简单地，例如在两级的刻蚀法的过程中进行。
图2示出两级的轧制包覆法，其中在左侧的图中，轧制的焊剂带3’和附加层2彼此连接，使得产生由设置在附加层2上的焊剂层3构成的复合物(该步骤在图2中未详尽地示出)。在该时间点，焊剂层3仍具有如下厚度，所述厚度比小于12μm的，尤其小于7μm的目标值大。在图2的中间部分中，简略示出第二次轧制步骤，其中在此通过施加力F(并且必要时使用热)并且必要时通过轻微地延展用焊接层3包覆的附加层2，例如延展5％至10％，能够更进一步改进焊剂层3和附加层2之间的连接。特别地，能够通过多级的方法实现非常小的焊剂层厚度。如此包覆的附加层2随后能够被卷绕并且在需要时使用。在此，被包覆的附加层2、3面状地，尤其整面地铺设到基础材料1的第一表面上，以便随后在炉4中焊接为复合材料5。
附图标记列表
1 基础材料
A1 第一表面
2 附加层
A2 第二表面
3 焊剂层
3’ 焊剂带
4 炉
5 复合材料

Claims (9)

1.一种用于制造复合材料(5)的方法，
其中所述复合材料(5)具有面状的基础材料(1)，即陶瓷，在所述基础材料上单侧地或者双侧地借助于焊剂层(3)安置附加层(2)，即金属化部，
其特征在于，设有如下步骤
-提供所述基础材料(1)，其中所述基础材料(1)在至少一侧上具有第一表面(A1)；
-提供所述附加层(2)并且将所述焊剂层(3)设置在所述附加层(2)的第二表面(A2)和所述第一表面(A1)之间，使得在将所述附加层(2)铺设到所述第一表面(A1)上时，所述基础材料(1)的所述第一表面(A1)面状地借助所述焊剂层(3)覆盖，其中所述焊剂层(3)在所述基础材料(1)和所述附加层(2)之间的厚度小于7μm；
-其中通过轧制包覆借助于
ο第一次轧制焊剂材料以建立焊剂带(3’)并且将所述焊剂带(3’)施加到所述附加层(2)的所述第二表面(A2)上；并且
ο第二次轧制这样包覆的所述附加层(2)，使得达到所述焊剂层(3)的小于7μm的厚度，
将所述焊剂层(3)施加到所述附加层(2)的所述第二表面(A2)上，以及
-加热所述基础材料(1)和设置在所述第一表面(A1)上的所述附加层(2)，以至少部分地熔化所述焊剂层(3)，并且将所述基础材料(1)与至少一个所述附加层(2)连接，
其中在将所述焊剂层施加到所述附加层的第二表面上或者施加到所述基础材料的第一表面上之前，在载体材料上提供所述焊剂层，
其中所述焊剂层(3)是活性焊剂层，所述活性焊剂层具有焊剂材料和活性材料，所述活性材料的份额为0.5重量％至10重量％。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中所述基础材料具有AlN、Si3N4、SiC、Al2O3、ZrO2、ZTA、BeO和/或TiOx。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其中所述附加层具有Cu、Cu合金、Mo、W、Ta、Nb、Ni、Fe、Al、铝合金、钢和/或Ti合金。
4.根据权利要求1或2所述的方法，
其中所述基础材料具有TiO2。
5.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
-在第二次轧制时，轻微地延展被包覆的所述附加层(2)。
6.根据权利要求1所述的方法，
其中所述复合材料(5)是电路板。
7.根据权利要求1所述的方法，
其中所述焊剂材料是Ag、Cu、Sn、Zn和/或In。
8.根据权利要求1所述的方法，
其中所述活性材料是Ti、Zr、Hf、Cr、Y、Nb和/或V。
9.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，
-在第二次轧制时，将被包覆的所述附加层(2)轻微地延展5％至10％。
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