在陶瓷基材上的金屬層的制作方法
【專利說明】在陶瓷基材上的金屬層
[0001]本發(fā)明涉及在陶瓷基材上制備金屬層用于電接觸的方法以及具有金屬層的陶瓷基材。本發(fā)明特別涉及在陶瓷基材上制備可焊接和可釬焊的金屬層。
[0002]施加在陶瓷導(dǎo)體板上的有源和無源電子元件通常通過焊料釬焊或焊接在該導(dǎo)體板上。為此，這些元件和導(dǎo)體板必須具有可釬焊或可焊接的金屬，該金屬例如與常規(guī)的焊料，特別是SnAgCu-合金結(jié)合成合金。
[0003]無源電元件，例如線圈管包括陶瓷絕緣體(芯)，其被導(dǎo)電金屬線(通常由銅制成)纏繞。線圈(即導(dǎo)電線圈線)的電接合通過施加在該陶瓷絕緣體上的金屬層進行。該金屬層不僅用于線圈線的電接合，還用于將線圈線固定在線圈管上。所述線圈線通常借助摩擦焊接與施加在陶瓷上的金屬層接合。通過相同的金屬層也可以將電元件例如電接合到導(dǎo)體板上。
[0004]在電元件上和在導(dǎo)體板上的金屬層因此必須含有可釬焊和/或可焊接的導(dǎo)電金屬，例如銅、鎳、金或銀。
[0005]然而，所述金屬，特別是導(dǎo)電良好的和可以很好釬焊和/或焊接的金屬(如銅或鎳)不能在陶瓷基材上充分粘合或者形成不可釬焊或不可焊接的表面。如果將例如鎳-玻璃-金屬層在相對低的溫度下烘烤，則陶瓷和金屬層之間的粘合不足。如果將鎳-玻璃-金屬層在較高的溫度下烘烤，則金屬層過度燒結(jié)。該“過度燒結(jié)”會產(chǎn)生不規(guī)則的金屬網(wǎng)，其不能充分地釬焊或者焊接。
[0006]為了提供好的可釬焊性或可焊接性，希望得到封閉的片狀的金屬層表面。這樣的金屬層目前不能使用所述金屬直接實現(xiàn)，即不需要繁瑣制備的由不同金屬構(gòu)成的層系列。
[0007]目前常見的金屬層例如具有如下層系列:鎢/玻璃、鎳、鈀和金或銀-鈀。
[0008]鎢/玻璃-基礎(chǔ)金屬層用于將金屬層牢固地接合在陶瓷上。為此，將金屬-玻璃-糊料施加在陶瓷上，例如通過浸漬在金屬層糊料中或借助絲網(wǎng)印刷。該糊料必須在超過1000 °c的溫度下烘烤。
[0009]然而，鎢不是好的導(dǎo)電體，也不能令人滿意地焊接。因此，在下一步驟中化學或無電流地施加可釬焊和可焊接的鎳層。由于鎳不能直接通過化學電鍍而沉積在鎢層上，鎢層必須在鎳沉積之前與作為催化劑的鈀接種(bekeimen)。
[0010]如果施加的鎳層足夠得厚，其能夠釬焊或者焊接。然而，如果將較細的銅線、鋁線或金線作為線圈線或者作為與電子元件的接合而施加在金屬層上或者電接合需要通過壓焊(Bonden)進行，則此外還必須在該金屬層上施加金涂層。由于金與鎳形成合金，還可以在鎳涂層和金涂層之間作為分離層而設(shè)置另一個鈀層。該鈀層也用于防止腐蝕。鈀層和金層通常通過電化學的電鍍或者由無電流操作的浴沉積。
[0011]由這些實施方案可以看出，在陶瓷基材上借助金屬層的電接合需要許多不同的操作步驟、許多不同的過程和昂貴的材料，尤其是鈀、銀和金。
[0012]本發(fā)明的目的在于，一方面簡化金屬層在陶瓷基材上的制備，另一方面在于通過避免昂貴的材料和通過簡化方法而降低制備成本。
[0013]所述目的通過獨立權(quán)利要求特征部分的方法和產(chǎn)品而實現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明提供在陶瓷基材上制備導(dǎo)電金屬層的方法，其中該金屬層與陶瓷基材直接接觸并且是可釬焊和/或可焊接的，該方法包括以下步驟:
a)制備金屬層糊料，其包含至少一種導(dǎo)電的可釬焊和/或可焊接的金屬；
b)將該金屬層糊料施加在所述陶瓷基材上；
c)烘烤該金屬層糊料。
[0014]相比于現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法，該方法的優(yōu)點在于，可以將導(dǎo)電的可釬焊和/或可焊接的金屬層直接施加在陶瓷基材上。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法，首先必須將增粘劑層施加在陶瓷基材上，其主要由鎢構(gòu)成，原因在于導(dǎo)電的可釬焊和/或可焊接的金屬容易過度燒結(jié)(uebersintern)或者在陶瓷基材上不能足夠粘合。這特別涉及到便宜的和因此經(jīng)常使用的鎳。
[0015]此外，本發(fā)明還涉及具有導(dǎo)電金屬層的陶瓷基材，其中所述金屬層是可釬焊和/或可焊接的。該陶瓷基材與現(xiàn)有技術(shù)中已知的金屬化基材的區(qū)別在于，所述金屬層與所述陶瓷基材直接接觸，而不是施加在基礎(chǔ)金屬層(例如由鎢構(gòu)成)上。
[0016]陶瓷基材特別是指氧化物陶瓷，例如A1203、Al203-Zr02、A1203_S102，也可以是介電或磁性材料。原則上可以使用所有常規(guī)的陶瓷基材。
[0017]特別優(yōu)選地，本發(fā)明的金屬層糊料如下組成:所述導(dǎo)電材料的熔體或者所述導(dǎo)電材料和添加劑的熔體的表面張力小于1.4 N/m，優(yōu)選小于1.2 N/m和特別優(yōu)選小于1.0 N/m或小于0.9 N/m。
[0018]類似地，本發(fā)明特別有利之處在于，使用的導(dǎo)電金屬的熔體具有高的表面能，例如高于0.9 N/m，優(yōu)選大于1.0 N/m，特別優(yōu)選大于1.2 N/m和特別是大于1.4 N/m?？梢越档驮摳叩谋砻婺?，從而使所述金屬更好地潤濕所述陶瓷和最終為了提高粘合強度而添加的玻璃。由此可以直接在陶瓷基材上烘烤金屬層。
[0019]通過烘烤氣氛可以更好地改善所述潤濕。通過計量加入最少量的氧氣或水蒸氣，可以導(dǎo)致金屬氧化物的形成且因此強化了與陶瓷的反應(yīng)。
[0020]所述至少一種導(dǎo)電金屬優(yōu)選過渡元素VIIIB中的至少一種元素，特別是Fe、Co、Ni和/或Cu。
[0021]如果保持該臨界值，可以將金屬層直接燒結(jié)在陶瓷上，因為不會出現(xiàn)導(dǎo)電材料的“過度燒結(jié)”問題。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，過度燒結(jié)的現(xiàn)象基本上與導(dǎo)電材料的熔體的表面能有關(guān)。如果表面能高，例如在經(jīng)常使用的鎳(熔體的表面能:1.77 N/m)的情況下，燒結(jié)的導(dǎo)電材料具有強烈的趨勢以縮小表面從而達到能量最有利的狀態(tài)。這樣的結(jié)果在于，材料的過度燒結(jié)在基本上低于該材料的熔點的溫度下就已經(jīng)出現(xiàn)。
[0022]材料的表面能決定了其潤濕性能。在高的表面能的情況下，存在不好的潤濕能力，反之亦然。出于這個原因，通過降低待施加的金屬的表面能可以避免過度燒結(jié)。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的一個特別優(yōu)選的實施方案，所述金屬層糊料僅僅包含所述導(dǎo)電金屬和用于成糊所需的添加劑，即成糊劑(Anpastung)。該成糊劑例如可以包含5至25重量％的乙基纖維素在萜品醇中的溶液。該粘合劑-溶劑體系也可以由其它(常見的)組分，例如聚乙烯醇縮丁醛或聚丙烯酸酯與Texanol、丁基卡必醇等優(yōu)選以5至25重量％的含量組成。
[0024]本發(fā)明的該實施方案例如可以用于純的銅-金屬層。相比于例如鎳熔體，銅熔體具有小的表面能(1.36 N/m)ο因此，該表面能在沒有其它添加劑的情況下太低，從而使銅粉必須與相應(yīng)的添加劑成糊才可以烘烤。
[0025]在鎳的情況下則不同。鎳熔體的表面能為1.77 N/m ;為了在沒有其它添加劑的情況下可以直接在所述陶瓷基材上形成可釬焊和/或可焊接的層，該表面能的值太高。因此，需要添加添加劑，從而降低相對高的鎳熔體表面能。
[0026]因此，在本發(fā)明的一個特別優(yōu)選的實施方案中，選擇添加劑，從而使所述至少一種導(dǎo)電金屬和該添加劑的混合物的熔體具有比僅由所述導(dǎo)電金屬組成的熔體更低的表面能。
[0027]在另一個優(yōu)選的實施方案中，所述添加劑為過渡元素族IVB、VB、VIB中的至少一種元素，特別是T1、Zr、W和/或A1和/或其化合物例如結(jié)晶狀或玻璃狀的氧化物、氮化物、硼化物、碳化物或者具有混合陰離子的化合物例如碳氮化物。
[0028]特別優(yōu)選地，所述添加劑可以是金屬，特別是與所述一種或多種導(dǎo)電金屬形成合金的金屬。特別優(yōu)選地，所述金屬選自Cu、Fe、T1、Zr、W和/或A1。該合金可以降低表面能，其原理在于所述一種或多種添加劑中斷了導(dǎo)電材料的熔體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而該結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了高的表面能。將熔體內(nèi)的內(nèi)聚力降低。通過Butler方程可以估計表面能和合金之間的關(guān)系。
[0029]根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選實施方案，使用的添加劑也可以是結(jié)晶狀或玻璃狀的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物或碳氮化物，其溶在導(dǎo)電金屬的熔體中或者至少精細地分散。
[0030]有利地，也可以在烘烤過程中進行例如金屬的氧化或氮化，其中在規(guī)定的氣氛，例如隊-氣體或者在潮濕的空氣中烘烤。例如，可以使用首先與導(dǎo)電金屬形成合金并因此有助于降低表面能的金屬。在進一步的氧化或氮化的情況下，金屬氧化物或金屬氮化物則代替了金屬的角色而作為添加劑，從而可以實現(xiàn)協(xié)同效應(yīng)。
[0031]非限制性地，這樣的化合物的實例是:TiN、ZrN、ZrC、ZrB2、TiCN。關(guān)鍵在于，這些化合物對于導(dǎo)電金屬具有好的可潤濕性，從而可以通過潤濕而克服熔體的內(nèi)聚。
[0032]在本發(fā)明的另一個優(yōu)選的實施方案中，向所述金屬層糊料中添加增粘劑。如果使用玻璃，這一方面可以改善與陶瓷的粘合，即滿足其作為增粘劑的作用；另一方面也有助于降低導(dǎo)電金屬的恪體的表面能