專利名稱：復合材料，制備復合材料的方法以及粘合劑和粘結(jié)材料的制作方法
復合材料，制備復合材料的方法以及粘合劑和粘結(jié)材料本發(fā)明涉及根據(jù)權利要求1的前述部分的復合材料，并涉及根據(jù)權利要求28的前述部分的用于制備這樣的復合材料的方法，以及涉及根據(jù)權利要求51的前述部分的粘結(jié)材料或粘合劑。根據(jù)所謂的DCB工藝制備復合材料(還作為金屬-陶瓷基材形式(也稱為DCB基材)的印制電路板)是已知的。在此，將為了生產(chǎn)印制導線，接線等所需的金屬化借助所謂的“DCB法”(直接粘結(jié)銅技術)，具體而言，在形成金屬化的金屬箔或銅箔或者金屬板或銅板的使用下，施用至陶瓷，例如施加至鋁-氧化物陶瓷，所述金屬箔或銅箔或者金屬板或銅板在其表面?zhèn)染哂杏山饘俸头磻詺怏w的化學粘結(jié)形成的層或涂層(熔融層)，所述反應性氣體優(yōu)選氧氣。在例如在US-PS 3744120或DE-PS 23198M中所述的該方法中，該層或涂層(熔融層)形成具有低于金屬(例如銅)的熔融溫度的熔融溫度的低共熔混合物，從而通過將所述箔鋪置于陶瓷上以及通過將所有的層加熱，具體而言，通過基本上僅在熔融層或氧化物層范圍內(nèi)的金屬或銅的熔融，可以將這些層彼此結(jié)合。從而，該DCB法包括例如以下步驟>將銅箔如此氧化，使得提供均勻的銅氧化物層，>將銅箔鋪置于陶瓷層上，>將復合物加熱至約1025至1083°C的工藝溫度，例如約1071 °C ；>冷卻至室溫。還已知的是活性釬料法(DE 2213115 ；EP-A-153618)用于將形成金屬化的金屬層或金屬箔，還尤其是將銅層或銅箔與相應的陶瓷材料結(jié)合。在特別用于制備金屬-陶瓷基材的該方法中，在約800-1000°C的溫度，在硬釬料的使用下產(chǎn)生金屬箔(例如銅箔)與陶瓷基材(例如鋁氮化物陶瓷)之間的結(jié)合，所述硬釬料除了主要成分如銅、銀和/或金以外還含有活性金屬。該活性金屬(其是例如至少一種選自下組的元素Hf，Ti，Zr，Nb，Ce)通過化學反應產(chǎn)生釬料與陶瓷之間的結(jié)合，而釬料與金屬之間的結(jié)合是金屬硬釬料結(jié)合。本發(fā)明的目的是提供可以特別簡單和經(jīng)濟地(具體而言，在保持盡可能最佳的熱特性的情況下)制備的復合材料。為了實現(xiàn)該目的，構建相應于權利要求1的復合材料。用于制備這些材料的方法是權利要求觀的主題。粘結(jié)材料或粘結(jié)劑是權利要求51的主題。在本發(fā)明的意義上，納米纖維材料通常是納米纖維和/或納米管，和在此特別是碳納米纖維和/或納米管。適合的納米纖維是例如由 Electrovac AG, A_3400Klosterneuburg，Austria 提供的名稱為 ENF-100-HT，HTP-150F-LHT, HTP-110FF-LHT 和 HTP-110F-HHT 的納米纖維。其它可應用在本發(fā)明中的納米纖維(其同樣由Electrovac AG, A-3400Klosterneuburg, Austria 提供)列于下表 1 中。表 1
權利要求
1.復合材料，其具有至少一個至少在一個表面?zhèn)扔呻娊^緣的材料組成的由陶瓷和/或玻璃制得的載體基材O)，并具有至少一個在所述至少一個載體基材O)的一個表面?zhèn)扔山饘賹有纬傻慕饘倩?3，4)，其特征在于，所述至少一個金屬化(3，4)通過由粘合材料或粘結(jié)材料構成的粘合層或粘結(jié)層(5)與載體基材(2)和/或鄰接的層或鄰接的基材結(jié)合，所述粘合材料或粘結(jié)材料在塑料基體中含有至少一種納米纖維材料。
2.根據(jù)權利要求1的復合材料，其特征在于，載體基材( 為板狀或基本上板狀。
3.根據(jù)權利要求1或2的復合材料，其特征在于，載體基材( 為陶瓷層和/或玻璃層或者陶瓷基材和/或玻璃基材( ，例如由鋁氧化物陶瓷和/或鋁氮化物陶瓷和/或硅氮化物陶瓷構成。
4.根據(jù)前述權利要求任一項的復合材料，其特征在于，在粘合層或粘結(jié)層(5)的區(qū)域中，所述的至少一個金屬化(3，4)與相鄰的層的距離為小于50μπι，優(yōu)選距離的數(shù)量級為最大25 μ m，或者為約5 μ m至25 μ m。
5.根據(jù)前述權利要求任一項的復合材料，其特征在于，在載體基材O)的上側(cè)設有第一金屬化C3)并在載體基材( 的下側(cè)設有第二金屬化G)，并且這些金屬化中至少一個是結(jié)構化的。
6.前述權利要求任一項的復合材料，其特征在于，將所述至少一個金屬化(3，4)與載體基材( 結(jié)合的粘合層或粘結(jié)層( 關于其層厚和/或組成這樣選擇，使得粘合層或粘結(jié)層(5，5. 1)在垂直于金屬化(3，4)和載體基材(2)彼此鄰接的表面?zhèn)鹊妮S方向具有的熱阻小于或最多等于載體基材(2)在該軸方向所具有的熱阻。
7.前述權利要求任一項的復合材料，其特征在于所述納米纖維材料為碳納米纖維材料，和/或所述納米纖維材料以5至30重量％的份額包含在粘合材料或粘結(jié)材料中，具體而言，基于該材料的總重量。
8.前述權利要求任一項的復合材料，其特征在于，所述納米纖維材料由納米纖維和/ 或納米管構成，其中優(yōu)選至少大部分這些納米纖維或納米管長度為約1 μ m至100 μ m和厚度約為Inm至300nm或約50nm至150nm或約Inm至lOOnm，例如為約3nm至75nm。
9.前述權利要求任一項的復合材料，其特征在于，在粘合層或粘結(jié)層(5，5.1)的區(qū)域中，所述至少一個金屬化(3，4)和/或所述至少一個載體基材( 設有表面粗糙度，具體而言，金屬化例如具有的表面粗糙度為約1 μ m至7 μ m和/或載體基材例如具有的表面粗糙度為4至10 μ m。
10.權利要求7的復合材料，其特征在于，所述表面粗糙度機械地和/或物理和/或化學地產(chǎn)生，例如通過噴砂和/或通過粒間蝕刻和/或通過等離子體處理和/或通過包含銅以及其它金屬的層的沉積和通過隨后蝕刻掉所述其它金屬。
11.前述權利要求任一項的復合材料，其特征在于，所述粘結(jié)層由基于環(huán)氧樹脂或環(huán)氧基樹脂的基體構成。
12.前述權利要求任一項的復合材料，其特征在于，粘合層或粘結(jié)層(5，5.1)或者形成該層的粘合材料或粘結(jié)材料包含其它添加劑，例如阻燃添加劑，例如鹵化物或硼化合物。
13.前述權利要求任一項的復合材料，其特征在于，形成粘合材料或粘結(jié)材料的基體的塑料材料這樣選擇，使得粘合層或粘結(jié)層(5，5. 1)在硬化和/或固化狀態(tài)具有至少220°C的耐熱性。
14.前述權利要求任一項的復合材料，其特征在于，所述至少一個金屬化(3，4)至少在部分區(qū)域由金屬合金和/或由金屬復合材料和/或多層材料，例如由鋁/銅多層材料構成。
15.前述權利要求任一項的復合材料，其特征在于，所述至少一個金屬化(3，4)至少部分地由銅，由銅合金，由招，由鋁合金和/或由金屬電阻材料構成和/或由至少一種金屬箔， 例如由銅的、由銅合金的、由鋁的、由鋁合金的和/或由金屬電阻材料的箔形成。
16.前述權利要求任一項的復合材料，其特征在于所述至少一個金屬化具有的厚度為約0. Olmm至4mm，例如約0. 03mm至0. 8mm和/或所述至少一個載體基材(2)具有的厚度為約 0. Imm 至 1. 2mm,例如約 0. 25mm 至 1. 2mm。
17.前述權利要求任一項的復合材料，其特征在于，所述至少一個金屬化(3，4)經(jīng)由粘合層或粘結(jié)層(5，5. 1)以至少lN/mm的粘附強度(抗剝強度)，優(yōu)選以至少2. 5N/mm的粘附強度與鄰接的層，例如與鄰接的載體基材O)結(jié)合。
18.前述權利要求任一項的復合材料，其特征在于，將所述至少一個金屬化(3)結(jié)構化用以形成結(jié)構化金屬區(qū)(3. 1)，例如以印制導線、接觸面和/或裝配面的形式結(jié)構化，并且在相鄰的結(jié)構化金屬區(qū)(3. 1)之間未設置或者除去了粘合層和粘結(jié)層(5，5. 1)。
19.前述權利要求任一項的復合材料，其特征在于，所述金屬化至少在所述至少一個載體基材O)的一個表面?zhèn)刃纬呻娺B接，該電連接突出于所述復合材料(1)或載體基材(2) 的一個邊緣區(qū)，所述電連接例如由導線架(10)產(chǎn)生的連接(10. 3)。
20.前述權利要求任一項的復合材料，其特征在于，所述至少一個載體基材( 和/或所述至少一個金屬化(3，4)經(jīng)由由粘合材料或粘結(jié)材料構成的粘合層或粘結(jié)層(5，5. 1)與導線架(10)或所述導線架的橋段(10. 3)結(jié)合。
21.前述權利要求任一項的復合材料，其特征在于，其形成為由至少兩個單基材(13， 14)構成的多重基材，并且所述單基材經(jīng)由至少一個由粘合材料或粘結(jié)材料形成的粘合層或粘結(jié)層(5，5. 1)彼此結(jié)合。
22.前述權利要求任一項的復合材料，其特征在于，所述至少一個粘合層或粘結(jié)層(5， 5. 1)不含氣泡和/或蒸汽泡，特別是空氣泡或者這種泡的體積份額基于所述至少一個粘合層或粘結(jié)層的總體積最高為0.1體積％。
23.前述權利要求任一項的復合材料，其特征在于，粘合層或粘結(jié)層(5，5.1)還包含粉末狀添加劑，如碳、石墨、陶瓷和/或金屬添加劑。
24.前述權利要求任一項的復合材料，其特征在于所述納米纖維材料是不含金屬的或基本上不含金屬的納米纖維材料，特別是無NiJe和/或Co的納米纖維材料和/或經(jīng)化學和/或經(jīng)熱預處理的納米纖維材料。
25.前述權利要求任一項的復合材料，其特征在于，在粘合層或粘結(jié)層(5，5.1)的塑料基體中，納米纖維材料與可能的其它組分的總份額這樣選擇，使得粘合材料或粘結(jié)材料的或者塑料基體的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為至少150°C和/或相比形成塑料基體的塑料，例如環(huán)氧樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度提高至少25%和/或納米纖維材料與可能的其它添加劑的總份額為25重量％，基于粘合層或粘結(jié)層的總量。
26.前述權利要求任一項的復合材料，其特征在于，納米纖維材料與可能的其它添加劑的總份額這樣選擇，使得所述至少一個粘合層或粘結(jié)層的厚度小于25 μ m是可行的。
27.前述權利要求任一項的復合材料，其特征在于，納米纖維材料以及任選的其它填料的總份額這樣選擇，使得粘合層或粘結(jié)層(5，5. 1)的導熱性至少為形成塑料基體的塑料的導熱性的5倍，例如大于lW/mK。
28.制備具有至少一個板狀載體基材( 和至少一個金屬化(3，4)的復合材料的方法， 所述板狀載體基材至少在一個表面?zhèn)扔呻娊^緣材料構成，例如以陶瓷層和/或玻璃層或陶瓷基材和/或玻璃基材形式，所述金屬化由金屬層或金屬箔在載體基材O)的至少一個表面?zhèn)刃纬?，其特征在于，所述至少一個金屬化(3，4)與載體基材( 通過用粘合材料或粘結(jié)材料的粘結(jié)而結(jié)合，所述粘合材料或粘結(jié)材料在塑料基體中，例如在基于環(huán)氧樹脂的塑料基體中包含納米纖維材料，優(yōu)選碳納米纖維材料。
29.根據(jù)權利要求觀的方法，其特征在于，將金屬層或金屬箔和/或載體基材( 在粘結(jié)之前對它們待彼此結(jié)合的表面?zhèn)冗M行粗糙化，具體而言優(yōu)選對于金屬層或金屬箔達到約 1 μ m至5 μ m的粗糙度和/或?qū)τ谳d體基材(2)達到約4 μ m至10 μ m的粗糙度。
30.根據(jù)權利要求四的方法，其特征在于，所述表面粗糙度機械地和/或物理和/或化學地產(chǎn)生，例如通過噴砂和/或通過磨光和/或通過粒間蝕刻和/或通過等離子體處理和 /或通過由金屬化的金屬和其它金屬構成的金屬層的沉積以及通過隨后蝕刻掉所述其它金 jM ο
31.前述權利要求任一項的方法，其特征在于，使用粘合材料或粘結(jié)材料，其除了納米纖維材料以外還包含其它添加劑，例如阻燃添加劑，例如鹵化物、硼化合物和/或氮化物等。
32.前述權利要求任一項的方法，其特征在于，將經(jīng)由粘合層或粘結(jié)層(5，5.1)與鄰接的層，例如與載體基材(2)結(jié)合的金屬化(3)結(jié)構化。
33.根據(jù)權利要求32的方法，其特征在于，粘合材料或粘結(jié)材料(5)整面地施涂于待設置金屬化(3，4)的、與金屬化鄰接的層，例如載體基材(2)的區(qū)域，并且在金屬化(3)結(jié)構化后，將結(jié)構化的金屬化(3)的金屬區(qū)(3. 1)之間的粘合層或粘結(jié)層(5)除去，例如機械地，例如通過噴砂，通過激光處理或等離子體處理除去。
34.根據(jù)權利要求33的方法，其特征在于，在施涂待結(jié)構化的所述至少一個金屬化(3) 之前，將所述粘合材料或粘結(jié)材料，以相應于結(jié)構化的金屬化的金屬區(qū)(3. 1)的形狀和位置的形狀和位置，施涂于待粘結(jié)的金屬化或施涂于形成所述金屬化的金屬層C3)和/或施涂于待設置金屬化的鄰接的層，例如載體基材O)的表面區(qū)。
35.前述權利要求任一項的方法，其特征在于，為了在鄰接的層的一個表面?zhèn)?，例如載體基材O)的表面?zhèn)犬a(chǎn)生至少一個結(jié)構化的金屬化，而在相應于結(jié)構化的金屬化的位置中提供形成結(jié)構化的金屬化的布置或金屬區(qū)(3. 1)的、例如通過沖壓制得的金屬元件或金屬墊(3. 2)，并且在粘合材料和粘結(jié)材料的使用下與鄰接的層結(jié)合。
36.根據(jù)權利要求35的方法，其特征在于，金屬元件或金屬墊(3.2)的提供通過以掩?；蚰?7)裝配這些元件和/或通過將這些元件位置精確地施加到輔助載體或載體材料(9) 實現(xiàn)。
37.根據(jù)權利要求35或36的方法，其特征在于，所述粘合材料或粘結(jié)材料(5)整面地施涂于待設置結(jié)構化的金屬化的鄰接的層O)的表面區(qū)，并在粘結(jié)后，即，在粘合材料或粘結(jié)材料(5)固化和/或硬化后，將粘合材料或粘結(jié)材料從結(jié)構化的金屬化(3)的金屬區(qū) (3. 1)之間除去，例如機械地，例如通過噴砂和/或通過激光或等離子體處理除去。
38.前述權利要求任一項的方法，其特征在于，所述粘合材料或粘結(jié)材料以相應于結(jié)構化的金屬化(3)的金屬區(qū)或墊(3. 1)的造型和位置結(jié)構化于待設置結(jié)構化的金屬化的鄰接的層的表面?zhèn)?，?或施涂于待與鄰接的層結(jié)合的所提供的金屬元件(3.2)的表面?zhèn)取?br> 39.前述權利要求任一項的方法，其特征在于，所述至少一個金屬化(3，4)至少在部分區(qū)域由銅或鋁或由金屬電阻材料制得的層或箔構成。
40.前述權利要求任一項的方法，其特征在于，所述至少一個金屬化(3，4)至少在部分區(qū)域由銅和/或由鋁和/或金屬合金，例如由銅合金或鋁合金和/或由金屬復合材料和/ 或多層材料，例如由鋁/銅多層材料構成，例如以金屬箔的形式構成。
41.前述權利要求任一項的方法，其特征在于，所述復合材料在施用所述至少一個金屬化(3，4)之后，特別是還通過回火進行后處理以改善導熱性，具體而言，例如在等于或高于用于粘合材料和粘結(jié)材料的固化的粘結(jié)溫度的溫度。
42.前述權利要求任一項的方法，其特征在于，將所述粘合材料和粘結(jié)材料在掩模特別是通孔掩模(18)、遮光板、絲網(wǎng)的使用下通過噴霧，輥軋和/或旋涂施涂至載體基材O)。
43.權利要求42的方法，其特征在于，在至少一個掩模和/或遮光板的使用下和/或以絲網(wǎng)印刷法進行整面地或結(jié)構化地施涂粘合材料或粘結(jié)材料。
44.前述權利要求任一項的方法，其特征在于，所述粘結(jié)和/或后處理或回火在加壓下進行。
45.前述權利要求任一項的方法，其特征在于，粘合材料或粘結(jié)材料的混合和/或粘結(jié)如此進行，使得由粘合材料或粘結(jié)材料形成的粘合層或粘結(jié)層(5)至少在成品復合材料(1)中不含氣泡和/或蒸汽泡，特別是空氣泡，在粘合層或粘結(jié)層(5)中這樣的泡的體積份額基于該層的總體積為最高0. 1體積％。
46.前述權利要求任一項的方法，其特征在于，粘合層或粘結(jié)層(5，5.1)還包含粉末狀添加劑，如碳、石墨和/或陶瓷和/或金屬添加劑。
47.前述權利要求任一項的方法，其特征在于，所述納米纖維材料是不含金屬的或基本上不含金屬的納米纖維材料，特別是無NiJe和/或Co的納米纖維材料和/或經(jīng)化學和/ 或經(jīng)熱預處理的納米纖維材料。
48.前述權利要求任一項的方法，其特征在于，在粘合層或粘結(jié)層(5，5.1)的塑料基體中，納米纖維材料與可能的其它組分的總份額這樣選擇，使得粘合材料或粘結(jié)材料的或者塑料基體的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為至少150°C和/或相比形成塑料基體的塑料，例如環(huán)氧樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度提高至少25%，和/或納米纖維材料與可能的其它添加劑的總份額為約 25重量％，基于粘合層或粘結(jié)層的總量。
49.前述權利要求任一項的方法，其特征在于，納米纖維材料與可能的其它添加劑的總份額這樣選擇，使得所述至少一個粘合層或粘結(jié)層的厚度小于25 μ m是可行的。
50.前述權利要求任一項的方法，其特征在于，納米纖維材料以及任選的其它填料的總份額這樣選擇，使得粘合層或粘結(jié)層(5，5. 1)的導熱性為無納米纖維材料以及任選的填料的、形成塑料基體的塑料的導熱性的至少4倍，優(yōu)選至少5倍，例如大于lW/mK。
51.用于在兩個元件之間產(chǎn)生粘合或粘結(jié)連接的粘結(jié)材料或粘合劑，例如在載體基材(2)和金屬化(3，4)之間，其由包含至少一種納米纖維材料的塑料基體構成，其特征在于， 在塑料基體中納米纖維材料與任選的其它添加劑的份額這樣選擇，使得粘合材料或粘結(jié)材料適合于以小于25 μ m的層厚加工。
52.權利要求51的粘結(jié)材料或粘合劑，其特征在于，所述納米纖維材料為碳納米纖維材料，和/或所述納米纖維材料以5至30重量％的份額包含在粘合材料或粘結(jié)材料中，具體而言，基于該材料的總重量。
53.權利要求51或52的粘結(jié)材料或粘合劑，其特征在于，所述納米纖維材料由納米纖維和/或納米管形成，其中優(yōu)選至少這些納米纖維或納米管的大部分具有的長度為約ι μ m 至100 μ m并且具有的厚度為約Inm至300nm或約50nm至150nm或約Inm至lOOnm，例如約 3nm 至 75nm。
54.前述權利要求任一項的粘結(jié)材料或粘合劑，其特征在于，所述基體是基于環(huán)氧樹脂的或基于環(huán)氧基樹脂的基體。
55.前述權利要求任一項的粘結(jié)材料或粘合劑，其特征在于，其包含其它添加劑，例如阻燃添加劑，例如鹵化物或硼化合物。
56.前述權利要求任一項的粘結(jié)材料或粘合劑，其特征在于，形成所述基體的塑料材料這樣選擇，使得其在硬化和/或固化狀態(tài)具有至少220°C的耐熱性。
57.前述權利要求任一項的粘結(jié)材料或粘合劑，其特征在于，其包含粉末狀添加劑，如碳、石墨、陶瓷和/或金屬添加劑。
58.前述權利要求任一項的粘結(jié)材料或粘合劑，其特征在于，所述納米纖維材料為不含金屬的或基本上不含金屬的納米纖維材料，特別是無Nile和/或Co的納米纖維材料和/ 或經(jīng)化學和/或經(jīng)熱預處理的納米纖維材料。
59.前述權利要求任一項的粘結(jié)材料或粘合劑，其特征在于，納米纖維材料與可能的其它組分的總份額這樣選擇，使得粘結(jié)材料或粘合劑或者塑料基體的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為至少 150°C和/或相比形成塑料基體的塑料，例如環(huán)氧樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度提高至少25%，和 /或納米纖維材料與可能的其它添加劑的總份額為約25重量％，基于粘合層或粘結(jié)層的總量。
60.前述權利要求任一項的粘結(jié)材料或粘合劑，其特征在于，納米纖維材料以及任選的其它填料的總份額這樣選擇，使得粘結(jié)材料或粘合劑的導熱性為形成塑料基體的塑料的導熱性的至少5倍，例如大于lW/mK。
全文摘要
本發(fā)明涉及由至少一個陶瓷層或由至少一個陶瓷基材和由至少一個由金屬層形成的金屬化構成的復合材料，所述金屬化在所述至少一個陶瓷基材的表面?zhèn)取?br> 文檔編號C04B37/02GK102292308SQ200980143066
公開日2011年12月21日 申請日期2009年10月20日 優(yōu)先權日2008年10月29日
發(fā)明者A·弗里士曼, E·哈梅爾, H·哈特爾, 唐新和 申請人:庫拉米克電子學有限公司