JP4601796B2

JP4601796B2 - Ceramic circuit board with terminals

Info

Publication number: JP4601796B2
Application number: JP2000289365A
Authority: JP
Inventors: 隆之那波
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Materials Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Niterra Materials Co Ltd
Priority date: 2000-09-22
Filing date: 2000-09-22
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2020-09-22
Also published as: JP2002100848A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大電流が要求される電気自動車，車輌およびその他の車載用半導体素子に搭載される端子付きセラミックス回路基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置は、セラミックス回路基板上に半田等のろう材により半導体素子を接合して形成される。
【０００３】
上記セラミックス回路基板は、通常、セラミックス基板の表裏面にＣｕ板およびＡｌ板の少なくとも１種の金属薄板を接合して一体に形成され、例えば、直接接合法により作製されたＤＢＣ接合回路基板、活性金属を含有したろう材を接合材として作製された活性金属接合回路基板、Ａｌ等のろう材により接合されたろう材接合回路基板などが存在する。
【０００４】
近年、半導体装置の大容量化に伴い、回路に大電流を流した場合にも対応し得るセラミックス回路基板が要求されている。しかし、前述のセラミックス回路基板では、金属薄板をセラミックス基板上に配置したため、大電流を流した場合に金属板が薄すぎるため、発熱のためろう材が軟化して端子の接合強度が低下するなどの現象が生じる問題点があり、従来の回路基板では半導体装置の大容量化に十分対応できない現状であった。
【０００５】
上記問題を解決するため、例えば、セラミックス回路基板上に断面積が大きい金属端子を直接接合して、金属薄板と金属端子との接合面積を増大させた端子付きセラミックス回路基板が開発実用化されている。なお、金属端子の接合方法は、従来、超音波溶着法および半田接合法などが用いられていた。
【０００６】
しかし、セラミックス回路基板上に断面積が大きな金属端子を配置した形態とすると、大電流を流すことが可能であるが、接合面積が過大になるため、セラミックス回路基板と金属端子との十分な接合強度を得ることができなかった。
【０００７】
また、半田接合法により半田付けを行うと、半田材の融点が２５０〜３５０℃程度であり、１６０℃のような高温度での耐熱サイクル性を要求される厳しい使用条件下にある電気自動車または電車などの分野で半田が溶融して流れてしまうという問題が発生し、優れた耐熱サイクル特性を発揮することができなかった。
【０００８】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、セラミックス回路基板と端子との接合強度を向上させて、かつ、優れた耐熱サイクル特性を有し、大電流に対応可能な端子付きセラミックス回路基板を得ることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を行った結果、金属回路板と金属端子とを接合するろう材の融点を５００〜７８０℃の範囲とすることで、金属回路板と端子との接合強度を向上させるとともに、優れた耐熱サイクル特性を得られ、大電流に対応可能な端子付きセラミックス回路基板を得られることを見い出し、この知見に基づいて本発明を完成するに至ったものである。
【００１０】
すなわち、本発明に係る端子付きセラミックス回路基板は、セラミックス基板と、このセラミックス基板上に接合した金属回路板とを備え、前記金属回路板上に融点が５００〜７８０℃であるろう材から成るろう材層を介して金属端子が一体に接合されており、前記ろう材層は、ＡｇおよびＡｌの少なくとも１種の金属を主成分とし、前記ろう材層の厚さが１０〜１００μｍである一方、前記金属端子はＣｕおよびＡｌの少なくとも１種の金属材料から成り、前記金属回路板が銅板であることを特徴とする。
【００１１】
また、上記端子付きセラミックス回路基板において、セラミックス基板と金属回路板とが、直接接合法，活性金属接合法およびろう付け法のいずれかの方法を用いて接合されていることが好ましい。
【００１２】
さらに、上記端子付きセラミックス回路基板において、金属端子と金属回路板との接合面積が、２５ｍｍ^２以上であることが望ましい。
【００１３】
また、上記端子付きセラミックス回路基板において、ろう材層の成分が、セラミックス基板と金属回路板とを接合するろう材成分の主成分と同一であることが好ましく、本ろう材層は、ＡｇおよびＡｌの少なくとも１種の金属を主成分として構成すると良い。
【００１４】
上記端子付きセラミックス回路基板において、ろう材層の厚さが１０〜１００μｍであることが好ましい。
【００１５】
また、上記端子付きセラミックス回路基板において、セラミックス基板は窒化けい素焼結体および窒化アルミニウム焼結体のいずれかの非酸化物系セラミックス焼結体から成ることが好ましい。
【００１６】
さらに、上記端子付きセラミックス回路基板において、金属端子はＣｕおよびＡｌの少なくとも１種の金属材料から成ることが好ましい。
【００１７】
以下、本発明の端子付きセラミックス回路基板について説明する。
【００１８】
本発明における端子付きセラミックス回路基板は、セラミックス基板上に金属回路板を接合した後、金属回路板上に金属端子を融点が５００〜７８０℃であるろう材を介して金属回路板に接合して、端子を備えたセラミックス回路基板としたものである。
【００１９】
まず、セラミックス基板と金属回路板との接合法および金属回路板と金属端子との接合法に関しては、十分な接合強度が得られる限り特に限定されないが、以下に示す直接接合法（ＤＢＣ、ＤＢＡ）、Ｔｉ，Ｈｆ，Ｚｒ等の活性金属を含有したろう材層を用いた活性金属接合法またはＡｌ，Ａｇ系などのろう材を用いたろう付け法が適用可能である。
【００２０】
直接接合法は、金属回路板とセラミックス基板とを接触させて、加熱によりろう材層を使用せずに接合する方法である。例えば、金属回路板として銅板を用いる場合、酸素を１００〜１０００ｐｐｍ程度含有した銅板を用い１０５０〜１０８０℃程度で加熱すると、酸素とセラミックスとが共晶反応を起こし直接接合が可能となる。なお、セラミックス基板が酸化物系であれば容易に接合しやすく、非酸化物系の場合には表面に酸化膜等を設けることにより接合可能である。また、金属回路板としてＡｌ板やＡｌ−Ｓｉ合金板なども加熱により直接接合可能である。
【００２１】
活性金属接合法は、Ｔｉ，Ｈｆ，Ｚｒ等の活性金属を所定量含有させたろう材を塗布した後、７８０〜８５０℃の温度でろう付け接合するものである。ろう材は、前述した活性金属が含有されていれば特に限定されるものではないが、Ａｇ，Ａｇ−Ｃｕ，Ａｇ−Ｉｎ，Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ，Ａｇ−Ｃｕ−ＳｎおよびＣｕ系ろう材に活性金属を含有したものを用いると良い。なお、ろう材中の活性金属の含有量は１０ｗｔ％以下とすることが好ましい。
【００２２】
さらに、ろう付け法は、ＡｌまたはＡｇ系ろう材を用いて、必要に応じてＳｉ，Ｉｎ，Ｓｎ等の添加物を３０ｗｔ％以下含有させたろう材を使用して７８０〜８５０℃の温度で金属回路板等をろう付けする方法である。Ａｌ，Ａｇ系ろう材は、ＡｌおよびＡｇの少なくとも一種の金属を主成分とし、その他の成分として、Ｓｎ，Ｉｎ等を含有させるとさらに接合強度を向上させることが可能である。
【００２３】
上記方法の中でも、特に、耐熱サイクル特性に優れる活性金属接合法またはろう付け法を用いることが好ましい。なお、活性金属接合法およびろう付け法に用いるろう材は、７５０℃を超える融点を有するものであれば特に問題はないが、７８０〜８５０℃の範囲のろう材を使用することがさらに好ましい。
【００２４】
一方、セラミックス基板の材質は特に限定されるものではなく、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）焼結体、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）焼結体、炭化けい素（ＳｉＣ）焼結体などの各種セラミックスを適用することが可能である。本発明のように、金属回路板上に金属端子を接合する構造では、熱膨張時にセラミックス基板に応力が作用し易い。このため、強度が低い酸化アルミニウム焼結体を基板として適用した場合、金属回路板と金属端子との接合部に亀裂が発生し易い。従って、セラミックス基板としては、窒化アルミニウム基板や窒化アルミニウム基板と比較して強度がより高い窒化けい素基板を用いることにより、ＴＣＴ特性をより改善できる。特に、強度が６００ＭＰａ以上であり、熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・ｋ以上である窒化けい素基板を適用することにより、強度および放熱性を向上させることができる。
【００２５】
上記方法によりセラミックス回路基板を形成した後、金属回路板上に融点が５００〜７８０℃であるろう材により金属端子をろう付け接合して本発明に係る端子付きセラミックス回路基板が形成される。
【００２６】
このときろう材として融点が５００〜７８０℃のものを用いる。融点が５００℃未満であると、例えば１６０℃程度の高い温度での耐熱サイクル特性（ＴＣＴ特性）を要求される回路基板ではろう材の一部が溶け出すような現象が発生するため、接合強度が低下するとともに耐熱サイクル特性も劣化してしまう。逆に、７８０℃を超える融点を有するろう材は金属回路板とセラミックス基板とを接合するろう材と融点が近似するためろう材に悪影響を与えてしまうためである。
【００２７】
なお、融点が５００〜７８０℃の範囲にあるろう材か否かの見分け方は、公知の融点測定方法であってもよいし、簡易的には融点よりも１００〜１５０℃高い温度まで加熱して、ろう材が溶け出す温度で判別可能である。
【００２８】
また、ろう付けする金属端子の材質は高い導電性を有する限り、特に限定されるものではないが、例えば、Ｃｕ，Ａｌなどの電気導電率が高い材料が好ましく、金属回路板と同様の材質とすることにより、回路基板の耐熱サイクル特性の向上を図ることができる。
【００２９】
さらに、金属端子と金属回路板との接合面積は２５ｍｍ^２以上、さらには３０ｍｍ^２以上が好ましい。接合面積が２５ｍｍ^２未満であると、通電容量が低くなることから大電流を流しにくく金属端子をろう付けする効果が得られなくなってしまうためである。
【００３０】
融点が５００〜７８０℃のろう材自体は融点が５００〜７８０℃の範囲であれば特に限定されるものではないが、好ましくは上記範囲の温度で共晶現象を起こすろう材であることが望ましい。ろう材は、ＡｇまたはＡｌを主成分としたものが採用でき、例えば、Ａｇ−Ｃｕ系，Ａｌ−Ｓｉ系，Ａｌ−Ｉｎ系，Ａｇ−Ｓｎ系のろう材があり、さらに、Ｔｉ等の活性金属を１０ｗｔ％以下含有させたろう材も効果的である。
【００３１】
一方、端子を接合する際のろう材は、セラミックス基板と金属回路板とを接合する際に用いたろう材と一致させると良い。本発明の端子付きセラミックス回路基板は大容量化された半導体装置に使用されるため、特に温度昇降の激しい過酷な耐熱サイクル特性条件下で使用される。このとき、セラミックス基板と金属回路板とを接合するろう材と、金属端子と金属回路板とを接合するろう材とを同一の材質にすることにより、ＴＣＴ試験における各材質の熱膨張の差が減少するためＴＣＴ特性が向上する。この観点からすると、前述のように各ろう材の主成分を同様の材質とすること、さらには金属回路板および金属端子の材質の成分を同様とすることにより、各構成材の熱膨張の差を実質的に解消することが可能であり、さらにＴＣＴ特性の向上を図ることができる。
【００３２】
ろう材層の厚さは特に限定されるものではないが、所定の接合強度を得るために１０〜１００μｍの範囲、好ましくは５０〜８０μｍの範囲に設定することが肝要である。ろう材層の厚さが１０μｍ未満であると接合強度が不十分である一方、逆に１００μｍを超えるとろう材層の厚さが過大になるため、セラミックス回路基板としての熱抵抗を増大してしまうためである。また、１００μｍを超えるとろう材層自体の熱膨張が大きくなり金属回路板に不要な応力を与えてしまうことからセラミックス基板へのクラック発生と言った問題も生じてしまう。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図１および表１〜表６を用いて説明する。
【００３４】
第１実施形態（図１、表１〜表２）
本実施形態では、直接接合（ＤＢＣ）法により接合されたセラミックス回路基板上に、金属端子を形成して端子付きセラミックス回路基板とした。
【００３５】
実施例（試料Ｎｏ．１〜試料Ｎｏ．５）
まず、セラミックス基板として、表１に示すように、厚さが０．６５ｍｍである窒化けい素（Ｓｉ_３Ｎ_４）基板または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板を用い、Ｓｉ_３Ｎ_４基板およびＡｌＮ基板を酸化雰囲気中で熱処理することにより全表面に厚さ１μｍの酸化物層（ＳｉＯ_２，Ａｌ_２Ｏ_３）を形成した。
【００３６】
次に、金属回路板として酸素を１００〜１０００ｐｐｍ含有したタフピッチ銅からなるＣｕ板を準備した。Ｃｕ板の厚さは、それぞれ０．３ｍｍ、０．２５ｍｍとした。
【００３７】
セラミックス基板の表面側に厚さ０．３ｍｍのＣｕ板を接触配置する一方、背面側に厚さ０．２５ｍｍのＣｕ板を裏当て材として接触配置した後、１０７０℃の温度で加熱してセラミックス基板の表裏面にＣｕ板を直接接合したセラミックス回路基板を得た。
【００３８】
上記セラミックス回路基板上に、融点が５００〜７８０℃であるろう材を用いて高さが１５ｍｍである銅製の金属端子を接合して端子付きセラミックス回路基板を形成した。なお、セラミックス回路基板と金属端子との接合面積は３０ｍｍ^２（５ｍｍ×６ｍｍ）とした。これを図１に示す。
【００３９】
図１に示すように、端子付きセラミックス回路基板１は、セラミックス基板２の表裏面に金属回路板３を一体として接合されており、金属回路板３上にろう材層４を介して金属端子５が形成される。これを試料Ｎｏ．１とした。
【００４０】
また、表１に示すように、試料Ｎｏ．２はろう材の種類を変え、試料Ｎｏ．３はろう材の融点を変化させて試料Ｎｏ．１とほぼ同様に端子付きセラミックス回路基板を形成した。試料Ｎｏ．４および試料Ｎｏ．５はセラミックス基板を窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板として、端子付きセラミックス回路基板を形成した。
【００４１】
【表１】

【００４２】
比較例（試料Ｎｏ．６〜試料Ｎｏ．１１）
本比較例では、試料Ｎｏ．６〜試料Ｎｏ．１１を用い、以下に示すものを本発明の範囲外とした。また、試料Ｎｏ．６はろう材の融点を１８３℃と低くし、試料Ｎｏ．７は金属端子と金属回路板との接合面積を２０ｍｍ^２とした。さらに、試料Ｎｏ．８として、融点が３００℃のろう材により銅製の端子を接合し、試料Ｎｏ．９および試料Ｎｏ．１０はろう材の厚さをそれぞれ１５０μｍ、８μｍとした。また、Ｎｏ．１１はセラミックス基板としてＡｌ_２Ｏ_３基板を適用し、実施例と同様の方法を用いて、端子付きセラミックス回路基板を形成して同様の試験を行った。
【００４３】
上記実施例および比較例により得られた端子付きセラミックス回路基板に対して、端子の接合強度を測定するとともに、耐熱サイクル性を評価した。なお、端子の接合強度は、端子を上方に向けて垂直に引っ張った際の荷重を単位面積で割った値により評価したものである。また、耐熱サイクル性の評価としてはＴＣＴ試験を行い、−５５℃×３０ｍｉｎ→Ｒ．Ｔ．×１０ｍｉｎ→１６０℃×３０ｍｉｎ→Ｒ．Ｔ．×１０ｍｉｎを１サイクルとして、２００サイクル実施後における端子の剥離の有無を評価したものである。その結果を表２に示す。
【００４４】
【表２】

【００４５】
表２に示すように、本発明の範囲内とした実施例では、比較例に比べて端子の接合強度が高く、また、ＴＣＴ試験後における端子の剥離が生じなかったが、比較例では、接合強度が低下して金属端子の剥離が生じた。なお、比較例９においては金属端子の剥離は生じなかったが、セラミックス基板にはクラックが生じていた。これはろう材層が１００μｍを超えて厚いためにろう材層の熱膨張が激しくなり金属回路板に不要な応力を与えてしまったためであると考えられる。
【００４６】
第２実施形態（表３、表４）
本実施形態では、活性金属接合法を用いて接合されたセラミックス回路基板上に、金属端子を形成して端子付きセラミックス回路基板とした。
【００４７】
実施例（試料Ｎｏ．２０〜試料Ｎｏ．３１）
まず、セラミックス基板として、表３に示すように、厚さが０．６３５ｍｍである窒化けい素（Ｓｉ_３Ｎ_４）基板または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板を用いた。また、金属回路板として酸素を１０〜３０ｐｐｍとごく少量とした無酸素銅からなるＣｕ板を準備した。
【００４８】
【表３】

【００４９】
次に、Ａｇ，ＣｕおよびＴｉを主成分とした金属粉末に有機化合物等のバインダおよび溶媒を混合したペーストをセラミックス基板の表裏面にパターン印刷し、セラミックス基板上にＣｕ板をパターンに沿って配置して、不活性雰囲気または真空中、８５０℃の温度で加熱接合してセラミックス回路基板を得た。なお、Ｃｕ板の表側の厚さを０．３ｍｍとし、裏側の厚さを０．２５ｍｍとした。
【００５０】
上記セラミックス回路基板の銅回路板上に、融点が７３０℃のろう材を用いて高さ１５ｍｍの銅製の金属端子を接合して端子付きセラミックス回路基板を形成した。これを試料Ｎｏ．２０とした。
【００５１】
また、表３に示すように、活性金属接合法のろう材の種類およびその組成比、金属端子の接合ろう材の種類、その組成、融点および厚さを種々変えて、試料Ｎｏ．２１〜試料Ｎｏ．３１の端子付きセラミックス回路基板を形成した。なお、試料Ｎｏ．２２〜試料Ｎｏ．３１は、Ａｇ，ＣｕおよびＴｉを主成分とし、これにＩｎ，ＳｎおよびＣから選択される１種以上を添加したろう材を活性金属接合法のろう材として用いたものである。
【００５２】
比較例（試料Ｎｏ．３２〜試料Ｎｏ．３５）
本比較例では、上述した実施例とほぼ同様の方法を用い、試料Ｎｏ．３２〜試料Ｎｏ．３５の端子付きセラミックス回路基板を形成した。表３に示すように、試料Ｎｏ．３２は金属端子の接合ろう材の厚さを２００μｍとし、試料Ｎｏ．３３および試料Ｎｏ．３４は金属端子の接合ろう材の融点が各々３００℃、９００℃としたものを適用した。さらに、試料Ｎｏ．３５は、金属回路板と金属端子との接合面積を２３ｍｍ^２として端子付きセラミックス回路基板を作製したものである。
【００５３】
上記実施例および比較例の金属端子を形成したセラミックス回路基板に対して、端子の接合強度を測定するとともに、耐熱サイクル性（ＴＣＴ）試験を施した。なお、試験条件は第１実施形態と同様とした。その結果を表４に示す。
【００５４】
【表４】

【００５５】
表４に示すように、本発明の範囲内の融点とした金属端子の接合ろう材を適用した試料Ｎｏ．２０〜試料Ｎｏ．３１は、いずれも金属端子の接合強度が４０ｋｇｆ／ｃｍ^２以上であり、ＴＣＴ試験後の端子の剥離が生じなかった。一方、比較例の試料Ｎｏ．３３ないし試料Ｎｏ．３５は、端子の接合強度が低下してＴＣＴ試験後の端子の剥離も生じた。
【００５６】
第３実施形態（表５、表６）
本実施形態では、セラミックス基板と金属回路板を接合するろう材が、金属回路板と金属端子を接合するろう材と同一の成分を有するものを用意した。
【００５７】
実施例（試料Ｎｏ．５０〜試料Ｎｏ．５２）
まず、セラミックス基板として、表５に示すように厚さが０．６３５ｍｍである窒化珪素基板または窒化アルミニウム基板を用いた。金属回路板として無酸素銅からなるＣｕ板を準備した。
【００５８】
【表５】

【００５９】
また、表５に示す成分組成を有するろう材を用いた。
【００６０】
次に、セラミックス基板の表裏面にろう材を塗布した後、Ｃｕ板を配置して加熱し、セラミックス基板の表裏面にＣｕ板を接合したセラミックス回路基板を得た。
【００６１】
上記セラミックス回路基板上に金属回路板を接合したろう材と同じものを用いて高さ１５ｍｍの銅製の金属端子を接合して端子付きセラミックス回路基板を形成した。
【００６２】
また、試料Ｎｏ．５２はセラミックス基板上にろう材層を塗布し金属回路板を配置し、さらにその上にろう材層を塗布し金属端子を配置し、一度の熱処理によりセラミックス基板と金属回路板、金属回路板と金属端子を接合した。
【００６３】
このような各試料に対し、実施例２３と同様の条件で耐熱サイクル試験を２００サイクルおよび４００サイクル行った後における金属端子の剥離の有無を検討した。
【００６４】
また、本実施形態との比較をする為に、第２実施形態における実施例の試料Ｎｏ．２３の端子付きセラミックス回路基板についても同様の試験を行った。その結果を表６に示す。
【００６５】
【表６】

【００６６】
表６から分かる通り、２００サイクルでは金属端子の剥離は確認されなかったが、セラミックス基板と金属回路板の接合ろう材と、金属回路板と金属端子の接合ろう材の組成が異なる試料Ｎｏ．２３は４００サイクルでは剥離が起きてしまった。これはろう材組成が異なることから、温度昇降がより激しい環境下においては各ろう材層の組成が異なることによる熱膨張の差が影響するものであると言える。
【００６７】
それに対し、各ろう材層の組成を同一にした試料Ｎｏ．５０〜試料Ｎｏ．５２のものについては４００サイクル後であっても金属端子の剥離は確認されなかった。また、同一のろう材を使用することから試料Ｎｏ．５２のように一度の熱処理によりセラミックス基板と金属回路板および金属回路板と金属端子の接合を行うことも可能であり製造性も向上させることができる。
【００６８】
なお、各ろう材層の組成が同一か否かはろう材層全体を分析することが最も好ましいが、ろう材を構成する成分が同じであるならばろう材層における任意の３ヶ所の組成比率を分析してその平均値により実質的に同一であるか否かを判定しても問題ない。
【００６９】
以上説明したように、本発明の実施形態によれば、５００〜７８０℃の融点を有するろう材から成るろう材層を介して金属端子を一体形成することで、金属端子と金属回路板との接合強度および耐熱サイクル特性の向上を図ることができるが、特に、セラミックス回路基板の作製方法として、第２実施形態および第３実施形態に示す耐熱サイクル特性に優れた活性金属接合法またはろう付け法を用いることで、一層、接合強度および耐熱サイクル特性の向上を図れる。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明の通り、本発明によれば、セラミックス回路基板と端子とを接合するろう材の改良により、優れた接合強度および耐熱サイクル特性を得られ、大電流に対応可能な端子付きセラミックス回路基板を得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における、端子付きセラミックス回路基板を示す断面図。
【符号の説明】
１端子付きセラミックス回路基板
２セラミックス基板
３金属回路板
４ろう材層
５金属端子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a ceramic circuit board with terminals mounted on an electric vehicle, a vehicle, and other on-vehicle semiconductor elements that require a large current.
[0002]
[Prior art]
The semiconductor device is formed by bonding a semiconductor element on a ceramic circuit board with a brazing material such as solder.
[0003]
The ceramic circuit board is usually formed integrally by joining at least one thin metal plate of Cu plate and Al plate to the front and back surfaces of the ceramic substrate, for example, a DBC bonded circuit board manufactured by a direct bonding method, There are an active metal bonded circuit board manufactured using a brazing material containing metal as a bonding material, a brazing material bonded circuit board bonded by a brazing material such as Al, and the like.
[0004]
In recent years, with the increase in capacity of semiconductor devices, there is a demand for a ceramic circuit board that can cope with a case where a large current is passed through a circuit. However, in the above-mentioned ceramic circuit board, since the metal thin plate is arranged on the ceramic substrate, the metal plate is too thin when a large current is passed, so that the brazing material is softened due to heat generation and the bonding strength of the terminal is lowered. The conventional circuit board cannot sufficiently cope with the increase in the capacity of the semiconductor device.
[0005]
In order to solve the above problem, for example, a ceramic circuit board with a terminal in which a metal terminal having a large cross-sectional area is directly bonded on a ceramic circuit board to increase a bonding area between the metal thin plate and the metal terminal has been developed and put into practical use. Yes. Conventionally, as a method for joining metal terminals, an ultrasonic welding method, a solder joining method, or the like has been used.
[0006]
However, if a metal terminal with a large cross-sectional area is arranged on the ceramic circuit board, a large current can flow, but the bonding area becomes excessive, so sufficient bonding between the ceramic circuit board and the metal terminal is possible. The strength could not be obtained.
[0007]
Moreover, when soldering is performed by a solder bonding method, the melting point of the solder material is about 250 to 350 ° C., or an electric vehicle under severe use conditions that require heat cycle performance at a high temperature such as 160 ° C. In the field of trains and the like, there was a problem that the solder melted and flowed, and the excellent heat cycle characteristics could not be exhibited.
[0008]
The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and has a terminal that can improve the bonding strength between a ceramic circuit board and a terminal, has excellent heat cycle characteristics, and can handle a large current. The object is to obtain a ceramic circuit board.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have made the melting point of the brazing material joining the metal circuit board and the metal terminal in the range of 500 to 780 ° C. It has been found that a ceramic circuit board with a terminal capable of improving the bonding strength with the wire and having excellent heat cycle characteristics and capable of handling a large current can be obtained. Based on this knowledge, the present invention has been completed. It is.
[0010]
That is, the ceramic circuit board with a terminal according to the present invention includes a ceramic substrate and a metal circuit board bonded on the ceramic board, and is made of a brazing material having a melting point of 500 to 780 ° C. on the metal circuit board. Metal terminals are integrally joined via a material layer, and the brazing material layer is mainly composed of at least one metal of Ag and Al, and the thickness of the brazing material layer is 10 to 100 μm, The metal terminal is made of at least one metal material of Cu and Al, and the metal circuit board is a copper plate .
[0011]
In the ceramic circuit board with terminals, the ceramic substrate and the metal circuit board are preferably bonded using any one of a direct bonding method, an active metal bonding method, and a brazing method.
[0012]
Furthermore, in the above-mentioned ceramic circuit board with terminals, it is desirable that the bonding area between the metal terminal and the metal circuit board is 25 mm ² or more.
[0013]
Further, in the ceramic circuit board with terminals, the brazing material layer component is preferably the same as the main component of the brazing material component that joins the ceramic substrate and the metal circuit board. It is good to comprise at least one kind of metal as a main component.
[0014]
In the ceramic circuit board with terminals, the brazing material layer preferably has a thickness of 10 to 100 μm.
[0015]
In the ceramic circuit board with terminals, the ceramic substrate is preferably made of a non-oxide ceramic sintered body of either a silicon nitride sintered body or an aluminum nitride sintered body.
[0016]
Furthermore, in the above-mentioned ceramic circuit board with a terminal, the metal terminal is preferably made of at least one metal material of Cu and Al.
[0017]
Hereinafter, the ceramic circuit board with terminals of the present invention will be described.
[0018]
In the ceramic circuit board with a terminal in the present invention, a metal circuit board is joined to the ceramic board, and then the metal terminal is joined to the metal circuit board via a brazing material having a melting point of 500 to 780 ° C. And a ceramic circuit board provided with terminals.
[0019]
First, the bonding method between the ceramic substrate and the metal circuit board and the bonding method between the metal circuit board and the metal terminal are not particularly limited as long as sufficient bonding strength can be obtained, but the following direct bonding methods (DBC, DBA) An active metal bonding method using a brazing material layer containing an active metal such as Ti, Hf, Zr, or a brazing method using a brazing material such as an Al or Ag type is applicable.
[0020]
The direct bonding method is a method in which a metal circuit board and a ceramic substrate are brought into contact with each other and bonded without using a brazing filler metal layer by heating. For example, when a copper plate is used as the metal circuit board, if a copper plate containing about 100 to 1000 ppm of oxygen is used and heated at about 1050 to 1080 ° C., the eutectic reaction between oxygen and ceramics enables direct bonding. In addition, if the ceramic substrate is oxide-based, it is easy to bond, and if it is non-oxide-based, it can be bonded by providing an oxide film or the like on the surface. Further, an Al plate or an Al—Si alloy plate as a metal circuit plate can be directly joined by heating.
[0021]
In the active metal bonding method, a brazing material containing a predetermined amount of an active metal such as Ti, Hf, or Zr is applied, and then brazed at a temperature of 780 to 850 ° C. The brazing material is not particularly limited as long as the active metal described above is contained, but Ag, Ag-Cu, Ag-In, Ag-Cu-In, Ag-Cu-Sn, and Cu-based brazing materials can be used. What contains an active metal is good. In addition, it is preferable that content of the active metal in a brazing material shall be 10 wt% or less.
[0022]
Furthermore, the brazing method uses an Al or Ag brazing material, and a brazing material containing an additive such as Si, In, Sn or the like, if necessary, at a temperature of 780 to 850 ° C. This is a method of brazing a circuit board or the like. The Al, Ag-based brazing material can contain at least one metal of Al and Ag as a main component, and Sn, In, etc. as other components can further improve the bonding strength.
[0023]
Among the above methods, it is particularly preferable to use an active metal bonding method or a brazing method that is excellent in heat cycle characteristics. The brazing material used in the active metal bonding method and the brazing method is not particularly limited as long as it has a melting point exceeding 750 ° C., but it is more preferable to use a brazing material in the range of 780 to 850 ° C.
[0024]
On the other hand, the material of the ceramic substrate is not particularly limited, and is an aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ) sintered body, an aluminum nitride (AlN) sintered body, a silicon nitride (Si ₃ N ₄ ) sintered body, or a silicon carbide. Various ceramics such as an elementary (SiC) sintered body can be applied. As in the present invention, in a structure in which a metal terminal is joined on a metal circuit board, stress is likely to act on the ceramic substrate during thermal expansion. For this reason, when the aluminum oxide sintered compact with low intensity | strength is applied as a board | substrate, a crack tends to generate | occur | produce in the junction part of a metal circuit board and a metal terminal. Therefore, the TCT characteristics can be further improved by using a silicon nitride substrate having higher strength than the aluminum nitride substrate or the aluminum nitride substrate as the ceramic substrate. In particular, the strength and heat dissipation can be improved by applying a silicon nitride substrate having a strength of 600 MPa or more and a thermal conductivity of 60 W / m · k or more.
[0025]
After the ceramic circuit board is formed by the above-described method, the metal terminal is brazed and joined to the metal circuit board with a brazing material having a melting point of 500 to 780 ° C. to form the terminal-equipped ceramic circuit board according to the present invention.
[0026]
At this time, a soldering material having a melting point of 500 to 780 ° C. is used. If the melting point is less than 500 ° C., for example, a circuit board that requires heat cycle characteristics (TCT characteristics) at a high temperature of about 160 ° C. will cause a phenomenon that part of the brazing material is melted. As a result, the heat cycle characteristics deteriorate. Conversely, a brazing material having a melting point exceeding 780 ° C. has an adverse effect on the brazing material because the melting point is close to that of the brazing material joining the metal circuit board and the ceramic substrate.
[0027]
In addition, a known melting point measuring method may be used as a method of distinguishing whether or not the melting point is in the range of 500 to 780 ° C., or simply heating to a temperature 100 to 150 ° C. higher than the melting point. Thus, the temperature can be determined by the temperature at which the brazing material melts.
[0028]
In addition, the material of the metal terminal to be brazed is not particularly limited as long as it has high conductivity. For example, a material having high electrical conductivity such as Cu and Al is preferable, and the same material as the metal circuit board is used. By doing so, the heat cycle characteristics of the circuit board can be improved.
[0029]
Furthermore, the bonding area between the metal terminal and the metal circuit board is preferably 25 mm ² or more, more preferably 30 mm ² or more. This is because if the bonding area is less than 25 mm ² , the current-carrying capacity becomes low, so that it is difficult to flow a large current and the effect of brazing the metal terminal cannot be obtained.
[0030]
The brazing material itself having a melting point of 500 to 780 ° C. is not particularly limited as long as the melting point is in the range of 500 to 780 ° C., but is preferably a brazing material that causes a eutectic phenomenon at a temperature in the above range. . As the brazing material, a material mainly composed of Ag or Al can be used. For example, there are brazing materials of Ag-Cu, Al-Si, Al-In, and Ag-Sn, and further, an activity such as Ti. A brazing material containing 10 wt% or less of metal is also effective.
[0031]
On the other hand, the brazing material used when joining the terminals is preferably matched with the brazing material used when joining the ceramic substrate and the metal circuit board. Since the ceramic circuit board with a terminal according to the present invention is used for a semiconductor device having a large capacity, it is used under particularly severe heat cycle characteristic conditions in which the temperature rises and falls. At this time, by using the same material for the brazing material that joins the ceramic substrate and the metal circuit board and the brazing material that joins the metal terminal and the metal circuit board, the difference in thermal expansion of each material in the TCT test can be reduced. Since it decreases, the TCT characteristic is improved. From this point of view, the main component of each brazing material is made of the same material as described above, and further, the components of the metal circuit board and the metal terminal are made of the same material, so that the difference in thermal expansion of each component material is made. Can be substantially eliminated, and the TCT characteristics can be further improved.
[0032]
The thickness of the brazing material layer is not particularly limited, but it is important to set the brazing material layer in a range of 10 to 100 μm, preferably in a range of 50 to 80 μm, in order to obtain a predetermined bonding strength. If the thickness of the brazing material layer is less than 10 μm, the bonding strength is insufficient. On the other hand, if the thickness exceeds 100 μm, the thickness of the brazing material layer becomes excessive, which increases the thermal resistance of the ceramic circuit board. It is because it ends. Further, when the thickness exceeds 100 μm, the thermal expansion of the brazing material layer itself is increased, and unnecessary stress is applied to the metal circuit board, which causes a problem of occurrence of cracks in the ceramic substrate.
[0033]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIG. 1 and Tables 1 to 6.
[0034]
1st Embodiment (FIG. 1, Table 1-2)
In this embodiment, a metal terminal is formed on a ceramic circuit board bonded by a direct bonding (DBC) method to form a ceramic circuit board with a terminal.
[0035]
Example (Sample No. 1 to Sample No. 5)
First, as shown in Table 1, a silicon nitride (Si ₃ N ₄ ) substrate or an aluminum nitride (AlN) substrate having a thickness of 0.65 mm is used as the ceramic substrate, and the Si ₃ N ₄ substrate and the AlN substrate are used. An oxide layer (SiO ₂ , Al ₂ O ₃ ) having a thickness of 1 μm was formed on the entire surface by heat treatment in an oxidizing atmosphere.
[0036]
Next, a Cu plate made of tough pitch copper containing 100 to 1000 ppm of oxygen was prepared as a metal circuit plate. The thickness of the Cu plate was 0.3 mm and 0.25 mm, respectively.
[0037]
A 0.3 mm thick Cu plate is placed in contact with the surface side of the ceramic substrate, while a 0.25 mm thick Cu plate is placed in contact with the back side as a backing material, and then heated at a temperature of 1070 ° C. A ceramic circuit board in which a Cu plate was directly bonded to the front and back surfaces of the board was obtained.
[0038]
On the ceramic circuit board, a copper metal terminal having a height of 15 mm was joined using a brazing material having a melting point of 500 to 780 ° C. to form a ceramic circuit board with terminals. The bonding area between the ceramic circuit board and the metal terminal was 30 mm ² (5 mm × 6 mm). This is shown in FIG.
[0039]
As shown in FIG. 1, a ceramic circuit board 1 with terminals has a metal circuit board 3 integrally bonded to the front and back surfaces of a ceramic board 2, and metal terminals 5 are connected to the metal circuit board 3 via a brazing material layer 4. Is formed. This is designated as Sample No. It was set to 1.
[0040]
As shown in Table 1, sample No. No. 2 changes the type of brazing material, and sample No. Sample No. 3 was obtained by changing the melting point of the brazing material. A ceramic circuit board with terminals was formed in substantially the same manner as in 1. Sample No. 4 and sample no. In No. 5, a ceramic circuit board with terminals was formed using a ceramic substrate as an aluminum nitride (AlN) substrate.
[0041]
[Table 1]

[0042]
Comparative Example (Sample No. 6 to Sample No. 11)
In this comparative example, Sample No. 6 to Sample No. 11 was used, and the following were out of the scope of the present invention. Sample No. No. 6 has a melting point of brazing material as low as 183 ° C. 7 has a bonding area of 20 mm ² between the metal terminal and the metal circuit board. Furthermore, sample no. 8, a copper terminal was joined with a brazing material having a melting point of 300 ° C. 9 and sample no. In No. 10, the thickness of the brazing material was 150 μm and 8 μm, respectively. No. No. 11 applied an Al ₂ O ₃ substrate as a ceramic substrate, and a ceramic circuit substrate with terminals was formed using the same method as in the example, and the same test was performed.
[0043]
With respect to the ceramic circuit boards with terminals obtained by the above examples and comparative examples, the bonding strength of the terminals was measured and the heat cycle resistance was evaluated. It should be noted that the bonding strength of the terminals is evaluated by a value obtained by dividing the load when the terminals are pulled vertically upward and divided by the unit area. In addition, a TCT test was performed as an evaluation of the heat cycle property, and −55 ° C. × 30 min → R. T. T. × 10 min → 160 ° C. × 30 min → R. T. T. X10 min is one cycle, and the presence or absence of peeling of the terminal after 200 cycles is evaluated. The results are shown in Table 2.
[0044]
[Table 2]

[0045]
As shown in Table 2, in the examples within the scope of the present invention, the bonding strength of the terminals was higher than that of the comparative examples, and the terminals were not peeled after the TCT test. The strength decreased and peeling of the metal terminal occurred. In Comparative Example 9, the metal terminal was not peeled off, but the ceramic substrate was cracked. This is presumably because the brazing filler metal layer is thicker than 100 μm, so that the thermal expansion of the brazing filler metal layer becomes intense and gives unnecessary stress to the metal circuit board.
[0046]
Second embodiment (Table 3, Table 4)
In this embodiment, a metal terminal is formed on a ceramic circuit board bonded using an active metal bonding method to form a ceramic circuit board with a terminal.
[0047]
Example (Sample No. 20 to Sample No. 31)
First, as shown in Table 3, a silicon nitride (Si ₃ N ₄ ) substrate or an aluminum nitride (AlN) substrate having a thickness of 0.635 mm was used as the ceramic substrate. In addition, a Cu plate made of oxygen-free copper with a very small amount of oxygen of 10 to 30 ppm was prepared as a metal circuit board.
[0048]
[Table 3]

[0049]
Next, a paste prepared by mixing a metal powder mainly composed of Ag, Cu and Ti with a binder such as an organic compound and a solvent is pattern printed on the front and back surfaces of the ceramic substrate, and the Cu plate is arranged on the ceramic substrate along the pattern. Then, a ceramic circuit board was obtained by heat bonding at a temperature of 850 ° C. in an inert atmosphere or vacuum. The thickness on the front side of the Cu plate was 0.3 mm, and the thickness on the back side was 0.25 mm.
[0050]
On the copper circuit board of the ceramic circuit board, a copper metal terminal having a height of 15 mm was joined using a brazing material having a melting point of 730 ° C. to form a ceramic circuit board with terminals. This is designated as Sample No. It was set to 20.
[0051]
Also, as shown in Table 3, the sample No. 1 was changed by changing the type and composition ratio of the brazing filler metal of the active metal joining method, the kind of brazing filler metal of the metal terminal, its composition, melting point and thickness. 21-Sample No. 31 ceramic circuit boards with terminals were formed. Sample No. 22 to Sample No. No. 31 is a brazing material in which Ag, Cu and Ti are the main components and at least one selected from In, Sn and C is added thereto as a brazing material for the active metal joining method.
[0052]
Comparative Example (Sample No. 32 to Sample No. 35)
In this comparative example, the same method as in the above-described example was used, and the sample No. 32 to Sample No. A ceramic circuit board with 35 terminals was formed. As shown in Table 3, Sample No. No. 32 has a metal brazing filler metal thickness of 200 μm. 33 and Sample No. No. 34 was a metal terminal bonding brazing material having melting points of 300 ° C. and 900 ° C., respectively. Furthermore, sample no. No. 35 is a ceramic circuit board with a terminal having a bonding area between the metal circuit board and the metal terminal of 23 mm ² .
[0053]
The ceramic circuit boards on which the metal terminals of the above examples and comparative examples were formed were subjected to a heat cycle resistance (TCT) test while measuring the bonding strength of the terminals. The test conditions were the same as in the first embodiment. The results are shown in Table 4.
[0054]
[Table 4]

[0055]
As shown in Table 4, the sample No. to which the metal terminal joining brazing material having a melting point within the scope of the present invention was applied. 20 to Sample No. No. 31 had a metal terminal bonding strength of 40 kgf / cm ² or more, and no terminal peeling occurred after the TCT test. On the other hand, Sample No. 33 to Sample No. In No. 35, the bonding strength of the terminal was lowered, and the terminal peeled after the TCT test.
[0056]
Third embodiment (Tables 5 and 6)
In the present embodiment, a brazing material that joins the ceramic substrate and the metal circuit board has the same component as the brazing material that joins the metal circuit board and the metal terminal.
[0057]
Example (Sample No. 50 to Sample No. 52)
First, as a ceramic substrate, a silicon nitride substrate or an aluminum nitride substrate having a thickness of 0.635 mm as shown in Table 5 was used. A Cu plate made of oxygen-free copper was prepared as a metal circuit plate.
[0058]
[Table 5]

[0059]
Moreover, the brazing material which has a component composition shown in Table 5 was used.
[0060]
Next, after applying a brazing material to the front and back surfaces of the ceramic substrate, a Cu plate was placed and heated to obtain a ceramic circuit substrate having the Cu plate bonded to the front and back surfaces of the ceramic substrate.
[0061]
A copper metal terminal having a height of 15 mm was joined using the same brazing material as a metal circuit board joined to the ceramic circuit board to form a ceramic circuit board with terminals.
[0062]
Sample No. 52, a brazing material layer is applied onto a ceramic substrate and a metal circuit board is disposed thereon. Further, a brazing material layer is applied thereon and a metal terminal is disposed, and the ceramic substrate, the metal circuit board, and the metal circuit board are disposed by a single heat treatment. Metal terminals were joined.
[0063]
With respect to each of these samples, the presence or absence of peeling of the metal terminal was examined after the heat cycle test was performed for 200 cycles and 400 cycles under the same conditions as in Example 23.
[0064]
In addition, in order to compare with the present embodiment, the sample No. of the example in the second embodiment. A similar test was performed on 23 ceramic circuit boards with terminals. The results are shown in Table 6.
[0065]
[Table 6]

[0066]
As can be seen from Table 6, peeling of metal terminals was not confirmed in 200 cycles, but sample Nos. 1 and 2 were different in the composition of the bonding brazing material between the ceramic substrate and the metal circuit board and the bonding brazing material between the metal circuit board and the metal terminal. No. 23 peeled off at 400 cycles. Since the brazing filler metal composition is different, it can be said that the difference in thermal expansion due to the difference in the composition of the brazing filler metal layers is influenced in an environment where the temperature rise and fall is more severe.
[0067]
On the other hand, sample No. 1 with the same composition of each brazing filler metal layer. 50 to Sample No. For 52, no peeling of the metal terminal was confirmed even after 400 cycles. Since the same brazing material is used, sample no. The ceramic substrate and the metal circuit board and the metal circuit board and the metal terminal can be joined by a single heat treatment as in 52, and the productivity can be improved.
[0068]
It is most preferable to analyze the entire brazing material layer to determine whether or not the composition of each brazing material layer is the same, but if the components constituting the brazing material are the same, the composition ratios at any three locations in the brazing material layer There is no problem even if it is determined whether or not they are substantially the same based on the average value.
[0069]
As described above, according to the embodiment of the present invention, the metal terminal is integrally formed through the brazing material layer made of the brazing material having a melting point of 500 to 780 ° C. The bonding strength and heat cycle characteristics can be improved. In particular, as a method for producing a ceramic circuit board, an active metal bonding method or a brazing method having excellent heat cycle characteristics shown in the second and third embodiments. By using, it is possible to further improve the bonding strength and heat cycle characteristics.
[0070]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, by improving the brazing material for joining the ceramic circuit board and the terminal, it is possible to obtain a ceramic circuit board with a terminal capable of obtaining excellent bonding strength and heat cycle characteristics and capable of handling a large current. can get.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a ceramic circuit board with terminals in a first embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ceramic circuit board with a terminal 2 Ceramic board 3 Metal circuit board 4 Brazing material layer 5 Metal terminal

Claims

And the ceramic substrate, and a the ceramic metal bonded on a substrate circuit board, the metal terminal via a brazing material layer made of a brazing material having a melting point is from 500 to 780 ° C. on the metal circuit board is integrally joined to And
The brazing filler metal layer is mainly composed of at least one of Ag and Al.
While the brazing material layer has a thickness of 10 to 100 μm,
The metal terminal is made of at least one metal material of Cu and Al,
A ceramic circuit board with terminals, wherein the metal circuit board is a copper plate .

2. The ceramic circuit board with terminals according to claim 1, wherein the ceramic substrate and the metal circuit board are bonded using any one of a direct bonding method, an active metal bonding method, and a brazing method. .

3. The ceramic circuit board with a terminal according to claim 1, wherein a bonding area between the metal terminal and the metal circuit board is 25 mm ² or more.

The ceramic circuit with a terminal according to any one of claims 1 to 3, wherein a component of the brazing material layer is the same as a main component of a brazing material component for joining the ceramic substrate and the metal circuit board. substrate.

Either non-oxide with terminal ceramic circuit board according to any one of claims 1 to 4, characterized in that it consists of ceramic sintered body of the ceramic substrate is silicon nitride sintered body and the aluminum nitride sintered body .

The ceramic circuit board with a terminal according to any one of claims 1 to 5, wherein the brazing material layer has a thickness of 50 to 80 µm.