JP4765110B2

JP4765110B2 - Metal-ceramic bonding substrate and manufacturing method thereof

Info

Publication number: JP4765110B2
Application number: JP2005101992A
Authority: JP
Inventors: 潤二中村; 充太田; 正美木村
Original assignee: Dowa Metaltech Co Ltd
Current assignee: Dowa Metaltech Co Ltd
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2025-03-31
Also published as: JP2006286754A

Description

本発明は、金属−セラミックス接合基板に関し、特に、セラミックス基板の両面に金属板が接合された金属−セラミックス接合基板に関する。 The present invention relates to a metal / ceramic bonding substrate, and more particularly to a metal / ceramic bonding substrate in which metal plates are bonded to both surfaces of a ceramic substrate.

従来、電気自動車、電車、工作機械などの大電流を制御するために、パワーモジュールが使用されている。従来のパワーモジュールでは、セラミックス基板の両面に金属板が接合された金属−セラミックス接合基板の上面に、パワー半導体素子が半田付けにより固定され、同様にセラミックス基板の両面に金属板が接合された金属−セラミックス接合基板の上面に、パワー半導体素子を制御する制御回路部が半田付けにより固定され、これらの金属−セラミックス接合基板が、半田付けにより厚い銅板などの放熱板（ベース板）に固定されている（例えば、特許文献１参照）。 Conventionally, a power module is used to control a large current of an electric vehicle, a train, a machine tool, and the like. In a conventional power module, a power semiconductor element is fixed by soldering to the upper surface of a metal-ceramic bonding substrate in which metal plates are bonded to both surfaces of the ceramic substrate, and similarly, a metal in which metal plates are bonded to both surfaces of the ceramic substrate. -The control circuit unit for controlling the power semiconductor element is fixed to the upper surface of the ceramic bonding substrate by soldering, and these metal-ceramic bonding substrates are fixed to a heat sink (base plate) such as a thick copper plate by soldering. (For example, refer to Patent Document 1).

また、ヒートサイクル後に金属−セラミックス接合基板のセラミックス基板にクラックが生じるのを防止するために、金属板の周縁部に薄肉部や段差を設けた金属−セラミックス接合基板が提案されている（例えば、特許文献２〜４参照）。 Further, in order to prevent cracks in the ceramic substrate of the metal-ceramic bonding substrate after the heat cycle, a metal-ceramic bonding substrate in which a thin portion or a step is provided on the peripheral portion of the metal plate has been proposed (for example, (See Patent Documents 2 to 4).

特開平９−２１３８７７号公報（段落番号００２７）Japanese Patent Laid-Open No. 9-213877 (paragraph number 0027) 特開昭６４−５９９８６号公報（第２頁）Japanese Unexamined Patent Publication No. 64-59986 (Page 2) 特公平７−９３３２６号公報（第２頁）Japanese Examined Patent Publication No. 7-93326 (Page 2) 特開平１０−１２５８２１号公報（段落番号０００７−０００８）Japanese Patent Laid-Open No. 10-125821 (paragraph numbers 0007-0008)

しかし、特許文献１のように、パワー半導体素子搭載用の金属−セラミックス接合基板と制御回路部搭載用の金属−セラミックス接合基板とを金属ベース板に固定してパワーモジュールを作製すると、ヒートサイクル後にセラミックス基板にクラックが生じ易いという問題がある。また、パワー半導体素子搭載用の金属−セラミックス接合基板として、特許文献２〜４に提案されたような金属板の周縁部に薄肉部や段差を設けた金属−セラミックス接合基板と、制御回路部搭載用の金属−セラミックス接合基板とを金属ベース板に固定してパワーモジュールを作製しても、ヒートサイクル後に制御回路部搭載用の金属−セラミックス接合基板のセラミックス基板にクラックが生じるのを十分に防止することができない。また、１つの金属−セラミックス絶縁基板にパワー半導体素子と制御回路部が固定された一体型のパワーモジュールも提案されているが、このパワーモジュールでも、ヒートサイクル後にセラミックス基板にクラックが生じるのを十分に防止することができない。 However, as in Patent Document 1, when a power module is manufactured by fixing a metal-ceramic bonding substrate for mounting a power semiconductor element and a metal-ceramic bonding substrate for mounting a control circuit unit to a metal base plate, There is a problem that the ceramic substrate is easily cracked. Moreover, as a metal-ceramic bonding substrate for mounting a power semiconductor element, a metal-ceramic bonding substrate in which a thin portion or a step is provided on a peripheral portion of a metal plate as proposed in Patent Documents 2 to 4, and a control circuit portion mounting Even if the power module is manufactured by fixing the metal-ceramic bonding substrate for use with the metal base plate, cracks are sufficiently prevented from occurring in the ceramic substrate of the metal-ceramic bonding substrate for mounting the control circuit after the heat cycle. Can not do it. In addition, an integrated power module in which a power semiconductor element and a control circuit unit are fixed to a single metal-ceramic insulating substrate has been proposed, but this power module is sufficient to prevent cracks in the ceramic substrate after the heat cycle. Cannot be prevented.

したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、金属−セラミックス接合基板に金属ベース板を固定した後に、セラミックス基板にクラックが生じるのを防止することができる、金属−セラミックス接合基板を提供することを目的とする。 Therefore, in view of such conventional problems, the present invention provides a metal / ceramic bonding substrate that can prevent cracks in a ceramic substrate after a metal base plate is fixed to the metal / ceramic bonding substrate. The purpose is to provide.

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、セラミックス基板の一方の面に、接合面の面積が（好ましくは８０ｍｍ^２以上の）大きい金属板と、この金属板よりも各々の接合面の面積が小さく（好ましくは８０ｍｍ^２未満であり）且つ互いに（好ましくは１ｍｍ以下の間隔で）離間して配置された複数の小さい金属板とを接合するとともに、大きい金属板の周縁部に段差を設けて薄肉部を形成し、あるいは、大きい金属板の周縁からろう材をはみ出させてフィレット部を形成することにより、小さい金属板の周縁部に薄肉部を形成したり、小さい金属板の周縁にフィレット部を形成しなくても、金属−セラミックス接合基板に金属ベース板を固定した後に、セラミックス基板にクラックが生じるのを防止することができることを見出し、本発明を完成するに至った。 The present inventors have found that each result of intensive study to solve the above problems, on one surface of the ceramic substrate, the area of the bonding surface (preferably 80 mm ² or more) and large metal plate, than the metal plate small area of the junction surface of the (preferably be less than 80 mm ²⁾ and together with bonding the plurality of small metal plates arranged (preferably following intervals 1mm) apart, the peripheral portion of the large metal plate A thin part is formed by forming a step on the thin metal part, or a thin metal part is formed on the peripheral part of a small metal plate by forming a fillet part by protruding a brazing material from the peripheral part of a large metal plate, or a small metal plate even peripheral edge without forming a fillet portion of the metal - after securing the metal base plate to the ceramic bonding substrate, it is possible to prevent the occurrence of cracks in the ceramic substrate Heading the door, which resulted in the completion of the present invention.

すなわち、本発明による金属−セラミックス接合基板は、セラミックス基板の両面に金属板が接合した金属−セラミックス接合基板において、セラミックス基板の一方の面に、接合面の面積が（好ましくは８０ｍｍ^２以上の）大きい金属板と、この金属板よりも各々の接合面の面積が小さく（好ましくは８０ｍｍ^２未満であり）且つ互いに（好ましくは１ｍｍ以下の間隔で）離間して配置された複数の小さい金属板とが接合し、大きい金属板の周縁部に段差が設けられて薄肉部が形成され、小さい金属板の周縁部には薄肉部が形成されていないことを特徴とする。この金属−セラミックス接合基板において、セラミックス基板の他方の面に接合した金属板の周縁部に段差が設けられて薄肉部が形成されているのが好ましく、セラミックス基板の両面に接合した金属板が、ろう材を介してセラミックス基板に接合しているのが好ましい。 That is, the metal-ceramic bonding substrate according to the present invention is a metal-ceramic bonding substrate in which metal plates are bonded to both surfaces of the ceramic substrate, and the area of the bonding surface (preferably 80 mm ² or more ) on one surface of the ceramic substrate. A large metal plate and a plurality of small metal plates each having an area of each joining surface smaller than this metal plate (preferably less than 80 mm ² ) and spaced apart from each other (preferably at intervals of 1 mm or less ) ; Are joined, a step is provided in the peripheral portion of the large metal plate to form a thin portion, and a thin portion is not formed in the peripheral portion of the small metal plate . In this metal-ceramic bonding substrate, it is preferable that a step is provided in the peripheral portion of the metal plate bonded to the other surface of the ceramic substrate to form a thin portion, and the metal plate bonded to both surfaces of the ceramic substrate is It is preferable to join the ceramic substrate through a brazing material.

また、本発明による金属−セラミックス接合基板は、セラミックス基板の両面にろう材を介して金属板が接合した金属−セラミックス接合基板において、セラミックス基板の一方の面に、接合面の面積が（好ましくは８０ｍｍ^２以上の）大きい金属板と、この金属板よりも各々の接合面の面積が小さく（好ましくは８０ｍｍ^２未満であり）且つ互いに（好ましくは１ｍｍ以下の間隔で）離間して配置された複数の小さい金属板とが接合し、大きい金属板の周縁からろう材がはみ出してフィレット部が形成され、小さい金属板の周縁によるフィレット部が形成されていないことを特徴とする。この金属−セラミックス接合基板において、セラミックス基板の他方の面に接合した金属板の周縁からろう材がはみ出してフィレット部が形成されているのが好ましい。 The metal-ceramic bonding substrate according to the present invention is a metal-ceramic bonding substrate in which a metal plate is bonded to both surfaces of a ceramic substrate via a brazing material, and the area of the bonding surface is preferably on one surface of the ceramic substrate (preferably A large metal plate (80 mm ² or more ) and a plurality of metal plates that are smaller in area (preferably less than 80 mm ² ) and spaced apart from each other (preferably at intervals of 1 mm or less ). The small metal plate is joined, the brazing material protrudes from the periphery of the large metal plate to form a fillet portion, and the fillet portion by the periphery of the small metal plate is not formed . In this metal-ceramic bonding substrate, it is preferable that the brazing material protrudes from the periphery of the metal plate bonded to the other surface of the ceramic substrate to form a fillet portion.

上記の金属−セラミックス接合基板において、セラミックス基板の他方の面に接合した金属板が、放熱用の金属ベース板に固定されているのが好ましい。 In the metal-ceramic bonding substrate, the metal plate bonded to the other surface of the ceramic substrate is preferably fixed to a metal base plate for heat dissipation.

また、本発明によるパワーモジュールは、上記の金属−セラミックス接合基板を用いたことを特徴とする。 A power module according to the present invention is characterized by using the metal-ceramic bonding substrate.

本発明によれば、金属−セラミックス接合基板に金属ベース板を固定した後に、セラミックス基板にクラックが生じるのを防止することができる。 According to the present invention, it is possible to prevent the ceramic substrate from being cracked after the metal base plate is fixed to the metal-ceramic bonding substrate.

本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態では、セラミックス基板の一方の面に、接合面の面積が（好ましくは８０ｍｍ^２以上の）大きい金属板と、この金属板よりも各々の接合面の面積が小さく（好ましくは８０ｍｍ^２未満であり）且つ互いに（好ましくは１ｍｍ以下の間隔で）離間して配置された複数の小さい金属板とがろう材を介して接合するとともに、大きい金属板の周縁部に段差が設けられて薄肉部が形成され、あるいは、大きい金属板の周縁からろう材がはみ出してフィレット部が形成されている。なお、小さい金属板の周縁部に薄肉部を形成したり、小さい金属板の周縁にフィレット部を形成する必要はない。また、セラミックス基板の他方の面にろう材を介して接合した金属板の周縁部に段差が設けられて薄肉部が形成され、あるいはセラミック基板の他方の面に接合した金属板の周縁からろう材がはみ出してフィレット部が形成されている。 In the embodiment of the metal / ceramic bonding substrate according to the present invention, a metal plate having a large bonding surface area (preferably 80 mm ² or more ) is formed on one surface of the ceramic substrate, and each bonding surface is more than this metal plate . A plurality of small metal plates having a small area (preferably less than 80 mm ² ) and spaced apart from each other (preferably at intervals of 1 mm or less ) are joined together via a brazing material, and the periphery of the large metal plate A step is provided in the part to form a thin part, or a brazing material protrudes from the periphery of a large metal plate to form a fillet part. In addition, it is not necessary to form a thin part in the peripheral part of a small metal plate, or to form a fillet part in the peripheral part of a small metal plate. Further, a step is provided in the peripheral portion of the metal plate joined to the other surface of the ceramic substrate via the brazing material to form a thin portion, or the brazing material from the periphery of the metal plate joined to the other surface of the ceramic substrate. Protrudes to form a fillet portion.

薄肉部またはフィレット部が形成された大きい金属板は、パワー半導体素子または端子を搭載する金属板として使用され、接合面の面積が８０ｍｍ^２以上であり、1辺の長さが７ｍｍ以上であるのが好ましく、１０ｍｍ以上であるのがさらに好ましい。一方、薄肉部またはフィレット部が形成されない複数の小さい金属板は、制御回路部を搭載する金属板として使用され、各々の接合面の面積が８０ｍｍ^２未満であり、1辺の長さが７ｍｍ未満であるのが好ましく、また、金属板同士の間隔が１ｍｍ以下であるのが好ましく、０．８ｍｍ以下であるのがさらに好ましい。 A large metal plate formed with a thin-walled portion or a fillet portion is used as a metal plate on which a power semiconductor element or a terminal is mounted. The area of the joint surface is 80 mm ² or more, and the length of one side is 7 mm or more. Is preferably 10 mm or more. On the other hand, a plurality of small metal plates in which a thin portion or a fillet portion is not formed are used as a metal plate on which a control circuit portion is mounted, each joining surface area is less than 80 mm ² and the length of one side is less than 7 mm. Moreover, it is preferable that the space | interval of metal plates is 1 mm or less, and it is still more preferable that it is 0.8 mm or less.

本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態では、セラミックス基板の一方の面に接合した複数の制御回路部搭載用の金属板が比較的小さく且つこれらの金属板同士の間隔が狭いために、これらの金属板の周縁部に薄肉部やフィレット部を形成することができない場合でも、セラミックス基板の同一の面に、比較的大きいパワー半導体素子または端子の搭載用の金属板を接合するとともに、この金属板の周縁部に薄肉部やフィレット部を形成し、さらに、セラミックス基板の他方の面に接合した金属板の周縁部に薄肉部やフィレット部を形成することにより、金属−セラミックス接合基板を金属ベース板に固定した後に、ヒートサイクルが加えられてもセラミックス基板にクラックが生じるのを防止することができる。 In the embodiment of the metal-ceramic bonding substrate according to the present invention, the plurality of control circuit unit mounting metal plates bonded to one surface of the ceramic substrate are relatively small and the distance between these metal plates is narrow. Even when a thin wall portion or a fillet portion cannot be formed on the peripheral edge of these metal plates, a relatively large power semiconductor element or a metal plate for mounting terminals is joined to the same surface of the ceramic substrate. A metal-ceramic bonding substrate is formed by forming a thin-walled portion or a fillet portion on the peripheral portion of the metal plate, and further forming a thin-walled portion or a fillet portion on the peripheral portion of the metal plate bonded to the other surface of the ceramic substrate. Even if a heat cycle is applied after fixing to the base plate, it is possible to prevent the ceramic substrate from cracking.

以下、添付図面を参照して、本発明による金属−セラミックス接合基板の実施例について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of a metal / ceramic bonding substrate according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

［実施例１］
図１Ａ〜図１Ｈは、実施例１の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示している。 [Example 1]
1A to 1H show a manufacturing process of the metal / ceramic bonding substrate of Example 1. FIG.

まず、図１Ａに示すように、セラミックス基板１０として５６ｍｍ×４７ｍｍ×０．６ｍｍの大きさの窒化アルミニウム基板を用意し、この窒化アルミニウム基板１０の両面に、スクリーン印刷法によってペースト状のろう材１２を塗布し、熱風乾燥によってろう材１２を乾燥した。ろう材１２として、金属とセラミックスの接合に使用する一般的な組成の活性金属ろう材（Ａｇ−Ｃｕ共晶ろう材に１．５重量％のＴｉを添加し、金属粉とビヒクルを混合することにより作製したペースト状の活性金属ろう材）を使用した。 First, as shown in FIG. 1A, an aluminum nitride substrate having a size of 56 mm × 47 mm × 0.6 mm is prepared as a ceramic substrate 10, and a paste-like brazing material 12 is formed on both surfaces of the aluminum nitride substrate 10 by screen printing. The brazing material 12 was dried by hot air drying. Active metal brazing material having a general composition used for joining metal and ceramics as brazing material 12 (adding 1.5 wt% Ti to Ag-Cu eutectic brazing material and mixing metal powder and vehicle) The paste-like active metal brazing material produced by the above method was used.

次に、図１Ｂに示すように、窒化アルミニウム基板１０の両面にろう材１２を介して５６ｍｍ×４７ｍｍ×０．２５ｍｍの大きさ（窒化アルミニウム基板１０と同程度またはそれ以上の大きさでよい）の銅板１４を配置して真空炉に入れ、１．３×１０^−３Ｐａ以下の圧力下において８５０℃で３０分間加熱して、窒化アルミニウム基板１０の両面に銅板１４を接合した後、接合体を冷却して真空炉から取り出した。 Next, as shown in FIG. 1B, the size of 56 mm × 47 mm × 0.25 mm (which may be the same as or larger than that of the aluminum nitride substrate 10) via the brazing filler metal 12 on both sides of the aluminum nitride substrate 10. After placing the copper plate 14 in a vacuum furnace and heating it at 850 ° C. for 30 minutes under a pressure of 1.3 × 10 ⁻³ Pa or less to join the copper plate 14 to both surfaces of the aluminum nitride substrate 10, the joined body Was cooled and removed from the vacuum furnace.

次に、図１Ｃに示すように、接合体の両側の銅板１４の表面の所定の部分に、スクリーン印刷法によって紫外線硬化型のエッチングレジスト１６を印刷した後、図１Ｄに示すように、塩化第二銅を主成分とするエッチング液で不要な銅板１４を除去し、さらに、図１Ｅに示すように、フッ酸を含むエッチング液で不要なろう材１２を除去した後、３％水酸化ナトリウム溶液でエッチングレジスト１６を除去し、銅板１４の形状を所定のパターン形状にした。 Next, as shown in FIG. 1C, an ultraviolet curable etching resist 16 is printed on a predetermined portion of the surface of the copper plate 14 on both sides of the joined body by a screen printing method. The unnecessary copper plate 14 is removed with an etchant containing dicopper as a main component. Further, as shown in FIG. 1E, the unnecessary brazing material 12 is removed with an etchant containing hydrofluoric acid, and then a 3% sodium hydroxide solution. Then, the etching resist 16 was removed, and the shape of the copper plate 14 was changed to a predetermined pattern shape.

次に、図１Ｆに示すように、接合体の両側の銅板１４の表面に、スクリーン印刷法よってエッチングレジスト１６と同様の紫外線硬化型のエッチングレジスト１８を印刷した。このとき、窒化アルミニウム基板１０の表面側（図中上側）に接合した所定のパターン形状の銅板１４のうち、パワー半導体素子搭載用の比較的大きいパターンの銅板１４（図中右側の銅板１４）の表面には、銅板１４の外周から０．５ｍｍだけ小さいエッチングレジスト１８を印刷し、細い制御回路部搭載用の比較的小さいパターンの銅板１４（図中左側の銅板１４で）の表面には、その全面にエッチングレジスト１８を印刷した（この全面に印刷するエッチングレジスト１８の大きさは、銅板１４と同程度またはそれ以上の大きさであればよい）。また、窒化アルミニウム基板１０の裏面側（図中下側）に接合した銅板１４の表面には、銅板１４の外周から０．５ｍｍだけ小さいエッチングレジスト１８を印刷した。その後、図１Ｇに示すように、塩化第二銅を主成分とするエッチング液で銅板１４の露出部分が約半分の厚さ（０．１５ｍｍ）になるようにエッチング時間を調整してエッチングを行った後、３％水酸化ナトリウム溶液でエッチングレジスト１８を除去し、パワー半導体素子搭載用の比較的大きい銅板１４の周縁部に段差を設けて薄肉部を形成した。 Next, as shown in FIG. 1F, an ultraviolet curable etching resist 18 similar to the etching resist 16 was printed on the surfaces of the copper plates 14 on both sides of the joined body by a screen printing method. At this time, among the copper plates 14 having a predetermined pattern shape bonded to the front surface side (upper side in the drawing) of the aluminum nitride substrate 10, the copper plate 14 having a relatively large pattern for mounting a power semiconductor element (copper plate 14 on the right side in the drawing ). An etching resist 18 which is 0.5 mm smaller than the outer periphery of the copper plate 14 is printed on the surface of the copper plate 14. An etching resist 18 was printed on the entire surface (the size of the etching resist 18 printed on the entire surface may be about the same as or larger than that of the copper plate 14). Further, an etching resist 18 smaller by 0.5 mm from the outer periphery of the copper plate 14 was printed on the surface of the copper plate 14 bonded to the back side (lower side in the figure) of the aluminum nitride substrate 10. Thereafter, as shown in FIG. 1G, etching is performed by adjusting the etching time so that the exposed portion of the copper plate 14 is about half the thickness (0.15 mm) with an etchant containing cupric chloride as a main component. Thereafter, the etching resist 18 was removed with a 3% sodium hydroxide solution, and a thin step was formed by providing a step at the peripheral edge of the relatively large copper plate 14 for mounting the power semiconductor element.

最後に、図１Ｈに示すように、無電解Ｎｉ−Ｐめっきによって金属部の表面に約３μｍの厚さのめっき２０を施した。 Finally, as shown in FIG. 1H, the surface of the metal part was plated with a thickness of about 3 μm by electroless Ni—P plating.

このようにして製造した金属−セラミックス接合基板について、２０℃→−４０℃×３０分→２０℃×１０分→１２５℃×３０分→２０℃×１０分を１サイクルとするヒートサイクルを３００回行った後に、銅板１４とろう材１２を除去して窒化アルミニウム基板１０の表面を光学顕微鏡で観察したところ、窒化アルミニウム基板１０の小回路部（制御回路部搭載用の銅板１４）に対応する部分にクラックが発生していた。しかし、本実施例で製造した金属−セラミックス接合基板の裏面に厚さ３ｍｍの銅ベース板（放熱板）を共晶半田で半田付け（２３０℃で５分間加熱）し、同様のヒートサイクル試験を行った後に、窒化アルミニウム基板１０の表面を光学顕微鏡で観察したところ、窒化アルミニウム基板１０にクラックが発生していなかった。 About the metal-ceramic bonding substrate manufactured in this way, heat cycle of 20 ° C. → −40 ° C. × 30 minutes → 20 ° C. × 10 minutes → 125 ° C. × 30 minutes → 20 ° C. × 10 minutes is 300 times. After performing, when the copper plate 14 and the brazing material 12 were removed and the surface of the aluminum nitride substrate 10 was observed with an optical microscope, the portion corresponding to the small circuit portion (copper plate 14 for mounting the control circuit portion) of the aluminum nitride substrate 10 Cracks occurred. However, a copper base plate (heat radiating plate) with a thickness of 3 mm was soldered with eutectic solder (heated at 230 ° C. for 5 minutes) on the back surface of the metal-ceramic bonding substrate manufactured in this example, and the same heat cycle test was performed. After performing, when the surface of the aluminum nitride substrate 10 was observed with the optical microscope, the aluminum nitride substrate 10 was not cracked.

［実施例２］
図２Ａ〜図２Ｈは、実施例２の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示している。 [Example 2]
2A to 2H show a manufacturing process of the metal / ceramic bonding substrate of Example 2. FIG.

まず、図２Ａに示すように、セラミックス基板１１０として実施例１と同様の窒化アルミニウム基板を用意し、この窒化アルミニウム基板１１０の両面に、スクリーン印刷法によって実施例１と同様のペースト状のろう材１１２を塗布し、熱風乾燥によってろう材１１２を乾燥した。なお、本実施例では、実施例１と異なり、窒化アルミニウム基板１１０の表面側（図中上側）には、エッチング後の銅板１１４に対応するそれぞれの部分に、それらの銅板１１４より広い範囲にわたってろう材１１２を印刷した。 First, as shown in FIG. 2A, an aluminum nitride substrate similar to that of Example 1 is prepared as the ceramic substrate 110, and a paste-like brazing material similar to that of Example 1 is applied to both surfaces of the aluminum nitride substrate 110 by screen printing. 112 was applied, and the brazing filler metal 112 was dried by hot air drying. In this example, unlike Example 1, the surface side (upper side in the figure) of the aluminum nitride substrate 110 would cover each part corresponding to the copper plate 114 after etching over a wider range than those copper plates 114. Material 112 was printed.

次に、図２Ｂに示すように、窒化アルミニウム基板１１０の両面にろう材１１２を介して実施例１と同様の銅板１１４を配置して真空炉に入れ、１．３×１０^−３Ｐａ以下の圧力下において８５０℃で３０分間加熱して、窒化アルミニウム基板１１０の両面に銅板１１４を接合した後、接合体を冷却して真空炉から取り出した。 Next, as shown in FIG. 2B, a copper plate 114 similar to that of Example 1 is placed on both surfaces of the aluminum nitride substrate 110 via a brazing material 112 and placed in a vacuum furnace, and the pressure is 1.3 × 10 ⁻³ Pa or less. After heating at 850 ° C. for 30 minutes under pressure to bond the copper plate 114 to both surfaces of the aluminum nitride substrate 110, the bonded body was cooled and taken out from the vacuum furnace.

次に、図２Ｃに示すように、接合体の両側の銅板１１４の表面の所定の部分に、スクリーン印刷法によって紫外線硬化型のエッチングレジスト１１６を印刷した後、図２Ｄに示すように、塩化第二銅を主成分とするエッチング液で不要な銅板１１４を除去し、さらに、図２Ｅに示すように、フッ酸を含むエッチング液で不要なろう材１１２を除去した後、３％水酸化ナトリウム溶液でエッチングレジスト１１６を除去し、銅板１１４の形状を所定のパターン形状にした。 Next, as shown in FIG. 2C, an ultraviolet curable etching resist 116 is printed on a predetermined portion of the surface of the copper plate 114 on both sides of the joined body by a screen printing method. Then, as shown in FIG. The unnecessary copper plate 114 is removed with an etchant containing dicopper as a main component. Further, as shown in FIG. 2E, the unnecessary brazing material 112 is removed with an etchant containing hydrofluoric acid, and then a 3% sodium hydroxide solution. Then, the etching resist 116 was removed, and the shape of the copper plate 114 was changed to a predetermined pattern shape.

次に、図２Ｆに示すように、接合体の両側の銅板１４の表面に、スクリーン印刷法よってエッチングレジスト１１６と同様の紫外線硬化型のエッチングレジスト１１８を印刷した。このとき、窒化アルミニウム基板１１０の表面側（図中上側）に接合した所定のパターン形状の銅板１１４のうち、パワー半導体素子搭載用の比較的大きいパターンの銅板１１４（図中右側の銅板１１４）の表面には、銅板１１４の外周から０．５ｍｍだけ小さいエッチングレジスト１１８を印刷し、細い制御回路部搭載用の比較的小さいパターンの銅板１１４（図中左側の銅板１１４）の表面には、その全面にエッチングレジスト１１８を印刷した（この全面に印刷するエッチングレジスト１１８の大きさは、銅板１１４と同程度またはそれ以上の大きさであればよい）。また、窒化アルミニウム基板１１０の裏面側（図中下側）に接合した銅板１１４の表面には、銅板１１４の外周から０．５ｍｍだけ小さいエッチングレジスト１１８を印刷した。その後、図２Ｇに示すように、塩化第二銅を主成分とするエッチング液で不要な銅板１１４を除去した後、３％水酸化ナトリウム溶液でエッチングレジスト１１８を除去し、大回路部として使用するパワー半導体素子搭載用の銅板１１４（図中右側の銅板１１４）の周縁からろう材１１２がはみ出すようにして、フィレット部を形成した。 Next, as shown in FIG. 2F, an ultraviolet curable etching resist 118 similar to the etching resist 116 was printed on the surfaces of the copper plates 14 on both sides of the joined body by a screen printing method. At this time, of the copper plate 114 having a predetermined pattern shape bonded to the front surface side (upper side in the drawing) of the aluminum nitride substrate 110, the copper plate 114 having a relatively large pattern for mounting the power semiconductor element (the copper plate 114 on the right side in the drawing). On the surface, an etching resist 118 that is smaller by 0.5 mm from the outer periphery of the copper plate 114 is printed, and on the surface of the copper plate 114 having a relatively small pattern for mounting a thin control circuit unit (the copper plate 114 on the left side in the figure), the entire surface is printed. The etching resist 118 was printed on (the size of the etching resist 118 to be printed on the entire surface may be the same as or larger than that of the copper plate 114). Further, an etching resist 118 smaller by 0.5 mm from the outer periphery of the copper plate 114 was printed on the surface of the copper plate 114 bonded to the back surface side (lower side in the figure) of the aluminum nitride substrate 110. Thereafter, as shown in FIG. 2G, the unnecessary copper plate 114 is removed with an etchant containing cupric chloride as a main component, and then the etching resist 118 is removed with a 3% sodium hydroxide solution to be used as a large circuit portion. The fillet portion was formed such that the brazing material 112 protruded from the periphery of the copper plate 114 for mounting the power semiconductor element (the copper plate 114 on the right side in the figure).

最後に、図２Ｈに示すように、無電解Ｎｉ−Ｐめっきによって金属部の表面に約３μｍの厚さのめっき１２０を施した。 Finally, as shown in FIG. 2H, plating 120 having a thickness of about 3 μm was applied to the surface of the metal part by electroless Ni—P plating.

このようにして製造した金属−セラミックス接合基板について、実施例１と同様のヒートサイクル試験を行った後に、銅板１１４とろう材１１２を除去して窒化アルミニウム基板１１０の表面を光学顕微鏡で観察したところ、窒化アルミニウム基板１１０の小回路部（制御回路部搭載用の銅板１１４）に対応する部分にクラックが発生していた。しかし、本実施例で製造した金属−セラミックス接合基板の裏面に厚さ３ｍｍの銅ベース板（放熱板）を共晶半田で半田付け（２３０℃で５分間加熱）し、同様のヒートサイクル試験を行った後に、窒化アルミニウム基板１１０の表面を光学顕微鏡で観察したところ、窒化アルミニウム基板１１０にクラックが発生していなかった。 The metal-ceramic bonding substrate thus manufactured was subjected to the same heat cycle test as in Example 1, and then the copper plate 114 and the brazing material 112 were removed and the surface of the aluminum nitride substrate 110 was observed with an optical microscope. In addition, a crack occurred in a portion corresponding to the small circuit portion (copper plate 114 for mounting the control circuit portion) of the aluminum nitride substrate 110. However, a copper base plate (heat radiating plate) with a thickness of 3 mm was soldered with eutectic solder (heated at 230 ° C. for 5 minutes) on the back surface of the metal-ceramic bonding substrate manufactured in this example, and the same heat cycle test was performed. After performing, when the surface of the aluminum nitride substrate 110 was observed with an optical microscope, the aluminum nitride substrate 110 was not cracked.

［比較例］
図３Ａ〜図３Ｆは、比較例の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示している。 [Comparative example]
3A to 3F show a manufacturing process of the metal / ceramic bonding substrate of the comparative example.

まず、図３Ａに示すように、セラミックス基板２１０として実施例１と同様の窒化アルミニウム基板を用意し、この窒化アルミニウム基板２１０の両面に、スクリーン印刷法によって実施例１と同様のペースト状のろう材２１２を塗布し、熱風乾燥によってろう材２１２を乾燥した。 First, as shown in FIG. 3A, an aluminum nitride substrate similar to that of Example 1 is prepared as a ceramic substrate 210, and a paste-like brazing material similar to that of Example 1 is applied to both surfaces of the aluminum nitride substrate 210 by screen printing. 212 was applied and the brazing material 212 was dried by hot air drying.

次に、図３Ｂに示すように、窒化アルミニウム基板２１０の両面にろう材２１２を介して実施例１と同様の銅板２１４を配置して真空炉に入れ、１．３×１０^−３Ｐａ以下の圧力下において８５０℃で３０分間加熱して、窒化アルミニウム基板２１０の両面に銅板２１４を接合した後、接合体を冷却して真空炉から取り出した。 Next, as shown in FIG. 3B, a copper plate 214 similar to that in Example 1 is placed on both surfaces of the aluminum nitride substrate 210 via a brazing material 212 and placed in a vacuum furnace, and the pressure is 1.3 × 10 ⁻³ Pa or less. After heating at 850 ° C. for 30 minutes under pressure to bond the copper plate 214 to both surfaces of the aluminum nitride substrate 210, the bonded body was cooled and removed from the vacuum furnace.

次に、図３Ｃに示すように、接合体の両側の銅板２１４の表面の所定の部分に、スクリーン印刷法によって紫外線硬化型のエッチングレジスト２１６を印刷した後、図３Ｄに示すように、塩化第二銅を主成分とするエッチング液で不要な銅板２１４を除去し、さらに、図３Ｅに示すように、フッ酸を含むエッチング液で不要なろう材２１２を除去した後、３％水酸化ナトリウム溶液でエッチングレジスト２１６を除去し、銅板２１４の形状を所定のパターン形状にした。 Next, as shown in FIG. 3C, an ultraviolet curable etching resist 216 is printed on a predetermined portion of the surface of the copper plate 214 on both sides of the joined body by a screen printing method, and then, as shown in FIG. The unnecessary copper plate 214 is removed with an etchant containing dicopper as a main component. Further, as shown in FIG. 3E, the unnecessary brazing material 212 is removed with an etchant containing hydrofluoric acid, and then a 3% sodium hydroxide solution. Then, the etching resist 216 was removed, and the shape of the copper plate 214 was changed to a predetermined pattern shape.

最後に、図３Ｆに示すように、無電解Ｎｉ−Ｐめっきによって金属部の表面に約３μｍの厚さのめっき２２０を施した。 Finally, as shown in FIG. 3F, a plating 220 having a thickness of about 3 μm was applied to the surface of the metal part by electroless Ni—P plating.

このようにして製造した金属−セラミックス接合基板について、実施例１と同様のヒートサイクル試験を行った後に、銅板２１４とろう材２１２を除去して窒化アルミニウム基板２１０の表面を光学顕微鏡で観察したところ、窒化アルミニウム基板２１０の大回路部（パワー半導体素子搭載用の銅板２１４）と小回路部（制御回路部搭載用の銅板２１４）に対応する部分にクラックが発生していた。また、本実施例で製造した金属−セラミックス接合基板の裏面に厚さ３ｍｍの銅ベース板（放熱板）を共晶半田で半田付け（２３０℃で５分間加熱）し、同様のヒートサイクル試験を行った後に、窒化アルミニウム基板２１０の表面を光学顕微鏡で観察したところ、窒化アルミニウム基板２１０の大回路部に対応する部分にクラックが発生していた。 The metal-ceramic bonding substrate thus manufactured was subjected to the same heat cycle test as in Example 1, and then the copper plate 214 and the brazing material 212 were removed and the surface of the aluminum nitride substrate 210 was observed with an optical microscope. Cracks occurred in portions corresponding to the large circuit portion (copper plate 214 for mounting the power semiconductor element) and the small circuit portion (copper plate 214 for mounting the control circuit portion) of the aluminum nitride substrate 210. Also, a copper base plate (heat radiating plate) with a thickness of 3 mm was soldered with eutectic solder (heated at 230 ° C. for 5 minutes) to the back surface of the metal / ceramic bonding substrate manufactured in this example, and the same heat cycle test was performed. After performing, when the surface of the aluminum nitride substrate 210 was observed with an optical microscope, a crack was generated in a portion corresponding to the large circuit portion of the aluminum nitride substrate 210.

実施例１の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the metal / ceramic bonding substrate of Example 1. 実施例１の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the metal / ceramic bonding substrate of Example 1. 実施例１の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the metal / ceramic bonding substrate of Example 1. 実施例１の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the metal / ceramic bonding substrate of Example 1. 実施例１の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the metal / ceramic bonding substrate of Example 1. 実施例１の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the metal / ceramic bonding substrate of Example 1. 実施例１の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the metal / ceramic bonding substrate of Example 1. 実施例１の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the metal / ceramic bonding substrate of Example 1. 実施例２の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示す断面図である。6 is a cross-sectional view showing a process for manufacturing a metal / ceramic bonding substrate of Example 2. FIG. 実施例２の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示す断面図である。6 is a cross-sectional view showing a process for manufacturing a metal / ceramic bonding substrate of Example 2. FIG. 実施例２の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示す断面図である。6 is a cross-sectional view showing a process for manufacturing a metal / ceramic bonding substrate of Example 2. FIG. 実施例２の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示す断面図である。6 is a cross-sectional view showing a process for manufacturing a metal / ceramic bonding substrate of Example 2. FIG. 実施例２の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示す断面図である。6 is a cross-sectional view showing a process for manufacturing a metal / ceramic bonding substrate of Example 2. FIG. 実施例２の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示す断面図である。6 is a cross-sectional view showing a process for manufacturing a metal / ceramic bonding substrate of Example 2. FIG. 実施例２の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示す断面図である。6 is a cross-sectional view showing a process for manufacturing a metal / ceramic bonding substrate of Example 2. FIG. 実施例２の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示す断面図である。6 is a cross-sectional view showing a process for manufacturing a metal / ceramic bonding substrate of Example 2. FIG. 比較例の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the metal-ceramic bonding board | substrate of a comparative example. 比較例の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the metal-ceramic bonding board | substrate of a comparative example. 比較例の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the metal-ceramic bonding board | substrate of a comparative example. 比較例の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the metal-ceramic bonding board | substrate of a comparative example. 比較例の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the metal-ceramic bonding board | substrate of a comparative example. 比較例の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing process of the metal-ceramic bonding board | substrate of a comparative example.

Explanation of symbols

１０、１１０、２１０セラミックス基板
１２、１１２、２１２ろう材
１４、１１４、２１４銅板
１６、１１６、２１６エッチングレジスト
１８、１１８エッチングレジスト
２０、１２０、２２０めっき
10, 110, 210 Ceramic substrate 12, 112, 212 Brazing material 14, 114, 214 Copper plate 16, 116, 216 Etching resist 18, 118 Etching resist 20, 120, 220 Plating

Claims

Metal metal plate is bonded to both surfaces of the ceramic substrate - in ceramic bonding substrate, on one surface of the ceramic substrate, and the area of the joint surface and the larger metal plate, the metal plate and a small area of the bonding surface of each than each other and a plurality of small metal plates which are arranged between away is joined to the larger metal plate step is provided on the periphery of the thin portion forming thin portion at the peripheral portion of the small metal plate A metal-ceramic bonding substrate, which is not formed .

2. The metal / ceramic bonding substrate according to claim 1, wherein the metal plate bonded to the other surface of the ceramic substrate is provided with a step at a peripheral edge portion to form a thin portion.

3. The metal / ceramic bonding substrate according to claim 1, wherein metal plates bonded to both surfaces of the ceramic substrate are bonded to the ceramic substrate via a brazing material. 4.

Metal surfaces of the ceramic substrate via a brazing filler metal plates are bonded - in ceramic bonding substrate, on one surface of the ceramic substrate, the area of the joint surface and the large heard metal plate, joining surface of each than the metal plate area is small and a plurality of small metal plates and bonding which are disposed between away from each other, the fillet portions from the peripheral edge of the large metal plate protrude the brazing material is formed, fillet the periphery of the small metal plate A metal-ceramic bonding substrate, characterized in that no part is formed .

The metal-ceramic bonding substrate according to claim 4, wherein a brazing material protrudes from a peripheral edge of a metal plate bonded to the other surface of the ceramic substrate to form a fillet portion.

The metal-ceramic bonding substrate according to any one of claims 1 to 5, wherein a metal plate bonded to the other surface of the ceramic substrate is fixed to a metal base plate for heat dissipation.

A power module using the metal-ceramic bonding substrate according to claim 1.

Of the metal plate having a large bonding area and a metal plate having a small bonding area bonded to one surface of the ceramic substrate via a brazing material, the surface of the large metal plate is separated from the outer periphery by a predetermined distance. An etching resist smaller than the surface is printed, and an etching resist is printed on the entire surface of the small metal plate, and a thin portion is formed by providing a step on the periphery of the larger metal plate for etching. A method for producing a metal-ceramic bonding substrate.

Of the metal plate having a large bonding area and a metal plate having a small bonding area bonded to one surface of the ceramic substrate via a brazing material, the surface of the large metal plate is separated from the outer periphery by a predetermined distance. An etching resist smaller than the surface is printed, and an etching resist is printed on the entire surface of the small metal plate to form a fillet portion so that the brazing material protrudes from the periphery of the larger metal plate for etching. A method for producing a metal-ceramic bonding substrate.