JP7208439B2 - Ceramic circuit board, electronic device, metal member, and method for manufacturing ceramic circuit board - Google Patents
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Description
本発明は、セラミックス回路基板、電子デバイス、金属部材、及びセラミックス回路基板の製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a ceramic circuit board, an electronic device, a metal member, and a method for manufacturing a ceramic circuit board.
セラミックス基板に金属部材を接合したセラミックス回路基板は、電子部品や機械部品等に広く用いられている。例えば、電鉄、車両、産業機械向けといった高電圧、大電流動作を必要とするパワーデバイスにおいて、セラミックス回路基板上に半導体素子を搭載した電子デバイスが用いられている。
セラミックス基板と金属部材を接合する方法の一つとして、セラミックス基板と金属部材とをろう材を用いて接合する方法がある。この場合、一般的には、銀・銅と活性金属を含むろう材をセラミックス基板に塗布し、ろう材上に金属部材を配置し、適当な温度で加熱処理することでセラミックス基板と金属部材とを接合する。2. Description of the Related Art Ceramic circuit boards, in which metal members are bonded to ceramic substrates, are widely used for electronic parts, mechanical parts, and the like. For example, electronic devices in which semiconductor elements are mounted on ceramic circuit boards are used in power devices that require high-voltage and large-current operation for electric railways, vehicles, and industrial machinery.
As one of the methods of joining the ceramic substrate and the metal member, there is a method of joining the ceramic substrate and the metal member using a brazing material. In this case, generally, a brazing material containing silver, copper, and an active metal is applied to the ceramic substrate, a metal member is placed on the brazing material, and the ceramic substrate and the metal member are bonded together by heat treatment at an appropriate temperature. to join.
例えば、特許文献1には、プレス加工により打ち抜き成形された金属板をセラミックス基板の一方の面に積層してろう付けにより接合するパワーモジュール用基板の製造方法であって、プレス加工により打ち抜き成形された前記金属板のバリの高さを0.021mm以下とするとともに、破断面の厚さを0.068mm以上とし、前記バリが生じている側の表面を前記セラミックス基板の一方の面に重ねるように積層してろう付けすることを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法が開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses a method for manufacturing a power module substrate in which a metal plate stamped by press working is laminated on one side of a ceramic substrate and joined by brazing. The height of the burrs on the metal plate is set to 0.021 mm or less, the thickness of the fractured surface is set to 0.068 mm or more, and the surface on which the burrs are generated is overlapped with one surface of the ceramic substrate. A method for manufacturing a power module substrate is disclosed, which is characterized by laminating and brazing.
発明者らが検討したところ、特許文献1に開示された方法では、セラミックス基板に金属部材を接合する工程において、ろう材が金属部材表面にはい上がり、はい上がったろう材によってハンダ濡れ性が低下する場合があることが明らかになった。これは、プレス加工により金属板に発生するバリによってろう材のはい上がりを抑制しようとする場合、バリの高さを金属板の全周にわたって精密に制御することは困難であり、例えば、バリのうち相対的に低いところからろう材が染み出てしまうためと考えられる。 According to the inventors' studies, in the method disclosed in Patent Document 1, in the process of joining a metal member to a ceramic substrate, the brazing filler metal creeps up onto the surface of the metal member, and the crawled-up brazing filler metal lowers solder wettability. It turned out that there is a case. This is because when attempting to suppress the brazing filler metal from creeping up due to burrs generated on the metal plate during press working, it is difficult to precisely control the height of the burrs over the entire circumference of the metal plate. This is probably because the brazing filler metal seeps out from relatively low portions.
本発明によれば、セラミックス基板の少なくとも一面にろう材を介して板状の金属部材を接合してなるセラミックス回路基板において、
前記金属部材はセラミックス基板に対向する第一の面と、当該第一の面とは逆の第二の面とを有し、
前記第一の面は、その外縁部に、前記第一の面の中央部よりも表面粗さが粗い粗化部を有する、セラミックス回路基板が提供される。According to the present invention, in a ceramic circuit board formed by bonding a plate-like metal member to at least one surface of a ceramic substrate via a brazing material,
The metal member has a first surface facing the ceramic substrate and a second surface opposite to the first surface,
The ceramic circuit board is provided, wherein the first surface has a roughened portion on the outer edge thereof, the surface roughness of which is rougher than that of the central portion of the first surface.
また、本発明によれば、前記セラミックス回路基板を備える電子デバイスが提供される。 Further, according to the present invention, there is provided an electronic device comprising the ceramic circuit board.
また、本発明によれば、セラミックス基板の一面にろう材で接合される板状の金属部材であって、
前記金属部材はセラミックス基板に対向する第一の面と、当該第一の面とは逆の第二の面とを有し、
前記第一の面は、その外縁部に、前記第一の面の中央部よりも表面粗さが粗い粗化部を有する、金属部材が提供される。Further, according to the present invention, a plate-shaped metal member that is bonded to one surface of a ceramic substrate with a brazing material,
The metal member has a first surface facing the ceramic substrate and a second surface opposite to the first surface,
The metal member is provided, wherein the first surface has a roughened portion on the outer edge thereof, the surface roughness of which is rougher than that of the central portion of the first surface.
また、本発明によれば、セラミックス基板の少なくとも一面にろう材を介して板状の金属部材を接合する接合工程を有し、前記金属部材はセラミックス基板に対向する第一の面と、当該第一の面とは逆の第二の面とを有し、
前記第一の面は、その外縁部に、前記第一の面の中央部よりも表面粗さが粗い粗化部を有する、セラミックス回路基板の製造方法が提供される。Further, according to the present invention, the step of joining a plate-like metal member to at least one surface of the ceramic substrate via a brazing material is provided, and the metal member has a first surface facing the ceramic substrate and the second surface. a second side opposite to the first side,
The method for manufacturing a ceramic circuit board is provided, wherein the first surface has a roughened portion on the outer edge thereof, the surface roughness of which is rougher than that of the central portion of the first surface.
本発明によれば、セラミックス基板にろう材を介して板状の金属部材を接合する際に、ろう材が金属部材表面にはい上がることを抑制したセラミックス回路基板、該セラミックス回路基板を備える電子デバイス、セラミックス基板に接合される金属部材、また、セラミックス回路基板の製造方法を提供することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, there is provided a ceramic circuit board in which, when a plate-like metal member is joined to a ceramic substrate via a brazing material, the brazing material is prevented from creeping up onto the surface of the metal member, and an electronic device comprising the ceramic circuit board. , a metal member to be bonded to a ceramic substrate, and a method for manufacturing a ceramic circuit substrate.
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。また、図は概略図であり、実際の寸法比率とは一致していない。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in all the drawings, the same constituent elements are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted as appropriate. Also, the drawings are schematic diagrams and do not correspond to actual dimensional ratios.
<セラミックス回路基板>
はじめに、図1及び図2を用いて本実施形態に係るセラミックス回路基板の概要について説明する。
図1は、本実施形態に係るセラミックス回路基板100の全体の構成を模式的に示す断面図である。本実施形態に係るセラミックス回路基板100は、セラミックス基板10、ろう材20、板状の金属部材30を備えるものである。セラミックス基板10の少なくとも一面にろう材20を介して板状の金属部材30が接合されており、接合によりセラミックス基板10、ろう材20、板状の金属部材30が互いに固定されている。<Ceramic circuit board>
First, the outline of the ceramic circuit board according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG.
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the overall configuration of a
セラミックス基板10は第一の面11と第二の面12とを有する。セラミックス基板10は、第二の面12の上面上に、ろう材20を介し、板状の金属部材30が接合されている。本実施形態に係るセラミックス回路基板の構造は、上記構造に限定されず、例えばセラミックス回路基板100は、図1の(a)に示すように、第一の面11又は第二の面12のいずれかに板状の金属部材30が接合されていてもよいし、図1の(b)に示すように、第一の面11及び第二の面12の両面に金属部材30が接合されていてもよいが、セラミックス基板10の両面にろう材20を介し板状の金属部材30を接合したセラミックス回路基板100であることが好ましい。また、図2に、本実施形態に係るセラミックス回路基板100を模式的に示す上面図を示す。セラミックス回路基板100は第一の面11及び第二の面12に、それぞれ一つの金属部材30が接合されていてもよいし、第一の面11に一つの金属部材30が接合され、第二の面12に2以上の金属部材30が接合されていてもよいし、第一の面11に2以上の金属部材30が接合され、第二の面12に一つの金属部材30が接合されていてもよいし、第一の面11及び第二の面12に、それぞれ2以上の金属部材30が接合されていてもよい。金属部材30は平面視において多角形であることが好ましく、矩形とすることもできるし、例えば、矩形の金属部材30を後述のエッチング工程によってパターニングした、矩形の一部が除去された形状とすることもできる。
A
以下、本実施形態に係るセラミックス回路基板の各構成について詳述する。 Each configuration of the ceramic circuit board according to the present embodiment will be described in detail below.
<金属部材>
図3及び図4を参照し、本実施形態のセラミックス回路基板100にかかる金属部材30の構成について詳述する。図3は本実施形態のセラミックス回路基板100にかかる金属部材30の構成を模式的に示す断面図である。また、図4は本実施形態のセラミックス回路基板100にかかる金属部材30の構成を模式的に示す上面図である。<Metal member>
The configuration of the
本実施形態において、金属部材30はセラミックス基板に対向する第一の面31と、第一の面31とは逆の第二の面32と、その両面の外周端の相互間に存在する端面33とを有する。第一の面31は、その外縁部50に、前記第一の面31の中央部51よりも表面粗さが粗い粗化部52を有する。
In this embodiment, the
外縁部50とは、第一の面31に存在する外周部の領域を意味し、具体的には以下の(1)、(2)のいずれかの領域をいう。
(1)第一の面31に存在する領域であって、第一の面31と端面33との境界34からの距離が、1mm以内の領域。
(2)第一の面31に存在する領域であって、第一の面31と端面33との境界34からの距離が、金属部材30を上面視したときの最長対角線の長さの10%以内の領域。The
(1) A region that exists on the
(2) A region existing on the
また、本発明において、中央部51とは、第一の面31に存在する内部の領域を意味し、具体的には以下の領域のいずれかの領域をいう。
第一の面31に存在する領域であって、金属部材30を上面視したときの最長対角線の中点からの距離が、金属部材30を上面視したときの最長対角線の長さの40%以内の領域。
ここで、金属部材30を上面視したときの最長対角線とは、例えば図4(a)における4a、図4(b)における4bをいう。In addition, in the present invention, the
A region that exists on the
Here, the longest diagonal when the
本実施形態において、金属部材30の第一の面31が、その外縁部50に、前記第一の面31の中央部51よりも表面粗さが粗い粗化部52を有することにより、ろう材20のはい上がりをより抑制することができるセラミックス回路基板100となる。すなわち、従来、セラミックス基板10と金属部材30とを、ろう材20を介して接合するろう付け工程では、接合端部において、ろう材20が金属部材30の端面33を伝って金属部材30の上面(第二の面32)にはい上がる場合があり、後工程において、金属部材30の上面(第二の面32)に半導体チップ等を搭載する際に、はい上がったろう材20によってハンダ濡れ性が低下してハンダ付け不良が発生したり、外観不良が発生したりし、歩留り低下の一因となっていた。本願発明によれば、金属部材の外縁部50に粗化部52を設けることにより、表面積が増大した粗化部52の表面や、わずかな隙間が余剰のろう材20をトラップし、ろう材20が金属部材30の下面から端面33にはい上がる現象を抑制することができる。その結果、ハンダ濡れ性の低下や、外観不良の発生を防ぐことができる。
In the present embodiment, the
また、金属部材30の第一の面31上に金属部材30の打ち抜きで発生するバリ等による凸形状の突起を設け、当該突起によってろう材20のはい上がりを抑制しようとした場合、金属板(金属部材30)の一部に突起の高さが高いところがあれば、突起の高さが低いところからろう材20が染み出てしまい、ろう材20のはい上がりが大きくなるリスクがあり、金属部材30の表面に突起を設けることは、金属部材30とセラミックス基板10の接合の信頼性を損なう恐れもあった。
本願発明によれば、これらのリスクなく、ろう材20のはい上がりを抑制することができ、ろう材染み出だしの発生が抑制され、金属部材30上に搭載される半導体チップ等とのハンダ接合性を向上させることができる。In addition, when a convex projection is provided on the
According to the present invention, it is possible to suppress the
粗化部52は、外縁部50の全部又は一部に存在し、外縁部50の面積のうち、50%以上を占めることが好ましく、80%以上を占めることがより好ましい。
粗化部52は、外縁部50に1つ存在することも可能であるし、複数存在することも可能であるが、粗化部52は、第一の面31の全周にわたって連続的に存在することが好ましい。The roughened portion 52 exists in all or part of the
One roughened portion 52 may exist on the
粗化部52は、第一の面31の中央部51よりも表面粗さが大きいことが好ましい。表面粗さとしては、JIS B0601-1994に規定される算術平均粗さRa(以下、「表面粗さRa」という)を用いることができる。表面粗さRaは以下のように測定することができる。
The roughened portion 52 preferably has a surface roughness greater than that of the
表面粗さRaは接触式表面粗さ計を用いて、JIS B0601-1994に基づいて測定することができる。 The surface roughness Ra can be measured using a contact surface roughness meter based on JIS B0601-1994.
粗化部52の表面粗さRaは、0.5μm以上2μm以下であることが好ましい。表面粗さRaの下限は、0.8μm以上であることがより好ましく、1.2μm以上であることが特に好ましい。表面粗さRaの上限は、2μm以下であることがより好ましく、2μm以下であることが特に好ましい。
粗化部52の表面粗さRaが上記数値範囲内であることにより、より確実にろう材のはい上がりを抑制することができる。The surface roughness Ra of the roughened portion 52 is preferably 0.5 μm or more and 2 μm or less. The lower limit of the surface roughness Ra is more preferably 0.8 μm or more, particularly preferably 1.2 μm or more. The upper limit of the surface roughness Ra is more preferably 2 μm or less, particularly preferably 2 μm or less.
By setting the surface roughness Ra of the roughened portion 52 within the above numerical range, it is possible to more reliably suppress the brazing filler metal from creeping up.
本実施形態においては、金属部材30のいずれかの対角線に沿った厚み方向の切断面における粗化部52の長さが上述した外縁部50の範囲にあり、一定の面積の粗化部52を有することで、ろう材20のはい上がりをより確実に抑制することができる。ここで、金属部材30の対角線に沿った厚み方向の切断面とは、例えば図2の破線a~dで切断したときの断面をいう。
また、図3(b)に示すように、外縁部50において、粗化部52は、例えば、外縁部50の最外周(粗化部52A)、外縁部50の中央部(粗化部52B)、外縁部50の最内周(粗化部52C)に位置することができる。In this embodiment, the length of the roughened portion 52 in the thickness direction cut surface along any diagonal line of the
Further, as shown in FIG. 3B, in the
粗化部52の表面粗さRaをx、中央部51の表面粗さをyとした場合に、x/yが2以上10以下であることが好ましい。下限は、2.5以上がより好ましく、2.75以上がさらにより好ましい。上限は、8.0以下がより好ましく、7以下がさらにより好ましい。x/yがこのような値の範囲にあることで、ろう材20のはい上がりを抑制し、かつ金属部材30とセラミックス基板10との接合性を良好に保つことができる。
Where x is the surface roughness Ra of the roughened portion 52 and y is the surface roughness of the
なお、ろう材20のはい上がり性には、金属部材30の形状に加え、ろう材20の塗布量も影響する。ろう材20の塗布量は、接合工程前におけるろう材ペーストの乾燥膜厚で、例えば2μm以上40μm以下とすることができる。
In addition to the shape of the
以上の、本実施形態に係る粗化部52を有する金属部材30の作製方法としては、金属部材30の第一の面31の外縁部50に、中央部51よりも表面粗さが粗い粗化部52を設けることができる方法であれば特に限定されないが、機械的な方法により粗化する方法が挙げられ、具体的には研磨やサンドブラストなどが利用できる。
As the method for manufacturing the
本実施形態に係る金属部材30に使用する金属は、銅、アルミニウム、鉄、ニッケル、クロム、銀、モリブテン、コバルトの単体またはその合金等が挙げられる。後述のように、金属部材30を、活性金属を含有する銀-銅系ろう材でセラミックス基板10に接合する観点や、導電性、放熱性の観点から銅板が好ましい。
Metals used for the
銅板を使用する場合、その純度は、90%以上であることが好ましい。純度を90%以上とすることにより、十分な導電性、放熱性を有するセラミックス回路基板100となり、またセラミックス基板10と銅板とを接合する際、銅板とろう材20との反応が十分進行し、信頼性の高いセラミックス回路基板100を得ることができる。
If a copper plate is used, its purity is preferably 90% or higher. By setting the purity to 90% or more, the
本実施形態に係る金属部材30の厚みは特に限定されないが、0.1mm以上1.5mm以下のものが一般的である。金属部材30の厚みは、特に、放熱性の観点から0.2mm以上が好ましく、耐熱サイクル特性の観点から0.5mm以下が好ましい。
Although the thickness of the
<セラミックス基板>
本実施形態に係るセラミックス回路基板100に使用されるセラミックス基板10としては、特に限定されるものではなく、窒化ケイ素、窒化アルミニウムなどの窒化物系セラミックス、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムなどの酸化物系セラミックス、炭化ケイ素等の炭化物系セラミックス、ほう化ランタン等のほう化物系セラミックス等が挙げられる。後述のように、金属部材30を、活性金属を含有する銀-銅系ろう材でセラミックス基板10に接合する観点からは、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等の非酸化物系セラミックスが好適であり、更に、優れた熱伝導性の観点からは窒化アルミニウム基板が好ましい。<Ceramic substrate>
The
本実施形態に係るセラミックス基板10の厚みは特に限定されないが、0.2mm以上、1.5mm以下が好ましい。上記数値範囲内とすることにより、十分に強度・耐久性を維持することができ、かつ、熱抵抗を抑制することができる。
Although the thickness of the
<ろう材>
本実施形態に係るセラミックス回路基板100において、ろう材20は、ろう材20中にチタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、バナジウム、アルミニウム、錫から選択される少なくとも一種の活性金属を含有することが好ましい。ろう材20の配合におけるAg/Cu比は、AgとCuの共晶組成である72質量%:28質量%よりAg粉末の配合比を高めることで、Cuリッチ相の粗大化を防止し、Agリッチ相が連続したろう材層組織を形成することができる。
また、Ag粉末の配合量が多くCu粉末の配合量が少ないと、接合時にAg粉末が溶解しきれずに接合ボイドとして残る場合がある。よって、Ag粉末と、Cu粉末、Sn粉末またはIn粉末の配合比は、Ag粉末:85.0質量部以上95.0質量部以下、Cu粉末:5.0質量部以上13.0質量部以下、Sn粉末またはIn粉末:0.4質量部以上3.5質量部以下からなるものが好ましく挙げられる。上記数値範囲内とすることで、ろう材20の融解温度が過度に上昇することを防ぎ、適度な温度での接合が可能となり、接合時の熱膨張率差に由来する熱ストレスを低下させることができ、耐熱サイクル性を向上する。<Brazing material>
In the
Further, when the amount of Ag powder mixed is large and the amount of Cu powder mixed is small, the Ag powder may not be completely dissolved during bonding and may remain as bonding voids. Therefore, the compounding ratio of Ag powder, Cu powder, Sn powder, or In powder is Ag powder: 85.0 parts by mass or more and 95.0 parts by mass or less, Cu powder: 5.0 parts by mass or more and 13.0 parts by mass or less. , Sn powder or In powder: 0.4 parts by mass or more and 3.5 parts by mass or less. By setting the value within the above numerical range, the melting temperature of the
チタン等の活性金属の添加量は、Ag粉末と、Cu粉末と、Sn粉末またはIn粉末の合計100質量部に対して、1.5質量部以上5.0質量部以下が好ましい。活性金属の添加量を適切に調整することで、セラミックス板に対する濡れ性を一層高めることができ、接合不良の発生を一層抑えることができる。また、未反応の活性金属の残存が抑えられ、Agリッチ相の不連続化なども抑えることができる。 The amount of active metal such as titanium added is preferably 1.5 parts by mass or more and 5.0 parts by mass or less with respect to a total of 100 parts by mass of Ag powder, Cu powder, Sn powder or In powder. By appropriately adjusting the additive amount of the active metal, the wettability to the ceramic plate can be further improved, and the occurrence of poor bonding can be further suppressed. In addition, the remaining unreacted active metal can be suppressed, and discontinuity of the Ag-rich phase can be suppressed.
本実施形態に係るセラミックス回路基板100において、ろう材20の厚みは、セラミックス基板10と金属部材30を接合可能である限り特に限定されない。典型的には3μm以上40μm以下、好ましくは4μm以上25μm以下、より好ましくは5μm以上15μm以下である。上記数値範囲内とすることにより、放熱性に優れ、かつ、信頼性にすぐれたセラミックス回路基板100とすることができる。
In the
<セラミックス回路基板の製造方法>
以下に本実施形態に係るセラミックス回路基板100の製造方法について説明する。
本実施形態の製造方法は、セラミックス基板10の少なくとも一面にろう材20を介して板状の金属部材30を接合する接合工程を有し、前記金属部材30はセラミックス基板10に対向する第一の面31と、当該第一の面31とは逆の第二の面32とを有し、
前記第一の面31は、その外縁部50に、前記第一の面31の中央部51よりも表面粗さが粗い粗化部52を有する、セラミックス回路基板100の製造方法。
まず、セラミックス基板10、及び、金属部材30を準備する。セラミックス基板10、及び、金属部材30の態様については前述のとおりである。
次にろう材ペーストを調製する。ろう材ペースト(ろう材20)の金属成分の配合は上述の通りであり、Ag粉末:85.0質量部以上95.0質量部以下、Cu粉末:5.0質量部以上13.0質量部以下、Sn粉末またはIn粉末:0.4質量部以上3.5質量部以下からなるものが好ましく挙げられる。チタン等の活性金属の添加量は、Ag粉末と、Cu粉末と、Sn粉末またはIn粉末の合計100質量部に対して、1.5質量部以上5.0質量部以下が好ましい。
これらの金属粉末と、樹脂、溶剤、必要に応じて分散剤等を公知の手法で混合することにより、ろう材ペーストを得ることができる。
続いて、セラミックス基板10の片面又は両面に、ろう材ペーストを塗布する。塗布方法は特に限定されず、例えばスクリーン印刷により塗布を行うことができる。塗布されたろう材ペーストの乾燥膜厚は、例えば1μm以上50μm以下とすることが好ましい。<Method for producing ceramic circuit board>
A method for manufacturing the
The manufacturing method of this embodiment includes a joining step of joining a plate-shaped
A method for manufacturing a
First, the
Next, a brazing paste is prepared. The composition of the metal components of the brazing paste (brazing material 20) is as described above. Ag powder: 85.0 to 95.0 parts by mass, Cu powder: 5.0 to 13.0 parts by mass. Sn powder or In powder: 0.4 parts by mass or more and 3.5 parts by mass or less are preferably mentioned below. The amount of active metal such as titanium added is preferably 1.5 parts by mass or more and 5.0 parts by mass or less with respect to a total of 100 parts by mass of Ag powder, Cu powder, Sn powder or In powder.
A brazing filler metal paste can be obtained by mixing these metal powders, a resin, a solvent, and, if necessary, a dispersant and the like by a known method.
Subsequently, a brazing material paste is applied to one side or both sides of the
次に、セラミックス基板10に塗布されたろう材ペーストに接するように金属部材30を重ね、加熱炉内で加熱し、セラミックス基板10と金属部材30とを接合する。
本実施形態において、セラミックス基板10と金属部材30とを接合する接合温度は、780℃以上850℃以下であることが好ましく、より好ましくは800℃未満である。また、接合時の真空度は、1×10-3Pa以下とすることが好ましい。また、上記接合温度での保持時間は10分以上60分以下であることが望ましい。
接合温度・真空度・接合時間を上記範囲内とすることにより、活性金属を含む化合物が十分に生成され、セラミックス基板10と金属部材30とを全面にわたって接合することができる。また、接合温度が高温であったり、保持時間が長すぎたりする場合には、接合後のろう材層(ろう材20)の厚みムラが大きくなる場合があるが、接合温度・真空度・接合時間を上記範囲内とすることにより、接合後のろう材20の厚みムラを低減することができる。Next, the
In this embodiment, the bonding temperature for bonding the
By setting the bonding temperature, the degree of vacuum, and the bonding time within the above ranges, the compound containing the active metal is sufficiently generated, and the
本実施形態に係るセラミックス回路基板100は、必要に応じてエッチングにより、金属部材30の少なくとも一部を除去したセラミックス回路基板100とすることもできる。すなわち、本実施形態に係るセラミックス回路基板100は、エッチングによる回路パターン形成工程を経ることもできる。本実施形態に係るセラミックス回路基板100に回路パターンを形成する場合、金属部材30にエッチングレジストを塗布してエッチングすることができる。エッチングレジストに関して特に制限はなく、公知の紫外線硬化型や熱硬化型のものが使用できる。また、エッチングレジストの塗布方法に関しては特に制限はなく、例えばスクリーン印刷法等の公知の塗布方法を採用することができる。
エッチング液に関しても特に制限はなく、公知のエッチング液を用いることができ、金属部材30が銅板である場合、塩化第二鉄溶液や塩化第二銅溶液、硫酸、過酸化水素水等を使用することができ、塩化第二鉄溶液や塩化第二銅溶液が好ましい。The
The etchant is not particularly limited, and a known etchant can be used. When the
エッチングによって不要な金属部分を除去したセラミックス回路基板100には、ろう材20、その合金層、窒化物層等が残っている場合があり、その場合、ハロゲン化アンモニウム水溶液、硫酸、硝酸等の無機酸、過酸化水素水を含む溶液を用いて、それらを除去するのが一般的である。回路形成後、公知の方法でエッチングレジストの剥離を行うことができる。剥離方法は特に限定されず、例えば、アルカリ水溶液に浸漬させる方法などを挙げることができる。
In some cases, the
以上のようにして、セラミックス基板10と金属部材30とがろう材20を介して接合されたセラミックス回路基板100を得ることができる。
As described above, the
本実施形態に係るセラミックス回路基板100は、例えば、金属部材30の第二の面32に半導体チップ等を搭載し、電子デバイスとすることができる。
本実施形態に係るセラミックス回路基板100は、例えば、電鉄、車両、産業機械向けといった高電圧、大電流動作を必要とするパワーデバイスに特に好適に適用することができる。
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、粗化部52は、外縁部50に設けられ第一の面31の中央部51よりも表面粗さが粗くなっている構成に限らず、外縁部50に中央部側で隣接する領域よりも表面粗さが粗くなっている構成であってもよい。すなわち、中央部51の表面の粗さにかかわらず、外縁部50の粗化部52と表面中央側で隣接する領域が、粗化部52より表面粗さが粗くない領域となっていればよい。The
The
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes modifications, improvements, etc. within the scope of achieving the object of the present invention.
For example, the roughened portion 52 is not limited to a configuration in which the surface roughness is provided in the
以下、本発明について実施例を参照して詳細に説明するが、本発明は、これらの実施例の記載に何ら限定されるものではない。表1に表面粗さRaの測定結果(外縁部、中央部)および評価(ろう材のはい上がり、接合性)を示す。 EXAMPLES The present invention will be described in detail below with reference to Examples, but the present invention is not limited to the description of these Examples. Table 1 shows the measurement results of the surface roughness Ra (outer edge portion, center portion) and evaluation (brazing filler metal creeping, bondability).
窒化ケイ素基板(50mm×50mm、厚み0.32mm)、及び、銅板(50mm×50mm、厚み0.8mm)を準備した。 A silicon nitride substrate (50 mm×50 mm, thickness 0.32 mm) and a copper plate (50 mm×50 mm, thickness 0.8 mm) were prepared.
(粗化処理)
銅板は、その外縁部50を以下の方法で粗面化した。
実施例1~4、比較例1は400番のサンドペーパーを用い、こする強さにより表面粗さを調整した。
比較例2、3は1000番のサンドペーパーを用い、こする強さにより表面粗さを調整した。
比較例1については中央部51もサンドペーパーで粗化した。
なお、第一の面31に存在する領域であって、第一の面31と端面33との境界34からの距離が、金属部材30を上面視したときの最長対角線の長さの10%以内の領域を外縁部50とし、粗化の割合は銅板の外側から粗化していき表に示す面積割合を粗化した。
比較例1以外の中央部51の粗さも1000番のサンドペーパーを用い表面粗さを調整した。
なお、表面粗さRaの測定方法は後述の通りである。(roughening treatment)
The copper plate was roughened at its
In Examples 1 to 4 and Comparative Example 1, No. 400 sandpaper was used, and the surface roughness was adjusted by rubbing strength.
In Comparative Examples 2 and 3, No. 1000 sandpaper was used, and the surface roughness was adjusted by rubbing strength.
For Comparative Example 1, the
Note that the distance from the
The surface roughness of the
A method for measuring the surface roughness Ra is as described later.
ろう材ペースト(Ag-Cu-Ti系ろう材)を調製した。
上記のろう材ペーストをスクリーン印刷で、窒化ケイ素基板に印刷し、乾燥した。なお、ろう材ペーストは、乾燥後の厚さが20μmとなるよう塗布した。
その後、ろう材の上に、銅板1を重ね、真空雰囲気下で銅板と窒化ケイ素基板の接合し、セラミックス回路基板100を製造した。A brazing paste (Ag--Cu--Ti based brazing material) was prepared.
The above brazing paste was printed on a silicon nitride substrate by screen printing and dried. The brazing paste was applied so that the thickness after drying was 20 μm.
After that, the copper plate 1 was overlaid on the brazing material, and the copper plate and the silicon nitride substrate were joined in a vacuum atmosphere to manufacture the
<表面粗さ測定方法>
表面粗さRaは接触式表面粗さ計を用いて、JIS B0601-1994に基づいて測定した。
測定範囲については、外縁部50(粗化部52)は、第一の面31と端面33との境界34からの距離が1mm以内の領域であり、中央部51は、対角線の中央1mmの範囲である。<Surface roughness measurement method>
The surface roughness Ra was measured according to JIS B0601-1994 using a contact surface roughness meter.
Regarding the measurement range, the outer edge portion 50 (roughened portion 52) is a region within 1 mm from the
<ろう材はい上がり性>
得られたセラミックス回路基板100について、外観観察を行った。表1のろう材のはい上がり評価において、「◎」は「ろう材はい上がり無し」、「○」は「ろう材はい上がりが微量に有り」、「△」は「ろう材はい上がりが確認できた」、「×」は「ろう材はい上がりが明確に確認された」を示す。
実施例1、2では、ろう材20が、銅板の第二の面32(上面)にはい上がる、ろう材20のはい上がりの発生は確認されなかった。実施例3、4では、ろう材はい上がりが僅かに有ったが、非常に微量であった。比較例1は、外縁部50及び中央部51の表面粗さRaが2であったが、接合性が不適合で評価できなかった。比較例2ではろう材はい上がりが確認でき、また比較例3ではろう材はい上がりが明確に確認できた。
<接合性>
セラミックス基板と銅板とが接合できたかを目視観察により評価した。表1において、接合できたものを「〇」、接合できなかったものを「×」、接合できたものの不十分なものを「△」と評価した。実施例1から4では、目視観察で接合が確認できた。比較例1では接合性が不適切となった。比較例2では接合が不十分であり、比較例3は接合が適切であった。
The appearance of the obtained
In Examples 1 and 2, it was not confirmed that the
<Joinability>
Whether or not the ceramic substrate and the copper plate could be bonded was evaluated by visual observation. In Table 1, those that were able to be bonded were evaluated as "◯", those that could not be bonded were evaluated as "x", and those that were bonded but were insufficient were evaluated as "Δ". In Examples 1 to 4, bonding was confirmed by visual observation. In Comparative Example 1, the bondability was unsuitable. In Comparative Example 2, bonding was insufficient, and in Comparative Example 3, bonding was appropriate.
この出願は、2020年3月30日に出願された日本出願特願2020-060607号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。 This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2020-060607 filed on March 30, 2020, and the entire disclosure thereof is incorporated herein.
10 セラミックス基板
11 第一の面
12 第二の面
20 ろう材
30 金属部材
31 第一の面
32 第二の面
33 端面
34 境界
50 外縁部
51 中央部
52 粗化部
52A 粗化部
52B 粗化部
52C 粗化部
100 セラミックス回路基板10
Claims (11)
前記金属部材はセラミックス基板に対向する第一の面と、当該第一の面とは逆の第二の面とを有し、
前記第一の面は、その外縁部に、前記第一の面の中央部よりも表面粗さが粗い粗化部を有し、
前記金属部材は矩形であって、
前記粗化部において、前記第一の面の中央部よりも表面粗さRaが大きく、表面粗さRaが、0.5μm以上2μm以下である、セラミックス回路基板。 A ceramic circuit board formed by bonding a plate-like metal member to at least one surface of a ceramic substrate via a brazing material,
The metal member has a first surface facing the ceramic substrate and a second surface opposite to the first surface,
The first surface has a roughened portion having a rougher surface roughness than the central portion of the first surface on its outer edge,
The metal member is rectangular,
The ceramic circuit board, wherein the roughened portion has a surface roughness Ra larger than that of the central portion of the first surface, and the surface roughness Ra is 0.5 μm or more and 2 μm or less.
前記金属部材はセラミックス基板に対向する第一の面と、当該第一の面とは逆の第二の面とを有し、
前記第一の面は、その外縁部に、前記第一の面の中央部よりも表面粗さが粗い粗化部を有し、
前記金属部材は矩形であって、
前記粗化部において、前記第一の面の中央部よりも表面粗さRaが大きく、表面粗さRaが、0.5μm以上2μm以下である、金属部材。 A plate-shaped metal member bonded to one surface of a ceramic substrate with a brazing material,
The metal member has a first surface facing the ceramic substrate and a second surface opposite to the first surface,
The first surface has a roughened portion having a rougher surface roughness than the central portion of the first surface on its outer edge,
The metal member is rectangular,
The metal member, wherein the roughened portion has a surface roughness Ra larger than that of the central portion of the first surface, and the surface roughness Ra is 0.5 μm or more and 2 μm or less.
前記金属部材はセラミックス基板に対向する第一の面と、当該第一の面とは逆の第二の面とを有し、
前記第一の面は、その外縁部に、前記第一の面の中央部よりも表面粗さが粗い粗化部を有し、
前記金属部材は矩形であって、
前記粗化部において、前記第一の面の中央部よりも表面粗さRaが大きく、表面粗さRaが、0.5μm以上2μm以下である、セラミックス回路基板の製造方法。 A method for manufacturing a ceramic circuit board, comprising a bonding step of bonding a plate-like metal member to at least one surface of a ceramic substrate via a brazing material,
The metal member has a first surface facing the ceramic substrate and a second surface opposite to the first surface,
The first surface has a roughened portion having a rougher surface roughness than the central portion of the first surface on its outer edge,
The metal member is rectangular,
The method for manufacturing a ceramic circuit board, wherein the roughened portion has a surface roughness Ra larger than that of the central portion of the first surface, and the surface roughness Ra is 0.5 μm or more and 2 μm or less.
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