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JP7655046B2 - Manufacturing method for insulating circuit board - Google Patents
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Description

本発明は、大電流、高電圧を制御するパワーモジュール等に用いられる絶縁回路基板の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing an insulating circuit board used in power modules that control high currents and high voltages.

従来のパワーモジュール等に用いられる絶縁回路基板は、例えば、AlN(窒化アルミニウム)、Al(アルミナ)、Si(窒化ケイ素)などからなるセラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に形成された回路層と、セラミックス基板の他方の面に形成された放熱層と、を備えている。また、これらセラミックス基板と回路層又は放熱層となる金属板との接合には一般にろう材が用いられる。金属板が銅又は銅合金板である場合、ろう材には活性金属を含むものが用いられる。 Conventional insulating circuit boards used in power modules and the like include a ceramic substrate made of, for example, AlN (aluminum nitride), Al2O3 ( alumina ), Si3N4 (silicon nitride ), etc., a circuit layer formed on one side of the ceramic substrate, and a heat dissipation layer formed on the other side of the ceramic substrate. In addition, brazing filler metal is generally used to bond the ceramic substrate to a metal plate that serves as the circuit layer or the heat dissipation layer. When the metal plate is a copper or copper alloy plate, a brazing filler metal containing an active metal is used.

特許文献1には、セラミックス基板の表面に銅または銅合金からなる銅板が積層されて接合されたパワーモジュール用基板であって、銅板とセラミックス基板との間において、セラミックス基板の表面に窒化物層が形成されているとともに、Ag-Cu共晶組織層の厚さが15μm以下とされるパワーモジュール用基板が開示されている。この場合、セラミックス基板と銅板とは、その間に、Ag及び窒化物形成元素層を介在させ、積層方向に加圧(圧力1~35kgf/cm)した状態で真空加熱炉内に装入して加熱することにより、接合される。その真空加熱炉内の圧力は10-6Pa以上10-3Pa以下の範囲内に、加熱温度は790℃以上850℃以下の範囲内に設定されることが記載されている。 Patent Document 1 discloses a power module substrate in which a copper plate made of copper or a copper alloy is laminated and bonded to the surface of a ceramic substrate, in which a nitride layer is formed on the surface of the ceramic substrate between the copper plate and the ceramic substrate, and the Ag-Cu eutectic structure layer has a thickness of 15 μm or less. In this case, the ceramic substrate and the copper plate are bonded by inserting a layer of Ag and a nitride-forming element therebetween and heating them in a vacuum heating furnace while being pressurized in the lamination direction (pressure 1 to 35 kgf/cm 2 ). It is described that the pressure in the vacuum heating furnace is set in the range of 10 -6 Pa to 10 -3 Pa, and the heating temperature is set in the range of 790°C to 850°C.

特開2013-179263号公報JP 2013-179263 A

この特許文献1に開示のように、接合時の加熱炉内の真空度に関して、従来では、加熱炉に付属の真空度等により、到達真空度を確認している。この接合方法で初期には接合性を損なうことはないが、冷却環境と加熱環境とが繰り返されるような冷熱サイクル状態の負荷がかかると接合信頼性が悪くなる不具合が生じる。 As disclosed in Patent Document 1, conventionally, the degree of vacuum reached in the heating furnace during bonding is confirmed using the vacuum level attached to the heating furnace. This bonding method does not impair the bondability initially, but when subjected to a thermal cycle load in which the cooling and heating environments are repeatedly switched between, a problem occurs in which the reliability of the bond is reduced.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、接合条件を見直し、冷熱が繰り返される環境下でも良好な接合信頼性を得ることを目的とする。 The present invention was made in consideration of these circumstances, and aims to reexamine the bonding conditions and achieve good bonding reliability even in an environment where cooling and heating are repeated.

本発明の絶縁回路基板の製造方法は、セラミックス基板と銅又は銅合金からなる銅板とをろう材を介して積層し、その積層方向に加圧した状態で加熱炉内で加熱することにより前記セラミックス基板と前記銅板とを接合して前記セラミックス基板の表面に銅層を有する絶縁回路基板を製造する方法であって、600℃以上770℃以下の温度域における前記加熱炉内の真空度を1.0×10-2Pa以下にする。 The method for producing an insulated circuit board of the present invention is a method for producing an insulated circuit board having a copper layer on a surface of a ceramic substrate by laminating a ceramic substrate and a copper plate made of copper or a copper alloy with a brazing material interposed therebetween, and heating the ceramic substrate and the copper plate in a heating furnace while applying pressure in the lamination direction, and the degree of vacuum in the heating furnace in a temperature range of 600°C or higher and 770°C or lower is set to 1.0 x 10-2 Pa or lower.

セラミックス基板と銅板の接合であるので、接合時の接合温度は特許文献1に記載のものと同様、790℃以上850℃であり、そのときの真空度としては10-6Pa以上10-3Pa以下の範囲に設定されるが、この最高接合温度、最高真空度に到達するまでの間に、真空度が低下して所望の真空度が得られない場合がある。その真空度の低下(真空劣化)が、冷熱が繰り返される環境下での接合信頼性の低下の要因になっていると想定される。つまり、最高接合温度に到達するまでの特定の温度域において、加熱炉内にガスが発生し、そのガスの影響を受けるために真空劣化が生じているのであり、本発明者は、この真空劣化を抑制することで接合信頼性を向上できるとの認識の下、上記の発明とした。 Since the bonding is between a ceramic substrate and a copper plate, the bonding temperature during bonding is 790°C to 850°C, as described in Patent Document 1, and the degree of vacuum at that time is set in the range of 10-6 Pa to 10-3 Pa. However, the degree of vacuum may decrease and the desired degree of vacuum may not be obtained before the maximum bonding temperature and maximum degree of vacuum are reached. It is assumed that the decrease in the degree of vacuum (vacuum deterioration) is the cause of the deterioration of bonding reliability in an environment where cooling and heating are repeated. In other words, gas is generated in the heating furnace in a specific temperature range before the maximum bonding temperature is reached, and vacuum deterioration occurs due to the influence of the gas. The inventor of the present invention made the above-mentioned invention with the recognition that the bonding reliability can be improved by suppressing this vacuum deterioration.

すなわち、本発明は、最高接合温度、最高真空度の管理は行いつつ、ガスの発生を抑制して、昇温過程における真空度、具体的には、600℃以上770℃以下の温度域における真空度が1.0×10-2Pa以下となるように制御している。また、この温度域において加熱炉内に若干のガスが発生したとしても、真空度を1.0×10-2Pa以下を確保することにより、接合信頼性を高めることができる。 That is, the present invention controls the maximum bonding temperature and maximum degree of vacuum while suppressing gas generation, and controls the degree of vacuum during the temperature rise process, specifically, the degree of vacuum in the temperature range of 600° C. to 770° C. to be 1.0×10 −2 Pa or less. Even if a small amount of gas is generated in the heating furnace in this temperature range, by ensuring a degree of vacuum of 1.0×10 −2 Pa or less, bonding reliability can be improved.

この絶縁回路基板の製造方法において、四重極型質量分析計で測定される質量数が2以上200以下のイオン強度の合計に対するH,CO、COの各イオン強度の比率は、Hが20.3%以下、COが50.9%以下、COが4.0%以下であるとよい。 In this method for manufacturing an insulating circuit board, the ratio of the ion intensity of H2 , CO, and CO2 to the total ion intensity of mass numbers of 2 or more and 200 or less measured by a quadrupole mass spectrometer is preferably 20.3% or less for H2 , 50.9% or less for CO2, and 4.0% or less for CO2 .

これらのガスが所定量以上発生すると、それにより真空劣化が生じる。また、HやCOは銅表面の酸化膜を還元し、還元により発生するHOが接合材の成分を酸化させるなどの不具合を引き起こす。また溶融した接合材中に侵入してボイド発生の原因ともなる。そこで、これらガスの濃度を所定値以下に制御することにより、ガスの影響を抑制して、接合信頼性を高めることができる。 If these gases are generated in amounts greater than a certain level, they will cause vacuum deterioration. In addition, H2 and CO reduce the oxide film on the copper surface, and the H2O generated by the reduction will cause problems such as oxidizing the components of the joining material. They will also penetrate into the molten joining material and cause voids. Therefore, by controlling the concentrations of these gases to a certain level or less, the effects of the gases can be suppressed and the joining reliability can be improved.

本発明によれば、接合時の所定温度域における真空度を制御したことにより、冷熱が繰り返される環境下でも良好な接合信頼性を得ることができる。 According to the present invention, by controlling the degree of vacuum in a specified temperature range during bonding, good bonding reliability can be obtained even in an environment where cooling and heating are repeated.

本発明の製造方法によって製造される絶縁回路基板の例を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing an example of an insulating circuit board manufactured by the manufacturing method of the present invention. 図1の絶縁回路基板の接合前の積層体の層構造を示す断面図である。2 is a cross-sectional view showing a layer structure of a laminate before bonding of the insulating circuit board of FIG. 1. 図2の積層体を加圧する加圧治具を示す正面図である。FIG. 3 is a front view showing a pressing jig for pressing the laminate of FIG. 2 . 加圧治具に用いられる当て板を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing a backing plate used in the pressing jig. 試験装置の模式図である。FIG. 1 is a schematic diagram of a test apparatus. 接合工程時の温度とイオン強度及び真空度との関係を示すグラフである。1 is a graph showing the relationship between temperature, ion intensity, and vacuum degree during a bonding process.

以下、本発明の絶縁回路基板の製造方法の実施形態について説明する。
本実施形態の製造方法で製造された絶縁回路基板は、例えば電源回路に用いられるパワーモジュール用基板である。このパワーモジュール用基板10は、図1に示すように、セラミックス基板11と、そのセラミックス基板11の一方の面に形成された回路層12と、セラミックス基板11の他方の面に形成された放熱層13と、を有している。
Hereinafter, an embodiment of the method for producing an insulating circuit board of the present invention will be described.
The insulating circuit board manufactured by the manufacturing method of this embodiment is, for example, a power module substrate used in a power supply circuit. As shown in Figure 1, this power module substrate 10 has a ceramic substrate 11, a circuit layer 12 formed on one surface of the ceramic substrate 11, and a heat dissipation layer 13 formed on the other surface of the ceramic substrate 11.

セラミックス基板11は、回路層12と放熱層13との間の電気的接続を防止するものであって、窒化アルミニウム(AlN),窒化ケイ素(Si),酸化アルミニウム(Al)等を用いることができるが、そのうち、窒化ケイ素が高強度であるため、好適である。このセラミックス基板11の厚さは0.2mm以上1.5mm以下の範囲内に設定される。 The ceramic substrate 11 prevents electrical connection between the circuit layer 12 and the heat dissipation layer 13, and may be made of aluminum nitride (AlN), silicon nitride ( Si3N4 ), aluminum oxide ( Al2O3 ), etc., of which silicon nitride is preferred due to its high strength. The thickness of the ceramic substrate 11 is set within the range of 0.2 mm to 1.5 mm.

回路層12は、電気特性に優れる銅又は銅合金から構成される。また、放熱層13も銅又は銅合金から構成される。これら回路層12及び放熱層13としては、例えば、純度99.96質量%以上の無酸素銅の銅板がセラミックス基板11に例えば活性金属ろう材にてろう付け接合されることにより形成される。この回路層12及び放熱層13の厚さは0.1mm以上5mm以下の範囲内に設定される。 The circuit layer 12 is made of copper or a copper alloy, which has excellent electrical properties. The heat dissipation layer 13 is also made of copper or a copper alloy. The circuit layer 12 and heat dissipation layer 13 are formed, for example, by brazing a copper plate made of oxygen-free copper with a purity of 99.96% by mass or more to the ceramic substrate 11 with, for example, an active metal brazing material. The thickness of the circuit layer 12 and heat dissipation layer 13 is set within the range of 0.1 mm to 5 mm.

このように構成されるパワーモジュール用基板10は、図2に示すように、セラミックス基板11の両面にろう材21を介して銅板12´,13´を配置し、これらを積層する。ろう材21としては、Ag-Ti又はAg-Cu-Tiからなるろう材が用いられる。このろう材21は、箔の形態で供給してもよいし、スクリーン印刷法等によってセラミックス基板11にろう材のペーストを塗布することによって形成してもよい。 As shown in FIG. 2, the power module substrate 10 thus constructed is formed by laminating copper plates 12' and 13' on both sides of a ceramic substrate 11 with brazing material 21 between them. A brazing material made of Ag-Ti or Ag-Cu-Ti is used as the brazing material 21. This brazing material 21 may be supplied in the form of a foil, or may be formed by applying a brazing material paste to the ceramic substrate 11 by screen printing or the like.

これらろう材21を介して積層したセラミックス基板11と銅板12´,13´との積層体Sを加圧状態で加熱炉内に設置し、真空雰囲気下で接合温度に加熱した後冷却することにより、セラミックス基板11の一方の面に回路層12、他方の面に放熱層13を形成する。
この場合、加圧治具として例えば図3に示すものが用いられる。
この加圧治具110は、ベース板111と、ベース板111の上面の四隅等に垂直に取り付けられた複数のガイドポスト112と、これらガイドポスト112の上端部に固定された固定板113と、これらベース板111と固定板113との間で上下移動自在にガイドポスト112に支持された押圧板114と、固定板113と押圧板114との間に設けられて押圧板114を下方に付勢するばね等の付勢部材115とを備えている。
The laminate S of the ceramic substrate 11 and the copper plates 12', 13' laminated with the brazing material 21 interposed therebetween is placed in a heating furnace under pressure, heated to the joining temperature in a vacuum atmosphere, and then cooled to form a circuit layer 12 on one side of the ceramic substrate 11 and a heat dissipation layer 13 on the other side.
In this case, the pressing tool shown in FIG. 3, for example, is used.
This pressure application tool 110 comprises a base plate 111, a number of guide posts 112 attached vertically to the four corners of the upper surface of the base plate 111, a fixed plate 113 fixed to the upper ends of the guide posts 112, a pressure plate 114 supported by the guide posts 112 so as to be freely movable up and down between the base plate 111 and the fixed plate 113, and a biasing member 115 such as a spring provided between the fixed plate 113 and the pressure plate 114 to bias the pressure plate 114 downward.

ベース板111、固定板113、押圧板114及びガイドポスト112等は、炭素繊維を複合したカーボンコンポジット材により構成される。また、固定板113と押圧板114とは、ベース板111に対して平行に配置されており、ベース板111と押圧板114との間に積層体Sが配設される。
この場合、ベース板111及び押圧板114において、積層体Sと接する側に、加圧を均一にするための当て板30が配設される。
The base plate 111, the fixed plate 113, the pressure plate 114, the guide post 112, etc. are made of a carbon composite material that is a compound of carbon fiber. The fixed plate 113 and the pressure plate 114 are disposed parallel to the base plate 111, and the laminate S is disposed between the base plate 111 and the pressure plate 114.
In this case, a contact plate 30 is disposed on the side of the base plate 111 and the pressing plate 114 that contacts the laminate S to ensure uniform pressure.

当て板30は、図4に示すように、二枚のカーボンシート31の間にグラファイトシート32を挟んだ構造とされている。
カーボンシート31は、耐熱性を有する硬質のカーボン材料により平板状に形成され、3000℃程度の高温で焼成したものである。このカーボンシート31は、かさ密度が1.6Mg/m以上1.9Mg/m以下(1600kg/m以上1900kg/m以下)の比較的硬質で平滑な平面に構成される。例えば、旭グラファイト株式会社製G-347(熱伝導率:116W/mK、弾性率:10.8GPa)を用いることができる。
As shown in FIG. 4, the backing plate 30 has a structure in which a graphite sheet 32 is sandwiched between two carbon sheets 31 .
The carbon sheet 31 is formed into a flat plate shape from a heat-resistant hard carbon material and sintered at a high temperature of about 3000° C. This carbon sheet 31 is configured to have a relatively hard, smooth flat surface with a bulk density of 1.6 Mg/m 3 or more and 1.9 Mg/m 3 or less (1600 kg/m 3 or more and 1900 kg/m 3 or less). For example, G-347 (thermal conductivity: 116 W/mK, elastic modulus: 10.8 GPa) manufactured by Asahi Graphite Co., Ltd. can be used.

一方、グラファイトシート32は、クッション性を有する軟質のグラファイト材料により、鱗片状のグラファイト薄膜が雲母のように複数枚積層されて構成されたものであり、天然黒鉛を酸処理した後にシート状に成形してロール圧延してなるものである。このグラファイトシート32は、かさ密度が0.5Mg/m以上1.3Mg/m以下で軟質である。例えば旭グラファイト株式会社製T-5(熱伝導率:75.4W/mK、弾性率:11.4GPa)や、東洋炭素工業株式会社製黒鉛シートPF(圧縮率47%、復元率14%)などを用いることができる。
この当て板30を積層体Sの両端面に配置する際には、カーボンシート31が積層体Sの両端面に接触する。
On the other hand, the graphite sheet 32 is made of a soft graphite material having cushioning properties, and is formed by laminating a plurality of thin flake graphite films like mica, and is obtained by treating natural graphite with an acid, forming it into a sheet, and rolling it. The graphite sheet 32 is soft, with a bulk density of 0.5 Mg/ m3 or more and 1.3 Mg/ m3 or less. For example, T-5 (thermal conductivity: 75.4 W/mK, elastic modulus: 11.4 GPa) manufactured by Asahi Graphite Co., Ltd., graphite sheet PF (compressibility 47%, recovery rate 14%) manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd., or the like can be used.
When the contact plates 30 are disposed on both end surfaces of the laminate S, the carbon sheets 31 come into contact with both end surfaces of the laminate S.

そして、その積層体Sの両端面に当て板30を配置した状態で加圧治具110を用いて積層方向に加圧して、加圧治具110ごと真空雰囲気下で加熱する。
その接合条件としては、例えば0.1MPa以上3.5MPa以下の加圧力で積層体Sを加圧し、10-6Pa以上10-3Pa以下の真空雰囲気下で、例えば790℃以上850℃以下の最高接合温度で、1分~60分の加熱とする。
Then, with the backing plates 30 placed on both end surfaces of the laminate S, a pressure tool 110 is used to apply pressure in the lamination direction, and the entire laminate S including the pressure tool 110 is heated in a vacuum atmosphere.
The bonding conditions are, for example, pressing the laminate S with a pressure of 0.1 MPa to 3.5 MPa, heating in a vacuum atmosphere of 10 −6 Pa to 10 −3 Pa at a maximum bonding temperature of, for example, 790° C. to 850° C. for 1 to 60 minutes.

この加熱処理の際、加熱炉内を昇温する過程でろう材21からの脱媒等がなされるが、600℃以上770℃以下の温度域における加熱炉内の真空度を1.0×10-2Pa以下にすることが重要である。
最高接合温度、最高真空度に到達するまでの間に、加熱炉内には、その内部の構造物、例えば加圧治具110のカーボン等からH、CO、COなどのガスが発生する。これらのガスが発生することで真空劣化が生じ、所望の真空度が得られない場合があることから、600℃以上770℃以下の温度域において加熱炉内の真空度を1.0×10-2Pa以下とすることにより、発生ガスの影響を軽減する。
During this heat treatment, solvent is removed from the brazing material 21 as the temperature inside the heating furnace is increased, but it is important to maintain the degree of vacuum inside the heating furnace at 1.0×10 −2 Pa or less in the temperature range of 600° C. to 770° C.
During the time until the maximum bonding temperature and maximum degree of vacuum are reached, gases such as H2 , CO, and CO2 are generated in the heating furnace from the internal structures, such as carbon in the pressurizing jig 110. The generation of these gases causes vacuum deterioration and may prevent the desired degree of vacuum from being obtained, so the effect of the generated gases is reduced by setting the degree of vacuum in the heating furnace to 1.0 x 10-2 Pa or less in the temperature range of 600°C to 770°C.

例えば、銅板12´,13´の表面には一般に銅の酸化膜が形成されているが、H、COが存在すると、その酸化膜が還元され、それによりHOが生じ、これにより銅やろう材21に含まれている銀、チタン等が酸化されやすい状態になる。中でもチタンは酸化されやすく、銅の酸化膜の還元により生じたHOによって酸化されると、ろう材21中の銀周辺の分散剤起因の炭素に、酸化したチタンが吸着する。そのため、セラミックス基板(Si)11の接合に寄与するチタン量が減少し、窒化チタンの生成が阻害される。また、H、CO、COなどのガスの発生が多くなると、ろう材層に気泡がたまり、溶湯になっても抜けきれずにボイドとなって残存するおそれがある。これらが複合して作用することにより、接合信頼性が悪くなる。 For example, a copper oxide film is generally formed on the surface of the copper plates 12', 13', but when H2 or CO is present, the oxide film is reduced, which generates H2O , which makes the silver, titanium, etc. contained in the copper and brazing material 21 easily oxidized. Titanium is particularly susceptible to oxidation, and when it is oxidized by H2O generated by the reduction of the copper oxide film, the oxidized titanium is adsorbed to the carbon caused by the dispersant around the silver in the brazing material 21. Therefore, the amount of titanium that contributes to the bonding of the ceramic substrate ( Si3N4 ) 11 is reduced, and the generation of titanium nitride is inhibited. In addition, if gases such as H2 , CO, and CO2 are generated in large amounts, bubbles may accumulate in the brazing material layer, and even if it becomes molten, they may not be able to escape and may remain as voids. The combined action of these factors deteriorates the bonding reliability.

この実施形態では、600℃以上770℃以下の温度域における加熱炉内の真空度を1.0×10-2Pa以下に確実に制御するために、例えば、加圧治具110に用いられているカーボン類について、使用前に高温に加熱することにより、カーボンからのガスを予め放出させておくようにする。具体的には、加圧治具110を例えば770℃まで加熱する(これを空焼きという)。これにより、加圧治具110からガス成分が放出される。この場合、加圧治具110のすべての部材が空焼きされる。また、加圧治具110を加熱炉に入れて空焼きすると、加熱炉内の構造物(例えばカーボン製断熱材)も空焼きされ、ガスが放出される。 In this embodiment, in order to reliably control the degree of vacuum in the heating furnace to 1.0×10 −2 Pa or less in the temperature range of 600° C. to 770° C., for example, the carbon used in the pressurizing jig 110 is heated to a high temperature before use to release gas from the carbon in advance. Specifically, the pressurizing jig 110 is heated to, for example, 770° C. (this is called baking). This causes gas components to be released from the pressurizing jig 110. In this case, all the members of the pressurizing jig 110 are baked. Furthermore, when the pressurizing jig 110 is placed in a heating furnace and baked, the structures in the heating furnace (for example, carbon insulation) are also baked and gas is released.

そして、実際の接合に際しては、この空焼きを経た加圧治具110及び加熱炉を用いて積層体Sを加圧して加熱する。
これにより、予めガス分が放出されているため、加熱中にガス分の影響を受けることが少なくなり、600℃以上770℃以下の温度域において真空度を1.0×10-2Pa以下とすることができる。わずかにガスが発生したとしても、その影響を少なくして、真空度を1.0×10-2Pa以下に維持することができる。550℃以上700℃以下の温度域でその真空度とするとなおよい。
In actual bonding, the laminate S is pressurized and heated using the pressure jig 110 and heating furnace that have been subjected to the pre-baking.
As a result, since the gas has been released in advance, the influence of the gas during heating is reduced, and the degree of vacuum can be maintained at 1.0×10 −2 Pa or less in the temperature range of 600° C. to 770° C. Even if a small amount of gas is generated, the influence can be reduced and the degree of vacuum can be maintained at 1.0×10 −2 Pa or less. It is even better to maintain this degree of vacuum in the temperature range of 550° C. to 700° C.

このようにして600℃以上770℃以下の温度域における真空度を制御した状態で、790℃以上850℃以下の接合温度まで上昇するとともに、その最高温度における真空度を10-6Pa以上10-3Pa以下とし、その接合温度、真空度で1分~60分保持した後、冷却することにより、セラミックス基板12に銅板12´,13´が接合され、セラミックス基板11の両面に銅層(回路層12,放熱層13)を形成した絶縁回路基板10が形成される。
この絶縁回路基板10は、その接合工程でガスの影響が低減されているので、接合信頼性が高く、接合初期だけでなく、長期に安定した接合性を有することができる。
なお、加圧治具110は、複数回使用することが可能であるが、使用のたびに空焼き工程を実施してから用いるとよい。
In this manner, while controlling the degree of vacuum in the temperature range of 600°C or more and 770°C or less, the temperature is raised to a bonding temperature of 790°C or more and 850°C or less, and the degree of vacuum at the maximum temperature is set to 10-6 Pa or more and 10-3 Pa or less. After maintaining this bonding temperature and degree of vacuum for 1 to 60 minutes, the substrate is cooled, whereby copper plates 12', 13' are bonded to ceramic substrate 12, and insulating circuit substrate 10 is formed in which copper layers (circuit layer 12, heat dissipation layer 13) are formed on both sides of ceramic substrate 11.
This insulating circuit board 10 has a reduced effect of gas during the bonding process, and therefore has high bonding reliability and can maintain stable bonding not only at the initial stage but also over the long term.
The pressing jig 110 can be used multiple times, but it is advisable to carry out a baking step before each use.

本発明は、上記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、細部構成においては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
加圧治具110を加熱炉内で空焼きすることとしたが、これに加えて、加熱炉内でのカーボン製部品の使用を制限することも有効である。例えば、加熱炉内の断熱材を金属製に変えるなどにより、加熱炉内のカーボン製部品を少なくする。
また、実施形態では絶縁回路基板としてパワーモジュール用基板10を説明したが、パワーモジュール用基板以外の絶縁回路基板にも適用可能である。
The present invention is not limited to the configuration of the above embodiment, and various changes can be made to the details of the configuration without departing from the spirit of the present invention.
In addition to the above, it is effective to limit the use of carbon parts in the heating furnace by, for example, changing the heat insulating material in the heating furnace to a metal one, thereby reducing the number of carbon parts in the heating furnace.
Further, in the embodiment, the power module substrate 10 has been described as an insulating circuit substrate, but the present invention is also applicable to insulating circuit substrates other than power module substrates.

Siからなるセラミックス基板(40mm×40mm×0.32mmt)の一方の面に、純度99.99質量%以上の無酸素銅(OFC)からなる銅板(37mm×37mm×0.3mmt)をAg-8.8質量%Tiからなるろう材ペーストを介して積層し、実施形態で説明した加圧治具により1.5MPaの加圧力で積層体を加圧し、10-5Pa以下の真空雰囲気下で約825℃の接合温度に30分加熱した後、冷却して絶縁回路基板を作製した。このとき、加熱炉内の断熱材として、金属製、カーボン製の2種類用意し、また、カーボン製断熱材については事前に空焼きしたものと空焼きしなかったものとを用いた。加圧治具についても、空焼きしたものと空焼きしなかったものとの二種類使用した。 A copper plate (37 mm x 37 mm x 0.3 mm) made of oxygen-free copper (OFC) with a purity of 99.99% by mass or more was laminated on one side of a ceramic substrate ( 40 mm x 40 mm x 0.32 mmt) made of Si 3 N 4 via a brazing paste made of Ag-8.8% by mass Ti, and the laminate was pressed with a pressure of 1.5 MPa using the pressing tool described in the embodiment, heated to a bonding temperature of about 825 ° C. for 30 minutes in a vacuum atmosphere of 10 -5 Pa or less, and then cooled to produce an insulating circuit board. At this time, two types of insulating materials were prepared for the heating furnace, one made of metal and one made of carbon, and the carbon insulating materials were used, one that had been pre-baked and one that had not been pre-baked. Two types of pressing tools were also used, one that had been pre-baked and one that had not been pre-baked.

また、600℃以上770℃以下の温度域における最高真空度、及び最高接合温度とその温度における真空度をそれぞれ測定した。
また、600℃以上770℃以下の温度域において、加熱炉内のH濃度、CO濃度、CO濃度を測定した。測定に際しては、図5に試験装置を示したように、加熱炉51のポート52に株式会社アルバック製四重極型質量分析計53(Qulee with YTP 型式BGM-202)を接続し、ポート52をターボ分子ポンプ54で真空引きしながら、加熱炉51内のガス成分を分析した。真空度はポート52に接続したペニングゲージ55(大亜真空株式会社製CT-3DA)で測定した。この場合、加熱炉51には真空引き配管56に油拡散ポンプ57が設けられており、ガス分析のためのポート52は油拡散ポンプ57の反対側に設置される。
Further, the maximum degree of vacuum in the temperature range of 600° C. to 770° C., the maximum bonding temperature, and the degree of vacuum at that temperature were each measured.
In addition, the H 2 concentration, CO concentration, and CO 2 concentration in the heating furnace were measured in the temperature range of 600 ° C. or more and 770 ° C. or less. In the measurement, as shown in FIG. 5, a quadrupole mass spectrometer 53 (Qulee with YTP model BGM-202) manufactured by ULVAC, Inc. was connected to the port 52 of the heating furnace 51, and the gas components in the heating furnace 51 were analyzed while the port 52 was evacuated with a turbo molecular pump 54. The degree of vacuum was measured with a Penning gauge 55 (CT-3DA manufactured by Daia Vacuum Co., Ltd.) connected to the port 52. In this case, an oil diffusion pump 57 is provided in the vacuum piping 56 of the heating furnace 51, and the port 52 for gas analysis is installed on the opposite side of the oil diffusion pump 57.

そして、四重極型質量分析計53によりイオン強度を10秒ごとに測定し、加熱炉51内のガス成分のイオン強度比を算出した。四重極型質量分析計53によりイオン強度を測定される質量数が2以上200以下のイオン強度の合計に対するH,CO,COの各イオン強度の比率(各イオン強度/質量数が2以上200以下の全イオン強度の合計×100)で算出した。600℃以上770℃以下の温度域での最大値を表1に示す。 The ion intensity was measured every 10 seconds by the quadrupole mass spectrometer 53, and the ion intensity ratio of the gas components in the heating furnace 51 was calculated. The ratio of each ion intensity of H2 , CO, and CO2 to the total ion intensity of the mass numbers of 2 to 200 measured by the quadrupole mass spectrometer 53 (each ion intensity/total ion intensity of the mass numbers of 2 to 200 x 100) was calculated. The maximum values in the temperature range of 600°C to 770°C are shown in Table 1.

そして、接合された絶縁回路基板について、-40℃~150℃、2000サイクルの条件で冷熱サイクル試験を行い、試験後の絶縁回路基板のセラミックス基板と銅層との接合面を超音波探傷し、その超音波探傷像を二値化処理して、剥離部分を除く接合された面積を求め、これを接合すべき界面の面積で割ることにより、接合率を求めた。
これらの結果を表1に示す。
The bonded insulating circuit board was then subjected to a thermal cycle test at -40°C to 150°C for 2000 cycles. After the test, the bonding surface between the ceramic substrate and the copper layer of the insulating circuit board was subjected to ultrasonic testing. The ultrasonic testing image was then binarized to determine the bonded area excluding the peeled portion. The bonding rate was calculated by dividing the bonded area by the area of the interface to be bonded.
The results are shown in Table 1.

Figure 0007655046000001
Figure 0007655046000001

表1に示すように、加熱炉の昇温過程において、600℃以上770℃以下の温度域で1.0×10-2Pa以下の真空度に制御した実施例1及び2は、接合直後だけでなく、冷熱サイクル負荷の後でも接合率の低下が少なく、優れた接合信頼性を維持していた。この場合、加圧治具の空焼きとともに加熱炉内の断熱材を金属に変える、あるいはカーボン製断熱材を空焼きすることが有効であることがわかる。 As shown in Table 1, in Examples 1 and 2 in which the degree of vacuum was controlled to 1.0× 10-2 Pa or less in the temperature range of 600°C to 770°C during the heating furnace temperature rise process, there was little decrease in the bonding rate not only immediately after bonding but also after a thermal cycle load, and excellent bonding reliability was maintained. In this case, it is found that it is effective to change the insulating material in the heating furnace to metal or to bake the carbon insulating material in the air in addition to baking the pressure jig.

図6は、実施例1における加熱炉内温度と真空度及び各ガス成分のイオン強度の推移を示すグラフであり、左縦軸がイオン強度(A)、右縦軸が真空度(Pa)、横軸が温度(℃)である。また、ペニングゲージの圧力値の変遷も同時に示している。
この図6からわかるように、770℃までの間に各ガス成分のイオン強度が高くなっており、加熱炉51内にガスが放出されているが、そのときの真空度は1.0×10-2Pa以下である。
6 is a graph showing the transition of the temperature and degree of vacuum in the heating furnace and the ion intensity of each gas component in Example 1, where the left vertical axis is the ion intensity (A), the right vertical axis is the degree of vacuum (Pa), and the horizontal axis is the temperature (° C.) Also shown is the transition of the pressure value of the Penning gauge.
As can be seen from FIG. 6, the ionic strength of each gas component increases up to 770° C., and the gas is released into the heating furnace 51, but the degree of vacuum at that time is 1.0×10 −2 Pa or less.

これに対して、600℃以上770℃以下の温度域での真空劣化が大きく、1.0×10-2Paを超える真空度であった比較例1及び2は、接合初期の接合信頼性には優れるものの、冷熱サイクル負荷の後には接合率が低下し、接合信頼性に劣っている。この場合、加熱炉内のカーボン製断熱材を空焼きしても、加圧治具を空焼きすることなく使用すると、真空劣化して、冷熱サイクル後の接合信頼性が悪化する。 In contrast, vacuum degradation was large in the temperature range of 600°C to 770°C, and Comparative Examples 1 and 2, in which the degree of vacuum exceeded 1.0 x 10-2 Pa, showed excellent bonding reliability at the initial stage of bonding, but the bonding rate decreased after thermal cycle loading, resulting in poor bonding reliability. In this case, even if the carbon insulation material in the heating furnace is pre-baked, if the pressure jig is used without pre-baking, vacuum degradation will occur and bonding reliability after thermal cycles will deteriorate.

10 パワーモジュール用基板(絶縁回路基板)
11 セラミックス基板
12 回路層(銅層)
13 放熱層(銅層)
12´,13´ 銅板
21,22 ろう材層
30 当て板
31 カーボンシート
32 グラファイトシート
51 加熱炉
52 ポート
53 四重極型質量分析計
54 ターボ分子ポンプ54
55 ペニングゲージ
56 真空引き配管
57 油拡散ポンプ
110 加圧治具
111 ベース板
112 ガイドポスト
113 固定板
114 押圧板
115 付勢部材
10 Power module substrate (insulated circuit substrate)
11 Ceramic substrate 12 Circuit layer (copper layer)
13 Heat dissipation layer (copper layer)
12', 13' Copper plates 21, 22 Brazing material layer 30 Backing plate 31 Carbon sheet 32 Graphite sheet 51 Heating furnace 52 Port 53 Quadrupole mass spectrometer 54 Turbo molecular pump 54
55 Penning gauge 56 Vacuum piping 57 Oil diffusion pump 110 Pressurizing jig 111 Base plate 112 Guide post 113 Fixing plate 114 Pressing plate 115 Pressing member

Claims (3)

セラミックス基板と銅又は銅合金からなる銅板とをろう材を介して積層し、その積層方向に加圧治具で加圧した状態で加熱炉内で加熱することにより前記セラミックス基板と前記銅板とを接合して前記セラミックス基板の表面に銅層を有する絶縁回路基板を製造する方法であって、600℃以上770℃以下の温度域における前記加熱炉内の真空度を1.0×10-2Pa以下にし、その後、10 -6 Pa以上10 -3 Pa以下の真空雰囲気下で790℃以上850℃以下の最高接合温度に加熱することを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。 A method for producing an insulated circuit board having a copper layer on a surface of the ceramic board, comprising stacking a ceramic board and a copper plate made of copper or a copper alloy with a brazing material interposed therebetween, and heating the ceramic board and the copper plate in a heating furnace while applying pressure in the stacking direction with a pressure jig to bond the two together, the method comprising the steps of: setting the degree of vacuum in the heating furnace to 1.0 x 10-2 Pa or less in a temperature range of 600°C to 770°C , and then heating to a maximum bonding temperature of 790°C to 850°C in a vacuum atmosphere of 10-6 Pa to 10-3 Pa . 前記温度域において、四重極型質量分析計で測定される、質量数が2以上200以下のイオン強度の合計に対するH,CO、COの各イオン強度の比率は、Hが20.3%以下、COが50.9%以下、COが4.0%以下であることを特徴とする請求項1に記載の絶縁回路基板の製造方法。 2. The method for producing an insulating circuit board according to claim 1, characterized in that in the temperature range, the ratios of the ion intensities of H2 , CO, and CO2 to the total ion intensities having mass numbers of 2 or more and 200 or less, as measured by a quadrupole mass spectrometer, are 20.3% or less for H2 , 50.9% or less for CO2, and 4.0% or less for CO2 . 前記加圧治具は、予め加熱してガスを放出させたカーボンを含むことを特徴とする請求項1に記載の絶縁回路基板の製造方法。2. The method for producing an insulating circuit board according to claim 1, wherein the pressing tool contains carbon that has been heated in advance to release gas.
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