JP7725907B2 - Copper/ceramic bonded body and insulated circuit board - Google Patents
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Description
この発明は、銅又は銅合金からなる銅部材と、セラミックス部材とが接合されてなる銅/セラミックス接合体、および、セラミックス基板の表面に、銅又は銅合金からなる銅板が接合されてなる絶縁回路基板に関するものである。 This invention relates to a copper/ceramic bonded body formed by bonding a copper member made of copper or a copper alloy to a ceramic member, and to an insulated circuit board formed by bonding a copper plate made of copper or a copper alloy to the surface of a ceramic substrate.
パワーモジュール、LEDモジュールおよび熱電モジュールにおいては、絶縁層の一方の面に導電材料からなる回路層を形成した絶縁回路基板に、パワー半導体素子、LED素子および熱電素子が接合された構造とされている。
例えば、風力発電、電気自動車、ハイブリッド自動車等を制御するために用いられる大電力制御用のパワー半導体素子は、動作時の発熱量が多いことから、これを搭載する基板としては、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導電性の優れた金属板を接合して形成した回路層と、セラミックス基板の他方の面に金属板を接合して形成した放熱用の金属層と、を備えた絶縁回路基板が、従来から広く用いられている。
In the power module, LED module, and thermoelectric module, a power semiconductor element, an LED element, and a thermoelectric element are bonded to an insulating circuit board having a circuit layer made of a conductive material formed on one surface of an insulating layer.
For example, power semiconductor elements for controlling large amounts of electric power used to control wind power generation, electric vehicles, hybrid vehicles, etc. generate a large amount of heat during operation. Therefore, as the substrate on which these elements are mounted, an insulated circuit board has been widely used that includes a ceramic substrate, a circuit layer formed by bonding a metal plate with excellent conductivity to one surface of the ceramic substrate, and a metal layer for heat dissipation formed by bonding a metal plate to the other surface of the ceramic substrate.
例えば、特許文献1には、セラミックス基板の一方の面および他方の面に、銅板を接合することにより回路層および金属層を形成した絶縁回路基板が提案されている。この特許文献1においては、セラミックス基板の一方の面および他方の面に、Ag-Cu-Ti系ろう材を介在させて銅板を配置し、加熱処理を行うことにより銅板が接合されている(いわゆる活性金属ろう付け法)。 For example, Patent Document 1 proposes an insulated circuit board in which a circuit layer and a metal layer are formed by bonding copper plates to one side and the other side of a ceramic substrate. In Patent Document 1, copper plates are placed on one side and the other side of the ceramic substrate with an Ag-Cu-Ti brazing material interposed between them, and the copper plates are bonded by heat treatment (the so-called active metal brazing method).
また、特許文献2においては、銅又は銅合金からなる銅板と、AlN又はAl2O3からなるセラミックス基板とが、AgおよびTiを含む接合材を用いて接合されたパワーモジュール用基板が提案されている。
さらに、特許文献3には、銅又は銅合金からなる銅板と、窒化ケイ素からなるセラミックス基板とが、AgおよびTiを含む接合材を用いて接合されたパワーモジュール用基板が提案されている。
前述のように、Tiを含む接合材を用いて銅板とセラミックス基板とを接合した場合には、活性金属であるTiがセラミックス基板と反応することにより、接合材の濡れ性が向上し、銅板とセラミックス基板との接合強度が向上することになる。
Furthermore, Patent Document 2 proposes a power module substrate in which a copper plate made of copper or a copper alloy and a ceramic substrate made of AlN or Al 2 O 3 are bonded together using a bonding material containing Ag and Ti.
Furthermore, Patent Document 3 proposes a power module substrate in which a copper plate made of copper or a copper alloy and a ceramic substrate made of silicon nitride are bonded together using a bonding material containing Ag and Ti.
As described above, when a copper plate and a ceramic substrate are joined using a bonding material containing Ti, Ti, which is an active metal, reacts with the ceramic substrate, improving the wettability of the bonding material and increasing the bonding strength between the copper plate and the ceramic substrate.
ところで、最近では、絶縁回路基板に搭載される半導体素子の発熱温度が高くなる傾向にあり、絶縁回路基板には、従来にも増して、厳しい冷熱サイクルに耐えることができる冷熱サイクル信頼性が求められている。
ここで、前述のように、Tiを含む接合材を用いて銅板とセラミックス基板とを接合した場合には、銅板側に活性金属であるTiが拡散し、CuとTiを含む金属間化合物が析出することで、接合界面近傍が硬くなり、冷熱サイクル負荷時にセラミックス部材に割れが生じ、冷熱サイクル信頼性が低下するおそれがあった。
Recently, there has been a trend toward higher heat generation temperatures from semiconductor elements mounted on insulated circuit boards, and insulated circuit boards are being required to have higher thermal cycle reliability than ever before, so that they can withstand severe thermal cycles.
Here, as mentioned above, when a copper plate and a ceramic substrate are joined using a joining material containing Ti, Ti, which is an active metal, diffuses to the copper plate side, and an intermetallic compound containing Cu and Ti precipitates, which hardens the vicinity of the joining interface, causing cracks in the ceramic member when subjected to thermal cycling, which could reduce thermal cycling reliability.
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、厳しい冷熱サイクルを負荷した場合であっても、セラミックス部材における割れの発生を抑制でき、冷熱サイクル信頼性に優れた銅/セラミックス接合体、および、この銅/セラミックス接合体からなる絶縁回路基板を提供することを目的とする。 This invention was made in consideration of the above-mentioned circumstances, and aims to provide a copper/ceramic bonded body that can suppress the occurrence of cracks in the ceramic member even when subjected to severe thermal cycling and has excellent thermal cycling reliability, as well as an insulated circuit board made of this copper/ceramic bonded body.
前述の課題を解決するために、本発明者らが鋭意検討した結果、セラミックス部材と銅部材とを、Agおよび活性金属を含む接合材を用いて接合した際には、接合界面に形成される接合層には、Ag濃度が高いAg濃化相と活性金属を含む活性金属含有析出物とが存在し、活性金属含有析出物による析出硬化によって接合界面が硬くなることが分かった。このため、活性金属含有析出物の存在量を適正化することで、冷熱サイクル負荷時のセラミックス部材の割れの発生を抑制可能となるとの知見を得た。 As a result of extensive research conducted by the inventors to solve the aforementioned problems, they discovered that when a ceramic member and a copper member are joined using a joining material containing Ag and an active metal, the joining layer formed at the joining interface contains an Ag-enriched phase with a high Ag concentration and active-metal-containing precipitates containing the active metal, and that the joining interface hardens due to precipitation hardening caused by the active-metal-containing precipitates. Therefore, they discovered that by optimizing the amount of active-metal-containing precipitates present, it is possible to suppress the occurrence of cracks in ceramic members when subjected to thermal cycles.
本発明は、前述の知見を基になされたものであって、本発明の銅/セラミックス接合体は、銅又は銅合金からなる銅部材と、セラミックス部材とが接合されてなる銅/セラミックス接合体であって、前記セラミックス部材と前記銅部材との接合界面において、前記セラミックス部材側には活性金属化合物層が形成されており、前記セラミックス部材と前記銅部材との積層方向に沿った断面における接合界面の幅方向に200μmおよび前記活性金属化合物層の表面から前記銅部材側へ10μmの視野において、活性金属含有析出物の面積Aが360μm2以下とされるとともに、前記活性金属含有析出物の面積Aと、Ag濃度が10原子%以上であるAg濃化相の面積Bとの比A/Bが0.03以上0.8以下の範囲内とされていることを特徴としている。 The present invention has been made based on the above-mentioned findings, and the copper/ceramic joined body of the present invention is a copper/ceramic joined body obtained by joining a copper member made of copper or a copper alloy to a ceramic member, wherein an active metal compound layer is formed on the ceramic member side at the joining interface between the ceramic member and the copper member, and an area A of active metal-containing precipitates is 360 μm2 or less within a field of view of 200 μm in the width direction of the joining interface in a cross section along the lamination direction of the ceramic member and the copper member and 10 μm from the surface of the active metal compound layer toward the copper member, and a ratio A/B of the area A of the active metal-containing precipitates to an area B of an Ag-enriched phase having an Ag concentration of 10 atomic % or more is within a range of 0.03 to 0.8.
本発明の銅/セラミックス接合体によれば、前記セラミックス部材と前記銅部材との積層方向に沿った断面における接合界面の幅方向に200μmおよび前記活性金属化合物層の表面から前記銅部材側へ10μmの視野において、活性金属含有析出物の面積Aと、Ag濃度が10原子%以上であるAg濃化相の面積Bとの比A/Bが0.03以上とされているので、活性金属が十分に反応しており、セラミックス部材と銅部材とが強固に接合されている。
また、活性金属含有析出物の面積Aが360μm2以下とされるとともに、前記活性金属含有析出物の面積Aと、Ag濃度が10原子%以上であるAg濃化相の面積Bとの比A/Bが0.8以下とされているので、接合界面が硬くなることを抑制でき、冷熱サイクル負荷時のセラミックス部材の割れの発生を抑制することができる。
In the copper/ceramic joined body of the present invention, within a field of view of 200 μm in the width direction of the joining interface in a cross section taken along the lamination direction of the ceramic member and the copper member and 10 μm from the surface of the active metal compound layer toward the copper member, the ratio A/B of the area A of the active metal-containing precipitates to the area B of the Ag-enriched phase having an Ag concentration of 10 atomic % or more is 0.03 or more. This ensures that the active metal reacts sufficiently, and the ceramic member and the copper member are firmly joined together.
Furthermore, the area A of the active metal-containing precipitate is set to 360 μm2 or less, and the ratio A/B of the area A of the active metal-containing precipitate to the area B of the Ag-enriched phase having an Ag concentration of 10 atomic % or more is set to 0.8 or less. This makes it possible to prevent the bonding interface from becoming hard, and to prevent the ceramic members from cracking when subjected to thermal cycles.
ここで、本発明の銅/セラミックス接合体においては、前記活性金属化合物層の厚さt1が0.05μm以上1.2μm以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、前記活性金属化合物層の厚さt1が0.05μm以上1.2μm以下の範囲内とされているので、活性金属によってセラミックス部材と銅部材とが確実に強固に接合されているとともに、接合界面が硬くなることがさらに抑制される。
In the copper/ceramic bonded body of the present invention, the thickness t1 of the active metal compound layer is preferably in the range of 0.05 μm to 1.2 μm.
In this case, the thickness t1 of the active metal compound layer is set within the range of 0.05 μm or more and 1.2 μm or less, so that the active metal reliably and firmly bonds the ceramic member and the copper member, and hardening of the bonding interface is further suppressed.
また、本発明の銅/セラミックス接合体においては、前記セラミックス部材と前記銅部材との接合界面において、前記銅部材側にはAg-Cu合金層が形成されており、前記Ag-Cu合金層の厚さt2が1μm以上30μm以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、接合材のAgが銅部材と十分に反応してセラミックス部材と銅部材とが確実に強固に接合されているとともに、接合界面が硬くなることがさらに抑制される。
In the copper/ceramic joined body of the present invention, it is preferable that an Ag—Cu alloy layer is formed on the copper member side at the joining interface between the ceramic member and the copper member, and that the Ag—Cu alloy layer has a thickness t2 in the range of 1 μm to 30 μm.
In this case, Ag of the bonding material reacts sufficiently with the copper member to reliably and firmly bond the ceramic member and the copper member, and hardening of the bonding interface is further suppressed.
本発明の絶縁回路基板は、セラミックス基板の表面に、銅又は銅合金からなる銅板が接合されてなる絶縁回路基板であって、前記セラミックス基板と前記銅板との接合界面において、前記セラミックス基板側には活性金属化合物層が形成されており、前記セラミックス基板と前記銅板との積層方向に沿った断面における接合界面の幅方向に200μmおよび前記活性金属化合物層の表面から前記銅板側へ10μmの視野において、活性金属含有析出物の面積Aが360μm2以下とされるとともに、前記活性金属含有析出物の面積Aと、Ag濃度が10原子%以上であるAg濃化相の面積Bとの比A/Bが0.03以上0.8以下の範囲内とされていることを特徴としている。 The insulated circuit board of the present invention is an insulated circuit board obtained by bonding a copper plate made of copper or a copper alloy to the surface of a ceramic substrate, wherein an active metal compound layer is formed on the ceramic substrate side at the bonding interface between the ceramic substrate and the copper plate, and the area A of active metal-containing precipitates is 360 μm2 or less within a field of view of 200 μm in the width direction of the bonding interface in a cross section along the lamination direction of the ceramic substrate and the copper plate and 10 μm from the surface of the active metal compound layer toward the copper plate, and the ratio A/B of the area A of the active metal-containing precipitates to the area B of an Ag-enriched phase having an Ag concentration of 10 atomic % or more is within a range of 0.03 to 0.8.
本発明の絶縁回路基板によれば、前記セラミックス基板と前記銅板との積層方向に沿った断面における接合界面の幅方向に200μmおよび前記活性金属化合物層の表面から前記銅部材側へ10μmの視野において、活性金属含有析出物の面積Aと、Ag濃度が10原子%以上であるAg濃化相の面積Bとの比A/Bが0.03以上とされているので、活性金属が十分に反応しており、セラミックス基板と銅板とが強固に接合されている。
また、活性金属含有析出物の面積Aが360μm2以下とされるとともに、前記活性金属含有析出物の面積Aと、Ag濃度が10原子%以上であるAg濃化相の面積Bとの比A/Bが0.8以下とされているので、接合界面が硬くなることを抑制でき、冷熱サイクル負荷時のセラミックス基板の割れの発生を抑制することができる。
According to the insulating circuit board of the present invention, within a field of view of 200 μm in the width direction of the bonding interface in a cross section along the lamination direction of the ceramic substrate and the copper plate and 10 μm from the surface of the active metal compound layer toward the copper member, the ratio A/B of the area A of the active metal-containing precipitates to the area B of the Ag-enriched phase having an Ag concentration of 10 atomic % or more is 0.03 or more, so that the active metal has reacted sufficiently and the ceramic substrate and the copper plate are firmly bonded together.
Furthermore, the area A of the active metal-containing precipitate is set to 360 μm2 or less, and the ratio A/B of the area A of the active metal-containing precipitate to the area B of the Ag-enriched phase having an Ag concentration of 10 atomic % or more is set to 0.8 or less. This makes it possible to prevent the bonding interface from becoming hard, and to prevent the ceramic substrate from cracking when subjected to thermal cycles.
ここで、本発明の絶縁回路基板においては、前記活性金属化合物層の厚さt1が0.05μm以上1.2μm以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、前記活性金属化合物層の厚さt1が0.05μm以上1.2μm以下の範囲内とされているので、活性金属によってセラミックス基板と銅板とが確実に強固に接合されているとともに、接合界面が硬くなることがさらに抑制される。
In the insulating circuit board of the present invention, the thickness t1 of the active metal compound layer is preferably within the range of 0.05 μm to 1.2 μm.
In this case, the thickness t1 of the active metal compound layer is set within the range of 0.05 μm or more and 1.2 μm or less, so that the active metal reliably and firmly bonds the ceramic substrate and the copper plate, and further prevents the bonding interface from hardening.
また、本発明の絶縁回路基板においては、前記セラミックス基板と前記銅板との接合界面において、前記銅板側にはAg-Cu合金層が形成されており、前記Ag-Cu合金層の厚さt2が1μm以上30μm以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、接合材のAgが銅板と十分に反応してセラミックス基板と銅板とが確実に強固に接合されているとともに、接合界面が硬くなることがさらに抑制される。
In addition, in the insulating circuit board of the present invention, it is preferable that an Ag-Cu alloy layer is formed on the copper plate side at the bonding interface between the ceramic substrate and the copper plate, and that the thickness t2 of the Ag-Cu alloy layer is in the range of 1 μm or more and 30 μm or less.
In this case, Ag in the bonding material reacts sufficiently with the copper plate to reliably and firmly bond the ceramic substrate and the copper plate, and hardening of the bonding interface is further suppressed.
本発明によれば、厳しい冷熱サイクルを負荷した場合であっても、セラミックス部材における割れの発生を抑制でき、冷熱サイクル信頼性に優れた銅/セラミックス接合体、および、この銅/セラミックス接合体からなる絶縁回路基板を提供することができる。 The present invention provides a copper/ceramic bonded body that can suppress the occurrence of cracks in ceramic members even when subjected to severe thermal cycles, and has excellent thermal cycle reliability, as well as an insulated circuit board made of this copper/ceramic bonded body.
以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。
本実施形態に係る銅/セラミックス接合体は、セラミックスからなるセラミックス部材としてのセラミックス基板11と、銅又は銅合金からなる銅部材としての銅板42(回路層12)および銅板43(金属層13)とが接合されてなる絶縁回路基板10である。図1に、本実施形態である絶縁回路基板10を備えたパワーモジュール1を示す。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
The copper/ceramic joined body according to this embodiment is an insulating circuit board 10 formed by joining a ceramic substrate 11 as a ceramic member made of ceramic to a copper plate 42 (circuit layer 12) and a copper plate 43 (metal layer 13) as copper members made of copper or a copper alloy. Fig. 1 shows a power module 1 including the insulating circuit board 10 according to this embodiment.
このパワーモジュール1は、回路層12および金属層13が配設された絶縁回路基板10と、回路層12の一方の面(図1において上面)に接合層2を介して接合された半導体素子3と、金属層13の他方側(図1において下側)に配置されたヒートシンク5と、を備えている。 This power module 1 includes an insulated circuit board 10 on which a circuit layer 12 and a metal layer 13 are arranged, a semiconductor element 3 bonded to one surface of the circuit layer 12 (the upper surface in Figure 1) via a bonding layer 2, and a heat sink 5 arranged on the other side of the metal layer 13 (the lower side in Figure 1).
半導体素子3は、Si等の半導体材料で構成されている。この半導体素子3と回路層12は、接合層2を介して接合されている。
接合層2は、例えばSn-Ag系、Sn-In系、若しくはSn-Ag-Cu系のはんだ材で構成されている。
The semiconductor element 3 is made of a semiconductor material such as Si. The semiconductor element 3 and the circuit layer 12 are bonded together via the bonding layer 2.
The bonding layer 2 is made of, for example, a Sn--Ag based, Sn--In based, or Sn--Ag--Cu based solder material.
ヒートシンク5は、前述の絶縁回路基板10からの熱を放散するためのものである。このヒートシンク5は、銅又は銅合金で構成されており、本実施形態ではりん脱酸銅で構成されている。このヒートシンク5には、冷却用の流体が流れるための流路が設けられている。
なお、本実施形態においては、ヒートシンク5と金属層13とが、はんだ材からなるはんだ層7によって接合されている。このはんだ層7は、例えばSn-Ag系、Sn-In系、若しくはSn-Ag-Cu系のはんだ材で構成されている。
The heat sink 5 is used to dissipate heat from the insulating circuit board 10. The heat sink 5 is made of copper or a copper alloy, and in this embodiment, is made of phosphorus-deoxidized copper. The heat sink 5 is provided with a flow path for a cooling fluid to flow.
In this embodiment, the heat sink 5 and the metal layer 13 are joined together by a solder layer 7 made of a solder material. The solder layer 7 is made of, for example, a Sn—Ag-based, Sn—In-based, or Sn—Ag—Cu-based solder material.
そして、本実施形態である絶縁回路基板10は、図1に示すように、セラミックス基板11と、このセラミックス基板11の一方の面(図1において上面)に配設された回路層12と、セラミックス基板11の他方の面(図1において下面)に配設された金属層13と、を備えている。 As shown in FIG. 1, the insulating circuit board 10 of this embodiment comprises a ceramic substrate 11, a circuit layer 12 disposed on one surface (the upper surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11, and a metal layer 13 disposed on the other surface (the lower surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11.
セラミックス基板11は、絶縁性および放熱性に優れた窒化ケイ素(Si3N4)、窒化アルミニウム(AlN)、アルミナ(Al2O3)等のセラミックスで構成されている。本実施形態では、セラミックス基板11は、特に放熱性の優れた窒化アルミニウム(AlN)で構成されている。また、セラミックス基板11の厚さは、例えば、0.2mm以上1.5mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、0.635mmに設定されている。 The ceramic substrate 11 is made of a ceramic such as silicon nitride ( Si3N4 ), aluminum nitride (AlN), or alumina ( Al2O3 ), which has excellent insulating and heat dissipation properties. In this embodiment, the ceramic substrate 11 is made of aluminum nitride (AlN), which has particularly excellent heat dissipation properties. The thickness of the ceramic substrate 11 is set, for example, within a range of 0.2 mm to 1.5 mm, and in this embodiment, it is set to 0.635 mm.
回路層12は、図4に示すように、セラミックス基板11の一方の面(図4において上面)に、銅又は銅合金からなる銅板42が接合されることにより形成されている。
本実施形態においては、回路層12は、無酸素銅の圧延板がセラミックス基板11に接合されることで形成されている。
なお、回路層12となる銅板42の厚さは0.1mm以上2.0mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、0.6mmに設定されている。
As shown in FIG. 4, the circuit layer 12 is formed by joining a copper plate 42 made of copper or a copper alloy to one surface (the upper surface in FIG. 4) of the ceramic substrate 11 .
In this embodiment, the circuit layer 12 is formed by bonding a rolled sheet of oxygen-free copper to the ceramic substrate 11 .
The thickness of the copper plate 42 that becomes the circuit layer 12 is set within a range of 0.1 mm to 2.0 mm, and in this embodiment, it is set to 0.6 mm.
金属層13は、図4に示すように、セラミックス基板11の他方の面(図4において下面)に、銅又は銅合金からなる銅板43が接合されることにより形成されている。
本実施形態においては、金属層13は、無酸素銅の圧延板がセラミックス基板11に接合されることで形成されている。
なお、金属層13となる銅板43の厚さは0.1mm以上2.0mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、0.6mmに設定されている。
As shown in FIG. 4, the metal layer 13 is formed by joining a copper plate 43 made of copper or a copper alloy to the other surface (the lower surface in FIG. 4) of the ceramic substrate 11 .
In this embodiment, the metal layer 13 is formed by bonding a rolled sheet of oxygen-free copper to the ceramic substrate 11 .
The thickness of the copper plate 43 that becomes the metal layer 13 is set within a range of 0.1 mm to 2.0 mm, and in this embodiment, it is set to 0.6 mm.
ここで、セラミックス基板11と回路層12および金属層13との接合界面においては、図2に示すように、セラミックス基板11側から順に、活性金属化合物層21、Ag-Cu合金層22が形成されている。
なお、本実施形態では、接合材45が活性金属としてTiを含有し、セラミックス基板11が窒化アルミニウムで構成されているため、活性金属化合物層21は、窒化チタン(TiN)で構成される。
As shown in FIG. 2, at the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 and metal layer 13, an active metal compound layer 21 and an Ag—Cu alloy layer 22 are formed in this order from the ceramic substrate 11 side.
In this embodiment, the bonding material 45 contains Ti as an active metal, and the ceramic substrate 11 is made of aluminum nitride, so the active metal compound layer 21 is made of titanium nitride (TiN).
そして、本実施形態である絶縁回路基板10においては、セラミックス基板11と回路層12との接合界面、および、セラミックス基板11と金属層13との接合界面には、活性金属含有析出物が存在している。
ここで、セラミックス基板11と回路層12および金属層13との積層方向に沿った断面における接合界面の幅方向に200μmおよび活性金属化合物層21の表面から回路層12および金属層13側へ10μmの視野において、活性金属含有析出物の面積Aが360μm2以下とされている。これにより、接合界面が硬くなることを抑制でき、冷熱サイクル負荷時のセラミックス基板11の割れの発生を抑制することができる。なお、活性金属含有析出物の面積Aの面積は10μm2以上とするとよい。活性金属含有析出物の面積Aが10μm2未満である絶縁回路基板10を製造することは困難である。
また、活性金属含有析出物の面積Aと、Ag濃度が10原子%以上であるAg濃化相の面積Bとの比A/Bが0.03以上0.8以下の範囲内とされている。これにより、接合界面が硬くなることを抑制でき、冷熱サイクル負荷時のセラミックス基板11の割れの発生を抑制することができる。
In the insulating circuit board 10 of this embodiment, active metal-containing precipitates are present at the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 and at the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the metal layer 13 .
Here, the area A of the active metal-containing precipitate is set to 360 μm2 or less within a field of view of 200 μm in the width direction of the bonding interface in a cross section along the stacking direction of the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 and metal layer 13 , and 10 μm from the surface of the active metal compound layer 21 toward the circuit layer 12 and metal layer 13. This prevents the bonding interface from hardening, and suppresses the occurrence of cracks in the ceramic substrate 11 when subjected to thermal cycles. The area A of the active metal-containing precipitate is preferably set to 10 μm2 or more. It is difficult to manufacture an insulating circuit board 10 in which the area A of the active metal-containing precipitate is less than 10 μm2.
Furthermore, the ratio A/B of the area A of the active metal-containing precipitate to the area B of the Ag-enriched phase having an Ag concentration of 10 atomic % or more is set to a range of 0.03 to 0.8, thereby preventing the bonding interface from becoming hard and suppressing the occurrence of cracks in the ceramic substrate 11 when subjected to thermal cycles.
さらに、本実施形態においては、回路層12および金属層13との接合界面に形成された活性金属化合物層21の厚さt1が、0.05μm以上1.2μm以下の範囲内とされていることが好ましい。
また、本実施形態においては、回路層12および金属層13との接合界面に形成されたAg-Cu合金層22の厚さt2が、1μm以上30μm以下とされていることが好ましい。
Furthermore, in this embodiment, it is preferable that the thickness t1 of the active metal compound layer 21 formed at the bonding interface between the circuit layer 12 and the metal layer 13 be within the range of 0.05 μm to 1.2 μm.
In this embodiment, the thickness t2 of the Ag--Cu alloy layer 22 formed at the bonding interface between the circuit layer 12 and the metal layer 13 is preferably 1 μm or more and 30 μm or less.
以下に、本実施形態に係る絶縁回路基板10の製造方法について、図3および図4を参照して説明する。 The manufacturing method for the insulating circuit board 10 according to this embodiment will be described below with reference to Figures 3 and 4.
(接合材配設工程S01)
回路層12となる銅板42と、金属層13となる銅板43とを準備する。
そして、回路層12となる銅板42および金属層13となる銅板43の接合面に、接合材45を塗布し、乾燥させる。ペースト状の接合材45の塗布厚さは、乾燥後で10μm以上50μm以下の範囲内とすることが好ましい。
本実施形態では、スクリーン印刷によってペースト状の接合材45を塗布する。
(Joint material disposing step S01)
A copper plate 42 that will become the circuit layer 12 and a copper plate 43 that will become the metal layer 13 are prepared.
Then, a bonding material 45 is applied to the bonding surfaces of the copper plate 42 that will become the circuit layer 12 and the copper plate 43 that will become the metal layer 13, and then dried. The thickness of the applied paste bonding material 45 is preferably in the range of 10 μm to 50 μm after drying.
In this embodiment, the paste-like bonding material 45 is applied by screen printing.
接合材45は、Agと活性金属(Ti,Zr,Nb,Hf)を含有するものとされている。本実施形態では、接合材45として、Ag-Ti系ろう材(Ag-Cu-Ti系ろう材)を用いている。なお、Ag-Ti系ろう材(Ag-Cu-Ti系ろう材)としては、例えば、Cuを0質量%以上45質量%以下の範囲内、活性金属であるTi(活性金属)を0.5質量%以上20質量%以下の範囲で含み、残部がAgおよび不可避不純物とされた組成のものを用いることが好ましい。 The bonding material 45 contains Ag and active metals (Ti, Zr, Nb, Hf). In this embodiment, an Ag-Ti brazing filler metal (Ag-Cu-Ti brazing filler metal) is used as the bonding material 45. It is preferable to use an Ag-Ti brazing filler metal (Ag-Cu-Ti brazing filler metal) that contains, for example, Cu in the range of 0% by mass to 45% by mass, Ti (the active metal) in the range of 0.5% by mass to 20% by mass, with the remainder being Ag and unavoidable impurities.
接合材45にはAgとしてはAg粉を用い、活性金属としては活性金属粉を用いる。含まれるAg粉の比表面積は、0.15m2/g以上とすることが好ましく、0.25m2/g以上とすることがさらに好ましく、0.40m2/g以上とすることがより好ましい。一方、接合材45に含まれるAg粉の比表面積は、1.40m2/g以下とすることが好ましく、1.00m2/g以下とすることがさらに好ましく、0.75m2/g以下とすることがより好ましい。 The bonding material 45 uses Ag powder as the Ag and active metal powder as the active metal. The specific surface area of the Ag powder contained therein is preferably 0.15 m 2 /g or more, more preferably 0.25 m 2 /g or more, and even more preferably 0.40 m 2 /g or more. On the other hand, the specific surface area of the Ag powder contained in the bonding material 45 is preferably 1.40 m 2 /g or less, more preferably 1.00 m 2 /g or less, and even more preferably 0.75 m 2 /g or less.
ここで、本実施形態においては、接合材45に含まれるAg粉の粒径分布[D90-D10]Agと活性金属粉の粒径分布[D90-D10]活性金属との比[D90-D10]Ag/[D90-D10]活性金属を調整することにより、接合界面における活性金属含有析出物の面積A、活性金属含有析出物の面積Aと、Ag濃度が10原子%以上であるAg濃化相の面積Bとの比A/Bを調整する。 In this embodiment, the particle size distribution [ D90 - D10 ] of Ag powder contained in the bonding material 45 and the ratio [ D90 - D10 ] Ag /[ D90 - D10 ] active metal of the particle size distribution of the active metal powder [ D90 - D10 ] active metal are adjusted to adjust the area A of the active metal-containing precipitate at the bonding interface and the ratio A/B of the area A of the active metal-containing precipitate to the area B of the Ag-enriched phase having an Ag concentration of 10 atomic % or more.
粒径分布比[D90-D10]Ag/[D90-D10]活性金属を0.01以上とすることにより、活性金属含有析出物の面積Aおよび面積比A/Bが必要以上に高くなることを抑制する。一方、粒径分布比[D90-D10]Ag/[D90-D10]活性金属を1.00以下とすることにより、活性金属含有析出物の面積Aおよび面積比A/Bが必要以上に低くなることを抑制する。
なお、粒径分布比[D90-D10]Ag/[D90-D10]活性金属は0.05以上とすることがさらに好ましく、0.15以上とすることがより好ましい。また、粒径分布比[D90-D10]Ag/[D90-D10]活性金属は0.80以下とすることがさらに好ましく、0.50以下とすることがより好ましい。
By setting the particle size distribution ratio [ D90 - D10 ] Ag /[ D90 - D10 ] active metal to 0.01 or more, the area A and area ratio A/B of the active metal-containing precipitate are prevented from becoming unnecessarily high. On the other hand, by setting the particle size distribution ratio [ D90 - D10 ] Ag /[ D90 - D10 ] active metal to 1.00 or less, the area A and area ratio A/B of the active metal-containing precipitate are prevented from becoming unnecessarily low.
The particle size distribution ratio [D 90 -D 10 ] Ag /[D 90 -D 10 ] active metal is more preferably 0.05 or more, and even more preferably 0.15 or more, and the particle size distribution ratio [D 90 -D 10 ] Ag /[D 90 -D 10 ] active metal is more preferably 0.80 or less, and even more preferably 0.50 or less.
(積層工程S02)
次に、セラミックス基板11の一方の面(図4において上面)に、接合材45を介して回路層12となる銅板42を積層するとともに、セラミックス基板11の他方の面(図4において下面)に、接合材45を介して金属層13となる銅板43を積層する。
(Lamination step S02)
Next, a copper plate 42 that will become the circuit layer 12 is laminated on one surface (top surface in Figure 4) of the ceramic substrate 11 via a bonding material 45, and a copper plate 43 that will become the metal layer 13 is laminated on the other surface (bottom surface in Figure 4) of the ceramic substrate 11 via a bonding material 45.
(加圧および加熱工程S03)
次に、銅板42とセラミックス基板11と銅板43とを加圧した状態で、真空雰囲気の加熱炉内で加熱し、接合材45を溶融する。
ここで、加圧および加熱工程S03における加熱温度は、800℃以上850℃以下の範囲内とすることが好ましい。780℃から加熱温度までの昇温工程および加熱温度での保持工程における温度積分値の合計は、7℃・h以上120℃・h以下の範囲内とすることが好ましい。
また、加圧および加熱工程S03における加圧荷重は、0.029MPa以上2.94MPa以下の範囲内とすることが好ましい。
さらに、加圧および加熱工程S03における真空度は、1×10-6Pa以上5×10-2Pa以下の範囲内とすることが好ましい。
(Pressure and heating step S03)
Next, the copper plate 42, the ceramic substrate 11, and the copper plate 43 are heated in a heating furnace in a vacuum atmosphere while being pressed together, to melt the bonding material 45.
Here, the heating temperature in the pressurizing and heating step S03 is preferably within a range of 800° C. to 850° C. The total temperature integral value in the temperature increasing step from 780° C. to the heating temperature and the holding step at the heating temperature is preferably within a range of 7° C.-h to 120° C.-h.
The pressure load in the pressurizing and heating step S03 is preferably set within a range of 0.029 MPa or more and 2.94 MPa or less.
Furthermore, the degree of vacuum in the pressurizing and heating step S03 is preferably set to a range of 1×10 −6 Pa or more and 5×10 −2 Pa or less.
(冷却工程S04)
そして、加圧および加熱工程S03の後、冷却を行うことにより、溶融した接合材45を凝固させて、回路層12となる銅板42とセラミックス基板11、セラミックス基板11と金属層13となる銅板43とを接合する。
なお、この冷却工程S04における冷却速度は、2℃/min以上20℃/min以下の範囲内とすることが好ましい。なお、ここでの冷却速度は加熱温度からAg-Cu共晶温度である780℃までの冷却速度である。
(Cooling process S04)
Then, after the pressurizing and heating step S03, the molten bonding material 45 is solidified by cooling, bonding the copper plate 42 that will become the circuit layer 12 to the ceramic substrate 11, and the ceramic substrate 11 to the copper plate 43 that will become the metal layer 13.
The cooling rate in the cooling step S04 is preferably within a range of 2° C./min to 20° C./min, inclusive, from the heating temperature to 780° C., the Ag—Cu eutectic temperature.
以上のように、接合材配設工程S01、積層工程S02、加圧および加熱工程S03、冷却工程S04によって、本実施形態である絶縁回路基板10が製造されることになる。 As described above, the insulating circuit board 10 of this embodiment is manufactured through the bonding material application process S01, the lamination process S02, the pressure and heating process S03, and the cooling process S04.
(ヒートシンク接合工程S05)
次に、絶縁回路基板10の金属層13の他方の面側にヒートシンク5を接合する。
絶縁回路基板10とヒートシンク5とを、はんだ材を介して積層して加熱炉に装入し、はんだ層7を介して絶縁回路基板10とヒートシンク5とをはんだ接合する。
(Heat sink bonding step S05)
Next, the heat sink 5 is bonded to the other surface of the metal layer 13 of the insulating circuit board 10 .
The insulating circuit board 10 and the heat sink 5 are stacked with a solder material interposed therebetween and placed in a heating furnace, where the insulating circuit board 10 and the heat sink 5 are solder-joined via the solder layer 7 .
(半導体素子接合工程S06)
次に、絶縁回路基板10の回路層12の一方の面に、半導体素子3をはんだ付けにより接合する。
前述の工程により、図1に示すパワーモジュール1が製出される。
(Semiconductor element bonding step S06)
Next, the semiconductor element 3 is joined to one surface of the circuit layer 12 of the insulating circuit board 10 by soldering.
Through the above-described steps, the power module 1 shown in FIG. 1 is manufactured.
以上のような構成とされた本実施形態の絶縁回路基板10(銅/セラミックス接合体)によれば、セラミックス基板11と回路層12および金属層13との積層方向に沿った断面における接合界面の幅方向に200μmおよび活性金属化合物層21の表面から前回路層12および金属層13側へ10μmの視野において、活性金属含有析出物の面積Aと、Ag濃度が10原子%以上であるAg濃化相の面積Bとの比A/Bが0.03以上とされているので、活性金属が十分に反応しており、セラミックス基板11と回路層12および金属層13とが強固に接合されている。
また、活性金属含有析出物の面積Aが360μm2以下とされるとともに、活性金属含有析出物の面積Aと、Ag濃度が10原子%以上であるAg濃化相の面積Bとの比A/Bが0.8以下とされているので、接合界面が硬くなることを抑制でき、冷熱サイクル負荷時のセラミックス基板11の割れの発生を抑制することができる。
In the insulating circuit board 10 (copper/ceramic bonded body) of the present embodiment configured as described above, within a field of view of 200 μm in the width direction of the bonded interface in a cross section along the stacking direction of the ceramic substrate 11, and the circuit layer 12 and the metal layer 13, and 10 μm from the surface of the active metal compound layer 21 toward the circuit layer 12 and the metal layer 13, the ratio A/B of the area A of the active metal-containing precipitates to the area B of the Ag-enriched phase having an Ag concentration of 10 atomic % or more is 0.03 or more. Therefore, the active metal has sufficiently reacted, and the ceramic substrate 11 is firmly bonded to the circuit layer 12 and the metal layer 13.
Furthermore, the area A of the active metal-containing precipitate is set to 360 μm2 or less, and the ratio A/B of the area A of the active metal-containing precipitate to the area B of the Ag-enriched phase having an Ag concentration of 10 atomic % or more is set to 0.8 or less. This prevents the bonding interface from becoming hard, and prevents cracks from occurring in the ceramic substrate 11 when subjected to thermal cycles.
また、本実施形態において、セラミックス基板11と回路層12および金属層13との接合界面に活性金属化合物層21が形成されており、活性金属化合物層21の厚さt1が0.05μm以上1.2μm以下の範囲内とされている場合には、活性金属によってセラミックス基板11と回路層12および金属層13とが確実に強固に接合されているとともに、接合界面が硬くなることがさらに抑制される。 Furthermore, in this embodiment, an active metal compound layer 21 is formed at the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 and metal layer 13. When the thickness t1 of the active metal compound layer 21 is within the range of 0.05 μm or more and 1.2 μm or less, the active metal reliably and firmly bonds the ceramic substrate 11 to the circuit layer 12 and metal layer 13, and further prevents the bonding interface from hardening.
なお、冷熱サイクル信頼性をさらに向上させるためには活性金属化合物層21の厚さt1を0.08μm以下とすることが好ましく、0.15μm以下とすることがより好ましい。
また、接合界面が必要以上に硬くなることをさらに抑制するためには、活性金属化合物層21の厚さt1を、1.0μm以下とすることが好ましく、0.6μm以下とすることがより好ましい。
In order to further improve thermal cycle reliability, the thickness t1 of the active metal compound layer 21 is preferably set to 0.08 μm or less, and more preferably set to 0.15 μm or less.
In order to further prevent the bonding interface from becoming harder than necessary, the thickness t1 of the active metal compound layer 21 is preferably set to 1.0 μm or less, and more preferably set to 0.6 μm or less.
さらに、本実施形態において、セラミックス基板11と回路層12および金属層13との接合界面にAg-Cu合金層22が形成されており、このAg-Cu合金層22の厚さt2が1μm以上30μm以下の範囲内とされている場合には、接合材のAgが回路層12および金属層13と十分に反応してセラミックス基板11と回路層12および金属層13とが確実に強固に接合されているとともに、接合界面が硬くなることがさらに抑制される。 Furthermore, in this embodiment, an Ag-Cu alloy layer 22 is formed at the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 and metal layer 13. When the thickness t2 of this Ag-Cu alloy layer 22 is within the range of 1 μm or more and 30 μm or less, the Ag of the bonding material reacts sufficiently with the circuit layer 12 and metal layer 13, reliably and firmly bonding the ceramic substrate 11 to the circuit layer 12 and metal layer 13, and further suppressing hardening of the bonding interface.
なお、セラミックス基板11と回路層12および金属層13とをさらに強固に接合するためには、Ag-Cu合金層22の厚さt2を、3μm以上とすることが好ましく、5μm以上とすることがより好ましい。
また、接合界面が必要以上に硬くなることをさらに抑制するためには、Ag-Cu合金層22の厚さt2を、25μm以下とすることが好ましく、15μm以下とすることがより好ましい。
In order to further firmly bond the ceramic substrate 11 to the circuit layer 12 and the metal layer 13, the thickness t2 of the Ag--Cu alloy layer 22 is preferably 3 μm or more, and more preferably 5 μm or more.
In order to further prevent the bonding interface from becoming harder than necessary, the thickness t2 of the Ag--Cu alloy layer 22 is preferably set to 25 μm or less, and more preferably set to 15 μm or less.
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施形態では、絶縁回路基板に半導体素子を搭載してパワーモジュールを構成するものとして説明したが、これに限定されることはない。例えば、絶縁回路基板の回路層にLED素子を搭載してLEDモジュールを構成してもよいし、絶縁回路基板の回路層に熱電素子を搭載して熱電モジュールを構成してもよい。
Although the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to this and can be modified as appropriate within the scope of the technical idea of the invention.
For example, in the present embodiment, a power module is described as being configured by mounting a semiconductor element on an insulating circuit board, but the present invention is not limited to this. For example, an LED module may be configured by mounting an LED element on a circuit layer of an insulating circuit board, or a thermoelectric module may be configured by mounting a thermoelectric element on a circuit layer of an insulating circuit board.
また、本実施形態の絶縁回路基板では、セラミックス基板として、窒化アルミニウム(AlN)で構成されたものを例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、アルミナ(Al2O3)、窒化ケイ素(Si3N4)等の他のセラミックス基板を用いたものであってもよい。 Furthermore, in the insulating circuit board of this embodiment, the ceramic substrate has been described as being made of aluminum nitride (AlN), but the present invention is not limited to this, and other ceramic substrates such as alumina (Al 2 O 3 ) and silicon nitride (Si 3 N 4 ) may also be used.
さらに、本実施形態では、接合材に含まれる活性金属としてTiを例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、Ti,Zr,Hf,Nbから選択される1種又は2種以上の活性金属を含んでいればよい。なお、これらの活性金属は、水素化物として含まれていてもよい。 Furthermore, in this embodiment, Ti has been used as an example of the active metal contained in the joining material, but this is not limited to this, and it is sufficient if the joining material contains one or more active metals selected from Ti, Zr, Hf, and Nb. Note that these active metals may also be contained as hydrides.
さらに、本実施形態においては、回路層を、無酸素銅の圧延板をセラミックス基板に接合することにより形成するものとして説明したが、これに限定されることはなく、銅板を打ち抜いた銅片を回路パターン状に配置された状態でセラミックス基板に接合されることによって回路層を形成してもよい。この場合、それぞれの銅片において、上述のようなセラミックス基板との界面構造を有していればよい。
また、本実施形態では、銅板の接合面に接合材を配設するものとして説明したが、これに限定されることはなく、セラミックス基板と銅板の間に接合材が配設されていればよく、セラミックス基板の接合面に接合材を配設してもよい。
Furthermore, in this embodiment, the circuit layer is described as being formed by bonding a rolled sheet of oxygen-free copper to a ceramic substrate, but this is not limited thereto, and the circuit layer may be formed by bonding copper pieces punched out of a copper plate in a circuit pattern to a ceramic substrate. In this case, it is sufficient that each copper piece has the interface structure with the ceramic substrate as described above.
In addition, in this embodiment, the bonding material is described as being disposed on the bonding surface of the copper plate, but this is not limited to this, and it is sufficient that the bonding material is disposed between the ceramic substrate and the copper plate, and the bonding material may also be disposed on the bonding surface of the ceramic substrate.
以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。 Below, we will explain the results of confirmation experiments conducted to confirm the effectiveness of this invention.
まず、表1記載のセラミックス基板(40mm×40mm)を準備した。なお、厚さは、AlNおよびAl2O3は0.635mm、Si3N4は0.32mmとした。
また、回路層および金属層となる銅板として、無酸素銅からなり、表1に示す厚さの37mm×37mmの銅板を準備した。
First, ceramic substrates (40 mm x 40 mm) were prepared as shown in Table 1. The thicknesses were 0.635 mm for AlN and Al2O3 , and 0.32 mm for Si3N4 .
Furthermore, copper plates made of oxygen-free copper and measuring 37 mm x 37 mm and having the thickness shown in Table 1 were prepared as copper plates to be used as circuit layers and metal layers.
回路層および金属層となる銅板に、表1に示すAg粉および活性金属粉を含む接合材を、乾燥後の目標厚さが表1に示す値となるよう塗布した。
なお、接合材はペースト材を用い、Ag,Cu,活性金属の量は表1の通りとした。
また、Ag粉のBET値(比表面積)はQUANTACHRROME社製AUTOSORB-1を用い、前処理として150℃で30分加熱の真空脱気を行い、N2吸着、液体窒素77K、BET多点法で測定した。
A bonding material containing Ag powder and active metal powder shown in Table 1 was applied to a copper plate that would become a circuit layer and a metal layer so that the target thickness after drying would be the value shown in Table 1.
The bonding material used was a paste material, and the amounts of Ag, Cu, and active metal were as shown in Table 1.
The BET value (specific surface area) of the Ag powder was measured using AUTOSORB-1 manufactured by QUANTACHRROME, with pretreatment of vacuum degassing by heating at 150°C for 30 minutes, followed by N 2 adsorption, liquid nitrogen at 77K, and the BET multipoint method.
Ag粉の粒度分布[D90-D10]Agおよび活性金属粉の粒度分布[D90-D10]活性金属は、以下のように測定した。
マイクロトラック社製MT3300EXIIを用い、レーザー回折散乱式粒度分布測定により、粒度分布を測定した。条件として、ヘキサメタリン酸ナトリウム水溶液に粉末を分散させ、US分散を1分行ったサンプルを測定した。測定は3回行い、その平均値を使用した。測定結果において、体積基準で累積頻度が10%になる粒径をD10、90%になる粒径をD90とした。Ag粉におけるD90-D10の粒径を[D90-D10]Ag、活性金属粉におけるD90-D10の粒径を[D90-D10]活性金属とした。[D90-D10]Agと[D90-D10]活性金属の比([D90-D10]Ag/D90-D10]活性金属)を表1に記載した。
Particle size distribution of Ag powder [D 90 -D 10 ] The particle size distribution of Ag and active metal powder [D 90 -D 10 ] active metal was measured as follows.
Particle size distribution was measured using a laser diffraction/scattering particle size distribution analyzer (MT3300EXII) manufactured by Microtrac. The powder was dispersed in an aqueous sodium hexametaphosphate solution and subjected to US dispersion for 1 minute. The measurement was performed three times, and the average value was used. In the measurement results, the particle size at which the cumulative frequency was 10% on a volume basis was defined as D10, and the particle size at which the cumulative frequency was 90% was defined as D90. The particle size of D90-D10 for Ag powder was defined as [ D90 - D10 ] Ag , and the particle size of D90-D10 for active metal powder was defined as [ D90 - D10 ] active metal . The ratio of [ D90 - D10 ] Ag to [ D90 - D10 ] active metal ([ D90 - D10 ] Ag / D90 - D10 ] active metal ) is shown in Table 1.
セラミックス基板の一方の面に、回路層となる銅板を積層した。また、セラミックス基板の他方の面に、金属層となる銅板を積層した。 A copper plate, which will serve as the circuit layer, was laminated on one side of the ceramic substrate. Furthermore, a copper plate, which will serve as the metal layer, was laminated on the other side of the ceramic substrate.
この積層体を、積層方向に加圧した状態で加熱し、Ag-Cu液相を発生させた。このとき、加圧荷重を0.294MPaとし,温度積分値は表2の通りとした。
そして、加熱した積層体を冷却することにより、回路層となる銅板とセラミックス基板と金属層となる金属板を接合し、絶縁回路基板(銅/セラミックス接合体)を得た。
The laminate was heated while being pressed in the stacking direction to generate an Ag—Cu liquid phase. The pressure load was 0.294 MPa, and the temperature integral values were as shown in Table 2.
The heated laminate was then cooled to bond the copper plate that would become the circuit layer, the ceramic substrate, and the metal plate that would become the metal layer together, thereby obtaining an insulated circuit board (copper/ceramic bonded body).
得られた絶縁回路基板(銅/セラミックス接合体)について、活性金属含有析出物の面積A、Ag濃化相の面積B、活性金属化合物層の厚さt1、Ag-Cu合金層の厚さt2、冷熱サイクル信頼性を、以下のようにして評価した。 The resulting insulated circuit board (copper/ceramic bonded body) was evaluated for the area A of the active metal-containing precipitate, the area B of the Ag-enriched phase, the thickness t1 of the active metal compound layer, the thickness t2 of the Ag-Cu alloy layer, and thermal cycle reliability as follows:
(活性金属含有析出物の面積A)
回路層および金属層とセラミックス基板との接合界面の断面を、EPMA装置によって観察し、活性金属に関して元素マップ(幅50μm×高さ30μm)を、各5視野ずつ計10視野を取得した。
そして、図5に示すように、活性金属化合物層から回路層(金属層)表面に向かって10μmまでの領域において、Ag+Cu+活性金属=100原子%としたときに、活性金属濃度が30原子%以上70原子%以下の範囲内の領域を活性金属含有析出物とし、活性金属含有析出物の面積Aを算出した。そして、これら10視野の平均値を表2に記載した。なお、活性金属化合物層にうねりが生じている場合には、うねりに沿って領域を設定する。
(Area A of active metal-containing precipitate)
The cross sections of the bonding interfaces between the circuit layer and the metal layer and the ceramic substrate were observed using an EPMA device, and element maps (50 μm wide×30 μm high) of the active metal were obtained from five fields of view for each, for a total of 10 fields of view.
As shown in Figure 5, in the region from the active metal compound layer to 10 µm toward the surface of the circuit layer (metal layer), when Ag + Cu + active metal = 100 atomic %, the region where the active metal concentration was in the range of 30 atomic % to 70 atomic % was defined as the active metal-containing precipitate, and the area A of the active metal-containing precipitate was calculated. The average value of these 10 fields of view is shown in Table 2. If waviness occurs in the active metal compound layer, the region is set along the waviness.
(Ag濃化相の面積B)
活性金属含有析出物の面積Aと同様に、回路層および金属層とセラミックス基板との接合界面の断面を、EPMA装置によって観察し、Agに関して元素マップ(幅50μm×高さ30μm)を、各5視野ずつ計10視野を取得した。
そして、図5に示すように、活性金属化合物層から回路層(金属層)表面に向かって10μmまでの領域において、Ag+Cu+活性金属=100原子%としたときに、Ag濃度が10原子%以上である領域をAg濃化相とし、Ag濃化相の面積Bを算出した。なお、これら10視野の平均値を表2に記載した。
また、活性金属含有析出物の面積AとAg濃化相の面積Bとの比A/Bを算出し、表2に記載した。
ここで、図6に、接合界面の観察結果の一例を示す。接合界面に、活性金属含有析出物およびAg濃化相が観察される。
(Area B of Ag-enriched phase)
As with the area A of the active metal-containing precipitate, the cross section of the bonding interface between the circuit layer and the metal layer and the ceramic substrate was observed using an EPMA device, and element maps (width 50 μm × height 30 μm) for Ag were obtained from five fields of view each, for a total of 10 fields of view.
5, in the region from the active metal compound layer to 10 μm toward the surface of the circuit layer (metal layer), when Ag + Cu + active metal = 100 atomic %, the region where the Ag concentration was 10 atomic % or more was defined as the Ag-enriched phase, and the area B of the Ag-enriched phase was calculated. The average values of these 10 fields of view are shown in Table 2.
Furthermore, the ratio A/B of the area A of the active metal-containing precipitate to the area B of the Ag-enriched phase was calculated and shown in Table 2.
An example of the observation result of the bonded interface is shown in Fig. 6. Active metal-containing precipitates and an Ag-enriched phase are observed at the bonded interface.
(活性金属化合物層)
回路層とセラミックス基板との接合界面、および、セラミックス基板と金属層との接合界面の断面を、走査型電子顕微鏡(カールツァイスNTS社製ULTRA55、加速電圧1.8kV)を用いて倍率30000倍で測定し、エネルギー分散型X線分析法により、N、O及び活性金属元素の元素マッピングを取得した。活性金属元素とNまたはOが同一領域に存在する場合に活性金属化合物層が有ると判断した。
それぞれ5視野で観察を行い、活性金属元素とNまたはOが同一領域に存在する範囲の面積を測定した幅で割ったものの平均値を「活性金属化合物層の厚さ」として表2に記載した。
(Active metal compound layer)
The cross sections of the bonding interface between the circuit layer and the ceramic substrate and the bonding interface between the ceramic substrate and the metal layer were measured at a magnification of 30,000 times using a scanning electron microscope (ULTRA55 manufactured by Carl Zeiss NTS, accelerating voltage 1.8 kV), and elemental mapping of N, O, and active metal elements was obtained by energy dispersive X-ray analysis. The presence of an active metal compound layer was determined when the active metal element and N or O were present in the same region.
Observation was performed in five fields of view for each sample, and the area in which the active metal element and N or O were present in the same region was divided by the measured width, and the average value was recorded in Table 2 as the "thickness of the active metal compound layer."
(Ag-Cu合金層)
回路層とセラミックス基板との接合界面、および、セラミックス基板と金属層との接合界面の断面を、EPMA装置を用いて、Ag,Cu,活性金属の各元素マッピングを取得した。それぞれ5視野で各元素マッピングを取得した。
そして、Ag+Cu+活性金属=100質量%としたとき、Ag濃度が15質量%以上である領域をAg-Cu合金層とし、その面積を求めて、測定領域の幅(200μm)で割った値(面積/測定領域の幅(200μm))を求めた。その値の平均をAg-Cu合金層の厚さとして表2に記載した。
(Ag-Cu alloy layer)
The cross sections of the bonding interface between the circuit layer and the ceramic substrate, and the bonding interface between the ceramic substrate and the metal layer were subjected to elemental mapping of Ag, Cu, and active metals using an EPMA device. Elemental mapping was performed in five fields of view for each.
When Ag + Cu + active metal = 100% by mass, the region where the Ag concentration was 15% by mass or more was defined as the Ag—Cu alloy layer, and the area of the layer was calculated and divided by the width of the measurement region (200 μm) to obtain the value (area/width of measurement region (200 μm)). The average of these values is shown in Table 2 as the thickness of the Ag—Cu alloy layer.
(冷熱サイクル信頼性)
上述の絶縁回路基板を、セラミックス基板の材質に応じて、下記の冷熱サイクルを負荷し、SAT検査によりセラミックス割れの有無を判定した。評価結果を表2に示す。
AlN,Al2O3の場合:-40℃×5min←→150℃×5minを500サイクルまで50サイクル毎にSAT検査。
Si3N4の場合:-40℃×5min←→150℃×5minを2000サイクルまで200サイクル毎にSAT検査。
(Cold-heat cycle reliability)
The insulating circuit boards described above were subjected to the following thermal cycles depending on the material of the ceramic substrate, and the presence or absence of ceramic cracks was determined by SAT testing. The evaluation results are shown in Table 2.
For AlN and Al 2 O 3 : -40°C x 5 min ←→ 150°C x 5 min, SAT inspection every 50 cycles up to 500 cycles.
For Si 3 N 4 : -40°C x 5 min ←→ 150°C x 5 min, SAT inspection every 200 cycles up to 2000 cycles.
まず、セラミックス基板としてAlNを用いた本発明例1-3と比較例1とを比較する。
比較例1においては、セラミックス基板と銅板との積層方向に沿った断面における接合界面の幅方向に200μmおよび活性金属化合物層の表面から銅板側へ10μmの視野において、前記活性金属含有析出物の面積Aと、Ag濃度が10原子%以上であるAg濃化相の面積Bとの比A/Bが0.007とされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が50回となった。
First, invention examples 1-3 and comparative example 1, which use AlN as the ceramic substrate, will be compared.
In Comparative Example 1, in a field of view of 200 μm in the width direction of the bonding interface in a cross section along the lamination direction of the ceramic substrate and the copper plate and 10 μm from the surface of the active metal compound layer toward the copper plate, the ratio A/B of the area A of the active metal-containing precipitate to the area B of the Ag-enriched phase having an Ag concentration of 10 atomic % or more was 0.007, and the number of times cracks occurred in a thermal cycle test was 50.
これに対して、本発明例1-3においては、活性金属含有析出物の面積Aが360μm2以下とされるとともに、前記活性金属含有析出物の面積Aと、Ag濃度が10原子%以上であるAg濃化相の面積Bとの比A/Bが0.03以上0.8以下の範囲内とされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が350~500回となり、冷熱サイクル信頼性に優れていた。 In contrast, in Examples 1-3 of the present invention, the area A of the active metal-containing precipitate was 360 μm2 or less, and the ratio A/B of the area A of the active metal-containing precipitate to the area B of the Ag-enriched phase having an Ag concentration of 10 atomic % or more was in the range of 0.03 to 0.8, and the number of crack occurrences in the thermal cycling test was 350 to 500, indicating excellent thermal cycling reliability.
次に、セラミックス基板としてSi3N4を用いた本発明例4-6と比較例2,3とを比較する。
比較例2においては、セラミックス基板と銅板との積層方向に沿った断面における接合界面の幅方向に200μmおよび活性金属化合物層の表面から銅板側へ10μmの視野において、活性金属含有析出物の面積Aが395.7μm2とされるとともに、前記活性金属含有析出物の面積Aと、Ag濃度が10原子%以上であるAg濃化相の面積Bとの比A/Bが1.256とされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が1200回となった。
比較例3においては、セラミックス基板と銅板との積層方向に沿った断面における接合界面の幅方向に200μmおよび活性金属化合物層の表面から銅板側へ10μmの視野において、前記活性金属含有析出物の面積Aと、Ag濃度が10原子%以上であるAg濃化相の面積Bとの比A/Bが1.305とされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が1200回となった。
Next, invention examples 4-6 and comparative examples 2 and 3, which use Si 3 N 4 as the ceramic substrate, will be compared.
In Comparative Example 2, in a field of view of 200 μm in the width direction of the bonding interface in a cross section along the lamination direction of the ceramic substrate and the copper plate and 10 μm from the surface of the active metal compound layer toward the copper plate, the area A of the active metal-containing precipitate was 395.7 μm2 , and the ratio A/B of the area A of the active metal-containing precipitate to the area B of the Ag-enriched phase having an Ag concentration of 10 atomic % or more was 1.256, and the number of cracks that occurred in a thermal cycle test was 1,200.
In Comparative Example 3, in a field of view of 200 μm in the width direction of the bonding interface in a cross section along the lamination direction of the ceramic substrate and the copper plate and 10 μm from the surface of the active metal compound layer toward the copper plate, the ratio A/B of the area A of the active metal-containing precipitate to the area B of the Ag-enriched phase having an Ag concentration of 10 atomic % or more was 1.305, and the number of times cracks occurred in a thermal cycle test was 1,200.
これに対して、本発明例4-6においては、活性金属含有析出物の面積Aが360μm2以下とされるとともに、前記活性金属含有析出物の面積Aと、Ag濃度が10原子%以上であるAg濃化相の面積Bとの比A/Bが0.03以上0.8以下の範囲内とされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が1800~2000回超えとなり、冷熱サイクル信頼性に優れていた。 In contrast, in Examples 4-6 of the present invention, the area A of the active metal-containing precipitate was 360 μm2 or less, and the ratio A/B of the area A of the active metal-containing precipitate to the area B of the Ag-enriched phase having an Ag concentration of 10 atomic % or more was 0.03 or more and 0.8 or less. In the thermal cycling test, the number of crack occurrences exceeded 1,800 to 2,000, and the thermal cycling reliability was excellent.
次に、セラミックス基板としてAl2O3を用いた本発明例7,8と比較例4とを比較する。
比較例4においては、セラミックス基板と銅板との積層方向に沿った断面における接合界面の幅方向に200μmおよび活性金属化合物層の表面から銅板側へ10μmの視野において、前記活性金属含有析出物の面積Aと、Ag濃度が10原子%以上であるAg濃化相の面積Bとの比A/Bが0.018とされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が50回となった。
Next, invention examples 7 and 8, which use Al 2 O 3 as the ceramic substrate, will be compared with comparative example 4.
In Comparative Example 4, in a field of view of 200 μm in the width direction of the bonding interface in a cross section along the lamination direction of the ceramic substrate and the copper plate and 10 μm from the surface of the active metal compound layer toward the copper plate, the ratio A/B of the area A of the active metal-containing precipitate to the area B of the Ag-enriched phase having an Ag concentration of 10 atomic % or more was 0.018, and the number of times cracks occurred in a thermal cycle test was 50.
これに対して、本発明例7,8においては、性金属含有析出物の面積Aが360μm2以下とされるとともに、前記活性金属含有析出物の面積Aと、Ag濃度が10原子%以上であるAg濃化相の面積Bとの比A/Bが0.03以上0.8以下の範囲内とされており、冷熱サイクル試験において割れ発生回数が300~450回超えとなり、冷熱サイクル信頼性に優れていた。 In contrast, in Examples 7 and 8 of the present invention, the area A of the active metal-containing precipitate was 360 μm2 or less, and the ratio A/B of the area A of the active metal-containing precipitate to the area B of the Ag-enriched phase having an Ag concentration of 10 atomic % or more was in the range of 0.03 to 0.8, and the number of times cracks occurred in the thermal cycling test exceeded 300 to 450, indicating excellent thermal cycling reliability.
以上の確認実験の結果から、本発明例によれば、厳しい冷熱サイクルを負荷した場合であっても、セラミックス基板における割れの発生を抑制でき、冷熱サイクル信頼性に優れた絶縁回路基板(銅/セラミックス接合体)を提供可能であることが確認された。 The results of the above confirmatory experiments confirmed that the present invention can suppress the occurrence of cracks in the ceramic substrate even when subjected to severe thermal cycling, making it possible to provide an insulated circuit board (copper/ceramic bonded body) with excellent thermal cycling reliability.
10 絶縁回路基板(銅/セラミックス接合体)
11 セラミックス基板(セラミックス部材)
12 回路層(銅部材)
13 金属層(銅部材)
21 活性金属化合物層
22 Ag-Cu合金層
10 Insulated circuit board (copper/ceramic bonded body)
11 Ceramic substrate (ceramic member)
12 Circuit layer (copper member)
13 Metal layer (copper member)
21 Active metal compound layer 22 Ag-Cu alloy layer
Claims (6)
前記セラミックス部材と前記銅部材との接合界面において、前記セラミックス部材側には活性金属化合物層が形成されており、
前記セラミックス部材と前記銅部材との積層方向に沿った断面における接合界面の幅方向に200μmおよび前記活性金属化合物層の表面から前記銅部材側へ10μmの視野において、
活性金属含有析出物の面積Aが360μm2以下とされるとともに、
前記活性金属含有析出物の面積Aと、Ag濃度が10原子%以上であるAg濃化相の面積Bとの比A/Bが0.03以上0.8以下の範囲内とされていることを特徴とする銅/セラミックス接合体。 A copper/ceramic bonded body obtained by bonding a copper member made of copper or a copper alloy to a ceramic member,
an active metal compound layer is formed on the ceramic member side at the bonding interface between the ceramic member and the copper member,
In a field of view of 200 μm in the width direction of the bonding interface in a cross section along the lamination direction of the ceramic member and the copper member and 10 μm from the surface of the active metal compound layer toward the copper member,
The area A of the active metal-containing precipitate is 360 μm 2 or less, and
a ratio A/B of an area A of the active metal-containing precipitate to an area B of an Ag-enriched phase having an Ag concentration of 10 atomic % or more, which is in the range of 0.03 to 0.8.
前記Ag-Cu合金層の厚さt2が1μm以上30μm以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の銅/セラミックス接合体。 an Ag—Cu alloy layer is formed on the copper member side at the bonding interface between the ceramic member and the copper member;
3. The copper/ceramic joined body according to claim 1, wherein the thickness t2 of the Ag--Cu alloy layer is in the range of 1 μm to 30 μm.
前記セラミックス基板と前記銅板との接合界面において、前記セラミックス基板側には活性金属化合物層が形成されており、
前記セラミックス基板と前記銅板との積層方向に沿った断面における接合界面の幅方向に200μmおよび前記活性金属化合物層の表面から前記銅板側へ10μmの視野において、
活性金属含有析出物の面積Aが360μm2以下とされるとともに、
前記活性金属含有析出物の面積Aと、Ag濃度が10原子%以上であるAg濃化相の面積Bとの比A/Bが0.03以上0.8以下の範囲内とされていることを特徴とする絶縁回路基板。 An insulating circuit board having a copper plate made of copper or a copper alloy bonded to the surface of a ceramic substrate,
an active metal compound layer is formed on the ceramic substrate side at the bonding interface between the ceramic substrate and the copper plate;
In a field of view of 200 μm in the width direction of the bonding interface in a cross section along the lamination direction of the ceramic substrate and the copper plate and 10 μm from the surface of the active metal compound layer toward the copper plate,
The area A of the active metal-containing precipitate is 360 μm 2 or less, and
an area ratio A/B of the area A of the active metal-containing precipitate to the area B of the Ag-enriched phase having an Ag concentration of 10 atomic % or more, which is in the range of 0.03 to 0.8.
前記Ag-Cu合金層の厚さt2が1μm以上30μm以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項4または請求項5に記載の絶縁回路基板。 an Ag—Cu alloy layer is formed on the copper plate side at the bonding interface between the ceramic substrate and the copper plate;
6. The insulating circuit board according to claim 4, wherein the thickness t2 of the Ag--Cu alloy layer is within the range of 1 μm to 30 μm.
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