CN110168140A - 陶瓷电路基板的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了制造陶瓷电路基板的方法，所述陶瓷电路基板具备陶瓷基材和形成于陶瓷基材上的金属层。该方法包括下述工序：将金属粉体加热至10～270℃、同时加速至250～1050m/s的速度后进行吹喷，由此在陶瓷基材上形成金属层的工序；及在非活性气体气氛下对陶瓷基材及金属层进行加热处理的工序。

Description

陶瓷电路基板的制造方法
技术领域
本发明涉及陶瓷电路基板的制造方法。
背景技术
面向功率模块等中利用的半导体器件，具有氧化铝等陶瓷基材和在其正面和背面上形成的导电性的电路层的陶瓷电路基板正在实用化。作为陶瓷电路基板的电路材料，铜是常见的。
近年来，随着设备类的小型化、高性能化，有半导体器件的发热量增加的倾向。因此，对陶瓷电路基板用的陶瓷基材不仅要求电绝缘性高、而且还要求更高的导热性。
因此，研究了高导热性的氮化铝等陶瓷基材的应用。但是，在高导热性的陶瓷基材上设置铜电路的情况下，存在如下问题：由于伴随半导体元件工作的重复的热循环、或工作环境的温度变化的影响，在陶瓷基材与铜电路的接合部附近容易产生裂纹。
为了避免该问题，正在研究使用屈服耐力比铜小的铝作为电路材料。作为在陶瓷基材上形成铝电路的方法，提出了例如以下的方法。
(1)熔液法，其包括下述步骤：使熔融铝与陶瓷基材接触，进行冷却而形成两者的接合体；对所形成的铝层进行机械磨削，调整其厚度；以及，对铝层进行蚀刻(例如，参见专利文献1、2)
(2)将铝箔或铝合金箔钎焊于陶瓷基材后进行蚀刻的钎焊法(例如，参见专利文献3)
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平7-193358号公报
专利文献2：日本特开平8-208359号公报
专利文献3：日本特开2001-085808号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是，对于熔液法而言，设备及其维持管理要用很多费用。另外，钎焊法由于伴随高温下的加压等，因此难以提高生产率。
本发明的目的在于，提供能够用简易的设备高效地制造陶瓷电路基板的方法，所述陶瓷电路基板具有包含铝及/或铝合金作为主成分且与陶瓷基材有高密合性的金属层。
用于解决课题的方案
本发明的一方面涉及制造陶瓷电路基板的方法，所述陶瓷电路基板具备：陶瓷基材、和形成于该陶瓷基材上的包含铝及/或铝合金的金属层。该方法包括下述工序：将金属粉体加热至10～270℃、同时加速至250～1050m/s的速度后进行吹喷，由此形成与陶瓷基材接触的金属层的工序；及在非活性气体气氛下对陶瓷基材及形成于该陶瓷基材上的金属层进行加热处理的工序。金属粉体包含铝粒子或铝合金粒子中的至少一者。
根据该方法，能够用简易的设备高效地制造具有以铝及/或铝合金为主成分且与陶瓷基材有高密合性的金属层的陶瓷电路基板。特别是，通过以高速吹喷处于固相状态的金属粉体来将金属层成膜的方法可以称为冷喷涂法，通过该方法能够用简易的设备高效地将与陶瓷基板具有高密合性的金属层成膜。
发明的效果
根据本发明的一方面的方法，能够在熔融铝及钎焊材料并非必需的条件下将以铝或铝合金为主成分的金属层与陶瓷基材接合来制造铝电路基板。另外，通过在形成金属层时使用掩膜，能够在不需要蚀刻的条件下在陶瓷基材上形成具有布线图案的金属层。
附图说明
[图1]为示出陶瓷电路基板的一实施方式的截面图。
[图2]为示出在陶瓷基材上形成金属层的工序的一实施方式的示意图。
[图3]为示出陶瓷电路基板的一实施方式的截面图。
[图4]为用于说明密合强度的测定方法的示意图。
[图5]为示出密合强度的测定结果的图。
[图6]为示出密合强度的测定中的试验体的断裂位置的截面图。
具体实施方式
以下，详细地对本发明的一些实施方式进行说明。但是，本发明不限定于以下的实施方式。
一实施方式的方法涉及制造具备包含铝及/或铝合金的金属层的陶瓷电路基板的方法。图1为示出制造的陶瓷电路基板的一实施方式的截面图。图1所示的陶瓷电路基板100具有：陶瓷基材1、和分别接触并设置于陶瓷基材1的两面的金属层2a、2b。图1所示的金属层2a、2b分别由单一的金属层21a、21b形成。金属层2a、2b为通过向陶瓷基材的表面吹喷经加热的金属粉体而形成的层，大多情况下具有与半导体元件连接的电路图案。
金属层2a、2b包含铝或铝合金中的至少一者作为主成分。此处，“主成分”是指以金属层2a、2b的整体质量为基准、以90质量％以上的比例包含的成分。金属层包含铝及铝合金这两者的情况下，它们的总量为90质量％以上即可。主成分的比例可以为95质量％以上。金属层或后述的金属粉体可以包含微量的不可避免的杂质。
本实施方式的方法包括下述工序：将由多个金属粒子构成的金属粉体加热至10～270℃、同时加速至250～1050m/s的速度后进行吹喷，由此在陶瓷基材上形成金属层的工序；及在非活性气体气氛下对陶瓷基材及形成于陶瓷基材上的金属层进行加热处理的工序。通过使用铝粒子及/或铝合金粒子作为构成金属粉体的金属粒子，从而形成以上述物质为主成分的金属层。
图2为示出在陶瓷基材上形成金属层的工序的一实施方式的示意图。图2所示的方法中，使用冷喷涂装置3向陶瓷基材1吹喷金属粉体，由此在陶瓷基材1上成膜为金属层2。图2所示的冷喷涂装置3主要由高压气体储气罐4、加热器6、粉末供给装置7、收敛扩散型的喷枪的喷嘴10及用于将它们连接的配管构成。在多个高压气体储气罐4的下游侧设置有第一压力调节器5a，配管在第一压力调节器5a的下游侧分支为2个回路。在经分支的2个回路的配管各自上分别连接有第二压力调节器5b及加热器6、和第三压力调节器5c及粉末供给装置7。来自加热器6及粉末供给装置7的配管连接于喷嘴10。
冷喷涂装置3中，用作工作气体的非活性气体以例如1MPa以上的压力填充于高压气体储气罐4中。非活性气体例如可以为氦气或氮气中的单一气体、或它们的混合气体。对于由高压气体储气罐4供给的工作气体OG，在一个回路上利用第二压力调节器5b减压至例如0.5～5Ma，然后利用加热器6加热，然后，供给至喷枪的喷嘴10。另外，工作气体OG在另一回路上被第三压力调节器5c减压至例如0.5～5MPa，然后也供给至粉末供给装置7。成膜用的金属粉体与工作气体OG一起由粉末供给装置7供给至喷枪的喷嘴10。
利用加热器6的加热温度通常设定为比成膜的金属粉体的熔点或软化点低。加热器6可以从通常的加热装置中任意选择。
供给至喷枪的喷嘴10的工作气体通过尖端细的部分从而被压缩，在其下游侧的逐渐扩张的部分一下子膨胀从而被加速。金属粉体在被加热至规定温度的同时被加速至规定速度后从喷嘴10的出口喷出。具体而言，金属粉体被加热至10～270℃，同时被加速至250～1050m/s的速度。此处，金属粉体被加热的温度是指金属粉体达到的最高温度。也可以将喷嘴10的入口处的非活性气体的温度视为金属粉体被加热的温度。此处，对于本说明书中“加热”这一用语，以也包括调整为室温以下的规定温度的含义来使用。另外，金属粉体被加速的速度是指经加速的金属粉体达到的最高速度。
从喷嘴10喷出的金属粉体被吹喷至陶瓷基材1的表面。由此，金属粉体以固相状态与陶瓷基材1的表面碰撞并堆积，从而形成金属层2。金属粉体的温度通常会在喷嘴10内随着工作气体的膨胀等而发生变化。
金属粉体主要由铝粒子及/或铝合金粒子构成。若将它们加热至超过270℃的温度，则有时软化的铝粒子或铝合金粒子的粉体附着于喷嘴10的内壁，结果喷嘴堵塞，不能形成金属层。另外，若金属粉体的温度低于10℃，则在金属粉体与陶瓷基材碰撞的瞬间，金属粒子难以充分发生塑性变形，因此有成膜变困难的倾向。从同样的观点出发，金属粉体被加热的温度可以为260℃以下、也可以为20℃以上。
若经加速的金属粉体达到的速度低于250m/s，则金属粉体与陶瓷基材碰撞时的金属粉体难以充分发生塑性变形，因此有成膜变困难、或已成膜的金属层的密合性降低的倾向。若经加速的金属粉体达到的速度超过1050m/s，则有在金属粉体与陶瓷基材碰撞时，金属粉体发生粉碎及飞散，从而成膜变困难的倾向。从同样的观点出发，经加速的金属粉体达到的速度可以为300m/s以上，也可以为1000m/s以下。
为了抑制金属层中的气孔的形成，金属粉体中的金属粒子可以为球形。另外，金属粉体的粒径的偏差可以较小。构成金属粉体的金属粒子的(平均)粒径可以为10～70μm、或20～60μm。若金属粒子的粒径低于10μm，则有金属粉体在喷嘴的尖端细的部分容易堵塞的倾向。若金属粒子的粒径超过70μm，则有难以充分提高金属粉体的速度的倾向。此处，“粒径”是指各粒子的最大宽度。可以测定足够数量的金属粒子的粒径，根据其结果求出平均粒径。
金属粉体可以为铝粒子，也可以为铝-镁合金粒子、及铝-锂合金粒子等包含其他金属元素的铝合金粒子。使用含有镁、及锂这样的氧亲和性比铝高的金属元素的铝合金粒子时，存在下述倾向：在成膜后的加热处理时，镁或锂等金属元素与铝及陶瓷基材表面的氧化物层反应，它们牢固地接合。从金属层的适当的硬度及耐加热循环性的观点出发，金属粉体或金属粒子中的镁、锂等金属元素的含量相对于金属粉体或金属粒子的质量而言可以为6.0质量％以下。
图3为示出制造的陶瓷电路基板的又一实施方式的截面图。图3的陶瓷电路基板101中，金属层2a、2b分别由与陶瓷基材上接触的第一金属层22a、22b、及形成于第一金属层22a、22b上的第二金属层23a、23b构成。如上述这样金属层具有第一金属层及第二金属层的情况下，可以通过例如下述方法来形成金属层，所述方法包括下述步骤：通过向陶瓷基材吹喷铝合金粒子，从而在陶瓷基材上形成第一金属层；以及，通过向第一金属层吹喷铝粒子，从而在第一金属层上形成第二金属层。该情况下，可以将用于形成第一金属层的铝合金粒子及用于形成第二金属层的铝粒子加热至10～270℃、同时加速至250～1050m/s的速度。
可以通过在陶瓷基材1上配置覆盖陶瓷基材1的表面的一部分的掩蔽材料从而在陶瓷基材上形成具有图案(电路图案)的金属层。根据该方法，不需要成膜后的蚀刻这样的追加工序，而能够容易地形成具有期望的图案的金属层。在该点上，本实施方式的方法与为了形成图案而需要蚀刻的熔液法、钎焊法相比也是有利的。
金属层的厚度没有特别限制，例如可以为200～600μm。金属层具有第一金属层及第二金属层的情况下，第二金属层的厚度可以比第一金属层的厚度小。特别是，使用铝-镁合金粒子来形成第一金属层的情况下，为了减小在陶瓷基材与第一金属层的界面产生的应力给耐加热循环性带来的影响，第一金属层的厚度可以为200μm以下、或100μm以下。
对于金属层的形成后的加热处理，可以将陶瓷基材及金属层加热至400～600℃。通过使该加热温度为400℃以上，从而有铝与陶瓷基材表面的氧化物层发生反应，由此陶瓷基材与金属层更牢固地接合的倾向。通过使加热温度为600℃以下，由此能够减小金属层软化所带来的影响。
陶瓷基材可以从具有适当的绝缘性的陶瓷基材中选择。陶瓷基材可以具有高的导热性。作为陶瓷基材的例子，可列举出氮化铝(AlN)基材、氮化硅(Si3N4)基材、氧化铝(Al2O3)。氮化铝基材可以显示出400MPa以上的三点弯曲强度及/或150W/mK以上的导热率。氮化硅基材可以显示出600MPa以上的三点弯曲强度及/或50W/mK以上的导热率。陶瓷基材1的尺寸根据用途来任意设定。陶瓷基材1的厚度没有特别限制，例如可以为0.2～1.0mm。这些陶瓷基材各自可以以市售品的形式获得。
实施例
以下，举出实施例来更具体地对本发明进行说明。但是，本发明不限定于这些实施例。
陶瓷基材
全部实施例及全部比较例中，使用氮化铝(AlN)基材(尺寸：10mm×10mm×0.635mmt，三点弯曲强度：500MPa，导热率：150W/mK，纯度：95％以上)、或氮化硅(Si3N4)基材(尺寸：10mm×10mm×0.635mmt，三点弯曲强度：700MPa，导热率：70W/mK，纯度：92％以上)。
[实施例1]
用铁制的掩蔽材料对氮化铝基材的表面的一部分进行掩蔽。通过使用了铝粉体(东洋铝株式会社制水雾化粉，纯度：99.7％，粒径：45μm以下)的冷喷涂法在其上形成纵3mm、横3mm、厚度300μm的金属层。对于基于冷喷涂法的成膜，使用氮气作为工作气体，在将粉体的温度设为20℃、将粉体的速度设为300m/s的条件下进行。
在氮气气氛下、于500℃对形成有金属层的氮化铝基材进行3小时加热处理。
加热处理后，制作图4的(a)所示的试验体。图4的(a)所示的试验体40具有如下构成：圆柱状的柱螺栓销30(材质：铝，尺寸：φ2.7mm×12.7mm)介由设置于其一端上的环氧粘接剂31粘接于陶瓷基材1上的金属层21。试验体40通过如下方式准备：将柱螺栓销30以介隔着环氧粘接剂31的方式配置于金属层21上，在该状态下通过150℃、1小时的加热处理将环氧粘接剂31固化。
[实施例2～6]
将陶瓷基材、冷喷涂中的铝粉体的温度及速度变更为如表1所示，除此之外，与实施例1同样地操作，得到试验体。
[实施例7]
用铁制的掩蔽材料对氮化硅基材的表面的一部分进行掩蔽。通过使用了铝-镁合金粉体(高纯度化学研究所株式会社制气体雾化粉，镁含量：3.0质量％，铝及镁以外的杂质含量：0.1质量％以下，粒径：45μm以下)的冷喷涂法在其上形成纵3mm、横3mm、厚度100μm的第一金属层。对于基于冷喷涂法的成膜，使用氮气作为工作气体，在将粉体的温度设为20℃、将粉体的速度设为300m/s的条件下进行。
使用铝粉体(东洋铝株式会社制水雾化粉，纯度：99.7％，粒径：45μm以下)，通过基于与第一金属层同样的条件的冷喷涂法(工作气体：氮气，粉末的温度：20℃，粉末的速度：300m/s)，在第一金属层上形成纵3mm、横3mm、厚度200μm的第二金属层。
在氮气气氛下、于500℃对形成有第一金属层及第二金属层的氮化铝基材进行3小时加热处理。
加热处理后，制作图4的(b)所示的试验体。图4的(b)所示的试验体41具有如下构成：圆柱状的柱螺栓销30(材质：铝，尺寸：φ2.7mm×12.7mm)介由设置于其一端上的环氧粘接剂31粘接于陶瓷基材1上的包含第一金属层22及第二金属层23的金属层2。试验体41通过如下方式准备：将柱螺栓销30以介隔着环氧粘接剂31的方式配置于第二金属层23上，在该状态下通过150℃、1小时的加热处理将环氧粘接剂31固化。
[实施例8～18]
将陶瓷基材、用于形成第一金属层的金属粉体、冷喷涂中的粉体的温度及速度变更为如表1所示，除此之外，与实施例7同样地操作，得到密合强度测定用的试验体。实施例13～18中，为了形成第一金属层，使用了铝-镁合金粉体(高纯度化学研究所株式会社制气体雾化粉，镁含量：6.0质量％，铝及镁以外的杂质含量：0.1质量％以下，粒径：45μm以下)。
[比较例1～22]
将陶瓷基材、用于形成第一金属层的金属粉体、冷喷涂中的粉体的温度及速度变更为如表2所示，除此之外，与实施例1或7同样地操作，制作密合强度测定用的试验体。
但是，对于将用于形成第一金属层的冷喷涂法中的粉体的温度设为0℃的比较例7、8、11、12、及将粉体的速度设为200m/s或1100m/s的比较例15～22而言，铝粉末没有附着于氮化铝基材，不能形成第一金属层。对于将用于形成第一金属层的冷喷涂法中的粉体的温度设为280℃的比较例9、10、13、14而言，在喷嘴发生了铝粉体的堵塞，因此不能形成第一金属层。
[表1]
[表2]
[密合强度试验]
关于得到了试验体的实施例1～18、及比较例1～6，进行在图4的方向X施加拉伸载荷的试验，测定试验体断裂时的载荷。根据该载荷和其断裂位置的截面积算出密合强度。
图5为示出密合强度的测定结果的图，图6示出试验体的断裂位置。实施例1～18的试验体显示出超过20MPa的密合强度，全部如图6的(a)及(b)所示那样在环氧粘接剂31的位置断裂，没有因陶瓷基材1与金属层21的界面剥离而断裂。另一方面，比较例1～6的试验体显示出低至10MPa的密合强度，如图6的(c)及(d)所示那样因陶瓷基材1与金属层21或22的界面剥离而断裂。
[加热循环试验]
关于显示出良好的密合性的实施例1～18的试验体，将“在180℃的环境中放置30分钟后在-45℃的环境中放置30分钟”设为1个循环，实施1000个循环的加热循环试验。加热循环试验后在金属层也没有发生剥离等异常。
附图标记说明
1…陶瓷基材，2、2a、2b…金属层，3…冷喷涂装置，4…高压气体储气罐，5a…第一压力调节器，5b…第二压力调节器，5c…第三压力调节器，6…加热器，7…粉末供给装置，10…喷枪的喷嘴，21、21a、21b…单一的金属层，22a、22b…第一金属层，23a、23b…第二金属层，30…柱螺栓销，31…环氧粘接剂，40、41…试验体。

Claims (7)

1.制造陶瓷电路基板的方法，所述陶瓷电路基板具备：陶瓷基材、和形成于所述陶瓷基材上的包含铝及/或铝合金的金属层，
所述方法包括下述工序：
将金属粉体加热至10～270℃、同时加速至250～1050m/s的速度后进行吹喷，由此形成与所述陶瓷基材接触的所述金属层的工序；及
在非活性气体气氛下对所述陶瓷基材及形成于所述陶瓷基材上的所述金属层进行加热处理的工序，
所述金属粉体包含铝粒子及/或铝合金粒子。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述金属层具有第一金属层及第二金属层，
形成所述金属层的工序包括下述步骤：
将包含所述铝合金粒子的金属粉体加热至10～270℃、同时加速至250～1050m/s的速度后向所述陶瓷基材吹喷，由此在所述陶瓷基材上形成所述第一金属层；以及
将包含所述铝粒子的金属粉体加热至10～270℃、同时加速至250～1050m/s的速度后向所述第一金属层吹喷，由此在所述第一金属层上形成所述第二金属层。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述铝合金粒子为铝-镁合金粒子，所述铝-镁合金粒子中的镁的含量相对于所述铝-镁合金粒子的质量而言为6.0质量％以下。
4.如权利要求2或3所述的方法，其中，所述第一金属层的厚度为100μm以下。
5.如权利要求1～4中任一项所述的方法，其中，在非活性气体气氛下对所述陶瓷基材及所述金属层进行加热处理的工序中，所述陶瓷基材及所述金属层被加热至400～600℃。
6.如权利要求1～5中任一项所述的方法，其中，所述金属粉体的平均粒径为10～70μm。
7.如权利要求1～6中任一项所述的方法，其中，形成所述金属层的工序中，在所述陶瓷基材上配置覆盖其表面的一部分的掩蔽材料，由此在所述陶瓷基材上形成具有图案的所述金属层。
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