CN110537256A - 陶瓷电路基板及其制造方法和使用了该陶瓷电路基板的组件 - Google Patents

陶瓷电路基板及其制造方法和使用了该陶瓷电路基板的组件 Download PDF

Info

Publication number
CN110537256A
CN110537256A CN201880026676.4A CN201880026676A CN110537256A CN 110537256 A CN110537256 A CN 110537256A CN 201880026676 A CN201880026676 A CN 201880026676A CN 110537256 A CN110537256 A CN 110537256A
Authority
CN
China
Prior art keywords
circuit board
ceramic circuit
ceramic
solder
minutes
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201880026676.4A
Other languages
English (en)
Inventor
原田祐作
汤浅晃正
中村贵裕
森田周平
西村浩二
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Denka Co Ltd
Original Assignee
Denki Kagaku Kogyo KK
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=63920290&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=CN110537256(A) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Denki Kagaku Kogyo KK filed Critical Denki Kagaku Kogyo KK
Publication of CN110537256A publication Critical patent/CN110537256A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/03—Use of materials for the substrate
    • H05K1/0306—Inorganic insulating substrates, e.g. ceramic, glass
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/12—Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates
    • H01L23/14—Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates characterised by the material or its electrical properties
    • H01L23/15—Ceramic or glass substrates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B37/00—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating
    • C04B37/02—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles
    • C04B37/023—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles characterised by the interlayer used
    • C04B37/026—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles characterised by the interlayer used consisting of metals or metal salts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/12—Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3735—Laminates or multilayers, e.g. direct bond copper ceramic substrates
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3736—Metallic materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
    • H01L25/03—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes
    • H01L25/04—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers
    • H01L25/07—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof all the devices being of a type provided for in the same subgroup of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. assemblies of rectifier diodes the devices not having separate containers the devices being of a type provided for in group H01L29/00
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
    • H01L25/18—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof the devices being of types provided for in two or more different subgroups of the same main group of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/656—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
    • C04B2235/6562—Heating rate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/656—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
    • C04B2235/6567—Treatment time
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
    • C04B2235/658—Atmosphere during thermal treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/74—Physical characteristics
    • C04B2235/77—Density
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/02—Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/12—Metallic interlayers
    • C04B2237/124—Metallic interlayers based on copper
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/02—Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/12—Metallic interlayers
    • C04B2237/125—Metallic interlayers based on noble metals, e.g. silver
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/02—Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/12—Metallic interlayers
    • C04B2237/126—Metallic interlayers wherein the active component for bonding is not the largest fraction of the interlayer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/32—Ceramic
    • C04B2237/36—Non-oxidic
    • C04B2237/366—Aluminium nitride
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/32—Ceramic
    • C04B2237/36—Non-oxidic
    • C04B2237/368—Silicon nitride
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/40—Metallic
    • C04B2237/407—Copper
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/50—Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/60—Forming at the joining interface or in the joining layer specific reaction phases or zones, e.g. diffusion of reactive species from the interlayer to the substrate or from a substrate to the joining interface, carbide forming at the joining interface
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/50—Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/70—Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness
    • C04B2237/708—Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness of one or more of the interlayers

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

提供耐热循环特性优异的陶瓷电路基板及功率组件。一种陶瓷电路基板，借助含有Ag、Cu以及活性金属的焊料使得陶瓷基板与铜板接合而成，其中，接合空隙率为1.0％以下，作为焊料成分的Ag的扩散距离为5μm～20μm。一种陶瓷电路基板的制造方法，其特征在于，趋向接合温度的升温过程中的400℃～700℃的温度范围内的加热时间为5分钟～30分钟，以720℃～800℃的接合温度保持5分钟～30分钟而进行接合。

Description

陶瓷电路基板及其制造方法和使用了该陶瓷电路基板的组件
技术领域
本发明涉及陶瓷电路基板及其制造方法和使用了该陶瓷电路基板的组件。
背景技术
在需要高电压、大电流动作的面向电力铁道、车辆、产业机械的功率组件中使用将金属电路板、金属散热板与陶瓷基板的表面接合的陶瓷电路基板。近年来，随着半导体元件的高输出功率化、高集成化，半导体元件的发热量始终在增加，为了高效地将该产生的热释放，使用了由具有高导热性的氮化硅烧结体、氮化铝烧结体构成的陶瓷基板。
特别地，对于车载用功率组件而言，要求更高的散热性，对陶瓷基板的薄板化、金属板的厚板化进行了研究。但是，如果形成为这样的构造，则因陶瓷基板与金属板的热膨胀率差而产生的热循环时的应力负荷逐渐增大，因此会在陶瓷基板产生裂纹而引起绝缘不良，或者因金属板剥离而导致导热不良，从而作为电子设备的动作可靠性会下降。
热循环时的热应力不仅受到陶瓷基板与金属板的热膨胀率差的影响，还受到金属板自身所具有的机械性质、主要是拉伸强度、屈服强度的影响，因此如果接合焊料成分在金属板中扩散，则会失去容易产生塑性变形的性质，变为残余应力而对陶瓷基板造成损伤。为了抑制焊料成分向金属板的扩散并尽量减小热应力，需要以低温在短时间内进行接合，对于以往进行的真空中的接合而言，难以实现急速的升温，容易产生接合炉内的温度分布，难以以良好的生产率而制造高可靠性的陶瓷电路基板。
因此，专利文献1中进行了如下研究：在陶瓷基板的接合面和铜板的接合面中的至少一方形成含有Ag和氮化物形成元素的层之后进行接合，由此对焊料层的厚度进行控制。但是，根据该方法，虽然连续形成的焊料层的厚度得到控制，但由于接合温度高达790℃以上，因此作为焊料成分的Ag的一部分与连续形成的焊料层相比进一步在铜板厚度方向上扩散，从而使得铜板的机械性质发生变化。进而，因陶瓷基板与铜板的热膨胀差而引起的接合后的残余应力增大，从而在此基础上无法满足将例如0.8mm这样的厚铜板接合的陶瓷电路基板所要求的耐热循环特性。另外，在此控制的焊料层的厚度是对除了不连续的焊料层区域的多个区域进行测定所得的平均值，因此还有时在局部的焊料层的较厚的部分、且在陶瓷基板产生裂纹。
在专利文献2中，研究了利用含有锆的焊料在氮气氛下以750℃～850℃的温度进行接合，但存在如下问题：受到为了确保接合性而大量添加的锆的影响而导致焊料层变得脆弱、耐热循环特性下降。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2014-187411号公报
专利文献2：日本特开2003-188310号公报
发明内容
发明要解决的课题
本发明的目的是提供耐热循环特性优异的陶瓷电路基板及其制造方法和使用了该陶瓷电路基板的组件。
用于解决课题的方法
为了解决上述的课题，本发明采用了以下方法。
(1)一种陶瓷电路基板，借助含有Ag、Cu以及活性金属的焊料使得陶瓷基板与铜板接合而成，其中，接合空隙率为1.0％以下，作为焊料成分的Ag的扩散距离为5μm～20μm。
(2)在上述(1)所记载的陶瓷电路基板的基础上，其中，陶瓷基板由氮化硅或氮化铝构成。
(3)在上述(1)或(2)所记载的陶瓷电路基板的基础上，其特征在于，焊料中含有Sn。
(4)一种陶瓷电路基板的制造方法，所述陶瓷电路基板是上述(1)～(3)中任一项所记载的陶瓷电路基板，其特征在于，趋向接合温度的升温过程中的400℃～700℃的温度范围内的加热时间为5～30分钟，以720℃～800℃的接合温度保持5分钟～30分钟而进行接合。
(5)在上述(4)所记载的陶瓷电路基板的制造方法的基础上，其特征在于，利用氮气氛下的连续加热炉进行接合。
(6)一种功率组件，其使用了上述(1)～(3)中任一项所记载的陶瓷电路基板。
发明的效果
本发明的陶瓷电路基板的耐热循环特性优异，因此能够以良好的生产率而提供高性能的功率组件。
附图说明
图1是Ag的扩散距离为12μm的陶瓷电路基板的截面照片的一例(实施例1)。
图2是Ag的扩散距离为42μm的陶瓷电路基板的截面照片的一例(比较例1)。
附图标记的说明
1 陶瓷基板
2 陶瓷基板表面
3 Ag
4 铜板
5 Ag的扩散距离
具体实施方式
本发明的陶瓷电路基板借助含有Ag、Cu以及活性金属的焊料使得铜电路板与陶瓷基板的一面接合、且使得铜散热板与陶瓷基板的另一面接合而成。
本发明的陶瓷电路基板的特征在于，接合空隙率为1.0％以下。在此，所谓接合空隙率是对陶瓷基板与铜板的接合状态进行评价的指标，可以对利用超声波探伤装置观察的陶瓷电路基板的接合空隙的面积进行测量并利用测量值除以铜电路图案的面积而求出。通过将接合空隙率设为1.0％以下，能够抑制接合强度降低而导致铜板在热循环时剥离。另外，还能够抑制局部放电特性的下降等，因此可以作为功率组件用的陶瓷电路基板而使用。
本发明的陶瓷电路基板的特征在于，作为焊料成分的Ag的扩散距离为5μm～20μm。在此，所谓Ag的扩散距离是陶瓷基板表面与Ag从陶瓷基板表面向铜板表面方向(与陶瓷基板表面垂直的方向)扩散的最远的部分之间的距离，未必与连续的焊料层的厚度一致。就Ag的扩散距离而言，从陶瓷电路基板的截面利用扫描型电子显微镜在使得倍率为500倍的视野(接合界面的水平方向上的250μm的范围)不重复的范围内随机地选取3处进行观察，设为在各视野下测量的Ag的扩散距离中的最大的距离。应予说明，利用扫描型电子显微镜对反射电子图像进行观察。在反射电子图像中，Ag与Cu的检测强度不同，以明亮的色调观察到Ag。根据该色调的对比度而能够明确地识别出Ag和Cu。本发明的发明人为了提高耐热循环特性而进行了潜心研究，结果发现：不对焊料层的厚度进行控制而是对Ag在铜板中的扩散进行控制，由此能够缓和热循环时产生的热应力，能够抑制陶瓷基板中的裂纹的产生、铜板的剥离。通过将Ag的扩散距离设为5μm以上，能够抑制陶瓷基板与铜板的接合变得不充分而导致铜板在热循环时剥离。通过将Ag的扩散距离设为20μm以下而抑制铜板的机械性质发生变化从而变得容易受到热应力，由此能够抑制热循环时在陶瓷基板中产生裂纹、或者铜板剥离。为了减小品质的波动，更优选Ag的扩散距离为15μm以下。Ag的扩散距离可以根据接合温度、接合时间、焊料的涂敷量等而调整。
对于本发明的陶瓷电路基板的接合而使用含有Ag、Cu以及活性金属的焊料。Ag与Cu的组成比优选设定为容易生成共晶组成的组成比，考虑到铜成分从铜板的熔入，对于合计100质量份的Ag与Cu，Ag优选70质量份～95质量份，Cu优选5质量份～30质量份。通过将Ag设为70质量份～95质量份而使得焊料的熔融温度升高，无需提高接合温度，能够抑制因接合时的热膨胀率差导致残余应力增大进而导致耐热循环性变得容易下降。另外，如果提高接合温度，则有时难以对Ag的扩散距离进行控制。
在本发明的一个方案中，对于活性金属，从钛、锆、铪、铌等中选择至少一种。就活性金属的含量而言，相对于合计100质量份的Ag与Cu，优选0.5质量份～10质量份。如果活性金属的含量不足0.5质量份，则陶瓷基板与焊料的润湿性下降，容易产生接合空隙。如果活性金属的含量超过10质量份，则有时在接合界面过度地形成脆弱的活性金属的氮化物层，从而导致耐热循环性下降。对于活性金属还可以使用其氢化物。这种情况下，氢化物中的氢能够抑制因接合气氛而引起的活性金属的氧化，能够提高与陶瓷基板的反应性，并能够提高接合性。以下举例示出对于活性金属而采用钛时的条件，但本发明并不限定于此。
也可以在焊料中添加Ag、Cu或活性金属以外的成分。其中，为了降低焊料的熔融温度，优选添加Sn。通过降低焊料的熔融温度而容易对Ag的扩散距离进行控制。就Sn的含量而言，相对于合计100质量份的Ag和Cu，优选0.1质量份～15质量份。如果Sn的含量不足0.1质量份，则其效果较小，如果超过15质量份，则在接合时产生焊料流出等不良情形，另外，有时耐热循环特性会下降。
对于焊料，可以使用由上述组成构成的合金箔、各组成的粉末、或者一部分实现了合金化的粉末、全部都实现了合金化的粉末等。在使用粉末的情况下，可以制作与粘结剂、增塑剂、分散剂、分散介质等混合而成的浆料，并将其涂敷于陶瓷基板、铜板。焊料的涂敷方法并未特别限定，可以采用能够均匀地涂敷恒定量的丝网印刷法、辊涂机法等公知的涂敷方法。就焊料的涂敷量而言，在分散介质除去后优选5mg/cm2～10mg/cm2。通过将焊料的涂敷量设为5mg/cm2以上，能够抑制容易产生接合空隙的情况，通过将其设为10mg/cm2以下，能够抑制Ag的扩散距离延长而导致耐热循环特性下降。
如果为了提高耐热循环特性而使得Ag的扩散距离为与以往相比短的5μm～20μm，则产生接合不良的风险升高，有时需要对接合温度、接合时间的严格的控制。本发明的发明人为了兼顾接合性和耐热循环特性而进行了潜心研究，结果发现：在接合中防止活性金属在与陶瓷基板的反应以外被消耗并且以低温在短时间内进行接合的方式较为有效。即，以使得趋向接合温度的升温过程中的400℃～700℃的温度范围中的加热时间变为5分钟～30分钟的方式进行急速升温，由此能够使得接合性大幅提高，进而，以720℃～800℃的接合温度保持5分钟～30分钟而进行接合，由此能够实现以往无法实现的耐热循环特性。
发现如下现象：在趋向接合温度的升温过程中的400℃～700℃的温度范围内，因接合炉内的气氛或焊料中含有的不可避免的杂质而使得活性金属进行氧化反应、氮化反应等，由此使得接合性下降。通过将该温度范围内的加热时间设为5分钟～30分钟，能够不依赖于接合炉内的气氛地使得接合空隙率降低至1.0％以下。通过将加热时间设为30分钟以内，能够抑制活性金属未与陶瓷基板充分反应而使得焊料的润湿性下降并产生接合空隙。为了提高接合性，更优选加热时间为20分钟以下。通过将加热时间设为5分钟以上，能够抑制焊料浆料中的粘结剂、增塑剂这样的有机物未被充分加热分解且残留的碳成分使得陶瓷基板与铜板的接合性下降。在400℃以上的温度范围内，能够抑制因活性金属的反应速度较慢而对接合的影响减弱。另外，在700℃以下的温度范围内，能够抑制因一部分焊料开始熔融而变得难以利用气氛引起活性金属的反应。
以往，在真空气氛以外的接合中，在升温过程中，活性金属被氧化或氮化而导致接合不良，但通过如本发明那样进行温度控制，在真空气氛以外也能够进行接合。本发明的一个方案的陶瓷电路基板的制造方法的特征在于，利用氮气氛下的连续加热炉进行接合。在此，所谓连续加热炉是能够利用推杆、带、辊等连续地对涂敷有焊料的陶瓷基板、铜板、接合夹具等进行输送并进行热处理的加热炉。连续加热炉优选能够向炉内供给气体、且向炉外排出气体的结构。向炉内供给的气体优选氮、氩、氢等，其中，根据生产率的观点而优选氮。优选将连续加热炉内设为氧浓度为50ppm以下的非氧化性气氛。通过将氧浓度设为50ppm以下，能够抑制容易使得焊料氧化的情况。为了减小使得焊料暴露于气氛中的间隙，优选利用重物、夹具等以1.0MPa以上的压力对陶瓷基板和铜板重叠的层叠体进行加压而使它们接合。作为加热方法，可以应用公知的加热方法，可以采用碳、钼等的电阻加热式、高频加热方式、微波加热方式等作为加热源。
将陶瓷基板和铜板重叠的层叠体投入非氧化性气氛下保持为高温的连续加热炉中，对加热设定温度、输送速度进行调整，由此能够任意地控制层叠体的升温速度。因此，与现有的真空间歇炉相比，能够实现针对接合温度、接合时间的更严格的控制。如果以720℃～800℃的接合温度保持5分钟～30分钟并进行接合，则与以往相比，能够以低温在短时间内实现接合，因此因陶瓷基板与铜板的热膨胀率差而引起的接合后的残余应力减小，进而还能够抑制Ag的扩散，耐热循环特性进一步提高。通过将接合温度设为720℃以上且将保持时间设为5分钟以上，能够抑制因焊料的熔融不足而产生接合空隙。通过将接合温度设为800℃以下、且将保持时间设为30分钟以内，Ag的扩散距离延长，能够抑制在热循环时陶瓷基板产生裂纹或者铜板剥离。为了提高耐热循环特性，更优选保持时间为20分钟以下。将接合后的陶瓷电路基板从接合炉输出并进行冷却。也可以通过改变连续加热炉内的加热设定温度而对冷却速度进行调整。
通过这样在非氧化性气氛中连续地进行接合，可以删除抽真空工序、缩短升温时间和冷却时间，从而，与现有的真空间歇炉方式相比，生产率明显提高。另外，得到的陶瓷电路基板间的热经历难以产生差异，因此品质的波动也减小，能够实现稳定的制造。
本发明的陶瓷电路基板中使用的陶瓷基板优选绝缘性、散热性优异的氮化硅基板、氮化铝基板。陶瓷基板的厚度并未特别限定，通过将其设为1.5mm以下，能够抑制热阻增大，通过将其设为0.2mm以上，能够抑制耐久性消失，因此优选0.2mm～1.5mm。
本发明的陶瓷电路基板中使用的铜板是铜或作为成分而含有铜的合金的基板。种类、厚度并未特别限定，根据对与焊料的反应性、耐热循环特性的影响，优选纯度为99.5％以上。
本发明涉及的陶瓷电路基板的电路图案形成方法并未特别限定，可以采用在与陶瓷基板接合的铜板利用抗蚀剂形成掩模且形成期望的电路形状之后将不需要的部分蚀刻除去的方法、使预先中切出电路形状的铜板与陶瓷基板接合的方法等。对于蚀刻方法也未特别限定，可以使用氯化铁溶液、氯化铜溶液、硫酸、过氧化氢水等蚀刻液。其中，优选使用氯化铁溶液、氯化铜溶液。通常在通过蚀刻将不需要的金属部分除去后的陶瓷电路基板残留有涂敷的焊料、其合金层、氮化物层等，从而利用含有卤化铵水溶液、硫酸、硝酸等无机酸、过氧化氢水的溶液将它们除去。另外，在电路图案形成之后进行抗蚀剂的剥离，剥离方法并未特别限定，一般为浸渍于碱水溶液中的方法等。
对于本发明的陶瓷电路基板的铜板表面，可以根据需要而实施非电解镀Ni、闪熔镀Au、置换型镀Ag等方式。也可以在未实施镀敷而是通过磨削、物理研磨、化学研磨等使得表面平滑化之后涂敷防锈剂。
本发明的陶瓷电路基板能够应用于要求严格的可靠性的车载用功率组件。
以下利用实施例对本发明进行详细说明。但是，本发明的范围并不限定于以下实施例。
实施例
实施例1
利用辊涂机，相对于88质量份的Ag粉末(福田金属箔粉工业株式会社制的“AgC-BO”)和12质量份的Cu粉末(福田金属箔粉工业株式会社制的“SRC-Cu-20”)的合计100质量份的混合物而混合2.5质量份的TiH2粉末(大阪钛技术株式会社制的“TSH-350”)、4质量份的Sn粉末(三津和药品化学株式会社制的“锡粉末(-325目)”)，将由此形成的焊料浆料以8mg/cm2的涂敷量涂敷于厚度为0.32mm的氮化硅基板。然后，使得电路形成用铜板重叠于氮化硅基板的一面、且使得散热板形成用铜板(均为厚0.8mm的无氧铜板)重叠于氮化硅基板的另一面，并将其投入氮气氛下的辊输送式连续加热炉(开口部尺寸为W500mm×H70mm、炉长为3m)。输送速度设为10cm/分钟，以实现表1所示的接合条件的方式对加热器的设定温度进行调整而使得氮化硅基板与铜板接合。将抗蚀剂印刷于接合后的铜板，利用氯化铜溶液进行蚀刻而形成电路图案。进而，利用氟化铵/过氧化氢溶液将焊料层、氮化物层除去。
对于得到的陶瓷电路基板，测定了以下物性。表1中示出了评价结果。
(1)接合空隙率：对利用超声波探伤装置(日立工程FS300-3)观察的陶瓷电路基板的接合空隙的面积进行测量，利用测量值除以铜电路图案的面积而进行计算。
(2)Ag的扩散距离：将陶瓷电路基板切断而进行了树脂包埋和截面研磨，然后利用扫描型电子显微镜以500倍的倍率随机地对任意的视野(接合界面的水平方向上的250μm的范围)中的3处位置的反射电子图像进行拍摄，对陶瓷基板表面与铜板中最接近铜板表面的Ag的位置之间的最短距离进行了测定。
(3)热循环后的裂纹率：将在热板上以350℃保持5分钟、以25℃保持5分钟、且在干冰中以-78℃保持5分钟、以25℃保持5分钟设为1个循环的热循环，对陶瓷电路基板连续地实施10个循环。然后，通过蚀刻将铜板、焊料层和氮化物层除去，利用扫描仪以600dpi×600dpi的分辨率获得在陶瓷基板的表面产生的水平裂纹，利用图像解析软件GIMP2(阈值140)对其进行二值化计算，然后利用水平裂纹面积除以电路图案面积而进行计算。
实施例2～7、比较例2～10
除了如表1所示那样改变接合气氛、400℃～700℃的温度范围内的加热时间、接合温度、保持时间以外，与实施例1同样地得到了陶瓷电路基板。表1中示出了测定结果。
实施例8
除了未添加Sn粉末、且如表1所示那样改变接合温度和保持时间以外，与实施例1同样地得到了陶瓷电路基板。表1中示出了测定结果。
实施例9
除了将TiH2粉末的添加量变为1.0质量份、且如表1所示那样改变400℃～700℃的温度范围内的加热时间以外，与实施例1同样地得到了陶瓷电路基板。表1中示出了测定结果。
比较例1
除了以现有的真空气氛的间歇炉的接合条件进行接合以外，与实施例同样地得到了陶瓷电路基板。表1中示出了测定结果。
比较例11
除了未添加TiH2粉末以外，与实施例1同样地得到了陶瓷电路基板。
表1中示出了测定结果。
在比较例5、6、11中接合空隙率较高，铜板在热循环时剥离，因此无法妥当地评价裂纹率。
【表1】
根据表1的测定结果可知，本发明的陶瓷电路基板的接合空隙降低至1.0％以下，接合性优异，另外，热循环后的裂纹率降低至1.0％以下，耐热循环特性优异，能够以良好的生产率提供高性能的功率组件。
产业上的可利用性
本发明的陶瓷电路基板能够优选用于车载用功率组件。

Claims (6)

1.一种陶瓷电路基板，其借助含有Ag、Cu以及活性金属的焊料使得陶瓷基板与铜板接合而成，其特征在于，
接合空隙率为1.0％以下，作为焊料成分的Ag的扩散距离为5μm～20μm。
2.根据权利要求1所述的陶瓷电路基板，其特征在于，
陶瓷基板由氮化硅或氮化铝构成。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的陶瓷电路基板，其特征在于，
焊料中含有Sn。
4.一种陶瓷电路基板的制造方法，所述陶瓷电路基板是权利要求1～3中任一项所述的陶瓷电路基板，其特征在于，
趋向接合温度的升温过程中的400℃～700℃的温度范围内的加热时间为5分钟～30分钟，以720℃～800℃的接合温度保持5分钟～30分钟而进行接合。
5.根据权利要求4所述的陶瓷电路基板的制造方法，其特征在于，
利用氮气氛下的连续加热炉进行接合。
6.一种功率组件，其特征在于，
所述功率组件使用了权利要求1～3中任一项所述的陶瓷电路基板。
CN201880026676.4A 2017-04-25 2018-04-24 陶瓷电路基板及其制造方法和使用了该陶瓷电路基板的组件 Pending CN110537256A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017-086504 2017-04-25
JP2017086504 2017-04-25
PCT/JP2018/016540 WO2018199060A1 (ja) 2017-04-25 2018-04-24 セラミックス回路基板及びその製造方法とそれを用いたモジュール

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110537256A true CN110537256A (zh) 2019-12-03

Family

ID=63920290

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201880026676.4A Pending CN110537256A (zh) 2017-04-25 2018-04-24 陶瓷电路基板及其制造方法和使用了该陶瓷电路基板的组件

Country Status (6)

Country Link
US (1) US11452204B2 (zh)
EP (1) EP3618107A4 (zh)
JP (1) JP7144405B2 (zh)
KR (1) KR102516917B1 (zh)
CN (1) CN110537256A (zh)
WO (1) WO2018199060A1 (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112679220A (zh) * 2020-12-30 2021-04-20 中国电子科技集团公司第十三研究所 氮化硅陶瓷覆铜基板及其制备方法
CN113809016A (zh) * 2020-06-16 2021-12-17 禾伸堂企业股份有限公司 复合基板
CN115536422A (zh) * 2021-06-29 2022-12-30 贺利氏德国有限两合公司 用于产生金属-陶瓷基板的方法

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6870767B2 (ja) * 2019-09-02 2021-05-12 三菱マテリアル株式会社 銅／セラミックス接合体、及び、絶縁回路基板
WO2021111508A1 (ja) * 2019-12-03 2021-06-10 日本碍子株式会社 接合基板及び接合基板の製造方法
KR20220131242A (ko) * 2020-01-23 2022-09-27 덴카 주식회사 세라믹스-구리 복합체, 및 세라믹스-구리 복합체의 제조 방법
CN114867579A (zh) 2020-02-17 2022-08-05 株式会社东芝 钎料、接合体、陶瓷电路基板及接合体的制造方法
EP4124184A4 (en) 2020-03-18 2024-04-17 Toshiba Kk LAMINATE, CERAMIC-COPPER CIRCUIT BOARD, METHOD FOR PRODUCING A LAMINATE AND METHOD FOR PRODUCING A CERAMIC-COPPER CIRCUIT BOARD
WO2021235387A1 (ja) * 2020-05-20 2021-11-25 株式会社 東芝 接合体、セラミックス銅回路基板、及び半導体装置
JP2022020925A (ja) * 2020-07-21 2022-02-02 日本特殊陶業株式会社 配線基板
WO2022024990A1 (ja) 2020-07-27 2022-02-03 株式会社 東芝 接合体、回路基板、半導体装置、及び接合体の製造方法
WO2022024832A1 (ja) 2020-07-27 2022-02-03 株式会社 東芝 接合体、回路基板、半導体装置、及び接合体の製造方法
CN115989579A (zh) 2020-10-07 2023-04-18 株式会社东芝 接合体、陶瓷电路基板及半导体装置
EP4342614A1 (en) * 2021-05-19 2024-03-27 Kabushiki Kaisha Toshiba Bonded object production method and production method for ceramic circuit substrate using same
EP4112586A1 (de) * 2021-06-29 2023-01-04 Heraeus Deutschland GmbH & Co. KG Verfahren zur herstellung eines metall-keramik-substrats mittels einem durchlaufofen
JP2023020265A (ja) * 2021-07-30 2023-02-09 三菱マテリアル株式会社 銅／セラミックス接合体、および、絶縁回路基板

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11157952A (ja) * 1997-11-27 1999-06-15 Denki Kagaku Kogyo Kk 接合体の製造方法
JP2002274964A (ja) * 2001-03-13 2002-09-25 Denki Kagaku Kogyo Kk 接合体の製造方法
JP2014090144A (ja) * 2012-10-31 2014-05-15 Denki Kagaku Kogyo Kk セラミック回路基板および製造方法
JP2016169111A (ja) * 2015-03-11 2016-09-23 デンカ株式会社 セラミックス回路基板

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003188310A (ja) 2001-12-18 2003-07-04 Denki Kagaku Kogyo Kk 電極端子付き回路基板の製造方法
US9504144B2 (en) 2012-02-01 2016-11-22 Mitsubishi Materials Corporation Power module substrate, power module substrate with heat sink, power module, method of manufacturing power module substrate, and copper member-bonding paste
JP2013179263A (ja) 2012-02-01 2013-09-09 Mitsubishi Materials Corp パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びパワーモジュール用基板の製造方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11157952A (ja) * 1997-11-27 1999-06-15 Denki Kagaku Kogyo Kk 接合体の製造方法
JP2002274964A (ja) * 2001-03-13 2002-09-25 Denki Kagaku Kogyo Kk 接合体の製造方法
JP2014090144A (ja) * 2012-10-31 2014-05-15 Denki Kagaku Kogyo Kk セラミック回路基板および製造方法
JP2016169111A (ja) * 2015-03-11 2016-09-23 デンカ株式会社 セラミックス回路基板

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113809016A (zh) * 2020-06-16 2021-12-17 禾伸堂企业股份有限公司 复合基板
CN112679220A (zh) * 2020-12-30 2021-04-20 中国电子科技集团公司第十三研究所 氮化硅陶瓷覆铜基板及其制备方法
CN115536422A (zh) * 2021-06-29 2022-12-30 贺利氏德国有限两合公司 用于产生金属-陶瓷基板的方法

Also Published As

Publication number Publication date
US11452204B2 (en) 2022-09-20
JPWO2018199060A1 (ja) 2020-02-27
WO2018199060A1 (ja) 2018-11-01
EP3618107A4 (en) 2020-04-08
EP3618107A1 (en) 2020-03-04
US20200128664A1 (en) 2020-04-23
KR102516917B1 (ko) 2023-03-31
KR20200004799A (ko) 2020-01-14
JP7144405B2 (ja) 2022-09-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110537256A (zh) 陶瓷电路基板及其制造方法和使用了该陶瓷电路基板的组件
KR100353385B1 (ko) 질화알루미늄 소결체 및 그 제조방법
EP3632879B1 (en) Ceramic circuit board and method of production
TWI357788B (zh)
KR20130135965A (ko) 세라믹스 회로 기판
KR20130137029A (ko) 세라믹스 회로 기판
JPWO2019022133A1 (ja) セラミックス回路基板及びその製造方法
JP2016169111A (ja) セラミックス回路基板
KR100244823B1 (ko) 질화규소 세라믹회로기판 및 이것을 이용한 반도체장치
JP2022161988A (ja) セラミックス回路基板及びその製造方法
JP2008098511A (ja) セラミックス回路基板およびこれを用いた半導体モジュール
JP2017065935A (ja) セラミックス回路基板
EP3799965A1 (en) Metallized ceramic substrate and method for manufacturing same
JP3618422B2 (ja) 高強度回路基板およびその製造方法
JP3948797B2 (ja) 炭化珪素質複合体の製造方法
JP2004055577A (ja) アルミニウム−炭化珪素質板状複合体
EP4015486B1 (en) Ceramic substrate, circuit board and method for producing same, and power module
JPH10251069A (ja) 窒化珪素回路基板及び半導体装置
JPH0964235A (ja) 窒化けい素回路基板
JP4116656B2 (ja) 高強度回路基板およびその製造方法
JP2001294494A (ja) 金属セラミックス複合体および放熱部材
JP2008053390A (ja) 窒化アルミニウム多層基板
JPH11147767A (ja) 窒化アルミニウム焼結体の製造方法
JPH0579626B2 (zh)
JPH10251066A (ja) 回路基板用窒化アルミニウム焼結体の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination