JP2000349405A - Circuit board and manufacture thereof - Google Patents

Circuit board and manufacture thereof

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JP2000349405A
JP2000349405A JP16200799A JP16200799A JP2000349405A JP 2000349405 A JP2000349405 A JP 2000349405A JP 16200799 A JP16200799 A JP 16200799A JP 16200799 A JP16200799 A JP 16200799A JP 2000349405 A JP2000349405 A JP 2000349405A
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aluminum nitride
alloy
nitride substrate
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猛 後藤
Nobuyuki Yoshino
信行 吉野
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康人 伏井
Yoshihiko Tsujimura
好彦 辻村
Katsunori Terano
克典 寺野
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To stably provide a highly reliable circuit board at a low cost, in which a circuit and a radiating plate composed of Al or Al alloy are formed on an aluminum nitride board. SOLUTION: In a circuit board, in which a circuit is formed on one surface of an aluminum nitride board and a radiating plate is formed on the other surface, thermal conductivity of the aluminum nitride board is 130 W/mK or higher, and the X-ray peak intensity ratio of the surface by CuKα is 3<=Y2 O3.Al2O3/AlN<=18, 2Y2O3.Al2O3/AlN<=3. The material of the circuit and the radiating plate is Al and/or Al alloy. The circuit and the radiating plate are bonded to the aluminum nitride board by heat treatment of a metal powder paste containing Al, Si and Mg.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、パワーモジュール
等に使用される回路基板及びその製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a circuit board used for a power module or the like and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、パワーモジュール等に利用される
半導体装置においては、アルミナ、ベリリア、窒化ケイ
素、窒化アルミニウム等のセラミックス基板の表裏面
に、Cu、Al、それらの金属を成分とする合金等の回
路と放熱板とが形成されてなる回路基板が用いられてい
る。このような回路基板は、樹脂と金属の複合基板や樹
脂基板よりも、高絶縁性が安定して得られることが特長
である。
2. Description of the Related Art Conventionally, in a semiconductor device used for a power module or the like, Cu, Al, alloys containing these metals as components, etc. are formed on the front and back surfaces of a ceramic substrate such as alumina, beryllia, silicon nitride, and aluminum nitride. A circuit board formed with the above circuit and a heat sink is used. Such a circuit board is characterized in that higher insulating properties can be obtained more stably than a resin-metal composite board or a resin board.

【0003】セラミックス基板と回路又は放熱板の接合
方法としては、大別してろう材を用いたろう付け法とろ
う材を用いない方法がある。後者の代表的な方法が、タ
フピッチ銅板とアルミナをCu−Oの共晶点を利用して
接合するDBC法である。
[0003] As a method of joining a ceramic substrate and a circuit or a heat radiating plate, there are roughly two methods: a brazing method using a brazing material and a method using no brazing material. A typical method of the latter is a DBC method in which a tough pitch copper plate and alumina are joined using a eutectic point of Cu-O.

【0004】しかし、回路又は放熱板の材質がCuであ
る場合は、セラミックス基板や半田との熱膨張差に起因
する熱応力の発生は避けられず、繰り返しの熱履歴によ
ってセラミックス基板や半田にクラックが発生し、高信
頼性が十分でなくなる。これに対して、熱伝導性や電気
伝導性ではややCuに劣るものの、Alを回路及び放熱
板(以下、回路及び放熱板の両者を「回路等」ともい
う。)の材質に選定すれば、熱応力を受けても容易に塑
性変形するのでセラミックス基板や半田へかかる応力は
緩和され、信頼性が飛躍的に改善される。
However, when the material of the circuit or the heat radiating plate is Cu, the generation of thermal stress due to the difference in thermal expansion between the ceramic substrate and the solder is unavoidable. Occurs and the high reliability is not sufficient. On the other hand, although Al is slightly inferior in heat conductivity and electric conductivity to Al, if Al is selected as a material of a circuit and a heat sink (hereinafter, both the circuit and the heat sink are also referred to as “circuits”), Even if it receives a thermal stress, it is easily plastically deformed, so that the stress applied to the ceramic substrate and the solder is alleviated, and the reliability is dramatically improved.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Alの
問題点は、高価であることである。Alによる回路等の
形成方法には、(1)溶融アルミニウムをセラミックス基
板に接触・冷却して両者の接合体を製造した後、Al板
を機械研削して厚みを整え、その後エッチングする溶湯
法、(2)Al箔又はAl合金箔をろう付けしてからエッ
チングする方法があるが、両者ともに通常のCuによる
回路等を形成する場合よりも2〜5倍程度のコストが必
要になる。このようなコスト高では、特殊用途以外には
広く普及する可能性が少ない。
However, a problem with Al is that it is expensive. A method of forming a circuit or the like using Al includes (1) a molten metal method in which molten aluminum is brought into contact with a ceramic substrate and cooled to produce a joined body thereof, and then the Al plate is mechanically ground to adjust its thickness, and then etched. (2) There is a method of etching after brazing an Al foil or an Al alloy foil, but in both cases, the cost is about 2 to 5 times that in the case of forming a circuit or the like using ordinary Cu. At such a high cost, it is unlikely that the product will be widely used for purposes other than special purposes.

【0006】生産効率の悪い溶湯法は別としても、ろう
付け法でAl回路等がCu回路等よりもコストアップす
る主な原因は、接合条件が非常に狭いことである。すな
わち、Alの溶融温度(660℃)と接合温度(例えば、
最も一般的なろう材であるAl−Si系の場合は、63
0〜650℃程度)とが近いため、局部的にAlが溶融
してろう接欠陥(すなわち、回路等に生じた虫食い現
象)が生じ易いので、それを防いで製造するにはかなり
の熟練と労力が必要となる。
[0007] Apart from the molten metal method, which has low production efficiency, the main cause of the increase in the cost of the Al circuit or the like over the Cu circuit or the like by the brazing method is that the bonding conditions are extremely narrow. That is, the melting temperature of Al (660 ° C.) and the joining temperature (for example,
In the case of Al-Si system, which is the most common brazing material, 63
(About 0 to 650 ° C.), so that Al is locally melted and a brazing defect (that is, an insect-eating phenomenon that has occurred in a circuit or the like) is likely to occur. Requires labor.

【0007】また、薄い合金箔の入手が困難な点も問題
である。これまで提案された技術の多くは、その実施例
で合金箔が使用されているが、回路基板の接合に使用で
きる数十μm程度の薄い合金箔の市販品はない。これを
入手するには、特別注文で1トン以上のオーダーが必要
であり、実用化の検討すらが困難な状態である。
Another problem is that it is difficult to obtain a thin alloy foil. Many of the techniques proposed so far use alloy foils in their embodiments, but there is no commercially available thin alloy foil of about several tens of μm that can be used for bonding circuit boards. To obtain this, a special order of 1 ton or more is required, and it is difficult to consider the practical application.

【0008】本発明は、上記に鑑みてなされたものであ
り、これまで省みられなかったAl−Si−Mg系金属
粉末を接合材に用い、しかも特定の熱伝導率と表面特性
を有する窒化アルミニウム基板を用い、それを特定条件
で加圧をしながら接合すれば、Al回路等を容易に形成
できることを見いだし、更に鋭意検討を重ねて本発明を
完成させたものである。
[0008] The present invention has been made in view of the above, and uses an Al-Si-Mg-based metal powder, which has not been omitted so far, as a joining material, and has a specific thermal conductivity and surface characteristics. The inventors have found that an aluminum circuit and the like can be easily formed by applying pressure and bonding under specific conditions to form an Al circuit and the like, and the present inventors have made extensive studies and completed the present invention.

【0009】本発明の目的は、窒化アルミニウム基板に
Al又はAl合金の回路等が形成されてなる回路基板
を、その高信頼性を保持しつつ安価に提供することであ
る。
An object of the present invention is to provide a circuit board in which an aluminum or aluminum alloy circuit is formed on an aluminum nitride substrate while maintaining high reliability and at a low cost.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、窒
化アルミニウム基板の一方の面に回路、他方の面に放熱
板が形成されてなる回路基板において、上記窒化アルミ
ニウム基板が、熱伝導率130W/mK以上で、その表
面のCuKαによるX線ピーク強度比が、3≦Y23
Al23/AlN≦18、2Y23・Al23/AlN
≦3のものであり、上記回路及び放熱板の材質が、Al
及び/又はAl合金であり、しかも上記窒化アルミニウ
ム基板と上記回路及び放熱板との接合が、Al、Si及
びMgを含む金属粉末ペーストの熱処理によって行われ
ているものであることを特徴とする回路基板である。
That is, the present invention relates to a circuit board in which a circuit is formed on one surface of an aluminum nitride substrate and a radiator plate is formed on the other surface. / MK or more, the X-ray peak intensity ratio due to CuKα on the surface is 3 ≦ Y 2 O 3.
Al 2 O 3 / AlN ≦ 18, 2Y 2 O 3 .Al 2 O 3 / AlN
≦ 3, and the material of the circuit and the heat sink is Al
And / or an aluminum alloy, wherein the bonding between the aluminum nitride substrate and the circuit and the heat sink is performed by heat treatment of a metal powder paste containing Al, Si and Mg. It is a substrate.

【0011】また、本発明は、上記窒化アルミニウム基
板の表裏面に、上記金属粉ペーストを介して、Al及び
/又はAl合金のベタ板又はパターンを配置し、それ
を、最終接合温度よりも10〜30℃低い温度域におい
ては15分以上保持されるように昇温して最終接合温度
にまで高めた後、冷却し、必要に応じて、エッチングを
行い回路及び放熱板を形成する方法であって、少なくと
も400℃以上の温度域において、窒化アルミニウム基
板面と垂直方向に10〜100kgf/cm2の加圧を
行うことを特徴とする回路基板の製造方法である。
[0011] The present invention also provides a solid plate or pattern of Al and / or an Al alloy disposed on the front and back surfaces of the aluminum nitride substrate via the metal powder paste, and the solid plate or pattern is set at a temperature lower than the final bonding temperature by 10%. In a temperature range lower by about 30 ° C., the temperature is raised so as to be maintained for 15 minutes or more, the temperature is increased to the final bonding temperature, then cooled, and, if necessary, etched to form a circuit and a heat sink. A pressure of 10 to 100 kgf / cm 2 in a direction perpendicular to the surface of the aluminum nitride substrate at least in a temperature range of 400 ° C. or higher.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】以下、更に詳しく本発明を声明す
る。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

【0013】本発明の最大の特徴は、特定の熱伝導率と
表面特性を有する窒化アルミニウム基板と、Al−Si
−Mg系金属粉末とを、特定の条件で熱処理を行って、
Al又はAl合金を接合する点にある。
The most important feature of the present invention is that an aluminum nitride substrate having a specific thermal conductivity and surface characteristics,
-Heat treatment with Mg-based metal powder under specific conditions,
The point lies in joining Al or an Al alloy.

【0014】これまで、Al又はAl合金の接合におい
ては、それが金属−金属の接合にペーストを用いた報告
もあるが、セラミックス−金属の接合では、Al−Si
系、Al−Si−Mg系、Al−Ge系、Al−Si−
Ge系等の合金箔が用いられていた。しかしながら、合
金粉末自体は、いわゆるアトマイズ粉として製造法が十
分確立しており、組成も比較的自由に選べるうえ、数k
g〜数十kg単位で容易に入手でき、更には第三金属を
も付加できる利点がある。
In the past, in the case of Al or Al alloy bonding, there has been a report that a paste is used for metal-metal bonding, but in ceramic-metal bonding, Al-Si is used.
System, Al-Si-Mg system, Al-Ge system, Al-Si-
Ge-based alloy foils have been used. However, the alloy powder itself has a well-established production method as a so-called atomized powder, and its composition can be selected relatively freely.
There is an advantage that it can be easily obtained in units of g to several tens of kg, and that a third metal can be added.

【0015】本発明においては、そのような利点のある
金属粉末、特にAl−Si−Mg系合金粉末を用いるこ
とが第一の特徴である。Al−Si−Mg系をろう材と
して用いること自体は、特開平4−12554号公報に
記載されているが、それは合金箔であり、金属粉末では
ない。
The first feature of the present invention is to use a metal powder having such an advantage, particularly an Al-Si-Mg alloy powder. The use of Al-Si-Mg as a brazing material itself is described in JP-A-4-12554, but it is an alloy foil, not a metal powder.

【0016】現在の主流であるCu回路等を形成させた
回路基板においては、そのCu回路等の形成が金属粉末
ペーストを用いて行われていることが殆どであることか
らも解るように、ペースト法の方が、プロセス的に有利
である。例えば、パターン印刷ができるので、合金箔の
ようにハンドリングの不自由さをなくして、大きさ・形
状が選べるうえ、非接合部(わざと接合しないで回路を
浮かせた部分)を設けやすい利点がある。
In a circuit board on which a Cu circuit or the like, which is currently the mainstream, is formed, the formation of the Cu circuit or the like is almost always performed using a metal powder paste. The method is advantageous in terms of process. For example, since pattern printing can be performed, there is an advantage in that handling inconvenience unlike alloy foil can be eliminated, a size and a shape can be selected, and a non-joined portion (a portion where a circuit is floated without intentionally joining) is easily provided. .

【0017】本発明で使用される金属粉末は、金属粉中
の重量割合で、Siは4〜13%、Mgは0.5〜8%、
Alは85〜95%であることが好ましい。Siは、こ
の範囲内にないと融点が高くなって、接合に当たって均
一な溶融が困難となる。Mgは、接合の促進剤であり、
特に窒化アルミニウム基板に対する密着性を向上させて
安定した接合を行うことが可能となる。Mgが0.5%
未満では、その効果は不十分となり、また8%をこえる
と、AlやAl合金に拡散して硬化し、回路基板の熱履
歴に対する耐性が低下する。特に好ましくは、Si5〜
11%、Mg1〜6%で、しかもSi≧Mgである。
The metal powder used in the present invention is, by weight percentage in the metal powder, 4 to 13% of Si, 0.5 to 8% of Mg,
Al is preferably 85 to 95%. If Si is not within this range, the melting point will be high, making it difficult to perform uniform melting upon joining. Mg is a bonding promoter,
In particular, it is possible to improve the adhesion to the aluminum nitride substrate and to perform stable bonding. Mg is 0.5%
If it is less than 8%, the effect will be insufficient, and if it exceeds 8%, it will diffuse into Al and Al alloy and harden, and the resistance of the circuit board to the thermal history will decrease. Particularly preferably, Si5
11%, Mg 1 to 6%, and Si ≧ Mg.

【0018】本発明においては、Al−Si−Mg以外
に第三金属の付加は許容できる。不可避的な不純物は勿
論、JIS合金に混入している微量成分は何ら支障はな
い。また、融点降下作用を有するGe、Zn等、密着性
を向上させるためのBi、Ti等は、合計5%以内の範
囲で積極的に付加することができる。
In the present invention, the addition of a third metal other than Al-Si-Mg is permissible. Not to mention inevitable impurities, trace components mixed into the JIS alloy do not cause any problem. In addition, Bi, Ti, and the like for improving adhesion, such as Ge and Zn, which have a melting point lowering action, can be positively added within a total range of 5% or less.

【0019】金属粉末の粒度は、44μm下、平均径が
数μm〜20μm程度であることが好ましい。また、金
属粉末の混入酸素量はできるだけ低いことが好ましく、
1%以下、好ましくは0.7%以下、特に好ましくは0.
5%以下である。
The particle size of the metal powder is preferably 44 μm, and the average diameter is preferably several μm to 20 μm. Further, it is preferable that the mixed oxygen amount of the metal powder is as low as possible,
1% or less, preferably 0.7% or less, particularly preferably 0.1% or less.
5% or less.

【0020】金属粉末は、単身金属粉末の混合粉末であ
ってもよく、また合金粉末あってもよいが、Mg単身で
は、非常に酸化され易く取り扱いが難しいので、Al及
び/又はSiとの合金として用いることが好ましい。
The metal powder may be a mixed powder of a single metal powder or an alloy powder. However, Mg alone is very easily oxidized and difficult to handle, so that an alloy with Al and / or Si is used. It is preferable to use them.

【0021】金属粉末のペーストは、金属粉末に、有機
バインダーや溶剤、更には必要に応じて、還元剤や清浄
化剤等も加えて混合することによって調製することがで
きる。有機バインダーとしては、モノマー分解するアク
リル系のポリマー、溶剤としてはイソホロンやテレピネ
オール等が代表的な例である。また、還元剤や清浄化剤
としては、NaCl、KCl、LiCl、ZnCl2
KF、AlF3等の塩化物、フッ化物並びに水素化チタ
ンが良く知られている。
The metal powder paste can be prepared by adding an organic binder, a solvent, and, if necessary, a reducing agent or a cleaning agent to the metal powder and mixing them. A typical example of the organic binder is an acrylic polymer that decomposes monomers, and examples of the solvent are isophorone and terpineol. Further, as a reducing agent or a cleaning agent, NaCl, KCl, LiCl, ZnCl 2 ,
Chloride such as KF and AlF 3 , fluoride and titanium hydride are well known.

【0022】金属粉末ペーストの塗布は、スクリーン印
刷、ロールコーティング等によって行うことができる。
金属粉末ペーストは、窒化アルミニウム基板側、Al又
はAl合金側、又はその両方に塗布することができる。
The application of the metal powder paste can be performed by screen printing, roll coating, or the like.
The metal powder paste can be applied to the aluminum nitride substrate side, Al or Al alloy side, or both.

【0023】本発明の第二の特徴は、セラミックス基板
として、熱伝導率が130W/mK以上で、しかもその
表面のCuKαによるX線ピーク強度比が、4≦Y23
・Al23/AlN≦20、2Y23・Al23/Al
N≦3の表面特性を有する窒化アルミニウム基板を用い
るである。これによって、高熱伝導性の窒化アルミニウ
ム基板を、その酸化処理等の煩雑な表面処理を施さなく
とも、Al又はAl合金に十分な大きさで接合させるこ
とができるようになる。
The second feature of the present invention is that the ceramic substrate has a thermal conductivity of 130 W / mK or more and the surface has an X-ray peak intensity ratio of 4 ≦ Y 2 O 3 due to CuKα.
・ Al 2 O 3 / AlN ≦ 20, 2Y 2 O 3 .Al 2 O 3 / Al
An aluminum nitride substrate having a surface characteristic of N ≦ 3 is used. Accordingly, the aluminum nitride substrate having high thermal conductivity can be bonded to Al or an Al alloy with a sufficient size without performing complicated surface treatment such as oxidation treatment.

【0024】本発明で使用される窒化アルミニウム基板
は、Y23を焼結助剤として焼成されたものであり、そ
の表面相は、AlN以外に、Y23−Al23系の2Y
23・Al23、Y23・Al23、3Y23・5Al
23等がある。このうち、Al−Si−Mg系金属粉と
良好に接合するのは、Y23・Al23、3Y23・5
Al23であり、2Y23・Al23はろう材との濡れ
性があまり良くない。一方、Y23・Al23はあまり
多量にあると、抗折強度が低下するので、3≦Y23
Al23/AlN≦18で、2Y23・Al23/Al
N≦3、好ましくは、4≦Y23・Al23/AlN≦
16で、2Y23・Al23/AlN≦2であることが
重要なことである。
The aluminum nitride substrate used in the present invention is a substrate fired using Y 2 O 3 as a sintering aid, and has a surface phase of Y 2 O 3 —Al 2 O 3 system other than AlN. 2Y
2 O 3 · Al 2 O 3 , Y 2 O 3 · Al 2 O 3 , 3Y 2 O 3 · 5Al
2 O 3 and the like. Of these, Y 2 O 3 · Al 2 O 3 , 3Y 2 O 3 · 5
An Al 2 O 3, 2Y 2 O 3 · Al 2 O 3 has a not very good wettability with the brazing material. On the other hand, if the amount of Y 2 O 3 .Al 2 O 3 is too large, the transverse rupture strength decreases, so that 3 ≦ Y 2 O 3.
Al 2 O 3 / AlN ≦ 18, 2Y 2 O 3 .Al 2 O 3 / Al
N ≦ 3, preferably 4 ≦ Y 2 O 3 .Al 2 O 3 / AlN ≦
In 16 it is important that 2Y 2 O 3 .Al 2 O 3 / AlN ≦ 2.

【0025】本発明において、CuKαによるX線の強
度比は、AlN(101)面、2Y23・Al23(2
01)面、Y23・Al23(121)面、3Y23
5Al23(321)面の回折線強度比を100倍した
値を採用する。これらの値を上記範囲内とするための具
体的な方法は、(a)原料粉中のAl23分とY23
組成比、(b)焼成前(脱脂後)までの酸素増加量、
(c)焼成温度等である。
In the present invention, the intensity ratio of X-rays by CuKα is expressed as AlN (101) plane, 2Y 2 O 3 .Al 2 O 3 (2
01) plane, Y 2 O 3 .Al 2 O 3 (121) plane, 3Y 2 O 3.
A value obtained by multiplying the diffraction line intensity ratio of the 5Al 2 O 3 (321) plane by 100 is adopted. Specific methods for keeping these values within the above range include (a) the composition ratio of Al 2 O 3 component and Y 2 O 3 component in the raw material powder, and (b) oxygen before firing (after degreasing). Increase amount,
(C) firing temperature and the like.

【0026】例えば、2Y23・Al23が多い場合に
は、相対的にAl23分を増やせば良いので、酸素量の
多い原料AlNを使用したり、Al23を添加したり、
23分を減らす等の手段をとる。一方、Y23・Al
23が多い場合には、Y2 3の添加量を減らすか、焼成
温度を下げる。その他、脱脂を空気中で行えばAl23
分を増加させることができる。
For example, 2YTwoOThree・ AlTwoOThreeWhen there are many
Is relatively AlTwoOThreeYou only need to increase the amount
Use a lot of raw material AlNTwoOThreeOr add
YTwoOThreeTake measures such as reducing the minutes. On the other hand, YTwoOThree・ Al
TwoOThreeIf there are many, YTwoO ThreeReduce the amount of addition or baking
Decrease temperature. In addition, if degreasing is performed in air, AlTwoOThree
Minutes can be increased.

【0027】本発明の第三の特徴は、熱処理条件であ
り、特定条件下、加圧をしながら行われる。すなわち、
最終接合温度よりも10〜30℃低い温度域においては
少なくとも15分保持できるように昇温しながら最終接
合温度にまで高め、その後冷却する。最終接合温度は、
ペーストの合金組成、Al又はAl合金の種類、回路基
板の大きさ・形状等によって異なるが、およそ560〜
610℃である。
The third feature of the present invention is a heat treatment condition, which is performed under specific conditions while applying pressure. That is,
In a temperature range of 10 to 30 ° C. lower than the final bonding temperature, the temperature is raised to the final bonding temperature while maintaining the temperature for at least 15 minutes, and then cooled. The final joining temperature is
It depends on the alloy composition of the paste, the type of Al or Al alloy, the size and shape of the circuit board, etc.
610 ° C.

【0028】本発明においては、接合材として、Al−
Si−Mg系金属粉末を用いており、Mg成分の上記接
合の促進作用を十分に発現させるためには、Mgの蒸気
圧が高い温度域ではその状態を保持、又はゆっくりと通
過させれば良い。しかし、あまり高温では、Al中のM
gの拡散が進んで硬化が著しくなるので、最終接合温度
よりも、10〜30℃低い温度域において、15分以
上、好ましくは15〜90分、特に15〜60分の保持
が適切である。
In the present invention, Al-
Since the Si-Mg-based metal powder is used, in order to sufficiently exert the above-described bonding promoting action of the Mg component, the state may be maintained or passed slowly in a temperature range where the vapor pressure of Mg is high. . However, at very high temperatures, M in Al
Since the diffusion of g progresses and the curing becomes remarkable, it is appropriate to hold for 15 minutes or more, preferably 15 to 90 minutes, particularly 15 to 60 minutes in a temperature range 10 to 30 ° C. lower than the final bonding temperature.

【0029】この場合、特に重要なことは、少なくとも
400℃の温度域においては、窒化アルミニウム基板面
と垂直方向に10〜100kgf/cm2の圧力を加え
ることである。Al又はAl合金は、300〜350℃
で焼き鈍しされることからもわかるように、500℃以
上では非常に柔らかい金属となる。従って、上記ろう接
欠陥が生じても、この温度域で加圧をすることによって
欠陥部は押しつぶされてなくなる。
In this case, it is particularly important to apply a pressure of 10 to 100 kgf / cm 2 in a direction perpendicular to the aluminum nitride substrate surface at least in a temperature range of 400 ° C. Al or Al alloy is 300-350 ° C
As can be seen from the fact that the metal is annealed at a temperature of 500 ° C. or more, it becomes a very soft metal. Therefore, even if the above-mentioned soldering defect occurs, the defect is not crushed by applying pressure in this temperature range.

【0030】通常、回路基板の製造において、金属板と
セラミックス基板の接合時に重しを載せて加圧すること
が行われているが、その圧力はせいぜい0.1kgf/
cm 2程度である。この程度の圧力では、セラミックス
基板の比較的緩やかな反りやうねりにしか金属板は追随
できない。これに対し、本発明においては、10〜10
0kgf/cm2と従来技術では非常識な高い圧力をか
ける。これによって、窒化アルミニウム基板に特に厳し
い平滑度や平面度を求めることなく、通常のレベルのも
のでもそのまま使用することができ、接合性と生産性が
向上する。
Usually, in the manufacture of a circuit board, a metal plate and
Applying weight and pressing when joining ceramic substrates
The pressure is at most 0.1 kgf /
cm TwoIt is about. At this level of pressure, ceramics
The metal plate follows only the relatively gentle warpage and undulation of the substrate
Can not. In contrast, in the present invention, 10 to 10
0kgf / cmTwoAnd insane high pressure with conventional technology
I can. This makes the aluminum nitride substrate particularly stringent.
Without the need for smoothness and flatness,
It can be used as it is, and joining and productivity
improves.

【0031】加圧方向は、窒化アルミニウム基板に垂直
な方向であり、その方法等は特に限定するものではな
い。上記のように重しを載せる方法、治具等を用いて機
械的に挟み込む方法等が採用される。
The pressing direction is a direction perpendicular to the aluminum nitride substrate, and the method and the like are not particularly limited. As described above, a method of placing a weight, a method of mechanically sandwiching with a jig or the like, and the like are adopted.

【0032】本発明においては、Al又はAl合金を接
合した後の工程については、特に制約はない。Al又は
Al合金のベタ板を接合した場合は、通常のレジスト、
エッチング工程によって回路等を形成させる。これに対
し、Al又はAl合金の回路等のパターンを接合した場
合には、接合された段階で回路等が窒化アルミニウム基
板に形成されているので、特別な処理は不要である。
In the present invention, there is no particular limitation on the steps after joining Al or Al alloy. When a solid plate of Al or Al alloy is joined, a normal resist,
A circuit or the like is formed by an etching process. On the other hand, when a pattern such as a circuit of Al or an Al alloy is joined, a circuit or the like is formed on the aluminum nitride substrate at the stage of joining, so that no special treatment is required.

【0033】上記方法によれば、窒化アルミニウム基板
の一方の面に回路、他方の面に放熱板が形成されてなる
回路基板において、上記窒化アルミニウム基板が、熱伝
導率130W/mK以上で、その表面のCuKαによる
X線ピーク強度比が、3≦Y23・Al23/AlN≦
18、2Y23・Al23/AlN≦3のものであり、
上記回路及び放熱板の材質が、Al及び/又はAl合金
であり、しかも上記窒化アルミニウム基板と上記回路及
び放熱板との接合が、Al、Si及びMgを含む金属粉
末ペーストの熱処理によって行われた、本発明の回路基
板となる。
According to the above method, in a circuit board in which a circuit is formed on one surface of the aluminum nitride substrate and a heat sink is formed on the other surface, the aluminum nitride substrate has a thermal conductivity of 130 W / mK or more. When the X-ray peak intensity ratio of CuKα on the surface is 3 ≦ Y 2 O 3 .Al 2 O 3 / AlN ≦
Is of 18,2Y 2 O 3 · Al 2 O 3 / AlN ≦ 3,
The material of the circuit and the heat sink is Al and / or an Al alloy, and the bonding between the aluminum nitride substrate and the circuit and the heat sink is performed by heat treatment of a metal powder paste containing Al, Si, and Mg. , The circuit board of the present invention.

【0034】[0034]

【実施例】以下、実施例と比較例をあげて更に具体的に
本発明を説明する。
The present invention will be described more specifically below with reference to examples and comparative examples.

【0035】実施例1〜4、比較例1〜3Examples 1-4, Comparative Examples 1-3

【0036】使用した窒化アルミニウム基板は、厚み
0.635mmで、大きさは2インチ角である。そのX
線回折による表面相を表1に示す。金属板は、Al板1
085材の0.5mmである。接合は真空中10-3Pa
で行った。他の条件は、表1に示す。
The aluminum nitride substrate used had a thickness of 0.635 mm and a size of 2 inch square. That X
Table 1 shows the surface phases obtained by the line diffraction. Metal plate is Al plate 1
085 material of 0.5 mm. Bonding is 10 -3 Pa in vacuum
I went in. Other conditions are shown in Table 1.

【0037】各試料は、窒化アルミニウム基板の表裏面
に接合材を介してAl板を配置し、それをホットプレス
装置により、窒化アルミニウム基板に垂直方向に均等に
加圧した。
For each sample, an Al plate was arranged on the front and back surfaces of the aluminum nitride substrate via a bonding material, and the aluminum plate was uniformly pressed in a vertical direction on the aluminum nitride substrate by a hot press device.

【0038】接合材は、(a)Al−9.5%Si−1
%Mg合金箔(50μm厚)、(b)Al−15%Ge
合金箔(50μm厚)、(c)Al−10%Si−5%M
gをN2中で平均径10μmにアトマイズした金属粉末
のペースト、(d)Al−7%Si−4%MgをN2
で平均径8μmにアトマイズした金属粉末のペースト、
(e)Al−3.3%MgをN2中で平均径20μmにア
トマイズした金属粉末に平均径5μmのSi粉末を、A
l−6%Si−3%Mgとなるように配合した金属粉末
のペーストである。
The bonding material is (a) Al-9.5% Si-1
% Mg alloy foil (50 μm thick), (b) Al-15% Ge
Alloy foil (50 μm thick), (c) Al-10% Si-5% M
g of N 2 metal powder atomized to an average diameter of 10μm in the paste, (d) Al-7% Si-4% Mg average diameter 8μm the atomized metal powder paste in N 2,
(E) A metal powder obtained by atomizing Al-3.3% Mg to an average diameter of 20 μm in N 2 was mixed with a Si powder having an average diameter of 5 μm,
This is a metal powder paste blended to be 1-6% Si-3% Mg.

【0039】接合体は、100枚づつ作製して、軟X線
を用い、3倍に拡大して接合不良とろう接欠陥を検出し
た。検出下限は0.3mmφ程度である。
The bonded bodies were manufactured 100 by 100, and three times enlarged using soft X-rays to detect poor bonding and brazing defects. The lower limit of detection is about 0.3 mmφ.

【0040】更に、接合体の各10枚を抜き取って、周
囲2mmをFeCl3液でエッチングし、無電解Ni−
Pメッキを5μm施して回路基板とし、−40℃、30
分→室温、10分→125℃、30分→室温、10分を
1サイクルとして3000サイクルの熱履歴試験を実施
した。試験後の回路基板について、膨れ、剥がれ等の外
観異常をチェックした後、回路及び放熱板を溶解除去
し、窒化アルミニウム基板のクラックの発生状況をイン
クテスト法(レッドチェック)で調べた。それらの結果を
表2に示す。
Further, 10 sheets of each of the joined bodies were extracted, and the surrounding 2 mm was etched with a FeCl 3 solution to form an electroless Ni—
P plating is performed at 5 μm to form a circuit board.
A heat history test of 3000 cycles was performed with one cycle of minutes → room temperature, 10 minutes → 125 ° C., 30 minutes → room temperature, 10 minutes. After checking the appearance abnormality such as swelling and peeling of the circuit board after the test, the circuit and the radiator plate were dissolved and removed, and the occurrence of cracks in the aluminum nitride substrate was examined by an ink test method (red check). Table 2 shows the results.

【0041】[0041]

【表1】 [Table 1]

【0042】[0042]

【表2】 [Table 2]

【0043】表1、表2から明らかなように、本発明の
実施例では、いずれも良好な接合状態を示したのに対し
て、比較例では、不良が多発し、生産性の低い不安定な
接合であった。また、特性的に、驚くべきことに、本発
明の実施例はいずれも合金箔を用いた比較例よりも優れ
ていたことである。
As is clear from Tables 1 and 2, all of the examples of the present invention exhibited a good bonding state, whereas the comparative example had many failures and was unstable with low productivity. It was a good joint. In addition, surprisingly, all of the examples of the present invention were superior to the comparative example using the alloy foil.

【0044】[0044]

【発明の効果】本発明によれば、安価かつ安定して、窒
化アルミニウム基板にAl又はAl合金の回路及び放熱
板が形成された、高信頼性回路基板が得られる。
According to the present invention, it is possible to obtain a highly reliable circuit board in which an aluminum or aluminum alloy circuit and a radiator plate are formed on an aluminum nitride substrate stably at low cost.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 辻村 好彦 福岡県大牟田市新開町1 電気化学工業株 式会社大牟田工場内 (72)発明者 寺野 克典 福岡県大牟田市新開町1 電気化学工業株 式会社大牟田工場内 Fターム(参考) 4E351 AA09 BB01 BB31 BB38 CC11 CC22 CC31 CC40 DD10 DD28 DD52 DD60 GG04 4G026 BA16 BB27 BF31 BF33 BF44 BG02 BG03 BG06 BH07 5E338 AA18 BB63 BB71 BB75 EE02 EE31  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Yoshihiko Tsujimura 1 Shinkaicho, Omuta-shi, Fukuoka Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd. Inside the Omuta plant (72) Inventor Katsunori Terano 1 Shinkaicho, Omuta-shi Fukuoka 1 Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd. F-term in Omuta factory (reference) 4E351 AA09 BB01 BB31 BB38 CC11 CC22 CC31 CC40 DD10 DD28 DD52 DD60 GG04 4G026 BA16 BB27 BF31 BF33 BF44 BG02 BG03 BG06 BH07 5E338 AA18 BB63 BB71 BB75 EE02 EE31

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 窒化アルミニウム基板の一方の面に回
路、他方の面に放熱板が形成されてなる回路基板におい
て、上記窒化アルミニウム基板が、熱伝導率130W/
mK以上で、その表面のCuKαによるX線ピーク強度
比が、3≦Y2 3・Al23/AlN≦18、2Y23
・Al23/AlN≦3のものであり、上記回路及び放
熱板の材質が、Al及び/又はAl合金であり、しかも
上記窒化アルミニウム基板と上記回路及び放熱板との接
合が、Al、Si及びMgを含む金属粉末ペーストの熱
処理によって行われているものであることを特徴とする
回路基板。
1. The method according to claim 1, further comprising the step of:
Circuit board with a heat sink formed on the other side
The aluminum nitride substrate has a thermal conductivity of 130 W /
Above mK, X-ray peak intensity of CuKα on the surface
The ratio is 3 ≦ YTwoO Three・ AlTwoOThree/ AlN ≦ 18,2YTwoOThree
・ AlTwoOThree/ AlN ≦ 3.
The material of the hot plate is Al and / or an Al alloy, and
Contact between the aluminum nitride substrate and the circuit and heat sink
When the heat of the metal powder paste containing Al, Si and Mg
Characterized by being performed by processing
Circuit board.
【請求項2】 請求項1記載の窒化アルミニウム基板の
表裏面に、請求項1記載の金属粉ペーストを介して、A
l及び/又はAl合金のベタ板又はパターンを配置し、
それを、最終接合温度よりも10〜30℃低い温度域に
おいては15分以上保持されるように昇温して最終接合
温度にまで高めた後、冷却し、必要に応じて、エッチン
グを行い回路及び放熱板を形成する方法であって、少な
くとも400℃以上の温度域において、窒化アルミニウ
ム基板面と垂直方向に10〜100kgf/cm2の加
圧を行うことを特徴とする回路基板の製造方法。
2. The method according to claim 1, wherein the metal powder paste is provided on the front and back surfaces of the aluminum nitride substrate according to claim 1.
Placing a solid plate or pattern of l and / or Al alloy,
In a temperature range of 10 to 30 ° C. lower than the final bonding temperature, the temperature is raised so as to be maintained for 15 minutes or more to raise the temperature to the final bonding temperature, then cooled, and if necessary, etched to perform circuit etching. And a method of forming a heat sink, wherein a pressure of 10 to 100 kgf / cm 2 is applied in a direction perpendicular to the aluminum nitride substrate surface at least in a temperature range of 400 ° C. or more.
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JP2006225260A (en) * 2005-02-16 2006-08-31 Ngk Insulators Ltd Joined product and its manufacturing method

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