JP2004207449A - 複合基板及びその製造方法 - Google Patents
複合基板及びその製造方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2004207449A JP2004207449A JP2002373991A JP2002373991A JP2004207449A JP 2004207449 A JP2004207449 A JP 2004207449A JP 2002373991 A JP2002373991 A JP 2002373991A JP 2002373991 A JP2002373991 A JP 2002373991A JP 2004207449 A JP2004207449 A JP 2004207449A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- metal member
- ceramic substrate
- bonding material
- bonding
- concave portion
- 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
Links
Images
Landscapes
- Ceramic Products (AREA)
Abstract
【課題】寸法精度及び生産性に優れた複合基板とその製造方法を提供する。
【解決手段】セラミック基板3と、該セラミック基板3との接合面に凹部2が形成された金属部材1と、該凹部2に設けられた接合材4とを具備し、該接合材4によって前記セラミック基板3と前記金属部材1とが接合されてなることを特徴とする複合基板。
【選択図】図1
【解決手段】セラミック基板3と、該セラミック基板3との接合面に凹部2が形成された金属部材1と、該凹部2に設けられた接合材4とを具備し、該接合材4によって前記セラミック基板3と前記金属部材1とが接合されてなることを特徴とする複合基板。
【選択図】図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属部材とセラミック基板との複合基板及びその製造方法に関するものであり、詳細にはパワーモジュール等の放熱性や大電流許容配線を必要とする分野に好適に用いることのできる複合基板及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来技術】
従来、パワーモジュール等の放熱性や大電流許容配線を必要とする複合基板は、セラミック基板の表面に、Cu板やAl板などの金属部材をCuAg系ろう材やAl系ろう材を用いて接合されたものが知られている。
【0003】
例えば、放熱性を向上させるため、ヒートシンク材などの熱伝導性に優れた金属材と回路基板を半田等で接合することが知られている(例えば、特許文献1、2参照)。
【0004】
ところが、接合温度が高い場合、熱膨張係数の違いにより、反りや変形が発生する。これを抑制するためこれらの対策として、Sn系、In系及びZn系のろうや半田を用いて接合温度を下げることにより、熱膨張差で発生する残留応力を抑え、信頼性の向上を計っている(例えば、特許文献3、4参照)。
【0005】
【特許文献1】
特開平4−12554号公報
【特許文献2】
特開平6−53624号公報
【特許文献3】
特開平7−14940号公報
【特許文献4】
特開平2002−222905号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献3、4に記載の方法では、ろう材や半田等の接合材を金属部材とセラミック基板との間に挿入して熱処理を行い、接合後には接合層が形成するため、接合材を完全に溶融させてセラミック基板と金属部材を接合しようとする場合、接合材の溶融時に接合しようとしているセラミック基板や金属部材が動いて所定接合位置からずれ、または、セラミック基板や金属部材の傾きによって接合材の厚みが不均一となり、寸法精度が低下するという問題があった。
【0007】
また、セラミック基板や金属部材の移動を防止したり、接合材の厚みを一定にするためには、特殊な冶具を用いることもできるが、手間がかかって生産性が低くなるという問題があった。
【0008】
従って、本発明は、セラミック基板と金属部材とが接合され、寸法精度及び生産性に優れた複合基板とその製造方法を提供することを目的とするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、表面に凹部を有する金属部材とセラミック基板とを、該凹部に充填された接合材を介して接合することにより、接合材が溶融しても位置ずれの抑制が可能で、寸法精度に優れ、しかも接合が容易な複合基板を実現できるとの知見に基づく。
【0010】
即ち、本発明の複合基板は、セラミック基板と、該セラミック基板との接合面に凹部が形成された金属部材と、該凹部に設けられた接合材とを具備し、該接合材によって前記セラミック基板と前記金属部材とが接合されてなることを特徴とするものである。凹部に設けられた接合材がセラミック基板と金属部材とを接合し、しかも接合材の主たる部分が凹部に保持されるため、セラミック基板や金属部材の移動を防止し、接合材の厚みが不均一になることを防止し、寸法制度を高めることができ、しかも接合が容易である。
【0011】
特に、前記金属部材がCu及び/又はAlを主成分とすることが好ましい。このようにCuやAlを用いることによって、熱伝導性、電気伝導性に優れ、且つ、加工しやすいため容易に凹形状を形成することができる。
【0012】
また、前記接合材が、In、Sn、Pb、Ag、Cu及びAlのうち少なくとも1種を含むことが好ましい。接合温度が800℃前後では、Ag及びCuを主成分とする接合材が好ましく、600℃前後ではAlを主成分とする接合材が好ましく、400℃以下ではIn、Sn及びPbの少なくとも1つを含む接合材が好適である。
【0013】
さらに、前記セラミック基板が、アルミナ、窒化珪素及び窒化アルミニウムのうち少なくとも1種からなることが好ましい。絶縁性、熱伝導性に優れるため、絶縁抵抗や熱放散性を必要とするパワーモジュール基板等の絶縁層に好適である。
【0014】
また、本発明の複合基板の製造方法は、金属部材の主面に形成された凹部に接合材を充填し、該接合材をセラミック基板と前記金属部材とで挟持するように、前記接合材と前記セラミック基板とを接触させながら熱処理を行なって前記金属部材と前記セラミック基板を接合することを特徴とするものであり、これにより、上記の複合基板を容易に得ることができる。
【0015】
特に、前記熱処理において、前記金属部材と前記セラミック基板との間に圧力を加えることが好ましい。これにより、接合界面の密着性が高まりボイドの少ない複合基板を得ることができる。
【0016】
【発明の実施の形態】
本発明を、図を用いて説明する。
【0017】
本発明は、図1に示したように、本発明で用いる金属部材1は、一方の主面に凹部2が形成されており、この凹部2に接合材4を充填し、セラミック基板3と接合されてなるものである。即ち、図2に示したように、金属部材1の主面に設けられた凹部2がセラミック基板3に当接するように、金属部材1がセラミック基板3の表面に設けられており、この凹部2に接合材4が充填され、金属部材1とセラミック基板3とが接合されていることが重要である。
【0018】
金属部材1に設けられた凹部2の深さTは、充填された接合材4が再現良く均一な厚みを確保できるように50μm以上、特に70μm以上が好ましい。また、金属部材1が大きい場合、例えば金属部材1の主面の一辺が10mm以上の正方形の場合や主面の直径が10mm以上の円形の場合、接合信頼性を確保するため、70μm以上、特に100μm以上が望ましい。
【0019】
金属部材1は、パワーモジュールのように大電流が配線基板に流れ、放熱量が大きい用途に用いられる場合、電気伝導及び熱伝導に優れているのが好ましく、さらに一方の主面に凹部2を容易に加工することができる材料が良い。また、低コストであるのがさらに好ましい。これらを考慮すると、Cu及び/又はAlを主成分とする金属であることが望しい。特に、電気伝導及び熱伝導に優れている点でCuを主成分とする金属が、凹部2の加工性に優れている点ではAlを主成分とする金属が望ましい。
【0020】
凹部2を含む金属部材1の表面は、図3に示したように、耐腐食性を高めるとともに、接合材4との濡れ性を向上させるため、Ni、Cu及びSnのうち少なくとも1種からなるメッキ層5が形成されているのが良い。例えば、CuAg系、Al系ろうで接合する場合はNi、Cuがメッキ層5として好適であり、In、Sn、Pb系ろうで接合する場合はSnがメッキ層5として好適である。
【0021】
上記メッキ層5の厚みは、十分な腐食性を確保し、高い密着性を保持するように、1〜30μm、特に5〜10μmであるのが良い。なお、耐腐食性を効果的に高めるため、上記のメッキ層5の表面に、メッキによってさらにAu層を形成するのが良い。
【0022】
金属部材1の形状は、平板(金属板)であっても、ブロックであっても、配線パターン形状であっても、更には冷却用のフィン形状等の複雑形状であっても良く、金属部材1の使用目的に従って決定すれば良い。
【0023】
セラミック基板3は、平板を形成できる材料であれば良いが、パワーモジュールのように大電流が配線基板に流れ、放熱量が大きい用途に用いられる場合、絶縁性、強度、及び熱伝導に優れていることが好ましく、さらに低コストであるのが良い。例えば、強度とコストの点ではアルミナが、高強度と高熱伝導性が必要な場合には窒化珪素が、さらに高い熱伝導性が必要な場合は窒化アルミニウムが好適である。
【0024】
セラミック基板3の接合材4との当接部には、メタライズ層6が形成されているのが良い。メタライズ層6の目的は、セラミック基板3の接合部を金属化して接合材4との濡れを向上させるためである。さらに、メタライズ層6の表面には、金属部材1の場合と同様に、耐腐食性や接合材4との濡れ性をさらに向上させるために、Ni、Cr及びSnのうち少なくとも1種の被覆層(図示せず)を設けることも可能である。
【0025】
接合材4は、In、Sn、Pb、Ag、Cu及びAlのうち少なくとも1種を含むことが好ましい。これらは、いずれも高い接合強度を実現することが可能であり、金属部材1及びセラミック基板3の材質と表面状態、接合材4の融点及び接合条件によって上記の元素を含む半田やろう材を選択すれば良い。
【0026】
具体的には、Inろう、Sn−Cuろう、Sn−Cu−Agろう、Pb半田、Au−Cuろう等を例示できるが、他のろう材も使用できることは言うまでもない。
【0027】
接合材4としてCuAg系、Al系ろうを用いる場合はNi又はCrを被覆層に用いることが望ましく、In、Sn、Pb系ろうを用いる場合はSnを被覆層に用いることが望ましい。特に、耐腐食性をさらに高めることが必要な場合は、被覆層の厚みを3μm以上にするか、被覆層上にAuめっきを施すことが望ましい。
【0028】
本発明において高い接合強度を得るためには、金属部材1の凹部2の底面2aの少なくとも50%以上、特に70%以上、更には85%以上が接合材4と接合していることが好ましい。
【0029】
次に、本発明の複合基板の製造方法について説明する。
【0030】
まず、金属部材1を用意し、凹部2を形成する。凹部2の形成方法はエッチング法や金型プレスによる機械加工等の公知の手法で所望の形状に加工すれば良い。また、耐腐食性を高めるとともに、接合材4との濡れ性を向上させて接合強度を高めるため、金属部材1の凹部2の底面2aや側面2bを含む内壁にメッキ層を形成しても良い。
【0031】
次に、セラミック基板3を準備する。セラミック基板3の製造方法は、公知のセラミック焼結体の製造方法を用いることができる。例えば、アルミナからなる原料粉末を混合してスラリーを作製し、このスラリーを用いてドクターブレード法やロールコンパクション法等の公知のセラミック成形方法によりグリーンシートを作製する。得られたグリーンシートの表面に、所望により導体ペーストを塗布し、積層の後に同時焼成によってメタライズ層6を形成する。
【0032】
さらに、所望により、メタライズ層6の表面に、In、Sn、Pb、Ag、Cu及びAlのうち少なくとも1種を含む金属を、メッキ法、スパッタリングやCVD(気相蒸着法)等の公知のコーティング方法によって被覆層を形成することができる。これらのうち、簡便で低コストである点でメッキ法が好ましい。
【0033】
ここで接合材4を準備する。接合材4の形状は、特に制限はないが、粉末、ペースト及び箔のうち少なくとも1種を用いることができ、均一に且つ確実に凹部2に充填できるため、ペースト又は箔が好ましい。特に、凹部2と略同一の形状に加工された接合材4を凹部2に挿入するのが良い。
【0034】
また、接合材4の選択に当っては、金属部材1とセラミック基板3との組合せを考慮し、さらに接合材4の融点及び接合部との良好な濡れ状態を形成する温度を選択する。接合温度が800℃前後では、Ag及びCuを主成分とする接合材4が好ましく、600℃前後ではAlを主成分とする接合材4が好ましく、400℃以下ではIn、Sn及びPbの少なくとも1つを含む接合材4が好ましい。
【0035】
また、構造が接合面に関して対称性に乏しい場合、例えば、セラミック基板3の一方の主面のみに金属部材1を接合する場合、残留応力による反りや変形の抑制が必要な場合、融点が400℃以下のSn、In、Pb系のろう材や半田を用いることが望ましい。
【0036】
次に、接合材4を凹部2に充填する。充填する接合材4の量は、その容積が凹部2の容積に略同一であることが好ましいが、接合材4の総容積が凹部2の容積以上であっても良い。
【0037】
金属部材1の凹部2に充填した接合材4がセラミック基板3又はその表面に設けられたメタライズ層6と当接するように、金属部材1の上にセラミック基板3を接触させ、所望により接合面に垂直な方向に加圧しながら加熱処理をして接合する。
【0038】
加熱処理は、AgCu系ろう材の場合、還元雰囲気で800〜900℃、Al系ろう材の場合、還元雰囲気で550℃〜660℃で熱処理する。また、接合部のボイドを低減したい場合は、1×10-4torr以上の減圧状態で熱処理するのが良い。
【0039】
【実施例】
実施例1
縦12mm、横22mm、厚さ0.2mmのCu板及びAl板を金属部材として準備した。この金属部材の主面に、金型プレス法によって縦10mm、横20mm、深さ70μmの凹部をそれぞれ金型プレス加工で形成した。
【0040】
次いで、凹部が形成された金属部材に無電解法で3μmのNiメッキ層を形成した。
【0041】
次に、厚さ0.3mmのアルミナグリーンシートの主面にタングステンペーストを塗布し、同時焼成することによって、表面にメタライズ層を具備するアルミナ基板を作製した。アルミナ基板の寸法は縦15mm、横25mmであった。
【0042】
次いで、このメタライズ層の表面に、電解法によって、Ni被覆層3μmを形成した。
【0043】
さらに、金属部材の凹部に、凹部の形状と略同一である厚さ50μmのIn系半田箔を埋設し、セラミック基板を、金属部材の凹部が形成されている主面に重ね合わせ、セラミック基板の上に圧力を加え、大気中雰囲気中200℃で熱処理を行って接合した。
【0044】
接合した試料を切断し、顕微鏡によって接合材の厚みを確認した。その結果、いずれの金属部材の場合でも、クラックや剥離といった異常は観られなかった。また、接合材の厚みも均一であり、寸法の大きなずれは見られなかった。
【0045】
また、接合した試料を−30℃〜120℃の冷熱サイクルを100サイクル行って熱負荷を与えた後、顕微鏡により金属部材とセラミック基板との接合界面を観察した。その結果、何らの異常も見られず、良好な接合状態を呈しており、寸法精度も良好であった。
実施例2
縦12mm、横22mm、厚さ0.3mmのCu板及びAl板を金属部材として準備した。この金属部材の主面に実施例1と同様にして深さ70μmの凹部をそれぞれ形成し、3μmのNiメッキ層を形成した。
【0046】
また、縦15mm、横25mm、厚さ0.3mmの窒化珪素基板を準備し、その主面にCVD(化学気相)法で0.1μmのCr層を形成した。
【0047】
次いで、金属部材の凹部にCuSn系のろうペーストを充填し、上記Cr層がろうペーストと接するように、セラミック基板を金属部材の凹部に重ね合わせ、しかる後に還元中雰囲気中400℃で熱処理を行った。
【0048】
実施例1と同様の方法で評価を行ったところ、異常は無く、良好な接合状態であった。
比較例1
実施例1と同じ形状のCu板及びAl板を準備し、凹部加工以外は実施例1と同様にして接合体を作製した。また、評価も実施例1と同様にして行った。その結果、凹部を形成していないため、接合材の厚みが20〜100μmとばらついており、金属部材に傾きが生じていた。また、所定の位置から最大500μm以上ずれていた。そして、冷熱サイクル後に、接合材の薄い部位にクラックが観察された。
比較例2
実施例2と同一形状のCu板及びAl板を準備し、凹部加工以外は実施例2と同様にして接合体を作製した。また、評価も実施例1と同様にして行った。その結果、凹部を形成していないため、接合材の厚みが10〜100μmとばらついており、金属部材に傾きを生じていた。また、所定の位置から最大500μm以上ずれていた。そして、冷熱サイクル後に、接合材の薄い部分の界面に剥離が観察された。
【0049】
【発明の効果】
本発明は、接合材が金属部材の凹部に充填されるため、接合を行なう金属部材及びセラミック基板が大きくなっても、特殊な冶具を使用する必要が無く、且つ高い寸法精度を実現することができる。しかも、特殊な治具や工程を要せずに均一なろう材厚みで接合することができるため、接合工程の生産性が高く、且つ接合信頼性に優れた複合基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に用いる金属部材の構造を示す概略断面図である。
【図2】本発明の複合基板の構造を示す概略断面図である。
【図3】本発明の複合基板の一部を拡大した概略断面図である。
【符号の説明】
1・・・金属部材
2・・・凹部
2a・・・凹部の底面
2b・・・凹部の側面
3・・・セラミック基板
4・・・接合材
5・・・メッキ層
6・・・メタライズ層
T・・・凹部2の深さ
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属部材とセラミック基板との複合基板及びその製造方法に関するものであり、詳細にはパワーモジュール等の放熱性や大電流許容配線を必要とする分野に好適に用いることのできる複合基板及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来技術】
従来、パワーモジュール等の放熱性や大電流許容配線を必要とする複合基板は、セラミック基板の表面に、Cu板やAl板などの金属部材をCuAg系ろう材やAl系ろう材を用いて接合されたものが知られている。
【0003】
例えば、放熱性を向上させるため、ヒートシンク材などの熱伝導性に優れた金属材と回路基板を半田等で接合することが知られている(例えば、特許文献1、2参照)。
【0004】
ところが、接合温度が高い場合、熱膨張係数の違いにより、反りや変形が発生する。これを抑制するためこれらの対策として、Sn系、In系及びZn系のろうや半田を用いて接合温度を下げることにより、熱膨張差で発生する残留応力を抑え、信頼性の向上を計っている(例えば、特許文献3、4参照)。
【0005】
【特許文献1】
特開平4−12554号公報
【特許文献2】
特開平6−53624号公報
【特許文献3】
特開平7−14940号公報
【特許文献4】
特開平2002−222905号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献3、4に記載の方法では、ろう材や半田等の接合材を金属部材とセラミック基板との間に挿入して熱処理を行い、接合後には接合層が形成するため、接合材を完全に溶融させてセラミック基板と金属部材を接合しようとする場合、接合材の溶融時に接合しようとしているセラミック基板や金属部材が動いて所定接合位置からずれ、または、セラミック基板や金属部材の傾きによって接合材の厚みが不均一となり、寸法精度が低下するという問題があった。
【0007】
また、セラミック基板や金属部材の移動を防止したり、接合材の厚みを一定にするためには、特殊な冶具を用いることもできるが、手間がかかって生産性が低くなるという問題があった。
【0008】
従って、本発明は、セラミック基板と金属部材とが接合され、寸法精度及び生産性に優れた複合基板とその製造方法を提供することを目的とするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、表面に凹部を有する金属部材とセラミック基板とを、該凹部に充填された接合材を介して接合することにより、接合材が溶融しても位置ずれの抑制が可能で、寸法精度に優れ、しかも接合が容易な複合基板を実現できるとの知見に基づく。
【0010】
即ち、本発明の複合基板は、セラミック基板と、該セラミック基板との接合面に凹部が形成された金属部材と、該凹部に設けられた接合材とを具備し、該接合材によって前記セラミック基板と前記金属部材とが接合されてなることを特徴とするものである。凹部に設けられた接合材がセラミック基板と金属部材とを接合し、しかも接合材の主たる部分が凹部に保持されるため、セラミック基板や金属部材の移動を防止し、接合材の厚みが不均一になることを防止し、寸法制度を高めることができ、しかも接合が容易である。
【0011】
特に、前記金属部材がCu及び/又はAlを主成分とすることが好ましい。このようにCuやAlを用いることによって、熱伝導性、電気伝導性に優れ、且つ、加工しやすいため容易に凹形状を形成することができる。
【0012】
また、前記接合材が、In、Sn、Pb、Ag、Cu及びAlのうち少なくとも1種を含むことが好ましい。接合温度が800℃前後では、Ag及びCuを主成分とする接合材が好ましく、600℃前後ではAlを主成分とする接合材が好ましく、400℃以下ではIn、Sn及びPbの少なくとも1つを含む接合材が好適である。
【0013】
さらに、前記セラミック基板が、アルミナ、窒化珪素及び窒化アルミニウムのうち少なくとも1種からなることが好ましい。絶縁性、熱伝導性に優れるため、絶縁抵抗や熱放散性を必要とするパワーモジュール基板等の絶縁層に好適である。
【0014】
また、本発明の複合基板の製造方法は、金属部材の主面に形成された凹部に接合材を充填し、該接合材をセラミック基板と前記金属部材とで挟持するように、前記接合材と前記セラミック基板とを接触させながら熱処理を行なって前記金属部材と前記セラミック基板を接合することを特徴とするものであり、これにより、上記の複合基板を容易に得ることができる。
【0015】
特に、前記熱処理において、前記金属部材と前記セラミック基板との間に圧力を加えることが好ましい。これにより、接合界面の密着性が高まりボイドの少ない複合基板を得ることができる。
【0016】
【発明の実施の形態】
本発明を、図を用いて説明する。
【0017】
本発明は、図1に示したように、本発明で用いる金属部材1は、一方の主面に凹部2が形成されており、この凹部2に接合材4を充填し、セラミック基板3と接合されてなるものである。即ち、図2に示したように、金属部材1の主面に設けられた凹部2がセラミック基板3に当接するように、金属部材1がセラミック基板3の表面に設けられており、この凹部2に接合材4が充填され、金属部材1とセラミック基板3とが接合されていることが重要である。
【0018】
金属部材1に設けられた凹部2の深さTは、充填された接合材4が再現良く均一な厚みを確保できるように50μm以上、特に70μm以上が好ましい。また、金属部材1が大きい場合、例えば金属部材1の主面の一辺が10mm以上の正方形の場合や主面の直径が10mm以上の円形の場合、接合信頼性を確保するため、70μm以上、特に100μm以上が望ましい。
【0019】
金属部材1は、パワーモジュールのように大電流が配線基板に流れ、放熱量が大きい用途に用いられる場合、電気伝導及び熱伝導に優れているのが好ましく、さらに一方の主面に凹部2を容易に加工することができる材料が良い。また、低コストであるのがさらに好ましい。これらを考慮すると、Cu及び/又はAlを主成分とする金属であることが望しい。特に、電気伝導及び熱伝導に優れている点でCuを主成分とする金属が、凹部2の加工性に優れている点ではAlを主成分とする金属が望ましい。
【0020】
凹部2を含む金属部材1の表面は、図3に示したように、耐腐食性を高めるとともに、接合材4との濡れ性を向上させるため、Ni、Cu及びSnのうち少なくとも1種からなるメッキ層5が形成されているのが良い。例えば、CuAg系、Al系ろうで接合する場合はNi、Cuがメッキ層5として好適であり、In、Sn、Pb系ろうで接合する場合はSnがメッキ層5として好適である。
【0021】
上記メッキ層5の厚みは、十分な腐食性を確保し、高い密着性を保持するように、1〜30μm、特に5〜10μmであるのが良い。なお、耐腐食性を効果的に高めるため、上記のメッキ層5の表面に、メッキによってさらにAu層を形成するのが良い。
【0022】
金属部材1の形状は、平板(金属板)であっても、ブロックであっても、配線パターン形状であっても、更には冷却用のフィン形状等の複雑形状であっても良く、金属部材1の使用目的に従って決定すれば良い。
【0023】
セラミック基板3は、平板を形成できる材料であれば良いが、パワーモジュールのように大電流が配線基板に流れ、放熱量が大きい用途に用いられる場合、絶縁性、強度、及び熱伝導に優れていることが好ましく、さらに低コストであるのが良い。例えば、強度とコストの点ではアルミナが、高強度と高熱伝導性が必要な場合には窒化珪素が、さらに高い熱伝導性が必要な場合は窒化アルミニウムが好適である。
【0024】
セラミック基板3の接合材4との当接部には、メタライズ層6が形成されているのが良い。メタライズ層6の目的は、セラミック基板3の接合部を金属化して接合材4との濡れを向上させるためである。さらに、メタライズ層6の表面には、金属部材1の場合と同様に、耐腐食性や接合材4との濡れ性をさらに向上させるために、Ni、Cr及びSnのうち少なくとも1種の被覆層(図示せず)を設けることも可能である。
【0025】
接合材4は、In、Sn、Pb、Ag、Cu及びAlのうち少なくとも1種を含むことが好ましい。これらは、いずれも高い接合強度を実現することが可能であり、金属部材1及びセラミック基板3の材質と表面状態、接合材4の融点及び接合条件によって上記の元素を含む半田やろう材を選択すれば良い。
【0026】
具体的には、Inろう、Sn−Cuろう、Sn−Cu−Agろう、Pb半田、Au−Cuろう等を例示できるが、他のろう材も使用できることは言うまでもない。
【0027】
接合材4としてCuAg系、Al系ろうを用いる場合はNi又はCrを被覆層に用いることが望ましく、In、Sn、Pb系ろうを用いる場合はSnを被覆層に用いることが望ましい。特に、耐腐食性をさらに高めることが必要な場合は、被覆層の厚みを3μm以上にするか、被覆層上にAuめっきを施すことが望ましい。
【0028】
本発明において高い接合強度を得るためには、金属部材1の凹部2の底面2aの少なくとも50%以上、特に70%以上、更には85%以上が接合材4と接合していることが好ましい。
【0029】
次に、本発明の複合基板の製造方法について説明する。
【0030】
まず、金属部材1を用意し、凹部2を形成する。凹部2の形成方法はエッチング法や金型プレスによる機械加工等の公知の手法で所望の形状に加工すれば良い。また、耐腐食性を高めるとともに、接合材4との濡れ性を向上させて接合強度を高めるため、金属部材1の凹部2の底面2aや側面2bを含む内壁にメッキ層を形成しても良い。
【0031】
次に、セラミック基板3を準備する。セラミック基板3の製造方法は、公知のセラミック焼結体の製造方法を用いることができる。例えば、アルミナからなる原料粉末を混合してスラリーを作製し、このスラリーを用いてドクターブレード法やロールコンパクション法等の公知のセラミック成形方法によりグリーンシートを作製する。得られたグリーンシートの表面に、所望により導体ペーストを塗布し、積層の後に同時焼成によってメタライズ層6を形成する。
【0032】
さらに、所望により、メタライズ層6の表面に、In、Sn、Pb、Ag、Cu及びAlのうち少なくとも1種を含む金属を、メッキ法、スパッタリングやCVD(気相蒸着法)等の公知のコーティング方法によって被覆層を形成することができる。これらのうち、簡便で低コストである点でメッキ法が好ましい。
【0033】
ここで接合材4を準備する。接合材4の形状は、特に制限はないが、粉末、ペースト及び箔のうち少なくとも1種を用いることができ、均一に且つ確実に凹部2に充填できるため、ペースト又は箔が好ましい。特に、凹部2と略同一の形状に加工された接合材4を凹部2に挿入するのが良い。
【0034】
また、接合材4の選択に当っては、金属部材1とセラミック基板3との組合せを考慮し、さらに接合材4の融点及び接合部との良好な濡れ状態を形成する温度を選択する。接合温度が800℃前後では、Ag及びCuを主成分とする接合材4が好ましく、600℃前後ではAlを主成分とする接合材4が好ましく、400℃以下ではIn、Sn及びPbの少なくとも1つを含む接合材4が好ましい。
【0035】
また、構造が接合面に関して対称性に乏しい場合、例えば、セラミック基板3の一方の主面のみに金属部材1を接合する場合、残留応力による反りや変形の抑制が必要な場合、融点が400℃以下のSn、In、Pb系のろう材や半田を用いることが望ましい。
【0036】
次に、接合材4を凹部2に充填する。充填する接合材4の量は、その容積が凹部2の容積に略同一であることが好ましいが、接合材4の総容積が凹部2の容積以上であっても良い。
【0037】
金属部材1の凹部2に充填した接合材4がセラミック基板3又はその表面に設けられたメタライズ層6と当接するように、金属部材1の上にセラミック基板3を接触させ、所望により接合面に垂直な方向に加圧しながら加熱処理をして接合する。
【0038】
加熱処理は、AgCu系ろう材の場合、還元雰囲気で800〜900℃、Al系ろう材の場合、還元雰囲気で550℃〜660℃で熱処理する。また、接合部のボイドを低減したい場合は、1×10-4torr以上の減圧状態で熱処理するのが良い。
【0039】
【実施例】
実施例1
縦12mm、横22mm、厚さ0.2mmのCu板及びAl板を金属部材として準備した。この金属部材の主面に、金型プレス法によって縦10mm、横20mm、深さ70μmの凹部をそれぞれ金型プレス加工で形成した。
【0040】
次いで、凹部が形成された金属部材に無電解法で3μmのNiメッキ層を形成した。
【0041】
次に、厚さ0.3mmのアルミナグリーンシートの主面にタングステンペーストを塗布し、同時焼成することによって、表面にメタライズ層を具備するアルミナ基板を作製した。アルミナ基板の寸法は縦15mm、横25mmであった。
【0042】
次いで、このメタライズ層の表面に、電解法によって、Ni被覆層3μmを形成した。
【0043】
さらに、金属部材の凹部に、凹部の形状と略同一である厚さ50μmのIn系半田箔を埋設し、セラミック基板を、金属部材の凹部が形成されている主面に重ね合わせ、セラミック基板の上に圧力を加え、大気中雰囲気中200℃で熱処理を行って接合した。
【0044】
接合した試料を切断し、顕微鏡によって接合材の厚みを確認した。その結果、いずれの金属部材の場合でも、クラックや剥離といった異常は観られなかった。また、接合材の厚みも均一であり、寸法の大きなずれは見られなかった。
【0045】
また、接合した試料を−30℃〜120℃の冷熱サイクルを100サイクル行って熱負荷を与えた後、顕微鏡により金属部材とセラミック基板との接合界面を観察した。その結果、何らの異常も見られず、良好な接合状態を呈しており、寸法精度も良好であった。
実施例2
縦12mm、横22mm、厚さ0.3mmのCu板及びAl板を金属部材として準備した。この金属部材の主面に実施例1と同様にして深さ70μmの凹部をそれぞれ形成し、3μmのNiメッキ層を形成した。
【0046】
また、縦15mm、横25mm、厚さ0.3mmの窒化珪素基板を準備し、その主面にCVD(化学気相)法で0.1μmのCr層を形成した。
【0047】
次いで、金属部材の凹部にCuSn系のろうペーストを充填し、上記Cr層がろうペーストと接するように、セラミック基板を金属部材の凹部に重ね合わせ、しかる後に還元中雰囲気中400℃で熱処理を行った。
【0048】
実施例1と同様の方法で評価を行ったところ、異常は無く、良好な接合状態であった。
比較例1
実施例1と同じ形状のCu板及びAl板を準備し、凹部加工以外は実施例1と同様にして接合体を作製した。また、評価も実施例1と同様にして行った。その結果、凹部を形成していないため、接合材の厚みが20〜100μmとばらついており、金属部材に傾きが生じていた。また、所定の位置から最大500μm以上ずれていた。そして、冷熱サイクル後に、接合材の薄い部位にクラックが観察された。
比較例2
実施例2と同一形状のCu板及びAl板を準備し、凹部加工以外は実施例2と同様にして接合体を作製した。また、評価も実施例1と同様にして行った。その結果、凹部を形成していないため、接合材の厚みが10〜100μmとばらついており、金属部材に傾きを生じていた。また、所定の位置から最大500μm以上ずれていた。そして、冷熱サイクル後に、接合材の薄い部分の界面に剥離が観察された。
【0049】
【発明の効果】
本発明は、接合材が金属部材の凹部に充填されるため、接合を行なう金属部材及びセラミック基板が大きくなっても、特殊な冶具を使用する必要が無く、且つ高い寸法精度を実現することができる。しかも、特殊な治具や工程を要せずに均一なろう材厚みで接合することができるため、接合工程の生産性が高く、且つ接合信頼性に優れた複合基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に用いる金属部材の構造を示す概略断面図である。
【図2】本発明の複合基板の構造を示す概略断面図である。
【図3】本発明の複合基板の一部を拡大した概略断面図である。
【符号の説明】
1・・・金属部材
2・・・凹部
2a・・・凹部の底面
2b・・・凹部の側面
3・・・セラミック基板
4・・・接合材
5・・・メッキ層
6・・・メタライズ層
T・・・凹部2の深さ
Claims (6)
- セラミック基板と、該セラミック基板との接合面に凹部が形成された金属部材と、該凹部に設けられた接合材とを具備し、該接合材によって前記セラミック基板と前記金属部材とが接合されてなることを特徴とする複合基板。
- 前記金属部材がCu及び/又はAlを主成分とすることを特徴とする請求項1記載の複合基板。
- 前記接合材が、In、Sn、Pb、Ag、Cu及びAlのうち少なくとも1種を含むことを特徴とする請求項1又は2記載の複合基板。
- 前記セラミック基板が、アルミナ、窒化珪素及び窒化アルミニウムのうち少なくとも1種からなることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の複合基板。
- 金属部材の主面に形成された凹部に接合材を充填し、該接合材をセラミック基板と前記金属部材とで挟持するように、前記接合材と前記セラミック基板とを接触させながら熱処理を行なって前記金属部材と前記セラミック基板を接合することを特徴とする複合基板の製造方法。
- 前記熱処理において、前記金属部材と前記セラミック基板との間に圧力を加えることを特徴とする請求項5記載の複合基板の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002373991A JP2004207449A (ja) | 2002-12-25 | 2002-12-25 | 複合基板及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002373991A JP2004207449A (ja) | 2002-12-25 | 2002-12-25 | 複合基板及びその製造方法 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2004207449A true JP2004207449A (ja) | 2004-07-22 |
Family
ID=32812137
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2002373991A Pending JP2004207449A (ja) | 2002-12-25 | 2002-12-25 | 複合基板及びその製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2004207449A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2014192478A (ja) * | 2013-03-28 | 2014-10-06 | Mitsubishi Materials Corp | パワーモジュール用基板およびその製造方法 |
-
2002
- 2002-12-25 JP JP2002373991A patent/JP2004207449A/ja active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2014192478A (ja) * | 2013-03-28 | 2014-10-06 | Mitsubishi Materials Corp | パワーモジュール用基板およびその製造方法 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8254422B2 (en) | Microheat exchanger for laser diode cooling | |
US4611745A (en) | Method for preparing highly heat-conductive substrate and copper wiring sheet usable in the same | |
WO2018163864A1 (ja) | ヒートシンク付パワーモジュール用基板 | |
JP4998404B2 (ja) | パワーモジュール用基板及びその製造方法並びにパワーモジュール | |
KR20180037865A (ko) | 세라믹 기판 및 세라믹 기판 제조 방법 | |
JP2004303818A (ja) | ヒートスプレッダモジュールの製造方法及びヒートスプレッダモジュール | |
KR100374379B1 (ko) | 기판 | |
KR20170048999A (ko) | 세라믹 기판 제조 방법 및 이 제조방법으로 제조된 세라믹 기판 | |
JP6904094B2 (ja) | 絶縁回路基板の製造方法 | |
JP4104429B2 (ja) | モジュール構造体とそれを用いたモジュール | |
JP5045613B2 (ja) | パワーモジュール用基板及びその製造方法 | |
JPH10144967A (ja) | 冷却用熱電素子モジュール | |
JP2006156975A (ja) | 接合体、パワーモジュール用基板、及び、パワーモジュール並びに接合体の製造方法 | |
JPH09234826A (ja) | 金属−セラミックス複合基板及びその製造法 | |
JP2004327737A (ja) | 複合基板及びその製造方法 | |
JP2005050886A (ja) | 複合基板及びその製造方法 | |
JP2004207449A (ja) | 複合基板及びその製造方法 | |
JPH08274423A (ja) | セラミックス回路基板 | |
JP2005072456A (ja) | 電気素子モジュール | |
JP6819385B2 (ja) | 半導体装置の製造方法 | |
JP2000101203A (ja) | セラミックス回路基板とそれを用いたパワーモジュール | |
JP5359953B2 (ja) | 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 | |
JP4121827B2 (ja) | モジュール構造体の製造方法 | |
JP2004356309A (ja) | 複合基板及びその製造方法 | |
WO2024014532A1 (ja) | 複層接合体及びそれを用いた半導体装置、並びにこれらの製造方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Effective date: 20050516 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20070130 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070206 |
|
A02 | Decision of refusal |
Effective date: 20070605 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 |