JP2006062930A - Joined body of ceramic and metal and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば、高速、大電力インバーター等パワーモジュール用基板等に使用される高放熱構造を有するセラミックと金属との接合体及びその製造方法に関し、より詳細には、セラミック基板と金属板の接合信頼性を改良したセラミックと金属との接合体及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a ceramic and metal joined body having a high heat dissipation structure used for, for example, a power module substrate such as a high-speed, high-power inverter, and a manufacturing method thereof. The present invention relates to a bonded body of ceramic and metal with improved bonding reliability and a method for manufacturing the same.
従来より、セラミックと金属との接合体は、例えば、高速化、大電力化、高集積化が進む高熱を発生する半導体素子を実装し、半導体素子からの高熱を速やかに放熱させて半導体素子の信頼性を維持させることができるための半導体モジュール用基板等に用いられている。図3(A)、(B)に示すように、従来のセラミックと金属との接合体50は、例えば、ジルコニア入りアルミナ(Al2O3)や、窒化アルミニウム(AlN)や、窒化珪素(Si3N4)等の熱伝導性のよいセラミック基板51と、Cuや、Cu合金や、Cuと他の金属との接合体や、Cuと他の金属との複合体等からなる放熱特性に優れた金属板52とを直接接合させることができるAg−Cu−Ti系等の活性ろう材53で接合して形成されている。このセラミックと金属との接合体50は、金属板52の外周側面部に活性ろう材53で形成されるメニスカス54を有している。
Conventionally, a joined body of ceramic and metal is, for example, mounted with a semiconductor element that generates high heat, which is increasing in speed, power, and integration, and quickly dissipates the high heat from the semiconductor element. It is used for a substrate for a semiconductor module or the like for maintaining reliability. As shown in FIGS. 3A and 3B, a conventional ceramic-metal bonded
次いで、図4(A)〜(C)を参照しながら、従来のセラミックと金属との接合体50の製造方法を説明する。図4(A)に示すように、従来のセラミックと金属との接合体50の製造方法は、先ず、焼成済のセラミック基板51の上面に活性ろう材53用のろう材ペーストを用いて、スクリーン印刷等で金属板52の大きさより大きいパターン大きさの活性金属ろうパターン55を形成している。次に、図4(B)、(C)に示すように、活性金属ろうパターン55の上面には、金属板52を載置し、加熱して活性ろう材53を溶融した後、冷却してセラミック基板51と金属板52を接合するセラミックと金属との接合体50を作製している。この接合に際しては、活性金属ろうパターン55が活性ろう材53の溶融と共に、セラミック基板51上を金属板52側に表面張力によって若干引き寄せられるように移動して、金属板52の外周側面部からセラミック基板51の表面に濡れ広がった活性ろう材53で形成されるメニスカス54を形成している。
Next, a conventional method for manufacturing the
従来のセラミックと金属との接合体の製造方法には、セラミックの表面にMn、Cr又はTiのうち1種又は2種以上の金属、あるいはこれらの金属を含む合金を蒸着させた後に、酸素を含んだ雰囲気にて加熱し、その後、Ag−Cu−Ti系の活性ろう材を用いて、セラミックと金属とを接合する製造方法が開示されている(例えば、特許文献1参照)。 In a conventional method of manufacturing a joined body of ceramic and metal, oxygen is deposited after depositing one or more metals of Mn, Cr or Ti, or an alloy containing these metals on the surface of the ceramic. A manufacturing method is disclosed in which heating is performed in a contained atmosphere, and then a ceramic and a metal are joined using an Ag—Cu—Ti-based active brazing material (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、前述したような従来のセラミックと金属との接合体及びその製造方法は、次のような問題がある。
(1)活性ろう材のセラミックとの濡れ性は、特に、高純度のセラミックの場合には充分でなく、活性ろう材の溶融時の表面張力によってセラミック基板上で移動が発生するので、メニスカス形状が金属板の外周側面部に沿って平面視してリアス式状に不規則となると共に、断面視して裾野状の正常な形状とはかけ離れた凸状に湾曲した形状となり、活性ろう材の凝固後にセラミック基板にクラック等の不具合を発生させる場合がある。
(2)セラミック基板の表面にMn、Cr又はTiのうち1種又は2種以上の金属、あるいはこれらの金属を含む合金の酸化膜層を形成し、この層と活性ろう材を接合させる場合には、セラミックと結合しやすい活性ろう材中のTiが直接セラミックと接するのでなく、酸化膜層を介して接合することとなり、セラミックと酸化膜層の接合強度や、酸化膜層と活性ろう材の接合強度の信頼性が充分でなく、層間剥離の危険性を有している。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、裾野状の正常な形状のメニスカスを金属板外周側面部に有し、セラミック基板にクラック等の発生のない、接合信頼性の高いセラミックと金属との接合体及びその製造方法を提供することを目的とする。
However, the conventional ceramic-metal bonded body and the manufacturing method thereof as described above have the following problems.
(1) The wettability of the active brazing material with the ceramic is not sufficient particularly in the case of a high-purity ceramic, and movement occurs on the ceramic substrate due to the surface tension at the time of melting of the active brazing material. Is irregularly shaped in a rias form as viewed in plan along the outer peripheral side surface of the metal plate, and is curved in a convex shape that is far from the normal shape of the skirt shape in cross section. In some cases, a defect such as a crack is generated in the ceramic substrate after solidification.
(2) When forming an oxide film layer of one or more metals of Mn, Cr or Ti, or an alloy containing these metals on the surface of the ceramic substrate, and bonding this layer to the active brazing material The Ti in the active brazing material that is easily bonded to the ceramic is not directly in contact with the ceramic, but is bonded through the oxide film layer. The bonding strength between the ceramic and the oxide film layer, the oxide film layer and the active brazing material The reliability of the bonding strength is not sufficient and there is a risk of delamination.
The present invention has been made in view of such circumstances, and has a base-like normal meniscus on the outer peripheral side surface of the metal plate, and has no bonding cracks and the like, and has high bonding reliability. It is an object to provide a bonded body of metal and a metal and a method for manufacturing the same.
前記目的に沿う本発明に係るセラミックと金属との接合体は、セラミック基板と金属板が活性金属ろうで接合されるセラミックと金属との接合体において、セラミック基板に形成されるメタライズ膜と、メタライズ膜上に形成される活性ろう材を介して、メタライズ膜のパターン大きさより平面視して小さい大きさを有する金属板がセラミック基板に接合されて有し、活性金属ろう中にはメタライズ膜が拡散していると共に、メタライズ膜のパターン大きさまで活性金属ろうが濡れ広がっている断面視して裾野形状のメニスカスを有する。
ここで、セラミックと金属との接合体は、メタライズ膜がAuスパッタ膜、ガラス入りAg−Pt印刷焼成膜、又は無電解Cuめっき膜からなるのがよい。
また、セラミックと金属との接合体は、活性ろう材がAg−Cu−Ti−In系からなり、セラミック基板と金属板が活性ろう材の真空ろう付けで接合されているのがよい。
A ceramic / metal joined body according to the present invention that meets the above-mentioned object is a ceramic / metal joined body in which a ceramic substrate and a metal plate are joined by an active metal brazing, and a metallized film formed on the ceramic substrate, and a metallized film. Through the active brazing material formed on the film, a metal plate having a size smaller than that of the metallized film in plan view is bonded to the ceramic substrate, and the metallized film diffuses into the active metal brazing. In addition, it has a skirt-shaped meniscus in cross-sectional view in which the active metal braze is wet and spread to the pattern size of the metallized film.
Here, in the joined body of ceramic and metal, the metallized film is preferably made of an Au sputtered film, an Ag-Pt printed fired film containing glass, or an electroless Cu plated film.
In the joined body of ceramic and metal, the active brazing material is preferably made of Ag-Cu-Ti-In, and the ceramic substrate and the metal plate are preferably joined by vacuum brazing of the active brazing material.
前記目的に沿う本発明に係るセラミックと金属との接合体の製造方法は、セラミック基板と金属板を活性ろう材を用いて接合するセラミックと金属との接合体の製造方法において、セラミック基板に平面視して金属板の大きさを超えるパターン大きさを有するメタライズ膜を形成する工程と、メタライズ膜上に活性ろう材を介して金属板を載置し、真空中で加熱して活性ろう材中にメタライズ膜を拡散させる活性金属ろうでセラミック基板と金属板を接合する工程を有する。
ここで、セラミックと金属との接合体の製造方法は、活性金属ろうをメタライズ膜のパターン大きさまで濡れ広がらせるのがよい。
A method for manufacturing a joined body of ceramic and metal according to the present invention in accordance with the above object is a method for manufacturing a joined body of ceramic and metal in which a ceramic substrate and a metal plate are joined using an active brazing material. A step of forming a metallized film having a pattern size exceeding the size of the metal plate, and placing the metal plate on the metallized film via an active brazing material, and heating in a vacuum in the active brazing material And a step of bonding the ceramic substrate and the metal plate with an active metal brazing material that diffuses the metallized film.
Here, in the method of manufacturing the joined body of ceramic and metal, it is preferable that the active metal brazing is wetted and spread to the pattern size of the metallized film.
請求項1及びこれに従属する請求項2又は3記載のセラミックと金属との接合体は、セラミック基板に形成されるメタライズ膜と、メタライズ膜上に形成される活性ろう材を介して、メタライズ膜のパターン大きさより平面視して小さい大きさを有する金属板がセラミック基板に接合されて有し、活性金属ろう中にはメタライズ膜が拡散していると共に、メタライズ膜のパターン大きさまで活性金属ろうが濡れ広がっている断面視して裾野形状のメニスカスを有するので、メタライズ膜が形成されていることによって、溶融した活性ろう材は、セラミック基板表面で濡れやすくなっており、活性ろう材の溶融時の表面張力による移動が起こりにくくなって、メニスカスの稜線が裾野形状の正常な曲線形状となり、平面視して金属板外周側面部全周にわたって略均一に形成されて、熱応力を低減でき、セラミック基板にクラック等の発生を防止することができる。また、メタライズ膜は、厚さが薄いので、溶融した活性ろう材中にメタライズ膜が拡散し易いと同時に、Ti等の活性金属がセラミック基板表面に集まって活性ろう材とセラミック基板との接着層を形成し、メタライズ膜が存在しない場合と同程度の接合強度を確保してセラミック基板と金属板の接合信頼性を向上させた接合体とすることができる。
The ceramic and metal joined body according to
特に、請求項2記載のセラミックと金属との接合体は、メタライズ膜がAuスパッタ膜、ガラス入りAg−Pt印刷焼成膜、又は無電解Cuめっき膜からなるので、メタライズ膜を活性ろう材中に容易に拡散させた活性金属ろうとすることができ、セラミック基板と金属板の接合強度を向上させた接合体とすることができる。
In particular, in the joined body of ceramic and metal according to
また、特に、請求項3記載のセラミックと金属との接合体は、活性ろう材がAg−Cu−Ti−In系からなり、セラミック基板と金属板が活性ろう材の真空ろう付けで接合されているので、メタライズ膜がAuスパッタ膜、ガラス入りAg−Pt印刷焼成膜、又は無電解Cuめっき膜であっても、親和性の高い活性ろう材であり、容易に活性ろう材中にメタライズ膜を拡散させた活性金属ろうで接合する接合体とすることができる。
In particular, in the joined body of ceramic and metal according to
請求項4及びこれに従属する請求項5記載のセラミックと金属との接合体の製造方法は、セラミック基板に平面視して金属板の大きさを超えるパターン大きさを有するメタライズ膜を形成する工程と、メタライズ膜上に活性ろう材を介して金属板を載置し、真空中で加熱して活性ろう材中にメタライズ膜を拡散させる活性金属ろうでセラミック基板と金属板を接合する工程を有するので、メタライズ膜に酸化膜を形成させることなく活性ろう材中にメタライズ膜を拡散させることができ、金属板より大きいメタライズ膜とで、なだらかな裾野状の正常なメニスカスを形成するセラミックと金属との接合体の製造方法を提供できる。
The method of manufacturing a joined body of ceramic and metal according to
特に、請求項5記載のセラミックと金属との接合体の製造方法は、活性金属ろうをメタライズ膜のパターン大きさまで濡れ広がらせるので、金属板の外周側面部が平面視してリアス式状ではなく、断面視してなだらかな裾野状の正常なメニスカスを形成するセラミックと金属との接合体の製造方法を提供できる。 In particular, the method for manufacturing a joined body of ceramic and metal according to claim 5 wets and spreads the active metal braze to the pattern size of the metallized film. In addition, it is possible to provide a method of manufacturing a joined body of ceramic and metal that forms a normal meniscus having a gentle skirt shape in cross section.
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施するための最良の形態について説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図1(A)、(B)はそれぞれ本発明の一実施の形態に係るセラミックと金属との接合体の説明図、図2(A)〜(D)はそれぞれ同セラミックと金属との接合体の製造方法の説明図である。
Subsequently, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the accompanying drawings to provide an understanding of the present invention.
Here, FIGS. 1A and 1B are explanatory diagrams of a joined body of a ceramic and a metal according to an embodiment of the present invention, respectively, and FIGS. 2A to 2D are respectively a ceramic and a metal. It is explanatory drawing of the manufacturing method of this conjugate | zygote.
図1(A)、(B)を参照しながら、本発明の一実施の形態に係るセラミックと金属との接合体10を説明する。ここで、図1(A)はセラミックと金属との接合体10の一部平面図、図1(B)は図1(A)におけるA−A’線縦断面図である。
図1(A)、(B)に示すように、本発明の一実施の形態に係るセラミックと金属との接合体10は、セラミック基板11と、金属板12とを、Ti等の活性金属を含む活性金属ろう13で接合して形成されている。このセラミックと金属との接合体10に使用されるセラミック基板11には、例えば、ジルコニア入りアルミナセラミックや、窒化アルミニウムセラミックや、窒化珪素セラミック等の熱伝導性のよく、例えば、高熱を発生する半導体素子を実装しても、半導体素子からの高熱を速やかに熱伝導させることができるセラミックを板状にしたものが用いられている。また、セラミックと金属との接合体10に使用される金属板12には、例えば、Cuや、Cu合金や、Cuと他の金属との接合体や、Cuと他の金属との複合体等の熱伝導性に優れた金属を板状にしたものが用いられている。
With reference to FIGS. 1A and 1B, a ceramic / metal bonded
As shown in FIGS. 1A and 1B, a ceramic / metal bonded
セラミックと金属との接合体10は、セラミック基板11に、メタライズ膜15(図2(A)参照)のパターン大きさより平面視して小さい大きさを有する金属板12が、予め、セラミック基板11の表面に形成されているメタライズ膜15と、このメタライズ膜15上に形成されている活性ろう材16(図2(B)参照)を介して加熱されることで、活性ろう材16を溶融した後、冷却させた活性金属ろう13で接合されて有している。このセラミックと金属との接合体10は、活性金属ろう13中に、上記のメタライズ膜15が加熱によって拡散していると共に、メタライズ膜15のパターン大きさまで活性金属ろう13が濡れ広がっている断面視して稜線がなだらかな裾野形状となるメニスカス14を有している。セラミック基板11に予め形成されるメタライズ膜15は、薄い膜で形成されているので、溶融した活性ろう材16中に容易に拡散させることができる共に、メタライズ膜15によって、溶融した活性ろう材16がセラミック基板11表面で濡れやすく、活性ろう材16の溶融時の表面張力による移動を阻害するように作用し、平面視して金属板12外周側面部全周にわたって略均一に稜線が裾野形状の正常な曲線形状のメニスカス14を形成することができる。従って、セラミックと金属との接合体10は、セラミック基板11と活性金属ろう13のメニスカス14の裾野端部周辺で発生する熱応力を低減でき、セラミック基板11にクラック等の発生を防止することができる。また、セラミックと金属との接合体10は、メタライズ膜15の厚さが薄いので、溶融した活性ろう材16中にメタライズ膜14を拡散させ易いと同時に、Ti等の活性金属がセラミック基板11との界面にも形成されて活性金属ろう13の接着層を形成し、メタライズ膜15が存在しない場合と同程度の接合強度を確保することができる。
In the ceramic-metal bonded
セラミックと金属との接合体10に用いられるメタライズ膜15は、Auスパッタ膜、ガラス入りAg−Pt印刷焼成膜、又は無電解Cuめっき膜からなるのがよい。これらのいずれのメタライズ膜15も薄い膜厚さにすることができると共に、活性ろう材16中に容易に拡散させることができる金属成分であるので、セラミックと金属との接合体10は、良好なメニスカス14を有する接合強度の高い接合体とすることができる。なお、Auスパッタ膜は、厚さを800オングストローム程度の薄いメタライズ膜15とすることができ、容易に活性ろう材16中に拡散させることができる。また、ガラス入りAg−Pt印刷焼成膜は、Ag−Ptペーストをセラミック基板11に印刷した後、大気中800℃程度で焼成するメタライズ膜15とするが、活性ろう材16の溶融時の温度が800℃程度であるので再度メタライズ膜15を溶融させながら活性ろう材16中に拡散させることができる。更に、無電解Cuめっき膜は、厚さを1μm程度の薄いメタライズ膜15とすることができ、容易に活性ろう材16中に拡散させることができる。
The metallized film 15 used for the ceramic-metal bonded
セラミックと金属との接合体10に用いられる活性ろう材16は、Ag−Cu−Ti−In系からなり、セラミック基板11と金属板12は、この活性ろう材16を真空中で溶融する真空ろう付けで接合されているのがよい。活性ろう材16がAg−Cu−Ti−In系からなることは、Auスパッタ膜、ガラス入りAg−Pt印刷焼成膜、又は無電解Cuめっき膜といずれも親和性を高くすることができるので、活性ろう材16中にそれぞれ容易に拡散させることができる。
The active brazing material 16 used for the joined
次いで、図2(A)〜(D)を参照しながら、本発明の一実施の形態に係るセラミックと金属との接合体10の製造方法を説明する。
図2(A)に示すように、ジルコニア入りアルミナセラミックや、窒化アルミニウムセラミックや、窒化珪素セラミック等からなる焼成済みのセラミック基板11には、平面視した場合にCuや、Cu合金や、Cuと他の金属との接合体や、Cuと他の金属との複合体等からなる板状の金属板12の大きさを超えるパターン大きさを有するメタライズ膜15を、Auのスパッタリング法や、Ag−Ptペーストの厚膜印刷焼成法や、Cuの無電解めっき法等で形成する。
Next, with reference to FIGS. 2 (A) to 2 (D), a method for manufacturing the joined
As shown in FIG. 2A, the sintered
次に、図2(B)に示すように、メタライズ膜15上には、Ag−Cu−Ti−In系等からなる活性ろう材16をスクリーン印刷法等でメタライズ膜15のパターン大きさと実質的に同じパターン大きさで形成する。そして、図2(C)に示すように、メタライズ膜15上には、更に、この活性ろう材16を介して金属板12を載置し、例えば、10−5Torrの真空中で約800℃程度の温度で加熱している。この加熱によって、図2(D)に示すように、セラミック基板11と金属板12は、溶融した活性ろう材16中にメタライズ膜15を拡散させた活性金属ろう13で接合してセラミックと金属との接合体10を作製している。
Next, as shown in FIG. 2B, on the metallized film 15, an active brazing material 16 made of Ag-Cu-Ti-In or the like is substantially equal to the pattern size of the metallized film 15 by screen printing or the like. Are formed with the same pattern size. Then, as shown in FIG. 2C, a metal plate 12 is further placed on the metallized film 15 via the active brazing material 16, and is about 800 ° C. in a vacuum of 10 −5 Torr, for example. It is heated at a moderate temperature. By this heating, as shown in FIG. 2D, the
このセラミックと金属との接合体10の製造方法では、活性金属ろう13を金属板12の外周側面部からメタライズ膜15のパターン大きさまで濡れ広がらせるのがよい。この方法で容易に形成された裾野形状のメニスカス14によって、セラミック基板11には、熱応力によるクラックの発生を防止することができる。
In the method for manufacturing the ceramic-metal bonded
本発明のセラミックと金属との接合体及びその製造方法は、パワーモジュール用等の半導体素子が実装され、半導体素子からの高発熱を速やかに放熱させるための高放熱特性を必要として、発熱に対する高信頼性の確保が要求される各種民生機器用や、自動車、電気自動車等の車載用等として、及びそれらを作製する方法として多く用いられている。 The ceramic / metal bonded body of the present invention and the manufacturing method thereof require a high heat dissipation characteristic for quickly dissipating the high heat generation from the semiconductor element on which a semiconductor element for a power module or the like is mounted. It is widely used for various consumer devices that require ensuring reliability, and for vehicles such as automobiles and electric vehicles, and as a method for producing them.
10:セラミックと金属との接合体、11:セラミック基板、12:金属板、13:活性金属ろう、14:メニスカス、15:メタライズ膜、16:活性ろう材 10: Ceramic / metal joined body, 11: Ceramic substrate, 12: Metal plate, 13: Active metal brazing, 14: Meniscus, 15: Metallized film, 16: Active brazing material
Claims (5)
前記セラミック基板に形成されるメタライズ膜と、該メタライズ膜上に形成される活性ろう材を介して、前記メタライズ膜のパターン大きさより平面視して小さい大きさを有する前記金属板が前記セラミック基板に接合されて有し、前記活性金属ろう中には前記メタライズ膜が拡散していると共に、前記メタライズ膜のパターン大きさまで前記活性金属ろうが濡れ広がっている断面視して裾野形状のメニスカスを有することを特徴とするセラミックと金属との接合体。 In a ceramic / metal joined body in which a ceramic substrate and a metal plate are joined with an active metal brazing,
Through the metallized film formed on the ceramic substrate and the active brazing material formed on the metallized film, the metal plate having a size smaller than that of the metallized film in plan view is formed on the ceramic substrate. The metallized film is diffused in the active metal braze and has a skirt-shaped meniscus in cross-section in which the active metal braze is wet and spread to the pattern size of the metallized film. A ceramic and metal joint characterized by
前記セラミック基板に平面視して前記金属板の大きさを超えるパターン大きさを有するメタライズ膜を形成する工程と、
前記メタライズ膜上に前記活性ろう材を介して前記金属板を載置し、真空中で加熱して前記活性ろう材中に前記メタライズ膜を拡散させる活性金属ろうで前記セラミック基板と前記金属板を接合する工程を有することを特徴とするセラミックと金属との接合体の製造方法。 In the manufacturing method of the joined body of ceramic and metal in which the ceramic substrate and the metal plate are joined using the active brazing material,
Forming a metallized film having a pattern size exceeding the size of the metal plate in plan view on the ceramic substrate;
The metal plate is placed on the metallized film via the active brazing material, and the ceramic substrate and the metal plate are made of active metal brazing that diffuses the metallized film into the active brazing material by heating in vacuum. A method for producing a joined body of ceramic and metal, comprising a step of joining.
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