JP2007092150A - Aluminum-ceramic joined substrate and method for producing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アルミニウム−セラミックス接合基板およびその製造方法に関し、特に、珪素とホウ素を含有するアルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材がセラミックス基板に接合したアルミニウム−セラミックス接合基板およびその製造方法に関する。 The present invention relates to an aluminum-ceramic bonding substrate and a method for manufacturing the same, and more particularly to an aluminum-ceramic bonding substrate in which an aluminum alloy member made of an aluminum alloy containing silicon and boron is bonded to a ceramic substrate and a method for manufacturing the same.
近年、電気自動車や工作機械などの大電流を制御する高信頼性パワーモジュール用の絶縁基板として、セラミックス基板にアルミニウム部材が接合したアルミニウム−セラミックス接合基板が使用されている。このようなアルミニウム−セラミックス接合基板では、半田を介してアルミニウム部材を銅板などの放熱板に接合すると、アルミニウム部材と半田の熱膨張係数の相違のために、ヒートサイクルによって接合界面に応力が発生し、この応力により比較的弱い半田層にクラックが発生して放熱性が低下する場合がある。このような問題を解消するため、アルミニウム部材として珪素を含有するアルミニウム合金（アルミニウム−珪素系合金）からなるアルミニウム合金部材を使用することが知られている（例えば、特許文献１参照）。 In recent years, an aluminum-ceramic bonding substrate in which an aluminum member is bonded to a ceramic substrate has been used as an insulating substrate for a highly reliable power module that controls a large current of an electric vehicle or a machine tool. In such an aluminum-ceramic bonding substrate, when an aluminum member is bonded to a heat radiating plate such as a copper plate via solder, stress is generated at the bonding interface due to the difference in thermal expansion coefficient between the aluminum member and the solder. The stress may cause cracks in the relatively weak solder layer and reduce heat dissipation. In order to solve such a problem, it is known to use an aluminum alloy member made of an aluminum alloy containing silicon (aluminum-silicon alloy) as the aluminum member (see, for example, Patent Document 1).
しかし、アルミニウム−珪素系合金、特に０．１〜１．５重量％の珪素を含むアルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材を溶湯接合法によりセラミックス基板に接合する場合には、通常の冷却条件の最適化による結晶粒の微細化が難しく、珪素が結晶粒界に過度に析出したり、アルミニウム合金部材中に珪素の濃縮部が存在してしまうという問題がある。そのため、冷却過程においてアルミニウム合金部材の熱間割れが生じ、アルミニウム−セラミックス接合基板として機能しない場合がある。また、アルミニウム合金部材に回路を形成するためにエッチングを行うと、セラミック基板の表面に珪素の濃縮部が溶けずに残ってしまい、アルミニウム−セラミックス接合基板の所望の絶縁特性を得ることができない場合がある。 However, when an aluminum alloy member made of an aluminum-silicon alloy, particularly an aluminum alloy containing 0.1 to 1.5% by weight of silicon, is bonded to a ceramic substrate by a molten metal bonding method, the normal cooling conditions are optimized. It is difficult to refine crystal grains due to the above, and there is a problem that silicon is excessively precipitated at the grain boundaries, or that silicon-concentrated portions are present in the aluminum alloy member. Therefore, hot cracking of the aluminum alloy member occurs in the cooling process, and it may not function as an aluminum-ceramic bonding substrate. In addition, when etching is performed to form a circuit in an aluminum alloy member, the silicon concentration portion remains undissolved on the surface of the ceramic substrate, and the desired insulating characteristics of the aluminum-ceramic bonding substrate cannot be obtained. There is.
このような問題を解消するため、本発明者らは、アルミニウム−珪素系合金にホウ素を添加したアルミニウム−珪素−ホウ素系合金を溶湯接合法によりセラミックス基板に接合することにより、結晶粒を微細化して粒界を増加させて、珪素のマクロ的な偏析を防止し、セラミックス基板の表面に珪素が残留するのを防止し、アルミニウム−セラミックス接合基板の絶縁性を向上させるとともに、放熱板を半田付けした場合にも、ヒートサイクルによる半田クラックの発生を防止し、放熱性の低下を防止することを提案している（特願２００４−６３６２１号）。 In order to solve such problems, the present inventors refined crystal grains by joining an aluminum-silicon-boron alloy obtained by adding boron to an aluminum-silicon alloy to a ceramic substrate by a molten metal joining method. By increasing the grain boundaries, macro segregation of silicon is prevented, silicon is prevented from remaining on the surface of the ceramic substrate, the insulation of the aluminum / ceramic bonding substrate is improved, and the heat sink is soldered. In this case, it has been proposed to prevent the occurrence of solder cracks due to heat cycles and to prevent a decrease in heat dissipation (Japanese Patent Application No. 2004-63621).
しかし、アルミニウム−珪素−ホウ素系合金からなるアルミニウム合金部材を溶湯接合法によりセラミックス基板に接合すると、結晶粒が微細化するものの、凝固の際にアルミニウム−ホウ素化合物が晶出して、このアルミニウム−ホウ素化合物が、珪素を固溶したアルミニウムの核として残存し、あるいはデンドライト間隙に残存するため、アルミニウム合金部材に回路を形成するためにエッチングを行うと、セラミックス基板の表面にアルミニウム−ホウ素化合物が溶けずに残ってしまう場合がある。また、その後に回路にめっきを施すと、その残留したアルミニウム−ホウ素化合物上にめっきが施されて、パタ−ン間の絶縁抵抗不良や外観不良が生じるという問題がある。また、アルミニウム合金部材の表面に析出したアルミニウム−ホウ素化合物によって、めっき性が低下するという問題もある。 However, when an aluminum alloy member made of an aluminum-silicon-boron alloy is bonded to a ceramic substrate by a molten metal bonding method, the crystal grains become finer, but the aluminum-boron compound crystallizes during solidification, and this aluminum-boron Since the compound remains as a nucleus of aluminum in which silicon is dissolved, or remains in the dendrite gap, when etching is performed to form a circuit in the aluminum alloy member, the aluminum-boron compound does not dissolve on the surface of the ceramic substrate. May remain. Further, if the circuit is plated after that, the remaining aluminum-boron compound is plated, resulting in a problem of poor insulation resistance and poor appearance between patterns. There is also a problem that the plating property is lowered by the aluminum-boron compound deposited on the surface of the aluminum alloy member.
したがって、本発明は、このような問題点に鑑み、珪素とホウ素を含有するアルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材がセラミックス基板に接合したアルミニウム−セラミックス接合基板において、アルミニウム合金の結晶粒を微細化して粒界を増加させるとともに、アルミニウム−ホウ素化合物の析出を効果的に抑制し、良好にエッチングを行うことができ且つめっき性を向上させることができる、アルミニウム−セラミックス接合基板およびその製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, in view of such a problem, the present invention provides an aluminum-ceramic bonding substrate in which an aluminum alloy member made of an aluminum alloy containing silicon and boron is bonded to a ceramic substrate. To provide an aluminum-ceramic bonding substrate and a method for manufacturing the same, which can increase the boundaries, effectively suppress the precipitation of an aluminum-boron compound, perform good etching, and improve plating properties. With the goal.
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、アルミニウム−珪素−ホウ素系合金に、第４元素として、鉄、あるいは、亜鉛、銅、銀およびマグネシウムからなる群から選ばれる１種以上の元素、あるいは、チタン、バナジウムおよびマンガンからなる群から選ばれる１種以上の元素を添加することにより、結晶粒を微細化したまま、アルミニウム−ホウ素化合物の析出を抑制することができることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors have selected 1 from the group consisting of iron, zinc, copper, silver and magnesium as the fourth element in the aluminum-silicon-boron alloy. By adding at least one element or at least one element selected from the group consisting of titanium, vanadium and manganese, it is possible to suppress the precipitation of the aluminum-boron compound while keeping the crystal grains fine. The headline and the present invention were completed.
すなわち、本発明によるアルミニウム−セラミックス接合基板は、アルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材がセラミックス基板に接合されたアルミニウム−セラミックス接合基板において、アルミニウム合金が、珪素０．１〜１．５重量％とホウ素０．０２〜０．１重量％を含有し、鉄０．００５〜０．２重量％と、亜鉛、銅、銀およびマグネシウムからなる群から選ばれる１種以上の元素０．００５〜０．３重量％と、チタン、バナジウムおよびマンガンからなる群から選ばれる１種以上の元素０．００１〜０．０５重量％とのうちのいずれか１種以上の元素を含有し、残部がアルミニウムと不可避不純物とからなることを特徴とする。このアルミニウム−セラミックス接合基板において、アルミニウム合金部材が、アルミニウム合金の溶湯をセラミックス基板に接触させた後に固化させることによりセラミックス基板に接合されるのが好ましい。 That is, the aluminum-ceramic bonding substrate according to the present invention is an aluminum-ceramic bonding substrate in which an aluminum alloy member made of an aluminum alloy is bonded to a ceramic substrate. 0.002 to 0.1% by weight of iron, 0.005 to 0.2% by weight of iron, and 0.005 to 0.3% by weight of one or more elements selected from the group consisting of zinc, copper, silver and magnesium % And one or more elements selected from the group consisting of titanium, vanadium and manganese, 0.001 to 0.05% by weight, the balance being aluminum and inevitable impurities It is characterized by comprising. In this aluminum-ceramic bonding substrate, the aluminum alloy member is preferably bonded to the ceramic substrate by solidifying the molten aluminum alloy after contacting the aluminum alloy member with the ceramic substrate.
また、本発明によるアルミニウム−セラミックス接合基板の製造方法は、アルミニウム合金の溶湯をセラミックス基板に接触させた後に固化させることによってアルミニウム合金部材をセラミックス基板に接合するアルミニウム−セラミックス接合基板の製造方法において、アルミニウム合金が、珪素０．１〜１．５重量％とホウ素０．０２〜０．１重量％を含有し、鉄０．００５〜０．２重量％と、亜鉛、銅、銀およびマグネシウムからなる群から選ばれる１種以上の元素０．００５〜０．３重量％と、チタン、バナジウムおよびマンガンからなる群から選ばれる１種以上の元素０．００１〜０．０５重量％とのうちのいずれか１種以上の元素を含有し、残部がアルミニウムと不可避不純物とからなることを特徴とする。 Further, the method for manufacturing an aluminum-ceramic bonding substrate according to the present invention is a method for manufacturing an aluminum-ceramic bonding substrate in which an aluminum alloy member is bonded to a ceramic substrate by solidifying the molten aluminum alloy after contacting the ceramic substrate. Aluminum alloy contains 0.1-1.5 wt% silicon and 0.02-0.1 wt% boron, 0.005-0.2 wt% iron, zinc, copper, silver and magnesium Any one of 0.005 to 0.3% by weight of one or more elements selected from the group and 0.001 to 0.05% by weight of one or more elements selected from the group consisting of titanium, vanadium and manganese It contains one or more elements, and the balance consists of aluminum and inevitable impurities.
本発明によれば、珪素とホウ素を含有するアルミニウム合金からなるアルミニウム合金部材がセラミックス基板に接合したアルミニウム−セラミックス接合基板において、アルミニウム合金の結晶粒を微細化して粒界を増加させるとともに、アルミニウム−ホウ素化合物の析出を効果的に抑制し、良好にエッチングを行うことができ且つめっき性を向上させることができる、アルミニウム−セラミックス接合基板を製造することができる。 According to the present invention, in an aluminum-ceramic bonding substrate in which an aluminum alloy member made of an aluminum alloy containing silicon and boron is bonded to a ceramic substrate, crystal grains of the aluminum alloy are refined to increase grain boundaries, and aluminum- It is possible to produce an aluminum-ceramic bonding substrate that can effectively suppress the precipitation of a boron compound, can perform etching well, and can improve the plating property.
本発明によるアルミニウム−セラミックス接合基板の実施の形態を製造するためには、珪素とホウ素を含有するアルミニウム合金（アルミニウム−珪素−ホウ素系合金（Ａｌ−Ｓｉ−Ｂ））からなるアルミニウム合金部材をセラミックス基板に接合したアルミニウム−セラミックス接合基板を溶湯接合法により製造する際に、アルミニウム−珪素−ホウ素系合金に、鉄、あるいは、亜鉛、銅、銀およびマグネシウムからなる群から選ばれる１種以上の元素、あるいは、チタン、バナジウムおよびマンガンからなる群から選ばれる１種以上の元素を添加する。このようにアルミニウム−珪素−ホウ素系合金に鉄などの元素を添加することにより、アルミニウム合金の結晶粒を微細化したまま、アルミニウム−ホウ素化合物の析出を抑制することができる。 In order to manufacture an embodiment of an aluminum-ceramic bonding substrate according to the present invention, an aluminum alloy member made of an aluminum alloy containing aluminum and silicon (aluminum-silicon-boron alloy (Al-Si-B)) is ceramics. When manufacturing an aluminum-ceramic bonding substrate bonded to a substrate by a molten metal bonding method, the aluminum-silicon-boron alloy is added to one or more elements selected from the group consisting of iron, zinc, copper, silver and magnesium. Alternatively, one or more elements selected from the group consisting of titanium, vanadium and manganese are added. Thus, by adding an element such as iron to the aluminum-silicon-boron alloy, precipitation of the aluminum-boron compound can be suppressed while the crystal grains of the aluminum alloy are miniaturized.
アルミニウム合金の結晶粒を微細化することによって、アルミニウム合金部材の熱間割れを抑制するとともに、珪素を分散させることができる。また、アルミニウム合金の結晶粒を微細化することによって、ヒートサイクルによってアルミニウム合金部材の表面の粒界に局部的なうねりが発生するのを抑制することができる。これにより、アルミニウム合金部材に放熱板や半導体チップなどを半田付けした場合にヒートサイクルによる半田クラックの発生が抑えられ、信頼性が向上すると考えられる。また、従来では、冷却速度などの冷却条件が珪素の析出（濃縮）に非常に大きな影響を与えているため、冷却条件を制御しながら生産している。しかし、例えば、結晶粒を微細化するために急冷などを行うように冷却条件を制御しようとしても、鋳型の熱容量が大きい等の問題により、その制御が困難である。一方、本発明によるアルミニウム−セラミックス接合基板の実施の形態を製造する場合、ホウ素の添加により珪素を分散させることができるため、比較的広範囲の冷却条件で冷却することができるようになり、生産性を向上させることができる。すなわち、アルミニウム−珪素系合金の本来の特性を維持しつつ、アルミニウム−セラミックス接合基板の信頼性、生産性および歩留を向上させることができる。 By miniaturizing the crystal grains of the aluminum alloy, hot cracking of the aluminum alloy member can be suppressed and silicon can be dispersed. Further, by miniaturizing the crystal grains of the aluminum alloy, it is possible to suppress the occurrence of local undulation at the grain boundary on the surface of the aluminum alloy member due to the heat cycle. Thereby, when soldering a heat sink, a semiconductor chip, etc. to an aluminum alloy member, generation | occurrence | production of the solder crack by a heat cycle is suppressed, and it is thought that reliability improves. Conventionally, cooling conditions such as the cooling rate have a very large influence on the precipitation (concentration) of silicon, and therefore production is performed while controlling the cooling conditions. However, for example, even if it is attempted to control the cooling conditions so as to perform rapid cooling or the like in order to refine crystal grains, it is difficult to control due to problems such as a large heat capacity of the mold. On the other hand, when the embodiment of the aluminum / ceramic bonding substrate according to the present invention is manufactured, silicon can be dispersed by adding boron, so that it can be cooled in a relatively wide range of cooling conditions, and productivity can be improved. Can be improved. That is, the reliability, productivity, and yield of the aluminum-ceramic bonding substrate can be improved while maintaining the original characteristics of the aluminum-silicon alloy.
アルミニウム合金は、好ましくは０．１〜１．５重量％、さらに好ましくは０．２〜１．０重量％、最も好ましくは０．２〜０．６重量％の珪素を含有する。この範囲では、アルミニウム合金部材がアルミニウム−セラミックス接合基板として所望の高い熱伝導率と適当な硬さを有するからである。すなわち、アルミニウム−セラミックス接合基板に実装したチップなどの放熱のため、アルミニウム合金は、１７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高い熱伝導率を有するのが好ましく、２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高い熱伝導率を有するのがさらに好ましい。また、アルミニウム合金の硬さは、軟らか過ぎると放熱板やチップとアルミニウム−セラミックス接合基板を半田付けした場合にヒートサイクルなどの熱衝撃により半田クラックが発生するおそれがあり、一方、硬過ぎるとヒートサイクルなどの熱衝撃によりセラミックス基板が割れる場合があるので、表面のビッカース硬度がＨｖ２５〜４０であるのが好ましい。アルミニウム合金がこのような高い熱伝導率と適当な硬さを有するには、アルミニウム合金が上記の範囲の珪素を含有するのが好ましい。 The aluminum alloy preferably contains 0.1-1.5 wt% silicon, more preferably 0.2-1.0 wt%, most preferably 0.2-0.6 wt% silicon. This is because, within this range, the aluminum alloy member has a desired high thermal conductivity and appropriate hardness as an aluminum-ceramic bonding substrate. That is, it is preferable that the aluminum alloy has a high thermal conductivity of 170 W / m · K or more, and a high thermal conductivity of 200 W / m · K or more, for heat dissipation of the chip mounted on the aluminum-ceramic bonding substrate. It is more preferable to have it. Also, if the hardness of the aluminum alloy is too soft, solder cracks may occur due to thermal shock such as a heat cycle when the heat sink or chip and the aluminum-ceramic bonding substrate are soldered. Since the ceramic substrate may break due to thermal shock such as a cycle, the surface Vickers hardness is preferably Hv 25-40. In order for the aluminum alloy to have such a high thermal conductivity and appropriate hardness, it is preferable that the aluminum alloy contains silicon in the above range.
ホウ素は、アルミニウム−珪素系合金の結晶粒を小さくして珪素を分散させる効果を有し、アルミニウム−珪素系合金の熱間割れを防止する。ホウ素の添加量は、好ましくは０．０２重量％以上、さらに好ましくは０．０２〜０．１重量％である。ホウ素の添加量が０．０２重量％未満であると結晶粒の微細化効果が小さく、０．０２重量％以上であれば充分な効果が得られる。さらに、ホウ素の添加量が０．０２〜０．１重量％であれば、ホウ素の過剰添加によってアルミニウム−珪素系合金の熱伝導率が低下したりアルミニウム−珪素系合金が必要以上に硬くなることを防止することができるとともに、高価なホウ素を必要以上に添加することを防止することができる。また、ホウ素の添加量が上記の範囲内であれば、ホウ素の添加による熱伝導率の劣化や硬度の上昇を防止することができる。 Boron has the effect of dispersing silicon by reducing the crystal grains of the aluminum-silicon alloy, and prevents hot cracking of the aluminum-silicon alloy. The amount of boron added is preferably 0.02% by weight or more, more preferably 0.02 to 0.1% by weight. If the amount of boron added is less than 0.02% by weight, the effect of crystal grain refinement is small, and if it is 0.02% by weight or more, a sufficient effect can be obtained. Furthermore, if the amount of boron added is 0.02 to 0.1% by weight, the thermal conductivity of the aluminum-silicon-based alloy may be reduced or the aluminum-silicon-based alloy may become harder than necessary due to excessive boron addition. In addition, it is possible to prevent the addition of more expensive boron than necessary. Moreover, if the addition amount of boron is in the above range, deterioration of thermal conductivity and increase in hardness due to addition of boron can be prevented.
セラミックス基板とアルミニウム合金部材の接合は、溶湯接合法によって行うのが好ましく、本発明によるアルミニウム−セラミックス接合基板の実施の形態を製造する際には、特別な冷却条件の制御や特別な設備を必要とせずに、良好なアルミニウム−セラミックス接合基板を得ることができる。通常、溶湯接合法では、アルミニウム合金部材をセラミックス基板に接合した後に冷却する際に、例えば、冷却条件を制御する場合には設備的な面から冷却速度を大きくすることが難しく、そのため、例えば、数ｃｍ以上の粗大な結晶粒になり、粒界の面積が小さいために粒界に珪素が濃縮し易いと考えられる。さらに、エッチングの際にもその珪素を除去することができず、電気的絶縁に問題が生じる場合がある。本発明によるアルミニウム−セラミックス接合基板の実施の形態を製造する際には、適量のホウ素を添加することにより、結晶粒経を１ｍｍ以下、さらには０．５ｍｍ以下にして結晶を微細化することができ、また、珪素をマクロ的に分散させることができ、アルミニウム合金部材の不要な部分を問題なく除去することができる。 Bonding of the ceramic substrate and the aluminum alloy member is preferably performed by a molten metal bonding method. When manufacturing the embodiment of the aluminum-ceramic bonding substrate according to the present invention, special cooling condition control and special equipment are required. A good aluminum / ceramic bonding substrate can be obtained without the use. Usually, in the molten metal joining method, when cooling after joining the aluminum alloy member to the ceramic substrate, for example, when controlling the cooling conditions, it is difficult to increase the cooling rate from the viewpoint of equipment, for example, It is considered that coarse crystal grains of several centimeters or more are formed and silicon is easily concentrated at the grain boundaries because the grain boundary area is small. Further, the silicon cannot be removed during etching, which may cause a problem in electrical insulation. When manufacturing the embodiment of the aluminum / ceramic bonding substrate according to the present invention, by adding an appropriate amount of boron, the crystal grain size can be reduced to 1 mm or less, and further to 0.5 mm or less to refine the crystal. In addition, silicon can be dispersed macroscopically, and unnecessary portions of the aluminum alloy member can be removed without any problem.
さらに、本発明によるアルミニウム−セラミックス接合基板の実施の形態を製造する場合、アルミニウム合金の硬さを上述した範囲にするとともに、結晶粒を微細化することにより、ヒートサイクル後の半田クラックの発生を抑えることができる。 Furthermore, when manufacturing the embodiment of the aluminum-ceramic bonding substrate according to the present invention, the hardness of the aluminum alloy is set to the above-described range, and the generation of solder cracks after the heat cycle is achieved by refining the crystal grains. Can be suppressed.
また、鉄は、アルミニウム−珪素−ホウ素系合金の凝固の際のアルミニウム−ホウ素化合物の析出を防止する効果を有する。鉄の添加量は、好ましくは０．００５〜０．２重量％である。この範囲では、アルミニウム−ホウ素化合物の析出が抑制され、鉄の添加による熱伝導性、電気伝導性、硬度などの変化が比較的小さいためである。 Moreover, iron has the effect of preventing the precipitation of the aluminum-boron compound during solidification of the aluminum-silicon-boron alloy. The amount of iron added is preferably 0.005 to 0.2% by weight. This is because, within this range, precipitation of the aluminum-boron compound is suppressed, and changes in thermal conductivity, electrical conductivity, hardness, and the like due to the addition of iron are relatively small.
鉄と同様に、亜鉛、銅、銀およびマグネシウムもアルミニウム−珪素−ホウ素系合金の凝固の際のアルミニウム−ホウ素化合物の析出を抑制する効果を有する。これらの元素の添加量は、好ましくは０．００５〜０．３重量％である。この範囲では、熱伝導性、電気伝導性などを大きく低下させることなく、アルミニウム−ホウ素化合物の析出を抑制し、良好にエッチングを行うことができ且つめっき性を向上させることができるからである。 Similar to iron, zinc, copper, silver and magnesium also have the effect of suppressing the precipitation of the aluminum-boron compound during solidification of the aluminum-silicon-boron alloy. The amount of these elements added is preferably 0.005 to 0.3% by weight. This is because, within this range, the precipitation of the aluminum-boron compound can be suppressed, etching can be performed satisfactorily, and the plating properties can be improved without significantly reducing the thermal conductivity, electrical conductivity, and the like.
同様に、チタン、バナジウムおよびマンガンもアルミニウム−珪素−ホウ素系合金の凝固の際のアルミニウム−ホウ素化合物の析出を抑制する効果を有する。これらの元素の添加量は、０．００１〜０．０５重量％である。これらの元素の量がこの範囲より多過ぎると、熱伝導性および電気伝導性が大幅に低下するからである。 Similarly, titanium, vanadium and manganese also have the effect of suppressing the precipitation of the aluminum-boron compound during solidification of the aluminum-silicon-boron alloy. The amount of these elements added is 0.001 to 0.05% by weight. This is because if the amount of these elements is more than this range, the thermal conductivity and the electrical conductivity are greatly lowered.
なお、アルミニウム合金部材をセラミックス基板に接合する際の冷却速度は、結晶の成長を抑制するために速い方がよい。このようにしてアルミニウム−ホウ素化合物の析出を抑制することにより、塩化第二鉄を使用してエッチングを行うことにより精密なアルミニウム回路を作製する際に、セラミックス基板上のアルミニウム合金の溶解部の残留物（アルミニウム−ホウ素化合物）が少なく、ニッケルめっきを行った際に、その残留物上にめっきが施されてしまうという不具合が生じ難くなる。そのため、パタ−ン間の絶縁抵抗不良や外観不良が大幅に減少する。また、アルミニウム合金の表面に析出するアルミニウム−ホウ素化合物も少ないため、ニッケルめっきを行った際に、より均一な密着性の良いめっき面を得ることができる。 The cooling rate when the aluminum alloy member is bonded to the ceramic substrate is preferably high in order to suppress crystal growth. In this way, by suppressing the precipitation of the aluminum-boron compound, when a precise aluminum circuit is manufactured by performing etching using ferric chloride, the residual portion of the dissolved portion of the aluminum alloy on the ceramic substrate is retained. There is little thing (aluminum-boron compound), and when nickel plating is performed, the problem that plating is performed on the residue is less likely to occur. Therefore, the insulation resistance failure between patterns and the appearance failure are greatly reduced. Moreover, since there are few aluminum-boron compounds which precipitate on the surface of an aluminum alloy, when performing nickel plating, a more uniform plating surface with good adhesiveness can be obtained.
以下、添付図面を参照して、本発明によるアルミニウム−セラミックス接合基板の実施例について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of an aluminum / ceramic bonding substrate according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
［実施例１］
窒化アルミニウム基板を収容した鋳型を炉内に入れ、炉内を窒素雰囲気にした状態で７４０℃まで加熱し、０．４重量％の珪素と０．０４重量％のホウ素と０．０１０重量％の鉄を含有するアルミニウム合金を、酸化皮膜を取り除きながら、鋳型内に流し込んだ。その後、鋳型を冷却して溶湯を凝固させ、さらに室温まで冷却した。このようにして、セラミックス基板の両面にそれぞれ厚さ０．１５ｍｍ（裏面側）および０．４ｍｍ（表面側）のアルミニウム合金板が直接接触して接合した接合体を製造し、この接合体を鋳型から取り出した。このようにして得られた接合体のアルミニウム合金板の表面の合金の平均晶粒径を測定したところ、約２００〜３００μｍであった。
[Example 1]
A mold containing an aluminum nitride substrate is placed in a furnace, heated to 740 ° C. in a nitrogen atmosphere, and 0.4 wt% silicon, 0.04 wt% boron, and 0.010 wt% An aluminum alloy containing iron was poured into the mold while removing the oxide film. Thereafter, the mold was cooled to solidify the molten metal, and further cooled to room temperature. In this way, a joined body was produced in which aluminum alloy plates having a thickness of 0.15 mm (back side) and 0.4 mm (front side) were directly contacted and joined to both surfaces of the ceramic substrate, respectively. Removed from. The average crystal grain size of the alloy on the surface of the aluminum alloy plate of the joined body thus obtained was measured to be about 200 to 300 μm.
また、得られた接合体のセラミックス基板１０に接合したアルミニウム合金板１２の表面を研磨し、その上に所定の形状のエッチングレジストを印刷し、塩化第二鉄によってエッチング処理を行って、図１に示すように表面側の回路パターン間の距離が１．２ｍｍになるように回路パタ−ンを形成して回路基板を作製した。このエッチングによってアルミニウム合金が溶解した部分のセラミックス基板１０の表面を光学顕微鏡（５００倍）で観察したところ、残留物が少ないことが確認された。
Further, the surface of the
さらに、作製した回路基板のアルミニウム合金板１２上に厚さ３μｍのニッケル−リン無電解めっきを施し、このめっきを施した部分の密着性をテープ剥離試験により評価したところ、密着性は良好であった。また、セラミックス基板１０の表面を光学顕微鏡（５００倍）で観察したところ、エッチング後のセラミックス基板１０の表面への残留物が少なかったため、残留物にめっきが析出した部分もほとんどなく、回路パタ−ン間の耐圧の低下も認められなかった。なお、回路パターン間に交流電圧を徐々に印加した際に絶縁が破壊された時（リーク電流が５ｍＡ以上になった時）の電圧を、回路パターン間の（絶縁）耐圧とすると、回路パタ−ン間の耐圧は１．４ｋＶ以上であった。
Furthermore, when nickel-phosphorus electroless plating with a thickness of 3 μm was applied on the
また、この回路基板のアルミニウム合金板１２の体積抵抗率を測定したところ、３μΩ・ｃｍより低く、電気伝導性が良好であった。
Further, when the volume resistivity of the
［実施例２〜６］
鉄の添加量を０．００５重量％（実施例２）、０．０２０重量％（実施例３）、０．０３０重量％（実施例４）、０．０８０重量％（実施例５）、０．１５重量％（実施例６）とした以外は実施例１と同様の方法により得られた接合体について、実施例１と同様の評価を行ったところ、実施例１と同様の評価が得られた。
[Examples 2 to 6]
The amount of iron added is 0.005% by weight (Example 2), 0.020% by weight (Example 3), 0.030% by weight (Example 4), 0.080% by weight (Example 5), 0 The same evaluation as in Example 1 was performed on the joined body obtained by the same method as in Example 1 except that the content was changed to 15% by weight (Example 6), and the same evaluation as in Example 1 was obtained. It was.
［実施例７、８］
鉄の代わりに０．００５重量（実施例７）、０．０４０重量％（実施例８）のチタンを添加した以外は実施例１と同様の方法により得られた接合体について、実施例１と同様の評価を行ったところ、実施例１と同様の評価が得られた。
[Examples 7 and 8]
About the joined body obtained by the same method as Example 1 except having added 0.005 weight (Example 7) and 0.040 weight% (Example 8) titanium instead of iron, it is the same as Example 1. When the same evaluation was performed, the same evaluation as in Example 1 was obtained.
［実施例９、１０］
鉄の代わりに０．０１重量（実施例９）、０．２０重量％（実施例１０）の銅を添加した以外は実施例１と同様の方法により得られた接合体について、実施例１と同様の評価を行ったところ、実施例１と同様の評価が得られた。
[Examples 9 and 10]
About the joined body obtained by the same method as Example 1 except having added 0.01 weight (Example 9) and 0.20 weight% (Example 10) of copper instead of iron, it is the same as Example 1. When the same evaluation was performed, the same evaluation as in Example 1 was obtained.
［比較例１］
鉄を添加しなかった以外は実施例１と同様の方法により得られた接合体（回路基板）について、実施例１と同様の評価を行った。その結果、結晶粒が２００〜３００μｍと微細化されているものの、エッチング後のセラミックス基板の表面への残留物が多く、めっき後に残留物にめっきが析出している部分が多数あり、パタ−ン間の耐圧が極度に低下して１ｋＶ未満であった。また、めっきのフクレが生じていたため、めっきの密着性が悪かった。なお、体積抵抗率は３μΩ・ｃｍより低く、電気伝導性は良好であった。
[Comparative Example 1]
Evaluation similar to Example 1 was performed about the joined body (circuit board) obtained by the same method as Example 1 except not having added iron. As a result, although the crystal grains are refined to 200 to 300 μm, there are many residues on the surface of the ceramic substrate after etching, and there are many portions where plating is deposited on the residue after plating. The withstand voltage between them was extremely low and less than 1 kV. Further, since plating swelling occurred, the adhesion of plating was poor. The volume resistivity was lower than 3 μΩ · cm, and the electrical conductivity was good.
［比較例２］
鉄の添加量を０．３重量％にした以外は実施例１と同様の方法により得られた接合体について、実施例１と同様の評価を行ったところ、エッチング後の残留物は少なかったが、体積抵抗率が３μΩ・ｃｍより高く、電気伝導性が良好でなかった。
[Comparative Example 2]
When the same evaluation as in Example 1 was performed on the joined body obtained by the same method as in Example 1 except that the amount of iron added was 0.3% by weight, there was little residue after etching. The volume resistivity was higher than 3 μΩ · cm, and the electrical conductivity was not good.
［比較例３］
鉄の代わりにニッケルを添加した以外は実施例１と同様の方法により得られた接合体（回路基板）について、実施例１と同様の評価を行った。その結果、結晶粒が２００〜３００μｍと微細化されているものの、エッチング後のセラミックス基板の表面への残留物が多く、めっき後に残留物にめっきが析出している部分が多数あり、パタ−ン間の耐圧が極度に低下して１ｋＶ未満であった。なお、体積抵抗率は３μΩ・ｃｍより低く、電気伝導性は良好であった。
[Comparative Example 3]
Evaluation similar to Example 1 was performed about the joined body (circuit board) obtained by the same method as Example 1 except having added nickel instead of iron. As a result, although the crystal grains are refined to 200 to 300 μm, there are many residues on the surface of the ceramic substrate after etching, and there are many portions where plating is deposited on the residue after plating. The withstand voltage between them was extremely low and less than 1 kV. The volume resistivity was lower than 3 μΩ · cm, and the electrical conductivity was good.
［比較例４］
チタンの添加量を０．１重量％にした以外は実施例７および８と同様の方法により得られた接合体について、実施例１と同様の評価を行ったところ、エッチング後の残留物は少なかったが、体積抵抗率が３μΩ・ｃｍより高く、電気伝導性が良好でなかった。
[Comparative Example 4]
A bonded body obtained by the same method as in Examples 7 and 8 except that the addition amount of titanium was 0.1% by weight was evaluated in the same manner as in Example 1. As a result, there was little residue after etching. However, the volume resistivity was higher than 3 μΩ · cm, and the electrical conductivity was not good.
［比較例５］
銅の添加量を０．５重量％にした以外は実施例８および９と同様の方法により得られた接合体について、実施例１と同様の評価を行ったところ、エッチング後の残留物は少なかったが、体積抵抗率が３μΩ・ｃｍより高く、電気伝導性が良好でなかった。
[Comparative Example 5]
The bonded body obtained by the same method as in Examples 8 and 9 except that the amount of copper added was 0.5% by weight was evaluated in the same manner as in Example 1. As a result, there was little residue after etching. However, the volume resistivity was higher than 3 μΩ · cm, and the electrical conductivity was not good.
１０ セラミックス基板
１２ アルミニウム合金板
10
Claims (2)
In the method of manufacturing an aluminum-ceramic bonding substrate, in which a molten aluminum alloy is brought into contact with the ceramic substrate and then solidified, the aluminum alloy member is bonded to the ceramic substrate. And boron, 0.02 to 0.1 wt%, iron 0.005 to 0.2 wt%, and one or more elements selected from the group consisting of zinc, copper, silver and magnesium 0.005 to 0 3% by weight and one or more elements selected from the group consisting of titanium, vanadium, and manganese, 0.001 to 0.05% by weight, with the balance being aluminum. A method for producing an aluminum-ceramic bonding substrate, comprising unavoidable impurities.
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