JP2011073194A - Metal-ceramics joint base and method of manufacturing the same - Google Patents

Metal-ceramics joint base and method of manufacturing the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a metal-ceramics joint base that can be manufactured at low cost, wherein a metallic circuit board has good heat and electrical conductivity and provides high reliability of junction between a clad member and a ceramics board as a metallic circuit board, and a method of manufacturing the same. <P>SOLUTION: When a metallic base 12 is directly joined to one side of a ceramics base 10 and one side of a first metallic plate 14 is directly joined to the other side within a die, a second metallic plate 16 is directly joined to the other side of the first metallic plate 14, whereby a clad member comprising the first metallic plate 14 and the second metallic plate 16 is directly joined to the ceramics base 10. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、金属−セラミックス接合基板およびその製造方法に関し、特に、異なる種類の複数の金属板からなるクラッド材がセラミックス基板の一方の面に接合した金属−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 a metal / ceramic bonding substrate and a manufacturing method thereof, and more particularly to a metal / ceramic bonding substrate in which a clad material made of a plurality of different types of metal plates is bonded to one surface of a ceramic substrate and a manufacturing method thereof.

従来、電気自動車、電車、工作機械などの大電力を制御するためにパワーモジュールが使用されており、このようなパワーモジュール用の金属−セラミックス絶縁基板として、セラミックス基板の表面に銅回路板を接合した銅−セラミックス接合基板が使用されている。しかし、銅−セラミックス接合基板では、銅とセラミックス基板の熱膨張係数の差が大きく、銅−セラミックス接合基板への電子部品の実装時や、銅−セラミックス接合基板の使用時に、銅とセラミックス基板の熱膨張差による熱応力によって、セラミックス基板の内部にクラックが生じたり、セラミックス基板から銅回路板が剥離する場合があり、熱サイクル耐性が十分とはいえない。   Conventionally, power modules are used to control high power in electric vehicles, trains, machine tools, etc., and copper circuit boards are bonded to the surface of ceramic substrates as metal-ceramic insulating substrates for such power modules. Copper-ceramic bonding substrates are used. However, the copper-ceramic bonding substrate has a large difference in the coefficient of thermal expansion between the copper and the ceramic substrate. When mounting electronic parts on the copper-ceramic bonding substrate or using the copper-ceramic bonding substrate, the copper-ceramic bonding substrate The thermal stress due to the thermal expansion difference may cause cracks in the ceramic substrate, or the copper circuit board may be peeled off from the ceramic substrate, and the thermal cycle resistance is not sufficient.

近年、より高い熱サイクル耐性を実現するために、アルミニウム回路板を使用したアルミニウム−セラミックス接合基板が提案され、実用化されている。しかし、アルミニウム−セラミックス接合基板では、優れた熱サイクル耐性を有するが、アルミニウムの熱伝導性や電気伝導性は銅より劣っており、また、熱サイクル後にアルミニウム回路板の表面にしわが生じて、その上に搭載する電子部品に悪影響を及ぼすおそれがある。そのため、金属回路板の熱伝導性や電気伝導性がアルミニウム回路板より良好であり且つアルミニウム−セラミックス接合基板と同等の熱サイクル耐性を有する金属−セラミックス接合基板が望まれている。   In recent years, in order to realize higher heat cycle resistance, an aluminum-ceramic bonding substrate using an aluminum circuit board has been proposed and put into practical use. However, the aluminum-ceramic bonding substrate has excellent thermal cycle resistance, but the thermal conductivity and electrical conductivity of aluminum are inferior to copper, and the surface of the aluminum circuit board is wrinkled after thermal cycling. There is a risk of adversely affecting the electronic components mounted on the top. Therefore, there is a demand for a metal / ceramic bonding substrate in which the thermal conductivity and electrical conductivity of the metal circuit board are better than those of the aluminum circuit board and have the same thermal cycle resistance as the aluminum / ceramic bonding substrate.

このような金属−セラミックス接合基板として、セラミックス基板に接合したアルミニウム材上に銅またはモリブデン材を積層した金属−セラミックス複合基板(例えば、特許文献1参照)、異なる3種以上の金属が層状に重なったクラッド箔をセラミックス基板に接合した回路基板(例えば、特許文献2参照)、Cu導体層とAl導体層を積層した積層体をセラミックス基板の表面に接合した配線基板(例えば、特許文献3参照)などが提案されている。   As such a metal-ceramic bonding substrate, a metal-ceramic composite substrate in which a copper or molybdenum material is laminated on an aluminum material bonded to a ceramic substrate (see, for example, Patent Document 1), three or more different types of metals are layered. Circuit board (for example, see Patent Document 2) in which the clad foil is bonded to a ceramic substrate, and a wiring board (for example, see Patent Document 3) in which a laminate in which a Cu conductor layer and an Al conductor layer are laminated is bonded to the surface of the ceramic substrate Etc. have been proposed.

特開平9−234826号公報(段落番号0017)Japanese Patent Laid-Open No. 9-234826 (paragraph number 0017) 特開平11−97807号公報(段落番号0006)JP-A-11-97807 (paragraph number 0006) 特開平2001−185826号公報(段落番号0010)JP 2001-185826 (paragraph number 0010)

しかし、特許文献1の金属−セラミックス複合基板では、セラミックス基板に接合したアルミニウム板上に銅板またはモリブデン板を半田付けし、特許文献2の回路基板では、ろう材を介してクラッド箔をセラミックス基板に接合し、特許文献3の配線基板では、Cu板とAl板を積層した積層配線導体をろう材を介してセラミックス基板に接合しているので、クラッド材をセラミックス基板に接合するための製造コストがかかり、また、クラッド材とセラミックス基板との接合の信頼性が十分ではなかった。   However, in the metal-ceramic composite substrate of Patent Document 1, a copper plate or a molybdenum plate is soldered on an aluminum plate bonded to the ceramic substrate, and in the circuit substrate of Patent Document 2, the clad foil is attached to the ceramic substrate via a brazing material. In the wiring substrate of Patent Document 3, since the laminated wiring conductor in which the Cu plate and the Al plate are laminated is joined to the ceramic substrate through the brazing material, the manufacturing cost for joining the clad material to the ceramic substrate is low. In addition, the reliability of bonding between the clad material and the ceramic substrate was not sufficient.

したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、金属回路板の熱伝導性および電気伝導性が良好であり、金属回路板としてのクラッド材とセラミックス基板との接合の信頼性が高く、且つ安価に製造することができる、金属−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 conventional problem, the present invention has good thermal conductivity and electrical conductivity of the metal circuit board, and has high reliability of bonding between the clad material as the metal circuit board and the ceramic substrate. Another object of the present invention is to provide a metal / ceramic bonding substrate and a method for manufacturing the same, which can be manufactured at low cost.

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、セラミックス基板にクラッド材の第1の金属板の一方の面を直接接合する際に、第1の金属板の他方の面にクラッド材の第2の金属板を直接接合することにより、金属回路板の熱伝導性および電気伝導性が良好であり、金属回路板としてのクラッド材とセラミックス基板との接合の信頼性が高い金属−セラミックス接合基板を安価に製造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 diligent research to solve the above-described problems, the inventors of the present invention, when directly bonding one surface of the first metal plate of the clad material to the ceramic substrate, on the other surface of the first metal plate. By directly joining the second metal plate of the clad material, the metal circuit plate has good thermal conductivity and electrical conductivity, and the metal with high reliability in joining the clad material as the metal circuit plate and the ceramic substrate -The present inventors have found that a ceramic bonded substrate can be manufactured at low cost and have completed the present invention.

すなわち、本発明による金属−セラミックス接合基板の製造方法は、セラミックス基板の一方の面に第1の金属板の一方の面が接合し、この第1の金属板の他方の面に第2の金属板が取り付けられた金属−セラミックス接合基板の製造方法において、鋳型内にセラミックス基板と第2の金属板を離間して配置させ、この鋳型内のセラミックス基板の一方の面と第2の金属板に接触するように溶湯を注湯した後に冷却して凝固させることにより、セラミックス基板と第2の金属板との間に第1の金属板を形成して、セラミックス基板の一方の面に第1の金属板の一方の面を直接接合するとともに、この第1の金属板の他方の面に第2の金属板を直接接合することを特徴とする。   That is, in the method for manufacturing a metal / ceramic bonding substrate according to the present invention, one surface of the first metal plate is bonded to one surface of the ceramic substrate, and the second metal is bonded to the other surface of the first metal plate. In a method for manufacturing a metal / ceramic bonding substrate to which a plate is attached, a ceramic substrate and a second metal plate are arranged apart from each other in a mold, and one surface of the ceramic substrate in the mold and the second metal plate are After pouring the molten metal so as to come into contact, the first metal plate is formed between the ceramic substrate and the second metal plate by cooling and solidifying the first metal plate on one surface of the ceramic substrate. One surface of the metal plate is directly bonded, and the second metal plate is directly bonded to the other surface of the first metal plate.

この金属−セラミックス接合基板の製造方法において、セラミックス基板の一方の面と第2の金属板に接触するように溶湯を注湯した後に冷却して凝固させることにより、セラミックス基板と第2の金属板との間に第1の金属板を形成する際に、セラミックス基板の他方の面に接触するように溶湯を注湯した後に冷却して凝固させることにより、セラミックス基板の他方の面に金属部材を形成して金属部材を直接接合するのが好ましい。また、溶湯がアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯であるのが好ましい。さらに、第2の金属板が、銅、銅基合金または鉄−ニッケル系合金からなるのが好ましい。   In this metal-ceramic bonding substrate manufacturing method, the molten metal is poured so as to contact one surface of the ceramic substrate and the second metal plate, and then cooled and solidified to thereby form the ceramic substrate and the second metal plate. When the first metal plate is formed between the metal member, the molten metal is poured so as to contact the other surface of the ceramic substrate, and then cooled and solidified, whereby the metal member is placed on the other surface of the ceramic substrate. It is preferable to form and join the metal members directly. The molten metal is preferably a molten aluminum or aluminum alloy. Furthermore, it is preferable that the second metal plate is made of copper, a copper base alloy or an iron-nickel alloy.

また、本発明による金属−セラミックス接合基板は、セラミックス基板の一方の面に第1の金属板の一方の面が直接接合するとともに、この第1の金属板の他方の面に第2の金属板が直接接合していることを特徴とする。   In the metal / ceramic bonding substrate according to the present invention, one surface of the first metal plate is directly bonded to one surface of the ceramic substrate, and the second metal plate is bonded to the other surface of the first metal plate. Are directly bonded.

この金属−セラミックス接合基板において、セラミックス基板の他方の面に金属部材が直接接合しているのが好ましい。また、第1の金属板が、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなるのが好ましい。さらに、第2の金属板が、銅、銅基合金または鉄−ニッケル系合金からなるのが好ましい。   In this metal / ceramic bonding substrate, the metal member is preferably bonded directly to the other surface of the ceramic substrate. The first metal plate is preferably made of aluminum or an aluminum alloy. Furthermore, it is preferable that the second metal plate is made of copper, a copper base alloy or an iron-nickel alloy.

また、上記の金属−セラミックス接合基板において、第2の金属板が、金属溶湯が凝固することにより第1の金属板が形成される際に第1の金属板の他方の面に接合するのが好ましい。さらに、第2の金属板が、半田を使用することなく第1の金属板の他方の面に接合しているのが好ましい。   In the metal-ceramic bonding substrate, the second metal plate is bonded to the other surface of the first metal plate when the first metal plate is formed by solidification of the molten metal. preferable. Furthermore, it is preferable that the second metal plate is joined to the other surface of the first metal plate without using solder.

本発明によれば、金属回路板の熱伝導性および電気伝導性が良好であり、金属回路板としてのクラッド材とセラミックス基板との接合の信頼性が高い金属−セラミックス接合基板を安価に製造することができる。   According to the present invention, a metal-ceramic bonding substrate having a good thermal conductivity and electrical conductivity of a metal circuit board and having a high reliability of bonding between a clad material as a metal circuit board and a ceramic substrate is manufactured at low cost. be able to.

本発明による金属−セラミックス接合基板の第1の実施の形態の斜視図である。1 is a perspective view of a first embodiment of a metal / ceramic bonding substrate according to the present invention. 図1に示す金属−セラミックス接合基板の断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of the metal / ceramic bonding substrate shown in FIG. 1. 図1に示す金属−セラミックス接合基板の製造に使用する鋳型の断面図である。It is sectional drawing of the casting_mold | template used for manufacture of the metal-ceramics bonding board | substrate shown in FIG. 本発明による金属−セラミックス接合基板の第2の実施の形態の斜視図である。It is a perspective view of 2nd Embodiment of the metal-ceramic bonding board | substrate by this invention. 図4に示す金属−セラミックス接合基板の断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view of the metal / ceramic bonding substrate shown in FIG. 4. 図4に示す金属−セラミックス接合基板の製造に使用する鋳型の断面図である。It is sectional drawing of the casting_mold | template used for manufacture of the metal-ceramics bonding board | substrate shown in FIG.

以下、添付図面を参照して、本発明による金属−セラミックス接合基板およびその製造方法の実施の形態について説明する。   Embodiments of a metal / ceramic bonding substrate and a method for manufacturing the same according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

[第1の実施の形態]
図1および図2に示すように、本発明による金属−セラミックス接合基板の第1の実施の形態は、セラミックス基板10と、アルミニウムからなる金属ベース板12と、クラッド材としてのアルミニウムからなる第1の金属板14および銅からなる第2の金属板16とを備え、第1の金属板14の一方の面がセラミックス基板10の一方の面に直接接合し、第2の金属板16が第1の金属板14の他方の面に直接接合し、金属ベース板12がセラミックス基板10の他方の面に直接接合している。
[First Embodiment]
As shown in FIGS. 1 and 2, the first embodiment of the metal / ceramic bonding substrate according to the present invention is a ceramic substrate 10, a metal base plate 12 made of aluminum, and a first made of aluminum as a clad material. Metal plate 14 and a second metal plate 16 made of copper, one surface of the first metal plate 14 is directly bonded to one surface of the ceramic substrate 10, and the second metal plate 16 is the first metal plate 16. The metal base plate 12 is directly bonded to the other surface of the ceramic substrate 10.

セラミックス基板10と金属ベース板12との間、セラミックス基板10と第1の金属板14との間、第1の金属板14と第2の金属板16との間の直接接合は、例えば、図3に示すような鋳型100にアルミニウム溶湯を流し込んで冷却することによって行われる。   Direct bonding between the ceramic substrate 10 and the metal base plate 12, between the ceramic substrate 10 and the first metal plate 14, and between the first metal plate 14 and the second metal plate 16 is, for example, illustrated in FIG. 3 is performed by pouring molten aluminum into a mold 100 as shown in FIG.

図3に示すように、鋳型100は、平面形状が略矩形の下側鋳型部材102と、この下側鋳型部材102の蓋部としての平面形状が略矩形の上側鋳型部材104とからなる。下側鋳型部材102の上面には、セラミックス基板10と略同一の形状および大きさの1つまたは複数(図3では1つのみを示す)の凹部(セラミックス基板収容部)102aが形成されている。このセラミックス基板収容部102aの底面には、第1の金属板14および第2の金属板16からなるクラッド材と略同一の形状および大きさの1つまたは複数(図3では1つのみを示す)の凹部(第1の金属板14を形成するための第1の金属板形成部102bと、第2の金属板16を収容するための第2の金属板収容部102cとからなる凹部)が形成されている。上側鋳型部材104の底面(下側鋳型部材102と対向する側の面)には、金属ベース板12と略同一の形状および大きさを有する凹部(金属ベース板12を形成するための金属ベース板形成部)104aが形成されている。なお、上側鋳型部材104には、鋳型100内に溶湯を注湯するための(図示しない)注湯口が形成されている。また、下側鋳型部材102には、金属ベース板形成部104aと第1の金属板形成部102bとの間に延びる(図示しない)溶湯流路が形成され、セラミックス基板収容部102a内にセラミックス基板10を収容したときにも金属ベース板形成部104aと第1の金属板形成部102bとの間が連通するようになっている。   As shown in FIG. 3, the mold 100 includes a lower mold member 102 having a substantially rectangular planar shape, and an upper mold member 104 having a substantially rectangular planar shape as a lid portion of the lower mold member 102. On the upper surface of the lower mold member 102, one or a plurality of concave portions (ceramic substrate accommodation portion) 102a having substantially the same shape and size as the ceramic substrate 10 (only one is shown in FIG. 3) are formed. . On the bottom surface of the ceramic substrate housing portion 102a, one or a plurality (only one is shown in FIG. 3) having substantially the same shape and size as the clad material made of the first metal plate 14 and the second metal plate 16. ) (A concave portion formed of a first metal plate forming portion 102b for forming the first metal plate 14 and a second metal plate housing portion 102c for housing the second metal plate 16). Is formed. A recess (metal base plate for forming the metal base plate 12) having substantially the same shape and size as the metal base plate 12 is formed on the bottom surface of the upper mold member 104 (the surface facing the lower mold member 102). Forming portion) 104a is formed. The upper mold member 104 is formed with a pouring port (not shown) for pouring molten metal into the mold 100. Further, the lower mold member 102 is formed with a molten metal passage (not shown) extending between the metal base plate forming portion 104a and the first metal plate forming portion 102b, and the ceramic substrate is accommodated in the ceramic substrate housing portion 102a. Even when 10 is accommodated, the metal base plate forming portion 104a and the first metal plate forming portion 102b communicate with each other.

この鋳型100の下側鋳型部材102の第2の金属板収容部102c内に、第2の金属板16としての銅板を収容し、セラミックス基板収容部102a内にセラミックス基板10を収容した後、下側鋳型部材102に上側鋳型部材104を被せて、鋳型100の金属ベース板形成部104a内にアルミニウム溶湯を注湯して充填するとともに、(図示しない)溶湯流路を介して(セラミックス基板収容部102aと第2の金属板収容部102cとの間に形成された空間である)第1の金属板形成部102bまで溶湯を充填し、その後、冷却して溶湯を凝固させることにより、セラミックス基板10と、金属ベース板12と、クラッド材としての第1の金属板14および第2の金属板16とが一体に接合した金属−セラミックス接合基板を製造することができる。   A copper plate as the second metal plate 16 is accommodated in the second metal plate accommodating portion 102c of the lower mold member 102 of the mold 100, and the ceramic substrate 10 is accommodated in the ceramic substrate accommodating portion 102a. The upper mold member 104 is placed on the side mold member 102, and the molten metal is poured and filled into the metal base plate forming portion 104a of the mold 100. The molten metal is filled up to the first metal plate forming portion 102b (which is a space formed between the first metal plate housing portion 102c and the second metal plate accommodating portion 102c), and then cooled to solidify the molten metal. And a metal-ceramic bonding substrate in which the metal base plate 12, the first metal plate 14 and the second metal plate 16 as the clad material are integrally bonded. Rukoto can.

このようにして、アルミニウム板(第1の金属板14)と銅板(第2の金属板16)からなるクラッド材を予め作製する必要がなく、セラミックス基板とアルミニウム板を接合すると同時にアルミニウム板と銅板を接合することができるので、製造コストを飛躍的に少なくすることができる。   In this way, there is no need to previously prepare a clad material made of an aluminum plate (first metal plate 14) and a copper plate (second metal plate 16), and at the same time the ceramic substrate and the aluminum plate are joined, the aluminum plate and the copper plate. Therefore, the manufacturing cost can be drastically reduced.

[第2の実施の形態]
図4および図5に示すように、本発明による金属−セラミックス接合基板の第2の実施の形態は、セラミックス基板110と、アルミニウムからなる裏面側金属板112と、クラッド材としてのアルミニウムからなる第1の金属板114および銅からなる第2の金属板116とを備え、第1の金属板114の一方の面がセラミックス基板110の一方の面に直接接合し、第2の金属板116が第1の金属板114の他方の面に直接接合し、裏面側金属板112がセラミックス基板110の他方の面に直接接合している。
[Second Embodiment]
As shown in FIGS. 4 and 5, the second embodiment of the metal / ceramic bonding substrate according to the present invention includes a ceramic substrate 110, a back side metal plate 112 made of aluminum, and aluminum made of aluminum as a cladding material. 1 metal plate 114 and a second metal plate 116 made of copper, and one surface of the first metal plate 114 is directly bonded to one surface of the ceramic substrate 110, and the second metal plate 116 is One metal plate 114 is directly bonded to the other surface, and the back side metal plate 112 is directly bonded to the other surface of the ceramic substrate 110.

セラミックス基板110と裏面側金属板112との間、セラミックス基板110と第1の金属板114との間、第1の金属板114と第2の金属板116との間の直接接合は、例えば、図6に示すような鋳型200にアルミニウム溶湯を流し込んで冷却することによって行われる。   Direct bonding between the ceramic substrate 110 and the back surface side metal plate 112, between the ceramic substrate 110 and the first metal plate 114, and between the first metal plate 114 and the second metal plate 116 is, for example, It is performed by pouring molten aluminum into a mold 200 as shown in FIG. 6 and cooling it.

図6に示すように、鋳型200は、平面形状が略矩形の下側鋳型部材202と、この下側鋳型部材202の蓋部としての平面形状が略矩形の上側鋳型部材204とからなる。下側鋳型部材202の上面には、セラミックス基板110と略同一の形状および大きさの1つまたは複数(図6では1つのみを示す)の凹部(セラミックス基板収容部)202aが形成されている。このセラミックス基板収容部202aの底面には、裏面側金属板112と略同一の形状および大きさの凹部(裏面側金属板112を形成するための裏面側金属板形成部)202bが形成されている。上側鋳型部材204の略中央部には平面形状が略矩形の開口部(貫通穴)が形成され、この開口部に上側鋳型部材蓋部204aが嵌合して、上側鋳型部材204の底面(下側鋳型部材202と対向する側の面)に、第1の金属板114および第2の金属板116からなるクラッド材と略同一の形状および大きさの1つまたは複数(図6では1つのみを示す)凹部(第1の金属板114を形成するための第1の金属板形成部204bと、第2の金属板116を収容するための第2の金属板収容部204cとからなる凹部)が形成されるようになっている。なお、上側鋳型部材204には、鋳型200内に溶湯を注湯するための(図示しない)注湯口が形成されている。また、上側鋳型部材204および下側鋳型部材202には、第1の金属板形成部204bと裏面側金属板形成部202bとの間に延びる(図示しない)溶湯流路が形成され、セラミックス基板収容部202a内にセラミックス基板110を収容したときにも第1の金属板形成部204bと裏面側金属板形成部202bとの間が連通するようになっている。   As shown in FIG. 6, the mold 200 includes a lower mold member 202 having a substantially rectangular planar shape, and an upper mold member 204 having a substantially rectangular planar shape as a lid portion of the lower mold member 202. On the upper surface of the lower mold member 202, one or a plurality of (only one is shown in FIG. 6) recesses (ceramic substrate housing portions) 202 a having substantially the same shape and size as the ceramic substrate 110 are formed. . A concave portion (a back side metal plate forming part for forming the back side metal plate 112) 202b having substantially the same shape and size as the back side metal plate 112 is formed on the bottom surface of the ceramic substrate housing portion 202a. . An opening (through hole) having a substantially rectangular planar shape is formed at a substantially central portion of the upper mold member 204, and the upper mold member lid portion 204a is fitted into the opening so that the bottom surface of the upper mold member 204 (lower One or a plurality (only one in FIG. 6) having the same shape and size as the clad material made of the first metal plate 114 and the second metal plate 116 on the side facing the side mold member 202 Recessed portion (recessed portion formed of a first metal plate forming portion 204b for forming the first metal plate 114 and a second metal plate housing portion 204c for housing the second metal plate 116) Is to be formed. The upper mold member 204 has a pouring port (not shown) for pouring molten metal into the mold 200. The upper mold member 204 and the lower mold member 202 are formed with a melt flow path (not shown) extending between the first metal plate forming portion 204b and the back metal plate forming portion 202b to accommodate the ceramic substrate. Even when the ceramic substrate 110 is accommodated in the portion 202a, the first metal plate forming portion 204b and the back surface side metal plate forming portion 202b communicate with each other.

この鋳型200の上側鋳型部材204の第2の金属板収容部202c内に第2の金属板116としての銅板を収容して固定し、下側鋳型部材202のセラミックス基板収容部202a内にセラミックス基板110を収容した後、下側鋳型部材202に上側鋳型部材204を被せて、鋳型200の第1の金属板形成部204b内にアルミニウム溶湯を注湯して充填するとともに、(図示しない)溶湯流路を介して(セラミックス基板収容部202aと第2の金属板収容部204cとの間に形成された空間である)第1の金属板形成部204bまで溶湯を充填し、その後、冷却して溶湯を凝固させることにより、セラミックス基板110と、裏面側金属板112と、クラッド材としての第1の金属板114および第2の金属板116とが一体に接合した金属−セラミックス接合基板を製造することができる。   A copper plate as the second metal plate 116 is accommodated and fixed in the second metal plate accommodating portion 202 c of the upper mold member 204 of the mold 200, and the ceramic substrate is accommodated in the ceramic substrate accommodating portion 202 a of the lower mold member 202. 110 is accommodated, and the lower mold member 202 is covered with the upper mold member 204, and the first metal plate forming portion 204b of the mold 200 is poured and filled with molten aluminum (not shown). The molten metal is filled up to the first metal plate forming portion 204b (which is a space formed between the ceramic substrate housing portion 202a and the second metal plate housing portion 204c) through the path, and then cooled to melt the molten metal. Solidifying the ceramic substrate 110, the back side metal plate 112, and the first metal plate 114 and the second metal plate 116 as the clad material are integrally contacted. Metal - can be produced ceramic bonding substrate.

このようにして、アルミニウム板(第1の金属板114)と銅板(第2の金属板116)からなるクラッド材を予め作製する必要がなく、セラミックス基板とアルミニウム板を接合すると同時にアルミニウム板と銅板を接合することができるので、製造コストを飛躍的に少なくすることができる。   In this way, there is no need to previously prepare a clad material made of an aluminum plate (first metal plate 114) and a copper plate (second metal plate 116), and at the same time the ceramic substrate and the aluminum plate are joined, the aluminum plate and the copper plate. Therefore, the manufacturing cost can be drastically reduced.

なお、上述した第1および第2の実施の形態の金属−セラミックス接合基板において、アルミニウム板と銅板からなるクラッド材の表面に所定の回路形状のエッチングレジストをマスキングして、塩化第2鉄溶液などでエッチングすることによって細かい回路を形成することもできる。また、形成された回路の端部の厚さを徐々に(または階段状に)薄くして金属−セラミックス接合基板の信頼性をさらに高めることもできる。さらに、必要に応じて、アルミニウム板と銅板からなるクラッド材の表面にNiめっきやNi合金めっきなどを施すこともできる。   In the metal-ceramic bonding substrates of the first and second embodiments described above, an etching resist having a predetermined circuit shape is masked on the surface of a clad material made of an aluminum plate and a copper plate, and a ferric chloride solution or the like. It is also possible to form a fine circuit by etching. In addition, the reliability of the metal / ceramic bonding substrate can be further increased by gradually reducing the thickness of the end portion of the formed circuit (or stepwise). Furthermore, Ni plating, Ni alloy plating, etc. can also be given to the surface of the clad material which consists of an aluminum plate and a copper plate as needed.

また、上述した第1および第2の実施の形態の金属−セラミックス接合基板において、アルミニウムからなる第1の金属板14、114の代わりに、アルミニウム合金からなる金属板を使用してもよく、銅板からなる第2の金属板16、116の代わりに、銅基合金や鉄−ニッケル系合金からなる金属板を使用してもよい。   Moreover, in the metal-ceramic bonding substrate of the first and second embodiments described above, a metal plate made of an aluminum alloy may be used instead of the first metal plates 14 and 114 made of aluminum, and a copper plate Instead of the second metal plates 16 and 116, a metal plate made of a copper base alloy or an iron-nickel alloy may be used.

以下、本発明による金属−セラミックス接合基板およびその製造方法の実施例について詳細に説明する。   Hereinafter, examples of the metal / ceramic bonding substrate and the manufacturing method thereof according to the present invention will be described in detail.

[実施例1]
まず、図3に示す鋳型100と同様の形状の鋳型を使用し、下側鋳型部材102の第2の金属板収容部102c内に46mm×21mm×0.3mmの無酸素銅板を収容し、セラミックス基板収容部102a内に50mm×25mm×0.6mmのAlNからなるセラミックス基板を収容した後、下側鋳型部材102に上側鋳型部材104を被せて炉内に入れ、炉内を酸素濃度10ppm以下の窒素雰囲気にした。この状態で750℃まで加熱し、溶湯供給部から供給されたアルミニウム溶湯を、鋳型100の注湯口に取り付けられた注湯ノズルの狭い流路を介して酸化皮膜を除去しながら、鋳型100内の70mm×45mm×5mmの大きさの金属ベース板形成部104a内に流し込んで充填するとともに、下側鋳型部材102に形成された溶湯流路を介して46mm×21mm×0.05mmの大きさの第1の金属板収容部102bまで充填した。その後、鋳型100を冷却してアルミニウム溶湯を凝固させ、さらに室温まで冷却した。このようにして、セラミックス基板と、アルミニウムベース板と、クラッド材として厚さ0.05mmのアルミニウム板および厚さ0.3mmの銅板とが一体に接合した金属−セラミックス接合基板を製造した。
[Example 1]
First, a mold having the same shape as the mold 100 shown in FIG. 3 is used, and a 46 mm × 21 mm × 0.3 mm oxygen-free copper plate is accommodated in the second metal plate accommodating portion 102 c of the lower mold member 102, and ceramics After the ceramic substrate made of 50 mm × 25 mm × 0.6 mm AlN is accommodated in the substrate accommodating portion 102a, the upper mold member 104 is put on the lower mold member 102 and placed in the furnace, and the furnace is filled with an oxygen concentration of 10 ppm or less. The atmosphere was nitrogen. While heating to 750 ° C. in this state, the molten aluminum supplied from the molten metal supply unit removes the oxide film through the narrow flow path of the pouring nozzle attached to the pouring port of the mold 100, The metal base plate forming portion 104a having a size of 70 mm × 45 mm × 5 mm is poured and filled, and the first size having a size of 46 mm × 21 mm × 0.05 mm is passed through the molten metal flow path formed in the lower mold member 102. 1 metal plate accommodating portion 102b was filled. Thereafter, the mold 100 was cooled to solidify the molten aluminum, and further cooled to room temperature. In this way, a metal / ceramic bonding substrate was manufactured in which a ceramic substrate, an aluminum base plate, an aluminum plate having a thickness of 0.05 mm, and a copper plate having a thickness of 0.3 mm were integrally bonded.

得られた金属−セラミックス接合基板は、クラッド材のアルミニウム板を形成するための第1の金属板形成部102bの深さが十分ではなく、第1の金属板形成部102b全体にアルミニウム溶湯が供給されず、アルミニウム板とセラミックス基板との接合が一部のみであったが、セラミックス基板とアルミニウム板と銅板が同時に強固に接合していることが確認され、セラミックス基板に割れはなかった。なお、アルミニウム板の少なくとも一部は銅板との合金が形成されていると考えられる。   In the obtained metal-ceramic bonding substrate, the depth of the first metal plate forming portion 102b for forming the aluminum plate of the clad material is not sufficient, and the molten aluminum is supplied to the entire first metal plate forming portion 102b. However, although the aluminum plate and the ceramic substrate were only partially joined, it was confirmed that the ceramic substrate, the aluminum plate, and the copper plate were firmly joined at the same time, and the ceramic substrate was not cracked. In addition, it is thought that the alloy with a copper plate is formed in at least one part of the aluminum plate.

[実施例2〜4]
アルミニウム板の厚さを0.1mm(実施例2)、0.15mm(実施例3)、0.2mm(実施例4)とした以外は、実施例1と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を製造したところ、セラミックス基板とアルミニウム板と銅板が接合面の全面にわたって強固に接合し、セラミックス基板に割れはなかった。
[Examples 2 to 4]
Metal-ceramic bonding was performed in the same manner as in Example 1, except that the thickness of the aluminum plate was 0.1 mm (Example 2), 0.15 mm (Example 3), and 0.2 mm (Example 4). When the substrate was manufactured, the ceramic substrate, the aluminum plate, and the copper plate were firmly bonded over the entire bonding surface, and the ceramic substrate was not cracked.

[実施例5]
銅板の厚さを0.5mm、アルミニウム板の厚さを0.5mmとした以外は、実施例1と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を製造したところ、セラミックス基板とアルミニウム板と銅板が接合面の全面にわたって強固に接合し、セラミックス基板に割れはなかった。
[Example 5]
A metal-ceramic bonding substrate was manufactured by the same method as in Example 1 except that the thickness of the copper plate was 0.5 mm and the thickness of the aluminum plate was 0.5 mm. The ceramic substrate, the aluminum plate, and the copper plate were The entire bonded surface was firmly bonded, and the ceramic substrate was not cracked.

[実施例6]
第2の金属板収容部102c内に収容する前に、無酸素銅板の表面に厚さ6μmのNi−Pめっきを施した以外は、実施例4と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を製造したところ、セラミックス基板とアルミニウム板と銅板が接合面の全面にわたって強固に接合し、セラミックス基板に割れはなかった。
[Example 6]
The metal-ceramic bonding substrate was formed in the same manner as in Example 4 except that the surface of the oxygen-free copper plate was subjected to 6 μm thick Ni—P plating before being housed in the second metal plate housing portion 102c. When manufactured, the ceramic substrate, the aluminum plate, and the copper plate were firmly bonded over the entire bonding surface, and the ceramic substrate was not cracked.

10、110 セラミックス基板
12 金属ベース板
14、114 第1の金属板
16、116 第2の金属板
112 裏面側金属板
100、200 鋳型
102、202 下側鋳型部材
102a、202a セラミックス基板収容部
102b、204b 第1の金属板形成部
102c、204c 第2の金属板収容部
104、204 上側鋳型部材
104a 金属ベース板形成部
202b 裏面側金属板形成部
204a 上側鋳型部材蓋部
10, 110 Ceramic substrate 12 Metal base plate 14, 114 First metal plate 16, 116 Second metal plate 112 Back side metal plate 100, 200 Mold 102, 202 Lower mold member 102a, 202a Ceramic substrate housing portion 102b, 204b 1st metal plate formation part 102c, 204c 2nd metal plate accommodating part 104, 204 Upper mold member 104a Metal base plate formation part 202b Back surface side metal plate formation part 204a Upper mold member cover part

Claims (10)

セラミックス基板の一方の面に第1の金属板の一方の面が接合し、この第1の金属板の他方の面に第2の金属板が取り付けられた金属−セラミックス接合基板の製造方法において、鋳型内にセラミックス基板と第2の金属板を離間して配置させ、この鋳型内のセラミックス基板の一方の面と第2の金属板に接触するように溶湯を注湯した後に冷却して凝固させることにより、セラミックス基板と第2の金属板との間に第1の金属板を形成して、セラミックス基板の一方の面に第1の金属板の一方の面を直接接合するとともに、この第1の金属板の他方の面に第2の金属板を直接接合することを特徴とする、金属−セラミックス接合基板の製造方法。 In the method of manufacturing a metal-ceramic bonding substrate, wherein one surface of the first metal plate is bonded to one surface of the ceramic substrate, and the second metal plate is attached to the other surface of the first metal plate. The ceramic substrate and the second metal plate are arranged apart from each other in the mold, and after pouring the molten metal so as to contact one surface of the ceramic substrate in the mold and the second metal plate, the ceramic substrate is cooled and solidified. Thus, the first metal plate is formed between the ceramic substrate and the second metal plate, and one surface of the first metal plate is directly bonded to one surface of the ceramic substrate. A method for producing a metal / ceramic bonding substrate, wherein the second metal plate is directly bonded to the other surface of the metal plate. 前記セラミックス基板の一方の面と前記第2の金属板に接触するように前記溶湯を注湯した後に冷却して凝固させることにより、前記セラミックス基板と前記第2の金属板との間に前記第1の金属板を形成する際に、前記セラミックス基板の他方の面に接触するように前記溶湯を注湯した後に冷却して凝固させることにより、前記セラミックス基板の他方の面に金属部材を形成して金属部材を直接接合することを特徴とする、請求項1に記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。 The molten metal is poured so as to be in contact with one surface of the ceramic substrate and the second metal plate, and then cooled and solidified, whereby the first metal plate is interposed between the ceramic substrate and the second metal plate. When forming one metal plate, a metal member is formed on the other surface of the ceramic substrate by pouring the molten metal into contact with the other surface of the ceramic substrate and then cooling and solidifying the molten metal. The metal-ceramic bonding substrate manufacturing method according to claim 1, wherein the metal member is directly bonded. 前記溶湯がアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯であることを特徴とする、請求項1または2に記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。 The method for producing a metal / ceramic bonding substrate according to claim 1, wherein the molten metal is a molten metal of aluminum or an aluminum alloy. 前記第2の金属板が、銅、銅基合金または鉄−ニッケル系合金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金属−セラミックス接合基板の製造方法。 The method for producing a metal / ceramic bonding substrate according to any one of claims 1 to 3, wherein the second metal plate is made of copper, a copper base alloy, or an iron-nickel alloy. セラミックス基板の一方の面に第1の金属板の一方の面が直接接合するとともに、この第1の金属板の他方の面に第2の金属板が直接接合していることを特徴とする、金属−セラミックス接合基板。 One surface of the first metal plate is directly bonded to one surface of the ceramic substrate, and the second metal plate is directly bonded to the other surface of the first metal plate, Metal-ceramic bonding substrate. 前記セラミックス基板の他方の面に金属部材が直接接合していることを特徴とする、請求項5に記載の金属−セラミックス接合基板。 6. The metal / ceramic bonding substrate according to claim 5, wherein a metal member is directly bonded to the other surface of the ceramic substrate. 前記第1の金属板が、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなることを特徴とする、請求項5または6に記載の金属−セラミックス接合基板。 The metal-ceramic bonding substrate according to claim 5 or 6, wherein the first metal plate is made of aluminum or an aluminum alloy. 前記第2の金属板が、銅、銅基合金または鉄−ニッケル系合金からなることを特徴とする、請求項5乃至7のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板。 The metal-ceramic bonding substrate according to any one of claims 5 to 7, wherein the second metal plate is made of copper, a copper base alloy, or an iron-nickel alloy. 前記第2の金属板が、金属溶湯が凝固することにより前記第1の金属板が形成される際に前記第1の金属板の他方の面に接合することを特徴とする、請求項5乃至8のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板。 The second metal plate is bonded to the other surface of the first metal plate when the first metal plate is formed by solidification of the molten metal. The metal-ceramic bonding substrate according to any one of 8. 前記第2の金属板が、半田を使用することなく前記第1の金属板の他方の面に接合していることを特徴とする、請求項5乃至9のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板。 The metal-ceramic bonding according to any one of claims 5 to 9, wherein the second metal plate is bonded to the other surface of the first metal plate without using solder. substrate.
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