JP2011199315A - 金属−セラミックス接合基板 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】セラミックス基板10の一方の面にろう材16を介して放熱板固定用金属板18の一方の面が接合した金属−セラミックス接合基板において、放熱板固定用金属板18としてビッカース硬さ40〜60の銅または銅合金からなる金属板を使用し、この放熱板固定用金属板18の他方の面にPbフリー半田20によって放熱板22が固定される。
【選択図】図1
Description
図1を参照して、本発明による金属−セラミックス接合基板の第1の実施の形態について説明する。
ろう材による接合時の温度、例えば、Agを主成分とするろう材を使用する場合には800℃以上の温度で析出物が再固溶しない銅合金を使用すれば、結晶粒の極端な粗大化や強度の低下を効果的に防止することができる。特に、結晶粒径を0.2mm以下、好ましくは0.15mm以下にするためには、ろう材による接合時の温度で結晶粒径を制御することができるように、銅合金中に存在する析出物が、接合時の温度で再固溶し難い大きさおよび組成を有するのが好ましく、10nm以上の大きさであるのが好ましい。この析出物は、Ni−Ti系、Ni−Si系、Cu−Zr系などの金属間化合物でもよいし、Fe−P系、Ni−B系、Cu−Oなどのりん化物、ほう化物、酸化物などでもよい。析出物が再固溶した場合でも、ろう接時の冷却過程で析出し、常温でできるだけ固溶しない組成の組み合わせや量である方が、電気伝導性や熱伝導性の点で有利である。
図2を参照して、本発明による金属−セラミックス接合基板の第2の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態において、第1の実施の形態と同一の部分については、同一の参照符号を付して、その説明を省略する。
図3を参照して、本発明による金属−セラミックス接合基板の第3の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態において、第1の実施の形態と同一の部分については、同一の参照符号を付して、その説明を省略する。
図4および図5を参照して、本発明による金属−セラミックス接合基板の第4の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態において、第1の実施の形態と同一の部分については、同一の参照符号を付して、その説明を省略する。
図1において、セラミックス基板10として40mm×40mm×0.635mmの大きさの窒化アルミニウム基板を使用し、セラミックス基板10の上面に接合する回路用金属板14として厚さ0.3mmの無酸素銅板を使用し、セラミックス基板10の裏面に接合する放熱板固定用金属板18として厚さ0.4mmの無酸素銅板を使用し、ろう材12および16の厚さを0.02mmとして、第1の実施の形態と同様の金属−セラミックス接合基板を作製した。なお、ろう材12および16として、Ag、Cu、Ti、Sn、FeおよびIn成分を含むろう材を使用し、接合時にろう材の成分を金属板14および18に拡散させて、接合後の金属板14および18のビッカース硬さが44になり且つ平均結晶粒径0.12mmになるように、ろう接の温度と時間を調整した。
セラミックス基板10の裏面に接合する放熱板固定用金属板18として厚さ0.6mmのCu−0.12Zr−0.1Co−0.03P合金からなる銅合金板を使用した以外は実施例1と同様の方法により、第1の実施の形態と同様の金属−セラミックス接合基板を作製した。なお、ろう材12および16として、Ag、CuおよびTi成分を含むろう材を使用し、接合時にろう材の成分を金属板14および18に拡散させて、接合後の金属板14および18のビッカース硬さが46になり且つ平均結晶粒径0.14mmになるように調整した。
セラミックス基板10の裏面に接合する放熱板固定用金属板18として厚さ0.25mmのCu−0.2Sn−0.2Cr合金からなる銅合金板を使用した以外は実施例1と同様の方法により、第1の実施の形態と同様の金属−セラミックス接合基板を作製した。なお、接合時にろう材の成分を金属板14および18に拡散させて、接合後の金属板14および18のビッカース硬さが42になり且つ平均結晶粒径0.14mmになるように調整した。
セラミックス基板10の裏面に接合する放熱板固定用金属板18として厚さ0.15mmのCu−0.3Cr−0.1Ti−0.1Zr−0.1Ni合金からなる銅合金板を使用した以外は実施例3と同様の方法により、第1の実施の形態と同様の金属−セラミックス接合基板を作製した。なお、接合時にろう材の成分を金属板14および18に拡散させて、接合後の金属板14および18のビッカース硬さが45になり且つ平均結晶粒径0.09mmになるように調整した。
図5に示すように、セラミックス基板10として40mm×40mm×0.635mmの大きさの窒化アルミニウム基板を使用し、セラミックス基板10の上面に接合する回路用金属板14として厚さ0.3mmの銅板を使用し、セラミックス基板10の裏面に接合する放熱板固定用金属板18として厚さ0.15mmの銅板を使用し、ろう材12および16の厚さを0.02mmとして、第1の実施の形態と同様の金属−セラミックス接合基板を作製した。なお、ろう材12および16として実施例1と同様のAg合金ろう材を使用したが、ろう材の成分の銅への拡散が不十分であり、ビッカース硬さが35、平均結晶粒径が0.22mmであった。
セラミックス基板10の裏面に接合する放熱板固定用金属板18として厚さ0.4mmの銅板を使用した以外は比較例1と同様の方法により、比較例1と同様の金属−セラミックス接合基板を作製した。このようにして作製した金属−セラミックス接合基板に、実施例1と同様のPbフリー半田20を使用して実施例1と同様の放熱板22を固定し、実施例1と同様に繰り返しヒートサイクルを300回行った後に、窒化アルミニウム基板の表面とPbフリー半田20の表面を光学顕微鏡で観察したところ、半田クラックの発生はなかったが、窒化アルミニウム基板にクラックの発生が認められた。
セラミックス基板10の裏面に接合する放熱板固定用金属板18として厚さ0.6mmの銅板を使用した以外は比較例1と同様の方法により、比較例1と同様の金属−セラミックス接合基板を作製した。このようにして作製した金属−セラミックス接合基板に、実施例1と同様のPbフリー半田20を使用して実施例1と同様の放熱板22を固定し、実施例1と同様に繰り返しヒートサイクルを300回行った後に、窒化アルミニウム基板の表面とPbフリー半田20の表面を光学顕微鏡で観察したところ、半田クラックの発生はなかったが、窒化アルミニウム基板にクラックの発生が認められた。
12、16、116、216、316、317 ろう材
14 回路用金属板
18、118、218、318 放熱板固定用金属板
20、120、220,320 Pbフリー半田
22 放熱板
Claims (20)
- セラミックス基板の一方の面に放熱板固定用金属板の一方の面が接合した金属−セラミックス接合基板において、前記放熱板固定用金属板のビッカース硬さが40〜60であることを特徴とする、金属−セラミックス接合基板。
- 前記放熱板固定用金属板が銅または銅合金からな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。
- 前記放熱板固定用金属板の結晶粒径が0.2mm以下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。
- 前記放熱板固定用金属板の厚さが0.05mm以上であ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。
- 前記セラミックス基板の一方の面にろう材を介して前記放熱板固定用金属板の一方の面が接合し、前記放熱板固定用金属板の他方の面に、この放熱板固定用金属板より大きい平面形状の放熱板が半田によって固定されていることを特徴とする、請求項1乃至4のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板。
- 前記半田が実質的に鉛を含まない半田であ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。
- 前記半田の露出面が前記放熱板固定用金属板の一方の面の周縁から前記放熱板の周縁部付近に向かって傾斜してい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。
- 前記半田の露出面と前記放熱板の固定面との間の角度が30〜70°であることを特徴とする、請求項7に記載の金属−セラミックス接合基板。
- 前記セラミックス基板の一方の面に前記放熱板固定用金属板の一方の面を接合するために塗布される前記ろう材の形状を、互いに離間した複数の線状または点状にすることにより、前記セラミックス基板の一方の面と前記放熱板固定用金属板の一方の面との間に非接合部が設けられてい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。
- 前記放熱板固定用金属板の一方の面の周縁部または周縁部付近に所定の幅の非接合部が設けられてい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。
- 前記非接合部が、前記放熱板固定用金属板の一方の面の周縁の全周に沿って延びていることを特徴とする、請求項10に記載の金属−セラミックス接合基板。
- 前記非接合部が、前記放熱板固定用金属板の一方の面の周縁から所定の距離だけ離間していることを特徴とする、請求項10または11に記載の金属−セラミックス接合基板。
- 前記所定の距離が0.1mm以上であることを特徴とする、請求項12に記載の金属−セラミックス接合基板。
- 前記所定の幅が0.1mm以上であることを特徴とする、請求項10乃至13のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板。
- 前記所定の幅が0.25〜3.0mmであることを特徴とする、請求項10乃至13のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板。
- 前記セラミックス基板が窒化アルミニウム基板または窒化珪素基板であることを特徴とする、請求項1乃至15のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板。
- 前記セラミックス基板の厚さが0.05〜1.5mmであることを特徴とする、請求項1乃至16のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板。
- 前記セラミックス基板の他方の面にろう材を介して回路用金属板が接合されていることを特徴とする、請求項1乃至17のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板。
- 前記セラミックス基板の他方の面に前記回路用金属板を接合するためのろう材が、前記回路用金属板の周縁から0.03mm以上はみ出ていることを特徴とする、請求項18に記載の金属−セラミックス接合基板。
- 請求項1乃至19のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板を用いた半導体回路基板またはパワーモジュール。
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