JP2016184606A - Heat dissipation substrate - Google Patents
Heat dissipation substrate Download PDFInfo
- Publication number
- JP2016184606A JP2016184606A JP2015063030A JP2015063030A JP2016184606A JP 2016184606 A JP2016184606 A JP 2016184606A JP 2015063030 A JP2015063030 A JP 2015063030A JP 2015063030 A JP2015063030 A JP 2015063030A JP 2016184606 A JP2016184606 A JP 2016184606A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- ceramic
- metal
- heat dissipation
- substrate
- interface region
- 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.)
- Granted
Links
Landscapes
- Structure Of Printed Boards (AREA)
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
Abstract
Description
本発明は放熱基板に関する。 The present invention relates to a heat dissipation substrate.
近年、ロボットやモーター等の産業機器の高性能化に伴い、大電力・高能率インバーター等パワーモジュールの変遷が進んでおり、半導体素子等を含む電子回路等から発生する熱量も増加している。回路素子等から発する熱を放出するための放熱基板や、電気配線として機能する金属パターンを備えた配線基板として、機械的強度と熱伝導性に優れた窒化珪素等のセラミック基板に、熱伝導性に優れ電気抵抗も小さいアルミニウムや銅等からなる金属体が接合された放熱基板が用いられている。セラミック体と金属体との接合技術は従来より様々な検討がなされ、ロウ付けによる接合や直接接合など、種々の接合方法が提案されて利用されている。例えば下記特許文献１には、活性金属法によってセラミック体と金属体とを接合する技術の一例が記載されている。 In recent years, with the improvement in performance of industrial equipment such as robots and motors, the transition of power modules such as high-power and high-efficiency inverters has progressed, and the amount of heat generated from electronic circuits including semiconductor elements has also increased. As a heat dissipation substrate for releasing heat generated from circuit elements, etc., or as a wiring substrate with a metal pattern that functions as electrical wiring, thermal conductivity is applied to ceramic substrates such as silicon nitride with excellent mechanical strength and thermal conductivity. A heat dissipation substrate is used in which a metal body made of aluminum, copper, or the like, which has excellent electrical resistance and a low electrical resistance, is joined. Various studies have been made on the joining technique between a ceramic body and a metal body, and various joining methods such as joining by brazing and direct joining have been proposed and used. For example, Patent Document 1 below describes an example of a technique for joining a ceramic body and a metal body by an active metal method.
セラミック体と金属体とが接合された放熱基板では、セラミック体の熱膨張率と金属体の熱膨張率の違いによって生じる熱応力が問題となることがある。例えば回路素子の発熱量の増加や、自動車のエンジンルーム内など高温環境下での使用の増加にともない、近年では、使用時における放熱基板や金属体の温度が上昇し易くなっていく傾向にあり、熱応力の大きさも大きくなっていく傾向にある。従来から、このような熱応力を抑制し、長期的な信頼性が高い放熱基板が求められていた。 In a heat dissipation board in which a ceramic body and a metal body are joined, thermal stress generated by a difference between the thermal expansion coefficient of the ceramic body and the thermal expansion coefficient of the metal body may be a problem. For example, as the amount of heat generated by circuit elements increases and the use in high-temperature environments such as in the engine room of an automobile increases, in recent years, the temperature of the heat dissipation board or metal body tends to rise easily during use. The thermal stress tends to increase. Conventionally, a heat dissipation substrate that suppresses such thermal stress and has high long-term reliability has been demanded.
かかる課題を解決するため、本願発明では、セラミックスからなるセラミック基板と、活性金属を含有する金属接合部を介して前記セラミック基板の主面と接合した金属体とを備える放熱基板であって、前記セラミックスからなる複数のセラミック粒子が、前記金属接合部の内部に分散配置されており、前記金属接合部における前活性金属の含有割合は、前記セラミック基板との界面領域、および前記セラミック粒子との界面領域の方が、前記セラミック基板との界面領域および前記セラミック粒子との界面領域以外の部分に比べて大きいことを特徴とする放熱基板を提供する。 In order to solve such a problem, the present invention is a heat dissipation substrate comprising a ceramic substrate made of ceramics and a metal body bonded to the main surface of the ceramic substrate via a metal bonding portion containing an active metal, A plurality of ceramic particles made of ceramic are dispersedly arranged inside the metal joint, and the content ratio of the pre-active metal in the metal joint is determined by the interface region with the ceramic substrate and the interface with the ceramic particles. Provided is a heat dissipation substrate characterized in that a region is larger than a region other than an interface region with the ceramic substrate and an interface region with the ceramic particles.
本発明の放熱基板は、熱応力が抑制されており、長期的な信頼性も高い。 The heat dissipation substrate of the present invention has low thermal stress and high long-term reliability.
以下、本発明の放熱基板の実施形態について詳細に説明する。放熱基板１は、セラミックスからなるセラミック基板２と、活性金属を含有する金属接合部６を介してセラミック基板２の主面（一方主面２Ａおよび他方主面２Ｂ）と接合した金属体４とを備える。放熱基板１では、このセラミックスからなる複数のセラミック粒子８が、金属接合部６の内部に分散配置されており、金属接合部６における活性金属の含有割合は、セラミック基板２との界面領域１０α（以降、単に界面領域１０αともいう）、およびセラミック粒子８との界面領域（以降、単に界面領域１０βともいう）の方が、界面領域１０αおよび界面領域１０β以外の部分に比べて大きい。 Hereinafter, embodiments of the heat dissipation substrate of the present invention will be described in detail. The heat dissipation substrate 1 includes a ceramic substrate 2 made of ceramics and a metal body 4 bonded to the main surface (one main surface 2A and the other main surface 2B) of the ceramic substrate 2 through a metal bonding portion 6 containing an active metal. Prepare. In the heat dissipation substrate 1, a plurality of ceramic particles 8 made of this ceramic are dispersedly arranged inside the metal joint portion 6, and the active metal content ratio in the metal joint portion 6 is the interface region 10α ( Hereinafter, the interface region with the ceramic particles 8 (hereinafter, also simply referred to as the interface region 10α) and the interface region (hereinafter also simply referred to as the interface region 10β) are larger than the portions other than the interface region 10α and the interface region 10β.
放熱基板１では、セラミック粒子８が金属接合部６の内部に分散配置されていることで、金属接合部６がセラミック粒子８を含まずに金属だけで構成されている場合に比べて、金属接合部６の熱膨張係数がセラミック基板２の熱膨張係数に近くなっている。このため、放熱基板１の温度が上昇および下降を繰り返した場合も、セラミック基板２と金属接合部６双方の熱膨張と熱収縮の差が小さくなっており、このような差にともなう熱応力が小さくなっている。放熱基板１の作用効果や金属接合部６の構成の詳細等については、後に詳述する。 In the heat dissipation substrate 1, the ceramic particles 8 are dispersedly arranged inside the metal joint 6, so that the metal joint 6 does not include the ceramic particles 8 and is composed of only metal. The thermal expansion coefficient of the part 6 is close to the thermal expansion coefficient of the ceramic substrate 2. For this reason, even when the temperature of the heat dissipation substrate 1 is repeatedly increased and decreased, the difference between the thermal expansion and the thermal contraction of both the ceramic substrate 2 and the metal joint 6 is small, and the thermal stress due to such a difference is reduced. It is getting smaller. The operational effects of the heat dissipation substrate 1 and the details of the configuration of the metal joint 6 will be described in detail later.
セラミック基板２を構成するセラミックスは、酸化物セラミックスまたは窒化物セラミックスであることが好ましい。酸化物セラミックスまたは窒化物セラミックスは、金属接合部６に含まれる活性金属と結びついて、金属接合部６に界面領域１０αおよび界面領域１０βを形成し易い。この点については、後に詳述する。 The ceramic constituting the ceramic substrate 2 is preferably an oxide ceramic or a nitride ceramic. Oxide ceramics or nitride ceramics tend to form the interface region 10α and the interface region 10β in the metal joint 6 in combination with the active metal contained in the metal joint 6. This will be described in detail later.
本実施形態ではセラミック基板２は窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）セラミックスからなる。より具体的には、セラミック基板２は窒化珪素を８０質量％以上含有するセラミックスからなる。セラミック基板２の厚みは、例えば０．０５〜１．５ｍｍとされている。なおセラミック基板がXX（XXは窒化珪素等の化合物の名称）セラミックスからなるとは、主成分としてXXを７０質量％以上含む焼結体であることをいう。 In this embodiment, the ceramic substrate 2 is made of silicon nitride (Si 3 N 4 ) ceramics. More specifically, the ceramic substrate 2 is made of a ceramic containing 80% by mass or more of silicon nitride. The thickness of the ceramic substrate 2 is, for example, 0.05 to 1.5 mm. The ceramic substrate made of XX (XX is the name of a compound such as silicon nitride) ceramic means a sintered body containing 70% by mass or more of XX as a main component.
セラミック基板２は特に限定されず、炭化珪素（ＳｉＣ）セラミックス，炭窒化珪素（ＳＮＣ）セラミックス，窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの他の各種セラミックスからなる基板でもよいし、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）セラミックスなどの酸化物セラミックスからなる基板であってもよいが、機械的強度が比較的高くかつ熱伝導率も比較的高い等の点で、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）セラミックスからなることが好ましい。 The ceramic substrate 2 is not particularly limited, and may be a substrate made of other various ceramics such as silicon carbide (SiC) ceramics, silicon carbonitride (SNC) ceramics, aluminum nitride (AlN), or alumina (Al 2 O 3 ) ceramics. However, it is preferably made of silicon nitride (Si 3 N 4 ) ceramics in terms of relatively high mechanical strength and relatively high thermal conductivity.
セラミック基板２の厚みは、例えば０．１３〜０．４ｍｍとなっている。このようなセラミック基板２は、セラミック基板２の全質量を１００％とした場合、窒化珪素を少なくとも８０質量％以上含有してなり、その他の添加成分として、酸化エルビウム、酸化マグネシウム、酸化硅素、酸化モリブデン、酸化アルミニウム等が含まれている。機械的特性としては、３点曲げ強度が７５０ＭＰa以上、ヤング率が３００Ｇｐａ以上、ビッカース
硬度（Ｈｖ）が１３ＧＰａ以上、破壊靱性（Ｋ１Ｃ）が５ＭＰａｍ１／２以上であることが好ましく、放熱基板とした際に長期間の使用に供することができ、機械的特性を上述の範囲とすることで信頼性、即ち耐クリープ性やヒートサイクルに対する耐久性を向上させることができる。
The thickness of the ceramic substrate 2 is, for example, 0.13 to 0.4 mm. Such a ceramic substrate 2 contains at least 80% by mass of silicon nitride when the total mass of the ceramic substrate 2 is 100%, and other additive components include erbium oxide, magnesium oxide, silicon oxide, oxidation Molybdenum, aluminum oxide and the like are included. The mechanical properties are preferably a three-point bending strength of 750 MPa or more, a Young's modulus of 300 GPa or more, a Vickers hardness (H v ) of 13 GPa or more, and a fracture toughness (K 1C ) of 5 MPam 1/2 or more. In this case, it can be used for a long period of time, and by setting the mechanical characteristics within the above range, reliability, that is, creep resistance and durability against heat cycle can be improved.
なお、３点曲げ強度については、放熱基板１から金属体４と金属接合部６とをエッチング等により除去した後、ＪＩＳ Ｒ １６０１−２００８（ＩＳＯ １４７０４：２０００（ＭＯＤ））に準拠して測定すればよい。また、ヤング率についても同様に、ＪＩＳ Ｒ １６０２−１９９５で規定される静的弾性率試験方法に準拠して測定すればよいし、ビッカース硬度（Ｈｖ）および破壊靱性（Ｋ１Ｃ）については、それぞれＪＩＳ Ｒ １６１０−２００３（ＩＳＯ １４７０５：２０００（ＭＯＤ）），ＪＩＳ Ｒ １６０７−２０１０（ＩＳＯ １５７３２：２００３（ＭＯＤ））で規定される圧子圧入法（ＩＦ法）に準拠して測定すればよい。またセラミック基板２の体積固有抵抗は、常温で１０１４Ω・ｃｍ以上、３００℃で１０１２Ω・ｃｍ以上であることが好ましい。 The three-point bending strength is measured in accordance with JIS R 1601-2008 (ISO 14704: 2000 (MOD)) after removing the metal body 4 and the metal joint 6 from the heat dissipation substrate 1 by etching or the like. That's fine. Similarly, the Young's modulus may be measured in accordance with the static elastic modulus test method defined in JIS R 1602-1995, and the Vickers hardness (H v ) and fracture toughness (K 1C ) What is necessary is just to measure based on the indenter press-in method (IF method) prescribed | regulated by JISR1610-2003 (ISO14705: 2000 (MOD)) and JISR1607-2010 (ISO15732: 2003 (MOD)), respectively. The volume resistivity of the ceramic substrate 2 is at normal temperature 10 14 Ω · cm or more and 300 ° C. at 10 12 Ω · cm or more.
金属体４は銅（Ｃｕ）を主成分とする。より具体的には、金属体４は、銅または銅合金を主成分とし、銅または銅合金が９９．９６質量％以上であるものである。金属体４として例えば、無酸素銅、タフピッチ銅、りん脱酸銅等の銅を用いるのがよい。特に、無酸素銅のうち、銅の含有率が９９．９９５％以上の線形結晶無酸素銅、単結晶状高純度無酸素銅および真空溶解銅のいずれかを用いることが好ましい。金属体４は、セラミック体２の両方の主面（一方主面２Ａおよび他方主面２Ｂそれぞれ）に接合部６を介して接合されている。 The metal body 4 contains copper (Cu) as a main component. More specifically, the metal body 4 is mainly composed of copper or a copper alloy, and the copper or copper alloy is 99.96% by mass or more. As the metal body 4, for example, copper such as oxygen-free copper, tough pitch copper, or phosphorus deoxidized copper is preferably used. In particular, among oxygen-free copper, it is preferable to use any of linear crystalline oxygen-free copper having a copper content of 99.995% or more, single-crystal high-purity oxygen-free copper, and vacuum-dissolved copper. The metal body 4 is bonded to both main surfaces of the ceramic body 2 (one main surface 2A and the other main surface 2B, respectively) via a bonding portion 6.
この金属体４は、図１（ａ）に示すように、平面視において所定形状にパターニングされており、複数の部分に分割されている。金属体４の表面には、発熱体となる回路素子や発光素子が実装される。例えばセラミック基板２の一方主面２Ａに図示しない回路素子や発光素子が実装された場合、一方主面２Ａの側の金属体４は、これら素子に電気信号や駆動電力を入出力するための電気配線として機能するとともに、発光素子や回路素子からの熱エネルギーを受けて周囲の雰囲気に放熱するための放熱体としても機能する。また、他方主面２Ｂに接合された金属体４にも、熱伝導率が高いセラミック基板２から熱エネルギーが伝わり、他方主面２Ｂの側の金属体４からも余分な熱エネルギーを効率的に放出することができる。金属体４は、金属体４と接する金属接合部６に近い部分に、銀（Ａｇ）の含有割合が比較的高い拡散領域４αを含んでいる。この拡散領域４αは、金属接合部６に含まれている銀（Ａｇ）が拡散することで生じた領域である。金属体４は、拡散領域４αが金属接合部６と比較的強固に接合している。 As shown in FIG. 1A, the metal body 4 is patterned into a predetermined shape in plan view, and is divided into a plurality of portions. On the surface of the metal body 4, a circuit element or a light emitting element serving as a heating element is mounted. For example, when a circuit element or a light-emitting element (not shown) is mounted on one main surface 2A of the ceramic substrate 2, the metal body 4 on the one main surface 2A side is an electric for inputting / outputting electric signals and driving power to these elements. In addition to functioning as a wiring, it also functions as a heat radiating body for receiving heat energy from the light emitting element and circuit element and radiating heat to the surrounding atmosphere. Further, the heat energy is also transferred from the ceramic substrate 2 having a high thermal conductivity to the metal body 4 joined to the other main surface 2B, and the excess heat energy is also efficiently transmitted from the metal body 4 on the other main surface 2B side. Can be released. The metal body 4 includes a diffusion region 4α having a relatively high silver (Ag) content in a portion close to the metal joint portion 6 that is in contact with the metal body 4. This diffusion region 4α is a region generated by the diffusion of silver (Ag) contained in the metal joint portion 6. In the metal body 4, the diffusion region 4 α is bonded to the metal bonding portion 6 relatively firmly.
本実施形態では、セラミック粒子８は窒化珪素セラミックスからなる。なおセラミック粒子８がXX（XXは窒化珪素等の化合物の名称）セラミックスからなるとは、セラミック粒子８が主成分としてXXを７０質量％以上含む焼結体であることをいう。金属接合部６は、銀（Ａｇ）および銅（Ｃｕ）に、活性金属であるチタン（Ｔｉ）を含有させた、いわゆるＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ活性金属メタライズ用のペーストにセラミック粒子８を混在させたペーストを焼成することで形成したものである。金属接合部６は、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、およびチタン（Ｔｉ）の他に、インジウム，亜鉛および錫等の低融点金属、モリブデン，オスミウム，レニウムおよびタングステン等の高融点金属や、他の不純物等を含んでいてもよい。 In the present embodiment, the ceramic particles 8 are made of silicon nitride ceramics. The ceramic particles 8 being made of XX (XX is the name of a compound such as silicon nitride) ceramic means that the ceramic particles 8 are a sintered body containing 70 mass% or more of XX as a main component. In the metal joint portion 6, ceramic particles 8 are mixed in a paste for so-called Ag—Cu—Ti active metal metallization in which titanium (Ti), which is an active metal, is contained in silver (Ag) and copper (Cu). The paste is formed by firing. In addition to silver (Ag), copper (Cu), and titanium (Ti), the metal junction 6 is a low melting point metal such as indium, zinc and tin, a high melting point metal such as molybdenum, osmium, rhenium and tungsten, It may contain other impurities.
金属接合部６の厚みは約５μｍ以上６０μｍ以下である。セラミック粒子８は最大径が金属接合部６の厚みの１０％以上９０％以下の粒子であることが好ましい。セラミック粒子８は、いわゆる破砕粒子および球状粒子のいずれであってもよいが、破砕粒子は外形状が不規則な多角形状となっていることから、界面領域１０βの領域を比較的大きくできる点で好適である。また、セラミック粒子８の比表面積は、０．５ｍ２／ｇ以上５ｍ２／ｇ以下であることが好適で、セラミック粒子８が窒化珪素である場合には、結晶多形が形状安定性に優れたβ型であることが好適である。なお、セラミック粒子８はサイアロンからなるものであってもよい。 The metal joint 6 has a thickness of about 5 μm or more and 60 μm or less. The ceramic particles 8 are preferably particles having a maximum diameter of 10% to 90% of the thickness of the metal joint portion 6. The ceramic particles 8 may be either so-called crushed particles or spherical particles, but the crushed particles have a polygonal shape with an irregular outer shape, so that the area of the interface region 10β can be made relatively large. Is preferred. The specific surface area of the ceramic particles 8 is preferably 0.5 m 2 / g or more and 5 m 2 / g or less. When the ceramic particles 8 are silicon nitride, the crystal polymorph is excellent in shape stability. The β type is preferred. The ceramic particles 8 may be made of sialon.
活性金属とは、第１イオン化エネルギーが比較的低い金属元素をいい、より具体的には熱処理等によって異種の元素と容易に結合する金属元素をいう。例えば、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ニオブ（Ｎｂ）、クロム（Ｃｒ）、バナジウム（Ｖ）、タンタル（Ｔａ）などがあげられる。チタンなどの活性金属を含む金属ロウ材は、酸化物セラミックスや窒化物系セラミックスなど、一般的なセラミックスに対して接合強度が強い。 The active metal refers to a metal element having a relatively low first ionization energy, and more specifically refers to a metal element that easily binds to a different element by heat treatment or the like. Examples thereof include titanium (Ti), zirconium (Zr), hafnium (Hf), niobium (Nb), chromium (Cr), vanadium (V), and tantalum (Ta). A metal brazing material containing an active metal such as titanium has a stronger bonding strength than general ceramics such as oxide ceramics and nitride ceramics.
放熱基板１では、界面領域１０αおよび界面領域１０βにおける活性金属の含有割合が、界面領域１０αおよび界面領域１０β以外の部分１１（中央部分１１ともいう）における活性金属の含有割合に比べて大きい。界面領域１０αとは、セラミック基板２の表面と金属接合部６との境界の近傍部分であり、セラミック基板２の表面から金属接合部６の内部に向かって約５μｍ程度離れた位置までの領域をいう。また界面領域１０βとは、セラミック粒子８の表面の近傍部分であって、例えばセラミック粒子８の表面から約５μｍ程度離れた位置までの領域をいう。 In the heat dissipation substrate 1, the active metal content in the interface region 10α and the interface region 10β is larger than the active metal content in the portion 11 (also referred to as the central portion 11) other than the interface region 10α and the interface region 10β. The interface region 10α is a portion in the vicinity of the boundary between the surface of the ceramic substrate 2 and the metal joint 6, and is a region from the surface of the ceramic substrate 2 to a position about 5 μm away from the interior of the metal joint 6. Say. The interface region 10β is a portion near the surface of the ceramic particle 8, for example, a region up to a position about 5 μm away from the surface of the ceramic particle 8.
活性金属であるＴｉは活性が強く、窒化珪素の窒素（Ｎ）と反応して結びついてＴｉＮを生成し易い。界面領域１０αには、このようなＴｉが窒化珪素の窒素（Ｎ）と結びついて生成されたＴｉＮが多く存在しており、その他の領域である中央部分１１に比べて活性金属であるＴｉの含有割合が多くなっている。また界面領域１０βでも、窒化珪素の窒素（Ｎ）と反応して結びついたＴｉＮが多く存在しており、その他の領域である中央部分１１に比べて活性金属であるＴｉの含有割合が多くなっている。 Ti, which is an active metal, has a strong activity, and reacts with nitrogen (N) of silicon nitride to form TiN easily. In the interface region 10α, there is a large amount of TiN produced by combining Ti with nitrogen (N) of silicon nitride, and the content of Ti, which is an active metal, compared to the central portion 11 which is the other region. The ratio is increasing. In addition, in the interface region 10β, there is a large amount of TiN that reacts and binds to nitrogen (N) of silicon nitride, and the content ratio of Ti that is an active metal is larger than that in the central portion 11 that is the other region. Yes.
放熱基板１では、金属接合部６内のセラミック粒子８の表面と接する界面領域１０βにＴｉＮが生成されており、金属部材６とセラミック粒子８との接合強度が強くなっている。またＴｉＮは、金属接合部６に含まれる他の金属よりも熱膨張係数が小さく、放熱基板１の温度が上昇および下降を繰り返した場合も、膨張や収縮の程度が小さく、金属接合部６の全体的な膨張や収縮の程度を抑制する。これにより、セラミック基板２と金属接合部６双方の熱膨張と熱収縮の差が小さくなり、この差にともなう熱応力がより小さくなっている。また、この界面領域１０βが骨格のように作用して、金属接合部６の全体の膨張や収縮や変形を抑制することができ、金属接合部６の強度を高くすることができる。なお、界面領域１０αや界面１０βでは、Ｔｉの一部は窒化珪素の珪素（Ｓｉ）と反応して結びついてＴｉＳｉｘ（但し、ｘは１以上３以下である。）およびＴｉ５Ｓｉ３等の珪化チタンとして存在していても同様の効果を奏する。 In the heat dissipation substrate 1, TiN is generated in the interface region 10β in contact with the surface of the ceramic particles 8 in the metal joint 6, and the bonding strength between the metal member 6 and the ceramic particles 8 is increased. In addition, TiN has a smaller coefficient of thermal expansion than other metals included in the metal joint 6, and even when the temperature of the heat dissipation substrate 1 repeatedly rises and falls, the degree of expansion and contraction is small. Reduces overall expansion and contraction. Thereby, the difference between the thermal expansion and the thermal contraction of both the ceramic substrate 2 and the metal joint portion 6 is reduced, and the thermal stress due to this difference is further reduced. Moreover, this interface area | region 10 (beta) acts like a skeleton, can suppress the expansion | swelling, shrinkage | contraction, and deformation | transformation of the whole metal junction part 6, and can make the intensity | strength of the metal junction part 6 high. Note that, in the interface region 10α and the interface 10β, a part of Ti reacts with silicon nitride (Si) to be bonded to TiSix (where x is 1 or more and 3 or less) and silicide of Ti 5 Si 3 or the like. Even if it exists as titanium, the same effect is produced.
金属接合部６の内部のセラミック粒子８の配置状態については特に限定されない。例えば、図２に示す領域２αのように、複数のセラミック粒子８がそれぞれ当接して、複数のセラミック粒子８に接する界面領域１０βが連なっていてもよい。また、図２に示す領域２βのように、複数のセラミック粒子８それぞれが離れて配置されており、複数のセラミック粒子８に接する界面領域１０βが離れていてもよい。また、図２に示す領域２γのように、セラミック基板２から金属体４まで連続するほど大きなセラミック粒子８が配置され、界面領域１０βがセラミック基板２から金属体４まで連続する状態となっていてもよい。図２に示す例では、１つの放熱基板１の金属接合部６の内部に、領域２α〜２γが混在している例を示したが、金属接合部６の全体が領域２αに対応する状態であってよいし、金属接合部６の全体が領域２βに対応する状態であってよいし、金属接合部６の全体が領域２γに対応する状態であってよい。 The arrangement state of the ceramic particles 8 inside the metal joint 6 is not particularly limited. For example, as in a region 2α shown in FIG. 2, the plurality of ceramic particles 8 may be in contact with each other, and the interface region 10β in contact with the plurality of ceramic particles 8 may be continuous. Moreover, like the region 2β shown in FIG. 2, the plurality of ceramic particles 8 may be arranged apart from each other, and the interface region 10β in contact with the plurality of ceramic particles 8 may be separated. Further, as the region 2γ shown in FIG. 2, the larger ceramic particles 8 are arranged so as to be continuous from the ceramic substrate 2 to the metal body 4, and the interface region 10β is continuous from the ceramic substrate 2 to the metal body 4. Also good. In the example shown in FIG. 2, the example in which the regions 2α to 2γ are mixed inside the metal joint portion 6 of one heat radiating substrate 1 is shown, but the entire metal joint portion 6 corresponds to the region 2α. The entire metal joint 6 may correspond to the region 2β, or the entire metal joint 6 may correspond to the region 2γ.
界面領域１０αおよび界面領域１０βの活性金属の含有割合が中央部分１１よりも大きいことは、例えば走査型電子顕微鏡に付設した電子線マイクロ分析装置（いわゆるＥＰＭＡ装置。例えば日本電子（株）製 ＪＸＡ−8530Ｆ）を用いた面分析によって容易に判断
することができる。図３は、電子線マイクロ分析装置によって得られた放熱基板１の断面の写真像である。図３（ａ）は断面の電子顕微鏡写真であり、図３（ｂ）〜（ｄ）は図３（ａ）と同じ領域をＥＰＭＡを用いて面分析することで得られる。図３（ｂ）は銀（Ａｇ）の分布を示すマッピング像であり、図３（ｃ）は銅（Ｃｕ）の分布を示すマッピング像であり、図３（ｄ）はチタン（Ｔｉ）の分布を示すマッピング像である。図３（ａ）〜（ｄ）では、分布を示す各元素について、濃度が白いほど（白色に近いほど）含有割合がより高いことを示している。なお図３（ａ）〜（ｄ）では、図１および図２と対応する各部について、図１および図２と同じ符号を用いて示している。
図３（ｄ）のように、面分析によってＴｉが偏析した部分は容易に判断することができ、このような面分析によるマッピング像だけでも、界面領域１０αおよび界面領域１０βの活性金属の含有割合が中央部分１１よりも大きいことがわかる。
The content ratio of the active metal in the interface region 10α and the interface region 10β is larger than that in the central portion 11, for example, an electron beam microanalyzer attached to the scanning electron microscope (so-called EPMA device. For example, JXA- Judgment can be easily made by surface analysis using 8530F). FIG. 3 is a photographic image of a cross section of the heat dissipation substrate 1 obtained by the electron beam microanalyzer. FIG. 3A is an electron micrograph of a cross section, and FIGS. 3B to 3D are obtained by plane analysis of the same region as FIG. 3A using EPMA. FIG. 3B is a mapping image showing the distribution of silver (Ag), FIG. 3C is a mapping image showing the distribution of copper (Cu), and FIG. 3D is the distribution of titanium (Ti). It is a mapping image which shows. 3A to 3D show that for each element showing the distribution, the content is higher as the concentration is whiter (closer to white). 3A to 3D, the same reference numerals as those in FIGS. 1 and 2 are used for the respective parts corresponding to those in FIGS.
As shown in FIG. 3D, the portion where Ti is segregated by the surface analysis can be easily determined, and the content ratio of the active metal in the interface region 10α and the interface region 10β can be determined only by such a mapping image by the surface analysis. Is larger than the central portion 11.
上述した通り、本実施形態における活性金属の含有割合は、断面における金属接合部における活性金属の面積比率として表され、この面積比率は、金属接合部における活性金属の体積比率とみなすことができる。 As described above, the content ratio of the active metal in the present embodiment is expressed as the area ratio of the active metal in the metal joint portion in the cross section, and this area ratio can be regarded as the volume ratio of the active metal in the metal joint portion.
また面分析によるマッピング像のみでなく、界面領域１０αや界面領域１０βおよび中央部分１１の各部を例えば透過型電子顕微鏡を用いて各成分を定量分析することで、各領域および各部のＴｉの含有量や含有割合を定量的に計測して判別することもできる。 Moreover, not only the mapping image by surface analysis but also each part of the interface region 10α, the interface region 10β, and the central portion 11 is quantitatively analyzed for each component using, for example, a transmission electron microscope, so that the Ti content in each region and each part It is also possible to determine by quantitatively measuring the content ratio.
［放熱基板の作製工程］
放熱基板１の作製方法について説明する。放熱基板１は、Ｓｉ3 Ｎ4を９０質量％以上
含有するセラミック基板２の両主面に、いわゆるＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ活性金属ろう材を含むペーストにセラミック粒子８を混在させたペーストを塗布した後、金属体４をペーストの表面に配置して、ペースト層を焼成して接合層を形成することで製造することができる。
[Manufacturing process of heat dissipation substrate]
A method for manufacturing the heat dissipation substrate 1 will be described. In the heat dissipation substrate 1, a paste in which ceramic particles 8 are mixed in a paste containing a so-called Ag—Cu—Ti active metal brazing material is applied to both main surfaces of a ceramic substrate 2 containing 90 mass% or more of Si 3 N 4 . Thereafter, the metal body 4 can be disposed on the surface of the paste, and the paste layer can be fired to form a bonding layer.
《ペースト層の形成》
まず、窒化珪素（Ｓｉ３ Ｎ４ ）を９０質量％以上含有するセラミック基板２を準備し、このセラミック基板２の両主面（一方主面２Ａおよび他方主面２Ｂ）に、例えば従来周知の厚膜ペースト法を用い、ペースト層を被着させる。
<Formation of paste layer>
First, a ceramic substrate 2 containing 90% by mass or more of silicon nitride (Si 3 N 4 ) is prepared, and, for example, a conventionally known thickness is formed on both main surfaces (one main surface 2A and the other main surface 2B) of the ceramic substrate 2. A paste layer is deposited using a film paste method.
具体的には、例えば、Ａｇの粉末とＣｕの粉末とＴｉの粉末とを所定量計量する。Ａｇ粉末とＣｕ粉末とＴｉ粉末との配合割合は、Ａｇ、ＣｕおよびＴｉの各粉末の合計１００質量％のうち、例えば銅（Ｃｕ）が３５〜５０質量％、チタン（Ｔｉ）が１〜８質量％、残部が銀（Ａｇ）であることが好ましい。なお、金属接合部６とセラミック基板２との接合強度をより高めるために、インジウム（Ｉｎ），亜鉛（Ｚｎ）および錫（Ｓｎ）等の低融点金属の粉末を各粉末の合計１００質量％のうち、０．５〜２２質量％混合させてもよい。 Specifically, for example, a predetermined amount of Ag powder, Cu powder, and Ti powder is weighed. The blending ratio of Ag powder, Cu powder, and Ti powder is, for example, 35-50 mass% for copper (Cu) and 1-8 for titanium (Ti) among the total 100 mass% of each powder of Ag, Cu, and Ti. It is preferable that mass% and the remainder are silver (Ag). In order to further increase the bonding strength between the metal bonding portion 6 and the ceramic substrate 2, low melting point metal powders such as indium (In), zinc (Zn), and tin (Sn) are added in a total of 100 mass% of each powder. Among them, you may mix 0.5-22 mass%.
また、金属体４の側面から金属接合部６の延出を抑制するために、モリブデン（Ｍｏ），オスミウム（Ｏｓ），レニウム（Ｒｅ）およびタングステン（Ｗ）等の高融点金属の粉末を各粉末の合計１００質量％のうち、１〜１１．５質量％混合させてもよい。 Moreover, in order to suppress the extension of the metal joint portion 6 from the side surface of the metal body 4, powders of refractory metals such as molybdenum (Mo), osmium (Os), rhenium (Re), and tungsten (W) are used. Of the total 100% by mass, 1 to 11.5% by mass may be mixed.
また、窒化珪素の破砕粒子の添加量は、例えば、各粉末の合計１００質量％のうち、５〜１５質量％とする。この窒化珪素からなる破砕粒子は、例えば粒度分布曲線の累積体積の総和を１００％とした場合の累積体積が５０％となる粒径（Ｄ５０）が５〜２０μｍ、９０％となる粒径（Ｄ９０）が１６０μｍ以下、より好適には８７μｍ以下の不定形のものを用いればよい。これらの粉末やセラミック粒子８を、エチルセルロースなどのバインダーをテルピネオールなどの有機溶剤で溶解したビヒクルと混合し、ペーストを作成する。作成したこのペーストを、スクリーン印刷などでセラミック基板２の一方主面２Ａおよび他方主面２Ｂそれぞれの所定部分に塗布する。 Moreover, the addition amount of the pulverized particles of silicon nitride is, for example, 5 to 15% by mass in 100% by mass of each powder. The crushed particles made of silicon nitride, for example, have a particle size (D 50 ) of 5 to 20 μm and 90% when the total volume of particle size distribution curves is 100%. An irregular shape having a D 90 ) of 160 μm or less, more preferably 87 μm or less may be used. These powders and ceramic particles 8 are mixed with a vehicle in which a binder such as ethyl cellulose is dissolved in an organic solvent such as terpineol to prepare a paste. The prepared paste is applied to predetermined portions of the one main surface 2A and the other main surface 2B of the ceramic substrate 2 by screen printing or the like.
《金属体４の配置》
セラミック基板２の一方主面２Ａ側に塗布したペーストの上と、他方主面２Ｂ側に塗布したペーストの上のそれぞれに、金属体４を配置する。この際、金属体４をセラミック基板２に押し付けるように圧力をかけた場合、セラミック粒子８がセラミック基板２と金属
体４の双方と当接して挟まれるように配置されることとなり、セラミック粒子８によってセラミック基板２と金属体４との間隔が規定される。セラミック粒子８が充分に小さい粒子のみの場合などは、金属体４を押し付けずに、ペースト内にセラミック粒子８が分散して配置された状態にしておけばよい。
<< Arrangement of metal body 4 >>
Metal bodies 4 are arranged on the paste applied to one main surface 2A side of ceramic substrate 2 and on the paste applied to the other main surface 2B side. At this time, when pressure is applied so that the metal body 4 is pressed against the ceramic substrate 2, the ceramic particles 8 are disposed so as to be sandwiched in contact with both the ceramic substrate 2 and the metal body 4. Defines the distance between the ceramic substrate 2 and the metal body 4. When the ceramic particles 8 are only sufficiently small particles, the ceramic particles 8 may be dispersed and arranged in the paste without pressing the metal body 4.
《焼成（接合）》
全体を真空雰囲気中、約８００〜８５０℃に昇温することで、ペーストが焼成されて金属接合部６が形成される。その後に室温まで冷却する。以上の工程を経て放熱基板１を形成することができる。昇温の際、ペースト層に含まれていたＴｉがセラミック基板２の側に偏在するように拡散し、セラミック基板２と接する界面領域１０αにおいて、セラミック基板２に含まれていたＮとこのＴｉとが化合する。同様に、昇温の際、セラミック粒子８と接する界面領域１０βにおいて、セラミック基板２に含まれていたＮとこのＴｉとが化合する。また銀（Ａｇ）が金属体４の内部にまで拡散して、拡散領域４αが形成される。
<< Baking (joining) >>
By heating the whole to about 800 to 850 ° C. in a vacuum atmosphere, the paste is baked to form the metal joint 6. Then cool to room temperature. The heat dissipation substrate 1 can be formed through the above steps. When the temperature rises, Ti contained in the paste layer diffuses so as to be unevenly distributed on the ceramic substrate 2 side, and in the interface region 10α in contact with the ceramic substrate 2, N contained in the ceramic substrate 2 and this Ti Combine. Similarly, in the interface region 10β in contact with the ceramic particles 8 during the temperature rise, N contained in the ceramic substrate 2 and this Ti are combined. Further, silver (Ag) diffuses into the metal body 4 to form a diffusion region 4α.
以上、本発明の放熱基板について説明したが、本発明は上記各実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良および変更を行ってもよいのはもちろんである。 As mentioned above, although the thermal radiation board | substrate of this invention was demonstrated, this invention is not limited to said each embodiment, Of course, various improvement and change may be performed in the range which does not deviate from the summary of this invention.
１ 放熱基板
２ セラミック基板
４ 金属体
６ 金属接合部
８ セラミック粒子
１０α、１０β 界面領域
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Heat dissipation board 2 Ceramic board | substrate 4 Metal body 6 Metal junction part 8 Ceramic particle | grains 10α, 10β Interface region
Claims (8)
前記セラミックスからなる複数のセラミック粒子が、前記金属接合部の内部に分散配置されており、
前記金属接合部における前活性金属の含有割合は、前記セラミック基板との界面領域、および前記セラミック粒子との界面領域の方が、前記セラミック基板との界面領域および前記セラミック粒子との界面領域以外の部分に比べて大きいことを特徴とする放熱基板。 A heat dissipation board comprising a ceramic substrate made of ceramics and a metal body bonded to the main surface of the ceramic substrate via a metal bonding portion containing an active metal,
A plurality of ceramic particles made of the ceramics are dispersedly arranged inside the metal joint,
The content ratio of the pre-active metal in the metal joint is such that the interface region with the ceramic substrate and the interface region with the ceramic particles are other than the interface region with the ceramic substrate and the interface region with the ceramic particles. Heat dissipation board characterized by being larger than the part.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2015063030A JP6526995B2 (en) | 2015-03-25 | 2015-03-25 | Heat dissipation board |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2015063030A JP6526995B2 (en) | 2015-03-25 | 2015-03-25 | Heat dissipation board |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2016184606A true JP2016184606A (en) | 2016-10-20 |
| JP6526995B2 JP6526995B2 (en) | 2019-06-05 |
Family
ID=57243155
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2015063030A Active JP6526995B2 (en) | 2015-03-25 | 2015-03-25 | Heat dissipation board |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP6526995B2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023286857A1 (en) * | 2021-07-16 | 2023-01-19 | 三菱マテリアル株式会社 | Copper/ceramic assembly and insulating circuit substrate |
| WO2023032748A1 (en) * | 2021-08-30 | 2023-03-09 | 日油株式会社 | Heat-dissipating circuit board, heat-dissipating member, and production method for heat-dissipating circuit board |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04108673A (en) * | 1990-08-27 | 1992-04-09 | Denki Kagaku Kogyo Kk | Brazing filler metal paste and joined body using the same |
| JPH07118074A (en) * | 1993-10-22 | 1995-05-09 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Method for joining ceramic to metal |
| JP2014172802A (en) * | 2013-03-12 | 2014-09-22 | Mitsubishi Materials Corp | Paste for joining copper member, joined body, and substrate for power module |
-
2015
- 2015-03-25 JP JP2015063030A patent/JP6526995B2/en active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04108673A (en) * | 1990-08-27 | 1992-04-09 | Denki Kagaku Kogyo Kk | Brazing filler metal paste and joined body using the same |
| JPH07118074A (en) * | 1993-10-22 | 1995-05-09 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | Method for joining ceramic to metal |
| JP2014172802A (en) * | 2013-03-12 | 2014-09-22 | Mitsubishi Materials Corp | Paste for joining copper member, joined body, and substrate for power module |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023286857A1 (en) * | 2021-07-16 | 2023-01-19 | 三菱マテリアル株式会社 | Copper/ceramic assembly and insulating circuit substrate |
| WO2023032748A1 (en) * | 2021-08-30 | 2023-03-09 | 日油株式会社 | Heat-dissipating circuit board, heat-dissipating member, and production method for heat-dissipating circuit board |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP6526995B2 (en) | 2019-06-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6906662B2 (en) | Circuit boards and semiconductor devices | |
| JP5430655B2 (en) | Brazing material, heat dissipation base using the same, and electronic device | |
| JP5474188B2 (en) | Circuit board and electronic device using the same | |
| KR102300413B1 (en) | Bonded body, substrate for power modules, power module and method for producing bonded body | |
| JP6129738B2 (en) | Ceramic circuit board | |
| JPWO2013008919A1 (en) | Ceramic circuit board | |
| US20220248537A1 (en) | Double-Sided Circuit Non-Oxide-Based Ceramic Substrate and Method for Manufacturing Same | |
| JP2013211546A (en) | Ceramic-copper assembly and manufacturing method of the same | |
| JP4744385B2 (en) | Heat dissipation board and electronic device using the same | |
| JP2012136378A (en) | Circuit board and electronic device using the same | |
| JP5439729B2 (en) | Silicon nitride substrate, manufacturing method thereof, silicon nitride circuit substrate and semiconductor module using the same | |
| JP4688706B2 (en) | Heat dissipation substrate and semiconductor device using the same | |
| JP5743503B2 (en) | Brazing material, circuit board using the same, and electronic device | |
| JP4360847B2 (en) | Ceramic circuit board, heat dissipation module, and semiconductor device | |
| JP6526995B2 (en) | Heat dissipation board | |
| JPH11330308A (en) | Ceramic circuit board and manufacture thereof | |
| JP5047315B2 (en) | Ceramic circuit board | |
| JP2009215142A (en) | Silicon nitride substrate, method for producing the same, silicon nitride circuit board using the same, and semiconductor module | |
| JP2008147309A (en) | Ceramic substrate and semiconductor module using the same | |
| JP3449683B2 (en) | Ceramic circuit board and method of manufacturing the same | |
| JP4557398B2 (en) | Electronic element | |
| JP3833410B2 (en) | Ceramic circuit board | |
| JP2011067849A (en) | Brazing filler metal, and heat radiation base body joined by using the same | |
| JP6298174B2 (en) | Circuit board and electronic device having the same | |
| JP2006199584A (en) | Method for producing ceramic circuit board |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20170710 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20180511 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20180522 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20180717 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20181204 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20190129 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20190409 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20190509 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6526995 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |