JP2020007225A - Cu/CERAMIC SUBSTRATE - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、銅を主成分とする金属板と、アルミナを主成分とするセラミック板とが接合された基板（Ｃｕ／セラミック基板）に関する。 The present invention relates to a substrate (Cu / ceramic substrate) in which a metal plate containing copper as a main component and a ceramic plate containing alumina as a main component are joined.
近年、パワーモジュール用基板として、銅を主成分とする金属板と、アルミナを主成分とするセラミック板とを接合した基板が採用されている（例えば、特開２０１１−７７０８７号公報参照）。 In recent years, a substrate in which a metal plate containing copper as a main component and a ceramic plate containing alumina as a main component are joined has been adopted as a power module substrate (see, for example, JP-A-2011-77087).
金属板とセラミック板とを接合する方法として、直接接合法が知られている。直接接合法では、金属板の表面に酸化層を形成する。当該金属板をセラミック板に重ね合わせる。金属板とセラミック板とを接触させながら加熱する。このとき、セラミック板と金属板との接触界面には、Ｃｕ等の金属板を構成する元素及びＯ（酸素）を含む液相が生成される。これにより、セラミック板と金属板との濡れ性が向上する。上記液相を冷却して固化する。これにより、セラミック板と金属板とが接合される。 As a method for joining a metal plate and a ceramic plate, a direct joining method is known. In the direct joining method, an oxide layer is formed on the surface of a metal plate. The metal plate is overlaid on the ceramic plate. Heating is performed while the metal plate and the ceramic plate are in contact with each other. At this time, a liquid phase containing an element constituting the metal plate such as Cu and O (oxygen) is generated at the contact interface between the ceramic plate and the metal plate. Thereby, the wettability between the ceramic plate and the metal plate is improved. The liquid phase is cooled and solidified. Thereby, the ceramic plate and the metal plate are joined.
本発明の目的は、Ｃｕ／セラミック基板において、接合不良を発生し難くすることである。 It is an object of the present invention to reduce the occurrence of bonding defects in a Cu / ceramic substrate.
本発明の実施の形態によるＣｕ／セラミック基板は、セラミック板と、金属板と、化合物層とを備える。セラミック板は、Ａｌ２Ｏ３を主成分とする。金属板は、Ｃｕを主成分とする。金属板は、セラミック板の少なくとも一方の面に重ね合わされる。金属板は、セラミック板と接合される。化合物層は、セラミック板と金属板との接合界面に形成される。化合物層は、金属酸化物を含む。金属酸化物は、Ａｌと、Ａｌ以外の金属と、Ｏとからなる。Ａｌ以外の金属は、酸素原子の酸化数が−２の場合、酸化数が＋２以下である二元系酸化物を形成できる。二元系酸化物のバンドギャップは、Ｃｕ２Ｏのバンドギャップよりも大きい。 A Cu / ceramic substrate according to an embodiment of the present invention includes a ceramic plate, a metal plate, and a compound layer. The ceramic plate contains Al 2 O 3 as a main component. The metal plate contains Cu as a main component. The metal plate is overlaid on at least one surface of the ceramic plate. The metal plate is joined to the ceramic plate. The compound layer is formed at a joint interface between the ceramic plate and the metal plate. The compound layer contains a metal oxide. The metal oxide is composed of Al, a metal other than Al, and O. When the oxidation number of an oxygen atom is −2, a metal other than Al can form a binary oxide having an oxidation number of +2 or less. The band gap of the binary oxide is larger than the band gap of Cu 2 O.
本発明の実施の形態によるＣｕ／セラミック基板においては、金属板とセラミック板との接合不良が発生し難い。 In the Cu / ceramic substrate according to the embodiment of the present invention, poor bonding between the metal plate and the ceramic plate hardly occurs.
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。図中同一又は相当部分には、同一符号を付して、その説明は繰り返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts have the same reference characters allotted, and description thereof will not be repeated.
［実施の形態］
図１は、本発明の実施の形態によるＣｕ／セラミック基板１０を示す。Ｃｕ／セラミック基板１０は、セラミック板１２と、金属板１４と、金属板１６と、化合物層１８と、化合物層２０とを備える。
[Embodiment]
FIG. 1 shows a Cu /
セラミック板１２は、焼成されている。セラミック板１２は、Ａｌ２Ｏ３を主成分とする。セラミック板１２は、Ａｌ２Ｏ３の一部に代えて、ＺｒＯ２を含んでいてもよい。ＺｒＯ２は、Ａｌ２Ｏ３の機械的強度を増大させる効果を有する。ＺｒＯ２の含有量は、好ましくは、１〜３０ｗｔ％である。セラミック板１２は、さらに、Ａｌ２Ｏ３の一部に代えて、ＭｇＯやＹ２Ｏ３を含んでもよい。ＭｇＯ及びＹ２Ｏ３は、前記のＺｒＯ２添加によるＡｌ２Ｏ３強化効果を発現させやすくする効果を有する。ＭｇＯの含有量は、好ましくは、０．０５〜０．５０ｗｔ％である。Ｙ２Ｏ３の含有量は、好ましくは、０．０５〜３．００ｗｔ％である。また、セラミック板１２は、例えば、Ａｌ２Ｏ３の一部に代えて、ＳｉＯ２を網目形成酸化物とするガラス成分を０．１〜１０．０ｗｔ％含んでいてもよい。ガラス成分はＡｌ２Ｏ３の焼結助剤として作用する。
The
金属板１４は、複数の金属板１４Ａを含む。複数の金属板１４Ａは、回路パターンを形成する。各金属板１４Ａは、銅を主成分とし、例えば、酸化物を含まない９９．９５％以上の高純度銅（いわゆる無酸素銅）や、酸素をごく微量含むタフピッチ銅などからなる。各金属板１４Ａは、セラミック板１２の一方の面に重ね合わされて、セラミック板１２に接合されている。
The
金属板１６は、銅を主成分とし、例えば、酸化物を含まない９９．９５％以上の高純度銅（いわゆる無酸素銅）や、酸素をごく微量含むタフピッチ銅などからなる。金属板１６は、セラミック板１２の他方の面に重ね合わされて、セラミック板１２に接合されている。
The
化合物層１８は、金属板１４Ａとセラミック板１２との接触界面に形成されている。化合物層２０は、金属板１６とセラミック板１２との接触界面に形成されている。
The
化合物層１８及び化合物層２０は、金属酸化物を含む。金属酸化物は、Ａｌと、Ａｌ以外の金属（以下、特定金属と称する）と、Ｏとからなる。
The
特定金属は、酸素原子の酸化数が−２の場合、酸化数が＋２以下である二元系酸化物を形成できる。ここで、二元系酸化物とは、特定金属と、酸素とからなる酸化物である。当該二元系酸化物のバンドギャップは、Ｃｕ２Ｏのバンドギャップよりも大きい。 When the oxidation number of the oxygen atom is -2, the specific metal can form a binary oxide having an oxidation number of +2 or less. Here, the binary oxide is an oxide composed of a specific metal and oxygen. The band gap of the binary oxide is larger than the band gap of Cu 2 O.
当該二元系酸化物は、例えば、後述するセラミック板を準備する工程において、特定金属の酸化物層をセラミック板１２の表面に形成するときに形成できればよい。つまり、後述するセラミック板を準備する工程でセラミック板１２の表面に形成される特定金属の酸化物層が上記二元系酸化物からなるものであればよい。
The binary oxide may be formed, for example, as long as an oxide layer of a specific metal is formed on the surface of the
特定金属は、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｓｒ、Ｃｄ、Ｂａ、Ｌｉ、Ｎａ及びＫからなる群から選択される少なくとも１種である。ここで、特定金属をＭとする。特定金属が１価の金属である場合、上記金属酸化物は、ＭＡｌＯ２で表される。特定金属が２価の金属である場合、上記金属酸化物は、ＭＡｌ２Ｏ４で表される。 The specific metal is at least one selected from the group consisting of Be, Mg, Ca, Mn, Fe, Co, Ni, Zn, Sr, Cd, Ba, Li, Na and K. Here, the specific metal is M. When the specific metal is a monovalent metal, the metal oxide is represented by MAlO 2 . When the specific metal is a divalent metal, the metal oxide is represented by MAl 2 O 4 .
続いて、Ｃｕ／セラミック基板１０の製造方法について説明する。なお、Ｃｕ／セラミック基板１０の製造方法は、以下に説明する製造方法に限定されない。
Subsequently, a method for manufacturing the Cu /
Ｃｕ／セラミック基板１０の製造方法は、セラミック板１２を準備する工程と、金属板１４及び金属板１６を準備する工程と、金属板１４及び金属板１６をセラミック板１２に接合する工程とを含む。以下、各工程について説明する。
The method of manufacturing the Cu /
［セラミック板を準備する工程］
先ず、セラミック板１２を準備する。セラミック板１２は、従来から公知の方法で製造される。
[Process of preparing ceramic plate]
First, a
続いて、セラミック板１２の表面に対して、特定金属の酸化物層を形成する。当該酸化物層の形成方法は、例えば、以下のとおりである。
Subsequently, an oxide layer of a specific metal is formed on the surface of the
先ず、特定金属を有機溶媒と混ぜ合わせ、懸濁液を形成する。有機溶媒と混ぜ合わされる段階において、特定金属は、酸化物として存在していてもよい。上記懸濁液において、特定金属の含有量は、例えば、１〜５ｗｔ％である。 First, a specific metal is mixed with an organic solvent to form a suspension. In the stage of being mixed with the organic solvent, the specific metal may be present as an oxide. In the above suspension, the content of the specific metal is, for example, 1 to 5 wt%.
次に、セラミック板１２の表面のうち、金属板１４と接合されるべき面上、及び、金属板１６と接合されるべき面上に、懸濁液を付着させる。懸濁液をセラミック板１２に付着させる方法としては、例えば、以下の方法が採用される。
Next, among the surfaces of the
先ず、懸濁液を収容する浸漬槽を準備する。続いて、浸漬槽に収容された懸濁液に対して、セラミック板１２を浸漬する。これにより、懸濁液をセラミック板１２に付着させることができる。
First, an immersion tank containing a suspension is prepared. Subsequently, the
続いて、懸濁液が付着されたセラミック板１２を、大気中で自然乾燥させる。乾燥時間は、例えば、５〜１２０分である。
Subsequently, the
続いて、自然乾燥させたセラミック板１２を、例えば、加熱炉により、加熱する。加熱温度は、例えば、５００〜６００℃である。加熱時間は、例えば、１０〜６０分である。このような加熱条件で加熱することにより、特定金属の酸化物層がセラミック板１２の表面に形成される。
Subsequently, the naturally dried
［金属板を準備する工程］
先ず、金属板１４及び金属板１６を準備する。続いて、金属板１４及び金属板１６の表面、具体的には、セラミック板１２と接合されるべき面に、Ｃｕの酸化物層を形成する。酸化物層を形成する方法としては、従来から公知の方法が採用される。酸化物層を形成する方法は、乾式であってもよいし、湿式であってもよい。
[Step of preparing a metal plate]
First, the
［金属板とセラミック板とを接合する工程］
先ず、金属板１６を加熱炉内に配置する。続いて、金属板１６にセラミック板１２を重ねる。続いて、セラミック板１２に金属板１４を重ねる。その後、加熱炉により、金属板１４、金属板１６及びセラミック板１２を加熱する。加熱温度は、１０６５〜１０８４℃である。ここで、加熱温度の下限は、Ｃｕ−Ｏ共晶点であり、加熱温度の上限は、Ｃｕの融点である。加熱時間は、例えば、１〜６０分である。加熱するときの雰囲気は、窒素雰囲気である。上記加熱条件で加熱することにより、金属板１４とセラミック板１２との接触界面に化合物層１８が形成され、金属板１６とセラミック板１２との接触界面に化合物層２０が形成される。加熱後の冷却は、例えば、自然冷却等でよい。
[Step of joining metal plate and ceramic plate]
First, the
このようにして得られたＣｕ／セラミック基板１０においては、セラミック板１２と金属板１４，１６との接合不良が発生し難くなる。以下、その理由について説明する。なお、以下の説明に用いる計算状態図は、ＣＡＬＰＨＡＤ法で求めた。
In the Cu /
セラミック板１２と金属板１４，１６との接合プロセスは、図２に示すＣｕ−Ｏ二元系状態図におけるＬ＋ｆｃｃ（α）の二相領域（図２における斜線部分）を利用する。つまり、当該接合プロセスでは、セラミック板１２と金属板１４，１６との接合界面に液相を形成した後、当該液相を冷却して固化することにより、セラミック板１２と金属板１４、１６とを接合する。したがって、上記接合プロセスでは、セラミック板１２と金属板１４，１６との接合界面において液相を広げることが好ましい。
The bonding process between the
上記接合プロセスでは、金属板１４、１６においてセラミック板１２と接合されるべき面に形成された酸化層（Ｃｕの酸化物層）を溶融させる。そのため、セラミック板１２と金属板１４，１６との接合界面及びその近傍では、セラミック板１２と金属板１４，１６との接合界面及びその近傍に含まれる元素が酸素を奪い合うと推定される。
In the joining process, an oxide layer (a Cu oxide layer) formed on the surfaces of the
元素の酸素親和性は、当該元素の酸化物のバンドギャップから推定できる。化学結合の強い系では、固体結晶形成による電子準位の分裂幅が大きくなる。そのため、一般的にバンドギャップは増大する。表１に、Ａｌ、Ｍｇ及びＣｕの酸化物のバンドギャップを示す。Ａｌは、セラミック板１２の主成分であるアルミナを構成する。Ｍｇは、特定金属の一例である。Ｃｕは、金属板１４、１６の主成分である。表１を参照して、ＡｌはＭｇよりも酸素親和性が高く、ＭｇはＣｕよりも酸素親和性が高いと推定される。
The oxygen affinity of an element can be estimated from the band gap of the oxide of the element. In a system having a strong chemical bond, the split width of the electron level due to the formation of a solid crystal increases. Therefore, the band gap generally increases. Table 1 shows the band gaps of the oxides of Al, Mg and Cu. Al constitutes alumina which is a main component of the
図３Ａ、図３Ｂ及び図３Ｃは、Ｃｕ−Ｏ−Ａｌ三元系の計算状態図のＡｌ濃度依存性を示す。Ｃｕよりも酸素親和性が高いＡｌが存在すると、上記接合プロセスで重要な二相領域（当該三元系では、厳密にはＬ＋ｆｃｃ＋Ａｌ２Ｏ３の三相領域）が、高酸素濃度側に移動することがわかる。これは、上記接合プロセスの温度領域において、酸素親和性の高い元素が存在すると、酸素濃度が低い反応場では、酸素親和性の高い元素が酸化物を形成し、接合界面において液相が局所的に消失するおそれがあることを示唆している。 3A, 3B and 3C show the dependence of the calculated phase diagram of the Cu-O-Al ternary system on Al concentration. When Al having an oxygen affinity higher than that of Cu is present, a two-phase region (strictly speaking, a three-phase region of L + fcc + Al 2 O 3 in the ternary system) which is important in the above-described bonding process moves to a high oxygen concentration side. You can see that. This is because, if an element having high oxygen affinity exists in the temperature region of the bonding process, the element having high oxygen affinity forms an oxide in a reaction field having a low oxygen concentration, and the liquid phase is locally formed at the bonding interface. Suggest that it may disappear.
図４Ａは、Ｃｕ−Ｏ−Ａｌ三元系の計算状態図のＴ＝１０７５℃における等温断面計算状態図である。図４Ｂは、Ｃｕ−Ｏ−Ｍｇ三元系の計算状態図のＴ＝１０７５℃における等温断面計算状態図である。反応場の組成変動により、Ａｌ又はＭｇが高濃度側に揺らぐと、状態図中では固相領域（液相消失領域）に突入する。状態図上では、Ｍｇの液相領域はＡｌの液相領域よりも広い。 FIG. 4A is an isothermal cross-section calculation state diagram at T = 1075 ° C of the Cu-O-Al ternary system calculation state diagram. FIG. 4B is an isothermal cross-section calculation state diagram at T = 1075 ° C of the calculation state diagram of the Cu-O-Mg ternary system. When Al or Mg fluctuates to the high concentration side due to the composition fluctuation of the reaction field, it enters the solid phase region (liquid phase disappearance region) in the phase diagram. On the phase diagram, the liquid phase region of Mg is wider than the liquid phase region of Al.
状態図中の液相領域の広さは、当該温度で存在する酸化物（具体的には、二元系酸化物）の金属価数に大きく依存すると推定される。例えば、３価の酸化物（Ａｌ２Ｏ３）を形成するＡｌでは、Ａｌ原子１個当たりに１．５個の酸素原子が結合する。２価の酸化物（ＭｇＯ）を形成するＭｇでは、Ｍｇ原子１個当たりに１個の酸素原子が結合する。つまり、Ｍｇでは、Ａｌよりも原子1個当たりに結合する酸素原子の数が少ない。そのため、Ｍ
ｇの液相領域は、Ａｌの液相領域よりも広くなると推定される。つまり、二元系酸化物として２価の酸化物を形成できる元素の液相領域は、Ａｌの液相領域よりも広くなると推定される。なお、図４Ｂに記載のＨａｌｉｔｅとは、ＭｇＯを化学組成とし、ＮａＣｌ構造を有する２価の酸化物を示す。
It is estimated that the size of the liquid phase region in the phase diagram largely depends on the metal valence of the oxide (specifically, binary oxide) existing at the temperature. For example, in Al forming a trivalent oxide (Al 2 O 3 ), 1.5 oxygen atoms are bonded to one Al atom. In Mg that forms a divalent oxide (MgO), one oxygen atom is bonded to one Mg atom. That is, Mg has a smaller number of oxygen atoms bonded per atom than Al. Therefore, M
The liquid phase region of g is presumed to be wider than the liquid phase region of Al. That is, it is estimated that the liquid phase region of an element capable of forming a divalent oxide as a binary oxide is wider than the liquid phase region of Al. Note that Halite shown in FIG. 4B is a divalent oxide having a chemical composition of MgO and having a NaCl structure.
上記説明から、二元系酸化物を構成する金属元素の価数が少なくなると、液相領域が広くなることが推定できる。ここで、二元系酸化物として２価の酸化物を形成できる元素の液相領域は、Ａｌの液相領域よりも広くなると推定される。したがって、二元系酸化物として１価の酸化物を形成できる元素の液相領域も、Ａｌの液相領域よりも広くなると推定される。 From the above description, it can be inferred that the liquid phase region becomes wider as the valence of the metal element constituting the binary oxide decreases. Here, it is estimated that the liquid phase region of an element capable of forming a divalent oxide as a binary oxide is wider than the liquid phase region of Al. Therefore, it is estimated that the liquid phase region of the element capable of forming a monovalent oxide as a binary oxide is also wider than the liquid phase region of Al.
また、上記接合プロセスにおいて、セラミック板１２と金属板１４，１６との接合界面及びその近傍では、セラミック板１２と金属板１４，１６との接合界面及びその近傍に含まれる元素が酸素を奪い合うと推定される。液相領域を広げるためには、接合プロセスにおいて、セラミック板１２と金属板１４，１６との接合界面及びその近傍に含まれる元素が酸素を奪うのを抑制できることが好ましい。そのためには、特定金属の元素において、ある程度の酸素親和性が必要になる。表１、図４Ａ及び図４Ｂを参照して、二元系酸化物のバンドギャップは、Ｃｕ２Ｏのバンドギャップよりも大きいことが好ましいと推定される。
In addition, in the above-described bonding process, at the bonding interface between the
ここで、Ｃｕ／セラミック基板１０において、セラミック板１２と金属板１４，１６との接合界面に形成される化合物層１８、２０は、金属酸化物を含む。金属酸化物は、Ａｌと、特定金属と、Ｏとからなる。特定金属は、酸素原子の酸化数が−２の場合、酸化数が＋２以下である二元系酸化物を形成できる。当該二元系酸化物のバンドギャップは、Ｃｕ２Ｏのバンドギャップよりも大きい。特定金属は、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｓｒ、Ｃｄ、Ｂａ、Ｌｉ、Ｎａ及びＫからなる群から選択される少なくとも１種である。ここで、特定金属をＭとする。特定金属が１価の金属である場合、上記金属酸化物は、ＭＡｌＯ２で表される。特定金属が２価の金属である場合、上記金属酸化物は、ＭＡｌ２Ｏ４で表される。
Here, in the Cu /
化合物層１８、２０が上記の金属酸化物を含む場合、セラミック板１２と金属板１４，１６との接合プロセスにおいて、セラミック板１２と金属板１４，１６との接合界面及びその近傍に含まれる元素が酸素を奪うのを抑制したことを示す。つまり、当該接合プロセスにおいて、液相領域が広くなったことを示す。したがって、Ｃｕ／セラミック基板１０においては、接合不良が発生し難い。
When the compound layers 18 and 20 contain the above-mentioned metal oxide, in the joining process between the
セラミック板１２がジルコニアを含有する場合には、Ｚｒの酸化物のバンドギャップ、Ｃｕ−Ｏ−Ｚｒ三元系のＺｒ濃度依存性、及び、Ｚｒの液相領域についても検討する必要がある。
When the
Ｚｒの酸化物のバンドギャップを、表１に示す。表１を参照して、Ｚｒは、Ｍｇよりも酸素親和性が低く、Ｃｕよりも酸素親和性が高いと推定される。 Table 1 shows the band gap of the oxide of Zr. Referring to Table 1, it is estimated that Zr has lower oxygen affinity than Mg and higher oxygen affinity than Cu.
図５Ａ、図５Ｂ及び図５Ｃは、Ｃｕ−Ｏ−Ｚｒ三元系の計算状態図のＺｒ濃度依存性を示す。Ｃｕよりも酸素親和性が高いＺｒが存在すると、Ａｌが存在する場合と同様に、上記接合プロセスで重要な二相領域（当該三元系では、厳密にはＬ＋ｆｃｃ＋ＺｒＯ２の三相領域）が、高酸素濃度側に移動することがわかる。 5A, 5B, and 5C show the Zr concentration dependency of the calculated phase diagram of the Cu-O-Zr ternary system. When Zr having an oxygen affinity higher than Cu is present, a two-phase region important in the above-described bonding process (strictly speaking, a three-phase region of L + fcc + ZrO 2 in the ternary system) is formed similarly to the case where Al is present. It turns out that it moves to the high oxygen concentration side.
図４Ｃは、Ｃｕ−Ｏ−Ｚｒ三元系の計算状態図のＴ＝１０７５℃における等温断面計算状態図を示す。反応場の組成変動により、Ｚｒが高濃度側に揺らぐと、状態図中では固相領域（液相消失領域）に突入する。図４Ａ〜図４Ｃを参照して、状態図上では、Ｚｒの液相領域は、Ａｌの液相領域及びＭｇの液相領域よりも狭い。Ｍｇの液相領域は、Ｚｒの液相領域及びＡｌの液相領域よりも広い。 FIG. 4C shows a calculation diagram of an isothermal cross section at T = 1075 ° C. in the calculation diagram of the Cu—O—Zr ternary system. When Zr fluctuates toward the high concentration side due to the composition fluctuation of the reaction field, it enters the solid phase region (liquid phase disappearance region) in the phase diagram. Referring to FIGS. 4A to 4C, on the phase diagram, the liquid phase region of Zr is smaller than the liquid phase region of Al and the liquid phase region of Mg. The liquid phase region of Mg is wider than the liquid phase region of Zr and the liquid phase region of Al.
状態図中の液相領域の広さは、当該温度で存在する酸化物（具体的には、二元系酸化物）の金属価数に大きく依存すると推定される。例えば、４価の酸化物（ＺｒＯ２）を形成するＺｒでは、Ｚｒ原子１個当たりに２個の酸素原子が結合する。つまり、Ｚｒでは、Ａｌ及びＭｇよりも原子１個当たりに結合する酸素の数が多い。そのため、Ｚｒの液相領域は、Ａｌの液相領域及びＭｇの液相領域よりも狭くなると推定される。つまり、二元系酸化物として２価の酸化物を形成できる元素の液相領域は、Ｚｒの液相領域よりも広くなると推定される。二元系酸化物として１価の酸化物を形成できる元素の液相領域についても、同様に推定される。 It is estimated that the width of the liquid phase region in the phase diagram largely depends on the metal valence of the oxide (specifically, binary oxide) existing at the temperature. For example, in Zr forming a tetravalent oxide (ZrO 2 ), two oxygen atoms are bonded to one Zr atom. In other words, Zr has a larger number of oxygen atoms bonded per atom than Al and Mg. Therefore, it is estimated that the liquid phase region of Zr is smaller than the liquid phase region of Al and the liquid phase region of Mg. That is, it is estimated that the liquid phase region of an element capable of forming a divalent oxide as a binary oxide is wider than the liquid phase region of Zr. The same applies to the liquid phase region of an element capable of forming a monovalent oxide as a binary oxide.
特定金属が１価の金属である場合にＭ２Ｚｒ２Ｏ５で表される金属化合物を化合物層１８、２０が含む場合、及び、特定金属が２価の金属である場合にＭＺｒＯ３で表される金属化合物を化合物層１８、２０が含む場合には、セラミック板１２がジルコニアを含有しない場合と同様に、セラミック板１２と金属板１４，１６との接合プロセスにおいて、液相領域が広くなったことを示す。したがって、セラミック板１２がジルコニアを含有する場合であっても、接合不良が発生し難くなる。
When the specific metal is a monovalent metal, the compound layers 18 and 20 include a metal compound represented by M 2 Zr 2 O 5 , and when the specific metal is a divalent metal, the compound is represented by MZrO 3 . When the compound layers 18 and 20 include the metal compound to be formed, the liquid phase region is widened in the bonding process between the
表２に示す元素が特定金属である場合について、接合性、接合強度及び通炉耐量を調査した。なお、表２において、バンドギャップが「０」は、半導体のようなバンド構造を有するが、バンドギャップがないことを示す。バンドギャップが「金属（０）」は、金属と同じであると見做せることを示す。 In the case where the element shown in Table 2 was a specific metal, the jointability, the joint strength, and the furnace tolerance were investigated. Note that in Table 2, a band gap of “0” indicates that the semiconductor has a band structure like a semiconductor but has no band gap. A band gap of “metal (0)” indicates that it can be regarded as the same as a metal.
接合性は、セラミック板と金属板とを接合したときの接合面積を示す。接合性については、接合面積が金属板の接合面の９５％以上である場合を良好とし、接合面積が金属板の接合面の９５％未満である場合を不良とした。 The bonding property indicates a bonding area when the ceramic plate and the metal plate are bonded. Regarding the bonding property, the case where the bonding area was 95% or more of the bonding surface of the metal plate was defined as good, and the case where the bonding area was less than 95% of the bonding surface of the metal plate was determined as poor.
接合強度は、セラミック板と金属板との密着性を示す。接合強度が弱いと、金属板に実装された半導体集積回路やワイヤーボンディングが金属板ごと剥がれるおそれがある。接合強度については、５ｋｇ／ｃｍ以上である場合を良好とし、５ｋｇ／ｃｍ未満である場合を不良とした。 The bonding strength indicates the adhesion between the ceramic plate and the metal plate. If the bonding strength is low, the semiconductor integrated circuit and the wire bonding mounted on the metal plate may be peeled off together with the metal plate. Regarding the bonding strength, the case where the bonding strength was 5 kg / cm or more was evaluated as good, and the case where the bonding strength was less than 5 kg / cm was evaluated as poor.
通炉耐量は、アセンブリ条件下での加熱炉による熱処理に何回まで耐えられるかを示す。通炉耐量については、３回以上の場合を良好とし、３回未満の場合を不良とした。 The passage tolerance indicates how many times the furnace can withstand heat treatment under assembly conditions. Regarding the withstand capacity of the furnace, the case of 3 times or more was defined as good, and the case of less than 3 times was defined as poor.
表２から明らかなように、酸化数が＋２以下である二元系酸化物を形成でき、且つ、当該二元系酸化物のバンドギャップがＣｕ２Ｏのバンドギャップよりも大きい場合（実施例１〜１４）には、全ての評価項目で良好と判断された。一方、酸化数が＋３以上である二元系酸化物を形成する場合（比較例１１〜１５）や、酸化数が＋２以下である二元系酸化物を形成できるが、当該二元系酸化物のバンドギャップがＣｕ２Ｏのバンドギャップよりも小さい場合（比較例１〜１０）には、何れかの評価項目で不良と判断された。 As is clear from Table 2, a binary oxide having an oxidation number of +2 or less can be formed and the band gap of the binary oxide is larger than the band gap of Cu 2 O (Example 1). 14), all the evaluation items were judged to be good. On the other hand, when a binary oxide having an oxidation number of +3 or more is formed (Comparative Examples 11 to 15) or a binary oxide having an oxidation number of +2 or less can be formed. Is smaller than the band gap of Cu 2 O (Comparative Examples 1 to 10), it was determined to be defective in any of the evaluation items.
以上、本発明の実施の形態について、詳述してきたが、これらはあくまでも例示であって、本発明は、上述の実施の形態によって、何等、限定されない。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, these are merely examples, and the present invention is not limited in any way by the above embodiments.
例えば、金属板とセラミック板とを接合する前において、セラミック板の接合面にＣｕの酸化物層が形成されていてもよい。この場合、金属板とセラミック板とを接合するときに、酸素与奪の範囲を限定させることができる。 For example, before joining the metal plate and the ceramic plate, a Cu oxide layer may be formed on the joining surface of the ceramic plate. In this case, when joining the metal plate and the ceramic plate, the range of oxygen deprivation can be limited.
例えば、上記実施の形態において、金属板１４は回路パターンを形成していなくてもよい。金属板１６はなくてもよい。
For example, in the above embodiment, the
１０：Ｃｕ／セラミック基板、１２：セラミック板、１４：金属板、１４Ａ：金属板、１６：金属板、１８：化合物層、２０：化合物層 10: Cu / ceramic substrate, 12: ceramic plate, 14: metal plate, 14A: metal plate, 16: metal plate, 18: compound layer, 20: compound layer
Claims (4)
Ｃｕを主成分とし、前記セラミック板の少なくとも一方の面に重ね合わされて、前記セラミック板と接合される金属板と、
前記セラミック板と前記金属板との接合界面に形成され、Ａｌと、Ａｌ以外の金属と、Ｏとからなる金属酸化物を含む化合物層とを備え、
前記Ａｌ以外の金属は、酸素原子の酸化数が−２の場合、酸化数が＋２以下である二元系酸化物を形成でき、且つ、前記二元系酸化物のバンドギャップは、Ｃｕ２Ｏのバンドギャップよりも大きく、
前記Ａｌ以外の金属は、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｓｒ、Ｃｄ、Ｂａ、Ｌｉ、Ｎａ及びＫからなる群から選択される少なくとも１種であり、
前記金属板は、回路パターンを形成する複数の分割金属板を含む、Ｃｕ／セラミック基板。 A ceramic plate mainly composed of Al 2 O 3 ,
A metal plate containing Cu as a main component, superimposed on at least one surface of the ceramic plate, and joined to the ceramic plate;
Al, a metal other than Al, and a compound layer containing a metal oxide composed of O, formed at the bonding interface between the ceramic plate and the metal plate,
When the oxidation number of an oxygen atom is −2, the metal other than Al can form a binary oxide having an oxidation number of +2 or less, and the band gap of the binary oxide is Cu 2 O. Larger than the band gap of
The metal other than Al is at least one selected from the group consisting of Be, Mg, Ca, Mn, Co, Ni, Zn, Sr, Cd, Ba, Li, Na, and K,
The Cu / ceramic substrate, wherein the metal plate includes a plurality of divided metal plates forming a circuit pattern.
前記Ａｌ以外の金属がＭの場合、前記金属酸化物は、ＭＡｌＯ２又はＭＡｌ２Ｏ４で表される、Ｃｕ／セラミック基板。 The Cu / ceramic substrate according to claim 1, wherein
The Cu / ceramic substrate, wherein when the metal other than Al is M, the metal oxide is represented by MAlO 2 or MAl 2 O 4 .
前記セラミック板は、Ａｌ２Ｏ３の一部に代えて、ＺｒＯ２を含み、
前記Ａｌ以外の金属がＭの場合、前記金属酸化物は、Ｍ２Ｚｒ２Ｏ５又はＭＺｒＯ３で表される、Ｃｕ／セラミック基板。 The Cu / ceramic substrate according to claim 1, wherein
The ceramic plate contains ZrO 2 instead of part of Al 2 O 3 ,
The Cu / ceramic substrate, wherein when the metal other than Al is M, the metal oxide is represented by M 2 Zr 2 O 5 or MZrO 3 .
前記セラミック板のうち、前記金属板と接合されるべき面上に、前記Ａｌ以外の金属の酸化物層を形成する工程と、
前記金属板のうち、前記セラミック板と接合されるべき面上に、Ｃｕの酸化物層を形成する工程と、
前記セラミック板と前記金属板とを重ね合わせ、前記Ａｌ以外の金属の酸化物層とＣｕの酸化物層とを接触させながら加熱することにより、前記セラミック板と前記金属板とを接合し、且つ、前記セラミック板と前記金属板との接合界面に前記化合物層を形成する工程とを含む、製造方法。 It is a manufacturing method of the Cu / ceramic substrate according to any one of claims 1 to 3,
A step of forming an oxide layer of a metal other than the Al on a surface of the ceramic plate to be joined to the metal plate;
Forming a Cu oxide layer on a surface of the metal plate to be joined to the ceramic plate;
By laminating the ceramic plate and the metal plate and heating while contacting the oxide layer of a metal other than Al and the oxide layer of Cu, the ceramic plate and the metal plate are joined, and Forming the compound layer at a bonding interface between the ceramic plate and the metal plate.
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