JP2021091595A - Copper/ceramic assembly, insulation circuit board, method for manufacturing copper/ceramic assembly, and method for manufacturing insulation circuit board - Google Patents

Copper/ceramic assembly, insulation circuit board, method for manufacturing copper/ceramic assembly, and method for manufacturing insulation circuit board Download PDF

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Abstract

To provide a copper/ceramic assembly which can suppress occurrence of cracking of a ceramic substrate and is excellent in cooling/heating cycle reliability even when severe cooling/heating cycle load is performed, an insulation circuit board, a method for manufacturing a copper/ceramic assembly, and a method for manufacturing an insulation circuit board.SOLUTION: A copper/ceramic assembly is constituted by joining a copper member 12 composed of copper or a copper alloy and a ceramic member 11 composed of nitrogen-containing ceramic. An active metal nitride layer 41 containing a nitride of one or two or more kinds of active metal selected from Ti, Zr, Nb and Hf is formed on the side of the ceramic member 11 between the copper member 12 and the ceramic member 11. An Mg solid solution layer 45 in which Mg is solid-dissolved in a parent phase of Cu is formed between the active metal nitride layer 41 and the copper member 12, and Cu-containing particles 42 composed of either or both of Cu particles and compound particles of Cu and active metal are dispersed inside the active metal nitride layer 41.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

この発明は、銅又は銅合金からなる銅部材と、窒素含有セラミックスからなるセラミックス部材とが接合されてなる銅/セラミックス接合体、窒素含有セラミックスからなるセラミックス基板の表面に銅又は銅合金からなる銅板が接合されてなる絶縁回路基板、及び、銅/セラミックス接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法に関するものである。 According to the present invention, a copper / ceramics junction in which a copper member made of copper or a copper alloy and a ceramics member made of nitrogen-containing ceramics are bonded, and a copper plate made of copper or a copper alloy on the surface of a ceramics substrate made of nitrogen-containing ceramics. The present invention relates to an insulating circuit board to which the copper / ceramics are bonded, a method for manufacturing a copper / ceramics bonded body, and a method for manufacturing an insulated circuit board.

パワーモジュール、LEDモジュール及び熱電モジュールにおいては、絶縁層の一方の面に導電材料からなる回路層を形成した絶縁回路基板に、パワー半導体素子、LED素子及び熱電素子が接合された構造とされている。
例えば、風力発電、電気自動車、ハイブリッド自動車等を制御するために用いられる大電力制御用のパワー半導体素子は、動作時の発熱量が多いことから、これを搭載する基板としては、セラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に導電性の優れた金属板を接合して形成した回路層と、を備えた絶縁回路基板が、従来から広く用いられている。なお、絶縁回路基板としては、セラミックス基板の他方の面に金属板を接合して金属層を形成したものも提供されている。
The power module, LED module, and thermoelectric module have a structure in which a power semiconductor element, an LED element, and a thermoelectric element are bonded to an insulating circuit board in which a circuit layer made of a conductive material is formed on one surface of the insulating layer. ..
For example, a power semiconductor element for high power control used for controlling a wind power generation, an electric vehicle, a hybrid vehicle, etc. has a large amount of heat generation during operation. An insulated circuit board provided with a circuit layer formed by joining a metal plate having excellent conductivity to one surface of the ceramics substrate has been widely used conventionally. As the insulating circuit board, a circuit board in which a metal plate is joined to the other surface of a ceramics substrate to form a metal layer is also provided.

例えば、特許文献1には、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に、銅板を接合することにより回路層及び金属層を形成した絶縁回路基板が提案されている。この特許文献1においては、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に、Ag−Cu−Ti系ろう材を介在させて銅板を配置し、加熱処理を行うことにより銅板が接合されている(いわゆる活性金属ろう付け法)。この活性金属ろう付け法では、活性金属であるTiが含有されたろう材を用いているため、溶融したろう材とセラミックス基板との濡れ性が向上し、セラミックス基板と銅板とが良好に接合されることになる。 For example, Patent Document 1 proposes an insulating circuit board in which a circuit layer and a metal layer are formed by joining a copper plate to one surface and the other surface of a ceramic substrate. In Patent Document 1, a copper plate is arranged on one surface and the other surface of a ceramic substrate with an Ag-Cu-Ti brazing material interposed therebetween, and the copper plate is joined by heat treatment (so-called). Active metal brazing method). Since this active metal brazing method uses a brazing material containing Ti, which is an active metal, the wettability between the molten brazing material and the ceramic substrate is improved, and the ceramic substrate and the copper plate are satisfactorily bonded. It will be.

また、特許文献2においては、Cu−Mg−Ti系ろう材を用いて、セラミックス基板と銅板とを接合した絶縁回路基板が提案されている。
この特許文献2においては、窒素ガス雰囲気下にて560〜800℃で加熱することによって接合する構成とされており、Cu−Mg−Ti合金中のMgは昇華して接合界面には残存せず、かつ、窒化チタン(TiN)が実質的に形成しないものとされている。
Further, Patent Document 2 proposes an insulating circuit board in which a ceramic substrate and a copper plate are bonded to each other by using a Cu-Mg-Ti-based brazing material.
In Patent Document 2, the bonding is performed by heating at 560 to 800 ° C. in a nitrogen gas atmosphere, and Mg in the Cu—Mg—Ti alloy is sublimated and does not remain at the bonding interface. Moreover, it is assumed that titanium nitride (TiN) is not substantially formed.

特許第3211856号公報Japanese Patent No. 3211856 特許第4375730号公報Japanese Patent No. 4375730

ところで、SiC等を用いた高温半導体デバイスにおいては、半導体素子が高密度に実装されることがあり、これに用いられる絶縁回路基板には、より高温での動作を保証する必要がある。
このため、従来よりも厳しい冷熱サイクルを負荷した場合であっても、セラミックス基板の割れの発生を抑制することが必要となる。
By the way, in a high temperature semiconductor device using SiC or the like, semiconductor elements may be mounted at a high density, and it is necessary to guarantee the operation at a higher temperature on the insulating circuit board used for this.
Therefore, it is necessary to suppress the occurrence of cracks in the ceramic substrate even when a colder heat cycle stricter than the conventional one is applied.

この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、厳しい冷熱サイクルを負荷した場合であっても、セラミックス基板の割れの発生を抑制でき、冷熱サイクル信頼性に優れた銅/セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、銅/セラミックス接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances, and is capable of suppressing the occurrence of cracks in the ceramic substrate even when a severe cold-heat cycle is applied, and is a copper / ceramics joint having excellent cold-heat cycle reliability. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a body, an insulating circuit board, a copper / ceramics joint, and a method for manufacturing an insulated circuit board.

前述の課題を解決するために、本発明の銅/セラミックス接合体は、銅又は銅合金からなる銅部材と、窒素含有セラミックスからなるセラミックス部材とが接合されてなる銅/セラミックス接合体であって、前記銅部材と前記セラミックス部材との間においては、前記セラミックス部材側にTi,Zr,Nb,Hfから選択される1種以上の活性金属の窒化物を含む活性金属窒化物層が形成され、この活性金属窒化物層と前記銅部材との間にCuの母相中にMgが固溶したMg固溶層が形成されており、前記活性金属窒化物層の内部に、Cu粒子及びCuと活性金属の化合物粒子のいずれか一方又は両方からなるCu含有粒子が分散されていることを特徴としている。 In order to solve the above-mentioned problems, the copper / ceramics joint of the present invention is a copper / ceramics joint in which a copper member made of copper or a copper alloy and a ceramics member made of nitrogen-containing ceramics are joined. Between the copper member and the ceramics member, an active metal nitride layer containing a nitride of one or more active metals selected from Ti, Zr, Nb, and Hf is formed on the ceramics member side. An Mg solid-dissolved layer in which Mg is solid-dissolved in the matrix phase of Cu is formed between the active metal nitride layer and the copper member, and Cu particles and Cu are formed inside the active metal nitride layer. It is characterized in that Cu-containing particles composed of either one or both of the compound particles of the active metal are dispersed.

本発明の銅/セラミックス接合体によれば、前記セラミックス部材側にTi,Zr,Nb,Hfから選択される1種以上の活性金属の窒化物を含む活性金属窒化物層が形成され、この活性金属窒化物層と前記銅部材との間にCuの母相中にMgが固溶したMg固溶層が形成されているので、界面反応が十分に進行しており、銅部材とセラミックス部材とが強固に接合されている。
そして、前記活性金属窒化物層の内部に、Cu粒子及びCuと活性金属の化合物粒子のいずれか一方又は両方からなるCu含有粒子が分散されているので、冷熱サイクル負荷時において、硬い活性金属窒化物層における応力を緩和でき、この活性金属窒化物層に隣接するセラミックス部材の割れの発生を抑制することができる。
According to the copper / ceramics joint of the present invention, an active metal nitride layer containing a nitride of one or more active metals selected from Ti, Zr, Nb, and Hf is formed on the ceramic member side, and this activity Since the Mg solid-dissolved layer in which Mg is solid-dissolved is formed between the metal nitride layer and the copper member in the matrix phase of Cu, the interfacial reaction is sufficiently progressing, and the copper member and the ceramic member Are firmly joined.
Since Cu-containing particles composed of Cu particles and one or both of Cu and active metal compound particles are dispersed inside the active metal nitride layer, hard active metal nitride is applied under a cold cycle load. The stress in the material layer can be relaxed, and the occurrence of cracks in the ceramic member adjacent to the active metal nitride layer can be suppressed.

ここで、本発明の銅/セラミックス接合体においては、前記Cu含有粒子の粒子径が10nm以上100nm以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、前記Cu含有粒子の粒子径が10nm以上100nm以下の範囲内とされているので、活性金属窒化物層における応力緩和効果を十分に奏功せしめることができ、この活性金属窒化物層に隣接するセラミックス部材の割れの発生をさらに抑制することができる。
Here, in the copper / ceramics bonded body of the present invention, it is preferable that the particle size of the Cu-containing particles is within the range of 10 nm or more and 100 nm or less.
In this case, since the particle size of the Cu-containing particles is within the range of 10 nm or more and 100 nm or less, the stress relaxation effect in the active metal nitride layer can be sufficiently exerted, and the Cu-containing particles are adjacent to the active metal nitride layer. It is possible to further suppress the occurrence of cracks in the ceramic member.

また、本発明の銅/セラミックス接合体においては、前記活性金属窒化物層の内部に、Mgが存在することが好ましい。
この場合、前記活性金属窒化物層の内部に存在するMgによって、活性金属窒化物層における応力緩和効果を得ることができ、この活性金属窒化物層に隣接するセラミックス部材の割れの発生をさらに抑制することができる。
Further, in the copper / ceramics joint of the present invention, it is preferable that Mg is present inside the active metal nitride layer.
In this case, the Mg existing inside the active metal nitride layer can obtain a stress relaxation effect in the active metal nitride layer, further suppressing the occurrence of cracks in the ceramic member adjacent to the active metal nitride layer. can do.

さらに、本発明の銅/セラミックス接合体においては、前記セラミックス部材側界面から前記活性金属窒化物層の全厚の25%位置までの領域の平均銅濃度C1(原子%)と、前記銅部材側界面から前記活性金属窒化物層の全厚の25%位置までの領域の平均銅濃度C2(原子%)との比C2/C1が0.8以下であることが好ましい。
この場合、前記活性金属窒化物層において、前記セラミックス部材側の銅濃度が前記銅部材側の銅濃度よりも高いため、界面反応が十分に進行しており、銅部材とセラミックス部材とがさらに強固に接合されている。
Further, in the copper / ceramics joint of the present invention, the average copper concentration C1 (atomic%) in the region from the interface on the ceramic member side to the position of 25% of the total thickness of the active metal nitride layer and the copper member side. The ratio C2 / C1 to the average copper concentration C2 (atomic%) in the region from the interface to the 25% position of the total thickness of the active metal nitride layer is preferably 0.8 or less.
In this case, in the active metal nitride layer, the copper concentration on the ceramic member side is higher than the copper concentration on the copper member side, so that the interfacial reaction is sufficiently advanced and the copper member and the ceramic member are further strengthened. It is joined to.

本発明の絶縁回路基板は、窒素含有セラミックスからなるセラミックス基板の表面に、銅又は銅合金からなる銅板が接合されてなる絶縁回路基板であって、前記銅板と前記セラミックス基板との間においては、前記セラミックス基板側にTi,Zr,Nb,Hfから選択される1種以上の活性金属の窒化物を含む活性金属窒化物層が形成され、この活性金属窒化物層と前記銅板との間にCuの母相中にMgが固溶したMg固溶層が形成されており、前記活性金属窒化物層の内部に、Cu粒子及びCuと活性金属の化合物粒子のいずれか一方又は両方からなるCu含有粒子が分散されていることを特徴としている。 The insulating circuit substrate of the present invention is an insulating circuit substrate in which a copper plate made of copper or a copper alloy is bonded to the surface of a ceramics substrate made of nitrogen-containing ceramics, and the copper plate and the ceramics substrate are interleaved with each other. An active metal nitride layer containing a nitride of one or more active metals selected from Ti, Zr, Nb, and Hf is formed on the ceramic substrate side, and Cu is formed between the active metal nitride layer and the copper plate. An Mg solid-dissolved layer in which Mg is solid-dissolved is formed in the matrix phase of the above, and the Cu-containing particles and / or Cu-containing compound particles of Cu and the active metal are contained inside the active metal nitride layer. It is characterized in that the particles are dispersed.

本発明の絶縁回路基板によれば、前記セラミックス基板側にTi,Zr,Nb,Hfから選択される1種以上の活性金属の窒化物を含む活性金属窒化物層が形成され、この活性金属窒化物層と前記銅板との間にCuの母相中にMgが固溶したMg固溶層が形成されているので、界面反応が十分に進行しており、銅板とセラミックス基板とが強固に接合されている。
そして、前記活性金属窒化物層の内部に、Cu粒子及びCuと活性金属の化合物粒子のいずれか一方又は両方からなるCu含有粒子が分散されているので、冷熱サイクル負荷時において、硬い活性金属窒化物層における応力を緩和でき、この活性金属窒化物層に隣接するセラミックス基板の割れの発生を抑制することができる。
According to the insulating circuit substrate of the present invention, an active metal nitride layer containing one or more active metal nitrides selected from Ti, Zr, Nb, and Hf is formed on the ceramic substrate side, and the active metal nitride is formed. Since an Mg solid solution layer in which Mg is solid-dissolved is formed between the material layer and the copper plate in the Cu matrix, the interfacial reaction is sufficiently advanced and the copper plate and the ceramic substrate are firmly bonded to each other. Has been done.
Since Cu-containing particles composed of Cu particles and one or both of Cu and active metal compound particles are dispersed inside the active metal nitride layer, hard active metal nitride is applied under a cold cycle load. The stress in the material layer can be relaxed, and the occurrence of cracks in the ceramic substrate adjacent to the active metal nitride layer can be suppressed.

ここで、本発明の絶縁回路基板においては、前記Cu含有粒子の粒子径が10nm以上100nm以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、前記Cu含有粒子の粒子径が10nm以上100nm以下の範囲内とされているので、活性金属窒化物層における応力緩和効果を十分に奏功せしめることができ、この活性金属窒化物層に隣接するセラミックス基板の割れの発生をさらに抑制することができる。
Here, in the insulating circuit board of the present invention, it is preferable that the particle size of the Cu-containing particles is within the range of 10 nm or more and 100 nm or less.
In this case, since the particle size of the Cu-containing particles is within the range of 10 nm or more and 100 nm or less, the stress relaxation effect in the active metal nitride layer can be sufficiently exerted, and the Cu-containing particles are adjacent to the active metal nitride layer. It is possible to further suppress the occurrence of cracks in the ceramic substrate.

また、本発明の絶縁回路基板においては、前記活性金属窒化物層の内部に、Mgが存在することが好ましい。
この場合、前記活性金属窒化物層の内部に存在するMgによって、活性金属窒化物層における応力緩和効果を得ることができ、この活性金属窒化物層に隣接するセラミックス基板の割れの発生をさらに抑制することができる。
Further, in the insulating circuit board of the present invention, it is preferable that Mg is present inside the active metal nitride layer.
In this case, the Mg existing inside the active metal nitride layer can obtain a stress relaxation effect in the active metal nitride layer, further suppressing the occurrence of cracks in the ceramic substrate adjacent to the active metal nitride layer. can do.

さらに、本発明の絶縁回路基板においては、前記セラミックス基板側界面から前記活性金属窒化物層の全厚の25%位置までの領域の平均銅濃度C1(原子%)と、前記銅板側界面から前記活性金属窒化物層の全厚の25%位置までの領域の平均銅濃度C2(原子%)との比C2/C1が0.8以下であることが好ましい。
この場合、前記活性金属窒化物層において、前記セラミックス基板側の銅濃度が前記銅板側の銅濃度よりも高いため、界面反応が十分に進行しており、銅板とセラミックス基板とがさらに強固に接合されている。
Further, in the insulating circuit substrate of the present invention, the average copper concentration C1 (atomic%) in the region from the ceramic substrate side interface to the position of 25% of the total thickness of the active metal nitride layer and the copper plate side interface to the above. The ratio C2 / C1 to the average copper concentration C2 (atomic%) in the region up to the 25% position of the total thickness of the active metal nitride layer is preferably 0.8 or less.
In this case, in the active metal nitride layer, the copper concentration on the ceramic substrate side is higher than the copper concentration on the copper plate side, so that the interfacial reaction is sufficiently advanced and the copper plate and the ceramic substrate are more firmly bonded to each other. Has been done.

本発明の銅/セラミックス接合体の製造方法は、上述の銅/セラミックス接合体を製造する銅/セラミックス接合体の製造方法であって、前記銅部材と前記セラミックス部材との間に、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種以上の活性金属及びMgを配置する活性金属及びMg配置工程と、前記銅部材と前記セラミックス部材とを、活性金属及びMgを介して積層する積層工程と、活性金属及びMgを介して積層された前記銅部材と前記セラミックス部材とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合する接合工程と、を備えており、前記活性金属及びMg配置工程では、活性金属量を0.4μmol/cm以上18.8μmol/cm以下の範囲内、Mg量を14μmol/cm以上86μmol/cm以下の範囲内とし、前記接合工程では、440℃以上480℃未満の中間温度で30min以上150min以下保持し、その後、700℃以上の温度で15min以上保持することを特徴としている。 The method for producing a copper / ceramics joint of the present invention is a method for producing a copper / ceramics joint for producing the above-mentioned copper / ceramics joint, and Ti, Zr. , Nb, Hf, an active metal and Mg placement step of arranging one or more types of active metals and Mg, and a laminating step of laminating the copper member and the ceramics member via the active metal and Mg. It is provided with a joining step of heat-treating and joining the copper member and the ceramics member laminated via the active metal and Mg in a state of being pressurized in the stacking direction in a vacuum atmosphere. In the Mg placement step, the amount of active metal was set in the range of 0.4 μmol / cm 2 or more and 18.8 μmol / cm 2 or less, and the Mg amount was set in the range of 14 μmol / cm 2 or more and 86 μmol / cm 2 or less. It is characterized in that it is held at an intermediate temperature of 440 ° C. or higher and lower than 480 ° C. for 30 min or more and 150 min or less, and then held at a temperature of 700 ° C. or higher for 15 min or longer.

この構成の銅/セラミックス接合体の製造方法によれば、前記活性金属及びMg配置工程では、活性金属量を0.4μmol/cm以上18.8μmol/cm以下の範囲内、Mg量を14μmol/cm以上86μmol/cm以下の範囲内としているので、界面反応に必要な液相を十分に得ることができる。よって、銅部材とセラミックス部材とを確実に接合することができる。
そして、前記接合工程では、440℃以上480℃未満の中間温度で30min以上150min以下保持しているので、中間温度で保持した際に、固相状態でセラミックスの分解反応が進み、局所的にMgを含む液相が発生し、セラミックス部材の内部にMgが侵入する。
また、中間温度で保持した後に、700℃以上の温度で15min以上保持するので、活性金属窒化物層が生成する。また、セラミックス部材の内部では、Mgが侵入した部分を起点にCu−Mg液相が生成し、セラミックス部材の内部にCuが侵入し、Cu含有粒子が分散することになる。
According to the method for producing a copper / ceramics conjugate having this configuration, in the active metal and Mg placement step, the amount of active metal is in the range of 0.4 μmol / cm 2 or more and 18.8 μmol / cm 2 or less, and the amount of Mg is 14 μmol. since / cm 2 or more 86Myumol / cm 2 is within the range, it is possible to obtain a liquid phase necessary for the interfacial reaction sufficiently. Therefore, the copper member and the ceramic member can be reliably joined.
In the joining step, the ceramics are held at an intermediate temperature of 440 ° C. or higher and lower than 480 ° C. for 30 min or more and 150 min or less. A liquid phase containing the above is generated, and Mg penetrates into the ceramic member.
Further, since it is held at an intermediate temperature and then held at a temperature of 700 ° C. or higher for 15 minutes or longer, an active metal nitride layer is formed. Further, inside the ceramic member, a Cu—Mg liquid phase is generated starting from the portion where Mg has penetrated, Cu penetrates inside the ceramic member, and Cu-containing particles are dispersed.

本発明の絶縁回路基板の製造方法は、上述の絶縁回路基板を製造する絶縁回路基板の製造方法であって、前記銅板と前記セラミックス基板との間に、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種以上の活性金属及びMgを配置する活性金属及びMg配置工程と、前記銅板と前記セラミックス基板とを、活性金属及びMgを介して積層する積層工程と、活性金属及びMgを介して積層された前記銅板と前記セラミックス基板とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合する接合工程と、を備えており、前記活性金属及びMg配置工程では、活性金属量を0.4μmol/cm以上18.8μmol/cm以下の範囲内、Mg量を14μmol/cm以上86μmol/cm以下の範囲内とし、前記接合工程では、440℃以上480℃未満の中間温度で30min以上150min以下保持し、その後、700℃以上の温度で15min以上保持することを特徴としている。 The method for manufacturing an insulated circuit board of the present invention is a method for manufacturing an insulated circuit board for manufacturing the above-mentioned insulated circuit board, and is selected from Ti, Zr, Nb, and Hf between the copper plate and the ceramics substrate. An active metal and Mg placement step of arranging one or more kinds of active metals and Mg, a laminating step of laminating the copper plate and the ceramics substrate via the active metal and Mg, and laminating via the active metal and Mg. It is provided with a joining step of heat-treating and joining the copper plate and the ceramics substrate in a state of being pressurized in the stacking direction in a vacuum atmosphere. In the active metal and Mg placement steps, the amount of active metal is provided. Is in the range of 0.4 μmol / cm 2 or more and 18.8 μmol / cm 2 or less, and the amount of Mg is in the range of 14 μmol / cm 2 or more and 86 μmol / cm 2 or less. It is characterized in that it is held at a temperature of 30 min or more and 150 min or less, and then held at a temperature of 700 ° C. or higher for 15 min or more.

この構成の絶縁回路基板の製造方法によれば、前記活性金属及びMg配置工程では、活性金属量を0.4μmol/cm以上18.8μmol/cm以下の範囲内、Mg量を14μmol/cm以上86μmol/cm以下の範囲内としているので、界面反応に必要な液相を十分に得ることができる。よって、銅板とセラミックス基板とを確実に接合することができる。
そして、前記接合工程では、440℃以上480℃未満の中間温度で30min以上150min以下保持しているので、中間温度で保持した際に、固相状態でセラミックス分解反応が進み、局所的にMgを含む液相が発生し、セラミックス基板の内部にMgが侵入する。
また、中間温度で保持した後に、700℃以上の温度で15min以上保持しているので、Mgが侵入した部分を起点にCu−Mg液相が生成し、セラミックス基板の内部にCuが侵入し、Cu含有粒子が分散することになる。
According to the method for manufacturing an insulated circuit board having this configuration, in the active metal and Mg placement step, the amount of active metal is in the range of 0.4 μmol / cm 2 or more and 18.8 μmol / cm 2 or less, and the amount of Mg is 14 μmol / cm. Since the range is 2 or more and 86 μmol / cm 2 or less, a sufficient liquid phase required for the interfacial reaction can be obtained. Therefore, the copper plate and the ceramic substrate can be reliably joined.
In the joining step, the ceramics are held at an intermediate temperature of 440 ° C. or higher and lower than 480 ° C. for 30 min or more and 150 min or less. A liquid phase containing the mixture is generated, and Mg penetrates into the ceramic substrate.
Further, since the mixture is held at an intermediate temperature and then held at a temperature of 700 ° C. or higher for 15 minutes or longer, a Cu—Mg liquid phase is generated starting from the portion where Mg has penetrated, and Cu penetrates into the ceramic substrate. Cu-containing particles will be dispersed.

本発明によれば、厳しい冷熱サイクルを負荷した場合であっても、セラミックス基板の割れの発生を抑制でき、冷熱サイクル信頼性に優れた銅/セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、銅/セラミックス接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, even when a severe cold-heat cycle is applied, the occurrence of cracks in the ceramic substrate can be suppressed, and the copper / ceramics junction, the insulating circuit board, and the copper / ceramics having excellent cold-heat cycle reliability can be suppressed. It is possible to provide a method for manufacturing a bonded body and a method for manufacturing an insulated circuit board.

本発明の実施形態に係る絶縁回路基板を用いたパワーモジュールの概略説明図である。It is the schematic explanatory drawing of the power module using the insulation circuit board which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る絶縁回路基板の回路層(金属層)とセラミックス基板との接合界面の観察結果である。It is an observation result of the junction interface between the circuit layer (metal layer) of the insulating circuit board which concerns on embodiment of this invention, and a ceramics substrate. 本発明の実施形態に係る絶縁回路基板の回路層(金属層)とセラミックス基板との接合界面の拡大説明図である。It is an enlarged explanatory view of the bonding interface between the circuit layer (metal layer) of the insulating circuit board which concerns on embodiment of this invention, and a ceramics substrate. 本発明の実施形態に係る絶縁回路基板の製造方法のフロー図である。It is a flow chart of the manufacturing method of the insulation circuit board which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施形態に係る絶縁回路基板の製造方法の概略説明図である。It is the schematic explanatory drawing of the manufacturing method of the insulation circuit board which concerns on embodiment of this invention.

以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。
本実施形態に係る銅/セラミックス接合体は、セラミックスからなるセラミックス部材としてのセラミックス基板11と、銅又は銅合金からなる銅部材としての銅板22(回路層12)及び銅板23(金属層13)とが接合されてなる絶縁回路基板10である。図1に、本実施形態である絶縁回路基板10を備えたパワーモジュール1を示す。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
The copper / ceramics joint according to the present embodiment includes a ceramics substrate 11 as a ceramics member made of ceramics, and a copper plate 22 (circuit layer 12) and a copper plate 23 (metal layer 13) as copper members made of copper or a copper alloy. Is an insulated circuit board 10 formed by joining. FIG. 1 shows a power module 1 provided with an insulated circuit board 10 according to the present embodiment.

このパワーモジュール1は、セラミックス基板11に回路層12及び金属層13が配設された絶縁回路基板10と、回路層12の一方の面(図1において上面)に接合層2を介して接合された半導体素子3と、金属層13の他方側(図1において下側)に配置されたヒートシンク30と、を備えている。 The power module 1 is bonded to an insulating circuit board 10 in which a circuit layer 12 and a metal layer 13 are arranged on a ceramic substrate 11 and to one surface (upper surface in FIG. 1) of the circuit layer 12 via a bonding layer 2. The semiconductor element 3 is provided with a heat sink 30 arranged on the other side (lower side in FIG. 1) of the metal layer 13.

半導体素子3は、Si等の半導体材料で構成されている。この半導体素子3と回路層12は、接合層2を介して接合されている。
接合層2は、例えばSn−Ag系、Sn−In系、若しくはSn−Ag−Cu系のはんだ材で構成されている。
The semiconductor element 3 is made of a semiconductor material such as Si. The semiconductor element 3 and the circuit layer 12 are bonded via a bonding layer 2.
The bonding layer 2 is made of, for example, a Sn-Ag-based, Sn-In-based, or Sn-Ag-Cu-based solder material.

ヒートシンク30は、前述の絶縁回路基板10からの熱を放散するためのものである。このヒートシンク30は、Cu又はCu合金で構成されており、本実施形態ではりん脱酸銅で構成されている。このヒートシンク30には、冷却用の流体が流れるための流路31が設けられている。
なお、本実施形態においては、ヒートシンク30と金属層13とが、はんだ材からなるはんだ層32によって接合されている。このはんだ層32は、例えばSn−Ag系、Sn−In系、若しくはSn−Ag−Cu系のはんだ材で構成されている。
The heat sink 30 is for dissipating heat from the above-mentioned insulating circuit board 10. The heat sink 30 is made of Cu or a Cu alloy, and in this embodiment, it is made of phosphorylated copper. The heat sink 30 is provided with a flow path 31 for flowing a cooling fluid.
In this embodiment, the heat sink 30 and the metal layer 13 are joined by a solder layer 32 made of a solder material. The solder layer 32 is made of, for example, a Sn-Ag-based, Sn-In-based, or Sn-Ag-Cu-based solder material.

そして、本実施形態である絶縁回路基板10は、図1に示すように、セラミックス基板11と、このセラミックス基板11の一方の面(図1において上面)に配設された回路層12と、セラミックス基板11の他方の面(図1において下面)に配設された金属層13と、を備えている。 As shown in FIG. 1, the insulating circuit board 10 of the present embodiment includes a ceramic substrate 11, a circuit layer 12 disposed on one surface (upper surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11, and ceramics. It includes a metal layer 13 disposed on the other surface (lower surface in FIG. 1) of the substrate 11.

セラミックス基板11は、絶縁性および放熱性に優れた窒素含有セラミックスで構成されており、本実施形態では、窒化アルミニウム(AlN)で構成されている。このセラミックス基板11の厚さは、例えば、0.2mm以上1.5mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、0.635mmに設定されている。窒化アルミニウム(AlN)以外にも窒化ケイ素を用いることもできる。 The ceramic substrate 11 is made of nitrogen-containing ceramics having excellent insulating properties and heat dissipation, and is made of aluminum nitride (AlN) in this embodiment. The thickness of the ceramic substrate 11 is set, for example, within the range of 0.2 mm or more and 1.5 mm or less, and in the present embodiment, it is set to 0.635 mm. Silicon nitride can also be used in addition to aluminum nitride (AlN).

回路層12は、図5に示すように、セラミックス基板11の一方の面(図5において上面)に、銅又は銅合金からなる銅板22が接合されることにより形成されている。
本実施形態においては、回路層12は、無酸素銅の圧延板からなる銅板22がセラミックス基板11に接合されることで形成されている。
なお、回路層12となる銅板22の厚さは0.1mm以上2.0mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、0.6mmに設定されている。
As shown in FIG. 5, the circuit layer 12 is formed by joining a copper plate 22 made of copper or a copper alloy to one surface (upper surface in FIG. 5) of the ceramic substrate 11.
In the present embodiment, the circuit layer 12 is formed by joining a copper plate 22 made of a rolled plate of oxygen-free copper to a ceramic substrate 11.
The thickness of the copper plate 22 to be the circuit layer 12 is set within the range of 0.1 mm or more and 2.0 mm or less, and in this embodiment, it is set to 0.6 mm.

金属層13は、図5に示すように、セラミックス基板11の他方の面(図5において下面)に、銅又は銅合金からなる銅板23が接合されることにより形成されている。
本実施形態においては、金属層13は、無酸素銅の圧延板からなる銅板23がセラミックス基板11に接合されることで形成されている。
なお、金属層13となる銅板23の厚さは0.1mm以上2.0mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、0.6mmに設定されている。
As shown in FIG. 5, the metal layer 13 is formed by joining a copper plate 23 made of copper or a copper alloy to the other surface (lower surface in FIG. 5) of the ceramic substrate 11.
In the present embodiment, the metal layer 13 is formed by joining a copper plate 23 made of a rolled plate of oxygen-free copper to a ceramic substrate 11.
The thickness of the copper plate 23 to be the metal layer 13 is set within the range of 0.1 mm or more and 2.0 mm or less, and in this embodiment, it is set to 0.6 mm.

セラミックス基板11と回路層12(金属層13)との接合界面においては、図2及び図3に示すように、セラミックス基板11側に、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種以上の活性金属の窒化物からなる活性金属窒化物層41が形成され、この活性金属窒化物層41に積層するようにMg固溶層45が形成されている。
Mg固溶層45は、回路層12(金属層13)とセラミックス基板11との接合界面を、EPMA装置(日本電子株式会社製JXA−8539F)を用いて、倍率2000倍、加速電圧15kVの条件で接合界面を含む領域(縦400μm×横600μm)を観察し、セラミックス基板11表面から回路層12(金属層13)側に向かって10μm間隔の10点で定量分析を行い、Cu濃度+Mg濃度=100原子%として、Mg濃度が0.01原子%以上6.9原子%以下である領域である。なお、接合界面は測定しない。よって、Mg固溶層45は、セラミックス基板11表面から銅板回路層12(金属層13)側に向かって、10μm以上離れた領域に存在する。
At the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 (metal layer 13), as shown in FIGS. 2 and 3, one or more types selected from Ti, Zr, Nb, and Hf are placed on the ceramic substrate 11 side. An active metal nitride layer 41 made of an active metal nitride is formed, and an Mg solid solution layer 45 is formed so as to be laminated on the active metal nitride layer 41.
The Mg solid solution layer 45 has a bonding interface between the circuit layer 12 (metal layer 13) and the ceramics substrate 11 under the conditions of a magnification of 2000 times and an acceleration voltage of 15 kV using an EPMA device (JXA-8539F manufactured by Nippon Denshi Co., Ltd.). Observe the region including the bonding interface (length 400 μm x width 600 μm), and perform quantitative analysis at 10 points at 10 μm intervals from the surface of the ceramic substrate 11 toward the circuit layer 12 (metal layer 13), and Cu concentration + Mg concentration = Assuming 100 atomic%, this is a region where the Mg concentration is 0.01 atomic% or more and 6.9 atomic% or less. The bonding interface is not measured. Therefore, the Mg solid solution layer 45 exists in a region separated by 10 μm or more from the surface of the ceramic substrate 11 toward the copper plate circuit layer 12 (metal layer 13) side.

なお、本実施形態では、活性金属としてTiを用いることが好ましく、この場合、活性金属窒化物層41は、窒化チタン(TiN)で構成されることになる。
ここで、本実施形態においては、活性金属窒化物層41の厚さが50nm以上1200nm以下の範囲内とされていることが好ましい。なお、活性金属窒化物層41の厚さの下限は100nm以上であることがさらに好ましく、150nm以上であることがより好ましい。一方、活性金属窒化物層41の厚さの上限は800nm以下であることがさらに好ましく、600nm以下であることがより好ましい。
In this embodiment, it is preferable to use Ti as the active metal. In this case, the active metal nitride layer 41 is made of titanium nitride (TiN).
Here, in the present embodiment, it is preferable that the thickness of the active metal nitride layer 41 is in the range of 50 nm or more and 1200 nm or less. The lower limit of the thickness of the active metal nitride layer 41 is more preferably 100 nm or more, and more preferably 150 nm or more. On the other hand, the upper limit of the thickness of the active metal nitride layer 41 is more preferably 800 nm or less, and more preferably 600 nm or less.

そして、活性金属窒化物層41の内部には、Cu粒子及びCuと活性金属の化合物粒子のいずれか一方又は両方からなるCu含有粒子42が分散されている。
なお、上述のCu含有粒子42は、活性金属窒化物層41のセラミックス基板11側に多く存在しており、活性金属窒化物層41のうちセラミックス基板11との界面から500nmまでの界面近傍領域に、活性金属窒化物層41内で観察されるCu含有粒子42の65%以上(個数基準)が分布している。なお、上記界面近傍領域に分布するCu含有粒子42のより好ましい割合は85%以上であり、さらに好ましくは95%以上であり、上限値は100%である。
Inside the active metal nitride layer 41, Cu-containing particles 42 composed of Cu particles and one or both of Cu and active metal compound particles are dispersed.
The above-mentioned Cu-containing particles 42 are abundantly present on the ceramic substrate 11 side of the active metal nitride layer 41, and are located in the region near the interface of the active metal nitride layer 41 from the interface with the ceramic substrate 11 to 500 nm. , 65% or more (number basis) of the Cu-containing particles 42 observed in the active metal nitride layer 41 is distributed. The ratio of the Cu-containing particles 42 distributed in the region near the interface is more preferably 85% or more, further preferably 95% or more, and the upper limit is 100%.

ここで、本実施形態においては、Cu含有粒子42は、粒子径が10nm以上100nm以下の範囲内とされていることが好ましい。
なお、活性金属窒化物層41の内部に分散するCu含有粒子42の円相当径は15nm以上であることがさらに好ましく、20nm以上であることがより好ましい。一方、上述のCu含有粒子42の円相当径は70nm以下であることがさらに好ましく、50nm以下であることがより好ましい。
また、本実施形態においては、活性金属窒化物層41の内部には、Mgが存在していてもよい。この場合、活性金属窒化物層41の内部に存在するMgによって、活性金属窒化物層41における応力緩和効果を得ることができ、この活性金属窒化物層41に隣接するセラミックス基板11の割れの発生をさらに抑制することができる。
ここで、Mgが存在しているとは、活性金属窒化物層41に対し、STEM−EDX分析でMg濃度がCu+Mg+活性金属(Ti,Zr,Nb,Hf)=100原子%としたとき、0.01原子%以上70原子%以下であった場合をMgが存在していると定義する。
Here, in the present embodiment, it is preferable that the Cu-containing particles 42 have a particle size in the range of 10 nm or more and 100 nm or less.
The equivalent circle diameter of the Cu-containing particles 42 dispersed inside the active metal nitride layer 41 is more preferably 15 nm or more, and even more preferably 20 nm or more. On the other hand, the equivalent circle diameter of the Cu-containing particles 42 is more preferably 70 nm or less, and more preferably 50 nm or less.
Further, in the present embodiment, Mg may be present inside the active metal nitride layer 41. In this case, the Mg existing inside the active metal nitride layer 41 can obtain a stress relaxation effect in the active metal nitride layer 41, and cracks in the ceramic substrate 11 adjacent to the active metal nitride layer 41 occur. Can be further suppressed.
Here, the presence of Mg means that the active metal nitride layer 41 is 0 when the Mg concentration is Cu + Mg + active metal (Ti, Zr, Nb, Hf) = 100 atomic% in STEM-EDX analysis. The case where the amount is 0.01 atomic% or more and 70 atomic% or less is defined as the presence of Mg.

さらに、本実施形態においては、セラミックス基板11側界面から活性金属窒化物層41の全厚の25%位置までの領域の平均銅濃度C1(原子%)と、回路層12(金属層13)側界面から活性金属窒化物層41の全厚の25%位置までの領域の平均銅濃度C2(原子%)との比C2/C1が0.8以下であることが好ましい。
なお、上述の銅濃度の比C2/C1の下限に特に限定はないが、0.01以上とすることが好ましい。
Further, in the present embodiment, the average copper concentration C1 (atomic%) in the region from the interface on the ceramic substrate 11 side to the position of 25% of the total thickness of the active metal nitride layer 41 and the circuit layer 12 (metal layer 13) side. The ratio C2 / C1 to the average copper concentration C2 (atomic%) in the region from the interface to the 25% position of the total thickness of the active metal nitride layer 41 is preferably 0.8 or less.
The lower limit of the copper concentration ratio C2 / C1 described above is not particularly limited, but is preferably 0.01 or more.

以下に、本実施形態に係る絶縁回路基板10の製造方法について、図4及び図5を参照して説明する。 Hereinafter, a method for manufacturing the insulated circuit board 10 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 4 and 5.

(活性金属及びMg配置工程S01)
まず、窒化アルミニウム(AlN)からなるセラミックス基板11を準備し、図5に示すように、回路層12となる銅板22とセラミックス基板11との間、及び、金属層13となる銅板23とセラミックス基板11との間に、それぞれTi,Zr,Nb,Hfから選択される1種以上の活性金属及びMgを配置する。
本実施形態では、回路層12となる銅板22とセラミックス基板11との間、及び、金属層13となる銅板23とセラミックス基板11との間に、Mg箔25と活性金属箔26を配設している。
(Active metal and Mg placement step S01)
First, a ceramic substrate 11 made of aluminum nitride (AlN) is prepared, and as shown in FIG. 5, between the copper plate 22 as the circuit layer 12 and the ceramic substrate 11, and between the copper plate 23 as the metal layer 13 and the ceramic substrate. One or more active metals and Mg selected from Ti, Zr, Nb, and Hf are arranged between 11 and 11, respectively.
In the present embodiment, the Mg foil 25 and the active metal foil 26 are arranged between the copper plate 22 serving as the circuit layer 12 and the ceramic substrate 11 and between the copper plate 23 serving as the metal layer 13 and the ceramic substrate 11. ing.

ここで、活性金属及びMg配置工程S01では、配置する活性金属量を0.4μmol/cm以上18.8μmol/cm以下の範囲内、Mg量を14μmol/cm以上86μmol/cm以下の範囲内とする。
なお、配置する活性金属量は0.9μmol/cm以上とすることが好ましく、2.8μmol/cm以上とすることがさらに好ましい。一方、配置する活性金属量は9.4μmol/cm以下とすることが好ましく、6.6μmol/cm以下とすることがさらに好ましい。
また、配置するMg量は21μmol/cm以上とすることが好ましく、28μmol/cm以上とすることがさらに好ましい。一方、配置するMg量は72μmol/cm以下とすることが好ましく、57μmol/cm以下とすることがさらに好ましい。
Here, in the active metal and Mg placement step S01, the amount of active metal to be placed is in the range of 0.4 μmol / cm 2 or more and 18.8 μmol / cm 2 or less, and the Mg amount is 14 μmol / cm 2 or more and 86 μmol / cm 2 or less. Within the range.
The active metal content of placing preferably be 0.9μmol / cm 2 or more, and even more preferably from 2.8μmol / cm 2 or more. On the other hand, the active metal content of placing preferably be 9.4μmol / cm 2 or less, still more preferably 6.6μmol / cm 2 or less.
Further, Mg amount disposing is preferably set to 21 [mu] mol / cm 2 or more, still more preferably 28μmol / cm 2 or more. On the other hand, Mg amount disposing is preferably set to 72μmol / cm 2 or less, still more preferably 57μmol / cm 2 or less.

(積層工程S02)
次に、銅板22とセラミックス基板11を、活性金属箔26及びMg箔25を介して積層するとともに、セラミックス基板11と銅板23を、活性金属箔26及びMg箔25を介して積層する。
(Laminating step S02)
Next, the copper plate 22 and the ceramic substrate 11 are laminated via the active metal foil 26 and the Mg foil 25, and the ceramic substrate 11 and the copper plate 23 are laminated via the active metal foil 26 and the Mg foil 25.

(接合工程S03)
次に、積層された銅板22、活性金属箔26、Mg箔25、セラミックス基板11、Mg箔25、活性金属箔26、銅板23を、積層方向に加圧するとともに、真空炉内に装入して加熱し、銅板22とセラミックス基板11と銅板23を接合する。
ここで、接合工程S03においては、440℃以上480℃未満の中間温度で30min以上150min以下保持する中間保持工程と、その後、加熱して700℃以上の温度で15min以上保持する高温保持工程と、を備えている。
(Joining step S03)
Next, the laminated copper plate 22, the active metal foil 26, the Mg foil 25, the ceramic substrate 11, the Mg foil 25, the active metal foil 26, and the copper plate 23 are pressurized in the stacking direction and charged into the vacuum furnace. It is heated to join the copper plate 22, the ceramic substrate 11, and the copper plate 23.
Here, in the joining step S03, an intermediate holding step of holding at an intermediate temperature of 440 ° C. or higher and lower than 480 ° C. for 30 min or more and 150 min or less, and then a high temperature holding step of heating and holding at a temperature of 700 ° C. or higher for 15 min or more. It has.

Cu−Mgの共晶温度(484℃)未満の中間温度で保持することで、接合界面において固相状態でセラミックス基板11とMgとが反応し、セラミックスの分解反応が進み、局所的にMgを含む液相が発生し、セラミックス基板11の内部にMgが侵入する。 By holding the Cu-Mg at an intermediate temperature lower than the eutectic temperature (484 ° C.), the ceramic substrate 11 and Mg react in a solid phase state at the bonding interface, the decomposition reaction of the ceramics proceeds, and Mg is locally produced. A liquid phase containing the mixture is generated, and Mg penetrates into the ceramic substrate 11.

ここで、中間保持工程における保持温度が440℃未満では、セラミックス基板11と活性金属との反応が不十分となるおそれがある。また、中間保持工程における保持温度が480℃以上となると、接合界面に液相が生じ、固相状態でセラミックス基板11とMgとを反応させることができず、後述する高温保持工程において、活性金属窒化物層41の内部にCu含有粒子42を十分に分散させることができないおそれがある。
よって、中間保持工程における保持温度は440℃以上であり、好ましくは445℃以上であり、さらに好ましくは450℃以上である。一方、中間保持工程における保持温度は480℃未満であり、好ましくは475℃以下であり、さらに好ましくは470℃以下である。
Here, if the holding temperature in the intermediate holding step is less than 440 ° C., the reaction between the ceramic substrate 11 and the active metal may be insufficient. Further, when the holding temperature in the intermediate holding step is 480 ° C. or higher, a liquid phase is formed at the bonding interface, and the ceramic substrate 11 and Mg cannot be reacted in the solid phase state. The Cu-containing particles 42 may not be sufficiently dispersed inside the nitride layer 41.
Therefore, the holding temperature in the intermediate holding step is 440 ° C. or higher, preferably 445 ° C. or higher, and more preferably 450 ° C. or higher. On the other hand, the holding temperature in the intermediate holding step is less than 480 ° C, preferably 475 ° C or lower, and more preferably 470 ° C or lower.

また、中間保持工程における保持時間が30min未満では、セラミックス基板11と活性金属との反応が不十分となるおそれがある。また、中間保持工程における保持時間が150min以上を超えると、固相状態での反応が過剰に進行し、銅板22,23とセラミックス基板11とを接合できなくなるおそれがある。
よって、中間保持工程における保持時間は30min以上であり、好ましくは45min以上であり、さらに好ましくは60min以上である。一方、中間保持工程における保持時間は150min以下であり、好ましくは120min以下であり、さらに好ましくは90min以下である。
Further, if the holding time in the intermediate holding step is less than 30 min, the reaction between the ceramic substrate 11 and the active metal may be insufficient. Further, if the holding time in the intermediate holding step exceeds 150 min or more, the reaction in the solid phase state may proceed excessively, and the copper plates 22 and 23 and the ceramic substrate 11 may not be bonded.
Therefore, the holding time in the intermediate holding step is 30 minutes or more, preferably 45 minutes or more, and more preferably 60 minutes or more. On the other hand, the holding time in the intermediate holding step is 150 min or less, preferably 120 min or less, and more preferably 90 min or less.

中間保持工程の後、700℃以上の温度で15min以上保持する高温保持工程により、接合界面に液相が形成され、活性金属窒化物層41が生成し、セラミックス基板11と銅板22,23とが強固に接合されることになる。また、セラミックス基板11の内部では、Mgが侵入した部分を起点にCu−Mg液相が生成し、セラミックス基板11の内部にCuが侵入し、Cu含有粒子が分散する。
ここで、高温保持工程における加熱温度が700℃未満では、十分に液相を確保できず、セラミックス基板11と銅板22,23とを強固に接合できないおそれがある。
よって、高温保持工程における加熱温度は700℃以上であり、好ましくは730℃以上であり、さらに好ましくは750℃以上である。なお、高温保持工程における加熱温度は、850℃以下とすることが好ましく、830℃以下とすることがより好ましい。
After the intermediate holding step, a liquid phase is formed at the bonding interface by a high temperature holding step of holding at a temperature of 700 ° C. or higher for 15 minutes or longer, an active metal nitride layer 41 is formed, and the ceramic substrate 11 and the copper plates 22 and 23 are formed. It will be firmly joined. Further, inside the ceramic substrate 11, a Cu—Mg liquid phase is generated starting from a portion where Mg has penetrated, Cu penetrates inside the ceramic substrate 11, and Cu-containing particles are dispersed.
Here, if the heating temperature in the high temperature holding step is less than 700 ° C., a sufficient liquid phase cannot be secured, and the ceramic substrate 11 and the copper plates 22 and 23 may not be firmly bonded.
Therefore, the heating temperature in the high temperature holding step is 700 ° C. or higher, preferably 730 ° C. or higher, and more preferably 750 ° C. or higher. The heating temperature in the high temperature holding step is preferably 850 ° C. or lower, more preferably 830 ° C. or lower.

また、高温保持工程における保持時間が15min未満では、セラミックス基板11と銅板22,23とを強固に接合できないおそれがある。
よって、高温保持工程における保持時間は15min以上であり、好ましくは30min以上であり、さらに好ましくは45min以上である。なお、高温保持工程における保持時間は、150min以下とすることが好ましく、120min以下とすることがより好ましい。
Further, if the holding time in the high temperature holding step is less than 15 minutes, the ceramic substrate 11 and the copper plates 22 and 23 may not be firmly bonded.
Therefore, the holding time in the high temperature holding step is 15 minutes or more, preferably 30 minutes or more, and more preferably 45 minutes or more. The holding time in the high temperature holding step is preferably 150 min or less, and more preferably 120 min or less.

以上のように、活性金属及びMg配置工程S01と、積層工程S02と、接合工程S03とによって、本実施形態である絶縁回路基板10が製造されることになる。 As described above, the insulating circuit board 10 according to the present embodiment is manufactured by the active metal and Mg arranging step S01, the laminating step S02, and the joining step S03.

(ヒートシンク接合工程S04)
次に、絶縁回路基板10の金属層13の他方の面側にヒートシンク30を接合する。
絶縁回路基板10とヒートシンク30とを、はんだ材を介して積層して加熱炉に装入し、はんだ層32を介して絶縁回路基板10とヒートシンク30とをはんだ接合する。
(Heat sink joining step S04)
Next, the heat sink 30 is joined to the other surface side of the metal layer 13 of the insulating circuit board 10.
The insulating circuit board 10 and the heat sink 30 are laminated via a solder material and charged into a heating furnace, and the insulating circuit board 10 and the heat sink 30 are solder-bonded via the solder layer 32.

(半導体素子接合工程S05)
次に、絶縁回路基板10の回路層12の一方の面に、半導体素子3をはんだ付けにより接合する。
上述の工程により、図1に示すパワーモジュール1が製出される。
(Semiconductor element joining step S05)
Next, the semiconductor element 3 is soldered to one surface of the circuit layer 12 of the insulating circuit board 10.
The power module 1 shown in FIG. 1 is produced by the above-mentioned steps.

以上のような構成とされた本実施形態の絶縁回路基板10(銅/セラミックス接合体)によれば、セラミックス基板11側にTi,Zr,Nb,Hfから選択される1種以上の活性金属の窒化物を含む活性金属窒化物層41が形成され、この活性金属窒化物層41と回路層12(金属層13)との間にCuの母相中にMgが固溶したMg固溶層45が形成されているので、界面反応が十分に進行しており、回路層12(金属層13)とセラミックス基板11とが強固に接合されている。 According to the insulating circuit substrate 10 (copper / ceramics bonded body) of the present embodiment having the above configuration, one or more active metals selected from Ti, Zr, Nb, and Hf are formed on the ceramics substrate 11 side. An active metal nitride layer 41 containing a nitride is formed, and an Mg solid solution layer 45 in which Mg is solid-solved in the matrix of Cu between the active metal nitride layer 41 and the circuit layer 12 (metal layer 13) is formed. Is formed, the interfacial reaction is sufficiently advanced, and the circuit layer 12 (metal layer 13) and the ceramics substrate 11 are firmly bonded to each other.

そして、本実施形態においては、活性金属窒化物層41の内部に、Cu粒子及びCuと活性金属の化合物粒子のいずれか一方又は両方からなるCu含有粒子42が分散されているので、冷熱サイクル負荷時において、硬い活性金属窒化物層41における応力を緩和でき、この活性金属窒化物層41に隣接するセラミックス基板11の割れの発生を抑制することができる。 In the present embodiment, the Cu-containing particles 42 composed of Cu particles and one or both of Cu and active metal compound particles are dispersed inside the active metal nitride layer 41, so that a cold cycle load is applied. At times, the stress in the hard active metal nitride layer 41 can be relaxed, and the occurrence of cracks in the ceramic substrate 11 adjacent to the active metal nitride layer 41 can be suppressed.

また、本実施形態において、Cu含有粒子42の粒子径が10nm以上100nm以下の範囲内とされている場合には、Cu含有粒子42による活性金属窒化物層41における応力緩和効果を十分に奏功せしめることができ、この活性金属窒化物層41に隣接するセラミックス基板11の割れの発生をさらに抑制することができる。 Further, in the present embodiment, when the particle diameter of the Cu-containing particles 42 is within the range of 10 nm or more and 100 nm or less, the stress relaxation effect of the Cu-containing particles 42 in the active metal nitride layer 41 is sufficiently effective. This makes it possible to further suppress the occurrence of cracks in the ceramic substrate 11 adjacent to the active metal nitride layer 41.

さらに、本実施形態において、活性金属窒化物層41の内部にMgが存在する場合には、このMgによって、活性金属窒化物層41における応力緩和効果を得ることができ、この活性金属窒化物層41に隣接するセラミックス基板11の割れの発生をさらに抑制することができる。 Further, in the present embodiment, when Mg is present inside the active metal nitride layer 41, the stress relaxation effect in the active metal nitride layer 41 can be obtained by this Mg, and this active metal nitride layer can be obtained. The occurrence of cracks in the ceramic substrate 11 adjacent to 41 can be further suppressed.

また、本実施形態においては、セラミックス基板11側界面から活性金属窒化物層41の全厚の25%位置までの領域の平均銅濃度C1(原子%)と、回路層12(金属層13)側界面から活性金属窒化物層41の全厚の25%位置までの領域の平均銅濃度C2(原子%)との比C2/C1が0.8以下である場合には、活性金属窒化物層41において、セラミックス基板11側の銅濃度が回路層12(金属層13)側の銅濃度よりも高いため、界面反応が十分に進行しており、回路層12(金属層13)とセラミックス基板11とがさらに強固に接合されている。 Further, in the present embodiment, the average copper concentration C1 (atomic%) in the region from the interface on the ceramic substrate 11 side to the position of 25% of the total thickness of the active metal nitride layer 41 and the circuit layer 12 (metal layer 13) side. When the ratio C2 / C1 to the average copper concentration C2 (atomic%) in the region from the interface to the 25% position of the total thickness of the active metal nitride layer 41 is 0.8 or less, the active metal nitride layer 41 Since the copper concentration on the ceramic substrate 11 side is higher than the copper concentration on the circuit layer 12 (metal layer 13) side, the interfacial reaction is sufficiently progressing, and the circuit layer 12 (metal layer 13) and the ceramic substrate 11 Is more firmly joined.

本実施形態である絶縁回路基板の製造方法によれば、活性金属及びMg配置工程S01では、活性金属量を0.4μmol/cm以上18.8μmol/cm以下の範囲内、Mg量を14μmol/cm以上86μmol/cm以下の範囲内としているので、界面反応に必要な液相を十分に得ることができる。よって、銅板22,23とセラミックス基板11とを確実に接合することができる。 According to the method for manufacturing an insulated circuit board according to the present embodiment, in the active metal and Mg placement step S01, the amount of active metal is in the range of 0.4 μmol / cm 2 or more and 18.8 μmol / cm 2 or less, and the amount of Mg is 14 μmol. since / cm 2 or more 86Myumol / cm 2 is within the range, it is possible to obtain a liquid phase necessary for the interfacial reaction sufficiently. Therefore, the copper plates 22 and 23 and the ceramic substrate 11 can be reliably joined.

そして、接合工程S03では、440℃以上480℃未満の中間温度で30min以上150min以下保持し、その後、700℃以上の温度で15min以上保持する構成としているので、上述の中間温度で保持した際に、固相状態でセラミックス分解反応が進み、局所的にMgを含む液相が発生し、セラミックス基板11の内部にMgが侵入する。
また、中間温度で保持した後に、700℃以上の温度で15min以上保持しているので、活性金属窒化物層41が生成する。また、セラミックス基板11の内部では、Mgが侵入した部分を起点にCu−Mg液相が生成し、セラミックス基板11の内部にCuが侵入し、Cu含有粒子が分散することになる。
Then, in the joining step S03, it is held at an intermediate temperature of 440 ° C. or higher and lower than 480 ° C. for 30 min or more and 150 min or less, and then held at a temperature of 700 ° C. or higher for 15 min or longer. The ceramic decomposition reaction proceeds in the solid phase state, a liquid phase containing Mg is locally generated, and Mg penetrates into the ceramic substrate 11.
Further, since it is held at an intermediate temperature and then held at a temperature of 700 ° C. or higher for 15 minutes or longer, the active metal nitride layer 41 is formed. Further, inside the ceramic substrate 11, a Cu—Mg liquid phase is generated starting from a portion where Mg has penetrated, Cu penetrates inside the ceramic substrate 11, and Cu-containing particles are dispersed.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施形態では、絶縁回路基板に半導体素子を搭載してパワーモジュールを構成するものとして説明したが、これに限定されることはない。例えば、絶縁回路基板の回路層にLED素子を搭載してLEDモジュールを構成してもよいし、絶縁回路基板の回路層に熱電素子を搭載して熱電モジュールを構成してもよい。
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to this, and can be appropriately changed without departing from the technical idea of the invention.
For example, in the present embodiment, a semiconductor element is mounted on an insulating circuit board to form a power module, but the present embodiment is not limited to this. For example, an LED element may be mounted on the circuit layer of the insulated circuit board to form an LED module, or a thermoelectric element may be mounted on the circuit layer of the insulated circuit board to form a thermoelectric module.

また、本実施形態の絶縁回路基板では、回路層と金属層がともに銅又は銅合金からなる銅板によって構成されたものとして説明したが、これに限定されることはない。
例えば、回路層とセラミックス基板とが本発明の銅/セラミックス接合体で構成されていれば、金属層の材質や接合方法に限定はなく、金属層がなくてもよいし、金属層がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていてもよく、銅とアルミニウムの積層体で構成されていてもよい。
一方、金属層とセラミックス基板とが本発明の銅/セラミックス接合体で構成されていれば、回路層の材質や接合方法に限定はなく、回路層がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていてもよく、銅とアルミニウムの積層体で構成されていてもよい。
Further, in the insulated circuit board of the present embodiment, it has been described that the circuit layer and the metal layer are both composed of a copper plate made of copper or a copper alloy, but the present invention is not limited to this.
For example, if the circuit layer and the ceramic substrate are composed of the copper / ceramics joint of the present invention, the material and joining method of the metal layer are not limited, and the metal layer may not be present, or the metal layer may be aluminum or It may be composed of an aluminum alloy or a laminate of copper and aluminum.
On the other hand, as long as the metal layer and the ceramic substrate are made of the copper / ceramics joint of the present invention, the material and joining method of the circuit layer are not limited, and the circuit layer may be made of aluminum or an aluminum alloy. , It may be composed of a laminate of copper and aluminum.

さらに、本実施形態では、銅板とセラミックス基板との間に、活性金属箔とMg箔を積層する構成として説明したが、これに限定されることはなく、Mgと活性金属の合金箔を配設してもよい。また、セラミックス基板及び銅板の接合面に、Mg、活性金属、Mgと活性金属の合金等からなる薄膜を、スパッタ法や蒸着法等によって成膜してもよい。また、MgまたはMgHを用いたペーストや、活性金属または活性金属水素化物を用いたペースト、および、これらの混合ペーストを用いてもよい。 Further, in the present embodiment, the configuration has been described in which the active metal foil and the Mg foil are laminated between the copper plate and the ceramic substrate, but the present invention is not limited to this, and an alloy foil of Mg and the active metal is arranged. You may. Further, a thin film made of Mg, an active metal, an alloy of Mg and an active metal, or the like may be formed on the joint surface between the ceramic substrate and the copper plate by a sputtering method, a vapor deposition method, or the like. Further, a paste using Mg or MgH 2 , a paste using an active metal or an active metal hydride, or a mixed paste thereof may be used.

なお、本実施形態において、接合工程S03における加圧荷重は、0.049MPa以上3.4MPa以下の範囲内とすることが好ましい。さらに、接合工程S03における真空度は、1×10−6Pa以上5×10−2Pa以下の範囲内とすることが好ましい。 In this embodiment, the pressurizing load in the joining step S03 is preferably in the range of 0.049 MPa or more and 3.4 MPa or less. Further, the degree of vacuum in the joining step S03 is preferably in the range of 1 × 10 −6 Pa or more and 5 × 10 − 2 Pa or less.

以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。 The results of the confirmation experiment conducted to confirm the effect of the present invention will be described below.

(実施例1)
まず、表1,2に示すセラミックス基板(40mm×40mm)を準備した。本発明例1〜4及び比較例1〜5においては、厚さ0.635mmの窒化アルミニウム(AlN)を使用し、本発明例11〜14及び比較例11〜15においては、厚さ0.32mmの窒化ケイ素(Si)を使用した。
このセラミックス基板の両面に、無酸素銅からなる銅板(37mm×37mm×厚さ0.3mm)を表1,2に示す条件で接合し、絶縁回路基板(銅/セラミックス接合体)を得た。なお、接合時の真空炉の真空度は6×10−3Paとした。
(Example 1)
First, the ceramic substrates (40 mm × 40 mm) shown in Tables 1 and 2 were prepared. In Examples 1 to 4 of the present invention and Comparative Examples 1 to 5, aluminum nitride (AlN) having a thickness of 0.635 mm is used, and in Examples 11 to 14 of the present invention and Comparative Examples 11 to 15, the thickness is 0.32 mm. Silicon nitride (Si 3 N 4 ) was used.
A copper plate (37 mm × 37 mm × thickness 0.3 mm) made of oxygen-free copper was bonded to both sides of this ceramic substrate under the conditions shown in Tables 1 and 2 to obtain an insulating circuit substrate (copper / ceramics bonded body). The degree of vacuum of the vacuum furnace at the time of joining was set to 6 × 10 -3 Pa.

得られた絶縁回路基板(銅/セラミックス接合体)について、接合界面におけるMg固溶層の有無、活性金属窒化物層におけるCu含有粒子(Cu粒子及びCuと活性金属の化合物粒子のいずれか一方又は両方)の有無及び円相当径、活性金属窒化物層におけるMgの有無、冷熱サイクル負荷後のセラミックス基板の割れの有無について、以下のように評価した。 Regarding the obtained insulating circuit substrate (copper / ceramics bonded body), the presence or absence of a Mg solid solution layer at the bonding interface, Cu-containing particles (Cu particles and compound particles of Cu and active metal) in the active metal nitride layer, or one of them. The presence or absence of both), the equivalent circle diameter, the presence or absence of Mg in the active metal nitride layer, and the presence or absence of cracks in the ceramic substrate after loading with a thermal cycle were evaluated as follows.

(Mg固溶層)
銅板とセラミックス基板との接合界面を、EPMA装置(日本電子株式会社製JXA−8539F)を用いて、倍率2000倍、加速電圧15kVの条件で接合界面を含む領域(縦400μm×横600μm)を観察し、セラミックス基板表面から銅板側に向かって10μm間隔の10点で定量分析を行い、Cu濃度+Mg濃度=100原子%としてMg濃度が0.01原子%以上6.9原子%以下である領域をMg固溶層とした。測定は5視野で行い、一か所でもMg固溶層が観察された場合を「有」として、表3及び表4に記載した。
(Mg solid solution layer)
Observe the bonding interface between the copper plate and the ceramic substrate using an EPMA device (JXA-8539F manufactured by Nippon Denshi Co., Ltd.) under the conditions of a magnification of 2000 times and an acceleration voltage of 15 kV (length 400 μm x width 600 μm). Then, quantitative analysis was performed at 10 points at 10 μm intervals from the surface of the ceramic substrate toward the copper plate side, and the region where the Mg concentration was 0.01 atomic% or more and 6.9 atomic% or less was defined as Cu concentration + Mg concentration = 100 atomic%. The Mg solid melt layer was used. The measurement was carried out in five fields of view, and the case where the Mg solid solution layer was observed even in one place was regarded as “Yes” and is shown in Tables 3 and 4.

(活性金属窒化物層)
銅板とセラミックス基板との接合界面を、走査型電子顕微鏡(カールツァイスNTS社製ULTRA55)を用いて、倍率15000倍(測定範囲:6μm×8μm)、視野数5で観察を行い、活性金属窒化物層の有無を確認し、活性金属窒化物層におけるCu含有粒子の有無を確認した。また、観察されたCu含有粒子の円相当径を算出した。
さらに、活性金属窒化物層におけるMgの有無を確認した。活性金属窒化物層におけるMgの有無の確認は上述した方法によって行った。測定は5視野で行い、一か所でもMgが観察された場合を「有」として、表3及び表4に記載した。
(Active metal nitride layer)
The bonding interface between the copper plate and the ceramic substrate was observed using a scanning electron microscope (ULTRA55 manufactured by Carl Zeiss NTS) at a magnification of 15,000 times (measurement range: 6 μm × 8 μm) and a field number of 5, and the active metal nitride was observed. The presence or absence of the layer was confirmed, and the presence or absence of Cu-containing particles in the active metal nitride layer was confirmed. In addition, the circle-equivalent diameter of the observed Cu-containing particles was calculated.
Furthermore, the presence or absence of Mg in the active metal nitride layer was confirmed. The presence or absence of Mg in the active metal nitride layer was confirmed by the method described above. The measurement was performed in 5 fields of view, and the case where Mg was observed even in one place was regarded as “Yes” and is shown in Tables 3 and 4.

(セラミックス基板の割れ)
−78℃×2min←→350℃×2minの冷熱サイクルを負荷させた後、SAT検査により、銅板とセラミックス基板の接合界面を検査し、セラミックス割れを確認し、割れが確認されたサイクル数を評価した。
なお、セラミックス基板として窒化アルミニウム(AlN)を用いた本発明例1〜4及び比較例1,2においては、上述の冷熱サイクルを10サイクルまで実施し、10サイクル後に割れが確認されなかったものは「>10」と表示した。
また、セラミックス基板として窒化ケイ素(Si)を用いた本発明例11〜14及び比較例11,12においては、上述の冷熱サイクルを20サイクルまで実施し、20サイクル後に割れが確認されなかったものは「>20」と表示した。
(Cracking of ceramic substrate)
After applying a cooling cycle of −78 ° C. × 2 min ← → 350 ° C. × 2 min, the joint interface between the copper plate and the ceramic substrate is inspected by SAT inspection, ceramic cracks are confirmed, and the number of cycles in which cracks are confirmed is evaluated. did.
In Examples 1 to 4 of the present invention and Comparative Examples 1 and 2 in which aluminum nitride (AlN) was used as the ceramic substrate, the above-mentioned cooling and heating cycles were carried out up to 10 cycles, and no cracks were confirmed after 10 cycles. ">10" was displayed.
Further, in Examples 11 to 14 of the present invention and Comparative Examples 11 and 12 in which silicon nitride (Si 3 N 4 ) was used as the ceramic substrate, the above-mentioned cooling and heating cycles were carried out up to 20 cycles, and no cracks were confirmed after 20 cycles. The one was displayed as ">20".

Figure 2021091595
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中間温度保持工程を実施しなかった比較例1においては、活性金属窒化物層にCu含有粒子が存在せず、冷熱サイクル負荷後にセラミックス基板の割れが発生した。
中間温度保持工程における保持温度が200℃と低い比較例2においては、活性金属窒化物層にCu含有粒子が存在せず、冷熱サイクル負荷後にセラミックス基板の割れが発生した。
中間温度保持工程における保持時間が5minと短い比較例11においては、活性金属窒化物層にCu含有粒子が存在せず、冷熱サイクル負荷後にセラミックス基板の割れが発生した。
Mg量が7μmol/cmと少ない比較例3及び比較例13、活性金属量が0.1μmol/cmと少ない比較例4、中間温度保持工程における保持温度が520℃と高い比較例5及び比較例15、中間温度保持工程における保持時間が500minと長い比較例12、活性金属量が0.2μmol/cmと少ない比較例14においては、銅板とセラミックス基板とを接合することができなかった。このため、その後の評価を中止した。
In Comparative Example 1 in which the intermediate temperature holding step was not carried out, Cu-containing particles were not present in the active metal nitride layer, and cracks occurred in the ceramic substrate after the cold-heat cycle load.
In Comparative Example 2 in which the holding temperature in the intermediate temperature holding step was as low as 200 ° C., Cu-containing particles were not present in the active metal nitride layer, and cracks occurred in the ceramic substrate after the cold cycle loading.
In Comparative Example 11 in which the holding time in the intermediate temperature holding step was as short as 5 min, Cu-containing particles were not present in the active metal nitride layer, and cracks occurred in the ceramic substrate after the cold cycle loading.
Comparative Example Mg amount is small and 7 [mu] mol / cm 2 3 and Comparative Example 13, the active metal content is 0.1 [mu] mol / cm 2 and less Comparative Example 4, the holding temperature in the intermediate temperature hold step 520 ° C. and higher Comparative Example 5 and Comparative In Example 15, Comparative Example 12 in which the holding time in the intermediate temperature holding step was as long as 500 min, and Comparative Example 14 in which the amount of active metal was as small as 0.2 μmol / cm 2 , the copper plate and the ceramic substrate could not be bonded. Therefore, the subsequent evaluation was stopped.

これに対して、活性金属窒化物層にCu含有粒子が分散している本発明例1−4,11−14においては、冷熱サイクル負荷後にセラミックス基板の割れが確認されなかった。 On the other hand, in Examples 1-4, 11-14 of the present invention in which Cu-containing particles were dispersed in the active metal nitride layer, no cracking of the ceramic substrate was confirmed after the cold-heat cycle load.

(実施例2)
次に、表5,6に示すセラミックス基板(40mm×40mm)を準備した。本発明例21〜28においては、厚さ0.635mmの窒化アルミニウム(AlN)を使用し、本発明例31〜38においては、厚さ0.32mmの窒化ケイ素(Si)を使用した。
このセラミックス基板の両面に、無酸素銅からなる銅板(37mm×37mm×厚さ0.3mm)を表5,6に示す条件で接合し、絶縁回路基板(銅/セラミックス接合体)を得た。なお、接合時の真空炉の真空度は6×10−3Paとした。
(Example 2)
Next, the ceramic substrates (40 mm × 40 mm) shown in Tables 5 and 6 were prepared. In the present invention example 21 to 28, using the aluminum nitride having a thickness of 0.635 mm (AlN), in the present invention examples 31 to 38 were used a silicon nitride having a thickness of 0.32mm (Si 3 N 4) ..
A copper plate (37 mm × 37 mm × thickness 0.3 mm) made of oxygen-free copper was bonded to both sides of the ceramic substrate under the conditions shown in Tables 5 and 6 to obtain an insulating circuit substrate (copper / ceramics bonded body). The degree of vacuum of the vacuum furnace at the time of joining was set to 6 × 10 -3 Pa.

得られた絶縁回路基板(銅/セラミックス接合体)に対して、接合界面におけるMg固溶層の有無、および、活性金属窒化物層におけるCu含有粒子(Cu粒子及びCuと活性金属の化合物粒子のいずれか一方又は両方)の有無について、実施例1に記載した方法で評価した。また、活性金属窒化物層における銅濃度、および、冷熱サイクル負荷後のセラミックス基板の割れの有無について、以下のように評価した。 With respect to the obtained insulating circuit substrate (copper / ceramics bonded body), the presence or absence of an Mg solid solution layer at the bonding interface, and Cu-containing particles (Cu particles and compound particles of Cu and active metal) in the active metal nitride layer. The presence or absence of either one or both) was evaluated by the method described in Example 1. In addition, the copper concentration in the active metal nitride layer and the presence or absence of cracks in the ceramic substrate after loading with a cold cycle were evaluated as follows.

(活性金属窒化物層における銅濃度)
銅板とセラミックス基板との接合界面を、走査型透過電子顕微鏡(FEI製Titan ChemiSTEM)を用いて、加速電圧200kV、倍率2万倍から20万倍で厚さ方向のCu、Mg、N及び活性金属(Ti,Zr,Nb,Hf)のライン分析を実施した。そして、縦軸を銅濃度(Cu、Mg、N、活性金属の合計量を100原子%とした時の銅濃度)、横軸を測定位置としてグラフを作成した。
(Copper concentration in active metal nitride layer)
Using a scanning transmission electron microscope (Titan ChemiSTEM manufactured by FEI), the bonding interface between the copper plate and the ceramic substrate is accelerating voltage 200 kV, magnification 20,000 to 200,000 times, Cu, Mg, N and active metal in the thickness direction. A line analysis of (Ti, Zr, Nb, Hf) was performed. Then, a graph was created with the vertical axis representing the copper concentration (copper concentration when the total amount of Cu, Mg, N, and active metal was 100 atomic%) and the horizontal axis representing the measurement position.

活性金属窒化物層の界面位置は、セラミックス基板又は銅板から見て窒化物形成元素がはじめて10原子%以上となった位置と定義した。そして、セラミックス基板側界面から活性金属窒化物層の全厚の25%位置まで領域の銅濃度の平均値をC1、銅板側界面から活性金属窒化物層の全厚の25%位置まで領域の銅濃度の平均値をC2とし、濃度比C2/C1を算出した。測定は、5視野、各1ラインで行い、得られた濃度比C2/C1の平均値を求め、それを表7,8に記載した。 The interface position of the active metal nitride layer was defined as the position where the nitride-forming element was 10 atomic% or more for the first time when viewed from the ceramic substrate or the copper plate. Then, the average value of the copper concentration in the region from the interface on the ceramic substrate side to the 25% position of the total thickness of the active metal nitride layer is C1, and the copper in the region from the interface on the copper plate side to the 25% position of the total thickness of the active metal nitride layer. The average value of the concentrations was C2, and the concentration ratio C2 / C1 was calculated. The measurement was carried out in 5 fields and 1 line each, and the average value of the obtained concentration ratios C2 / C1 was obtained and shown in Tables 7 and 8.

(セラミックス基板の割れ)
−78℃×5min←→350℃×5minの冷熱サイクルを負荷させた後、SAT検査により、銅板とセラミックス基板の接合界面を検査し、セラミックス割れを確認し、割れが確認されたサイクル数を評価した。
なお、セラミックス基板として窒化アルミニウム(AlN)を用いた本発明例21〜28においては、上述の冷熱サイクルを8サイクルまで実施し、8サイクル後に割れが確認されなかったものは「>8」と表示した。
また、セラミックス基板として窒化ケイ素(Si)を用いた本発明例31〜38においては、上述の冷熱サイクルを16サイクルまで実施し、16サイクル後に割れが確認されなかったものは「>16」と表示した。
(Cracking of ceramic substrate)
After applying a cooling cycle of −78 ° C. × 5 min ← → 350 ° C. × 5 min, the joint interface between the copper plate and the ceramic substrate is inspected by SAT inspection, ceramic cracks are confirmed, and the number of cycles in which cracks are confirmed is evaluated. did.
In Examples 21 to 28 of the present invention using aluminum nitride (AlN) as the ceramic substrate, the above-mentioned cooling and heating cycles were carried out up to 8 cycles, and those in which no crack was confirmed after 8 cycles were indicated as ">8". did.
Further, in Examples 31 to 38 of the present invention in which silicon nitride (Si 3 N 4 ) was used as the ceramic substrate, the above-mentioned cooling and heating cycles were carried out up to 16 cycles, and those in which no crack was confirmed after 16 cycles were “> 16”. Was displayed.

Figure 2021091595
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活性金属窒化物層における銅濃度の比C2/C1が0.8以下とした本発明例21〜27においては、上述の銅濃度の比C2/C1が0.8を超える本発明例28に比べて、冷熱サイクル負荷時の割れの発生を抑制できることが確認された。
また、本発明例31〜38においては、同一の活性元素を比べた場合には、活性金属窒化物層における銅濃度の比C2/C1が小さい方が冷熱サイクル負荷時の割れの発生を抑制できることが確認された。
In Examples 21 to 27 of the present invention in which the ratio C2 / C1 of the copper concentration in the active metal nitride layer is 0.8 or less, compared with Example 28 of the present invention in which the above-mentioned ratio C2 / C1 of the copper concentration exceeds 0.8. It was confirmed that the occurrence of cracks under the load of a cold cycle can be suppressed.
Further, in Examples 31 to 38 of the present invention, when the same active elements are compared, the smaller the ratio C2 / C1 of the copper concentration in the active metal nitride layer, the more the occurrence of cracks at the time of loading the thermal cycle can be suppressed. Was confirmed.

以上の結果、本発明例によれば、厳しい冷熱サイクルを負荷した場合であっても、セラミックス基板の割れの発生を抑制でき、冷熱サイクル信頼性に優れた銅/セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、銅/セラミックス接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法を提供可能であることが確認された。 As a result of the above, according to the example of the present invention, even when a severe cold-heat cycle is applied, the occurrence of cracks in the ceramic substrate can be suppressed, and the copper / ceramic joint, the insulating circuit board, which has excellent cold-heat cycle reliability. It was also confirmed that it is possible to provide a method for manufacturing a copper / ceramics joint and a method for manufacturing an insulated circuit board.

10 絶縁回路基板(銅/セラミックス接合体)
11 セラミックス基板(セラミックス部材)
12 回路層(銅部材)
13 金属層(銅部材)
41 活性金属窒化物層
42 Cu含有粒子(Cu粒子及びCuと活性金属の化合物粒子)
45 Mg固溶層
10 Insulated circuit board (copper / ceramic joint)
11 Ceramic substrate (ceramic member)
12 Circuit layer (copper member)
13 Metal layer (copper member)
41 Active metal nitride layer 42 Cu-containing particles (Cu particles and compound particles of Cu and active metal)
45 Mg solid solution layer

前述の課題を解決するために、本発明の銅/セラミックス接合体は、銅又は銅合金からなる銅部材と、窒素含有セラミックスからなるセラミックス部材とが接合されてなる銅/セラミックス接合体であって、前記銅部材と前記セラミックス部材との間においては、前記セラミックス部材側にTi,Zr,Nb,Hfから選択される1種以上の活性金属の窒化物を含む活性金属窒化物層が形成され、この活性金属窒化物層と前記銅部材との間にCuの母相中にMgが固溶したMg固溶層が形成されており、前記活性金属窒化物層の内部に、Cu粒子及びCuと活性金属の化合物粒子のいずれか一方又は両方からなるCu含有粒子が分散されており、前記セラミックス部材側界面から前記活性金属窒化物層の全厚の25%位置までの領域の平均銅濃度C1(原子%)と、前記銅部材側界面から前記活性金属窒化物層の全厚の25%位置までの領域の平均銅濃度C2(原子%)との比C2/C1が0.8以下であることを特徴としている。 In order to solve the above-mentioned problems, the copper / ceramics joint of the present invention is a copper / ceramics joint in which a copper member made of copper or a copper alloy and a ceramics member made of nitrogen-containing ceramics are joined. Between the copper member and the ceramics member, an active metal nitride layer containing a nitride of one or more active metals selected from Ti, Zr, Nb, and Hf is formed on the ceramics member side. An Mg solid-dissolved layer in which Mg is solid-dissolved in the matrix phase of Cu is formed between the active metal nitride layer and the copper member, and Cu particles and Cu are formed inside the active metal nitride layer. Cu-containing particles composed of either or both of the active metal compound particles are dispersed, and the average copper concentration C1 in the region from the ceramic member side interface to the 25% position of the total thickness of the active metal nitride layer ( The ratio C2 / C1 of (atomic%) to the average copper concentration C2 (atomic%) in the region from the copper member side interface to the 25% position of the total thickness of the active metal nitride layer is 0.8 or less. It is characterized by.

本発明の銅/セラミックス接合体によれば、前記セラミックス部材側にTi,Zr,Nb,Hfから選択される1種以上の活性金属の窒化物を含む活性金属窒化物層が形成され、この活性金属窒化物層と前記銅部材との間にCuの母相中にMgが固溶したMg固溶層が形成されているので、界面反応が十分に進行しており、銅部材とセラミックス部材とが強固に接合されている。
そして、前記活性金属窒化物層の内部に、Cu粒子及びCuと活性金属の化合物粒子のいずれか一方又は両方からなるCu含有粒子が分散されているので、冷熱サイクル負荷時において、硬い活性金属窒化物層における応力を緩和でき、この活性金属窒化物層に隣接するセラミックス部材の割れの発生を抑制することができる。
また、前記活性金属窒化物層において、前記セラミックス部材側の銅濃度が前記銅部材側の銅濃度よりも高いため、界面反応が十分に進行しており、銅部材とセラミックス部材とがさらに強固に接合されている。
According to the copper / ceramics joint of the present invention, an active metal nitride layer containing a nitride of one or more active metals selected from Ti, Zr, Nb, and Hf is formed on the ceramic member side, and this activity Since the Mg solid-dissolved layer in which Mg is solid-dissolved is formed between the metal nitride layer and the copper member in the matrix phase of Cu, the interfacial reaction is sufficiently progressing, and the copper member and the ceramic member Are firmly joined.
Since Cu-containing particles composed of Cu particles and one or both of Cu and active metal compound particles are dispersed inside the active metal nitride layer, hard active metal nitride is applied under a cold cycle load. The stress in the material layer can be relaxed, and the occurrence of cracks in the ceramic member adjacent to the active metal nitride layer can be suppressed.
Further, in the active metal nitride layer, since the copper concentration on the ceramic member side is higher than the copper concentration on the copper member side, the interfacial reaction is sufficiently progressing, and the copper member and the ceramic member are further strengthened. It is joined.

本発明の絶縁回路基板は、窒素含有セラミックスからなるセラミックス基板の表面に、銅又は銅合金からなる銅板が接合されてなる絶縁回路基板であって、前記銅板と前記セラミックス基板との間においては、前記セラミックス基板側にTi,Zr,Nb,Hfから選択される1種以上の活性金属の窒化物を含む活性金属窒化物層が形成され、この活性金属窒化物層と前記銅板との間にCuの母相中にMgが固溶したMg固溶層が形成されており、前記活性金属窒化物層の内部に、Cu粒子及びCuと活性金属の化合物粒子のいずれか一方又は両方からなるCu含有粒子が分散されており、前記セラミックス基板側界面から前記活性金属窒化物層の全厚の25%位置までの領域の平均銅濃度C1(原子%)と、前記銅板側界面から前記活性金属窒化物層の全厚の25%位置までの領域の平均銅濃度C2(原子%)との比C2/C1が0.8以下であることを特徴としている。 The insulating circuit substrate of the present invention is an insulating circuit substrate in which a copper plate made of copper or a copper alloy is bonded to the surface of a ceramics substrate made of nitrogen-containing ceramics, and the copper plate and the ceramics substrate are interleaved with each other. An active metal nitride layer containing a nitride of one or more active metals selected from Ti, Zr, Nb, and Hf is formed on the ceramic substrate side, and Cu is formed between the active metal nitride layer and the copper plate. An Mg solid-dissolved layer in which Mg is solid-dissolved is formed in the matrix phase of the above, and the Cu-containing particles and / or Cu-containing compound particles of Cu and the active metal are contained inside the active metal nitride layer. The particles are dispersed, and the average copper concentration C1 (atomic%) in the region from the interface on the ceramic substrate side to the position of 25% of the total thickness of the active metal nitride layer and the active metal nitride from the interface on the copper plate side. It is characterized in that the ratio C2 / C1 to the average copper concentration C2 (atomic%) in the region up to the 25% position of the total thickness of the layer is 0.8 or less.

本発明の絶縁回路基板によれば、前記セラミックス基板側にTi,Zr,Nb,Hfから選択される1種以上の活性金属の窒化物を含む活性金属窒化物層が形成され、この活性金属窒化物層と前記銅板との間にCuの母相中にMgが固溶したMg固溶層が形成されているので、界面反応が十分に進行しており、銅板とセラミックス基板とが強固に接合されている。
そして、前記活性金属窒化物層の内部に、Cu粒子及びCuと活性金属の化合物粒子のいずれか一方又は両方からなるCu含有粒子が分散されているので、冷熱サイクル負荷時において、硬い活性金属窒化物層における応力を緩和でき、この活性金属窒化物層に隣接するセラミックス基板の割れの発生を抑制することができる。
また、前記活性金属窒化物層において、前記セラミックス基板側の銅濃度が前記銅板側の銅濃度よりも高いため、界面反応が十分に進行しており、銅板とセラミックス基板とがさらに強固に接合されている。
According to the insulating circuit substrate of the present invention, an active metal nitride layer containing one or more active metal nitrides selected from Ti, Zr, Nb, and Hf is formed on the ceramic substrate side, and the active metal nitride is formed. Since an Mg solid solution layer in which Mg is solid-dissolved is formed between the material layer and the copper plate in the Cu matrix, the interfacial reaction is sufficiently advanced and the copper plate and the ceramic substrate are firmly bonded to each other. Has been done.
Since Cu-containing particles composed of Cu particles and one or both of Cu and active metal compound particles are dispersed inside the active metal nitride layer, hard active metal nitride is applied under a cold cycle load. The stress in the material layer can be relaxed, and the occurrence of cracks in the ceramic substrate adjacent to the active metal nitride layer can be suppressed.
Further, in the active metal nitride layer, since the copper concentration on the ceramic substrate side is higher than the copper concentration on the copper plate side, the interfacial reaction has sufficiently proceeded, and the copper plate and the ceramic substrate are more firmly bonded to each other. ing.

Claims (10)

銅又は銅合金からなる銅部材と、窒素含有セラミックスからなるセラミックス部材とが接合されてなる銅/セラミックス接合体であって、
前記銅部材と前記セラミックス部材との間においては、前記セラミックス部材側にTi,Zr,Nb,Hfから選択される1種以上の活性金属の窒化物を含む活性金属窒化物層が形成され、この活性金属窒化物層と前記銅部材との間にCuの母相中にMgが固溶したMg固溶層が形成されており、
前記活性金属窒化物層の内部に、Cu粒子及びCuと活性金属の化合物粒子のいずれか一方又は両方からなるCu含有粒子が分散されていることを特徴とする銅/セラミックス接合体。
A copper / ceramic joint formed by joining a copper member made of copper or a copper alloy and a ceramic member made of nitrogen-containing ceramics.
Between the copper member and the ceramic member, an active metal nitride layer containing a nitride of one or more active metals selected from Ti, Zr, Nb, and Hf is formed on the ceramic member side. An Mg solid solution layer in which Mg is solid-solved in the matrix phase of Cu is formed between the active metal nitride layer and the copper member.
A copper / ceramics conjugate in which Cu-containing particles composed of Cu particles and / or both of Cu and a compound particle of an active metal are dispersed inside the active metal nitride layer.
前記Cu含有粒子の粒子径が10nm以上100nm以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項1に記載の銅/セラミックス接合体。 The copper / ceramics conjugate according to claim 1, wherein the Cu-containing particles have a particle size in the range of 10 nm or more and 100 nm or less. 前記活性金属窒化物層の内部に、Mgが存在することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の銅/セラミックス接合体。 The copper / ceramics conjugate according to claim 1 or 2, wherein Mg is present inside the active metal nitride layer. 前記セラミックス部材側界面から前記活性金属窒化物層の全厚の25%位置までの領域の平均銅濃度C1(原子%)と、前記銅部材側界面から前記活性金属窒化物層の全厚の25%位置までの領域の平均銅濃度C2(原子%)との比C2/C1が0.8以下であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の銅/セラミックス接合体。 The average copper concentration C1 (atomic%) in the region from the ceramic member side interface to the position of 25% of the total thickness of the active metal nitride layer and 25 of the total thickness of the active metal nitride layer from the copper member side interface. The copper / ceramics according to any one of claims 1 to 3, wherein the ratio C2 / C1 to the average copper concentration C2 (atomic%) in the region up to the% position is 0.8 or less. Joined body. 窒素含有セラミックスからなるセラミックス基板の表面に、銅又は銅合金からなる銅板が接合されてなる絶縁回路基板であって、
前記銅板と前記セラミックス基板との間においては、前記セラミックス基板側にTi,Zr,Nb,Hfから選択される1種以上の活性金属の窒化物を含む活性金属窒化物層が形成され、この活性金属窒化物層と前記銅板との間にCuの母相中にMgが固溶したMg固溶層が形成されており、
前記活性金属窒化物層の内部に、Cu粒子及びCuと活性金属の化合物粒子のいずれか一方又は両方からなるCu含有粒子が分散されていることを特徴とする絶縁回路基板。
An insulating circuit board in which a copper plate made of copper or a copper alloy is bonded to the surface of a ceramic substrate made of nitrogen-containing ceramics.
Between the copper plate and the ceramic substrate, an active metal nitride layer containing a nitride of one or more active metals selected from Ti, Zr, Nb, and Hf is formed on the ceramic substrate side, and this activity An Mg solid solution layer in which Mg is solid-solved is formed in the matrix phase of Cu between the metal nitride layer and the copper plate.
An insulating circuit substrate characterized in that Cu-containing particles composed of Cu particles and / or both of Cu and a compound particle of an active metal are dispersed inside the active metal nitride layer.
前記Cu含有粒子の粒子径が10nm以上100nm以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項5に記載の絶縁回路基板。 The insulating circuit board according to claim 5, wherein the particle size of the Cu-containing particles is in the range of 10 nm or more and 100 nm or less. 前記活性金属窒化物層の内部に、Mgが存在することを特徴とする請求項5又は請求項6に記載の絶縁回路基板。 The insulating circuit board according to claim 5 or 6, wherein Mg is present inside the active metal nitride layer. 前記セラミックス基板側界面から前記活性金属窒化物層の全厚の25%位置までの領域の平均銅濃度C1(原子%)と、前記銅板側界面から前記活性金属窒化物層の全厚の25%位置までの領域の平均銅濃度C2(原子%)との比C2/C1が0.8以下であることを特徴とする請求項5から請求項7のいずれか一項に記載の絶縁回路基板。 The average copper concentration C1 (atomic%) in the region from the ceramic substrate side interface to the 25% position of the total thickness of the active metal nitride layer and 25% of the total thickness of the active metal nitride layer from the copper plate side interface. The insulating circuit substrate according to any one of claims 5 to 7, wherein the ratio C2 / C1 to the average copper concentration C2 (atomic%) in the region up to the position is 0.8 or less. 請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の銅/セラミックス接合体を製造する銅/セラミックス接合体の製造方法であって、
前記銅部材と前記セラミックス部材との間に、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種以上の活性金属及びMgを配置する活性金属及びMg配置工程と、
前記銅部材と前記セラミックス部材とを、活性金属及びMgを介して積層する積層工程と、
活性金属及びMgを介して積層された前記銅部材と前記セラミックス部材とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合する接合工程と、
を備えており、
前記活性金属及びMg配置工程では、活性金属量を0.4μmol/cm以上18.8μmol/cm以下の範囲内、Mg量を14μmol/cm以上86μmol/cm以下の範囲内とし、
前記接合工程では、440℃以上480℃未満の中間温度で30min以上150min以下保持し、その後、700℃以上の温度で15min以上保持することを特徴とする銅/セラミックス接合体の製造方法。
The method for manufacturing a copper / ceramics joint according to any one of claims 1 to 4, wherein the copper / ceramics joint is manufactured.
An active metal and Mg arranging step of arranging one or more active metals and Mg selected from Ti, Zr, Nb, and Hf between the copper member and the ceramics member.
A laminating step of laminating the copper member and the ceramic member via an active metal and Mg,
A joining step in which the copper member and the ceramic member laminated via the active metal and Mg are joined by heat treatment in a vacuum atmosphere while being pressurized in the stacking direction.
Is equipped with
In the active metal and Mg placement step, the amount of active metal is set within the range of 0.4 μmol / cm 2 or more and 18.8 μmol / cm 2 or less, and the amount of Mg is set within the range of 14 μmol / cm 2 or more and 86 μmol / cm 2 or less.
A method for producing a copper / ceramics bonded body, which comprises holding at an intermediate temperature of 440 ° C. or higher and lower than 480 ° C. for 30 min or more and 150 min or less, and then holding at a temperature of 700 ° C. or higher for 15 min or more.
請求項5から請求項8のいずれか一項に記載の絶縁回路基板の製造方法であって、
前記銅板と前記セラミックス基板との間に、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種以上の活性金属及びMgを配置する活性金属及びMg配置工程と、
前記銅板と前記セラミックス基板とを、活性金属及びMgを介して積層する積層工程と、
活性金属及びMgを介して積層された前記銅板と前記セラミックス基板とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合する接合工程と、
を備えており、
前記活性金属及びMg配置工程では、活性金属量を0.4μmol/cm以上18.8μmol/cm以下の範囲内、Mg量を14μmol/cm以上86μmol/cm以下の範囲内とし、
前記接合工程では、440℃以上480℃未満の中間温度で30min以上150min以下保持し、その後、700℃以上の温度で15min以上保持することを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。
The method for manufacturing an insulated circuit board according to any one of claims 5 to 8.
An active metal and Mg placement step of placing one or more active metals and Mg selected from Ti, Zr, Nb, and Hf between the copper plate and the ceramic substrate.
A laminating step of laminating the copper plate and the ceramic substrate via an active metal and Mg, and
A joining step in which the copper plate laminated via the active metal and Mg and the ceramic substrate are joined by heat treatment in a vacuum atmosphere while being pressurized in the stacking direction.
Is equipped with
In the active metal and Mg placement step, the amount of active metal is set within the range of 0.4 μmol / cm 2 or more and 18.8 μmol / cm 2 or less, and the amount of Mg is set within the range of 14 μmol / cm 2 or more and 86 μmol / cm 2 or less.
A method for manufacturing an insulated circuit board, which comprises holding 30 min or more and 150 min or less at an intermediate temperature of 440 ° C. or higher and lower than 480 ° C., and then holding 15 min or more at a temperature of 700 ° C. or higher in the joining step.
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