JP2021190702A - 銅/セラミックス接合体、および、絶縁回路基板 - Google Patents

銅/セラミックス接合体、および、絶縁回路基板 Download PDF

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Abstract

【課題】銅又は銅合金からなる銅部材とセラミックス部材とが確実に接合され、超音波を付与した際にも接合信頼性に優れた銅/セラミックス接合体、および、絶縁回路基板を提供する。【解決手段】銅又は銅合金からなる銅部材と、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、前記銅部材の積層方向に沿った断面を観察した結果、前記セラミックス部材との接合面から積層方向に50μmの位置における平均結晶粒径D1と前記銅部材の全体の平均結晶粒径D0との比D1/D0が0.60以下である。【選択図】なし

Description

この発明は、銅又は銅合金からなる銅部材と、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、および、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に関するものである。
パワーモジュール、LEDモジュールおよ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素子およ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、例えば窒化ケイ素などからなる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。
例えば、特許文献1には、セラミックス基板の一方の面および他方の面に、銅板を接合することにより回路層および金属層を形成した絶縁回路基板が提案されている。この絶縁回路基板においては、セラミックス基板の一方の面および他方の面に、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)。
また、特許文献2には、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が提案されている。この絶縁回路基板においては、銅板とセラミックス基板との間に活性金属の単体およびMg単体を配置し、銅板とセラミックス基板とを積層方向に加圧した状態で加熱することで、セラミックス基板と銅板とを接合している。
特許第3211856号公報 特開2018−140929号公報
ところで、特許文献1に開示されているように、活性金属ろう付け法によってセラミックス基板と銅板とを接合する場合には、セラミックス基板と銅板との接合界面に、活性金属(Ti)の化合物層が形成される。例えば、活性金属としてTiを含む活性ろう材を用いて窒素を含むセラミックス基板を接合した場合には、セラミックス基板と銅板との接合界面にTiN層が形成される。
また、特許文献2においては、銅板とセラミックス基板との間においてセラミックス基板側に、Ti,Zr,Nb,Hfから選択される1種又は2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る。
ここで、上述の絶縁回路基板において、回路層(銅板)の表面に端子材等を超音波接合する際には、銅板が塑性変形し、硬いTiN層等の活性金属窒化物層が破壊され、接合信頼性が低下するおそれがあった。また、TiN層の破壊を起点としてセラミックス基板に割れが生じるおそれがあった。
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、銅又は銅合金からなる銅部材とセラミックス部材とが確実に接合され、超音波を付与した際にも接合信頼性に優れた銅/セラミックス接合体、および、絶縁回路基板を提供することを目的とする。
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明者らが鋭意検討した結果、以下のような知見を得た。
セラミックス基板と銅板とを接合するために加熱した際に、銅板の結晶粒が粗大化することにある。そして、TiN層等の活性金属窒化物層に隣接する領域において結晶粒が粗大化している場合には、超音波付与時に銅板のうち接合界面近傍の領域が変形しやすくなり、TiN層等の活性金属窒化物層が破壊されることが分かった。
本発明は、上述の知見に基づいてなされたものであって、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、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、前記銅部材の積層方向に沿った断面を観察した結果、前記セラミックス部材との接合面から積層方向に50μmの位置における平均結晶粒径D1と前記銅部材の全体の平均結晶粒径D0との比D1/D0が0.60以下であることを特徴としている。
この構成の銅/セラミックス接合体においては、前記銅部材の積層方向に沿った断面を観察した結果、前記セラミックス部材との接合面から積層方向に50μmの位置における平均結晶粒径D1と前記銅部材の全体の平均結晶粒径D0との比D1/D0が0.60以下とされているので、接合界面近傍における結晶粒径が比較的小さく抑えられており、超音波付与時に銅部材のうち接合界面近傍の領域における変形を抑制でき、TiN層等の活性金属窒化物層の破壊を抑制することができる。また、銅部材全体と接合界面近傍で大きく結晶粒径が異なっておらず、銅部材全体が硬くなることを抑制できる。
ここで、本発明の銅/セラミックス接合体においては、前記銅部材のうち前記セラミックス部材の接合面から積層方向に少なくとも50μmまでの領域には、Mgが拡散しており、前記接合面から離間するにしたがいMg濃度が減少していることが好ましい。
この場合、前記銅部材のうち前記セラミックス部材の接合面から積層方向に少なくとも50μmまでの領域に十分にMgが拡散しており、接合界面近傍における結晶粒径を比較的小さくすることが可能となる。
本発明の絶縁回路基板は、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、前記銅板の積層方向に沿った断面を観察した結果、前記セラミックス基板との接合面から積層方向に50μmの位置における平均結晶粒径D1と前記銅部材の全体の平均結晶粒径D0との比D1/D0が0.60以下であることを特徴としている。
この構成の絶縁回路基板においては、前記銅板の積層方向に沿った断面を観察した結果、前記セラミックス基板との接合面から積層方向に50μmの位置における平均結晶粒径D1と前記銅部材の全体の平均結晶粒径D0との比D1/D0が0.60以下とされているので、接合界面近傍における結晶粒径が比較的小さく抑えられており、超音波付与時に銅板のうち接合界面近傍の領域における変形を抑制でき、TiN層等の活性金属窒化物層の破壊を抑制することができる。また、銅板全体と接合界面近傍で大きく結晶粒径が異なっておらず、銅板全体が硬くなることを抑制できる。
ここで、本発明の絶縁回路基板においては、前記銅板のうち前記セラミックス基板の接合面から積層方向に少なくとも50μmまでの領域には、Mgが拡散しており、前記接合面から離間するにしたがいMg濃度が減少していることが好ましい。
この場合、前記銅板のうち前記セラミックス基板の接合面から積層方向に少なくとも50μmまでの領域に十分にMgが拡散しており、接合界面近傍における結晶粒径を比較的小さくすることが可能となる。
本発明によれば、銅又は銅合金からなる銅部材とセラミックス部材とが確実に接合され、超音波を付与した際にも接合信頼性に優れた銅/セラミックス接合体、および、絶縁回路基板を提供することが可能となる。
本発明の実施形態であ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。 本発明の実施形態である絶縁回路基板の回路層(銅部材)および金属層(銅部材)とセラミックス基板(セラミックス部材)との接合界面の模式図である。 本発明の実施形態である絶縁回路基板の製造方法を示すフロー図である。 本発明の実施形態である絶縁回路基板の製造方法を示す説明図である。 実施例における銅板の結晶粒径の観察結果を示す図である。
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。
本発明の実施形態について、図1から図4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、セラミックス部材であるセラミックス基板11と、銅部材である銅板22(回路層12)および銅板23(金属層13)とが接合されることにより構成された絶縁回路基板10とされている。
図1に本発明の実施形態である絶縁回路基板10およびこの絶縁回路基板10を用いたパワーモジュール1を示す。
このパワーモジュール1は、絶縁回路基板10と、この絶縁回路基板10の一方側(図1において上側)に第1はんだ層2を介して接合された半導体素子3と、絶縁回路基板10の他方側(図1において下側)に第2はんだ層8を介して接合されたヒートシンク51と、を備えている。
絶縁回路基板10は、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。
セラミックス基板11は、回路層12と金属層13との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性に優れたAlN(窒化アルミニウム)、Si(窒化ケイ素)、Al(アルミナ)等で構成されている。本実施形態では、強度に優れたSi(窒化ケイ素)で構成されている。なお、セラミックス基板11の厚さは、0.2〜1.5mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、0.32mmに設定されている。
回路層12は、図4に示すように、セラミックス基板11の一方の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を構成する銅板22として、無酸素銅の圧延板が用いられている。この回路層12には、回路パターンが形成されており、その一方の面(図1において上面)が、半導体素子3が搭載される搭載面とされている。ここで、回路層12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。
金属層13は、図4に示すように、セラミックス基板11の他方の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を構成する銅板23として、無酸素銅の圧延板が用いられている。ここで、金属層13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。
ヒートシンク51は、前述の絶縁回路基板10を冷却するためのものであり、本実施形態においては、熱伝導性が良好な材質で構成された放熱板とされている。本実施形態においては、ヒートシンク51は、熱伝導性に優れた銅又は銅合金で構成されている。なお、ヒートシンク51と絶縁回路基板10の金属層13とは、第2はんだ層8を介して接合されている。
ここで、セラミックス基板11と回路層12(銅板22)、および、セラミックス基板11と金属層13(銅板23)とは、図4に示すように、Mg−Ti系接合材25を介して接合されている。
セラミックス基板11と回路層12(銅板22)との接合界面およびセラミックス基板11と金属層13(銅板23)との接合界面においては、図2に示すように、TiN層31が形成されている。このTiN層31は、Mg−Ti系接合材25のTiとセラミックス基板11の窒素(N)とが反応することにより生成したものである。
そして、本実施形態においては、回路層12(銅板22)および金属層13(銅板23)の積層方向に沿った断面を観察した結果、セラミックス基板11との接合面から積層方向に50μmの位置における平均結晶粒径D1と回路層12(銅板22)および金属層13(銅板23)の全体の平均結晶粒径D0との比D1/D0が0.60以下、好ましくは0.25以上0.56以下の範囲内とされている。すなわち、回路層12(銅板22)および金属層13(銅板23)のうちセラミックス基板11の接合面から積層方向に50μmの位置の結晶粒径が局所的に小さくなっているのである。
本実施形態において、回路層12のセラミックス基板11との接合面は、積層方向におけるセラミックス基板11の回路層12側の最表面であるとする。
また、本実施形態において、金属層13のセラミックス基板11との接合面は、積層方向におけるセラミックス基板11の金属層13側の最表面であるとする。
セラミックス基板11との接合面から積層方向に50μmまでの領域において、セラミックス基板11と回路層12の間、およびセラミックス基板11と金属層13の間に、TiN層31が挟まれているが、TiN層31は、回路層12、金属層13に比べて十分薄い。
回路層12、金属層13は、TiN層31を介してセラミックス基板11に接合されている。
なお、本実施形態における平均結晶粒径D0、D1は、双晶を含む結晶粒の平均結晶粒径とする。
ここで、本実施形態においては、回路層12(銅板22)および金属層13(銅板23)のうちセラミックス基板11の接合面から積層方向に少なくとも50μmまでの領域には、Mgが拡散しており、接合面から離間するにしたがいMg濃度が減少していることが好ましい。すなわち、Mg−Ti系接合材25のMgが回路層12(銅板22)および金属層13(銅板23)側に十分に拡散していることが好ましい。この領域におけるMgの濃度は0.1wt%以上であり、10wt%以下であることが好ましい。
次に、上述した本実施形態である絶縁回路基板10、およびパワーモジュール1の製造方法について、図3および図4を参照して説明する。
(積層工程S01)
図4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、および、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−Ti系接合材25を配置して、これらを積層する。なお、本実施形態では、Mg−Ti系接合材25として、水素化チタン粉および水素化マグネシム粉を含むペースト材を用いている。チタン及びマグネシウムは活性な金属であるため、水素化チタン粉および水素化マグネシム粉を用いることで、チタンおよびマグネシウムの酸化等を抑制することが可能となる。
ここで、配置するMg−Ti系接合材25は、厚さ換算でTi量を0.1μm以上5μm以下の範囲内、Mg量を1.5μm以上10μm以下の範囲内とすることが好ましい。
(保持工程S02)
次に、積層された銅板22、セラミックス基板11、銅板23を、積層方向に加圧するとともに、加熱炉内に装入して加熱し、所定の保持温度において一定時間保持する。
ここで、本実施形態では、保持工程S02における加圧荷重を0.049MPa以上3.4MPa以下の範囲内とすることが好ましい。また、加熱炉内は、Ar等の不活性ガス雰囲気とすることが好ましい。
そして、保持温度を300℃以上730℃以下の範囲内、保持温度での保持時間を10分以上120分以下の範囲内とすることが好ましい。
この保持工程S02により、Mg−Ti系接合材25のMgが、回路層12となる銅板22および金属層13となる銅板23に向けて十分に拡散することになる。
(接合工程S03)
次に、保持工程S02後に、積層された銅板22、セラミックス基板11、銅板23を、積層方向に加圧した状態で、さらに加熱して、銅板22とセラミックス基板11と銅板23を接合する。この接合工程S03においては、加熱炉内を真空雰囲気とすることが好ましい。
ここで、接合工程S03における加圧荷重が0.049MPa以上3.4MPa以下の範囲内とされている。
また、接合工程S03における加熱温度は、650℃以上1050℃以下の範囲内とすることが好ましい。
さらに、加熱温度での保持時間は、10分以上240分以下の範囲内とすることが好ましい。
また、接合工程S03における真空度は、1×10−6Pa以上1×10−2Pa以下の範囲内とすることが好ましい。
以上のように、積層工程S12と、保持工程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。
(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(セラミックス基板11と反対側)にヒートシンク51を接合する。本実施形態では、絶縁回路基板10とヒートシンク51とを、はんだ材を介して積層して加熱炉に装入し、第2はんだ層8を介して絶縁回路基板10とヒートシンク51とをはんだ接合する。
(半導体素子接合工程S05)
次に、絶縁回路基板10の回路層12の一方の面側(セラミックス基板11と反対側)に、半導体素子3をはんだ付けにより接合する。
以上の工程により、図1に示すパワーモジュール1が製出される。
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、回路層12および金属層13の積層方向に沿った断面を観察した結果、セラミックス基板11との接合面から積層方向に50μmの位置における平均結晶粒径D1と回路層12および金属層13の全体の平均結晶粒径D0との比D1/D0が0.60以下とされているので、接合界面近傍における結晶粒径が比較的小さく抑えられており、超音波付与時に回路層12および金属層13のうち接合界面近傍の領域における変形を抑制でき、TiN層31の破壊を抑制することができる。また、回路層12および金属層13全体と接合界面近傍で結晶粒径が大きく異なっておらず、回路層12および金属層13の全体が硬くなることを抑制できる。
さらに、本実施形態において、回路層12および金属層13のうちセラミックス基板11の接合面から積層方向に少なくとも50μmまでの領域には、Mgが拡散しており、接合面から離間するにしたがいMg濃度が減少している場合には、回路層12および金属層13のうちセラミックス基板11の接合面から積層方向に少なくとも50μmまでの領域に十分にMgが拡散しており、回路層12および金属層13の接合界面近傍における結晶粒径を比較的小さくすることが可能となる。
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、回路層又は金属層を構成する銅板を、無酸素銅の圧延板として説明したが、これに限定されることはなく、他の銅又は銅合金で構成されたものであってもよい。
また、接合材としては、ペースト材でなく、箔材を用いても製造可能である。
さらに、ヒートシンクとして放熱板を例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、ヒートシンクの構造に特に限定はない。例えば、ヒートシンクは、冷媒が流通する流路を有するものや冷却フィンを備えたものであってもよい。また、ヒートシンクとしてアルミニウムやアルミニウム合金を含む複合材(例えばAlSiC等)を用いることもできる。
また、ヒートシンクの天板部や放熱板と金属層との間に、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材(例えばAlSiC等)からなる緩衝層を設けてもよい。
また、本実施形態では、絶縁回路基板の回路層にパワー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。
本発明の有効性を確認するために行った確認実験について説明する。
表1に示すセラミックス基板(40mm×40mm、厚さ0.32mm)の両面に、表1に示す接合材を用いて、銅板(37mm×37mm、厚さ0.8mm)を接合し、回路層及び金属層が形成された絶縁回路基板(銅/セラミックス接合体)を得た。なお、表1に示す条件で保持工程および接合工程を実施した。また、接合時の真空炉の真空度は5×10−3Paとした。
このようにして得られた絶縁回路基板(銅/セラミックス接合体)について、積層方向に沿った断面観察を行い、回路層および金属層の結晶粒径を測定した。また、超音波を付与し、接合界面の剥離及びセラミックス基板のクラックを評価した。
(結晶粒径)
絶縁回路基板(回路層および金属層)の積層方向に沿った断面において、EBSD測定装置を用いて、回路層全体および金属層全体の平均結晶粒径D0を測定した。図5に、結晶組織の観察結果を示す。
また、セラミックス基板の最表面から回路層側および金属層側に50μmの位置における平均結晶粒径D1は、回路層および金属層のセラミックス基板の接合界面から積層方向に50μmに位置に、接合界面と平行に基準線を引き、この基準線に触れている粒子数Nと基準線長さLから、以下の式を用いて算出した。基準線の長さLは表2に示す通りとした。
D1=1.5×L/N
この測定を回路層及び金属層でそれぞれ行い、その平均値を表2に示した。
(超音波付与時の接合界面の剥離およびセラミックス基板のクラック)
接合面積3×3mm、接合時間約0.6秒、沈み込み量0.45mmの条件で端子材を超音波接合し、超音波探傷検査(SAT)により、銅とセラミックス基板の接合界面の剥離およびセラミックス基板のクラック発生の有無を確認した。この確認を回路層及び金属層でそれぞれ行い、いずれかで接合界面の剥離およびセラミックス基板のクラック発生が確認された場合を「有」、いずれも確認されなかった場合を「無」とし、表2に記載した。
(Mgの拡散距離)
絶縁回路基板(銅/セラミックス接合体)について、積層方向に沿った断面を、回路層(金属層)のうちセラミックス基板との接合面から回路層(金属層)の表面側に向かって、EPMAを用いてMgのライン分析を行った。回路層(金属層)のうちセラミックス基板との接合面から、Mgの濃度が0.1wt%となる箇所までの距離をMgの拡散距離とした。なお、この測定は回路層及び金属層で、それぞれ5か所で行い、その平均値を表2に記載した。
Figure 2021190702
Figure 2021190702
比較例においては、回路層および金属層のセラミックス基板の接合面から積層方向に50μmの位置における平均結晶粒径D1と路層および金属層全体の平均結晶粒径D0との比D1/D0が0.65であり、超音波を付与した際に、接合界面にクラックが発生した。接合材としてAg−Tiペーストを用いており、接合界面近傍の結晶粒が十分に微細化せず、超音波付与時に回路層および金属層のうち接合界面近傍の領域における変形を抑制できなかったためと推測される。
本発明例1−4においては、回路層および金属層のセラミックス基板の接合面から積層方向に50μmの位置における平均結晶粒径D1と路層および金属層全体の平均結晶粒径D0との比D1/D0が0.60以下であり、超音波を付与した際に、接合界面におけるクラック発生を抑制できた。接合材としてMgを含有するものを用いており、さらに表1に示す保持工程および接合工程を実施することで、Mgが回路層および金属層側に拡散して、接合界面近傍の結晶粒が十分に微細化し、超音波付与時に回路層および金属層のうち接合界面近傍の領域における変形を抑制できたためと推測される。
以上のことから、本発明例によれば、銅又は銅合金からなる銅部材とセラミックス部材とが確実に接合され、超音波を付与した際にも接合信頼性に優れた銅/セラミックス接合体、および、絶縁回路基板を提供可能であることが確認された。
10 絶縁回路基板
11 セラミックス基板
12 回路層
13 金属層
31 TiN層

Claims (4)

  1. 銅又は銅合金からなる銅部材と、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、
    前記銅部材の積層方向に沿った断面を観察した結果、前記セラミックス部材との接合面から積層方向に50μmの位置における平均結晶粒径D1と前記銅部材の全体の平均結晶粒径D0との比D1/D0が0.60以下であることを特徴とする銅/セラミックス接合体。
  2. 前記銅部材のうち前記セラミックス部材の接合面から積層方向に少なくとも50μmまでの領域には、Mgが拡散しており、前記接合面から離間するにしたがいMg濃度が減少し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。
  3. 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、
    前記銅板の積層方向に沿った断面を観察した結果、前記セラミックス基板との接合面から積層方向に50μmの位置における平均結晶粒径D1と前記銅部材の全体の平均結晶粒径D0との比D1/D0が0.60以下であることを特徴とする絶縁回路基板。
  4. 前記銅板のうち前記セラミックス基板の接合面から積層方向に少なくとも50μmまでの領域には、Mgが拡散しており、前記接合面から離間するにしたがいMg濃度が減少していることを特徴とする請求項3に記載の絶縁回路基板。
JP2021083912A 2020-05-27 2021-05-18 銅/セラミックス接合体、および、絶縁回路基板 Active JP7119268B2 (ja)

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