JP2024059207A - Metal-ceramic bonded substrate, manufacturing method thereof, and power module - Google Patents

Metal-ceramic bonded substrate, manufacturing method thereof, and power module Download PDF

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Abstract

【課題】割れがなく、反りの小さい大型の金属-セラミックス接合基板、およびその製造方法を提供する。【解決手段】1枚の放熱側Cu板と、放熱側Cu板の一方の主面上に、ろう材を介して一方の主面が接合された複数のAlN基板と、複数のAlN基板のそれぞれの他方の主面上に、ろう材を介して接合された複数の回路パターンCu板と、を有する金属-セラミックス接合基板。【選択図】図1[Problem] To provide a large-sized metal-ceramic bonding substrate that is free of cracks and has little warping, and a method for manufacturing the same. [Solution] The metal-ceramic bonding substrate has one heat-dissipating Cu plate, a plurality of AlN substrates having one main surface bonded to one main surface of the heat-dissipating Cu plate via a brazing material, and a plurality of circuit pattern Cu plates bonded to the other main surface of each of the plurality of AlN substrates via a brazing material. [Selected Figure] Figure 1

Description

本発明は、金属-セラミックス接合基板、金属-セラミックス接合基板の製造方法、および、パワーモジュールに関する。 The present invention relates to a metal-ceramic bonded substrate, a method for manufacturing a metal-ceramic bonded substrate, and a power module.

従来、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)モジュール等、パワー半導体装置(パワーモジュール)の絶縁回路部には、セラミックス基板の一方の主面に所定の回路パターンCu板が接合され、他方の主面に放熱側Cu板が接合された、金属-セラミックス接合基板が多く用いられる。 Conventionally, metal-ceramic bonded substrates have often been used for the insulated circuit parts of power semiconductor devices (power modules) such as IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) modules, in which a copper plate with a specified circuit pattern is bonded to one main surface of a ceramic substrate, and a copper plate on the heat dissipation side is bonded to the other main surface.

図6は、従来のパワーモジュール(IGBTモジュール)の一例を説明する断面図である。IGBTが作り込まれた半導体チップ100の下側の面は、セラミックス基板300の一方の主面にろう材600を介して接合された回路パターンCu板400上に、高温はんだ700によって接合されている。そして、セラミックス基板300の他方の主面には、ろう材600を介して放熱側Cu板500が接合されている。セラミックス基板300は、この放熱側Cu板500を介して共晶はんだ等の低温はんだ800によってCuヒートシンク板(Cuベース板)200に接合されている。半導体チップ100の上側の面に形成されている電極と回路パターンCu板400、さらに機種によってはパワーモジュールのケース(筐体)に備えられた電極(図示しない)と回路パターンCu板400とは、Al等からなるボンディングワイヤ(図示しない)によって電気的に接続されている。 Figure 6 is a cross-sectional view explaining an example of a conventional power module (IGBT module). The lower surface of the semiconductor chip 100 in which the IGBT is built is bonded by high-temperature solder 700 onto the circuit pattern Cu plate 400 bonded to one main surface of the ceramic substrate 300 via the brazing material 600. The heat dissipation side Cu plate 500 is bonded to the other main surface of the ceramic substrate 300 via the brazing material 600. The ceramic substrate 300 is bonded to the Cu heat sink plate (Cu base plate) 200 via the heat dissipation side Cu plate 500 by low-temperature solder 800 such as eutectic solder. The electrodes formed on the upper surface of the semiconductor chip 100 and the circuit pattern Cu plate 400, and further, depending on the model, the electrodes (not shown) provided on the case (housing) of the power module and the circuit pattern Cu plate 400 are electrically connected by bonding wires (not shown) made of Al or the like.

近年、パワーモジュールのアセンブリ工程の簡略化のため、金属-セラミックス基板の大型化(例えば、放熱側Cu板の主面の表面積が25cm以上)が要求されることがある。 In recent years, in order to simplify the assembly process of power modules, there is a demand for larger metal-ceramic substrates (for example, the surface area of the main surface of the heat-dissipating Cu plate is 25 cm2 or more).

従来、大電力向けの大型のパワーモジュールを作製する際は、例えば、半導体チップが高温はんだを介して接合された複数の金属-セラミックス接合基板の放熱側Cu板を、1つの大型のCuヒートシンク板(Cuベース板)上にそれぞれ低温はんだではんだ付けした後、半導体チップの電極と回路パターンCu板、回路パターンCu板とパワーモジュールのケースに形成された電極等を、Al等のボンディングワイヤによって接続していた。 Conventionally, when manufacturing large power modules for high power, for example, the heat dissipation side Cu plates of multiple metal-ceramic bonding substrates, to which semiconductor chips are bonded via high-temperature solder, are each soldered onto a large Cu heat sink plate (Cu base plate) using low-temperature solder, and then the electrodes of the semiconductor chips are connected to the circuit pattern Cu plate, and the circuit pattern Cu plate is connected to the electrodes formed on the case of the power module using bonding wires such as Al.

その場合、半導体チップ等の電子部品を搭載する際に、複数の金属-セラミックス基板のそれぞれに対して位置決めやハンドリングが必要である。また、複数の金属-セラミックス接合基板をCuヒートシンク板に位置精度よくはんだ付けする必要があるが、その際に位置決め用の治具や位置決め工程がそれぞれの金属-セラミックス接合基板に必要となる。したがって、金属-セラミックス接合基板を大型化し、アセンブリ工程における位置決めやハンドリングなどの工程を低減し、生産を効率化することが求められている。 In this case, when mounting electronic components such as semiconductor chips, positioning and handling are required for each of the multiple metal-ceramic substrates. In addition, multiple metal-ceramic bonded substrates need to be soldered to the Cu heat sink plate with high positioning accuracy, which requires a positioning jig and a positioning process for each metal-ceramic bonded substrate. Therefore, there is a demand to increase the size of metal-ceramic bonded substrates, reduce steps such as positioning and handling in the assembly process, and improve production efficiency.

例えば、特許文献1には、3点曲げ強度が500MPa以上である窒化珪素基板の両面に金属板を接合した窒化珪素回路基板において、表面側の金属板の厚さをt1、裏面側の金属板の厚さをt2としたとき、厚さt1またはt2の少なくとも一方は0.6mm以上、0.10≦|t1-t2|≦0.30mmを満たし、窒化珪素基板は長辺方向および短辺方向共に反り量が0.1~0.5mmの範囲内であることを特徴とする窒化珪素回路基板が開示されている。この文献にはセラミックス基板のサイズが25cm以上、さらには100cmを超える大型の基板が実施例に開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses a silicon nitride circuit board in which metal plates are bonded to both sides of a silicon nitride substrate having a three-point bending strength of 500 MPa or more, where the thickness of the metal plate on the front side is t1 and the thickness of the metal plate on the back side is t2, and at least one of the thicknesses t1 and t2 is 0.6 mm or more, satisfying 0.10≦|t1-t2|≦0.30 mm, and the silicon nitride substrate has a warpage in the range of 0.1 to 0.5 mm in both the long side direction and the short side direction. This document discloses examples of ceramic substrates having a size of 25 cm2 or more, and even large substrates exceeding 100 cm2.

WO2017/056666号公報Patent Publication No. WO2017/056666

しかしながら、特許文献1のように、窒化珪素基板を使用する場合、熱伝導率が窒化アルミニウム(AlN)基板と比べて低く、放熱性の改善が求められる。また、熱伝導率の高いAlN基板を使用した場合、接合後に基板が割れたり、大きな反りが発生したりして、絶縁基板として使用できなかったり、電子部品の搭載やCuヒートシンク板へのはんだ付け等のアセンブリに支障が発生するといった課題があった。また、3点曲げ強度が500MPa以上(例えば、590MPa程度)の強度の高いAlN基板であっても、AlN基板は窒化珪素基板と比べて靭性に劣るためか、大型の金属-セラミックス接合基板を作製する場合、上記問題が発生することも判明した。 However, as in Patent Document 1, when using a silicon nitride substrate, the thermal conductivity is lower than that of an aluminum nitride (AlN) substrate, and improvements in heat dissipation are required. In addition, when an AlN substrate with high thermal conductivity is used, there are problems such as the substrate cracking or large warping occurring after bonding, making it impossible to use as an insulating substrate, or causing problems with assembly such as mounting electronic components or soldering to a Cu heat sink plate. It has also been found that even with a high-strength AlN substrate with a three-point bending strength of 500 MPa or more (for example, about 590 MPa), the above problems occur when making a large metal-ceramic bonded substrate, possibly because the AlN substrate has inferior toughness compared to a silicon nitride substrate.

本発明は、セラミックス基板に金属板を接合した金属-セラミックス接合基板を搭載するパワーモジュール等の半導体装置において、放熱性および絶縁耐力に優れ、接合後に割れがなく、反りの小さい大型の金属-セラミックス接合基板(銅(Cu)-窒化アルミニウム(AlN)接合基板)、およびその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a large metal-ceramic bonded substrate (copper (Cu)-aluminum nitride (AlN) bonded substrate) that has excellent heat dissipation and dielectric strength, is free of cracks after bonding, and has little warping, and a manufacturing method thereof, for use in semiconductor devices such as power modules that are equipped with a metal-ceramic bonded substrate in which a metal plate is bonded to a ceramic substrate.

本発明の第1の態様は、
1枚の放熱側Cu板と、
前記放熱側Cu板の一方の主面上に、
ろう材を介して一方の主面が接合された複数のAlN基板と、
前記複数のAlN基板のそれぞれの他方の主面上に、
ろう材を介して接合された複数の回路パターンCu板と、
を有する金属-セラミックス接合基板である。
The first aspect of the present invention is a method for producing a cellular membrane comprising the steps of:
One heat dissipation side Cu plate,
On one main surface of the heat dissipation side Cu plate,
A plurality of AlN substrates having one main surface bonded to each other via a brazing material;
On the other main surface of each of the plurality of AlN substrates,
A plurality of circuit pattern Cu plates joined via a brazing material;
The metal-ceramic bonding substrate has the following structure.

本発明の第2の態様は、
前記放熱側Cu板の他方の主面の面積が、25cm以上である、
上記第1の態様に記載の金属-セラミックス接合基板である。
A second aspect of the present invention is a method for producing a composition comprising the steps of:
The area of the other main surface of the heat dissipation side Cu plate is 25 cm2 or more.
The metal/ceramic bonding substrate according to the first aspect.

本発明の第3の態様は、
前記放熱側Cu板および前記回路パターンCu板の厚さが、0.3mm以上1.2mm以下である、
上記第1または第2の態様に記載の金属-セラミックス接合基板である。
A third aspect of the present invention is a method for producing a composition comprising the steps of:
The thickness of the heat dissipation side Cu plate and the circuit pattern Cu plate is 0.3 mm or more and 1.2 mm or less.
The metal/ceramic bonding substrate according to the first or second aspect.

本発明の第4の態様は、
前記複数のAlN基板の熱伝導率が、100W/(m・K)以上である、
上記第1または第2の態様に記載の金属-セラミックス接合基板である。
A fourth aspect of the present invention is a method for producing a composition comprising the steps of:
The thermal conductivity of the plurality of AlN substrates is 100 W/(m·K) or more.
The metal/ceramic bonding substrate according to the first or second aspect.

本発明の第5の態様は、
前記放熱側Cu板と前記回路パターンCu板との間の絶縁耐力が2.5kV以上であり、
前記放熱側Cu板の他方の主面における下記式(1)で表される反り換算値が0mm以上2.5×10-3mm以下である、
上記第1または第2の態様に記載の金属-セラミックス接合基板である。
反り換算値(mm)=放熱側Cu板の反り量(mm)×AlN基板の厚さ(mm)/放熱側Cu板の対角線長さ(mm)・・・(1)
A fifth aspect of the present invention is a method for producing a composition comprising the steps of:
The dielectric strength between the heat dissipation side Cu plate and the circuit pattern Cu plate is 2.5 kV or more;
a warpage conversion value on the other main surface of the heat-dissipating side Cu plate, expressed by the following formula (1), is 0 mm or more and 2.5×10 −3 mm or less;
The metal/ceramic bonding substrate according to the first or second aspect.
Warpage conversion value (mm)=warpage amount of Cu plate on heat dissipation side (mm)×thickness of AlN substrate (mm)/diagonal length of Cu plate on heat dissipation side (mm) (1)

本発明の第6の態様は、
1枚の放熱側Cu板形成用Cu板の一方の主面上に、
複数のAlN基板の一方の主面をろう材を介して配置するとともに、
前記複数のAlN基板のそれぞれの他方の主面上に、
複数の回路パターンCu板形成用Cu板の一方の主面をろう材を介して配置して、
前記放熱側Cu板形成用Cu板、前記複数のAlN基板、前記複数の回路パターンCu板形成用Cu板がそれぞれろう材を介して順に積層された積層体を形成する工程と、
前記積層体の厚さ方向に0.001kgf/cm以上0.1kgf/cm以下の応力を加えた状態で加熱した後、
前記積層体を冷却し、前記放熱側Cu板形成用Cu板、前記複数のAlN基板、前記複数の回路パターンCu板形成用Cu板をそれぞれろう材を介して接合する工程と、を有する金属-セラミックス接合基板の製造方法である。
A sixth aspect of the present invention is a method for producing a composition comprising the steps of:
On one main surface of one Cu plate for forming a heat dissipation side Cu plate,
A plurality of AlN substrates are arranged with one main surface thereof interposed therebetween by a brazing material,
On the other main surface of each of the plurality of AlN substrates,
One main surface of each of a plurality of Cu plates for forming a circuit pattern Cu plate is arranged via a brazing material,
forming a laminate in which the Cu plate for forming the heat dissipation side Cu plate, the plurality of AlN substrates, and the plurality of Cu plates for forming the circuit pattern Cu plate are laminated in order via a brazing material;
After heating the laminate in a state where a stress of 0.001 kgf/ cm2 or more and 0.1 kgf/cm2 or less is applied in the thickness direction,
and cooling the laminate, and bonding the Cu plate for forming the heat dissipation side Cu plate, the plurality of AlN substrates, and the plurality of Cu plates for forming the circuit pattern Cu plate, respectively, via brazing material.

本発明の第7の態様は、
前記複数のAlN基板に接合された前記複数の回路パターンCu板形成用Cu板の他方の主面上に、所定の回路パターンに対応するエッチングレジストを形成した後、エッチングにより前記複数の回路パターンCu板形成用Cu板の一部を除去し、複数の回路パターンCu板を形成する工程をさらに有する、
上記第6の態様に記載の金属-セラミックス接合基板の製造方法である。
A seventh aspect of the present invention is a method for producing a composition comprising the steps of:
The method further includes a step of forming an etching resist corresponding to a predetermined circuit pattern on the other main surface of the Cu plate for forming the plurality of circuit pattern Cu plates bonded to the plurality of AlN substrates, and then removing a part of the Cu plate for forming the plurality of circuit pattern Cu plates by etching to form a plurality of circuit pattern Cu plates.
A method for producing the metal/ceramic bonding substrate according to the sixth aspect.

本発明の第8の態様は、
前記複数のAlN基板が接合された前記放熱側Cu板形成用Cu板の他方の主面上に、所定の形状のエッチングレジストを形成した後、エッチングにより前記放熱側Cu板形成用Cu板の一部を除去し、放熱側Cu板を形成する工程をさらに有する、
上記第6または第7の態様に記載の金属-セラミックス接合基板の製造方法である。
An eighth aspect of the present invention is a method for producing a composition comprising the steps of:
The method further includes a step of forming an etching resist having a predetermined shape on the other main surface of the Cu plate for forming the heat dissipation side Cu plate to which the plurality of AlN substrates are bonded, and then removing a part of the Cu plate for forming the heat dissipation side Cu plate by etching to form a heat dissipation side Cu plate.
A method for producing a metal/ceramic bonding substrate according to the sixth or seventh aspect.

本発明の第9の態様は、
前記放熱側Cu板の他方の主面の面積が、25cm以上である、
上記第8の態様に記載の金属-セラミックス接合基板の製造方法である。
A ninth aspect of the present invention is a method for producing a composition comprising the steps of:
The area of the other main surface of the heat dissipation side Cu plate is 25 cm2 or more.
A method for producing the metal/ceramic bonding substrate according to the eighth aspect.

本発明の第10の態様は、
前記複数の回路パターンCu板の厚さが、0.3mm以上1.2mm以下である、
上記第7の態様に記載の金属-セラミックス接合基板の製造方法である。
A tenth aspect of the present invention is a method for producing a composition comprising the steps of:
The thickness of the plurality of circuit pattern Cu plates is 0.3 mm or more and 1.2 mm or less;
A method for producing the metal/ceramic bonding substrate according to the seventh aspect.

本発明の第11の態様は、
前記放熱側Cu板の厚さが、0.3mm以上1.2mm以下である、
上記第8の態様に記載の金属-セラミックス接合基板の製造方法である。
An eleventh aspect of the present invention is a method for producing a composition comprising the steps of:
The thickness of the heat dissipation side Cu plate is 0.3 mm or more and 1.2 mm or less.
A method for producing the metal/ceramic bonding substrate according to the eighth aspect.

本発明の第12の態様は、
前記複数のAlN基板の熱伝導率が、100W/(m・K)以上である、
上記第6の態様に記載の金属-セラミックス接合基板の製造方法である。
A twelfth aspect of the present invention is a method for producing a composition comprising the steps of:
The thermal conductivity of the plurality of AlN substrates is 100 W/(m·K) or more.
A method for producing the metal/ceramic bonding substrate according to the sixth aspect.

本発明の第13の態様は、
上記第1または第2の態様に記載の金属-セラミックス接合基板が組み込まれたパワーモジュールである。
A thirteenth aspect of the present invention is a method for producing a composition comprising the steps of:
A power module incorporating the metal/ceramic bonding substrate according to the first or second aspect.

本発明によれば、セラミックス基板に金属板を接合した金属-セラミックス接合基板を搭載するパワーモジュール等の半導体装置において、放熱性および絶縁耐力に優れ、接合後に割れがなく、反りの小さい大型の金属-セラミックス接合基板、およびその製造方法を提供することができる。 The present invention provides a semiconductor device such as a power module that is equipped with a metal-ceramic bonded substrate in which a metal plate is bonded to a ceramic substrate, and a large metal-ceramic bonded substrate that has excellent heat dissipation and dielectric strength, is free of cracks after bonding, and has little warping, as well as a method for manufacturing the same.

図1(a)は、本発明の第1実施形態の金属-セラミックス接合基板1の一例を模式的に示す断面図であり、図1(b)は、本発明の第1実施形態の金属-セラミックス接合基板1の一例を模式的に示す上面図であり、図1(c)は、本発明の第1実施形態の金属-セラミックス接合基板1の一例を模式的に示す下面図である。FIG. 1( a ) is a cross-sectional view that typically shows one example of a metal-ceramic bonding substrate 1 according to a first embodiment of the present invention, FIG. 1( b ) is a top view that typically shows one example of a metal-ceramic bonding substrate 1 according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 1( c ) is a bottom view that typically shows one example of a metal-ceramic bonding substrate 1 according to a first embodiment of the present invention. 図2は、本発明の第1実施形態の金属-セラミックス接合基板1の製造方法の一例を示すフローチャートである。FIG. 2 is a flow chart showing an example of a method for manufacturing the metal/ceramic bonding substrate 1 according to the first embodiment of the present invention. 図3は、本発明の第1実施形態の積層体形成工程S101を示す説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram showing the laminate formation step S101 in the first embodiment of the present invention. 図4は、本発明の第1実施形態の接合工程S102を示す説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram showing the bonding step S102 in the first embodiment of the present invention. 図5は、本発明の他の実施形態の金属-セラミックス接合基板2の一例を模式的に示す断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view that illustrates a schematic example of a metal/ceramic bonding substrate 2 according to another embodiment of the present invention. 図6は、従来のパワーモジュール(IGBTモジュール)の一例を説明する断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining an example of a conventional power module (IGBT module).

[本発明の実施形態の詳細]
次に、本発明の一実施形態を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
[Details of the embodiment of the present invention]
Next, an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to these examples, but is defined by the claims, and is intended to include all modifications within the meaning and scope of the claims.

<本発明の第1実施形態>
(1)金属-セラミックス接合基板の構成
まず、本実施形態の金属-セラミックス接合基板1の構成について説明する。図1(a)は、本実施形態の金属-セラミックス接合基板1の一例を模式的に示す断面図であり、図1(b)は、本実施形態の金属-セラミックス接合基板1の一例を模式的に示す上面図であり、図1(c)は、本実施形態の金属-セラミックス接合基板1の一例を模式的に示す下面図である。
First Embodiment of the Present Invention
(1) Configuration of metal-ceramic bonding substrate First, the configuration of the metal-ceramic bonding substrate 1 of this embodiment will be described. Fig. 1(a) is a cross-sectional view that shows a schematic example of the metal-ceramic bonding substrate 1 of this embodiment, Fig. 1(b) is a top view that shows a schematic example of the metal-ceramic bonding substrate 1 of this embodiment, and Fig. 1(c) is a bottom view that shows a schematic example of the metal-ceramic bonding substrate 1 of this embodiment.

図1(a)に示すように、本実施形態の金属-セラミックス接合基板1は、1枚の放熱側Cu(銅)板50と、放熱側Cu(銅)板50の一方の主面上に、ろう材60を介して(それぞれの)一方の主面が接合された複数(例えば、図1では2枚)のAlN(窒化アルミニウム)基板30と、複数のAlN(窒化アルミニウム)基板30のそれぞれの他方の主面上に、ろう材60を介して接合された複数(例えば、図1では2枚)の回路パターンCu(銅)板40と、を有している。
なお、板材であるCu板、AlN基板の主面とは板面(側面ではない板材の厚さ方向に垂直な面)を示し、表側の主面と裏側の主面が存在する。
As shown in FIG. 1( a ), the metal-ceramic bonding substrate 1 of this embodiment includes one heat-dissipating-side Cu (copper) plate 50, a plurality of (e.g., two in FIG. 1 ) AlN (aluminum nitride) substrates 30 having one main surface bonded to one main surface of the heat-dissipating-side Cu (copper) plate 50 via a brazing material 60, and a plurality of (e.g., two in FIG. 1 ) circuit pattern Cu (copper) plates 40 bonded to the other main surfaces of each of the plurality of AlN (aluminum nitride) substrates 30 via the brazing material 60.
The main surface of the Cu plate or AlN substrate, which is a plate material, refers to the plate surface (a surface perpendicular to the thickness direction of the plate material, not a side surface), and there is a front main surface and a back main surface.

放熱側Cu板50は、例えば、純度が99.9質量%以上(好ましくは99.99質量%以上)の熱伝導率の高い圧延Cu板からなり、放熱板として用いられる。また、放熱側Cu板50の外形は、略矩形であることが好ましい。 The heat dissipation side Cu plate 50 is made of, for example, a rolled Cu plate with high thermal conductivity and a purity of 99.9% by mass or more (preferably 99.99% by mass or more), and is used as a heat dissipation plate. In addition, it is preferable that the outer shape of the heat dissipation side Cu plate 50 is approximately rectangular.

放熱側Cu板50の他方(AlN基板30が接合されている面とは反対側)の主面の面積(表面積)は25cm以上であることが好ましく、50cm以上であることがより好ましい。これにより、金属-セラミックス接合基板1を大型化し、アセンブリ工程における位置決めやハンドリングなどの工程を低減し、より効率化することができる。なお、放熱側Cu板50の他方の主面の面積の上限は、特に限定されないが、例えば、200cm以下であり、150cm以下としてもよい。 The area (surface area) of the other main surface of the heat-dissipating-side Cu plate 50 (the side opposite to the surface to which the AlN substrate 30 is bonded) is preferably 25 cm2 or more, and more preferably 50 cm2 or more. This allows the metal-ceramic bonding substrate 1 to be made larger, and the steps of positioning and handling in the assembly process to be reduced, making it more efficient. The upper limit of the area of the other main surface of the heat-dissipating-side Cu plate 50 is not particularly limited, but may be, for example, 200 cm2 or less, or 150 cm2 or less.

放熱側Cu板50の厚さは0.3mm以上1.2mm以下であることが好ましく、0.5mm以上1.0mm以下であることがより好ましい。これにより、AlN基板30の割れを抑制しつつ、放熱性を向上させることができる。 The thickness of the heat dissipation side Cu plate 50 is preferably 0.3 mm or more and 1.2 mm or less, and more preferably 0.5 mm or more and 1.0 mm or less. This makes it possible to improve heat dissipation while suppressing cracking of the AlN substrate 30.

AlN基板30は、熱伝導率が100W/(m・K)以上であることが好ましく、130W/(m・K)以上であることがより好ましく、170W/(m・K)以上であることがさらに好ましい。これにより、セラミックス基板としてアルミナ基板(市販の量産品として20W/(m・K)程度)や窒化珪素基板(市販の量産品として高くても90W/(m・K)程度)を用いたCu-セラミックス接合基板と比べて、本実施形態のCu-AlN接合基板(金属-セラミックス接合基板1)は放熱性を大幅に向上させることができる。 The AlN substrate 30 preferably has a thermal conductivity of 100 W/(m·K) or more, more preferably 130 W/(m·K) or more, and even more preferably 170 W/(m·K) or more. As a result, the Cu-AlN bonded substrate (metal-ceramic bonded substrate 1) of this embodiment can significantly improve heat dissipation compared to Cu-ceramic bonded substrates that use alumina substrates (commercially available mass-produced products have a thermal conductivity of about 20 W/(m·K)) or silicon nitride substrates (commercially available mass-produced products have a thermal conductivity of at most about 90 W/(m·K)) as the ceramic substrate.

AlN基板30の形状は特に限定されないが、例えば、略矩形のものが多く用いられる。AlN基板30の厚さは、例えば、0.25mm以上3.0mm以下、好ましくは0.3mm以上2.0mm以下、さらに好ましくは1.5mm以下である。 The shape of the AlN substrate 30 is not particularly limited, but for example, a roughly rectangular shape is often used. The thickness of the AlN substrate 30 is, for example, 0.25 mm to 3.0 mm, preferably 0.3 mm to 2.0 mm, and more preferably 1.5 mm or less.

回路パターンCu板40は、例えば、純度が99.9質量%以上(好ましくは99.99質量%以上)の電気伝導率、熱伝導率の高い圧延Cu板からなり、所定の回路パターン(例えば、図1では略矩形)を有している。回路パターンCu板40は、半導体チップ等が搭載されるように構成されている。また、回路パターンCu板40は、AlN基板30よりも面積が小さいことが好ましく、1枚のAlN基板30の他方の主面上に複数形成されていてもよい。 The circuit pattern Cu plate 40 is made of a rolled Cu plate with a purity of 99.9% by mass or more (preferably 99.99% by mass or more) and high electrical and thermal conductivity, and has a predetermined circuit pattern (for example, a substantially rectangular shape in FIG. 1). The circuit pattern Cu plate 40 is configured to mount a semiconductor chip or the like. In addition, the circuit pattern Cu plate 40 is preferably smaller in area than the AlN substrate 30, and multiple circuit pattern Cu plates 40 may be formed on the other main surface of one AlN substrate 30.

回路パターンCu板40の厚さは0.3mm以上1.2mm以下であることが好ましく、0.5mm以上1.0mm以下であることがより好ましい。放熱側Cu板50および回路パターンCu板40の厚さが大きいと放熱性に有利である。一方、金属-セラミックス接合基板1(Cu-AlN接合基板)において、接合されるCu板が厚すぎると接合後にセラミックス基板(AlN基板30)に割れが発生する恐れがあるため、放熱側Cu板50と(1枚の)回路パターンCu板40との厚さの和は0.6mm以上2.0mmであることが好ましく、0.8mm以上1.8mm以下であることがより好ましい。
なお、回路パターンCu板40および/または放熱側Cu板50の表面の経時変化を抑制するために、NiやNi合金めっき等の皮膜が形成されていてもよい。
また、放熱側Cu板50と回路パターンCu板40との間の絶縁耐力が2.5kV以上であることが好ましい。
The thickness of the circuit pattern Cu plate 40 is preferably 0.3 mm or more and 1.2 mm or less, and more preferably 0.5 mm or more and 1.0 mm or less. A large thickness of the heat dissipation side Cu plate 50 and the circuit pattern Cu plate 40 is advantageous for heat dissipation. On the other hand, in the metal-ceramic bonding substrate 1 (Cu-AlN bonding substrate), if the Cu plate to be bonded is too thick, there is a risk of cracks occurring in the ceramic substrate (AlN substrate 30) after bonding, so the sum of the thicknesses of the heat dissipation side Cu plate 50 and (one) circuit pattern Cu plate 40 is preferably 0.6 mm or more and 2.0 mm or less, and more preferably 0.8 mm or more and 1.8 mm or less.
In order to suppress deterioration over time of the surface of the circuit pattern Cu plate 40 and/or the heat dissipation side Cu plate 50, a coating such as Ni or Ni alloy plating may be formed.
In addition, it is preferable that the dielectric strength between the heat-dissipating side Cu plate 50 and the circuit pattern Cu plate 40 is 2.5 kV or more.

ろう材60は、金属とセラミックスとの接合に一般的に用いられている活性金属含有ろう材であることが好ましく、例えば、Ag-Cu-Ti系、Ag-Cu-Sn-Ti系のろう材を用いることができる。特に、Ag-Cuの共晶付近の組成に活性金属あるいは他の金属元素を添加したろう材を用いることが好ましい。また、ろう材60の厚さは5μm以上30μm以下であることが好ましく、10μm以上20μm以下であることがより好ましい。 The brazing material 60 is preferably an active metal-containing brazing material that is generally used to join metals and ceramics, and for example, Ag-Cu-Ti and Ag-Cu-Sn-Ti brazing materials can be used. In particular, it is preferable to use a brazing material with an active metal or other metal element added to a composition near the Ag-Cu eutectic. The thickness of the brazing material 60 is preferably 5 μm or more and 30 μm or less, and more preferably 10 μm or more and 20 μm or less.

図1に示す本実施形態の金属-セラミックス接合基板1では、1枚の放熱側Cu板50に2枚のAlN基板30がろう材60を介して接合、形成されている。すなわち、回路パターンCu板40を備えた2枚のAlN基板30が、放熱側Cu板50によってつながっており、パワーモジュールの製造工程において、1個の金属-セラミックス接合基板1(Cu-AlN接合基板)として取り扱うことができるので、回路パターンCu板40の他方の面への半導体チップ等の接合、放熱側Cu板50の他方の面にCuヒートシンク板(Cuベース板)等の接合、回路パターンCu板40とケースの端子とのワイヤボンディングによる接続等、パワーモジュールの部品のアセンブリ工程の効率化に寄与し、また位置決めなどの寸法精度を所定の範囲に収めることが容易である。なお、1枚の放熱側Cu板50には3枚以上の回路パターンCu板40を備えたAlN基板30が接合されていてもよい。また、セラミックス基板の割れを抑制し、反りを小さくする観点から、放熱側Cu板50の板面(主面)の(仮想の)中心線に対して、複数のAlN基板30を線対称に配置することが好ましく、複数のAlN基板30のサイズが同じであることが好ましい。 In the metal-ceramic bonded substrate 1 of this embodiment shown in FIG. 1, two AlN substrates 30 are bonded to one heat dissipation side Cu plate 50 via a brazing material 60. That is, two AlN substrates 30 equipped with a circuit pattern Cu plate 40 are connected by the heat dissipation side Cu plate 50, and can be handled as one metal-ceramic bonded substrate 1 (Cu-AlN bonded substrate) in the manufacturing process of the power module. This contributes to the efficiency of the assembly process of the power module components, such as bonding a semiconductor chip to the other surface of the circuit pattern Cu plate 40, bonding a Cu heat sink plate (Cu base plate) to the other surface of the heat dissipation side Cu plate 50, and connecting the circuit pattern Cu plate 40 and the terminal of the case by wire bonding, and also makes it easy to keep the dimensional accuracy of positioning and the like within a predetermined range. In addition, three or more AlN substrates 30 equipped with circuit pattern Cu plates 40 may be bonded to one heat dissipation side Cu plate 50. In addition, from the viewpoint of suppressing cracking of the ceramic substrate and reducing warping, it is preferable to arrange the multiple AlN substrates 30 in line symmetry with respect to the (virtual) center line of the plate surface (main surface) of the heat dissipation side Cu plate 50, and it is preferable that the multiple AlN substrates 30 are the same size.

なお、本実施形態の金属-セラミックス接合基板1では、放熱側Cu板50と回路パターンCu板40との間の絶縁耐力が2.5kV以上であり、放熱側Cu板50の他方の主面における下記式(1)で表される反り換算値が0mm以上2.5×10-3mm以下であることが好ましい。
反り換算値(mm)=放熱側Cu板50の反り量(mm)×AlN基板30の厚さ(mm)/放熱側Cu板50の対角線長さ(mm)・・・(1)
In the metal-ceramic bonding substrate 1 of this embodiment, it is preferable that the dielectric strength between the heat dissipation side Cu plate 50 and the circuit pattern Cu plate 40 is 2.5 kV or more, and the warpage equivalent value expressed by the following formula (1) on the other main surface of the heat dissipation side Cu plate 50 is 0 mm or more and 2.5 × 10 -3 mm or less.
Warpage conversion value (mm)=warpage amount (mm) of heat-dissipating-side Cu plate 50×thickness (mm) of AlN substrate 30/diagonal length (mm) of heat-dissipating-side Cu plate 50 (1)

図6に示したような従来のパワーモジュール(IGBTモジュール)では、金属-セラミックス接合基板を大型化した場合、セラミックス基板の割れや反りが問題となっていた。これに対し、本実施形態の金属-セラミックス接合基板1では、1枚の放熱側Cu板50に複数(例えば、図1では2枚)のAlN基板30がろう材60を介して接合、形成されていることにより、大面積でありながら、セラミックス基板の割れを抑制し、反りの小さい金属-セラミックス接合基板1を実現することができる。 In a conventional power module (IGBT module) such as that shown in FIG. 6, when the metal-ceramic bonding substrate is enlarged, cracking and warping of the ceramic substrate become an issue. In contrast, in the metal-ceramic bonding substrate 1 of this embodiment, multiple AlN substrates 30 (for example, two in FIG. 1) are bonded to a single heat dissipation Cu plate 50 via brazing material 60, thereby suppressing cracking of the ceramic substrate and realizing a metal-ceramic bonding substrate 1 with small warping despite its large area.

(2)金属-セラミックス接合基板の製造方法
次に、本実施形態の金属-セラミックス接合基板1の製造方法について説明する。図2は、本実施形態の金属-セラミックス接合基板1の製造方法の一例を示すフローチャートである。図2に示すように、本実施形態の金属-セラミックス接合基板1の製造方法は、例えば、積層体形成工程S101と、接合工程S102と、パターン形成工程S103と、を有している。
(2) Manufacturing Method of Metal-Ceramic Bonding Substrate Next, a manufacturing method of the metal-ceramic bonding substrate 1 of this embodiment will be described. Fig. 2 is a flow chart showing an example of a manufacturing method of the metal-ceramic bonding substrate 1 of this embodiment. As shown in Fig. 2, the manufacturing method of the metal-ceramic bonding substrate 1 of this embodiment includes, for example, a laminate formation step S101, a bonding step S102, and a pattern formation step S103.

(積層体形成工程S101)
図3に示すように、積層体形成工程S101では、例えば、1枚の放熱側Cu板形成用Cu板51の一方の主面上に、複数(例えば、2枚)のAlN基板30の一方の主面をろう材60を介して配置するとともに、複数のAlN基板30のそれぞれの他方の主面上に、複数(例えば、2枚)の回路パターンCu板形成用Cu板41(の一方の主面)をろう材60を介して配置し、放熱側Cu板形成用Cu板51、複数のAlN基板30、複数の回路パターンCu板形成用Cu板41がそれぞれろう材60を介して順に積層された積層体5を形成する。
(Laminate formation process S101)
As shown in FIG. 3, in the laminate formation process S101, for example, one main surface of a plurality of (e.g., two) AlN substrates 30 are arranged on one main surface of a single Cu plate 51 for forming a heat dissipation side Cu plate via a brazing material 60, and one main surface of a plurality of (e.g., two) Cu plates 41 for forming a circuit pattern Cu plate are arranged on the other main surface of each of the plurality of AlN substrates 30 via the brazing material 60 to form a laminate 5 in which the Cu plate 51 for forming the heat dissipation side Cu plate, the plurality of AlN substrates 30, and the plurality of Cu plates 41 for forming the circuit pattern Cu plate are sequentially stacked via the brazing material 60.

放熱側Cu板形成用Cu板51および回路パターンCu板形成用Cu板41としては、例えば、純度が99.9質量%以上(好ましくは99.99質量%以上)の熱伝導率、電気伝導率の高い圧延Cu板を用いることが好ましい。 As the Cu plate 51 for forming the heat dissipation side Cu plate and the Cu plate 41 for forming the circuit pattern Cu plate, it is preferable to use, for example, a rolled Cu plate with a purity of 99.9% by mass or more (preferably 99.99% by mass or more) and high thermal conductivity and electrical conductivity.

AlN基板30は、熱伝導率が100W/(m・K)以上であることが好ましく、130W/(m・K)以上であることがより好ましく、170W/(m・K)以上であることがさらに好ましい。また、AlN基板30の3点曲げ強度は、450MPa以上であることが好ましく、500MPa以上であることがより好ましい。AlN基板30の形状は特に限定されないが、例えば、略矩形のものが多く用いられる。AlN基板30の厚さは、例えば、0.25mm以上3.0mm以下、好ましくは0.3mm以上2.0mm以下、さらに好ましくは1.5mm以下である。 The AlN substrate 30 preferably has a thermal conductivity of 100 W/(m·K) or more, more preferably 130 W/(m·K) or more, and even more preferably 170 W/(m·K) or more. The three-point bending strength of the AlN substrate 30 is preferably 450 MPa or more, and even more preferably 500 MPa or more. The shape of the AlN substrate 30 is not particularly limited, but for example, a roughly rectangular shape is often used. The thickness of the AlN substrate 30 is, for example, 0.25 mm or more and 3.0 mm or less, preferably 0.3 mm or more and 2.0 mm or less, and even more preferably 1.5 mm or less.

ろう材60は、金属とセラミックスとの接合に一般的に用いられている活性金属含有ろう材であり、例えば、Ag-Cu-Ti系、Ag-Cu-Sn-Ti系のろう材を用いることができる。特に、Ag-Cuの共晶付近の組成に活性金属や他の金属元素を添加したろう材を用いることが好ましい。ろう材60の形態はペースト状や箔状が好ましく、ペースト状のものがより好ましい。ペースト状のろう材60であれば、AlN基板30にスクリーン印刷等の簡易な方法で塗布できる。また、ろう材60の厚さは5μm以上30μm以下であることが好ましく、10μm以上20μm以下がより好ましい。 The brazing material 60 is an active metal-containing brazing material that is generally used to join metals and ceramics, and for example, Ag-Cu-Ti and Ag-Cu-Sn-Ti brazing materials can be used. In particular, it is preferable to use a brazing material in which an active metal or other metal element is added to a composition near the Ag-Cu eutectic. The brazing material 60 is preferably in the form of a paste or foil, and more preferably in the form of a paste. If the brazing material 60 is in the form of a paste, it can be applied to the AlN substrate 30 by a simple method such as screen printing. The thickness of the brazing material 60 is preferably 5 μm or more and 30 μm or less, and more preferably 10 μm or more and 20 μm or less.

(接合工程S102)
図4に示すように、接合工程S102では、例えば、SUS304等のステンレス板からなる下部敷板70の上に積層体5を配置し、積層体5の上にSUS304等のステンレス板からなる上部敷板71を載せ、さらに必要に応じてその上に重り(図示せず)を配置する等して、積層体5の厚さ方向に(複数のAlN基板30の一方の主面の面積に対して)0.001kgf/cm以上0.1kgf/cm以下の応力が負荷されるように調整する。なお、負荷を0.005kgf/cm以上とするのがより好ましい。このように応力を加えた状態で、例えば、真空炉に挿入して加熱した後、積層体5を冷却し、放熱側Cu板形成用Cu板51、複数のAlN基板30、複数の回路パターンCu板形成用Cu板41をそれぞれろう材60を介して接合する。
(Joining step S102)
4, in the bonding process S102, the laminate 5 is placed on a lower base plate 70 made of a stainless steel plate such as SUS304, an upper base plate 71 made of a stainless steel plate such as SUS304 is placed on the laminate 5, and a weight (not shown) is placed on the upper base plate 71 as necessary, so that a stress of 0.001 kgf/ cm2 or more and 0.1 kgf/cm2 or less is applied in the thickness direction of the laminate 5 (with respect to the area of one main surface of the plurality of AlN substrates 30 ). It is more preferable to set the load to 0.005 kgf/cm2 or more . In this stressed state, for example, the laminate 5 is inserted into a vacuum furnace and heated, and then cooled, and the Cu plate 51 for forming the heat dissipation side Cu plate, the plurality of AlN substrates 30, and the plurality of Cu plates 41 for forming the circuit pattern Cu plate are bonded via the brazing material 60.

本発明の接合工程S102における積層体5の厚さ方向に負荷する応力は小さく、接合時に特別な加圧治具などを用いる必要がない。また、複数の積層体5をセラミックス基板等のスペーサーを挟んで積層体5の厚さ方向に積み上げてから上部敷板71を載せると、多数の積層体5を生産性よく接合することが可能となり、量産性にも優れる。 The stress applied in the thickness direction of the laminate 5 in the bonding process S102 of the present invention is small, and there is no need to use a special pressure tool during bonding. In addition, by stacking multiple laminates 5 in the thickness direction of the laminate 5 with spacers such as ceramic substrates in between and then placing the upper base plate 71, it becomes possible to bond a large number of laminates 5 with good productivity, and mass production is also excellent.

(パターン形成工程S103)
パターン形成工程S103では、例えば、複数のAlN基板30に接合されたそれぞれの複数の回路パターンCu板形成用Cu板41の主面上に、所定の回路パターンに対応するエッチングレジストを形成した後、エッチングにより複数の回路パターンCu板形成用Cu板41(および/またはろう材60)の一部(不要部分)を除去し、複数の回路パターンCu板40を形成する。
(Pattern formation step S103)
In the pattern formation process S103, for example, an etching resist corresponding to a predetermined circuit pattern is formed on the main surface of each of the plurality of Cu plates 41 for forming the circuit pattern Cu plates bonded to the plurality of AlN substrates 30, and then a portion (unnecessary portion) of the plurality of Cu plates 41 for forming the circuit pattern Cu plates (and/or the brazing material 60) is removed by etching to form the plurality of circuit pattern Cu plates 40.

また、パターン形成工程S103では、例えば、複数のAlN基板30が接合された放熱側Cu板形成用Cu板51の他方の主面上に、所定の形状(放熱側Cu板50の形状に対応する形状)のエッチングレジストを形成した後、エッチングにより放熱側Cu板形成用Cu板51(および/またはろう材60)の一部(不要部分)を除去し、放熱側Cu板50を形成する。なお、必要に応じて、放熱側Cu板形成用Cu板51の一方の主面上にも所定の形状のエッチングレジストを形成してもよい。 In the pattern formation process S103, for example, an etching resist of a predetermined shape (a shape corresponding to the shape of the heat dissipation side Cu plate 50) is formed on the other main surface of the Cu plate 51 for forming the heat dissipation side Cu plate to which multiple AlN substrates 30 are bonded, and then a part (unnecessary part) of the Cu plate 51 for forming the heat dissipation side Cu plate (and/or the brazing material 60) is removed by etching to form the heat dissipation side Cu plate 50. If necessary, an etching resist of a predetermined shape may also be formed on one of the main surfaces of the Cu plate 51 for forming the heat dissipation side Cu plate.

パターン形成工程S103では、放熱側Cu板50の他方の主面の面積が、25cm以上となるように放熱側Cu板50を形成することが好ましい。また、放熱側Cu板50の厚さが、0.3mm以上1.2mm以下となるように放熱側Cu板50を形成することが好ましい。また、複数の回路パターンCu板40の厚さが、0.3mm以上1.2mm以下となるように複数の回路パターンCu板40を形成することが好ましい。 In the pattern formation process S103, it is preferable to form the heat-dissipation-side Cu plate 50 so that the area of the other main surface of the heat-dissipation-side Cu plate 50 is 25 cm2 or more. It is also preferable to form the heat-dissipation-side Cu plate 50 so that the thickness of the heat-dissipation-side Cu plate 50 is 0.3 mm or more and 1.2 mm or less. It is also preferable to form the multiple circuit pattern Cu plates 40 so that the thickness of the multiple circuit pattern Cu plates 40 is 0.3 mm or more and 1.2 mm or less.

以上の工程により、本実施形態の金属-セラミックス接合基板1を製造することができる。 By carrying out the above steps, the metal-ceramic bonding substrate 1 of this embodiment can be manufactured.

<本発明の他の実施形態>
以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
<Other embodiments of the present invention>
Although the embodiment of the present invention has been specifically described above, the present invention is not limited to the above-mentioned embodiment, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

例えば、上述の実施形態では、図1(c)等に示すように、放熱側Cu板50が、AlN基板30の外周部よりも小さい場合について説明した。図5は、本発明の他の実施形態の金属-セラミックス接合基板2(Cu-AlN基板)の一例を模式的に示す断面図である。上述の第1実施形態と異なるのは、放熱側Cu板50が、回路パターンCu板40の主面に垂直な方向(上から)から見たときに、AlN基板30の外周部よりも大きいことである。この実施形態の金属-セラミックス接合基板2は、第1実施形態のように放熱側Cu板50の他方の面にCuヒートシンク板(Cuベース板)を接合しても良いし、放熱側Cu板50そのものをCuベース板の代用とすることも可能である。後者の場合、Cuベース板と金属-セラミックス基板とのはんだ付けを省略することができる。 For example, in the above embodiment, as shown in FIG. 1(c), the case where the heat dissipation side Cu plate 50 is smaller than the outer periphery of the AlN substrate 30 has been described. FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example of a metal-ceramic bonding substrate 2 (Cu-AlN substrate) according to another embodiment of the present invention. The difference from the above-mentioned first embodiment is that the heat dissipation side Cu plate 50 is larger than the outer periphery of the AlN substrate 30 when viewed from a direction perpendicular to the main surface of the circuit pattern Cu plate 40 (from above). The metal-ceramic bonding substrate 2 of this embodiment may have a Cu heat sink plate (Cu base plate) bonded to the other surface of the heat dissipation side Cu plate 50 as in the first embodiment, or the heat dissipation side Cu plate 50 itself may be substituted for the Cu base plate. In the latter case, soldering between the Cu base plate and the metal-ceramic substrate can be omitted.

次に、本発明に係る実施例を説明する。これらの実施例は本発明の一例であって、本発明はこれらの実施例により限定されない。 Next, examples of the present invention will be described. These examples are merely examples of the present invention, and the present invention is not limited to these examples.

[実施例1]
(積層体形成工程)
セラミックス基板として、長さ48mm、幅58mm、厚さ0.38mmのサイズの略矩形の窒化アルミニウム基板(熱伝導率が170W/(m・K)以上、3点曲げ強度が588MPa、3点曲げ強度試験における破断時のたわみ量が0.659mmのAlN基板)を2枚準備した。また、回路パターンCu板形成用Cu板として長さ50mm、幅60mm、厚さ0.8mmのサイズの略矩形の無酸素Cu板を2枚準備し、放熱側Cu板形成用Cu板として長さ100mm、幅60mm、厚さ0.6mmの無酸素銅板を1枚準備した。また、ろう材はその金属成分として、10質量%のCu粉と、5質量%のSn粉と、(活性金属成分としての)2質量%のTi粉と、残部がAg粉からなる金属粉(合計で100質量%)を準備した。これらの金属粉に、アクリル系のバインダーと溶剤からなるビヒクルを加え混練し、活性金属を含有するペースト状のろう材を作製した。
[Example 1]
(Laminate Forming Process)
As the ceramic substrate, two rectangular aluminum nitride substrates (AlN substrates with a thermal conductivity of 170 W/(m·K) or more, a three-point bending strength of 588 MPa, and a deflection at break of 0.659 mm in a three-point bending strength test) with a length of 48 mm, a width of 58 mm, and a thickness of 0.38 mm were prepared. In addition, two rectangular oxygen-free Cu plates with a length of 50 mm, a width of 60 mm, and a thickness of 0.8 mm were prepared as the Cu plates for forming the circuit pattern Cu plates, and one oxygen-free copper plate with a length of 100 mm, a width of 60 mm, and a thickness of 0.6 mm was prepared as the Cu plate for forming the heat dissipation side Cu plate. In addition, the brazing material was prepared as a metal powder (total of 100 mass%) consisting of 10 mass% Cu powder, 5 mass% Sn powder, 2 mass% Ti powder (as an active metal component), and the remainder Ag powder. A vehicle consisting of an acrylic binder and a solvent was added to these metal powders and kneaded to prepare a paste-like brazing material containing active metals.

上記AlN基板の表面および裏面の略全面に、上記ろう材をスクリーン印刷により厚さが20μmになるように塗布し、乾燥させてAlN基板の両面にろう材を形成した。 The brazing material was applied to almost the entire front and back surfaces of the AlN substrate by screen printing to a thickness of 20 μm, and then dried to form brazing material on both sides of the AlN substrate.

ろう材が形成された2枚のAlN基板を、放熱側Cu板形成用Cu板の一方の表面(主面)に(図3に示すように)2mmの間隔をあけて2枚並べて(放熱側Cu板形成用Cu板の中央部に)配置した。すなわち2枚のAlN基板の一方の表面(主面)の全面がろう材を介して放熱側Cu板形成用Cu板の一方の面(主面)に接触した状態とした。次いで、2枚の回路パターンCu板形成用Cu板を、(図3に示すように)ろう材が形成された2枚のAlN基板の他方の表面(主面)の全面が覆われるようにそれぞれ配置して、放熱側Cu板形成用Cu板とAlN基板と回路パターンCu板形成用Cu板からなる積層体を得た。 The two AlN substrates on which the brazing material was formed were arranged (at the center of the Cu plate for forming the heat-dissipating side Cu plate) with a gap of 2 mm (as shown in FIG. 3) on one surface (main surface) of the Cu plate for forming the heat-dissipating side Cu plate. In other words, the entire surface of one surface (main surface) of the two AlN substrates was in contact with one surface (main surface) of the Cu plate for forming the heat-dissipating side Cu plate via the brazing material. Next, the two Cu plates for forming the circuit pattern Cu plate were arranged so that the entire surface of the other surface (main surface) of the two AlN substrates on which the brazing material was formed was covered, and a laminate consisting of the Cu plate for forming the heat-dissipating side Cu plate, the AlN substrate, and the Cu plate for forming the circuit pattern Cu plate was obtained.

(接合工程)
次いで、(図4に示すように)上記積層体をSUS304製の下部ステンレス板(下部敷板)の上に、放熱側Cu板形成用Cu板の他方の面が接触するように配置(載置)し、さらに積層体の上にSUS304製の上部ステンレス板(上部敷板)を配置(載置)し、積層体の厚さ方向に(AlN基板の主面に対して)0.01kgf/cmの応力を負荷した状態(上部ステンレス板の自重がかかった状態)で、真空中で850℃に加熱した後、冷却することにより、AlN基板の両面に放熱側Cu板形成用Cu板および回路パターンCu板形成用Cu板を接合した。
(Joining process)
Next, (as shown in FIG. 4 ) the above laminate was placed (mounted) on a lower stainless steel plate (lower base plate) made of SUS304 so that the other surface of the Cu plate for forming the heat dissipation side Cu plate was in contact with it, and further an upper stainless steel plate (upper base plate) made of SUS304 was placed (mounted) on the laminate, and the laminate was heated to 850° C. in a vacuum while a stress of 0.01 kgf/cm 2 was applied in the thickness direction of the laminate (with respect to the main surface of the AlN substrate) (a state in which the weight of the upper stainless steel plate was applied), and then cooled, thereby bonding the Cu plate for forming the heat dissipation side Cu plate and the Cu plate for forming the circuit pattern Cu plate to both surfaces of the AlN substrate.

(パターン形成工程)
次いでAlN基板に接合した放熱側Cu板形成用Cu板の表面(他方の主面)に、所定の放熱側Cu板の形状に対応する(略矩形の)紫外線硬化アルカリ剥離型レジストをスクリーン印刷により塗布した。また、AlN基板の他方の面に接合した回路パターンCu板形成用Cu板の表面(他方の主面)に、所定の回路パターンCu板の形状に対応する(回路形状の、本実施例では略矩形の)上記レジストをスクリーン印刷により塗布した。
(Pattern Forming Process)
Next, a (substantially rectangular) ultraviolet-curing alkaline peelable resist corresponding to the shape of the specified heat-dissipating-side Cu plate was applied by screen printing to the surface (other main surface) of the Cu plate for forming the heat-dissipating-side Cu plate bonded to the AlN substrate. Also, the above resist corresponding to the shape of the specified circuit-pattern Cu plate (circuit-shaped, approximately rectangular in this embodiment) was applied by screen printing to the surface (other main surface) of the Cu plate for forming the circuit pattern Cu plate bonded to the other surface of the AlN substrate.

これらのレジストに紫外線を照射して硬化させた後、塩化銅と塩酸と残部の水とからなるエッチング液によりCu板の不要な部分をエッチングし、水酸化ナトリウム水溶液によりレジストを除去し、次いでAlN基板の表面に残存する不要なろう材を、EDTA(エチレンジアミン4酢酸)を含有する公知のエッチング液で除去し、Cu板の表面を市販の化学研磨液で化学研磨処理して表面の外観ムラを除去し、放熱側Cu板および回路パターンCu板を形成した。 After these resists were hardened by irradiating them with ultraviolet light, unnecessary parts of the Cu plate were etched using an etching solution consisting of copper chloride, hydrochloric acid, and the remaining part water. The resist was then removed using an aqueous solution of sodium hydroxide. Next, unnecessary brazing material remaining on the surface of the AlN substrate was removed using a known etching solution containing EDTA (ethylenediaminetetraacetic acid). The surface of the Cu plate was then chemically polished using a commercially available chemical polishing solution to remove any unevenness in the appearance of the surface, and the heat dissipation side Cu plate and the circuit pattern Cu plate were formed.

以上により、長さ96mm、幅56mm、厚さ0.6mmの略矩形の放熱側Cu板の上に2枚のAlN基板が接合され、上記2枚のAlN基板の表面(他方の面)にそれぞれ長さ46mm、幅56mm、厚さ0.8mmの略矩形の回路パターンCu板が形成された金属-セラミックス接合基板を得た。
図1に示すように、回路パターンCu板の端部とAlN基板の端部の間の最小距離W1は1mmであり、また、(AlN基板の側面が対向する辺を除き)放熱側Cu板の端部とAlN基板の端部の間の最小距離W2は1mmであった。
As a result of the above, a metal-ceramic bonding substrate was obtained in which two AlN substrates were bonded onto a roughly rectangular heat dissipation side Cu plate measuring 96 mm in length, 56 mm in width, and 0.6 mm in thickness, and a roughly rectangular circuit pattern Cu plate measuring 46 mm in length, 56 mm in width, and 0.8 mm in thickness was formed on the surfaces (other faces) of the two AlN substrates.
As shown in FIG. 1, the minimum distance W1 between the end of the circuit pattern Cu plate and the end of the AlN substrate was 1 mm, and the minimum distance W2 between the end of the heat dissipation side Cu plate and the end of the AlN substrate (excluding the side where the side surfaces of the AlN substrate face each other) was 1 mm.

(評価)
・基板割れ
得られた金属-セラミックス接合基板を目視で観察したところ、セラミックス基板に割れは確認されなかった。
・絶縁耐力
この金属-セラミックス接合基板の回路パターンCu板(表側)と放熱側Cu板(裏側)にそれぞれ電極を設け、大気中でこれらの電極の間(表裏間)に印加する交流電圧を徐々に上げて1mA以上のリーク電流が流れたときの電圧を絶縁耐力として測定したところ、2.5kVでも絶縁破壊はおこらず、絶縁耐力は2.5kV以上であった。
2.5kVの電圧を印加した場合に絶縁性が保たれる場合を〇(絶縁耐力2.5kV以上)、絶縁性が破壊される場合を×(絶縁耐力2.5kV未満)としたところ、本例は〇(絶縁耐力2.5kV以上)の評価であった。
・反り量
また、キーエンスの3Dワンショット測定器(VR―5000)を使用して、金属-セラミックス接合基板の放熱側Cu板の表面(他方の主面)の高さデータを全面測定した。該装置に付属するソフトを用いて各高さデータから最小二乗法を用いて平面である基準面を設定し、設定された基準面が水平になるように各高さデータが補正され、さらに基準面の高さが0になるように高さ方向にオフセットした。該ソフトの処理により補正・オフセットされた高さデータを用いて、略矩形の放熱側Cu板の対角線の高さデータを取得した。この放熱側Cu板の2本の対角線上における高さデータの最大および最小の差をそれぞれ算出し、いずれか大きい方を金属-セラミックス接合基板の反り量とした。その結果、反り量は0.652mmであり良好であった。
・反り換算値
上記により算出された放熱側Cu板の他方の主面の反り量(mm)、AlN基板の厚さ(mm)および放熱側Cu板の対角線長さ(mm)を用いて、下記式(1)により表される値を反り換算値とした。その結果、反り換算値は2.2×10-3mmであった。
なお、実施例1において放熱側Cu板の他方の主面の反り量は0.652mm、AlN基板の厚さは0.38mm、放熱側Cu板の対角線長さは111.14mmである。
反り換算値(mm)=放熱側Cu板の反り量(mm)×AlN基板の厚さ(mm)/放熱側Cu板の対角線長さ(mm)・・・(1)
(evaluation)
Cracks in the Substrate When the obtained metal/ceramic bonding substrate was visually observed, no cracks were found in the ceramic substrate.
Dielectric strength: Electrodes were provided on the circuit pattern Cu plate (front side) and the heat dissipation side Cu plate (back side) of this metal-ceramic bonding substrate, and the AC voltage applied between these electrodes (front and back) in the atmosphere was gradually increased and the voltage at which a leakage current of 1 mA or more flowed was measured as the dielectric strength. No dielectric breakdown occurred even at 2.5 kV, and the dielectric strength was 2.5 kV or more.
When a voltage of 2.5 kV was applied, a rating of O (dielectric strength 2.5 kV or more) was given if the insulation was maintained, and a rating of X (dielectric strength less than 2.5 kV) was given if the insulation was destroyed. This example was rated as O (dielectric strength 2.5 kV or more).
Amount of warpage: Using a KEYENCE 3D one-shot measuring device (VR-5000), the height data of the surface (other main surface) of the heat dissipation side Cu plate of the metal-ceramic bonding substrate was measured over the entire surface. Using the software attached to the device, a flat reference plane was set from each height data using the least squares method, and each height data was corrected so that the set reference plane was horizontal, and further offset in the height direction so that the height of the reference plane became 0. Using the height data corrected and offset by the processing of the software, height data of the diagonal of the approximately rectangular heat dissipation side Cu plate was obtained. The maximum and minimum differences of the height data on the two diagonals of this heat dissipation side Cu plate were calculated, and the larger of the two was taken as the amount of warpage of the metal-ceramic bonding substrate. As a result, the amount of warpage was 0.652 mm, which was good.
Using the amount of warpage (mm) of the other main surface of the heat-dissipating-side Cu plate calculated above, the thickness (mm) of the AlN substrate, and the diagonal length (mm) of the heat-dissipating-side Cu plate, the value expressed by the following formula (1) was determined as the equivalent warpage value. As a result, the equivalent warpage value was 2.2×10 −3 mm.
In Example 1, the amount of warping of the other main surface of the heat-dissipating Cu plate is 0.652 mm, the thickness of the AlN substrate is 0.38 mm, and the diagonal length of the heat-dissipating Cu plate is 111.14 mm.
Warpage conversion value (mm)=warpage amount of Cu plate on heat dissipation side (mm)×thickness of AlN substrate (mm)/diagonal length of Cu plate on heat dissipation side (mm) (1)

[比較例1]
接合時に積層体の厚さ方向に負荷する応力を(AlN基板の主面に対して)4.17kgf/cmとした以外は、実施例1と同様の方法で金属-セラミックス接合基板を作製した。なお、積層体への応力の負荷は、積層体が配置された上側ステンレス板と下側ステンレス板の間をボルト締めする治具を用いることにより実施した。具体的には、上部および下部ステンレス板の四隅には穴が形成されており、上部および下部ステンレス板の前記穴にボルトを通し、ナットで締め付けることにより行った。
[Comparative Example 1]
A metal-ceramic bonded substrate was produced in the same manner as in Example 1, except that the stress applied in the thickness direction of the laminate during bonding (with respect to the main surface of the AlN substrate) was 4.17 kgf/ cm2 . The stress was applied to the laminate by using a jig that tightened bolts between the upper and lower stainless steel plates on which the laminate was placed. Specifically, holes were formed in the four corners of the upper and lower stainless steel plates, and bolts were passed through the holes in the upper and lower stainless steel plates and tightened with nuts.

得られた金属-セラミックス接合基板を実施例1と同様に目視で観察したところ、セラミックス基板に割れが確認され、表裏のCu板間の絶縁耐力は×(2.5kV未満)であった。また、実施例1と同様に反り量および反り換算値を評価したところ、反り量は0.620mm、反り換算値は2.1×10-3mmであった。 When the obtained metal-ceramic bonding substrate was visually observed in the same manner as in Example 1, cracks were confirmed in the ceramic substrate, and the dielectric strength between the front and back Cu plates was × (less than 2.5 kV). Furthermore, when the amount of warping and the equivalent value of warping were evaluated in the same manner as in Example 1, the amount of warping was 0.620 mm, and the equivalent value of warping was 2.1×10 −3 mm.

[比較例2]
(積層体形成工程)
セラミックス基板として、長さ96mm、幅58mm、厚さ0.38mmのサイズの略矩形の窒化アルミニウム基板(熱伝導率が170W/(m・K)以上のAlN基板、3点曲げ強度が588MPa、3点曲げ強度試験における破断時のたわみ量が659μmのAlN基板)を1枚準備した。また、回路パターンCu板形成用Cu板として、長さ100mm、幅60mm、厚さ0.8mmのサイズの略矩形の無酸素Cu板を1枚準備し、放熱側Cu板形成用Cu板として、長さ100mm、幅60mm、厚さ0.6mmの無酸素Cu板を1枚準備した。
[Comparative Example 2]
(Laminate Forming Process)
As the ceramic substrate, one approximately rectangular aluminum nitride substrate (AlN substrate with thermal conductivity of 170 W/(m·K) or more, three-point bending strength of 588 MPa, and deflection at break in a three-point bending strength test of 659 μm) with a length of 96 mm, a width of 58 mm, and a thickness of 0.38 mm was prepared. In addition, as the Cu plate for forming the circuit pattern Cu plate, one approximately rectangular oxygen-free Cu plate with a length of 100 mm, a width of 60 mm, and a thickness of 0.8 mm was prepared, and as the Cu plate for forming the heat dissipation side Cu plate, one oxygen-free Cu plate with a length of 100 mm, a width of 60 mm, and a thickness of 0.6 mm was prepared.

上記AlN基板の表面および裏面の略全面に、上記ろう材をスクリーン印刷により厚さが20μmになるように塗布し、乾燥させてAlN基板の両面にろう材を形成した。 The brazing material was applied to almost the entire front and back surfaces of the AlN substrate by screen printing to a thickness of 20 μm, and then dried to form brazing material on both sides of the AlN substrate.

ろう材が形成された1枚のAlN基板を、放熱側Cu板形成用Cu板の一方の表面の中央に配置した。すなわちAlN基板の一方の表面の全面がろう材を介して放熱側Cu板形成用Cu板の一方の面に接触した状態とした。次いで、1枚の回路パターンCu板形成用Cu板を、ろう材が形成された1枚のAlN基板の他方の全面が覆われるように配置して、放熱側Cu板形成用Cu板とAlN基板と回路パターンCu板形成用Cu板からなる積層体を得た。 One AlN substrate on which the brazing material was formed was placed in the center of one surface of the Cu plate for forming the heat dissipation side Cu plate. In other words, the entire surface of one surface of the AlN substrate was in contact with one surface of the Cu plate for forming the heat dissipation side Cu plate via the brazing material. Next, one Cu plate for forming the circuit pattern Cu plate was placed so that the entire surface of the other side of the one AlN substrate on which the brazing material was formed was covered, and a laminate was obtained consisting of the Cu plate for forming the heat dissipation side Cu plate, the AlN substrate, and the Cu plate for forming the circuit pattern Cu plate.

(接合工程)
次いで、上記積層体をSUS304製の下部ステンレス板の上に、放熱側Cu板形成用Cu板の他方の面が接触するように配置し、さらに積層体の上にSUS304製の上部ステンレス板を配置し、積層体の厚さ方向に(AlN基板の主面に対して)0.01kgf/cmの応力を負荷した状態(上部ステンレス板の自重がかかった状態)で、真空中で850℃に加熱した後、冷却することにより、AlN基板の両面にCu板を接合した。
(Joining process)
Next, the above-mentioned laminate was placed on a lower stainless steel plate made of SUS304 so that the other surface of the Cu plate for forming the heat dissipation side Cu plate was in contact with the laminate, and an upper stainless steel plate made of SUS304 was placed on the laminate. The laminate was then heated to 850°C in a vacuum while being subjected to a stress of 0.01 kgf/ cm2 in the thickness direction of the laminate (with respect to the main surface of the AlN substrate) (a state in which the weight of the upper stainless steel plate was applied), and then cooled, thereby bonding the Cu plates to both surfaces of the AlN substrate.

(パターン形成工程)
次いでAlN基板に接合した放熱側Cu板形成用Cu板の表面に、所定の放熱側Cu板の形状に対応する(略矩形の)紫外線硬化アルカリ剥離型レジストをスクリーン印刷により塗布した。また、AlN基板の他方の面に接合した回路パターンCu板形成用Cu板の表面に、所定の回路パターン形状に対応する(回路形状の、本実施例では略矩形の)上記レジストをスクリーン印刷により塗布した。
(Pattern Forming Process)
Next, a UV-curable alkaline peelable resist (approximately rectangular) corresponding to the shape of the heat-dissipating Cu plate was applied by screen printing to the surface of the Cu plate for forming the heat-dissipating Cu plate bonded to the AlN substrate. Also, the above resist (circuit-shaped, approximately rectangular in this embodiment) corresponding to the shape of the predetermined circuit pattern was applied by screen printing to the surface of the Cu plate for forming the circuit pattern Cu plate bonded to the other side of the AlN substrate.

これらのレジストに紫外線を照射して硬化させた後、塩化銅と塩酸と残部の水とからなるエッチング液によりCu板の不要な部分をエッチングし、水酸化ナトリウム水溶液によりレジストを除去し、次いでAlN基板の表面に残存する不要なろう材を、EDTA(エチレンジアミン4酢酸)を含有する公知のエッチング液で除去し、放熱側Cu板および回路パターンCu板を形成した。 After these resists were hardened by irradiating them with ultraviolet light, unnecessary parts of the Cu plate were etched using an etching solution consisting of copper chloride, hydrochloric acid, and the remainder water, and the resist was removed using an aqueous sodium hydroxide solution. Next, unnecessary brazing material remaining on the surface of the AlN substrate was removed using a known etching solution containing EDTA (ethylenediaminetetraacetic acid), forming the heat dissipation side Cu plate and the circuit pattern Cu plate.

以上により、長さ96mm、幅56mm、厚さ0.6mmの略矩形の放熱側Cu板の上に1枚のAlN基板が接合され、上記1枚のAlN基板の表面(他方の面)に長さ96mm、幅56mm、厚さ0.8mmの略矩形の回路パターンCu板が形成された金属-セラミックス接合基板を得た。 As a result of the above, a metal-ceramic bonded substrate was obtained in which one AlN substrate was bonded onto a roughly rectangular heat-dissipating Cu plate measuring 96 mm in length, 56 mm in width, and 0.6 mm in thickness, and a roughly rectangular circuit pattern Cu plate measuring 96 mm in length, 56 mm in width, and 0.8 mm in thickness was formed on the surface (other side) of the one AlN substrate.

(評価)
得られた金属-セラミックス接合基板を目視で観察したところ、セラミックス基板に割れは確認されず、表裏のCu板間の絶縁耐力は〇(2.5kV以上)であった。また、実施例1と同様に反り量および反り換算値を評価したところ、反り量は1.031mm、反り換算値は3.5×10-3mmであり、反りが大きく不良であった。
(evaluation)
The obtained metal-ceramic bonding substrate was visually observed to find no cracks in the ceramic substrate, and the dielectric strength between the front and back Cu plates was ◯ (2.5 kV or more). Furthermore, when the amount of warping and the equivalent warping value were evaluated in the same manner as in Example 1, the amount of warping was 1.031 mm, and the equivalent warping value was 3.5×10 −3 mm, which means that the warping was large and poor.

[比較例3]
接合時に積層体の厚さ方向に負荷する応力を(AlN基板の主面に対して)4.17kgf/cmとした以外は、比較例2と同様の方法で金属-セラミックス接合基板を作製した。なお、積層体への応力の負荷は、積層体が配置された上側ステンレス板と下側ステンレス板の間をボルト締めすることにより実施した。具体的には、上部および下部ステンレス板の四隅には穴が形成されており、上部および下部ステンレス板の前記穴にボルトを通し、ナットで締め付けることにより行った。
[Comparative Example 3]
A metal-ceramic bonded substrate was produced in the same manner as in Comparative Example 2, except that the stress applied in the thickness direction of the laminate during bonding (with respect to the main surface of the AlN substrate) was 4.17 kgf/ cm2 . The stress was applied to the laminate by fastening bolts between the upper and lower stainless steel plates on which the laminate was placed. Specifically, holes were formed in the four corners of the upper and lower stainless steel plates, and bolts were passed through the holes in the upper and lower stainless steel plates and fastened with nuts.

得られた金属-セラミックス接合基板を実施例1と同様に目視で観察したところ、セラミックス基板に割れが確認され、表裏のCu板間の絶縁耐力は×(2.5kV未満)であった。また、実施例1と同様に反り量および反り換算値を評価したところ、反り量は0.672mm、反り換算値は2.3×10-3mmであった。 When the obtained metal-ceramic bonding substrate was visually observed in the same manner as in Example 1, cracks were confirmed in the ceramic substrate, and the dielectric strength between the front and back Cu plates was × (less than 2.5 kV). Furthermore, when the amount of warping and the equivalent value of warping were evaluated in the same manner as in Example 1, the amount of warping was 0.672 mm, and the equivalent value of warping was 2.3×10 −3 mm.

[実施例2]
セラミックス基板として、長さ48mm、幅58mm、厚さ0.635mmのサイズの略矩形の窒化アルミニウム基板(熱伝導率が170W/(m・K)以上、3点曲げ強度が593MPa、3点曲げ強度試験における破断時のたわみ量が0.467mmのAlN基板)を2枚使用した以外は、実施例1と同様の方法で金属-セラミックス接合基板を作製した。
[Example 2]
A metal-ceramic bonding substrate was produced in the same manner as in Example 1, except that two approximately rectangular aluminum nitride substrates (AlN substrates having a thermal conductivity of 170 W/(m K) or more, a three-point bending strength of 593 MPa, and a deflection at break of 0.467 mm in a three-point bending strength test) measuring 48 mm in length, 58 mm in width, and 0.635 mm in thickness were used as the ceramic substrates.

得られた金属-セラミックス接合基板を実施例1と同様に目視で観察したところ、セラミックス基板に割れは確認されず、表裏のCu板間の絶縁耐力は〇(2.5kV以上)であった。また、実施例1と同様に金属-セラミックス基板の反り量および反り換算値を評価したところ、反り量は0.273mm、反り換算値は1.6×10-3mmで反りが小さく良好であった。 The obtained metal-ceramic bonding substrate was visually observed in the same manner as in Example 1, and no cracks were found in the ceramic substrate, and the dielectric strength between the front and back Cu plates was good (2.5 kV or more). Furthermore, when the amount of warping and the equivalent warping value of the metal-ceramic substrate were evaluated in the same manner as in Example 1, the amount of warping was 0.273 mm, and the equivalent warping value was 1.6× 10-3 mm, which was small and good.

[比較例4]
接合時に積層体の厚さ方向に負荷する応力を(AlN基板の主面に対して)4.17kgf/cmとした以外は、実施例2と同様の方法で金属-セラミックス接合基板を作製した。なお、積層体への応力の負荷は、積層体が配置された上側ステンレス板と下側ステンレス板の間をボルト締めすることにより実施した。具体的には、上部および下部ステンレス板の四隅には穴が形成されており、上部および下部ステンレス板の前記穴にボルトを通し、ナットで締め付けることにより行った。
[Comparative Example 4]
A metal-ceramic bonded substrate was produced in the same manner as in Example 2, except that the stress applied in the thickness direction of the laminate during bonding (with respect to the main surface of the AlN substrate) was 4.17 kgf/ cm2 . The stress was applied to the laminate by fastening bolts between the upper and lower stainless steel plates on which the laminate was placed. Specifically, holes were formed in the four corners of the upper and lower stainless steel plates, and bolts were passed through the holes in the upper and lower stainless steel plates and fastened with nuts.

得られた金属-セラミックス接合基板を実施例1と同様に目視で観察したところ、セラミックス基板に割れが確認され、表裏のCu板間の絶縁耐力は×(2.5kV未満)であった。また、実施例1と同様に反り量および反り換算値を評価したところ、反り量は0.149mm、反り換算値は0.9×10-3mmであった。 When the obtained metal-ceramic bonding substrate was visually observed in the same manner as in Example 1, cracks were confirmed in the ceramic substrate, and the dielectric strength between the front and back Cu plates was × (less than 2.5 kV). Furthermore, when the amount of warping and the equivalent value of warping were evaluated in the same manner as in Example 1, the amount of warping was 0.149 mm, and the equivalent value of warping was 0.9×10 −3 mm.

[比較例5]
セラミックス基板として、長さ96mm、幅58mm、厚さ0.635mmのサイズの略矩形の窒化アルミニウム基板(熱伝導率が170W/m・K以上のAlN基板)を使用した以外は、比較例2と同様の方法で金属-セラミックス接合基板を作製した。
[Comparative Example 5]
A metal-ceramic bonding substrate was produced in the same manner as in Comparative Example 2, except that a roughly rectangular aluminum nitride substrate (AlN substrate with a thermal conductivity of 170 W/m·K or more) measuring 96 mm in length, 58 mm in width, and 0.635 mm in thickness was used as the ceramic substrate.

(評価)
得られた金属-セラミックス接合基板を目視で観察したところ、セラミックス基板に割れは確認されず、表裏のCu板間の絶縁耐力は〇(2.5kV以上)であった。また、実施例1と同様に反り量および反り換算値を評価したところ、反り量は0.526mm、反り換算値は3.0×10-3mmであり、反りが大きく不良であった。
(evaluation)
The obtained metal-ceramic bonding substrate was visually observed to find no cracks in the ceramic substrate, and the dielectric strength between the front and back Cu plates was ◯ (2.5 kV or more). Furthermore, when the amount of warping and the equivalent warping value were evaluated in the same manner as in Example 1, the amount of warping was 0.526 mm, and the equivalent warping value was 3.0×10 −3 mm, which means that the warping was large and poor.

[比較例6]
接合時に積層体の厚さ方向に負荷する応力を(AlN基板の主面に対して)4.17kgf/cmとした以外は、比較例5と同様の方法で金属-セラミックス接合基板を作製した。なお、積層体への応力の負荷は、積層体が配置された上側ステンレス板と下側ステンレス板の間をボルト締めすることにより実施した。具体的には、上部および下部ステンレス板の四隅には穴が形成されており、上部および下部ステンレス板の前記穴にボルトを通し、ナットで締め付けることにより行った。
[Comparative Example 6]
A metal-ceramic bonded substrate was produced in the same manner as in Comparative Example 5, except that the stress applied in the thickness direction of the laminate during bonding (with respect to the main surface of the AlN substrate) was 4.17 kgf/ cm2 . The stress was applied to the laminate by fastening bolts between the upper and lower stainless steel plates on which the laminate was placed. Specifically, holes were formed in the four corners of the upper and lower stainless steel plates, and bolts were passed through the holes in the upper and lower stainless steel plates and fastened with nuts.

得られた金属-セラミックス接合基板を目視で観察したところ、セラミックス基板に割れは確認されず、表裏のCu板間の絶縁耐力は〇(2.5kV以上)であった。また、実施例1と同様に反り量および反り換算値を評価したところ、反り量は0.555mm、反り換算値は3.2×10-3mmと大きかった。 The obtained metal-ceramic bonding substrate was visually observed to find no cracks in the ceramic substrate, and the dielectric strength between the front and back Cu plates was rated as "good" (2.5 kV or more). Furthermore, when the amount of warping and the equivalent warping value were evaluated in the same manner as in Example 1, the amount of warping was 0.555 mm, and the equivalent warping value was 3.2× 10-3 mm, which were large.

[実施例3]
接合時に積層体の厚さ方向に負荷する応力を(AlN基板の主面に対して)0.03kgf/cmとした以外は、実施例1と同様の方法で金属-セラミックス接合基板を作製した。なお、積層体への応力の負荷の調整は、上部敷板に重りを載置することにより実施した。
[Example 3]
A metal-ceramic bonding substrate was produced in the same manner as in Example 1, except that the stress applied in the thickness direction of the laminate during bonding (to the main surface of the AlN substrate) was 0.03 kgf/ cm2 . The stress applied to the laminate was adjusted by placing a weight on the upper base plate.

得られた金属-セラミックス接合基板を実施例1と同様に目視で観察したところ、セラミックス基板に割れは確認されず、表裏のCu板間の絶縁耐力は〇(2.5kV以上)であった。また、実施例1と同様に反り量および反り換算値を評価したところ、反り量は0.664mm、反り換算値は2.3×10-3mmであった。 The obtained metal-ceramic bonding substrate was visually observed in the same manner as in Example 1, and no cracks were found in the ceramic substrate, and the dielectric strength between the front and back Cu plates was O (2.5 kV or more). Furthermore, when the amount of warping and the equivalent warping value were evaluated in the same manner as in Example 1, the amount of warping was 0.664 mm, and the equivalent warping value was 2.3× 10-3 mm.

[実施例4]
接合時に積層体の厚さ方向に負荷する応力を(AlN基板の主面に対して)0.03kgf/cmとした以外は、実施例2と同様の方法で金属-セラミックス接合基板を作製した。なお、積層体への応力の負荷の調整は、上部敷板に重りを載置することにより実施した。
[Example 4]
A metal-ceramic bonding substrate was produced in the same manner as in Example 2, except that the stress applied in the thickness direction of the laminate during bonding (with respect to the main surface of the AlN substrate) was 0.03 kgf/ cm2 . The stress applied to the laminate was adjusted by placing a weight on the upper base plate.

得られた金属-セラミックス接合基板を実施例1と同様に目視で観察したところ、セラミックス基板に割れは確認されず、表裏のCu板間の絶縁耐力は〇(2.5kV以上)であった。また、実施例1と同様に反り量を評価したところ、反り量は0.382mm、反り換算値は2.2×10-3mmであった。 The obtained metal-ceramic bonding substrate was visually observed in the same manner as in Example 1, and no cracks were found in the ceramic substrate, and the dielectric strength between the front and back Cu plates was O (2.5 kV or more). Furthermore, when the amount of warping was evaluated in the same manner as in Example 1, the amount of warping was 0.382 mm, and the equivalent warping value was 2.2× 10

以上より、1枚の放熱側Cu板に複数(本実施例では2枚)のAlN基板がろう材を介して接合、形成されていることにより、大面積でありながら、セラミックス基板の割れを抑制し、反りの小さい金属-セラミックス接合基板を実現することができることを確認した。 From the above, it was confirmed that by bonding multiple AlN substrates (two in this example) to one heat dissipation Cu plate using brazing material, it is possible to realize a metal-ceramic bonded substrate with small warping and suppressing cracking of the ceramic substrate, even though it is large in area.

1、2 金属-セラミックス接合基板
5 積層体
30 AlN基板
40 回路パターンCu板
41 回路パターンCu板形成用Cu板
50 放熱側Cu板
51 放熱側Cu板形成用Cu板
60 ろう材
70 下部敷板
71 上部敷板
100 半導体チップ
200 Cuヒートシンク板(Cuべース板)
300 セラミックス基板
400 回路パターンCu板
500 放熱側Cu板
600 ろう材
700 高温はんだ
800 低温はんだ
S101 積層体形成工程
S102 接合工程
S103 パターン形成工程
Reference Signs List 1, 2 Metal-ceramic bonding substrate 5 Laminated body 30 AlN substrate 40 Circuit pattern Cu plate 41 Circuit pattern Cu plate forming Cu plate 50 Heat dissipation side Cu plate 51 Heat dissipation side Cu plate forming Cu plate 60 Brazing material 70 Lower base plate 71 Upper base plate 100 Semiconductor chip 200 Cu heat sink plate (Cu base plate)
300 Ceramic substrate 400 Circuit pattern Cu plate 500 Heat dissipation side Cu plate 600 Brazing material 700 High temperature solder 800 Low temperature solder S101 Laminate formation process S102 Bonding process S103 Pattern formation process

Claims (13)

1枚の放熱側Cu板と、
前記放熱側Cu板の一方の主面上に、
ろう材を介して一方の主面が接合された複数のAlN基板と、
前記複数のAlN基板のそれぞれの他方の主面上に、
ろう材を介して接合された複数の回路パターンCu板と、
を有する金属-セラミックス接合基板。
One heat dissipation side Cu plate,
On one main surface of the heat dissipation side Cu plate,
A plurality of AlN substrates having one main surface bonded to each other via a brazing material;
On the other main surface of each of the plurality of AlN substrates,
A plurality of circuit pattern Cu plates joined via a brazing material;
A metal-ceramic bonding substrate having the above structure.
前記放熱側Cu板の他方の主面の面積が、25cm以上である、
請求項1に記載の金属-セラミックス接合基板。
The area of the other main surface of the heat dissipation side Cu plate is 25 cm2 or more.
2. The metal/ceramic bonding substrate according to claim 1.
前記放熱側Cu板および前記回路パターンCu板の厚さが、0.3mm以上1.2mm以下である、
請求項1または請求項2に記載の金属-セラミックス接合基板。
The thickness of the heat dissipation side Cu plate and the circuit pattern Cu plate is 0.3 mm or more and 1.2 mm or less.
3. The metal/ceramic bonding substrate according to claim 1 or 2.
前記複数のAlN基板の熱伝導率が、100W/(m・K)以上である、
請求項1または請求項2に記載の金属-セラミックス接合基板。
The thermal conductivity of the plurality of AlN substrates is 100 W/(m·K) or more.
3. The metal/ceramic bonding substrate according to claim 1 or 2.
前記放熱側Cu板と前記回路パターンCu板との間の絶縁耐力が2.5kV以上であり、
前記放熱側Cu板の他方の主面における下記式(1)で表される反り換算値が0mm以上2.5×10-3mm以下である、
請求項1または請求項2に記載の金属-セラミックス接合基板。
反り換算値(mm)=放熱側Cu板の反り量(mm)×AlN基板の厚さ(mm)/放熱側Cu板の対角線長さ(mm)・・・(1)
The dielectric strength between the heat dissipation side Cu plate and the circuit pattern Cu plate is 2.5 kV or more;
a warpage conversion value on the other main surface of the heat-dissipating side Cu plate, expressed by the following formula (1), is 0 mm or more and 2.5×10 −3 mm or less;
3. The metal/ceramic bonding substrate according to claim 1 or 2.
Warpage conversion value (mm)=warpage amount of Cu plate on heat dissipation side (mm)×thickness of AlN substrate (mm)/diagonal length of Cu plate on heat dissipation side (mm) (1)
1枚の放熱側Cu板形成用Cu板の一方の主面上に、
複数のAlN基板の一方の主面をろう材を介して配置するとともに、
前記複数のAlN基板のそれぞれの他方の主面上に、
複数の回路パターンCu板形成用Cu板の一方の主面をろう材を介して配置して、
前記放熱側Cu板形成用Cu板、前記複数のAlN基板、前記複数の回路パターンCu板形成用Cu板がそれぞれろう材を介して順に積層された積層体を形成する工程と、
前記積層体の厚さ方向に0.001kgf/cm以上0.1kgf/cm以下の応力を加えた状態で加熱した後、
前記積層体を冷却し、前記放熱側Cu板形成用Cu板、前記複数のAlN基板、前記複数の回路パターンCu板形成用Cu板をそれぞれろう材を介して接合する工程と、を有する金属-セラミックス接合基板の製造方法。
On one main surface of one Cu plate for forming a heat dissipation side Cu plate,
A plurality of AlN substrates are arranged with one main surface thereof interposed therebetween by a brazing material,
On the other main surface of each of the plurality of AlN substrates,
One main surface of each of a plurality of Cu plates for forming a circuit pattern Cu plate is arranged via a brazing material,
forming a laminate in which the Cu plate for forming the heat dissipation side Cu plate, the plurality of AlN substrates, and the plurality of Cu plates for forming the circuit pattern Cu plate are laminated in order via a brazing material;
After heating the laminate in a state where a stress of 0.001 kgf/ cm2 or more and 0.1 kgf/cm2 or less is applied in the thickness direction,
and cooling the laminate, and bonding the Cu plate for forming the heat dissipation side Cu plate, the plurality of AlN substrates, and the plurality of Cu plates for forming the circuit pattern Cu plate via brazing material.
前記複数のAlN基板に接合された前記複数の回路パターンCu板形成用Cu板の他方の主面上に、所定の回路パターンに対応するエッチングレジストを形成した後、エッチングにより前記複数の回路パターンCu板形成用Cu板の一部を除去し、複数の回路パターンCu板を形成する工程をさらに有する、
請求項6に記載の金属-セラミックス接合基板の製造方法。
The method further includes a step of forming an etching resist corresponding to a predetermined circuit pattern on the other main surface of the Cu plate for forming the plurality of circuit pattern Cu plates bonded to the plurality of AlN substrates, and then removing a part of the Cu plate for forming the plurality of circuit pattern Cu plates by etching to form a plurality of circuit pattern Cu plates.
The method for producing a metal/ceramic bonding substrate according to claim 6.
前記複数のAlN基板が接合された前記放熱側Cu板形成用Cu板の他方の主面上に、所定の形状のエッチングレジストを形成した後、エッチングにより前記放熱側Cu板形成用Cu板の一部を除去し、放熱側Cu板を形成する工程をさらに有する、
請求項6または請求項7に記載の金属-セラミックス接合基板の製造方法。
The method further includes a step of forming an etching resist having a predetermined shape on the other main surface of the Cu plate for forming the heat dissipation side Cu plate to which the plurality of AlN substrates are bonded, and then removing a part of the Cu plate for forming the heat dissipation side Cu plate by etching to form a heat dissipation side Cu plate.
The method for producing a metal/ceramic bonding substrate according to claim 6 or 7.
前記放熱側Cu板の他方の主面の面積が、25cm以上である、
請求項8に記載の金属-セラミックス接合基板の製造方法。
The area of the other main surface of the heat dissipation side Cu plate is 25 cm2 or more.
The method for producing a metal/ceramic bonding substrate according to claim 8.
前記複数の回路パターンCu板の厚さが、0.3mm以上1.2mm以下である、
請求項7に記載の金属-セラミックス接合基板の製造方法。
The thickness of the plurality of circuit pattern Cu plates is 0.3 mm or more and 1.2 mm or less;
The method for producing a metal/ceramic bonding substrate according to claim 7.
前記放熱側Cu板の厚さが、0.3mm以上1.2mm以下である、
請求項8に記載の金属-セラミックス接合基板の製造方法。
The thickness of the heat dissipation side Cu plate is 0.3 mm or more and 1.2 mm or less.
The method for producing a metal/ceramic bonding substrate according to claim 8.
前記複数のAlN基板の熱伝導率が、100W/(m・K)以上である、
請求項6に記載の金属-セラミックス接合基板の製造方法。
The thermal conductivity of the plurality of AlN substrates is 100 W/(m·K) or more.
The method for producing a metal/ceramic bonding substrate according to claim 6.
請求項1または請求項2に記載の金属-セラミックス接合基板が組み込まれたパワーモジュール。
3. A power module incorporating the metal/ceramic bonding substrate according to claim 1 or 2.
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