JP4668476B2

JP4668476B2 - Manufacturing method of joined body

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Publication number: JP4668476B2
Application number: JP2001248828A
Authority: JP
Inventors: 佳孝谷口; 豪岩元; 好彦辻村; 信行吉野
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2001-08-20
Filing date: 2001-08-20
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2021-08-20
Also published as: JP2003055059A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックスと金属回路及び／又は金属回路形成用金属板からなる接合体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、セラミックス基板に金属回路又は金属回路形成用金属板（以下、これらを単に「金属板」ともいう。）を接合する方法としては、活性金属を含むろう材を介在させた、セラミックス基板と金属板との積層体を高真空下で加熱接合する活性金属法（特開昭６０−１７７６３４号公報）、酸化物セラミックス基板又は表面を酸化処理してなる窒化アルミニウム基板と銅回路及び／又は銅回路形成用銅板との直接積層体を銅の融点以下、Ｃｕ−Ｏの共晶温度以上で加熱接合するＤＢＣ法（特開昭５６−１６３０９３号公報）が一般的に採用されている。更には、セラミックス基板にＳｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｆｅ等の金属酸化物を介してＭｏ、Ｍｎ、Ｗ等の高融点金属によるメタライズ処理を行ってから、活性金属を含まないろう材を用いて金属板を加熱接合するメタライズ法もある。
【０００３】
【発明が解決しょうとする課題】
しかしながら、上記活性金属法又はＤＢＣ法は、セラミックス基板と金属板との積層体を１ユニットとして加熱接合されるものであるため生産性が劣った。この欠点を解決するには、２以上のユニットを積層し加熱処理すればよいが、この場合には、金属同士が融着し剥離が困難となる。
【０００４】
そこで、ユニット間にスペーサーを介して加熱接合することが行われている。これに使用するスペーサーの要求特性は、容積が小さい、化学的に安定である、繰り返し使用ができる、ズレない、入手が容易である等の観点から、セラミックスの薄板（特開平７−２２３８７８号公報）が採用されている。
【０００５】
ところが、セラミックスのスペーサーは金属板と接合されるセラミックス基板及び／又はこのスペーサーに著しい反りがあると、スペーサーに挟まれたユニットをセラミックス基板の垂直方向から荷重を負荷しながら加熱接合を行っても、金属板とセラミックス基板間に非接触部や密着不足部が生じ、接合不良が起こりやすくなるという問題があった。
【０００６】
そこで、加熱処理時の反りに追従して金属板とセラミックス基板とを接合させるべく、ＢＮやカーボン等の非酸化物層表面を持たせた金属スペーサーを用いることの提案（特開平６-１２３６７４号公報）がある。
【０００７】
しかしながら、セラミックス基板の垂直方向から１ＭＰａ以上の加圧を必要とする加熱接合においては、金属板表面にＢＮやカーボンが付着物として残るため、接合後に表面洗浄や表面研削などの後処理が必要となる。特に、回路金属がＡｌ及び／又はＡｌ合金の場合には、Ａｌ自体が接合温度域において軟化するため、Ａｌ表面への付着が顕著となる。更には、繰り返しの加圧・加熱接合によって、金属スペーサーは変形しやすいので、その品質管理にも手間の要るものであった。
【０００８】
本発明の目的は、スペーサーが加熱接合処理後に復元でき、加圧・加熱時にセラミックス基板の反りに合わせて容易に変形することによって良好な接合体を製造でき、しかも接合後において金属板の表面を清浄に保つことができる、接合体の製造方法を提供することである。本発明の目的は、薄板の窒化ケイ素板の間に、柔軟性及び圧縮性に富んだ耐熱材料を挟んだスペーサーを用いることによって達成することができる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、セラミックス基板と金属板とを活性金属を含むろう材を介在させ又は介在させないで積層された積層体を１ユニットとする２以上のユニットを、スぺーサーを介して積層したのち、セラミックス基板と垂直方向に加圧しながら加熱接合する方法において、上記スペーサーが、加重２５ＭＰａにおける圧縮率が２５％以上で、かつ厚みが０．１〜２mmである耐熱材料を、厚み０．１〜０．４mmの窒化ケイ素板で挟んでなるものであり、また上記加圧が１ＭＰａ以上であることを特徴とする接合体の製造方法である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、更に詳しく本発明を説明すると、本発明で使用されるセラミックス基板、金属板、活性金属を含むろう材等については、従来のもので充分であり、それらの概要を説明すれば以下のとおりである。
【００１１】
セラミックス基板としては、窒化アルミニウム基板、アルミナ基板、ムライト基板等が用いられ、中でも活性金属とメタライズ法においては窒化アルミニウム基板、ＤＢＣ法においてはアルミナ基板、ムライト基板及び表面が酸化処理された窒化アルミニウム基板等が用いられ、セラミックス基板の厚みは０．６３５ｍｍが一般的であるが、特に限定されるものではない。
【００１２】
金属板の材質としては、ＤＢＣ法の場合は銅であり、活性金属法とメタライズ法の場合には、銅、アルミニウム、タングステン、モリブデン等であるが、銅が一般的である。通常、金属板は、セラミックス基板の一方の面に接合され、他方の面には金属放熱板が接合されるが、金属放熱板を設けない構造もある。金属放熱板の材質についても上記のものが使用される。
【００１３】
金属回路として銅を用いる場合、活性金属法におけるろう材の金属成分は、銀と銅を主成分とし、溶融時のセラミックス基板との濡れ性を確保するために活性金属を副成分とする。この活性金属成分の具体例をあげれば、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、バナジウム及びこれらを成分とする化合物、合金である。これらの金属成分の割合、銀６９〜７５部（質量部、以下同じ）と銅２５〜３１部の合計量１００部あたり活性金属３〜３５部である。
【００１４】
活性金属法又はメタライズ法で使用されるろう材は、通常、ペーストとして用いられ、それはろう材の金属成分に有機溶剤及び必要に応じて有機結合剤を加え、ロール、ニーダ、バンバリミキサー、万能混合機、らいかい機等で混合することによって調製することができる。有機溶剤としては、メチルセルソルブ、エチルセルソルブ、テレピネオール、イソホロン、トルエン等、また有機結合剤としては、メチルセルロース、エチルセルロース、ポリメチルメタクリレート等が使用される。
【００１５】
活性金属法又はメタライズ法の場合には、ろう材ペーストは、スクリーン印刷、ロールコーター法、刷毛塗り等によってセラミックス基板の表裏両面に塗布され、次いでその一方の面に金属板が、また他方の面には金属放熱板が通常は積層されて積層体の１ユニットが形成される。ＤＢＣ法の場合には、ろう材ペーストを用いることなく、直接、銅回路及び／又は銅回路形成用銅板とセラミックス基板とが積層されて積層体の１ユニットが形成される。
【００１６】
接合時の加熱処理条件は、活性金属法又はメタライズ法によるユニットの積層体の場合には、１×１０^-5Ｔｏｒｒの高真空下、温度８００〜９５０℃、０．１〜１時間であり、一方、ＤＢＣ法によるユニットの積層体の場合には、窒素等の非酸化性雰囲気中、１０６３〜１０８３℃である。
【００１７】
次に、金属回路がＡｌ又はＡｌ合金である場合は、Ａｌ−Ｃｕ系合金、Ａｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｇｅ系等の接合材を用いて接合されるが、Ａｌ−Ｃｕ系合金を使用することが望ましい。その理由は次のとおりである。
【００１８】
その１は、Ａｌ−Ｃｕ系合金は、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、あるいはこれらにＭｇを加えた系に比べて、高力Ａｌ合金や耐熱Ａｌ合金として広く普及しており、箔化も容易であることからコスト的にも有利であることである。
【００１９】
その２は、Ａｌ−Ｃｕ系合金は、ＳｉやＧｅに比べてＣｕがＡｌ中に均一に拡散し易いため、局部的な溶融が生じたり、余分なろう材が押し出されてハミダシが生じ難く、比較的短時間で安定した接合が可能となるからである。
【００２０】
Ａｌ−Ｃｕ系合金は、Ａｌ、Ｃｕの二成分合金はもとより、そ例ガの成分を含んでいてもよい。例えば、Ａｌ、Ｃｕ以外に、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｂｉ等の成分を合計で５％程度以下を含んでいてもよい。
【００２１】
また、Ａｌ−Ｃｕ系合金のＣｕの割合は、１〜６％であることが好ましい。１％未満では接合温度が高くなってＡｌの融点に近くなってしまい、また６％超では接合後のろう材の拡散部が特に硬くなって回路基板の熱履歴に対して不利となる。好ましくは１．５〜５％である。
【００２２】
Ａｌ−Ｃｕ系合金は、箔又は粉末として使用することができるが、箔が好ましく、特に回路の厚みに対し１/３〜１/３０の厚みであることが好ましい。１/３０未満では十分な接合が難しくなり、また１/３超では回路が硬くなり回路基板の熱履歴に対して不利となる。
【００２３】
Ａｌ−Ｃｕ系合金を接合材として用いた場合の接合温度は、５４０〜６４０℃であるが、接合材の組成によって適正範囲は異なる。Zn、Ｉｎ等の比較的低融点成分が添加されていたり、ＣｕやＭｇ等の含有量が比較的多い場合には、６００℃以下でも十分に接合できる。接合温度が６４０℃をこえると、接合不良が生じ易くなるので、好ましくない。
【００２４】
本発明においては、加熱接合時にセラミックス基板面と垂直方向に加圧される。加圧力は１ＭＰａ以上、特に１〜１０ＭＰａであることが特に好ましい。通常、回路基板の製造においては、金属板とセラミックス基板の接合時に重しを載せて加圧することが行われているが、その圧力はせいぜい０．０１ＭＰａ程度である。この程度の圧力では、セラミックス基板の比較的緩やかな反りやうねりにしか金属板は追随できない。これに対し、本発明においては、１ＭＰａ以上、特に１〜１０ＭＰａと従来技術では非常識な高い圧力をかけることが好ましい。これによって、セラミックス基板に特に厳しい平滑度や平面度を求めることなく、通常のレベルのものでもそのまま使用することができ、生産性が向上する。
【００２５】
加圧方向はセラミックス基板に垂直な方向であり、その方法等は特に限定するものではない。重しを載せる方法、治具等を用いて機械的に挟み込む方法等が採用される。
【００２６】
接合材（ろう材）を用いる場合は、セラミックス基板側、金属板側、更には金属板から形成された回路パターン側ないしは放熱板パターン側のいずれに配置してもよい。また、合金箔は、あらかじめ金属板と積層しても良く、更には回路パターンないしは放熱板パターンに積層化しておいてもよい。
【００２７】
本発明の大きな特徴は、上記接合体を１ユニットとして２ユニット以上を積層する際、そのスペーサーとして、加重２５ＭＰａにおける圧縮率が２５％以上で、かつ厚みが０．１〜２mmである耐熱材料を、厚み０．１〜０．４mmの窒化ケイ素板で挟んでなる構造のものを用いたことである。
【００２８】
本発明においては、耐熱材料の圧縮性が非常に重要である。セラミックス基板自体は、少なからず反りやうねりなどの変形を生じている。したがって、良好な接合状態を得るためのスペーサーの条件としては、このセラミックス基板の反りやうねりに対して、十分に追従できる柔軟性（圧縮性）を有していることである。加重２５ＭＰａにおける圧縮率が２５％未満である場合には、セラミックス基板の反りやうねりに対して十分に追従することができずに接合不良を招く。本発明においては、加重２５ＭＰａにおける圧縮率が４０％以上を有する耐熱材料であることが好ましい。このような特性を有する耐熱材料としては、黒鉛シートが最適であるが、セラミックファイバー等も使用することができる。
【００２９】
耐熱材料の厚みは、０．１〜２mmである。０．１mm未満では、加重２５ＭＰａにおける圧縮率が２５％以上であっても、セラミックス基板の反りやうねりに対して十分に追従できる圧縮量を得ることができないため、良好な接合状態を得る事はできない。逆に、厚みが２ｍｍ超であると、追従性は十分確保でき、良好な接合状態が得られるが、積層体におけるスペーサーの占める割合が大きくなりすぎるため、生産性の点で不利である。耐熱材料の厚み０．１〜２mmを形成するには、そのような厚みを有するもの一枚であってもよく、０．１〜０．５mmの比較的厚みの薄いものを複数枚重ね合わせてもよい。
【００３０】
スペーサーの他の構成材である窒化ケイ素板の厚みは、０．１〜０．４mmである。０．１mm未満であると、十分なたわみ量を有するが、耐加重量が極端に小さくなるため、接合における加圧時や、接合後の解体時に破損する。また、０．４ｍｍを超えると、加圧量に対して十分なたわみ量を確保することができなくなり、良好な接合状態を得ることができない。窒化ケイ素板の代わりに、窒化アルミニウム板やアルミナ板などであっては、加圧時に十分なたわみ量が取れない。
【００３１】
【実施例】
以下、実施例と比較例をあげて更に具体的に説明する。
【００３２】
実施例１
窒化アルミニウム基板（７０ｍｍ×３０ｍｍ×厚み０．６３５ｍｍ）の表裏両面に、銀粉末７２部、銅粉末２８部、ジルコニウム粉末２５部、テレピネオール１５部及び有機結合剤としてエチルセルロースのトルエン溶液を固形分で１部混合して得られたろう材ペーストを７ｍｇ／ｃｍ²（乾燥後）塗布し乾燥後、銅板（７０ｍｍ×３０ｍｍ×厚み０．２５ｍｍ）を表裏両面に積層した。
【００３３】
得られた積層体を１ユニットとする２５ユニットを各ユニット間にスペーサーを介在させて積層し、所定の圧力で加圧し、高真空中、９００℃、３０分加熱して接合体を製造した。スペーサーは、２枚の窒化ケイ素板（１枚の厚みを表１に記載）の間に黒鉛シート（東洋炭素社製：加重２５ＭＰａにおける圧縮率と厚みを表１に記載）を挟んだものを使用した。
【００３４】
得られた接合体の銅板上に紫外線硬化型のエッチングレジストをスクリーン印刷にて回路パターンに塗布後、塩化第２銅溶液を用いてエッチング処理を行って銅箔不要部分を溶解除去し、銅回路を形成した。更に、銅回路間に残留した不要ろう材及び活性金属成分と窒化アルミニウム基板の反応物を６０℃の１０％フッ化アンモニウム溶液に１０分間浸漬して除去した後、エッチングレジストを剥離し、銅回路を有する接合体を製造した。
【００３５】
得られた２５枚の銅回路を有する接合体について、銅回路の表面状態、銅回路の接合状態を観察した。それらの結果を表１に示す。
【００３６】
実施例２〜１０比較例１〜６
窒化アルミニウム基板又は窒化ケイ素基板（７０ｍｍ×３０ｍｍ×厚み０．６３５ｍｍ）の表裏両面に、表１に示される回路材質の金属板を接合した。回路材質が銅である場合は、実施例１に準じて銅回路を有する接合体を製造した。それらの結果を表１に示す。
【００３７】
また、回路材質がアルミニウムである場合には、窒化アルミニウム基板（７０ｍｍ×３０ｍｍ×厚み０．６３５ｍｍ）又は窒化ケイ素基板（７０ｍｍ×３０ｍｍ×厚み０．６３５ｍｍ）の表裏両面に、接合ろう材として、Ａｌ−４%Ｃｕ合金箔を積層し、次いで、Ａｌ金属板（７０ｍｍ×３０ｍｍ×厚み０．４ｍｍ）を表裏両面に積層した。そして、得られた積層体を１ユニットとする２５ユニットを各ユニット間に表１に示されるスペーサーを挟み、表１に示される所定の圧力で加圧し、真空中、６３０℃、２０分加熱して接合体を製造した。その後、接合体のＡｌ板上に紫外線硬化型のエッチングレジストをスクリーン印刷にて回路パターンに塗布後、ＦeＣｌ₃を用いてエッチング処理を行ってＡｌ箔不要部分を溶解除去し、Ａｌ回路を有する接合体を製造した。これらの２５枚の接合体について、Ａｌ回路の表面状態、Ａｌ回路の接合状態を観察した。それらの結果を表１に示す。
【００３８】
比較例７〜１０
回路材質をアルミニウムとし、スペーサーを表１に示される構成のものを用いたこと以外は、実施例７等に準じてＡｌ回路を有する接合体を製造した。比較例１０では、銅板（７０ｍｍ×３０ｍｍ×厚み０．３ｍｍ）にカーボンスプレー（日本船舶工具社製商品名「ＤＧＦ」）を塗布したスペーサーを用いた。
【００３９】
【表１】

【００４０】
表１から、次のことがわかる。本発明の実施例１〜１０と比較例１〜６の対比から、構成材料が同じスペーサーであってもそれらの構成比が違うと、金属の表面状態、金属とセラミックスの接合状態が異なり、本発明の実施例が優れている。特に、セラミックスペーサーの厚みが薄く、黒鉛スペーサーの圧縮率が大きいものを用いると、接合性の効果が顕著となる（実施例４、９）。一方、スペーサーの構成材料を本発明と違えると、追従性が十分に確保できないため、接合不良が生じ（比較例７〜９）、スペーサー厚みが薄いと加圧時に破損が生じた（比較例７、８）。カーボンスプレーを用いた比較例１０では、良好な接合状態は得られたが、Ａｌ表面にカーボンの付着が認められ、Ａｌ表面の研削を行う必要があった。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、金属の表面状態、金属とセラミックスの接合状態を損なわせることなく生産性を著しく高めてセラミックスと金属の接合体を製造することができる。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a joined body made of ceramics and a metal circuit and / or a metal plate for forming a metal circuit.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a method for joining a metal circuit or a metal plate for forming a metal circuit (hereinafter also simply referred to as “metal plate”) to a ceramic substrate, a ceramic substrate and a metal in which a brazing material containing an active metal is interposed. Active metal method (Japanese Patent Laid-Open No. 60-177634) for heat-bonding a laminate with a plate under high vacuum, an oxide ceramic substrate or an aluminum nitride substrate obtained by oxidizing the surface and a copper circuit and / or a copper circuit A DBC method (Japanese Patent Laid-Open No. 56-163093) is generally employed in which a direct laminate with a forming copper plate is heated and bonded at a temperature not higher than the melting point of copper and not lower than a eutectic temperature of Cu-O. Furthermore, a brazing material containing no active metal is used after metallizing with a refractory metal such as Mo, Mn, or W via a metal oxide such as Si, Al, Mg, Ca, or Fe on a ceramic substrate. There is also a metallization method in which metal plates are heated and joined.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above active metal method or DBC method is inferior in productivity because it is heat-bonded with a laminate of a ceramic substrate and a metal plate as one unit. In order to solve this drawback, two or more units may be laminated and heat-treated, but in this case, the metals are fused together, making it difficult to peel off.
[0004]
Therefore, heat bonding is performed between the units via a spacer. The required properties of the spacer used for this are ceramic thin plates (Japanese Patent Laid-Open No. 7-223878) from the viewpoints of small volume, chemical stability, repetitive use, no misalignment, and easy availability. ) Is adopted.
[0005]
However, if the ceramic spacer is significantly warped in the ceramic substrate and / or the spacer to be bonded to the metal plate, the unit sandwiched between the spacers may be heated and bonded while applying a load from the vertical direction of the ceramic substrate. There is a problem in that a non-contact portion or an insufficient adhesion portion is generated between the metal plate and the ceramic substrate, so that poor bonding is likely to occur.
[0006]
Accordingly, a proposal to use a metal spacer having a non-oxide layer surface such as BN or carbon in order to join the metal plate and the ceramic substrate following the warp during the heat treatment (Japanese Patent Laid-Open No. 6-123684). Gazette).
[0007]
However, in heat bonding that requires a pressure of 1 MPa or more from the vertical direction of the ceramic substrate, BN and carbon remain as deposits on the surface of the metal plate, so post-processing such as surface cleaning and surface grinding is required after bonding. Become. In particular, when the circuit metal is Al and / or an Al alloy, Al itself softens in the bonding temperature range, so that adhesion to the Al surface becomes significant. Furthermore, since the metal spacer is easily deformed by repeated pressurizing and heating joining, it takes time for quality control.
[0008]
The object of the present invention is that the spacer can be restored after the heat-bonding treatment, and a good joined body can be produced by easily deforming in accordance with the warp of the ceramic substrate at the time of pressurization and heating. It is to provide a manufacturing method of a joined body that can be kept clean. The object of the present invention can be achieved by using a spacer in which a heat-resistant material rich in flexibility and compressibility is sandwiched between thin silicon nitride plates.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
That is, in the present invention, two or more units, each comprising a laminate obtained by laminating a ceramic substrate and a metal plate with or without a brazing material containing an active metal as one unit, are laminated via a spacer. Thereafter, in the method of heat-bonding while pressing in a direction perpendicular to the ceramic substrate, the spacer is made of a heat-resistant material having a compression rate of 25% or more at a load of 25 MPa and a thickness of 0.1 to 2 mm. It is a method for producing a joined body characterized in that it is sandwiched between ˜0.4 mm silicon nitride plates, and the pressure is 1 MPa or more.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the following, the present invention will be described in more detail. Conventional ceramic substrates, metal plates, brazing materials containing active metals, etc. used in the present invention are sufficient. It is.
[0011]
As the ceramic substrate, an aluminum nitride substrate, an alumina substrate, a mullite substrate, or the like is used. Among them, an active metal and an aluminum nitride substrate in the metallization method, an alumina substrate in the DBC method, an mullite substrate, and an aluminum nitride substrate whose surface is oxidized. The thickness of the ceramic substrate is generally 0.635 mm, but is not particularly limited.
[0012]
The material of the metal plate is copper in the case of the DBC method, and copper, aluminum, tungsten, molybdenum and the like in the case of the active metal method and the metallization method, but copper is generally used. Usually, the metal plate is bonded to one surface of the ceramic substrate, and the metal heat radiating plate is bonded to the other surface, but there is a structure in which the metal heat radiating plate is not provided. The above-described materials are also used for the metal heat sink.
[0013]
When copper is used as the metal circuit, the metal component of the brazing filler metal in the active metal method is mainly composed of silver and copper, and the active metal is used as a subcomponent in order to ensure wettability with the ceramic substrate during melting. Specific examples of the active metal component include titanium, zirconium, hafnium, niobium, tantalum, vanadium, and compounds and alloys containing these as components. The ratio of these metal components is 69 to 75 parts by weight of silver (mass parts, hereinafter the same) and 3 to 35 parts of active metal per 100 parts of the total amount of copper to 25 to 31 parts.
[0014]
The brazing material used in the active metal method or the metallizing method is usually used as a paste, which adds an organic solvent and, if necessary, an organic binder to the metal component of the brazing material, roll, kneader, Banbury mixer, universal mixing It can be prepared by mixing with a machine, a rough machine or the like. As the organic solvent, methyl cellosolve, ethyl cellosolve, terpineol, isophorone, toluene and the like are used, and as the organic binder, methyl cellulose, ethyl cellulose, polymethyl methacrylate and the like are used.
[0015]
In the case of the active metal method or the metallization method, the brazing paste is applied to both the front and back surfaces of the ceramic substrate by screen printing, roll coater method, brush coating, etc., and then the metal plate on one side and the other side The metal heat sink is usually laminated to form one unit of the laminate. In the case of the DBC method, a copper circuit and / or a copper circuit forming copper plate and a ceramic substrate are directly laminated to form one unit of a laminated body without using a brazing paste.
[0016]
In the case of a laminate of units by an active metal method or a metallization method, the heat treatment conditions at the time of bonding are a temperature of 800 to 950 ° C. and 0.1 to 1 hour under a high vacuum of 1 × 10 ⁻⁵ Torr, On the other hand, in the case of a laminate of units by the DBC method, the temperature is 1063 to 1083 ° C. in a non-oxidizing atmosphere such as nitrogen.
[0017]
Next, when the metal circuit is Al or an Al alloy, a bonding material such as an Al-Cu alloy, an Al-Si alloy, an Al-Si-Mg alloy, an Al-Ge alloy, or an Al-Si-Ge alloy is used. However, it is desirable to use an Al—Cu alloy. The reason is as follows.
[0018]
First, Al-Cu alloys are widely used as high-strength Al alloys and heat-resistant Al alloys compared to Al-Si-based, Al-Ge-based, or systems in which Mg is added to these. This is also advantageous in terms of cost.
[0019]
The second is that Al-Cu alloy is more likely to diffuse uniformly in Al than Si or Ge, so local melting occurs, or excess brazing material is pushed out, and it is less likely to cause stagnation. This is because stable bonding is possible in a relatively short time.
[0020]
The Al—Cu based alloy may contain not only a binary alloy of Al and Cu, but also a gallium component. For example, in addition to Al and Cu, components such as Mg, Zn, In, Mn, Cr, Ti, and Bi may be included in a total of about 5% or less.
[0021]
Moreover, it is preferable that the ratio of Cu of an Al-Cu type alloy is 1 to 6%. If it is less than 1%, the bonding temperature becomes high and approaches the melting point of Al, and if it exceeds 6%, the diffusion part of the brazing material after bonding becomes particularly hard, which is disadvantageous for the thermal history of the circuit board. Preferably it is 1.5 to 5%.
[0022]
The Al—Cu-based alloy can be used as a foil or a powder, but a foil is preferable, and a thickness of 1/3 to 1/30 is particularly preferable with respect to the thickness of the circuit. If it is less than 1/30, sufficient bonding becomes difficult, and if it exceeds 1/3, the circuit becomes hard and disadvantageous to the thermal history of the circuit board.
[0023]
When an Al—Cu alloy is used as a bonding material, the bonding temperature is 540 to 640 ° C., but the appropriate range varies depending on the composition of the bonding material. When a relatively low melting point component such as Zn or In is added, or when the content of Cu or Mg is relatively large, sufficient bonding can be achieved even at 600 ° C. or lower. If the bonding temperature exceeds 640 ° C., it is not preferable because a bonding failure is likely to occur.
[0024]
In the present invention, pressure is applied in the direction perpendicular to the ceramic substrate surface during heat bonding. The applied pressure is particularly preferably 1 MPa or more, particularly 1 to 10 MPa. Usually, in the production of a circuit board, a pressure is applied by applying a weight when joining a metal plate and a ceramic substrate, but the pressure is at most about 0.01 MPa. With such a pressure, the metal plate can only follow relatively gentle warping and undulation of the ceramic substrate. On the other hand, in the present invention, it is preferable to apply a high pressure of 1 MPa or more, particularly 1 to 10 MPa, which is insane in the prior art. As a result, a normal level substrate can be used as it is without requiring particularly strict smoothness and flatness of the ceramic substrate, and productivity is improved.
[0025]
The pressing direction is a direction perpendicular to the ceramic substrate, and the method thereof is not particularly limited. A method of placing a weight, a method of mechanically using a jig or the like, and the like are employed.
[0026]
When a bonding material (brazing material) is used, it may be disposed on the ceramic substrate side, the metal plate side, or the circuit pattern side or the heat sink pattern side formed from the metal plate. The alloy foil may be laminated with a metal plate in advance, or may be laminated with a circuit pattern or a heat sink plate pattern.
[0027]
A major feature of the present invention is that when two or more units are laminated with the above joined body as one unit, a heat resistant material having a compressibility at a load of 25 MPa of 25% or more and a thickness of 0.1 to 2 mm is used as the spacer. And having a structure sandwiched between silicon nitride plates having a thickness of 0.1 to 0.4 mm.
[0028]
In the present invention, the compressibility of the heat-resistant material is very important. The ceramic substrate itself has undergone deformations such as warping and undulation. Therefore, the condition of the spacer for obtaining a good bonded state is that it has flexibility (compressibility) that can sufficiently follow the warp and waviness of the ceramic substrate. When the compressibility at a load of 25 MPa is less than 25%, it is not possible to sufficiently follow the warp and undulation of the ceramic substrate, resulting in poor bonding. In the present invention, a heat resistant material having a compression rate of 40% or more at a load of 25 MPa is preferable. As the heat-resistant material having such characteristics, a graphite sheet is optimal, but ceramic fibers or the like can also be used.
[0029]
The thickness of the heat resistant material is 0.1 to 2 mm. If it is less than 0.1 mm, even if the compression rate at a load of 25 MPa is 25% or more, it is not possible to obtain a compression amount that can sufficiently follow the warping and waviness of the ceramic substrate, so that it is possible to obtain a good bonded state. Can not. On the other hand, if the thickness is more than 2 mm, sufficient followability can be secured and a good bonded state can be obtained, but the proportion of spacers in the laminate is too large, which is disadvantageous in terms of productivity. In order to form a heat-resistant material having a thickness of 0.1 to 2 mm, one sheet having such a thickness may be used, and a plurality of relatively thin ones having a thickness of 0.1 to 0.5 mm are overlapped. Also good.
[0030]
The thickness of the silicon nitride plate, which is another constituent material of the spacer, is 0.1 to 0.4 mm. If the thickness is less than 0.1 mm, the amount of deflection is sufficient, but the resistance to added weight becomes extremely small, so that it is damaged at the time of pressurization in joining or at the time of disassembly after joining. On the other hand, if it exceeds 0.4 mm, it is impossible to secure a sufficient amount of deflection with respect to the pressurizing amount, and a good bonded state cannot be obtained. If an aluminum nitride plate or an alumina plate is used instead of the silicon nitride plate, a sufficient amount of deflection cannot be obtained during pressurization.
[0031]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples and comparative examples.
[0032]
Example 1
On the front and back surfaces of an aluminum nitride substrate (70 mm × 30 mm × thickness 0.635 mm), 72 parts of silver powder, 28 parts of copper powder, 25 parts of zirconium powder, 15 parts of terpineol, and a toluene solution of ethyl cellulose as an organic binder in a solid content of 1 after part mixing the brazing material paste obtained 7 mg / cm ² (after drying) coating was dried and laminated copper plate (70 mm × 30 mm × thickness 0.25 mm) on both sides.
[0033]
25 units each having the obtained laminate as one unit were laminated with a spacer interposed between the units, pressurized at a predetermined pressure, and heated in a high vacuum at 900 ° C. for 30 minutes to produce a joined body. As the spacer, a graphite sheet (manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd .: compressibility and thickness at a load of 25 MPa is described in Table 1) between two silicon nitride plates (the thickness of one sheet is described in Table 1) is used. did.
[0034]
After applying an ultraviolet curable etching resist to the circuit pattern by screen printing on the copper plate of the obtained joined body, etching is performed using a cupric chloride solution to dissolve and remove the unnecessary portion of the copper foil. Formed. Furthermore, after removing unnecessary brazing filler metal and active metal components remaining between the copper circuits and the reaction product of the aluminum nitride substrate by immersing them in a 10% ammonium fluoride solution at 60 ° C. for 10 minutes, the etching resist is stripped, and the copper circuit A joined body having the following characteristics was manufactured.
[0035]
About the obtained joined body which has 25 copper circuits, the surface state of the copper circuit and the joining state of the copper circuit were observed. The results are shown in Table 1.
[0036]
Examples 2 to 10 Comparative Examples 1 to 6
A metal plate of a circuit material shown in Table 1 was bonded to both the front and back surfaces of an aluminum nitride substrate or a silicon nitride substrate (70 mm × 30 mm × thickness 0.635 mm). When the circuit material was copper, a joined body having a copper circuit was manufactured according to Example 1. The results are shown in Table 1.
[0037]
Further, when the circuit material is aluminum, Al and Al are used as bonding brazing materials on both front and back surfaces of an aluminum nitride substrate (70 mm × 30 mm × thickness 0.635 mm) or a silicon nitride substrate (70 mm × 30 mm × thickness 0.635 mm). -4% Cu alloy foil was laminated, and then Al metal plates (70 mm × 30 mm × thickness 0.4 mm) were laminated on both the front and back surfaces. Then, 25 units each having the obtained laminate as one unit are sandwiched between the units and the spacers shown in Table 1 are sandwiched between them, pressurized at a predetermined pressure shown in Table 1, and heated in a vacuum at 630 ° C. for 20 minutes. Thus, a joined body was manufactured. After that, an ultraviolet curable etching resist is applied to the circuit pattern by screen printing on the Al plate of the joined body, and then an etching process is performed using FeCl ₃ to dissolve and remove unnecessary portions of the Al foil, thereby joining the Al circuit. The body was manufactured. About these 25 joined bodies, the surface state of the Al circuit and the joined state of the Al circuit were observed. The results are shown in Table 1.
[0038]
Comparative Examples 7-10
A joined body having an Al circuit was manufactured in accordance with Example 7 or the like except that the circuit material was aluminum and the spacer having the structure shown in Table 1 was used. In Comparative Example 10, a spacer obtained by applying a carbon spray (trade name “DGF” manufactured by Nippon Ship Tool Co., Ltd.) to a copper plate (70 mm × 30 mm × thickness 0.3 mm) was used.
[0039]
[Table 1]

[0040]
Table 1 shows the following. From the comparison of Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 6 of the present invention, even if the constituent materials are the same spacer, if the constituent ratios are different, the surface state of the metal and the joining state of the metal and the ceramic are different. Embodiments of the invention are excellent. In particular, when a ceramic spacer having a thin thickness and a graphite spacer having a large compressibility is used, the effect of bonding becomes remarkable (Examples 4 and 9). On the other hand, if the constituent material of the spacer is different from that of the present invention, sufficient followability cannot be ensured, resulting in poor bonding (Comparative Examples 7 to 9). 8). In Comparative Example 10 using carbon spray, a good bonding state was obtained, but carbon adhesion was observed on the Al surface, and it was necessary to grind the Al surface.
[0041]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, productivity can be improved significantly and the joined body of ceramics and a metal can be manufactured, without impairing the surface state of a metal, and the joining state of a metal and ceramics.

Claims

Two or more units, each comprising a laminated body obtained by laminating a ceramic substrate and a metal circuit and / or a metal plate for forming a metal circuit, with or without a brazing material containing an active metal, via a spacer In this method, the spacer is a heat-resistant material having a compressibility of 25% or more at a load of 25 MPa and a thickness of 0.1 to 2 mm. A method for producing a joined body, which is sandwiched between 0.1 to 0.4 mm silicon nitride plates, and wherein the pressure is 1 MPa or more.