JP5128829B2 - 金属−セラミックス接合基板およびそれに用いるろう材 - Google Patents

金属−セラミックス接合基板およびそれに用いるろう材 Download PDF

Info

Publication number
JP5128829B2
JP5128829B2 JP2007048793A JP2007048793A JP5128829B2 JP 5128829 B2 JP5128829 B2 JP 5128829B2 JP 2007048793 A JP2007048793 A JP 2007048793A JP 2007048793 A JP2007048793 A JP 2007048793A JP 5128829 B2 JP5128829 B2 JP 5128829B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
metal
mass
powder
furnace
amount
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2007048793A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2008208013A (ja
Inventor
明朗 沢辺
泰章 加藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dowa Metaltech Co Ltd
Original Assignee
Dowa Metaltech Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dowa Metaltech Co Ltd filed Critical Dowa Metaltech Co Ltd
Priority to JP2007048793A priority Critical patent/JP5128829B2/ja
Priority to EP08003473A priority patent/EP1965423B1/en
Publication of JP2008208013A publication Critical patent/JP2008208013A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP5128829B2 publication Critical patent/JP5128829B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3735—Laminates or multilayers, e.g. direct bond copper ceramic substrates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/02—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape
    • B23K35/0222—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape for use in soldering, brazing
    • B23K35/0244—Powders, particles or spheres; Preforms made therefrom
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
    • B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
    • B23K35/30—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 1550 degrees C
    • B23K35/3006—Ag as the principal constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B37/00—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating
    • C04B37/02—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles
    • C04B37/023—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles characterised by the interlayer used
    • C04B37/026—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles characterised by the interlayer used consisting of metals or metal salts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
    • H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
    • H01L23/3737—Organic materials with or without a thermoconductive filler
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/38—Improvement of the adhesion between the insulating substrate and the metal
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/70—Aspects relating to sintered or melt-casted ceramic products
    • C04B2235/96—Properties of ceramic products, e.g. mechanical properties such as strength, toughness, wear resistance
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/02—Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/12—Metallic interlayers
    • C04B2237/125—Metallic interlayers based on noble metals, e.g. silver
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/02—Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/12—Metallic interlayers
    • C04B2237/126—Metallic interlayers wherein the active component for bonding is not the largest fraction of the interlayer
    • C04B2237/127—The active component for bonding being a refractory metal
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/32—Ceramic
    • C04B2237/36—Non-oxidic
    • C04B2237/366—Aluminium nitride
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/40—Metallic
    • C04B2237/407—Copper
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/50—Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/70—Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness
    • C04B2237/704—Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness of one or more of the ceramic layers or articles
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/50—Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/70—Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness
    • C04B2237/706—Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness of one or more of the metallic layers or articles
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/03—Use of materials for the substrate
    • H05K1/0306—Inorganic insulating substrates, e.g. ceramic, glass
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2201/00—Indexing scheme relating to printed circuits covered by H05K1/00
    • H05K2201/03—Conductive materials
    • H05K2201/0332—Structure of the conductor
    • H05K2201/0335—Layered conductors or foils
    • H05K2201/0355—Metal foils

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)
  • Manufacturing Of Printed Wiring (AREA)

Description

本発明は、金属−セラミックス接合基板およびそれに用いるろう材に関し、特に、ろう材を介して金属板がセラミックス基板に接合された金属−セラミックス接合基板およびそれに用いるろう材に関する。
従来、電気自動車、電車、工作機械などの大電流を制御するためにパワーモジュールが使用されており、パワーモジュールには、セラミックス基板の両面に金属板が接合した金属−セラミックス接合基板が使用されている。このような金属−セラミックス接合基板の一方の面（裏面、放熱面）には、比較的厚い銅板などの放熱板（ベ−ス板）が半田付けにより固定されており、他方の面（上面）には、半導体チップが半田付けにより固定されている。
また、金属−セラミックス接合基板のセラミックス基板として、軽量且つ高硬度で、電気絶縁性、耐熱性、耐食性などに優れた窒化物系セラミックス材料などからなる基板が使用されている。また、銅板などの金属板と窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板などのセラミックス基板との間に、活性金属を含むろう材を介在させて、加熱処理により金属板とセラミックス基板を接合する方法（活性金属法）（例えば、特許文献１参照）が知られている。
特開昭６０−１７７６３４号公報（第２−３頁）
近年、環境汚染の防止の観点から、従来のＰｂ入り半田（鉛を含む半田）の代わりにＰｂフリ−半田（実質的に鉛を含まない半田）が使用されており、金属−セラミックス接合基板においても半導体チップを固定するためにＰｂフリー半田が使用され始めている。しかし、パワーモジュールなどに使用する金属−セラミックス接合基板の裏面（放熱面）に金属ベース板（放熱板）を固定するためにＰｂフリ−半田を使用すると、金属−セラミックス接合基板（特に銅や銅合金からなる金属板をセラミックス基板に接合した銅−セラミックス接合基板）への熱衝撃時の応力が大きくなって、セラミックス基板にクラックが生じるという問題があり、また、金属−セラミックス接合基板に繰り返しヒートサイクルが加えられた後に半田にクラックが生じるという問題もある。これは、Ｐｂフリ−半田が従来の半田に比べて硬いので、半田の塑性変形による応力緩和の効果が小さいためであると考えられる。そのため、金属−セラミックス接合基板に放熱板を固定する場合にＰｂフリー半田を使用しても、半田やセラミックス基板にクラックが生じるのを防止することができる金属−セラミックス接合基板が望まれている。
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、耐ヒートサイクル性に優れた金属−セラミックス接合基板およびその金属−セラミックス接合基板に使用するろう材を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、ろう材を介して金属板がセラミックス基板に接合された金属−セラミックス接合基板において、金属板をセラミックス基板に接合するためのろう材として、０〜４０質量％のＣｕと、０．５〜４．５質量％の活性金属と、０〜２質量％の酸化チタンと、０．１〜５質量％の酸化ジルコニウムと、残部としてＡｇを含む粉体をビヒクルに添加して混練したろう材を使用することにより、耐ヒートサイクル性に優れた金属−セラミックス接合基板を製造することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明による金属−セラミックス接合基板は、ろう材を介して金属板がセラミックス基板に接合された金属−セラミックス接合基板において、金属板をセラミックス基板に接合するためのろう材として、０〜４０質量％のＣｕと、０．５〜４．５質量％の活性金属と、０〜２質量％の酸化チタンと、０．１〜５質量％の酸化ジルコニウムと、残部としてＡｇを含む粉体をビヒクルに添加して混練したろう材を使用することを特徴とする。この金属−セラミックス接合基板において、粉体中のＣｕの量が１〜３５質量％、活性金属の量が１〜３質量％、酸化チタンの量が０．２〜１質量％、酸化ジルコニウムの量が０．２〜５質量％であるのが好ましく、粉体中のＣｕの量が５〜３０質量％、活性金属の量が１〜２質量％、酸化チタンの量が０．２〜０．９質量％、酸化ジルコニウムの量が０．２〜１質量％であるのがさらに好ましい。
また、本発明によるろう材は、０〜４０質量％のＣｕと、０．５〜４．５質量％の活性金属と、０〜２質量％の酸化チタンと、０．１〜５質量％の酸化ジルコニウムと、残部としてＡｇを含む粉体がビヒクルに添加されて混練されたことを特徴とする。このろう材において、粉体中のＣｕの量が１〜３５質量％、活性金属の量が１〜３質量％、酸化チタンの量が０．２〜１質量％、酸化ジルコニウムの量が０．２〜５質量％であるのが好ましく、粉体中のＣｕの量が５〜３０質量％、活性金属の量が１〜２質量％、酸化チタンの量が０．２〜０．９質量％、酸化ジルコニウムの量が０．２〜１質量％であるのがさらに好ましい。
本発明によれば、耐ヒートサイクル性に優れた金属−セラミックス接合基板およびその金属−セラミックス接合基板に使用するろう材を提供することができる。
本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態は、０〜４０質量％のＣｕと、０．５〜４．５質量％の活性金属と、０〜２質量％の酸化チタンと、０．１〜５質量％の酸化ジルコニウムと、残部としてＡｇを含む粉体をビヒクルに添加して混練することによって作製したペースト状ろう材をセラミックス基板に塗布した後、ろう材の上に金属板を配置して加熱することによって、ろう材を介して金属板をセラミックス基板に接合して製造される。
ビヒクルに添加される粉体中のＡｇの量は、６０質量％未満であると、ＡｇとＣｕとの共晶点から大きくはずれて融点が高くなり、エネルギーコストや熱応力が大きくなったり、ろう材中のボイドなどの接合欠陥が増大するおそれがあるので、６０〜９９質量％であるのが好ましく、７０〜９５質量％であるのがさらに好ましく、８０〜９５質量％であるのが最も好ましい。
また、粉体中のＣｕの量は、４０質量％を超えると、上述したように、ＡｇとＣｕとの共晶点から大きくはずれて融点が高くなり、エネルギーコストや熱応力が大きくなったり、ろう材中のボイドなどの接合欠陥が増大するおそれがあるので、０〜４０質量％であるのが好ましく、１〜３５質量％であるのがさらに好ましく、５〜３５質量％であるのが最も好ましい。なお、粉体中にＣｕを含まない場合や粉体中に含まれるＣｕの量が少な過ぎる場合にも、ＡｇとＣｕとの共晶点から大きくはずれてろう材の融点が高くなるが、Ａｇの融点である９６０℃以下に抑えることができ、また、セラミックス基板に接合する金属板がＣｕやＡｌなどの成分を含む場合には、セラミックス基板を金属板に接合する際にろう材がその成分と反応して、ろう材の融点より低い温度で溶融する場合が多いので、そのような場合には上記のような問題はない。
また、活性金属としては、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆなどの少なくとも一種の金属またはその水素化合物を使用することができる。粉体中の活性金属の量は、０．５質量％未満では金属板とセラミックス基板の間に生成される窒化物層が少なくなって接着強度が非常に弱くなり、一方、４．５質量％を超えると接着強度が高くなるが接合後に半田やセラミックス基板にクラックが生じ易くなるので、０．５〜４．５質量％であるのが好ましく、１〜３質量％であるのがさらに好ましく、１〜２質量％であるのが最も好ましい。
また、酸化チタンの形態は、ＴｉＯ、Ｔｉ２Ｏ３、ＴｉＯ２などのいずれの形態でもよい。粉体中の酸化チタンの量は、２質量％を超えると金属板をセラミックス基板に接合させるのが困難になるので、０〜２質量％であるのが好ましい。また、酸化チタンは結晶質でも非晶質でもよい。なお、ろう材中に酸化チタンと酸化ジルコニウムを共存させると、金属−セラミックス接合基板の金属とセラミックスに発生する熱応力を著しく緩和する作用があるので、０．２〜１重量％の酸化チタンを添加するのがさらに好ましく、０．２〜０．９重量％の酸化チタンを添加するのが最も好ましい。
さらに、酸化ジルコニウムの形態は、ＺｒＯやＺｒＯ２などのいずれの形態でもよい。粉体中の酸化ジルコニウムの量は、０．１質量％未満では、耐ヒートサイクル性、抗折強度、たわみ量、通炉耐量、絶縁抵抗、部分放電性などの特性に優れた金属−セラミックス接合基板を製造することができず、一方、５質量％を超えると金属板をセラミックス基板に接合させるのが困難になるので、０．１〜５質量％であるのが好ましく、０．２〜５質量％であるのがさらに好ましく、０．２〜１質量％であるのが最も好ましい。この範囲の量の酸化ジルコニウムを含むろう材を使用することによって上記のような特性が向上する理由は明確ではないが、破壊靱性値が高い酸化ジルコニウムがろう材に含まれることにより、金属−セラミックス接合基板に繰り返しヒートサイクルが加えられた時に銅板などの金属板の伸縮時による応力を緩和して、金属−セラミックス接合基板への影響を低減することができるためであると考えられる。また、酸化ジルコニウムは結晶質でも非晶質でもよく、その結晶系は、立方晶、正方晶、斜方晶系のいずれでもよい。
なお、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）により、ろう材の断面の組成分布観察を行ったところ、ろう材中の酸化ジルコニウムは活性金属と結合して均一に分散されていた。また、ろう材に酸化ジルコニウムを添加していない場合には、活性金属がセラミックス基板の表面付近に層になって濃縮していた。この活性金属の層は脆い層であり、ろう材中に酸化ジルコニウムを添加したり、酸化ジルコニウムと酸化チタンを添加することによって、ろう材中の酸化ジルコニウムと活性金属が結合して、活性金属の脆い層がなくなるか、あるいは薄くなって、耐ヒートサイクル性、抗折強度、たわみ量、通炉耐量などの特性を向上させることができると考えられる。なお、理由は明確ではないが、ろう材中に酸化ジルコニウムを添加したり、酸化ジルコニウムと酸化チタンを添加することによって、絶縁抵抗や部分放電性も向上させることができる。
以下、本発明による金属−セラミックス接合基板およびそれに用いるろう材の実施例について詳細に説明する。
［実施例１］
固形分として、９２．０質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、１．５質量％のＴｉ粉と、０．５質量％のＺｒＯ２粉とからなる粉体１００重量部に、１２．２重量部のビヒクル（アクリル系のバインダと溶剤を含むビヒクル）を添加して混練することによって、ペースト状のろう材を作製した。このろう材ペーストを４６ｍｍ×４３ｍｍ×０．６ｍｍのＡｌＮ基板（セラミックス基板）の両面の全体に塗布した後、このろう材ペーストを介してセラミックス基板の各々の面に厚さ０．３ｍｍの銅板（金属板）を重ねて接合炉に入れ、８３５℃に加熱して金属板をセラミックス基板に接合した。その後、金属板上に所定の回路パターン形状のエッチングレジストを形成し、薬液で不要な金属およびろう材を除去し、エッチングレジストを除去することにより、所定の回路パターンが形成された金属−セラミックス接合基板を得た。
本実施例で得られた金属−セラミックス接合基板の５つのサンプルについて、通炉処理（還元雰囲気（水素／窒素＝２０／８０）下において４００℃で２分間加熱した後に室温まで冷却する処理）を繰り返し、通炉耐量（通炉回数）により、信頼性を評価した。すなわち、通炉処理後にセラミックス基板にクラックが発生するか否かを拡大鏡で外観検査して、クラックが発生したときの通炉処理の回数の直前の通炉処理の回数を通炉耐量（通炉回数）とし、この通炉耐量によって、金属−セラミックス接合基板の信頼性を評価した。その結果、本実施例で得られた金属−セラミックス接合基板の５つのサンプルの通炉耐量（通炉回数）は、最小値、最大値およびの平均値がいずれも１５回であった。
また、本実施例で得られた金属−セラミックス接合基板について、負荷速度（クロスヘッドスピード）０．５ｍｍ／分、スパン間距離３０ｍｍの測定条件で、初期および通炉３回後（還元雰囲気（水素／窒素＝２０／８０）下において３７０℃で２分間加熱した後に室温まで冷却する処理を３回繰り返した後）の３点曲げ抗折強度を測定した。この通炉後の３点曲げ抗折強度が高い程、金属−セラミックス接合基板の耐ヒートサイクル性が高い。その結果、初期抗折強度は７０１ＭＰａ、通炉３回後の抗折強度は３７１ＭＰａであった。
また、この３点曲げ抗折強度の際に金属−セラミックス接合基板が破壊された時の金属板のたわみ量を測定したところ、初期たわみ量は０．４０ｍｍ、通炉３回後のたわみ量は０．２２ｍｍであった。
［比較例］
酸化ジルコニウムの代わりに酸化チタンを使用した以外、すなわち、９２．０質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、１．５質量％のＴｉ粉と、０．５質量％のＴｉＯ２粉とからなる粉体を使用した以外は、実施例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を得た。また、本比較例で得られた金属−セラミックス接合基板の５つのサンプルについて、実施例１と同様の方法により、通炉耐量（通炉回数）、初期および通炉３回後の３点曲げ抗折強度、初期および通炉３回後のたわみ量を測定したところ、通炉耐量（通炉回数）の最小値は７回、最大値は１０回、平均値は７．６回であり、初期抗折強度は７０７ＭＰａ、通炉３回後の抗折強度は３０７ＭＰａ、初期たわみ量は０．４０ｍｍ、通炉３回後のたわみ量は０．１９ｍｍであった。
［実施例２］
９１．８質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、１．５質量％のＴｉ粉と、０．５質量％のＴｉＯ２粉と、０．２質量％のＺｒＯ２粉とからなる粉体を使用した以外は、実施例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を得た。また、本実施例で得られた金属−セラミックス接合基板の５つのサンプルについて、実施例１と同様の方法により、通炉耐量（通炉回数）、初期および通炉３回後の３点曲げ抗折強度、初期および通炉３回後のたわみ量を測定したところ、通炉耐量（通炉回数）の最小値は１５回、最大値は３５回、平均値は２５回であり、初期抗折強度は７１２ＭＰａ、通炉３回後の抗折強度は４４０ＭＰａ、初期たわみ量は０．４２ｍｍ、通炉３回後のたわみ量は０．２５ｍｍであった。
［実施例３］
９１．５質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、１．５質量％のＴｉ粉と、０．５質量％のＴｉＯ２粉と、０．５質量％のＺｒＯ２粉とからなる粉体を使用した以外は、実施例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を得た。また、本実施例で得られた金属−セラミックス接合基板の５つのサンプルについて、実施例１と同様の方法により、通炉耐量（通炉回数）、初期および通炉３回後の３点曲げ抗折強度、初期および通炉３回後のたわみ量を測定したところ、通炉耐量（通炉回数）の最小値は２５回、最大値は４０回、平均値は３４回であり、初期抗折強度は７３５ＭＰａ、通炉３回後の抗折強度は５８５ＭＰａ、初期たわみ量は０．４３ｍｍ、通炉３回後のたわみ量は０．３２ｍｍであった。
［実施例４］
９１．０質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、１．５質量％のＴｉ粉と、０．５質量％のＴｉＯ２粉と、１．０質量％のＺｒＯ２粉とからなる粉体を使用した以外は、実施例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を得た。また、本実施例で得られた金属−セラミックス接合基板の５つのサンプルについて、実施例１と同様の方法により、通炉耐量（通炉回数）、初期および通炉３回後の３点曲げ抗折強度、初期および通炉３回後のたわみ量を測定したところ、通炉耐量（通炉回数）の最小値は２５回、最大値は３５回、平均値は３１回であり、初期抗折強度は６７０ＭＰａ、通炉３回後の抗折強度は５８４ＭＰａ、初期たわみ量は０．４０ｍｍ、通炉３回後のたわみ量は０．３４ｍｍであった。
［実施例５］
８７．６質量％のＡｇ粉と、５．７質量％のＣｕ粉と、１．４質量％のＴｉ粉と、０．５質量％のＴｉＯ２粉と、４．８質量％のＺｒＯ２粉とからなる粉体を使用した以外は、実施例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を得た。また、本実施例で得られた金属−セラミックス接合基板の５つのサンプルについて、実施例１と同様の方法により、通炉耐量（通炉回数）、初期および通炉３回後の３点曲げ抗折強度、初期および通炉３回後のたわみ量を測定したところ、通炉耐量（通炉回数）の最小値は２０回、最大値は３５回、平均値は２７回であり、初期抗折強度は６６０ＭＰａ、通炉３回後の抗折強度は５９０ＭＰａ、初期たわみ量は０．４２ｍｍ、通炉３回後のたわみ量は０．３２ｍｍであった。
［実施例６］
８１．４質量％のＡｇ粉と、１６．１質量％のＣｕ粉と、１．５質量％のＴｉ粉と、０．５質量％のＴｉＯ２粉と、０．５質量％のＺｒＯ２粉とからなる粉体を使用した以外は、実施例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を得た。また、本実施例で得られた金属−セラミックス接合基板の５つのサンプルについて、実施例１と同様の方法により、通炉耐量（通炉回数）、初期および通炉３回後の３点曲げ抗折強度、初期および通炉３回後のたわみ量を測定したところ、通炉耐量（通炉回数）の最小値は２０回、最大値は３０回、平均値は２５回であり、初期抗折強度は６６４ＭＰａ、通炉３回後の抗折強度は４２６ＭＰａ、初期たわみ量は０．３９ｍｍ、通炉３回後のたわみ量は０．２５ｍｍであった。
［実施例７］
７０．０質量％のＡｇ粉と、２７．０質量％のＣｕ粉と、２．０質量％のＴｉ粉と、０．５質量％のＴｉＯ２粉と、０．５質量％のＺｒＯ２粉とからなる粉体を使用した以外は、実施例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を得た。また、本実施例で得られた金属−セラミックス接合基板の５つのサンプルについて、実施例１と同様の方法により、通炉耐量（通炉回数）、初期および通炉３回後の３点曲げ抗折強度、初期および通炉３回後のたわみ量を測定したところ、通炉耐量（通炉回数）の最小値は１５回、最大値は２５回、平均値は２２回であり、初期抗折強度は６５２ＭＰａ、通炉３回後の抗折強度は４０３ＭＰａ、初期たわみ量は０．３８ｍｍ、通炉３回後のたわみ量は０．２２ｍｍであった。
［実施例８］
９１．１質量％のＡｇ粉と、６．０質量％のＣｕ粉と、１．５質量％のＴｉ粉と、０．９質量％のＴｉＯ２粉と、０．５質量％のＺｒＯ２粉とからなる粉体を使用した以外は、実施例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を得た。また、本実施例で得られた金属−セラミックス接合基板の５つのサンプルについて、実施例１と同様の方法により、通炉耐量（通炉回数）、初期および通炉３回後の３点曲げ抗折強度、初期および通炉３回後のたわみ量を測定したところ、通炉耐量（通炉回数）の最小値は２０回、最大値は３０回、平均値は２６回であり、初期抗折強度は６７０ＭＰａ、通炉３回後の抗折強度は４３０ＭＰａ、初期たわみ量は０．３９ｍｍ、通炉３回後のたわみ量は０．２８ｍｍであった。
実施例１〜８および比較例において使用したろう材に添加する粉体の組成および製造した金属−セラミックス接合基板についての試験結果をそれぞれ表１および表２に示す。
Figure 0005128829
Figure 0005128829
表２からわかるように、実施例１〜８の金属−セラミックス接合基板では、比較例の金属−セラミックス接合基板と比べて、通炉耐量が２〜５倍以上であり、通炉３回後の抗折強度やたわみ量が極めて高くなっている。また、実施例１のように酸化物として酸化チタンを添加せずに酸化ジルコニウムだけを添加した場合でも、比較例のように酸化ジルコニウムを添加せずに酸化チタンを添加した場合と比べて、通炉耐量や通炉３回後の抗折強度とたわみ量を向上させることができるが、実施例２〜８のように酸化チタンと酸化ジルコニウムの両方を添加すると、通炉耐量や通炉３回後の抗折強度とたわみ量をさらに向上させることができる。
また、実施例２〜５と比較例の酸化ジルコニウムの添加量に対する初期および通炉３回後の３点曲げ抗折強度と通炉耐量をそれぞれ図１および図２に示す。これらの図に示すように、通炉耐量や通炉３回後の抗折強度とたわみ量は、微量の酸化ジルコニウムを添加することによって向上し、酸化ジルコニウムの添加量が０．５質量％のときにピークに達し、その後は飽和または微減している。特に、０．５質量％以上の酸化ジルコニウムを添加した場合、比較例の金属−セラミックス接合基板と比較して、通炉耐量が３〜５倍になり、通炉３回後の抗折強度が２倍近くまで高くなっている。
また、実施例６および７では、Ａｇの量を減らして、Ｃｕの量を増やしているが、比較例と比べて、通炉耐量が３倍以上になり、通炉３回後の抗折強度が１００ＭＰａ以上高くなっている。
［実施例９］
実施例３と比較例で得られた金属−セラミックス接合基板のサンプルと同じサンプルについて部分放電測定試験を行った。この部分放電測定試験では、それぞれのサンプルを絶縁油中に配置して交流電圧を印加し、放電電荷１０Ｐｃを越えた時点の印加電圧を部分放電開始電圧とした。その結果を図３に示す。図３に示すように、実施例３で得られた金属−セラミックス接合基板のサンプルと同じサンプルの部分放電開始電圧は、比較例で得られた金属−セラミックス接合基板のサンプルと同じサンプルの部分放電開始電圧の約２倍になっている。
［実施例１０］
実施例３と比較例で得られた金属−セラミックス接合基板のサンプルと同じサンプルをそれぞれ１２５℃に加熱して絶縁抵抗測定試験を行った。その結果を図４に示す。図４に示すように、実施例３で得られた金属−セラミックス接合基板のサンプルと同じサンプルの絶縁抵抗は、比較例で得られた金属−セラミックス接合基板のサンプルと同じサンプルの絶縁抵抗の１０倍程度に高くなっている。
実施例２〜５と比較例の酸化ジルコニウムの添加量に対する初期および通炉３回後の３点曲げ抗折強度を示すグラフである。 実施例２〜５と比較例の酸化ジルコニウムの添加量に対する通炉耐量を示すグラフである。 実施例３と比較例で得られた金属−セラミックス接合基板のサンプルと同じサンプルの部分放電開始電圧を示すグラフである。 実施例３と比較例で得られた金属−セラミックス接合基板のサンプルと同じサンプルを１２５℃に加熱したときの絶縁抵抗を示すグラフである。

Claims (6)

  1. ろう材を介して金属板がセラミックス基板に接合された金属−セラミックス接合基板において、金属板をセラミックス基板に接合するためのろう材として、５〜３０質量％のＣｕと、１〜３質量％の活性金属と、０．２〜１質量％の酸化チタンと、０．１〜５質量％の酸化ジルコニウムと、残部としてＡｇを含む粉体をビヒクルに添加して混練したろう材を使用することを特徴とする、金属−セラミックス接合基板。
  2. 前記粉体中の活性金属の量が１〜２質量％、酸化ジルコニウムの量が０．２〜５質量％であることを特徴とする、請求項１に記載の金属−セラミックス接合基板。
  3. 前記粉体中の活性金属の量が１〜２質量％、酸化チタンの量が０．２〜０．９質量％、酸化ジルコニウムの量が０．２〜１質量％であることを特徴とする、請求項１に記載の金属−セラミックス接合基板。
  4. ５〜３０質量％のＣｕと、１〜３質量％の活性金属と、０．２〜１質量％の酸化チタンと、０．１〜５質量％の酸化ジルコニウムと、残部としてＡｇを含む粉体がビヒクルに添加されて混練されたことを特徴とする、ろう材。
  5. 前記粉体中の活性金属の量が１〜２質量％、酸化ジルコニウムの量が０．２〜５質量％であることを特徴とする、請求項４に記載のろう材。
  6. 前記粉体中の活性金属の量が１〜２質量％、酸化チタンの量が０．２〜０．９質量％、酸化ジルコニウムの量が０．２〜１質量％であることを特徴とする、請求項４に記載のろう材。
JP2007048793A 2007-02-28 2007-02-28 金属−セラミックス接合基板およびそれに用いるろう材 Active JP5128829B2 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007048793A JP5128829B2 (ja) 2007-02-28 2007-02-28 金属−セラミックス接合基板およびそれに用いるろう材
EP08003473A EP1965423B1 (en) 2007-02-28 2008-02-26 Method for producing a metal/ceramic bonding substrate and brazing filler metal for use therein

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007048793A JP5128829B2 (ja) 2007-02-28 2007-02-28 金属−セラミックス接合基板およびそれに用いるろう材

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2008208013A JP2008208013A (ja) 2008-09-11
JP5128829B2 true JP5128829B2 (ja) 2013-01-23

Family

ID=39473328

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2007048793A Active JP5128829B2 (ja) 2007-02-28 2007-02-28 金属−セラミックス接合基板およびそれに用いるろう材

Country Status (2)

Country Link
EP (1) EP1965423B1 (ja)
JP (1) JP5128829B2 (ja)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2811513B1 (en) * 2012-02-01 2019-12-18 Mitsubishi Materials Corporation Method for producing substrate for power modules
CN102650012B (zh) * 2012-05-05 2013-07-31 张家港市和昊激光科技有限公司 专用于光纤激光熔覆的钴基金属陶瓷合金粉末
KR101412207B1 (ko) * 2012-05-25 2014-06-27 주식회사 케이씨씨 납재 페이스트 및 금속접합 세라믹스 회로기판
JP2014118310A (ja) * 2012-12-14 2014-06-30 Denki Kagaku Kogyo Kk セラミックス回路基板
JP2014172802A (ja) * 2013-03-12 2014-09-22 Mitsubishi Materials Corp 銅部材接合用ペースト、接合体、及びパワーモジュール用基板
CN103600066A (zh) * 2013-11-20 2014-02-26 毛桂林 一种专用于连续波光纤激光熔覆的钴基合金粉末
CN103600067A (zh) * 2013-11-20 2014-02-26 樊宇 一种专用于连续式光纤激光熔覆的钴基金属合金粉末
CN103614720A (zh) * 2013-11-20 2014-03-05 范贺良 一种专用于连续波光纤激光熔覆的钴基金属陶瓷合金粉末
JP6307386B2 (ja) * 2014-08-20 2018-04-04 デンカ株式会社 セラミックス回路基板
CN105195729A (zh) * 2015-05-22 2015-12-30 中国矿业大学 一种专用于连续式光纤激光合金化的陶瓷合金粉末

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0697671B2 (ja) 1984-02-24 1994-11-30 株式会社東芝 パワー半導体モジユール基板の製造方法
JPH0657622B2 (ja) * 1988-03-30 1994-08-03 松下電器産業株式会社 ろう付けペースト
WO1991016805A1 (en) * 1990-04-16 1991-10-31 Denki Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha Ceramic circuit board
JPH04292476A (ja) * 1991-03-14 1992-10-16 Tanaka Kikinzoku Kogyo Kk 銅を接合した窒化アルミニウム基板の製造方法
JP3460167B2 (ja) * 1996-04-05 2003-10-27 電気化学工業株式会社 金属回路を有する窒化アルミニウム回路基板の製造方法
US5955686A (en) * 1996-10-30 1999-09-21 Dowa Mining Co., Ltd. Brazing materials for producing metal-ceramics composite substrates
JP3682552B2 (ja) * 1997-03-12 2005-08-10 同和鉱業株式会社 金属−セラミックス複合基板の製造方法
JP2003101184A (ja) * 2001-09-27 2003-04-04 Kyocera Corp セラミック回路基板およびその製造方法
WO2005012206A1 (ja) * 2003-08-02 2005-02-10 Brazing Co., Ltd. ろう付用活性バインダー、該バインダーを用いたろう付用部品及びろう付製品、並びに、銀ろう付材
JP2006066752A (ja) * 2004-08-30 2006-03-09 Kyocera Corp セラミック回路基板

Also Published As

Publication number Publication date
JP2008208013A (ja) 2008-09-11
EP1965423A2 (en) 2008-09-03
EP1965423A3 (en) 2010-06-16
EP1965423B1 (en) 2011-10-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5128829B2 (ja) 金属−セラミックス接合基板およびそれに用いるろう材
CN107408538B (zh) 电路基板及半导体装置
CN114478045B (zh) 接合体、电路基板及半导体装置
KR100477866B1 (ko) 금속-세라믹 복합 기판, 그의 제조방법 및 그 방법에 사용되는 납땜 재료
JP6319643B2 (ja) セラミックス−銅接合体およびその製造方法
KR102300413B1 (ko) 접합체, 파워 모듈용 기판, 파워 모듈 및 접합체의 제조 방법
CN114845977B (zh) 铜-陶瓷接合体、及绝缘电路基板
JP7159395B2 (ja) 回路基板および半導体モジュール
JP2016051778A (ja) 金属−セラミックス接合基板
JP6939973B2 (ja) 銅／セラミックス接合体、及び、絶縁回路基板
KR20200138302A (ko) 히트 싱크가 부착된 절연 회로 기판
JP2019081690A (ja) 接合体、及び、絶縁回路基板
JP2010241627A (ja) 金属−セラミックス接合基板およびそれに用いるろう材
JP3887645B2 (ja) セラミックス回路基板の製造方法
JP5047315B2 (ja) セラミックス回路基板
JP2008147309A (ja) セラミックス基板およびこれを用いた半導体モジュール
JP2009088330A (ja) 半導体モジュール
JP2003034585A (ja) 窒化物系セラミックス部材と金属部材の接合体およびそれを用いた窒化物系セラミックス回路基板
CN108701659B (zh) 接合体、功率模块用基板、功率模块、接合体的制造方法及功率模块用基板的制造方法
KR20180104660A (ko) 접합체, 파워 모듈용 기판, 파워 모듈, 접합체의 제조 방법 및 파워 모듈용 기판의 제조 방법
JP2003192462A (ja) 窒化珪素回路基板およびその製造方法
JPH0597533A (ja) セラミツクス−金属接合用組成物およびセラミツクス−金属接合体
JP5050070B2 (ja) セラミックス銅回路基板および半導体装置
WO2015029638A1 (ja) 電力用半導体装置及びその製造方法、並びに、そのための半田
JPH07202073A (ja) セラミックス回路基板

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20091214

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20110801

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20110830

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20111018

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20120508

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20120705

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20121016

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20121101

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Ref document number: 5128829

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20151109

Year of fee payment: 3

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250