JP6582159B1 - 絶縁基板及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
前記第1及び第2の銅板材が、Al、Be、Cd、Mg、Pb、Ni、P、Sn及びCrから選択される金属成分の合計含有量が0.1〜2.0ppm、銅の含有量が99.96mass%以上である組成を有し、かつ、前記第1及び第2の銅板材の表面のEBSDによる集合組織解析から得られた結晶方位分布関数をオイラー角(φ1、Φ、φ2)で表したとき、φ1=75°〜90°、Φ=20°〜40°、φ2=35°の範囲における方位密度の平均値が0.1以上15.0未満であり、φ1=20°〜40°、Φ=55°〜75°、φ2=20°の範囲における方位密度の平均値が1.0以上15.0未満である圧延集合組織を有し、かつ、
前記第1及び第2の銅板材の平均結晶粒径が50μm以上400μm以下である、絶縁基板。
[2]前記第1及び第2の銅板材の平均結晶粒径が100μmより大きく400μm以下である、[1]に記載の絶縁基板。
[3]前記セラミック基板が、窒化アルミニウム、窒化珪素、アルミナ、およびアルミナとジルコニアの化合物からなる群から選択される少なくとも1種を主成分とするセラミック材料を用いて形成されている、[1]または[2]に記載の絶縁基板。
[4]前記第1及び第2の銅板材の引張強度が、210MPa以上250MPa以下である、[1]乃至[3]のいずれかに記載の絶縁基板。
[5]前記第1及び第2の銅板材の伸びが25%以上50%未満である[1]乃至[4]のいずれかに記載の絶縁基板。
[6]前記第1及び第2の銅板材の導電率が95%IACS以上である、[1]乃至[5]のいずれかに記載の絶縁基板。
[7][1]乃至[6]のいずれかに記載の絶縁基板の製造方法であって、
前記第1の銅板材の材料である第1の被圧延材及び前記第2の銅板材の材料である第2の被圧延材に対し、昇温速度が10℃/秒〜50℃/秒、到達温度が250℃〜600℃、保持時間が10秒〜3600秒、冷却速度が10℃/秒〜50℃/秒の条件で焼鈍処理を施す焼鈍工程と、
前記焼鈍工程後に、前記第1の被圧延材と、前記第2の被圧延材との総加工率が10〜65%の冷間圧延を行う冷間圧延工程と、
前記冷間圧延工程後に、前記セラミック基板の一方の面に前記第1の被圧延材を、前記セラミック基板の他方の面に前記第2の被圧延材を、ろう材を介してそれぞれ接合し、前記第1の銅板材と前記第2の銅板材とがそれぞれ接合された絶縁基板を形成する接合工程と、を含み、
前記接合工程は、昇温速度が10℃/秒〜100℃/秒、到達温度が400℃〜600℃、保持時間が10秒〜300秒の条件で熱処理を施す第1加熱処理と、昇温速度が10℃/秒〜100℃/秒、到達温度が750℃〜850℃、保持時間が100秒〜7200秒の条件で熱処理を施す第2加熱処理と、で構成される、絶縁基板の製造方法。
本発明の絶縁基板は、セラミック基板と、該セラミック基板の一方の面に形成された第1の銅板材と、該セラミック基板の他方の面に形成された第2の銅板材とが、接合されている。すなわち、絶縁基板は、第1の銅板材と第2の銅板材との間にセラミック基板が配置され、第1の銅板材と、セラミック基板と、第2の銅板材と、がこの順でそれぞれ圧延接合された積層構造を有している。第1の銅板材とセラミック基板、セラミック基板と第2の銅板材は、相互に接合された層構造であればよい。第1の銅板材とセラミック基板、セラミック基板と第2の銅板材は、例えば、ろう材、接着剤、はんだ等で接合されていてもよく、特にろう材を介して接合されていることが好ましい。また、絶縁基板の厚みは、使用状況に応じて適宜選択可能であり、例えば、0.3mm〜10.0mmであることが好ましく、0.8mm〜5.0mmであることがより好ましい。なお、特に言及されない限り、便宜上、第1及の銅板材及び第2の銅板材を、以下において単に「銅板材」とも呼ぶことがある。
本発明の絶縁基板に用いられるセラミック基板は、高い絶縁性を備えるセラミック材料から形成されていれば、特に限定されるものではない。このようなセラミック基板は、例えば、窒化アルミニウム、窒化珪素、アルミナおよびアルミナとジルコニアの化合物の少なくとも1種を主成分とするセラミック材料を用いて形成されていることが好ましい。セラミック基板の厚さは、特に限定されるものではないが、例えば、0.05mm〜2.0mmであることが好ましく、0.2mm〜1.0mmであることがより好ましい。
一般に、銅材料とは、(加工前であって所定の組成を有する)銅素材が所定の形状(例えば、板、条、箔、棒、線など)に加工された材料を意味する。その中で、「板材」とは、特定の厚みを有し、形状的に安定しており、かつ面方向に広がりを有する材料を指し、広義には条材を含む意味である。本発明における「銅板材」は、所定の組成を有する銅から形成された当該「板材」を意味する。
本発明の絶縁基板に用いられる銅板材は、銅の含有量が99.96mass%以上であり、好ましくは99.99mass%以上である。銅の含有量が99.96mass%未満であると、熱伝導率が低下し、所望する放熱性が得られない。また、上記銅板材は、Al、Be、Cd、Mg、Pb、Ni、P、Sn及びCrから選択される金属成分の合計含有量が0.1ppm〜2.0ppmである。これらの金属成分の合計含有量の下限値は、特に限定されないが、不可避的不純物を考慮し、0.1ppmとしている。一方、これらの金属成分の合計含有量が2.0ppmを超えると、所望の方位密度が得られない。そのため、絶縁基板にかかる熱膨張による負荷に対する抵抗力の増大効果が得られず、絶縁基板の変形、セラミック基板と銅板材との剥離等が生じてしまう場合がある。また、上記銅板材には、銅、並びに、Al、Be、Cd、Mg、Pb、Ni、P、Sn及びCrから選択される金属成分以外に、残部として不可避的不純物が含まれていてもよい。不可避的不純物は、製造工程上、不可避的に含まれうる含有レベルの不純物を意味する。第1の銅板材の成分組成と第2の銅板材の成分組成は、同じであってもよく、異なっていてもよいが、製造効率の観点から、これらは同じであることが好ましい。
本発明の絶縁基板に用いられる銅板材は、該銅板材の表面のEBSDによる集合組織解析から得られた結晶方位分布関数(ODF:crystal orientation distribution function)をオイラー角(φ1、Φ、φ2)で表したとき、φ1=75°〜90°、Φ=20°〜40°、φ2=35°の範囲における方位密度の平均値が0.1以上15.0未満であり、かつ、φ1=20°〜40°、Φ=55°〜75°、φ2=20°の範囲における方位密度の平均値が0.1以上15.0未満である圧延集合組織を有する。オイラー角(φ1、Φ、φ2)は、圧延方向をRD方向、RD方向に対して直交する方向(板幅方向)をTD方向、圧延面(RD面)に対して垂直な方向をND方向としたとき、RD方向を軸とした方位回転がΦ、ND方向を軸とした方位回転がφ1、TD方向を軸とした方位回転がφ2として表される。方位密度は、集合組織における結晶方位の存在比率及び分散状態を定量的に解析する際に用いられるパラメータであり、EBSD及びX線回折を行い、(100)、(110)、(112)等の3種類以上の正極点図の測定データに基づいて、級数展開法による結晶方位分布解析法により算出される。EBSDによる集合組織解析から得られるφ2を所定の角度で固定した結晶方位分布図において、RD面内での方位密度の分布が示される。第1の銅板材が有する圧延集合組織と第2の銅板材が有する圧延集合組織は、同じであってもよく、異なっていてもよいが、製造効率の観点から、これらは同じであることが好ましい。
本発明の絶縁基板に用いられる銅板材の平均結晶粒径は50μm以上400μm以下であり、100μmより大きく400μm以下であることが好ましい。平均結晶粒径が50μm未満であると、十分な結晶方位制御ができず、耐熱特性に劣ってしまう。一方、平均結晶粒径が400μmを超えると、十分な引張強度と伸びが得られず、絶縁基板にかかる熱膨張による負荷に対する抵抗力が増大し、絶縁基板の変形、セラミック基板と銅板材との剥離等が生じてしまう場合がある。また、銅板材とセラミック基板との界面において、銅板材の結晶粒界が界面と接する箇所には欠陥(ボイド)が生じやすい。平均結晶粒径が100μm以下である場合、セラミック基板と接触する銅板材の結晶粒界が著しく増加し、接合強度が低下するおそれがある。そのため、平均結晶粒径は100nmより大きいことが好ましい。なお、平均結晶粒径は、銅板材のRD面におけるEBSD解析により測定することができ、例えば、測定範囲における全結晶粒の粒径の平均を平均結晶粒径として定義することができる。また、第1の銅板材が有する平均結晶粒径と第2の銅板材が有する平均結晶粒径は、同じであってもよく、異なっていてもよいが、製造効率の観点から、これらは同じであることが好ましい。
第1の銅板材と第2の銅板材の厚さ(板厚)は、特に限定されるものでないが、0.05mm〜7.0mmであることが好ましく、0.1mm〜4.0mmであることがより好ましい。第1の銅板材の厚さと第2の銅板材の厚さは、同じであってもよく、異なっていてもよいが、接合熱処理、ヒートサイクル試験において、それぞれの銅板材の体積が大きく異なると、熱膨張量の違いによる板反りが起きることがある。そのため、絶縁基板の回路設計に応じて、板厚はそれぞれ適切に組み合わせることが望ましい。
(引張強度)
銅板材の引張強度は、210MPa以上250MPa以下であることが好ましい。引張強度が210MPa未満であると、近年要求される強度としては十分ではない。一方、引張強度が250MPaを超えると、伸び、加工性が低下する傾向にある。
銅板材の伸びは、25%以上50%未満であることが好ましい。伸びが25%未満であると、絶縁基板にかかる熱膨張による負荷応力に対して、絶縁基板の変形、セラミック基板と銅板材との剥離等が生じてしまうおそれがある。一方、伸びが50%を超えると、強度が不十分となる傾向にある。
本発明の絶縁基板の製造方法では、焼鈍工程[工程A]、冷間圧延工程[工程B]、接合工程[工程C]を含む。これらの工程における処理が、この順序にて行われることで、第1の銅板材とセラミック基板と第2の銅板材とが接合された本発明の絶縁基板を得ることができる。
本発明の絶縁基板の製造方法において、焼鈍工程[工程A]で使用する第1の被圧延材及び第2の被圧延材は、上記の成分組成を有する銅素材から製造した被圧延材であれば、特に限定されるものではない。このような被圧延材は、例えば、以下の工程を経て製造することができる。以下に、本発明の絶縁基板の焼鈍工程[工程A]で使用できる被圧延材の製造方法の一例を説明する。
式中、t0は圧延前の板厚であり、tは圧延後の板厚である。
先ず、表1に示されるような所定の成分組成を有する、厚さ1.0mmの被圧延材(供試材)を2つ作製し、それぞれを第1の被圧延材及び第2の被圧延材とした。また、セラミック材料として窒化珪素を用いて形成された厚さ0.5mmのセラミック基板を使用した。
[銅板材の定量分析]
作製した各銅板材の定量分析には、GDMS法を用いた。各実施例および各比較例ではV.G.Scientific社製 VG-9000を用いて解析を行った。各銅板材に含まれるAl、Be、Cd、Mg、Pb、Ni、P、Sn及びCrの含有量(ppm)並びにCuの含有量(mass%)を表1に示す。なお、各銅板材には、不可避的不純物が含まれている場合がある。表1における空欄部は、該当する金属成分が0ppmであったことを意味する。また、GDMS法による測定値が0.1ppm未満であった場合、金属成分の含有量は0ppmとした。
サンプルである各絶縁基板から剥離させた各銅板材の圧延集合組織の方位密度解析には、EBSD法を用いた。各実施例および各比較例のEBSD測定では、結晶粒を200個以上含む測定試料面を測定した。測定試料面の測定面積およびスキャンステップは、供試材の結晶粒の大きさに応じて決定した。測定後の結晶粒の解析には、TSL社製の解析ソフトOIM Analysis(商品名)を用いた。EBSD法による結晶粒の解析において得られる情報は、電子線が供試材に侵入する数10nmの深さまでの情報を含んでいる。また、板厚方向の測定箇所は、供試材表面から板厚tの1/8倍〜1/2倍の位置付近とした。
サンプルである各絶縁基板から剥離させた各銅板材の平均結晶粒径は、圧延面におけるEBSD測定にて、結晶粒を200個以上含む測定試料面を測定した。測定結果の解析において、測定範囲中の全結晶粒から、平均結晶粒径を算出した。結晶粒径の解析には、TSL社製の解析ソフトOIM Analysis(商品名)を用いた。EBSDによる結晶粒の解析において得られる情報は、電子線が供試材に侵入する数10nmの深さまでの情報を含んでいる。また、板厚方向の測定箇所は、供試材表面から板厚tの1/8倍〜1/2倍の位置付近とした。平均結晶粒径が50μm以上400μm以下の範囲にある場合、結晶粒が良好に微細化されていると評価した。
サンプルである各絶縁基板から剥離させた各銅板材の導電率は、シグマテスタ(渦電流を利用したIACS%測定)を用いて測定した。各銅板板材の導電率が95%IACS以上である場合を「良好」、95%IACS未満の場合を「不良」と評価した。
サンプルである各絶縁基板から銅板材を剥離させ、切り出した試験片をJIS Z2241に準じて測定し、その平均値を示した。銅板材の引張強度が210MPa以上である場合を「良好」、210MPa未満の場合を「不良」と評価した。
引張強度を測定する際にJIS Z2241に準じて測定し、その平均値を示した。銅板材の伸びが25%以上である場合を「良好」、25%未満の場合を「不良」と評価した。
各絶縁基板のサンプルを、−40℃〜250℃(1サイクル −40℃:30分保持/250℃:30分保持)の条件で1200サイクル処理するヒートサイクル試験を実施した。ヒートサイクル試験後、セラミック基板にクラックが発生したか否かを目視で観察した。クラックが発生していない場合を「○」、クラックが発生している場合を「×」と評価した。
Claims (7)
- セラミック基板と、該セラミック基板の一方の面に形成された第1の銅板材と、該セラミック基板の他方の面に形成された第2の銅板材とが、接合された絶縁基板であって、
前記第1及び第2の銅板材が、Al、Be、Cd、Mg、Pb、Ni、P、Sn及びCrから選択される金属成分の合計含有量が0.1〜2.0ppm、銅の含有量が99.96mass%以上である組成を有し、かつ、前記第1及び第2の銅板材の表面のEBSDによる集合組織解析から得られた結晶方位分布関数をオイラー角(φ1、Φ、φ2)で表したとき、φ1=75°〜90°、Φ=20°〜40°、φ2=35°の範囲における方位密度の平均値が0.1以上15.0未満であり、φ1=20°〜40°、Φ=55°〜75°、φ2=20°の範囲における方位密度の平均値が0.1以上15.0未満である圧延集合組織を有し、かつ、
前記第1及び第2の銅板材の平均結晶粒径が50μm以上400μm以下であることを特徴とする絶縁基板。 - 前記第1及び第2の銅板材の平均結晶粒径が100μmより大きく400μm以下である、請求項1に記載の絶縁基板。
- 前記セラミック基板が、窒化アルミニウム、窒化珪素、アルミナ、およびアルミナとジルコニアの化合物の少なくとも1種を主成分とするセラミック材料を用いて形成されている、請求項1または2に記載の絶縁基板。
- 前記第1及び第2の銅板材の引張強度が、210MPa以上250MPa以下である、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の絶縁基板。
- 前記第1及び第2の銅板材の伸びが、25%以上50%未満である、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の絶縁基板。
- 前記第1及び第2の銅板材の導電率が95%IACS以上である、請求項1乃至5のいずれか1項に記載の絶縁基板。
- 請求項1乃至6のいずれか1項に記載の絶縁基板の製造方法であって、
前記第1の銅板材の材料である第1の被圧延材及び前記第2の銅板材の材料である第2の被圧延材に対し、昇温速度が10℃/秒〜50℃/秒、到達温度が250℃〜600℃、保持時間が10秒〜3600秒、冷却速度が10℃/秒〜50℃/秒の条件で焼鈍処理を施す焼鈍工程と、
前記焼鈍工程後に、前記第1の被圧延材と、前記第2の被圧延材との総加工率が10〜65%の冷間圧延を行う冷間圧延工程と、
前記冷間圧延工程後に、前記セラミック基板の一方の面に前記第1の被圧延材を、前記セラミック基板の他方の面に前記第2の被圧延材を、ろう材を介してそれぞれ接合し、前記第1の銅板材と前記第2の銅板材とがそれぞれ接合された絶縁基板を形成する接合工程と、を含み、
前記接合工程は、昇温速度が10℃/秒〜100℃/秒、到達温度が400℃〜600℃、保持時間が10秒〜300秒の条件で熱処理を施す第1加熱処理と、昇温速度が10℃/秒〜100℃/秒、到達温度が750℃〜850℃、保持時間が100秒〜7200秒の条件で熱処理を施す第2加熱処理と、で構成される、絶縁基板の製造方法。
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