JP7173335B2 - 銅/セラミックス接合体、絶縁回路基板、銅/セラミックス接合体の製造方法、及び、絶縁回路基板の製造方法 - Google Patents
銅/セラミックス接合体、絶縁回路基板、銅/セラミックス接合体の製造方法、及び、絶縁回路基板の製造方法 Download PDFInfo
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Description
本願は、2019年6月26日に、日本に出願された特願2019-118505号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
例えば、風力発電、電気自動車、ハイブリッド自動車等を制御するために用いられる大電力制御用のパワー半導体素子は、動作時の発熱量が多い。このため、このパワー半導体素子を搭載する基板としては、セラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に導電性の優れた金属板を接合して形成した回路層と、を備えた絶縁回路基板が、従来から広く用いられている。なお、絶縁回路基板としては、セラミックス基板の他方の面に金属板を接合して金属層を形成したものも提供されている。
この特許文献2においては、窒素ガス雰囲気下にて560~800℃で加熱することによって、セラミックス基板と銅板とを接合しており、Cu-Mg-Ti合金中のMgは昇華して接合界面には残存せず、かつ、窒化チタン(TiN)が実質的に形成しないものとされている。
ここで、特許文献1、2に記載された絶縁回路基板においては、端子材等を接合するために超音波を負荷させた際に、接合界面にクラックが発生し、回路層が剥離してしまうおそれがあった。
そして、接合工程において、480℃以上650℃未満の温度領域における昇温速度を5℃/min以上とし、650℃以上の温度で30min以上保持する。このため、界面反応に必要なCu-Mg液相を一定時間以上保持することができ、均一な界面反応を促進し、銅部材とセラミックス部材との接合界面にMg-O層を確実に形成することが可能となる。
そして、接合工程において、480℃以上650℃未満の温度領域における昇温速度を5℃/min以上とし、650℃以上の温度で30min以上保持する。このため、界面反応に必要なCu-Mg液相を一定時間以上保持することができ、均一な界面反応を促進し、銅板とセラミックス基板との接合界面にMg-O層を確実に形成することが可能となる。
本実施形態に係る銅/セラミックス接合体は、セラミックス(窒化アルミニウム)からなるセラミックス部材としてのセラミックス基板11と、銅又は銅合金からなる銅部材としての銅板22(回路層12)及び銅板23(金属層13)とを有する絶縁回路基板10である。銅板22(回路層12)及び銅板23(金属層13)は、セラミックス基板11に接合されている。図1は、本実施形態である絶縁回路基板10を備えたパワーモジュール1を示す。
接合層2は、例えばSn-Ag系、Sn-In系、若しくはSn-Ag-Cu系のはんだ材からなる。
なお、本実施形態においては、ヒートシンク30と金属層13とが、はんだ材からなるはんだ層32によって接合されている。このはんだ層32は、例えばSn-Ag系、Sn-In系、若しくはSn-Ag-Cu系のはんだ材からなる。
本実施形態においては、回路層12は、無酸素銅の圧延板からなる銅板22がセラミックス基板11に接合されることで形成されている。
なお、回路層12となる銅板22の厚さは0.1mm以上2.0mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、0.6mmに設定されている。
本実施形態においては、金属層13は、無酸素銅の圧延板からなる銅板23がセラミックス基板11に接合されることで形成されている。
なお、金属層13となる銅板23の厚さは0.1mm以上2.0mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、0.6mmに設定されている。
このMg-O層41は、接合材として用いられるMgとセラミックス基板11の表面に形成された酸化膜とが反応することによって形成されたものである。
本実施形態では、図3の接合界面のMg,Oの分布観察結果(元素マッピングの結果)や図4A,図4Bの接合界面のラインプロファイルにおいて、MgとOが同一領域に存在する場合、接合界面にMg-O層41が存在していると判断される。また、後述するように接合界面を原子分解能で観察し、O-Mg-Oのモノレイヤー構造の厚さ以上のMg-O層41が確認される場合も、接合界面にMg-O層41が存在していると判断される。Mg-O層41は、セラミックス基板11と回路層12(金属層13)との接合界面の全面に存在することが好ましい。
Mg-O層41の厚さは、EDX(Energy dispersive X-ray spectroscopy)により測定された図4A,図4Bのラインプロファイルにおいて、Mg濃度とO濃度が重なる領域のうち、Mg濃度とO濃度の両者が5at%(原子%)以上である領域の厚さであるとも言える。ここで、Mg濃度とO濃度のそれぞれは、Al,N,O,Mg,及びCuの合計量(100原子%)に対するMgとOの量の比(原子%)である。Mg-O層41の厚さの上限は、好ましくは50nm以下であり、より好ましくは25nm以下であり、更に好ましくは15nm以下である。Mg-O層41の厚さの下限は、特に限定されない。EDXの分解能を考慮すると、上述した方法で求められるMg-O層41の厚さは1nm以上である。
Mg濃度とO濃度が低く、上述した方法で求めたMg-O層41の厚さが1nm未満となる場合であっても、接合界面を、原子分解能で、原子位置を直接的に特定できるレベルにて観察すると、O-Mg-Oのモノレイヤー構造の厚さから0.5nmの厚さのMg-O層41が確認できる。このため、Mg-O層41の厚さの下限はO-Mg-Oのモノレイヤー構造の厚さ以上であるとも言える。Mg-O層41の厚さがO-Mg-Oのモノレイヤー構造の厚さ以上の場合、本実施形態の作用効果が得られる。配位数が6の場合のMg2+のイオン半径は0.72オングストロームである。配位数が2~8の場合のO2-のイオン半径は1.35~1.42オングストロームである。MgOの結晶構造が岩塩型であると仮定し、AlN(0001)//MgO(111)の関係があること、及びMg-O層41中のOの配位数がMgOのバルク体中のOの配位数と異なる恐れがあることを考慮すると、O-Mg-Oのモノレイヤー構造の厚さは、0.395~0.411nmであり、約0.4nmである。このように、接合界面を原子分解能で観察する場合、厚さ方向に配列するイオンの平均個数、イオン半径、及び結晶構造から、Mg-O層41の厚さが算出される。
纏めると、Mg-O層41の厚さは、EDXにより測定されたラインプロファイルより、上述した方法で求められる。求められたMg-O層41の厚さが1nm未満の場合、接合界面を原子分解能で観察することにより、より正確なMg-O層41の厚さが求められる。
まず、窒化アルミニウム(AlN)からなるセラミックス基板11を準備し、図6に示すように、回路層12となる銅板22とセラミックス基板11との間、及び、金属層13となる銅板23とセラミックス基板11との間に、それぞれMgを配置する。
本実施形態では、回路層12となる銅板22とセラミックス基板11との間、及び、金属層13となる銅板23とセラミックス基板11との間に、Mg箔25を配設している。
ここで、Mg配置工程S01では、配置するMg量を0.34mg/cm2以上4.35mg/cm2以下の範囲内とする。
なお、配置するMg量の下限は0.52mg/cm2以上とすることが好ましく、0.69mg/cm2以上とすることがさらに好ましい。一方、配置するMg量の上限は3.48mg/cm2以下とすることが好ましく、2.61mg/cm2以下とすることがさらに好ましい。
次に、銅板22とセラミックス基板11を、Mg箔25を介して積層するとともに、セラミックス基板11と銅板23を、Mg箔25を介して積層する。
次に、積層された銅板22、Mg箔25、セラミックス基板11、Mg箔25、銅板23を、積層方向に加圧するとともに、真空炉内に装入して加熱し、銅板22とセラミックス基板11と銅板23を接合する。
ここで、接合工程S03における熱処理条件は、480℃以上650℃未満の温度領域における昇温速度を5℃/min以上とするとともに、650℃以上の温度で30min以上保持する。このように熱処理条件を規定することにより、Cu-Mg液相を高温状態で維持することが可能となり、界面反応が促進され、上述のMg-O層41が形成されることになる。
また、保持温度の下限は700℃以上とすることが好ましく、720℃以上とすることがさらに好ましい。一方、保持温度の上限に特に制限はないが、850℃以下とすることが好ましく、830℃以下とすることがさらに好ましい。
さらに、保持時間の下限は45min以上とすることが好ましく、60min以上とすることがさらに好ましい。一方、保持時間の上限に特に制限はないが、180min以下とすることが好ましく、150min以下とすることがさらに好ましい。
さらに、接合工程S03における真空度は、1×10-6Pa以上5×10-2Pa以下の範囲内とすることが好ましい。真空度の上限は、より好ましくは1×10-2Pa以下であり、更に好ましくは5×10-3Pa以下である。真空度の下限は、より好ましくは1×10-5Pa以上であり、更に好ましくは1×10-4Pa以上である。
次に、絶縁回路基板10の金属層13の他方の面側にヒートシンク30を接合する。
絶縁回路基板10とヒートシンク30とを、はんだ材を介して積層して加熱炉に装入し、はんだ層32を介して絶縁回路基板10とヒートシンク30とをはんだ接合する。
次に、絶縁回路基板10の回路層12の一方の面に、半導体素子3をはんだ付けにより接合する。
上述の工程により、図1に示すパワーモジュール1が製出される。
例えば、本実施形態では、絶縁回路基板に半導体素子が搭載されたパワーモジュールを構成する部材として絶縁回路基板を説明したが、これに限定されることはない。例えば、絶縁回路基板は、絶縁回路基板の回路層にLED素子が搭載されたLEDモジュールを構成する部材としてもよいし、絶縁回路基板の回路層に熱電素子が搭載された熱電モジュールを構成する部材としてもよい。
例えば、回路層とセラミックス基板とが本実施形態の銅/セラミックス接合体であれば、金属層の材質や接合方法は特に限定されない。例えば、金属層がなくてもよいし、金属層がアルミニウム又はアルミニウム合金からなっていてもよく、銅とアルミニウムの積層体であってもよい。
一方、金属層とセラミックス基板とが本実施形態の銅/セラミックス接合体であれば、回路層の材質や接合方法は特に限定されない。例えば、回路層がアルミニウム又はアルミニウム合金からなっていてもよく、銅とアルミニウムの積層体であってもよい。
このセラミックス基板の両面に、Mg箔を介して、無酸素銅からなる銅板(37mm×37mm×厚さ0.3mm)を積層した。表1に示す条件で銅板とセラミックス基板とを加熱処理して接合し、絶縁回路基板(銅/セラミックス接合体)を得た。なお、接合時の真空炉の真空度は5×10-3Paとした。
得られた絶縁回路基板(銅/セラミックス接合体)の銅板とセラミックス基板の積層方法に沿った断面において、銅板とセラミックス基板との接合界面の中央部から観察試料を採取した。銅板とセラミックス基板との接合界面を、走査型透過電子顕微鏡(FEI社製Titan ChemiSTEM)を用いて、加速電圧200kV、倍率80000倍で測定し、エネルギー分散型X線分析法(サーモサイエンティフィック社製NSS7)により、MgとOの元素マッピングを取得した。MgとOが同一領域に存在する場合にMg-O層が有ると判断した。
銅板とセラミックス基板との接合率を評価した。具体的には、絶縁回路基板において、銅板とセラミックス基板との界面の接合率について超音波探傷装置(株式会社日立パワーソリューションズ製FineSAT200)を用いて評価し、以下の式から初期接合率を算出した。ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積、すなわち回路層の面積とした。超音波探傷像を二値化処理した画像において、剥離は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を剥離面積(非接合部面積)とした。
(初期接合率)={(初期接合面積)-(非接合部面積)}/(初期接合面積)×100
冷凍庫と加熱炉を用意し、それぞれの内部を以下の温度とした。得られた絶縁回路基板(銅/セラミックス接合体)を、-78℃の冷凍庫内に2分間保持し、次いで、350℃の加熱炉内に2分間保持した。この作業を10回繰り返した。その後、SAT(Scanning acoustic tomography)検査により、銅板とセラミックス基板の接合界面を検査し、セラミックス割れの有無を判定した。なお、SAT検査とは、超音波探傷装置を用いて、接合界面の超音波探傷像を得る検査である。評価結果を表1の項目“セラミックス割れの有無”に示す。
-78℃×2min←→350℃×2minを10回
得られた絶縁回路基板(銅/セラミックス接合体)に対して、超音波金属接合機(超音波工業株式会社製:60C-904)を用いて、銅端子(10mm×5mm×1mm厚)をコプラス量0.3mmの条件で超音波接合した。
接合後に、超音波探傷装置(株式会社日立パワーソリューションズ製FineSAT200)を用いて、銅板とセラミックス基板の接合界面を検査し、剥離又はセラミックス割れが観察されたものを「×」(poor)と評価し、剥離とセラミックス割れのどちらも確認されなかったものを「○」(good)と評価した。評価結果を表1に示す。
11 セラミックス基板(セラミックス部材)
12 回路層(銅部材)
13 金属層(銅部材)
41 Mg-O層
Claims (4)
- 銅又は銅合金からなる銅部材と、窒化アルミニウムからなるセラミックス部材とを有し、
前記銅部材と、前記セラミックス部材とは接合され、
前記銅部材と前記セラミックス部材との接合界面の全面に、Mg-O層が形成されていることを特徴とする銅/セラミックス接合体。 - 銅又は銅合金からなる銅板と、窒化アルミニウムからなるセラミックス基板とを有し、
前記セラミックス基板の表面に、前記銅板が接合され、
前記銅板と前記セラミックス基板との接合界面の全面に、Mg-O層が形成されていることを特徴とする絶縁回路基板。 - 請求項1に記載の銅/セラミックス接合体の製造方法であって、
前記銅部材と前記セラミックス部材との間に、Mgを配置するMg配置工程と、
前記銅部材と前記セラミックス部材とをMgを介して積層する積層工程と、
Mgを介して積層された前記銅部材と前記セラミックス部材とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合する接合工程と、
を備えており、
前記Mg配置工程では、Mg量を0.34mg/cm2以上4.35mg/cm2以下の範囲内とし、
前記接合工程では、480℃以上650℃未満の温度領域における昇温速度が5℃/min以上とされるとともに、650℃以上の温度で30min以上保持することを特徴とする銅/セラミックス接合体の製造方法。 - 請求項2に記載の絶縁回路基板の製造方法であって、
前記銅板と前記セラミックス基板との間に、Mgを配置するMg配置工程と、
前記銅板と前記セラミックス基板とをMgを介して積層する積層工程と、
Mgを介して積層された前記銅板と前記セラミックス基板とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合する接合工程と、
を備えており、
前記Mg配置工程では、Mg量を0.34mg/cm2以上4.35mg/cm2以下の範囲内とし、
前記接合工程では、480℃以上650℃未満の温度領域における昇温速度が5℃/min以上とされるとともに、650℃以上の温度で30min以上保持することを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。
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