JP7424043B2 - Copper/ceramic bonded body, insulated circuit board, method for manufacturing copper/ceramic bonded body, method for manufacturing insulated circuit board - Google Patents
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Description
この発明は、銅又は銅合金からなる銅部材と、セラミックス部材とが接合されてなる銅／セラミックス接合体、セラミックス基板の表面に銅又は銅合金からなる銅板が接合されてなる絶縁回路基板、及び、銅／セラミックス接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a copper/ceramic bonded body formed by bonding a copper member made of copper or a copper alloy to a ceramic member, an insulated circuit board formed by bonding a copper plate made of copper or a copper alloy to the surface of a ceramic substrate, and , a method for manufacturing a copper/ceramic bonded body, and a method for manufacturing an insulated circuit board.
パワーモジュール、ＬＥＤモジュール及び熱電モジュールにおいては、絶縁層の一方の面に導電材料からなる回路層を形成した絶縁回路基板に、パワー半導体素子、ＬＥＤ素子及び熱電素子が接合された構造とされている。
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とから、これ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。
Power modules, LED modules, and thermoelectric modules have a structure in which power semiconductor elements, LED elements, and thermoelectric elements are bonded to an insulated circuit board that has a circuit layer made of a conductive material formed on one side of an insulating layer. .
For example, power semiconductor elements for controlling high power used to control wind power generation, electric vehicles, hybrid vehicles, etc. generate a large amount of heat during operation, so the substrate on which they are mounted is a ceramic substrate. An insulated circuit board having a circuit layer formed by bonding a highly conductive metal plate to one surface of this ceramic board has been widely used. Note that as an insulated circuit board, there is also provided one in which a metal plate is bonded to the other surface of a ceramic substrate to form a metal layer.
例えば、特許文献１には、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に、銅板を接合することにより回路層及び金属層を形成した絶縁回路基板が提案されている。この特許文献１においては、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材を介在させて銅板を配置し、加熱処理を行うことにより銅板が接合されている（いわゆる活性金属ろう付け法）。この活性金属ろう付け法では、活性金属であるＴｉが含有されたろう材を用いているため、溶融したろう材とセラミックス基板との濡れ性が向上し、セラミックス基板と銅板とが良好に接合されることになる。 For example, Patent Document 1 proposes an insulated circuit board in which a circuit layer and a metal layer are formed by bonding copper plates to one surface and the other surface of a ceramic substrate. In Patent Document 1, copper plates are placed on one side and the other side of a ceramic substrate with an Ag-Cu-Ti brazing filler metal interposed therebetween, and the copper plates are bonded by heat treatment (so-called active metal brazing method). Since this active metal brazing method uses a brazing filler metal containing Ti, an active metal, the wettability between the molten brazing filler metal and the ceramic substrate is improved, and the ceramic substrate and the copper plate are bonded well. It turns out.
また、特許文献２においては、Ｃｕ－Ｍｇ－Ｔｉ系ろう材を用いて、セラミックス基板と銅板とを接合した絶縁回路基板が提案されている。
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接合する構成とされており、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。
Further,
In
ところで、ＳｉＣ等を用いた高温半導体デバイスにおいては、高密度に実装されることがあり、絶縁回路基板には、より高温での動作を保証する必要がある。
このため、従来よりも厳しい冷熱サイクルを負荷した場合であっても、接合界面におけるクラックの発生を抑制し、セラミックス基板と銅板との剥離の発生を抑制する必要がある。
By the way, high-temperature semiconductor devices using SiC or the like are sometimes mounted with high density, and it is necessary for the insulated circuit board to guarantee operation at higher temperatures.
Therefore, it is necessary to suppress the occurrence of cracks at the bonding interface and to suppress the occurrence of peeling between the ceramic substrate and the copper plate even when subjected to a thermal cycle that is more severe than before.
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、厳しい冷熱サイクルを負荷した場合であっても、セラミックス部材と銅部材との接合界面におけるクラックの発生を抑制でき、冷熱サイクル信頼性に優れた銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、銅／セラミックス接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法を提供することを目的とする。 This invention was made in view of the above-mentioned circumstances, and even when subjected to severe cooling and heating cycles, it is possible to suppress the occurrence of cracks at the bonding interface between a ceramic member and a copper member, thereby improving the reliability of cooling and heating cycles. It is an object of the present invention to provide a copper/ceramic bonded body, an insulated circuit board, a method for manufacturing a copper/ceramic bonded body, and a method for manufacturing an insulated circuit board, both of which are excellent in quality.
前述の課題を解決するために、本発明の銅／セラミックス接合体は、銅又は銅合金からなる銅部材と、セラミックス部材とが接合されてなる銅／セラミックス接合体であって、前記セラミックス部材と前記銅部材との間には、ＣｕとＭｇを含む金属間化合物からなるＣｕ－Ｍｇ金属間化合物相が形成されており、前記Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相のうち前記セラミックス部材に接した領域の最大厚さが１μｍ以上２０μｍ以下とされていることを特徴としている。 In order to solve the above-mentioned problems, the copper/ceramic bonded body of the present invention is a copper/ceramic bonded body in which a copper member made of copper or a copper alloy and a ceramic member are bonded, and the copper/ceramic bonded body includes A Cu-Mg intermetallic compound phase consisting of an intermetallic compound containing Cu and Mg is formed between the copper member and the area of the Cu-Mg intermetallic compound phase in contact with the ceramic member. It is characterized in that the maximum thickness is 1 μm or more and 20 μm or less.
本発明の銅／セラミックス接合体によれば、前記セラミックス部材と前記銅部材との間に形成されたＣｕ－Ｍｇ金属間化合物相のうち、セラミックス部材に接した領域の最大厚さが２０μｍ以下に制限されているので、厳しい冷熱サイクルが負荷された場合であっても、接合界面及びセラミックス部材に亀裂が生じることを抑制でき、冷熱サイクル信頼性を向上させることが可能となる。 According to the copper/ceramic bonded body of the present invention, the maximum thickness of the region in contact with the ceramic member of the Cu-Mg intermetallic compound phase formed between the ceramic member and the copper member is 20 μm or less. Since it is limited, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the bonding interface and the ceramic member even when a severe cooling/heating cycle is applied, and it is possible to improve the reliability of the cooling/heating cycle.
また、本発明の銅／セラミックス接合体においては、前記セラミックス部材と前記銅部材との間において、前記セラミックス部材の表面には、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属の化合物を含む活性金属化合物層が形成され、この活性金属化合物層の前記銅部材側に、前記Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相が形成されており、前記Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相のうち前記活性金属化合物層に接した領域の最大厚さが１５μｍ以下とされていてもよい。 Further, in the copper/ceramic bonded body of the present invention, between the ceramic member and the copper member, the surface of the ceramic member is coated with one or more selected from Ti, Zr, Nb, and Hf. An active metal compound layer containing an active metal compound is formed, and the Cu-Mg intermetallic compound phase is formed on the copper member side of the active metal compound layer, and the Cu-Mg intermetallic compound phase is The maximum thickness of the region in contact with the active metal compound layer may be 15 μm or less.
この場合、セラミックス部材の表面に硬い活性金属化合物層が形成されており、前記Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相のうち前記活性金属化合物層に接した領域の最大厚さが１５μｍ以下に制限されているので、厳しい冷熱サイクルが負荷された場合であっても、接合界面及びセラミックス部材に亀裂が生じることを抑制でき、冷熱サイクル信頼性を向上させることが可能となる。 In this case, a hard active metal compound layer is formed on the surface of the ceramic member, and the maximum thickness of the region of the Cu-Mg intermetallic compound phase in contact with the active metal compound layer is limited to 15 μm or less. Therefore, even if a severe cooling/heating cycle is applied, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the joint interface and the ceramic member, and it is possible to improve the reliability of the cooling/heating cycle.
また、本発明の銅／セラミックス接合体は、銅又は銅合金からなる銅部材と、セラミックス部材とが接合されてなる銅／セラミックス接合体であって、前記セラミックス部材と前記銅部材との間には、ＣｕとＭｇを含む金属間化合物からなるＣｕ－Ｍｇ金属間化合物相が形成されており、前記セラミックス部材と前記銅部材との間には、Ｃｕと前記活性金属とを含む金属間化合物からなる第２金属間化合物相が形成されており、前記Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相と前記第２金属間化合物相との合計面積に対する前記第２金属間化合物相の面積率が５０％以下とされていることを特徴としている。 Further, the copper/ceramic bonded body of the present invention is a copper/ceramic bonded body in which a copper member made of copper or a copper alloy and a ceramic member are bonded, and there is a gap between the ceramic member and the copper member. A Cu-Mg intermetallic compound phase made of an intermetallic compound containing Cu and Mg is formed between the ceramic member and the copper member. A second intermetallic compound phase is formed, and the area ratio of the second intermetallic compound phase to the total area of the Cu-Mg intermetallic compound phase and the second intermetallic compound phase is 50% or less. It is characterized by
本発明の銅／セラミックス接合体によれば、Ｃｕと前記活性金属とを含む金属間化合物からなる第２金属間化合物相は、前記Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相に比べて硬いことから、前記Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相と前記第２金属間化合物相との合計面積に対する前記第２金属間化合物相の面積率を５０％以下に制限することにより、厳しい冷熱サイクルが負荷された場合であっても、接合界面及びセラミックス部材に亀裂が生じることを抑制することが可能となる。 According to the copper/ceramic bonded body of the present invention, the second intermetallic compound phase made of an intermetallic compound containing Cu and the active metal is harder than the Cu-Mg intermetallic compound phase, - In a case where a severe cooling/heating cycle is applied by limiting the area ratio of the second intermetallic compound phase to the total area of the Mg intermetallic compound phase and the second intermetallic compound phase to 50% or less; Also, it becomes possible to suppress the occurrence of cracks at the bonding interface and the ceramic member.
また、本発明の銅／セラミックス接合体においては、前記活性金属がＴｉであることが好ましい。
この場合、Ｔｉがセラミックス部材の接合面と十分に反応し、窒化チタンからなる活性金属化合物層が形成されることになり、セラミックス部材と銅部材とを確実に接合することが可能となる。
Furthermore, in the copper/ceramic bonded body of the present invention, it is preferable that the active metal is Ti.
In this case, Ti sufficiently reacts with the joining surface of the ceramic member to form an active metal compound layer made of titanium nitride, making it possible to reliably join the ceramic member and the copper member.
本発明の絶縁回路基板は、セラミックス基板の表面に、銅又は銅合金からなる銅板が接合されてなる絶縁回路基板であって、前記セラミックス基板と前記銅板との間には、ＣｕとＭｇを含む金属間化合物からなるＣｕ－Ｍｇ金属間化合物相が形成されており、前記Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相のうち前記セラミックス基板に接した領域の最大厚さが１μｍ以上２０μｍ以下とされていることを特徴としている。 The insulated circuit board of the present invention is an insulated circuit board in which a copper plate made of copper or a copper alloy is bonded to the surface of a ceramic substrate, and the space between the ceramic substrate and the copper plate contains Cu and Mg. A Cu-Mg intermetallic compound phase consisting of an intermetallic compound is formed, and the maximum thickness of the region of the Cu-Mg intermetallic compound phase in contact with the ceramic substrate is 1 μm or more and 20 μm or less. It is a feature.
本発明の絶縁回路基板によれば、前記セラミックス基板と前記銅板との間に形成されたＣｕ－Ｍｇ金属間化合物相のうち、セラミックス基板に接した領域の最大厚さが２０μｍ以下に制限されているので、厳しい冷熱サイクルが負荷された場合であっても、接合界面及びセラミックス基板に亀裂が生じることを抑制でき、冷熱サイクル信頼性を向上させることが可能となる。 According to the insulated circuit board of the present invention, the maximum thickness of the region in contact with the ceramic substrate of the Cu-Mg intermetallic compound phase formed between the ceramic substrate and the copper plate is limited to 20 μm or less. Therefore, even if a severe thermal cycle is applied, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the bonding interface and the ceramic substrate, and it is possible to improve the thermal cycle reliability.
また、本発明の絶縁回路基板は、セラミックス基板の表面に、銅又は銅合金からなる銅板が接合されてなる絶縁回路基板であって、前記セラミックス基板と前記銅板との間には、ＣｕとＭｇを含む金属間化合物からなるＣｕ－Ｍｇ金属間化合物相が形成されており、前記セラミックス基板と前記銅板との間には、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属の化合物を含む活性金属化合物層が形成され、この活性金属化合物層の前記銅板側に、前記Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相が形成されており、前記Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相のうち前記活性金属化合物層に接した領域の最大厚さが１５μｍ以下とされていることを特徴としている。 Further, the insulated circuit board of the present invention is an insulated circuit board in which a copper plate made of copper or a copper alloy is bonded to the surface of a ceramic substrate, and between the ceramic substrate and the copper plate, Cu and Mg are present. A Cu-Mg intermetallic compound phase consisting of an intermetallic compound containing An active metal compound layer containing a compound of an active metal is formed, and the Cu-Mg intermetallic compound phase is formed on the copper plate side of the active metal compound layer, and the Cu-Mg intermetallic compound phase contains the Cu-Mg intermetallic compound phase. It is characterized in that the maximum thickness of the region in contact with the active metal compound layer is 15 μm or less.
本発明の絶縁回路基板によれば、セラミックス基板の表面に硬い活性金属化合物層が形成されており、前記Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相のうち前記活性金属化合物層に接した領域の最大厚さが１５μｍ以下に制限されているので、厳しい冷熱サイクルが負荷された場合であっても、接合界面及びセラミックス基板に亀裂が生じることを抑制でき、冷熱サイクル信頼性を向上させることが可能となる。 According to the insulated circuit board of the present invention, a hard active metal compound layer is formed on the surface of the ceramic substrate, and the maximum thickness of the region of the Cu-Mg intermetallic compound phase in contact with the active metal compound layer is Since the thickness is limited to 15 μm or less, even if severe thermal cycles are applied, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the bonding interface and the ceramic substrate, and it is possible to improve the thermal cycle reliability.
ここで、本発明の絶縁回路基板においては、前記セラミックス基板と前記銅板との間には、Ｃｕと前記活性金属とを含む金属間化合物からなる第２金属間化合物相が形成されており、前記Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相と前記第２金属間化合物相との合計面積に対する前記第２金属間化合物相の面積率が５０％以下とされていることが好ましい。
Ｃｕと前記活性金属とを含む金属間化合物からなる第２金属間化合物相は、前記Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相に比べて硬いことから、前記Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相と前記第２金属間化合物相との合計面積に対する前記第２金属間化合物相の面積率を５０％以下に制限することにより、厳しい冷熱サイクルが負荷された場合であっても、接合界面及びセラミックス基板に亀裂が生じることをさらに抑制することが可能となる。
Here, in the insulated circuit board of the present invention, a second intermetallic compound phase made of an intermetallic compound containing Cu and the active metal is formed between the ceramic substrate and the copper plate, and the second intermetallic compound phase is formed between the ceramic substrate and the copper plate. Preferably, the area ratio of the second intermetallic compound phase to the total area of the Cu--Mg intermetallic compound phase and the second intermetallic compound phase is 50% or less.
The second intermetallic compound phase, which is made of an intermetallic compound containing Cu and the active metal, is harder than the Cu-Mg intermetallic compound phase. By limiting the area ratio of the second intermetallic compound phase to the total area of the compound phase to 50% or less, cracks will not occur in the bonding interface and the ceramic substrate even when subjected to severe cooling and heating cycles. can be further suppressed.
また、本発明の絶縁回路基板においては、前記活性金属がＴｉであることが好ましい。
この場合、Ｔｉがセラミックス基板の接合面と十分に反応し、窒化チタンからなる活性金属化合物層が形成されることになり、セラミックス基板と銅板とを確実に接合することが可能となる。
Further, in the insulated circuit board of the present invention, it is preferable that the active metal is Ti.
In this case, Ti sufficiently reacts with the bonding surface of the ceramic substrate to form an active metal compound layer made of titanium nitride, making it possible to reliably bond the ceramic substrate and the copper plate.
本発明の銅／セラミックス接合体の製造方法は、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１４μｍｏｌ／ｃｍ２以上８６μｍｏｌ／ｃｍ２以下の範囲内とし、前記接合工程では、４８０℃以上７００℃未満の温度領域における昇温速度が５℃／ｍｉｎ以上２０℃／ｍｉｎ以下とされるとともに、７００℃以上の温度で３０ｍｉｎ以上保持することを特徴としている。 The method for manufacturing a copper/ceramic bonded body of the present invention includes an Mg placement step of placing Mg between the copper member and the ceramic member, and a lamination step of laminating the copper member and the ceramic member via Mg. and a bonding step of heat-treating and bonding the copper member and the ceramic member laminated via Mg in a vacuum atmosphere under pressure in the lamination direction, the Mg arrangement In the step, the Mg amount is within the range of 14 μmol/cm 2 or more and 86 μmol/cm 2 or less, and in the bonding step, the temperature increase rate in the temperature range of 480° C. or more and less than 700° C. is 5° C./min or more and 20° C./min or less. It is characterized by being held at a temperature of 700° C. or higher for 30 minutes or more.
この構成の銅／セラミックス接合体の製造方法によれば、Ｍｇ配置工程では、Ｍｇ量を１４μｍｏｌ／ｃｍ２以上８６μｍｏｌ／ｃｍ２以下の範囲内としているので、界面反応に必要な液相を十分に得ることができる。よって、銅部材とセラミックス部材を確実に接合することができる。
そして、接合工程において、４８０℃以上７００℃未満の温度領域における昇温速度が５℃／ｍｉｎ以上２０℃／ｍｉｎ以下とされるとともに、７００℃以上の温度で３０ｍｉｎ以上保持しているので、界面反応に必要な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、接合界面にＣｕ－Ｍｇ金属間化合物相が形成されるとともに、前記Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相のうち前記セラミックス部材に接した領域の最大厚さを２０μｍ以下とすることができる。
According to the method for manufacturing a copper/ceramic bonded body having this configuration, in the Mg placement step, the Mg amount is set within the range of 14 μmol/cm 2 to 86 μmol/cm 2 , so that the liquid phase necessary for the interfacial reaction is sufficiently generated. Obtainable. Therefore, the copper member and the ceramic member can be reliably joined.
In the bonding process, the temperature increase rate in the temperature range of 480°C or more and less than 700°C is set to 5°C/min or more and 20°C/min or less, and the temperature is maintained at 700°C or more for 30 minutes or more, so that the interface The liquid phase required for the reaction can be maintained for a certain period of time or longer, promoting uniform interfacial reaction, forming a Cu-Mg intermetallic compound phase at the bonding interface, and also The maximum thickness of the region in contact with the ceramic member can be 20 μm or less.
また、本発明の銅／セラミックス接合体の製造方法は、前記銅部材と前記セラミックス部材との間に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属及びＭｇを配置する活性金属及びＭｇ配置工程と、前記銅部材と前記セラミックス部材とを、活性金属及びＭｇを介して積層する積層工程と、活性金属及び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、前記活性金属及びＭｇ配置工程では、活性金属量を０．４μｍｏｌ／ｃｍ２以上９．４μｍｏｌ／ｃｍ２以下の範囲内、Ｍｇ量を１４μｍｏｌ／ｃｍ２以上８６μｍｏｌ／ｃｍ２以下の範囲内とし、前記接合工程では、４８０℃以上７００℃未満の温度領域における昇温速度が５℃／ｍｉｎ以上２０℃／ｍｉｎ以下とされるとともに、７００℃以上の温度で３０ｍｉｎ以上保持することを特徴としている。 Further, in the method for producing a copper/ceramic bonded body of the present invention, one or more active metals selected from Ti, Zr, Nb, and Hf and Mg are added between the copper member and the ceramic member. a step of arranging an active metal and Mg; a laminating step of laminating the copper member and the ceramic member via the active metal and Mg; and a laminating step of the copper member and the ceramic member via the active metal and Mg. and a joining step of heat-treating and joining them in a vacuum atmosphere under pressure in the stacking direction, and in the active metal and Mg arrangement step, the active metal amount is 0.4 μmol/cm 2 or more. The amount of Mg is within the range of 9.4 μmol/cm 2 or less, and the Mg amount is within the range of 14 μmol/cm 2 or more and 86 μmol/cm 2 or less, and in the bonding process, the temperature increase rate in the temperature range of 480° C. or more and less than 700° C. is 5° C. /min or more and 20°C/min or less, and is characterized by being maintained at a temperature of 700°C or more for 30 minutes or more.
この構成の銅／セラミックス接合体の製造方法によれば、前記活性金属及びＭｇ配置工程では、活性金属量を０．４μｍｏｌ／ｃｍ２以上９．４μｍｏｌ／ｃｍ２以下の範囲内、Ｍｇ量を１４μｍｏｌ／ｃｍ２以上８６μｍｏｌ／ｃｍ２以下の範囲内としているので、界面反応に必要な液相を十分に得ることができる。よって、銅部材とセラミックス部材とを確実に接合することができる。また、セラミックス部材の表面に活性金属化合物層が形成されることになる。
そして、接合工程において、４８０℃以上７００℃未満の温度領域における昇温速度が５℃／ｍｉｎ以上２０℃／ｍｉｎ以下とされるとともに、７００℃以上の温度で３０ｍｉｎ以上保持しているので、界面反応に必要な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、接合界面にＣｕ－Ｍｇ金属間化合物相が形成されるとともに、前記Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相のうち前記活性金属化合物層に接した領域の最大厚さを１５μｍ以下とすることができる。
According to the method for manufacturing a copper/ceramic bonded body having this configuration, in the active metal and Mg arrangement step, the amount of active metal is within the range of 0.4 μmol/cm 2 to 9.4 μmol/cm 2 and the amount of Mg is 14 μmol. Since the amount is within the range of 86 μmol/cm 2 or more and 86 μmol/cm 2 or less, a sufficient liquid phase necessary for interfacial reaction can be obtained. Therefore, the copper member and the ceramic member can be reliably joined. Furthermore, an active metal compound layer is formed on the surface of the ceramic member.
In the bonding process, the temperature increase rate in the temperature range of 480°C or more and less than 700°C is set to 5°C/min or more and 20°C/min or less, and the temperature is maintained at 700°C or more for 30 minutes or more, so that the interface The liquid phase required for the reaction can be maintained for a certain period of time or longer, promoting uniform interfacial reaction, forming a Cu-Mg intermetallic compound phase at the bonding interface, and also The maximum thickness of the region in contact with the active metal compound layer can be 15 μm or less.
本発明の絶縁回路基板の製造方法は、上述の絶縁回路基板を製造する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１４μｍｏｌ／ｃｍ２以上８６μｍｏｌ／ｃｍ２以下の範囲内とし、前記接合工程では、４８０℃以上７００℃未満の温度領域における昇温速度が５℃／ｍｉｎ以上２０℃／ｍｉｎ以下とされるとともに、７００℃以上の温度で３０ｍｉｎ以上保持することを特徴としている。 The method for manufacturing an insulated circuit board of the present invention is a method for manufacturing an insulated circuit board for manufacturing the above-mentioned insulated circuit board, comprising: an Mg placement step of placing Mg between the copper plate and the ceramic substrate; A lamination step of laminating a copper plate and the ceramic substrate via Mg, and bonding by heat treatment in a vacuum atmosphere while pressurizing the copper plate and the ceramic substrate laminated via Mg in the lamination direction. In the Mg arrangement step, the Mg amount is set in a range of 14 μmol/cm 2 or more and 86 μmol/cm 2 or less, and in the bonding step, the Mg amount is set in a temperature range of 480° C. or more and less than 700° C. It is characterized in that the temperature rate is set to 5° C./min or more and 20° C./min or less, and the temperature is maintained at 700° C. or more for 30 minutes or more.
この構成の絶縁回路基板の製造方法によれば、Ｍｇ配置工程では、Ｍｇ量を１４μｍｏｌ／ｃｍ２以上８６μｍｏｌ／ｃｍ２以下の範囲内としているので、界面反応に必要な液相を十分に得ることができる。よって、銅板とセラミックス基板を確実に接合することができる。
そして、接合工程において、４８０℃以上７００℃未満の温度領域における昇温速度が５℃／ｍｉｎ以上２０℃／ｍｉｎ以下とされるとともに、７００℃以上の温度で３０ｍｉｎ以上保持しているので、界面反応に必要な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、接合界面にＣｕ－Ｍｇ金属間化合物相が形成されるとともに、前記Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相のうち前記セラミックス基板に接した領域の最大厚さを２０μｍ以下とすることができる。
According to the method for manufacturing an insulated circuit board having this configuration, in the Mg placement step, the Mg amount is within the range of 14 μmol/cm 2 to 86 μmol/cm 2 , so that a sufficient liquid phase necessary for interfacial reaction can be obtained. Can be done. Therefore, the copper plate and the ceramic substrate can be reliably joined.
In the bonding process, the temperature increase rate in the temperature range of 480°C or more and less than 700°C is set to 5°C/min or more and 20°C/min or less, and the temperature is maintained at 700°C or more for 30 minutes or more, so that the interface The liquid phase required for the reaction can be maintained for a certain period of time or longer, promoting uniform interfacial reaction, forming a Cu-Mg intermetallic compound phase at the bonding interface, and also The maximum thickness of the region in contact with the ceramic substrate can be 20 μm or less.
また、本発明の絶縁回路基板の製造方法の製造方法は、前記銅板と前記セラミックス基板との間に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属及びＭｇを配置する活性金属及びＭｇ配置工程と、前記銅板と前記セラミックス基板とを、活性金属及びＭｇを介して積層する積層工程と、活性金属及び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、前記活性金属及びＭｇ配置工程では、活性金属量を０．４μｍｏｌ／ｃｍ２以上９．４μｍｏｌ／ｃｍ２以下の範囲内、Ｍｇ量を１４μｍｏｌ／ｃｍ２以上８６μｍｏｌ／ｃｍ２以下の範囲内とし、前記接合工程では、４８０℃以上７００℃未満の温度領域における昇温速度が５℃／ｍｉｎ以上２０℃／ｍｉｎ以下とされるとともに、７００℃以上の温度で３０ｍｉｎ以上保持することを特徴としている。 Further, in the manufacturing method of the insulated circuit board manufacturing method of the present invention, one or more active metals selected from Ti, Zr, Nb, and Hf and Mg are added between the copper plate and the ceramic substrate. a step of arranging the active metal and Mg; a laminating step of laminating the copper plate and the ceramic substrate through the active metal and Mg; and a laminating step of laminating the copper plate and the ceramic substrate through the active metal and Mg. 9. A bonding step of performing heat treatment and bonding in a vacuum atmosphere under pressure in the stacking direction, and in the active metal and Mg arrangement step, the amount of active metal is 0.4 μmol/cm 2 or more.9. The amount of Mg is within the range of 4 μmol/cm 2 or less, and the Mg amount is within the range of 14 μmol/cm 2 or more and 86 μmol/cm 2 or less, and in the bonding step, the temperature increase rate in the temperature range of 480° C. or more and less than 700° C. is 5° C./min. It is characterized in that the temperature is 20° C./min or less, and the temperature is maintained at 700° C. or more for 30 min or more.
この構成の絶縁回路基板の製造方法によれば、前記活性金属及びＭｇ配置工程では、活性金属量を０．４μｍｏｌ／ｃｍ２以上９．４μｍｏｌ／ｃｍ２以下の範囲内、Ｍｇ量を１４μｍｏｌ／ｃｍ２以上８６μｍｏｌ／ｃｍ２以下の範囲内としているので、界面反応に必要な液相を十分に得ることができる。よって、銅板とセラミックス基板とを確実に接合することができる。また、セラミックス基板の表面に活性金属化合物層が形成されることになる。
そして、接合工程において、４８０℃以上７００℃未満の温度領域における昇温速度が５℃／ｍｉｎ以上２０℃／ｍｉｎ以下とされるとともに、７００℃以上の温度で３０ｍｉｎ以上保持しているので、界面反応に必要な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、接合界面にＣｕ－Ｍｇ金属間化合物相が形成されるとともに、前記Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相のうち前記活性金属化合物層に接した領域の最大厚さを１５μｍ以下とすることができる。
According to the method for manufacturing an insulated circuit board having this configuration, in the active metal and Mg arrangement step, the amount of active metal is within the range of 0.4 μmol/cm 2 to 9.4 μmol/cm 2 and the amount of Mg is 14 μmol/cm Since the amount is within the range of 2 or more and 86 μmol/cm 2 or less, a sufficient liquid phase necessary for interfacial reaction can be obtained. Therefore, the copper plate and the ceramic substrate can be reliably joined. Furthermore, an active metal compound layer is formed on the surface of the ceramic substrate.
In the bonding process, the temperature increase rate in the temperature range of 480°C or more and less than 700°C is set to 5°C/min or more and 20°C/min or less, and the temperature is maintained at 700°C or more for 30 minutes or more, so that the interface The liquid phase required for the reaction can be maintained for a certain period of time or longer, promoting uniform interfacial reaction, forming a Cu-Mg intermetallic compound phase at the bonding interface, and also The maximum thickness of the region in contact with the active metal compound layer can be 15 μm or less.
本発明によれば、厳しい冷熱サイクルを負荷した場合であっても、セラミックス部材と銅部材との接合界面におけるクラックの発生を抑制でき、冷熱サイクル信頼性に優れた銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、銅／セラミックス接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, the occurrence of cracks at the bonding interface between a ceramic member and a copper member can be suppressed even when subjected to severe cooling/heating cycles, and a copper/ceramic bonded body and an insulated circuit with excellent cooling/heating cycle reliability can be obtained. A substrate, a method for manufacturing a copper/ceramic bonded body, and a method for manufacturing an insulated circuit board can be provided.
（第１の実施形態）
以下に、本発明の第１の実施形態について添付した図面を参照して説明する。
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）とが接合されてなる絶縁回路基板１０である。図１に、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。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described below with reference to the attached drawings.
The copper/ceramic bonded body according to the present embodiment includes a
このパワーモジュール１は、回路層１２及び金属層１３が配設された絶縁回路基板１０と、回路層１２の一方の面（図１において上面）に接合層２を介して接合された半導体素子３と、金属層１３の他方側（図１において下側）に配置されたヒートシンク３０と、を備えている。
This power module 1 includes an insulated
半導体素子３は、Ｓｉ等の半導体材料で構成されている。この半導体素子３と回路層１２は、接合層２を介して接合されている。
接合層２は、例えばＳｎ－Ａｇ系、Ｓｎ－Ｉｎ系、若しくはＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ系のはんだ材で構成されている。
The
The
ヒートシンク３０は、前述の絶縁回路基板１０からの熱を放散するためのものである。このヒートシンク３０は、銅又は銅合金で構成されており、本実施形態ではりん脱酸銅で構成されている。このヒートシンク３０には、冷却用の流体が流れるための流路３１が設けられている。
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系のはんだ材で構成されている。
The
In addition, in this embodiment, the
そして、本実施形態である絶縁回路基板１０は、図１に示すように、セラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面（図１において上面）に配設された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）に配設された金属層１３と、を備えている。
As shown in FIG. 1, the insulated
セラミックス基板１１は、絶縁性および放熱性に優れた窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のセラミックスで構成されている。本実施形態では、セラミックス基板１１は、特に放熱性の優れた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さは、例えば、０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。
The
回路層１２は、図４に示すように、セラミックス基板１１の一方の面（図４において上面）に、銅又は銅合金からなる銅板２２が接合されることにより形成されている。
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。
As shown in FIG. 4, the
In this embodiment, the
Note that the thickness of the
金属層１３は、図４に示すように、セラミックス基板１１の他方の面（図４において下面）に、銅又は銅合金からなる銅板２３が接合されることにより形成されている。
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。
As shown in FIG. 4, the
In this embodiment, the
Note that the thickness of the
そして、セラミックス基板１１と回路層１２（金属層１３）との接合界面においては、図２に示すように、ＣｕとＭｇを含む金属間化合物からなるＣｕ－Ｍｇ金属間化合物相４５が形成されている。なお、Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相４５は、セラミックス基板１１に接したＣｕ－Ｍｇ金属間化合物相４５ａとセラミックス基板１１から離間したＣｕ－Ｍｇ金属間化合物相４５ｂとが存在する。
ここで、本実施形態においては、セラミックス基板１１に接したＣｕ－Ｍｇ金属間化合物相４５ａのうちセラミックス基板１１に接した領域の最大厚さが２０μｍ以下とされている。このように、セラミックス基板１１に接した領域のＣｕ－Ｍｇ金属間化合物相４５の最大厚さを規定することにより、冷熱サイクル負荷時における接合界面での亀裂の発生を抑制することができ、冷熱サイクル信頼性を向上させることが可能となる。
なお、絶縁回路基板１０の冷熱サイクル信頼性をさらに向上させるためには、セラミックス基板１１に接したＣｕ－Ｍｇ金属間化合物相４５ａのうちセラミックス基板１１に接した領域の最大厚さの上限は１５μｍ以下であることが好ましく、１２μｍ以下であることがさらに好ましい。一方、セラミックス基板１１に接したＣｕ－Ｍｇ金属間化合物相４５ａのうちセラミックス基板１１に接した領域の最大厚さの下限に特に制限はないが、１μｍ以上とすることが好ましく、２μｍ以上とすることがさらに好ましい。
At the bonding interface between the
In this embodiment, the maximum thickness of the region of the Cu--Mg
In order to further improve the thermal cycle reliability of the insulated
以下に、本実施形態に係る絶縁回路基板１０の製造方法について、図３及び図４を参照して説明する。
The method for manufacturing the insulated
（Ｍｇ配置工程Ｓ０１）
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４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。
(Mg placement step S01)
First, a
In this embodiment,
ここで、Ｍｇ配置工程Ｓ０１では、配置するＭｇ量を１４μｍｏｌ／ｃｍ２以上８６μｍｏｌ／ｃｍ２以下の範囲内とする。
なお、配置するＭｇ量の下限は２１μｍｏｌ／ｃｍ２以上とすることが好ましく、２９μｍｏｌ／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７２μｍｏｌ／ｃｍ２以下とすることが好ましく、５７μｍｏｌ／ｃｍ２以下とすることがさらに好ましい。
Here, in the Mg placement step S01, the amount of Mg to be placed is within the range of 14 μmol/cm 2 or more and 86 μmol/cm 2 or less.
Note that the lower limit of the amount of Mg to be disposed is preferably 21 μmol/cm 2 or more, and more preferably 29 μmol/cm 2 or more. On the other hand, the upper limit of the amount of Mg to be disposed is preferably 72 μmol/cm 2 or less, more preferably 57 μmol/cm 2 or less.
（積層工程Ｓ０２）
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。
(Lamination process S02)
Next, the
（接合工程Ｓ０３）
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７００℃未満の温度領域における昇温速度が５℃／ｍｉｎ以上２０℃／ｍｉｎ以下とされるとともに、７００℃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、界面反応に必要なＣｕ－Ｍｇ液相が確保され、均一な界面反応を進行させることができる。これにより、セラミックス基板１１の接合界面にＣｕ－Ｍｇ金属間化合物相４５が形成される。そして、Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相４５のうちセラミックス基板１１に接した領域の最大厚さが２０μｍ以下とされる。
(Joining process S03)
Next, the
Here, the heat treatment conditions in the bonding step S03 are such that the temperature increase rate in the temperature range of 480°C or more and less than 700°C is 5°C/min or more and 20°C/min or less, and the temperature is maintained at 700°C or more for 30 minutes or more. . By defining the heat treatment conditions in this manner, the Cu--Mg liquid phase necessary for the interfacial reaction is ensured, and the interfacial reaction can proceed uniformly. As a result, a Cu--Mg
なお、４８０℃以上７００℃未満の温度領域における昇温速度の下限は８℃／ｍｉｎ以上とすることが好ましく、１０℃／ｍｉｎ以上とすることがさらに好ましい。一方、４８０℃以上７００℃未満の温度領域における昇温速度の上限は１８℃／ｍｉｎ以下とすることが好ましく、１６℃／ｍｉｎ以下とすることがさらに好ましい。
また、保持温度の下限は７３０℃以上とすることが好ましく、７５０℃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、８３０℃以下とすることが好ましく、８００℃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６０ｍｉｎ以上とすることが好ましく、９０ｍｉｎ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。
Note that the lower limit of the temperature increase rate in the temperature range of 480°C or more and less than 700°C is preferably 8°C/min or more, and more preferably 10°C/min or more. On the other hand, the upper limit of the temperature increase rate in the temperature range from 480°C to less than 700°C is preferably 18°C/min or less, more preferably 16°C/min or less.
Further, the lower limit of the holding temperature is preferably 730°C or higher, more preferably 750°C or higher. On the other hand, there is no particular restriction on the upper limit of the holding temperature, but it is preferably 830°C or lower, and more preferably 800°C or lower.
Further, the lower limit of the holding time is preferably 60 min or more, more preferably 90 min or more. On the other hand, there is no particular restriction on the upper limit of the holding time, but it is preferably 180 min or less, and more preferably 150 min or less.
なお、接合工程Ｓ０３における加圧荷重は、０．０４９ＭＰａ以上３．４ＭＰａ以下の範囲内とすることが好ましい。
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。
Note that the pressure load in the joining step S03 is preferably within a range of 0.049 MPa or more and 3.4 MPa or less.
Further, the degree of vacuum in the bonding step S03 is preferably within the range of 1×10 −6 Pa to 5×10 −2 Pa.
以上のように、Ｍｇ配置工程Ｓ０１と、積層工程Ｓ０２と、接合工程Ｓ０３とによって、本実施形態である絶縁回路基板１０が製造されることになる。
As described above, the insulated
（ヒートシンク接合工程Ｓ０４）
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。
(Heat sink bonding process S04)
Next, the
The insulated
（半導体素子接合工程Ｓ０５）
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。
(Semiconductor element bonding process S05)
Next, the
Through the above steps, the power module 1 shown in FIG. 1 is manufactured.
以上のような構成とされた本実施形態の絶縁回路基板１０（銅／セラミックス接合体）によれば、回路層１２（及び金属層１３）とセラミックス基板１１との間に形成されたＣｕ－Ｍｇ金属間化合物相４５のうち、セラミックス基板１１に接した領域の最大厚さが２０μｍ以下に制限されているので、厳しい冷熱サイクルが負荷された場合であっても、接合界面及びセラミックス基板１１に亀裂が生じることを抑制でき、冷熱サイクル信頼性を向上させることが可能となる。
According to the insulated circuit board 10 (copper/ceramic bonded body) of this embodiment configured as described above, the Cu-Mg formed between the circuit layer 12 (and metal layer 13) and the
本実施形態である絶縁回路基板の製造方法によれば、Ｍｇ配置工程Ｓ０１では、Ｍｇ量を１４μｍｏｌ／ｃｍ２以上８６μｍｏｌ／ｃｍ２以下の範囲内としているので、界面反応に必要な液相を十分に得ることができる。よって、回路層１２（及び金属層１３）とセラミックス基板１１を確実に接合することができる。
そして、接合工程Ｓ０３において、４８０℃以上７００℃未満の温度領域における昇温速度が５℃／ｍｉｎ以上２０℃／ｍｉｎ以下とされるとともに、７００℃以上の温度で３０ｍｉｎ以上保持しているので、界面反応に必要な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、接合界面にＣｕ－Ｍｇ金属間化合物相４５が形成されるとともに、Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相４５のうちセラミックス基板１１に接した領域の最大厚さを２０μｍ以下とすることができる。
According to the method for manufacturing an insulated circuit board according to the present embodiment, in the Mg placement step S01, the Mg amount is set within the range of 14 μmol/cm 2 or more and 86 μmol/cm 2 or less, so that the liquid phase necessary for the interfacial reaction is sufficient. can be obtained. Therefore, the circuit layer 12 (and metal layer 13) and the
Then, in the bonding step S03, the temperature increase rate in the temperature range of 480°C or more and less than 700°C is set to 5°C/min or more and 20°C/min or less, and the temperature is maintained at 700°C or more for 30 minutes or more. The liquid phase required for the interfacial reaction can be maintained for a certain period of time or longer, promoting a uniform interfacial reaction, forming a Cu-Mg
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、第１の実施形態と同一の部材には、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
本実施形態である絶縁回路基板１１０は、第１の実施形態と同様に、セラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面に配設された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面に配設された金属層１３と、を備えている。
(Second embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. Note that the same members as those in the first embodiment are given the same reference numerals and detailed explanations are omitted.
Similar to the first embodiment, the insulated circuit board 110 of this embodiment includes a
本実施形態である絶縁回路基板１１０は、セラミックス基板１１と回路層１２（金属層１３）との接合界面において、図５に示すように、セラミックス基板１１の表面には、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属の化合物を含む活性金属化合物層１４１が形成され、この活性金属化合物層１４１の回路層１２（金属層１３）側にＣｕとＭｇを含む金属間化合物からなるＣｕ－Ｍｇ金属間化合物相１４５が形成されている。
In the insulated circuit board 110 of this embodiment, as shown in FIG. 5, the surface of the
そして、Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相１４５のうち活性金属化合物層１４１に接した領域の最大厚さが１５μｍ以下とされている。このように、活性金属化合物層１４１に接した領域のＣｕ－Ｍｇ金属間化合物相１４５の最大厚さを規定することにより、冷熱サイクル負荷時における接合界面での亀裂の発生を抑制することができ、冷熱サイクル信頼性を向上させることが可能となる。
なお、絶縁回路基板１１０の冷熱サイクル信頼性をさらに向上させるためには、Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相１４５のうち活性金属化合物層１４１に接した領域の最大厚さの上限は１２μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以下であることがさらに好ましい。一方、Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相１４５のうち活性金属化合物層１４１に接した領域の最大厚さの下限には特に制限はないが、１μｍ以上であることが好ましく、２μｍ以上であることがさらに好ましい。
The maximum thickness of the region of the Cu--Mg intermetallic compound phase 145 that is in contact with the active metal compound layer 141 is 15 μm or less. In this way, by defining the maximum thickness of the Cu--Mg intermetallic compound phase 145 in the region in contact with the active metal compound layer 141, it is possible to suppress the occurrence of cracks at the bonding interface during thermal cycle loads. , it becomes possible to improve the reliability of the cooling/heating cycle.
Note that in order to further improve the thermal cycle reliability of the insulated circuit board 110, the upper limit of the maximum thickness of the region of the Cu-Mg intermetallic compound phase 145 in contact with the active metal compound layer 141 should be 12 μm or less. is preferable, and more preferably 10 μm or less. On the other hand, there is no particular restriction on the lower limit of the maximum thickness of the region of the Cu-Mg intermetallic compound phase 145 in contact with the active metal compound layer 141, but it is preferably 1 μm or more, and more preferably 2 μm or more. preferable.
また、本実施形態においては、図５に示すように、セラミックス基板１１と回路層１２（及び金属層１３）との間には、Ｃｕと活性金属とを含む金属間化合物からなる第２金属間化合物相１４７が形成され、Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相１４５と第２金属間化合物相１４７との合計面積に対する第２金属間化合物相１４７の面積率が５０％以下とされていることが好ましく、３０％以下とされていることがより好ましい。
Further, in this embodiment, as shown in FIG. 5, a second intermetallic compound made of an intermetallic compound containing Cu and an active metal is provided between the
さらに、本実施形態においては、前記活性金属がＴｉであることが好ましい。なお、本実施形態では、セラミックス基板１１が窒化アルミニウムで構成されていることから、セラミックス基板１１の表面に形成される活性金属化合物層１４１は、窒素チタン等の活性金属の窒化物を含むものとなる。あるいは、セラミックス基板１１の表面の酸化膜と活性金属が反応することで酸化チタン等の活性金属の酸化物を含むものとなる。
Furthermore, in this embodiment, it is preferable that the active metal is Ti. In this embodiment, since the
以下に、本実施形態に係る絶縁回路基板１１０の製造方法について、図６及び図７を参照して説明する。 The method for manufacturing the insulated circuit board 110 according to this embodiment will be described below with reference to FIGS. 6 and 7.
（活性金属及びＭｇ配置工程Ｓ１０１）
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７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Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属及び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１２５と活性金属箔１２６を配設している。
(Active metal and Mg placement step S101)
First, a
In this embodiment, an
ここで、活性金属及びＭｇ配置工程Ｓ１０１では、配置する活性金属量を０．４μｍｏｌ／ｃｍ２以上１４．１μｍｏｌ／ｃｍ２以下の範囲内、Ｍｇ量を１４μｍｏｌ／ｃｍ２以上８６μｍｏｌ／ｃｍ２以下の範囲内とする。
なお、配置する活性金属量の下限は０．９μｍｏｌ／ｃｍ２以上とすることが好ましく、２．８μｍｏｌ／ｃｍ２以上とすることがさらに好ましい。一方、配置する活性金属量の上限は９．４μｍｏｌ／ｃｍ２以下とすることが好ましく、６．６μｍｏｌ／ｃｍ２以下とすることがさらに好ましい。
また、配置するＭｇ量の下限は２１μｍｏｌ／ｃｍ２以上とすることが好ましく、２９μｍｏｌ／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７２μｍｏｌ／ｃｍ２以下とすることが好ましく、５７μｍｏｌ／ｃｍ２以下とすることがさらに好ましい。
Here, in the active metal and Mg placement step S101, the amount of active metal to be placed is within the range of 0.4 μmol/ cm2 to 14.1 μmol/ cm2 , and the Mg amount is within the range of 14 μmol/ cm2 to 86 μmol/ cm2. Within the range.
Note that the lower limit of the amount of active metal to be arranged is preferably 0.9 μmol/cm 2 or more, and more preferably 2.8 μmol/cm 2 or more. On the other hand, the upper limit of the amount of active metal disposed is preferably 9.4 μmol/cm 2 or less, more preferably 6.6 μmol/cm 2 or less.
Further, the lower limit of the amount of Mg to be arranged is preferably 21 μmol/cm 2 or more, more preferably 29 μmol/cm 2 or more. On the other hand, the upper limit of the amount of Mg to be disposed is preferably 72 μmol/cm 2 or less, more preferably 57 μmol/cm 2 or less.
（積層工程Ｓ１０２）
次に、銅板２２とセラミックス基板１１を、活性金属箔１２６及びＭｇ箔１２５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、活性金属箔１２６及びＭｇ箔１２５を介して積層する。
(Lamination step S102)
Next, the
（接合工程Ｓ１０３）
次に、積層された銅板２２、活性金属箔１２６、Ｍｇ箔１２５、セラミックス基板１１、Ｍｇ箔１２５、活性金属箔１２６、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Ｓ１０３における熱処理条件は、４８０℃以上７００℃未満の温度領域における昇温速度が５℃／ｍｉｎ以上２０℃／ｍｉｎ以下とされるとともに、７００℃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、界面反応に必要なＣｕ－Ｍｇ液相が確保され、均一な界面反応を進行させることができる。これにより、セラミックス基板１１の表面に活性金属化合物層１４１が形成され、この活性金属化合物層１４１の回路層１２（金属層１３）側にＣｕ－Ｍｇ金属間化合物相１４５が形成される。そして、Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相１４５のうち活性金属化合物層１４１に接した領域の最大厚さが１５μｍ以下に制限される。
(Joining process S103)
Next, the
Here, the heat treatment conditions in the bonding step S103 are such that the temperature increase rate in the temperature range of 480°C or more and less than 700°C is 5°C/min or more and 20°C/min or less, and the temperature is maintained at 700°C or more for 30 minutes or more. . By defining the heat treatment conditions in this manner, the Cu--Mg liquid phase necessary for the interfacial reaction is ensured, and the interfacial reaction can proceed uniformly. As a result, an active metal compound layer 141 is formed on the surface of the
なお、４８０℃以上７００℃未満の温度領域における昇温速度の下限は８℃／ｍｉｎ以上とすることが好ましく、１０℃／ｍｉｎ以上とすることがさらに好ましい。一方、４８０℃以上７００℃未満の温度領域における昇温速度の上限は１８℃／ｍｉｎ以下とすることが好ましく、１６℃／ｍｉｎ以下とすることがさらに好ましい。
また、保持温度の下限は７３０℃以上とすることが好ましく、７５０℃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、８３０℃以下とすることが好ましく、８００℃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６０ｍｉｎ以上とすることが好ましく、９０ｍｉｎ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。
Note that the lower limit of the temperature increase rate in the temperature range of 480°C or more and less than 700°C is preferably 8°C/min or more, and more preferably 10°C/min or more. On the other hand, the upper limit of the temperature increase rate in the temperature range from 480°C to less than 700°C is preferably 18°C/min or less, more preferably 16°C/min or less.
Further, the lower limit of the holding temperature is preferably 730°C or higher, more preferably 750°C or higher. On the other hand, there is no particular restriction on the upper limit of the holding temperature, but it is preferably 830°C or lower, and more preferably 800°C or lower.
Further, the lower limit of the holding time is preferably 60 min or more, more preferably 90 min or more. On the other hand, there is no particular restriction on the upper limit of the holding time, but it is preferably 180 min or less, and more preferably 150 min or less.
なお、接合工程Ｓ１０３における加圧荷重は、０．０４９ＭＰａ以上３．４ＭＰａ以下の範囲内とすることが好ましい。
さらに、接合工程Ｓ１０３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。
Note that the pressurizing load in the joining step S103 is preferably within a range of 0.049 MPa or more and 3.4 MPa or less.
Further, the degree of vacuum in the bonding step S103 is preferably within the range of 1×10 −6 Pa to 5×10 −2 Pa.
以上のように、活性金属及びＭｇ配置工程Ｓ１０１と、積層工程Ｓ１０２と、接合工程Ｓ１０３とによって、本実施形態である絶縁回路基板１１０が製造されることになる。 As described above, the insulated circuit board 110 of this embodiment is manufactured through the active metal and Mg arrangement step S101, the lamination step S102, and the bonding step S103.
以上のような構成とされた本実施形態の絶縁回路基板１１０（銅／セラミックス接合体）によれば、回路層１２（及び金属層１３）とセラミックス基板１１との接合界面において、セラミックス基板１１の表面に活性金属化合物層１４１が形成され、この活性金属化合物層１４１の回路層１２（及び金属層１３）側にＣｕ－Ｍｇ金属間化合物相１４５が形成されており、Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相１４５のうち活性金属化合物層１４１に接した領域の最大厚さが１５μｍ以下とされているので、厳しい冷熱サイクルが負荷された場合であっても、接合界面及びセラミックス基板１１に亀裂が生じることを抑制でき、冷熱サイクル信頼性を向上させることが可能となる。
According to the insulated circuit board 110 (copper/ceramic bonded body) of the present embodiment configured as described above, at the bonding interface between the circuit layer 12 (and metal layer 13) and the
また、本実施形態において、セラミックス基板１１と回路層１２（及び金属層１３）との間は、Ｃｕと活性金属とを含む金属間化合物からなる第２金属間化合物相１４７が形成されており、Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相１４５と第２金属間化合物相１４７との合計面積に対する第２金属間化合物相１４７の面積率が５０％以下とされている場合には、Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相１４５よりも硬い第２金属間化合物相１４７が接合界面に多く存在せず、厳しい冷熱サイクルが負荷された場合であっても、接合界面及びセラミックス基板１１に亀裂が生じることをさらに抑制することが可能となる。
Further, in this embodiment, a second intermetallic compound phase 147 made of an intermetallic compound containing Cu and an active metal is formed between the
さらに、本実施形態において、活性金属がＴｉである場合には、Ｔｉがセラミックス基板１１の接合面と十分に反応し、窒化チタンからなる活性金属化合物層１４１が形成されることになり、セラミックス基板１１と回路層１２（及び金属層１３とを確実に接合することが可能となる。
Furthermore, in the present embodiment, when the active metal is Ti, Ti reacts sufficiently with the bonding surface of the
本実施形態である絶縁回路基板の製造方法によれば、活性金属量を０．４μｍｏｌ／ｃｍ２以上９．４μｍｏｌ／ｃｍ２以下の範囲内、Ｍｇ量を１４μｍｏｌ／ｃｍ２以上８６μｍｏｌ／ｃｍ２以下の範囲内としているので、界面反応に必要な液相を十分に得ることができる。よって、回路層１２及び金属層１３とセラミックス基板１１とを確実に接合することができる。
そして、接合工程Ｓ１０３において、４８０℃以上７００℃未満の温度領域における昇温速度が５℃／ｍｉｎ以上２０℃／ｍｉｎ以下とされるとともに、７００℃以上の温度で３０ｍｉｎ以上保持する構成としているので、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することができる。これにより、セラミックス基板１１の表面に活性金属化合物層１４１が形成され、この活性金属化合物層１４１の回路層１２（金属層１３）側にＣｕ－Ｍｇ金属間化合物相１４５が形成される。そして、Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相１４５のうち活性金属化合物層１４１に接した領域の最大厚さが１５μｍ以下に制限される。
According to the method for manufacturing an insulated circuit board of this embodiment, the amount of active metal is within the range of 0.4 μmol/cm 2 to 9.4 μmol/cm 2 , and the amount of Mg is within the range of 14 μmol/cm 2 to 86 μmol/cm 2 Since it is within the range of , it is possible to obtain a sufficient liquid phase necessary for the interfacial reaction. Therefore, the
In the bonding step S103, the temperature increase rate in the temperature range of 480°C or more and less than 700°C is set to 5°C/min or more and 20°C/min or less, and the temperature is maintained at 700°C or more for 30 minutes or more. , the Cu--Mg liquid phase required for interfacial reaction can be maintained for a certain period of time or more, and uniform interfacial reaction can be promoted. As a result, an active metal compound layer 141 is formed on the surface of the
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施形態では、絶縁回路基板に半導体素子を搭載してパワーモジュールを構成するものとして説明したが、これに限定されることはない。例えば、絶縁回路基板の回路層にＬＥＤ素子を搭載してＬＥＤモジュールを構成してもよいし、絶縁回路基板の回路層に熱電素子を搭載して熱電モジュールを構成してもよい。
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited thereto and can be modified as appropriate without departing from the technical idea of the invention.
For example, in this embodiment, the power module is configured by mounting a semiconductor element on an insulated circuit board, but the present invention is not limited to this. For example, an LED module may be constructed by mounting an LED element on a circuit layer of an insulated circuit board, or a thermoelectric module may be constructed by mounting a thermoelectric element on a circuit layer of an insulated circuit board.
また、本実施形態の絶縁回路基板では、回路層と金属層がともに銅又は銅合金からなる銅板によって構成されたものとして説明したが、これに限定されることはない。
例えば、回路層とセラミックス基板とが本発明の銅／セラミックス接合体で構成されていれば、金属層の材質や接合方法に限定はなく、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で構成されていてもよく、銅とアルミニウムの積層体で構成されていてもよい。
一方、金属層とセラミックス基板とが本発明の銅／セラミックス接合体で構成されていれば、回路層の材質や接合方法に限定はなく、回路層がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていてもよく、銅とアルミニウムの積層体で構成されていてもよい。
Further, in the insulated circuit board of this embodiment, the circuit layer and the metal layer are both made of copper plates made of copper or a copper alloy, but the present invention is not limited to this.
For example, as long as the circuit layer and the ceramic substrate are composed of the copper/ceramic bonded body of the present invention, there are no limitations on the material or bonding method of the metal layer, and the metal layer may be omitted, or the metal layer may be aluminum or aluminum. It may be made of an aluminum alloy or a laminate of copper and aluminum.
On the other hand, as long as the metal layer and the ceramic substrate are made of the copper/ceramic bonded body of the present invention, there are no limitations on the material or bonding method of the circuit layer, and the circuit layer may be made of aluminum or aluminum alloy. , it may be composed of a laminate of copper and aluminum.
また、第１の実施形態では、銅板とセラミックス基板との間に、Ｍｇ箔を積層する構成として説明したが、これに限定されることはなく、セラミックス基板及び銅板の接合面に、Ｍｇからなる薄膜を、スパッタ法や蒸着法等によって成膜してもよい。また、ＭｇやＭｇＨ２を含むペーストを塗布してもよい。
さらに、第２の実施形態では、銅板とセラミックス基板との間に、活性金属箔やＭｇ箔を積層する構成として説明したが、これに限定されることはなく、Ｍｇと活性金属の合金箔を配設してもよい。また、セラミックス基板及び銅板の接合面に、Ｍｇ、活性金属、Ｍｇと活性金属の合金等からなる薄膜を、スパッタ法や蒸着法等によって成膜してもよい。また、Ｍｇ、ＭｇＨ２、活性金属を含むペーストを塗布してもよい。
Further, in the first embodiment, the configuration is explained in which Mg foil is laminated between the copper plate and the ceramic substrate, but the structure is not limited to this, and the bonding surface of the ceramic substrate and the copper plate is made of Mg. The thin film may be formed by sputtering, vapor deposition, or the like. Alternatively, a paste containing Mg or MgH 2 may be applied.
Furthermore, in the second embodiment, an active metal foil or a Mg foil is laminated between a copper plate and a ceramic substrate, but the structure is not limited to this, and an alloy foil of Mg and an active metal is laminated. May be placed. Furthermore, a thin film made of Mg, an active metal, an alloy of Mg and an active metal, or the like may be formed on the joint surface of the ceramic substrate and the copper plate by sputtering, vapor deposition, or the like. Alternatively, a paste containing Mg, MgH 2 and an active metal may be applied.
さらに、本実施形態の絶縁回路基板では、セラミックス基板として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で構成されたものを例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）等の他のセラミックス基板を用いたものであってもよい。 Further, in the insulated circuit board of this embodiment, the ceramic substrate is made of aluminum nitride (AlN), but the ceramic substrate is not limited to this, and alumina (Al 2 O 3 ) , other ceramic substrates such as silicon nitride (Si 3 N 4 ) may also be used.
以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。 Below, the results of a confirmation experiment conducted to confirm the effects of the present invention will be explained.
（実施例１）
まず、表１記載のセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ）を準備した。なお、厚さは、ＡｌＮ及びＡｌ２Ｏ３は０．６３５ｍｍ、Ｓｉ３Ｎ４は０．３２ｍｍとした。
このセラミックス基板の両面に、無酸素銅からなる銅板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ０．３ｍｍ）を表１に示す条件で接合し、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２×１０－２Ｐａとした。
(Example 1)
First, a ceramic substrate (40 mm x 40 mm) listed in Table 1 was prepared. Note that the thickness was 0.635 mm for AlN and Al 2 O 3 and 0.32 mm for Si 3 N 4 .
Copper plates (37 mm x 37 mm x thickness 0.3 mm) made of oxygen-free copper were bonded to both sides of this ceramic substrate under the conditions shown in Table 1 to obtain an insulated circuit board (copper/ceramic bonded body). Note that the degree of vacuum in the vacuum furnace during bonding was 2×10 −2 Pa.
得られた絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）について、Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相のうちセラミックス基板に接した領域の最大厚さ、初期接合率、冷熱サイクル信頼性について、以下のようにして評価した。 Regarding the obtained insulated circuit board (copper/ceramic bonded body), the maximum thickness of the region of the Cu-Mg intermetallic compound phase in contact with the ceramic substrate, initial bonding rate, and thermal cycle reliability were determined as follows. evaluated.
（Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相）
得られた絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）の中央部から観察試料を採取し、銅板とセラミックス基板との接合界面を、電子線マイクロアナライザー（日本電子株式会社製ＪＸＡ－８５３９Ｆ）を用いて、倍率２０００倍、加速電圧１５ｋＶの条件で接合界面を含む領域（４００μｍ×６００μｍ）のＭｇの元素ＭＡＰを取得し、Ｍｇの存在が確認された領域内での定量分析の５点平均で、Ｃｕ濃度が５原子％以上、かつ、Ｍｇ濃度が３０原子以上７０原子％以下を満たした領域をＣｕ－Ｍｇ金属間化合物相とし、Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相のうちセラミックス基板に接した領域の最大厚さを算出した。なお、観察視野数は５つとし、その平均値を表２に示した。
(Cu-Mg intermetallic compound phase)
An observation sample was taken from the center of the obtained insulated circuit board (copper/ceramic bonded body), and the bonding interface between the copper plate and the ceramic substrate was examined using an electron beam microanalyzer (JXA-8539F manufactured by JEOL Ltd.). , an elemental map of Mg was obtained in a region (400 μm x 600 μm) including the bonding interface under the conditions of 2000x magnification and 15 kV acceleration voltage, and the five-point average of quantitative analysis in the region where the presence of Mg was confirmed showed that Cu The region where the concentration is 5 at.% or more and the Mg concentration is at least 30 at.% and at most 70 at.% is defined as the Cu-Mg intermetallic compound phase, and the maximum area of the Cu-Mg intermetallic compound phase in contact with the ceramic substrate The thickness was calculated. Note that the number of observation fields was five, and the average value is shown in Table 2.
（初期接合率）
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とした。
（接合率）＝｛（初期接合面積）－（非接合部面積）｝／（初期接合面積）×１００
(Initial joining rate)
The bonding rate between the copper plate and the ceramic substrate was evaluated. Specifically, in the insulated circuit board, the bonding rate at the interface between the copper plate and the ceramic substrate was evaluated using an ultrasonic flaw detector (FineSAT200 manufactured by Hitachi Power Solutions Co., Ltd.), and calculated from the following formula. Here, the initial bonding area is the area to be bonded before bonding, that is, the area of the circuit layer. In an image obtained by binarizing an ultrasonic flaw detection image, peeling is indicated by a white part within the joint, so the area of this white part was taken as the peeling area.
(Bonding rate) = {(Initial bonding area) - (Non-bonding area)}/(Initial bonding area) x 100
（冷熱サイクル信頼性）
セラミックス基板の材質に応じて下記の雰囲気を通炉させた後、ＳＡＴ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、接合界面及びセラミックス基板の割れの有無を判定した。規定回数の冷熱サイクルを負荷した後に接合界面及びセラミックス基板の割れが確認されなかったものを「Ｓ」、規定回数の８割の冷熱サイクルを負荷した時点では接合界面及びセラミックス基板の割れが確認されなかったものを「Ｂ」、規定回数の８割の冷熱サイクルを負荷した時点で接合界面及びセラミックス基板の割れが確認されたものを「ＮＧ」と評価した。評価結果を表２に示す。
ＡｌＮ，Ａｌ２Ｏ３の場合：－７８℃×２ｍｉｎ←→３５０℃×２ｍｉｎを１０回
Ｓｉ３Ｎ４の場合：－７８℃×２ｍｉｎ←→３５０℃×２ｍｉｎを２０回
(Cooling cycle reliability)
After passing through the furnace in the following atmosphere depending on the material of the ceramic substrate, the bonding interface between the copper plate and the ceramic substrate was inspected by SAT inspection, and the presence or absence of cracks in the bonding interface and the ceramic substrate was determined. "S" indicates that no cracking of the bonding interface or ceramic substrate was observed after the specified number of cooling/heating cycles, and cracking of the bonding interface or ceramic substrate was confirmed after 80% of the specified number of cooling/heating cycles. Those in which no cracks were observed were rated as "B," and those in which cracks were observed at the bonding interface and the ceramic substrate after 80% of the specified number of cooling/heating cycles were rated as "NG." The evaluation results are shown in Table 2.
For AlN, Al 2 O 3 : -78°C x 2 min ← → 350°C x 2
４８０℃以上７００℃未満の温度領域における平均昇温速度が３５℃／ｍｉｎとされた比較例１においては、Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相のうちセラミックス基板に接した領域の最大厚さが４３．６μｍと本発明の範囲よりも厚く、冷熱サイクル信頼性が「ＮＧ」となった。
これに対して、Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相のうちセラミックス基板に接した領域の最大厚さが本発明の範囲内とされた本発明例１－８においては、初期接合率が高く、かつ、冷熱サイクル信頼性が「Ｂ」又は「Ｓ」となった。
In Comparative Example 1, in which the average temperature increase rate in the temperature range of 480° C. or higher and lower than 700° C. was 35° C./min, the maximum thickness of the region of the Cu-Mg intermetallic compound phase in contact with the ceramic substrate was 43° C. The thickness was 6 μm, which was greater than the range of the present invention, and the thermal cycle reliability was “NG”.
On the other hand, in Invention Example 1-8, in which the maximum thickness of the region of the Cu-Mg intermetallic compound phase in contact with the ceramic substrate was within the range of the present invention, the initial bonding rate was high, and The thermal cycle reliability was rated "B" or "S".
（実施例２）
まず、表３記載のセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ）を準備した。なお、厚さは、ＡｌＮ及びＡｌ２Ｏ３は０．６３５ｍｍ、Ｓｉ３Ｎ４は０．３２ｍｍとした。
このセラミックス基板の両面に、無酸素銅からなる銅板（３７ｍｍ×３７ｍｍ×厚さ０．３ｍｍ）を表３に示す条件で接合し、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４×１０－３Ｐａとした。
(Example 2)
First, a ceramic substrate (40 mm x 40 mm) listed in Table 3 was prepared. Note that the thickness was 0.635 mm for AlN and Al 2 O 3 and 0.32 mm for Si 3 N 4 .
Copper plates (37 mm x 37 mm x thickness 0.3 mm) made of oxygen-free copper were bonded to both sides of this ceramic substrate under the conditions shown in Table 3 to obtain an insulated circuit board (copper/ceramic bonded body). Note that the degree of vacuum in the vacuum furnace during bonding was 4×10 −3 Pa.
得られた絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）について、Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相のうちセラミックス基板に接した領域の最大厚さ、初期接合率について、実施例１と同様に評価した。評価結果を表４に示す。
また、Ｃｕと活性金属を含む金属間化合物からなる第２金属間化合物相の面積率、及び、冷熱サイクル信頼性について、以下のようにして評価した。
The resulting insulated circuit board (copper/ceramic bonded body) was evaluated in the same manner as in Example 1 regarding the maximum thickness of the region of the Cu--Mg intermetallic compound phase in contact with the ceramic substrate and the initial bonding rate. The evaluation results are shown in Table 4.
In addition, the area ratio of the second intermetallic compound phase consisting of an intermetallic compound containing Cu and an active metal and the thermal cycle reliability were evaluated as follows.
（第２金属間化合物相の面積率）
得られた絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）の中央部から観察試料を採取し、銅板とセラミックス基板との接合界面を、電子線マイクロアナライザー（日本電子株式会社製ＪＸＡ－８５３９Ｆ）を用いて、倍率２０００倍、加速電圧１５ｋＶの条件で接合界面を含む領域（４００μｍ×６００μｍ）のＭｇ及びＴｉの元素ＭＡＰを取得し、ＭｇまたはＴｉの存在が確認された領域内での定量分析の５点平均で、Ｃｕ濃度が５原子％以上、かつ、Ｍｇ濃度が３０原子以上７０原子％以下を満たした領域をＣｕ－Ｍｇ金属間化合物相、Ｃｕ濃度が５原子％以上、かつ、Ｔｉ濃度が１６原子以上７０原子％以下を満たした領域を第２金属間化合物相とした。そして、Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相と第２金属間化合物相との合計面積に対する第２金属間化合物相の面積率を算出した。なお、観察視野数は５つとし、その平均値を表４に示した。
(Area ratio of second intermetallic compound phase)
An observation sample was taken from the center of the obtained insulated circuit board (copper/ceramic bonded body), and the bonding interface between the copper plate and the ceramic substrate was examined using an electron beam microanalyzer (JXA-8539F manufactured by JEOL Ltd.). , an elemental map of Mg and Ti in the area (400 μm x 600 μm) including the bonding interface was obtained under the conditions of 2000 times magnification and 15 kV acceleration voltage, and five points of quantitative analysis were performed in the area where the presence of Mg or Ti was confirmed. On average, a region where the Cu concentration is 5 atomic % or more and the Mg concentration is 30 atomic % or more and 70 atomic % or less is a Cu-Mg intermetallic compound phase, and the Cu concentration is 5 atomic % or more and the Ti concentration is 16 atomic %. The region satisfying the content of atomic to 70 atomic % was defined as the second intermetallic compound phase. Then, the area ratio of the second intermetallic compound phase to the total area of the Cu-Mg intermetallic compound phase and the second intermetallic compound phase was calculated. Note that the number of observation fields was five, and the average value is shown in Table 4.
（冷熱サイクル信頼性）
セラミックス基板の材質に応じて下記の雰囲気を通炉させた後、ＳＡＴ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、接合界面及びセラミックス基板の割れの有無を判定した。規定回数の冷熱サイクルを負荷した後に接合界面及びセラミックス基板の割れが確認されなかったものを「Ｓ」、規定回数の９割の冷熱サイクルを負荷した時点では接合界面及びセラミックス基板の割れが確認されなかったものを「Ａ」、規定回数の９割の冷熱サイクルを負荷した時点では接合界面及びセラミックス基板の割れが確認されなかったものを「Ｂ」、規定回数の８割の冷熱サイクルを負荷した時点で接合界面及びセラミックス基板の割れが確認されたものを「ＮＧ」と評価した。評価結果を表２に示す。
ＡｌＮ，Ａｌ２Ｏ３の場合：－７８℃×２ｍｉｎ←→３５０℃×２ｍｉｎを１０回
Ｓｉ３Ｎ４の場合：－７８℃×２ｍｉｎ←→３５０℃×２ｍｉｎを２０回
(Cooling cycle reliability)
After passing through the furnace in the following atmosphere depending on the material of the ceramic substrate, the bonding interface between the copper plate and the ceramic substrate was inspected by SAT inspection, and the presence or absence of cracks in the bonding interface and the ceramic substrate was determined. "S" indicates that no cracking of the bonding interface or ceramic substrate was observed after the specified number of cooling/heating cycles, and cracking of the bonding interface or ceramic substrate was confirmed after 90% of the specified number of cooling/heating cycles. "A" indicates that there was no cracking, and "B" indicates that no cracking of the joint interface or ceramic substrate was observed after 90% of the specified number of cooling and heating cycles were applied. Those in which cracks were observed at the bonding interface and the ceramic substrate were evaluated as "NG". The evaluation results are shown in Table 2.
For AlN, Al 2 O 3 : -78°C x 2 min ← → 350°C x 2
４８０℃以上７００℃未満の温度領域における平均昇温速度が３０℃／ｍｉｎとされた比較例１１においては、Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相のうちセラミックス基板に接した領域の最大厚さが２２．３μｍと本発明の範囲よりも厚く、冷熱サイクル信頼性が「ＮＧ」となった。
これに対して、Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相のうち活性金属化合物層に接した領域の最大厚さが本発明の範囲内とされた本発明例１１－１８においては、初期接合率が高く、かつ、冷熱サイクル信頼性が「Ｂ」、「Ａ」又は「Ｓ」となった。
In Comparative Example 11, in which the average temperature increase rate in the temperature range of 480°C or more and less than 700°C was 30°C/min, the maximum thickness of the region of the Cu-Mg intermetallic compound phase in contact with the ceramic substrate was 22.0°C. The thickness was 3 μm, which was greater than the range of the present invention, and the thermal cycle reliability was “NG”.
On the other hand, in Inventive Examples 11-18 in which the maximum thickness of the region of the Cu-Mg intermetallic compound phase in contact with the active metal compound layer was within the range of the present invention, the initial bonding rate was high; In addition, the thermal cycle reliability was rated "B", "A", or "S".
以上の結果、本発明例によれば、厳しい冷熱サイクルを負荷した場合であっても、セラミックス部材と銅部材との接合界面におけるクラックの発生を抑制でき、冷熱サイクル信頼性に優れた銅／セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、銅／セラミックス接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法を提供可能であることが確認された。 As a result, according to the example of the present invention, the occurrence of cracks at the bonding interface between the ceramic member and the copper member can be suppressed even when subjected to severe cooling and heating cycles, and the copper/ceramic material has excellent cooling and heating cycle reliability. It was confirmed that it is possible to provide a bonded body, an insulated circuit board, a method for manufacturing a copper/ceramic bonded body, and a method for manufacturing an insulated circuit board.
１０，１１０ 絶縁回路基板（銅／セラミックス接合体）
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）
４５、１４５ Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相
１４１ 活性金属化合物層
１４７ 第２金属間化合物相
10,110 Insulated circuit board (copper/ceramics bonded body)
11 Ceramic substrate (ceramic member)
12 Circuit layer (copper material)
13 Metal layer (copper member)
45, 145 Cu-Mg intermetallic compound phase 141 Active metal compound layer 147 Second intermetallic compound phase
Claims (12)
前記セラミックス部材と前記銅部材との間には、ＣｕとＭｇを含む金属間化合物からなるＣｕ－Ｍｇ金属間化合物相が形成されており、
前記Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相のうち前記セラミックス部材に接した領域の最大厚さが１μｍ以上２０μｍ以下とされていることを特徴とする銅／セラミックス接合体。 A copper/ceramic bonded body formed by bonding a copper member made of copper or a copper alloy and a ceramic member,
A Cu-Mg intermetallic compound phase made of an intermetallic compound containing Cu and Mg is formed between the ceramic member and the copper member,
A copper/ceramic bonded body, wherein a maximum thickness of a region of the Cu--Mg intermetallic compound phase in contact with the ceramic member is 1 μm or more and 20 μm or less.
前記セラミックス部材と前記銅部材との間には、ＣｕとＭｇを含む金属間化合物からなるＣｕ－Ｍｇ金属間化合物相が形成されており、
前記セラミックス部材と前記銅部材との間において、前記セラミックス部材の表面には、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属の化合物を含む活性金属化合物層が形成され、この活性金属化合物層の前記銅部材側に、前記Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相が形成されており、
前記Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相のうち前記活性金属化合物層に接した領域の最大厚さが１５μｍ以下とされていることを特徴とする銅／セラミックス接合体。 A copper/ceramic bonded body formed by bonding a copper member made of copper or a copper alloy and a ceramic member,
A Cu-Mg intermetallic compound phase made of an intermetallic compound containing Cu and Mg is formed between the ceramic member and the copper member,
Between the ceramic member and the copper member, an active metal compound layer containing a compound of one or more active metals selected from Ti, Zr, Nb, and Hf is formed on the surface of the ceramic member. and the Cu-Mg intermetallic compound phase is formed on the copper member side of the active metal compound layer,
A copper/ceramic bonded body, wherein a maximum thickness of a region of the Cu--Mg intermetallic compound phase in contact with the active metal compound layer is 15 μm or less.
前記Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相と前記第２金属間化合物相との合計面積に対する前記第２金属間化合物相の面積率が５０％以下とされていることを特徴とする請求項２に記載の銅／セラミックス接合体。 A second intermetallic compound phase made of an intermetallic compound containing Cu and the active metal is formed between the ceramic member and the copper member,
3. The method according to claim 2, wherein the area ratio of the second intermetallic compound phase to the total area of the Cu-Mg intermetallic compound phase and the second intermetallic compound phase is 50% or less. Copper/ceramic bonded body.
前記セラミックス基板と前記銅板との間には、ＣｕとＭｇを含む金属間化合物からなるＣｕ－Ｍｇ金属間化合物相が形成されており、
前記Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相のうち前記セラミックス基板に接した領域の最大厚さが１μｍ以上２０μｍ以下とされていることを特徴とする絶縁回路基板。 An insulated circuit board in which a copper plate made of copper or a copper alloy is bonded to the surface of a ceramic substrate,
A Cu-Mg intermetallic compound phase consisting of an intermetallic compound containing Cu and Mg is formed between the ceramic substrate and the copper plate,
An insulated circuit board characterized in that a region of the Cu--Mg intermetallic compound phase in contact with the ceramic substrate has a maximum thickness of 1 μm or more and 20 μm or less.
前記セラミックス基板と前記銅板との間には、ＣｕとＭｇを含む金属間化合物からなるＣｕ－Ｍｇ金属間化合物相が形成されており、
前記セラミックス基板と前記銅板との間には、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属の化合物を含む活性金属化合物層が形成され、この活性金属化合物層の前記銅板側に、前記Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相が形成されており、
前記Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相のうち前記活性金属化合物層に接した領域の最大厚さが１５μｍ以下とされていることを特徴とする絶縁回路基板。 An insulated circuit board in which a copper plate made of copper or a copper alloy is bonded to the surface of a ceramic substrate,
A Cu-Mg intermetallic compound phase consisting of an intermetallic compound containing Cu and Mg is formed between the ceramic substrate and the copper plate,
An active metal compound layer containing a compound of one or more active metals selected from Ti, Zr, Nb, and Hf is formed between the ceramic substrate and the copper plate. The Cu-Mg intermetallic compound phase is formed on the copper plate side,
An insulated circuit board characterized in that a region of the Cu--Mg intermetallic compound phase in contact with the active metal compound layer has a maximum thickness of 15 μm or less.
前記Ｃｕ－Ｍｇ金属間化合物相と前記第２金属間化合物相との合計面積に対する前記第２金属間化合物相の面積率が５０％以下とされていることを特徴とする請求項６に記載の絶縁回路基板。 A second intermetallic compound phase made of an intermetallic compound containing Cu and the active metal is formed between the ceramic substrate and the copper plate ,
7. The method according to claim 6, wherein the area ratio of the second intermetallic compound phase to the total area of the Cu-Mg intermetallic compound phase and the second intermetallic compound phase is 50% or less. Insulated circuit board.
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１４μｍｏｌ／ｃｍ２以上８６μｍｏｌ／ｃｍ２以下の範囲内とし、
前記接合工程では、４８０℃以上７００℃未満の温度領域における昇温速度が５℃／ｍｉｎ以上２０℃／ｍｉｎ以下とされるとともに、７００℃以上の温度で３０分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。 A method for producing a copper/ceramic bonded body for producing the copper/ceramic bonded body according to claim 1,
an Mg placement step of placing Mg between the copper member and the ceramic member;
a lamination step of laminating the copper member and the ceramic member via Mg;
a joining step of heat-treating and joining the copper member and the ceramic member laminated via Mg in a vacuum atmosphere while applying pressure in the lamination direction;
It is equipped with
In the Mg placement step, the Mg amount is within a range of 14 μmol/cm 2 or more and 86 μmol/cm 2 or less,
In the bonding step, the temperature increase rate in the temperature range of 480°C or more and less than 700°C is set to 5°C/min or more and 20°C/min or less, and the temperature is maintained at 700°C or more for 30 minutes or more. A method for producing a copper/ceramic bonded body.
前記銅部材と前記セラミックス部材との間に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属及びＭｇを配置する活性金属及びＭｇ配置工程と、
前記銅部材と前記セラミックス部材とを、活性金属及びＭｇを介して積層する積層工程と、
活性金属及び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、
前記活性金属及びＭｇ配置工程では、活性金属量を０．４μｍｏｌ／ｃｍ２以上９．４μｍｏｌ／ｃｍ２以下の範囲内、Ｍｇ量を１４μｍｏｌ／ｃｍ２以上８６μｍｏｌ／ｃｍ２以下の範囲内とし、
前記接合工程では、４８０℃以上７００℃未満の温度領域における昇温速度が５℃／ｍｉｎ以上２０℃／ｍｉｎ以下とされるとともに、７００℃以上の温度で３０分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。 A method for manufacturing a copper/ceramic bonded body for manufacturing the copper/ceramic bonded body according to any one of claims 2 to 4, comprising:
an active metal and Mg placement step of placing one or more active metals selected from Ti, Zr, Nb, and Hf and Mg between the copper member and the ceramic member;
a lamination step of laminating the copper member and the ceramic member via an active metal and Mg;
a bonding step of heat-treating and bonding the copper member and the ceramic member laminated via an active metal and Mg in a vacuum atmosphere while applying pressure in the lamination direction;
It is equipped with
In the active metal and Mg arrangement step, the amount of active metal is within the range of 0.4 μmol/cm 2 to 9.4 μmol/cm 2 , the Mg amount is within the range of 14 μmol/cm 2 to 86 μmol/cm 2 ,
In the bonding step, the temperature increase rate in the temperature range of 480°C or more and less than 700°C is set to 5°C/min or more and 20°C/min or less, and the temperature is maintained at 700°C or more for 30 minutes or more. A method for producing a copper/ceramic bonded body.
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１４μｍｏｌ／ｃｍ２以上８６μｍｏｌ／ｃｍ２以下の範囲内とし、
前記接合工程では、４８０℃以上７００℃未満の温度領域における昇温速度が５℃／ｍｉｎ以上２０℃／ｍｉｎ以下とされるとともに、７００℃以上の温度で３０分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。 A method for manufacturing an insulated circuit board according to claim 5, comprising:
an Mg placement step of placing Mg between the copper plate and the ceramic substrate;
a lamination step of laminating the copper plate and the ceramic substrate via Mg;
a bonding step of heat-treating and bonding the copper plate and the ceramic substrate laminated via Mg in a vacuum atmosphere while applying pressure in the lamination direction;
It is equipped with
In the Mg placement step, the Mg amount is within a range of 14 μmol/cm 2 or more and 86 μmol/cm 2 or less,
In the bonding step, the temperature increase rate in the temperature range of 480°C or more and less than 700°C is set to 5°C/min or more and 20°C/min or less, and the temperature is maintained at 700°C or more for 30 minutes or more. A method of manufacturing an insulated circuit board.
前記銅板と前記セラミックス基板との間に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆから選択される１種又は２種以上の活性金属及びＭｇを配置する活性金属及びＭｇ配置工程と、
前記銅板と前記セラミックス基板とを、活性金属及びＭｇを介して積層する積層工程と、
活性金属及び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、
前記活性金属及びＭｇ配置工程では、活性金属量を０．４μｍｏｌ／ｃｍ２以上１４．１μｍｏｌ／ｃｍ２以下の範囲内、Ｍｇ量を１４μｍｏｌ／ｃｍ２以上８６μｍｏｌ／ｃｍ２以下の範囲内とし、
前記接合工程では、４８０℃以上７００℃未満の温度領域における昇温速度が５℃／ｍｉｎ以上２０℃／ｍｉｎ以下とされるとともに、７００℃以上の温度で３０分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。 A method for manufacturing an insulated circuit board according to any one of claims 6 to 8,
an active metal and Mg placement step of placing one or more active metals selected from Ti, Zr, Nb, and Hf and Mg between the copper plate and the ceramic substrate;
a lamination step of laminating the copper plate and the ceramic substrate via an active metal and Mg;
a bonding step of heat-treating and bonding the copper plate and the ceramic substrate laminated via an active metal and Mg in a vacuum atmosphere while applying pressure in the lamination direction;
It is equipped with
In the active metal and Mg arrangement step, the amount of active metal is within the range of 0.4 μmol/cm 2 to 14.1 μmol/cm 2 , the Mg amount is within the range of 14 μmol/cm 2 to 86 μmol/cm 2 ,
In the bonding step, the temperature increase rate in the temperature range of 480°C or more and less than 700°C is set to 5°C/min or more and 20°C/min or less, and the temperature is maintained at 700°C or more for 30 minutes or more. A method of manufacturing an insulated circuit board.
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