JPH06310850A - Aluminum nitride substrate having cu circuit - Google Patents

Aluminum nitride substrate having cu circuit

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JPH06310850A
JPH06310850A JP9815893A JP9815893A JPH06310850A JP H06310850 A JPH06310850 A JP H06310850A JP 9815893 A JP9815893 A JP 9815893A JP 9815893 A JP9815893 A JP 9815893A JP H06310850 A JPH06310850 A JP H06310850A
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JP
Japan
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aluminum nitride
nitride substrate
circuit
copper
zirconium
Prior art date
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Pending
Application number
JP9815893A
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Japanese (ja)
Inventor
Yoshihiko Tsujimura
好彦 辻村
Yoshiyuki Nakamura
美幸 中村
Katsunori Terano
克典 寺野
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Denka Co Ltd
Original Assignee
Denki Kagaku Kogyo KK
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To provide an aluminum nitride substrate having Cu circuit enhancing the endurance to the thermal shock or the heat history, i.e., the heat cycle resistance without notable changes in the aluminum nitride substrate, junction process or circuit structure. CONSTITUTION:As for the ceramic substrate wherein a Cu circuit is formed after a Cu plate and an aluminum nitride substrate are heat-junctioned using a solder paste, the aluminum nitride substrate having the Cu circuit comprising a solder paste containing Ag particles, Cu particles, zirconium particles and/or zirconium(Zr) hydride particles and tungsten(W) particles as the metallic components is to be obtained.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、電子部品のパワーモジ
ュール等に使用される銅回路を有する窒化アルミニウム
基板に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an aluminum nitride substrate having a copper circuit used for a power module of electronic parts.

【0002】近年、ロボットやモーター等の産業機器の
高性能化に伴い、大電力・高能率インバーター等大電力
モジュールの変遷が進んでおり、半導体素子から発生す
る熱も増加の一途をたどっている。この熱を効率よく放
散するため、大電力モジュール基板では従来より様々な
方法が取られてきた。特に最近、良好な熱伝導を有する
セラミックス基板が利用できるようになったため、基板
上に銅板などの金属板を接合し、回路を形成後、そのま
まあるいはメッキ等の処理を施してから半導体素子を実
装する構造も採用されつつある。
In recent years, with the high performance of industrial equipment such as robots and motors, the transition of high power modules such as high power and high efficiency inverters is progressing, and the heat generated from semiconductor elements is also increasing. . In order to efficiently dissipate this heat, various methods have been conventionally used in high power module substrates. In particular, since ceramic substrates with good thermal conductivity have recently become available, after mounting a metal plate such as a copper plate on the substrate and forming a circuit, the semiconductor device is mounted as it is or after plating or other treatment. The structure that does is also being adopted.

【0003】金属とセラミックスを接合する方法には種
々あるが、回路基板の製造という点からは、Mo-Mn 法、
活性金属ろう付け法、硫化銅法、DBC法、銅メタライ
ズ法などがあげられる。
There are various methods for joining metal and ceramics, but from the viewpoint of manufacturing circuit boards, the Mo-Mn method,
The active metal brazing method, the copper sulfide method, the DBC method, the copper metallizing method and the like can be mentioned.

【0004】特に大電力モジュール基板では、従来のア
ルミナに変わって高熱伝導性の窒化アルミニウム基板が
注目されており、銅板の接合方法としては、銅板と窒化
アルミニウム基板との間に活性金属を含むろう材(以
下、単に「ろう材」という)を介在させ、加熱処理して
接合体とする活性金属ろう付け法(例えば特開昭60-177
634 号公報)や、表面を酸化処理した窒化アルミニウム
基板と銅板を銅の融点以下でCu-Oの共晶温度以上で加熱
接合するDBC法(例えば特開昭56-163093 号公報)な
どがある。
Particularly in high power module substrates, attention has been paid to aluminum nitride substrates having high thermal conductivity in place of conventional alumina. As a method for joining copper plates, an active metal may be contained between the copper plates and the aluminum nitride substrate. An active metal brazing method in which a material (hereinafter simply referred to as "brazing material") is interposed and heat-treated to form a joined body (for example, JP-A-60-177).
No. 634), or a DBC method (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 56-163093) in which an aluminum nitride substrate whose surface is oxidized and a copper plate are heated and bonded at a temperature lower than the melting point of copper and higher than the eutectic temperature of Cu-O. .

【0005】活性金属ろう付け法は、DBC法に比べて
以下の利点がある。 (1)上記接合体を得るための処理温度が低いので、窒
化アルミニウム基板と銅板の熱膨張差によって生じる残
留応力が小さい。 (2)ろう材が延性金属であるので、ヒートショックや
ヒートサイクルに対して耐久性が大である。
The active metal brazing method has the following advantages over the DBC method. (1) Since the processing temperature for obtaining the bonded body is low, the residual stress caused by the difference in thermal expansion between the aluminum nitride substrate and the copper plate is small. (2) Since the brazing material is a ductile metal, it is highly durable against heat shock and heat cycles.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、活性金
属ろう付け法を用いても、ヒートショックやヒートサイ
クルなどの熱衝撃、熱履歴によって生じる損傷に対して
充分な耐久性があるとはいえず新しい技術の提案が待た
れていた。そこで、Mo、W等をろう材に含有させたり
(特開平4-50186 号公報、特開平2-36553 号公報)、金
属箔や合金箔を用いる(特開平4-6174号公報)ことが提
案されているが、いずれも量産性に難点があった。
However, even if the active metal brazing method is used, it cannot be said that it has sufficient durability against damage caused by heat shock such as heat shock and heat cycle, and heat history, and it is new. A technology proposal was awaited. Therefore, it is proposed to add Mo, W, etc. to the brazing filler metal (Japanese Patent Laid-Open Nos. 4-50186 and 2-36553) or to use metal foil or alloy foil (Japanese Patent Laid-Open No. 4-6174). However, all have problems in mass productivity.

【0007】本発明者らは、以上のような問題点を解決
するために鋭意検討を重ねた結果、銅板と窒化アルミニ
ウム基板との間に介在する接合層を形成するためのろう
材ペーストの金属成分として、銀(Ag)粉、銅(C
u)粉、ジルコニウム粉(Zr)及び/又はジルコニウ
ム水素化物粉、及びタングステン(W)粉を含ませれば
よいことを見いだし、本発明を完成させたものである。
As a result of intensive studies to solve the above problems, the inventors of the present invention have found that the metal of the brazing material paste for forming the joining layer interposed between the copper plate and the aluminum nitride substrate. As ingredients, silver (Ag) powder, copper (C
The present invention has been completed by finding that it is sufficient to include u) powder, zirconium powder (Zr) and / or zirconium hydride powder, and tungsten (W) powder.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、銅
板と窒化アルミニウム基板とをろう材ペーストにより加
熱接合した後銅回路を形成させてなるセラミックス基板
において、上記ろう材ペーストは、金属成分として、銀
(Ag)粉、銅(Cu)粉、ジルコニウム(Zr)粉及
び/又はジルコニウム水素化物粉、及びタングステン
(W)粉を含んでなるものであることを特徴とする銅回
路を有する窒化アルミニウム基板である。
That is, according to the present invention, in a ceramic substrate in which a copper circuit is formed by heating and joining a copper plate and an aluminum nitride substrate with a brazing material paste, the brazing material paste is used as a metal component. , Silver (Ag) powder, copper (Cu) powder, zirconium (Zr) powder and / or zirconium hydride powder, and tungsten (W) powder, and an aluminum nitride having a copper circuit. The substrate.

【0009】以下、さらに詳しく本発明について説明す
ると、一般に活性金属ろう付け法においては、ろう材の
ろう成分として、銀成分と銅成分を主成分としたものが
用いられる。さらに、溶融時にろう材とセラミックスの
濡れ性を確保するため、活性金属成分が加えられる。こ
の活性金属成分は、セラミックス基板と反応して酸化物
や窒化物を生成し、この反応層が銅板とセラミックス基
板の結合を強固なものにする。
The present invention will be described in more detail below. Generally, in the active metal brazing method, a brazing material containing a silver component and a copper component as main components is used. Further, an active metal component is added in order to ensure the wettability of the brazing material and the ceramic during melting. This active metal component reacts with the ceramic substrate to generate an oxide or a nitride, and this reaction layer strengthens the bond between the copper plate and the ceramic substrate.

【0010】本発明においてもこのような活性金属成分
を含ませるものであり、その具体例をあげれば、ジルコ
ニウム及び/又はジルコニウム水素化物である。これら
の活性金属の酸化物は、銅の酸化物よりも安定であるこ
とが多いため、活性金属成分が銅板表面を還元すること
によってそれを清浄化し、ろう材と銅板が良く濡れるよ
うになる。それによって、ろう材と銅板は相互に拡散
し、接合層が形成される。
Also in the present invention, such an active metal component is contained, and specific examples thereof are zirconium and / or zirconium hydride. Since oxides of these active metals are often more stable than oxides of copper, the active metal components reduce the surface of the copper plate to clean it, so that the brazing material and the copper plate become well wetted. As a result, the brazing material and the copper plate diffuse into each other to form a bonding layer.

【0011】このようなろう材を用いた場合の接合層
は、銀成分や銅成分の主成分とジルコニウム及び/又は
ジルコニウム水素化物の活性金属成分とで形成された合
金の大きな粒子からなっているため、剛性が強く、銅と
窒化アルミニウムの熱膨張差から生じる熱応力を緩和す
るという働きがほとんどなく、銅板の熱応力をそのまま
窒化アルミニウム基板に伝えてしまうことになり、損傷
することが多かった。
The joining layer in the case of using such a brazing filler metal is composed of large particles of an alloy formed of a main component of a silver component or a copper component and an active metal component of zirconium and / or zirconium hydride. Therefore, it has a high rigidity, has almost no function of relaxing the thermal stress caused by the difference in thermal expansion between copper and aluminum nitride, and directly transfers the thermal stress of the copper plate to the aluminum nitride substrate, often resulting in damage. .

【0012】そこで、本発明者らは、ろう材ペーストに
さらにタングステン(W)を加えたところ、驚くべきこ
とに、接合層中に生じる合金の粒子の大きさが小さくな
り、銅板の熱応力が緩和されることを見いだしたもので
ある。この原理としては、タングステンを添加すること
によって粒子分散の作用が高まり、合金が溶融状態から
固化するときの結晶粒の成長を制御することが可能とな
ったためと考えられる。
Therefore, when the present inventors further added tungsten (W) to the brazing filler metal paste, surprisingly, the size of the alloy particles generated in the bonding layer became small and the thermal stress of the copper plate was reduced. It was found to be alleviated. It is considered that the principle is that the addition of tungsten enhances the action of particle dispersion and makes it possible to control the growth of crystal grains when the alloy is solidified from the molten state.

【0013】本発明で使用されるろう材ペーストは、銀
成分と銅成分を主成分とし特定量のジルコニウム及び/
又はジルコニウム水素化物の活性金属成分からなる金属
成分に、有機溶剤及び必要に応じて有機結合剤を加え、
混合機例えばロール、ニーダ、バンバリミキサー、万能
混合機、らいかい機等を用いて混合することによって調
整される。この場合において、銀、銅及び活性金属の金
属成分は粉末の状態で混合される。その際の有機溶剤と
しては、メチルセルソルブ、エチルセルソルブ、テルピ
ネオール、イソホロン、トルエン等、また、有機結合剤
としては、エチルセルロース、メチルセルロース、ポリ
メチルメタクリレート等が使用される。
The brazing paste used in the present invention is composed mainly of a silver component and a copper component, and contains a specific amount of zirconium and / or
Or, to a metal component consisting of an active metal component of zirconium hydride, an organic solvent and optionally an organic binder,
It is adjusted by mixing using a mixing machine such as a roll, a kneader, a Banbury mixer, a universal mixing machine, and a ladle mixer. In this case, the metallic components of silver, copper and active metal are mixed in powder form. In that case, as the organic solvent, methyl cellosolve, ethyl cellosolve, terpineol, isophorone, toluene, etc., and as the organic binder, ethyl cellulose, methyl cellulose, polymethyl methacrylate, etc. are used.

【0014】ろう材ペーストを構成する金属成分の比率
としては、銀69〜75重量部と銅25〜31重量部の合計量10
0 重量部あたり、ジルコニウム及び/又はジルコニウム
水素化物 3〜35重量部特に20〜30重量部及びタングステ
ン 1〜10重量部特に 2〜5 重量部であることが好まし
い。タングステンが 1重量部よりも少ないと粒子分散の
効果が不十分となり、また、10重量部よりも多いとジル
コニウム及び/又はジルコニウム水素化物の活性金属と
の反応が活発になり過ぎて窒化アルミニウム基板との反
応性が弱まり、十分な接合強度を得ることができなくな
り、耐ヒートサイクル性が悪くなる。
The ratio of the metal components constituting the brazing material paste is 69 to 75 parts by weight of silver and 25 to 31 parts by weight of copper, which is a total amount of 10 parts.
It is preferred that the amount of zirconium and / or zirconium hydride is 3 to 35 parts by weight, especially 20 to 30 parts by weight, and tungsten 1 to 10 parts by weight, especially 2 to 5 parts by weight, per 0 parts by weight. If the amount of tungsten is less than 1 part by weight, the effect of particle dispersion becomes insufficient, and if the amount of tungsten is more than 10 parts by weight, the reaction of zirconium and / or zirconium hydride with the active metal becomes too active, resulting in an aluminum nitride substrate. The reactivity is weakened, sufficient bonding strength cannot be obtained, and the heat cycle resistance deteriorates.

【0015】[0015]

【実施例】以下、本発明を実施例と比較例をあげて具体
的に説明する。 実施例1〜5 比較例1〜3 ろう材の金属成分の割合を表1に示すように配合し、さ
らにテルピネオール15重量部と有機結合剤としてポリイ
ソブチルメタアクリレートのトルエン溶液を固形分で1.
5 重量部を加えてよく混合し、ろう材ペーストを調整し
た。このろう材ペーストを60mm×30mm×0.65mmの窒化ア
ルミニウム基板の両面にスクリーン印刷によって全面に
塗布した。その際の塗布量(乾燥後)は 6〜8mg/cm2
した。
EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to Examples and Comparative Examples. Examples 1 to 5 Comparative Examples 1 to 3 The proportions of the metal components of the brazing material were compounded as shown in Table 1, and 15 parts by weight of terpineol and a toluene solution of polyisobutyl methacrylate as an organic binder were used in a solid content of 1.
5 parts by weight were added and mixed well to prepare a brazing material paste. This brazing paste was applied to the entire surface of a 60 mm × 30 mm × 0.65 mm aluminum nitride substrate by screen printing. The coating amount (after drying) at that time was 6 to 8 mg / cm 2 .

【0016】次に、ろう材ペーストの塗布された窒化ア
ルミニウム基板の両面に、60mm×30mm×0.25mmの銅板を
接触配置してから炉に投入し、高真空中、温度900 ℃で
30分加熱した後、2 ℃/ 分の降温速度で冷却して接合体
を製造した。
Next, a 60 mm × 30 mm × 0.25 mm copper plate is placed in contact with both sides of the aluminum nitride substrate coated with the brazing material paste, and then placed in a furnace at a temperature of 900 ° C. in a high vacuum.
After heating for 30 minutes, the bonded body was manufactured by cooling at a temperature decrease rate of 2 ° C./min.

【0017】次いで、この接合体の銅板上にUV硬化タ
イプのエッチングレジストをスクリーン印刷で回路パタ
ーンに塗布後、塩化第2銅溶液を用いてエッチング処理
を行って銅板不要部分を溶解除去し、さらにエッチング
レジストを5%苛性ソーダ溶液で剥離した。このエッチ
ング処理後の接合体には、銅回路パターン間に残留不要
ろう材や活性金属成分と窒化アルミニウム基板との反応
物があるので、それを除去するため、温度60℃、10%フ
ッ化アンモニウム溶液に10分間浸漬した。
Next, a UV-curing type etching resist is applied to the circuit pattern by screen printing on the copper plate of this bonded body, and then an etching treatment is performed using a cupric chloride solution to dissolve and remove unnecessary portions of the copper plate. The etching resist was stripped with a 5% caustic soda solution. In the joined body after this etching treatment, there is a residual unnecessary brazing material between the copper circuit patterns and a reaction product of the active metal component and the aluminum nitride substrate. Immerse in the solution for 10 minutes.

【0018】これら一連の処理を経て製作された銅回路
を有する窒化アルミニウム基板についてヒートサイクル
(熱衝撃)試験を行った。ヒートサイクル試験は、気
中、-40 ℃×30分保持後、25℃×10分間放置、さらに 1
25℃×30分保持後、25℃×10分間放置を1サイクルとし
て行い、銅板が剥離開始したヒートサイクル回数を測定
した。これらの結果を表 1に示す。
A heat cycle (thermal shock) test was conducted on an aluminum nitride substrate having a copper circuit manufactured through these series of treatments. For heat cycle test, hold in air at -40 ℃ for 30 minutes, then leave at 25 ℃ for 10 minutes.
After holding at 25 ° C. for 30 minutes, standing at 25 ° C. for 10 minutes was performed as one cycle, and the number of heat cycles at which the copper plate started peeling was measured. The results are shown in Table 1.

【0019】[0019]

【表1】 [Table 1]

【0020】[0020]

【発明の効果】本発明によれば、窒化アルミニウム基板
や接合法あるいは回路構造の大幅な変更をすることな
く、銅板と窒化アルミニウム基板の熱衝撃や熱履歴に対
する耐久性すなわち耐ヒートサイクル性を向上させるこ
とができる。
According to the present invention, the durability against heat shock and heat history of the copper plate and the aluminum nitride substrate, that is, the heat cycle resistance is improved without significantly changing the aluminum nitride substrate, the bonding method, or the circuit structure. Can be made.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 銅板と窒化アルミニウム基板とをろう材
ペーストにより加熱接合した後銅回路を形成させてなる
セラミックス基板において、上記ろう材ペーストは、金
属成分として、銀(Ag)粉、銅(Cu)粉、ジルコニ
ウム(Zr)粉及び/又はジルコニウム水素化物粉、及
びタングステン(W)粉を含んでなるものであることを
特徴とする銅回路を有する窒化アルミニウム基板。
1. A ceramics substrate obtained by heating a copper plate and an aluminum nitride substrate with a brazing paste to form a copper circuit and then forming a copper circuit, wherein the brazing paste contains silver (Ag) powder, copper (Cu) as a metal component. ) Powder, zirconium (Zr) powder and / or zirconium hydride powder, and tungsten (W) powder, and an aluminum nitride substrate having a copper circuit.
JP9815893A 1993-04-23 1993-04-23 Aluminum nitride substrate having cu circuit Pending JPH06310850A (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150208496A1 (en) * 2012-02-01 2015-07-23 Mitsubishi Materials Corporation Power module substrate, power module substrate with heat sink, power module, method of manufacturing power module substrate, and copper member-bonding paste

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