JPH1087368A - Ceramic substrate - Google Patents
Ceramic substrateInfo
- Publication number
- JPH1087368A JPH1087368A JP9289126A JP28912697A JPH1087368A JP H1087368 A JPH1087368 A JP H1087368A JP 9289126 A JP9289126 A JP 9289126A JP 28912697 A JP28912697 A JP 28912697A JP H1087368 A JPH1087368 A JP H1087368A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- ceramic substrate
- aln
- substrate
- strength
- circuit board
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Landscapes
- Parts Printed On Printed Circuit Boards (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
Abstract
Description
【0001】本発明は、セラミック基板およびその製造
方法に関し、さらに詳しくは、集積回路や半導体部品の
実装に好適な高熱伝導率および高強度を有する窒化アル
ミニウムセラミック基板およびその製造方法に関する。The present invention relates to a ceramic substrate and a method of manufacturing the same, and more particularly, to an aluminum nitride ceramic substrate having high thermal conductivity and high strength suitable for mounting an integrated circuit or a semiconductor component, and a method of manufacturing the same.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来より、ハイブリッドICや大電力パ
ワーモジュールなど熱が大量に発生する電子部品の実装
基板としては、導電回路を有するセラミック回路基板が
広く用いられており、特に近年では、高熱伝導率を有す
るAlNセラミック回路基板の応用に注目が集められ、
良質なAlNセラミック回路基板を製造するために、セ
ラミック基板の製造、導電回路の形成などに様々な工夫
がなされている。2. Description of the Related Art Conventionally, ceramic circuit boards having conductive circuits have been widely used as mounting boards for electronic components such as hybrid ICs and high power power modules that generate a large amount of heat. Attention has been focused on the application of AlN ceramic circuit boards with
In order to manufacture a high-quality AlN ceramic circuit board, various devices have been devised for manufacturing a ceramic substrate, forming a conductive circuit, and the like.
【0003】AlNにおいては、Al2 O3 がアルミニ
ウム空格子VAlの形成に伴って、Al2 O3 =2Al+
3O+VAlの形で存在することが知られている。また、
高温でY2 O3 がAlN中のAl2 O3 と反応し、アル
ミニウムとイットリウムの複合酸化物の液体を形成して
焼結を促進し、焼成した基板にはAlNセラミック結晶
粒の粒界にAl2 Y4 O9 (YAM)、AlYO3 (Y
AL)、Al5 Y3 O12(YAG)のようなアルミニウ
ムとイットッリウムの複合酸化物が存在することが知ら
れている。In AlN, Al 2 O 3 is converted to Al 2 O 3 = 2Al + with the formation of aluminum vacancy V Al.
It is known to exist in the form 3O + V Al . Also,
At a high temperature, Y 2 O 3 reacts with Al 2 O 3 in AlN to form a liquid of a composite oxide of aluminum and yttrium to promote sintering. Al 2 Y 4 O 9 (YAM), AlYO 3 (Y
It is known that a composite oxide of aluminum and yttrium such as AL) and Al 5 Y 3 O 12 (YAG) exists.
【0004】そのため、AlNセラミック基板の製造に
おいては、緻密な基板を得るために、一般に数%のイッ
トリア(Y2 O3 )に代表される希土類酸化物、および
カルシアに代表されるアルカリ土類酸化物が焼結助剤と
して添加されている。例えば、現在市販されている高熱
伝導率を有するAlNセラミック基板には、一般に2〜
8wt%程度のY2 O3 が添加されている。[0004] Therefore, in the production of an AlN ceramic substrate, in order to obtain a dense substrate, generally, a few percent of rare earth oxides represented by yttria (Y 2 O 3 ) and alkaline earth oxides represented by calcia are used. An additive is added as a sintering aid. For example, currently commercially available AlN ceramic substrates having high thermal conductivity generally have a
About 8 wt% of Y 2 O 3 is added.
【0005】また、AlNセラミック基板を量産する場
合、数枚または数十枚の基板を重ねて一度に焼結が行わ
れるが、その際、基板と基板との間の接着を防止するた
め、分離剤として窒化ホウ素(BN)などが広く用いら
れてきた。[0005] When mass-producing AlN ceramic substrates, several or several tens of substrates are stacked and sintered at a time. In this case, separation is required to prevent adhesion between the substrates. Boron nitride (BN) and the like have been widely used as agents.
【0006】一方、セラミック基板の表面への導電回路
の形成においては、基板の表面に導電性ペーストを印刷
し、高温での焼成によって導電回路を形成するメタライ
ズ法(特開平2-149485、特開平2-258686)、あらかじめ
空気中において、約1000℃の温度でAlNセラミック基
板を処理し、基板の表面にアルミナを生成させた後、酸
素を含有する銅板を使用して不活性雰囲気中で加熱する
か、あるいは無酸素銅を使用して酸化性雰囲気中で加熱
することにより、界面でCu2 OとCuとの共晶溶液を
発生させ、表面にアルミナが形成されているAlNセラ
ミック基板と銅板とを接合し、導電回路を形成する直接
接合法(特開平3-93687 )、および基板表面にろう材を
回路形状に塗布し、このろう材の上に銅パーツを載置
し、これを加熱することによって基板と銅パーツとを接
合して導電回路を形成するろう接法などといった方法が
一般的に用いられてきた。なお、特に大電力回路基板の
製造時における導電回路の形成の場合には、主に直接接
合法やろう接法が用いられていた。On the other hand, in the formation of a conductive circuit on the surface of a ceramic substrate, a conductive paste is printed on the surface of the substrate and the conductive circuit is formed by firing at a high temperature. 2-258686) In advance, the AlN ceramic substrate is treated in air at a temperature of about 1000 ° C. to generate alumina on the surface of the substrate, and then heated in an inert atmosphere using a copper plate containing oxygen. Alternatively, by heating in an oxidizing atmosphere using oxygen-free copper, an eutectic solution of Cu 2 O and Cu is generated at the interface, and an AlN ceramic substrate and a copper plate having alumina formed on the surface are used. And a direct joining method for forming a conductive circuit (Japanese Patent Laid-Open No. 3-93687), a brazing material is applied to the substrate surface in a circuit shape, and a copper part is placed on the brazing material and heated. Possibly In general, a method such as a brazing method for joining a substrate and a copper part to form a conductive circuit has been used. In particular, in the case of forming a conductive circuit at the time of manufacturing a large power circuit board, a direct bonding method or a brazing method has been mainly used.
【0007】また、AlNセラミック基板の表面には、
粒界構成相成分のしみだしによって形成された粒界構成
相成分の高い表面層が存在し、その表面には離型剤など
の不純物が残留して窒化アルミニウムと導電回路との接
合を阻害するため、メタライズ法で導電回路を形成する
ときには、ラッピングおよびホーニンングなどの方法で
粒界構成相成分を除去する必要があるといった発明が特
開平2-258686に開示されている。On the surface of the AlN ceramic substrate,
There is a surface layer with a high grain boundary component phase component formed by exudation of the grain boundary component phase component, and impurities such as a mold release agent remain on the surface of the surface layer to inhibit the bonding between the aluminum nitride and the conductive circuit. For this reason, Japanese Patent Application Laid-Open No. H2-258686 discloses an invention in which, when a conductive circuit is formed by a metallization method, it is necessary to remove a grain boundary constituent phase component by a method such as lapping and honing.
【0008】さらに、特開平2-149485には、AlNセラ
ミック基板の表面に析出した粒界構成相成分は接合表面
を粗くし、セラミック基板と導電体との接合強度を低下
させると共に、熱伝導性を損ねるため、液体溶媒による
表面の粒界構成相成分を除去する方法について開示され
ている。Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-149485 discloses that a grain boundary constituent phase component precipitated on the surface of an AlN ceramic substrate roughens the bonding surface, lowers the bonding strength between the ceramic substrate and the conductor, and reduces the thermal conductivity. A method for removing a component of a grain boundary constituent phase on a surface by using a liquid solvent in order to impair the surface roughness is disclosed.
【0009】さらにまた、特開平3-93687 には、AlN
セラミック基板の表面に析出した粒界構成相成分が酸化
処理の影響をほとんど受けずにAlNセラミック基板の
表面に残留し、表面被覆層(直接接合法においては酸化
アルミニウム層)とセラミック基板との接着力低下を招
くため、酸性溶液を用いて化学的な表面処理を施して粒
界構成相成分を除去した後、表面被覆層を形成する方法
について開示されている。Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-93687 discloses an AlN
Grain boundary constituent phase components precipitated on the surface of the ceramic substrate remain on the surface of the AlN ceramic substrate almost unaffected by the oxidation treatment, and adhere to the surface coating layer (the aluminum oxide layer in the direct bonding method) and the ceramic substrate. It discloses a method for forming a surface coating layer after removing a grain boundary constituent phase component by performing a chemical surface treatment using an acidic solution in order to cause a decrease in force.
【0010】[0010]
【発明が解決しようとする課題】大電力パワーモジュー
ル用セラミック回路基板においては、基板の上には半導
体や集積回路の他、粗大な電極も接続され、セラミック
回路基板に大きな力が加えられる。また、集積回路用基
板においては、導電回路パターンの微細化が促進されて
いる。そのため、近年では導電回路とセラミック基板と
の高強度接合が求められているにもかかわらず、上述従
来の直接接合法で回路基板を製造した場合、基板の導電
回路部分とセラミック基板との間のピール強度は10kg/
cm前後しか得ることができなかった。また、ろう接法で
回路基板を製造した場合、接合強度の平均値は高くなる
ものの、ばらつきが大きく、ピール強度が10kg/cm以下
になってしまうこともあった。In a ceramic circuit board for a high power power module, coarse electrodes are connected to the substrate in addition to a semiconductor and an integrated circuit, and a large force is applied to the ceramic circuit board. Further, in integrated circuit substrates, miniaturization of conductive circuit patterns has been promoted. Therefore, in spite of the recent demand for high-strength bonding between the conductive circuit and the ceramic substrate, when a circuit board is manufactured by the above-described conventional direct bonding method, the circuit between the conductive circuit portion of the substrate and the ceramic substrate is Peel strength is 10kg /
I could only get around cm. Further, when the circuit board is manufactured by the brazing method, although the average value of the joining strength is high, the dispersion is large and the peel strength may be 10 kg / cm or less.
【0011】そのため、このような低接合強度基板をパ
ワーモジュール用回路基板として使用した場合、導電回
路とセラミック基板との接合部において剥離が生じてや
すくなってしまうという問題点があった。Therefore, when such a low bonding strength substrate is used as a circuit board for a power module, there has been a problem that peeling is likely to occur at a bonding portion between the conductive circuit and the ceramic substrate.
【0012】そこで本発明は、上述従来の技術の問題点
を解決し、安定かつ十分な接合強度を有する高強度窒化
アルミニウム回路基板のためのセラミック基板およびそ
の製造方法を提供することを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a ceramic substrate for a high-strength aluminum nitride circuit board having a stable and sufficient bonding strength and a method of manufacturing the same, which solves the above-mentioned problems of the prior art. .
【0013】[0013]
【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために鋭意研究した結果、セラミック基板の抗折強
度、セラミック基板中の酸素とイットリウムとの重量
比、セラミック基板の表面粗さ、セラミック基板の表面
に残存する窒化ホウ素の量、および接合温度が接合強度
に強い影響を及ぼすことを見い出し、本発明を提供する
ことができた。Means for Solving the Problems The present invention has been intensively studied to solve the above problems, and as a result, the bending strength of the ceramic substrate, the weight ratio of oxygen to yttrium in the ceramic substrate, the surface roughness of the ceramic substrate, The inventors have found that the amount of boron nitride remaining on the surface of the ceramic substrate and the joining temperature have a strong influence on the joining strength, and have provided the present invention.
【0014】すなわち、本発明は、抗折強度が30kg/mm
2 以上、含有酸素重量(Owt)と含有イットリウム重量
(Ywt)との比(Owt/Ywt)が0.71以上、表面粗さ
(Ra)と平均結晶粒径(D)との比(Ra/D)が11
×10-2以下、および表面層に残存する窒化ホウ素のX線
回析強度(IBN)と窒化アルミニウムのX線回析強度
(IAlN)との比(IBN/IAlN)が 6×10-2以
下である窒化アルミニウムを主成分とするセラミック基
板およびその製造方法を提供するものである。That is, the present invention has a flexural strength of 30 kg / mm
2 or more, the ratio of the weight of oxygen (Owt) to the weight of yttrium (Ywt) (Owt / Ywt) is 0.71 or more, and the ratio of the surface roughness (Ra) to the average grain size (D) (Ra / D) Is 11
× 10 -2 or less, and the ratio of the X-ray diffraction intensity (IBN) of boron nitride remaining on the surface layer to the X-ray diffraction intensity (IAN) of aluminum nitride (IBN / IAN) is 6 × 10 -2 or less And a method of manufacturing the same.
【0015】[0015]
【発明の実施の形態】ろう接法で回路基板を作製する場
合、ろう材の組成、温度、時間、雰囲気などのろう接条
件を制御すると、健全な接合体が得られる。このように
ろう接条件を制御して作製した回路基板は、金属−ろう
材間、およびろう材−セラミックス間の接合強度がセラ
ミックス自体の強度より大きくなる。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS When a circuit board is manufactured by the brazing method, a sound bonded body can be obtained by controlling brazing conditions such as the composition of the brazing material, the temperature, the time, and the atmosphere. In a circuit board manufactured by controlling the soldering conditions in this way, the joining strength between the metal and the brazing material and between the brazing material and the ceramic is greater than the strength of the ceramic itself.
【0016】そのため、基板に機械的な応力を加えて金
属とセラミックとの剥離を試みたり、またはセラミック
スと金属との熱膨脹係数の違いを利用し、基板を繰り返
して加熱、冷却することによって、物理的に基板の界面
に応力を発生させ、金属とセラミックスとの剥離を試み
たりした場合、剥離はセラミック基板自体の破壊により
生じる。したがって、高接合強度を得るためには基板の
強度が大きい方がよいのである。[0016] Therefore, physical stress is applied to the substrate by applying mechanical stress to the substrate to separate the metal and the ceramic, or by repeatedly heating and cooling the substrate by utilizing the difference in thermal expansion coefficient between the ceramic and the metal. When a stress is generated at the interface of the substrate and the separation of the metal and the ceramic is attempted, the separation is caused by the destruction of the ceramic substrate itself. Therefore, in order to obtain high bonding strength, it is better that the strength of the substrate is large.
【0017】また、本発明者等の研究によると、AlN
セラミック基板の曲げ強度とピール強度との間には曲げ
強度が30kg/mm2 までは相関関係が認められ、曲げ強度
の増加と共にピール強度が増加することが確認された。
そのため、AlNセラミック基板の曲げ強度としては30
kg/mm2 以上であることが必要である。According to the study of the present inventors, AlN
A correlation was observed between the bending strength and the peel strength of the ceramic substrate up to a bending strength of 30 kg / mm 2, and it was confirmed that the peel strength increased as the bending strength increased.
Therefore, the bending strength of the AlN ceramic substrate is 30
It is necessary to be at least kg / mm 2 .
【0018】曲げ強度が30kg/mm2 を超えた場合の破壊
モードは、クラック進展の様子によって主に図3および
図4に示す2種類の態様に分けられる。すなわち、両主
面に銅パーツ2が形成されたAlNセラミック基板1に
おいて、ピール強度の高いものはクラックがAlNセラ
ミック基板1の内部へ深く侵入して剥離が起こり(図
3)、ピール強度の低いものは、AlNセラミック基板
1の表面層(表面から10μm程度)のところで剥離が起
こる(図4)。The breaking mode when the bending strength exceeds 30 kg / mm 2 is mainly classified into two types shown in FIGS. 3 and 4 depending on the state of crack propagation. That is, in the AlN ceramic substrate 1 having the copper parts 2 formed on both main surfaces, a crack having a high peel strength penetrates deeply into the AlN ceramic substrate 1 and peels off (FIG. 3), and the peel strength is low. The peeling occurs at the surface layer (about 10 μm from the surface) of the AlN ceramic substrate 1 (FIG. 4).
【0019】また、AlNセラミック基板中の平均結晶
粒径および粒度分布を一定にした場合、セラミック基板
の表面が粗いほど、ピール強度が小さく、表面層で剥離
するものが多い。これは表面が粗くなるほど基板表面の
結晶粒子と周囲および内部粒子との接触面積が小さくな
り、基板表面の結晶粒子が剥離しやすくなるためであ
る。When the average crystal grain size and the grain size distribution in the AlN ceramic substrate are kept constant, the rougher the surface of the ceramic substrate, the smaller the peel strength and the more often the ceramic layer peels off at the surface layer. This is because the rougher the surface, the smaller the contact area between the crystal particles on the substrate surface and the surrounding and internal particles, and the more easily the crystal particles on the substrate surface are peeled off.
【0020】また、図2に示すように、ろう材3は必ず
しもAlNセラミック基板の表面に十分に濡れることが
できないため、セラミック基板の表面の凹部にろう材が
浸透できず凸部のところだけが金属導体と接合し、ろう
材3と基板との間に未接部7が生じてしまう。したがっ
て、十分な接合強度を得るためには基板表面を平滑にす
る必要があり、具体的にはJIS標準に準じて測定した
表面粗さRaとセラミック基板の平均結晶粒径Dとの比
(Ra/D)が、11×10-2以下であることが好ましい。Further, as shown in FIG. 2, since the brazing material 3 cannot always sufficiently wet the surface of the AlN ceramic substrate, the brazing material cannot penetrate into the concave portions on the surface of the ceramic substrate, and only the convex portions are formed. It joins with a metal conductor, and the non-contact part 7 arises between the brazing material 3 and a board | substrate. Therefore, in order to obtain sufficient bonding strength, it is necessary to smooth the substrate surface. Specifically, the ratio (Ra) between the surface roughness Ra measured according to the JIS standard and the average crystal grain size D of the ceramic substrate is considered. / D) is preferably 11 × 10 −2 or less.
【0021】さらに、図2に示すように、AlNセラミ
ック基板を焼成するときに分離剤として使用する窒化ホ
ウ素6は、AlNセラミック基板の表面層のAlN結晶
粒5の粒界に残存することが多く、窒化ホウ素の残存量
が多いと、上記の表面粗さの条件を満足しても十分な接
合強度を得ることができない。Further, as shown in FIG. 2, boron nitride 6 used as a separating agent when firing the AlN ceramic substrate often remains at the grain boundaries of AlN crystal grains 5 in the surface layer of the AlN ceramic substrate. On the other hand, if the residual amount of boron nitride is large, sufficient bonding strength cannot be obtained even if the above conditions of surface roughness are satisfied.
【0022】これは、窒化アルミニウムと窒化ホウ素と
は反応性が乏しいため粒子同士の接合強度が低く、しか
も窒化ホウ素自体がへき開性の強い物質であり、窒化ホ
ウ素自体の強度が低いためである。したがって、高接合
強度を得るためには、基板表面の窒化ホウ素の残存量を
少なくした方がよく、具体的な窒化ホウ素の残存量とし
ては、理学電機製X線回析装置を用いて、ターゲットを
Cu、加速電圧および加速電流をそれぞれ50kVおよび
30mAにした条件でセラミック基板の表面を回析した場
合、窒化ホウ素の( 002)面の回析強度IBNと窒化ア
ルミニウムの(100)、( 002)、( 101)面の平均回
析強度IAlNとの比(IBN/IAlN)が 6×10-2
以下であることが必要である。This is because aluminum nitride and boron nitride have low reactivity, so that the bonding strength between the particles is low, and furthermore, boron nitride itself is a substance having a high cleavage property, and the strength of boron nitride itself is low. Therefore, in order to obtain high bonding strength, it is better to reduce the residual amount of boron nitride on the substrate surface. The specific residual amount of boron nitride is determined by using a Rigaku Corporation X-ray diffraction apparatus. Is Cu, the accelerating voltage and the accelerating current are 50 kV and
When the surface of the ceramic substrate is diffracted under the condition of 30 mA, the diffraction intensity IBN of the (002) plane of boron nitride and the average diffraction intensity IAlN of the (100), (002), and (101) planes of aluminum nitride are as follows. Ratio (IBN / IAlN) is 6 × 10 -2
It must be:
【0023】なお、セラミック基板の表面粗さおよび窒
化ホウ素残留量は基板の作製工程の違いにより異なるも
のであって、もし焼結した時点で上述の条件が満たされ
ている場合には、さらに表面加工処理を行う必要はな
く、上述の条件を満たしていない場合に、ホーニング、
ラッピング、研削、化学薬品によるエッチングなど機械
または化学的な方法で表面処理を行えばよい。The surface roughness of the ceramic substrate and the residual amount of boron nitride differ depending on the manufacturing process of the substrate. If the above conditions are satisfied at the time of sintering, the surface roughness is further increased. There is no need to perform any processing, and if the above conditions are not met, honing,
The surface treatment may be performed by a mechanical or chemical method such as lapping, grinding, and etching with a chemical.
【0024】また、焼結助剤としてY2 O3 を使用した
場合、焼成した基板結晶粒界にはAl2 Y4 O9 (YA
M)、AlYO3 (YAL)、Al5 Y3 O12(YA
G)のようなアルミニウムとイットリウムの複合酸化物
が存在するが、粒界にYAG相を有するAlNセラミッ
ク基板の接合強度は、YALおよびYAMからなる粒界
相を有する基板よりも高いことが確認されている。すな
わち、AlNセラミック基板の粒界相はAlN原料粉末
中の酸素量、Y2 O3 添加量、焼結前の成形体中の残留
炭素量、雰囲気等によって変わるが、YAG、YAL、
YAM中の酸素とイットリウムの重量比O/Yはそれぞ
れ0.71、0.54および0.41であるので、AlNセラミック
基板のO/Yが0.71以上であれば、粒界相YAGが形成
できるのである。When Y 2 O 3 is used as a sintering aid, Al 2 Y 4 O 9 (YA)
M), AlYO 3 (YAL), Al 5 Y 3 O 12 (YA
Although a composite oxide of aluminum and yttrium as in G) exists, it has been confirmed that the bonding strength of an AlN ceramic substrate having a YAG phase at a grain boundary is higher than that of a substrate having a grain boundary phase of YAL and YAM. ing. That is, the grain boundary phase of the AlN ceramic substrate varies depending on the amount of oxygen in the AlN raw material powder, the amount of Y 2 O 3 added, the amount of residual carbon in the compact before sintering, the atmosphere, and the like.
Since the weight ratios O / Y of oxygen and yttrium in YAM are 0.71, 0.54 and 0.41, respectively, if the O / Y of the AlN ceramic substrate is 0.71 or more, the grain boundary phase YAG can be formed.
【0025】しかしながら、粒界相にYAGを多く含む
場合、十分な熱伝導率が達成されないため、YAGの量
を適切にコントロールする必要がある。そこで本発明で
は、AlNセラミック基板中のYAG相の量として、X
線回析によるYAGの( 640)結晶面の回析強度と、A
lNの( 100)結晶面の回析強度との比(IYAG/I
AlN)を 0.001〜 0.030の範囲、好ましくは 0.005〜
0.025とした。このようにIYAG/IAlNを上記の
ような範囲とすることにより、ピール強度が30kg/cm以
上で、熱伝導率が 150W/m・k以上のAlNセラミッ
ク基板を提供することが可能となる。However, when the grain boundary phase contains a large amount of YAG, sufficient thermal conductivity cannot be achieved, so that the amount of YAG must be appropriately controlled. Therefore, in the present invention, the amount of the YAG phase in the AlN ceramic substrate is X
Diffraction strength of (640) crystal plane of YAG by X-ray diffraction
The ratio of 1N to the diffraction intensity of the (100) crystal plane (IYAG / I
AlN) in the range of 0.001 to 0.030, preferably 0.005 to
0.025 was set. By setting IYAG / IAlN within the above range, it is possible to provide an AlN ceramic substrate having a peel strength of 30 kg / cm or more and a thermal conductivity of 150 W / m · k or more.
【0026】また、接合温度が回路基板の品質に影響を
及ぼすことも確認されており、接合温度が低いと接合界
面での反応が不十分となり、高い接合強度が得られなく
なる。逆に接合温度が高いと、ろう材と金属導体とが激
しく反応するため、金属導体表面にろう材が回り込み、
色むらが生じてしまう。そのため、ろう材に適した接合
温度で接合する必要があり、例えばAg−Cu−Ti系
ろう材を使う場合には、 780〜 900℃の接合温度で1分
以上、好ましくは 790〜 850℃の接合温度で 5〜60分間
保持することにより、接合強度が高く、色むらのない回
路基板を製造することができる。It has also been confirmed that the bonding temperature affects the quality of the circuit board. If the bonding temperature is low, the reaction at the bonding interface becomes insufficient, and high bonding strength cannot be obtained. Conversely, when the joining temperature is high, the brazing material reacts violently with the metal conductor, so that the brazing material wraps around the metal conductor surface,
Color unevenness occurs. Therefore, it is necessary to join at a joining temperature suitable for the brazing material. For example, when using an Ag-Cu-Ti-based brazing material, the joining temperature is 780 to 900 ° C for 1 minute or more, preferably 790 to 850 ° C. By maintaining the bonding temperature for 5 to 60 minutes, a circuit board having high bonding strength and no color unevenness can be manufactured.
【0027】なお、前述従来の技術で示した特開平2-25
8686、特開平2-149485および特開平3-93687 に開示され
ている発明によると、AlNセラミック基板の表面に析
出した粒界構成相成分は、メタライズ用のペースト、お
よび粒界で発生するCu2 O−Cu共晶液(直接接合法
の場合)と反応しにくいため、導電回路とセラミック基
板との接合強度に不良影響を与えてしまうとしている。Incidentally, Japanese Patent Laid-Open Publication No.
According to the inventions disclosed in Japanese Patent No. 8686, JP-A-2-149485 and JP-A-3-93687, the grain boundary constituent phase component precipitated on the surface of the AlN ceramic substrate contains a metallizing paste and Cu 2 generated at the grain boundary. It is said that it hardly reacts with the O-Cu eutectic liquid (in the case of the direct bonding method), so that it adversely affects the bonding strength between the conductive circuit and the ceramic substrate.
【0028】しかしながら、熱伝導性が200W/m.K以上の
高い熱伝導率を有する高純度AlNセラミック基板に対
しては、表面に析出した粒界構成相成分の不良影響は特
に強いが、本発明のように熱伝導率が200W/m.K以下のよ
うな基板の場合、焼結体の表面にしみ出してくる粒界構
成相成分の量は少ないため、その影響は極めて小さいも
のである。また、ろう接法で導電回路を形成するときに
使う活性金属を含むろう材は、粒界構成相成分と反応で
きるため、表面に析出した粒界構成相成分は接合に不良
影響を与えないことが確認されている。However, for a high-purity AlN ceramic substrate having a high thermal conductivity of 200 W / mK or more, the effect of the grain boundary constituent phase component deposited on the surface is particularly strong, but the present invention is not so effective. As described above, in the case of a substrate having a thermal conductivity of 200 W / mK or less, the influence of the component of the grain boundary constituent phase that exudes to the surface of the sintered body is small, and the effect is extremely small. In addition, since the brazing material containing an active metal used for forming a conductive circuit by the brazing method can react with the constituent components of the grain boundaries, the constituent components of the grain boundaries deposited on the surface do not adversely affect the bonding. Has been confirmed.
【0029】以下、実施例により本発明をさらに詳細に
説明する。しかし本発明の範囲は以下の実施例により制
限されるものではない。Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the scope of the present invention is not limited by the following examples.
【0030】[0030]
【実施例1〜5】表1に示すような分離剤窒化ホウ素
(BN)の使用方法、およびホーニング条件で、IBN
/IAlNが6×10-2以下、かつRa/Dが11×10-2以
下である5種類の基板を用意した。なお、これらの基板
は酸素とイットリウムとの重量比O/Yが1.29であり、
粒界相はYAGからなるものである。Examples 1 to 5 The method of using the separating agent boron nitride (BN) as shown in Table 1 and the honing conditions
Five types of substrates were prepared in which / IAIN was not more than 6 × 10 -2 and Ra / D was not more than 11 × 10 -2 . These substrates have a weight ratio O / Y of oxygen to yttrium of 1.29,
The grain boundary phase is composed of YAG.
【0031】[0031]
【表1】 まず、上記用意したAlNセラミック基板1の両主面の
所定の位置に、チタン、銀および銅の混合粉末に各種添
加物を加えてペースト化したろう材3を印刷法によって
印刷し、印刷したペーストの上に銅パーツ2を置き、10
-5torr真空中において、 810℃で20分間加熱して銅パー
ツとセラミック基板を接合し、図1に示すような回路基
板を製造した。[Table 1] First, a brazing material 3 made by adding various additives to a mixed powder of titanium, silver and copper is printed by a printing method at a predetermined position on both main surfaces of the prepared AlN ceramic substrate 1 by a printing method. Put copper part 2 on the
The circuit was heated at 810 ° C. for 20 minutes in a vacuum of -5 torr to join the copper parts and the ceramic substrate to produce a circuit board as shown in FIG.
【0032】次に、上記のようにして得たそれぞれの回
路基板のピール強度を測定し(ピール強度は、図1のピ
ール強度測定箇所4の部分において測定した)、その結
果を表1に示した。表1からも分かるように、ピール強
度はいずれの回路基板においても30kg/cm以上であっ
た。Next, the peel strength of each circuit board obtained as described above was measured (the peel strength was measured at the peel strength measuring point 4 in FIG. 1), and the results are shown in Table 1. Was. As can be seen from Table 1, the peel strength was 30 kg / cm or more in each of the circuit boards.
【0033】[0033]
【実施例6〜12】接合温度を 780〜 910℃の範囲内で
変えたこと以外は実施例2と同様にして回路基板の製
造、およびピール強度の測定を行い、その結果を表1お
よび表2に示した。Examples 6 to 12 A circuit board was manufactured and the peel strength was measured in the same manner as in Example 2 except that the bonding temperature was changed within the range of 780 to 910 ° C., and the results were shown in Tables 1 and 2. 2 is shown.
【0034】[0034]
【表2】 表1および表2からも分かるように、ピール強度はいず
れの回路基板においても30kg/cm以上であった。[Table 2] As can be seen from Tables 1 and 2, the peel strength was 30 kg / cm or more in each of the circuit boards.
【0035】[0035]
【実施例13】酸素とイットリウムとの重量比(O/
Y)が0.77であり、粒界相がYAGとYALからなり、
表面のIBN/IAlNが 0.7×10-2以下、かつRa/
Dが 8.4×10-2であるAlNセラミック基板を使用した
こと以外は実施例1〜5と同様にして回路基板の製造、
およびピール強度の測定を行い、その結果を表2に併記
した。表2からも分かるように、ピール強度は40kg/cm
以上であった。EXAMPLE 13 The weight ratio of oxygen to yttrium (O /
Y) is 0.77, and the grain boundary phase is composed of YAG and YAL;
The surface IBN / IAN is 0.7 × 10 −2 or less and Ra /
Production of a circuit board was performed in the same manner as in Examples 1 to 5, except that an AlN ceramic substrate having D of 8.4 × 10 −2 was used.
And the peel strength were measured, and the results are shown in Table 2. As can be seen from Table 2, the peel strength is 40 kg / cm.
That was all.
【0036】[0036]
【比較例1〜2】酸素とイットリウムとの重量比(O/
Y)が0.59と0.52であり、粒界相がYALとYAMから
なるAlNセラミック基板を使用したこと以外は実施例
13と同様にして回路基板の製造、およびピール強度の
測定を行い、その結果を表2に併記した。表2からも分
かるように、ピール強度はいずれの回路基板基板におい
ても30kg/cmよりも小さかった。Comparative Examples 1-2 The weight ratio of oxygen to yttrium (O /
Y) were 0.59 and 0.52, and a circuit board was manufactured and the peel strength was measured in the same manner as in Example 13 except that an AlN ceramic substrate having a grain boundary phase of YAL and YAM was used. Also shown in Table 2. As can be seen from Table 2, the peel strength was less than 30 kg / cm for any of the circuit boards.
【0037】[0037]
【比較例3〜5】分離剤(BN)の使用法を液状塗布と
し、小さいホーニング圧力で製造したセラミック基板を
使用したこと以外は実施例1〜5と同様にして回路基板
の製造、およびピール強度の測定を行い、その結果を表
2に併記した。表2からも分かるようにピール強度はい
ずれの回路基板においても20kg/cm以下であった。Comparative Examples 3 to 5 Production of a circuit board and peeling were carried out in the same manner as in Examples 1 to 5 except that the method of using the separating agent (BN) was liquid coating, and a ceramic substrate manufactured with a small honing pressure was used. The strength was measured, and the results are shown in Table 2. As can be seen from Table 2, the peel strength was 20 kg / cm or less in each of the circuit boards.
【0038】これらの結果から、IBN/IAlNが 6
×10-2以上、Ra/Dが11×10-2以上の場合は勿論のこ
と、IBN/IAlNおよびRa/Dのうちどちらか一
方が上記値である場合であっても、十分な接合強度を得
ることができなかった。From these results, it was found that IBN / IAN was 6
× 10 -2 or more, of course if Ra / D of 11 × 10 -2 or more, even if either of the IBN / IAlN and Ra / D is the value, sufficient bonding strength Could not get.
【0039】[0039]
【発明の効果】上述のように、セラミック中の酸素とイ
ットリウムの重量比、セラミック基板の抗折強度、セラ
ミック基板の表面に残存する窒化ホウ素の量、表面粗さ
を制御することにより、ろう接法で高強度窒化アルミニ
ウム回路基板を製造することができるようになった。そ
のため、ピール強度が30kg/cm以上の高強度回路基板を
市場に提供することが可能となった。また、本発明は高
強度窒化アルミニウム回路基板の製造だけではなく、高
接合強度が要求されるAlNセラミックスと金属との複
合体の製造においても広く応用され得るものである。As described above, by controlling the weight ratio of oxygen to yttrium in the ceramic, the flexural strength of the ceramic substrate, the amount of boron nitride remaining on the surface of the ceramic substrate, and the surface roughness, brazing is achieved. A high-strength aluminum nitride circuit board can be manufactured by the method. Therefore, a high-strength circuit board having a peel strength of 30 kg / cm or more can be provided to the market. Further, the present invention can be widely applied not only to the manufacture of a high-strength aluminum nitride circuit board but also to the manufacture of a composite of AlN ceramics and a metal that requires high bonding strength.
【図1】本発明のセラミック基板を用いて作製した高強
度窒化アルミニウム回路基板の一例を示す斜視図であ
る。FIG. 1 is a perspective view showing an example of a high-strength aluminum nitride circuit board manufactured using a ceramic substrate of the present invention.
【図2】AlNセラミック基板の表面層の状態、および
ろう材とAlNセラミック基板との接合界面を示す模式
断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a state of a surface layer of an AlN ceramic substrate and a bonding interface between a brazing material and the AlN ceramic substrate.
【図3】ピール強度測定試料の破壊模式の一例を示す図
であって、破壊が生じたセラミック回路基板の断面図で
ある。FIG. 3 is a diagram showing an example of a schematic destruction of a peel strength measurement sample, and is a cross-sectional view of a broken ceramic circuit board.
【図4】ピール強度測定試料の破壊模式の別の一例を示
す図であって、破壊が生じたセラミック回路基板の断面
図である。FIG. 4 is a view showing another example of a destruction pattern of a peel strength measurement sample, and is a cross-sectional view of a ceramic circuit board in which destruction has occurred.
【符号の説明】 1‥‥‥AlNセラミック基板 2‥‥‥銅パーツ 3‥‥‥ろう材 4‥‥‥ピール強度測定箇所 5‥‥‥AlN結晶粒 6‥‥‥窒化ホウ素 7‥‥‥未接部[Description of Signs] 1 AlN ceramic substrate 2 Copper parts 3 Brazing material 4 Peel strength measurement point 5 AlN crystal grain 6 Boron nitride 7 Not yet Contact
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 名村 優 東京都千代田区丸の内1丁目8番2号 同 和鉱業株式会社内 (72)発明者 木村 正美 東京都千代田区丸の内1丁目8番2号 同 和鉱業株式会社内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Yu Namura 1-8-2 Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo Dowa Mining Co., Ltd. (72) Inventor Masami Kimura 1-8-2 Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokyo Dowa Mining Co., Ltd.
Claims (1)
量(Owt)と含有イットリウム重量(Ywt)との比(O
wt/Ywt)が0.71以上、表面粗さ(Ra)と平均結晶粒
径(D)との比(Ra/D)が11×10-2以下、および表
面層に残存する窒化ホウ素のX線回析強度(IBN)と
窒化アルミニウムのX線回析強度(IAlN)との比
(IBN/IAlN)が 6×10-2以下である窒化アルミ
ニウムを主成分とするセラミック基板。(1) The transverse rupture strength is 30 kg / mm 2 or more, and the ratio (O wt) between the contained oxygen weight (O wt) and the contained yttrium weight (Y wt) is
wt / Ywt) is 0.71 or more, the ratio of surface roughness (Ra) to average crystal grain size (D) (Ra / D) is 11 × 10 -2 or less, and the X-ray diffraction of boron nitride remaining on the surface layer A ceramic substrate containing aluminum nitride as a main component and having a ratio (IBN / IAIN) of diffraction intensity (IBN) to X-ray diffraction intensity (IAN) of aluminum nitride of 6 × 10 −2 or less.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP28912697A JP3307862B2 (en) | 1997-10-06 | 1997-10-06 | Ceramic substrate |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP28912697A JP3307862B2 (en) | 1997-10-06 | 1997-10-06 | Ceramic substrate |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP4220848A Division JP2736949B2 (en) | 1992-07-28 | 1992-07-28 | High strength aluminum nitride circuit board and method of manufacturing the same |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH1087368A true JPH1087368A (en) | 1998-04-07 |
JP3307862B2 JP3307862B2 (en) | 2002-07-24 |
Family
ID=17739108
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP28912697A Expired - Lifetime JP3307862B2 (en) | 1997-10-06 | 1997-10-06 | Ceramic substrate |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3307862B2 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1737034A1 (en) * | 2004-04-05 | 2006-12-27 | Mitsubishi Materials Corporation | Al/AlN JOINT MATERIAL, BASE PLATE FOR POWER MODULE, POWER MODULE AND PROCESS FOR PRODUCING Al/AlN JOINT MATERIAL |
CN116693315A (en) * | 2023-06-12 | 2023-09-05 | 保定中创燕园半导体科技有限公司 | Preparation method of AlN ceramic copper-clad substrate |
-
1997
- 1997-10-06 JP JP28912697A patent/JP3307862B2/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1737034A1 (en) * | 2004-04-05 | 2006-12-27 | Mitsubishi Materials Corporation | Al/AlN JOINT MATERIAL, BASE PLATE FOR POWER MODULE, POWER MODULE AND PROCESS FOR PRODUCING Al/AlN JOINT MATERIAL |
EP1737034A4 (en) * | 2004-04-05 | 2010-11-03 | Mitsubishi Materials Corp | Al/AlN JOINT MATERIAL, BASE PLATE FOR POWER MODULE, POWER MODULE AND PROCESS FOR PRODUCING Al/AlN JOINT MATERIAL |
US8164909B2 (en) | 2004-04-05 | 2012-04-24 | Mitsubishi Materials Corporation | Al/AlN joint material, base plate for power module, power module, and manufacturing method of Al/AlN joint material |
CN116693315A (en) * | 2023-06-12 | 2023-09-05 | 保定中创燕园半导体科技有限公司 | Preparation method of AlN ceramic copper-clad substrate |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP3307862B2 (en) | 2002-07-24 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5023165B2 (en) | Ceramic circuit board | |
KR100353385B1 (en) | Aluminum Nitride Sintered Body and Method of Preparing the Same | |
US5176309A (en) | Method of manufacturing circuit board | |
JP3629783B2 (en) | Circuit board | |
EP1914213B1 (en) | Silicon nitride circuit board | |
JPH0525397B2 (en) | ||
KR20130137029A (en) | Ceramic circuit board | |
CN116353153A (en) | Ceramic-copper composite, method for producing ceramic-copper composite, ceramic circuit board, and power module | |
JP3408298B2 (en) | High thermal conductive silicon nitride metallized substrate, method of manufacturing the same, and silicon nitride module | |
JPH1067586A (en) | Circuit base plate for power module and its production | |
JP3307862B2 (en) | Ceramic substrate | |
JP2736949B2 (en) | High strength aluminum nitride circuit board and method of manufacturing the same | |
EP4015486B1 (en) | Ceramic substrate, circuit board and method for producing same, and power module | |
JP3518843B2 (en) | Metallized substrate | |
JP2677748B2 (en) | Ceramics copper circuit board | |
JP5073135B2 (en) | Aluminum nitride sintered body, production method and use thereof | |
JP2004247387A (en) | Wafer holder for semiconductor production system and semiconductor production system mounting it | |
JP3460167B2 (en) | Method for manufacturing aluminum nitride circuit board having metal circuit | |
JPH0891935A (en) | Sintered material of aluminum nitride, its production and circuit substrate | |
JP2007186382A (en) | Aluminum nitride sintered compact | |
JPH1065294A (en) | Ceramic wiring board and manufacture thereof | |
JPH0585869A (en) | Surface treatment of aluminum nitride ceramic | |
JP2007112635A (en) | Aluminum nitride sintered compact | |
JP2001019576A (en) | Substrate and its production | |
JPH07257973A (en) | Aluminum nitride sintered compact, production and use thereof |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080517 Year of fee payment: 6 |
|
S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313111 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080517 Year of fee payment: 6 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090517 Year of fee payment: 7 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090517 Year of fee payment: 7 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100517 Year of fee payment: 8 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110517 Year of fee payment: 9 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110517 Year of fee payment: 9 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120517 Year of fee payment: 10 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130517 Year of fee payment: 11 |
|
EXPY | Cancellation because of completion of term | ||
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130517 Year of fee payment: 11 |