JPWO2020162445A1 - 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、銅/セラミックス接合体、及び、絶縁回路基板 - Google Patents
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、銅/セラミックス接合体、及び、絶縁回路基板 Download PDFInfo
- Publication number
- JPWO2020162445A1 JPWO2020162445A1 JP2020543647A JP2020543647A JPWO2020162445A1 JP WO2020162445 A1 JPWO2020162445 A1 JP WO2020162445A1 JP 2020543647 A JP2020543647 A JP 2020543647A JP 2020543647 A JP2020543647 A JP 2020543647A JP WO2020162445 A1 JPWO2020162445 A1 JP WO2020162445A1
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- copper
- less
- joining
- mass ppm
- 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
- 239000010949 copper Substances 0.000 title claims abstract description 305
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 284
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 283
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 title claims abstract description 114
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 41
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 156
- 238000005304 joining Methods 0.000 claims abstract description 71
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 33
- 229910052711 selenium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 29
- 229910052714 tellurium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 28
- 229910052745 lead Inorganic materials 0.000 claims abstract description 25
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims abstract description 20
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 15
- 150000001879 copper Chemical class 0.000 claims abstract description 10
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 47
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 39
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 34
- 238000001887 electron backscatter diffraction Methods 0.000 claims description 32
- 229910052788 barium Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 73
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 73
- 239000000463 material Substances 0.000 description 33
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 16
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 description 15
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 15
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 14
- 238000005219 brazing Methods 0.000 description 12
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 7
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 7
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 6
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 6
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 5
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 5
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 4
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 4
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 4
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910000881 Cu alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 3
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 3
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 2
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 2
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 238000001953 recrystallisation Methods 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- QPLDLSVMHZLSFG-UHFFFAOYSA-N Copper oxide Chemical compound [Cu]=O QPLDLSVMHZLSFG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000005751 Copper oxide Substances 0.000 description 1
- 229910017945 Cu—Ti Inorganic materials 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006061 abrasive grain Substances 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052790 beryllium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052793 cadmium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000008119 colloidal silica Substances 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000012790 confirmation Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 229910000431 copper oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 238000002003 electron diffraction Methods 0.000 description 1
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003112 inhibitor Substances 0.000 description 1
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 229910052762 osmium Inorganic materials 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007670 refining Methods 0.000 description 1
- 229910052702 rhenium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052703 rhodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052706 scandium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052716 thallium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K1/00—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
- B23K1/0008—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering specially adapted for particular articles or work
- B23K1/0016—Brazing of electronic components
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B37/00—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating
- C04B37/02—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles
- C04B37/021—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles in a direct manner, e.g. direct copper bonding [DCB]
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B37/00—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating
- C04B37/02—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K1/00—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
- B23K1/19—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering taking account of the properties of the materials to be soldered
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
- B23K20/02—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating by means of a press ; Diffusion bonding
- B23K20/023—Thermo-compression bonding
- B23K20/026—Thermo-compression bonding with diffusion of soldering material
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
- B23K20/16—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating with interposition of special material to facilitate connection of the parts, e.g. material for absorbing or producing gas
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
- B23K20/22—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating taking account of the properties of the materials to be welded
- B23K20/233—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating taking account of the properties of the materials to be welded without ferrous layer
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
- B32B15/04—Layered products comprising a layer of metal comprising metal as the main or only constituent of a layer, which is next to another layer of the same or of a different material
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
- B32B15/20—Layered products comprising a layer of metal comprising aluminium or copper
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/64—Burning or sintering processes
- C04B35/645—Pressure sintering
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B37/00—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating
- C04B37/02—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles
- C04B37/023—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles characterised by the interlayer used
- C04B37/026—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles characterised by the interlayer used consisting of metals or metal salts
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C9/00—Alloys based on copper
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
- C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
- C22F1/08—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of copper or alloys based thereon
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
- H01L21/48—Manufacture or treatment of parts, e.g. containers, prior to assembly of the devices, using processes not provided for in a single one of the subgroups H01L21/06 - H01L21/326
- H01L21/4814—Conductive parts
- H01L21/4871—Bases, plates or heatsinks
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
- H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
- H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
- H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
- H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
- H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
- H01L23/3735—Laminates or multilayers, e.g. direct bond copper ceramic substrates
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K1/00—Printed circuits
- H05K1/02—Details
- H05K1/03—Use of materials for the substrate
- H05K1/0306—Inorganic insulating substrates, e.g. ceramic, glass
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
- B23K2101/36—Electric or electronic devices
- B23K2101/42—Printed circuits
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
- B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys
- B23K2103/12—Copper or alloys thereof
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
- B23K2103/18—Dissimilar materials
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
- B23K2103/50—Inorganic material, e.g. metals, not provided for in B23K2103/02 – B23K2103/26
- B23K2103/52—Ceramics
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B2457/00—Electrical equipment
- B32B2457/08—PCBs, i.e. printed circuit boards
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
- C04B2235/656—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
- C04B2235/6567—Treatment time
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
- C04B2235/658—Atmosphere during thermal treatment
- C04B2235/6581—Total pressure below 1 atmosphere, e.g. vacuum
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
- C04B2237/02—Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
- C04B2237/12—Metallic interlayers
- C04B2237/122—Metallic interlayers based on refractory metals
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
- C04B2237/02—Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
- C04B2237/12—Metallic interlayers
- C04B2237/124—Metallic interlayers based on copper
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
- C04B2237/02—Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
- C04B2237/12—Metallic interlayers
- C04B2237/125—Metallic interlayers based on noble metals, e.g. silver
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
- C04B2237/02—Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
- C04B2237/12—Metallic interlayers
- C04B2237/126—Metallic interlayers wherein the active component for bonding is not the largest fraction of the interlayer
- C04B2237/127—The active component for bonding being a refractory metal
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
- C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
- C04B2237/32—Ceramic
- C04B2237/36—Non-oxidic
- C04B2237/368—Silicon nitride
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
- C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
- C04B2237/40—Metallic
- C04B2237/407—Copper
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
- C04B2237/50—Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
- C04B2237/70—Forming laminates or joined articles comprising layers of a specific, unusual thickness
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K2201/00—Indexing scheme relating to printed circuits covered by H05K1/00
- H05K2201/03—Conductive materials
- H05K2201/0332—Structure of the conductor
- H05K2201/0335—Layered conductors or foils
- H05K2201/0338—Layered conductor, e.g. layered metal substrate, layered finish layer, layered thin film adhesion layer
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
- Manufacturing Of Printed Wiring (AREA)
- Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
- Laminated Bodies (AREA)
Abstract
Description
本願は、2019年2月4日に、日本に出願された特願2019−017893号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
最近は、電子機器や電気機器等の大電流化にともない、電流密度の低減およびジュール発熱による熱の拡散のために、これら電子機器や電気機器等に使用される電気・電子部品の大型化、厚肉化が図られている。
これら絶縁回路基板としては、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、を備えたものが、従来から広く用いられている。なお、絶縁回路基板としては、セラミックス基板の他方の面に金属板を接合して金属層を形成したものも提供されている。
この特許文献3においては、Sを0.0006〜0.0015wt%含有することにより、再結晶温度以上で熱処理しても、一定の大きさの結晶粒に調整可能であると記載されている。
さらに、結晶粒の粗大化を抑制するために、Sの含有量を増加させた場合には、接合後に局所的に結晶粒が粗大化し、結晶組織が不均一となって粒径のばらつきが大きくなることがあった。この場合、銅板とセラミックス基板との接合状態を超音波検査する際に、ノイズが大きくなり、超音波検査を精度良く行うことができないといった問題があった。
また、高温での温度サイクルを負荷した際に、回路層の表面にうねりが形成され、素子実装部が破壊され熱抵抗が上昇したり、回路層に接合された素子が剥離したりしてしまうおそれがあった。
また、銅部材とセラミックス部材とを接合する際の加圧荷重によって、銅部材の結晶粒が粗大化しやすくなるとの知見を得た。
さらに、接合前の前記銅部材の平均結晶粒径を10μm以上とし、圧延面における結晶粒のアスペクト比(長径/短径)を2以下としているので、接合前の銅部材に大きな歪が蓄積されておらず、再結晶の駆動力が小さくなり、その後の接合工程において、積層方向への加圧荷重を0.05MPa以上1.5MPa以下の範囲内、加熱温度を800℃以上850℃以下の範囲内、加熱温度での保持時間を10分以上90分以下の範囲内の条件で接合しても、結晶粒が局所的に粗大化することを抑制できる。
よって、接合後においても、銅部材の結晶粒の粗大化及び不均一化を抑制することが可能となる。
この場合、上述の関係式RDを満足しているので、接合後においても、銅部材の結晶粒の局所的な粗大化を確実に抑制することができる。
この場合、銅部材が、結晶粒成長抑制元素に該当するSを2massppm以上含むことにより、接合後においても結晶粒の粗大化や不均一化を確実に抑制することが可能となる。
不可避不純物として含まれるおそれがあるMg、Sr、Ba、Ti、Zr、Hf、Yといった元素は、結晶粒成長抑制元素であるS、Se、Te等と化合物を生成することからこれら結晶粒成長抑制元素の作用を阻害するおそれがある。このため、これらMg、Sr、Ba、Ti、Zr、Hf、Yの合計含有量が10massppm以下に制限することにより、結晶粒成長抑制元素による結晶粒成長抑制効果を十分に発揮させることができ、接合後においても、銅部材の結晶粒の粗大化や不均一化を、確実に抑制することが可能となる。
この構成の絶縁回路基板の製造方法によれば、上述の銅/セラミックス接合体の製造方法によって、セラミックス基板と銅板とを接合しているので、接合後においても、銅板の結晶粒の粗大化及び不均一化を抑制することが可能となる。
よって、超音波検査によって、セラミックス基板と銅板との接合状態を精度良く評価することが可能となる。
そして、前記銅部材の断面において、EBSDによる銅の結晶方位マップを(001)面、(111)の面、(101)面に3等分したときの最大の面積率が45%以下とされており、前記銅部材の断面において1mm2の視野内における粒界長が10mm以上30mm未満とされているので、温度サイクルを負荷した場合でも、歪が銅部材中に蓄積され、銅部材の表面にうねりが発生することを抑制できる。
この場合、銅部材において、通常粒界の割合が確保されており、温度サイクルを負荷した際の歪を通常粒界に蓄積することができ、さらに的確に銅部材の表面にうねりが発生することを抑制できる。
この場合、上述の温度サイクル試験を実施した後でも銅部材の表面粗さが大きく上昇しておらず、うねりの発生を確実に抑制することが可能となる。
そして、前記銅板の断面において、EBSDによる銅の結晶方位マップを(001)面、(111)の面、(101)面に3等分したときの最大の面積率が45%以下とされており、前記銅部材の断面において1mm2の視野内における粒界長が10mm以上30mm未満とされているので、温度サイクルを負荷した場合でも、歪が銅板中に蓄積され銅板の表面にうねりが発生することを抑制できる。
この場合、前記銅板において、通常粒界の割合が確保されており、温度サイクルを負荷した際の歪を通常粒界に蓄積することができ、さらに的確に銅板の表面にうねりが発生することを抑制できる。
この場合、上述の温度サイクル試験を実施した後でも前記銅板の表面粗さが大きく上昇しておらず、うねりの発生を確実に抑制することが可能となる。
本実施形態に係る銅/セラミックス接合体は、セラミックス部材であるセラミックス基板11と、銅部材である銅板(回路層12)及び銅板(金属層13)とが接合されることにより構成された絶縁回路基板10とされている。
このパワーモジュール1は、絶縁回路基板10と、この絶縁回路基板10の一方側(図1において上側)に第1はんだ層2を介して接合された半導体素子3と、絶縁回路基板10の他方側(図1において下側)に第2はんだ層8を介して接合されたヒートシンク51と、を備えている。
セラミックス基板11は、回路層12と金属層13との間の電気的接続を防止するものであって、本実施形態では、窒化珪素で構成されている。なお、ここで、セラミックス基板11の厚さは、0.2〜1.5mmの範囲内に設定されており、本実施形態では、0.32mmに設定されている。
この回路層12には、回路パターンが形成されており、その一方の面(図1において上面)が、半導体素子3が搭載される搭載面されている。ここで、回路層12の厚さは0.1mm以上2.0mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では0.6mmに設定されている。
ここで、金属層13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。
さらに、回路層12及び金属層13を構成する純銅材においては、不可避不純物であるMg、Sr、Ba、Ti、Zr、Hf、Yの合計含有量が10massppm以下であることが好ましい。
また、回路層12及び金属層13は、その断面において、1mm2の視野内における粒界長が10mm以上30mm未満とされている。
さらに、本実施形態では、−45℃×30分保持及び250℃×30分保持の温度サイクル試験を実施後の回路層12及び金属層13の表面の算術平均粗さをRa1とし、温度サイクル試験を実施前の回路層12及び金属層13の表面の算術平均粗さをRa0としたとき、Ra1/Ra0が1.0以上1.8以下の範囲内であることが好ましい。
大電流用途の電気・電子部品においては、通電時の発熱を抑制するために、導電性及び放熱性に優れていることが要求されており、導電性及び放熱性に特に優れた純銅を用いることが好ましい。
そこで、回路層12及び金属層13を構成する純銅材においては、Cuの純度を99.96mass%以上に規定している。
なお、Cuの純度は99.965mass%以上であることが好ましく、99.97mass%以上であることがさらに好ましい。また、Cuの純度の上限に特に制限はないが、99.999mass%を超える場合には、特別な精錬工程が必要となり、製造コストが大幅に増加するため、99.999mass%以下とすることが好ましい。
不可避不純物として含まれるPは、銅中の酸素を無害化する元素として広く用いられている。しかしながら、Pを一定以上含有する場合には、酸素だけではなく、結晶粒界に存在する結晶粒成長抑制元素の作用を阻害する。このため、高温に加熱した際に、結晶粒成長抑制元素が十分に作用せず、結晶粒の粗大化及び不均一化が発生するおそれがある。
そこで、本実施形態においては、回路層12及び金属層13を構成する純銅材におけるPの含有量を2massppm以下に制限している。
なお、Pの含有量は、1.5massppm以下とすることが好ましく、1massppm以下とすることがさらに好ましい。
Pb、Se及びTeは、Cu中の固溶限が低く、粒界に偏析することによって、結晶粒の粗大化を抑制する作用を有するが、局所的な粒成長を促進してしまう元素である。
このため、本実施形態においては、熱間加工性を確保するために、回路層12及び金属層13を構成する純銅材におけるPb、Se及びTeの合計含有量を10massppm以下に制限している。
結晶粒を良好に制御するためには、Pb、Se及びTeの合計含有量を9massppm以下とすることが好ましく、8massppm以下とすることがさらに好ましい。
Sは、結晶粒界移動を抑制することによって、結晶粒の粗大化を抑制する作用を有するとともに、熱間加工性を低下させる元素である。
このため、本実施形態において、回路層12及び金属層13を構成する純銅材におけるSの含有量を2massppm以上とした場合には、Sによる結晶粒粗大化抑制効果を十分に奏功せしめることができ、加熱後においても結晶粒の粗大化を確実に抑制することが可能となる。一方、Sの含有量を20massppm以下に制限することにより、局所的な結晶粒成長を制御することが可能となる。
なお、Sの含有量の下限は、2.5massppm以上であることが好ましく、3massppm以上であることがさらに好ましい。また、Sの含有量の上限は、17.5massppm以下であることが好ましく、15massppm以下であることがさらに好ましい。
不可避不純物として含まれるMg、Sr、Ba、Ti、Zr、Hf、Yは、結晶粒界に偏析して結晶粒の粗大化を抑制する結晶粒粗大化抑制元素(S、Se、Te等)と化合物を生成し、結晶粒粗大化抑制元素の作用を阻害するおそれがある。
このため、本実施形態において、加熱後の結晶粒の粗大化を確実に抑制するためには、回路層12及び金属層13を構成する純銅材におけるMg、Sr、Ba、Ti、Zr、Hf、Yの合計含有量を10massppm以下とすることが好ましい。
なお、Mg、Sr、Ba、Ti、Zr、Hf、Yの合計含有量は、7.5massppm以下であることが好ましく、5massppm以下であることがさらに好ましい。
上述した元素以外のその他の不可避的不純物としては、Ag、B、Bi、Ca、Sc、希土類元素、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Re、Fe、Ru、Os、Co、Rh、Ir、Ni、Pd、Pt、Au、Zn、Cd、Hg、Al、Ga、In、Ge、Sn、As、Sb、Tl、Be、N、C、Si、Li、H、O等が挙げられる。これらの不可避不純物は、導電率を低下させるおそれがあることから、総量で0.1mass%以下とすることが好ましい。
なお、平均結晶粒径の下限は、90μm以上であることが好ましく、100μm以上であることがさらに好ましい。平均結晶粒径の上限は、350μm以下であることが好ましく、300μm以下であることがさらに好ましい。
さらに、回路層12及び金属層13においては、35mm×35mmの範囲における最大結晶粒径dmaxと平均結晶粒径daveの比率dmax/daveが7.5以下とされている。
なお、上述のdmax/daveは、6.0以下であることが好ましく、5.0以下であることがさらに好ましい。
本実施形態において、結晶方位が一方向に配向していると、温度サイクルを負荷した際に、回路層12及び金属層13の表面にうねりが生じやすくなる。これにより、半導体素子3と回路層12との間の第1はんだ層2、及び、金属層13とヒートシンクとの間の第2はんだ層8に亀裂が生じ、剥離が生じるおそれがある。
そこで、本実施形態においては、は、その断面において、EBSDによる銅の結晶方位マップを(001)面、(111)面、(101)面に3等分したときの最大の面積率が45%以下とし、(001)面、(111)面、(101)面のいずれかに配向しておらず、ランダムな結晶方位を有するものとしている。
本実施形態において、回路層12及び金属層13の断面において、1mm2の視野内における粒界長が10mm以上30mm未満であれば、粒界の長さが十分に確保されており、温度サイクルが負荷された際の歪を粒界に蓄積することができ、回路層12及び金属層13の表面にうねりが生じることを抑制することが可能となる。
なお、回路層12及び金属層13の断面において1mm2の視野内における粒界長の下限は12mm以上であることが好ましく、15mm以上であることがより好ましい。また、回路層12及び金属層13の断面において1mm2の視野内における粒界長の上限は28mm以下であることが好ましく、26mm以下であることがより好ましい。
温度サイクルが負荷された際の歪は、通常粒界には蓄積されるが、双晶粒界には蓄積されない。
このため、本実施形態においては、回路層12及び金属層13の断面を電子後方散乱回折法で観察した結果、Σ3粒界で代表される双晶粒界の割合を50%以下に制限することが好ましい。
なお、双晶粒界の割合は45%以下であることがより好ましく、40%以下であることがさらに好ましい。
本実施形態において、−45℃×30分保持及び250℃×30分保持の温度サイクル試験を実施後の回路層12及び金属層13の表面の算術平均粗さをRa1とし、温度サイクル試験を実施前の回路層12及び金属層13の表面の算術平均粗さをRa0としたとき、Ra1/Ra0が1.0以上1.8以下の範囲内である場合には、温度サイクル試験を実施後において回路層12及び金属層13の表面の算術平均粗さが温度サイクル試験前から大きく増加しておらず、うねりの発生が確実に抑制されることになる。
なお、Ra1/Ra0は1.7以下であることがより好ましく、1.6以下であることがさらに好ましい。
まず、回路層12及び金属層13となる銅板を準備する。この銅板は、上述の組成を有する純銅材で構成されたものであり、接合前の銅板においては、銅板を作成する際の熱処理条件と圧延率を変量し、平均結晶粒径が10μm以上とされるとともに、圧延面における結晶粒のアスペクト比(長径/短径)が2以下とされている。
次に、図2に示すように、セラミックス基板11の一方の面に、上述のようにして得られた回路層12となる銅板を活性ろう材を介して積層し、セラミックス基板11の他方の面に、上述のようにして得られた金属層13となる銅板を活性ろう材を介して積層する。
なお、本実施形態では、活性ろう材として、Ag−28mass%Cu−5mass%Ti合金のペーストを用いた。
積層した銅板、セラミックス基板11、銅板を、積層方向に加圧した状態で、真空加熱炉内に装入して加熱し、銅板とセラミックス基板11とを接合して回路層12を形成するとともに、銅板とセラミックス基板11とを接合して金属層13を形成する。
ここで、積層方向への加圧荷重は、0.05MPa以上1.5MPa以下の範囲内とし、加熱温度は800℃以上850℃以下の範囲内、加熱温度での保持時間は10分以上90分以下の範囲内とする。また、加熱温度時の真空加熱炉内の圧力は、1.0×10−4Pa以上1.0×10−1Pa以下の範囲内とすることが好ましい。
関係式RD=D1×(R1/R0)≦500
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51を接合する。
本実施形態では、絶縁回路基板10とヒートシンク51とを、はんだ材を介して積層して加熱炉に装入し、第2はんだ層8を介して絶縁回路基板10とヒートシンク51とをはんだ接合する。
次に、絶縁回路基板10の回路層12の一方の面に、半導体素子3をはんだ付けにより接合する。
以上の工程により、図1に示すパワーモジュール1が製出される。
よって、接合後の銅板(回路層12及び金属層13)における結晶粒の粗大化及び不均一化を抑制することが可能となる。
例えば、回路層及び金属層を上述の純銅材からなる銅板で構成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、回路層及び金属層のいずれか一方が上述の純銅材からなる銅板で構成されていればよく、いずれ片方は、他の銅又は銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金、これらの積層体等で構成されていてもよい。
組成及び初期粒径、アスペクト比の異なるCu材を入手し、絶縁基板用の回路層及び金属層用銅条材とした。
得られた銅条材から20mm×20mmのサンプルを切り出し、SEM−EBSD(Electron Backscatter Diffraction Patterns)測定装置によって、平均結晶粒径を測定した。
圧延面を耐水研磨紙、ダイヤモンド砥粒を用いて機械研磨を行った後、コロイダルシリカ溶液を用いて仕上げ研磨を行った。その後、走査型電子顕微鏡を用いて、試料表面の測定範囲内の個々の測定点(ピクセル)に電子線を照射し、後方散乱電子線回折による方位解析により、隣接する測定点間の方位差が15°以上となる測定点間を大角粒界とし、15°未満を小角粒界とした。
大角粒界を用いて、結晶粒界マップを作成し、JIS H 0501の切断法に準拠し、結晶粒界マップに対して、縦、横の所定長さの線分を5本ずつ引き、完全に切られる結晶粒数を数え、その切断長さの平均値を接合前の結晶粒径として記載した。評価結果を表3、4に示す。
圧延面における結晶粒のアスペクト比(長径/短径)は、得られた銅条材の圧延面を、上記と同様にSEM−EBSD(Electron Backscatter Diffraction Patterns)測定装置を用いて、結晶粒界マップを作製した。そのマップに対して、板厚方向に5本、圧延方向に5本の線分を引き、完全に切られる結晶粒数を数え、その長径と短径の長さの比をアスペクト比(長径/短径)とし、平均値を算出した。評価結果を表3、4に示す。
セラミックス基板に接合した銅板から、30mm×30mmのサンプルを切り出し、圧延面を鏡面研磨、エッチングを行い光学顕微鏡にて、圧延方向が写真の横になるように撮影した。観察部位の中で、約1000×1000μm2の視野内が均一な粒度で形成される部位を10視野選び、約1000×1000μm2で観察および測定を行った。そして、結晶粒径をJIS H 0501の切断法に従い、写真縦、横の所定長さの線分を5本ずつ引き、完全に切られる結晶粒数を数え、その切断長さの平均値を熱処理後の結晶粒径として記載した。接合後の平均結晶粒径として、400μm以下のものを「〇」、400μmを超えたものを「×」とした。評価結果を表3、4に示す。
上述のように、セラミックス基板に接合した銅板から採取したサンプルの圧延面を、上記と同様にSEM−EBSD(Electron Backscatter Diffraction Patterns)測定装置を用いて、結晶粒界マップを作製した。そのマップに対して、板厚方向に5本、圧延方向に5本の線分を引き、完全に切られる結晶粒数を数え、その長径と短径の長さの比をアスペクト比(長径/短径)とし、平均値を算出した。評価結果を表3、4に示す。
上述のように、セラミックス基板に接合した銅板から採取したサンプルについて、30mm×30mmの範囲内において双晶を除き、最も結晶粒が粗大な結晶粒の長径とそれに垂直に線を引いた時に粒界によって切断される短径の平均値を最大結晶粒径dmaxとし、この最大結晶粒径と上述の平均結晶粒径daveとの比dmax/daveが10以下を「〇」と評価し、dmax/daveが10を超えた場合を「×」と評価した。評価結果を表3、4に示す。
銅の結晶配向率:セラミックス基板と銅板を接合した後に任意の位置でセラミックス回路基板の銅板部分の断面を作製し、加速電圧15kVの条件で電子線後方散乱分析(EBSD:TSLソリューションズ社 Hikari検出器/SEM:カールツァイス社 Ultra55)を行い、視野内の銅板部分にて結晶方位マップを作成した後、銅の結晶方位を(001)面、(111面)、(101)面に3値化し、各方位の面積比から最も高い値を示した面の割合を結晶配向率として評価した。
上記断面分析結果から、OIM−data−collectionソフトウェアを用いて、銅板部分1mmの全粒界長を測定した。また、全粒界に対する3Σに該当する粒界の割合を双晶粒界割合とした。
250℃での保持時間30分、−45℃での保持時間30分の条件にて冷熱サイクル試験を1000回実施した後の銅板メッキ後のメッキ表面粗さRaを接触式の表面粗さ計(ミツトヨ社製201P)を用いて評価した。
比較例2、3は、Pb、Se及びTeの合計含有量が本発明の範囲よりも多く、接合後の銅板の結晶粒径のばらつきが大きくなった。
比較例4−6は、接合工程における加圧荷重が2MPaと大きいため、RD値が大きく、接合後の銅板の平均結晶粒径が粗大であった(比較例4については図4Bを参照)。
比較例7−9は、接合前のCu条材の結晶粒径が小さ過ぎるため、接合時において粒成長が促進され、平均結晶粒径が粗大であった。
比較例4、9においては、前記銅部材の断面において1mm2の視野内における粒界長が10mm未満であり、温度サイクル試験後に表面粗さが大きくなった(比較例4については図4Bを参照)。
比較例5においては、前記銅部材の断面において1mm2の視野内における粒界長が30mmを超えており、温度サイクル試験後に表面粗さが大きくなった。
比較例7においては、全粒界に対するΣ3粒界で代表される双晶粒界の割合が50%を超えており、温度サイクル試験後に表面粗さが大きくなった(図6参照)。
11 セラミックス基板
12 回路層
13 金属層
さらに、接合前の前記銅部材の平均結晶粒径を10μm以上とし、圧延面における結晶粒のアスペクト比(長径/短径)を2以下としているので、接合前の銅部材に大きな歪が蓄積されておらず、再結晶の駆動力が小さくなり、その後の接合工程において、積層方向への加圧荷重を0.05MPa以上1.5MPa以下の範囲内、加熱温度を800℃以上850℃以下の範囲内、加熱温度での保持時間を10分以上90分以下の範囲内の条件で接合しても、結晶粒が局所的に粗大化することを抑制できる。
よって、接合後においても、銅部材の結晶粒の粗大化及び不均一化を抑制することが可能となる。
また、本発明の銅/セラミックス接合体の製造方法においては、前記銅部材におけるSの含有量が2massppm以上20massppm以下の範囲内とされている。銅部材が、結晶粒成長抑制元素に該当するSを2massppm以上含むことにより、接合後においても結晶粒の粗大化や不均一化を確実に抑制することが可能となる。
さらに、本発明の銅/セラミックス接合体の製造方法においては、Mg、Sr、Ba、Ti、Zr、Hf、Yの合計含有量が10massppm以下である。不可避不純物として含まれるおそれがあるMg、Sr、Ba、Ti、Zr、Hf、Yといった元素は、結晶粒成長抑制元素であるS、Se、Te等と化合物を生成することからこれら結晶粒成長抑制元素の作用を阻害するおそれがある。このため、これらMg、Sr、Ba、Ti、Zr、Hf、Yの合計含有量が10massppm以下に制限することにより、結晶粒成長抑制元素による結晶粒成長抑制効果を十分に発揮させることができ、接合後においても、銅部材の結晶粒の粗大化や不均一化を、確実に抑制することが可能となる。
この場合、上述の温度サイクル試験を実施した後でも銅部材の表面粗さが大きく上昇しておらず、うねりの発生を確実に抑制することが可能となる。
この場合、上述の温度サイクル試験を実施した後でも前記銅板の表面粗さが大きく上昇しておらず、うねりの発生を確実に抑制することが可能となる。
Claims (11)
- 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の製造方法であって、
前記銅部材は、Cuの純度が99.96mass%以上で残部が不可避不純物とされるとともに、Pの含有量が2massppm以下、かつ、Pb、Se及びTeの合計含有量が10massppm以下とされた組成とし、
積層し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て加熱することにより、積層した前記銅部材と前記セラミックス部材とを接合する接合工程と、を有し、
接合前の前記銅部材の平均結晶粒径を10μm以上、圧延面における結晶粒の長径/短径の比を意味するアスペクト比を2以下とし、
前記接合工程では、積層方向への加圧荷重を0.05MPa以上1.5MPa以下の範囲内、加熱温度を800℃以上850℃以下の範囲内、加熱温度での保持時間を10分以上90分以下の範囲内と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。 - 接合前の前記銅部材の圧延面における結晶粒のアスペクト比R0と、接合後の前記銅部材の圧延面における結晶粒のアスペクト比R1と、接合後の前記銅部材の圧延面における平均結晶粒径D1とが、以下の関係式RDを満足することを特徴とする請求項1に記載の銅/セラミックス接合体の製造方法。
関係式RD=D1×(R1/R0)≦500 - 前記銅部材におけるSの含有量が2massppm以上20massppm以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の銅/セラミックス接合体の製造方法。
- 前記銅部材におけるMg、Sr、Ba、Ti、Zr、Hf、Yの合計含有量が10massppm以下であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の銅/セラミックス接合体の製造方法。
- セラミックス基板の表面に銅板が接合されてなる絶縁回路基板の製造方法であって、
請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の銅/セラミックス接合体の製造方法により、前記セラミックス部材としてのセラミックス基板と、前記銅部材としての銅板とを接合することを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。 - 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、
前記銅部材は、Cuの純度が99.96mass%以上で残部が不可避不純物とされるとともに、Pの含有量が2massppm以下、かつ、Pb、Se及びTeの合計含有量が10massppm以下とされた組成とされ、
前記銅部材の断面において、EBSDによる銅の結晶方位マップを(001)面、(111)の面、(101)面に3等分したときの最大の面積率が45%以下とされており、
前記銅部材の断面において1mm2の視野内における粒界長が10mm以上30mm未満とされていることを特徴とする銅/セラミックス接合体。 - 前記銅部材の断面を電子後方散乱回折法で観察した結果、全粒界に対するΣ3粒界で代表される双晶粒界の割合が50%以下であることを特徴とする請求項6に記載の銅/セラミックス接合体。
- −45℃×30分保持及び250℃×30分保持の温度サイクル試験を実施後の前記銅部材の表面の算術平均粗さをRa1とし、温度サイクル試験を実施前の前記銅部材の表面の算術平均粗さをRa0としたとき、Ra1/Ra0が1.0以上1.8以下の範囲内であることを特徴とする請求項6又は請求項7に記載の銅/セラミックス接合体。
- セラミックス基板の表面に銅板が接合されてなる絶縁回路基板であって、
前記銅板は、Cuの純度が99.96mass%以上で残部が不可避不純物とされるとともに、Pの含有量が2massppm以下、かつ、Pb、Se及びTeの合計含有量が10massppm以下とされた組成とされ、
前記銅板の断面において、EBSDによる銅の結晶方位マップを(001)面、(111)の面、(101)面に3等分したときの最大の面積率が45%以下とされており、
前記銅板の断面において1mm2の視野内における粒界長が10mm以上30mm未満とされていることを特徴とする絶縁回路基板。 - 前記銅板の断面を電子後方散乱回折法で観察した結果、Σ3粒界で代表される双晶粒界の割合が50%以下であることを特徴とする請求項9に記載の絶縁回路基板。
- −45℃×30分保持及び250℃×30分保持の温度サイクル試験を実施後の前記銅板の表面の算術平均粗さをRa1とし、温度サイクル試験を実施前の前記銅板の表面の算術平均粗さをRa0としたとき、Ra1/Ra0が1.0以上1.8以下の範囲内であることを特徴とする請求項9又は請求項10に記載の絶縁回路基板。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2019017893 | 2019-02-04 | ||
JP2019017893 | 2019-02-04 | ||
PCT/JP2020/004089 WO2020162445A1 (ja) | 2019-02-04 | 2020-02-04 | 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、銅/セラミックス接合体、及び、絶縁回路基板 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP6828856B2 JP6828856B2 (ja) | 2021-02-10 |
JPWO2020162445A1 true JPWO2020162445A1 (ja) | 2021-02-18 |
Family
ID=71947356
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2020543647A Active JP6828856B2 (ja) | 2019-02-04 | 2020-02-04 | 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、銅/セラミックス接合体、及び、絶縁回路基板 |
Country Status (6)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US11939270B2 (ja) |
EP (1) | EP3922391B1 (ja) |
JP (1) | JP6828856B2 (ja) |
KR (1) | KR20210123305A (ja) |
CN (1) | CN113348046B (ja) |
WO (1) | WO2020162445A1 (ja) |
Families Citing this family (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP6870767B2 (ja) * | 2019-09-02 | 2021-05-12 | 三菱マテリアル株式会社 | 銅/セラミックス接合体、及び、絶縁回路基板 |
WO2021145148A1 (ja) * | 2020-01-15 | 2021-07-22 | 古河電気工業株式会社 | 銅板材およびその製造方法、ならびに銅板材付き絶縁基板 |
DE102020213729A1 (de) * | 2020-11-02 | 2022-05-05 | Aurubis Stolberg Gmbh & Co. Kg | Kupfer-Keramik-Substrat |
JP7444324B2 (ja) | 2022-07-29 | 2024-03-06 | 三菱マテリアル株式会社 | 純銅材、絶縁基板、電子デバイス |
WO2024024899A1 (ja) * | 2022-07-29 | 2024-02-01 | 三菱マテリアル株式会社 | 純銅材、絶縁基板、電子デバイス |
CN116924823B (zh) * | 2023-09-15 | 2023-12-12 | 江苏固家智能科技有限公司 | 陶瓷基板与铜箔无尘复合仓 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH04187577A (ja) * | 1990-11-20 | 1992-07-06 | Kawasaki Steel Corp | 銅板とセラミックス板の接合方法 |
JP2013041913A (ja) * | 2011-08-12 | 2013-02-28 | Mitsubishi Materials Corp | パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びパワーモジュール用基板の製造方法 |
JP2015092552A (ja) * | 2013-09-30 | 2015-05-14 | 三菱マテリアル株式会社 | Cu/セラミックス接合体、Cu/セラミックス接合体の製造方法、及び、パワーモジュール用基板 |
JP2017075382A (ja) * | 2015-10-16 | 2017-04-20 | 株式会社Shカッパープロダクツ | 無酸素銅板、無酸素銅板の製造方法およびセラミック配線基板 |
Family Cites Families (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH04162756A (ja) | 1990-10-26 | 1992-06-08 | Toshiba Corp | 半導体モジュール |
JPH062058A (ja) | 1992-06-23 | 1994-01-11 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 結晶粒成長抑制無酸素銅 |
JP3211856B2 (ja) | 1994-11-02 | 2001-09-25 | 電気化学工業株式会社 | 回路基板 |
JP4129166B2 (ja) | 2002-10-29 | 2008-08-06 | 京セラ株式会社 | 電解銅箔、電解銅箔付きフィルム及び多層配線基板と、その製造方法 |
TWI575680B (zh) | 2011-08-12 | 2017-03-21 | 三菱綜合材料股份有限公司 | 功率模組用基板、附有散熱片功率模組用基板、功率模組及功率模組用基板之製造方法 |
JP6415297B2 (ja) * | 2014-12-16 | 2018-10-31 | Ngkエレクトロデバイス株式会社 | 銅張セラミックス回路基板、これを搭載した電子機器、及び銅張セラミックス回路基板の製造方法 |
WO2016111207A1 (ja) * | 2015-01-07 | 2016-07-14 | 新日鉄住金マテリアルズ株式会社 | 放熱基板 |
DE202016008371U1 (de) | 2016-02-26 | 2017-09-11 | Heraeus Deutschland GmbH & Co. KG | Kupfer-Keramik-Verbund |
JP3211856U (ja) | 2017-05-09 | 2017-08-10 | 株式会社アイエスピー | メジャー付きタオル |
KR102104252B1 (ko) | 2017-06-07 | 2020-04-24 | 가부시키가이샤 에스에이치 카퍼프로덕츠 | 무산소동판 및 세라믹스 배선기판 |
JP2019017893A (ja) | 2017-07-21 | 2019-02-07 | 豊丸産業株式会社 | 遊技機 |
WO2020138283A1 (ja) * | 2018-12-28 | 2020-07-02 | デンカ株式会社 | セラミックス-銅複合体、セラミックス回路基板、パワーモジュール及びセラミックス-銅複合体の製造方法 |
-
2020
- 2020-02-04 JP JP2020543647A patent/JP6828856B2/ja active Active
- 2020-02-04 EP EP20752718.5A patent/EP3922391B1/en active Active
- 2020-02-04 KR KR1020217022654A patent/KR20210123305A/ko active Search and Examination
- 2020-02-04 US US17/418,384 patent/US11939270B2/en active Active
- 2020-02-04 WO PCT/JP2020/004089 patent/WO2020162445A1/ja unknown
- 2020-02-04 CN CN202080009874.7A patent/CN113348046B/zh active Active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH04187577A (ja) * | 1990-11-20 | 1992-07-06 | Kawasaki Steel Corp | 銅板とセラミックス板の接合方法 |
JP2013041913A (ja) * | 2011-08-12 | 2013-02-28 | Mitsubishi Materials Corp | パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール及びパワーモジュール用基板の製造方法 |
JP2015092552A (ja) * | 2013-09-30 | 2015-05-14 | 三菱マテリアル株式会社 | Cu/セラミックス接合体、Cu/セラミックス接合体の製造方法、及び、パワーモジュール用基板 |
JP2017075382A (ja) * | 2015-10-16 | 2017-04-20 | 株式会社Shカッパープロダクツ | 無酸素銅板、無酸素銅板の製造方法およびセラミック配線基板 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US20220064074A1 (en) | 2022-03-03 |
WO2020162445A1 (ja) | 2020-08-13 |
EP3922391A4 (en) | 2022-11-02 |
US11939270B2 (en) | 2024-03-26 |
EP3922391B1 (en) | 2023-09-20 |
JP6828856B2 (ja) | 2021-02-10 |
EP3922391A1 (en) | 2021-12-15 |
KR20210123305A (ko) | 2021-10-13 |
CN113348046B (zh) | 2022-10-04 |
CN113348046A (zh) | 2021-09-03 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6828856B2 (ja) | 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、銅/セラミックス接合体、及び、絶縁回路基板 | |
CN110383468B (zh) | 带散热片的功率模块用基板 | |
CN105027277B (zh) | 功率模块用基板的制造方法 | |
US10199237B2 (en) | Method for manufacturing bonded body and method for manufacturing power-module substrate | |
KR102422607B1 (ko) | 접합체, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 히트 싱크, 및 접합체의 제조 방법, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법, 히트 싱크의 제조 방법 | |
US9101063B2 (en) | Power module substrate, power module, and method for manufacturing power module substrate | |
JP5991103B2 (ja) | ヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール、及びヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法 | |
US20200365475A1 (en) | Bonded body of copper and ceramic, insulating circuit substrate, bonded body of copper and ceramic production method, and insulating circuit substrate production method | |
JP6446011B2 (ja) | 放熱部品用銅合金板及び放熱部品 | |
WO2021124923A1 (ja) | 銅/セラミックス接合体、及び、絶縁回路基板 | |
WO2003046981A1 (en) | Module structure and module comprising it | |
CN110383469B (zh) | 带散热片的功率模块用基板 | |
TWI813593B (zh) | 接合體及絕緣電路基板 | |
JP7124633B2 (ja) | 接合体、及び、絶縁回路基板 | |
JP6939973B2 (ja) | 銅/セラミックス接合体、及び、絶縁回路基板 | |
WO2016111206A1 (ja) | 放熱基板 | |
WO2021044844A1 (ja) | 銅/セラミックス接合体、及び、絶縁回路基板 | |
JP2018162518A (ja) | ベーパーチャンバー用銅合金板及びベーパーチャンバー | |
JP2008147309A (ja) | セラミックス基板およびこれを用いた半導体モジュール | |
JP2023086688A (ja) | 銅/セラミックス接合体、および、絶縁回路基板 | |
JP4057436B2 (ja) | 銅基合金およびその銅基合金を使用する放熱板用材料 | |
JP2017188675A (ja) | 放熱基板 | |
WO2023106226A1 (ja) | 銅/セラミックス接合体、および、絶縁回路基板 | |
JP2022108546A (ja) | 銅/セラミックス接合体、および、絶縁回路基板 | |
JP2021153180A (ja) | 絶縁回路基板 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20200814 |
|
A871 | Explanation of circumstances concerning accelerated examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A871 Effective date: 20200814 |
|
A975 | Report on accelerated examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971005 Effective date: 20200909 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20201020 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20201113 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20201222 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20210104 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6828856 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R157 | Certificate of patent or utility model (correction) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R157 |