TW201942092A - 陶瓷－金屬接合體之製造方法、製造裝置及陶瓷－金屬接合體 - Google Patents

陶瓷－金屬接合體之製造方法、製造裝置及陶瓷－金屬接合體 Download PDF

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Abstract

具有：接合工程，其係藉由一對加壓板挾持在陶瓷母材之表面隔著Cu-P系填料疊層由銅或銅合金形成的金屬板而構成的疊層體並予以加熱，在陶瓷母板之兩面接合金屬板而形成金屬層，和蝕刻工程，其係沿著切割線蝕刻疊層體而將金屬層分離成藉由切割線包圍的每個區域，在加壓板之加壓面，沿著形成加壓板之一個角部的兩邊，並且在於挾持疊層體之時避開切割線之正上方的位置，設置複數從疊層體之表面間隔開之特定寬度的排洩面，在接合工程中，在疊層體之表面和複數排洩面之間形成焊材滯留空間。依此，提供可以抑制焊材在疊層體之切割線之正上方固化的陶瓷-金屬接合體體之製造方法、製造裝置及陶瓷-金屬接合體。

Description

陶瓷-金屬接合體之製造方法、製造裝置及陶瓷-金屬接合體
本發明係關於在陶瓷母材之表面接合由銅或銅合金形成的金屬層之陶瓷-金屬接合體之製造方法、製造裝置及藉由被個片化成為複數陶瓷電路基板的陶瓷-金屬接合體。本申請案係根據2018年1月24日在日本申請的特願2018-009276號，主張優先權，在此援用其內容。
以往，作為熱電元件或LED元件之配線基板，提案有將在陶瓷板之表面接合金屬層之陶瓷-金屬接合體予以個片化，且使用陶瓷電路基板。在該陶瓷-金屬接合體中，陶瓷板和構成金屬層之金屬板的接合，係使用填料而進行。
例如，以一對加壓板挾持陶瓷板及金屬板之疊層體，在加壓板間一面對疊層方向加壓，一面進行加熱。藉由加熱熔融的填料之剩餘份，從被疊層之陶瓷基板和金屬板之間被擠出而附著在其端面等，結塊成朝疊層體之面方向及疊層方向突出的結節狀，形成所謂的焊瘤。藉由如此之填料被接合的疊層體，雖然在形成用以蝕刻之遮罩之時，被定位在定位治具，但是當形成焊瘤時，無法正確地定位疊層體。
作為抑制如此在疊層體之端面形成焊瘤的技術，所知的有例如專利文獻1所載的功率模組用基板之製造方法。在該製造方法中，係在一對加壓板間加熱疊層體而在陶瓷基板之表面硬焊接金屬板的接合工程中，於挾持疊層體之一對加工板之至少一個表面，設置沿著形成一個角部之兩邊而從疊層體之表面間隔開的特定寬度的排洩面，在疊層體之表面和排洩面之間，形成焊材滯留空間，使熔融的焊材流入至焊材滯留空間，依此防止在疊層體之端面形成焊瘤。
如專利文獻2所載般，在使用填料接合陶瓷基板及金屬板，而使此予以個片化之情況，事先在陶瓷基板設置切割線，於在陶瓷基板硬焊接金屬板之後，進行蝕刻。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
專利文獻1：日本特開2011-29320號公報
專利文獻2：日本特開2015-185606號公報
[發明所欲解決之課題]
在專利文獻1所載之功率模組之製造方法中，當將在形成有切割線之陶瓷基板之表面隔著填料配置金屬板之疊層體，藉由在其周緣形成有排洩面之一對加壓板予以挾持並予以加熱時，流出至疊層體之外側的填料，流入至被形成在金屬板和加壓板之間的焊材滯留空間，且固化。
在此情況，當使用銅或銅合金作為金屬層，使用Cu-P系填料作為填料時，由於填料之蝕刻率低於由銅或銅合金形成的金屬層之蝕刻率，故填料之蝕刻速度慢，即使金屬層被蝕刻而被分離成各個，亦在僅填料不被蝕刻之狀態容易殘留在焊材滯留空間。當殘留在焊材滯留空間之填料被配置在切割線之正上方之狀態時，難以藉由切割線分割陶瓷基板。
本發明係鑒於如此之情況而創作出，其目的為提供可以抑制焊材在由形成有切割線之陶瓷母材及金屬層構成的疊層體之切割線之正上方固化之情形的陶瓷-金屬接合體之製造方法、製造裝置及陶瓷-金屬接合體。

[用以解決課題之手段]
本發明之陶瓷-金屬接合體之製造方法之特徵在於，具有：接合工程，其係藉由一對加壓板挾持在具有用以分割成複數陶瓷基板之一條以上的切割線之陶瓷母材之表面，隔著Cu-P系填料疊層由銅或銅合金形成的金屬板而構成的疊層體並予以加熱，在上述陶瓷母板之上述表面接合上述金屬板而形成金屬層；和蝕刻工程，其係沿著上述切割線蝕刻上述疊層體而將上述金屬層分離成藉由上述切割線包圍的每個區域，在上述加壓板之加壓面，沿著形成上述加壓板之一個角部的兩邊，並且在於挾持上述疊層體之時避開上述切割線之正上方的位置，設置複數從上述疊層體之表面間隔開之特定寬度的排洩面，在上述接合工程中，在上述疊層體之上述表面和複數上述排洩面之間形成複數焊材滯留空間。
在本發明中，因排洩面分別避開切割線之正上方而設置，即是不在形成有切割線之區域形成排洩面，故不在切割線之正上方形成焊材滯留空間。因此，因在接合工程熔融的焊材沿著疊層體之側面而在避開切割線之正上方的焊材滯留空間固化，故除了可以抑制在疊層體之側面形成焊瘤之外，亦可以抑制焊材在切割線之正上方固化的情形，可以將疊層體予以適當地個片化。
本發明之陶瓷-金屬接合體之製造裝置係在形成有用以製造在用以分割複數陶瓷基板之一條以上之切割線的陶瓷母材之表面，藉由Cu-P系填料硬焊接由銅或銅合金形成之金屬板而構成的陶瓷-金屬接合體的裝置，其特徵在於，具有一對加壓板，其係在疊層方向挾持上述陶瓷母材之上述表面隔著上述Cu-P系填料而疊層上述金屬板的疊層體，在上述加壓板之加壓面，沿著形成上述加壓板之一個角部的兩邊，並且在避開上述切割線之正上方的位置，設置複數挾持上述疊層體之時從上述疊層體之表面間隔開之特定寬度的排洩面，在上述疊層體之上述表面和複數上述排洩面之間形成複數焊材滯留空間。
本發明之陶瓷-金屬接合體具備：陶瓷母材，其係用以分割成複數陶瓷基板之一條以上的切割線；和由銅或銅合金形成的金屬層，其係藉由Cu-P系填料被接合在上述陶瓷母材之表面，在上述金屬層與上述陶瓷母材之接合面相反側之面，沿著形成一個角部之兩邊，且在避開上述切割線之正上方之位置，附著上述Cu-P系填料融熔後固化的焊材。
在本發明中，因焊材在切割線之正上方不固化，故可以沿著切割線，將陶瓷-金屬接合體適當地予以個片化。

[發明效果]
若藉由本發明時，可以抑制焊材在由形成有切割線之陶瓷母材及金屬層構成的疊層體之切割線之正上方固化。
以下針對本發明之一實施型態使用圖面等進行說明。
[陶瓷-金屬接合體之構成]
圖1為表示藉由被施予固片化，成為複數功率模組用基板100(參照圖5)的陶瓷-金屬接合體10的剖面圖。
陶瓷-金屬接合體10係在略矩形之陶瓷母材20之兩表面，硬焊接略矩形之金屬板30。沿著角部(定位角部)11之兩邊，從端面11a、11b至表面(與陶瓷母材20之接合面相反側之金屬板30的表面)形成焊痕43，並且在相反側之角部12的端面12a、12b形成焊瘤(省略圖示)。該些位於表面的焊痕43各不形成在被形成於後述陶瓷母材20的切割線22之正上方。
在此，焊痕係填料40熔融之後固化者，厚度為0.1mm以下，稱為凹凸小的薄膜狀之附著物，焊瘤稱為部分性地突出之厚度1mm以上之結節狀的附著物。
陶瓷母材20在本實施型態中，係將AlN(氮化鋁)作為母材而形成的略矩形板。陶瓷母材20即使由例如AlN、Si3 N4 (氮化矽)等之氮化物系陶瓷，或是Al2 O3 （氧化鋁）等之氧化物系陶瓷形成亦可。
在陶瓷母材20之表面，形成切割線22。切割線22系藉由例如照射雷射光，線狀地除去陶瓷母材20之表面而被形成。切割線22係被形成在陶瓷母材20的溝部，係成為陶瓷母材20之分割的起點。切割線22係陶瓷材20之表面，如圖1之虛線及圖3之實線所示般，由在沿著端面11a之方向延伸的4條切割線，和在沿著端面11b之方向延伸的3條切割線形成。
被接合於陶瓷母材20，成為金屬層的金屬板30，藉由銅或銅合金被形成與陶瓷母材20略相同形狀。
接合陶瓷母材20和金屬板30之填料40(參照圖3)係略矩形箔狀，在本實施型態中，藉由Cu-P系合金形成。填料40除了例如Cu及P之外，即使含Ag或Sn亦可。
陶瓷-金屬接合體10係在仿真部10B設定中心部構成功率模組用基板100之製品部10A、包圍製品部10A的外周部。仿真部10B被形成最外側之切割線22和4個端面之間，被設定成特定寬度之框狀，在被使用於各製造工程中之操縱等之後，最終被去除。即是，一面把持仿真部10B而操縱陶瓷-金屬接合體10，一面在陶瓷-金屬接合體10形成特定電路圖案P(參照圖5)，進行分割成個片等之加工，依此形成功率模組用基板100。
於進行如此之加工時，使用不形成焊瘤之端面11a、11b，可以進行陶瓷-金屬接合體10之定位。此時，焊痕43為極薄的平坦附著物，因不妨礙陶瓷-金屬接合體10之定位，故無須除去。
另外，由於沿著形成定位角部11之對角線的角部12之兩邊的端面12a、12b不被利用於定位，故即使在該些端面12a、12b形成焊瘤，亦不需要除去。
[製造裝置之構成]
圖2為表示進行陶瓷-金屬接合體10之接合工程的製造裝置70之圖示。
製造裝置70具有在疊層方向挾著在陶瓷母材20之兩面隔著填料40而疊層金屬板30之疊層體50，一面加熱一面加壓的複數加壓板60，和保持加壓板60及保持疊層體50之4條剖面L字狀的支柱71a、71b、71c、71d。加壓板60係藉由使定位角部61扺接於支柱71a，進行定位。
具體而言，加壓板60係藉由形成定位角部61之兩個端面61a、61b之中，使端面61a抵接於略L字狀之支柱71a、71b之內側之面，並且使端面61b抵接於略L字狀之支柱71a、71b之內側之面，而被定位。
在製造裝置70中，藉由交互疊層複數加壓板60和疊層體50，同時製造複數陶瓷-金屬接合體10。作為加壓板60，可以使用平面度及熱傳導性優異的例如碳板。在將碳板般之多孔質材當作加壓板60使用之情況，以藉由填料40熔融產生的熔融焊材滲入的材料為佳。
在如此之製造裝置70中，各陶瓷母材20係使用定位角部21被定位成形成定位角部21之兩個端面21a、21b之中，使端部21a扺接於支柱71a、71b，並且使端面21b抵接於支柱71a、71d。同樣，各金屬板30係使用定位角部31被定位成使形成定位角部31之端面31a抵接於支柱71a、71b，並且使端面31b扺接於支柱71a、71d。
各填料40亦使用定位角部41被定位成使形成定位角部41之端面41a抵接於支柱71a、71b，並且使端面41b扺接於支柱71a、71d。
即是，在各疊層體50中，各構件被疊層成各端面21a、31a、41a與加壓板60之端面61a重疊，並且各端面21b、31b、41b與加壓板60之端面61b重疊。
在本實施型態中，各定位角部21、31、41、61之定位，由於抵接於上述各端面之各支柱71a、71b、71d之各面之寬度尺寸小，故使用3個支柱71a、71b、71d，以使各邊之端面分別在兩處抵接，但是，例如抵接於上述各端面之支柱71a之面的寬度尺寸若為可以形成定位角部21、31、41、61之上述各端面之每個皆可以確實地定位之程度的寬度時，亦可以僅以支柱71a進行定位。
加壓板60之面積被設定成大於疊層體50(陶瓷母材20、金屬板30、填料40)之面積。因此，在疊層體50，不被使用於定位之各端面位於較加壓板60之各端面更內側。
在各加壓板60之表面，如圖3及圖4所示般，沿著形成定位角部61之兩個端面61a、61b，設置複數從疊層體50間隔開之特定寬度的排洩面63。具體而言，在加壓板60之端面61a側之表面，隔著特定間隔L4，形成兩個排洩面63，在加壓板60之端面61b側之表面，彼此隔著特定間隔L4形成三個排洩面63。該些排洩面63被形成在避開形成於陶瓷母材20之切割線22 正上方的位置。即是，各排洩面63被形成不與切割線22重疊。
各排洩面63係比陶瓷-金屬接合體10之仿真部10B之寬度稍微小的寬度，藉由例如形成加壓板60之板厚之5～20%之深度的凹部的段差加工而被設置。藉由疊層體50和加壓板60被疊層，在排洩面63和疊層體50之仿真部10B之表面之間，形成焊材滯留空間52。
例如，在本實施型態中，金屬板30之厚度被設定成0.6mm，陶瓷母材20之厚度被設定成0.635mm，加壓板60之厚度被設定成1mm，加壓板60之排洩面63係以寬度L2為2mm以上4mm以下，深度L3為0.05mm以上2.0mm以下之大小而被設置。特定間隔L4被設定成1mm以上2mm以下。
[陶瓷-金屬接合體之製造方法]
使用製造裝置70，藉由在一對加壓板60間，加熱疊層陶瓷母材20、金屬板30及和填料40而構成的疊層體50，進行將金屬板30接合於陶瓷母材20之表面的接合工程。此時，熔融而接合陶瓷母材20和金屬板30之填料40之剩餘份，如圖4中箭號A所示般，從陶瓷母材20和金屬板30之間被擠出，通過各端面21b、31b而流入至焊材滯留空間52。
依此，在焊材滯留空間52，因應剩餘焊材之量而形成厚度小的焊痕43。如此一來，藉由焊材滯留空間52引進剩餘焊材，在各端面21a、21b、31a、31b不形成焊瘤。因在陶瓷-金屬接合體10之切割線22之正上方未形成焊材滯留空間52，故在切割線22之正上方，不形成焊痕43。
對於如此製造出之陶瓷-金屬接合體10，一面使用未形成焊瘤之角部11之各端面11a、11b(各端面21a、21b、31a、31b)而定位，一面在金屬板30(金屬層)之表面，印刷遮罩之後，進行施予蝕刻的蝕刻工程。遮罩係被設置成在各切割線22之正上方將金屬板30分離成各個，並且因應所需而形成電路圖案。而且，於蝕刻後，沿著切割線22分割陶瓷-金屬接合體10之陶瓷母材20。
當在陶瓷-金屬接合體10(金屬板30)中之切割線22之正上方形成焊痕43時，因焊痕43之蝕刻率低於由銅或銅合金形成的金屬板30之蝕刻率，故焊痕43之蝕刻速度慢，有即使金屬板30被蝕刻而分離成各個，亦在僅焊痕43不被蝕刻之狀態殘留於切割線22之正上方之虞。
對此，在本實施型態中，因焊痕43未形成在切割線22之正上方，故沿著切割線22而將陶瓷-金屬接合體10確實地分離成各個。依此，可以製造在正確位置形成如圖5所示之期待的電路圖案P等的功率模組用基板100。
[功率模組之構成]
圖5為表示使用功率用基板100之功率模組110的剖面圖。
對功率模組用基板100，藉由進行冷卻器113之接合、電子零件111之軟焊接，進行導線接合等，形成功率模組110。功率模組110係由功率模組用基板100、被搭載在功率模組用基板100之表面的半導晶片等之電子零件111，和被接合於功率模組用基板100之背面的冷卻器113構成。冷卻器113和功率模組用基板100之間，藉由硬焊接、軟焊接、螺桿等被接合。
如上述說明般，由於可以防止在功率模組用基板之陶瓷-金屬接合體之端面形成焊瘤，故可以使後工程的定位變得容易。因可以抑制熔融的焊材在切割線之正上方固化(形成焊痕)，故可以沿著切割線確實地分割陶瓷-金屬接合體。
[實施型態之變形]
本發明並不限定於上述實施型態之構成，在細部構成中，可以在不脫離本發明之主旨的範圍下加入各種變更。
例如，在上述實施型態中，如圖所示般，雖然組合在兩面形成有排洩面63之加壓板60和僅在單面形成有排洩面63之加壓板60而加以使用，但是並不限定於此，即使僅組合在加壓板60之單面形成排洩面63之加壓板60而加以使用亦可。在此情況，如圖3所示般，藉由排洩面63面對面之一對加壓板60，重疊挾持疊層體50後之複數組而進行接合工程。

[實施例]
藉由一對加壓板，挾持在以AlN(氮化鋁)作為母材而形成的164.9mm×76.9mm之略矩形陶瓷母材之兩面隔著Cu-P系填料而疊層由銅合金形成之金屬板的疊層體，在加壓之狀態進行加熱，製造出陶瓷-金屬接合體。陶瓷-金屬接合體係針對表1所示之實施例1～8及比較例1之各條件，製造各10個。
具體而言，一面配合在表1所示的條件而變更Cu-P填料金屬箔之厚度L1、碳製之加壓板中的排洩面之寬度L2、排洩面之深度L3及排洩面間之寬度(上述特定間隔L4)，一面針對每個條件製造10個陶瓷-金屬接合體，且針對焊材是否會在切割線之正上方固化進行評估的實驗。針對取得的實施例1～8及比較例1之樣本，一面參照表1一面進行說明。
在實施例1～8中，在陶瓷母材形成在縱方向延伸之4條的切割線，和在橫方向延伸的兩條切割線。在加壓板之逃洩面沿著形成定位角部的兩邊，並且避開切割線之正上方，在橫方向形成3個，在縱方向形成一個。即是，在實施例1～8中，為了避開切割線之正上方，分割排洩面。
另外，在比較例1中，以包圍陶瓷母材之周圍之方式，形成有排洩面。即是，在比較例1中，排洩面連續，如實施例1～8般不分割，被形成在切割線的正上方。
(評估)
觀察在表1所示之各條件下被製造的10個陶瓷-金屬接合體，將發現有焊材在被形成於陶瓷母材之切割線之正上方固化之處的情況判斷成「不良」，將無發現有焊材在切割線之正上方固化之處的情況判定成「良好」。此時，將10個所有的陶瓷-金屬接合體中，判斷成「良好」之情況判定成「A」，將判定成「不良」之數量為5個以下，並且將固化之焊材的厚度為0.1mm(不會影響到切割線之分割的厚度)以下之情況判定成「B」，將10個所有的陶瓷-金屬接合體中，判斷成「不良」之情況判定成「C」。
沿著形成加壓板之定位角部，並且避開切割線之正上方而形成有排洩面之實施例1～8中之任一者的評估皆為「B」以上。尤其，實施例1～5中之任一者皆為「A」，在所有的陶瓷-金屬接合體中，無發現到焊材在切割線之正上方固化之處。
排洩面之寬度L2及排洩面之高度L3影響到滯留剩餘填料之滯留空間的體積，並且值越大越可以防止填料朝切割線上侵入。即是，在實施例1、3～5中，因該些寬度L2及高度L3之值大，焊材滯留空間之體積大，故評估為「A」。雖然實施例2比起實施例1、3～5，寬度L2及高度L3之值小，但是填料金屬箔之厚度L1為其他實施例之一半，故評估為「A」。
實施例7及8中，因寬度L2及高度L3小，焊材滯留空間之體積小，故熔融焊材在切割線上擴散，在一部分的切割線之正上方固化，因此評估為「B」。
當排洩面間之寬度L4小時，熔融的焊材容易在切割線上擴散。即是，在實施例6中，雖然寬度L2及高度L3之值大，但是排洩面間之寬度L4小，故熔融焊材在切割線上擴散，在一部分的切割線之正上方固化，因此評估為「B」。
在比較例1中，因排洩面不被分割，即是排洩面被形成在切割線之正上方，故在所有的陶瓷-金屬接合體中，發現有焊材在切割線之正上方固化之處，評估為「C」。

[產業上之利用可行性]
可以抑制焊材在由形成有切割線之陶瓷母材及金屬層構成的疊層體之切割線之正上方固化的情形。
10‧‧‧陶瓷-金屬接合體
10A‧‧‧製品部
10B‧‧‧仿真部
11‧‧‧角部(定位角部)
11a、11b‧‧‧端面
20‧‧‧陶瓷母材
21‧‧‧定位角部
21a、21b‧‧‧端面
22‧‧‧切割線
30‧‧‧金屬板
31‧‧‧定位角部
31a、31b‧‧‧端面
40‧‧‧填料
41‧‧‧定位角部
41a、41b‧‧‧端面
43‧‧‧焊痕
50‧‧‧疊層體
52‧‧‧焊材滯留空間
60‧‧‧加壓板
61‧‧‧定位角部
61a、61b‧‧‧端面
63‧‧‧排洩面
70‧‧‧製造裝置
71a、71b、71c、71d‧‧‧支柱
100‧‧‧功率模組用基板
110‧‧‧功率模組
111‧‧‧電子零件
112‧‧‧軟焊材
113‧‧‧冷卻器
113a‧‧‧流路
P‧‧‧電路圖案
圖1為表示與本發明之一實施型態有關之陶瓷-金屬接合體的斜視圖。
圖2為表示圖1所示之陶瓷-金屬接合體之製造裝置之重要部位的斜視圖。
圖3為表示圖1所示之陶瓷-金屬接合體之製造方法的斜視圖。
圖4為沿著圖2之C-C線的部分剖面圖。
圖5為表示功率模組之全體構成例的縱剖面圖。

Claims (3)

  1. 一種陶瓷-金屬接合體之製造方法，其特徵在於，具有： 接合工程，其係藉由一對加壓板挾持在具有用以分割成複數陶瓷基板之一條以上的切割線之陶瓷母材之表面，隔著Cu-P系填料疊層由銅或銅合金形成的金屬板而構成的疊層體並予以加熱，在上述陶瓷母板之上述表面接合上述金屬板而形成金屬層；和 蝕刻工程，其係沿著上述切割線蝕刻上述疊層體而將上述金屬層分離成藉由上述切割線包圍的每個區域， 在上述加壓板之加壓面，沿著形成上述加壓板之一個角部的兩邊，並且在於挾持上述疊層體之時避開上述切割線之正上方的位置，設置複數從上述疊層體之表面間隔開之特定寬度的排洩面，在上述接合工程中，在上述疊層體之上述表面和複數上述排洩面之間形成複數焊材滯留空間。
  2. 一種陶瓷-金屬接合體之製造裝置，其係在形成有用以製造在用以分割複數陶瓷基板之一條以上之切割線的陶瓷母材之表面，藉由Cu-P系填料硬焊接由銅或銅合金形成之金屬板而構成的陶瓷-金屬接合體的裝置，其特徵在於，具有 一對加壓板，其係在疊層方向挾持上述陶瓷母材之上述表面隔著上述Cu-P系填料而疊層上述金屬板的疊層體， 在上述加壓板之加壓面，沿著形成上述加壓板之一個角部的兩邊，並且在避開上述切割線之正上方的位置，設置複數挾持上述疊層體之時與上述疊層體之表面間隔開之特定寬度的排洩面，在上述疊層體之上述表面和複數上述排洩面之間形成複數焊材滯留空間。
  3. 一種陶瓷-金屬接合體，其特徵在於，具備： 陶瓷母材，其具有用以分割成複數陶瓷基板之一條以上的切割線；和 由銅或銅合金形成的金屬層，其係藉由Cu-P系填料被接合在上述陶瓷母材之表面， 在上述金屬層與上述陶瓷母材之接合面相反側之面，沿著形成一個角部之兩邊，且在避開上述切割線之正上方之位置，附著上述Cu-P系填料融熔後固化的焊材。
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