WO2018135499A1 - セラミックス回路基板の製造方法 - Google Patents

セラミックス回路基板の製造方法 Download PDF

Info

Publication number
WO2018135499A1
WO2018135499A1 PCT/JP2018/001054 JP2018001054W WO2018135499A1 WO 2018135499 A1 WO2018135499 A1 WO 2018135499A1 JP 2018001054 W JP2018001054 W JP 2018001054W WO 2018135499 A1 WO2018135499 A1 WO 2018135499A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
metal layer
aluminum
metal
ceramic substrate
powder
Prior art date
Application number
PCT/JP2018/001054
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
和彦 榊
篤士 酒井
山田　鈴弥
佳孝 谷口
Original Assignee
国立大学法人信州大学
デンカ株式会社
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 国立大学法人信州大学, デンカ株式会社 filed Critical 国立大学法人信州大学
Priority to US16/477,581 priority Critical patent/US20190364667A1/en
Priority to JP2018563344A priority patent/JP6991516B2/ja
Priority to CN201880006590.5A priority patent/CN110168140B/zh
Priority to EP18741325.7A priority patent/EP3572555B1/en
Publication of WO2018135499A1 publication Critical patent/WO2018135499A1/ja

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/02—Coating starting from inorganic powder by application of pressure only
    • C23C24/04—Impact or kinetic deposition of particles
    • 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
    • H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/10—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern
    • H05K3/14—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern using spraying techniques to apply the conductive material, e.g. vapour evaporation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/08—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/08—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
    • C23C24/082—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat without intermediate formation of a liquid in the layer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/08—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
    • C23C24/082—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat without intermediate formation of a liquid in the layer
    • C23C24/085—Coating with metallic material, i.e. metals or metal alloys, optionally comprising hard particles, e.g. oxides, carbides or nitrides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/08—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
    • C23C24/082—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat without intermediate formation of a liquid in the layer
    • C23C24/085—Coating with metallic material, i.e. metals or metal alloys, optionally comprising hard particles, e.g. oxides, carbides or nitrides
    • C23C24/087—Coating with metal alloys or metal elements only
    • 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
    • H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/10—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern
    • 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
    • H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/38—Improvement of the adhesion between the insulating substrate and the metal
    • H05K3/381—Improvement of the adhesion between the insulating substrate and the metal by special treatment of the substrate
    • 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
    • H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/38—Improvement of the adhesion between the insulating substrate and the metal
    • H05K3/382—Improvement of the adhesion between the insulating substrate and the metal by special treatment of the metal
    • 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
    • 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
    • H05K1/09—Use of materials for the conductive, e.g. metallic pattern
    • 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
    • H05K2203/00—Indexing scheme relating to apparatus or processes for manufacturing printed circuits covered by H05K3/00
    • H05K2203/08—Treatments involving gases
    • H05K2203/086—Using an inert gas

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a ceramic circuit board.
  • ceramic circuit boards having a ceramic base material such as alumina and conductive circuit layers formed on the front and back surfaces thereof have been put into practical use. Copper is a common circuit material for ceramic circuit boards.
  • the molten metal method uses a lot of cost for equipment and its maintenance. Moreover, since the brazing method involves pressurization at a high temperature, it is difficult to increase productivity.
  • An object of the present invention is to provide a method by which a ceramic circuit board having a metal layer containing aluminum and / or an aluminum alloy as a main component and having high adhesion to a ceramic substrate can be efficiently manufactured with simple equipment.
  • One aspect of the present invention relates to a method of manufacturing a ceramic circuit board comprising a ceramic substrate and a metal layer formed on the ceramic substrate and containing aluminum and / or an aluminum alloy.
  • the metal powder is heated to 10 to 270 ° C. and accelerated to a speed of 250 to 1050 m / s and then sprayed to form a metal layer in contact with the ceramic substrate, Heating the metal layer formed on the ceramic substrate in an inert gas atmosphere.
  • the metal powder includes at least one of aluminum particles or aluminum alloy particles.
  • a ceramic circuit board having a metal layer mainly composed of aluminum and / or an aluminum alloy and having high adhesion to a ceramic base material can be efficiently manufactured with simple equipment.
  • a method of forming a metal layer by spraying a metal powder in a solid phase at a high speed can be referred to as a cold spray method.
  • the layer can be formed efficiently with simple equipment.
  • an aluminum circuit board is obtained by joining a metal layer mainly composed of aluminum or an aluminum alloy and a ceramic base material without necessarily requiring molten aluminum and a brazing filler metal. Can be manufactured. Moreover, the metal layer which has a wiring pattern can be formed on a ceramic base material without using an etching by using a mask in the case of formation of a metal layer.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a ceramic circuit board to be manufactured.
  • a ceramic circuit board 100 shown in FIG. 1 includes a ceramic substrate 1 and metal layers 2a and 2b provided in contact with both surfaces thereof.
  • the metal layers 2a and 2b shown in FIG. 1 are each composed of a single metal layer 21a and 21b.
  • the metal layers 2a and 2b are layers formed by spraying heated metal powder onto the surface of a ceramic substrate, and often have a circuit pattern connected to a semiconductor element.
  • the metal layers 2a and 2b contain at least one of aluminum or aluminum alloy as a main component.
  • the “main component” means a component contained in a proportion of 90% by mass or more based on the total mass of the metal layers 2a and 2b. When a metal layer contains both aluminum and aluminum alloy, those total amounts should just be 90 mass% or more. The ratio of the main component may be 95% by mass or more.
  • the metal layer or the metal powder described later may contain a trace amount of inevitable impurities.
  • a metal powder composed of a plurality of metal particles is heated to 10 to 270 ° C. and accelerated to a speed of 250 to 1050 m / s and then sprayed onto the ceramic substrate.
  • a metal layer mainly composed of these is formed.
  • FIG. 2 is a schematic view showing an embodiment of a process for forming a metal layer on a ceramic substrate.
  • the metal layer 2 is formed on the ceramic substrate 1 by spraying metal powder onto the ceramic substrate 1 using the cold spray device 3.
  • the cold spray device 3 shown in FIG. 2 is mainly composed of a high-pressure gas cylinder 4, a heater 6, a powder supply device 7, a nozzle 10 of a wide and narrow spray gun, and piping connecting them.
  • a first pressure regulator 5a is provided on the downstream side of the plurality of high-pressure gas cylinders 4, and the piping branches into two circuits on the downstream side of the first pressure regulator 5a.
  • the second pressure regulator 5b and the heater 6, and the third pressure regulator 5c and the powder supply device 7 are connected to each of the branched two circuit pipes. Pipings from the heater 6 and the powder supply device 7 are connected to the nozzle 10.
  • the high-pressure gas cylinder 4 is filled with an inert gas used as a working gas at a pressure of 1 MPa or more, for example.
  • the inert gas can be, for example, a single gas of helium or nitrogen, or a mixed gas thereof.
  • the working gas OG supplied from the high pressure gas cylinder 4 is depressurized to 0.5-5 Ma, for example, by the second pressure regulator 5b on one circuit, and then heated by the heater 6, and then the nozzle of the spray gun. 10 is supplied.
  • the working gas OG is also supplied to the powder supply device 7 after being decompressed to 0.5 to 5 MPa, for example, by the third pressure regulator 5c on the other circuit.
  • a metal powder for film formation is supplied from the powder supply device 7 together with the working gas OG to the nozzle 10 of the spray gun.
  • the heating temperature by the heater 6 is usually set lower than the melting point or softening point of the metal powder to be formed.
  • the heater 6 can be arbitrarily selected from ordinary heating devices.
  • the working gas supplied to the nozzle 10 of the spray gun is compressed by passing through a tapered portion, and accelerated by expanding at a stretch in a divergent portion downstream thereof.
  • the metal powder is heated to a predetermined temperature and accelerated to a predetermined speed, and then ejected from the outlet of the nozzle 10.
  • the metal powder is heated to 10 to 270 ° C. and accelerated to a speed of 250 to 1050 m / s.
  • the temperature at which the metal powder is heated means the highest temperature reached by the metal powder.
  • the temperature of the inert gas at the inlet of the nozzle 10 can also be regarded as the temperature at which the metal powder is heated.
  • the term “heating” is used in a meaning including adjusting to a predetermined temperature of room temperature or lower.
  • the speed at which the metal powder is accelerated means the maximum speed at which the accelerated metal powder reaches.
  • the metal powder ejected from the nozzle 10 is sprayed on the surface of the ceramic substrate 1.
  • the metal powder is deposited while colliding with the surface of the ceramic substrate 1 in a solid state to form the metal layer 2.
  • the temperature of the metal powder can usually change in the nozzle 10 as the working gas expands.
  • the metal powder is mainly composed of aluminum particles and / or aluminum alloy particles. When these are heated to a temperature exceeding 270 ° C., the softened powder of aluminum particles or aluminum alloy particles may adhere to the inner wall of the nozzle 10, resulting in clogging of the nozzle and failure to form a metal layer. . Further, if the temperature of the metal powder is less than 10 ° C., the metal particles are not easily plastically deformed at the moment when the metal powder collides with the ceramic base material, so that film formation tends to be difficult. From the same viewpoint, the temperature at which the metal powder is heated may be 260 ° C. or lower, or 20 ° C. or higher.
  • the speed at which the accelerated metal powder reaches is less than 250 m / s, is it difficult to form a film because the metal powder is not sufficiently plastically deformed when the metal powder collides against the ceramic substrate?
  • the adhesion of the deposited metal layer tends to decrease.
  • the speed at which the accelerated metal powder reaches 1050 m / s when the metal powder collides with the ceramic substrate, the metal powder tends to be pulverized and scattered to make film formation difficult. From the same point of view, the speed at which the accelerated metal powder reaches may be 300 m / s or more, or 1000 m / s or less.
  • the metal particles in the metal powder may be spherical. Moreover, the variation in the particle size of the metal powder may be small.
  • the (average) particle size of the metal particles constituting the metal powder may be 10 to 70 ⁇ m, or 20 to 60 ⁇ m. When the particle size of the metal particles is less than 10 ⁇ m, the metal powder tends to clog the tapered portion of the nozzle. If the particle size of the metal particles exceeds 70 ⁇ m, it tends to be difficult to sufficiently increase the speed of the metal powder.
  • particle size means the maximum width of each particle. The particle diameter of a sufficient number of metal particles is measured, and the average particle diameter can be obtained from the result.
  • the metal powder may be aluminum particles or aluminum alloy particles containing other metal elements such as aluminum-magnesium alloy particles and aluminum-lithium alloy particles.
  • aluminum alloy particles containing a metal element having a higher oxygen affinity than aluminum such as magnesium and lithium are used, a metal element such as magnesium or lithium, and aluminum and ceramic substrates are used during heat treatment after film formation. There is a tendency for the oxide layer on the surface to react and to bond firmly.
  • the content of metal elements such as magnesium and lithium in the metal powder or metal particles is 6.0 with respect to the mass of the metal powder or metal particles. The mass% or less may be sufficient.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing another embodiment of the manufactured ceramic circuit board.
  • the metal layers 2a and 2b are respectively a first metal layer 22a and 22b in contact with the ceramic substrate, and a second metal layer formed on the first metal layer 22a and 22b. 23a and 23b.
  • the metal layer has the first metal layer and the second metal layer in this way, for example, by spraying aluminum alloy particles on the ceramic substrate, the first metal layer is formed on the ceramic substrate.
  • the metal layer can be formed by a method including forming the second metal layer on the first metal layer by spraying aluminum particles on the first metal layer.
  • the aluminum alloy particles for forming the first metal layer and the aluminum particles for forming the second metal layer may be heated to 10 to 270 ° C. and accelerated to a speed of 250 to 1050 m / s.
  • a metal layer having a pattern may be formed on the ceramic substrate by disposing a mask material covering a part of the surface of the ceramic substrate 1 on the ceramic substrate 1.
  • a metal layer having a desired pattern can be easily formed without requiring an additional step such as etching after film formation.
  • the method according to this embodiment is more advantageous than the molten metal method and the brazing method that require etching for pattern formation.
  • the thickness of the metal layer is not particularly limited, but may be, for example, 200 to 600 ⁇ m.
  • the thickness of the second metal layer may be smaller than the thickness of the first metal layer.
  • the first metal layer is used in order to reduce the effect of the stress generated at the interface between the ceramic substrate and the first metal layer on the heat cycle resistance.
  • the thickness may be 200 ⁇ m or less, or 100 ⁇ m or less.
  • the ceramic substrate and the metal layer may be heated to 400 to 600 ° C.
  • this heating temperature is 400 ° C. or higher, aluminum and the oxide layer on the surface of the ceramic substrate react to tend to bond the ceramic substrate and the metal layer more firmly.
  • the heating temperature is 600 ° C. or less, it is possible to reduce the influence caused by the softening of the metal layer.
  • the ceramic substrate can be selected from those having appropriate insulating properties.
  • the ceramic substrate may have high thermal conductivity.
  • Examples of the ceramic substrate include an aluminum nitride (AlN) substrate, a silicon nitride (Si 3 N 4 ) substrate, and aluminum oxide (Al 2 O 3 ).
  • the aluminum nitride base material may exhibit a three-point bending strength of 400 MPa or more and / or a thermal conductivity of 150 W / mK or more.
  • the silicon nitride base material may exhibit a three-point bending strength of 600 MPa or more and / or a thermal conductivity of 50 W / mK or more.
  • the size of the ceramic substrate 1 is arbitrarily set according to the application.
  • the thickness of the ceramic substrate 1 is not particularly limited, but may be 0.2 to 1.0 mm, for example. Each of these ceramic substrates can be obtained as a commercial product.
  • an aluminum nitride (AlN) substrate (size: 10 mm ⁇ 10 mm ⁇ 0.635 mmt, three-point bending strength: 500 MPa, thermal conductivity: 150 W / mK, purity: 95% or more )
  • silicon nitride (Si 3 N 4 ) base material (size: 10 mm ⁇ 10 mm ⁇ 0.635 mmt, three-point bending strength: 700 MPa, thermal conductivity: 70 W / mK, purity: 92% or more).
  • Example 1 A part of the surface of the aluminum nitride base material was masked with an iron mask material.
  • Film formation by the cold spray method was performed under the conditions of using nitrogen as the working gas, the temperature of the powder at 20 ° C., and the speed of the powder at 300 m / s.
  • the aluminum nitride base material on which the metal layer was formed was heat-treated at 500 ° C. for 3 hours in a nitrogen atmosphere.
  • test body shown in FIG. A test body 40 shown in FIG. 4A has a cylindrical stud pin 30 (material: aluminum, size: ⁇ 2.7 mm ⁇ 12.7 mm) via an epoxy adhesive 31 provided on one end thereof.
  • the test body 40 was prepared by placing the stud pin 30 on the metal layer 21 with the epoxy adhesive 31 interposed, and curing the epoxy adhesive 31 by heat treatment at 150 ° C. for 1 hour in that state.
  • Examples 2 to 6 A test specimen was obtained in the same manner as in Example 1 except that the temperature and speed of the aluminum powder in the ceramic substrate and cold spray were changed as shown in Table 1.
  • Example 7 A part of the surface of the silicon nitride substrate was masked with an iron mask material. There, aluminum-magnesium alloy powder (Gas atomized powder manufactured by High Purity Chemical Laboratory Co., Ltd., magnesium content: 3.0 mass%, impurities content other than aluminum and magnesium: 0.1 mass% or less, particle size: 45 ⁇ m
  • the first metal layer having a length of 3 mm, a width of 3 mm, and a thickness of 100 ⁇ m was formed by a cold spray method using the following. Film formation by the cold spray method was performed under the conditions of using nitrogen as the working gas, the temperature of the powder at 20 ° C., and the speed of the powder at 300 m / s.
  • the aluminum nitride base material on which the first metal layer and the second metal layer were formed was heat-treated at 500 ° C. for 3 hours in a nitrogen atmosphere.
  • test body 41 shown in FIG. 4B has a cylindrical stud pin 30 (material: aluminum, size: ⁇ 2.7 mm ⁇ 12.7 mm) via an epoxy adhesive 31 provided on one end thereof.
  • the first metal layer 22 and the second metal layer 23 on the ceramic substrate 1 are bonded to the metal layer 2.
  • the test body 41 is prepared by placing the stud pin 30 on the second metal layer 23 with the epoxy adhesive 31 interposed, and curing the epoxy adhesive 31 by heat treatment at 150 ° C. for 1 hour in that state. did.
  • Example 8 to 18 For adhesion strength measurement in the same manner as in Example 7, except that the ceramic base material, the metal powder for forming the first metal layer, and the temperature and speed of the powder in the cold spray were changed as shown in Table 1. The test body was obtained. In Examples 13 to 18, aluminum-magnesium alloy powder (Gas atomized powder manufactured by High Purity Chemical Laboratory Co., Ltd., magnesium content: 6.0% by mass, impurity content other than aluminum and magnesium: 0.1% by mass or less, Particle size: 45 ⁇ m or less) was used for forming the first metal layer.
  • aluminum-magnesium alloy powder Gas atomized powder manufactured by High Purity Chemical Laboratory Co., Ltd., magnesium content: 6.0% by mass, impurity content other than aluminum and magnesium: 0.1% by mass or less, Particle size: 45 ⁇ m or less
  • Comparative Examples 7, 8, 11, and 12 in which the temperature of the powder in the cold spray method for forming the first metal layer was 0 ° C., and the speed of the powder was 200 m / s or 1100 m / s.
  • the aluminum powder did not adhere to the aluminum nitride base material, and the first metal layer could not be formed.
  • Comparative Examples 9, 10, 13, and 14 in which the temperature of the powder in the cold spray method for forming the first metal layer was 280 ° C., clogging of the aluminum powder occurred in the nozzle, so the first metal layer was formed. I could't.
  • FIG. 5 is a graph showing the measurement results of adhesion strength
  • FIG. 6 shows the fracture position of the specimen.
  • the specimens of Examples 1 to 18 exhibited adhesion strength exceeding 20 MPa, and all fractured at the position of the epoxy adhesive 31 as shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b).
  • the layer 21 was not broken by the interfacial peeling.
  • the test specimens of Comparative Examples 1 to 6 showed a low adhesion strength of 10 MPa, and fractured due to interfacial delamination between the ceramic substrate 1 and the metal layer 21 or 22 as shown in FIGS. 6 (c) and (d). did.
  • Heat cycle test With respect to the specimens of Examples 1 to 18 that showed good adhesion, a heat cycle test of 1000 cycles was performed with one cycle of “left in a 180 ° C. environment for 30 minutes and then left in a ⁇ 45 ° C. environment for 30 minutes” as one cycle. Carried out. Even after the heat cycle test, no abnormality such as peeling occurred in the metal layer.
  • SYMBOLS 1 Ceramic substrate, 2, 2a, 2b ... Metal layer, 3 ... Cold spray apparatus, 4 ... High pressure gas cylinder, 5a ... 1st pressure regulator, 5b ... 2nd pressure regulator, 5c ... 3rd pressure Adjuster, 6 ... heater, 7 ... powder supply device, 10 ... spray gun nozzle, 21, 21a, 21b ... single metal layer, 22a, 22b ... first metal layer, 23a, 23b ... second metal layer, 30 ... Stud pin, 31 ... Epoxy adhesive, 40, 41 ... Specimen.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
  • Manufacturing Of Printed Wiring (AREA)

Abstract

セラミックス基材と、セラミックス基材上に形成された金属層と、を備える、セラミックス回路基板を製造する方法が開示される。この方法は、金属粉体を、１０～２７０℃に加熱するとともに２５０～１０５０ｍ／ｓの速度まで加速してから吹き付けることにより、セラミックス基材上に金属層を形成させる工程と、セラミックス基材及び金属層を不活性ガス雰囲気下で加熱処理する工程と、を備える。

Description

セラミックス回路基板の製造方法
　本発明は、セラミックス回路基板の製造方法に関する。
　パワーモジュール等に利用される半導体装置のために、アルミナ等のセラミックス基材と、その表裏面上に形成された導電性の回路層とを有するセラミックス回路基板が実用化されている。セラミックス回路基板の回路材料としては銅が一般的である。
　近年、機器類の小型化、高性能化に伴って、半導体装置の発熱量が増加する傾向がある。そのため、セラミック回路基板用のセラミックス基材には、電気絶縁性が高いことに加え、より高い熱伝導性が要求されてきている。
　そこで、高熱伝導性の窒化アルミニウムなどのセラミックス基材の適用が検討されている。しかし、高熱伝導性のセラミックス基材上に銅回路を設けた場合、半導体素子の動作に伴う繰り返しの熱サイクル、又は動作環境の温度変化の影響により、セラミックス基材と銅回路との接合部付近にクラックが発生し易いという問題点があった。
　この問題を回避するため、銅よりも降伏耐力の小さいアルミニウムを回路材料として用いることが検討されている。セラミックス基材上にアルミニウム回路を形成する方法として、例えば以下の方法が提案されている。
（１）溶融アルミニウムをセラミックス基材に接触させ、冷却して両者の接合体を形成することと、形成されたアルミニウム層を機械研削してその厚みを整えることと、アルミニウム層をエッチングすることを含む溶湯法（例えば、特許文献１、２参照）
（２）アルミニウム箔又はアルミニウム合金箔をセラミックス基材にろう付けしてからエッチングする、ろう付け法（例えば、特許文献３参照）
特開平７－１９３３５８号公報 特開平８－２０８３５９号公報 特開２００１－０８５８０８号公報
　しかし、溶湯法は設備及びその維持管理に多くの費用を用する。また、ろう付け法は、高温での加圧等を伴うために、生産性を高めることが困難であった。
　本発明は、アルミニウム及び／又はアルミニウム合金を主成分として含みセラミックス基材との高い密着性を有する金属層を有するセラミックス回路基板を、簡易な設備で効率的に製造できる方法を提供することを目的とする。
　本発明の一側面は、セラミックス基材と、該セラミックス基材上に形成された、アルミニウム及び／又はアルミニウム合金を含む金属層と、を備える、セラミックス回路基板を製造する方法に関する。当該方法は、金属粉体を、１０～２７０℃に加熱するとともに２５０～１０５０ｍ／ｓの速度まで加速してから吹き付けることにより、セラミックス基材に接する金属層を形成させる工程と、セラミックス基材及び該セラミックス基材上に形成された金属層を不活性ガス雰囲気下で加熱処理する工程と、を備える。金属粉体は、アルミニウム粒子又はアルミニウム合金粒子のうち少なくとも一方を含む。
　この方法によれば、アルミニウム及び／又はアルミニウム合金を主成分とし、セラミックス基材との高い密着性を有する金属層を有するセラミックス回路基板を、簡易な設備で効率的に製造することができる。特に、固相状態にある金属粉体を高速で吹き付けることにより金属層を成膜する方法は、コールドスプレー法と称することのできるものであり、この方法によりセラミックス基板との高い密着性を有する金属層を簡易な設備で効率的に成膜することができる。
　本発明の一側面に係る方法によれば、溶融アルミニウム及びろう材を必ずしも必要とすることなく、アルミニウム又はアルミニウム合金を主成分とする金属層とセラミックス基材とを接合して、アルミニウム回路基板を製造することができる。また、金属層の形成の際にマスクを使用することで、エッチングを必要とすることなく、配線パターンを有する金属層をセラミックス基材上に形成することができる。
セラミックス回路基板の一実施形態を示す断面図である。 セラミックス基材上に金属層を形成する工程の一実施形態を示す模式図である。 セラミックス回路基板の一実施形態を示す断面図である。 密着強度の測定方法を説明するための模式図である。 密着強度の測定結果を示すグラフである。 密着強度の測定における試験体の破断位置を示した断面図である。
　以下、本発明のいくつかの実施形態について詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
　一実施形態に係る方法は、アルミニウム及び／又はアルミニウム合金を含む金属層と、を備える、セラミックス回路基板を製造する方法に関する。図１は、製造されるセラミックス回路基板の一実施形態を示す断面図である。図１に示すセラミックス回路基板１００は、セラミックス基材１と、その両面にそれぞれ接しながら設けられた金属層２ａ，２ｂとを有する。図１に示す金属層２ａ，２ｂは、それぞれ、単一の金属層２１ａ，２１ｂからなる。金属層２ａ，２ｂは、加熱された金属粉体をセラミックス基材の表面に吹き付けることによって形成された層であり、半導体素子と接続される回路パターンを有していることが多い。
　金属層２ａ，２ｂは、アルミニウム又はアルミニウム合金のうち少なくとも一方を主成分として含む。ここで、「主成分」とは、金属層２ａ，２ｂの全体質量を基準として９０質量％以上の割合で含まれる成分を意味する。金属層がアルミニウム及びアルミニウム合金の両方を含む場合、それらの合計量が９０質量％以上であればよい。主成分の割合は、９５質量％以上であってもよい。金属層又は後述の金属粉体が、微量の不可避的不純物を含んでいてもよい。
　本実施形態に係る方法は、複数の金属粒子から構成される金属粉体を、１０～２７０℃に加熱するとともに２５０～１０５０ｍ／ｓの速度まで加速してから吹き付けることにより、セラミックス基材上に金属層を形成させる工程と、セラミックス基材及びセラミックス基材上に形成された金属層を不活性ガス雰囲気下で加熱処理する工程とを備える。金属粉体を構成する金属粒子として、アルミニウム粒子及び／又はアルミニウム合金粒子を用いることにより、これらを主成分とする金属層が形成される。
　図２は、セラミックス基材上に金属層を形成する工程の一実施形態を示す模式図である。図２に示す方法では、コールドスプレー装置３を用いて金属粉体をセラミックス基材１に吹き付けることにより、セラミックス基材１上に金属層２が成膜される。図２に示すコールドスプレー装置３は、高圧ガスボンベ４、ヒーター６、粉末供給装置７、先細末広型のスプレーガンのノズル１０及びこれらを連結する配管から主として構成される。複数の高圧ガスボンベ４の下流側に第一の圧力調整器５ａが設けられており、第一の圧力調整器５ａの下流側で配管が２回路に分岐する。分岐した２回路の配管のそれぞれに、第二の圧力調整器５ｂ及びヒーター６と、第三の圧力調整器５ｃ及び粉末供給装置７とが、それぞれ接続されている。ヒーター６及び粉末供給装置７からの配管がノズル１０に接続されている。
　コールドスプレー装置３において、高圧ガスボンベ４には、作動ガスとして用いられる不活性ガスが例えば１ＭＰａ以上の圧力で充填されている。不活性ガスは、例えばヘリウム若しくは窒素の単一ガス、又はこれらの混合ガスであることができる。高圧ガスボンベ４から供給された作動ガスＯＧは、一方の回路上で第二の圧力調整器５ｂにより例えば０．５～５Ｍａに減圧された上で、ヒーター６によって加熱され、その後、スプレーガンのノズル１０に供給される。作動ガスＯＧはまた、他方の回路上で第三の圧力調整器５ｃによって例えば０．５～５ＭＰａに減圧された上で、粉末供給装置７にも供給される。粉末供給装置７から、作動ガスＯＧとともに成膜用の金属粉体がスプレーガンのノズル１０に供給される。
　ヒーター６による加熱温度は、通常、成膜される金属粉体の融点又は軟化点よりも低く設定される。ヒーター６は、通常の加熱装置から任意に選択することができる。
　スプレーガンのノズル１０に供給された作動ガスは、先細の部分を通ることで圧縮され、その下流側の末広の部分で一気に膨張することで加速される。金属粉体は所定の温度に加熱されるとともに所定の速度まで加速された後、ノズル１０の出口から噴出される。具体的には、金属粉体は１０～２７０℃に加熱するとともに２５０～１０５０ｍ／ｓの速度まで加速される。ここで、金属粉体が加熱される温度は、金属粉体の最高到達温度を意味する。ノズル１０の入口における不活性ガスの温度を、金属粉体が加熱される温度とみなすこともできる。ここで、本明細書において「加熱する」の用語は、室温以下の所定の温度となるように調整することも含む意味で用いられる。また、金属粉体が加速される速度は、加速された金属粉体が到達する最高速度を意味する。
　ノズル１０から噴出された金属粉体は、セラミックス基材１の表面に吹き付けられる。これにより金属粉体がセラミックス基材１の表面に固相状態で衝突しながら堆積して、金属層２を形成する。金属粉体の温度は、通常、ノズル１０内で作動ガスの膨張等に伴い変化し得る。
　金属粉体は、主としてアルミニウム粒子及び／又はアルミニウム合金粒子から構成される。これらを２７０℃を超える温度まで加熱すると、軟化したアルミニウム粒子又はアルミニウム合金粒子の粉体が、ノズル１０の内壁に付着し、結果的にノズルが詰まり、金属層を形成することができない場合がある。また、金属粉体の温度が１０℃未満であると、金属粉体がセラミックス基材に衝突した瞬間に金属粒子が十分に塑性変形し難いため、成膜が困難となる傾向がある。同様の観点から、金属粉体が加熱される温度は、２６０℃以下であってもよく、２０℃以上であってもよい。
　加速された金属粉体が到達する速度が２５０ｍ／ｓ未満であると、金属粉体がセラミックス基材に衝突した時の金属粉体が十分に塑性変形し難いため、成膜が困難となるか、成膜された金属層の密着性が低下する傾向がある。加速された金属粉体が達する速度が１０５０ｍ／ｓ超えると、金属粉体がセラミックス基材に衝突した時に、金属粉体が粉砕及び飛散して、成膜が困難になる傾向がある。同様の観点から、加速された金属粉体が到達する速度は、３００ｍ／ｓ以上であってもよく、１０００ｍ／ｓ以下であってもよい。
　金属層中の気孔の形成を抑えるために、金属粉体中の金属粒子が球形であってもよい。また、金属粉体の粒径のバラツキが小さくてもよい。金属粉体を構成する金属粒子の（平均）粒径は、１０～７０μｍ、又は２０～６０μｍであってもよい。金属粒子の粒径が１０μｍ未満であると、金属粉体がノズルの先細の部分に詰まり易くなる傾向がある。金属粒子の粒径が７０μｍを超えると、金属粉体の速度を十分に上げることが困難になる傾向がある。ここで、「粒径」は、各粒子の最大幅を意味する。十分な数の金属粒子の粒径を測定し、その結果から平均粒径を求めることができる。
　金属粉体は、アルミニウム粒子であってもよいし、アルミニウム－マグネシウム合金粒子、及びアルミニウム－リチウム合金粒子等の、他の金属元素を含むアルミニウム合金粒子であってもよい。マグネシウム、及びリチウムのようなアルミニウムよりも酸素親和性の高い金属元素を含有するアルミニウム合金粒子を用いると、成膜後の加熱処理の際、マグネシウム又はリチウム等の金属元素と、アルミニウム及びセラミックス基材表面の酸化物層とが反応し、これらが強固に接合する傾向がある。金属層の適切な硬度、及び、耐ヒートサイクル性の観点から、金属粉体又は金属粒子におけるマグネシウム、リチウム等の金属元素の含有量は、金属粉体又は金属粒子の質量に対して６．０質量％以下であってもよい。
　図３は、製造されるセラミックス回路基板の他の一実施形態を示す断面図である。図３のセラミックス回路基板１０１において、金属層２ａ，２ｂは、それぞれ、セラミックス基材上に接する第一金属層２２ａ，２２ｂ、及び、第一金属層２２ａ，２２ｂ上に形成された第二金属層２３ａ，２３ｂから構成される。このように金属層が第一金属層及び第二金属層を有している場合、例えば、アルミニウム合金粒子をセラミックス基材に吹き付けることにより、セラミックス基材上に第一金属層を形成させることと、第一金属層にアルミニウム粒子を吹き付けることにより、第一金属層上に第二金属層を形成することとを含む方法により、金属層を形成することができる。この場合、第一金属層形成のためのアルミニウム合金粒子、及び第二金属層形成のためのアルミニウム粒子を、１０～２７０℃に加熱するとともに２５０～１０５０ｍ／ｓの速度まで加速してもよい。
　セラミックス基材１上に、セラミックス基材１の表面の一部を覆うマスク材を配置することにより、セラミックス基材上にパターン（回路パターン）を有する金属層を形成させてもよい。この方法によれば、成膜後のエッチングのような追加の工程を必要とすることなく、所望のパターンを有する金属層を容易に形成させることができる。この点でも、本実施形態に係る方法は、パターン形成のためにエッチングを必要とする溶湯法、ろう付法よりも有利である。
　金属層の厚みは、特に制限されないが、例えば２００～６００μｍであってもよい。金属層が第一金属層及び第二金属層を有する場合、第二金属層の厚さが第一金属層の厚さよりも小さくてもよい。特に、アルミニウム－マグネシウム合金粒子を用いて第一金属層を形成する場合、セラミックス基材と第一金属層の界面に発生する応力が耐ヒートサイクル性に及ぼす影響を小さくするため、第一金属層の厚みは２００μｍ以下、又は１００μｍ以下であってもよい。
　金属層の形成後の加熱処理では、セラミックス基材及び金属層を４００～６００℃に加熱してもよい。この加熱温度が４００℃以上であることで、アルミニウムとセラミックス基材表面の酸化物層が反応し、それによりセラミックス基材と金属層とがより強固に接合する傾向がある。加熱温度が６００℃以下であることで、金属層が軟化することによる影響を少なくすることができる。
　セラミックス基材は、適切な絶縁性を有するものから選択することができる。セラミックス基材は、高い熱伝導性を有していてもよい。、セラミックス基材の例としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基材、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）基材、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）が挙げられる。窒化アルミニウム基材は、４００ＭＰａ以上の三点曲げ強度、及び／又は、１５０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を示すものであってもよい。窒化ケイ素基材は、６００ＭＰａ以上の三点曲げ強度、及び／又は５０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を示すものであってもよい。セラミックス基材１のサイズは、用途に応じて任意に設定される。セラミックス基材１の厚みは、特に制限されないが、例えば０．２～１．０ｍｍであってもよい。これらのセラミックス基材は、それぞれ市販品として入手することが可能である。
　以下、実施例を挙げて本発明についてさらに具体的に説明する。ただし、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
セラミックス基材
　全実施例及び全比較例において、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基材（サイズ：１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．６３５ｍｍｔ、三点曲げ強度：５００ＭＰａ、熱伝導率：１５０Ｗ／ｍＫ、純度：９５％以上）、又は窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）基材（サイズ：１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．６３５ｍｍｔ、三点曲げ強度：７００ＭＰａ、熱伝導率：７０Ｗ／ｍＫ、純度：９２％以上）を用いた。
［実施例１］
　窒化アルミニウム基材の表面の一部を鉄製のマスク材でマスキングした。そこに、アルミニウム粉体（東洋アルミニウム社製水アトマイズ粉、純度：９９．７％、粒径：４５μｍ以下）を用いたコールドスプレー法によって、縦３ｍｍ、横３ｍｍ、厚み３００μｍの金属層を形成した。コールドスプレー法による成膜は、作動ガスとして窒素を用い、粉体の温度を２０℃、粉体の速度を３００ｍ／ｓとする条件で行った。
　金属層が形成された窒化アルミニウム基材を、窒素雰囲気下、５００℃で３時間加熱処理した。
　加熱処理の後、図４の（ａ）に示す試験体を作製した。図４の（ａ）に示される試験体４０は、円柱状のスタッドピン３０（材質：アルミニウム、サイズ：φ２．７ｍｍ×１２．７ｍｍ）が、その一端上に設けられたエポキシ接着剤３１を介して、セラミックス基材１上の金属層２１に接着された構成を有する。試験体４０は、スタッドピン３０をエポキシ接着剤３１を介在させながら金属層２１上にを配置し、その状態で１５０℃で１時間の加熱処理によりエポキシ接着剤３１を硬化することで準備した。
［実施例２～６］
　セラミックス基材、コールドスプレーにおけるアルミニウム粉体の温度及び速度を表１に示すように変更したことの他は実施例１と同様にして、試験体を得た。
［実施例７］
　窒化ケイ素基材の表面の一部を鉄製のマスク材でマスキングした。そこに、アルミニウム－マグネシウム合金粉体（高純度化学研究所社製ガスアトマイズ粉、マグネシウム含有量：３．０質量％、アルミニウム及びマグネシウム以外の不純物含有量：０．１質量％以下、粒径：４５μｍ以下）を用いたコールドスプレー法によって、縦３ｍｍ、横３ｍｍ、厚み１００μｍの第一金属層を形成した。コールドスプレー法による成膜は、作動ガスとして窒素を用い、粉体の温度を２０℃、粉体の速度を３００ｍ／ｓとする条件で行った。
　第一金属層上に、アルミニウム粉体（東洋アルミニウム社製水アトマイズ粉、純度：９９．７％、粒径：４５μｍ以下）を用いて、第一金属層と同様の条件によるコールドスプレー法（作動ガス：窒素、粉末の温度：２０℃、粉末の速度：３００ｍ／ｓ）により、縦３ｍｍ、横３ｍｍ、厚み２００μｍの第二金属層を形成した。
　第一金属層及び第二金属層が形成された窒化アルミニウム基材を、窒素雰囲気下で５００℃を３時間加熱処理した。
　加熱処理の後、図４の（ｂ）に示す試験体を作製した。図４の（ｂ）に示す試験体４１は、円柱状のスタッドピン３０（材質：アルミニウム、サイズ：φ２．７ｍｍ×１２．７ｍｍ、）が、その一端上に設けられたエポキシ接着剤３１を介して、セラミックス基材１上の第一金属層２２及び第二金属層２３からなる金属層２に接着された構成を有する。試験体４１は、スタッドピン３０をエポキシ接着剤３１を介在させながら第二金属層２３上にを配置し、その状態で１５０℃で１時間の加熱処理によりエポキシ接着剤３１を硬化することで準備した。
［実施例８～１８］
　セラミックス基材、第一金属層形成のための金属粉体、コールドスプレーにおける粉体の温度及び速度を表１に示すように変更したことの他は実施例７と同様にして、密着強度測定用の試験体を得た。実施例１３～１８では、アルミニウム－マグネシウム合金粉体（高純度化学研究所社製ガスアトマイズ粉、マグネシウム含有量：６．０質量％、アルミニウム及びマグネシウム以外の不純物含有量：０．１質量％以下、粒径：４５μｍ以下）を第一金属層形成のために用いた。
［比較例１～２２］
　セラミックス基材、第一金属層形成のための金属粉体、コールドスプレーにおける粉体の温度及び速度を表２に示すように変更したことの他は実施例１又は７と同様にして、密着強度測定用の試験体を作製した。
　ただし、第一金属層を形成するためのコールドスプレー法における粉体の温度を０℃とした比較例７、８、１１、１２、及び、粉体の速度を２００ｍ／ｓ又は１１００ｍ／ｓとした比較例１５～２２では、アルミニウム粉末が窒化アルミニウム基材に付着せず、第一金属層を形成することができなかった。第一金属層を形成するためのコールドスプレー法における粉体の温度を２８０℃とした比較例９、１０、１３、１４では、ノズルにアルミニウム粉体のつまりが発生したため、第一金属層を形成することができなかった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
［密着強度試験］
　試験体が得られた実施例１～１８、及び比較例１～６に関して、図４の方向Ｘに引っ張り荷重をかける試験を行い、試験体が破断したときの荷重を測定した。この荷重とその破断位置の断面積から密着強度を算出した。
　図５は、密着強度の測定結果を示すグラフであり、図６は試験体の破断位置を示す。実施例１～１８の試験体は、２０ＭＰａを超える密着強度を示し、全て図６の（ａ）及び（ｂ）に示されるようにエポキシ接着剤３１の位置で破断し、セラミックス基材１と金属層２１の界面剥離により破断することは無かった。一方、比較例１～６の試験体は、１０ＭＰaの低い密着強度を示し、図６の（ｃ）及び（ｄ）に示されるようにセラミックス基材１と金属層２１又は２２の界面剥離により破断した。
［ヒートサイクル試験］
　良好な密着性を示した実施例１～１８の試験体に関して、「１８０℃の環境に３０分放置した後に－４５℃の環境に３０分放置」を１サイクルとして、１０００サイクルのヒートサイクル試験を実施した。ヒートサイクル試験後においても金属層に剥離等の異常は発生しなかった。
　１…セラミックス基材、２，２ａ，２ｂ…金属層、３…コールドスプレー装置、４…高圧ガスボンベ、５ａ…第一の圧力調整器、５ｂ…第二の圧力調整器、５ｃ…第三の圧力調整器、６…ヒーター、７…粉末供給装置、１０…スプレーガンのノズル、２１，２１ａ，２１ｂ…単一の金属層、２２ａ，２２ｂ…第一金属層、２３ａ，２３ｂ…第二金属層、３０…スタッドピン、３１…エポキシ接着剤、４０，４１…試験体。

Claims (7)

  1. 　セラミックス基材と、該セラミックス基材上に形成された、アルミニウム及び／又はアルミニウム合金を含む金属層と、を備える、セラミックス回路基板を製造する方法であって、当該方法が、
    　金属粉体を、１０～２７０℃に加熱するとともに２５０～１０５０ｍ／ｓの速度まで加速してから吹き付けることにより、前記セラミックス基材に接する前記金属層を形成させる工程と、
    　前記セラミックス基材及び該セラミックス基材上に形成された前記金属層を不活性ガス雰囲気下で加熱処理する工程と、
    を備え、
    　前記金属粉体がアルミニウム粒子及び／又はアルミニウム合金粒子を含む、方法。
  2. 　前記金属層が第一金属層及び第二金属層を有し、
    　前記金属層を形成させる工程が、
    　前記アルミニウム合金粒子を含む金属粉体を、１０～２７０℃に加熱するとともに２５０～１０５０ｍ／ｓの速度まで加速してから前記セラミックス基材に吹き付けることにより、前記セラミックス基材上に前記第一金属層を形成させることと、
    　前記第一金属層に、前記アルミニウム粒子を含む金属粉体を、１０～２７０℃に加熱するとともに２５０～１０５０ｍ／ｓの速度まで加速してから吹き付けることにより、前記第一金属層上に前記第二金属層を形成させることと、
    を含む、請求項１に記載の方法。
  3. 　前記アルミニウム合金粒子がアルミニウム－マグネシウム合金粒子であり、前記アルミニウム－マグネシウム合金粒子におけるマグネシウムの含有量が、前記アルミニウム－マグネシウム合金粒子の質量に対して６．０質量％以下である、請求項２に記載の方法。
  4. 　前記第一金属層の厚みが１００μｍ以下である、請求項２又は３に記載の方法。
  5. 　前記セラミックス基材及び前記金属層を不活性ガス雰囲気下で加熱処理する工程において、前記セラミックス基材及び前記金属層が４００～６００℃に加熱される、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。
  6. 　前記金属粉体の平均粒径が１０～７０μｍである、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。
  7. 　前記金属層を形成させる工程において、前記セラミックス基材上にその表面の一部を覆うマスク材を配置することにより、前記セラミックス基材上にパターンを有する前記金属層を形成させる、請求項１～６のいずれか一項に記載の方法。
PCT/JP2018/001054 2017-01-17 2018-01-16 セラミックス回路基板の製造方法 WO2018135499A1 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/477,581 US20190364667A1 (en) 2017-01-17 2018-01-16 Method for manufacturing ceramic circuit board
JP2018563344A JP6991516B2 (ja) 2017-01-17 2018-01-16 セラミックス回路基板の製造方法
CN201880006590.5A CN110168140B (zh) 2017-01-17 2018-01-16 陶瓷电路基板的制造方法
EP18741325.7A EP3572555B1 (en) 2017-01-17 2018-01-16 Method for manufacturing ceramic circuit board

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017-006090 2017-01-17
JP2017006090 2017-01-17

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2018135499A1 true WO2018135499A1 (ja) 2018-07-26

Family

ID=62908866

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2018/001054 WO2018135499A1 (ja) 2017-01-17 2018-01-16 セラミックス回路基板の製造方法

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20190364667A1 (ja)
EP (1) EP3572555B1 (ja)
JP (1) JP6991516B2 (ja)
CN (1) CN110168140B (ja)
WO (1) WO2018135499A1 (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210024103A (ko) * 2018-08-10 2021-03-04 닛폰 하츠죠 가부시키가이샤 적층체의 제조 방법
WO2022153891A1 (ja) * 2021-01-12 2022-07-21 デンカ株式会社 積層体、及びその製造方法、並びに、パワーモジュール

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111867259A (zh) * 2020-07-30 2020-10-30 南京凯泰化学科技有限公司 一种陶瓷覆铜板的制备方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07193358A (ja) 1992-12-17 1995-07-28 Dowa Mining Co Ltd セラミックス電子回路基板の製造方法
JPH08208359A (ja) 1995-01-24 1996-08-13 Dowa Mining Co Ltd 金属−セラミックス複合基板
JP2001085808A (ja) 1999-05-28 2001-03-30 Denki Kagaku Kogyo Kk 回路基板
JP2006089290A (ja) * 2004-09-21 2006-04-06 Sumitomo Electric Ind Ltd メタライズ基板
JP2013067825A (ja) * 2011-09-20 2013-04-18 Nhk Spring Co Ltd 積層体及び積層体の製造方法
WO2016056567A1 (ja) * 2014-10-09 2016-04-14 日本発條株式会社 放熱部材用積層体、ヒートシンク付き基板、および放熱部材用積層体の製造方法

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6808817B2 (en) * 2002-03-15 2004-10-26 Delphi Technologies, Inc. Kinetically sprayed aluminum metal matrix composites for thermal management
US20040101620A1 (en) * 2002-11-22 2004-05-27 Elmoursi Alaa A. Method for aluminum metalization of ceramics for power electronics applications
JP5321942B2 (ja) * 2008-02-29 2013-10-23 新東工業株式会社 電子回路基板の製造方法およびその電子回路基板
CN102021586A (zh) * 2009-09-15 2011-04-20 鞍钢股份有限公司 一种单面镀层钢板生产方法及其单面镀层钢板
JP2012153581A (ja) 2011-01-27 2012-08-16 Taiyo Nippon Sanso Corp セラミックスとアルミニウムとの接合方法
CN102154639B (zh) * 2011-03-10 2012-11-28 上海交通大学 基于铝粒子的冷喷涂沉积制备涂层的方法
JP5691901B2 (ja) 2011-07-11 2015-04-01 トヨタ自動車株式会社 パワーモジュールの製造方法
JP5548167B2 (ja) * 2011-07-11 2014-07-16 日本発條株式会社 積層体及び積層体の製造方法
CN102400001B (zh) * 2011-12-02 2015-02-11 九江学院 一种原位金属间化合物颗粒增强铝基复合材料的制备方法
KR20150033829A (ko) * 2013-09-24 2015-04-02 주식회사 템네스트 콜드 스프레이를 이용한 회로 패턴이 적용된 ｉｇｂｔ 모듈 및 그 제조 방법
DE102013113736B4 (de) * 2013-12-10 2019-11-14 Rogers Germany Gmbh Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrates
JP6400501B2 (ja) 2015-02-18 2018-10-03 Ｄｏｗａメタルテック株式会社 金属−セラミックス回路基板の製造方法
CN104928672B (zh) * 2015-05-29 2017-11-03 中国兵器科学研究院宁波分院 电真空陶瓷管表面冷喷涂铝铜复合涂层的制备方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07193358A (ja) 1992-12-17 1995-07-28 Dowa Mining Co Ltd セラミックス電子回路基板の製造方法
JPH08208359A (ja) 1995-01-24 1996-08-13 Dowa Mining Co Ltd 金属−セラミックス複合基板
JP2001085808A (ja) 1999-05-28 2001-03-30 Denki Kagaku Kogyo Kk 回路基板
JP2006089290A (ja) * 2004-09-21 2006-04-06 Sumitomo Electric Ind Ltd メタライズ基板
JP2013067825A (ja) * 2011-09-20 2013-04-18 Nhk Spring Co Ltd 積層体及び積層体の製造方法
WO2016056567A1 (ja) * 2014-10-09 2016-04-14 日本発條株式会社 放熱部材用積層体、ヒートシンク付き基板、および放熱部材用積層体の製造方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP3572555A4

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210024103A (ko) * 2018-08-10 2021-03-04 닛폰 하츠죠 가부시키가이샤 적층체의 제조 방법
CN112513329A (zh) * 2018-08-10 2021-03-16 日本发条株式会社 层叠体的制造方法
US20210301404A1 (en) * 2018-08-10 2021-09-30 Nhk Spring Co., Ltd. Method of manufacturing laminate
EP3835454A4 (en) * 2018-08-10 2022-04-27 NHK Spring Co., Ltd. PROCESS FOR MAKING A MULTI-LAYER BODY
US11512395B2 (en) 2018-08-10 2022-11-29 Nhk Spring Co., Ltd. Method of manufacturing laminate
KR102559148B1 (ko) 2018-08-10 2023-07-24 닛폰 하츠죠 가부시키가이샤 적층체의 제조 방법
WO2022153891A1 (ja) * 2021-01-12 2022-07-21 デンカ株式会社 積層体、及びその製造方法、並びに、パワーモジュール
JP7186929B1 (ja) * 2021-01-12 2022-12-09 デンカ株式会社 積層体、及びその製造方法、並びに、パワーモジュール

Also Published As

Publication number Publication date
JP6991516B2 (ja) 2022-01-12
EP3572555A1 (en) 2019-11-27
EP3572555A4 (en) 2019-11-27
EP3572555B1 (en) 2021-03-03
CN110168140B (zh) 2021-07-30
CN110168140A (zh) 2019-08-23
US20190364667A1 (en) 2019-11-28
JPWO2018135499A1 (ja) 2019-12-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101572586B1 (ko) 적층체 및 적층체의 제조 방법
WO2018135499A1 (ja) セラミックス回路基板の製造方法
EP2763166A1 (en) Heat dissipation structure, power module, method for manufacturing heat dissipation structure and method for manufacturing power module
WO2017082368A1 (ja) 積層体および積層体の製造方法
JP6948350B2 (ja) セラミックス回路基板の製造方法
JP2006278558A (ja) 絶縁伝熱構造体及びパワーモジュール用基板
WO2013047330A1 (ja) 接合体
WO2016056567A1 (ja) 放熱部材用積層体、ヒートシンク付き基板、および放熱部材用積層体の製造方法
WO2021100616A1 (ja) 複合基板及びその製造方法、並びに、回路基板及びその製造方法
JP6378247B2 (ja) 積層体、パワーモジュールおよび積層体の製造方法
JP7186929B1 (ja) 積層体、及びその製造方法、並びに、パワーモジュール
JP5940589B2 (ja) 積層体、及びパワーモジュール
JP2015231040A (ja) 積層体、及びパワーモジュール

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 18741325

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2018563344

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2018741325

Country of ref document: EP

Effective date: 20190819