JP2018046265A - Method for manufacturing insulation circuit board, insulation circuit board, power module, led module, and thermoelectric module - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、窒化アルミニウムからなるセラミックス基板と、このセラミックス基板にアルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板を接合することによって形成されたアルミニウム層と、を備えた絶縁回路基板の製造方法、及び、絶縁回路基板、パワーモジュール、ＬＥＤモジュール、熱電モジュールに関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing an insulated circuit board comprising a ceramic substrate made of aluminum nitride, and an aluminum layer formed by bonding an aluminum plate made of aluminum or an aluminum alloy to the ceramic substrate, and an insulated circuit The present invention relates to a substrate, a power module, an LED module, and a thermoelectric module.
パワーモジュール、ＬＥＤモジュール及び熱電モジュールにおいては、絶縁層の一方の面に導電材料からなる回路層を形成した絶縁回路基板に、パワー半導体素子、ＬＥＤ素子及び熱電素子が接合された構造とされている。
また、上述の絶縁回路基板においては、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回路層とし、また、他方の面に放熱性に優れた金属板を接合して金属層を形成した構造のものも提供されている。
さらに、回路層に搭載した素子等から発生した熱を効率的に放散させるために、絶縁回路基板の金属層側にヒートシンクを接合したヒートシンク付き絶縁回路基板も提供されている。
The power module, the LED module, and the thermoelectric module have a structure in which a power semiconductor element, an LED element, and a thermoelectric element are bonded to an insulating circuit board in which a circuit layer made of a conductive material is formed on one surface of the insulating layer. .
Further, in the above-described insulated circuit board, a metal plate having excellent conductivity is bonded to one surface of the ceramic substrate to form a circuit layer, and a metal plate having excellent heat dissipation is bonded to the other surface to form a metal. A layered structure is also provided.
Furthermore, in order to efficiently dissipate heat generated from elements or the like mounted on the circuit layer, an insulating circuit board with a heat sink in which a heat sink is bonded to the metal layer side of the insulating circuit board is also provided.
例えば、特許文献１に示すパワーモジュールにおいては、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム板からなる回路層が形成されるとともに他方の面にアルミニウム板からなる金属層が形成された絶縁回路基板と、この回路層上にはんだ材を介して接合された半導体素子と、を備えた構造とされている。
また、特許文献２に示すＬＥＤモジュールにおいては、セラミックスからなる基材の一方の面に導電性の回路層が形成され、絶縁基板の他方の面に放熱体が接合され、回路層上に発光素子が搭載された構造とされている。
ここで、セラミックス基板と回路層及び金属層となるアルミニウム板を接合する際には、通常、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材が用いられている。
For example, in the power module shown in Patent Document 1, an insulating circuit substrate in which a circuit layer made of an aluminum plate is formed on one surface of a ceramic substrate and a metal layer made of an aluminum plate is formed on the other surface; And a semiconductor element bonded to the circuit layer via a solder material.
Moreover, in the LED module shown in Patent Document 2, a conductive circuit layer is formed on one surface of a base material made of ceramics, a heat radiator is bonded to the other surface of the insulating substrate, and a light emitting element is formed on the circuit layer. The structure is equipped with.
Here, when joining the ceramic substrate and the aluminum plate to be the circuit layer and the metal layer, an Al—Si brazing material is usually used.
ところで、上述のＬＥＤモジュール等においては、発光素子が搭載される回路層の厚さをさらに薄くすることが求められており、例えば厚さ１００μｍ以下のアルミニウム板をセラミックス基板に接合する場合がある。
このように厚さの薄いアルミニウム板をＡｌ−Ｓｉ系ろう材を用いて接合した場合には、回路層となるアルミニウム板にＳｉが拡散して融点が低下し、回路層の一部が溶融してしまうおそれがあった。
By the way, in the above-described LED module or the like, it is required to further reduce the thickness of the circuit layer on which the light emitting element is mounted. For example, an aluminum plate having a thickness of 100 μm or less may be bonded to the ceramic substrate.
When such thin aluminum plates are joined using an Al-Si brazing filler metal, Si diffuses into the aluminum plate to be the circuit layer, the melting point is lowered, and a part of the circuit layer is melted. There was a risk of it.
回路層の溶融を抑制するために、ろう付け温度を低下させたり、固相拡散接合を適用したりした場合には、接合が不十分となり、接合信頼性が低下してしまう。このため、発熱密度が高い用途には適用することができなかった。
以上のように、従来の絶縁回路基板においては、回路層を薄く形成した場合には、回路層の溶融を抑制し、かつ、回路層とセラミックス基板との接合信頼性を向上させることは困難であった。
When brazing temperature is lowered or solid phase diffusion bonding is applied to suppress melting of the circuit layer, bonding becomes insufficient and bonding reliability is lowered. For this reason, it could not be applied to uses with high heat generation density.
As described above, in the conventional insulated circuit board, when the circuit layer is formed thin, it is difficult to suppress melting of the circuit layer and to improve the bonding reliability between the circuit layer and the ceramic substrate. there were.
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、セラミックス基板に接合されるアルミニウム板の溶融を抑制することができ、かつ、アルミニウム板とセラミックス基板との接合信頼性を向上させることが可能な絶縁回路基板の製造方法、及び、絶縁回路基板、パワーモジュール、ＬＥＤモジュール、熱電モジュールを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, can suppress melting of an aluminum plate to be bonded to a ceramic substrate, and improve the bonding reliability between the aluminum plate and the ceramic substrate. It is an object of the present invention to provide an insulating circuit board manufacturing method, an insulating circuit board, a power module, an LED module, and a thermoelectric module.
上述の課題を解決するために、本発明の絶縁回路基板の製造方法は、窒化アルミニウムからなるセラミックス基板と、このセラミックス基板にアルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板を接合することによって形成されたアルミニウム層と、を備えた絶縁回路基板の製造方法であって、前記セラミックス基板の表面に酸化膜を形成する酸化膜形成工程と、前記酸化膜を介して前記アルミニウム板を接合するアルミニウム板接合工程と、を有し、前記酸化膜形成工程では、前記酸化膜の平均厚さを０．７μｍ以上１８μｍ以下の範囲内とすることを特徴としている。 In order to solve the above-described problems, a method of manufacturing an insulated circuit board according to the present invention includes a ceramic substrate made of aluminum nitride, and an aluminum layer formed by bonding an aluminum plate made of aluminum or an aluminum alloy to the ceramic substrate. And an insulating circuit board manufacturing method comprising: an oxide film forming step of forming an oxide film on a surface of the ceramic substrate; and an aluminum plate bonding step of bonding the aluminum plate via the oxide film; In the oxide film forming step, the average thickness of the oxide film is in the range of 0.7 μm to 18 μm.
この構成の絶縁回路基板の製造方法によれば、ＡｌＮからなるセラミックス基板の表面に酸化膜を形成する酸化膜形成工程と、前記酸化膜を介してアルミニウム板を接合するアルミニウム板接合工程と、を備えているので、低温条件で接合した場合であっても、セラミックス基板とアルミニウム板とを強固に接合することができる。すなわち、酸化膜が形成されることにより、アルミニウム板との密着性が向上することから、低温条件で接合しても、アルミニウム板とセラミックス基板とを確実に接合することが可能となる。 According to the method for manufacturing an insulated circuit board having this configuration, an oxide film forming step of forming an oxide film on the surface of a ceramic substrate made of AlN, and an aluminum plate bonding step of bonding an aluminum plate through the oxide film, Since it is provided, even if it is a case where it joins on low temperature conditions, a ceramic substrate and an aluminum plate can be joined firmly. That is, since the adhesion with the aluminum plate is improved by forming the oxide film, the aluminum plate and the ceramic substrate can be reliably bonded even when bonded at a low temperature.
また、酸化膜形成工程では、酸化膜の平均厚さを０．７μｍ以上としているので、セラミックス基板の表面全体に酸化膜を形成することができる。
一方、酸化膜形成工程では、酸化膜の平均厚さを１８μｍ以下としているので、酸化膜内部や酸化膜とセラミックス基板との界面におけるクラックの発生を抑制することができる。
上述のように、酸化膜の平均厚さを設定することによって、アルミニウム板とセラミックス基板との接合信頼性を確実に向上させることが可能となる。
In the oxide film forming step, since the average thickness of the oxide film is 0.7 μm or more, the oxide film can be formed on the entire surface of the ceramic substrate.
On the other hand, in the oxide film forming step, since the average thickness of the oxide film is 18 μm or less, the occurrence of cracks in the oxide film and at the interface between the oxide film and the ceramic substrate can be suppressed.
As described above, it is possible to reliably improve the bonding reliability between the aluminum plate and the ceramic substrate by setting the average thickness of the oxide film.
ここで、本発明の絶縁回路基板の製造方法においては、前記アルミニウム板接合工程では、ろう材を用いた液相接合で前記アルミニウム板を接合し、接合温度を５８０℃以上６３０℃以下の範囲内とすることが好ましい。
この構成の絶縁回路基板の製造方法によれば、前記アルミニウム板接合工程では、ろう材を用いた液相接合で前記アルミニウム板を接合しており、その接合温度を５８０℃以上としているので、アルミニウム板とセラミックス基板とを確実に接合することができ、接合信頼性を向上させることができる。一方、接合温度を６３０℃以下としているので、接合時においてアルミニウム板の一部が溶融してしまうことを抑制することができる。
Here, in the method for manufacturing an insulated circuit board according to the present invention, in the aluminum plate joining step, the aluminum plate is joined by liquid phase joining using a brazing material, and the joining temperature is within a range of 580 ° C. or more and 630 ° C. or less. It is preferable that
According to the method for manufacturing an insulated circuit board having this configuration, in the aluminum plate joining step, the aluminum plate is joined by liquid phase joining using a brazing material, and the joining temperature is set to 580 ° C. or higher. The plate and the ceramic substrate can be reliably bonded, and the bonding reliability can be improved. On the other hand, since the joining temperature is set to 630 ° C. or lower, it is possible to suppress melting of a part of the aluminum plate during joining.
また、本発明の絶縁回路基板の製造方法においては、前記アルミニウム板接合工程では、前記アルミニウム板を固相拡散接合によって前記酸化膜に接合し、接合温度を６２０℃以上６５０℃以下の範囲内とすることが好ましい。
この構成の絶縁回路基板の製造方法によれば、前記アルミニウム板接合工程では、前記アルミニウム板を固相拡散接合によって前記酸化膜に接合しており、その接合温度を６２０℃以上としているので、アルミニウム板とセラミックス基板とを確実に接合することができ、接合信頼性を向上させることができる。一方、接合温度を６５０℃以下としているので、接合時においてアルミニウム板の一部が溶融してしまうことを抑制することができる。
In the method for manufacturing an insulated circuit board according to the present invention, in the aluminum plate bonding step, the aluminum plate is bonded to the oxide film by solid phase diffusion bonding, and the bonding temperature is within a range of 620 ° C. or higher and 650 ° C. or lower. It is preferable to do.
According to the method for manufacturing an insulated circuit board having this structure, in the aluminum plate bonding step, the aluminum plate is bonded to the oxide film by solid phase diffusion bonding, and the bonding temperature is set to 620 ° C. or higher. The plate and the ceramic substrate can be reliably bonded, and the bonding reliability can be improved. On the other hand, since the joining temperature is set to 650 ° C. or lower, it is possible to suppress melting of a part of the aluminum plate during joining.
また、本発明の絶縁回路基板の製造方法においては、前記酸化膜形成工程では、露点−２０℃以下の酸化雰囲気において前記酸化膜を形成することが好ましい。
この構成の絶縁回路基板の製造方法によれば、露点−２０℃以下の酸化雰囲気においてセラミックス基板の表面に前記酸化膜を形成するので、酸化膜が異常成長することがなく、比較的均一な厚さで酸化膜を形成することができる。よって、接合温度を低く設定しても、セラミックス基板とアルミニウム板とを確実に接合することができる。
In the method for manufacturing an insulated circuit board according to the present invention, it is preferable that in the oxide film forming step, the oxide film is formed in an oxidizing atmosphere having a dew point of −20 ° C. or lower.
According to the method for manufacturing an insulated circuit board having this configuration, since the oxide film is formed on the surface of the ceramic substrate in an oxidizing atmosphere having a dew point of −20 ° C. or less, the oxide film does not grow abnormally and has a relatively uniform thickness. Thus, an oxide film can be formed. Therefore, even if the joining temperature is set low, the ceramic substrate and the aluminum plate can be reliably joined.
さらに、本発明の絶縁回路基板の製造方法においては、前記酸化膜形成工程では、処理温度を１１００℃以上１３００℃以下の範囲内、前記処理温度での保持時間を１５分以上６０分以下の範囲内とすることが好ましい。
この構成の絶縁回路基板の製造方法によれば、形成される酸化膜の平均厚さを０．７μｍ以上１８μｍ以下の範囲内とすることができる。よって、接合温度を低く設定しても、セラミックス基板とアルミニウム板とを確実に接合することができる。
Furthermore, in the method for manufacturing an insulated circuit board according to the present invention, in the oxide film forming step, the processing temperature is in the range of 1100 ° C. to 1300 ° C., and the holding time at the processing temperature is in the range of 15 minutes to 60 minutes. It is preferable to be inside.
According to the method for manufacturing an insulated circuit board having this configuration, the average thickness of the formed oxide film can be in the range of 0.7 μm to 18 μm. Therefore, even if the joining temperature is set low, the ceramic substrate and the aluminum plate can be reliably joined.
また、本発明の絶縁回路基板の製造方法においては、接合される前記アルミニウム板の厚さを０．０５ｍｍ以上０．４ｍｍ以下の範囲内とすることが好ましい。 Moreover, in the manufacturing method of the insulated circuit board of this invention, it is preferable to make the thickness of the said aluminum plate joined into the range of 0.05 mm or more and 0.4 mm or less.
本発明の絶縁回路基板は、窒化アルミニウムからなるセラミックス基板に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム層が形成された絶縁回路基板であって、 前記セラミックス基板と前記アルミニウム層との間に、平均厚さ０．７μｍ以上１８μｍ以下の酸化膜が形成されていることを特徴としている。 The insulated circuit board of the present invention is an insulated circuit board in which an aluminum layer made of aluminum or an aluminum alloy is formed on a ceramic board made of aluminum nitride, and has an average thickness between the ceramic board and the aluminum layer. An oxide film of 0.7 μm or more and 18 μm or less is formed.
この構成の絶縁回路基板によれば、前記セラミックス基板と前記アルミニウム層との間に、平均厚さ０．７μｍ以上１８μｍ以下の酸化膜が形成されているので、接合界面に酸化膜が均一に形成されており、アルミニウム層とセラミックス基板とを均一に接合することができる。また、この酸化膜におけるクラックの発生を抑制することができる。よって、アルミニウム層とセラミックス基板との接合信頼性が向上する。 According to the insulated circuit board having this configuration, an oxide film having an average thickness of 0.7 μm or more and 18 μm or less is formed between the ceramic substrate and the aluminum layer, so that the oxide film is uniformly formed at the bonding interface. Thus, the aluminum layer and the ceramic substrate can be bonded uniformly. In addition, the generation of cracks in the oxide film can be suppressed. Therefore, the bonding reliability between the aluminum layer and the ceramic substrate is improved.
本発明のパワーモジュールは、上述の絶縁回路基板と、この絶縁回路基板に搭載されたパワー半導体素子と、を備えていることを特徴としている。
本発明のＬＥＤモジュールは、上述の絶縁回路基板と、この絶縁回路基板に搭載されたＬＥＤ素子と、を備えていることを特徴としている。
本発明の熱電モジュールは、上述の絶縁回路基板と、この絶縁回路基板に搭載された熱電素子と、を備えていることを特徴としている。
The power module of the present invention includes the above-described insulating circuit board and a power semiconductor element mounted on the insulating circuit board.
An LED module according to the present invention includes the above-described insulating circuit board and an LED element mounted on the insulating circuit board.
A thermoelectric module according to the present invention includes the above-described insulating circuit board and a thermoelectric element mounted on the insulating circuit board.
本発明のパワーモジュール、ＬＥＤモジュール及び熱電モジュールによれば、上述の絶縁回路基板を有しているので、セラミックス基板とアルミニウム層との接合信頼性に優れており、パワーモジュール、ＬＥＤモジュール及び熱電モジュールの信頼性を向上させることができる。 According to the power module, the LED module, and the thermoelectric module of the present invention, since the above-described insulating circuit board is included, the bonding reliability between the ceramic substrate and the aluminum layer is excellent, and the power module, the LED module, and the thermoelectric module. Reliability can be improved.
本発明によれば、セラミックス基板に接合されるアルミニウム板の溶融を抑制することができ、かつ、アルミニウム板とセラミックス基板との接合信頼性を向上させることが可能な絶縁回路基板の製造方法、及び、絶縁回路基板、パワーモジュール、ＬＥＤモジュール、熱電モジュールを提供することができる。 According to the present invention, a method for manufacturing an insulated circuit board capable of suppressing melting of an aluminum plate to be bonded to a ceramic substrate and improving the bonding reliability between the aluminum plate and the ceramic substrate, and Insulating circuit boards, power modules, LED modules, and thermoelectric modules can be provided.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、以下に示す各実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Each embodiment described below is specifically described for better understanding of the gist of the invention, and does not limit the present invention unless otherwise specified. In addition, in the drawings used in the following description, in order to make the features of the present invention easier to understand, there is a case where a main part is shown in an enlarged manner for convenience, and the dimensional ratio of each component is the same as the actual one. Not necessarily.
図１に、本発明の実施形態である絶縁回路基板１０及びこれを用いたＬＥＤモジュール１を示す。
図１に示すＬＥＤモジュール１は、絶縁回路基板１０と、この絶縁回路基板１０の一方の面（図１において上面）に接合層２を介して接合されたＬＥＤ素子３と、絶縁回路基板１０の下側に接合されたヒートシンク３１と、を備えている。なお、ヒートシンク３１が接合された絶縁回路基板１０が、本実施形態におけるヒートシンク付き絶縁回路基板３０とされている。
In FIG. 1, the insulated circuit board 10 which is embodiment of this invention, and the LED module 1 using the same are shown.
An LED module 1 shown in FIG. 1 includes an insulating circuit board 10, an LED element 3 bonded to one surface (upper surface in FIG. 1) of the insulating circuit board 10 via a bonding layer 2, and an insulating circuit board 10. And a heat sink 31 bonded to the lower side. The insulated circuit board 10 to which the heat sink 31 is bonded is the insulated circuit board 30 with a heat sink in the present embodiment.
ＬＥＤ素子３は、半導体材料で構成されており、電気エネルギーを光に変換する光電変換素子である。なお、ＬＥＤ素子３の光変換効率は２０〜３０％程度であり、残りの７０〜８０％のエネルギーは熱となるため、ＬＥＤモジュール１においては効率的に熱を放散させることが求められる。
ここで、このＬＥＤ素子３と絶縁回路基板１０とを接合する接合層２は、例えばＡｕ−Ｓｎ合金はんだ材等とされている。
The LED element 3 is made of a semiconductor material and is a photoelectric conversion element that converts electrical energy into light. In addition, since the light conversion efficiency of the LED element 3 is about 20 to 30%, and the remaining 70 to 80% of energy is heat, the LED module 1 is required to dissipate heat efficiently.
Here, the bonding layer 2 for bonding the LED element 3 and the insulated circuit board 10 is, for example, an Au—Sn alloy solder material.
本実施形態に係る絶縁回路基板１０は、図１に示すように、セラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面（図１において上面）に配設された回路層１２（アルミニウム層）と、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）に配設された金属層１３（アルミニウム層）と、を備えている。 As shown in FIG. 1, the insulated circuit board 10 according to the present embodiment includes a ceramic substrate 11 and a circuit layer 12 (aluminum layer) disposed on one surface (the upper surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11. And a metal layer 13 (aluminum layer) disposed on the other surface (lower surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11.
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、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミニウム）で構成されている。また、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、０．６３５ｍｍに設定されている。 The ceramic substrate 11 prevents electrical connection between the circuit layer 12 and the metal layer 13, and is composed of AlN (aluminum nitride) having high insulation in this embodiment. In addition, the thickness of the ceramic substrate 11 is set within a range of 0.2 to 1.5 mm, and in this embodiment is set to 0.635 mm.
回路層１２は、セラミックス基板１１の一方の面に導電性を有するアルミニウム板が接合されることにより形成されている。
本実施形態においては、図４に示すように、回路層１２は、アルミニウム又はアルミニウム合金の圧延板からなるアルミニウム板２２がセラミックス基板１１に接合されることによって形成されている。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、ＬＥＤ素子３が搭載される搭載面とされている。
ここで、回路層１２（アルミニウム板２２）の厚さは０．０５ｍｍ以上０．４ｍｍ以下の範囲内に設定されている。また、本実施形態では、回路層１２となるアルミニウム板２２は、純度９９ｍａｓｓ％以上（２Ｎアルミニウム）の圧延板とされている。
また、アルミニウム板２２としては、Ａ１０５０、Ａ１０８５、Ａ１１００、Ａ３００３等や、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上（４Ｎアルミニウム）を用いることもできる。
The circuit layer 12 is formed by bonding a conductive aluminum plate to one surface of the ceramic substrate 11.
In the present embodiment, as shown in FIG. 4, the circuit layer 12 is formed by joining an aluminum plate 22 made of a rolled plate of aluminum or an aluminum alloy to the ceramic substrate 11. A circuit pattern is formed on the circuit layer 12, and one surface (the upper surface in FIG. 1) is a mounting surface on which the LED element 3 is mounted.
Here, the thickness of the circuit layer 12 (aluminum plate 22) is set within a range of 0.05 mm or more and 0.4 mm or less. Moreover, in this embodiment, the aluminum plate 22 used as the circuit layer 12 is a rolled plate having a purity of 99 mass% or more (2N aluminum).
As the aluminum plate 22, A1050, A1085, A1100, A3003 or the like, or a purity of 99.99 mass% or more (4N aluminum) can be used.
金属層１３は、セラミックス基板１１の他方の面に熱伝導性に優れたアルミニウム板が接合されることにより形成されている。
本実施形態においては、図４に示すように、金属層１３は、アルミニウム又はアルミニウム合金の圧延板からなるアルミニウム板２３がセラミックス基板１１に接合されることによって形成されている。ここで、金属層１３（アルミニウム板２３）の厚さは ０．０５ｍｍ以上２．１ｍｍ以下の範囲内に設定されている。また、本実施形態では、金属層１３となるアルミニウム板２３は、純度９９ｍａｓｓ％以上（２Ｎアルミニウム）の圧延板とされている。
また、アルミニウム板２３としては、Ａ１０５０、Ａ１０８５、Ａ１１００、Ａ３００３等や、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上（４Ｎアルミニウム）を用いることもできる。
The metal layer 13 is formed by bonding an aluminum plate excellent in thermal conductivity to the other surface of the ceramic substrate 11.
In the present embodiment, as shown in FIG. 4, the metal layer 13 is formed by joining an aluminum plate 23 made of a rolled plate of aluminum or an aluminum alloy to the ceramic substrate 11. Here, the thickness of the metal layer 13 (aluminum plate 23) is set within a range of 0.05 mm or more and 2.1 mm or less. Moreover, in this embodiment, the aluminum plate 23 used as the metal layer 13 is a rolled plate having a purity of 99 mass% or more (2N aluminum).
Moreover, as the aluminum plate 23, A1050, A1085, A1100, A3003, etc., purity 99.99 mass% or more (4N aluminum) can also be used.
ここで、セラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３との接合界面には、図２に示すように、酸化膜１１ａが存在する。この酸化膜１１ａの平均厚さは、０．７μｍ以上１８μｍ以下の範囲内とされている。なお、この酸化膜１１ａは、後述するように、窒化アルミニウムからなるセラミックス基板１１の表面に形成されたものである。 Here, an oxide film 11a exists at the bonding interface between the ceramic substrate 11, the circuit layer 12, and the metal layer 13, as shown in FIG. The average thickness of the oxide film 11a is in the range of 0.7 μm to 18 μm. The oxide film 11a is formed on the surface of the ceramic substrate 11 made of aluminum nitride, as will be described later.
ヒートシンク３１は、絶縁回路基板１０側の熱を放散するためのものである。本実施形態においては、ヒートシンク３１は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる放熱板とされている。具体的には、Ａ６０６３合金からなる放熱板とされ、その厚さが１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲内に設定されている。
また、ヒートシンク３１としては、Ａ１０５０、Ａ１１００、Ａ３００３、Ａ６０６１等のアルミニウムを用いることもできる。
The heat sink 31 is for dissipating heat on the insulated circuit board 10 side. In the present embodiment, the heat sink 31 is a heat radiating plate made of aluminum or an aluminum alloy. Specifically, the heat sink is made of an A6063 alloy, and its thickness is set within a range of 1 mm or more and 10 mm or less.
As the heat sink 31, aluminum such as A1050, A1100, A3003, and A6061 can be used.
ここで、本実施形態においては、絶縁回路基板１０の金属層１３とヒートシンク３１との間には緩衝層１５が配設されている。
本実施形態においては、図５に示すように、緩衝層１５は、アルミニウム又はアルミニウム合金の圧延板からなるアルミニウム板２５が金属層１３及びヒートシンク３１に接合されることによって形成されている。ここで、緩衝層１５（アルミニウム板２５）の厚さは０．２ｍｍ以上１.２ｍｍ以下の範囲内に設定されている。また、本実施形態では、緩衝層１５となるアルミニウム板２５は、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上（４Ｎアルミニウム）の圧延板とされている。
また、金属層１３と緩衝層１５（アルミニウム板２５）、及び、緩衝層１５（アルミニウム板２５）とヒートシンク３１とは、図４に示すように、ろう材２８、２９を用いて接合されている。
Here, in the present embodiment, the buffer layer 15 is disposed between the metal layer 13 of the insulating circuit board 10 and the heat sink 31.
In the present embodiment, as shown in FIG. 5, the buffer layer 15 is formed by joining an aluminum plate 25 made of a rolled plate of aluminum or an aluminum alloy to the metal layer 13 and the heat sink 31. Here, the thickness of the buffer layer 15 (aluminum plate 25) is set in the range of 0.2 mm or more and 1.2 mm or less. Moreover, in this embodiment, the aluminum plate 25 used as the buffer layer 15 is a rolled plate having a purity of 99.99 mass% or more (4N aluminum).
Moreover, the metal layer 13 and the buffer layer 15 (aluminum plate 25), and the buffer layer 15 (aluminum plate 25) and the heat sink 31 are joined using brazing materials 28 and 29 as shown in FIG. .
次に、本実施形態である絶縁回路基板１０の製造方法について、図２から図６を参照して説明する。 Next, the manufacturing method of the insulated circuit board 10 which is this embodiment is demonstrated with reference to FIGS.
まず、ＡｌＮからなるセラミックス基板１１を雰囲気炉５１内に装入して酸化処理を行い、セラミックス基板１１の表面に酸化膜１１ａを形成する（酸化膜形成工程Ｓ０１）。
ここで、図６に示すように、この酸化膜形成工程Ｓ０１によってセラミックス基板１１の表面に形成される酸化膜１１ａの平均厚さｔは、０．７μｍ以上１８μｍ以下の範囲内とされる。なお、図４に示すように、酸化膜１１ａは、回路層１２となるアルミニウム板２２及び金属層１３となるアルミニウム板２３が接合される領域にのみ形成されるようにマスキングを行ってもよい。
First, the ceramic substrate 11 made of AlN is charged into the atmosphere furnace 51 and oxidized to form an oxide film 11a on the surface of the ceramic substrate 11 (oxide film forming step S01).
Here, as shown in FIG. 6, the average thickness t of the oxide film 11a formed on the surface of the ceramic substrate 11 by this oxide film forming step S01 is set in the range of 0.7 μm to 18 μm. As shown in FIG. 4, the oxide film 11 a may be masked so as to be formed only in a region where the aluminum plate 22 to be the circuit layer 12 and the aluminum plate 23 to be the metal layer 13 are joined.
本実施形態では、酸化膜形成工程Ｓ０１においては、露点−２０℃以下の酸化雰囲気中で、処理温度：１１００℃以上１３００℃以下の範囲内、上述の処理温度での保持時間：１５分以上６０分以下の範囲内の条件で、セラミックス基板１１の酸化処理を実施している。
ここで、雰囲気の露点は、−３０℃以下とすることが好ましく、−４０℃以下とすることがさらに好ましい。
また、酸化膜形成工程Ｓ０１における処理温度の下限は、１１３０℃以上とすることが好ましく、１１８０℃以上とすることがさらに好ましい。一方、酸化膜形成工程Ｓ０１における処理温度の上限は、１２５０℃以下とすることが好ましく、１２００℃以下とすることがさらに好ましい。
さらに、酸化膜形成工程Ｓ０１における処理温度での保持時間の下限は、２０分以上とすることが好ましく、３０分以上とすることがさらに好ましい。一方、処理温度での保持時間の上限は、５０分以下とすることが好ましく、４０分以下とすることがさらに好ましい。
In the present embodiment, in the oxide film forming step S01, in an oxidizing atmosphere with a dew point of −20 ° C. or lower, the processing temperature is in the range of 1100 ° C. to 1300 ° C., and the holding time at the above processing temperature is 15 minutes to 60. The oxidation treatment of the ceramic substrate 11 is performed under conditions within a range of less than or equal to minutes.
Here, the dew point of the atmosphere is preferably −30 ° C. or lower, and more preferably −40 ° C. or lower.
Further, the lower limit of the processing temperature in the oxide film forming step S01 is preferably 1130 ° C. or higher, and more preferably 1180 ° C. or higher. On the other hand, the upper limit of the processing temperature in the oxide film forming step S01 is preferably 1250 ° C. or less, and more preferably 1200 ° C. or less.
Furthermore, the lower limit of the holding time at the processing temperature in the oxide film forming step S01 is preferably 20 minutes or more, and more preferably 30 minutes or more. On the other hand, the upper limit of the holding time at the treatment temperature is preferably 50 minutes or less, and more preferably 40 minutes or less.
次に、図４に示すように、酸化膜１１ａを形成したセラミックス基板１１の一方の面に回路層１２となるアルミニウム板２２を積層し、酸化膜１１ａを形成したセラミックス基板１１の他方の面に金属層１３となるアルミニウム板２３を積層する（アルミニウム板積層工程Ｓ０２）。本実施形態では、アルミニウム板２２とセラミックス基板１１との間にＡｌ−Ｓｉ系のろう材２６を介在させるとともに、セラミックス基板１１とアルミニウム板２３との間にＡｌ−Ｓｉ系のろう材２７を介在させている。ここで、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材２６、２７においては、Ｓｉ濃度が１ｍａｓｓ％以上１２ｍａｓｓ％以下の範囲内のものを用いることが好ましい。また、Ａｌ−Ｓｉ系のろう材２６、２７の厚さは５μｍ以上１５μｍ以下の範囲内とすることが好ましい。 Next, as shown in FIG. 4, an aluminum plate 22 to be the circuit layer 12 is laminated on one surface of the ceramic substrate 11 on which the oxide film 11a is formed, and on the other surface of the ceramic substrate 11 on which the oxide film 11a is formed. An aluminum plate 23 to be the metal layer 13 is laminated (aluminum plate lamination step S02). In the present embodiment, an Al—Si based brazing material 26 is interposed between the aluminum plate 22 and the ceramic substrate 11, and an Al—Si based brazing material 27 is interposed between the ceramic substrate 11 and the aluminum plate 23. I am letting. Here, as the Al—Si based brazing materials 26 and 27, it is preferable to use those having a Si concentration in the range of 1 mass% or more and 12 mass% or less. Moreover, it is preferable that the thickness of the Al—Si-based brazing materials 26 and 27 be in the range of 5 μm to 15 μm.
次いで、積層したアルミニウム板２２、セラミックス基板１１、アルミニウム板２３を、その積層方向に１ｋｇｆ／ｃｍ２以上１０ｋｇｆ／ｃｍ２以下（０．０９８ＭＰａ以上０．９８０ＭＰａ以下）の範囲で加圧した状態で真空加熱炉に装入し、アルミニウム板２２とセラミックス基板１１とを接合して回路層１２を形成し、セラミックス基板１１とアルミニウム板２３とを接合して金属層１３を形成する（アルミニウム板接合工程Ｓ０３）。
アルミニウム板接合工程Ｓ０３における接合条件は、真空条件は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内、加熱温度は５８０℃以上６３０℃以下の範囲内、上記加熱温度での保持時間は１０分以上４５分以下の範囲内に設定されている。
Next, the laminated aluminum plate 22, ceramic substrate 11, and aluminum plate 23 are vacuumed in a state in which they are pressurized in the laminating direction in the range of 1 kgf / cm 2 to 10 kgf / cm 2 (0.098 MPa to 0.980 MPa). It inserts in a heating furnace, the aluminum plate 22 and the ceramic substrate 11 are joined, the circuit layer 12 is formed, the ceramic substrate 11 and the aluminum plate 23 are joined, and the metal layer 13 is formed (aluminum plate joining process S03). ).
As for the joining conditions in the aluminum plate joining step S03, the vacuum conditions are in the range of 10 −6 Pa to 10 −3 Pa, the heating temperature is in the range of 580 ° C. to 630 ° C., and the holding time at the heating temperature is 10 minutes. It is set within the range of 45 minutes or less.
ここで、積層方向の加圧荷重の下限は３ｋｇｆ／ｃｍ２以上とすることが好ましく、５ｋｇｆ／ｃｍ２以上とすることがさらに好ましい。一方、積層方向の加圧荷重の上限は８ｋｇｆ／ｃｍ２以下とすることが好ましく、７ｋｇｆ／ｃｍ２以下とすることがさらに好ましい。
また、加熱温度の下限は、５８５℃以上とすることが好ましく、５９０℃以上とすることがさらに好ましい。一方、加熱温度の上限は、６２５℃以下とすることが好ましく、６２０℃以下とすることがさらに好ましい。
さらに、加熱温度での保持時間の下限は、１５分以上とすることが好ましく、２０分以上とすることがさらに好ましい。一方、加熱温度での保持時間の上限は、４０分以下とすることが好ましく、３０分以下とすることがさらに好ましい。
Here, the lower limit of the pressing load in the stacking direction is preferably 3 kgf / cm 2 or more, and more preferably 5 kgf / cm 2 or more. On the other hand, the upper limit of the pressing load in the stacking direction is preferably 8 kgf / cm 2 or less, and more preferably 7 kgf / cm 2 or less.
The lower limit of the heating temperature is preferably 585 ° C. or higher, and more preferably 590 ° C. or higher. On the other hand, the upper limit of the heating temperature is preferably 625 ° C. or less, and more preferably 620 ° C. or less.
Furthermore, the lower limit of the holding time at the heating temperature is preferably 15 minutes or more, and more preferably 20 minutes or more. On the other hand, the upper limit of the holding time at the heating temperature is preferably 40 minutes or less, and more preferably 30 minutes or less.
また、アルミニウム板積層工程Ｓ０２においては、ろう材２６を用いることなく、酸化膜１１ａとアルミニウム板２２、２３を固相拡散接合によって接合し、回路層１２及び金属層１３を形成することもできる。
この場合、酸化膜１１ａを形成したセラミックス基板１１の一方の面に回路層１２となるアルミニウム板２２を直接積層し、酸化膜１１ａを形成したセラミックス基板１１の他方の面に金属層１３となるアルミニウム板２３を直接積層する。
そして、積層方向への荷重８ｋｇｆ／ｃｍ２以上３５ｋｇｆ／ｃｍ２以下、好ましくは１０ｋｇｆ／ｃｍ２以上２５ｋｇｆ／ｃｍ２以下、より好ましくは１５ｋｇｆ／ｃｍ２以上２０ｋｇｆ／ｃｍ２以下とし、加熱温度６２０℃以上６５０℃以下、好ましくは６３０℃以上６５０℃以下、より好ましくは６４０℃以上６５０℃以下とし、加熱時間３０分以上１５０分以下、好ましくは４５分以上１２０分以下、より好ましくは６０分以上９０分以下の条件で接合する。また、接合雰囲気は真空雰囲気（１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内）とするとよい。
Further, in the aluminum plate lamination step S02, the circuit layer 12 and the metal layer 13 can be formed by joining the oxide film 11a and the aluminum plates 22 and 23 by solid phase diffusion bonding without using the brazing material 26.
In this case, an aluminum plate 22 that becomes the circuit layer 12 is directly laminated on one surface of the ceramic substrate 11 on which the oxide film 11a is formed, and an aluminum that becomes the metal layer 13 on the other surface of the ceramic substrate 11 on which the oxide film 11a is formed. The plates 23 are directly laminated.
Then, a load 8 kgf / cm 2 or more 35 kgf / cm 2 or less in the stacking direction, preferably 10 kgf / cm 2 or more 25 kgf / cm 2 or less, and more preferably set to 15 kgf / cm 2 or more 20 kgf / cm 2 or less, the heating temperature 620 ° C. 650 ° C. or lower, preferably 630 ° C. or higher and 650 ° C. or lower, more preferably 640 ° C. or higher and 650 ° C. or lower, and heating time 30 minutes or longer and 150 minutes or shorter, preferably 45 minutes or longer and 120 minutes or shorter, more preferably 60 minutes or longer and 90 minutes or shorter. Join under conditions of less than a minute. The bonding atmosphere is preferably a vacuum atmosphere (within a range of 10 −6 Pa to 10 −3 Pa).
以上のような工程によって、本実施形態である絶縁回路基板１０が製造される。ここで、セラミックス基板１１に形成された酸化膜１１ａについては、アルミニウム板２２，２３を接合して回路層１２及び金属層１３を形成した後でも、その厚さはほとんど変化しない。 The insulated circuit board 10 which is this embodiment is manufactured by the above processes. Here, the thickness of the oxide film 11 a formed on the ceramic substrate 11 hardly changes even after the aluminum plates 22 and 23 are joined to form the circuit layer 12 and the metal layer 13.
次に、図５に示すように、絶縁回路基板１０の金属層１３の他方の面側（図５において下側）にろう材２８を介して緩衝層１５となるアルミニウム板２５が積層されるとともに、アルミニウム板２５の他方の面側にろう材２９を介してヒートシンク３１が積層される。そして、これを積層方向に積層方向に１ｋｇｆ／ｃｍ２以上１０ｋｇｆ／ｃｍ２以下（０．０９８ＭＰａ以上０．９８０ＭＰａ以下）の範囲で加圧した状態で真空加熱炉に装入し、金属層１３とアルミニウム板２５、アルミニウム板２５とヒートシンク３１とを接合する（ヒートシンク接合工程Ｓ０４）。
ヒートシンク接合工程Ｓ０４における接合条件は、真空条件は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内、加熱温度は５８０℃以上６１０℃以下の範囲内、上記加熱温度での保持時間は５分以上３０分以下の範囲内に設定されることが好ましい。
Next, as shown in FIG. 5, an aluminum plate 25 serving as a buffer layer 15 is laminated on the other surface side (lower side in FIG. 5) of the metal layer 13 of the insulated circuit board 10 with a brazing material 28 interposed therebetween. The heat sink 31 is laminated on the other surface side of the aluminum plate 25 via the brazing material 29. Then, the metal layer 13 was charged with the metal layer 13 in a state in which this was pressurized in the stacking direction in the stacking direction in the range of 1 kgf / cm 2 to 10 kgf / cm 2 (0.098 MPa to 0.980 MPa). The aluminum plate 25, the aluminum plate 25, and the heat sink 31 are joined (heat sink joining step S04).
The joining conditions in the heat sink joining step S04 are as follows: the vacuum condition is in the range of 10 −6 Pa to 10 −3 Pa, the heating temperature is in the range of 580 ° C. to 610 ° C., and the holding time at the heating temperature is 5 minutes or more. It is preferably set within a range of 30 minutes or less.
以上のような工程によって、図５に示すように、本実施形態であるヒートシンク付き絶縁回路基板３０が製造される。
次いで、回路層１２の一方の面に、はんだ材を介してＬＥＤ素子３を積層し、加熱炉内においてはんだ接合する（ＬＥＤ素子接合工程Ｓ０５）。
上記のようにして、本実施形態であるＬＥＤモジュール１が製造される。
Through the steps as described above, as shown in FIG. 5, the insulating circuit board 30 with the heat sink according to the present embodiment is manufactured.
Next, the LED element 3 is laminated on one surface of the circuit layer 12 via a solder material, and solder-bonded in a heating furnace (LED element bonding step S05).
As described above, the LED module 1 according to this embodiment is manufactured.
以上のような構成とされた本実施形態である絶縁回路基板の製造方法によれば、窒化アルミニウムからなるセラミックス基板１１の表面に酸化膜１１ａを形成する酸化膜形成工程Ｓ０１と、この酸化膜１１ａを介してアルミニウム板２２、２３を接合するアルミニウム板接合工程Ｓ０３と、を備えているので、アルミニウム板２２，２３とセラミックス基板１１との密着性が向上することになり、低温条件で接合しても、アルミニウム板２２，２３とセラミックス基板１１とを確実に接合することが可能となる。 According to the method for manufacturing an insulated circuit board of the present embodiment configured as described above, the oxide film forming step S01 for forming the oxide film 11a on the surface of the ceramic substrate 11 made of aluminum nitride, and the oxide film 11a. And the aluminum plate joining step S03 for joining the aluminum plates 22 and 23 via the metal plate, the adhesion between the aluminum plates 22 and 23 and the ceramic substrate 11 is improved. In addition, the aluminum plates 22 and 23 and the ceramic substrate 11 can be reliably bonded.
そして、酸化膜形成工程Ｓ０１においては、酸化膜１１ａの平均厚さｔを０．７μｍ以上としているので、セラミックス基板１１の表面に均一に酸化膜１１ａを形成することができ、アルミニウム板２２，２３とセラミックス基板１１とを確実に接合することが可能となる。
一方、酸化膜形成工程Ｓ０１においては、酸化膜１１ａの平均厚さｔを１８μｍ以下としているので、酸化膜１１ａ内部や酸化膜１１ａとセラミックス基板１１との界面におけるクラックの発生を抑制することができる。
In the oxide film forming step S01, since the average thickness t of the oxide film 11a is 0.7 μm or more, the oxide film 11a can be uniformly formed on the surface of the ceramic substrate 11, and the aluminum plates 22, 23 are formed. And the ceramic substrate 11 can be reliably bonded.
On the other hand, in the oxide film formation step S01, since the average thickness t of the oxide film 11a is 18 μm or less, generation of cracks in the oxide film 11a and at the interface between the oxide film 11a and the ceramic substrate 11 can be suppressed. .
また、本実施形態では、酸化膜形成工程Ｓ０１において、露点−２０℃以下の酸化雰囲気で酸化膜１１ａを形成する構成としているので、酸化膜が異常成長することがなく、比較的均一な厚さで酸化膜を形成することができる。
さらに、本実施形態では、酸化膜形成工程Ｓ０１において、処理温度を１１００℃以上１３００℃以下の範囲内、前記処理温度での保持時間を１５分以上６０分以下の範囲内に設定しているので、形成される酸化膜の平均厚さを０．７μｍ以上１８μｍ以下の範囲内とすることができる。
In the present embodiment, since the oxide film 11a is formed in an oxide atmosphere at a dew point of −20 ° C. or lower in the oxide film forming step S01, the oxide film does not grow abnormally and has a relatively uniform thickness. Thus, an oxide film can be formed.
Further, in the present embodiment, in the oxide film forming step S01, the processing temperature is set in the range of 1100 ° C. to 1300 ° C., and the holding time at the processing temperature is set in the range of 15 minutes to 60 minutes. The average thickness of the formed oxide film can be in the range of 0.7 μm to 18 μm.
さらに、本実施形態では、アルミニウム板接合工程Ｓ０２における接合温度を５８０℃以上としているので、アルミニウム板２２、２３とセラミックス基板１１とを確実に接合することができ、接合信頼性を向上させることができる。一方、アルミニウム板接合工程Ｓ０２における接合温度を６３０℃以下としているので、接合時においてアルミニウム板２２，２３の一部が溶融してしまうことを抑制することができる。 Furthermore, in this embodiment, since the joining temperature in aluminum plate joining process S02 is 580 degreeC or more, the aluminum plates 22 and 23 and the ceramic substrate 11 can be joined reliably, and joining reliability can be improved. it can. On the other hand, since the joining temperature in aluminum plate joining process S02 is 630 degrees C or less, it can suppress that a part of aluminum plates 22 and 23 fuse | melt at the time of joining.
さらに、本実施形態では、接合されるアルミニウム板２２，２３の厚さを０．０５ｍｍ以上０．４ｍｍ以下の範囲内に設定しているので、接合時にアルミニウム板２２，２３が溶融することを抑制することができる。
なお、本実施形態では、金属層１３の厚さが薄くなっているが、緩衝層１５を備えているので、熱応力を緩衝層１５によって緩和することができる。
Furthermore, in this embodiment, since the thickness of the aluminum plates 22 and 23 to be joined is set within a range of 0.05 mm or more and 0.4 mm or less, the aluminum plates 22 and 23 are prevented from melting at the time of joining. can do.
In the present embodiment, the thickness of the metal layer 13 is reduced. However, since the buffer layer 15 is provided, the thermal stress can be relieved by the buffer layer 15.
また、本実施形態である絶縁回路基板１０においては、セラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３の接合界面に酸化膜１１ａが形成されており、この酸化膜１１ａの平均厚さが０．７μｍ以上１８μｍ以下とされているので、接合界面に酸化膜１１ａが均一に形成されており、セラミックス基板１１と回路層１２及び金属層１３を均一に接合することができる。また、酸化膜１１ａが必要以上に厚くないため、酸化膜１１ａにおけるクラックの発生を抑制することができる。 In the insulated circuit board 10 according to the present embodiment, an oxide film 11a is formed at the bonding interface between the ceramic substrate 11, the circuit layer 12, and the metal layer 13, and the average thickness of the oxide film 11a is 0.7 μm. Since the thickness is 18 μm or less, the oxide film 11 a is uniformly formed at the bonding interface, and the ceramic substrate 11, the circuit layer 12, and the metal layer 13 can be bonded uniformly. In addition, since the oxide film 11a is not thicker than necessary, generation of cracks in the oxide film 11a can be suppressed.
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, It can change suitably in the range which does not deviate from the technical idea of the invention.
例えば、本実施形態では、絶縁回路基板にＬＥＤ素子を搭載してＬＥＤモジュールを構成するものとして説明したが、これに限定されることはない。例えば、絶縁回路基板の回路層にパワー半導体素子を搭載してパワーモジュールを構成してもよいし、絶縁回路基板の回路層に熱電素子を搭載して熱電モジュールを構成してもよい。 For example, in the present embodiment, the LED module is configured by mounting the LED element on the insulating circuit board. However, the present invention is not limited to this. For example, a power module may be configured by mounting a power semiconductor element on the circuit layer of the insulating circuit board, or a thermoelectric module may be configured by mounting a thermoelectric element on the circuit layer of the insulating circuit board.
また、本実施形態では、セラミックス基板とアルミニウム板とをろう材を用いて接合するものとして説明したが、これに限定されることはなく、固相拡散接合によって接合してもよい。さらに、接合面にＣｕ、Ｓｉ等の添加元素を固着させ、これらの添加元素を拡散させることで溶融・凝固させる過渡液相接合法（ＴＬＰ）によって接合してもよい。また、接合界面を半溶融状態として接合してもよい。 Moreover, although this embodiment demonstrated as what joins a ceramic substrate and an aluminum plate using a brazing material, it is not limited to this, You may join by solid phase diffusion bonding. Furthermore, bonding may be performed by a transient liquid phase bonding method (TLP) in which an additive element such as Cu or Si is fixed to the bonding surface, and these additive elements are diffused to melt and solidify. Moreover, you may join by making a joining interface into a semi-molten state.
さらに、本実施形態では、緩衝層を設けたものとして説明したが、この緩衝層を備えていなくてもよい。
また、ヒートシンクをアルミニウム合金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、銅又は銅合金等の他の金属で構成されていてもよいし、金属と炭素材との複合材料（例えばＡｌＳｉＣ等）で構成されていてもよい。
Furthermore, in this embodiment, although demonstrated as what provided the buffer layer, this buffer layer does not need to be provided.
Moreover, although demonstrated as what comprised the heat sink with the aluminum alloy, it is not limited to this, You may be comprised with other metals, such as copper or a copper alloy, and the composite material of a metal and a carbon material (For example, AlSiC etc.) may be used.
さらに、本実施形態においては、セラミックス基板の一方の面及び他方の面にそれぞれアルミニウム板を接合して回路層及び金属層を形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、セラミックス基板の一方の面にのみアルミニウム板を接合して回路層を形成し、金属層を形成しなくてもよいし、他の金属等で構成してもよい。また、セラミックス基板の他方の面にのみアルミニウム板を接合して金属層を形成し、回路層を他の金属等で構成してもよい。 Furthermore, in this embodiment, although it demonstrated as what formed the circuit layer and the metal layer by joining the aluminum plate to the one surface and the other surface of the ceramic substrate, respectively, the present invention is not limited to this. An aluminum plate may be bonded to only one surface of the substrate to form a circuit layer, and the metal layer may not be formed, or may be composed of another metal or the like. Moreover, an aluminum plate may be joined only to the other surface of the ceramic substrate to form a metal layer, and the circuit layer may be made of another metal or the like.
以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。
ＡｌＮからなるセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ×０．６３５ｍｍｔ）を準備し、表１に示す条件で酸化処理を行い、表面に酸化膜を形成した。なお、従来例では、酸化処理を実施しなかった。
Below, the result of the confirmation experiment performed in order to confirm the effect of this invention is demonstrated.
A ceramic substrate (40 mm × 40 mm × 0.635 mmt) made of AlN was prepared, and an oxidation treatment was performed under the conditions shown in Table 1 to form an oxide film on the surface. In the conventional example, the oxidation treatment was not performed.
上述のセラミックス基板の一方の面及び他方の面に、表２に示すアルミニウム板を積層し、真空条件下（３×１０‐４Ｐａ）でセラミックス基板とアルミニウム板とを接合した。
なお、表２において「ろう付け」は、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材（Ｓｉ：５ｍａｓｓ％、厚さ７μｍ）を用いて接合した。
表２において「固相拡散」は、アルミニウム板とセラミックス基板を固相拡散接合によって接合した。
表２において「ＴＬＰ」は、アルミニウム板の接合面にＣｕを０．２ｍｇ／ｃｍ２となるように固着し、過渡液相接合法（ＴＬＰ）によって接合した。
The aluminum plate shown in Table 2 was laminated on one surface and the other surface of the ceramic substrate described above, and the ceramic substrate and the aluminum plate were joined under vacuum conditions (3 × 10 −4 Pa).
In Table 2, “brazing” was performed using an Al—Si brazing material (Si: 5 mass%, thickness: 7 μm).
In Table 2, “solid phase diffusion” is the bonding of an aluminum plate and a ceramic substrate by solid phase diffusion bonding.
In Table 2, “TLP” was bonded to the bonding surface of the aluminum plate so that Cu was 0.2 mg / cm 2 and was bonded by a transient liquid phase bonding method (TLP).
上述のようにして得られた絶縁回路基板について、以下のように評価した。 The insulated circuit board obtained as described above was evaluated as follows.
（酸化膜の平均厚さ）
酸化処理を実施した後のセラミックス基板の断面観察を行い、酸化膜の平均厚さを評価した。評価結果を表１に示す。
セラミックス基板の断面観察は、ＥＰＭＡ（日本電子株式会社製ＪＸＡ−８５３９Ｆ）を用いて行い、ＡｌＮと酸化物層との界面を含む領域（縦１００μｍ×横２００μｍ）のＡｌ及びＯの元素ＭＡＰを取得し、Ａｌ濃度が２０ａｔ％以上かつＯ濃度が４５ａｔ％以上７５ａｔ％以下の領域を酸化膜と見做し、その面積を測定幅で割った値を酸化膜の厚さとした。このような測定を５視野で実施し、その平均値を酸化膜の平均厚さとした。
なお、本発明例１のセラミックス基板の断面観察結果を図７に示す。セラミックス基板の表面に酸化膜が形成されていることが確認される。
(Average thickness of oxide film)
The cross section of the ceramic substrate after the oxidation treatment was observed, and the average thickness of the oxide film was evaluated. The evaluation results are shown in Table 1.
Cross-sectional observation of the ceramic substrate is performed using EPMA (JXA-8539F manufactured by JEOL Ltd.), and Al and O element MAP in the region (100 μm × 200 μm) including the interface between AlN and the oxide layer is obtained. A region having an Al concentration of 20 at% or more and an O concentration of 45 at% or more and 75 at% or less was regarded as an oxide film, and a value obtained by dividing the area by the measurement width was defined as the thickness of the oxide film. Such a measurement was carried out with 5 fields of view, and the average value was defined as the average thickness of the oxide film.
In addition, the cross-sectional observation result of the ceramic substrate of the inventive example 1 is shown in FIG. It is confirmed that an oxide film is formed on the surface of the ceramic substrate.
（冷熱サイクル試験）
冷熱衝撃試験機（エスペック株式会社製ＴＳＡ−７２ＥＳ）を使用し、絶縁回路基板に対して、気相で、−４０℃×５分←→１７５℃×５分の８００サイクルを実施した。
この後、セラミックス基板とアルミニウム板との接合率を以下のようにして評価した。なお、接合率の評価は、冷熱サイクル試験前（初期接合率）と冷熱サイクル試験後（サイクル後接合率）に行った。
(Cooling cycle test)
Using a thermal shock tester (TSA-72ES manufactured by Espec Co., Ltd.), 800 cycles of −40 ° C. × 5 minutes ← → 175 ° C. × 5 minutes were performed on the insulating circuit board in the gas phase.
Thereafter, the bonding rate between the ceramic substrate and the aluminum plate was evaluated as follows. In addition, evaluation of the joining rate was performed before the thermal cycle test (initial joining rate) and after the thermal cycling test (post-cycle joining rate).
接合率の評価は、絶縁回路基板に対し、セラミックス基板とアルミニウム板（回路層及び金属層）との界面の接合率について超音波探傷装置（株式会社日立パワーソリューションズ製ＦｉｎｅＳＡＴ２００）を用いて評価し、以下の式から接合率を算出した。
ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積、すなわち本実施例では回路層及び金属層の面積（３７ｍｍ×３７ｍｍ）とした。
（接合率）＝｛（初期接合面積）−（剥離面積）｝／（初期接合面積）
超音波探傷像を二値化処理した画像において剥離は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を剥離面積とした。
これらの結果を表３に記載した。
For the evaluation of the bonding rate, the bonding rate at the interface between the ceramic substrate and the aluminum plate (circuit layer and metal layer) is evaluated using an ultrasonic flaw detector (FineSAT 200 manufactured by Hitachi Power Solutions Co., Ltd.) The joining rate was calculated from the following formula.
Here, the initial bonding area is the area to be bonded before bonding, that is, the area of the circuit layer and the metal layer (37 mm × 37 mm) in this embodiment.
(Bonding rate) = {(initial bonding area) − (peeling area)} / (initial bonding area)
In the image obtained by binarizing the ultrasonic flaw detection image, the peeling is indicated by the white portion in the joint portion. Therefore, the area of the white portion is defined as the peeling area.
These results are shown in Table 3.
比較例１、２においては、セラミックス基板の表面に形成された酸化膜の平均厚さが本発明の範囲よりも薄く、酸化膜が均一に形成されなかったため、冷熱サイクル試験後の接合率が低くなった。
比較例３、４においては、セラミックス基板の表面に形成された酸化膜の平均厚さが本発明の範囲よりも厚く、冷熱サイクル負荷時に酸化膜にクラックが生じたため、冷熱サイクル試験後の接合率が低くなった。
従来例においては、酸化処理を行っていないことからセラミックス基板の表面に酸化膜が形成されておらず、６２０℃の接合温度では十分な接合強度が得られなかったため、冷熱サイクル試験後の接合率が低くなった。
In Comparative Examples 1 and 2, since the average thickness of the oxide film formed on the surface of the ceramic substrate was thinner than the range of the present invention and the oxide film was not formed uniformly, the bonding rate after the thermal cycle test was low. became.
In Comparative Examples 3 and 4, since the average thickness of the oxide film formed on the surface of the ceramic substrate was thicker than the range of the present invention, and the oxide film was cracked when the thermal cycle was applied, the bonding rate after the thermal cycle test Became lower.
In the conventional example, since no oxidation treatment was performed, an oxide film was not formed on the surface of the ceramic substrate, and sufficient bonding strength was not obtained at a bonding temperature of 620 ° C. Therefore, the bonding rate after the thermal cycle test Became lower.
これに対して、本発明例１−１０においては、いずれも冷熱サイクル試験後の接合率が９０．６％以上と高くなっており、接合信頼性に優れていたことが確認された。また、本発明例では、接合方式として「ろう付け」、「ＴＬＰ」、「固相拡散」を適用したが、いずれも、接合温度を６５０℃以下の比較的低温条件にしても、接合信頼性に優れていた。 On the other hand, in Inventive Example 1-10, the bonding rate after the thermal cycle test was as high as 90.6% or more, and it was confirmed that the bonding reliability was excellent. In the present invention example, “brazing”, “TLP”, and “solid phase diffusion” are applied as the bonding method. It was excellent.
以上のことから、本発明例によれば、低温条件で接合してもアルミニウム板とセラミックス基板との接合信頼性を向上させることが可能な絶縁回路基板の製造方法、及び、絶縁回路基板を提供できることが確認された。 As described above, according to the example of the present invention, there is provided an insulating circuit board manufacturing method and an insulating circuit board capable of improving the bonding reliability between an aluminum plate and a ceramic substrate even when bonded under a low temperature condition. It was confirmed that it was possible.
１ ＬＥＤモジュール
３ ＬＥＤ素子
１０ 絶縁回路基板
１１ セラミックス基板
１２ 回路層（アルミニウム層）
１３ 金属層（アルミニウム層）
３０ ヒートシンク付き絶縁回路基板
３１ ヒートシンク
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 LED module 3 LED element 10 Insulated circuit board 11 Ceramic substrate 12 Circuit layer (aluminum layer)
13 Metal layer (aluminum layer)
30 Insulated circuit board with heat sink 31 Heat sink
Claims (10)
前記セラミックス基板の表面に酸化膜を形成する酸化膜形成工程と、前記酸化膜を介して前記アルミニウム板を接合するアルミニウム板接合工程と、を有し、
前記酸化膜形成工程では、前記酸化膜の平均厚さを０．７μｍ以上１８μｍ以下の範囲内とすることを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。 A method for producing an insulated circuit board comprising: a ceramic substrate made of aluminum nitride; and an aluminum layer formed by joining an aluminum plate made of aluminum or an aluminum alloy to the ceramic substrate,
An oxide film forming step of forming an oxide film on the surface of the ceramic substrate; and an aluminum plate bonding step of bonding the aluminum plate via the oxide film,
In the oxide film forming step, an average thickness of the oxide film is in a range of 0.7 μm to 18 μm.
前記セラミックス基板と前記アルミニウム層との間に、平均厚さ０．７μｍ以上１８μｍ以下の酸化膜が形成されていることを特徴とすることを特徴とする絶縁回路基板。 An insulating circuit board in which an aluminum layer made of aluminum or an aluminum alloy is formed on a ceramic board made of aluminum nitride,
An insulating circuit board, wherein an oxide film having an average thickness of 0.7 μm or more and 18 μm or less is formed between the ceramic substrate and the aluminum layer.
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