JP2021031315A - Copper/ceramic joint, insulated circuit board, copper/ceramic joint producing method, insulated circuit board producing method - Google Patents
Copper/ceramic joint, insulated circuit board, copper/ceramic joint producing method, insulated circuit board producing method Download PDFInfo
- Publication number
- JP2021031315A JP2021031315A JP2019150146A JP2019150146A JP2021031315A JP 2021031315 A JP2021031315 A JP 2021031315A JP 2019150146 A JP2019150146 A JP 2019150146A JP 2019150146 A JP2019150146 A JP 2019150146A JP 2021031315 A JP2021031315 A JP 2021031315A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- copper
- circuit board
- intermetallic compound
- ceramic substrate
- ceramic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Landscapes
- Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
Abstract
Description
この発明は、銅又は銅合金からなる銅部材と、セラミックス部材とが接合されてなる銅/セラミックス接合体、セラミックス基板の表面に銅又は銅合金からなる銅板が接合されてなる絶縁回路基板、及び、銅/セラミックス接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a copper / ceramics junction in which a copper member made of copper or a copper alloy and a ceramics member are joined, an insulating circuit board in which a copper plate made of copper or a copper alloy is joined to the surface of the ceramics substrate, and an insulating circuit board. , A method for manufacturing a copper / ceramics joint, and a method for manufacturing an insulated circuit board.
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。
例えば、風力発電、電気自動車、ハイブリッド自動車等を制御するために用いられる大電力制御用のパワー半導体素子は、動作時の発熱量が多いことから、これを搭載する基板としては、セラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に導電性の優れた金属板を接合して形成した回路層と、を備えた絶縁回路基板が、従来から広く用いられている。なお、絶縁回路基板としては、セラミックス基板の他方の面に金属板を接合して金属層を形成したものも提供されている。
The power module, LED module, and thermoelectric module have a structure in which a power semiconductor element, an LED element, and a thermoelectric element are bonded to an insulating circuit substrate in which a circuit layer made of a conductive material is formed on one surface of the insulating layer. ..
For example, a power semiconductor element for high power control used for controlling a wind power generation, an electric vehicle, a hybrid vehicle, etc. has a large amount of heat generation during operation. An insulated circuit board provided with a circuit layer formed by joining a metal plate having excellent conductivity to one surface of the ceramics substrate has been widely used conventionally. As the insulating circuit board, a circuit board in which a metal plate is joined to the other surface of a ceramics substrate to form a metal layer is also provided.
例えば、特許文献1には、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に、銅板を接合することにより回路層及び金属層を形成した絶縁回路基板が提案されている。この特許文献1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、Ag−Cu−Ti系ろう材を介在させて銅板を配置し、加熱処理を行うことにより銅板が接合されている(いわゆる活性金属ろう付け法)。この活性金属ろう付け法では、活性金属であるTiが含有されたろう材を用いているため、溶融したろう材とセラミックス基板との濡れ性が向上し、セラミックス基板と銅板とが良好に接合されることになる。 For example, Patent Document 1 proposes an insulated circuit board in which a circuit layer and a metal layer are formed by joining a copper plate to one surface and the other surface of a ceramic substrate. In Patent Document 1, a copper plate is arranged on one surface and the other surface of a ceramic substrate with an Ag-Cu-Ti brazing material interposed therebetween, and the copper plate is joined by heat treatment (so-called). Active metal brazing method). Since this active metal brazing method uses a brazing material containing Ti, which is an active metal, the wettability between the molten brazing material and the ceramic substrate is improved, and the ceramic substrate and the copper plate are satisfactorily bonded. It will be.
また、特許文献2においては、Cu−Mg−Ti系ろう材を用いて、セラミックス基板と銅板とを接合した絶縁回路基板が提案されている。
この特許文献2においては、窒素ガス雰囲気下にて560〜800℃で加熱することによって接合する構成とされており、Cu−Mg−Ti合金中のMgは昇華して接合界面には残存せず、かつ、窒化チタン(TiN)が実質的に形成しないものとされている。
Further, Patent Document 2 proposes an insulating circuit board in which a ceramic substrate and a copper plate are bonded to each other by using a Cu-Mg-Ti brazing material.
In Patent Document 2, the bonding is performed by heating at 560 to 800 ° C. in a nitrogen gas atmosphere, and Mg in the Cu—Mg—Ti alloy is sublimated and does not remain at the bonding interface. Moreover, it is assumed that titanium nitride (TiN) is not substantially formed.
ところで、上述の絶縁回路基板の回路層においては、端子材等が超音波接合されることがある。
ここで、特許文献1、2に記載された絶縁回路基板においては、端子材等を接合するために超音波を負荷させた際に、接合界面にクラックが発生し、回路層が剥離してしまうおそれがあった。また、セラミックス基板に割れが生じるおそれがあった。
By the way, in the circuit layer of the above-mentioned insulated circuit board, terminal materials and the like may be ultrasonically bonded.
Here, in the insulated circuit boards described in Patent Documents 1 and 2, when ultrasonic waves are applied to bond terminal materials and the like, cracks occur at the bonding interface and the circuit layer is peeled off. There was a risk. In addition, the ceramic substrate may be cracked.
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、超音波接合を行った場合であってもセラミックス部材と銅部材との剥離を抑制することができるとともにセラミックス部材の割れの発生を抑制することができ、超音波接合性に優れた銅/セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、銅/セラミックス接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances, and it is possible to suppress peeling between the ceramic member and the copper member even when ultrasonic bonding is performed, and the occurrence of cracking of the ceramic member is caused. It is an object of the present invention to provide a copper / ceramics bonded body, an insulating circuit board, a method for manufacturing a copper / ceramics bonded body, and a method for manufacturing an insulated circuit board, which can be suppressed and have excellent ultrasonic bonding properties.
前述の課題を解決するために、本発明の銅/セラミックス接合体は、銅又は銅合金からなる銅部材と、セラミックス部材とが接合されてなる銅/セラミックス接合体であって、前記セラミックス部材と前記銅部材との間には、CuとMgを含む金属間化合物からなるCu−Mg金属間化合物相が形成されており、前記セラミックス部材の接合面から前記銅部材側へ50μmまでの領域における前記Cu−Mg金属間化合物相の面積率が20%以上45%以下の範囲内とされていることを特徴としている。 In order to solve the above-mentioned problems, the copper / ceramics joint of the present invention is a copper / ceramics joint in which a copper member made of copper or a copper alloy and a ceramics member are bonded to each other. A Cu-Mg metal-to-metal compound phase composed of a metal-to-metal compound containing Cu and Mg is formed between the copper member and the copper member, and the region from the joint surface of the ceramic member to the copper member side up to 50 μm is described. The area ratio of the Cu-Mg metal-to-metal compound phase is in the range of 20% or more and 45% or less.
本発明の銅/セラミックス接合体によれば、前記セラミックス部材の接合面から前記銅部材側へ50μmまでの領域における前記Cu−Mg金属間化合物相の面積率が20%以上45%以下の範囲内とされているので、接合界面が適度に強化され、超音波を負荷させた場合であっても、セラミックス部材と銅部材との剥離を抑制することができるとともに、セラミックス部材の割れの発生を抑制でき、超音波接合性を向上させることが可能となる。 According to the copper / ceramics bonded body of the present invention, the area ratio of the Cu-Mg metal-to-metal compound phase in the region from the bonding surface of the ceramics member to the copper member side up to 50 μm is within the range of 20% or more and 45% or less. Therefore, the bonding interface is appropriately strengthened, and even when an ultrasonic wave is applied, peeling between the ceramic member and the copper member can be suppressed, and cracking of the ceramic member is suppressed. It is possible to improve ultrasonic bonding.
ここで、本発明の銅/セラミックス接合体においては、前記Cu−Mg金属間化合物相の少なくとも一部が前記セラミックス部材と接触していることが好ましい。
この場合、比較的硬いCu−Mg金属間化合物相の少なくとも一部がセラミックス部材と接することにより、超音波接合時にセラミックス部材に応力が集中することを抑制でき、セラミックス部材の割れをさらに抑制することが可能となる。
Here, in the copper / ceramics joint of the present invention, it is preferable that at least a part of the Cu-Mg intermetallic compound phase is in contact with the ceramics member.
In this case, by contacting at least a part of the relatively hard Cu-Mg intermetallic compound phase with the ceramic member, it is possible to suppress stress concentration on the ceramic member during ultrasonic bonding, and further suppress cracking of the ceramic member. Is possible.
また、本発明の銅/セラミックス接合体においては、前記Cu−Mg金属間化合物相の内部には、Cu粒子が分散されていることが好ましい。
この場合、上述のCu粒子により、Cu−Mg金属間化合物相の強度が向上し、超音波を負荷させた際の、セラミックス部材と銅部材との剥離をさらに抑制することが可能となる。
Further, in the copper / ceramics bonded body of the present invention, it is preferable that Cu particles are dispersed inside the Cu-Mg intermetallic compound phase.
In this case, the Cu particles described above improve the strength of the Cu-Mg intermetallic compound phase, and it is possible to further suppress the peeling between the ceramic member and the copper member when an ultrasonic wave is applied.
本発明の絶縁回路基板は、セラミックス基板の表面に、銅又は銅合金からなる銅板が接合されてなる絶縁回路基板であって、前記セラミックス基板と前記銅板との間には、CuとMgを含む金属間化合物からなるCu−Mg金属間化合物相が形成されており、前記セラミックス基板の接合面から前記銅板側へ50μmまでの領域における前記Cu−Mg金属間化合物相の面積率が20%以上45%以下の範囲内とされていることを特徴としている。 The insulating circuit board of the present invention is an insulating circuit board in which a copper plate made of copper or a copper alloy is bonded to the surface of a ceramics substrate, and Cu and Mg are contained between the ceramics substrate and the copper plate. A Cu-Mg metal-to-metal compound phase composed of an inter-metal compound is formed, and the area ratio of the Cu-Mg metal-to-metal compound phase in the region from the bonding surface of the ceramic substrate to the copper plate side up to 50 μm is 20% or more and 45. It is characterized by being within the range of% or less.
本発明の絶縁回路基板によれば、前記セラミックス基板の接合面から前記銅板側へ50μmまでの領域における前記Cu−Mg金属間化合物相の面積率が20%以上45%以下の範囲内とされているので、接合界面が適度に強化され、超音波を負荷させた場合であっても、セラミックス基板と銅板との剥離を抑制することができるとともに、セラミックス基板の割れの発生を抑制でき、超音波接合性を向上させることが可能となる。 According to the insulating circuit board of the present invention, the area ratio of the Cu-Mg metal-to-metal compound phase in the region from the bonding surface of the ceramic substrate to the copper plate side up to 50 μm is within the range of 20% or more and 45% or less. Therefore, the bonding interface is appropriately strengthened, and even when an ultrasonic wave is applied, the peeling between the ceramic substrate and the copper plate can be suppressed, and the occurrence of cracks in the ceramic substrate can be suppressed, and the ultrasonic wave can be suppressed. It is possible to improve the bondability.
ここで、本発明の絶縁回路基板においては、前記Cu−Mg金属間化合物相の少なくとも一部が前記セラミックス基板と接触していることが好ましい。
この場合、比較的硬いCu−Mg金属間化合物相の少なくとも一部がセラミックス基板と接することにより、超音波接合時にセラミックス基板に応力が集中することを抑制でき、セラミックス基板の割れをさらに抑制することが可能となる。
Here, in the insulating circuit board of the present invention, it is preferable that at least a part of the Cu-Mg intermetallic compound phase is in contact with the ceramic substrate.
In this case, by contacting at least a part of the relatively hard Cu-Mg intermetallic compound phase with the ceramic substrate, it is possible to suppress stress concentration on the ceramic substrate during ultrasonic bonding, and further suppress cracking of the ceramic substrate. Is possible.
また、本発明の絶縁回路基板においては、前記Cu−Mg金属間化合物相の内部に、Cu粒子が分散されていることが好ましい。
この場合、上述のCu粒子により、Cu−Mg金属間化合物相の強度が向上し、超音波を負荷させた際の、セラミックス基板と銅板との剥離をさらに抑制することが可能となる。
Further, in the insulating circuit board of the present invention, it is preferable that Cu particles are dispersed inside the Cu-Mg intermetallic compound phase.
In this case, the Cu particles described above improve the strength of the Cu-Mg intermetallic compound phase, and it is possible to further suppress the peeling between the ceramic substrate and the copper plate when an ultrasonic wave is applied.
本発明の銅/セラミックス接合体の製造方法は、上述の銅/セラミックス接合体を製造する銅/セラミックス接合体の製造方法であって、前記銅部材と前記セラミックス部材との間に、Mgを配置するMg配置工程と、前記銅部材と前記セラミックス部材とをMgを介して積層する積層工程と、Mgを介して積層された前記銅部材と前記セラミックス部材とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合する接合工程と、を備えており、前記Mg配置工程では、Mg量を0.69mg/cm2以上4.35mg/cm2以下の範囲内とし、前記接合工程では、480℃以上650℃未満の温度領域における昇温速度が5℃/min以上とされるとともに、650℃以上の温度で30分以上保持することを特徴としている。 The method for producing a copper / ceramics joint of the present invention is a method for producing a copper / ceramics joint for producing the above-mentioned copper / ceramics joint, in which Mg is arranged between the copper member and the ceramics member. The Mg placement step, the laminating step of laminating the copper member and the ceramic member via Mg, and the state where the copper member and the ceramic member laminated via Mg are pressurized in the laminating direction. It includes a joining step of heat-treating and joining in a vacuum atmosphere. In the Mg placement step, the amount of Mg is set within the range of 0.69 mg / cm 2 or more and 4.35 mg / cm 2 or less, and the joining step is performed. In the above, the temperature rise rate in the temperature range of 480 ° C. or higher and lower than 650 ° C. is set to 5 ° C./min or higher, and the temperature is maintained at 650 ° C. or higher for 30 minutes or longer.
この構成の銅/セラミックス接合体の製造方法によれば、前記Mg配置工程では、Mg量を0.69mg/cm2以上4.35mg/cm2以下の範囲内としているので、界面反応に必要な液相を十分に得ることができる。よって、銅部材とセラミックス部材とを確実に接合することができる。
そして、接合工程において、480℃以上650℃未満の温度領域における昇温速度が5℃/min以上とされるとともに、650℃以上の温度で30分以上保持しているので、界面反応に必要な液相を一定時間以上保持することができ、均一な界面反応が促進される。これにより、接合界面にCu−Mg金属間化合物相が形成され、前記セラミックス部材の接合面から前記銅部材側へ50μmまでの領域における前記Cu−Mg金属間化合物相の面積率を20%以上45%以下の範囲内とすることができる。
According to the method for producing a copper / ceramics conjugate having this configuration, the amount of Mg in the Mg placement step is within the range of 0.69 mg / cm 2 or more and 4.35 mg / cm 2 or less, which is necessary for the interfacial reaction. A sufficient liquid phase can be obtained. Therefore, the copper member and the ceramic member can be reliably joined.
In the joining step, the rate of temperature rise in the temperature range of 480 ° C. or higher and lower than 650 ° C. is set to 5 ° C./min or higher, and the temperature is maintained at 650 ° C. or higher for 30 minutes or longer, which is necessary for the interfacial reaction. The liquid phase can be maintained for a certain period of time or longer, and a uniform interfacial reaction is promoted. As a result, a Cu-Mg intermetallic compound phase is formed at the bonding interface, and the area ratio of the Cu-Mg intermetallic compound phase in the region from the bonding surface of the ceramic member to the copper member side up to 50 μm is 20% or more and 45. It can be within the range of% or less.
本発明の絶縁回路基板の製造方法は、上述の絶縁回路基板を製造する絶縁回路基板の製造方法であって、前記銅板と前記セラミックス基板との間に、Mgを配置するMg配置工程と、前記銅板と前記セラミックス基板とをMgを介して積層する積層工程と、Mgを介して積層された前記銅板と前記セラミックス基板とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合する接合工程と、を備えており、前記Mg配置工程では、Mg量を0.69mg/cm2以上4.35mg/cm2以下の範囲内とし、前記接合工程では、480℃以上650℃未満の温度領域における昇温速度が5℃/min以上とされるとともに、650℃以上の温度で30分以上保持することを特徴としている。 The method for manufacturing an insulated circuit board of the present invention is a method for manufacturing an insulated circuit board for manufacturing the above-mentioned insulated circuit board, wherein Mg is placed between the copper plate and the ceramics substrate, and the Mg placement step is described. A laminating step of laminating a copper plate and the ceramics substrate via Mg, and a state in which the copper plate and the ceramics substrate laminated via Mg are pressurized in the laminating direction and heat-treated in a vacuum atmosphere to join them. In the Mg placement step, the amount of Mg is set in the range of 0.69 mg / cm 2 or more and 4.35 mg / cm 2 or less, and in the joining step, the temperature is 480 ° C or more and less than 650 ° C. The temperature rise rate in the temperature range is set to 5 ° C./min or more, and the temperature is maintained at 650 ° C. or higher for 30 minutes or longer.
この構成の絶縁回路基板の製造方法によれば、前記Mg配置工程では、Mg量を0.69mg/cm2以上4.35mg/cm2以下の範囲内としているので、界面反応に必要な液相を十分に得ることができる。よって、銅板とセラミックス基板とを確実に接合することができる。
そして、接合工程において、480℃以上650℃未満の温度領域における昇温速度が5℃/min以上とされるとともに、650℃以上の温度で30分以上保持しているので、界面反応に必要な液相を一定時間以上保持することができ、均一な界面反応が促進される。これにより、接合界面にCu−Mg金属間化合物相が形成され、前記セラミックス基板の接合面から前記銅板側へ50μmまでの領域における前記Cu−Mg金属間化合物相の面積率を20%以上45%以下の範囲内とすることができる。
According to the method for manufacturing an insulated circuit board having this configuration, in the Mg placement step, the amount of Mg is set in the range of 0.69 mg / cm 2 or more and 4.35 mg / cm 2 or less, so that the liquid phase required for the interfacial reaction Can be sufficiently obtained. Therefore, the copper plate and the ceramic substrate can be reliably joined.
In the joining step, the rate of temperature rise in the temperature range of 480 ° C. or higher and lower than 650 ° C. is set to 5 ° C./min or higher, and the temperature is maintained at 650 ° C. or higher for 30 minutes or longer, which is necessary for the interfacial reaction. The liquid phase can be maintained for a certain period of time or longer, and a uniform interfacial reaction is promoted. As a result, a Cu-Mg intermetallic compound phase is formed at the bonding interface, and the area ratio of the Cu-Mg intermetallic compound phase in the region from the bonding surface of the ceramic substrate to the copper plate side up to 50 μm is 20% or more and 45%. It can be within the following range.
本発明によれば、超音波接合を行った場合であってもセラミックス部材と銅部材との剥離を抑制することができるとともにセラミックス部材の割れの発生を抑制することができ、超音波接合性に優れた銅/セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、銅/セラミックス接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, even when ultrasonic bonding is performed, peeling between the ceramic member and the copper member can be suppressed, and cracking of the ceramic member can be suppressed, resulting in ultrasonic bonding. It is possible to provide an excellent copper / ceramics bonded body, an insulated circuit board, a method for manufacturing a copper / ceramics bonded body, and a method for manufacturing an insulated circuit board.
以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。
本実施形態に係る銅/セラミックス接合体は、セラミックスからなるセラミックス部材としてのセラミックス基板11と、銅又は銅合金からなる銅部材としての銅板22(回路層12)及び銅板23(金属層13)とが接合されてなる絶縁回路基板10である。図1に、本実施形態である絶縁回路基板10を備えたパワーモジュール1を示す。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
The copper / ceramics joint according to the present embodiment includes a ceramics substrate 11 as a ceramics member made of ceramics, and a copper plate 22 (circuit layer 12) and a copper plate 23 (metal layer 13) as copper members made of copper or a copper alloy. Is an insulated circuit board 10 formed by joining. FIG. 1 shows a power module 1 provided with an insulated circuit board 10 according to the present embodiment.
このパワーモジュール1は、回路層12及び金属層13が配設された絶縁回路基板10と、回路層12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半導体素子3と、金属層13の他方側(図1において下側)に配置されたヒートシンク30と、を備えている。 The power module 1 is a semiconductor element 3 bonded to an insulating circuit board 10 on which a circuit layer 12 and a metal layer 13 are arranged and one surface (upper surface in FIG. 1) of the circuit layer 12 via a bonding layer 2. And a heat sink 30 arranged on the other side (lower side in FIG. 1) of the metal layer 13.
半導体素子3は、Si等の半導体材料で構成されている。この半導体素子3と回路層12は、接合層2を介して接合されている。
接合層2は、例えばSn−Ag系、Sn−In系、若しくはSn−Ag−Cu系のはんだ材で構成されている。
The semiconductor element 3 is made of a semiconductor material such as Si. The semiconductor element 3 and the circuit layer 12 are bonded via a bonding layer 2.
The bonding layer 2 is made of, for example, a Sn-Ag-based, Sn-In-based, or Sn-Ag-Cu-based solder material.
ヒートシンク30は、前述の絶縁回路基板10からの熱を放散するためのものである。このヒートシンク30は、銅又は銅合金で構成されており、本実施形態ではりん脱酸銅で構成されている。このヒートシンク30には、冷却用の流体が流れるための流路31が設けられている。
なお、本実施形態においては、ヒートシンク30と金属層13とが、はんだ材からなるはんだ層32によって接合されている。このはんだ層32は、例えばSn−Ag系、Sn−In系、若しくはSn−Ag−Cu系のはんだ材で構成されている。
The heat sink 30 is for dissipating heat from the above-mentioned insulating circuit board 10. The heat sink 30 is made of copper or a copper alloy, and in this embodiment, it is made of phosphorylated copper. The heat sink 30 is provided with a flow path 31 for flowing a cooling fluid.
In this embodiment, the heat sink 30 and the metal layer 13 are joined by a solder layer 32 made of a solder material. The solder layer 32 is made of, for example, a Sn-Ag-based, Sn-In-based, or Sn-Ag-Cu-based solder material.
そして、本実施形態である絶縁回路基板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と、を備えている。 As shown in FIG. 1, the insulating circuit board 10 of the present embodiment includes a ceramic substrate 11, a circuit layer 12 disposed on one surface (upper surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11, and ceramics. It includes a metal layer 13 disposed on the other surface (lower surface in FIG. 1) of the substrate 11.
セラミックス基板11は、絶縁性および放熱性に優れた窒化ケイ素(Si3N4)、窒化アルミニウム(AlN)、アルミナ(Al2O3)等のセラミックスで構成されている。本実施形態では、セラミックス基板11は、特に放熱性の優れた窒化アルミニウム(AlN)で構成されている。また、セラミックス基板11の厚さは、例えば、0.2mm以上1.5mm以下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 is made of ceramics such as silicon nitride (Si 3 N 4 ), aluminum nitride (Al N), and alumina (Al 2 O 3 ), which are excellent in insulating properties and heat dissipation. In the present embodiment, the ceramic substrate 11 is made of aluminum nitride (AlN), which has particularly excellent heat dissipation. Further, the thickness of the ceramic substrate 11 is set within the range of, for example, 0.2 mm or more and 1.5 mm or less, and in the present embodiment, it is set to 0.635 mm.
回路層12は、図4に示すように、セラミックス基板11の一方の面(図4において上面)に、銅又は銅合金からなる銅板22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、回路層12は、無酸素銅の圧延板からなる銅板22がセラミックス基板11に接合されることで形成されている。
なお、回路層12となる銅板22の厚さは0.1mm以上2.0mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、0.6mmに設定されている。
As shown in FIG. 4, the circuit layer 12 is formed by joining a copper plate 22 made of copper or a copper alloy to one surface (upper surface in FIG. 4) of the ceramic substrate 11.
In the present embodiment, the circuit layer 12 is formed by joining a copper plate 22 made of a rolled plate of oxygen-free copper to a ceramic substrate 11.
The thickness of the copper plate 22 to be the circuit layer 12 is set within the range of 0.1 mm or more and 2.0 mm or less, and in this embodiment, it is set to 0.6 mm.
金属層13は、図4に示すように、セラミックス基板11の他方の面(図4において下面)に、銅又は銅合金からなる銅板23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、金属層13は、無酸素銅の圧延板からなる銅板23がセラミックス基板11に接合されることで形成されている。
なお、金属層13となる銅板23の厚さは0.1mm以上2.0mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、0.6mmに設定されている。
As shown in FIG. 4, the metal layer 13 is formed by joining a copper plate 23 made of copper or a copper alloy to the other surface (lower surface in FIG. 4) of the ceramic substrate 11.
In the present embodiment, the metal layer 13 is formed by joining a copper plate 23 made of a rolled plate of oxygen-free copper to a ceramic substrate 11.
The thickness of the copper plate 23 to be the metal layer 13 is set within the range of 0.1 mm or more and 2.0 mm or less, and in this embodiment, it is set to 0.6 mm.
そして、セラミックス基板11と回路層12(金属層13)との接合界面においては、図2に示すように、CuとMgを含む金属間化合物からなるCu−Mg金属間化合物相45が形成されている。
セラミックス基板11の接合面から回路層12(金属層13)側へ50μmまでの領域におけるCu−Mg金属間化合物相45の面積率が20%以上45%以下の範囲内とされている。このように、Cu−Mg金属間化合物相45の面積率が規定されることにより、接合界面が適度に強化され、絶縁回路基板11の超音波接合性が向上することになる。
なお、絶縁回路基板11の超音波接合性をさらに向上させるためには、上述のCu−Mg金属間化合物相45の面積率の下限は22%以上であることが好ましく、28%以上であることがさらに好ましい。一方、上述のCu−Mg金属間化合物相45の面積率の上限は40%以下であることが好ましく、32%以下であることがさらに好ましい。
Then, at the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 (metal layer 13), as shown in FIG. 2, a Cu-Mg intermetallic compound phase 45 composed of an intermetallic compound containing Cu and Mg is formed. There is.
The area ratio of the Cu-Mg intermetallic compound phase 45 in the region from the bonding surface of the ceramic substrate 11 to the circuit layer 12 (metal layer 13) side up to 50 μm is within the range of 20% or more and 45% or less. By defining the area ratio of the Cu-Mg intermetallic compound phase 45 in this way, the bonding interface is appropriately strengthened, and the ultrasonic bonding property of the insulating circuit board 11 is improved.
In order to further improve the ultrasonic bonding property of the insulating circuit board 11, the lower limit of the area ratio of the above-mentioned Cu-Mg intermetallic compound phase 45 is preferably 22% or more, preferably 28% or more. Is even more preferable. On the other hand, the upper limit of the area ratio of the above-mentioned Cu-Mg intermetallic compound phase 45 is preferably 40% or less, and more preferably 32% or less.
ここで、本実施形態においては、図2に示すように、Cu−Mg金属間化合物相45の少なくとも一部がセラミックス基板11と接触していることが好ましい。 Here, in the present embodiment, as shown in FIG. 2, it is preferable that at least a part of the Cu-Mg intermetallic compound phase 45 is in contact with the ceramic substrate 11.
また、本実施形態においては、図2に示すように、Cu−Mg金属間化合物相45の内部には、Cu粒子46が分散されていることが好ましい。なお、このCu粒子46は、Cu単体及びCuにMg等が固溶したCu固溶体で構成されたものである。 Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 2, it is preferable that the Cu particles 46 are dispersed inside the Cu-Mg intermetallic compound phase 45. The Cu particles 46 are composed of a simple substance of Cu and a solid solution of Cu in which Mg or the like is dissolved in Cu.
ここで、図2において、一段凹んだ領域がCu−Mg金属間化合物相45であり、この凹んだ領域(Cu−Mg金属間化合物相45)の内部に存在する粒状の領域がCu粒子46である。また、Cu−Mg金属間化合物層45の面積率は、図2において、凹んだ領域の面積率であり、内部に存在するCu粒子46の領域(電子像のおいて白く光る部分)は含まない。 Here, in FIG. 2, the one-step recessed region is the Cu-Mg intermetallic compound phase 45, and the granular region existing inside the recessed region (Cu-Mg intermetallic compound phase 45) is the Cu particles 46. is there. Further, the area ratio of the Cu-Mg intermetallic compound layer 45 is the area ratio of the recessed region in FIG. 2, and does not include the region of the Cu particles 46 existing inside (the portion shining white in the electronic image). ..
以下に、本実施形態に係る絶縁回路基板10の製造方法について、図3及び図4を参照して説明する。 Hereinafter, a method for manufacturing the insulated circuit board 10 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 3 and 4.
(Mg配置工程S01)
まず、窒化アルミニウム(AlN)からなるセラミックス基板11を準備し、図4に示すように、回路層12となる銅板22とセラミックス基板11との間、及び、金属層13となる銅板23とセラミックス基板11との間に、それぞれMgを配置する。
本実施形態では、回路層12となる銅板22とセラミックス基板11との間、及び、金属層13となる銅板23とセラミックス基板11との間に、Mg箔25を配設している。
(Mg placement step S01)
First, a ceramic substrate 11 made of aluminum nitride (AlN) is prepared, and as shown in FIG. 4, between the copper plate 22 as the circuit layer 12 and the ceramic substrate 11, and between the copper plate 23 as the metal layer 13 and the ceramic substrate. Mg is arranged between 11 and 11, respectively.
In the present embodiment, the Mg foil 25 is arranged between the copper plate 22 serving as the circuit layer 12 and the ceramic substrate 11 and between the copper plate 23 serving as the metal layer 13 and the ceramic substrate 11.
ここで、Mg配置工程S01では、配置するMg量を0.69mg/cm2以上4.35mg/cm2以下の範囲内とする。
なお、配置するMg量の下限は1.04mg/cm2以上とすることが好ましく、1.39mg/cm2以上とすることがさらに好ましい。一方、配置するMg量の上限は3.48mg/cm2以下とすることが好ましく、3.13mg/cm2以下とすることがさらに好ましい。
Here, in the Mg placement step S01, the amount of Mg to be placed is set within the range of 0.69 mg / cm 2 or more and 4.35 mg / cm 2 or less.
The lower limit of the Mg content to be placed is preferably set to 1.04 mg / cm 2 or more, and even more preferably from 1.39 mg / cm 2 or more. On the other hand, the upper limit of the Mg content to be placed is preferably set to 3.48 mg / cm 2 or less, and even more preferably from 3.13 mg / cm 2 or less.
(積層工程S02)
次に、銅板22とセラミックス基板11を、Mg箔25を介して積層するとともに、セラミックス基板11と銅板23を、Mg箔25を介して積層する。
(Laminating step S02)
Next, the copper plate 22 and the ceramic substrate 11 are laminated via the Mg foil 25, and the ceramic substrate 11 and the copper plate 23 are laminated via the Mg foil 25.
(接合工程S03)
次に、積層された銅板22、Mg箔25、セラミックス基板11、Mg箔25、銅板23を、積層方向に加圧するとともに、真空炉内に装入して加熱し、銅板22とセラミックス基板11と銅板23を接合する。
ここで、接合工程S03における熱処理条件は、480℃以上650℃未満の温度領域における昇温速度が5℃/min以上とされるとともに、650℃以上の温度で30分以上保持する。このように熱処理条件を規定することにより、界面反応に必要なCu−Mg液相が確保され、均一な界面反応を進行させることができる。これにより、セラミックス基板11の接合界面にCu−Mg金属間化合物相45が形成される。そして、セラミックス基板11の接合面から回路層12(金属層13)側へ50μmまでの領域におけるCu−Mg金属間化合物相45の面積率が20%以上45%以下の範囲内とされる。
(Joining step S03)
Next, the laminated copper plate 22, Mg foil 25, ceramic substrate 11, Mg foil 25, and copper plate 23 are pressurized in the laminating direction, charged into a vacuum furnace, and heated to form the copper plate 22 and the ceramic substrate 11. The copper plate 23 is joined.
Here, the heat treatment conditions in the joining step S03 are such that the heating rate in the temperature region of 480 ° C. or higher and lower than 650 ° C. is 5 ° C./min or higher, and the temperature is maintained at 650 ° C. or higher for 30 minutes or longer. By defining the heat treatment conditions in this way, the Cu—Mg liquid phase required for the interfacial reaction can be secured, and a uniform interfacial reaction can proceed. As a result, the Cu-Mg intermetallic compound phase 45 is formed at the bonding interface of the ceramic substrate 11. The area ratio of the Cu-Mg intermetallic compound phase 45 in the region from the bonding surface of the ceramic substrate 11 to the circuit layer 12 (metal layer 13) side up to 50 μm is within the range of 20% or more and 45% or less.
なお、480℃以上650℃未満の温度領域における昇温速度の下限は7℃/min以上とすることが好ましく、9℃/min以上とすることがさらに好ましい。一方、480℃以上650℃未満の温度領域における昇温速度の上限に特に制限はないが、15℃/min以下とすることが好ましく、12℃/min以下とすることがさらに好ましい。
また、保持温度の下限は680℃以上とすることが好ましく、700℃以上とすることがさらに好ましい。一方、保持温度の上限に特に制限はないが、800℃以下とすることが好ましく、750℃以下とすることがさらに好ましい。
さらに、保持時間の下限は45min以上とすることが好ましく、60min以上とすることがさらに好ましい。一方、保持時間の上限に特に制限はないが、120min以下とすることが好ましく、90min以下とすることがさらに好ましい。
The lower limit of the temperature rising rate in the temperature range of 480 ° C. or higher and lower than 650 ° C. is preferably 7 ° C./min or higher, and more preferably 9 ° C./min or higher. On the other hand, the upper limit of the temperature rising rate in the temperature range of 480 ° C. or higher and lower than 650 ° C. is not particularly limited, but is preferably 15 ° C./min or less, and more preferably 12 ° C./min or less.
Further, the lower limit of the holding temperature is preferably 680 ° C. or higher, and more preferably 700 ° C. or higher. On the other hand, the upper limit of the holding temperature is not particularly limited, but is preferably 800 ° C. or lower, and more preferably 750 ° C. or lower.
Further, the lower limit of the holding time is preferably 45 min or more, and more preferably 60 min or more. On the other hand, the upper limit of the holding time is not particularly limited, but is preferably 120 min or less, and more preferably 90 min or less.
なお、接合工程S03における加圧荷重は、0.049MPa以上3.4MPa以下の範囲内とすることが好ましい。
さらに、接合工程S03における真空度は、1×10−6Pa以上5×10−2Pa以下の範囲内とすることが好ましい。
The pressurizing load in the joining step S03 is preferably in the range of 0.049 MPa or more and 3.4 MPa or less.
Further, the degree of vacuum in the joining step S03 is preferably in the range of 1 × 10 −6 Pa or more and 5 × 10 − 2 Pa or less.
以上のように、Mg配置工程S01と、積層工程S02と、接合工程S03とによって、本実施形態である絶縁回路基板10が製造されることになる。 As described above, the insulating circuit board 10 according to the present embodiment is manufactured by the Mg placement step S01, the lamination step S02, and the joining step S03.
(ヒートシンク接合工程S04)
次に、絶縁回路基板10の金属層13の他方の面側にヒートシンク30を接合する。
絶縁回路基板10とヒートシンク30とを、はんだ材を介して積層して加熱炉に装入し、はんだ層32を介して絶縁回路基板10とヒートシンク30とをはんだ接合する。
(Heat sink joining step S04)
Next, the heat sink 30 is joined to the other surface side of the metal layer 13 of the insulating circuit board 10.
The insulating circuit board 10 and the heat sink 30 are laminated via a solder material and charged into a heating furnace, and the insulating circuit board 10 and the heat sink 30 are solder-bonded via the solder layer 32.
(半導体素子接合工程S05)
次に、絶縁回路基板10の回路層12の一方の面に、半導体素子3をはんだ付けにより接合する。
上述の工程により、図1に示すパワーモジュール1が製出される。
(Semiconductor element joining step S05)
Next, the semiconductor element 3 is soldered to one surface of the circuit layer 12 of the insulating circuit board 10.
The power module 1 shown in FIG. 1 is produced by the above-mentioned steps.
以上のような構成とされた本実施形態の絶縁回路基板10(銅/セラミックス接合体)によれば、回路層12(及び金属層13)とセラミックス基板11との接合界面にCu−Mg金属間化合物相45が形成されており、セラミックス基板11の接合面から回路層12(及び金属層13)側へ50μmまでの領域におけるCu−Mg金属間化合物相45の面積率が20%以上45%以下の範囲内とされているので、接合界面が適度に強化され、超音波を負荷させた場合であっても、セラミックス基板11と回路層12(及び金属層13)との剥離を抑制することができるとともに、セラミックス基板11の割れの発生を抑制でき、超音波接合性を向上させることが可能となる。 According to the insulating circuit board 10 (copper / ceramics bonded body) of the present embodiment having the above configuration, between Cu and Mg metals at the bonding interface between the circuit layer 12 (and the metal layer 13) and the ceramics substrate 11. The compound phase 45 is formed, and the area ratio of the Cu-Mg metal-to-metal compound phase 45 in the region from the bonding surface of the ceramic substrate 11 to the circuit layer 12 (and the metal layer 13) side up to 50 μm is 20% or more and 45% or less. Since it is within the range of, the bonding interface is appropriately strengthened, and even when an ultrasonic wave is applied, peeling between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 (and the metal layer 13) can be suppressed. At the same time, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the ceramic substrate 11 and improve the ultrasonic bondability.
また、本実施形態において、Cu−Mg金属間化合物相45の少なくとも一部がセラミックス基板11と接触している場合には、超音波接合時にセラミックス基板11に応力が集中することを抑制でき、セラミックス基板11の割れをさらに抑制することが可能となる。 Further, in the present embodiment, when at least a part of the Cu-Mg intermetallic compound phase 45 is in contact with the ceramic substrate 11, it is possible to suppress the concentration of stress on the ceramic substrate 11 at the time of ultrasonic bonding, and the ceramics. It is possible to further suppress cracking of the substrate 11.
さらに、本実施形態において、Cu−Mg金属間化合物相45の内部に、Cu粒子46が分散されている場合には、Cu粒子46により、Cu−Mg金属間化合物相45の強度が向上し、超音波を負荷させた際の、セラミックス基板11と回路層12(及び金属層13)との剥離をさらに抑制することが可能となる。 Further, in the present embodiment, when the Cu particles 46 are dispersed inside the Cu-Mg intermetallic compound phase 45, the Cu particles 46 improve the strength of the Cu-Mg intermetallic compound phase 45. It is possible to further suppress the peeling between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 (and the metal layer 13) when an ultrasonic wave is applied.
本実施形態である絶縁回路基板の製造方法によれば、Mg配置工程S01において、Mg量を0.69mg/cm2以上4.35mg/cm2以下の範囲内としているので、界面反応に必要な液相を十分に得ることができる。よって、回路層12及び金属層13とセラミックス基板11とを確実に接合することができる。
そして、接合工程S02において、480℃以上650℃未満の温度領域における昇温速度が5℃/min以上とされるとともに、650℃以上の温度で30分以上保持しているので、界面反応に必要な液相を一定時間以上保持することができ、均一な界面反応が促進される。これにより、接合界面にCu−Mg金属間化合物相45を形成することができるとともに、セラミックス基板11の接合面から回路層12(及び金属層13)側へ50μmまでの領域におけるCu−Mg金属間化合物相45の面積率を20%以上45%以下の範囲内とすることができる。
According to the method for manufacturing an insulated circuit board according to the present embodiment, the amount of Mg is set in the range of 0.69 mg / cm 2 or more and 4.35 mg / cm 2 or less in the Mg arrangement step S01, which is necessary for the interfacial reaction. A sufficient liquid phase can be obtained. Therefore, the circuit layer 12, the metal layer 13, and the ceramic substrate 11 can be reliably joined.
Then, in the joining step S02, the temperature rising rate in the temperature range of 480 ° C. or higher and lower than 650 ° C. is set to 5 ° C./min or higher, and the temperature is maintained at 650 ° C. or higher for 30 minutes or longer, which is necessary for the interfacial reaction. The liquid phase can be maintained for a certain period of time or longer, and a uniform interfacial reaction is promoted. As a result, the Cu-Mg intermetallic compound phase 45 can be formed at the bonding interface, and between Cu-Mg metals in a region up to 50 μm from the bonding surface of the ceramic substrate 11 to the circuit layer 12 (and metal layer 13) side. The area ratio of the compound phase 45 can be in the range of 20% or more and 45% or less.
なお、本実施形態においては、上述のように、接合にTi,Zr,Nb,Hfを用いていないので、セラミックス基板11(セラミックス部材)の接合面近傍に、Ti,Zr,Nb,Hfの窒化物相や、Ti,Zr,Nb,Hfを含む金属間化合物相が存在せず、高温動作時におけるセラミックス基板11(セラミックス部材)の割れを抑制することが可能な絶縁回路基板10(銅/セラミックス接合体)を得ることができる。 In this embodiment, as described above, Ti, Zr, Nb, and Hf are not used for joining, so that Ti, Zr, Nb, and Hf are nitrided in the vicinity of the joining surface of the ceramic substrate 11 (ceramic member). Insulated circuit board 10 (copper / ceramics) capable of suppressing cracking of the ceramic substrate 11 (ceramic member) during high-temperature operation without the physical phase or the intermetallic compound phase containing Ti, Zr, Nb, and Hf. Joined body) can be obtained.
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。
例えば、本実施形態では、絶縁回路基板に半導体素子を搭載してパワー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LED素子を搭載してLED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。
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to this, and can be appropriately changed without departing from the technical idea of the invention.
For example, in the present embodiment, a semiconductor element is mounted on an insulating circuit board to form a power module, but the present embodiment is not limited to this. For example, an LED element may be mounted on a circuit layer of an insulated circuit board to form an LED module, or a thermoelectric element may be mounted on a circuit layer of an insulated circuit board to form a thermoelectric module.
また、本実施形態の絶縁回路基板では、回路層と金属層がともに銅又は銅合金からなる銅板によって構成された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、回路層とセラミックス基板とが本発明の銅/セラミックス接合体で構成されていれば、金属層の材質や接合方法に限定はなく、金属層がなくてもよいし、金属層がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていてもよく、銅とアルミニウムの積層体で構成されていてもよい。
一方、金属層とセラミックス基板とが本発明の銅/セラミックス接合体で構成されていれば、回路層の材質や接合方法に限定はなく、回路層がアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されていてもよく、銅とアルミニウムの積層体で構成されていてもよい。
Further, in the insulated circuit board of the present embodiment, it has been described that the circuit layer and the metal layer are both composed of a copper plate made of copper or a copper alloy, but the present invention is not limited to this.
For example, if the circuit layer and the ceramic substrate are composed of the copper / ceramics joint of the present invention, the material and joining method of the metal layer are not limited, and the metal layer may not be present, or the metal layer may be aluminum or It may be composed of an aluminum alloy or a laminate of copper and aluminum.
On the other hand, as long as the metal layer and the ceramic substrate are made of the copper / ceramics joint of the present invention, the material and joining method of the circuit layer are not limited, and the circuit layer may be made of aluminum or an aluminum alloy. , It may be composed of a laminate of copper and aluminum.
さらに、本実施形態では、銅板とセラミックス基板との間に、Mg箔を積層する構成として説明したが、これに限定されることはなく、セラミックス基板及び銅板の接合面に、Mgからなる薄膜を、スパッタ法や蒸着法等によって成膜してもよい。 Further, in the present embodiment, the configuration is described in which Mg foil is laminated between the copper plate and the ceramic substrate, but the present invention is not limited to this, and a thin film made of Mg is formed on the joint surface between the ceramic substrate and the copper plate. , The film may be formed by a sputtering method, a vapor deposition method, or the like.
さらに、本実施形態の絶縁回路基板では、セラミックス基板として、窒化アルミニウム(AlN)で構成されたものを例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、アルミナ(Al2O3)、窒化ケイ素(Si3N4)等の他のセラミックス基板を用いたものであってもよい。 Further, in the insulating circuit board of the present embodiment, a ceramic substrate made of aluminum nitride (AlN) has been described as an example, but the present invention is not limited to this, and alumina (Al 2 O 3 ) is used. , Silicon nitride (Si 3 N 4 ) or the like may be used.
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。 The results of the confirmation experiment conducted to confirm the effect of the present invention will be described below.
まず、表1記載のセラミックス基板(40mm×40mm)を準備した。なお、厚さは、AlN及びAl2O3は0.635mm、Si3N4は0.32mmとした。
このセラミックス基板の両面に、無酸素銅からなる銅板(37mm×37mm×厚さ0.3mm)を表1に示す条件で接合し、絶縁回路基板(銅/セラミックス接合体)を得た。なお、接合時の真空炉の真空度は6×10−3Paとした。
First, the ceramic substrate (40 mm × 40 mm) shown in Table 1 was prepared. The thickness of Al N and Al 2 O 3 was 0.635 mm, and that of Si 3 N 4 was 0.32 mm.
A copper plate (37 mm × 37 mm × thickness 0.3 mm) made of oxygen-free copper was bonded to both sides of this ceramic substrate under the conditions shown in Table 1 to obtain an insulating circuit substrate (copper / ceramics bonded body). The degree of vacuum of the vacuum furnace at the time of joining was set to 6 × 10 -3 Pa.
得られた絶縁回路基板(銅/セラミックス接合体)について、セラミックス基板の接合面から銅板側へ50μmまでの領域におけるCu−Mg金属間化合物相の面積率、セラミックス基板との接触の有無、Cu−Mg金属間化合物相中のCu粒子の有無、初期接合率、超音波接合性について、以下のようにして評価した。 Regarding the obtained insulating circuit board (copper / ceramics joint), the area ratio of the Cu-Mg intermetallic compound phase in the region from the joint surface of the ceramics substrate to the copper plate side up to 50 μm, the presence or absence of contact with the ceramics substrate, Cu- The presence or absence of Cu particles in the Mg intermetallic compound phase, the initial bonding ratio, and the ultrasonic bonding property were evaluated as follows.
(Cu−Mg金属間化合物相)
得られた絶縁回路基板(銅/セラミックス接合体)の中央部から観察試料を採取し、銅板とセラミックス基板との接合界面を、電子線マイクロアナライザー(日本電子株式会社製JXA−8539F)を用いて、倍率2000倍、加速電圧15kVの条件で接合界面を含む領域(400μm×600μm)のMgの元素MAPを取得し、Mgの存在が確認された領域内での定量分析の5点平均で、Cu濃度が5原子%以上、かつ、Mg濃度が30原子以上70原子%以下を満たした領域をCu−Mg金属間化合物相とした。そして、セラミックス基板の接合面から銅板側に向けて50μmまでの領域における金属間化合物相の面積率を算出した。なお、観察視野数は5つとし、その平均値を表2に示した。
測定箇所としては絶縁回路基板の中心点の領域と、その点を中心とする20mm×20mmの四角形の4つの頂点の領域の合計5点を観察し、面積率を算出した。
(Cu-Mg intermetallic compound phase)
An observation sample was taken from the central part of the obtained insulating circuit substrate (copper / ceramics junction), and the junction interface between the copper plate and the ceramics substrate was measured using an electron beam microanalyzer (JXA-8339F manufactured by Nippon Denshi Co., Ltd.). Obtained the elemental MAP of Mg in the region including the junction interface (400 μm × 600 μm) under the conditions of magnification 2000 times and acceleration voltage 15 kV, and Cu was averaged at 5 points in the quantitative analysis in the region where the presence of Mg was confirmed. A region in which the concentration was 5 atomic% or more and the Mg concentration was 30 atoms or more and 70 atomic% or less was defined as the Cu-Mg metal-to-metal compound phase. Then, the area ratio of the intermetallic compound phase in the region from the joint surface of the ceramic substrate to the copper plate side up to 50 μm was calculated. The number of observation fields was 5, and the average value thereof is shown in Table 2.
The area ratio was calculated by observing a total of five measurement points, the region of the center point of the insulated circuit board and the region of four vertices of a 20 mm × 20 mm quadrangle centered on that point.
また、Cu−Mg金属間化合物相とセラミックス基板との接触割合(Cu−Mg金属間化合物相とセラミックス基板との接触長の測定視野幅に対する割合)を算出した。
さらに、Cu−Mg金属間化合物相の内部において、Cuのみ、あるいは、CuとMgが共存する領域をCu粒子と判断し、Cu含有粒子の有無を判断した。
Further, the contact ratio between the Cu-Mg intermetallic compound phase and the ceramic substrate (the ratio of the contact length between the Cu-Mg intermetallic compound phase and the ceramic substrate to the measurement viewing width) was calculated.
Further, inside the Cu-Mg intermetallic compound phase, the region where only Cu or Cu and Mg coexist was determined to be Cu particles, and the presence or absence of Cu-containing particles was determined.
(初期接合率)
銅板とセラミックス基板との接合率を評価した。具体的には、絶縁回路基板において、銅板とセラミックス基板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、すなわち回路層の面積とした。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。
(接合率)={(初期接合面積)−(非接合部面積)}/(初期接合面積)×100
(Initial bonding rate)
The bonding ratio between the copper plate and the ceramic substrate was evaluated. Specifically, in an insulated circuit board, the bonding ratio at the interface between the copper plate and the ceramic substrate was evaluated using an ultrasonic flaw detector (FineSAT200 manufactured by Hitachi Power Solutions, Ltd.) and 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. In the image obtained by binarizing the ultrasonic flaw detection image, the peeling is shown by the white part in the joint, and the area of this white part is defined as the peeling area.
(Joining ratio) = {(Initial joining area)-(Non-joining area)} / (Initial joining area) x 100
(超音波接合性)
得られた絶縁回路基板に対して、超音波金属接合機(超音波工業株式会社製:60C−904)を用いて、銅端子(10mm×5mm×1mm厚)をコプラス量0.3mmの条件で超音波接合した。なお、銅端子はそれぞれ10個ずつ接合した。
接合後に、超音波探傷装置(株式会社日立ソリューションズ製FineSAT200)を用いて、銅板とセラミックス基板の接合界面を検査した。10個中3個以上で剥離又はセラミックス割れが観察されたものを「×」、10個中1個以上2個以下で剥離又はセラミックス割れが観察されたものを「△」、10個全てで剥離又はセラミックス割れが観察されなかったものを「〇」と評価した。評価結果を表2に示す。
(Ultrasonic bonding)
Using an ultrasonic metal bonding machine (manufactured by Ultrasonic Industry Co., Ltd .: 60C-904) with respect to the obtained insulated circuit board, copper terminals (10 mm × 5 mm × 1 mm thickness) were provided under the condition of a coplus amount of 0.3 mm. Ultrasonic bonding. In addition, 10 copper terminals were joined to each.
After joining, the bonding interface between the copper plate and the ceramic substrate was inspected using an ultrasonic flaw detector (FineSAT200 manufactured by Hitachi Solutions, Ltd.). "X" indicates that 3 or more of the 10 pieces have peeled or cracked ceramics, and "△" indicates that 1 or more and 2 or less of the 10 pieces have cracked ceramics. Alternatively, those in which no ceramic cracks were observed were evaluated as "○". The evaluation results are shown in Table 2.
接合工程において480℃以上650℃未満の温度領域における昇温速度が2℃/minとされた比較例1においては、セラミックス基板の接合面から銅板側へ50μmまでの領域におけるCu−Mg金属間化合物相の面積率が12.8%と本発明の範囲よりも低く、超音波接合性が「×」となった。
Mg配置工程においてMg量が5.21mg/cm2とされた比較例2においては、セラミックス基板の接合面から銅板側へ50μmまでの領域におけるCu−Mg金属間化合物相の面積率が50.2%と本発明の範囲よりも高く、縦割れが入り、超音波接合性が「×」となった。また、初期接合率も80.7%と低くなった。
In Comparative Example 1 in which the heating rate in the temperature region of 480 ° C. or higher and lower than 650 ° C. was 2 ° C./min in the bonding step, the Cu-Mg intermetallic compound in the region from the bonding surface of the ceramic substrate to the copper plate side up to 50 μm. The area ratio of the phase was 12.8%, which was lower than the range of the present invention, and the ultrasonic bondability was "x".
In Comparative Example 2 in which the amount of Mg was 5.21 mg / cm 2 in the Mg arrangement step, the area ratio of the Cu-Mg intermetallic compound phase in the region from the bonding surface of the ceramic substrate to the copper plate side up to 50 μm was 50.2. %, Which is higher than the range of the present invention, has vertical cracks, and has an ultrasonic bondability of "x". In addition, the initial bonding rate was as low as 80.7%.
これに対して、セラミックス基板の接合面から銅板側へ50μmまでの領域におけるCu−Mg金属間化合物相の面積率が20%以上45%以下の範囲内とされた本発明例1−8においては、初期接合率が高く、かつ、超音波接合を実施しても、銅板とセラミックス基板との剥離やセラミックス基板の割れの発生が少なく、超音波接合性に優れていた。 On the other hand, in Example 1-8 of the present invention, the area ratio of the Cu-Mg intermetallic compound phase in the region from the bonding surface of the ceramic substrate to the copper plate side up to 50 μm is within the range of 20% or more and 45% or less. The initial bonding rate was high, and even when ultrasonic bonding was performed, there was little peeling between the copper plate and the ceramic substrate and cracking of the ceramic substrate, and the ultrasonic bonding property was excellent.
以上の結果、本発明例によれば、超音波接合を行った場合であってもセラミックス部材と銅部材との剥離を抑制することができるとともにセラミックス部材の割れの発生を抑制することができ、超音波接合性に優れた銅/セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、銅/セラミックス接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法を提供可能であることが確認された。 As a result, according to the example of the present invention, it is possible to suppress the peeling of the ceramic member and the copper member and to suppress the occurrence of cracking of the ceramic member even when ultrasonic bonding is performed. It was confirmed that it is possible to provide a copper / ceramics bond, an insulating circuit board, a method for manufacturing a copper / ceramics bond, and a method for manufacturing an insulated circuit board, which are excellent in ultrasonic bonding.
10 絶縁回路基板(銅/セラミックス接合体)
11 セラミックス基板(セラミックス部材)
12 回路層(銅部材)
13 金属層(銅部材)
45 Cu−Mg金属間化合物相
46 Cu粒子
10 Insulated circuit board (copper / ceramic joint)
11 Ceramic substrate (ceramic member)
12 Circuit layer (copper member)
13 Metal layer (copper member)
45 Cu-Mg Intermetallic Compound Phase 46 Cu Particles
Claims (8)
前記セラミックス部材と前記銅部材との間には、CuとMgを含む金属間化合物からなるCu−Mg金属間化合物相が形成されており、
前記セラミックス部材の接合面から前記銅部材側へ50μmまでの領域における前記Cu−Mg金属間化合物相の面積率が20%以上45%以下の範囲内とされていることを特徴とする銅/セラミックス接合体。 A copper / ceramic joint formed by joining a copper member made of copper or a copper alloy and a ceramic member.
A Cu-Mg intermetallic compound phase composed of an intermetallic compound containing Cu and Mg is formed between the ceramic member and the copper member.
Copper / ceramics characterized in that the area ratio of the Cu-Mg intermetallic compound phase in the region from the joint surface of the ceramic member to the copper member side up to 50 μm is within the range of 20% or more and 45% or less. Joined body.
前記セラミックス基板と前記銅板との間には、CuとMgを含む金属間化合物からなるCu−Mg金属間化合物相が形成されており、
前記セラミックス基板の接合面から前記銅板側へ50μmまでの領域における前記Cu−Mg金属間化合物相の面積率が20%以上45%以下の範囲内とされていることを特徴とする絶縁回路基板。 An insulating circuit board in which a copper plate made of copper or a copper alloy is bonded to the surface of a ceramic substrate.
A Cu-Mg intermetallic compound phase composed of an intermetallic compound containing Cu and Mg is formed between the ceramic substrate and the copper plate.
An insulating circuit board characterized in that the area ratio of the Cu-Mg intermetallic compound phase in a region from the bonding surface of the ceramic substrate to the copper plate side up to 50 μm is within the range of 20% or more and 45% or less.
前記銅部材と前記セラミックス部材との間に、Mgを配置するMg配置工程と、
前記銅部材と前記セラミックス部材とをMgを介して積層する積層工程と、
Mgを介して積層された前記銅部材と前記セラミックス部材とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合する接合工程と、
を備えており、
前記Mg配置工程では、Mg量を0.69mg/cm2以上4.35mg/cm2以下の範囲内とし、
前記接合工程では、480℃以上650℃未満の温度領域における昇温速度が5℃/min以上とされるとともに、650℃以上の温度で30分以上保持することを特徴とする銅/セラミックス接合体の製造方法。 A method for manufacturing a copper / ceramics joint according to any one of claims 1 to 3, wherein the copper / ceramics joint is manufactured.
The Mg placement step of placing Mg between the copper member and the ceramic member,
A laminating step of laminating the copper member and the ceramic member via Mg, and
A joining step in which the copper member and the ceramic member laminated via Mg are joined by heat treatment in a vacuum atmosphere while being pressurized in the stacking direction.
Is equipped with
In the Mg placement step, the amount of Mg is set within the range of 0.69 mg / cm 2 or more and 4.35 mg / cm 2 or less.
In the bonding step, the copper / ceramics bonded body is characterized in that the temperature rising rate in the temperature range of 480 ° C. or higher and lower than 650 ° C. is 5 ° C./min or higher and the temperature is maintained at 650 ° C. or higher for 30 minutes or longer. Manufacturing method.
前記銅板と前記セラミックス基板との間に、Mgを配置するMg配置工程と、
前記銅板と前記セラミックス基板とをMgを介して積層する積層工程と、
Mgを介して積層された前記銅板と前記セラミックス基板とを積層方向に加圧した状態で、真空雰囲気下において加熱処理して接合する接合工程と、
を備えており、
前記Mg配置工程では、Mg量を0.69mg/cm2以上4.35mg/cm2以下の範囲内とし、
前記接合工程では、480℃以上650℃未満の温度領域における昇温速度が5℃/min以上とされるとともに、650℃以上の温度で30分以上保持することを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。 The method for manufacturing an insulated circuit board according to any one of claims 4 to 6.
The Mg placement step of placing Mg between the copper plate and the ceramic substrate,
A laminating step of laminating the copper plate and the ceramic substrate via Mg, and
A joining process in which the copper plate laminated via Mg and the ceramic substrate are joined by heat treatment in a vacuum atmosphere while being pressurized in the stacking direction.
Is equipped with
In the Mg placement step, the amount of Mg is set within the range of 0.69 mg / cm 2 or more and 4.35 mg / cm 2 or less.
In the joining step, the temperature rise rate in the temperature range of 480 ° C. or higher and lower than 650 ° C. is set to 5 ° C./min or higher, and the insulating circuit board is maintained at a temperature of 650 ° C. or higher for 30 minutes or longer. Method.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2019150146A JP2021031315A (en) | 2019-08-20 | 2019-08-20 | Copper/ceramic joint, insulated circuit board, copper/ceramic joint producing method, insulated circuit board producing method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2019150146A JP2021031315A (en) | 2019-08-20 | 2019-08-20 | Copper/ceramic joint, insulated circuit board, copper/ceramic joint producing method, insulated circuit board producing method |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2021031315A true JP2021031315A (en) | 2021-03-01 |
Family
ID=74675241
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2019150146A Pending JP2021031315A (en) | 2019-08-20 | 2019-08-20 | Copper/ceramic joint, insulated circuit board, copper/ceramic joint producing method, insulated circuit board producing method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2021031315A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2022224946A1 (en) * | 2021-04-19 | 2022-10-27 | 三菱マテリアル株式会社 | Copper/ceramic bonded body and insulated circuit board |
-
2019
- 2019-08-20 JP JP2019150146A patent/JP2021031315A/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2022224946A1 (en) * | 2021-04-19 | 2022-10-27 | 三菱マテリアル株式会社 | Copper/ceramic bonded body and insulated circuit board |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR102459745B1 (en) | Copper/ceramic bonded body, insulated circuit board, and copper/ceramic bonded body manufacturing method, insulated circuit board manufacturing method | |
JP7056744B2 (en) | A method for manufacturing a copper / ceramics joint, an insulating circuit board, and a copper / ceramics joint, and a method for manufacturing an insulated circuit board. | |
JP7196799B2 (en) | COPPER/CERAMIC JOINT, INSULATED CIRCUIT BOARD, METHOD FOR MANUFACTURING COPPER/CERAMIC JOINT, AND METHOD FOR MANUFACTURING INSULATED CIRCUIT BOARD | |
WO2018159590A1 (en) | Copper/ceramic joined body insulated circuit board, method for producing copper/ceramic joined body, and method for producing insulated circuit board | |
WO2020044590A1 (en) | Copper/ceramic bonded body, insulation circuit board, method for producing copper/ceramic bonded body, and method for manufacturing insulation circuit board | |
JP6928297B2 (en) | Copper / ceramic joints and insulated circuit boards | |
WO2021085451A1 (en) | Copper/ceramic assembly, insulated circuit board, method for producing copper/ceramic assembly, and method for producing insulated circuit board | |
JP7512863B2 (en) | Copper/ceramic bonded body, insulated circuit board, and method for manufacturing copper/ceramic bonded body and insulated circuit board | |
JP6870767B2 (en) | Copper / ceramic joints and insulated circuit boards | |
WO2021033622A1 (en) | Copper/ceramic joined body, insulating circuit substrate, copper/ceramic joined body production method, and insulating circuit substrate production method | |
JP2022023954A (en) | Ceramics / aluminum joints, insulated circuit boards, LED modules, ceramics members | |
KR102409815B1 (en) | Copper/ceramic bonded body, insulated circuit board, and copper/ceramic bonded body manufacturing method, and insulated circuit board manufacturing method | |
JP2019085327A (en) | Bonded body and dielectric circuit board | |
JP2021098641A (en) | Copper/ceramic conjugate and dielectric circuit board | |
JP2021031315A (en) | Copper/ceramic joint, insulated circuit board, copper/ceramic joint producing method, insulated circuit board producing method | |
JP2021017390A (en) | Copper/ceramic-jointed structure, insulated circuit board, method for manufacturing copper/ceramic-jointed structure, and method for manufacturing insulated circuit board | |
JP7424043B2 (en) | Copper/ceramic bonded body, insulated circuit board, method for manufacturing copper/ceramic bonded body, method for manufacturing insulated circuit board | |
JP6850984B2 (en) | Copper / Ceramics Joint, Insulated Circuit Board, Copper / Ceramics Joint Manufacturing Method, Insulated Circuit Board Manufacturing Method | |
CN114631178A (en) | Copper-ceramic joined body and insulated circuit board | |
WO2021112046A1 (en) | Copper/ceramic assembly, insulated circuit board, method for producing copper/ceramic assembly, and method for producing insulated circuit board | |
JP2023044869A (en) | Copper/ceramic joint body and insulated circuit board | |
JP2023044872A (en) | Copper/ceramic joint body and insulated circuit board | |
JP2025007185A (en) | Copper/ceramic bonded body and insulated circuit board |