JP2023081349A - Metal paste for bonding, and method for manufacturing bonded body and insulating circuit board - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、部材同士を接合する際に用いられる接合用金属ペースト、および、この接合用金属ペーストを用いた接合体の製造方法、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 bonding metal paste used for bonding members together, a method for manufacturing a bonded body using the metal bonding paste, 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。
また、上述の絶縁回路基板においては、絶縁層の一方の面に導電性の優れた金属片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片を接合して金属層を形成した構造のものが提供されている。
さらに、回路層に搭載した素子等において発生した熱を効率的に放散させるために、絶縁層の他方の面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。
A power module, an LED module, and a thermoelectric module have a structure in which a power semiconductor element, an LED element, and a thermoelectric element are joined to an insulating circuit board in which a circuit layer made of a conductive material is formed on one side of an insulating layer. .
In the insulating circuit board described above, a metal piece having excellent conductivity is bonded to one surface of the insulating layer to form the circuit layer, and a metal piece having excellent heat dissipation is bonded to the other surface of the insulating layer. A layered construction is provided.
Furthermore, in order to efficiently dissipate the heat generated by the elements mounted on the circuit layer, there is also provided an insulating circuit board with a heat sink, in which a heat sink is bonded to the other side of the insulating layer.
例えば、特許文献１には、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム片を接合することで回路層が形成されるとともに、他方の面にアルミニウム片を接合することにより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、を備えたパワーモジュールが開示されている。
また、特許文献２には、セラミックス基板の一方の面にアルミニウム片を接合し、このアルミニウム片に銅片を固相拡散接合することにより、アルミニウム層と銅層とが積層された回路層を形成した絶縁回路基板が提案されている。
さらに、特許文献３には、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のＬＥＤモジュールが開示されている。
For example,
Further, in
Further, in
ここで、セラミックス基板と金属片、アルミニウム片と銅片、絶縁回路基板とヒートシンク等を接合する場合には、例えば特許文献４－６に記載されているように、接合する部材の間にポリエチレングリコール（ＰＥＧ）等の有機物を含む仮止め材を用いて、部材同士の位置合せをして仮止めした状態で積層方向に加圧して加熱することにより、部材同士を接合している。 Here, when joining a ceramic substrate and a metal piece, an aluminum piece and a copper piece, an insulated circuit board and a heat sink, etc., polyethylene glycol is added between the members to be joined as described in Patent Documents 4 to 6, for example. Using a temporary bonding material containing an organic substance such as (PEG), the members are bonded together by applying pressure in the stacking direction and heating in a state in which the members are aligned and temporarily bonded.
ところで、上述のように、仮止め材を用いて金属片の仮止めを行う場合には、仮止め材の塗布作業および乾燥作業が必要となり、製造工程が増加してしまい、絶縁回路基板を効率的に製造することができなくなるおそれがあった。また、製造コストが増大するおそれがあった。
また、仮止め材を用いて金属片を仮止めし、これを加圧して加熱することによって金属片を接合することにより回路層を形成した際には、仮止め材の一部が加熱時に炭化し、回路パターン間に付着して炭素残渣となり、回路層のパターン間の絶縁性が不十分となるおそれがあった。
By the way, as described above, when the metal pieces are temporarily fixed using the temporary fixing material, the temporary fixing material needs to be applied and dried, which increases the number of manufacturing processes and reduces the efficiency of the insulated circuit board. There was a risk that it would not be possible to manufacture it on a regular basis. Moreover, there was a possibility that the manufacturing cost would increase.
In addition, when the circuit layer is formed by joining the metal pieces by temporarily fixing the metal pieces using a temporary fixing material and then pressurizing and heating the metal pieces, a part of the temporary fixing material is carbonized during heating. However, there is a risk that the carbon residue will adhere between the circuit patterns, resulting in insufficient insulation between the patterns of the circuit layer.
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、仮止め材を用いることなく、接合する部材の位置ずれを抑制でき、位置精度良く接合することが可能な接合用金属ペースト、および、この接合用金属ペーストを用いた接合体の製造方法、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-described circumstances, and a metal paste for joining that can suppress positional deviation of members to be joined without using a temporary fixing material and can be joined with high positional accuracy; An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a bonded body and a method for manufacturing an insulated circuit board using this metal paste for bonding.
上述の課題を解決するために、本発明の態様１の接合用金属ペーストは、金属粉末と、アクリル樹脂と、アジピン酸エステルからなる可塑剤と、溶剤と、を含有し、前記可塑剤の含有量が３．２ｍａｓｓ％以上１０．４ｍａｓｓ％以下の範囲内とされるとともに、前記可塑剤の質量Ａと前記アクリル樹脂の質量Ｂとの比Ａ／Ｂが０．２≦Ａ／Ｂ≦１．３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-described problems, a metal paste for bonding according to
本発明の態様１の接合用金属ペーストによれば、アクリル樹脂と、アジピン酸エステルからなる可塑剤と、を含有しており、前記可塑剤の含有量が３．２ｍａｓｓ％以上１０．４ｍａｓｓ％以下の範囲内とされるとともに、前記可塑剤の質量Ａと前記アクリル樹脂の質量Ｂとの比Ａ／Ｂが０．２≦Ａ／Ｂ≦１．３の範囲内とされているので、この接合用金属ペーストを塗布して乾燥した際に十分な粘着力が発現されることになり、仮止め材を用いることなく、接合する部材の位置ずれを抑制することができる。よって、接合する部材を位置精度良く接合することが可能となる。
According to the metal paste for bonding of
本発明の態様２の接合体の製造方法は、第一部材と第二部材とが接合された接合体の製造方法であって、前記第一部材および前記第二部材の接合面の少なくとも一方又は両方に、本発明の態様１の接合用金属ペーストを塗布する接合用金属ペースト塗布工程と、塗布した前記接合用金属ペーストを乾燥させる乾燥工程と、乾燥後の前記接合用金属ペーストを介して前記第一部材と前記第二部材と積層する積層工程と、前記接合用金属ペーストを介して積層した前記第一部材と前記第二部材を熱処理して接合する接合工程と、を備えており、前記積層工程では、乾燥後の前記接合用金属ペーストの粘着力により、前記第一部材と前記第二部材との位置ずれを抑制することを特徴としている。
A method for manufacturing a bonded body according to
本発明の態様２の接合体の製造方法によれば、上述の接合用金属ペーストを塗布して乾燥させた後に、前記第一部材と前記第二部材とを積層しており、乾燥後の前記接合用金属ペーストの粘着力により、前記第一部材と前記第二部材との位置ずれを抑制する構成とされているので、仮止め材を用いることなく、前記第一部材と前記第二部材との位置ずれを確実に抑制でき、前記第一部材と前記第二部材とを位置精度良く接合することが可能となる。
According to the method for manufacturing a bonded body according to
本発明の態様３の接合体の製造方法は、本発明の態様２の接合体の製造方法において、前記積層工程では、乾燥後の前記接合用金属ペーストを介して積層した前記第一部材と前記第二部材に対して、積層方向に加圧する構成とされており、加圧圧力が０．０５ＭＰａ以上０．５ＭＰａ以下の範囲内、加圧時間が５秒以上６０秒以下の範囲内とされていることを特徴としている。
本発明の態様３の接合体の製造方法によれば、積層工程において、上述の加圧条件で、乾燥後の前記接合用金属ペーストを介して積層した前記第一部材と前記第二部材を積層方向に加圧しているので、前記第一部材と前記第二部材との位置ずれをさらに確実に抑制でき、前記第一部材と前記第二部材とをさらに位置精度良く接合することが可能となる。
A method for manufacturing a bonded body according to
According to the method for manufacturing a joined body of
本発明の態様４の絶縁回路基板の製造方法は、絶縁層と、この絶縁層の一方の面に金属片が接合されてなる回路層と、を備えた絶縁回路基板の製造方法であって、前記絶縁層および前記金属片の接合面の少なくとも一方又は両方に、上述の接合用金属ペーストを塗布する接合用金属ペースト塗布工程と、塗布した前記接合用金属ペーストを乾燥させる乾燥工程と、乾燥後の前記接合用金属ペーストを介して前記絶縁層と前記金属片と積層する積層工程と、前記接合用金属ペーストを介して積層した前記絶縁層と前記金属片を熱処理して接合する接合工程と、を備えており、前記積層工程では、乾燥後の前記接合用金属ペーストの粘着力により、前記絶縁層と前記金属片との位置ずれを抑制することを特徴としている。 A method for manufacturing an insulated circuit board according to aspect 4 of the present invention is a method for manufacturing an insulated circuit board comprising an insulating layer and a circuit layer formed by bonding a metal piece to one surface of the insulating layer, A bonding metal paste applying step of applying the bonding metal paste to at least one or both of the bonding surfaces of the insulating layer and the metal piece; a drying step of drying the applied bonding metal paste; A laminating step of laminating the insulating layer and the metal piece via the bonding metal paste of No., and a bonding step of heat-treating and bonding the insulating layer and the metal piece laminated via the bonding metal paste; and, in the lamination step, positional displacement between the insulating layer and the metal piece is suppressed by the adhesive force of the metal paste for bonding after drying.
本発明の態様４の絶縁回路基板の製造方法によれば、上述の接合用金属ペーストを塗布して乾燥させた後に、前記絶縁層と前記金属片とを積層しており、乾燥後の前記接合用金属ペーストの粘着力により、前記絶縁層と前記金属片との位置ずれを抑制する構成とされているので、仮止め材を用いることなく、前記絶縁層と前記金属片との位置ずれを確実に抑制でき、前記絶縁層と前記金属片とを位置精度良く接合することが可能となる。 According to the method for manufacturing an insulated circuit board according to aspect 4 of the present invention, after the above-described bonding metal paste is applied and dried, the insulating layer and the metal piece are laminated, and the bonding after drying is performed. Since the positional displacement between the insulating layer and the metal piece is suppressed by the adhesive force of the metal paste, the positional displacement between the insulating layer and the metal piece is ensured without using a temporary fixing material. can be suppressed, and the insulating layer and the metal piece can be joined with high positional accuracy.
本発明の態様５の絶縁回路基板の製造方法は、本発明の態様４の絶縁回路基板の製造方法において、前記積層工程では、乾燥後の前記接合用金属ペーストを介して積層した前記絶縁層と前記金属片に対して、積層方向に加圧する構成とされており、加圧圧力が０．０５ＭＰａ以上０．５ＭＰａ以下の範囲内、加圧時間が５秒以上６０秒以下の範囲内とされていることを特徴としている。
本発明の態様４の絶縁回路基板の製造方法によれば、積層工程において、上述の加圧条件で、乾燥後の前記接合用金属ペーストを介して積層した前記絶縁層と前記金属片を積層方向に加圧しているので、前記絶縁層と前記金属片との位置ずれをさらに確実に抑制でき、前記絶縁層と前記金属片とをさらに位置精度良く接合することが可能となる。
A method for manufacturing an insulated circuit board according to aspect 5 of the present invention is the method for manufacturing an insulated circuit board according to aspect 4 of the present invention, wherein in the laminating step, the insulating layer laminated via the dried bonding metal paste and The metal pieces are pressurized in the stacking direction, the applied pressure is in the range of 0.05 MPa or more and 0.5 MPa or less, and the pressurization time is in the range of 5 seconds or more and 60 seconds or less. It is characterized by having
According to the method for manufacturing an insulated circuit board according to aspect 4 of the present invention, in the laminating step, the insulating layer and the metal piece laminated via the dried bonding metal paste are arranged in the laminating direction under the above-described pressure conditions. Since the pressure is applied to the insulating layer and the metal piece, the displacement between the insulating layer and the metal piece can be more reliably suppressed, and the insulating layer and the metal piece can be joined with higher positional accuracy.
本発明によれば、仮止め材を用いることなく、接合する部材の位置ずれを抑制でき、位置精度良く接合することが可能な接合用金属ペースト、および、この接合用金属ペーストを用いた接合体の製造方法、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, it is possible to suppress the positional deviation of the members to be joined without using a temporary fixing material, and the joining metal paste that can be joined with high positional accuracy, and the joined body using this joining metal paste 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。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the attached drawings.
図１に、本発明の実施形態である接合用金属ペーストを用いた絶縁回路基板の製造方法によって製造された絶縁回路基板１０、および、この絶縁回路基板１０用いたパワーモジュール１を示す。
FIG. 1 shows an
このパワーモジュール１は、絶縁回路基板１０と、この絶縁回路基板１０の一方側（図１において上側）にはんだ層２を介して接合された半導体素子３と、絶縁回路基板１０の他方側（図１において下側）に配設されたヒートシンク３１と、を備えている。
The
はんだ層２は、例えばＳｎ－Ａｇ系、Ｓｎ－Ｃｕ系、Ｓｎ－Ｉｎ系、若しくはＳｎ－Ａｇ－Ｃｕ系のはんだ材（いわゆる鉛フリーはんだ材）とされている。
半導体素子３は、半導体を備えた電子部品であり、必要とされる機能に応じて種々の半導体素子が選択される。
The
The
絶縁回路基板１０は、図１に示すように、絶縁層となるセラミックス基板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）に形成された金属層１３と、を備えている。
As shown in FIG. 1, the
セラミックス基板１１（絶縁層）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、絶縁性の高いＡｌＮ（窒化アルミニウム）やＳｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）等で構成されている。また、セラミックス基板１１の厚さは、０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の範囲内に設定されている。本実施形態では、セラミックス基板としてＡｌＮ（窒化アルミニウム）を用い、厚さは０．６３５ｍｍに設定されている。
なお、セラミックス基板１１としてＳｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）を用いる場合、厚さは０．３２ｍｍとすることが好ましい。
The ceramic substrate 11 (insulating layer) prevents electrical connection between the
When using Si 3 N 4 (silicon nitride) as the
回路層１２は、図３および図４に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に銅、銅合金、アルミニウム、又は、アルミニウム合金からなる金属片２２が接合されることにより形成されている。ペーストの粘着力は、ペーストの塗布面積に対する金属片２２の接触面積の比率に比例する。本実施形態では、金属片２２の接合面の全体がペーストに接触していることを前提としている。銅又は銅合金としては、無酸素銅やタフピッチ銅等を用いることができる。また、アルミニウム又はアルミニウム合金としては純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）やＡ３００３合金、Ａ６０６３合金などの圧延板等を用いることができる。本実施形態においては、回路層１２を構成する金属片２２として、無酸素銅の圧延板を打抜いたものが用いられている。
この回路層１２には、上述の金属片２２をパターン状に接合することで回路パターンが形成されており、その一方の面（図１において上面）が、半導体素子３が搭載される搭載面とされている。ここで、回路層１２の厚さは０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では０．８ｍｍに設定されている。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
A circuit pattern is formed on the
金属層１３は、図３および図４に示すように、セラミックス基板１１の他方の面に銅、銅合金、アルミニウム、又は、アルミニウム合金からなる金属片２３が接合されることにより形成されている。ペーストの粘着力は、ペーストの塗布面積に対する金属片２３の接触面積の比率に比例する。本実施形態では、金属片２３の接合面の全体がペーストに接触していることを前提としている。金属片２３としては、無酸素銅やタフピッチ銅、純度が９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）やＡ３００３合金、Ａ６０６３合金などの圧延板等で構成されたものを用いることができる。本実施形態においては、金属層１３を構成する金属片２３として、無酸素銅の圧延板が用いられている。ここで、金属層１３の厚さは０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では０．８ｍｍに設定されている。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
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。ヒートシンク３１は、熱伝導性が良好な材質で構成されており、本実施形態においては、アルミニウム又はアルミニウム合金（例えばＡ６０６３合金等）で構成されている。このヒートシンク３１の厚さは、３ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲内に設定されている。
なお、ヒートシンク３１と絶縁回路基板１０の金属層１３とは、固相拡散接合されている。
The
The
次に、本実施形態である絶縁回路基板の製造方法について、図２から図４を用いて説明する。 Next, a method for manufacturing an insulated circuit board according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 2 to 4. FIG.
（接合用金属ペースト塗布工程Ｓ０１）
まず、図３に示すように、セラミックス基板１１（第一部材）の一方の面のうち複数の金属片２２（第二部材）が接合される予定の領域に、本実施形態である接合用金属ペースト２５を塗布する。また、セラミックス基板１１（第一部材）の他方の面のうち金属片２３（第二部材）が接合される予定の領域に、本実施形態である接合用金属ペースト２５を塗布する。
なお、接合用金属ペースト２５の塗布厚さは、後述する乾燥工程Ｓ０２の後で５μｍ以上２０μｍ以下の範囲内となるように、設定することが好ましい。
(Joining metal paste application step S01)
First, as shown in FIG. 3, a bonding metal according to the present embodiment is applied to a region of one surface of the ceramic substrate 11 (first member) where the plurality of metal pieces 22 (second member) are to be bonded. A
In addition, it is preferable to set the coating thickness of the
ここで、本実施形態である接合用金属ペースト２５について説明する。
本実施形態である接合用金属ペースト２５は、金属粉末と、アクリル樹脂と、アジピン酸エステルからなる可塑剤と、溶剤と、を含有する。
そして、本実施形態である接合用金属ペースト２５においては、可塑剤の含有量が３．２ｍａｓｓ％以上１０．４ｍａｓｓ％以下の範囲内とされるとともに、可塑剤の質量Ａとアクリル樹脂の質量Ｂとの比Ａ／Ｂが０．２≦Ａ／Ｂ≦１．３の範囲内とされている。また、アクリル樹脂の含有量は３．２ｍａｓｓ％以上８．０ｍａｓｓ％以下の範囲内とすることが好ましい。
また、アジピン酸エステルからなる可塑剤として、例えば、アジピン酸ジイソノニル、アジピン酸ジイソデシル、アジピン酸ビス（２－エチルヘキシル）、アジピン酸ビス（２－ブトキシエチル）などを用いることができる。溶剤としては、α－テルピネオール、テキサノール(イソ酪酸３－ヒドロキシ－２，２，４－トリメチルペンチル)やブチルカルビトールアセタートなどを用いることができる。
Here, the
The joining
In the
As a plasticizer composed of an adipate ester, for example, diisononyl adipate, diisodecyl adipate, bis(2-ethylhexyl) adipate, bis(2-butoxyethyl) adipate, etc. can be used. Examples of solvents that can be used include α-terpineol, texanol (3-hydroxy-2,2,4-trimethylpentyl isobutyrate), butyl carbitol acetate, and the like.
なお、本実施形態である接合用金属ペースト２５においては、接合用金属ペーストを１００ｍａｓｓ％として、金属粉末の含有量は、５０ｍａｓｓ％以上９０ｍａｓｓ％以下の範囲内とすることが好ましく、溶剤の含有量は、５．８ｍａｓｓ％以上３１．６ｍａｓｓ％以下の範囲内とすることが好ましい。
なお、各含有量は、接合用金属ペーストを１００ｍａｓｓ％とした時である。
In addition, in the
In addition, each content is when the metal paste for joining is 100 mass%.
また、金属粉末は、接合する部材に応じて適宜選択される。ＡｌＮやＳｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板と銅または銅合金を接合する際は、ＡｇとＣｕとＴｉ等の活性金属または活性金属の水素化物が含まれる混合粉末または合金粉末を用いる。ＡｌＮやＳｉ３Ｎ４からなるセラミックス基板とアルミニウムまたはアルミニウム合金を接合する際は、アルミニウムとケイ素、またはアルミニウムと銅等の混合粉末を用いる。本実施形態では、ＡｌＮからなるセラミックス基板１１と無酸素銅からなる金属片２２，２３を接合することから、金属粉末として、Ａｇ粉末と活性金属であるＴｉ粉末との混合粉末を用いている。また、ＡｇとＴｉの混合比（質量比）は、Ａｇ／Ｔｉ＝１．２以上２６．７以下の範囲内としている。
さらに、金属粉末の平均粒径は、１μｍ以上５μｍ以下の範囲内とすることが好ましい。
Moreover, the metal powder is appropriately selected according to the members to be joined. When bonding a ceramic substrate made of AlN or Si 3 N 4 to copper or a copper alloy, mixed powder or alloy powder containing active metals such as Ag, Cu and Ti or hydrides of active metals is used. Mixed powders of aluminum and silicon or aluminum and copper are used when bonding a ceramic substrate made of AlN or Si 3 N 4 to aluminum or an aluminum alloy. In this embodiment, since the
Furthermore, the average particle size of the metal powder is preferably in the range of 1 μm or more and 5 μm or less.
（乾燥工程Ｓ０２）
次に、塗布した接合用金属ペースト２５を乾燥させる。乾燥条件は、乾燥温度を１００℃以上１５５℃以下の範囲内、乾燥時間を５分以上３０分以下の範囲内、とすることが好ましい。この乾燥工程Ｓ０２で、ほとんどの溶媒は揮発する。乾燥雰囲気としては、大気雰囲気、窒素やアルゴンなどの不活性雰囲気、真空雰囲気などで乾燥することができる。
本実施形態である接合用金属ペースト２５においては、上述のように、アクリル樹脂とアジピン酸エステルからなる可塑剤とを含有し、可塑剤の含有量が３．２ｍａｓｓ％以上１０．４ｍａｓｓ％以下の範囲内とされるとともに、可塑剤の質量Ａとアクリル樹脂の質量Ｂとの比Ａ／Ｂが０．２≦Ａ／Ｂ≦１．３の範囲内とされていることから、乾燥工程Ｓ０２後にも可塑剤が残存してアクリル樹脂の粘着性が確保されることで、乾燥後の接合用金属ペースト２５ａにおいて粘着力が発現することになる。
(Drying step S02)
Next, the applied
As described above, the
ここで、乾燥後の接合用金属ペースト２５ａにおいてさらなる粘着力を発現させるためには、可塑剤の含有量の下限を３．４ｍａｓｓ％以上とすることが好ましく、３．５ｍａｓｓ％以上とすることがより好ましい。一方、可塑剤の含有量の上限を６．０ｍａｓｓ％以下とすることが好ましく、５．０ｍａｓｓ％以下とすることがより好ましい。
また、可塑剤の質量Ａとアクリル樹脂の質量Ｂとの比Ａ／Ｂを０．２以上とすることが好ましく、０．４以上とすることがより好ましい。一方、可塑剤の質量Ａとアクリル樹脂の質量Ｂとの比Ａ／Ｂを１．３以下とすることが好ましく、１．０以下とすることがより好ましい。
Here, in order to develop further adhesive strength in the
Also, the ratio A/B of the mass A of the plasticizer to the mass B of the acrylic resin is preferably 0.2 or more, more preferably 0.4 or more. On the other hand, the ratio A/B of the mass A of the plasticizer to the mass B of the acrylic resin is preferably 1.3 or less, more preferably 1.0 or less.
（積層工程Ｓ０３）
次に、乾燥後の接合用金属ペースト２５ａを介して、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１２となる金属片２２を積層し、セラミックス基板１１の他方の面に金属層１３となる金属片２３を積層する。このとき、セラミックス基板１１の一方の面においては、複数の金属片２２をパターン状に配置することにより、回路パターンが形成される。
(Lamination step S03)
Next, the
本実施形態においては、積層工程Ｓ０３では、乾燥後の接合用金属ペースト２５ａを介して積層したセラミックス基板１１と金属片２２，２３を積層方向に加圧してもよい。このときの加圧条件は、加圧圧力が０．０５ＭＰａ以上０．５ＭＰａ以下の範囲内、加圧時間が５秒以上６０秒以下の範囲内とすることが好ましい。
In this embodiment, in the stacking step S03, the laminated
（接合工程Ｓ０４）
そして、乾燥後の接合用金属ペースト２５ａを介して積層したセラミックス基板１１と金属片２２，２３とを熱処理して接合する。加熱温度は接合する金属片により適宜選択される。金属片が銅や銅合金であった場合はＡｇとＣｕの共晶点以上、アルミニウムまたはアルミニウム合金であった場合はアルミニウムと接合用金属ペースト内に含まれる金属との共晶点以上とされている。
本実施形態では金属層２２，２３として無酸素銅が用いられているため、接合工程Ｓ０４における加熱温度は、ＡｇとＣｕの共晶点温度以上とされており、具体的には、７９０℃以上８３０℃以下の範囲内とされている。また、接合工程Ｓ０４における保持時間は、５分以上６０分以下の範囲内とされている。なお、接合工程Ｓ０４における加熱温度は、８００℃以上８２０℃以下の範囲内とすることが好ましい。また、接合工程Ｓ０４における保持時間は、１０分以上３０分以下の範囲内とすることが好ましい。
さらに、加熱保持後の冷却速度は、特に限定はないが、２℃／ｍｉｎ以上１０℃／ｍｉｎ以下の範囲内とすることが好ましい。
(Joining step S04)
Then, the laminated
Since oxygen-free copper is used as the metal layers 22 and 23 in the present embodiment, the heating temperature in the bonding step S04 is set to the eutectic point temperature of Ag and Cu or higher, specifically 790° C. or higher. It is set to be within the range of 830°C or less. Moreover, the holding time in the bonding step S04 is set within the range of 5 minutes or more and 60 minutes or less. The heating temperature in the bonding step S04 is preferably within the range of 800° C. or higher and 820° C. or lower. Moreover, it is preferable that the holding time in the bonding step S04 is within the range of 10 minutes or more and 30 minutes or less.
Further, the cooling rate after heating and holding is not particularly limited, but is preferably in the range of 2° C./min or more and 10° C./min or less.
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。
The insulated
（ヒートシンク接合工程Ｓ０５）
次に、この絶縁回路基板１０の金属層１３の他方側にヒートシンク３１を積層し、絶縁回路基板１０とヒートシンク３１とが積層した積層体を、加圧装置を用いて積層方向に加圧した状態で真空加熱炉に装入し、アルミニウムと銅との共晶温度未満の加熱温度で保持することにより、金属層１３とヒートシンク３１を固相拡散接合する。
このヒートシンク接合工程Ｓ０５における接合条件は、真空条件は１０－３Ｐａ以下、加熱温度は５１０℃以上５４５℃以下の範囲内、加熱温度での保持時間が４５分以上１２０分以下の範囲内に設定されている。
(Heat-sink bonding step S05)
Next, the
The bonding conditions in this heat sink bonding step S05 are set such that the vacuum condition is 10 −3 Pa or less, the heating temperature is in the range of 510° C. or more and 545° C. or less, and the holding time at the heating temperature is in the range of 45 minutes or more and 120 minutes or less. It is
（半導体素子接合工程Ｓ０６）
次いで、回路層１２の一方の面に、はんだ材を介して半導体素子３を積層し、加熱炉内においてはんだ接合する。
上記のようにして、図１に示すパワーモジュール１が製造される。
(Semiconductor element bonding step S06)
Next, the
As described above, the
以上のような構成とされた本実施形態である接合用金属ペースト２５によれば、アクリル樹脂と、アジピン酸エステルからなる可塑剤と、を含有しており、可塑剤の含有量が３．２ｍａｓｓ％以上１０．４ｍａｓｓ％以下の範囲内とされるとともに、可塑剤の質量Ａとアクリル樹脂の質量Ｂとの比Ａ／Ｂが０．２≦Ａ／Ｂ≦１．３の範囲内とされているので、乾燥後の接合用金属ペースト２５ａにおいて十分な粘着力（例えば、０．０２ＭＰａ以上、１．０ＭＰａ以下の粘着力）が発現されることになり、仮止め材を用いることなく、接合するセラミックス基板１１と金属片２２，２３との位置ずれを抑制することができる。よって、金属片２２，２３を位置精度良く接合することが可能となる。
また、本実施形態によれば、仮止め材を用いて金属片を仮止めする際に、仮止め材の一部が炭化し、回路パターン間に付着して炭素残渣となり、回路層のパターン間の絶縁性が不十分になる問題を回避することができる。
According to the
Further, according to the present embodiment, when the metal piece is temporarily fixed using the temporary fixing material, part of the temporary fixing material is carbonized and adheres between the circuit patterns to become a carbon residue, resulting in a carbon residue between the patterns of the circuit layer. Insufficient insulation can be avoided.
また、本実施形態である絶縁回路基板の製造方法によれば、乾燥後の接合用金属ペースト２５ａを介してセラミックス基板１１と金属片２２，２３とを積層しており、乾燥後の接合用金属ペースト２５ａの粘着力により、セラミックス基板１１と金属片２２，２３との位置ずれを抑制する構成とされているので、仮止め材を用いることなく、セラミックス基板１１と金属片２２，２３の位置ずれを確実に抑制でき、セラミックス基板１１と金属片２２，２３とを位置精度良く接合することが可能となる。
Further, according to the method for manufacturing an insulated circuit board according to the present embodiment, the
さらに、積層工程Ｓ０３において、加圧圧力：０．０５ＭＰａ以上０．５ＭＰａ以下の範囲内、加圧時間：５秒以上６０秒以下の範囲内の加圧条件で、乾燥後の接合用金属ペースト２５ａを介して積層したセラミックス基板１１と金属片２２，２３を積層方向に加圧した場合には、セラミックス基板１１と金属片２２，２３との位置ずれをさらに確実に抑制でき、セラミックス基板１１と金属片２２，２３をさらに位置精度良く接合することが可能となる。
Furthermore, in the laminating step S03, the
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。 Although the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to this, and can be modified as appropriate without departing from the technical idea of the invention.
例えば、本実施形態では、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。
また、本実施形態では、絶縁層をセラミックス基板で構成したもので説明したが、これに限定されることはなく、絶縁層をアクリル樹脂等で構成したものであってもよい。
For example, in the present embodiment, the power module is configured by mounting the power semiconductor element on the circuit layer of the insulated circuit board, but the present invention is not limited to this. For example, an LED module may be configured by mounting an LED element on an insulating circuit board, or a thermoelectric module may be configured by mounting a thermoelectric element on the circuit layer of an insulating circuit board.
Further, in the present embodiment, the insulating layer is made of a ceramic substrate, but the present invention is not limited to this, and the insulating layer may be made of an acrylic resin or the like.
また、本実施形態では、絶縁回路基板（金属層）とヒートシンクとを固相拡散接合によっ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、ろう付け、ＴＬＰ等の他の接合方法を適用してもよい。
さらに、本実施形態では、ヒートシンクをアルミニウムから成るものとして説明したが、これに限定されることはなく、銅等で構成されていてもよいし、内部に冷却媒体が流通される流路を備えたものであってもよい。
In addition, in the present embodiment, the insulation circuit board (metal layer) and the heat sink have been described as being bonded by solid phase diffusion bonding, but the present invention is not limited to this, and other bonding methods such as brazing, TLP, etc. may apply.
Furthermore, in the present embodiment, the heat sink is described as being made of aluminum, but the heat sink is not limited to this, and may be made of copper or the like. It can be anything.
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 confirmatory experiments conducted to confirm the effects of the present invention will be described below.
表２記載のセラミックス基板（４０ｍｍ×４０ｍｍ×０．６３５ｍｍｔ（ＡｌＮ）、４０ｍｍ×４０ｍｍ×０．３２ｍｍｔ（Ｓｉ３Ｎ４））、および、無酸素銅からなる金属片（３７ｍｍ×３７ｍｍ×０．８ｍｍｔ）を準備した。そして、表１に示す組成の接合用金属ペーストを準備した。
セラミックス基板の一方の面に、接合用金属ペーストを塗布し、その後、表２に示す条件で乾燥した。なお、接合用金属ペーストの塗布厚さは、乾燥後で５～２０μｍとなるように調整した。
Ceramic substrates described in Table 2 (40 mm × 40 mm × 0.635 mmt (AlN), 40 mm × 40 mm × 0.32 mmt (Si 3 N 4 )), and metal pieces made of oxygen-free copper (37 mm × 37 mm × 0.8 mmt ) was prepared. Then, a bonding metal paste having the composition shown in Table 1 was prepared.
A bonding metal paste was applied to one surface of the ceramic substrate, and then dried under the conditions shown in Table 2. The coating thickness of the bonding metal paste was adjusted to be 5 to 20 μm after drying.
乾燥した接合用金属ペーストの上に、金属片を積層した。このとき、表２に示す加圧圧力および加圧時間で、積層方向に加圧した。
なお、セラミックス基板の一方の面には、回路パターンを形成するために、２枚の金属片を回路パターン間の距離（金属片同士の距離）が１．０ｍｍとなるように配置した。
次に、表２に示す条件で加熱し、その後、加熱温度から７００℃までの冷却速度を３℃／分として熱処理し、セラミックス基板と金属片とを接合し、絶縁回路基板（接合体）を製造した。
A metal piece was laminated on top of the dried bonding metal paste. At this time, pressure was applied in the stacking direction at the pressure and time shown in Table 2.
To form a circuit pattern, two metal pieces were arranged on one surface of the ceramic substrate such that the distance between the circuit patterns (the distance between the metal pieces) was 1.0 mm.
Next, it is heated under the conditions shown in Table 2, and then heat treated at a cooling rate of 3° C./min from the heating temperature to 700° C. to join the ceramic substrate and the metal piece to form an insulated circuit board (bonded body). manufactured.
そして、以下の項目について評価した。 Then, the following items were evaluated.
（シェア強度）
乾燥後の接合用金属ペーストを介して積層したセラミックス基板と金属片について、株式会社レスカ製ボンディングテスタＰＴＲ－１１０１を用いて、シェア強度を測定した。ツールを金属片の側面にあて、セラミックス基板に対して水平方向へ動かし、金属片がペーストからはがれたときにかかっていた荷重を測定した。なお、シェア速度（ツールを動かす速度）を０．０５ｍｍ／ｓとした。評価結果を表２に示す。
(Share strength)
The shear strength of the ceramic substrate and the metal piece laminated via the dried bonding metal paste was measured using a bonding tester PTR-1101 manufactured by Lesca Corporation. The tool was applied to the side of the metal piece and moved horizontally with respect to the ceramic substrate, and the load applied when the metal piece was separated from the paste was measured. The shear speed (the speed at which the tool is moved) was set to 0.05 mm/s. Table 2 shows the evaluation results.
（接合性評価）
接合後のセラミックス基板と金属片との接合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（非接合部面積）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
(Evaluation of bondability)
The bonding ratio of the bonding interface between the ceramic substrate and the metal piece after bonding was evaluated using an ultrasonic flaw detector (FineSAT200 manufactured by Hitachi Power Solutions Co., Ltd.) and calculated from the following equation. 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, delamination is indicated by a white portion within the bonded portion, so the area of this white portion was defined as the delaminated area (non-bonded portion area).
(bonding ratio) = {(initial bonding area) - (non-bonding area)}/(initial bonding area) x 100
比較例１においては、アジピン酸ジイソノニルからなる可塑剤の含有量が３．０ｍａｓｓ％とされており、接合用金属ペーストの粘着力が不十分であって、シェア強度が０ＭＰａとなった。
比較例２においては、アジピン酸ジイソノニルからなる可塑剤の含有量が１０．６ｍａｓｓ％とされており、接合用金属ペーストの粘着力が不十分であって、シェア強度が０ＭＰａとなった。
比較例３においては、可塑剤Ａとアクリル樹脂Ｂとの質量比Ａ／Ｂが０．１とされており、接合用金属ペーストの粘着力が不十分であって、シェア強度が０ＭＰａとなった。
比較例４においては、可塑剤Ａとアクリル樹脂Ｂとの質量比Ａ／Ｂが１．４とされており、接合用金属ペーストの粘着力が不十分であって、シェア強度が０ＭＰａとなった。
比較例５においては、可塑剤を含有しておらず、接合用金属ペーストの粘着力が不十分であって、シェア強度が０ＭＰａとなった。
In Comparative Example 1, the content of the plasticizer composed of diisononyl adipate was set to 3.0 mass %, and the adhesive strength of the bonding metal paste was insufficient, resulting in a shear strength of 0 MPa.
In Comparative Example 2, the content of the plasticizer composed of diisononyl adipate was 10.6 mass %, and the adhesive strength of the bonding metal paste was insufficient, resulting in a shear strength of 0 MPa.
In Comparative Example 3, the mass ratio A/B between the plasticizer A and the acrylic resin B was set to 0.1, and the adhesive strength of the metal paste for bonding was insufficient, resulting in a shear strength of 0 MPa. .
In Comparative Example 4, the mass ratio A/B between the plasticizer A and the acrylic resin B was set to 1.4, and the adhesive strength of the metal paste for bonding was insufficient, resulting in a shear strength of 0 MPa. .
In Comparative Example 5, no plasticizer was contained, and the adhesive force of the bonding metal paste was insufficient, resulting in a shear strength of 0 MPa.
これに対して、本発明例１～７においては、アジピン酸エステルからなる可塑剤の含有量が３．２ｍａｓｓ％以上１０．４ｍａｓｓ％以下の範囲内とされるとともに、前記可塑剤の質量Ａと前記アクリル樹脂の質量Ｂとの比Ａ／Ｂが０．２≦Ａ／Ｂ≦１．３の範囲内とされており、接合用金属ペーストの粘着力が確保され、シェア強度が０．０２ＭＰａ以上となった。 On the other hand, in Examples 1 to 7 of the present invention, the content of the plasticizer made of adipic acid ester is in the range of 3.2 mass% or more and 10.4 mass% or less, and the mass A of the plasticizer and The ratio A/B to the mass B of the acrylic resin is within the range of 0.2 ≤ A/B ≤ 1.3, the adhesive strength of the metal paste for bonding is secured, and the shear strength is 0.02 MPa or more. became.
本実施例の結果から、本発明例によれば、仮止め材を用いることなく、接合する部材の位置ずれを抑制でき、位置精度良く接合することが可能な接合用金属ペースト、および、この接合用金属ペーストを用いた絶縁回路基板の製造方法（接合体の製造方法）を提供可能であることが確認された。 From the results of this example, according to the example of the present invention, it is possible to suppress the positional deviation of the members to be joined without using a temporary fixing material, and the metal paste for joining that can be joined with high positional accuracy, and this joining It has been confirmed that it is possible to provide a method for manufacturing an insulated circuit board (method for manufacturing a bonded body) using a metal paste for a metal paste.
１ パワーモジュール
３ 半導体素子
１０ 絶縁回路基板
１１ セラミックス基板（絶縁層）
１２ 回路層
１３ 金属層
２２ 金属片
２３ 金属片
1
12
Claims (5)
前記可塑剤の含有量が３．２ｍａｓｓ％以上１０．４ｍａｓｓ％以下の範囲内とされるとともに、前記可塑剤の質量Ａと前記アクリル樹脂の質量Ｂとの比Ａ／Ｂが０．２≦Ａ／Ｂ≦１．３の範囲内とされていることを特徴とする接合用金属ペースト。 containing a metal powder, an acrylic resin, a plasticizer composed of an adipate ester, and a solvent,
The content of the plasticizer is in the range of 3.2 mass% or more and 10.4 mass% or less, and the ratio A/B between the mass A of the plasticizer and the mass B of the acrylic resin is 0.2 ≤ A /B≦1.3.
前記第一部材および前記第二部材の接合面の少なくとも一方又は両方に、請求項１に記載の接合用金属ペーストを塗布する接合用金属ペースト塗布工程と、
塗布した前記接合用金属ペーストを乾燥させる乾燥工程と、
乾燥後の前記接合用金属ペーストを介して前記第一部材と前記第二部材と積層する積層工程と、
前記接合用金属ペーストを介して積層した前記第一部材と前記第二部材を熱処理して接合する接合工程と、
を備えており、
前記積層工程では、乾燥後の前記接合用金属ペーストの粘着力により、前記第一部材と前記第二部材との位置ずれを抑制することを特徴とする接合体の製造方法。 A method for manufacturing a joined body in which a first member and a second member are joined,
A joining metal paste applying step of applying the joining metal paste according to claim 1 to at least one or both of the joining surfaces of the first member and the second member;
a drying step of drying the applied metal paste for bonding;
A lamination step of laminating the first member and the second member with the dried bonding metal paste interposed therebetween;
A bonding step of heat-treating and bonding the first member and the second member laminated via the bonding metal paste;
and
The method for producing a joined body, wherein in the lamination step, positional displacement between the first member and the second member is suppressed by the adhesive force of the metal paste for joining after drying.
前記絶縁層および前記金属片の接合面の少なくとも一方又は両方に、請求項１に記載の接合用金属ペーストを塗布する接合用金属ペースト塗布工程と、
塗布した前記接合用金属ペーストを乾燥させる乾燥工程と、
乾燥後の前記接合用金属ペーストを介して前記絶縁層と前記金属片と積層する積層工程と、
前記接合用金属ペーストを介して積層した前記絶縁層と前記金属片を熱処理して接合する接合工程と、
を備えており、
前記積層工程では、乾燥後の前記接合用金属ペーストの粘着力により、前記絶縁層と前記金属片との位置ずれを抑制することを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。 A method for manufacturing an insulated circuit board comprising an insulating layer and a circuit layer formed by joining a metal piece to one surface of the insulating layer, the method comprising:
a bonding metal paste applying step of applying the bonding metal paste according to claim 1 to at least one or both of the bonding surfaces of the insulating layer and the metal piece;
a drying step of drying the applied metal paste for bonding;
a laminating step of laminating the insulating layer and the metal piece via the dried bonding metal paste;
a bonding step of heat-treating and bonding the insulating layer and the metal piece laminated via the metal paste for bonding;
and
A method for manufacturing an insulated circuit board, wherein in the lamination step, positional displacement between the insulating layer and the metal piece is suppressed by adhesive strength of the metal paste for bonding after drying.
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