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JP2642574B2 - Manufacturing method of ceramic electronic circuit board - Google Patents

Manufacturing method of ceramic electronic circuit board

Info

Publication number
JP2642574B2
JP2642574B2 JP4355211A JP35521192A JP2642574B2 JP 2642574 B2 JP2642574 B2 JP 2642574B2 JP 4355211 A JP4355211 A JP 4355211A JP 35521192 A JP35521192 A JP 35521192A JP 2642574 B2 JP2642574 B2 JP 2642574B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
aluminum
substrate
ceramic
electronic circuit
manufacturing
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
JP4355211A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPH07193358A (en
Inventor
暁山 寧
克昭 菅沼
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DOWA KOGYO KK
Original Assignee
DOWA KOGYO KK
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by DOWA KOGYO KK filed Critical DOWA KOGYO KK
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Publication of JPH07193358A publication Critical patent/JPH07193358A/en
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Publication of JP2642574B2 publication Critical patent/JP2642574B2/en
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は金属とセラミックスとの
接合体の製造方法に関するものであり、特にパワーモジ
ュールのような大電力電子装置の実装に好適なアルミニ
ウムーセラミックス複合電子回路基板の製造方法に関す
るものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing a joined body of metal and ceramics, and more particularly to a method of manufacturing an aluminum-ceramic composite electronic circuit board suitable for mounting a high power electronic device such as a power module. It is about.

【0002】[0002]

【従来の技術】パワーモジュールのような大電力装置の
実装基板としてはセラミックス基板の表面に金属を接合
して作製した金属−セラミックス複合電子回路基板が使
用され、特に電気及び熱伝導性の優れた銅とアルミナあ
るいは窒化アルミニウムセラミックスとの複合基板が現
在主に使われている。
2. Description of the Related Art A metal-ceramic composite electronic circuit board formed by bonding a metal to the surface of a ceramic substrate is used as a mounting substrate for a high power device such as a power module. Composite substrates of copper and alumina or aluminum nitride ceramics are currently mainly used.

【0003】銅とセラミックスとの接合方法として、直
接接合法とろう接法がある。前者は酸化物セラミックス
と銅との接合のために開発された技術で、接合するとき
に酸素を含有する銅板を使って、不活性雰囲気中で加熱
するか、あるいは無酸素銅を使用して酸化性雰囲気中で
加熱することにより、銅とセラミックスを接合させる方
法である。この方法で非酸化物セラミックスと銅を接合
させる場合、予め非酸化物セラミックスの表面に酸化物
層を形成しなければならない。例えば特開昭59-3077 号
に開示されているように、予め空気中において、約1000
℃の温度で窒化アルミニウム基板を処理し、表面に酸化
物を生成させてから、上述の方法で銅と窒化アルミニウ
ムを接合させる。ろう接法は銅とセラミックスとの間に
活性金属のろう材を介して接合する方法であり、この方
法では一般にAg−Cu−Ti系ろう材が使用されてい
る。
[0003] As a joining method of copper and ceramics, there are a direct joining method and a brazing method. The former is a technique developed for joining oxide ceramics and copper.When joining, a copper plate containing oxygen is used to heat in an inert atmosphere or oxidize using oxygen-free copper. This is a method of joining copper and ceramics by heating in a neutral atmosphere. When joining a non-oxide ceramic and copper by this method, an oxide layer must be formed on the surface of the non-oxide ceramic in advance. For example, as disclosed in JP-A-59-3077, about 1000
After treating the aluminum nitride substrate at a temperature of ° C. to form an oxide on the surface, copper and aluminum nitride are joined by the above-described method. The brazing method is a method of joining an active metal brazing material between copper and ceramics. In this method, an Ag-Cu-Ti-based brazing material is generally used.

【0004】銅−セラミックス複合基板は広く使用され
るにもかかわらず、生産中及び実用上幾つかの問題点が
ある。その中で最も重大な問題点は電子部品の実装及び
使用中にセラミックス基板の内部にクラックが生じるこ
とにより発生する基板の表裏間の絶縁破壊である。
[0004] Despite the widespread use of copper-ceramic composite substrates, there are several problems during production and in practice. The most serious problem among them is dielectric breakdown between the front and back of the substrate caused by cracks generated inside the ceramic substrate during mounting and use of electronic components.

【0005】セラミックス基板と銅を接合させる為に、
セラミックス基板と銅が1000℃近くまで加熱され、ま
た、パワーモジュール等の電子部品を実装するときに、
銅−セラミックス複合基板は400 ℃近くまで加熱され
る。セラミックスより銅の熱膨張係数は約一桁大きいた
め、室温まで複合基板を冷却するときに、熱膨張係数の
違いにより、基板の内部で大きな熱応力が発生する。さ
らに電子部品の使用環境、及び使用中の発熱により、基
板の温度が常に変化し、これに対応して基板に作用する
熱応力も変化する。これらの熱応力の作用によって、セ
ラミックス基板にクラックが生じる。そのために、セラ
ミックス電子回路基板の重要な評価項目の一つである耐
ヒートサイクル特性、つまり−40℃から125 ℃までの温
度範囲で基板の加熱と冷却とを繰り返した場合に、基板
にクラックが発生するまでの繰り返し回数によって評価
される特性値は、直接接合法で作製した銅−アルミナ複
合基板については20回であるが、ろう接法で作製した同
基板のこの特性値は10回以下である。
[0005] In order to bond a ceramic substrate and copper,
The ceramic substrate and copper are heated to nearly 1000 ° C, and when mounting electronic components such as power modules,
The copper-ceramic composite substrate is heated to nearly 400 ° C. Since the coefficient of thermal expansion of copper is about one order of magnitude higher than that of ceramics, when the composite substrate is cooled to room temperature, a large thermal stress is generated inside the substrate due to the difference in the coefficient of thermal expansion. Further, the temperature of the substrate constantly changes due to the use environment of the electronic component and the heat generated during use, and the thermal stress acting on the substrate also changes correspondingly. Cracks occur in the ceramic substrate due to the action of these thermal stresses. For this reason, heat cycle resistance, which is one of the important evaluation items for ceramic electronic circuit boards, is that cracks occur in the board when the board is repeatedly heated and cooled in a temperature range from -40 ° C to 125 ° C. The characteristic value evaluated by the number of repetitions until occurrence is 20 times for the copper-alumina composite substrate manufactured by the direct bonding method, but this characteristic value of the same substrate manufactured by the brazing method is 10 times or less. is there.

【0006】 銅と同じような優れた電気と熱伝導性を
有するアルミニウムを導電回路材料として使う構想は以
前からあった(例えば特開昭59−121890号にこ
のような構想が記述されている)。アルミニウムは銅よ
り柔らかい。その降伏強度は銅の約1/4である。した
がって、アルミニウムを回路材料として使えば、複合基
板の内部に発生した残留応力を大幅に緩和できることが
予測できる。しかし、上記の特開昭59−121890
号の発明ではアルミニウムとセラミックスとの具体的な
接合方法は開示されていなかった。特開平3−1254
63号、特開平4−12554号及び特開平4−187
46はろう接法でアルミニウム−セラミックス複合基板
を作製する方法を開示している。これらの文献による
と、作製したアルミニウム−セラミックス基板の耐ヒー
トサイクル特性は200回以上で、銅−セラミックス基
板の約10である。
[0006] There has long been a concept of using aluminum having excellent electrical and thermal conductivity similar to copper as a conductive circuit material (for example, such a concept is described in JP-A-59-121890). . Aluminum is softer than copper. Its yield strength is about 1/4 of copper. Therefore, it can be predicted that if aluminum is used as a circuit material, the residual stress generated inside the composite substrate can be greatly reduced. However, the above-mentioned JP-A-59-121890 describes
No specific method of joining aluminum and ceramics was disclosed in the invention of the above-mentioned publication. JP-A-3-1254
No. 63, JP-A-4-12554 and JP-A-4-187
Reference numeral 46 discloses a method for producing an aluminum-ceramic composite substrate by a brazing method. According to these documents, the heat cycle resistance of the manufactured aluminum-ceramic substrate is 200 times or more, which is about 10 times that of the copper-ceramic substrate.

【0007】しかし、上述の公報に開示されているよう
なろう接法でアルミニウム−セラミックス複合基板を製
造するとき、またこのように作成した基板を使用すると
きに次の問題点がある。
However, there are the following problems when manufacturing an aluminum-ceramic composite substrate by the brazing method as disclosed in the above-mentioned publication, and when using the substrate thus prepared.

【0008】1)アルミニウムは酸化しやすいため、上
述の公報に開示された方法は真空または高純度不活性ガ
ス雰囲気中において行われなければならない。
1) Since aluminum is easily oxidized, the method disclosed in the above publication must be performed in a vacuum or in a high-purity inert gas atmosphere.

【0009】2)アルミニウムの融点は660 ℃と低く、
ろう接温度をこれに近付けると、アルミニウムは全部溶
けて、形状が崩れてしまうか、局部的に溶けて、虫喰い
と呼ばれるろう接欠陥が起こる。一方、ろう接温度を低
くすると、ろう材とセラミックスとの反応が起こりにく
いため、接合体の強度は弱い。本発明の実施例に示すよ
うに、Al−Si系のろう合金を使用する場合、ろう接
は590 ℃以上、640 ℃以下の温度範囲よりさらに狭い温
度範囲内で行わなければならない。発明者の経験による
と、大量生産の場合、特に真空において複合基板を製造
するときには(発熱体からの熱は輻射と伝導だけによっ
て伝達され、対流がないので)、炉内の温度を均一にコ
ントロールすることは非常に困難である。
2) The melting point of aluminum is as low as 660 ° C.
When the brazing temperature is brought close to this, all of the aluminum melts and loses its shape or melts locally, causing a brazing defect called insect bite. On the other hand, if the brazing temperature is lowered, the reaction between the brazing material and the ceramic hardly occurs, so that the strength of the joined body is low. As shown in the embodiments of the present invention, when an Al-Si brazing alloy is used, the brazing must be performed within a temperature range of 590 ° C. or more and 640 ° C. or less. According to the inventor's experience, in the case of mass production, especially when manufacturing a composite substrate in a vacuum (since the heat from the heating element is transmitted only by radiation and conduction and there is no convection), the temperature in the furnace is uniformly controlled. It is very difficult to do.

【0010】3)ろう接法で複合基板を作製する場合
は、ろう接温度がアルミニウムの融点660 ℃以下でなけ
ればならない。しかしながら、このような温度では、ア
ルミニウム系ろう材とセラミックスとの濡れ性がよくな
い。従って、この方法で複合基板を製造するときには、
未接欠陥が発生しやすい。
3) When a composite substrate is manufactured by the brazing method, the brazing temperature must be lower than 660 ° C., the melting point of aluminum. However, at such a temperature, the wettability between the aluminum brazing material and the ceramic is not good. Therefore, when manufacturing a composite substrate by this method,
Unconnected defects are likely to occur.

【0011】4)アルミナ基板なら直接ろう接できる
が、窒化アルミニウムセラミックス基板の場合、銅を直
接接合する場合と同じように、予め窒化アルミニウム基
板の表面を酸化処理しなければならない。この方法では
工程が複雑になるだけではなく、窒化アルミニム基板は
本来高熱伝導の要求に対応する為に開発されたものであ
るのに、表面に酸化物が形成されると、熱伝導特性に悪
影響を与えることは言うまでもない。
4) Although an alumina substrate can be directly brazed, in the case of an aluminum nitride ceramic substrate, the surface of the aluminum nitride substrate must be oxidized in advance, as in the case of directly bonding copper. This method not only complicates the process, but the aluminum nitride substrate was originally developed to meet the demand for high thermal conductivity, but if oxides were formed on the surface, the thermal conductivity characteristics were adversely affected. Needless to say, give.

【0012】5)銅−セラミックス複合基板の場合と同
様に、ろう接法で作製した基板の耐ヒートサイクル特性
は直接接合法で作製したものより低いと考えられる。こ
れは基板の作製に使用するろう合金は純金属より硬く、
塑性変形が起こりにくいので、応力の緩和に不利な影響
を与える為である。
5) Similar to the case of the copper-ceramic composite substrate, it is considered that the heat cycle resistance of the substrate manufactured by the brazing method is lower than that of the substrate manufactured by the direct bonding method. This is because the brazing alloy used to make the substrate is harder than pure metal,
This is because plastic deformation is unlikely to occur, which adversely affects stress relaxation.

【0013】[0013]

【発明が解決しようとする課題】上述したように、ろう
接法でアルミニウム−セラミックス複合基板を作製する
工程に於いては、安定性などの問題点があり、また、セ
ラミックス基板が非酸化物系のものである場合、製造工
程が複雑になるという問題点がある。さらに、このよう
に作製した複合基板は接合強度及び耐熱特性等の面にお
いて必ずしも最適ではないと考えられる。
As described above, in the process of manufacturing an aluminum-ceramic composite substrate by the brazing method, there are problems such as stability and the like. In the case of this, there is a problem that the manufacturing process becomes complicated. Further, it is considered that the composite substrate thus manufactured is not necessarily optimal in terms of bonding strength, heat resistance characteristics, and the like.

【0014】本発明はこのような問題点を克服し、より
良い接合強度、熱伝導性、及び耐熱特性を有するアルミ
ニウム−セラミックス複合基板を製造するための、安定
且つ便利な製造方法を提供することを目的とする。
The present invention overcomes these problems and provides a stable and convenient manufacturing method for manufacturing an aluminum-ceramic composite substrate having better bonding strength, thermal conductivity, and heat resistance. With the goal.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】本発明者等はかかる課題
を解決するために鋭意研究した結果、アルミニウム−セ
ラミックス複合基板を製造するための斬新な製造方法を
見いだし、本発明を提供することができた。
Means for Solving the Problems The inventors of the present invention have conducted intensive studies to solve the above problems, and as a result, have found a novel manufacturing method for manufacturing an aluminum-ceramic composite substrate, and have provided the present invention. did it.

【0016】 即ち本発明は、第1に、セラミックス基
板の片面に金属導電体を有しているセラミックス電子回
路基板の製造において、上記導電体形成用のアルミニウ
ムまたはアルミニウム合金を真空または不活性ガス中で
溶解して溶融体を得た後、該溶融体を真空または不活性
ガス中で鋳型内においてセラミックス基板と接触させ、
その際該溶融体とセラミックス基板とがそれらの界面に
金属表面の酸化膜を介在させずに直接接触するようにし
て保持冷却することによって、セラミックス基板の片面
アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属導
電体を強固に接合させることを特徴とするセラミックス
電子回路基板の製造方法;第2に、セラミックス基板の
両面に互いに他と分離した状態でそれぞれ金属導電体を
有しているセラミックス電子回路基板の製造において、
上記導電体形成用のアルミニウムまたはアルミニウム合
金を真空または不活性ガス中で溶解して溶融体を得た
後、該溶融体を真空または不活性ガス中で鋳型内におい
てセラミックス基板と接触させ、その際、該溶融体とセ
ラミックス基板とがそれらの界面に金属表面の酸化膜を
介在させずに直接接触するようにして保持冷却すること
により、セラミックス基板の両面にアルミニウムまたは
アルミニウム合金からなる金属導電体を強固に接合さ
せ、しかる後表裏の導電体を連結する部分の導電体をエ
ッチングにより除去することを特徴とする、両面に金属
導電体を有するセラミックス電子回路基板の製造方法
第3に、上記セラミックス基板がアルミナ、窒化アルミ
ニウムから選ばれる1種であることを特徴とする上記第
1〜上記第2のいずれかに記載のセラミックス電子回路
基板の製造方法;第4に、上記直接接触は、溶融温度7
00〜1000℃の範囲で行うことを特徴とする上記第
1〜上記第3のいずれかに記載のセラミックス回路基板
の製造方法;第5に、上記直接接触は、溶融温度750
〜1000℃の範囲で行うことを特徴とする上記第4記
載のセラミックス回路基板の製造方法に関するものであ
る。
That is, in the present invention, firstly , in the production of a ceramic electronic circuit board having a metal conductor on one side of a ceramic substrate, the aluminum or aluminum alloy for forming the conductor is placed in a vacuum or an inert gas. in after <br/> dissolved to give a melt, vacuum or inert said melt
Contact with the ceramic substrate in the mold in gas ,
At this time, the melt and the ceramic substrate are
One side of the ceramic substrate is held and cooled by direct contact without intervening the oxide film on the metal surface.
Made of aluminum or aluminum alloy in the metal guide
Method of manufacturing a ceramic electronic circuit board, characterized in that to firmly bond the conductor; the second, the ceramic substrate
Metal conductors are placed on both sides separately from each other.
In the production of ceramic electronic circuit boards,
Aluminum or aluminum alloy for forming the conductor
Gold melted in vacuum or inert gas to obtain melt
Thereafter, the melt is placed in a mold in a vacuum or inert gas.
To make contact with the ceramics substrate.
Lamix substrate and an oxide film on the metal surface at their interface
Hold and cool with direct contact without intervention
Aluminum or both sides of the ceramic substrate
The metal conductor made of aluminum alloy is strongly bonded.
Then, remove the conductor at the part connecting the conductors on the front and back.
Metal on both sides characterized by removal by etching
A method for producing a ceramic electronic circuit board having a conductor ;
Third, the method for manufacturing a ceramic electronic circuit board according to any one of the first to second aspects, wherein the ceramic substrate is one selected from alumina and aluminum nitride; For direct contact, a melting temperature of 7
Method of manufacturing a ceramic circuit board according to any one of the first to the third, characterized in that in a range of 00-1,000 ° C.; Fifth, the direct contact, the melt temperature 750
4. The method according to the fourth aspect, wherein the heat treatment is performed in a temperature range from to 1000 ° C.
The present invention relates to a method for manufacturing the above ceramic circuit board .

【0017】[0017]

【作用】発明者等の以前の研究によれば、大気中におい
て加熱すると、アルミニウムの表面に厚い酸化物(アル
ミナ)の層が形成されるので、アルミニウムとセラミッ
クスとの接合はできない。真空及び不活性雰囲気中にお
いては、アルミニウムとセラミックスとを接合できる
が、接合界面部分に薄い酸化物の層が検出され、アルミ
ニウムとセラミックスはアルミニウム表面の薄い酸化膜
を介して接合していることがわかる。アルミナに覆われ
ているアルミニウムはセラミックスに対して濡れ性が良
くないため、このように作製した接合体の界面部分には
未接部が形成され易く、接合強度がばらついていた。
According to previous studies by the inventors, when heated in air, a thick oxide (alumina) layer is formed on the surface of aluminum, so that aluminum cannot be bonded to ceramics. Aluminum and ceramics can be bonded in a vacuum and inert atmosphere, but a thin oxide layer is detected at the bonding interface, and aluminum and ceramics are bonded via a thin oxide film on the aluminum surface. Recognize. Since aluminum covered with alumina does not have good wettability with respect to ceramics, a non-contact portion is easily formed at the interface portion of the thus-formed bonded body, and the bonding strength varies.

【0018】このような酸化膜による悪影響を抑えるた
めに、発明者らは以前からアルミニウムに合金元素S
i、Ti等を添加し、その効果について調べた。Siに
は表面の酸化膜を薄くする効果があり、Tiは界面での
反応を促進する役割をする。またSiとTiを同時に添
加する場合、接合体の強度及び安定性の改善に最も有効
であることが確認された。しかし、いずれの場合も、接
合体の界面部分から酸化物が検出され、アルミニウムと
セラミックスは依然として、酸化膜を介して接合してい
ることが分った。
In order to suppress such an adverse effect due to the oxide film, the inventors have previously made aluminum alloy element S
i, Ti, etc. were added, and the effect was examined. Si has the effect of thinning the oxide film on the surface, and Ti has the role of promoting the reaction at the interface. It was also confirmed that simultaneous addition of Si and Ti is most effective for improving the strength and stability of the joined body. However, in each case, oxide was detected from the interface of the joined body, and it was found that aluminum and ceramics were still joined via the oxide film.

【0019】アルミニウム表面の酸化物アルミナは化学
的に非常に安定で、他の物質と反応しにくい。従って、
これが界面に存在すると、アルミニウムとセラミックス
基板との接合を妨げることが考えられる。
The oxide alumina on the aluminum surface is chemically very stable and hardly reacts with other substances. Therefore,
If this exists at the interface, it is conceivable that the bonding between the aluminum and the ceramic substrate is hindered.

【0020】発明者等が以前行ったアルミニウムとセラ
ミックス粉末との焼結体に関する研究では、アルミニウ
ムとセラミックス粉末の間に酸化膜が介在せず、直接接
合している部分があり、またその間にアルミニウムとセ
ラミックスとの反応生成物が形成されていることが判明
した。これは粉末を混合、加圧成形する際にアルミニウ
ム粉末表面の酸化膜が破られ、アルミニウムとセラミッ
クス粉末とが直接接触している状態で加熱されたためで
あると考えられる。この事はアルミニウムとセラミック
スとの直接接合の可能性を示唆している。
In a study on a sintered body of aluminum and ceramic powder conducted by the inventors in the past, an oxide film was not interposed between aluminum and ceramic powder, and there was a part directly joined, and aluminum was interposed therebetween. It has been found that a reaction product of the material and the ceramic has been formed. This is presumably because the oxide film on the surface of the aluminum powder was broken when the powder was mixed and pressed, and the aluminum powder was heated in a state of being in direct contact with the ceramic powder. This suggests the possibility of direct joining of aluminum and ceramics.

【0021】本発明者らはアルミニウム表面の酸化膜を
除去し、良質な金属−セラミックス複合基板を作製する
ためにいろいろ試みたが、以下の手段が有効であること
がわかった。
The present inventors have made various attempts to remove the oxide film on the aluminum surface and produce a high-quality metal-ceramic composite substrate, but have found that the following means is effective.

【0022】1)金属を溶解し、金属溶湯表面の酸化膜
を破るために金属溶湯とセラミックス基板の間に相対運
動を起こさせた。もっと具体的に言うと、鋳型の所定の
場所に予めセラミックス基板を設置してから溶湯を鋳込
むか、鋳込んだ溶融金属の中へセラミック基板を差し込
むかすることによって、セラミックス基板を溶融金属と
の間に相対運動を起こさせる。
1) Relative motion was caused between the molten metal and the ceramic substrate to melt the metal and break the oxide film on the surface of the molten metal. More specifically, a ceramic substrate is placed in a predetermined place of a mold before casting a molten metal, or by inserting a ceramic substrate into a molten metal that has been cast, thereby converting the ceramic substrate into a molten metal. Cause relative movement between

【0023】2)温度が高くなると、金属表面の酸化膜
が分解しやすい為、溶湯の温度を高くすることが好まし
い。しかし、溶湯を高温に加熱するには余分のエネルギ
ーが必要であると同時に溶湯の蒸発及び溶湯と鋳型との
反応が激しくなる等好ましくないことが起こるので、適
切な溶湯温度は700 ℃以上、1000℃以下の範囲であり、
この温度範囲では健全な複合基板が作製できる。
2) If the temperature increases, the oxide film on the metal surface is easily decomposed, so it is preferable to increase the temperature of the molten metal. However, heating the molten metal to a high temperature requires extra energy, and at the same time, unfavorable effects such as evaporation of the molten metal and intense reaction between the molten metal and the mold occur. Below ℃,
In this temperature range, a sound composite substrate can be manufactured.

【0024】3)溶湯表面の酸化をできるだけ抑えるた
めに、溶湯の鋳込み及び基板の差し込みはできるだけ迅
速に行う。また製造は大気中において行ってもかまわな
いが、酸化防止のために溶解及び鋳込みは真空または不
活性雰囲気中において行うことが好ましい。
3) In order to suppress oxidation of the molten metal surface as much as possible, the casting of the molten metal and the insertion of the substrate are performed as quickly as possible. The production may be carried out in the air, but the melting and casting are preferably carried out in a vacuum or an inert atmosphere to prevent oxidation.

【0025】なお、電子回路のパターンの形成方法につ
いては、予め鋳型に回路パターンの模様を形成し、直接
回路パターンを形成するか、べたのアルミニウム層を形
成した後、エッチング法で回路パターンを形成する方法
がある。
In the method of forming a pattern of an electronic circuit, a pattern of a circuit pattern is formed in a mold in advance, and a circuit pattern is directly formed or a solid aluminum layer is formed, and then a circuit pattern is formed by an etching method. There is a way to do that.

【0026】[0026]

【実施例1】図1に示すように黒鉛鋳型1の中に厚さ0.
635mm のアルミナ(セラミックス)基板2とアルミニウ
ム原料3および黒鉛ピストン4を設置し、これをそれぞ
れ700 ℃(実験1)、800 ℃(実験2)、900 ℃(実験
3)、1000℃(実験4)に加熱した炉の中に入れた。ア
ルミニウム原料が溶けて、ピストンの重量で、アルミナ
基板を設置した部分に入り込んだ後、鋳型を加熱炉から
取り出し、室温まで冷却した。なお、本実施例において
は、黒鉛鋳型の酸化を防ぐために、加熱および冷却を窒
素雰囲気中で行った。このように作製した片面で0.5mm
厚さのアルミニウム層を有する複合基板を機械および電
解研磨し、光学顕微鏡でアルミニウムの組織を観察し、
またこの複合基板から幅4mm のピール強度測定用試料を
切り出し、90°ピール強度試験を行った。
Embodiment 1 As shown in FIG.
A 635 mm alumina (ceramics) substrate 2, an aluminum raw material 3 and a graphite piston 4 were installed, and these were placed at 700 ° C. (experiment 1), 800 ° C. (experiment 2), 900 ° C. (experiment 3), and 1000 ° C. (experiment 4), respectively. In a heated furnace. After the aluminum raw material was melted and penetrated into the portion where the alumina substrate was placed by the weight of the piston, the mold was taken out of the heating furnace and cooled to room temperature. In this example, heating and cooling were performed in a nitrogen atmosphere in order to prevent oxidation of the graphite mold. 0.5mm on one side made in this way
Mechanical and electrolytic polishing of the composite substrate having a thick aluminum layer, observing the aluminum structure with an optical microscope,
A 4 mm wide sample for peel strength measurement was cut out from the composite substrate and subjected to a 90 ° peel strength test.

【0027】いずれの温度において作製した複合基板
も、そのアルミウム部分の組織は非常に緻密で、気孔、
巣等鋳物によくある欠陥は一切なかった。また表1に示
すように、複合基板の強度は35kg/cm 以上で、かつ破壊
は界面ではなく、アルミニウム中で起こったので、アル
ミニウムがアルミナ基板に強固に接合していることがわ
かった。更に、未接欠陥については、700 ℃で作製した
サンプルの中に多少有るが、800 ℃以上の温度で作製し
たサンプルには一切なかった。
In the composite substrate manufactured at any temperature, the structure of the aluminum portion is very dense, and the pores,
There were no common defects such as nests. Further, as shown in Table 1, since the strength of the composite substrate was 35 kg / cm or more, and the fracture occurred not in the interface but in the aluminum, it was found that the aluminum was strongly bonded to the alumina substrate. Further, there were some unconnected defects in the samples prepared at 700 ° C., but none of the samples prepared at 800 ° C. or higher.

【0028】 なお、これらの実施例ではアルミナ基板
を用いて複合基板を作製したが、同じ方法で窒化アルミ
ニウム複合基板が作製できることを確認した。
In these examples, a composite substrate was produced using an alumina substrate. However, it was confirmed that an aluminum nitride composite substrate could be produced by the same method.

【0029】[0029]

【表1】 本明細書に記述した内容から、上述の実施例に示す方法
が唯一の方法ではなく、また本実施例に示すような条件
に限定されるべきではないことが容易に理解されよう。
高圧鋳造、ダイカスト、連続鋳造等各種の方法で複合基
板を製造することが可能であり、製造温度での保持時間
を長くし、アルミニウムの中に表面酸化物の分解および
活性化に役立つ合金元素、または融点を低下させる合金
元素例えばSi、Ge、Ti、Mg等を添加し、セラミ
ックス基板中の焼結助剤をアルミニウムと反応しやすい
組成にし、またその量を増えさせるような措置をとれ
ば、もっと低い温度で複合基板が作製できることが容易
に考えられる。
[Table 1] From the contents described in this specification, it will be easily understood that the method shown in the above-described embodiment is not the only method and should not be limited to the conditions shown in this embodiment.
It is possible to manufacture composite substrates by various methods such as high-pressure casting, die casting, continuous casting, etc., prolonging the holding time at the manufacturing temperature, and alloying elements that help decompose and activate surface oxides in aluminum, Alternatively, an alloying element for lowering the melting point, for example, Si, Ge, Ti, Mg, or the like is added, and the sintering aid in the ceramic substrate is made to have a composition that easily reacts with aluminum, and if measures are taken to increase the amount, It is easily conceivable that a composite substrate can be produced at a lower temperature.

【0030】[0030]

【比較例1〜6】比較のためにろう接法でアルミニウム
−セラミックス複合基板を作製した。
Comparative Examples 1 to 6 For comparison, aluminum-ceramic composite substrates were produced by the brazing method.

【0031】2枚の厚さ0.5mm のアルミニウム板がろう
材を介して上下から厚さ0.635mm のセラミックス基板を
はさむように、アルミニウム板とセラミックス基板をセ
ットした。この上に更に重りを乗せて、10-5の真空にお
いて、650 ℃、20分間保持し、アルミニウム板とセラミ
ックス基板をろう接した。使ったセラミックス基板はア
ルミナと窒化アルミニウム基板の2種類であり、ろう材
は厚さ0.2mm の3種類のAl−Si−Ti合金箔であっ
た。その組成は表2に示されている。複合基板の評価は
実施例に示した方法と同じ方法で行った。
The aluminum plate and the ceramic substrate were set such that two aluminum plates having a thickness of 0.5 mm sandwiched a ceramic substrate having a thickness of 0.635 mm from above and below via a brazing material. A weight was further placed thereon, and kept at 650 ° C. for 20 minutes in a vacuum of 10 −5 to braze the aluminum plate and the ceramic substrate. The ceramic substrates used were two types of alumina and aluminum nitride substrates, and the brazing material was three types of Al-Si-Ti alloy foils having a thickness of 0.2 mm. Its composition is shown in Table 2. The evaluation of the composite substrate was performed by the same method as that described in the examples.

【0032】[0032]

【表2】 表1に複合基板の評価結果を合わせて示している。HS
ろう材でろう接した複合基板はアルミニウム板自身が溶
けてしまい、形状が崩れてしまった。MSとLSろう材
でろう接した複合基板はアルミニウム板が全部は溶けな
かったが、かなりの部分が溶けてしまい、虫喰いろう接
欠陥が発生した。これらの試料のピール強度は30kg/cm
以下で、特に窒化アルミニウム基板の場合ろう接強度が
2.5kg/cm以下であり、基板として要求されるピール強度
5kg/cmより低かった。またこれらの複合基板には未接部
分の面積がほぼ10% 以上あった。
[Table 2] Table 1 also shows the evaluation results of the composite substrate. HS
The aluminum plate itself melted and the shape of the composite substrate soldered with the brazing material was lost. Although the aluminum plate was not completely melted in the composite substrate brazed with MS and LS brazing material, a considerable part was melted, and bug bite brazing defects occurred. The peel strength of these samples is 30kg / cm
Below, especially for aluminum nitride substrates, the brazing strength
2.5kg / cm or less, peel strength required for substrate
It was lower than 5kg / cm. The area of the non-contact portion of these composite substrates was approximately 10% or more.

【0033】[0033]

【比較例7〜8】アルミニウム板の溶解を防ぐために、
ろう接温度を10℃下げて、640 ℃にし、LSとMSろう
材を用いて、アルミニウム−アルミナ複合基板の作製を
試みた。しかし、表1に示すように、この温度ではLS
ろう材によるろう接はできなかった。MSろう材による
ろう接はできたが、ろう接強度は650 ℃でろう接したも
のより低くなり、また上述したような虫喰い、未接欠陥
が相変わらず発生した。温度をさらに低くすれば虫喰い
欠陥をなくせる可能性が有るが、未接欠陥がもっと多く
なる可能性が有る。
Comparative Examples 7 and 8 In order to prevent the dissolution of the aluminum plate,
The brazing temperature was lowered by 10 ° C. to 640 ° C., and an attempt was made to produce an aluminum-alumina composite substrate using LS and MS brazing material. However, as shown in Table 1, at this temperature, LS
Brazing with brazing material was not possible. Although brazing was possible with the MS brazing material, the brazing strength was lower than that at brazing at 650 ° C., and the above-mentioned insect biting and non-contact defects were still generated. Lower temperatures may eliminate bug-eating defects, but may result in more open defects.

【0034】[0034]

【比較例9〜10】ろう接温度をHSろう材の溶融温度
(約580 ℃)まで下げて、アルミニウム−アルミナ複合
基板の作製を試みた。しかし、このような低い温度では
セラミックス基板とろう材は接合しなかった。また590
℃でろう接した場合、アルミニウム板が一部溶けて、虫
喰い欠陥が生じた。これ以上温度を高めることはできな
いことがわかった。
Comparative Examples 9 to 10 An attempt was made to lower the brazing temperature to the melting temperature of the HS brazing material (about 580 ° C.) to produce an aluminum-alumina composite substrate. However, at such a low temperature, the ceramic substrate and the brazing material were not joined. Also 590
When brazing at a temperature of ° C., the aluminum plate partially melted, causing insect bite defects. It was found that the temperature could not be raised any more.

【0035】以上の比較例からわかるようにろう接法で
作製したアルミニウム−セラミックス複合基板は本発明
の直接接合法で作製したものより、接合強度が低く、ま
た未接欠陥が発生する確率が高い。
As can be seen from the above comparative examples, the aluminum-ceramic composite substrate manufactured by the brazing method has lower bonding strength and a higher probability of occurrence of unconnected defects than the one manufactured by the direct bonding method of the present invention. .

【0036】[0036]

【発明の効果】本明細書に開示したような本発明の方法
によれば、従来のろう接法で作製する場合の未接等のろ
う接欠陥をなくし、アルミニウムとセラミックス基板と
の高信頼性、高強度接合が実現できる。これによって、
耐ヒートサイクル特性が優れた良質なアルミニウム−セ
ラミックス複合基板が製造できる。
According to the method of the present invention as disclosed in the present specification, soldering defects such as non-contacting in the case of manufacturing by the conventional soldering method are eliminated, and high reliability between aluminum and the ceramic substrate is achieved. , High strength bonding can be realized. by this,
A high-quality aluminum-ceramic composite substrate having excellent heat cycle resistance can be manufactured.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】図1は本発明の実施例においてアルミニウム−
セラミックス複合基板を作製するときの鋳型の断面図で
ある。
FIG. 1 shows an embodiment of the present invention.
It is sectional drawing of a casting_mold | template at the time of producing a ceramics composite substrate.

【符号の簡単な説明】[Brief description of reference numerals]

1 黒鉛鋳型 2 セラミックス基板 3 アルミニウム原料 4 黒鉛ピストン 1 graphite mold 2 ceramic substrate 3 aluminum raw material 4 graphite piston

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−103992(JP,A) 特開 昭59−227781(JP,A) 特開 平2−207963(JP,A) 特開 昭50−103429(JP,A) 特開 昭58−135691(JP,A) 特開 昭59−121890(JP,A) 特開 平5−170578(JP,A) 特開 平5−235388(JP,A) ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-2-103992 (JP, A) JP-A-59-227781 (JP, A) JP-A-2-207633 (JP, A) JP-A 50-50 103429 (JP, A) JP-A-58-135691 (JP, A) JP-A-59-121890 (JP, A) JP-A-5-170578 (JP, A) JP-A-5-235388 (JP, A)

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 セラミックス基板の片面に金属導電体
有しているセラミックス電子回路基板の製造において、
上記導電体形成用のアルミニウムまたはアルミニウム合
金を真空または不活性ガス中で溶解して溶融体を得た
後、該溶融体を真空または不活性ガス中で鋳型内におい
セラミックス基板と接触させ、その際該溶融体とセラ
ミックス基板とがそれらの界面に金属表面の酸化膜を介
在させずに直接接触するようにして保持冷却することに
よって、セラミックス基板の片面にアルミニウムまたは
アルミニウム合金からなる金属導電体を強固に接合させ
ことを特徴とするセラミックス電子回路基板の製造方
法。
1. A metal substrate is provided on one side of a ceramic substrate.conductorTo
In the production of ceramic electronic circuit boards,
the aboveconductorAluminum or aluminum alloy for forming
MoneyIn vacuum or inert gasDissolveGot the melt
rear,Place the melt in a mold in vacuum or inert gas
handContact with the ceramic substrate,At this time, the melt and sera
The mixed substrate has an oxide film on the metal surface at the interface between them.
Without beingHolding and cooling with direct contact
Therefore, the ceramic substrateOn one side ofAluminum or
Aluminum alloyStrong bonding of metal conductor made of gold
ToManufacturing method of ceramic electronic circuit board characterized by the following:
Law.
【請求項2】 セラミックス基板の両面に互いに他と分
離した状態でそれぞれ金属導電体を有しているセラミッ
クス電子回路基板の製造において、上記導電体形成用の
アルミニウムまたはアルミニウム合金を真空または不活
性ガス中で溶解して溶融体を得た後、該溶融体を真空ま
たは不活性ガス中で鋳型内においてセラミックス基板と
接触させ、その際、該溶融体とセラミックス基板とがそ
れらの界面に金属表面の酸化膜を介在させずに直接接触
するようにして保持冷却することにより、セラミックス
基板の両面にアルミニウムまたはアルミニウム合金から
なる金属導電体を強固に接合させ、しかる後表裏の導電
体を連結する部分の導電体をエッチングにより除去する
ことを特徴とする、両面に金属導電体を有するセラミッ
クス電子回路基板の製造方法。
2. The method according to claim 1 , wherein both sides of the ceramic substrate are separated from each other.
Ceramics each having a metal conductor in a separated state
In the manufacture of electronic circuit boards,
Vacuum or inert aluminum or aluminum alloy
After melting in a reactive gas to obtain a melt, the melt is evacuated to a vacuum.
Or a ceramic substrate in a mold in an inert gas
The melt is brought into contact with the ceramic substrate.
Direct contact at these interfaces without intervening oxide film on metal surface
By holding and cooling as
Aluminum or aluminum alloy on both sides of substrate
Metal conductors that are firmly joined together,
Remove the conductor at the part connecting the body by etching
A ceramic having a metal conductor on both sides.
Manufacturing method for electronic circuit boards.
【請求項3】 上記セラミックス基板がアルミナ、窒化
アルミニウムから選ばれる1種であることを特徴とする
請求項1〜請求項2のいずれかに記載のセラミックス電
子回路基板の製造方法。
3. The method for manufacturing a ceramic electronic circuit board according to claim 1, wherein said ceramic substrate is one type selected from alumina and aluminum nitride.
【請求項4】 上記直接接触は、溶融温度700〜10
00℃の範囲で行うことを特徴とする請求項1〜請求項
3のいずれかに記載のセラミックス回路基板の製造方
法。
4. The method according to claim 1, wherein the direct contact is performed at a melting temperature of 700 to 10.
The method according to claim 1, wherein the method is performed at a temperature of 00 ° C. 5.
【請求項5】 上記直接接触は、溶融温度750〜10
00℃の範囲で行うことを特徴とする請求項4記載のセ
ラミックス回路基板の製造方法。
5. The method according to claim 1, wherein the direct contact is performed at a melting temperature of 750 to 10
5. The method according to claim 4, wherein the temperature is within a range of 00 ° C.
Lamix circuit board manufacturing method.
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