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JP4632116B2 - Ceramic circuit board - Google Patents

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JP4632116B2
JP4632116B2 JP2004062506A JP2004062506A JP4632116B2 JP 4632116 B2 JP4632116 B2 JP 4632116B2 JP 2004062506 A JP2004062506 A JP 2004062506A JP 2004062506 A JP2004062506 A JP 2004062506A JP 4632116 B2 JP4632116 B2 JP 4632116B2
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寿之 今村
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Description

本発明は、特にパワー半導体モジュールに使用されるセラミックス回路基板に係わり、セラミックス基板の少なくとも一方の面にろう材層を介して回路パターンを形成する金属板を接合したセラミックス回路基板に関するものである。   The present invention relates to a ceramic circuit board used in a power semiconductor module, and more particularly to a ceramic circuit board in which a metal plate for forming a circuit pattern is bonded to at least one surface of a ceramic substrate via a brazing material layer.

近年、電動車両用インバータとして高電圧、大電流動作が可能なパワー半導体モジュール(IGBTモジュール)が用いられている。パワー半導体モジュールに使用される基板としては、窒化アルミニウムや窒化ケイ素からなるセラミックス基板上に銅板やアルミニウム板等の金属板(以下、銅板を例に説明する。)を接合したセラミックス回路基板が広く使用されている。例えばセラミックス基板の一方の面に半導体チップ等を搭載して回路となす銅板を接合し、他方の面には放熱用の銅板を接合して形成されている。前記回路用銅板側には回路部となる回路パターンに沿ってエッチング処理する等して、複数の銅板からなる金属回路パターンを形成し、セラミックス回路基板が構成される。   In recent years, power semiconductor modules (IGBT modules) capable of high voltage and large current operation have been used as inverters for electric vehicles. As a substrate used for a power semiconductor module, a ceramic circuit substrate in which a metal plate such as a copper plate or an aluminum plate (hereinafter referred to as a copper plate) is joined to a ceramic substrate made of aluminum nitride or silicon nitride is widely used. Has been. For example, a semiconductor substrate or the like is mounted on one surface of a ceramic substrate, and a copper plate serving as a circuit is bonded, and a heat radiating copper plate is bonded to the other surface. A ceramic circuit board is formed by forming a metal circuit pattern made of a plurality of copper plates on the side of the circuit copper plate by etching along a circuit pattern to be a circuit portion.

セラミックス基板と銅板を一体に接合する手段としては、Cu−Cu2 O等の共晶液相を利用してセラミックス基板上に銅板を直接接合する、いわゆる銅直接接合法(DBC法:Direct Bonding Copper 法)や、MoやWなどの高融点金属をセラミックス基板上に焼き付けて形成する高融点金属メタライズ法、及び4A族元素や5A族元素のような活性金属を含むろう材層をセラミックス基板上に塗布形成し、銅板との間に介在させ押圧力を掛けながら適切な温度で熱処理して両者を接合する活性金属法などが用いられている。これらDBC法や活性金属法により得られるセラミックス回路基板は、いずれも単純構造で熱抵抗が小さく、大電流型や高集積型の半導体チップに対応できる等の利点を有している。 As a means for integrally bonding the ceramic substrate and the copper plate, a so-called copper direct bonding method (DBC method: Direct Bonding Copper) in which a copper plate is directly bonded onto the ceramic substrate using a eutectic liquid phase such as Cu—Cu 2 O. Method), a refractory metal metallization method in which a refractory metal such as Mo or W is baked on a ceramic substrate, and a brazing material layer containing an active metal such as a group 4A element or a group 5A element on the ceramic substrate. An active metal method or the like is used that is formed by coating and heat-treated at an appropriate temperature while being pressed between the copper plates and applying pressure. These ceramic circuit boards obtained by the DBC method or the active metal method all have advantages such as a simple structure, low thermal resistance, and compatibility with large-current and highly integrated semiconductor chips.

また、銅板回路パターンの形成手段としては、予めプレス加工やエッチング加工により得た回路パターン形状の銅板をろう材層を介してセラミックス基板上に接合する直接搭載法や、セラミックス基板のほぼ全面にろう材層を形成し、これを覆うように銅板を接合し、その後パターニングした銅板の不要部分をろう材層ごとエッチング処理して金属回路パターンを形成する多段エッチング法、また或いは、目的とする回路パターン形状に沿ってろう材層を塗布形成し、後は前記多段エッチング法と同様に銅板の不要部分をエッチング処理して金属回路パターンを形成するろう材パターン印刷とエッチング法を併用した方法(以下、パターン印刷エッチング法と言う)等がとられている。   In addition, as a means for forming a copper plate circuit pattern, a direct mounting method in which a copper plate having a circuit pattern shape obtained in advance by pressing or etching is bonded onto a ceramic substrate via a brazing material layer, or soldering is performed on almost the entire surface of the ceramic substrate. A multi-stage etching method in which a metal layer is formed, a copper plate is joined so as to cover it, and then an unnecessary portion of the patterned copper plate is etched together with the brazing material layer to form a metal circuit pattern, or a desired circuit pattern A brazing material layer is applied and formed along the shape, and then a method using both the brazing material pattern printing and the etching method to form a metal circuit pattern by etching an unnecessary portion of the copper plate in the same manner as the multistage etching method (hereinafter, This is called a pattern printing etching method).

近年のパワー半導体モジュールにおいては、高出力化、高集積化が急速に進行し、セラミックス回路基板に繰り返しかかる熱応力がより増大する傾向にある。この熱応力に耐えれなくなるとセラミックス基板の反りやクラック等の不具合が発生する。従来、上述したセラミックス基板と金属板との接続手段のうち、高強度・高封着性等が得られることから、AgとCuとの共晶組成(72質量%Ag−28質量%Cu)を有する共晶ろう材にTi等の活性金属を添加したろう材ペーストを用いた活性金属法が一般に使用されている。しかし、この活性金属法において前記パターン印刷エッチング法を採用した場合、共晶組成であるがゆえに固液共存域がなく、融点温度以上では、存在する全てのろう材が溶融し、これが回路パターン間の非接合部分まで流れ出し、隣合う回路パターンが接触して短絡不良を起こすことがある。このようなことから、熱応力に耐えられるセラミックス回路基板の接続構造や絶縁性の保証について以下のような提案がなされている。   In recent power semiconductor modules, high output and high integration have rapidly progressed, and thermal stress repeatedly applied to the ceramic circuit board tends to increase. Failure to withstand this thermal stress causes problems such as warping and cracking of the ceramic substrate. Conventionally, among the above-mentioned means for connecting the ceramic substrate and the metal plate, high strength, high sealing property, etc. can be obtained, so the eutectic composition of Ag and Cu (72 mass% Ag-28 mass% Cu) is used. An active metal method using a brazing paste in which an active metal such as Ti is added to the eutectic brazing filler is generally used. However, when the pattern printing etching method is adopted in this active metal method, there is no solid-liquid coexistence region because of the eutectic composition, and all the brazing filler metals that exist are melted above the melting point temperature. May flow out to the non-joined part of the circuit, and adjacent circuit patterns may come into contact with each other to cause a short circuit failure. For this reason, the following proposals have been made on the connection structure of ceramic circuit boards that can withstand thermal stress and the guarantee of insulation.

特許文献1には、セラミックス基板のクラックの発生を抑えることを目的とし、窒化アルミニウム焼結体あるいは窒化ケイ素焼結体からなるセラミックス基板の少なくとも一面にAg、Cu、Tiを含有するろう材層を介して金属板を接合するもので、ろう材層が金属板の端部から金属板の厚みの0.1〜1.0倍以下の範囲ではみ出した、いわゆるはみ出し部を形成することが望ましいと記載されている。   Patent Document 1 discloses a brazing material layer containing Ag, Cu, Ti on at least one surface of a ceramic substrate made of an aluminum nitride sintered body or a silicon nitride sintered body for the purpose of suppressing the occurrence of cracks in the ceramic substrate. And joining the metal plate, it is desirable to form a so-called protruding portion in which the brazing material layer protrudes from the end portion of the metal plate within a range of 0.1 to 1.0 times the thickness of the metal plate. Are listed.

特許文献2には、セラミックス基板のクラックの防止と曲げ強度の改善を目的とし、窒化アルミニウム焼結体あるいは窒化ケイ素焼結体からなるセラミックス基板にAg、Cu、Tiを含有するろう材層を介して金属板を接合するもので、金属板をエッチング処理して回路パターンを形成し、この回路パターンの側面よりも外方にろう材層がはみ出すように上記と同様にはみ出し部を形成すること、また金属回路パターンの側面を滑らかな曲面状に傾斜して形成することが記載されている。   Patent Document 2 discloses a ceramic substrate made of an aluminum nitride sintered body or a silicon nitride sintered body with a brazing material layer containing Ag, Cu, Ti for the purpose of preventing cracks in the ceramic substrate and improving bending strength. The metal plate is joined, and the metal plate is etched to form a circuit pattern, and the protruding portion is formed in the same manner as described above so that the brazing material layer protrudes outward from the side surface of the circuit pattern. It also describes that the side surface of the metal circuit pattern is formed so as to be inclined into a smooth curved surface.

特許文献3には、接合熱処理中のろう材の流れ出しを防止するために、40〜80重量%のAgと、20〜60重量%のCuおよびTi、Zr、Hf等の活性金属粉末を含む混合粉末よりなるろう材を用いており、このろう材を構成する活性金属粉末中における粒径5μm以下の粒子の割合を5重量%以下に制御することが効果的であると記載されている。   In Patent Document 3, a mixture containing 40 to 80% by weight of Ag and 20 to 60% by weight of an active metal powder such as Cu, Ti, Zr, and Hf in order to prevent the brazing material from flowing out during the bonding heat treatment. It is described that brazing material made of powder is used, and it is effective to control the ratio of particles having a particle size of 5 μm or less in the active metal powder constituting the brazing material to 5% by weight or less.

特許文献4には、セラミックス基板に対する熱衝撃が小さく、接合時の歪を抑えることができるろう材を開示しており、50〜85重量%のAgと、1〜5重量%のTiと、0.1〜7.5重量%のInと、残部Cuからなるセラミックス用ろう材について記載されている。   Patent Document 4 discloses a brazing material that has a small thermal shock to the ceramic substrate and can suppress distortion during bonding, and includes 50 to 85% by weight of Ag, 1 to 5% by weight of Ti, and 0. It describes a brazing material for ceramics comprising 1 to 7.5% by weight of In and the balance Cu.

特許文献5には、金属−セラミックス接合基板において、接合層のボイド直径を0.65mm以下に制御することによりコロナ放電の発生を抑制し、接合基板への耐電圧を4kV以上となし得ることについての記載がある。   Patent Document 5 discloses that in a metal / ceramic bonding substrate, the generation of corona discharge can be suppressed by controlling the void diameter of the bonding layer to 0.65 mm or less, and the withstand voltage to the bonding substrate can be 4 kV or more. Is described.

特許文献6には、セラミックス基板の金属回路板の熱膨張差により発生する応力によって金属回路板とろう材間で生じる剥離現象を抑制することを目的とし、セラミックス回路基板において金属回路板の外周と外周から5mm内側領域における空隙率を5%とすることで、信頼性よく安定して機能するセラミックス回路基板を提供できるとの記載がある。   Patent Document 6 aims to suppress the peeling phenomenon that occurs between the metal circuit board and the brazing material due to the stress generated by the difference in thermal expansion of the metal circuit board of the ceramic substrate. There is a description that a ceramic circuit board that functions stably and reliably can be provided by setting the porosity in the inner region 5 mm from the outer periphery to 5%.

特許文献7には、金属回路および金属放熱板とセラミックス基板界面における接合層において、特定の空隙を設けることによって両者の熱膨張差に起因する熱応力を吸収さえることを見出し、その手法として接合に用いるろう材ペースト中の有機結合剤の量をより3〜5倍量を多くするか、特定寸法の縞状または格子状に印刷するか、または、その両方によることで、容易に上記空隙を形成できるとの記載がある。   In Patent Document 7, it is found that by providing a specific gap in the bonding layer at the interface between the metal circuit and the metal heat dissipation plate and the ceramic substrate, the thermal stress caused by the difference in thermal expansion between them can be absorbed, and as a technique therefor The above voids can be easily formed by increasing the amount of the organic binder in the brazing paste to be used by increasing the amount by 3 to 5 times, or by printing in a stripe or grid pattern of a specific size, or both. There is a description that it can be done.

特開平10−190176号公報JP-A-10-190176 特開平11−340598号公報JP 11-340598 A 特開平11−29371号公報JP-A-11-29371 特開平6−107471号公報JP-A-6-107471 特開平2001−48671号公報JP-A-2001-48671 特開平2001−210948号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2001-210948 特許第3260224号公報Japanese Patent No. 3260224

上述したようにセラミックス回路基板については、従来にも増して熱応力や熱サイクルに対する十分な接合強度と耐久性が要求されている。この点で、特許文献1及び特許文献2に開示された発明は、セラミックス基板にろう材層を介して金属回路板を接続するときに、この金属板の端面(側面)から所定長さのろう材層のはみ出し部を設けることにより、セラミックス基板と金属回路板端面との接合面における熱応力の集中を緩和できることが開示されており、さらに、金属回路板の端面を滑らかな曲面状に傾斜させることにより熱応力の集中がさらに緩和できることを示している。確かにはみ出し部を設けることによる効果は期待できるものである。しかしながら、一方で昨今のセラミックス回路基板においては、集積密度の向上も要求されており、例えば銅板間の間隔は耐電圧によって異なるものの概ね1.0mm以下で±0.1mm程度の精度が要求され、さらに狭くすることが求められている。このように狭い間隔を精度を保ってエッチング処理すること自体が困難になるが、特にパターン印刷エッチング法の場合は、接合時のろう材層の液相化と押圧力との影響でろう材の流れ出し現象が生じ易く短絡不良を招きやすい。特許文献1及び特許文献2には、このような問題の認識および解決手段について何ら言及されていない。   As described above, ceramic circuit boards are required to have sufficient bonding strength and durability against thermal stress and thermal cycle, as compared with conventional ceramic circuit boards. In this regard, the inventions disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 2 are designed such that when a metal circuit board is connected to a ceramic substrate via a brazing material layer, the brazing metal has a predetermined length from the end face (side face) of the metal board. It is disclosed that the thermal stress concentration on the joint surface between the ceramic substrate and the metal circuit board end face can be reduced by providing the protruding portion of the material layer, and the end face of the metal circuit board is inclined to a smooth curved surface. This shows that the concentration of thermal stress can be further relaxed. Certainly, the effect of providing the protruding portion can be expected. However, on the other hand, in recent ceramic circuit boards, an improvement in integration density is also required. For example, although the interval between copper plates differs depending on the withstand voltage, an accuracy of about ± 0.1 mm is required at about 1.0 mm or less, Further narrowing is required. In this way, it is difficult to perform the etching process with a narrow interval with accuracy, but in the case of the pattern printing etching method in particular, the effect of the brazing filler metal layer due to the influence of the liquid phase of the brazing filler metal layer at the time of joining and the pressing force. A flow-out phenomenon is likely to occur, and a short circuit failure is likely to occur. Patent Document 1 and Patent Document 2 do not mention any recognition and solution for such problems.

この点で特許文献3によれば、活性金属粉末の粒径を制御することにより、ろう材の流れ出しを防止できるとある。具体的には添加したTi粉末のうち粒径5μm以下の粉末を5質量%以下に抑えることが効果的であるというもので、比較的微細な粒子の含有量を抑えることによって余剰な活性金属粉末の流れ出しを防止出来ることにある。しかしながら、本願発明者らの研究によれば、接合時の熱処理によりろう材層の表面には鱗状の凹凸が形成され、回路形成のための銅板を接合する際に、銅板とろう材層及びろう材層とセラミック基板のそれぞれの界面において、この鱗状の凹凸に起因するボイドが多く残存することが分かった。これにより接合強度が弱まること、また、回路基板の表裏に高電圧負荷した際に、このマイクロボイドの存在箇所でコロナ放電を生じるといった致命的な問題がある。これについて、特許文献1〜4に開示されたろう材を用いたセラミックス回路基板ではマイクロボイドの形状および面積割合(存在比率)を意識的に制御することが出来ない問題点がある。   In this regard, according to Patent Document 3, it is possible to prevent the brazing material from flowing out by controlling the particle size of the active metal powder. Specifically, it is effective to suppress the powder having a particle diameter of 5 μm or less among the added Ti powder to 5% by mass or less, and surplus active metal powder by suppressing the content of relatively fine particles. It is to be able to prevent the outflow. However, according to the study by the present inventors, scale-like irregularities are formed on the surface of the brazing material layer by the heat treatment during joining, and when joining the copper plate for circuit formation, the copper plate, the brazing material layer, and the brazing material are joined. It was found that many voids due to the scale-like irregularities remain at each interface between the material layer and the ceramic substrate. As a result, there is a fatal problem that the bonding strength is weakened, and when a high voltage load is applied to the front and back sides of the circuit board, corona discharge is generated at the locations where the microvoids exist. In this regard, the ceramic circuit board using the brazing material disclosed in Patent Literatures 1 to 4 has a problem that the shape and area ratio (existence ratio) of the microvoids cannot be consciously controlled.

特許文献5によれば、高電圧下におけるコロナ放電を解消するために金属板とセラミックス基板の接合界面におけるボイド直径との関係について調査し、コロナ放電開始電圧および終始電圧がボイドの大きさに影響されることを見出し、0.65mm以下のボイドであれば、開始電圧および終始電圧を4kV以上に設定できることを確認している。しかしながら、ボイド径を制御する詳細な手法、例えばろう剤量、圧力、温度範囲などについての開示はない。また、パワーモジュール用基板として必要な、冷熱サイクル負荷に対する耐久性と接合界面におけるボイド径およびボイド率の関係について言及されていない。   According to Patent Document 5, in order to eliminate corona discharge under a high voltage, the relationship between the void diameter at the joint interface between the metal plate and the ceramic substrate was investigated, and the corona discharge starting voltage and the starting voltage affected the void size. It has been confirmed that if the void is 0.65 mm or less, the start voltage and the end-to-end voltage can be set to 4 kV or more. However, there is no disclosure of detailed methods for controlling the void diameter, such as the amount of brazing agent, pressure, and temperature range. In addition, there is no mention of the relationship between the durability against a cooling cycle load and the void diameter and void ratio at the joint interface, which are necessary as a power module substrate.

また、特許文献6によれば、セラミックス回路基板において金属回路板の外周と外周から5mm内側領域における空隙率を5%とすることで、セラミックス基板の金属回路板の熱膨張差により発生する応力によって金属回路板とろう材間で生じる剥離現象を抑制することが可能であるとの記載がある。しかしながら、空隙率についての記載はあるものの
特許文献5で説明されている高電圧下におけるコロナ放電を解消するための金属板とセラミックス基板の接合界面におけるボイド直径との関係、また、冷熱繰り返しに対する接合界面の強度信頼性とボイド径の関係についての開示はない。
Further, according to Patent Document 6, by setting the porosity of the ceramic circuit board to 5% from the outer periphery of the metal circuit board and the inner area 5 mm from the outer periphery, the stress generated by the difference in thermal expansion of the metal circuit board of the ceramic substrate There is a description that it is possible to suppress the peeling phenomenon that occurs between the metal circuit board and the brazing material. However, although there is a description of the porosity, the relationship between the void diameter at the bonding interface between the metal plate and the ceramic substrate for eliminating the corona discharge under the high voltage described in Patent Document 5, and the bonding to repeated cooling and heating There is no disclosure of the relationship between the interface strength reliability and the void diameter.

この点、特許文献7によれば、金属回路および金属放熱板とセラミックス基板界面における接合層において、特定の空隙を設けることによって両者の熱膨張差に起因する熱応力を吸収し得ることを見出し、接合層中に存在する直径1mm以上の空隙の占有率が接合層全体の体積に対して0.3%〜3%と規定している。さらに、空隙の大きさならびに占有率を制御する方法として、接合に用いるろう材ペースト中の有機結合剤の量を3〜5倍量を多くするか、特定寸法の縞状または格子状に印刷するか、または、その両方によることで、容易に上記空隙を形成できるとの説明がなされている。しかしながら、ろう剤ペースト中の有機結合剤の量を増加させることは、昇温過程において揮発分を増大させることになり、特に、Ti、ZrおよびHfなどの活性金属を含むろう剤を使用する場合、これら活性金属の効果を発現するためには、熱処理時における真空度が肝要であり、したがって炉内の真空度を維持するためには、真空度回復のために昇温パターンに一定の保持パターン設定、あるいは排気能力の設備の拡充を招聘する。さらには灰化した有機結合剤が炉壁に堆積する頻度が増すため、頻繁に炉内清掃をする必要が有り、生産性を低下させる要因となる。また、縞状または格子状にペースト印刷することは、接合後の接合層中に線状のボイドを残留させることに繋がり、直径1mm以上の空隙を所定の空隙率の範囲に制御することは可能であるが、冷熱繰り返しに対してのろう材層中でのクラック進展を緩和する効果を発現する1.0mm以下のマイクロボイドを所定の空隙率以内で均一に微細分散することはできない。   In this regard, according to Patent Document 7, it has been found that by providing a specific gap in the bonding layer at the interface between the metal circuit and the metal heat sink and the ceramic substrate, it is possible to absorb the thermal stress due to the difference in thermal expansion between them, The occupation ratio of voids having a diameter of 1 mm or more existing in the bonding layer is defined as 0.3% to 3% with respect to the entire volume of the bonding layer. Furthermore, as a method for controlling the size and occupation ratio of the voids, the amount of the organic binder in the brazing paste used for bonding is increased by 3 to 5 times, or is printed in a striped or grid pattern having a specific size. In addition, it is explained that the above-mentioned void can be easily formed by both or both. However, increasing the amount of the organic binder in the brazing paste increases the volatile content in the temperature rising process, especially when using brazing agents containing active metals such as Ti, Zr and Hf. In order to exhibit the effect of these active metals, the degree of vacuum during heat treatment is essential. Therefore, in order to maintain the degree of vacuum in the furnace, a constant holding pattern is required for the temperature rising pattern to recover the degree of vacuum. Invite expansion of equipment for setting or exhaust capacity. Furthermore, since the frequency with which the ashed organic binder is deposited on the furnace wall increases, it is necessary to frequently clean the inside of the furnace, which causes a decrease in productivity. Moreover, paste printing in a striped pattern or a lattice pattern leads to a linear void remaining in the bonded layer after bonding, and it is possible to control a void having a diameter of 1 mm or more within a predetermined porosity range. However, it is impossible to uniformly finely disperse microvoids of 1.0 mm or less that exhibit an effect of mitigating crack propagation in the brazing filler metal layer against repeated cooling and heating within a predetermined porosity.

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、セラミックス基板のクラック防止と、冷熱の繰り返し対しての金属板/セラミックス基板界面における接合信頼性の向上を図るもので、はみ出し部の効果を損なうことなく、ろう材層表面の凹凸形状と、接合界面におけるマイクロボイドの形状と面積割合(存在比率)の制御を図ったセラミックス回路基板を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such problems, and is intended to prevent cracking of the ceramic substrate and improve the bonding reliability at the metal plate / ceramic substrate interface against repeated cooling and cooling. An object of the present invention is to provide a ceramic circuit board in which the uneven shape on the surface of the brazing material layer and the shape and area ratio (existence ratio) of the microvoids at the bonding interface are controlled without impairing the above.

本願発明者らは上記課題を解決するため、まず、用いるろう材粉末の組成および分布に着目し、熱処理後のろう材層表面部の凹凸形状を制御することを主眼に、誠意研究を重ねた。すなわち、Ag−Cu−In−Ti系のろう材を母材とした合金粉末において、適度な粒径と粒度分布のAg粉末粒子あるいはCu粉末粒子を適切な量だけ後添加することで、金属板接合前の熱処理で生成されるろう材層表面の凹凸面を制御できること、またろう付け時の熱処理温度によっても制御できること、これによりろう付け接合後の金属板/セラミックス基板界面におけるマイクロボイドの形状と面積割合の制御が可能であること、冷熱の繰り返し対しての金属板/セラミックス基板界面における接合信頼性を各段に向上することを見出し本発明に至った。   In order to solve the above-mentioned problems, the inventors of the present application first paid attention to the composition and distribution of the brazing filler metal powder to be used, and repeated sincerity studies with a focus on controlling the uneven shape of the brazing filler metal layer surface after the heat treatment. . That is, by adding an appropriate amount of Ag powder particles or Cu powder particles having an appropriate particle size and particle size distribution to an alloy powder using an Ag—Cu—In—Ti brazing material as a base material, It is possible to control the uneven surface of the brazing material layer surface generated by the heat treatment before joining, and it can also be controlled by the heat treatment temperature at the time of brazing, and thereby the shape of the microvoids at the metal plate / ceramic substrate interface after brazing and joining. The present inventors have found that it is possible to control the area ratio and that the reliability of bonding at the metal plate / ceramic substrate interface for repeated cooling and cooling is improved in each stage.

即ち、本願第一の発明は、セラミックス基板の少なくとも一方の面にろう材層を介して金属板を接合した構造であり、前記ろう材層は前記金属板の接合範囲を含みそれより広い範囲に形成されるセラミックス回路基板であって、前記ろう材層はAg:85〜55質量%、In:5〜25質量%、Ti:0.2〜2.0質量%、残部Cu及び不可避不純物からなる平均粒子径15〜40μmの合金粉末に、さらに平均粒子径1〜15μmのAg粉末粒子あるいはCu粉末粒子を5〜30質量%添加したAg−Cu−In−Ti系ろう材からなり、主成分がCu−Ti相からなり最大長さが1.0mm未満の凹部と主成分がAg−In相およびCu−In相からなる凸部とからなる凹凸面を有し、ボイド率0.5%以上10%以下、ボイドの最大径1.0mm以下であるセラミックス回路基板である。 That is, the first invention of the present application is a structure in which a metal plate is joined to at least one surface of a ceramic substrate via a brazing material layer, and the brazing material layer includes a joining range of the metal plate and is in a wider range. In the ceramic circuit board to be formed, the brazing material layer is made of Ag: 85 to 55% by mass, In: 5 to 25% by mass, Ti: 0.2 to 2.0% by mass, the remainder Cu and inevitable impurities. It consists of an Ag-Cu-In-Ti brazing material in which 5 to 30% by mass of Ag powder particles or Cu powder particles having an average particle size of 1 to 15 µm is further added to an alloy powder having an average particle size of 15 to 40 µm. It has a concave-convex surface made of a Cu-Ti phase and a maximum length of less than 1.0 mm and a convex portion consisting mainly of an Ag-In phase and a Cu-In phase, and has a void ratio of 0.5% or more and 10 % Or less, maximum diameter of void The ceramic circuit board is 1.0 mm or less.

本願第二の発明は、セラミックス基板と金属板との間にAg:85〜55質量%、In:5〜25質量%、Ti:0.2〜2.0質量%、残部Cu及び不可避不純物からなる平均粒子径15〜40μmの合金粉末に、さらに平均粒子径1〜15μmのAg粉末粒子あるいはCu粉末粒子を5〜30質量%添加したAg−Cu−In−Ti系ろう材を用いて回路パターンの接合範囲を含みそれより広い範囲にろう材層を形成し、熱処理して前記セラミックス基板と前記金属板とをろう付けし、前記ろう材層に主成分がCu−Ti相からなり最大長さが1.0mm未満の凹部と主成分がAg−In相およびCu−In相からなる凸部とからなる凹凸面を付与し、最大径1.0mm以下のボイドを0.5%以上10%以下含有させ、前記金属板をエッチングして前記回路パターンを形成するセラミックス回路基板の製造方法である。
本願第三の発明は、セラミックス基板と予め所定の回路パターンに形成した金属板との間にAg:85〜55質量%、In:5〜25質量%、Ti:0.2〜2.0質量%、残部Cu及び不可避不純物からなる平均粒子径15〜40μmの合金粉末に、さらに平均粒子径1〜15μmのAg粉末粒子あるいはCu粉末粒子を5〜30質量%添加したAg−Cu−In−Ti系ろう材を用いて回路パターンの接合範囲を含みそれより広い範囲にろう材層を形成し、熱処理して前記セラミックス基板と前記金属板とをろう付けし、前記ろう材層に主成分がCu−Ti相からなり最大長さが1.0mm未満の凹部と主成分がAg−In相およびCu−In相からなる凸部とからなる凹凸面を付与し、最大径1.0mm以下のボイドを0.5%以上10%以下含有させるセラミックス回路基板の製造方法である。
According to the second invention of the present application, between the ceramic substrate and the metal plate, Ag: 85 to 55% by mass, In: 5 to 25% by mass, Ti: 0.2 to 2.0% by mass, the balance Cu and inevitable impurities. A circuit pattern using an Ag-Cu-In-Ti brazing material in which 5-30 mass% of Ag powder particles or Cu powder particles having an average particle diameter of 1-15 μm is further added to the alloy powder having an average particle diameter of 15-40 μm A brazing filler metal layer is formed in a wider range including the bonding range of, and the ceramic substrate and the metal plate are brazed by heat treatment, and the brazing filler metal layer is mainly composed of a Cu-Ti phase and has a maximum length. Is provided with a concave-convex surface composed of a concave portion of less than 1.0 mm and a convex portion composed mainly of an Ag-In phase and a Cu-In phase, and a void having a maximum diameter of 1.0 mm or less is 0.5% to 10%. And containing the metal plate. This is a method for manufacturing a ceramic circuit board in which the circuit pattern is formed by ching.
In the third invention of the present application, Ag: 85-55 mass%, In: 5-25 mass%, Ti: 0.2-2.0 mass between the ceramic substrate and a metal plate previously formed in a predetermined circuit pattern. Ag-Cu-In-Ti in which 5 to 30% by mass of Ag powder particles or Cu powder particles having an average particle size of 1 to 15 μm is further added to an alloy powder having an average particle size of 15 to 40 μm consisting of%, the balance Cu and inevitable impurities A brazing filler metal layer is used to form a brazing filler metal layer in a wider range including the bonding range of the circuit pattern, and the ceramic substrate and the metal plate are brazed by heat treatment, and the brazing filler metal layer is mainly composed of Cu. A concave / convex surface made of a Ti phase and having a maximum length of less than 1.0 mm and a convex portion mainly composed of an Ag-In phase and a Cu-In phase is provided, and a void having a maximum diameter of 1.0 mm or less is provided. 0.5% or more 10 % Is a method for producing a ceramic circuit board.

本発明における前記ろう材層は、Ag:85〜55質量%、In:5〜25質量%、Ti:0.2〜2.0質量%、残部Cu及び不可避不純物からなる平均粒子径15〜40μmの合金粉末に、さらに平均粒子径1〜15μmのAg粉末粒子あるいはCu粉末粒子を5〜30質量%添加したろう材からなることが望ましい。   In the present invention, the brazing filler metal layer has an average particle diameter of 15 to 40 μm composed of Ag: 85 to 55% by mass, In: 5 to 25% by mass, Ti: 0.2 to 2.0% by mass, the balance Cu and inevitable impurities. The alloy powder is preferably made of a brazing material obtained by adding 5 to 30% by mass of Ag powder particles or Cu powder particles having an average particle diameter of 1 to 15 μm.

ここで後添加するAg粉末粒子あるいはCu粉末粒子は、平均粒子径1〜15μmを5〜30質量%の範囲で添加するものであるが、さらに望ましくは3〜5μmのAg粉末あるいはCu粉末を10〜20質量%添加することである。平均粒子径が1μm未満では合金粉末とAg粉末あるいはCu粉末の粒径差が大きくなり、ろう材ペースト中でのAg粉末あるいはCu粉末の分散状態が不均一となり、スクリーン印刷後の印刷パターンむらが生じるなどの不具合が生じる。15μmを超えるとAg粉末あるいはCu粉末と合金粉末との融点の差が顕著となり、溶融不均一となって好ましくない。また5質量%未満では、ろう材層表面の鱗状凹凸を緩和する効果がなく、また30質量%を超えると、ろう材層表面の鱗状凹凸を緩和する効果を発現することはできるが、Ag粉末を添加する場合には、金属板(Cu板)中に拡散するAg成分が多くなり金属板表面を伝わって流れ出すろう材の拡がり挙動を抑制することができなくなる。また、Ag成分の過剰添加は溶融温度の上昇を招くため好ましくない。一方、Cu粉末を添加する場合には、30質量%を超えると、ろう材層表面の鱗状凹凸を緩和する効果を発現することはできるが、この場合においても合金粉末との融点差が上昇し、溶融不均一となるため好ましくない。   Here, the Ag powder particles or Cu powder particles to be added later are those having an average particle diameter of 1 to 15 μm added in the range of 5 to 30% by mass, and more preferably 3 to 5 μm Ag powder or Cu powder. It is adding -20 mass%. When the average particle size is less than 1 μm, the particle size difference between the alloy powder and the Ag powder or Cu powder becomes large, the dispersion state of the Ag powder or Cu powder in the brazing material paste becomes non-uniform, and the printed pattern unevenness after screen printing Inconvenience occurs. If the thickness exceeds 15 μm, the difference in melting point between the Ag powder or Cu powder and the alloy powder becomes remarkable, which is not preferable because of nonuniform melting. If the amount is less than 5% by mass, there is no effect of reducing the scale-like irregularities on the surface of the brazing material layer. If the amount exceeds 30% by mass, the effect of reducing the scale-like irregularities on the surface of the brazing material layer can be exhibited, Is added, the Ag component diffusing into the metal plate (Cu plate) increases, and the spreading behavior of the brazing material flowing out along the surface of the metal plate cannot be suppressed. Further, excessive addition of Ag component is not preferable because it causes an increase in melting temperature. On the other hand, when Cu powder is added, if it exceeds 30% by mass, the effect of alleviating the scaly irregularities on the surface of the brazing material layer can be exhibited, but in this case as well, the melting point difference from the alloy powder increases. , Which is not preferable because of non-uniform melting.

また、ろう材の母材であるAg−Cu−In−Ti系合金粉末の平均粒径は15〜40μmであって、これら合金粉末粒子間の間隙を埋めるように前記1〜15μmのAg粉末粒子あるいはCu粉末粒子が充填していることで効果が高まる。また、粉末粒子の平均粒子径d50を1〜15μmとし、このときd10を0.2〜0.5μm、d90を10〜25μmとして粒度分布を調整することが望ましい。これは、図1に示す様に、合金粉末単独では粉末間の空隙が多く(図1(B)参照)、これに上記仕様のAg粉末あるいはCu粉末を添加することで、ろう材の充填密度を向上することができ、特に、添加するAg粉末あるいはCu粉末の粒度分布を上記のように規定することで、ろう材の最密充填を達成することができる。これらの効果によりペースト印刷時の塗布量の制御、ろう付け過程での粒子間の反応性促進が達成できる。これらは、いずれも金属板とセラミックス基板の接合強度を強化し、ひいては熱衝撃に対する接合信頼性が向上する点で必要である。   The average particle diameter of the Ag—Cu—In—Ti alloy powder, which is the base material of the brazing material, is 15 to 40 μm, and the 1 to 15 μm Ag powder particles are filled so as to fill the gaps between these alloy powder particles. Alternatively, the effect is enhanced by filling the Cu powder particles. Further, it is desirable to adjust the particle size distribution by setting the average particle diameter d50 of the powder particles to 1 to 15 μm, d10 to 0.2 to 0.5 μm, and d90 to 10 to 25 μm. As shown in FIG. 1, the alloy powder alone has many voids between the powders (see FIG. 1 (B)), and by adding Ag powder or Cu powder of the above specifications to this, the filler density of the brazing material is increased. In particular, by specifying the particle size distribution of the Ag powder or Cu powder to be added as described above, the closest packing of the brazing material can be achieved. Due to these effects, it is possible to control the coating amount during paste printing and promote the reactivity between particles during the brazing process. All of these are necessary in terms of enhancing the bonding strength between the metal plate and the ceramic substrate, and thus improving the bonding reliability against thermal shock.

ここで、ボイドの効果について説明する。均一に分散したボイドは、界面強度を損なうことなく、また、電圧集中によるコロナ放電を生じず、冷熱繰り返しに対する疲労寿命を各段に向上させることができる。セラミックス回路基板おいて、ろう付け後には、金属板とセラミックス基板との熱膨張差により、金属回路端部とセラミックス基板との界面で応力集中が起こる。冷熱繰り返しに伴い、この部分のセラミックス側にマイクロクラックが発生し、さらにサイクル数の増加でクラックが基板を進展し、やがて破壊(金属回路板)剥離に至る。本発明では、接合界面中に適度の形状と面積占有率を維持したマイクロボイドを均一に分散させることで、ろう材層が受ける塑性ひずみを緩和することでクラックの進展を抑制することができ、しいてはセラミックス回路基板の信頼性向上さえることができることを見出した。すなわち、ボイド率は10%を超えると、金属板/セラミックス基板界面の接合強度が低下し、冷熱の繰り返しに対する接合信頼性が著しく劣化すること、また、回路基板間の表裏に高電圧負荷した際に、このマイクロボイドの存在箇所でコロナ放電を生じるといった致命的な問題がある。0.5%未満では、ろう付け処理後の接合強度は十分確保できるものの、冷熱繰り返しにおける接合界面の疲労寿命は低下する。また、マイクロボイドは1.0mmを超えると、破壊の起点として作用し接合強度が低下するため、冷熱の繰り返しに対する接合信頼性が著しく劣化するといった問題がある。さらにマイクロボイドの大きさ増大によるコロナ放電の発生頻度が顕著となると言った問題がある。さらに、ボイド形状については、単一な球形でなく、多くの曲率を持つ形状が特徴である。この形状は、いわばコンペイ糖状のような形態をもっているが曲率部が多く存在するため、ろう材層が受ける塑性ひずみを緩和する効果が顕著である。これにより、冷熱繰り返しで生じうるクラックの進展を抑制することが可能となる。   Here, the effect of the void will be described. The uniformly dispersed voids can improve the fatigue life against repeated cooling and heating without deteriorating the interface strength and without causing corona discharge due to voltage concentration. In the ceramic circuit board, after brazing, stress concentration occurs at the interface between the end part of the metal circuit and the ceramic substrate due to a difference in thermal expansion between the metal plate and the ceramic substrate. Along with repeated cooling and heating, microcracks are generated on the ceramic side of this portion, and further, the crack progresses through the substrate as the number of cycles increases, and eventually breaks (metal circuit board) peeling. In the present invention, by uniformly dispersing microvoids maintaining an appropriate shape and area occupancy in the bonding interface, it is possible to suppress the progress of cracks by relaxing the plastic strain received by the brazing material layer, As a result, it has been found that the reliability of ceramic circuit boards can be improved. In other words, if the void ratio exceeds 10%, the bonding strength at the metal plate / ceramic substrate interface decreases, the bonding reliability against repeated cooling and heating deteriorates significantly, and when a high voltage load is applied between the circuit boards. In addition, there is a fatal problem that a corona discharge is generated at a location where the microvoid exists. If it is less than 0.5%, the bonding strength after the brazing treatment can be sufficiently ensured, but the fatigue life of the bonding interface in the repeated heating and cooling is reduced. Further, if the microvoid exceeds 1.0 mm, it acts as a starting point of fracture and the bonding strength is lowered, so that there is a problem that the bonding reliability against repetitive cooling is remarkably deteriorated. Furthermore, there is a problem that the frequency of corona discharge due to the increase in the size of the microvoids becomes significant. Furthermore, the void shape is not a single sphere, but is characterized by a shape having many curvatures. Although this shape has a form like a sugar-compound-like shape, since there are many curvature parts, the effect which relieves the plastic distortion which a brazing material layer receives is remarkable. This makes it possible to suppress the development of cracks that can occur due to repeated cooling and heating.

本発明において、セラミックス基板と金属板とをろう付けする熱処理温度の範囲規定は、マイクロボイドの面積割合および形状を制御する上で重要であり、730〜800℃で行うことが望ましい。熱処理温度が、730℃未満では、ろう材成分が充分に溶解することができず、接合界面でのボイド率が10%超かつボイド径が1.0mm超となり、上述した問題が生じる。一方、800℃超では、ボイド率が0.5%未満となり初期の接合強度は確保されるものの、冷熱繰り返しに伴う接合界面の疲労寿命が低下する問題が生じる。また、ろう付け処理後に、ろう材成分が金属回路板表面部に流れ出す不具合を生じる。よって、ろう付けの熱処理温度を730〜800℃で行うことで、ボイドの発生を減少させマイクロボイドを微小に且つ分散させることが出来る。   In the present invention, the range of the heat treatment temperature for brazing the ceramic substrate and the metal plate is important for controlling the area ratio and shape of the microvoids, and it is desirable to carry out at 730 to 800 ° C. When the heat treatment temperature is less than 730 ° C., the brazing filler metal component cannot be sufficiently dissolved, the void ratio at the joining interface exceeds 10% and the void diameter exceeds 1.0 mm, and the above-described problems occur. On the other hand, when the temperature exceeds 800 ° C., the void ratio is less than 0.5% and the initial bonding strength is ensured, but there is a problem that the fatigue life of the bonding interface is reduced due to repeated cooling and heating. In addition, after the brazing process, there is a problem that the brazing material component flows out to the surface portion of the metal circuit board. Therefore, by performing the brazing heat treatment temperature at 730 to 800 ° C., generation of voids can be reduced and microvoids can be dispersed minutely.

本発明によれば、ろう材層表面の凹凸の抑制が可能であり、マイクロボイドの形状と面積割合(存在比率)の制御を図ることができる。これにより、ろう付け処理後の接合強度を確保し、さらに冷熱繰り返しに対する接合信頼性の向上が図られる。また、半導体素子用セラミックス基板として用いた場合に半導体素子の作動に伴う繰り返し冷熱サイクルによって基板にクラックが発生することが少なく、耐熱衝撃性ならびに耐熱サイクル性を著しく向上することができる。   According to the present invention, unevenness on the surface of the brazing material layer can be suppressed, and the shape and area ratio (existence ratio) of the microvoids can be controlled. As a result, the bonding strength after the brazing treatment is ensured, and further, the bonding reliability against repeated cooling and heating is improved. In addition, when used as a ceramic substrate for a semiconductor element, cracks are less likely to occur in the substrate due to repeated cooling and heating cycles accompanying the operation of the semiconductor element, and the thermal shock resistance and thermal cycle performance can be significantly improved.

以下、実施例により本発明を説明するが、それら実施例により本発明が限定されるものではない。
先ず、ろう材について説明する。本発明のセラミックス回路基板で用いるろう材は、母材合金がAg−Cu−In−Tiの4元系であって、質量%でAgを85〜55質量%、Inを5〜25質量%、Tiを0.2〜2.0質量%、Cuを35〜20質量%及び不可避不純物から組成されたものである。合金粉末の作製は、ガスアトマイズ法により平均粒径d50値が50μmとなる様に噴霧し、50μm以上の粉末は篩分けによりカットし、50μmアンダーの粉末を用いるもので、ここでは合金粉末の平均粒子径d50は28μmである。また、合金粉末の作製は、低コストの水アトマイズ法でも可能であるが、活性金属として作用するTiの酸化を防止するため、この場合、合金粉末中の酸素量を0.5質量%以下に制御することが肝要である。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention, this invention is not limited by these Examples.
First, the brazing material will be described. The brazing material used in the ceramic circuit board of the present invention is a quaternary system in which the base alloy is Ag-Cu-In-Ti, Ag is 85 to 55% by mass, In is 5 to 25% by mass, It is composed of 0.2 to 2.0% by mass of Ti, 35 to 20% by mass of Cu and inevitable impurities. The alloy powder is produced by gas atomization so that the average particle diameter d50 value is 50 μm, and the powder of 50 μm or more is cut by sieving, and the powder under 50 μm is used. Here, the average particle of the alloy powder is used. The diameter d50 is 28 μm. The alloy powder can also be produced by a low-cost water atomization method, but in order to prevent oxidation of Ti acting as an active metal, the oxygen content in the alloy powder is 0.5% by mass or less in this case. It is important to control.

上記の混合粉末中(合金粉末と添加したAg粉末)に占めるInおよびTiを除いた、AgとCuの組成比は、AgとCuの合計重量を100質量%(AgとCuで100%)としたとき、Agを95〜75質量%、Cuを5〜25質量%が好ましい。この組成比の範囲では、加熱冷却後のろう材表面部の凹凸形状の抑制に効果があり、更には、Ag−Cu状態図における共晶組成(72%Ag−28%Cu)よりもAg−rich側の固液共存組成域において、処理温度を任意に選択することで、接合処理時の融液量を調整することができ、これにより、ろう材の流れ出し現象を抑制することが可能となる。ここで用いられるAg−Cu−In−Tiからなる合金粉末は、スクリーン印刷を行う場合のパターン印刷精度や接合する銅板への流れ出しを抑制する上で平均粒径45μm以下が好ましく、10〜30μm程度のものがより好適である。 The composition ratio of Ag and Cu, excluding In and Ti in the mixed powder (alloy powder and added Ag powder), is 100% by mass of Ag and Cu (100% for Ag and Cu). When used, Ag is preferably 95 to 75% by mass and Cu is preferably 5 to 25% by mass. In the range of this composition ratio, there is an effect in suppressing the uneven shape of the brazing filler metal surface portion after heating and cooling, and moreover, Ag-- than the eutectic composition (72% Ag-28% Cu) in the Ag-Cu phase diagram. In the rich solid-liquid coexistence composition range, by arbitrarily selecting the processing temperature, it is possible to adjust the amount of melt at the time of the joining process, and thereby it is possible to suppress the flow-out phenomenon of the brazing material. . The alloy powder made of Ag—Cu—In—Ti used here preferably has an average particle size of 45 μm or less, and 10 to 30 μm in order to suppress pattern printing accuracy when screen printing is performed and flow out to the copper plate to be joined. A thing of a grade is more suitable.

活性金属としては、周期律表第IVa族に属する元素を用いることができ、一般にはチタン、ジルコニウム、ハフニウムが用いられる。この中でも特にチタンは窒化アルミニウム基板や窒化ケイ素基板との反応性が高く、接合強度を非常に高くすることができるため本発明ではチタン(Ti)を用いている。さらにチタンの水素化物、即ち水素化チタンを用いれば、接合工程中における酸素の影響による酸化が起こり難くなり、より好適な接合状態が得られる。これは水素化チタンは接合工程での加熱処理によって初めて水素を放出して活性な金属チタンとなり、これが窒化アルミニウム基板や窒化ケイ素基板と反応するためである。更に、これら活性金属成分を予め合金粉末中に含有させると、Ag−Cu―In−Tiの比が均一となり、加熱昇温時において、基板あるいは金属板に印刷されたろう材粉末の局所的な溶融むらが抑制でき、しいてはろう材融液中を拡散するTiを容易に制御することができるため望ましい。AgとCuおよびInの合計量100質量%に対する活性金属粉末の添加量は、活性金属粉末による窒化アルミニウム基板/窒化ケイ素基板−ろう材−銅板の間の接合強度を十分に保つためには、0.2〜2.0質量%が好ましい。より好ましくは0.6〜1.5質量%である。   As the active metal, an element belonging to Group IVa of the periodic table can be used, and generally titanium, zirconium, and hafnium are used. Among these, in particular, titanium is highly reactive with an aluminum nitride substrate or a silicon nitride substrate, and can have a very high bonding strength. Therefore, titanium (Ti) is used in the present invention. Furthermore, if a hydride of titanium, that is, titanium hydride is used, oxidation due to the influence of oxygen during the bonding process is unlikely to occur, and a more preferable bonding state can be obtained. This is because titanium hydride releases hydrogen only after heat treatment in the bonding process to become active metallic titanium, which reacts with an aluminum nitride substrate or a silicon nitride substrate. Furthermore, when these active metal components are preliminarily contained in the alloy powder, the ratio of Ag-Cu-In-Ti becomes uniform, and the local melting of the brazing filler metal powder printed on the substrate or metal plate at the time of heating and heating. This is desirable because unevenness can be suppressed and Ti that diffuses in the brazing filler metal melt can be easily controlled. The addition amount of the active metal powder with respect to 100% by mass of the total amount of Ag, Cu and In is 0 in order to keep the bonding strength between the aluminum nitride substrate / silicon nitride substrate-brazing material-copper plate by the active metal powder sufficiently. .2 to 2.0% by mass is preferable. More preferably, it is 0.6-1.5 mass%.

さて、本発明においては、上記母材合金粉末に対しさらに平均粒子径1〜15μmのAg粉末粒子あるいはCu粉末粒子を5〜30質量%添加したものである。これらの規定理由は上述の通りであるが、さらに、Ag粉末粒子あるいはCu粉末粒子は粒度分布が均一であることが望ましく、平均粒子径d50を1〜15μmとするにはd10を0.2〜0.5μm、d90を10〜25μmとすることが適している。ここで、Ag粉末の粒度分布について規定しているのは、d10が0.2μm未満では、Ag粉末の反応性が高くなり、ろう材の流れ出し現象を制御することが困難となり、回路部潰れ、および銅板表面へのAg-In成分の流れ出しが頻発する不具合を招来するからである。一方、d90が25μm超では、スクリーン印刷後のAg-Cu-In-Ti合金の間隙を、Ag粉末にて、充填することができず、ろう付け後のボイド生成に大きく関与するし、またろう材印刷量を制御することが困難となる。さらに、Ag粉末自身は、合金粉末よりも高融点であるため、特に粗大粒子は反応性が劣り、一部Ag粉末粒子の溶け残り箇所が多くなり、この際にはろう付け処理後の密着強度の低下を招く。以上のことより、添加するAg粉末粒子の粒度分布は、d10を0.2〜0.5μm、d90が10〜25μmであることが望ましい。   In the present invention, 5 to 30% by mass of Ag powder particles or Cu powder particles having an average particle diameter of 1 to 15 μm is further added to the base alloy powder. The reasons for these prescriptions are as described above. Further, it is desirable that the Ag powder particles or the Cu powder particles have a uniform particle size distribution, and in order to set the average particle diameter d50 to 1 to 15 μm, d10 is set to 0.2 to It is suitable that 0.5 μm and d90 be 10 to 25 μm. Here, the particle size distribution of the Ag powder is defined as follows. When d10 is less than 0.2 μm, the reactivity of the Ag powder becomes high, and it becomes difficult to control the flow-out phenomenon of the brazing material. This is because there is a problem that the flow of the Ag—In component to the copper plate surface frequently occurs. On the other hand, if d90 is more than 25 μm, the gap of the Ag—Cu—In—Ti alloy after screen printing cannot be filled with Ag powder, which greatly contributes to void formation after brazing. It becomes difficult to control the material printing amount. Furthermore, since Ag powder itself has a higher melting point than alloy powder, coarse particles are particularly inferior in reactivity, and some of the Ag powder particles remain undissolved. In this case, adhesion strength after brazing treatment is increased. Cause a decline. From the above, the particle size distribution of the Ag powder particles to be added is desirably such that d10 is 0.2 to 0.5 [mu] m and d90 is 10 to 25 [mu] m.

また、Cu粉末を後添加する場合、Cu粉末粒度分布について規定しているのは、d10が0.2μm未満では、Cu粉末の反応性が高くなり、局部的に、Ag-Cu融液が生じ、この部分でろう材の流れ出し現象を制御することが困難となる。このため、回路部潰れ、および銅板表面へのAg-In成分の流れ出しが頻発する不具合を招来するからである。一方、d90が25μm超では、スクリーン印刷後のAg-Cu-In-Ti合金の間隙を、Cu粉末にて、充填することができず、ろう付け後のボイド生成に大きく関与するし、またろう材印刷量を制御することが困難となる。さらに、Cu粉末自身は、合金粉末よりも高融点であるため、特に粗大粒子は反応性が劣り、一部Cu粉末粒子の溶け残り箇所が多くなり、この際にはろう付け処理後の密着強度の低下を招く。以上のことより、添加するCu粉末粒子の粒度分布はd10を0.2〜0.5μm、d90を10〜25μmであることが望ましい。   In addition, when Cu powder is added later, the particle size distribution of Cu powder is defined as follows. When d10 is less than 0.2 μm, the reactivity of Cu powder becomes high, and an Ag—Cu melt is locally generated. This makes it difficult to control the flow-out phenomenon of the brazing material. For this reason, it is because the circuit part collapses and the malfunction that the flow of the Ag-In component to the copper plate surface frequently occurs. On the other hand, if d90 is more than 25 μm, the gap of the Ag—Cu—In—Ti alloy after screen printing cannot be filled with Cu powder, and it will greatly contribute to void formation after brazing. It becomes difficult to control the material printing amount. Furthermore, since the Cu powder itself has a higher melting point than the alloy powder, especially coarse particles are inferior in reactivity, and some of the Cu powder particles remain undissolved. In this case, the adhesion strength after brazing treatment Cause a decline. In view of the above, it is desirable that the particle size distribution of the Cu powder particles to be added is d10 of 0.2 to 0.5 μm and d90 of 10 to 25 μm.

d10を0.2〜0.5μm、d90を10〜25μmとなし、図1(A)は平均粒子径5μmのAg粉末粒子を15%添加した後のろう材粒子の形態を示し、図1(B)はAg粉末が無添加状態のろう材粒子の形態を示している。両図とも左側が100倍のSEM写真、右側が1000倍のSEM写真である。両者を比較して分かるように(B)では30〜50μmサイズの母材合金粒子との間に黒く見える隙間(ペースト有機成分)が全体に渡って見られるが、(A)ではAg粉末の添加によって前記隙間部分が埋められて、ろう材粉末の充填密度が高まった状態にある。このことが後述するろう材層表面の凹凸の緩和や外縁部の直線性の改善等に有効に作用していると考えている。尚、Cu粉末粒子を添加した場合も同様の形態が確認されている。   d10 is 0.2 to 0.5 μm, d90 is 10 to 25 μm, and FIG. 1 (A) shows the form of the brazing material particles after adding 15% of Ag powder particles having an average particle diameter of 5 μm. B) shows the form of the brazing filler metal particles with no added Ag powder. In both figures, the left side is a 100 times SEM photograph, and the right side is a 1000 times SEM photograph. As can be seen by comparing the two, in (B), a gap (paste organic component) that appears black between the base alloy particles having a size of 30 to 50 μm is seen throughout, but in (A), the addition of Ag powder Thus, the gap portion is filled and the filling density of the brazing filler metal powder is increased. This is considered to be effective in alleviating unevenness on the surface of the brazing filler metal layer described later, improving the linearity of the outer edge, and the like. In addition, the same form is confirmed also when adding Cu powder particle.

Ag粒子あるいはCu粒子の粒径及びこの混合粉末中のAg粉末あるいはCu粉末の重量割合は、液相沈降法を用いることで容易に測定することが可能である。なお液相沈降法では、粉末の形態が異形な場合には長径と短径の区別がつかず平均値を粒径とみなしてしまうが、本明細書では、この平均値を粒径とみなすこととし、粒径についての長径、短径の区別はしない。また、本特許での粒径は凝集粒径ではなく一次粒径を指す。これは粉末を超音波で溶媒中に分散させることで容易に測定することが可能となる。
また、図1で示した様に、ろう材ペーストを基板あるいは銅板に印刷した後、観察倍率1000倍にて観察したSEM像について、単位面積当たりの合金粉末および添加したAg粉末あるいはCu粉末の割合を、面積占有率にて評価することが可能である。また、同様の粒径のAg粉末あるいはCu粉末およびAg-Cu-In-Ti合金粉末との判別には、エネルギー分散型X線分析装置(EDX)の併用によりAg粉末を後添加する場合には、Cu成分の有無を、Cu成分を後添加する際には、Ag成分の有無を面分析により評価することで可能となる。
The particle size of Ag particles or Cu particles and the weight ratio of Ag powder or Cu powder in the mixed powder can be easily measured by using a liquid phase precipitation method. In the liquid phase precipitation method, when the powder form is irregular, the major axis and the minor axis cannot be distinguished and the average value is regarded as the particle size. In this specification, this average value is regarded as the particle size. No distinction is made between the major axis and the minor axis regarding the particle diameter. The particle size in this patent refers to the primary particle size, not the aggregated particle size. This can be easily measured by dispersing the powder in a solvent with ultrasonic waves.
Further, as shown in FIG. 1, the ratio of the alloy powder and the added Ag powder or Cu powder per unit area in the SEM image observed at an observation magnification of 1000 after printing the brazing paste on the substrate or copper plate. Can be evaluated by area occupancy. In addition, in order to discriminate between Ag powder or Cu powder having the same particle size and Ag—Cu—In—Ti alloy powder, when Ag powder is added after using an energy dispersive X-ray analyzer (EDX) The presence or absence of the Cu component can be determined by evaluating the presence or absence of the Ag component by surface analysis when the Cu component is added later.

また、ろう材原料粉末を構成するAg粉末あるいはCu粉末と合金粉末の混合方法としては、各成分を粉末の状態でボールミル、アトライター等の撹拌機を用いて混合したり、有機溶媒、バインダーを配合し、ボールミル、プラネタリーミキサー、三本ロールミル等を使って混合し、ペースト状にすることもできる。一般的には、金属粉末状で基板にパターンを形成することは難しいのでペースト状に混練して使用することが望ましい。ペースト状にする際、有機溶剤としてはメチルセルソルブ、エチルセルソルブ、イソホロン、トルエン、酢酸エチル、テレピネオール、ジエチレンングリコール・モノブチルエーテル、テキサノール等が用いられ、バインダーとしては、ポリイソブチルメタクリレート、エチルセルロース、メチルセルロース、アクリル樹脂等の高分子化合物が用いられる。   In addition, as a method for mixing Ag powder or Cu powder and alloy powder constituting the brazing material raw material powder, each component is mixed in a powder state using a stirrer such as a ball mill or an attritor, or an organic solvent or binder is added. It can be blended and mixed using a ball mill, a planetary mixer, a three-roll mill or the like to form a paste. In general, since it is difficult to form a pattern on a substrate in the form of metal powder, it is desirable to use it by kneading it into a paste. When making the paste, methyl cellosolve, ethyl cellosolve, isophorone, toluene, ethyl acetate, terpineol, diethylene glycol monobutyl ether, texanol, etc. are used as the organic solvent, and the binder is polyisobutyl methacrylate, ethyl cellulose, High molecular compounds such as methyl cellulose and acrylic resin are used.

良好なろう材のパターンをスクリーン印刷するためには、ペーストの粘度を20〜200Pa・sに制御することが好ましい。ペースト中の有機溶剤を全ペースト中の5〜15質量%、バインダーを1〜5質量%の範囲で配合することにより、印刷性の優れたペーストを得ることができる。加えて、上記範囲でバインダーを配合することにより、印刷後の脱脂工程におけるバインダーの除去が速やかに行われ好適である。また、ペーストとする場合、各成分の分散性をよくするために分散剤を添加することもできる。また、ろう材層の印刷膜厚は20〜80μmであることが良好な接着強度を発現させるために好ましい。   In order to screen-print a good brazing material pattern, the viscosity of the paste is preferably controlled to 20 to 200 Pa · s. By blending the organic solvent in the paste in the range of 5 to 15% by mass and the binder in the range of 1 to 5% by mass in the total paste, a paste having excellent printability can be obtained. In addition, blending the binder within the above range is preferable because the binder can be quickly removed in the degreasing step after printing. Moreover, when it is set as a paste, in order to improve the dispersibility of each component, a dispersing agent can also be added. The printed film thickness of the brazing material layer is preferably 20 to 80 μm in order to develop good adhesive strength.

また、窒化アルミニウムや窒化ケイ素基板との接合に供される金属板としては、前記ろう材が接合でき且つ金属板の融点がろう材融点よりも高ければ特に制約はない。一般的には、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、銀、銀合金、ニッケル、ニッケル合金、ニッケルメッキを施したモリブデン、ニッケルメッキを施したタングステン、ニッケルメッキを施した鉄合金等を用いることが可能である。
この中でも銅を金属部材として用いることが、電気的抵抗及び延伸性、高熱伝導性(低熱抵抗性)、マイグレーションが少ない等の点から最も好ましい。
また、アルミニウムを金属部材として用いることは、電気的抵抗、高熱伝導性(低熱抵抗性)は、銅に劣るものの、アルミニウムが持つ塑性変形性を利用して、冷熱サイクルに対する実装信頼性を有する点で好ましい。
その他にも電気的抵抗を重視すれば銀を用いることも好ましく、また電気的特性よりも接合後の信頼性を考慮する場合にはモリブデンやタングステンを用いれば、該金属の熱膨張率が窒化アルミニウム、窒化ケイ素に近いことから接合時の熱応力を小さくすることができるので好ましい。
Further, the metal plate used for bonding to the aluminum nitride or silicon nitride substrate is not particularly limited as long as the brazing material can be bonded and the melting point of the metal plate is higher than the melting point of the brazing material. In general, use copper, copper alloy, aluminum, aluminum alloy, silver, silver alloy, nickel, nickel alloy, nickel-plated molybdenum, nickel-plated tungsten, nickel-plated iron alloy, etc. Is possible.
Among these, copper is most preferably used as a metal member from the viewpoints of electrical resistance and stretchability, high thermal conductivity (low thermal resistance), and low migration.
In addition, the use of aluminum as a metal member has electrical resistance and high thermal conductivity (low thermal resistance), which is inferior to copper, but has the mounting reliability against the thermal cycle by utilizing the plastic deformability of aluminum. Is preferable.
In addition, it is also preferable to use silver if importance is attached to electrical resistance. When considering reliability after bonding rather than electrical characteristics, if molybdenum or tungsten is used, the thermal expansion coefficient of the metal is aluminum nitride. Since it is close to silicon nitride, the thermal stress during bonding can be reduced, which is preferable.

次に、セラミックス回路基板の構成例を図2に示す。図2において7は厚さ0.3〜0.6mm、熱伝導率70W/m・K以上、曲げ強度600MPa以上の窒化ケイ素焼結体からなるセラミックス基板(以下、窒化ケイ素基板を例にする。)である。窒化ケイ素基板7の一方の面(主面)には、銅板3、4、5が上述したろう材からなるろう材層8、9、10を介して接合されている。一方、窒化ケイ素基板7の他方の面(下面)には、放熱用の平板状の銅板11がろう材層12を介して接合されている。ろう材層8、9、10及び12は、各銅板3、4、5及び銅板11の外周端面から所定量だけはみ出したはみ出し部20を有している。このはみ出し部のはみ出し長さLは、少なくとも0.2mm以上、好ましくは0.3〜1.2mmとすることにより窒化ケイ素基板7と銅板3、4、5及び銅板11の端面部に集中する熱応力を緩和させることができる。また、銅板3、4、5及び銅板11の端面の全周には傾斜面3a、4a、5a及び11aが形成されている。この傾斜面の傾斜角度は30°〜60°に設定し曲面状に形成しても良い。尚、傾斜面3a、4a、5a、11aは銅板接合後のエッチング処理により形成しても良いし、銅板をプレス加工して予め形成したものでも良い。   Next, FIG. 2 shows a configuration example of the ceramic circuit board. In FIG. 2, reference numeral 7 denotes a ceramic substrate (hereinafter referred to as a silicon nitride substrate) made of a silicon nitride sintered body having a thickness of 0.3 to 0.6 mm, a thermal conductivity of 70 W / m · K or more, and a bending strength of 600 MPa or more. ). Copper plates 3, 4, 5 are joined to one surface (main surface) of the silicon nitride substrate 7 via the brazing material layers 8, 9, 10 made of the brazing material described above. On the other hand, a flat copper plate 11 for heat dissipation is joined to the other surface (lower surface) of the silicon nitride substrate 7 via a brazing material layer 12. The brazing filler metal layers 8, 9, 10, and 12 have a protruding portion 20 that protrudes from the outer peripheral end surfaces of the copper plates 3, 4, 5 and the copper plate 11 by a predetermined amount. The protruding length L of the protruding portion is at least 0.2 mm or more, preferably 0.3 to 1.2 mm, so that heat concentrated on the end surfaces of the silicon nitride substrate 7, the copper plates 3, 4, 5 and the copper plate 11 is concentrated. Stress can be relaxed. In addition, inclined surfaces 3 a, 4 a, 5 a, and 11 a are formed on the entire peripheries of the end surfaces of the copper plates 3, 4, 5 and the copper plate 11. The inclination angle of the inclined surface may be set to 30 ° to 60 ° and formed into a curved surface. The inclined surfaces 3a, 4a, 5a, and 11a may be formed by an etching process after joining the copper plates, or may be formed in advance by pressing a copper plate.

続いて、本発明をセラミックス回路基板の製造方法と共に説明する。
平均粒子径が0.2〜3.0mmの窒化ケイ素粉末:96質量%に対し、MgO:3質量%、および Y:1質量%の焼結助剤を添加した混合粉末を作製した。次に、アミン系の分散剤を2質量%添加したエタノール・ブタノール溶液を満たしたボールミルの樹脂製ポット中に、前記混合粉末および粉砕媒体の窒化ケイ素製ボールを投入し、48時間湿式混合した。次に、前記ポット中の混合粉末:83.3質量%に対しポリビニル系の有機バインダー:12.5質量%および可塑剤(ジメチルフタレ−ト):4.2質量%を添加し、次いで48時間湿式混合し、シート成形用スラリーを得た。この成形用スラリーを脱泡、溶媒除去により粘度を調整後、ドクターブレード法によりグリーンシートを成形した。次に、成形したグリーンシートを空気中400〜600℃で2〜5時間加熱することにより前記有機バインダー成分を十分に脱脂(除去)し、次いで脱脂体を0.9MPa(9気圧)の窒素雰囲気中で1900℃×5時間焼成し、50μm/inch以上の反りが生じた場合について、同窒素雰囲気中で1800℃×5時間の反り直し熱処理を行い、その後室温に冷却した。得られた窒化ケイ素焼結体シートをサンドブラスト処理により表面性状を調整し、縦50mm×横30mm×厚さ0.63mmの窒化ケイ素基板を得た。
Then, this invention is demonstrated with the manufacturing method of a ceramic circuit board.
Silicon nitride powder having an average particle size of 0.2 to 3.0 mm: mixed powder was prepared by adding a sintering aid of MgO: 3% by mass and Y 2 O 3 : 1% by mass to 96% by mass. . Next, the mixed powder and silicon nitride balls as grinding media were put into a ball mill resin pot filled with an ethanol / butanol solution to which 2% by mass of an amine-based dispersant was added, and wet mixed for 48 hours. Next, 12.5% by weight of a polyvinyl organic binder and 4.2% by weight of a plasticizer (dimethyl phthalate) are added to 83.3% by weight of the mixed powder in the pot, and then wet for 48 hours. Mixing was performed to obtain a slurry for forming a sheet. The molding slurry was defoamed and the viscosity was adjusted by solvent removal, and then a green sheet was molded by the doctor blade method. Next, the formed green sheet is heated in air at 400 to 600 ° C. for 2 to 5 hours to sufficiently degrease (remove) the organic binder component, and then the degreased body is in a nitrogen atmosphere of 0.9 MPa (9 atm). In the case of baking at 1900 ° C. for 5 hours and warping of 50 μm / inch or more occurred, the heat treatment was performed again at 1800 ° C. for 5 hours in the same nitrogen atmosphere, and then cooled to room temperature. The surface properties of the obtained silicon nitride sintered body sheet were adjusted by sandblasting to obtain a silicon nitride substrate having a length of 50 mm × width of 30 mm × thickness of 0.63 mm.

次に、図3に示すように、窒化ケイ素基板7の主面にスクリーン印刷により上述したろう材ペーストを予め設計された回路パターン形状に沿ってその厚さが30〜50μmになる様に所定メッシュを選定して塗布し、ろう材層8、9、10を形成する。このとき、窒化ケイ素基板7の主面にろう材を塗布する範囲は、銅板3、4、5を接合する範囲よりはみ出し部長さほど外側にはみ出すようにする。また、ペーストを均一に塗布することが重要であるが、塗布方法としてはスクリーン印刷法、メタルマスク印刷法、ロールコート法、吹き付け、転写等の任意の方法が考えられる。一般的にはスクリーン印刷法が最も簡便で採用しやすい。尚、ペースト中に粗大粒があるとスクリーンの目詰まり等が発生して所望のパターンに印刷できない場合があるので、粗大な粉末は含まないようにする。より微細な配線パターンを印刷する場合には細かいメッシュのスクリーンを使用しなければならず、より目詰まりも発生しやすいので、例えば、#300メッシュのスクリーンを使用する場合には、粉末の最大粒径を50μm以下に制御することが好適である。尚、多段エッチング法による場合は、ろう材層は窒化ケイ素基板の主面にパターンに関係なく塗布するものである。 Next, as shown in FIG. 3, the brazing material paste described above is screen-printed on the main surface of the silicon nitride substrate 7 in a predetermined mesh so that its thickness becomes 30 to 50 μm along the circuit pattern shape designed in advance. Is selected and applied to form the brazing material layers 8, 9, and 10. At this time, the range in which the brazing material is applied to the main surface of the silicon nitride substrate 7 protrudes to the outside by the protruding portion length L from the range in which the copper plates 3, 4, 5 are joined. In addition, it is important to apply the paste uniformly. As an application method, any method such as a screen printing method, a metal mask printing method, a roll coating method, spraying, and transfer can be considered. In general, the screen printing method is the simplest and easy to adopt. If there are coarse particles in the paste, the screen may be clogged and the desired pattern may not be printed. Therefore, the coarse powder is not included. When printing a finer wiring pattern, a fine mesh screen must be used, and clogging is more likely to occur. For example, when using a # 300 mesh screen, the maximum particle size of the powder It is preferable to control the diameter to 50 μm or less. In the case of the multistage etching method, the brazing material layer is applied to the main surface of the silicon nitride substrate regardless of the pattern.

ペーストを塗布した後は一般的には脱脂を行い、バインダー成分を除去する。脱脂中の加熱温度、時間等の処理条件についてはバインダー成分によって種々異なるが、処理中の雰囲気については窒素中、アルゴン中のような非酸化雰囲気もしくは真空中での処理を行えば、活性金属が酸化されることなく好適である。また酸化雰囲気であっても、酸素量を制限することで活性金属が必要以上に酸化されなければ、微量酸素濃度中やウエット雰囲気での脱脂を行っても好適な接合状態を得ることができる。ここでウエット雰囲気とは非酸化雰囲気ガスを水、又は湯中を通した後、処理室に送気することにより形成した雰囲気である。ただし、活性金属の効果を発現するには、ろう材粉末の酸素量は0.5質量%以下にすることが肝要である。
また、ろう材ペースト用のバインダー選定により、別途脱脂プロセスを設けることなくろう付け処理の昇温過程で、所定温度にて保持することで、脱脂・ろう付け処理を同時に行うことができる。この場合、バインダー選定が重要となるが、例えば、αテネピネオールを溶媒とし、ポリイソブチルメタクリレート、ジエチレンングリコール・モノブチルエーテルを用いた場合、高真空下熱処理においても、灰化カーボンが残存することなく、接合強度が得られる。本発明では、脱脂・ろう付けの同時処理を行っている。
After applying the paste, the binder component is generally removed by degreasing. The processing conditions such as heating temperature and time during degreasing vary depending on the binder component. However, the active metal is changed by processing in a non-oxidizing atmosphere such as nitrogen or argon or in vacuum. Suitable without being oxidized. Even in an oxidizing atmosphere, if the active metal is not oxidized more than necessary by limiting the amount of oxygen, a suitable bonding state can be obtained even if degreasing is performed in a trace oxygen concentration or in a wet atmosphere. Here, the wet atmosphere is an atmosphere formed by passing a non-oxidizing atmosphere gas through water or hot water and then supplying it to the processing chamber. However, in order to exhibit the effect of the active metal, it is important that the amount of oxygen in the brazing filler metal powder is 0.5% by mass or less.
In addition, by selecting a binder for the brazing material paste, the degreasing and brazing processes can be performed simultaneously by holding at a predetermined temperature in the temperature rising process of the brazing process without providing a separate degreasing process. In this case, binder selection is important.For example, when α-tenepineol is used as a solvent and polyisobutyl methacrylate, diethylene glycol monobutyl ether is used, even in heat treatment under high vacuum, ashed carbon does not remain, Bond strength is obtained. In the present invention, simultaneous processing of degreasing and brazing is performed.

金属板は多段エッチング法、パターン印刷エッチング法による場合は、セラミック基板と相似形の銅板を用意する。
一方、直接搭載法による場合は、図4に示すような、前記ろう材層8、9、10のパターンと相似形の回路パターンの銅板を用意する。この銅板の回路パターン3、4、5は一部の架橋部6a〜6dを介してプレス加工により一体成形している。また、予め図4の様に予め回路パターンを形成する方法として、プレス加工以外には、エッチング法、放電加工等を用いてもよい。銅板3、4、5の大きさはろう材層8、9、10によるはみ出し部が形成されるように若干小さめであり、端部は上方に向かって狭まる傾斜面3a〜5aを有している。
When the metal plate is formed by a multistage etching method or a pattern printing etching method, a copper plate similar to a ceramic substrate is prepared.
On the other hand, in the case of the direct mounting method, a copper plate having a circuit pattern similar to the pattern of the brazing material layers 8, 9, and 10 as shown in FIG. 4 is prepared. The circuit patterns 3, 4 and 5 of the copper plate are integrally formed by pressing through some bridging portions 6a to 6d. Further, as a method for forming a circuit pattern in advance as shown in FIG. 4, an etching method, electric discharge machining, or the like may be used in addition to press working. The size of the copper plates 3, 4, and 5 is slightly smaller so that the protruding portions by the brazing material layers 8, 9, and 10 are formed, and the end portions have inclined surfaces 3 a to 5 a that narrow upward. .

次に、ろう材層が銅板と窒化ケイ素基板との間に配置されるように部材同士を重ねる。即ち、ろう材層8、9、10を塗布した窒化ケイ素基板7の主面上に、各銅板3、4、5の端面全周からろう材層8、9、10が間隔ほどはみ出るように位置合わせをしながら、ろう材層を覆うように長方形状の回路用銅板を載置する。一方の窒化ケイ素基板7の他面(下面)には、同じくろう材層がはみ出るように放熱用銅板11を載置し、それぞれ加圧状態で保持する。 Next, the members are overlapped so that the brazing material layer is disposed between the copper plate and the silicon nitride substrate. That is, on the main surface of the silicon nitride substrate 7 coated with the brazing material layer 8, 9, 10, so that the end faces brazing material layer 8, 9, 10 from the entire circumference of the copper plate 3, 4 and 5 protrude more distance L While aligning, a rectangular circuit copper plate is placed so as to cover the brazing material layer. On the other surface (lower surface) of one silicon nitride substrate 7, a heat radiating copper plate 11 is placed so that the brazing material layer protrudes, and each is held in a pressurized state.

次に、回路用銅板と放熱用銅板を載置した窒化ケイ素基板7を所定温度と時間に渡って熱処理した後、冷却することにより、図5のように窒化ケイ素基板7に回路用銅板と放熱用銅板を強固にろう材層を介して接合する。
本発明において、セラミックス基板と金属板とをろう付けする熱処理温度の範囲規定は、マイクロボイドの面積割合および形状を制御する上で重要であり、730〜800℃で行うことが望ましい。熱処理温度が、730℃未満では、ろう材成分が充分に溶解することができず、接合界面でのボイド率が10%超かつ最大ボイド径が1.0mm超となり、接合強度の劣化、コロナ放電の発生などの問題が生じる。一方、800℃超では、ボイド率が0.5%未満となり初期の接合強度は確保されるものの、冷熱繰り返しに伴う接合界面の疲労寿命が低下する問題が生じる。また、ろう付け処理後に、ろう材成分が金属回路板表面部に流れ出す不具合を生じる。よって、ろう付けの熱処理温度を730〜800℃で行うことで、ボイドの発生を減少させマイクロボイドを微小に且つ分散させることが出来る。
また、マイクロボイドの制御以外の因子について、ろう材が窒化ケイ素基板と銅板を十分に濡らし、また、回路パターン潰れがなく、回路端部に位置するろう材はみ出し部を形成するため、更に両者の熱膨張の違いからくる残留応力による耐熱衝撃性の低下を防止するためには、接合温度を上記範囲とすることが肝要である。また、雰囲気については真空中で処理を行うことが活性金属粉末及び銅粉末、銅板が酸化されること無く良好な接合状態を得ることができ、特に10-2Pa以下の真空度で接合することが望ましい。さらに接合時に適度な荷重をかけることで銅板とろう材および窒化ケイ素基板とろう材がより確実に接触でき、良好な接合状態が得られる。重さとしては20〜150g/cm2の荷重を採用できる。
Next, the silicon nitride substrate 7 on which the circuit copper plate and the heat radiating copper plate are mounted is heat-treated for a predetermined temperature and time, and then cooled, whereby the circuit board and the heat radiating plate are placed on the silicon nitride substrate 7 as shown in FIG. The copper plate is firmly joined via the brazing material layer.
In the present invention, the range of the heat treatment temperature for brazing the ceramic substrate and the metal plate is important for controlling the area ratio and shape of the microvoids, and it is desirable to carry out at 730 to 800 ° C. When the heat treatment temperature is less than 730 ° C., the brazing filler metal component cannot be sufficiently dissolved, the void rate at the bonding interface exceeds 10% and the maximum void diameter exceeds 1.0 mm, and the bonding strength is deteriorated. Corona discharge Problems such as the occurrence of. On the other hand, when the temperature exceeds 800 ° C., the void ratio is less than 0.5% and the initial bonding strength is ensured, but there is a problem that the fatigue life of the bonding interface is reduced due to repeated cooling and heating. In addition, after the brazing process, there is a problem that the brazing material component flows out to the surface portion of the metal circuit board. Therefore, by performing the brazing heat treatment temperature at 730 to 800 ° C., generation of voids can be reduced and microvoids can be dispersed minutely.
In addition, with respect to factors other than the control of microvoids, the brazing material sufficiently wets the silicon nitride substrate and the copper plate, the circuit pattern is not crushed, and the brazing material located at the end of the circuit forms a protruding portion. In order to prevent a decrease in thermal shock resistance due to residual stress due to a difference in thermal expansion, it is important to set the bonding temperature within the above range. In addition, when the atmosphere is processed in a vacuum, the active metal powder, the copper powder, and the copper plate can be obtained in a good bonding state without being oxidized. In particular, the bonding should be performed at a vacuum degree of 10 −2 Pa or less. Is desirable. Furthermore, by applying an appropriate load at the time of joining, the copper plate and the brazing material and the silicon nitride substrate and the brazing material can be more reliably brought into contact with each other, and a good joining state can be obtained. As the weight, a load of 20 to 150 g / cm 2 can be adopted.

さて、ここで上記熱処理によるろう材層の影響について調べた。熱処理後のろう材層を観察した写真を図6に示す。図6(A)は本発明によるろう材を用いたもので、平均粒子径5μmのAg粉末粒子を15%添加したろう材層の表面性状を示している。図6(B)は従来例であって同じろう材であるがAg粉末を添加していないろう材層の表面性状である。両図とも左側が1.7倍の実体顕微鏡写真、右側が13.5倍の拡大写真である。このようにAg粒子無添加の(B)では鱗状の凹凸が表面全体に生成されており、その凹部の最大長さは1.2〜2.5mmに達している。このろう材層について金属板とセラミックス基板の接合強度を評価するためにピ−ル強度試験を行った。ピ−ル強度試験は、銅板の一端部が基板の外部に5mm程度突出するように、また、接合面積を10mm×10mmとして接合し、これを90度上方に引張り上げるのに要する長さ単位当りの力を評価した。この方法により金属板とセラミックス基板の密着強度試験を行ったところ、ピール強度は10(kN/m)以下となり密着強度が弱いことが確認された。   Now, the influence of the brazing material layer by the heat treatment was examined. The photograph which observed the brazing filler metal layer after heat processing is shown in FIG. FIG. 6 (A) shows the surface property of the brazing filler metal layer using the brazing filler metal according to the present invention and adding 15% Ag powder particles having an average particle diameter of 5 μm. FIG. 6B shows the surface property of a brazing material layer which is a conventional example and is the same brazing material but not added with Ag powder. In both figures, the left side is a 1.7 × magnification microscopic photograph, and the right side is a 13.5 × magnification. Thus, in (B) without addition of Ag particles, scaly irregularities are generated on the entire surface, and the maximum length of the concaves reaches 1.2 to 2.5 mm. The brazing material layer was subjected to a peel strength test in order to evaluate the bonding strength between the metal plate and the ceramic substrate. In the peel strength test, one end of the copper plate protrudes to the outside of the substrate by about 5 mm, and the bonding area is 10 mm × 10 mm, and the unit per length unit required to pull it up 90 degrees. The power of was evaluated. When an adhesion strength test between the metal plate and the ceramic substrate was performed by this method, the peel strength was 10 (kN / m) or less, and it was confirmed that the adhesion strength was weak.

一方、図6(A)の本発明のろう材層からは鱗状の凹凸は解消されている。図6における鱗状の凹凸部について、波長分散型X線分析装置(WDX)を用い成分分析を行った結果、凹部では主成分がCu-Ti相からなり、また、凸部はAg-In相およびCu-In相からなり、Ti添加量が多い程、凹部の生成頻度が大きくなることが判明した。つまりこれは冷却過程では、融点の高いCu-Ti相が最初に析出し、温度低下と共に収縮が起こる。続いてAg-In相およびCu-In相が析出するが、これらは低融点のInを含むため、Cu-Ti相よりも低温度領域まで液相を維持する。このため、Ag-In相およびCu-In相とCu-Ti相の間で収縮差が生じ、凹凸形状となってしまうのである。そこで、本発明ではAg−Cu−In−Ti合金粉末にAg粉末を添加することで、比較的融点の高いAg-In相を析出させ、先に析出するCu-Ti相との収縮差を抑制することに効果があると考えたものである。他方、Cu粉末を添加した場合では、Ag粉末添加とは逆に、比較的融点の高いCu-In相を多く析出させ、先に析出するCu-Ti相との収縮差を抑制することに効果があると考えたものである。
また、Cu-Ti相の生成は、合金粉末中のTi量、ならびに、合金粉末とAg粉末を混合した場合のAg/Cu比に大きく関与し、Ti量が多い程、また、Ag/Cu比が低い程高くなり、このため鱗状の凹凸部の生成頻度が高くなる。従って、この鱗状の凹凸部を抑制するには、Ag粉末添加によりAg/Cu比を増大すること、また、Ti量を0.2〜2.0質量%に制御することが肝要であることが分かった。一方、Cu粉末を添加する際には、Ag/Cu比が低くなり、Cu−Ti相の生成を助長することとなるが、Ti量を0.2〜2.0質量%に規定することで、Cu−Ti相の生成を一定範囲に留め、代わり生成するCu−In相とCu−Ti相の生成比率を制御することで、鱗状の凹凸部の生成を抑制することが可能である。
On the other hand, the scale-like irregularities are eliminated from the brazing material layer of the present invention in FIG. As a result of component analysis using a wavelength dispersive X-ray analyzer (WDX) for the scale-like uneven portion in FIG. 6, the main component is the Cu—Ti phase in the concave portion, and the convex portion is the Ag—In phase and It has been found that the frequency of formation of the recesses increases as the amount of Ti added increases with the Cu—In phase. That is, in the cooling process, a Cu—Ti phase having a high melting point first precipitates and shrinks as the temperature decreases. Subsequently, an Ag—In phase and a Cu—In phase are precipitated. Since these contain low melting point In, the liquid phase is maintained up to a lower temperature region than the Cu—Ti phase. For this reason, a shrinkage difference occurs between the Ag—In phase, the Cu—In phase, and the Cu—Ti phase, resulting in an uneven shape. Therefore, in the present invention, by adding Ag powder to the Ag-Cu-In-Ti alloy powder, an Ag-In phase having a relatively high melting point is precipitated, and the shrinkage difference from the Cu-Ti phase that has been precipitated first is suppressed. It is thought that there is an effect in doing. On the other hand, when Cu powder is added, contrary to Ag powder addition, a large amount of Cu—In phase having a relatively high melting point is precipitated, and the effect of suppressing the shrinkage difference from the previously precipitated Cu—Ti phase is effective. It is what I thought there was.
The formation of the Cu—Ti phase is greatly related to the Ti amount in the alloy powder and the Ag / Cu ratio when the alloy powder and the Ag powder are mixed. The larger the Ti amount, the more the Ag / Cu ratio. The lower the value, the higher the value, and the higher the generation frequency of the scale-like irregularities. Therefore, in order to suppress this scale-like uneven part, it is important to increase the Ag / Cu ratio by adding Ag powder and to control the Ti amount to 0.2 to 2.0% by mass. I understood. On the other hand, when Cu powder is added, the Ag / Cu ratio is lowered and the formation of the Cu—Ti phase is promoted, but by defining the Ti amount to 0.2 to 2.0 mass%. In addition, it is possible to suppress the formation of scale-like irregularities by keeping the generation of the Cu—Ti phase within a certain range and controlling the generation ratio of the Cu—In phase and the Cu—Ti phase to be generated instead.

さて、図6(A)についても同様に密着強度を確認したところピール強度は20(kN/m)超となり密着強度が向上することも確認された。これらのことより鱗状の凹凸部が密着強度に強く関与しており、定量的には凹部の最大長さが1.0mmの未満にあれば十分な密着強度を確保できることが分かった。例えば、5μm未満とする場合には、合金粉末中のIn量を低減することで可能となるが、この場合、Ag-Cu合金の共晶温度の780℃以下での冷却過程で瞬時に液相凝固が起こり、局所的な核生成が起こり不均一凝固が進む。この過程では収縮挙動にも局所的な差異が発生し、ろう材と銅板間に引け巣が発生しやすく最大径が1.0mm超の大きなボイドを残留させてしまう。この大きなボイドは回路基板としては致命的な欠陥であり、高電圧負荷時はリーク電流が生じ絶縁性低下を招来する。したがって、十分な密着強度を確保し、回路基板の絶縁耐圧を維持ならびに冷熱繰り返しに対する接合信頼性の堅持するために、接合層中におけるボイド率を0.5%以上、5%以下、最大径が1.0mm以下に制御したボイドを微細分散させることが必要であり、これには、鱗状の定量的には凹部の最大長さが1.0mmの未満に制御することが好ましい。
以上によるAg粒子あるいはCu粒子の平均粒径と添加量による凹凸面の粗さ、マイクロボイドの最大径、ボイド率、密着強度の相関を下記する実施例に示す。
As for the adhesion strength in FIG. 6A as well, it was confirmed that the peel strength was over 20 (kN / m) and the adhesion strength was improved. From these facts, it was found that the scale-like irregularities are strongly involved in the adhesion strength, and quantitatively, if the maximum length of the recess is less than 1.0 mm, sufficient adhesion strength can be secured. For example, when the thickness is less than 5 μm, it can be achieved by reducing the amount of In in the alloy powder. In this case, however, the liquid phase is instantaneously cooled in the cooling process at the Ag-Cu alloy eutectic temperature of 780 ° C. or lower. Solidification occurs, local nucleation occurs, and non-uniform solidification proceeds. In this process, local differences also occur in the shrinkage behavior, and shrinkage cavities tend to occur between the brazing material and the copper plate, leaving large voids having a maximum diameter exceeding 1.0 mm. This large void is a fatal defect for a circuit board, and a leak current is generated when a high voltage load is applied, leading to a decrease in insulation. Therefore, in order to ensure sufficient adhesion strength, maintain the dielectric strength of the circuit board, and maintain bonding reliability against repeated heating and cooling, the void ratio in the bonding layer is 0.5% to 5% and the maximum diameter is It is necessary to finely disperse the voids controlled to 1.0 mm or less. For this purpose, it is preferable to control the maximum length of the recesses to be less than 1.0 mm in terms of scale.
The following examples show the correlation between the average particle diameter of Ag particles or Cu particles and the roughness of the uneven surface, the maximum diameter of microvoids, the void ratio, and the adhesion strength depending on the addition amount.

最後にエッチング処理を行う。エッチングレジストは、熱硬化型およびUV硬化型を用いることができる、インクタイプとシートタイプがある。前者の塗布方法は、スクリーン印刷法であり、回路形成は所望のパターンを印刷マスクの形状により種々設計可能である。後者は、金属板表面にコートし、続いて露光、現像により所望のレジストパターンを形成する。続いて、銅板を上下面に接合した試料をエッチングする。エッチング装置は、ベルトコンベヤーで搬送し、エッチング液を上下方向から噴霧する仕様となっている。また、銅板のエッチング液は、塩化第2鉄(FeCl3)溶液(46.5Be)を用い、液温を50℃に設定した。エッチングの処理時間は、回路側の銅版の厚さに依存し、例えば、厚み0.3mmの場合には15分程度、厚み1.0mmの場合には60分程度の時間を要する。   Finally, an etching process is performed. As the etching resist, there are an ink type and a sheet type in which a thermosetting type and a UV curable type can be used. The former application method is a screen printing method, and circuit formation can be designed in various ways according to the shape of the printing mask. In the latter, a desired resist pattern is formed by coating the surface of a metal plate and subsequently exposing and developing. Then, the sample which joined the copper plate to the upper and lower surfaces is etched. The etching apparatus is transported by a belt conveyor and has a specification in which an etching solution is sprayed from above and below. In addition, a ferric chloride (FeCl3) solution (46.5Be) was used as the copper plate etching solution, and the solution temperature was set to 50 ° C. The etching processing time depends on the thickness of the copper plate on the circuit side. For example, it takes about 15 minutes for a thickness of 0.3 mm and about 60 minutes for a thickness of 1.0 mm.

以下、実施例と比較例を挙げて本発明を具体的に説明する。
(実施例)
Ag:58.8質量%、Cu:27.5質量%、In:12.5質量%、Ti:1.2質量%及び不可避不純物からなる合金粉末に、下表1に示すAg粒子粉末およびCu粉末粒子を添加し、全ペーストに占める割合でα-テネピネオール6質量%、ジエチレングリコール・モノブチルエーテル5質量%、ポリイソブチルメタクリレート5質量%、分散剤0.1質量%を配合したのちプラネタリーミキサーを用いて混合を行い、120Pa・sのペーストを作成した。使用した母材合金粉末の平均粒径は30μmであった。
このペーストを縦50mm×横30mm×厚さ0.63mm寸法の窒化ケイ素質焼結体製の基板上にスクリーン印刷により図3のようなパターンで厚み25μmではみ出し部Lが0.3mmとなるように塗布した。ここで、ろう材はみ出し量を0.25mm以上を設計値としているが、これは、金属回路板端部付近のセラミックス基板への応力集中を緩和する効果が最大となる値であり、この場合、応力集中を約60%に低減できる。
この後、120℃×30分大気中で乾燥し、続いて、回路用銅板−窒化ケイ素基板−放熱用銅板と重ねた後、70g/cm2の荷重をかけながら真空中(10-2Pa)、760℃×10分保持の熱処理を施して銅板と窒化ケイ素基板の接合を行った。用いた銅板の板厚は、エッチング後の回路基板の反り、ならびにはんだリフロー後のモジュール実装形状、さらには、回路基板と放熱基板(例えば、Cu、Cu-W、Mo、Cu-Cu0、Al-SiC等)のはんだ不良欠陥の防止を考慮して、回路側が0.3mmt、放熱側を0.2mmtとした。その後、図4のパターンとするためにエッチング公差を考慮したレジストパターンの印刷、不要部分の銅部材の除去を行い各々のセラミックス回路基板を作製した。
Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples and comparative examples.
(Example)
An alloy powder composed of Ag: 58.8% by mass, Cu: 27.5% by mass, In: 12.5% by mass, Ti: 1.2% by mass, and unavoidable impurities, Ag particle powder and Cu shown in Table 1 below. After adding powder particles and blending 6% by mass of α-tenenepineol, 5% by mass of diethylene glycol monobutyl ether, 5% by mass of polyisobutyl methacrylate, and 0.1% by mass of a dispersant in the proportion of the total paste, a planetary mixer is used. And a paste of 120 Pa · s was prepared. The average particle size of the base alloy powder used was 30 μm.
This paste is screen-printed on a substrate made of a silicon nitride sintered body having dimensions of 50 mm in length, 30 mm in width, and 0.63 mm in thickness so that the protruding portion L becomes 0.3 mm in a pattern as shown in FIG. 3 and a thickness of 25 μm. It was applied to. Here, the amount of brazing material protruding is 0.25 mm or more as a design value, but this is a value that maximizes the effect of relaxing stress concentration on the ceramic substrate near the edge of the metal circuit board. Stress concentration can be reduced to about 60%.
Thereafter, the substrate is dried in the atmosphere at 120 ° C. for 30 minutes, and subsequently superposed on the copper plate for circuit—silicon nitride substrate—copper plate for heat dissipation, and then in vacuum (10 −2 Pa) while applying a load of 70 g / cm 2. The copper plate and the silicon nitride substrate were joined by performing a heat treatment at 760 ° C. for 10 minutes. The thickness of the copper plate used is the warpage of the circuit board after etching, the module mounting shape after solder reflow, and the circuit board and heat dissipation board (for example, Cu, Cu-W, Mo, Cu-Cu0, Al- In consideration of prevention of defective solder defects of SiC or the like, the circuit side is 0.3 mmt and the heat radiation side is 0.2 mmt. Thereafter, in order to obtain the pattern of FIG. 4, a resist pattern was printed in consideration of etching tolerances, and unnecessary portions of the copper member were removed to prepare each ceramic circuit board.

それぞれのセラミックス回路基板の凹凸面の粗さ(凹部の最大長さ)、最大ボイド径、ボイド率を超音波顕微鏡機にて評価した。その結果を表2に示す。ここで、凹凸面の粗さは、窒化ケイ素基板に表1および表2に示すろう材粉末を用い、加熱処理後のろう材層部の凹凸面に対して凹部の長さを評価した。また、用いた超音波探査映像装置は日立建機社製Mi-Scopeである。評価条件については、金属回路板の種類と厚みおよびセラミックス基板の種類と厚みにより異なるが、本発明では、金属回路板は、Cuで回路板の厚み0.3mm、放熱板の厚み0.2mm、セラミックス基板は窒化ケイ素で厚みは0.6mmである。プローブは50MHzのものを使用した。
接合界面のボイド率については、白黒の256階調の評価画像についてのしきい値を92として2値化処理を行い、反射法にて評価面積(黒色部)に対する白色部の割合を評価した。また、ボイド径については、評価面積に存在するマイクロボイド全数について最大長さを評価した。図7(A)および(B)に本発明の回路基板における接合界面の超音波探査映像ならびに2値化像を示す。この例のボイド率は、(A)および(B)はそれぞれ、0.8%および5.0%である。また、図7(C)および(D)に比較例のものを示す。これら例のボイド率は、それぞれ、0.4%および18.0%であった。また、本発明のマイクロボイド形状については、上述したように単一な球形でなく、多くの曲率を持つ形状が特徴である。
さらに、接合した銅板を窒化ケイ素基板に対して90°方向に引っ張り、ピール強度を測定して密着強度とした。
また、回路基板の接合界面における耐冷熱サイクル性の評価は、−40℃での冷却を20分、室温での保持を10分および125℃における加熱を20分とする昇温/降温サイクルを1サイクルとし、これを繰り返し付与し、接合界面におけるボイド率について初期の値の1.5倍以上となるまでのサイクル数を測定した。
The roughness (the maximum length of the recesses), the maximum void diameter, and the void ratio of each ceramic circuit board were evaluated with an ultrasonic microscope. The results are shown in Table 2. Here, the roughness of the concavo-convex surface was evaluated by using the brazing filler metal powder shown in Table 1 and Table 2 on a silicon nitride substrate and evaluating the length of the concave portion with respect to the concavo-convex surface of the brazing filler metal layer portion after the heat treatment. In addition, the ultrasonic exploration imaging device used is Mi-Scope manufactured by Hitachi Construction Machinery Co., Ltd. Although the evaluation conditions differ depending on the type and thickness of the metal circuit board and the type and thickness of the ceramic substrate, in the present invention, the metal circuit board is made of Cu with a circuit board thickness of 0.3 mm, a heat sink thickness of 0.2 mm, The ceramic substrate is silicon nitride and has a thickness of 0.6 mm. The probe used was 50 MHz.
The void ratio of the bonding interface was binarized by setting the threshold value for a black and white 256-gradation evaluation image to 92, and the ratio of the white part to the evaluation area (black part) was evaluated by a reflection method. As for the void diameter, the maximum length was evaluated for the total number of microvoids existing in the evaluation area. 7A and 7B show an ultrasonic exploration image and a binarized image of the bonding interface in the circuit board of the present invention. The void fraction in this example is 0.8% and 5.0% for (A) and (B), respectively. FIGS. 7C and 7D show comparative examples. The void ratios in these examples were 0.4% and 18.0%, respectively. Further, the microvoid shape of the present invention is not a single spherical shape as described above, but is characterized by a shape having many curvatures.
Further, the bonded copper plate was pulled in a 90 ° direction with respect to the silicon nitride substrate, and the peel strength was measured to obtain the adhesion strength.
In addition, the evaluation of the thermal cycle resistance at the bonding interface of the circuit board is as follows: 1 temperature increase / decrease cycle with cooling at −40 ° C. for 20 minutes, holding at room temperature for 10 minutes and heating at 125 ° C. for 20 minutes. This was repeatedly applied, and the number of cycles until the void ratio at the bonding interface became 1.5 times or more of the initial value was measured.

(比較例)
ろう材ペーストの作製、窒化ケイ素基板への印刷、ろう付け条件等は上記実施例と同様に行い、表1の試料No.51〜61および71〜81に示す合金粉末及びAg粉末あるいはCu粉末を添加した。これらについて上記と同様の項目を測定した。
(Comparative example)
The production of the brazing material paste, the printing on the silicon nitride substrate, the brazing conditions, etc. were performed in the same manner as in the above example, and the alloy powder and Ag powder or Cu powder shown in Sample Nos. 51 to 61 and 71 to 81 in Table 1 were used. Added. About these, the item similar to the above was measured.



表1の実施例No.1〜24および31〜48より以下の知見が得られた。
No.1〜24は、合金粉末にAg粉末を添加した場合を、No.31〜48は合金粉末にCu粉末を添加した場合の結果である。
Ag:85〜55質量%、In:5〜25質量%、Ti:0.2〜2.0質量%、残部Cu及び不可避不純物からなる平均粒子径1〜40μm合金粉末に、さらに平均粒子径1〜15μmのAg粉末粒子およびCu粉末粒子を5〜30質量%添加したろう材混合粉末を用いた回路基板について金属回路板と窒化ケイ素基板界面のピ−ル強度を測定したところ、いずれも20(kN/m)以上の高い接合強度を有することが確認できた。また、ろう材層表面の凹凸の緩和によりセラミックス基板のCu/Si3N4界面におけるボイド率を0.5%〜10%に制御でき、かつボイド径を0.5mm未満に制御することができた。この条件により製造した回路基板についての信頼性評価は、耐熱サイクル試験を実施、−40℃での冷却を20分、室温での保持を10分および125℃における加熱を20分とする昇温/降温サイクルを1サイクルとし、これを繰り返し付与し、接合界面におけるボイド率が試験開始前のボイド率の1.5倍以上となるまでのサイクル数を測定した。その結果、3000サイクル経過後においても、ボイドの拡大ならびにボイド率の増加は僅であり、かつ窒化ケイ素質焼結体製基板の割れや銅製回路板の剥離はなく、優れた耐久性と信頼性を兼備することが確認された。また、3000サイクル経過後においても耐電圧特性の低下は発生しなかった。
The following knowledge was obtained from Examples Nos. 1 to 24 and 31 to 48 in Table 1.
No. Nos. 1 to 24 are cases where the Ag powder was added to the alloy powder. 31-48 are the results when Cu powder is added to the alloy powder.
Ag: 85 to 55% by mass, In: 5 to 25% by mass, Ti: 0.2 to 2.0% by mass, the average particle size of 1 to 40 μm composed of the balance Cu and inevitable impurities, and the average particle size of 1 When the peel strength at the interface between the metal circuit board and the silicon nitride substrate was measured for a circuit board using a brazing material mixed powder to which 5 to 30 mass% of Ag powder particles and Cu powder particles of -15 μm were added, both were 20 ( It was confirmed that it has a high bonding strength of kN / m) or more. Moreover, the void ratio at the Cu / Si3N4 interface of the ceramic substrate could be controlled to 0.5% to 10% and the void diameter could be controlled to less than 0.5 mm by relaxing the unevenness on the surface of the brazing material layer. The reliability evaluation of the circuit board manufactured under these conditions is carried out by performing a heat resistance cycle test, cooling at −40 ° C. for 20 minutes, holding at room temperature for 10 minutes, and heating at 125 ° C. for 20 minutes. The temperature-falling cycle was defined as one cycle, which was repeatedly applied, and the number of cycles until the void ratio at the bonding interface became 1.5 times or more of the void ratio before the start of the test was measured. As a result, even after 3000 cycles, the expansion of the void and the increase in the void ratio are negligible, and there is no cracking of the silicon nitride-based sintered body substrate or peeling of the copper circuit board, and excellent durability and reliability. It was confirmed that the Moreover, the withstand voltage characteristics did not deteriorate even after 3000 cycles.

これに対し、表1の比較例のNo.51〜61およびNo.71〜82より以下の知見が得られた。No.51〜61は、合金粉末にAg粉末を添加した場合を、No.71〜82は、合金粉末にCu粉末を添加した場合の結果である。
No.51は、合金粉末中のAg含有量が85%超の90%であり、ろう付け接合後の銅板表面にろう材の流れ出しが生じる不具合があった。また、ボイド率が0.5%未満となり耐冷熱試験サイクル数は2000サイクルに留まった。
No.52は、合金粉末中のCu含有量が35%超の36.8%であり、この場合加熱過程でろう材粉末の反応性が悪く、700℃〜800℃のろう付け処理では、接合に充分なろう材融液を生じることができず、未接合部が多く、このときにもピ−ル強度は低下し、15.0(kN/m)となった。これに伴い耐冷熱試験サイクル数は1000サイクルに低下した。
No.53および54のAg粉末の無添加では、ろう材表面部の凹凸が1.0mm超、密着強度が20(kN/m)未満となり、最大ボイド径が1.0mm超およびボイド率が10%超となり、耐冷熱サイクル数が著しく低下した。
No.55は、Ag粉末の添加量が30%超であり、ろう付け接合後の銅板表面にろう材の流れ出しが生じる不具合があった。また、ボイド率が0.5%未満となり耐冷熱試験サイクル数は2000サイクルに留まった。
On the other hand, Nos. 51 to 61 and Nos. From 71 to 82, the following findings were obtained. No. Nos. 51 to 61 are cases where the Ag powder was added to the alloy powder. 71 to 82 are results when Cu powder is added to the alloy powder.
In No. 51, the Ag content in the alloy powder was 90%, exceeding 85%, and there was a problem that brazing material flowed out on the surface of the copper plate after brazing and joining. In addition, the void ratio was less than 0.5%, and the number of cold-heat test cycles remained at 2000 cycles.
In No. 52, the Cu content in the alloy powder is 36.8%, which is more than 35%. In this case, the reactivity of the brazing filler metal powder is poor during the heating process. Thus, a sufficient amount of the brazing filler metal melt could not be produced, and there were many unjoined parts. At this time, the peel strength was reduced to 15.0 (kN / m). Along with this, the number of cold heat test cycles decreased to 1000 cycles.
In the case of no addition of the Ag powders of No. 53 and No. 54, the unevenness of the brazing filler metal surface portion was over 1.0 mm, the adhesion strength was less than 20 (kN / m), the maximum void diameter was over 1.0 mm, and the void ratio was 10 %, And the number of cold and heat cycle cycles was significantly reduced.
In No. 55, the amount of Ag powder added was more than 30%, and there was a problem that brazing material flowed out on the surface of the copper plate after brazing and joining. In addition, the void ratio was less than 0.5%, and the number of cold-heat test cycles remained at 2000 cycles.

No.56は、合金中のIn含有量が5%未満では、ろう材表面部の凹凸が低減するものの、この場合ろう材の融点が上昇し、700℃〜800℃のろう付け処理では、未接合部が多く、密着強度は低下し16.0(kN/m)となった。最大ボイド径が1.0mm超およびボイド率が10%超となり、耐冷熱サイクル数が低下した。
No.57は、合金中のIn含有量が25%超では、ろう材表面部の凹凸が低減するものの、この場合ろう材の融点が低下し、700℃〜800℃のろう付け処理では、回路パターンくずれがあり、また、ろう付け接合後の銅板表面にろう材の流れ出しが生じる不具合があった。最大ボイド径が1.0mm超となり、耐冷熱サイクル数が低下した。
In No. 56, when the In content in the alloy is less than 5%, the unevenness on the surface of the brazing material is reduced, but in this case, the melting point of the brazing material is increased. There were many joints and the adhesion strength decreased to 16.0 (kN / m). The maximum void diameter exceeded 1.0 mm and the void ratio exceeded 10%, resulting in a decrease in the number of cold-heat cycles.
In No. 57, when the In content in the alloy exceeds 25%, the unevenness of the brazing material surface portion is reduced, but in this case, the melting point of the brazing material is lowered. There was a defect in the pattern, and there was a problem that the brazing material flowed out on the surface of the copper plate after brazing and joining. The maximum void diameter exceeded 1.0 mm, and the number of cold-resistant cycles decreased.

参考例であるNo.60は、合金粉末の平均粒径が10μm未満であるが、このとき、加熱過程でろう材粉末の反応性が高くなり、ろう付け接合後の銅板表面にろう材の流れ出しが生じる不具合があった。
No.61は、合金粉末の平均粒径が55μm超であり、この場合加熱過程でろう材粉末の反応性が悪く、700℃〜800℃のろう付け処理では、接合に充分なろう材融液を生じることができず、最大ボイド径が1.0mm超およびボイド率が10%超と未接合部が多くなり、このときにもピ−ル強度は低下し18.5(kN/m)となった。これより、耐冷熱サイクル数は800サイクルに低下した。
In No. 60, which is a reference example, the average particle diameter of the alloy powder is less than 10 μm. At this time, the reactivity of the brazing filler metal powder is increased during the heating process, and the brazing material flows out to the copper plate surface after brazing and joining. There was a problem that caused.
In No. 61, the average particle diameter of the alloy powder is more than 55 μm, and in this case, the reactivity of the brazing filler metal powder is poor in the heating process, and the brazing filler metal melt sufficient for joining in the brazing treatment at 700 ° C. to 800 ° C. The maximum void diameter exceeds 1.0 mm and the void ratio exceeds 10%, resulting in a large number of unbonded portions. At this time, the peel strength decreases to 18.5 (kN / m). became. As a result, the number of cold-resistant cycles decreased to 800 cycles.

No.71は、合金粉末中のAg含有量が85%超の90%であり、ろう付け接合後の銅板表面にろう材の流れ出しが生じる不具合があった。また、ボイド率が0.5%未満となり耐冷熱試験サイクル数は2000サイクルに留まった。
No.72は、合金粉末中のCu含有量が35%超の36.8%であり、この場合加熱過程でろう材粉末の反応性が悪く、700℃〜800℃のろう付け処理では、接合に充分なろう材融液を生じることができず、さらにCu粉末を5%添加することで、これらの傾向がより顕著となり、未接合部が多く、このときにもピ−ル強度は低下し、15.0(kN/m)となった。また、ろう材表面凹部の長さが、2.0mm、最大ボイド径が、1.8mm、ボイド率が20%となり耐冷熱試験サイクル数は500サイクルに低下した。
No.73および74のCu粉末の無添加では、ろう材表面部の凹凸が1.0mm超、密着強度が20(kN/m)未満となり、最大ボイド径が1.0mm超およびボイド率が10%超となり、耐冷熱サイクル数が低下した。
In No. 71, the Ag content in the alloy powder was 90%, which is more than 85%, and there was a problem that the brazing material flowed out on the copper plate surface after brazing and joining. In addition, the void ratio was less than 0.5%, and the number of cold-heat test cycles remained at 2000 cycles.
In No. 72, the Cu content in the alloy powder is 36.8%, which is more than 35%. In this case, the reactivity of the brazing filler metal powder is poor during the heating process. Insufficient brazing material melt can be produced, and by adding 5% Cu powder, these tendencies become more prominent and there are many unjoined parts, and the peel strength also decreases at this time. 15.0 (kN / m). Further, the length of the concave portion on the brazing filler metal surface was 2.0 mm, the maximum void diameter was 1.8 mm, the void ratio was 20%, and the number of cold-heat test cycles was reduced to 500 cycles.
In the case of no addition of Cu powder of No. 73 and No. 74, the unevenness of the brazing filler metal surface portion exceeds 1.0 mm, the adhesion strength is less than 20 (kN / m), the maximum void diameter exceeds 1.0 mm, and the void ratio is 10 % And the number of cold-resistant cycles decreased.

No.75は、Cu粉末の添加量が30%超であり、ろう材組成の融点が上昇するために
700℃〜800℃のろう付け処理では、接合に充分なろう材融液を生じることができず、未接合部が多く、このときにもピ−ル強度は低下し、15.0(kN/m)となった。
これにより、耐冷熱サイクル数は500サイクルに低減した。
No.76は、合金中のIn含有量が5%未満で、この場合ろう材の融点が上昇し、700℃〜800℃のろう付け処理では、未接合部が多く、密着強度は低下し16.0(kN/m)
となった。これにより、耐冷熱サイクル数は800サイクルに留まった。
No.77は、合金中のIn含有量が25%超であり、この場合ろう材の融点が低下し、700℃〜800℃のろう付け処理では、回路パターンくずれがあり、また、ろう付け接合後の銅板表面にろう材の流れ出しが生じる不具合があった。
In No. 75, the amount of Cu powder added is more than 30%, and the melting point of the brazing material composition is increased, so that brazing treatment at 700 ° C. to 800 ° C. produces a brazing material melt sufficient for bonding. There were many unjoined parts, and the peel strength was reduced to 15.0 (kN / m).
Thereby, the number of heat-resistant cycles was reduced to 500 cycles.
In No. 76, the In content in the alloy is less than 5%. In this case, the melting point of the brazing material is increased, and in the brazing treatment at 700 ° C. to 800 ° C., there are many unbonded portions, and the adhesion strength decreases. .0 (kN / m)
It became. As a result, the number of cold and heat resistant cycles remained at 800 cycles.
In No. 77, the In content in the alloy is more than 25%. In this case, the melting point of the brazing material is lowered, and in the brazing treatment at 700 ° C. to 800 ° C., there is a circuit pattern breakage. There was a problem that brazing material flowed out on the surface of the later copper plate.

参考例であるNo.80は、合金粉末の平均粒径が10μm未満であるが、このとき、加熱過程でろう材粉末の反応性が高くなり、ろう付け接合後の銅板表面にろう材の流れ出しが生じる不具合があった。
No.81は、合金粉末の平均粒径が55μm超であり、この場合加熱過程でろう材粉末の反応性が悪く、700℃〜800℃のろう付け処理では、接合に充分なろう材融液を生じることができず、未接合部が多く、このときにもピ−ル強度は低下し、18.5(kN/m)となった。これより、耐冷熱サイクル数は800サイクルに低下した。
In No. 80, which is a reference example, the average particle size of the alloy powder is less than 10 μm. At this time, the reactivity of the brazing filler metal powder increases during the heating process, and the brazing material flows out to the copper plate surface after brazing and joining. There was a problem that caused.
In No. 81, the average particle size of the alloy powder is more than 55 μm. In this case, the reactivity of the brazing filler metal powder is poor during the heating process, and the brazing filler metal melt sufficient for joining in the brazing treatment at 700 ° C. to 800 ° C. In this case, the peel strength decreased to 18.5 (kN / m). As a result, the number of cold-resistant cycles decreased to 800 cycles.

ろう材を構成する粒子形態を示すSEM写真であって、(A)は本発明の一実施例のろう材を示し、(B)は従来のAg粒子あるいはCu粒子無添加の例を示す。It is a SEM photograph which shows the particle | grain form which comprises a brazing material, Comprising: (A) shows the brazing material of one Example of this invention, (B) shows the example without the conventional Ag particle or Cu particle | grain addition. 本発明のセラミックス回路基板の一実施形態を示す側面図である。It is a side view which shows one Embodiment of the ceramic circuit board of this invention. 図2のセラミックス基板に塗布したろう材層を示す上面図である。It is a top view which shows the brazing material layer apply | coated to the ceramic substrate of FIG. 予め所定の回路パターンに形成した金属板(Cu)の例を示す上面図である。It is a top view which shows the example of the metal plate (Cu) previously formed in the predetermined circuit pattern. 図3のセラミックス基板に図4の銅板を接合した状態を示す上面図である。It is a top view which shows the state which joined the copper plate of FIG. 4 to the ceramic substrate of FIG. セラミックス基板に銅板を接合する際の熱処理によるろう材層の態様を示し、(A)は本発明例、(B)は従来例である。The aspect of the brazing filler metal layer by heat processing at the time of joining a copper plate to a ceramic substrate is shown, (A) is an example of the present invention, and (B) is a conventional example. セラミックス基板に銅板を接合した後のろ接合界面の形態を示し、(A)(B)は本発明例、(C)(D)は従来例である。The form of the filter-bonding interface after bonding a copper plate to a ceramic substrate is shown, (A) and (B) are examples of the present invention, and (C) and (D) are conventional examples.

符号の説明Explanation of symbols

1:回路用金属板
3、4、5:金属(銅)板
3a、4a、5a:傾斜面
3b、4b、5b:半導体チップとの接合面
3c、4c、5c:セラミックス基板との接合面
7:セラミックス基板
8、9、10:ろう材層
11:金属(銅)板
12:ろう材層
20:はみ出し部
1: Circuit metal plates 3, 4, 5: Metal (copper) plates 3a, 4a, 5a: Inclined surfaces 3b, 4b, 5b: Bonding surfaces 3c, 4c, 5c: Bonding surfaces 7 with a ceramic substrate : Ceramic substrates 8, 9, 10: Brazing material layer 11: Metal (copper) plate 12: Brazing material layer 20: Overhanging portion

Claims (5)

セラミックス基板の少なくとも一方の面にろう材層を介して金属板を接合した構造であり、前記ろう材層は前記金属板の接合範囲を含みそれより広い範囲に形成されるセラミックス回路基板であって、
前記ろう材層はAg:85〜55質量%、In:5〜25質量%、Ti:0.2〜2.0質量%、残部Cu及び不可避不純物からなる平均粒子径15〜40μmの合金粉末に、さらに平均粒子径1〜15μmのAg粉末粒子あるいはCu粉末粒子を5〜30質量%添加したAg−Cu−In−Ti系ろう材からなり、主成分がCu−Ti相からなり最大長さが1.0mm未満の凹部と主成分がAg−In相およびCu−In相からなる凸部とからなる凹凸面を有し、ボイド率0.5%以上10%以下、ボイドの最大径1.0mm以下であることを特徴とするセラミックス回路基板。
It is a structure in which a metal plate is bonded to at least one surface of a ceramic substrate via a brazing material layer, and the brazing material layer is a ceramic circuit substrate formed in a wider range including the bonding range of the metal plate. ,
The brazing filler metal layer is made of an alloy powder having an average particle diameter of 15 to 40 μm composed of Ag: 85 to 55% by mass, In: 5 to 25% by mass, Ti: 0.2 to 2.0% by mass, the balance Cu and inevitable impurities. Further, it is made of an Ag—Cu—In—Ti brazing material added with 5 to 30% by mass of Ag powder particles or Cu powder particles having an average particle diameter of 1 to 15 μm, and the main component is a Cu—Ti phase and has a maximum length. It has a concave-convex surface composed of a concave portion of less than 1.0 mm and a convex portion composed mainly of an Ag-In phase and a Cu-In phase, a void ratio of 0.5% to 10%, and a maximum void diameter of 1.0 mm. A ceramic circuit board characterized by:
セラミックス基板と金属板との密着強度(ピール強度)が20(kN/m)以上である請求項1に記載のセラミックス回路基板。 The ceramic circuit board according to claim 1, wherein the adhesion strength (peel strength) between the ceramic substrate and the metal plate is 20 (kN / m) or more. −40℃での冷却を20分、室温での保持を10分および125℃における加熱を20分とする昇温/降温サイクルを1サイクルとし、これを繰り返し付与し、前記ろう材層のボイド率が当初のボイド率の1.5倍以上となるまでのサイクル数が3000を超える請求項1または2に記載のセラミックス回路基板。 The temperature increase / decrease cycle in which cooling at −40 ° C. for 20 minutes, holding at room temperature for 10 minutes and heating at 125 ° C. for 20 minutes is one cycle, and this is repeatedly applied. 3. The ceramic circuit board according to claim 1, wherein the number of cycles until the value becomes 1.5 times or more of the initial void ratio exceeds 3000. 4. セラミックス基板と金属板との間にAg:85〜55質量%、In:5〜25質量%、Ti:0.2〜2.0質量%、残部Cu及び不可避不純物からなる平均粒子径15〜40μmの合金粉末に、さらに平均粒子径1〜15μmのAg粉末粒子あるいはCu粉末粒子を5〜30質量%添加したAg−Cu−In−Ti系ろう材を用いて回路パターンの接合範囲を含みそれより広い範囲にろう材層を形成し、熱処理して前記セラミックス基板と前記金属板とをろう付けし、前記ろう材層に主成分がCu−Ti相からなり最大長さが1.0mm未満の凹部と主成分がAg−In相およびCu−In相からなる凸部とからなる凹凸面を付与し、最大径1.0mm以下のボイドを0.5%以上10%以下含有させ、前記金属板をエッチングして前記回路パターンを形成することを特徴とするセラミックス回路基板の製造方法。 Between the ceramic substrate and the metal plate, Ag: 85 to 55% by mass, In: 5 to 25% by mass, Ti: 0.2 to 2.0% by mass, balance Cu and inevitable impurities, average particle diameter of 15 to 40 μm In addition to this, the circuit pattern bonding range is obtained by using an Ag-Cu-In-Ti brazing material in which 5 to 30% by mass of Ag powder particles or Cu powder particles having an average particle diameter of 1 to 15 μm is added to the above alloy powder. A brazing material layer is formed over a wide range, and the ceramic substrate and the metal plate are brazed by heat treatment, and the brazing material layer is mainly composed of a Cu-Ti phase and has a maximum length of less than 1.0 mm. And an irregular surface composed of a convex portion composed mainly of an Ag-In phase and a Cu-In phase, and containing a void having a maximum diameter of 1.0 mm or less from 0.5% to 10%, Etch the circuit A method of manufacturing a ceramic circuit board, comprising forming a pattern. セラミックス基板と予め所定の回路パターンに形成した金属板との間にAg:85〜55質量%、In:5〜25質量%、Ti:0.2〜2.0質量%、残部Cu及び不可避不純物からなる平均粒子径15〜40μmの合金粉末に、さらに平均粒子径1〜15μmのAg粉末粒子あるいはCu粉末粒子を5〜30質量%添加したAg−Cu−In−Ti系ろう材を用いて回路パターンの接合範囲を含みそれより広い範囲にろう材層を形成し、熱処理して前記セラミックス基板と前記金属板とをろう付けし、前記ろう材層に主成分がCu−Ti相からなり最大長さが1.0mm未満の凹部と主成分がAg−In相およびCu−In相からなる凸部とからなる凹凸面を付与し、最大径1.0mm以下のボイドを0.5%以上10%以下含有させることを特徴とするセラミックス回路基板の製造方法。 Between a ceramic substrate and a metal plate previously formed in a predetermined circuit pattern, Ag: 85 to 55% by mass, In: 5 to 25% by mass, Ti: 0.2 to 2.0% by mass, remaining Cu and inevitable impurities A circuit using an Ag-Cu-In-Ti brazing material in which 5 to 30% by mass of Ag powder particles or Cu powder particles having an average particle size of 1 to 15 μm is further added to an alloy powder having an average particle size of 15 to 40 μm. A brazing material layer is formed in a wider range including the bonding range of the pattern, and the ceramic substrate and the metal plate are brazed by heat treatment, and the brazing material layer is mainly composed of a Cu-Ti phase and has a maximum length. A concave and convex surface having a concave portion with a diameter of less than 1.0 mm and a convex portion mainly composed of an Ag-In phase and a Cu-In phase is provided, and a void having a maximum diameter of 1.0 mm or less is 0.5% to 10%. Contains A method for producing a ceramic circuit board, characterized by:
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