JP2010228991A - Metal/ceramic-bonded substrate and method of production thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、金属セラミックス接合基板及びその製造方法等に関し、より詳細には、ろう材の形成工程のコストを低減できる金属セラミックス接合基板及びその製造方法等に関する。 The present invention relates to a metal ceramic bonding substrate and a manufacturing method thereof, and more particularly to a metal ceramic bonding substrate and a manufacturing method thereof that can reduce the cost of a brazing material forming process.
従来の金属セラミックス接合基板の製造方法について説明する。
まず、金属成分が７１Ａｇ-２７Ｃｕ-２Ｔｉ（ｗｔ％）になるよう金属粉等を秤量し、これに対し約１０％のアクリル系のビヒクルを加え乳鉢、３本ロールミル等通常の方法で混錬し、ペースト状のろう材を作製する。
A conventional method for manufacturing a metal ceramic bonded substrate will be described.
First, metal powder is weighed so that the metal component becomes 71Ag-27Cu-2Ti (wt%), and about 10% acrylic vehicle is added to this and kneaded by a normal method such as a mortar or a three roll mill. A paste-like brazing material is produced.
次に、このろう材をセラミックス基板の両面にスクリーン印刷で配置（塗布）し、その両側にＣｕ板を配置し、８５０℃の真空炉中で接合する。 Next, this brazing material is disposed (applied) on both sides of the ceramic substrate by screen printing, Cu plates are disposed on both sides thereof, and are bonded in a vacuum furnace at 850 ° C.
次いで、セラミックス基板を真空炉中から取り出し、接合されたＣｕ板表面の両面に所望の回路パターン等のレジストインクを塗布し、塩化第２銅、塩酸と過酸化水素水の混合液によりＣｕ板の不要部分を除去することによりセラミックス基板上に回路が形成される。その後、レジストをアルカリの薬液で除去する。 Next, the ceramic substrate is taken out of the vacuum furnace, a resist ink such as a desired circuit pattern is applied to both surfaces of the bonded Cu plate surface, and the Cu plate is mixed with a cupric chloride, hydrochloric acid and hydrogen peroxide solution mixture. A circuit is formed on the ceramic substrate by removing unnecessary portions. Thereafter, the resist is removed with an alkaline chemical.
その後、回路の表面にＮｉ-Ｐの無電解めっきを選択的に施す（例えば特許文献１参照）。
また、金属板の表面にろう材をスプレーで塗布して形成し、該金属板をセラミックス基板に接合する方法が知られている（例えば特許文献２参照）。
Thereafter, Ni-P electroless plating is selectively applied to the surface of the circuit (see, for example, Patent Document 1).
Further, a method is known in which a brazing material is applied to the surface of a metal plate by spraying and the metal plate is bonded to a ceramic substrate (see, for example, Patent Document 2).
金属セラミックス接合基板を製造するコストを低減する要請がある。特に、ろう材を塗布（形成）する工程のコスト低減の要請が強い。また、金属板にろう材をスプレーする方法では、セラミックス基板と接合する際、セラミックス基板の有する表面のうねりに追従せず、隙間となり、接合後にボイド欠陥を発現するおそれがある。 There is a need to reduce the cost of manufacturing metal ceramic bonded substrates. In particular, there is a strong demand for cost reduction in the process of applying (forming) the brazing material. Further, in the method of spraying the brazing material onto the metal plate, when joining with the ceramic substrate, the surface does not follow the waviness of the ceramic substrate, and there is a possibility that a void defect is developed after joining.
本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、ろう材の形成工程のコストを低減できる金属セラミックス接合基板及びその製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a metal-ceramic bonding substrate that can reduce the cost of the brazing material forming process and a method for manufacturing the same.
上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る金属セラミックス接合基板の製造方法は、セラミックス基板上にコールドスプレー法によりろう材を形成する工程と、
前記ろう材の上に金属板を配置する工程と、
前記金属板、前記ろう材及び前記セラミックス基板を加熱することにより、前記セラミックス基板に前記金属板を接合する工程と、
を具備することを特徴とする。
In order to solve the above problems, a method for manufacturing a metal ceramic bonded substrate according to an aspect of the present invention includes a step of forming a brazing material on a ceramic substrate by a cold spray method,
Placing a metal plate on the brazing material;
Joining the metal plate to the ceramic substrate by heating the metal plate, the brazing material and the ceramic substrate;
It is characterized by comprising.
上記金属セラミックス接合基板の製造方法によれば、コールドスプレー法によりろう材をセラミックス基板上に形成するため、従来技術に比べてろう材を容易に形成することができる。 According to the method for manufacturing a metal / ceramic bonding substrate, since the brazing material is formed on the ceramic substrate by a cold spray method, the brazing material can be easily formed as compared with the prior art.
また、本発明の一態様に係る金属セラミックス接合基板の製造方法において、前記コールドスプレー法によりろう材を形成する工程は、原料粉末を混合した混合粉末及び該混合粉末の融点以下に加温された作動ガスを前記セラミックス基板上に吹き付ける工程であることも可能である。 Further, in the method for manufacturing a metal ceramic bonded substrate according to one aspect of the present invention, the step of forming the brazing filler metal by the cold spray method is performed by heating the mixed powder obtained by mixing the raw material powder and the melting point of the mixed powder or lower. It is also possible to be a step of blowing a working gas onto the ceramic substrate.
本発明の一態様に係る金属セラミックス接合基板は、セラミックス基板と、
前記セラミックス基板上にろう材によって接合された金属板と、
を具備し、
前記ろう材は、コールドスプレー法により形成されていることを特徴とする。
The metal-ceramic bonding substrate according to one aspect of the present invention includes a ceramic substrate,
A metal plate joined by brazing material on the ceramic substrate;
Comprising
The brazing material is formed by a cold spray method.
以上説明したように本発明によれば、ろう材の形成工程のコストを低減できる金属セラミックス接合基板及びその製造方法を提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a metal ceramic bonded substrate and a method for manufacturing the same, which can reduce the cost of the brazing material forming process.
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図１（ａ）〜（ｆ）は、本発明の実施形態による金属セラミックス接合基板の製造方法を説明するための材料及び金属セラミックス接合基板の断面図である。図２は、図１（ｆ）に示す金属セラミックス接合基板の斜視図である。図３は、コールドスプレー法を実施する低温溶射装置の概略を示す模式図である。
まず、図１（ａ）に示すセラミックス基板１を用意する。このセラミックス基板１は、例えば厚さが０．２〜１．０ｍｍ程度のＡｌＮ基板又はＡｌ２Ｏ３基板を用いることができる。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
1A to 1F are cross-sectional views of a material and a metal ceramic bonded substrate for explaining a method for manufacturing a metal ceramic bonded substrate according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a perspective view of the metal ceramic bonded substrate shown in FIG. FIG. 3 is a schematic diagram showing an outline of a low-temperature spraying apparatus that performs the cold spray method.
First, a
次いで、図１（ｂ）に示すように、セラミックス基板１の両面にコールドスプレー法によってろう材２を形成する。この際、図３に示す低温溶射装置を用いる。コールドスプレー法及び低温溶射装置の詳細については後述する。
Next, as shown in FIG. 1B, a brazing
次に、図１（ｃ）に示すように、セラミックス基板１の両面のろう材２上に例えばＣｕ板からなる金属板３を配置する。次いで、このセラミックス基板１を真空炉（図示せず）に挿入し、この真空炉を８５０℃の温度に加熱することにより、セラミックス基板１の両面には金属板３が接合される。
Next, as shown in FIG. 1C, a
次いで、図１（ｄ）に示すように、セラミックス基板１を真空炉中から取り出し、金属板３の表面に所望の回路パターン等の形状のレジストインク４を塗布し、紫外線で硬化する。
Next, as shown in FIG. 1 (d), the
次に、図１（ｅ）に示すように、このレジスト４をマスクとして例えば塩化第２銅、塩酸と過酸化水素水の混合液により金属板３をエッチングすることにより、セラミックス基板１の一方面には金属板からなる回路パターン３ａが形成され、セラミックス基板１の他方面には金属板パターン３ｂが形成される。次いで、レジスト４をアルカリの薬液で除去する。
Next, as shown in FIG. 1 (e), by using the
次いで、図１（ｆ）に示すように、回路パターン間や基板縁面の不要なろう材等を除去するため、ＥＤＴＡとアンモニアと過酸化水素水の混合溶液中にディップして、セラミックス基板１の両面の不要なろう材等を除去した後、水洗、乾燥し所望の金属回路パターンを得る。その後、回路パターン３ａ及び金属板パターン３ｂの表面にＮｉ-Ｐの無電解めっきが選択的に行われる。このようにして図２に示す金属セラミックス接合基板が製造される。
Next, as shown in FIG. 1 (f), in order to remove unnecessary brazing material between circuit patterns and at the edge of the substrate, the
上記のコールドスプレー法及び低温溶射装置の詳細について説明する。
本実施形態に係るろう材の形成方法は、材料粉末をセラミックス基板１の表面に固着させてろう材を形成するもので、材料粉末をその融点より低い温度に加温したガスに投入し、このガスを超音速流にしてセラミックス基板１に対して噴射させるコールドスプレー法を用いる。
The details of the cold spray method and the low temperature spraying apparatus will be described.
The brazing material forming method according to the present embodiment forms a brazing material by adhering material powder to the surface of the
図３に示す低温溶射装置１１は、空気，窒素，ヘリウムなどの高圧の作動ガスを供給するガス供給部１０を有しており、このガス供給部１０には主配管１２の一端が接続されている。この主配管１２の途中には、作動ガスを加温するガスヒーター部１３が設けられている。主配管１２には、その主配管１２から分岐された枝配管１４の一端が設けられている。この枝配管１４の他端には材料粉末を供給する粉体供給部（パウダーフィードユニット）１５が配置されている。この粉体供給部１５には粉末投入管１６の一端が接続されており、この粉末投入管１６には主配管１２の他端が合流されており、粉末投入管１６の他端にはスプレーノズル１７が接続されている。スプレーノズル１７に対向して配置された基板保持部（図示せず）にはセラミックス基板１が保持されている。
A low-
図３に示す低温溶射装置１１によってセラミックス基板１にろう材を下記のようにして形成する。
A brazing material is formed on the
粉体供給部１５にろう材の原料粉末を混合した混合粉末を入れ、低温溶射装置１１を駆動させる。ガス供給部１０によって空気，窒素，ヘリウムなどの高圧の作動ガスが主配管１２に供給される。主配管１２に供給された作動ガスは、ガスヒーター部１３によって原料粉末の融点より低くまたは軟化温度よりも低い温度に加温される。この加温された作動ガスは粉末投入管１６に供給される。これとともに、ガス供給部１０によって主配管１２及び枝配管１４を介して粉体供給部１５に作動ガスが供給され、この作動ガスにより粉体供給部１５の混合粉末が粉末投入管１６に供給される。このようにして粉末投入管１６から供給される混合粉末と、主配管１２から供給される加温された作動ガスが、スプレーノズル７から超音速流になって噴出され、その結果、混合粉末及び作動ガス１８がセラミックス基板１の全面に対して吹き付けられる。この吹き付けられる混合粉末は、セラミックス基板１に衝突して固着される。従って、セラミックス基板１の表面には低温溶射によりろう材２が形成される。このろう材２の厚さは５μｍ以上が好ましく、より好ましくは１０μｍ以上である。
The mixed powder obtained by mixing the raw material powder of the brazing material is put into the
上記実施形態によれば、コールドスプレー法によりろう材２をセラミックス基板１上に形成するため、従来技術に比べてろう材を容易に形成することができる。
According to the embodiment, since the
具体的には、本実施形態では、従来技術のようにろう材をペースト（又は箔）とする必要がなく、原料粉末のままでろう材を形成することができる。このため、従来技術のようなろう材２の製造工程がなくなり、コストを低減できる。また、ろう材成分である金属粉とビヒクルとの相性の心配も不要となる。
Specifically, in this embodiment, it is not necessary to use a brazing material as a paste (or foil) as in the prior art, and the brazing material can be formed with the raw material powder as it is. For this reason, the manufacturing process of the
また、コールドスプレー法によりろう材を形成するため、従来技術に比べてろう材の形成スピードを速くすることができる。例えば、コールドスプレー法では厚さ２０μｍのろう材を一瞬（１秒以下）で形成することができ、厚さ４００μｍのろう材を数秒で形成することができる。また、通常の丸ノズルのスプレーの場合、一般に用いられている長方形のセラミックス基板の全面にろう材を形成することが困難な場合がある。この場合、セラミックス基板を移動し、スプレーが全面に当たるようにすれば良い。また、スプレーは複数並べて処理を行っても良い。また、付着しなかった粉末は、回収し、再利用するのもコスト面で好ましい。 Further, since the brazing material is formed by the cold spray method, the forming speed of the brazing material can be increased as compared with the prior art. For example, in the cold spray method, a brazing material having a thickness of 20 μm can be formed in an instant (1 second or less), and a brazing material having a thickness of 400 μm can be formed in a few seconds. In the case of a normal round nozzle spray, it may be difficult to form a brazing material on the entire surface of a generally used rectangular ceramic substrate. In this case, the ceramic substrate may be moved so that the spray hits the entire surface. Further, a plurality of sprays may be processed side by side. In addition, it is preferable in terms of cost that the powder that has not adhered is recovered and reused.
また、コールドスプレー法では、粉体供給部１５に粉の状態で所定の組成に混合すれば良いため、ろう材をペーストや箔とするのと比べ、ろう材の組成を容易に変更することができる。また、コールドスプレー法では、溶射などと比較して、ろう材の成分が酸化しにくいという利点もある。
Further, in the cold spray method, the composition of the brazing material can be easily changed as compared with the case of using the brazing material as a paste or foil because the
また、コールドスプレー法では、セラミックス基板１の表面のうねりや粗さにろう材を追従させることが容易である。従って、ろう材の接合欠陥（ボイド）を低減させる効果もある。
In the cold spray method, it is easy to cause the brazing material to follow the swell and roughness of the surface of the
また、コールドスプレー法では、接合時にペーストろう材では必要な処理となる脱脂・脱バインダー工程が不要となり、ろう材形成工程の時間を短縮できるとともに、ろう材の酸化がほとんどなく、ろう材の品質を安定させることができる。 The cold spray method eliminates the need for a degreasing and debinding process, which is a necessary process for paste brazing during bonding, shortens the time of the brazing filler forming process, and seldom oxidizes the brazing filler metal. Can be stabilized.
また、コールドスプレー法によるアンカー効果により、混合粉末をセラミックス基板１に確実に固着することができ、接合強度を向上させることができる。なお、粒子が溶融した或いは半溶融した高温の状態で低速でスプレーする通常の溶射法では、ろう材成分が酸化して接合できなくなったり、セラミックス基板を加熱する必要があり、セラミックス基板が破壊されるおそれがある。また、単に混合粉末を室温などでセラミックス基板にスプレーした場合は、セラミックス基板表面に該粉末はほとんど付着しない。
Moreover, the mixed powder can be reliably fixed to the
以下、本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
セラミックス基板１としてＡｌＮ基板（厚さ０．６ｍｍ、長さ１００ｍｍ、幅５０ｍｍ）を用意した。
Examples of the present invention will be described below.
Example 1
An AlN substrate (thickness 0.6 mm, length 100 mm, width 50 mm) was prepared as the
次いで、このＡｌＮ基板の両面上に図３に示す低温溶射装置（コールドスプレー装置）によってろう材を形成した。詳細には、コールドスプレー装置のパウダーフィードユニット１５に原料粉末を投入し、この原料粉末及び高温・高圧のＮ２ガスでＡｌＮ基板の表面にスプレーすることにより、ＡｌＮ基板の表面に原料粉末を付着させた。その後、ＡｌＮ基板を裏返して、ＡｌＮ基板の裏面に同様の方法で原料粉末を付着させた。このようにしてＡｌＮ基板の両面に厚さ３０μｍのろう材を形成した。ろう材を形成するためのスプレー時間はそれぞれ１秒である。なお、スプレー中にＡｌＮ基板表面の全面に原料粉末が付着するように、ＡｌＮ基板を移動させながらスプレーを行った。
Next, a brazing material was formed on both surfaces of the AlN substrate by a low temperature spraying device (cold spray device) shown in FIG. Specifically, the raw material powder is put into the
なお、従来技術のようなろう材作製工程はない。 There is no brazing material manufacturing process as in the prior art.
前記原料粉末は、７１．５ｍａｓｓ％のＡｇ粉末、２７ｍａｓｓ％のＣｕ粉末、１．５ｍａｓｓ％のＴｉＨ粉末を混合した混合粉末であり、原料粉末の粒径は５〜３０μｍである。また、前記混合粉末は、４００℃に加熱され６００ｍ／ｓの速度で噴射される前記Ｎ２ガスによってＡｌＮ基板にスプレーした。 The raw material powder is a mixed powder in which 71.5 mass% Ag powder, 27 mass% Cu powder, and 1.5 mass% TiH powder are mixed, and the particle size of the raw material powder is 5 to 30 μm. The mixed powder was sprayed on the AlN substrate with the N 2 gas heated to 400 ° C. and sprayed at a speed of 600 m / s.
次いで、ＡｌＮ基板の表面に厚さ０．３ｍｍのＣｕ板を配置し、ＡｌＮ基板の裏面に厚さ０．１５ｍｍのＣｕ板を配置した。 Next, a Cu plate having a thickness of 0.3 mm was disposed on the surface of the AlN substrate, and a Cu plate having a thickness of 0.15 mm was disposed on the back surface of the AlN substrate.
次いで、ＡｌＮ基板を真空炉に挿入し、真空炉を８５０℃の温度に加熱することにより、ＡｌＮ基板の両面にＣｕ板を接合した。 Next, the AlN substrate was inserted into a vacuum furnace, and the Cu plate was bonded to both surfaces of the AlN substrate by heating the vacuum furnace to a temperature of 850 ° C.
次いで、ＡｌＮ基板を真空炉中から取り出し、Ｃｕ板の表面に所望の回路パターンのレジストを塗布し、このレジストをマスクとしてＣｕ板を塩化第２銅と塩酸と過酸化水素を含む混合液でエッチングすることにより、ＡｌＮ基板の表面及び裏面に回路パターンを形成し、レジストを除去した。その後、フッ酸を含む水溶液でパターン間の不要なろう材を除去した。 Next, the AlN substrate is taken out from the vacuum furnace, a resist having a desired circuit pattern is applied to the surface of the Cu plate, and the Cu plate is etched with a mixed liquid containing cupric chloride, hydrochloric acid and hydrogen peroxide using the resist as a mask. As a result, circuit patterns were formed on the front and back surfaces of the AlN substrate, and the resist was removed. Thereafter, an unnecessary brazing material between patterns was removed with an aqueous solution containing hydrofluoric acid.
次いで、回路パターンとＡｌＮ基板の接合強度を評価した結果、その接合強度は２０ｋｇｆ／ｃｍ以上であった。この際の評価方法は、下記のとおりである。
金属セラミックス接合基板に形成された回路パターンの一部である幅３ｍｍのパターンの端をペンチで引き剥がした。この接合基板をプル（引張）試験機の台に固定し、前記パターンの端をプル試験機のチャックに取り付けた。この時、接合基板の表面と引き剥がされた前記パターンの角度が９０°（鉛直方向）になるように設置する。その後、プル試験機を作動させ、チャックを介して引き剥がされた前記パターンを上方に引っ張って移動させ、その時の最大引き剥がし荷重を測定した。その最大引き剥がし荷重を幅（０．３ｃｍ）で除して接合強度を測定した。
Next, as a result of evaluating the bonding strength between the circuit pattern and the AlN substrate, the bonding strength was 20 kgf / cm or more. The evaluation method at this time is as follows.
The edge of the 3 mm wide pattern, which is a part of the circuit pattern formed on the metal ceramic bonding substrate, was peeled off with pliers. The bonded substrate was fixed to a stand of a pull (tensile) tester, and the end of the pattern was attached to a chuck of the pull tester. At this time, it is installed so that the angle between the surface of the bonded substrate and the peeled pattern is 90 ° (vertical direction). Thereafter, the pull tester was operated, the pattern peeled off via the chuck was pulled upward and moved, and the maximum peeling load at that time was measured. The maximum peel load was divided by the width (0.3 cm) to measure the bonding strength.
（実施例２）
セラミックス基板１としてＡｌ２Ｏ３基板（厚さ０．６ｍｍ、長さ１００ｍｍ、幅５０ｍｍ）を用意した。
(Example 2)
An Al 2 O 3 substrate (thickness 0.6 mm, length 100 mm, width 50 mm) was prepared as the
次いで、このＡｌ２Ｏ３基板の両面上に図３に示す低温溶射装置（コールドスプレー装置）によってろう材を形成した。詳細には、コールドスプレー装置のパウダーフィードユニット１５に原料粉末を投入し、この原料粉末及び高温・高圧のＮ２ガスでＡｌ２Ｏ３基板の表面にスプレーすることにより、Ａｌ２Ｏ３基板の表面に原料粉末を付着させた。その後、Ａｌ２Ｏ３基板を裏返して、Ａｌ２Ｏ３基板の裏面に同様の方法で原料粉末を付着させた。このようにしてＡｌ２Ｏ３基板の両面に厚さ３０μｍのろう材を形成した。ろう材を形成するためのスプレー時間は１秒である。
Next, a brazing material was formed on both surfaces of the Al 2 O 3 substrate by a low-temperature spraying apparatus (cold spray apparatus) shown in FIG. Specifically, raw material powder was placed in a
なお、従来技術のようなろう材作製工程はない。 There is no brazing material manufacturing process as in the prior art.
前記原料粉末及び原料粉末の温度と速度は、実施例１と同様である。 The temperature and speed of the raw material powder and the raw material powder are the same as in Example 1.
次いで、実施例１と同様に、Ａｌ２Ｏ３基板の表面に厚さ０．３ｍｍのＣｕ板を配置し、Ａｌ２Ｏ３基板の裏面に厚さ０．１５ｍｍのＣｕ板を配置した。 Then, in the same manner as in Example 1, Al 2 O 3 disposed Cu plate having a thickness of 0.3mm to the surface of the substrate, was placed Cu plate having a thickness of 0.15mm on the rear surface of the Al 2 O 3 substrate.
次いで、実施例１と同様に、Ａｌ２Ｏ３基板を真空炉に挿入し、真空炉を８５０℃の温度に加熱することにより、Ａｌ２Ｏ３基板の両面にＣｕ板を接合した。 Next, as in Example 1, the Al 2 O 3 substrate was inserted into a vacuum furnace, and the Cu plate was bonded to both surfaces of the Al 2 O 3 substrate by heating the vacuum furnace to a temperature of 850 ° C.
次いで、Ａｌ２Ｏ３基板の表面及び裏面に実施例１と同様の回路パターンを形成した。 Then, to form the same circuit pattern as in Example 1 on the front and back surfaces of the Al 2 O 3 substrate.
次いで、回路パターンとＡｌ２Ｏ３基板の接合強度を評価した結果、その接合強度は２０ｋｇｆ／ｃｍ以上であった。この際の評価方法は、実施例１と同様である。 Subsequently, as a result of evaluating the bonding strength between the circuit pattern and the Al 2 O 3 substrate, the bonding strength was 20 kgf / cm or more. The evaluation method at this time is the same as in Example 1.
（実施例３）
セラミックス基板１として実施例１と同様のＡｌＮ基板を用意した。
Example 3
An AlN substrate similar to that in Example 1 was prepared as the
次いで、このＡｌＮ基板の両面上に図３に示す低温溶射装置（コールドスプレー装置）によってろう材を形成した。詳細には、コールドスプレー装置のパウダーフィードユニット１５に原料粉末を投入し、この原料粉末及び高温・高圧のＮ２ガスでＡｌＮ基板の表面にスプレーすることにより、ＡｌＮ基板の表面に原料粉末を付着させた。その後、ＡｌＮ基板を裏返して、ＡｌＮ基板の裏面に同様の方法で原料粉末を付着させた。このようにしてＡｌＮ基板の両面に厚さ３０μｍのろう材を形成した。ろう材を形成するためのスプレー時間は１秒である。
Next, a brazing material was formed on both surfaces of the AlN substrate by a low temperature spraying device (cold spray device) shown in FIG. Specifically, the raw material powder is put into the
なお、従来技術のようなろう材作製工程はない。 There is no brazing material manufacturing process as in the prior art.
前記原料粉末は、９０ｍａｓｓ％のＡｌ粉末、１０ｍａｓｓ％のＳｉ粉末を混合した混合粉末であり、原料粉末の平均粒径は２５μｍである。また、原料粉末は、４００℃まで加熱され７５０ｍ／ｓの速度で噴射される前記Ｎ２ガスによって、ＡｌＮ基板にスプレーされた。 The raw material powder is a mixed powder in which 90 mass% Al powder and 10 mass% Si powder are mixed, and the average particle diameter of the raw material powder is 25 μm. The raw material powder was sprayed onto the AlN substrate by the N 2 gas heated to 400 ° C. and sprayed at a speed of 750 m / s.
次いで、ＡｌＮ基板の表面に厚さ０．３ｍｍのＡｌ板を配置し、ＡｌＮ基板の裏面に厚さ０．３ｍｍのＡｌ板を配置した。 Next, an Al plate having a thickness of 0.3 mm was disposed on the surface of the AlN substrate, and an Al plate having a thickness of 0.3 mm was disposed on the back surface of the AlN substrate.
次いで、ＡｌＮ基板を真空炉に挿入し、真空炉を６３０℃の温度に加熱することにより、ＡｌＮ基板の両面にＡｌ板を接合した。 Next, the AlN substrate was inserted into a vacuum furnace, and the AlN substrate was bonded to both surfaces of the AlN substrate by heating the vacuum furnace to a temperature of 630 ° C.
次いで、ＡｌＮ基板を真空炉中から取り出し、Ａｌ板の表面に所望の回路パターンのレジストを塗布し、このレジストをマスクとしてＡｌ板とろう材を塩化鉄を含む水溶液でエッチングすることにより、ＡｌＮ基板の表面及び裏面に回路パターンを形成し、レジストを除去した。 Next, the AlN substrate is taken out from the vacuum furnace, a resist having a desired circuit pattern is applied to the surface of the Al plate, and the Al plate and the brazing material are etched with an aqueous solution containing iron chloride using the resist as a mask. Circuit patterns were formed on the front and back surfaces of the film, and the resist was removed.
次いで、回路パターンとＡｌＮ基板の接合強度を評価した結果、その接合強度は８ｋｇｆ／ｃｍ以上であった。この際の評価方法は、実施例１と同様である。 Next, as a result of evaluating the bonding strength between the circuit pattern and the AlN substrate, the bonding strength was 8 kgf / cm or more. The evaluation method at this time is the same as in Example 1.
（比較例１）
セラミックス基板１として実施例１と同様のＡｌＮ基板を用意した。
(Comparative Example 1)
An AlN substrate similar to that in Example 1 was prepared as the
次いで、実施例１，２と同様の原料粉末に、アクリル系のビヒクルを加え、乳鉢、３本ロールミルで混錬し、ペースト状のろう材を作製した。この時のろう材製造時間は、約１時間であった。 Next, an acrylic vehicle was added to the same raw material powder as in Examples 1 and 2, and kneaded with a mortar and three-roll mill to produce a paste-like brazing material. The brazing material manufacturing time at this time was about 1 hour.
次いで、このろう材をＡｌＮ基板の両面にスクリーン印刷で配置（塗布）した。この際の塗布時間は約１０秒であり、ろう材の厚さは２０μｍである。 Next, this brazing material was placed (coated) on both sides of the AlN substrate by screen printing. The coating time at this time is about 10 seconds, and the thickness of the brazing material is 20 μm.
次いで、実施例１，２と同様に、ＡｌＮ基板の表面に厚さ０．３ｍｍのＣｕ板を配置し、ＡｌＮ基板の裏面に厚さ０．１５ｍｍのＣｕ板を配置し、その後、５０℃の温度で６０分間乾燥させ、ビヒクル中の有機成分（例えば溶剤）等の一部を除去（蒸発）した。 Next, as in Examples 1 and 2, a Cu plate having a thickness of 0.3 mm is disposed on the surface of the AlN substrate, and a Cu plate having a thickness of 0.15 mm is disposed on the back surface of the AlN substrate. It was dried at a temperature for 60 minutes to remove (evaporate) a part of organic components (for example, a solvent) in the vehicle.
次いで、実施例１，２と同様に、ＡｌＮ基板を真空炉に挿入し、真空炉を８５０℃の温度に加熱することにより、ＡｌＮ基板の両面にＣｕ板を接合する。この際、接合の前に、前記ビヒクル成分を分解させるために５００℃で６０分間保持する脱脂を行った。 Next, as in Examples 1 and 2, the AlN substrate was inserted into a vacuum furnace, and the Cu plate was bonded to both surfaces of the AlN substrate by heating the vacuum furnace to a temperature of 850 ° C. At this time, before bonding, degreasing was performed by holding at 500 ° C. for 60 minutes in order to decompose the vehicle component.
次いで、ＡｌＮ基板を真空炉中から取り出し、Ｃｕ板の表面に所望の回路パターンのレジストを塗布し、このレジストをマスクとしてＣｕ板を実施例１と同じ液でエッチングすることにより、ＡｌＮ基板の表面及び裏面に回路パターンを形成し、レジストを除去した。さらに、実施例１と同様の方法で不要なろう材を除去した。 Next, the AlN substrate is taken out of the vacuum furnace, a resist having a desired circuit pattern is applied to the surface of the Cu plate, and the Cu plate is etched with the same solution as in Example 1 using this resist as a mask. And the circuit pattern was formed in the back surface and the resist was removed. Further, unnecessary brazing material was removed by the same method as in Example 1.
次いで、回路パターンとＡｌＮ基板の接合強度を評価した結果、その接合強度は２０ｋｇｆ／ｃｍ以上であった。この際の評価方法は、実施例１と同様である。
（比較例２）
セラミックス基板１として実施例１と同様のＡｌＮ基板を用意した。
Next, as a result of evaluating the bonding strength between the circuit pattern and the AlN substrate, the bonding strength was 20 kgf / cm or more. The evaluation method at this time is the same as in Example 1.
(Comparative Example 2)
An AlN substrate similar to that in Example 1 was prepared as the
次いで、実施例３と同様の原料粉末に、アクリル系のビヒクルを加え、乳鉢、３本ロールミルで混錬し、ペースト状のろう材を作製した。 Next, an acrylic vehicle was added to the same raw material powder as in Example 3, and the mixture was kneaded with a mortar and a three-roll mill to prepare a paste-like brazing material.
次いで、このろう材をＡｌＮ基板の両面にスクリーン印刷で配置（塗布）した。この際のろう材の厚さは２０μｍである。 Next, this brazing material was placed (coated) on both sides of the AlN substrate by screen printing. The thickness of the brazing material at this time is 20 μm.
次いで、実施例３と同様に、ＡｌＮ基板の表面に厚さ０．３ｍｍのＡｌ板を配置し、ＡｌＮ基板の裏面に厚さ０．３ｍｍのＡｌ板を配置し、その後、５０℃の温度で６０分間乾燥させ、ビヒクル中の有機成分（例えば溶剤）等の一部を除去（蒸発）した。 Next, as in Example 3, an Al plate having a thickness of 0.3 mm is arranged on the surface of the AlN substrate, an Al plate having a thickness of 0.3 mm is arranged on the back surface of the AlN substrate, and then at a temperature of 50 ° C. It was dried for 60 minutes to remove (evaporate) a part of organic components (for example, solvent) in the vehicle.
次いで、ＡｌＮ基板を真空炉に挿入し、真空炉を６３０℃の温度に加熱することにより、ＡｌＮ基板の両面にＡｌ板を接合した。この際、接合の前に、前記ビヒクル成分を分解させるために５００℃で６０分間保持する脱脂を行った。 Next, the AlN substrate was inserted into a vacuum furnace, and the AlN substrate was bonded to both surfaces of the AlN substrate by heating the vacuum furnace to a temperature of 630 ° C. At this time, before bonding, degreasing was performed by holding at 500 ° C. for 60 minutes in order to decompose the vehicle component.
次いで、ＡｌＮ基板を真空炉中から取り出し、Ａｌ板の表面に所望の回路パターンのレジストを塗布し、このレジストをマスクとしてＡｌ板を実施例３と同様にエッチングすることにより、ＡｌＮ基板の表面及び裏面に回路パターンを形成し、レジストを除去した。 Next, the AlN substrate is taken out from the vacuum furnace, a resist having a desired circuit pattern is applied to the surface of the Al plate, and the Al plate is etched in the same manner as in Example 3 using this resist as a mask. A circuit pattern was formed on the back surface, and the resist was removed.
次いで、回路パターンとＡｌＮ基板の接合強度を評価した結果、その接合強度は２ｋｇｆ／ｃｍ以上であった。この際の評価方法は、実施例１と同様である。 Next, as a result of evaluating the bonding strength between the circuit pattern and the AlN substrate, the bonding strength was 2 kgf / cm or more. The evaluation method at this time is the same as in Example 1.
上記実施例１〜３によれば、コールドスプレー法によりろう材をセラミックス基板上に形成するため、比較例１，２に比べてろう材を容易に形成することができる。 According to the first to third embodiments, since the brazing material is formed on the ceramic substrate by the cold spray method, the brazing material can be easily formed as compared with the first and second comparative examples.
具体的には、実施例１〜３では、比較例１，２のようにろう材をペーストとする必要がなく、原料粉末のままでろう材を形成することができる。このため、比較例１，２のようなろう材の作製工程がなくなり、コスト及び時間を大幅に低減できる。また、ろう材成分である金属粉とビヒクルとの相性（ペースト化のしやすさ、ペーストの印刷のしやすさなど）の心配も不要となる。 Specifically, in Examples 1 to 3, it is not necessary to use the brazing material as a paste as in Comparative Examples 1 and 2, and the brazing material can be formed with the raw material powder as it is. For this reason, the production process of the brazing material as in Comparative Examples 1 and 2 is eliminated, and the cost and time can be greatly reduced. In addition, there is no need to worry about the compatibility between the metal powder, which is a brazing filler metal component, and the vehicle (ease of paste formation, ease of paste printing, etc.).
また、実施例１〜３では、コールドスプレー法によりろう材を形成するため、比較例１，２に比べてろう材の形成スピードを速くすることができる。詳細には、コールドスプレー法では厚さ３０μｍのろう材を１秒で形成することができるのに対し、スクリーン印刷では厚さ２０μｍのろう材を形成するのに１０秒必要となる。 Moreover, in Examples 1-3, since the brazing material is formed by the cold spray method, the forming speed of the brazing material can be increased as compared with Comparative Examples 1 and 2. More specifically, the cold spray method can form a brazing material having a thickness of 30 μm in 1 second, whereas screen printing requires 10 seconds to form a brazing material having a thickness of 20 μm.
また、実施例１〜３のコールドスプレー法ではろう材の組成を容易に変更することができる。また、コールドスプレー法では、溶射などと比較して、ろう材の成分が酸化しにくいという利点もある。 In the cold spray method of Examples 1 to 3, the composition of the brazing material can be easily changed. In addition, the cold spray method has an advantage that the components of the brazing material are less likely to be oxidized than thermal spraying.
また、実施例１〜３のコールドスプレー法では、セラミックス基板の表面のうねりや粗さにろう材を追従させることが容易であるため、ろう材の接合欠陥（ボイド）を低減させる効果もある。 Moreover, in the cold spray method of Examples 1-3, since it is easy to make a brazing material follow the waviness and roughness of the surface of a ceramic substrate, it has the effect of reducing the joining defect (void) of a brazing material.
また、実施例１〜３のコールドスプレー法では、比較例１，２のように、接合時にろう材の脱脂・脱バインダー工程（５０℃×６０分の乾燥工程）、ビヒクルの分解時間（６０分）が不要となり、ろう材形成工程の時間を短縮できるとともに、ろう材の品質を安定させることができる。 In the cold spray method of Examples 1 to 3, as in Comparative Examples 1 and 2, the brazing material degreasing and debinding steps (50 ° C. × 60 minutes drying step) and the vehicle decomposition time (60 minutes) during joining. ) Becomes unnecessary, the time of the brazing material forming process can be shortened, and the quality of the brazing material can be stabilized.
また、実施例３では、コールドスプレー法によるアンカー効果により、混合粉末をセラミックス基板に確実に固着することができ、比較例２に比べて接合強度を向上させることができる。その他、実施例１，２においても、例えば比較例１と遜色のない、充分な接合強度を得ることができる。 Further, in Example 3, the mixed powder can be reliably fixed to the ceramic substrate by the anchor effect by the cold spray method, and the bonding strength can be improved as compared with Comparative Example 2. In addition, in Examples 1 and 2 as well, for example, sufficient bonding strength comparable to that of Comparative Example 1 can be obtained.
尚、本発明は上述した実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
１ セラミックス基板
２ ろう材
３ 金属板
３ａ 回路パターン
３ｂ 金属板パターン
４ レジスト
１０ ガス供給部
１１ 低温溶射装置
１２ 主配管
１３ ガスヒーター部
１４ 枝配管
１５ 粉体供給部
１６ 粉末投入管
１７ スプレーノズル
１８ 混合粉末及び作動ガス
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記ろう材の上に金属板を配置する工程と、
前記金属板、前記ろう材及び前記セラミックス基板を加熱することにより、前記セラミックス基板に前記金属板を接合する工程と、
を具備することを特徴とする金属セラミックス接合基板の製造方法。 Forming a brazing material on a ceramic substrate by a cold spray method;
Placing a metal plate on the brazing material;
Joining the metal plate to the ceramic substrate by heating the metal plate, the brazing material and the ceramic substrate;
A method for producing a metal ceramic bonded substrate, comprising:
前記セラミックス基板上にろう材によって接合された金属板と、
を具備し、
前記ろう材は、コールドスプレー法により形成されていることを特徴とする金属セラミックス接合基板。 A ceramic substrate;
A metal plate joined by brazing material on the ceramic substrate;
Comprising
The brazing material is formed by a cold spray method.
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