JP2022165045A - 銅/セラミックス接合体、および、絶縁回路基板 - Google Patents
銅/セラミックス接合体、および、絶縁回路基板 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2022165045A JP2022165045A JP2021070220A JP2021070220A JP2022165045A JP 2022165045 A JP2022165045 A JP 2022165045A JP 2021070220 A JP2021070220 A JP 2021070220A JP 2021070220 A JP2021070220 A JP 2021070220A JP 2022165045 A JP2022165045 A JP 2022165045A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- active metal
- copper
- ceramic
- thickness
- ceramic substrate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 title claims abstract description 169
- 239000010949 copper Substances 0.000 title claims abstract description 146
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 143
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 141
- 238000009413 insulation Methods 0.000 title description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 153
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 152
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 claims abstract description 52
- 150000002736 metal compounds Chemical class 0.000 claims abstract description 48
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 105
- 229910000881 Cu alloy Inorganic materials 0.000 claims description 22
- 229910017944 Ag—Cu Inorganic materials 0.000 claims description 21
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 20
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 20
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 5
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 238000005304 joining Methods 0.000 claims description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 abstract description 25
- 238000001816 cooling Methods 0.000 abstract description 23
- 239000000463 material Substances 0.000 description 38
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 24
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 10
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 9
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 description 7
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 7
- 238000005219 brazing Methods 0.000 description 6
- 229910000679 solder Inorganic materials 0.000 description 6
- 229910008484 TiSi Inorganic materials 0.000 description 4
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 4
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 4
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 3
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 3
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 3
- 238000002490 spark plasma sintering Methods 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000004453 electron probe microanalysis Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 2
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 2
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910017945 Cu—Ti Inorganic materials 0.000 description 1
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JAWMENYCRQKKJY-UHFFFAOYSA-N [3-(2,4,6,7-tetrahydrotriazolo[4,5-c]pyridin-5-ylmethyl)-1-oxa-2,8-diazaspiro[4.5]dec-2-en-8-yl]-[2-[[3-(trifluoromethoxy)phenyl]methylamino]pyrimidin-5-yl]methanone Chemical compound N1N=NC=2CN(CCC=21)CC1=NOC2(C1)CCN(CC2)C(=O)C=1C=NC(=NC=1)NCC1=CC(=CC=C1)OC(F)(F)F JAWMENYCRQKKJY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000012790 confirmation Methods 0.000 description 1
- 239000012809 cooling fluid Substances 0.000 description 1
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000002149 energy-dispersive X-ray emission spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- 150000004678 hydrides Chemical class 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 238000010030 laminating Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 238000004080 punching Methods 0.000 description 1
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
- H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
- H01L23/36—Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
- H01L23/373—Cooling facilitated by selection of materials for the device or materials for thermal expansion adaptation, e.g. carbon
- H01L23/3735—Laminates or multilayers, e.g. direct bond copper ceramic substrates
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B37/00—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating
- C04B37/02—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles
- C04B37/023—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles characterised by the interlayer used
- C04B37/026—Joining burned ceramic articles with other burned ceramic articles or other articles by heating with metallic articles characterised by the interlayer used consisting of metals or metal salts
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
- H01L23/12—Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates
- H01L23/13—Mountings, e.g. non-detachable insulating substrates characterised by the shape
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K1/00—Printed circuits
- H05K1/02—Details
- H05K1/0271—Arrangements for reducing stress or warp in rigid printed circuit boards, e.g. caused by loads, vibrations or differences in thermal expansion
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
- H05K3/38—Improvement of the adhesion between the insulating substrate and the metal
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
- H05K3/38—Improvement of the adhesion between the insulating substrate and the metal
- H05K3/388—Improvement of the adhesion between the insulating substrate and the metal by the use of a metallic or inorganic thin film adhesion layer
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/50—Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
- C04B2235/54—Particle size related information
- C04B2235/5409—Particle size related information expressed by specific surface values
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
- C04B2235/66—Specific sintering techniques, e.g. centrifugal sintering
- C04B2235/666—Applying a current during sintering, e.g. plasma sintering [SPS], electrical resistance heating or pulse electric current sintering [PECS]
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
- C04B2237/02—Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
- C04B2237/12—Metallic interlayers
- C04B2237/122—Metallic interlayers based on refractory metals
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
- C04B2237/02—Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
- C04B2237/12—Metallic interlayers
- C04B2237/124—Metallic interlayers based on copper
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
- C04B2237/02—Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
- C04B2237/12—Metallic interlayers
- C04B2237/125—Metallic interlayers based on noble metals, e.g. silver
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
- C04B2237/02—Aspects relating to interlayers, e.g. used to join ceramic articles with other articles by heating
- C04B2237/12—Metallic interlayers
- C04B2237/126—Metallic interlayers wherein the active component for bonding is not the largest fraction of the interlayer
- C04B2237/127—The active component for bonding being a refractory metal
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
- C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
- C04B2237/32—Ceramic
- C04B2237/36—Non-oxidic
- C04B2237/368—Silicon nitride
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
- C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
- C04B2237/40—Metallic
- C04B2237/407—Copper
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
- C04B2237/50—Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
- C04B2237/60—Forming at the joining interface or in the joining layer specific reaction phases or zones, e.g. diffusion of reactive species from the interlayer to the substrate or from a substrate to the joining interface, carbide forming at the joining interface
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
- H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
- H01L2224/29001—Core members of the layer connector
- H01L2224/29099—Material
- H01L2224/291—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/29101—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
- H01L2224/29109—Indium [In] as principal constituent
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
- H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
- H01L2224/29001—Core members of the layer connector
- H01L2224/29099—Material
- H01L2224/291—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/29101—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
- H01L2224/29111—Tin [Sn] as principal constituent
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
- H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
- H01L2224/29001—Core members of the layer connector
- H01L2224/29099—Material
- H01L2224/291—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/29138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
- H01L2224/29139—Silver [Ag] as principal constituent
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
- H01L2224/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
- H01L2224/29001—Core members of the layer connector
- H01L2224/29099—Material
- H01L2224/291—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
- H01L2224/29138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
- H01L2224/29147—Copper [Cu] as principal constituent
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
- H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
- H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
- H01L2224/321—Disposition
- H01L2224/32151—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
- H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
- H01L2224/32225—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
- H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
- H01L23/46—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids
- H01L23/473—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements involving the transfer of heat by flowing fluids by flowing liquids
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
- H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L24/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L24/28—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
- H01L24/29—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
- H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
- H01L24/26—Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
- H01L24/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
- H01L24/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/013—Alloys
- H01L2924/014—Solder alloys
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/10—Details of semiconductor or other solid state devices to be connected
- H01L2924/102—Material of the semiconductor or solid state bodies
- H01L2924/1025—Semiconducting materials
- H01L2924/10251—Elemental semiconductors, i.e. Group IV
- H01L2924/10253—Silicon [Si]
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K1/00—Printed circuits
- H05K1/02—Details
- H05K1/03—Use of materials for the substrate
- H05K1/0306—Inorganic insulating substrates, e.g. ceramic, glass
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K2201/00—Indexing scheme relating to printed circuits covered by H05K1/00
- H05K2201/06—Thermal details
- H05K2201/068—Thermal details wherein the coefficient of thermal expansion is important
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
- Structure Of Printed Boards (AREA)
Abstract
【課題】厳しい冷熱サイクルを負荷した場合であっても、セラミックス部材における割れの発生を抑制でき、冷熱サイクル信頼性に優れた銅/セラミックス接合体を提供する。【解決手段】セラミックス部材11の一方の面および他方の面にそれぞれ銅部材12,13が接合されており、銅部材12,13のうちセラミックス部材11側には、活性金属窒化物層21,31が形成されており、活性金属窒化物層21,31から銅部材12,13側へ10μmの領域E1,E2におけるSiと活性金属とを含む活性金属化合物の面積率A1,A2が10%以下とされており、一方の面側の前記活性金属化合物の面積率A1と、前記他方の面側の前記活性金属化合物の面積率A2との比A1/A2が、0.7以上1.4以下の範囲内とされている。【選択図】図2
Description
この発明は、銅又は銅合金からなる銅部材と、セラミックス部材とが接合されてなる銅/セラミックス接合体、および、セラミックス基板の表面に、銅又は銅合金からなる銅板が接合されてなる絶縁回路基板に関するものである。
パワーモジュール、LEDモジュールおよび熱電モジュールにおいては、絶縁層の一方の面に導電材料からなる回路層を形成した絶縁回路基板に、パワー半導体素子、LED素子および熱電素子が接合された構造とされている。
例えば、風力発電、電気自動車、ハイブリッド自動車等を制御するために用いられる大電力制御用のパワー半導体素子は、動作時の発熱量が多いことから、これを搭載する基板としては、セラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に導電性の優れた金属板を接合して形成した回路層と、セラミックス基板の他方の面に金属板を接合して形成した放熱用の金属層と、を備えた絶縁回路基板が、従来から広く用いられている。
例えば、風力発電、電気自動車、ハイブリッド自動車等を制御するために用いられる大電力制御用のパワー半導体素子は、動作時の発熱量が多いことから、これを搭載する基板としては、セラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に導電性の優れた金属板を接合して形成した回路層と、セラミックス基板の他方の面に金属板を接合して形成した放熱用の金属層と、を備えた絶縁回路基板が、従来から広く用いられている。
例えば、特許文献1には、セラミックス基板の一方の面および他方の面に、銅板を接合することにより回路層および金属層を形成した絶縁回路基板が提案されている。この特許文献1においては、セラミックス基板の一方の面および他方の面に、Ag-Cu-Ti系ろう材を介在させて銅板を配置し、加熱処理を行うことにより銅板が接合されている(いわゆる活性金属ろう付け法)。
また、特許文献2には、銅又は銅合金からなる銅板と、窒化ケイ素からなるセラミックス基板とが、AgおよびTiを含む接合材を用いて接合されたパワーモジュール用基板が提案されている。
前述のように、Tiを含む接合材を用いて銅板とセラミックス基板とを接合した場合には、活性金属であるTiがセラミックス基板と反応することにより、接合材の濡れ性が向上し、銅板とセラミックス基板との接合強度が向上することになる。
前述のように、Tiを含む接合材を用いて銅板とセラミックス基板とを接合した場合には、活性金属であるTiがセラミックス基板と反応することにより、接合材の濡れ性が向上し、銅板とセラミックス基板との接合強度が向上することになる。
ところで、最近では、絶縁回路基板に搭載される半導体素子の発熱温度が高くなる傾向にあり、絶縁回路基板には、従来にも増して、厳しい冷熱サイクルに耐えることができる冷熱サイクル信頼性が求められている。
ここで、前述のように、Tiを含む接合材を用いて銅板とセラミックス基板とを接合した場合には、銅板側に活性金属であるTiが拡散し、CuとTiを含む金属間化合物が析出することで、接合界面近傍が硬くなり、冷熱サイクル負荷時にセラミックス部材に割れが生じ、冷熱サイクル信頼性が低下するおそれがあった。
ここで、前述のように、Tiを含む接合材を用いて銅板とセラミックス基板とを接合した場合には、銅板側に活性金属であるTiが拡散し、CuとTiを含む金属間化合物が析出することで、接合界面近傍が硬くなり、冷熱サイクル負荷時にセラミックス部材に割れが生じ、冷熱サイクル信頼性が低下するおそれがあった。
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、厳しい冷熱サイクルを負荷した場合であっても、セラミックス部材における割れの発生を抑制でき、冷熱サイクル信頼性に優れた銅/セラミックス接合体、および、この銅/セラミックス接合体からなる絶縁回路基板を提供することを目的とする。
前述の課題を解決するために、本発明者らが鋭意検討した結果、セラミックス部材の一方の面と他方の面にそれぞれ接合される銅部材の形状、接合材の塗布状況、接合時の液相発生状況等によって、セラミックス部材の一方の面に接合された銅板との接合界面と、セラミックス部材の他方の面に接合された銅板との接合界面と、で構造が異なることが分かった。
そして、セラミックス部材の一方の面と他方の面にそれぞれ接合された銅部材との接合界面の硬さが異なる場合には、冷熱サイクル負荷時にセラミックス部材に加わる熱応力のバランスが崩れ、セラミックス部材に割れが生じやすくなるとの知見を得た。
そして、セラミックス部材の一方の面と他方の面にそれぞれ接合された銅部材との接合界面の硬さが異なる場合には、冷熱サイクル負荷時にセラミックス部材に加わる熱応力のバランスが崩れ、セラミックス部材に割れが生じやすくなるとの知見を得た。
本発明は、前述の知見を基にしてなされたものであって、本発明の銅/セラミックス接合体は、銅又は銅合金からなる銅部材と、窒化ケイ素からなるセラミックス部材とが接合されてなる銅/セラミックス接合体であって、前記セラミックス部材の一方の面および他方の面にそれぞれ前記銅部材が接合されており、前記銅部材のうち前記セラミックス部材側には、活性金属窒化物層が形成されており、前記活性金属窒化物層から前記銅部材側へ10μmの領域におけるSiと活性金属とを含む活性金属化合物の面積率が10%以下とされており、前記一方の面側に接合された前記銅部材における前記活性金属化合物の面積率A1と、前記他方の面側に接合された前記銅部材における前記活性金属化合物の面積率A2との比A1/A2が、0.7以上1.4以下の範囲内とされていることを特徴としている。
本発明の銅/セラミックス接合体によれば、前記セラミックス部材の一方の面および他方の面に接合された銅部材との接合界面において、前記活性金属窒化物層から前記銅部材側へ10μmの領域におけるSiと活性金属とを含む活性金属化合物の面積率が10%以下とされているので、セラミックス部材と銅部材との接合界面が必要以上に硬くなることが抑制される。
そして、前記一方の面側に接合された前記銅部材における前記活性金属化合物の面積率A1と、前記他方の面側に接合された前記銅部材における前記活性金属化合物の面積率A2との比A1/A2が0.7以上1.4以下の範囲内とされているので、セラミックス部材の一方の面と他方の面にそれぞれ接合された銅部材との接合界面の硬さに大きな差が生じず、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス部材の割れの発生を抑制でき、冷熱サイクル信頼性に優れている。
そして、前記一方の面側に接合された前記銅部材における前記活性金属化合物の面積率A1と、前記他方の面側に接合された前記銅部材における前記活性金属化合物の面積率A2との比A1/A2が0.7以上1.4以下の範囲内とされているので、セラミックス部材の一方の面と他方の面にそれぞれ接合された銅部材との接合界面の硬さに大きな差が生じず、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス部材の割れの発生を抑制でき、冷熱サイクル信頼性に優れている。
ここで、本発明の銅/セラミックス接合体においては、前記セラミックス部材の前記一方の面側に形成された前記活性金属窒化物層の厚さta1、および、前記セラミックス部材の前記他方の面側に形成された前記活性金属窒化物層の厚さta2が、0.05μm以上0.8μm以下の範囲内とされ、厚さ比ta1/ta2が0.7以上1.4以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、前記セラミックス部材の前記一方の面側に形成された前記活性金属窒化物層の厚さta1、および、前記セラミックス部材の前記他方の面側に形成された前記活性金属窒化物層の厚さta2が、0.05μm以上0.8μm以下の範囲内とされているので、活性金属によってセラミックス部材と銅部材とが確実に強固に接合されているとともに、接合界面が硬くなることがさらに抑制される。
そして、厚さ比ta1/ta2が0.7以上1.4以下の範囲内とされているので、セラミックス部材の一方の面と他方の面にそれぞれ接合された銅部材との接合界面の硬さに大きな差が生じず、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス部材の割れの発生をさらに抑制することができる。
この場合、前記セラミックス部材の前記一方の面側に形成された前記活性金属窒化物層の厚さta1、および、前記セラミックス部材の前記他方の面側に形成された前記活性金属窒化物層の厚さta2が、0.05μm以上0.8μm以下の範囲内とされているので、活性金属によってセラミックス部材と銅部材とが確実に強固に接合されているとともに、接合界面が硬くなることがさらに抑制される。
そして、厚さ比ta1/ta2が0.7以上1.4以下の範囲内とされているので、セラミックス部材の一方の面と他方の面にそれぞれ接合された銅部材との接合界面の硬さに大きな差が生じず、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス部材の割れの発生をさらに抑制することができる。
また、本発明の銅/セラミックス接合体においては、前記セラミックス部材と前記銅部材との接合界面において、前記銅部材側にはAg-Cu合金層が形成されており、前記セラミックス部材の前記一方の面側に形成された前記Ag-Cu合金層の厚さtb1と、前記セラミックス部材の前記他方の面側に形成された前記Ag-Cu合金層の厚さtb2との比tb1/tb2が、0.7以上1.4以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、前記セラミックス部材の前記一方の面側に形成された前記Ag-Cu合金層の厚さtb1と、前記セラミックス部材の前記他方の面側に形成された前記Ag-Cu合金層の厚さtb2との比tb1/tb2が、0.7以上1.4以下の範囲内とされているので、セラミックス部材の一方の面と他方の面にそれぞれ接合された銅部材との接合界面の硬さに大きな差が生じず、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス部材の割れの発生をさらに抑制することができる。
この場合、前記セラミックス部材の前記一方の面側に形成された前記Ag-Cu合金層の厚さtb1と、前記セラミックス部材の前記他方の面側に形成された前記Ag-Cu合金層の厚さtb2との比tb1/tb2が、0.7以上1.4以下の範囲内とされているので、セラミックス部材の一方の面と他方の面にそれぞれ接合された銅部材との接合界面の硬さに大きな差が生じず、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス部材の割れの発生をさらに抑制することができる。
本発明の絶縁回路基板は、セラミックス基板の表面に、銅又は銅合金からなる銅板が接合されてなる絶縁回路基板であって、前記セラミックス基板の一方の面および他方の面にそれぞれ前記銅板が接合されており、前記銅板のうち前記セラミックス基板側には、活性金属窒化物層が形成されており、前記活性金属窒化物層から前記銅板側へ10μmの領域におけるSiと活性金属とを含む活性金属化合物の面積率が10%以下とされており、前記一方の面側に接合された前記銅板における前記活性金属化合物の面積率A1と、前記他方の面側に接合された前記銅板における前記活性金属化合物の面積率A2との比A1/A2が0.7以上1.4以下の範囲内とされていることを特徴としている。
本発明の絶縁回路基板によれば、前記セラミックス基板の一方の面および他方の面に接合された銅板との接合界面において、前記活性金属窒化物層から前記銅板側へ10μmの領域におけるSiと活性金属とを含む活性金属化合物の面積率が10%以下とされているので、セラミックス基板と銅板との接合界面が必要以上に硬くなることが抑制される。
そして、前記一方の面側に接合された前記銅板における前記活性金属化合物の面積率A1と、前記他方の面側に接合された前記銅板における前記活性金属化合物の面積率A2との比A1/A2が、0.7以上1.4以下の範囲内とされているので、セラミックス基板の一方の面と他方の面にそれぞれ接合された銅板との接合界面の硬さに大きな差が生じず、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板の割れの発生を抑制でき、冷熱サイクル信頼性に優れている。
そして、前記一方の面側に接合された前記銅板における前記活性金属化合物の面積率A1と、前記他方の面側に接合された前記銅板における前記活性金属化合物の面積率A2との比A1/A2が、0.7以上1.4以下の範囲内とされているので、セラミックス基板の一方の面と他方の面にそれぞれ接合された銅板との接合界面の硬さに大きな差が生じず、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板の割れの発生を抑制でき、冷熱サイクル信頼性に優れている。
ここで、本発明の絶縁回路基板においては、前記セラミックス基板の前記一方の面側に形成された活性金属窒化物層の厚さta1、および、前記セラミックス基板の前記他方の面側に形成された活性金属窒化物層の厚さta2が、0.05μm以上0.8μm以下の範囲内とされ、厚さ比ta1/ta2が0.7以上1.4以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、前記セラミックス基板の前記一方の面側に形成された前記活性金属窒化物層の厚さta1、および、前記セラミックス基板の前記他方の面側に形成された前記活性金属窒化物層の厚さta2が、0.05μm以上0.8μm以下の範囲内とされているので、活性金属によってセラミックス基板と銅板とが確実に強固に接合されているとともに、接合界面が硬くなることがさらに抑制される。
そして、厚さ比ta1/ta2が0.7以上1.4以下の範囲内とされているので、セラミックス基板の一方の面と他方の面にそれぞれ接合された銅板との接合界面の硬さに大きな差が生じず、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板の割れの発生をさらに抑制することができる。
この場合、前記セラミックス基板の前記一方の面側に形成された前記活性金属窒化物層の厚さta1、および、前記セラミックス基板の前記他方の面側に形成された前記活性金属窒化物層の厚さta2が、0.05μm以上0.8μm以下の範囲内とされているので、活性金属によってセラミックス基板と銅板とが確実に強固に接合されているとともに、接合界面が硬くなることがさらに抑制される。
そして、厚さ比ta1/ta2が0.7以上1.4以下の範囲内とされているので、セラミックス基板の一方の面と他方の面にそれぞれ接合された銅板との接合界面の硬さに大きな差が生じず、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板の割れの発生をさらに抑制することができる。
また、本発明の絶縁回路基板においては、前記セラミックス基板と前記銅板との接合界面において、前記銅板側にはAg-Cu合金層が形成されており、前記セラミックス部材の前記一方の面側に形成された前記Ag-Cu合金層の厚さtb1と、前記セラミックス部材の前記他方の面側に形成された前記Ag-Cu合金層の厚さtb2との比tb1/tb2が0.7以上1.4以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、前記セラミックス基板の前記一方の面側に形成された前記Ag-Cu合金層の厚さtb1と、前記セラミックス基板の前記他方の面側に形成された前記Ag-Cu合金層の厚さtb2との比tb1/tb2が0.7以上1.4以下の範囲内とされているので、セラミックス基板の一方の面と他方の面にそれぞれ接合された銅板との接合界面の硬さに大きな差が生じず、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板の割れの発生をさらに抑制することができる。
この場合、前記セラミックス基板の前記一方の面側に形成された前記Ag-Cu合金層の厚さtb1と、前記セラミックス基板の前記他方の面側に形成された前記Ag-Cu合金層の厚さtb2との比tb1/tb2が0.7以上1.4以下の範囲内とされているので、セラミックス基板の一方の面と他方の面にそれぞれ接合された銅板との接合界面の硬さに大きな差が生じず、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板の割れの発生をさらに抑制することができる。
本発明によれば、厳しい冷熱サイクルを負荷した場合であっても、セラミックス部材における割れの発生を抑制でき、冷熱サイクル信頼性に優れた銅/セラミックス接合体、および、この銅/セラミックス接合体からなる絶縁回路基板を提供することができる。
以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。
本実施形態に係る銅/セラミックス接合体は、セラミックスからなるセラミックス部材としてのセラミックス基板11と、銅又は銅合金からなる銅部材としての銅板42(回路層12)および銅板43(金属層13)とが接合されてなる絶縁回路基板10である。図1に、本実施形態である絶縁回路基板10を備えたパワーモジュール1を示す。
本実施形態に係る銅/セラミックス接合体は、セラミックスからなるセラミックス部材としてのセラミックス基板11と、銅又は銅合金からなる銅部材としての銅板42(回路層12)および銅板43(金属層13)とが接合されてなる絶縁回路基板10である。図1に、本実施形態である絶縁回路基板10を備えたパワーモジュール1を示す。
このパワーモジュール1は、回路層12および金属層13が配設された絶縁回路基板10と、回路層12の一方の面(図1において上面)に接合層2を介して接合された半導体素子3と、金属層13の他方側(図1において下側)に配置されたヒートシンク5と、を備えている。
半導体素子3は、Si等の半導体材料で構成されている。この半導体素子3と回路層12は、接合層2を介して接合されている。
接合層2は、例えばSn-Ag系、Sn-In系、若しくはSn-Ag-Cu系のはんだ材で構成されている。
接合層2は、例えばSn-Ag系、Sn-In系、若しくはSn-Ag-Cu系のはんだ材で構成されている。
ヒートシンク5は、前述の絶縁回路基板10からの熱を放散するためのものである。このヒートシンク5は、銅又は銅合金で構成されており、本実施形態ではりん脱酸銅で構成されている。このヒートシンク5には、冷却用の流体が流れるための流路が設けられている。
なお、本実施形態においては、ヒートシンク5と金属層13とが、はんだ材からなるはんだ層7によって接合されている。このはんだ層7は、例えばSn-Ag系、Sn-In系、若しくはSn-Ag-Cu系のはんだ材で構成されている。
なお、本実施形態においては、ヒートシンク5と金属層13とが、はんだ材からなるはんだ層7によって接合されている。このはんだ層7は、例えばSn-Ag系、Sn-In系、若しくはSn-Ag-Cu系のはんだ材で構成されている。
そして、本実施形態である絶縁回路基板10は、図1に示すように、セラミックス基板11と、このセラミックス基板11の一方の面(図1において上面)に配設された回路層12と、セラミックス基板11の他方の面(図1において下面)に配設された金属層13と、を備えている。
セラミックス基板11は、絶縁性および放熱性に優れた窒化ケイ素(Si3N4)で構成されている。セラミックス基板11の厚さは、例えば、0.2mm以上1.5mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、0.32mmに設定されている。
回路層12は、図4に示すように、セラミックス基板11の一方の面(図4において上面)に、銅又は銅合金からなる銅板42が接合されることにより形成されている。
本実施形態においては、回路層12は、無酸素銅の圧延板を打ち抜いたものが回路パターン状に配置された状態でセラミックス基板11に接合されることで形成されている。
なお、回路層12となる銅板42の厚さは0.1mm以上2.0mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、0.6mmに設定されている。
本実施形態においては、回路層12は、無酸素銅の圧延板を打ち抜いたものが回路パターン状に配置された状態でセラミックス基板11に接合されることで形成されている。
なお、回路層12となる銅板42の厚さは0.1mm以上2.0mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、0.6mmに設定されている。
金属層13は、図4に示すように、セラミックス基板11の他方の面(図4において下面)に、銅又は銅合金からなる銅板43が接合されることにより形成されている。
本実施形態においては、金属層13は、無酸素銅の圧延板がセラミックス基板11に接合されることで形成されている。
なお、金属層13となる銅板43の厚さは0.1mm以上2.0mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、0.6mmに設定されている。
本実施形態においては、金属層13は、無酸素銅の圧延板がセラミックス基板11に接合されることで形成されている。
なお、金属層13となる銅板43の厚さは0.1mm以上2.0mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、0.6mmに設定されている。
セラミックス基板11と回路層12との接合界面においては、図2(a)に示すように、セラミックス基板11側から順に、活性金属窒化物層21、Ag-Cu合金層22が形成されている。
また、活性金属窒化物層21の回路層12側の界面(Ag-Cu合金層22との界面)から回路層12側へ10μmの領域E1におけるSiと活性金属(本実施形態ではTi)とを含む活性金属化合物の面積率A1が10%以下とされている。Siと活性金属(Ti)とを含む金属間化合物としては、例えば、TiSi2,TiSi,Ti5Si4,Ti5Si3,Ti5Siが挙げられ、本実施形態では、Ti5Si3とされている。
また、活性金属窒化物層21の回路層12側の界面(Ag-Cu合金層22との界面)から回路層12側へ10μmの領域E1におけるSiと活性金属(本実施形態ではTi)とを含む活性金属化合物の面積率A1が10%以下とされている。Siと活性金属(Ti)とを含む金属間化合物としては、例えば、TiSi2,TiSi,Ti5Si4,Ti5Si3,Ti5Siが挙げられ、本実施形態では、Ti5Si3とされている。
セラミックス基板11と金属層13との接合界面においては、図2(b)に示すように、セラミックス基板11側から順に、活性金属窒化物層31、Ag-Cu合金層32が形成されている。
また、活性金属窒化物層31の金属層13側の界面(Ag-Cu合金層32との界面)から金属層13側へ10μmの領域E2におけるSiと活性金属(本実施形態ではTi)とを含む活性金属化合物の面積率A2が10%以下とされている。Siと活性金属(Ti)とを含む金属間化合物としては、例えば、TiSi2,TiSi,Ti5Si4,Ti5Si3,Ti5Siが挙げられ、本実施形態では、Ti5Si3とされている。
また、活性金属窒化物層31の金属層13側の界面(Ag-Cu合金層32との界面)から金属層13側へ10μmの領域E2におけるSiと活性金属(本実施形態ではTi)とを含む活性金属化合物の面積率A2が10%以下とされている。Siと活性金属(Ti)とを含む金属間化合物としては、例えば、TiSi2,TiSi,Ti5Si4,Ti5Si3,Ti5Siが挙げられ、本実施形態では、Ti5Si3とされている。
そして、本実施形態においては、セラミックス基板11の一方の面に形成された回路層12における活性金属化合物の面積率A1と、セラミックス基板11の他方の面に形成された金属層13における活性金属化合物の面積率A2との比A1/A2が、0.7以上1.4以下の範囲内とされている。
また、本実施形態においては、セラミックス基板11の一方の面側に形成された活性金属窒化物層21の厚さta1、および、セラミックス基板11の他方の面側に形成された活性金属窒化物層31の厚さta2が、0.05μm以上0.8μm以下の範囲内とされ、これらの厚さ比ta1/ta2が0.7以上1.4以下の範囲内とされていることが好ましい。
なお、本実施形態では、接合材45が活性金属としてTiを含有し、セラミックス基板11が窒化アルミニウムで構成されているため、活性金属窒化物層21,31は、窒化チタン(TiN)で構成される。
なお、本実施形態では、接合材45が活性金属としてTiを含有し、セラミックス基板11が窒化アルミニウムで構成されているため、活性金属窒化物層21,31は、窒化チタン(TiN)で構成される。
さらに、本実施形態においては、セラミックス基板11の一方の面側に形成されたAg-Cu合金層22の厚さtb1と、セラミックス基板11の他方の面側に形成されたAg-Cu合金層32の厚さtb2との比tb1/tb2が0.7以上1.4以下の範囲内とされていることが好ましい。
また、Ag-Cu合金層22(Ag-Cu合金層32)の厚さは、1μm以上30μm以下とすることが好ましい。
また、Ag-Cu合金層22(Ag-Cu合金層32)の厚さは、1μm以上30μm以下とすることが好ましい。
以下に、本実施形態に係る絶縁回路基板10の製造方法について、図3および図4を参照して説明する。
(接合材配設工程S01)
回路層12となる銅板42と、金属層13となる銅板43とを準備する。ここで、回路層12となる銅板42は、回路パターン状に配設されたプレス片とされている。
そして、回路層12となる銅板42および金属層13となる銅板43の接合面に、接合材45を塗布し、乾燥させる。ペースト状の接合材45の塗布厚さは、乾燥後で10μm以上50μm以下の範囲内とすることが好ましい。
本実施形態では、スクリーン印刷によってペースト状の接合材45を塗布する。
回路層12となる銅板42と、金属層13となる銅板43とを準備する。ここで、回路層12となる銅板42は、回路パターン状に配設されたプレス片とされている。
そして、回路層12となる銅板42および金属層13となる銅板43の接合面に、接合材45を塗布し、乾燥させる。ペースト状の接合材45の塗布厚さは、乾燥後で10μm以上50μm以下の範囲内とすることが好ましい。
本実施形態では、スクリーン印刷によってペースト状の接合材45を塗布する。
接合材45は、Agと活性金属(Ti,Zr,Nb,Hf)を含有するものとされている。本実施形態では、接合材45として、Ag-Ti系ろう材(Ag-Cu-Ti系ろう材)を用いている。なお、Ag-Ti系ろう材(Ag-Cu-Ti系ろう材)としては、例えば、Cuを0mass%以上32mass%以下の範囲内、活性金属であるTiを0.5mass%以上20mass%以下の範囲で含み、残部がAgおよび不可避不純物とされた組成のものを用いることが好ましい。
ここで、ペースト状の接合材45に含まれるAg粉の比表面積(BET値)を調整することにより、前述の活性金属窒化物層21,31の回路層12側および金属層13側の界面から回路層12側および金属層側13へ10μmの領域E1,E2におけるSiと活性金属とを含む活性金属化合物の面積率A1,A2を制御する。
すなわち、Ag粉の比表面積が小さいとペースト状の接合材45の焼結性が高くなり、後述する加熱工程S03において液相が発生し易くなり、活性金属の拡散が促進され、前述の活性金属化合物の面積率が高くなる。一方、Ag粉の比表面積が大きいとペースト状の接合材45の焼結性が低くなり、後述する加熱工程S03において液相が発生し難くなり、活性金属の拡散が抑制され、前述の活性金属化合物の面積率が低くなる。
Ag粉の比表面積は、0.15m2/g以上とすることが好ましく、0.25m2/g以上とすることがさらに好ましく、0.40m2/g以上とすることがより好ましい。一方、Ag粉の比表面積は、1.40m2/g以下とすることが好ましく、1.00m2/g以下とすることがさらに好ましく、0.75m2/g以下とすることがより好ましい。
なお、ペースト状の接合材45に含まれるAg粉の粒径は、D10が0.7μm以上3.5μm以下かつD100が4.5μm以上23μm以下の範囲内とすることが好ましい。
すなわち、Ag粉の比表面積が小さいとペースト状の接合材45の焼結性が高くなり、後述する加熱工程S03において液相が発生し易くなり、活性金属の拡散が促進され、前述の活性金属化合物の面積率が高くなる。一方、Ag粉の比表面積が大きいとペースト状の接合材45の焼結性が低くなり、後述する加熱工程S03において液相が発生し難くなり、活性金属の拡散が抑制され、前述の活性金属化合物の面積率が低くなる。
Ag粉の比表面積は、0.15m2/g以上とすることが好ましく、0.25m2/g以上とすることがさらに好ましく、0.40m2/g以上とすることがより好ましい。一方、Ag粉の比表面積は、1.40m2/g以下とすることが好ましく、1.00m2/g以下とすることがさらに好ましく、0.75m2/g以下とすることがより好ましい。
なお、ペースト状の接合材45に含まれるAg粉の粒径は、D10が0.7μm以上3.5μm以下かつD100が4.5μm以上23μm以下の範囲内とすることが好ましい。
(積層工程S02)
次に、セラミックス基板11の一方の面(図4において上面)に、接合材45を介して回路層12となる銅板42を積層するとともに、セラミックス基板11の他方の面(図4において下面)に、接合材45を介して金属層13となる銅板43を積層する。
次に、セラミックス基板11の一方の面(図4において上面)に、接合材45を介して回路層12となる銅板42を積層するとともに、セラミックス基板11の他方の面(図4において下面)に、接合材45を介して金属層13となる銅板43を積層する。
(加熱工程S03)
次に、銅板42とセラミックス基板11と銅板43とを加圧した状態で、真空雰囲気の加熱炉内で加熱し、接合材45を溶融する。
ここで、加熱工程S03における加熱温度は、800℃以上850℃以下の範囲内とすることが好ましい。また、780℃から加熱温度までの昇温工程および加熱温度での保持工程における温度積分値の合計が7℃・h以上120℃・h以下の範囲内とすることが好ましい。
また、加熱工程S03における加圧荷重は、0.029MPa以上2.94MPa以下の範囲内とすることが好ましい。
さらに、加熱工程S03における真空度は、1×10-6Pa以上5×10-2Pa以下の範囲内とすることが好ましい。
次に、銅板42とセラミックス基板11と銅板43とを加圧した状態で、真空雰囲気の加熱炉内で加熱し、接合材45を溶融する。
ここで、加熱工程S03における加熱温度は、800℃以上850℃以下の範囲内とすることが好ましい。また、780℃から加熱温度までの昇温工程および加熱温度での保持工程における温度積分値の合計が7℃・h以上120℃・h以下の範囲内とすることが好ましい。
また、加熱工程S03における加圧荷重は、0.029MPa以上2.94MPa以下の範囲内とすることが好ましい。
さらに、加熱工程S03における真空度は、1×10-6Pa以上5×10-2Pa以下の範囲内とすることが好ましい。
(冷却工程S04)
そして、加熱工程S03の後、冷却を行うことにより、溶融した接合材45を凝固させて、回路層12となる銅板42とセラミックス基板11、セラミックス基板11と金属層13となる銅板43とを接合する。
なお、この冷却工程S04における冷却速度は、2℃/min以上20℃/min以下の範囲内とすることが好ましい。なお、ここでの冷却速度は加熱温度からAg-Cu共晶温度である780℃までの冷却速度である。
そして、加熱工程S03の後、冷却を行うことにより、溶融した接合材45を凝固させて、回路層12となる銅板42とセラミックス基板11、セラミックス基板11と金属層13となる銅板43とを接合する。
なお、この冷却工程S04における冷却速度は、2℃/min以上20℃/min以下の範囲内とすることが好ましい。なお、ここでの冷却速度は加熱温度からAg-Cu共晶温度である780℃までの冷却速度である。
ここで、回路層12(銅板42)側と金属層13(銅板43)側とで、冷却速度を調整することにより、前述の活性金属窒化物層21,31の回路層12側および金属層13側の界面から回路層12側および金属層13側へ10μmの領域E1,E2におけるSiと活性金属とを含む活性金属化合物の面積率A1,A2を制御する。
すなわち、冷却速度が速い場合には、活性金属の拡散が早期に停止し、前述の活性金属化合物の面積率が低くなる。一方、冷却速度が遅い場合には、活性金属の拡散が長期に継続し、前述の活性金属化合物の面積率が高くなる。
すなわち、冷却速度が速い場合には、活性金属の拡散が早期に停止し、前述の活性金属化合物の面積率が低くなる。一方、冷却速度が遅い場合には、活性金属の拡散が長期に継続し、前述の活性金属化合物の面積率が高くなる。
なお、冷却工程S04において、回路層12(銅板42)側と金属層13(銅板43)側のいずれか一方に、不活性ガスを流すことにより、回路層12(銅板42)側と金属層13(銅板43)側とで冷却速度を調整することが可能となる。
また、加熱工程S03および冷却工程S04において、SPS(放電プラズマ焼結)法を適用した場合には、回路層12(銅板42)側の電極と、金属層13(銅板43)側の電極とで、冷却水の流量を調整することにより、回路層12(銅板42)側と金属層13(銅板43)側とで冷却速度を調整することが可能となる。
また、加熱工程S03および冷却工程S04において、SPS(放電プラズマ焼結)法を適用した場合には、回路層12(銅板42)側の電極と、金属層13(銅板43)側の電極とで、冷却水の流量を調整することにより、回路層12(銅板42)側と金属層13(銅板43)側とで冷却速度を調整することが可能となる。
以上のように、接合材配設工程S01、積層工程S02、加熱工程S03、冷却工程S04によって、本実施形態である絶縁回路基板10が製造されることになる。
(ヒートシンク接合工程S05)
次に、絶縁回路基板10の金属層13の他方の面側にヒートシンク5を接合する。
絶縁回路基板10とヒートシンク5とを、はんだ材を介して積層して加熱炉に装入し、はんだ層7を介して絶縁回路基板10とヒートシンク5とをはんだ接合する。
次に、絶縁回路基板10の金属層13の他方の面側にヒートシンク5を接合する。
絶縁回路基板10とヒートシンク5とを、はんだ材を介して積層して加熱炉に装入し、はんだ層7を介して絶縁回路基板10とヒートシンク5とをはんだ接合する。
(半導体素子接合工程S06)
次に、絶縁回路基板10の回路層12の一方の面に、半導体素子3をはんだ付けにより接合する。
前述の工程により、図1に示すパワーモジュール1が製出される。
次に、絶縁回路基板10の回路層12の一方の面に、半導体素子3をはんだ付けにより接合する。
前述の工程により、図1に示すパワーモジュール1が製出される。
以上のような構成とされた本実施形態の絶縁回路基板10(銅/セラミックス接合体)によれば、セラミックス基板11の一方の面に形成された回路層12および他方の面に形成された金属層13との接合界面において、活性金属窒化物層21,31の回路層12側および金属層13側の界面から回路層12側および金属層13側へ10μmの領域E1,E2におけるSiと活性金属とを含む活性金属化合物の面積率A1,A2が10%以下とされているので、セラミックス基板と回路層12および金属層13との接合界面が必要以上に硬くなることが抑制される。
なお、セラミックス基板11と回路層12および金属層13との接合界面が必要以上に硬くなることをさらに抑制するためには、上述の活性金属化合物の面積率A1,A2を8%以下とすることが好ましく、5%以下とすることがより好ましい。
なお、セラミックス基板11と回路層12および金属層13との接合界面が必要以上に硬くなることをさらに抑制するためには、上述の活性金属化合物の面積率A1,A2を8%以下とすることが好ましく、5%以下とすることがより好ましい。
そして、セラミックス基板11の一方の面側に形成された回路層12における活性金属化合物の面積率A1と、セラミックス基板11の他方の面側に接合された金属層13における活性金属化合物の面積率A2との比A1/A2が、0.7以上1.4以下の範囲内とされているので、セラミックス基板の一方の面に形成された回路層12と他方の面に形成された金属層13との接合界面の硬さに大きな差が生じず、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板11の割れの発生を抑制でき、冷熱サイクル信頼性を向上させることができる。
なお、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板11の割れの発生をさらに抑制するためには、セラミックス基板11の一方の面側に形成された回路層12における活性金属化合物の面積率A1と、セラミックス基板11の他方の面側に接合された金属層13における活性金属化合物の面積率A2との比A1/A2を、0.8以上1.2以下の範囲内とすることがさらに好ましく、0.9以上1.1以下の範囲内とすることがより好ましい。
また、本実施形態において、セラミックス基板11の一方の面に形成された回路層12側に形成された活性金属窒化物層21の厚さta1、および、セラミックス基板11の他方の面に形成された金属層13側に形成された活性金属窒化物層31の厚さta2が、0.05μm以上とされている場合には、接合材45の活性金属がセラミックス基板11と十分に反応しており、セラミックス基板11と回路層12および金属層13とがさらに強固に接合されていることになる。
一方、活性金属窒化物層21の厚さta1および活性金属窒化物層31の厚さta2が0.8μm以下とされている場合には、接合界面が必要以上に硬くなることを抑制でき、冷熱サイクル信頼性をさらに向上させることができる。
一方、活性金属窒化物層21の厚さta1および活性金属窒化物層31の厚さta2が0.8μm以下とされている場合には、接合界面が必要以上に硬くなることを抑制でき、冷熱サイクル信頼性をさらに向上させることができる。
なお、セラミックス基板11と回路層12および金属層13とをさらに強固に接合するためには、活性金属窒化物層21の厚さta1および活性金属窒化物層31の厚さta2を0.08μm以上とすることが好ましく、0.15μm以上とすることがより好ましい。
また、接合界面が必要以上に硬くなることをさらに抑制するためには、活性金属窒化物層21の厚さta1および活性金属窒化物層31の厚さta2を0.6μm以下とすることが好ましく、0.4μm以下とすることがより好ましい。
また、接合界面が必要以上に硬くなることをさらに抑制するためには、活性金属窒化物層21の厚さta1および活性金属窒化物層31の厚さta2を0.6μm以下とすることが好ましく、0.4μm以下とすることがより好ましい。
さらに、本実施形態において、活性金属窒化物層21の厚さta1および活性金属窒化物層31の厚さta2の厚さ比ta1/ta2が0.7以上1.4以下の範囲内とされている場合には、セラミックス基板11の一方の面に形成された回路層12とセラミックス基板11の他方の面に形成された金属層13との接合界面の硬さに大きな差が生じず、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板11の割れの発生をさらに抑制することができる。
なお、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板11の割れの発生をさらに抑制するためには、活性金属窒化物層21の厚さta1および活性金属窒化物層31の厚さta2の厚さ比ta1/ta2を0.8以上1.2以下の範囲内とすることがさらに好ましく、0.9以上1.1以下の範囲内とすることがより好ましい。
なお、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板11の割れの発生をさらに抑制するためには、活性金属窒化物層21の厚さta1および活性金属窒化物層31の厚さta2の厚さ比ta1/ta2を0.8以上1.2以下の範囲内とすることがさらに好ましく、0.9以上1.1以下の範囲内とすることがより好ましい。
また、本実施形態において、セラミックス基板11の一方の面側に形成されたAg-Cu合金層22の厚さtb1と、セラミックス基板11の他方の面側に形成されたAg-Cu合金層32の厚さtb2との比tb1/tb2が0.7以上1.4以下の範囲内とされている場合には、セラミックス基板11の一方の面に形成された回路層12とセラミックス基板11の他方の面に形成された金属層13との接合界面の硬さに大きな差が生じず、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板11の割れの発生をさらに抑制することができる。
なお、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板11の割れの発生をさらに抑制するためには、Ag-Cu合金層22の厚さtb1とAg-Cu合金層32の厚さtb2との厚さ比tb1/tb2を0.8以上1.2以下の範囲内とすることがさらに好ましく、0.9以上1.1以下の範囲内とすることがより好ましい。
なお、冷熱サイクル負荷時におけるセラミックス基板11の割れの発生をさらに抑制するためには、Ag-Cu合金層22の厚さtb1とAg-Cu合金層32の厚さtb2との厚さ比tb1/tb2を0.8以上1.2以下の範囲内とすることがさらに好ましく、0.9以上1.1以下の範囲内とすることがより好ましい。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施形態では、絶縁回路基板に半導体素子を搭載してパワーモジュールを構成するものとして説明したが、これに限定されることはない。例えば、絶縁回路基板の回路層にLED素子を搭載してLEDモジュールを構成してもよいし、絶縁回路基板の回路層に熱電素子を搭載して熱電モジュールを構成してもよい。
例えば、本実施形態では、絶縁回路基板に半導体素子を搭載してパワーモジュールを構成するものとして説明したが、これに限定されることはない。例えば、絶縁回路基板の回路層にLED素子を搭載してLEDモジュールを構成してもよいし、絶縁回路基板の回路層に熱電素子を搭載して熱電モジュールを構成してもよい。
さらに、本実施形態では、接合材に含まれる活性金属としてTiを例に挙げて説明したが、これに限定されることはなく、Ti,Zr,Hf,Nbから選択される1種又は2種以上の活性金属を含んでいればよい。なお、これらの活性金属は、水素化物として含まれていてもよい。
以下に、本発明の効果を確認すべく行った確認実験の結果について説明する。
まず、窒化ケイ素(Si3N4)からなるセラミックス基板(40mm×40mm、厚さ0.32mm)を準備した。
また、回路層となる銅板として、無酸素銅からなり、37mm×18mm、厚さ0.8mmの銅片を2つ準備した。さらに、金属層となる銅板として、無酸素銅からなり、37mm×37mm、厚さ0.8mmの銅板を準備した。
また、回路層となる銅板として、無酸素銅からなり、37mm×18mm、厚さ0.8mmの銅片を2つ準備した。さらに、金属層となる銅板として、無酸素銅からなり、37mm×37mm、厚さ0.8mmの銅板を準備した。
回路層となる銅板に、表1に示すBET値のAg粉を含む接合材を、乾燥後の目標厚さが30μmとなるように塗布した。
金属層となる銅板に、表1に示すBET値のAg粉を含む接合材を、乾燥後の目標厚さが30μmとなるように塗布した。
なお、接合材はペースト材を用い、Ag,Cu,活性金属の量は表1の通りとした。
また、Ag粉のBET値(比表面積)はQUANTACHRROME社製AUTOSORB-1を用い、前処理として150℃で30分加熱の真空脱気を行い、N2吸着、液体窒素77K、BET多点法で測定した。
金属層となる銅板に、表1に示すBET値のAg粉を含む接合材を、乾燥後の目標厚さが30μmとなるように塗布した。
なお、接合材はペースト材を用い、Ag,Cu,活性金属の量は表1の通りとした。
また、Ag粉のBET値(比表面積)はQUANTACHRROME社製AUTOSORB-1を用い、前処理として150℃で30分加熱の真空脱気を行い、N2吸着、液体窒素77K、BET多点法で測定した。
セラミックス基板の一方の面に、回路層となる銅板を積層した。このとき、2つの銅片を、間隔1mmを開けて配置した。
また、セラミックス基板の他方の面に、金属層となる銅板を積層した。
また、セラミックス基板の他方の面に、金属層となる銅板を積層した。
この積層体を、積層方向に加圧した状態で加熱し、接合材を溶融した。このとき、加圧荷重を0.245MPaとし、 温度積分値は表1の通りとした。
そして、加熱した積層体を冷却することにより、回路層となる銅板とセラミックス基板と金属層となる金属板を接合し、絶縁回路基板(銅/セラミックス接合体)を得た。
なお、実施例では、SPS(放電プラズマ焼結)法により接合を行い、回路層側の電極と、金属層側の電極とで、冷却水の流量を調整することにより、表1に示す冷却速度となるよう調整した。
そして、加熱した積層体を冷却することにより、回路層となる銅板とセラミックス基板と金属層となる金属板を接合し、絶縁回路基板(銅/セラミックス接合体)を得た。
なお、実施例では、SPS(放電プラズマ焼結)法により接合を行い、回路層側の電極と、金属層側の電極とで、冷却水の流量を調整することにより、表1に示す冷却速度となるよう調整した。
得られた絶縁回路基板(銅/セラミックス接合体)について、活性金属化合物の面積率、活性金属窒化物層、Ag-Cu合金層、冷熱サイクル信頼性を、以下のようにして評価した。
(活性金属化合物の面積率)
回路層とセラミックス基板との接合界面、および、セラミックス基板と金属層との接合界面の断面を、EPMA装置によって観察し、回路層および金属層中の活性金属およびSiに関して元素マップ(幅50μm×高さ30μm)を、各5視野ずつ取得した。
そして、図5に示すように、活性金属窒化物層から回路層(金属層)表面に向かって10μmまでの領域において、Siと活性金属とが重なる部分をSiと活性金属とを含む活性金属化合物と認定し、活性金属化合物の面積率を算出した。面積率は、50μm×10μmの面積を100%とした時の値である。なお、それぞれ5視野の平均値を表2に記載した。
回路層とセラミックス基板との接合界面、および、セラミックス基板と金属層との接合界面の断面を、EPMA装置によって観察し、回路層および金属層中の活性金属およびSiに関して元素マップ(幅50μm×高さ30μm)を、各5視野ずつ取得した。
そして、図5に示すように、活性金属窒化物層から回路層(金属層)表面に向かって10μmまでの領域において、Siと活性金属とが重なる部分をSiと活性金属とを含む活性金属化合物と認定し、活性金属化合物の面積率を算出した。面積率は、50μm×10μmの面積を100%とした時の値である。なお、それぞれ5視野の平均値を表2に記載した。
(活性金属窒化物層)
回路層とセラミックス基板との接合界面、および、セラミックス基板と金属層との接合界面の断面を、走査型電子顕微鏡(カールツァイスNTS社製ULTRA55、加速電圧1.8kV)を用いて倍率30000倍で測定し、エネルギー分散型X線分析法により、N、O及び活性金属元素の元素マッピングを取得した。活性金属元素とNまたはOが同一領域に存在する場合に活性金属窒化物層が有ると判断した。
それぞれ5視野で観察を行い、活性金属元素とNまたはOが同一領域に存在する範囲の面積を測定した幅で割ったものの平均値を「活性金属窒化物層の厚さ」とした。
回路層とセラミックス基板との接合界面、および、セラミックス基板と金属層との接合界面の断面を、走査型電子顕微鏡(カールツァイスNTS社製ULTRA55、加速電圧1.8kV)を用いて倍率30000倍で測定し、エネルギー分散型X線分析法により、N、O及び活性金属元素の元素マッピングを取得した。活性金属元素とNまたはOが同一領域に存在する場合に活性金属窒化物層が有ると判断した。
それぞれ5視野で観察を行い、活性金属元素とNまたはOが同一領域に存在する範囲の面積を測定した幅で割ったものの平均値を「活性金属窒化物層の厚さ」とした。
(Ag-Cu合金層)
回路層とセラミックス基板との接合界面、および、セラミックス基板と金属層との接合界面の断面を、EPMA装置を用いて、それぞれ5視野でライン分析を行った。
そして、Ag+Cu+活性金属=100質量%としたとき、Ag濃度が15質量%以上である領域をAg-Cu合金層とし、その厚さを測定した。それぞれ5視野での測定値の平均をAg-Cu合金層の厚さとして表2に記載した。
回路層とセラミックス基板との接合界面、および、セラミックス基板と金属層との接合界面の断面を、EPMA装置を用いて、それぞれ5視野でライン分析を行った。
そして、Ag+Cu+活性金属=100質量%としたとき、Ag濃度が15質量%以上である領域をAg-Cu合金層とし、その厚さを測定した。それぞれ5視野での測定値の平均をAg-Cu合金層の厚さとして表2に記載した。
(冷熱サイクル信頼性)
上述の絶縁回路基板に対して、40℃×5min←→150℃×5minの冷熱サイクルを負荷し、2000サイクルまで100サイクル毎にSAT検査を行い、セラミックス割れの有無を確認し、セラミックス割れの発生回数を評価した。評価結果を表2に示す。
上述の絶縁回路基板に対して、40℃×5min←→150℃×5minの冷熱サイクルを負荷し、2000サイクルまで100サイクル毎にSAT検査を行い、セラミックス割れの有無を確認し、セラミックス割れの発生回数を評価した。評価結果を表2に示す。
回路層側の活性金属化合物の面積率A1が14.6%、金属層側の活性金属化合物の面積率A2が13.4%とされた比較例1においては、1100サイクルで割れが確認されており、冷熱サイクル信頼性が不十分であった。
回路層側の活性金属化合物の面積率A1と金属層側の活性金属化合物の面積率A2との比A1/A2が0.62とされた比較例2においては、1200サイクルで割れが確認されており、冷熱サイクル信頼性が不十分であった。
回路層側の活性金属化合物の面積率A1と金属層側の活性金属化合物の面積率A2との比A1/A2が1.48とされた比較例3においては、1200サイクルで割れが確認されており、冷熱サイクル信頼性が不十分であった。
回路層側の活性金属化合物の面積率A1と金属層側の活性金属化合物の面積率A2との比A1/A2が0.62とされた比較例2においては、1200サイクルで割れが確認されており、冷熱サイクル信頼性が不十分であった。
回路層側の活性金属化合物の面積率A1と金属層側の活性金属化合物の面積率A2との比A1/A2が1.48とされた比較例3においては、1200サイクルで割れが確認されており、冷熱サイクル信頼性が不十分であった。
これに対して、回路層側の活性金属化合物の面積率A1および金属層側の活性金属化合物の面積率A2がともに10%以下とされ、回路層側の活性金属化合物の面積率A1と金属層側の活性金属化合物の面積率A2との比A1/A2が0.7以上1.4以下の範囲内とされた本発明例1-8においては、割れが確認されたサイクル数が1500以上であり、冷熱サイクル信頼性に優れていた。
以上の確認実験の結果、本発明例によれば、厳しい冷熱サイクルを負荷した場合であっても、セラミックス部材における割れの発生を抑制でき、冷熱サイクル信頼性に優れた絶縁回路基板(銅/セラミックス接合体)を提供可能であることが確認された。
10 絶縁回路基板(銅/セラミックス接合体)
11 セラミックス基板(セラミックス部材)
12 回路層(銅部材)
13 金属層(銅部材)
21,31 活性金属窒化物層
22,32 Ag-Cu合金層
11 セラミックス基板(セラミックス部材)
12 回路層(銅部材)
13 金属層(銅部材)
21,31 活性金属窒化物層
22,32 Ag-Cu合金層
Claims (6)
- 銅又は銅合金からなる銅部材と、窒化ケイ素からなるセラミックス部材とが接合されてなる銅/セラミックス接合体であって、
前記セラミックス部材の一方の面および他方の面にそれぞれ前記銅部材が接合されており、
前記銅部材のうち前記セラミックス部材側には、活性金属窒化物層が形成されており、前記活性金属窒化物層から前記銅部材側へ10μmの領域におけるSiと活性金属とを含む活性金属化合物の面積率が10%以下とされており、
前記一方の面側に接合された前記銅部材における前記活性金属化合物の面積率A1と、前記他方の面側に接合された前記銅部材における前記活性金属化合物の面積率A2との比A1/A2が、0.7以上1.4以下の範囲内とされていることを特徴とする銅/セラミックス接合体。 - 前記セラミックス部材の前記一方の面側に形成された前記活性金属窒化物層の厚さta1、および、前記セラミックス部材の前記他方の面側に形成された前記活性金属窒化物層の厚さta2が、0.05μm以上0.8μm以下の範囲内とされ、厚さ比ta1/ta2が0.7以上1.4以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項1に記載の銅/セラミックス接合体。
- 前記セラミックス部材と前記銅部材との接合界面において、前記銅部材側にはAg-Cu合金層が形成されており、
前記セラミックス部材の前記一方の面側に形成された前記Ag-Cu合金層の厚さtb1と、前記セラミックス部材の前記他方の面側に形成された前記Ag-Cu合金層の厚さtb2との比tb1/tb2が、0.7以上1.4以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の銅/セラミックス接合体。 - セラミックス基板の表面に、銅又は銅合金からなる銅板が接合されてなる絶縁回路基板であって、
前記セラミックス基板の一方の面および他方の面にそれぞれ前記銅板が接合されており、
前記銅板のうち前記セラミックス基板側には、活性金属窒化物層が形成されており、前記活性金属窒化物層から前記銅板側へ10μmの領域におけるSiと活性金属とを含む活性金属化合物の面積率が10%以下とされており、
前記一方の面側に接合された前記銅板における前記活性金属化合物の面積率A1と、前記他方の面側に接合された前記銅板における前記活性金属化合物の面積率A2との比A1/A2が、0.7以上1.4以下の範囲内とされていることを特徴とする絶縁回路基板。 - 前記セラミックス基板の前記一方の面側に形成された活性金属窒化物層の厚さta1、および、前記セラミックス基板の前記他方の面側に形成された活性金属窒化物層の厚さta2が、0.05μm以上0.8μm以下の範囲内とされ、厚さ比ta1/ta2が0.7以上1.4以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項4に記載の絶縁回路基板。
- 前記セラミックス基板と前記銅板との接合界面において、前記銅板側にはAg-Cu合金層が形成されており、
前記セラミックス基板の前記一方の面側に形成された前記Ag-Cu合金層の厚さtb1と、前記セラミックス基板の前記他方の面側に形成された前記Ag-Cu合金層の厚さtb2との比tb1/tb2が、0.7以上1.4以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項4または請求項5に記載の絶縁回路基板。
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021070220A JP2022165045A (ja) | 2021-04-19 | 2021-04-19 | 銅/セラミックス接合体、および、絶縁回路基板 |
EP22791717.6A EP4328208A1 (en) | 2021-04-19 | 2022-04-19 | Copper/ceramic bonded body and insulated circuit board |
PCT/JP2022/018126 WO2022224946A1 (ja) | 2021-04-19 | 2022-04-19 | 銅/セラミックス接合体、および、絶縁回路基板 |
US18/287,088 US20240203819A1 (en) | 2021-04-19 | 2022-04-19 | Copper/ceramic bonded body and insulating circuit substrate |
CN202280029038.4A CN117222608A (zh) | 2021-04-19 | 2022-04-19 | 铜-陶瓷接合体及绝缘电路基板 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021070220A JP2022165045A (ja) | 2021-04-19 | 2021-04-19 | 銅/セラミックス接合体、および、絶縁回路基板 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2022165045A true JP2022165045A (ja) | 2022-10-31 |
Family
ID=83723323
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2021070220A Pending JP2022165045A (ja) | 2021-04-19 | 2021-04-19 | 銅/セラミックス接合体、および、絶縁回路基板 |
Country Status (5)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20240203819A1 (ja) |
EP (1) | EP4328208A1 (ja) |
JP (1) | JP2022165045A (ja) |
CN (1) | CN117222608A (ja) |
WO (1) | WO2022224946A1 (ja) |
Family Cites Families (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3211856B2 (ja) | 1994-11-02 | 2001-09-25 | 電気化学工業株式会社 | 回路基板 |
KR101722893B1 (ko) * | 2013-09-30 | 2017-04-03 | 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤 | Cu/세라믹스 접합체, Cu/세라믹스 접합체의 제조 방법, 및 파워 모듈용 기판 |
WO2017213207A1 (ja) * | 2016-06-10 | 2017-12-14 | 田中貴金属工業株式会社 | セラミックス回路基板、及び、セラミックス回路基板の製造方法 |
WO2018003845A1 (ja) * | 2016-06-30 | 2018-01-04 | 三菱マテリアル株式会社 | 銅/セラミックス接合体、及び、絶縁回路基板 |
JP6904088B2 (ja) | 2016-06-30 | 2021-07-14 | 三菱マテリアル株式会社 | 銅/セラミックス接合体、及び、絶縁回路基板 |
JP7219810B2 (ja) * | 2019-03-29 | 2023-02-08 | デンカ株式会社 | 窒化珪素基板、窒化珪素-金属複合体、窒化珪素回路基板、及び、半導体パッケージ |
JP2021017390A (ja) * | 2019-07-23 | 2021-02-15 | 三菱マテリアル株式会社 | 銅/セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、銅/セラミックス接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法 |
JP2021031315A (ja) * | 2019-08-20 | 2021-03-01 | 三菱マテリアル株式会社 | 銅/セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、銅/セラミックス接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法 |
JP2021070220A (ja) | 2019-10-30 | 2021-05-06 | 株式会社吉野工業所 | 液体ブロー成形装置 |
-
2021
- 2021-04-19 JP JP2021070220A patent/JP2022165045A/ja active Pending
-
2022
- 2022-04-19 CN CN202280029038.4A patent/CN117222608A/zh active Pending
- 2022-04-19 EP EP22791717.6A patent/EP4328208A1/en active Pending
- 2022-04-19 WO PCT/JP2022/018126 patent/WO2022224946A1/ja active Application Filing
- 2022-04-19 US US18/287,088 patent/US20240203819A1/en active Pending
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN117222608A (zh) | 2023-12-12 |
US20240203819A1 (en) | 2024-06-20 |
WO2022224946A1 (ja) | 2022-10-27 |
EP4328208A1 (en) | 2024-02-28 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10818585B2 (en) | Copper/ceramic joined body, insulated circuit board, method for producing copper/ceramic joined body, and method for producing insulated circuit board | |
CN109417056B (zh) | 铜-陶瓷接合体及绝缘电路基板 | |
CN105189109B (zh) | 接合体、功率模块用基板及自带散热器的功率模块用基板 | |
KR102422607B1 (ko) | 접합체, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판, 히트 싱크, 및 접합체의 제조 방법, 히트 싱크가 부착된 파워 모듈용 기판의 제조 방법, 히트 싱크의 제조 방법 | |
WO2011049067A1 (ja) | パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール、パワーモジュール用基板の製造方法及びヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法 | |
JP7056744B2 (ja) | 銅/セラミックス接合体、絶縁回路基板、及び、銅/セラミックス接合体の製造方法、及び、絶縁回路基板の製造方法 | |
WO2015141295A1 (ja) | 接合体、パワーモジュール用基板、パワーモジュール、及び、接合体の製造方法 | |
JP2014060216A (ja) | ヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール、及びヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法 | |
JP2022023954A (ja) | セラミックス/アルミニウム接合体、絶縁回路基板、ledモジュール、セラミックス部材 | |
JP6870767B2 (ja) | 銅/セラミックス接合体、及び、絶縁回路基板 | |
JP2023086688A (ja) | 銅/セラミックス接合体、および、絶縁回路基板 | |
CN108701659B (zh) | 接合体、功率模块用基板、功率模块、接合体的制造方法及功率模块用基板的制造方法 | |
WO2022224946A1 (ja) | 銅/セラミックス接合体、および、絶縁回路基板 | |
JP2011201760A (ja) | パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール、パワーモジュール用基板の製造方法及びヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法 | |
WO2022224958A1 (ja) | 銅/セラミックス接合体、および、絶縁回路基板 | |
KR102409815B1 (ko) | 구리/세라믹스 접합체, 절연 회로 기판, 및 구리/세라믹스 접합체의 제조 방법, 및 절연 회로 기판의 제조 방법 | |
WO2016167217A1 (ja) | 接合体、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、ヒートシンク、及び、接合体の製造方法、ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法、ヒートシンクの製造方法 | |
WO2022224949A1 (ja) | 銅/セラミックス接合体、および、絶縁回路基板 | |
WO2023286860A1 (ja) | 銅/セラミックス接合体、および、絶縁回路基板 | |
WO2023286862A1 (ja) | 銅/セラミックス接合体、および、絶縁回路基板 | |
WO2023286857A1 (ja) | 銅/セラミックス接合体、および、絶縁回路基板 | |
WO2023286856A1 (ja) | 銅/セラミックス接合体、および、絶縁回路基板 | |
WO2023286858A1 (ja) | 銅/セラミックス接合体、絶縁回路基板、および、銅/セラミックス接合体の製造方法、絶縁回路基板の製造方法 | |
WO2023008565A1 (ja) | 銅/セラミックス接合体、および、絶縁回路基板 | |
WO2023106226A1 (ja) | 銅/セラミックス接合体、および、絶縁回路基板 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20231201 |