JP7431857B2 - Manufacturing method of bonded substrate - Google Patents

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Description

本発明は、接合基板の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a bonded substrate.

窒化ケイ素セラミックスは、高い熱伝導性及び高い絶縁性を有する。このため、銅板が接合層を介して窒化ケイ素セラミックス基板に接合された接合基板は、パワー半導体素子が実装される絶縁放熱基板として好適に用いられる。 Silicon nitride ceramics have high thermal conductivity and high insulation properties. Therefore, a bonded substrate in which a copper plate is bonded to a silicon nitride ceramic substrate via a bonding layer is suitably used as an insulated heat dissipation substrate on which a power semiconductor element is mounted.

当該接合基板は、多くの場合は、ろう材層を銅板と窒化ケイ素セラミックス基板との間に有する中間品を作製し、作製した中間品に対して熱処理を行って銅板と窒化ケイ素セラミックス板との間に接合層を生成させることにより製造される。 In many cases, the bonded substrate is produced by producing an intermediate product having a brazing material layer between the copper plate and the silicon nitride ceramic substrate, and then heat-treating the produced intermediate product to bond the copper plate and the silicon nitride ceramic plate. It is manufactured by creating a bonding layer in between.

また、中間品に対して熱処理を行う際に、中間品に対してホットプレスを行うことも提案されている。 It has also been proposed to hot press the intermediate product when heat treating the intermediate product.

例えば、特許文献１に記載された技術においては、窒化珪素基板の一方主面上にろう材が塗布され、塗布されたろう材の塗布面に銅板が重ね合わされ、加熱加圧接合によって接合基板が得られる（段落００２４及び００２５）。 For example, in the technology described in Patent Document 1, a brazing material is applied on one main surface of a silicon nitride substrate, a copper plate is superimposed on the surface of the applied brazing material, and a bonded substrate is obtained by heat and pressure bonding. (paragraphs 0024 and 0025).

特許第６４８２１４４号公報Patent No. 6482144

しかし、窒化ケイ素セラミックス基板のふたつの主面の一方の主面上のみに銅板が接合される場合、窒化ケイ素セラミックス基板のふたつの主面にそれぞれ接合されるふたつの銅板の厚さが互いに異なる場合、窒化ケイ素セラミックス基板のふたつの主面にそれぞれ接合されるふたつの銅板が占める面積が互いに異なる場合等には、接合基板を製造する際に、接合基板に反り、クラック等が発生する場合がある。この反り、クラック等の発生は、銅の熱膨張率が窒化ケイ素セラミックスの熱膨張率と大きく異なることに起因する。クラックは、多くの場合は、窒化ケイ素セラミックス基板に発生し、銅板の端面の付近に発生する。 However, if the copper plate is bonded to only one of the two main surfaces of the silicon nitride ceramic substrate, or if the thicknesses of the two copper plates bonded to the two main surfaces of the silicon nitride ceramic substrate are different from each other, If the areas occupied by the two copper plates bonded to the two main surfaces of the silicon nitride ceramic substrate are different from each other, warping or cracks may occur in the bonded substrate during manufacture of the bonded substrate. . The occurrence of warpage, cracks, etc. is caused by the fact that the coefficient of thermal expansion of copper is significantly different from that of silicon nitride ceramics. Cracks often occur in silicon nitride ceramic substrates, and occur near the end faces of copper plates.

本発明は、この問題に鑑みてなされた。本発明が解決しようとする課題は、銅板が接合層を介して窒化ケイ素セラミックス基板に接合された接合基板を製造する際に接合基板に発生する反り、クラック等を抑制することである。 The present invention was made in view of this problem. The problem to be solved by the present invention is to suppress warpage, cracks, etc. that occur in a bonded substrate when manufacturing a bonded substrate in which a copper plate is bonded to a silicon nitride ceramic substrate via a bonding layer.

窒化ケイ素セラミックス基板が準備される。ろう材層が窒化ケイ素セラミックス基板の主面上に形成される。ろう材層上に銅板が配置される。ろう材層は、活性金属としてのチタンと前記活性金属以外の金属としての銀とを含む。これにより、窒化ケイ素セラミックス基板、ろう材層及び銅板を含む中間品が得られる。中間品に対してホットプレスが行われる。これより、銅板を窒化ケイ素セラミックス基板に接合する接合層が生成する。中間品に対してホットプレスが行われる際には、中間品に加えられる面圧が、あらかじめ設定されている面圧プロファイルにおける５ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下の最高圧力まで上げられ、中間品の温度が最高温度まで上げられた後に、中間品に加えられる面圧が６．３ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下に維持されたまま、中間品の温度が最高温度から室温以上７０℃以下まで下げられる。中間品に加えられる面圧は、接合のための加圧を中間品に対して行うことを開始した後に最高面圧よりも低い第１の面圧まで上げられて維持されたうえで、最高面圧まで上げられる。 A silicon nitride ceramic substrate is prepared. A braze layer is formed on the main surface of the silicon nitride ceramic substrate. A copper plate is placed on the brazing material layer. The brazing material layer contains titanium as an active metal and silver as a metal other than the active metal. As a result, an intermediate product including a silicon nitride ceramic substrate, a brazing material layer, and a copper plate is obtained. Hot pressing is performed on the intermediate product. This creates a bonding layer that bonds the copper plate to the silicon nitride ceramic substrate. When hot pressing is performed on an intermediate product, the surface pressure applied to the intermediate product is increased to the maximum pressure of 5 MPa or more and 30 MPa or less in a preset surface pressure profile , and the temperature of the intermediate product is raised to the maximum temperature. After the temperature of the intermediate product is increased from the maximum temperature to room temperature or more and 70° C. or less while the surface pressure applied to the intermediate product is maintained at 6.3 MPa or more and 30 MPa or less. The surface pressure applied to the intermediate product is increased to and maintained at a first surface pressure lower than the highest surface pressure after starting to apply pressure to the intermediate product for joining, and then The pressure can be raised.

本発明によれば、中間品の温度が下げられている間に中間品に加えられる面圧により中間品が有する銅板が塑性変形する。このため、銅の熱膨張率が窒化ケイ素セラミックスの熱膨張率と大きく異なることに起因する応力が接合基板に残留することを抑制することができる。これにより、銅板が接合層を介して窒化ケイ素セラミックス基板に接合された接合基板を製造する際に接合基板に発生する反り、クラック等を抑制することができる。 According to the present invention, the copper plate included in the intermediate product is plastically deformed due to the surface pressure applied to the intermediate product while the temperature of the intermediate product is being lowered. Therefore, stress caused by the fact that the coefficient of thermal expansion of copper is significantly different from the coefficient of thermal expansion of silicon nitride ceramics can be suppressed from remaining in the bonded substrate. Thereby, it is possible to suppress warpage, cracks, etc. that occur in the bonded substrate when manufacturing the bonded substrate in which the copper plate is bonded to the silicon nitride ceramic substrate via the bonding layer.

この発明の目的、特徴、局面及び利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。 The objects, features, aspects, and advantages of this invention will become more apparent from the following detailed description and accompanying drawings.

第１実施形態の接合基板の例を模式的に図示する断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view schematically illustrating an example of a bonded substrate according to the first embodiment. 第１実施形態の接合基板の製造の流れを図示するフローチャートである。3 is a flowchart illustrating the flow of manufacturing a bonded substrate according to the first embodiment. 第１実施形態の接合基板の製造の途上で得られる中間品を模式的に図示する断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view schematically illustrating an intermediate product obtained in the course of manufacturing the bonded substrate of the first embodiment. 第１実施形態の接合基板の製造の途上で得られる中間品を模式的に図示する断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view schematically illustrating an intermediate product obtained in the course of manufacturing the bonded substrate of the first embodiment. 第１実施形態の接合基板の製造の途上で得られる中間品を模式的に図示する断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view schematically illustrating an intermediate product obtained in the course of manufacturing the bonded substrate of the first embodiment. 参考例の温度プロファイル及び面圧プロファイルを示す図である。It is a figure which shows the temperature profile and surface pressure profile of a reference example. 第１実施形態の接合基板の製造の途上でホットプレスが行われる際の温度プロファイル及び面圧プロファイルの例を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing an example of a temperature profile and a surface pressure profile when hot pressing is performed during the manufacture of the bonded substrate of the first embodiment. 第１実施形態の接合基板の試作品を模式的に図示する断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view schematically illustrating a prototype of the bonded substrate of the first embodiment. 第１実施形態の接合基板の試作品に温度変化が与えられた際の反り量の温度変化を示すグラフである。7 is a graph showing a temperature change in the amount of warpage when a temperature change is applied to a prototype of the bonded substrate according to the first embodiment. 第１実施形態の接合基板の試作品の破損例を図示する図である。FIG. 3 is a diagram illustrating an example of damage to a prototype of the bonded substrate according to the first embodiment. 第１実施形態の接合基板の試作品に備えられる窒化ケイ素セラミックス基板の他方の主面の形状プロファイルを示すグラフである。It is a graph which shows the shape profile of the other main surface of the silicon nitride ceramics board|substrate with which the prototype of the bonded board|substrate of 1st Embodiment is equipped. 比較例の接合基板の断面を示す画像である。It is an image showing a cross section of a bonded substrate of a comparative example.

１ 接合基板
図１は、第１実施形態の接合基板の例を模式的に図示する断面図である。 1 Bonded Substrate FIG. 1 is a cross-sectional view schematically illustrating an example of the bonded substrate of the first embodiment.

図１に図示される第１実施形態の接合基板１は、窒化ケイ素セラミックス基板１１、銅板１２及び接合層１３を備える。接合基板１がこれらの要素以外の要素を備えてもよい。 A bonding substrate 1 according to the first embodiment illustrated in FIG. 1 includes a silicon nitride ceramic substrate 11, a copper plate 12, and a bonding layer 13. The bonded substrate 1 may include elements other than these elements.

銅板１２及び接合層１３は、窒化ケイ素セラミックス基板１１の主面１１ｓ上に配置される。接合層１３は、銅板１２を窒化ケイ素セラミックス基板１１の主面１１ｓに接合する。 The copper plate 12 and the bonding layer 13 are arranged on the main surface 11s of the silicon nitride ceramic substrate 11. Bonding layer 13 bonds copper plate 12 to main surface 11s of silicon nitride ceramic substrate 11.

銅板１２は、活性金属を含む接合層１３を介して窒化ケイ素セラミックス基板１１に接合される。接合層１３に含まれる活性金属は、チタン及びジルコニウムからなる群より選択される少なくとも１種の活性金属である。接合層１３が活性金属以外の金属を含んでもよい。接合層１３に含まれる活性金属以外の金属は、銀、銅、インジウム及びスズからなる群より選択される少なくとも１種の金属である。接合層１３が、窒化ケイ素セラミックス基板１１から供給された窒素及び／又はケイ素を含んでもよい。供給された窒素及び／又はケイ素が活性金属と化合物を形成していてもよい。接合層１３が、銅板１２から供給された銅を含んでもよい。 Copper plate 12 is bonded to silicon nitride ceramic substrate 11 via bonding layer 13 containing an active metal. The active metal contained in the bonding layer 13 is at least one active metal selected from the group consisting of titanium and zirconium. Bonding layer 13 may contain metals other than active metals. The metal other than the active metal contained in the bonding layer 13 is at least one metal selected from the group consisting of silver, copper, indium, and tin. Bonding layer 13 may include nitrogen and/or silicon supplied from silicon nitride ceramic substrate 11 . The supplied nitrogen and/or silicon may form a compound with the active metal. Bonding layer 13 may include copper supplied from copper plate 12 .

接合基板１は、どのように用いられてもよいが、例えばパワー半導体素子が実装される絶縁放熱基板として用いられる。 Although the bonding substrate 1 may be used in any manner, it is used, for example, as an insulating heat dissipation substrate on which a power semiconductor element is mounted.

２ 接合基板の製造方法
図２は、第１実施形態の接合基板の製造の流れを図示するフローチャートである。図３、図４及び図５は、第１実施形態の接合基板の製造の途上で得られる中間品を模式的に図示する断面図である。 2. Manufacturing method of bonded substrate FIG. 2 is a flowchart illustrating the flow of manufacturing the bonded substrate of the first embodiment. 3, 4, and 5 are cross-sectional views schematically illustrating an intermediate product obtained in the course of manufacturing the bonded substrate of the first embodiment.

第１実施形態の接合基板１の製造においては、図２に示される工程Ｓ１０１からＳ１０５までが順次に実行される。 In manufacturing the bonded substrate 1 of the first embodiment, steps S101 to S105 shown in FIG. 2 are sequentially executed.

工程Ｓ１０１においては、窒化ケイ素セラミックス基板１１が準備される。 In step S101, silicon nitride ceramic substrate 11 is prepared.

工程Ｓ１０２においては、図３に図示されるように、窒化ケイ素セラミックス基板１１の主面１１ｓ上に、ろう材層１３ｉが形成される。 In step S102, as illustrated in FIG. 3, a brazing material layer 13i is formed on the main surface 11s of the silicon nitride ceramic substrate 11.

ろう材層１３ｉが形成される際には、活性金属ろう材、バインダ及び溶剤を含むペーストが調製される。ペーストが分散剤、消泡剤等をさらに含んでもよい。続いて、調製されたペーストが窒化ケイ素セラミックス基板１１の主面１１ｓ上にスクリーン印刷され、窒化ケイ素セラミックス基板１１の主面１１ｓ上にスクリーン印刷膜が形成される。続いて、形成されたスクリーン印刷膜に含まれる溶剤が揮発させられる。これにより、スクリーン印刷膜が、ろう材層１３ｉに変化する。ろう材層１３ｉは、活性金属ろう材及びバインダを含む。ろう材層１３ｉがこの方法とは異なる方法により形成されてもよい。 When forming the brazing material layer 13i, a paste containing an active metal brazing material, a binder, and a solvent is prepared. The paste may further contain a dispersant, an antifoaming agent, and the like. Subsequently, the prepared paste is screen printed on the main surface 11s of the silicon nitride ceramic substrate 11, and a screen printed film is formed on the main surface 11s of the silicon nitride ceramic substrate 11. Subsequently, the solvent contained in the formed screen-printed film is evaporated. As a result, the screen-printed film changes into a brazing material layer 13i. The brazing material layer 13i includes an active metal brazing material and a binder. The brazing material layer 13i may be formed by a method different from this method.

活性金属ろう材は、水素化活性金属粉末及び金属粉末を含む。水素化活性金属粉末は、チタン及びジルコニウムからなる群より選択される少なくとも１種の活性金属の水素化物を含む。金属粉末は、銀を含む。金属粉末が、銀以外の金属を含んでもよい。銀以外の金属は、銅、インジウム及びスズからなる群より選択される少なくとも１種の金属である。銅、インジウム及びスズからなる群より選択される少なくとも１種の金属が活性金属ろう材に含まれる場合は、活性金属ろう材の融点が低下する。 Active metal brazing materials include hydrogenated active metal powders and metal powders. The hydrogenation active metal powder contains a hydride of at least one active metal selected from the group consisting of titanium and zirconium. The metal powder contains silver. The metal powder may also contain metals other than silver. The metal other than silver is at least one metal selected from the group consisting of copper, indium, and tin. When the active metal brazing material contains at least one metal selected from the group consisting of copper, indium, and tin, the melting point of the active metal brazing material is lowered.

活性金属ろう材は、望ましくは０．１μｍ以上１０μｍ以下の平均粒子径を有する粉末からなる。平均粒子径は、市販のレーザー回折式の粒度分布測定装置により粒度分布を測定し、測定した粒度分布からＤ５０（メジアン径）を算出することにより得ることができる。活性金属ろう材がこのように小さい平均粒子径を有する粉末からなることにより、ろう材層１３ｉを薄くすることができる。 The active metal brazing material preferably consists of powder having an average particle size of 0.1 μm or more and 10 μm or less. The average particle diameter can be obtained by measuring the particle size distribution using a commercially available laser diffraction type particle size distribution measuring device and calculating D50 (median diameter) from the measured particle size distribution. Since the active metal brazing material is made of powder having such a small average particle diameter, the brazing material layer 13i can be made thin.

ろう材層１３ｉは、望ましくは０．１μｍ以上１０μｍ以下の厚さを有し、さらに望ましくは０．１μｍ以上５μｍ以下の厚さを有する。 The brazing material layer 13i preferably has a thickness of 0.1 μm or more and 10 μm or less, more preferably 0.1 μm or more and 5 μm or less.

工程Ｓ１０３においては、図４に図示されるように、形成されたろう材層１３ｉ上に銅板１２ｉが配置される。これにより、窒化ケイ素セラミックス基板１１、銅板１２ｉ及びろう材層１３ｉを備える中間品１ｉが得られる。 In step S103, as illustrated in FIG. 4, a copper plate 12i is placed on the formed brazing material layer 13i. As a result, an intermediate product 1i including the silicon nitride ceramic substrate 11, the copper plate 12i, and the brazing material layer 13i is obtained.

工程Ｓ１０４においては、得られた中間品１ｉに対してホットプレスが行われる。これにより、図５に図示されるように、接合層１３ｊが生成する。これらにより、図５に図示される、窒化ケイ素セラミックス基板１１、銅板１２ｊ及び接合層１３ｊを備える中間品１ｊが得られる。接合層１３ｊは、銅板１２ｊを窒化ケイ素セラミックス基板１１に接合している。 In step S104, hot pressing is performed on the obtained intermediate product 1i. As a result, a bonding layer 13j is generated as shown in FIG. 5. As a result, an intermediate product 1j shown in FIG. 5, which includes a silicon nitride ceramic substrate 11, a copper plate 12j, and a bonding layer 13j, is obtained. Bonding layer 13j bonds copper plate 12j to silicon nitride ceramic substrate 11.

中間品１ｉに対してホットプレスが行われる場合は、望ましくは、中間品１ｉが、真空中又は不活性ガス中で、８００℃以上９００℃以下の最高温度ＴＭＡＸを有する温度プロファイルにしたがって加熱されながら、５ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下の最高面圧ＰＭＡＸを有する面圧プロファイルにしたがって窒化ケイ素セラミックス基板１１の厚さ方向に加圧される。これにより、ろう材層１３ｉが０．１μｍ以上１０μｍ以下の厚さを有する場合のようなろう材層１３ｉが薄い場合においても、ボイドを形成することなく銅板１２ｉを窒化ケイ素セラミックス基板１１に接合することができる。 When hot pressing is performed on the intermediate product 1i, it is preferable that the intermediate product 1i be heated in vacuum or in an inert gas according to a temperature profile having a maximum temperature TMAX of 800°C or more and 900°C or less. , pressure is applied in the thickness direction of the silicon nitride ceramic substrate 11 according to a surface pressure profile having a maximum surface pressure PMAX of 5 MPa or more and 30 MPa or less. As a result, even when the brazing material layer 13i is thin, such as when the brazing material layer 13i has a thickness of 0.1 μm or more and 10 μm or less, the copper plate 12i can be bonded to the silicon nitride ceramic substrate 11 without forming voids. be able to.

中間品１ｉに対してホットプレスが行われる間に、ろう材層１３ｉに含まれる銀等の金属成分の全部又は一部が窒化ケイ素セラミックス基板１１及び／又は銅板１２ｉに拡散させられてもよい。中間品１ｉに対してホットプレスが行われる間に、窒化ケイ素セラミックス基板１１に含まれる窒素及び／又はケイ素がろう材層１３ｉに拡散させられてもよい。銅板１１ｉに含まれる銅がろう材層１３ｉに拡散させられてもよい。 While hot pressing is performed on the intermediate product 1i, all or part of a metal component such as silver contained in the brazing material layer 13i may be diffused into the silicon nitride ceramic substrate 11 and/or the copper plate 12i. While hot pressing is performed on the intermediate product 1i, nitrogen and/or silicon contained in the silicon nitride ceramic substrate 11 may be diffused into the brazing material layer 13i. Copper contained in the copper plate 11i may be diffused into the brazing material layer 13i.

工程Ｓ１０５においては、銅板１２ｊ及び接合層１３ｊがエッチング法等によってパターニングされる。これにより、銅板１２ｊが、図１に図示されるパターニングされた銅板１２に変化する。また、接合層１３ｊが、図１に図示されるパターニングされた接合層１３に変化する。銅板１２ｊ及び接合層１３ｊのパターニングが省略されてもよい。 In step S105, the copper plate 12j and the bonding layer 13j are patterned by etching or the like. This changes the copper plate 12j into the patterned copper plate 12 illustrated in FIG. Further, the bonding layer 13j changes to the patterned bonding layer 13 illustrated in FIG. Patterning of the copper plate 12j and the bonding layer 13j may be omitted.

３ 温度プロファイル及び面圧プロファイル
図６は、参考例の温度プロファイル及び面圧プロファイルを示す図である。図７は、第１実施形態の接合基板の製造の途上でホットプレスが行われる際の温度プロファイル及び面圧プロファイルの例を示す図である。 3 Temperature Profile and Surface Pressure Profile FIG. 6 is a diagram showing the temperature profile and surface pressure profile of a reference example. FIG. 7 is a diagram showing an example of a temperature profile and a surface pressure profile when hot pressing is performed during the manufacture of the bonded substrate of the first embodiment.

図６及び図７に図示される温度プロファイルにおいては、中間品１ｉの温度が、室温から最高温度ＴＭＡＸまで上げられ、設定された時間に渡って最高温度ＴＭＡＸで維持される。また、図６及び図７に図示される面圧プロファイルにおいては、中間品１ｉの温度が室温から最高温度ＴＭＡＸまで上げられる間に、中間品１ｉに加える面圧が、面圧０付近から最高面圧ＰＭＡＸまで上げられる。 In the temperature profile illustrated in FIGS. 6 and 7, the temperature of the intermediate product 1i is raised from room temperature to the maximum temperature TMAX, and is maintained at the maximum temperature TMAX for a set time. In addition, in the surface pressure profiles shown in FIGS. 6 and 7, while the temperature of the intermediate product 1i is raised from room temperature to the maximum temperature TMAX, the surface pressure applied to the intermediate product 1i changes from around 0 surface pressure to the highest surface Pressure can be raised to PMAX.

中間品１ｉの温度が室温から最高温度ＴＭＡＸまで上げられる間においては、まず、中間品１ｉの温度が、室温から脱バインダ温度ＴＢまで上げられる。また、中間品１ｉの温度が、設定された時間に渡って脱バインダ温度ＴＢで維持される。これにより、ろう材層１３ｉに含まれるバインダの脱バインダが行われる。続いて、中間品１ｉの温度が、脱バインダ温度ＴＢから最高温度ＴＭＡＸまで上げられる。また、中間品１ｉの温度が、設定された時間に渡って最高温度ＴＭＡＸで維持される。 While the temperature of the intermediate product 1i is being raised from room temperature to the maximum temperature TMAX, the temperature of the intermediate product 1i is first raised from room temperature to the binder removal temperature TB. Further, the temperature of the intermediate product 1i is maintained at the binder removal temperature TB for a set time. As a result, the binder contained in the brazing material layer 13i is removed. Subsequently, the temperature of the intermediate product 1i is raised from the binder removal temperature TB to the maximum temperature TMAX. Further, the temperature of the intermediate product 1i is maintained at the maximum temperature TMAX for a set time.

この際、中間品１ｉに加える面圧が最高面圧ＰＭＡＸまで上げられる間においては、中間品１ｉの温度が脱バインダ温度ＴＢまで上げられた後に、中間品１ｉへの加圧が開始される。また、中間品１ｉへの加圧が開始された後に、まず、中間品１ｉに加えられる面圧が、第１の面圧Ｐ１まで上げられ、設定された時間に渡って第１の面圧Ｐ１で維持される。続いて、中間品１ｉに加えられる面圧が、第１の面圧Ｐ１から第２の面圧（最高面圧）ＰＭＡＸまで上げられ、設定された時間に渡って第２の面圧ＰＭＡＸで維持される。第２の面圧ＰＭＡＸは、第１の面圧Ｐ１より高い。これにより、脱バインダが行われている間は、中間品１ｉへの加圧が行われない。このため、中間品１ｉへの加圧により脱バインダが阻害されることを抑制することができ、製造された接合基板１に備えられる接合層１３への残炭を抑制することができる。また、銅板１２ｉの温度が上がって銅板１２ｉが塑性変形しやすくなる前は、比較的に弱い第１の面圧Ｐ１で銅板１２ｉが窒化ケイ素セラミックス基板１１に向かって押し付けられる。このため、窒化ケイ素セラミックス基板１１が割れることを抑制することができる。また、銅板１２ｉの温度が上がって銅板１２ｉが塑性変形しやすくなった後に銅板１２ｉへの加圧が開始される。このため、熱膨張しようとする銅板１２ｉが拘束されることを抑制することができ、接合基板１が製造された後に銅板１２の内部に応力が残留することを抑制することができる。これにより、銅板１２の内部に残留する応力に起因する接合基板１の変形が生じることを抑制することができる。例えば、接合基板１のうねりが生じることを抑制することができる。ただし、中間品１ｉに加える面圧が最高面圧ＰＭＡＸまで上げられる間の面圧プロファイルが変更されてもよい。例えば、中間品１ｉに加える面圧を設定された時間に渡って第１の面圧Ｐ１で維持することが省略されてもよい。 At this time, while the surface pressure applied to the intermediate product 1i is raised to the maximum surface pressure PMAX, pressurization of the intermediate product 1i is started after the temperature of the intermediate product 1i is raised to the binder removal temperature TB. Further, after the pressurization of the intermediate product 1i is started, first, the surface pressure applied to the intermediate product 1i is increased to the first surface pressure P1, and the first surface pressure P1 is increased over a set time. will be maintained. Subsequently, the surface pressure applied to the intermediate product 1i is increased from the first surface pressure P1 to the second surface pressure (maximum surface pressure) PMAX, and is maintained at the second surface pressure PMAX for a set time. be done. The second surface pressure PMAX is higher than the first surface pressure P1. As a result, while the binder is being removed, the intermediate product 1i is not pressurized. Therefore, it is possible to prevent the removal of the binder from being inhibited by pressurizing the intermediate product 1i, and it is possible to suppress residual carbon from remaining on the bonding layer 13 provided in the manufactured bonded substrate 1. Further, before the temperature of the copper plate 12i rises and the copper plate 12i becomes easily plastically deformed, the copper plate 12i is pressed toward the silicon nitride ceramic substrate 11 with a relatively weak first surface pressure P1. Therefore, cracking of the silicon nitride ceramic substrate 11 can be suppressed. Further, after the temperature of the copper plate 12i rises and the copper plate 12i becomes easily plastically deformed, pressurization of the copper plate 12i is started. Therefore, it is possible to prevent the copper plate 12i that is about to thermally expand from being restrained, and it is possible to suppress stress from remaining inside the copper plate 12 after the bonded substrate 1 is manufactured. Thereby, deformation of the bonded substrate 1 due to stress remaining inside the copper plate 12 can be suppressed. For example, it is possible to suppress the occurrence of waviness in the bonded substrate 1. However, the surface pressure profile during which the surface pressure applied to the intermediate product 1i is increased to the maximum surface pressure PMAX may be changed. For example, maintaining the surface pressure applied to the intermediate product 1i at the first surface pressure P1 over a set time may be omitted.

続いて、図６及び図７に図示される温度プロファイルにおいては、中間品１ｉの温度が、最高温度ＴＭＡＸから室温まで下げられる。また、図６及び図７に図示される面圧プロファイルにおいては、中間品１ｉに加える面圧が、最高面圧ＰＭＡＸから面圧０付近まで下げられる。 Subsequently, in the temperature profiles illustrated in FIGS. 6 and 7, the temperature of the intermediate product 1i is lowered from the maximum temperature TMAX to room temperature. Further, in the contact pressure profiles illustrated in FIGS. 6 and 7, the contact pressure applied to the intermediate product 1i is lowered from the maximum contact pressure PMAX to around 0 contact pressure.

図６に図示される参考例の面圧プロファイルにおいては、中間品１ｉの温度を最高温度ＴＭＡＸから下げることが開始された直後に、中間品１ｉへの加圧が終了させられる。これに対して、図７に図示される第１実施形態の面圧プロファイルにおいては、中間品１ｉに加える面圧が０．１ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下に維持されたまま、中間品１ｉの温度が最高温度から７０℃以下まで下げられる。中間品１ｉに加える面圧が０．１ＭＰａ以上に維持されることにより、中間品１ｉの温度が下げられている間に中間品１ｉに加えられる面圧により銅板１２ｉが塑性変形する。このため、銅の熱膨張率が窒化ケイ素セラミックスの熱膨張率と大きく異なることに起因する応力が接合基板１に残留することを抑制することができる。これにより、接合基板１に発生する反り、クラック等を抑制することができる。上述の７０℃という温度は、数時間以内で銅板１２の内部の歪を除去することができる最低の温度である。また、中間品１ｉに加える面圧が３０ＭＰａ以下に維持されることにより、中間品１ｉに加えられる面圧により中間品１ｉが損傷することを抑制することができる。例えば、中間品１ｉに備えられる窒化ケイ素セラミックス基板１１が割れることを抑制することができる。 In the surface pressure profile of the reference example illustrated in FIG. 6, immediately after the temperature of the intermediate product 1i starts to be lowered from the maximum temperature TMAX, the pressurization of the intermediate product 1i is terminated. On the other hand, in the contact pressure profile of the first embodiment illustrated in FIG. The temperature can be lowered from below to 70℃. By maintaining the surface pressure applied to the intermediate product 1i at 0.1 MPa or more, the copper plate 12i is plastically deformed by the surface pressure applied to the intermediate product 1i while the temperature of the intermediate product 1i is being lowered. Therefore, stress caused by the fact that the coefficient of thermal expansion of copper is significantly different from that of silicon nitride ceramics can be suppressed from remaining in the bonded substrate 1. Thereby, warpage, cracks, etc. occurring in the bonded substrate 1 can be suppressed. The temperature of 70° C. mentioned above is the lowest temperature at which the strain inside the copper plate 12 can be removed within several hours. Further, by maintaining the surface pressure applied to the intermediate product 1i at 30 MPa or less, damage to the intermediate product 1i due to the surface pressure applied to the intermediate product 1i can be suppressed. For example, cracking of the silicon nitride ceramic substrate 11 included in the intermediate product 1i can be suppressed.

望ましくは、中間品１ｉに加える面圧が１０ＭＰａ以上に維持されたまま、前記中間品１ｉの温度が前記最高温度から７０℃以下まで下げられる。 Desirably, the temperature of the intermediate product 1i is lowered from the maximum temperature to 70° C. or less while the surface pressure applied to the intermediate product 1i is maintained at 10 MPa or more.

４ 実験
上述した接合基板１の製造方法にしたがって、図８に図示される接合基板１の試作品を試作した。図８に図示される接合基板１の試作品においては、窒化ケイ素セラミックス基板１１の一方の主面１１ｓａのみに銅板１２が接合されている。活性金属ろう材に含まれる活性金属としては、チタンを用いた。活性金属ろう材に含まれる活性金属以外の金属としては、銀を用いた。脱バインダ温度ＴＢは、５５０℃とした。最高温度ＴＭＡＸは、８２０℃とした。第１の面圧Ｐ１は、２．５ＭＰａとした。第２の面圧（最高面圧）ＰＭＡＸは、２２ＭＰａとした。中間品１ｉの温度を下げる間に中間品１ｉに加える面圧は、６．３ＭＰａ、１２．５ＭＰａ、１８．４ＭＰａ及び３７．５ＭＰａとした。 4 Experiment A prototype of the bonded substrate 1 shown in FIG. 8 was manufactured according to the method for manufacturing the bonded substrate 1 described above. In the prototype of the bonded substrate 1 shown in FIG. 8, the copper plate 12 is bonded only to one main surface 11sa of the silicon nitride ceramic substrate 11. Titanium was used as the active metal contained in the active metal brazing material. Silver was used as a metal other than the active metal contained in the active metal brazing material. The binder removal temperature TB was set to 550°C. The maximum temperature TMAX was 820°C. The first surface pressure P1 was 2.5 MPa. The second surface pressure (maximum surface pressure) PMAX was 22 MPa. The surface pressures applied to the intermediate product 1i while lowering the temperature of the intermediate product 1i were 6.3 MPa, 12.5 MPa, 18.4 MPa, and 37.5 MPa.

中間品１ｉに加える面圧を６．３ＭＰａ、１２．５ＭＰａ及び１８．４ＭＰａとして試作された接合基板１の試作品について、温度変化が与えられた際の反り量を測定した。その結果を図９のグラフに示す。中間品１ｉに加える面圧を３７．５ＭＰａとして試作された接合基板１の試作品の反り量が図９のグラフに示されていないのは、図１０に図示されるように窒化ケイ素セラミックス基板１１が破損したためである。 The amount of warpage when a temperature change was applied was measured for prototypes of the bonded substrate 1, which were produced with surface pressures applied to the intermediate product 1i of 6.3 MPa, 12.5 MPa, and 18.4 MPa. The results are shown in the graph of FIG. The graph of FIG. 9 does not show the amount of warpage of the prototype bonded substrate 1, which was produced with a surface pressure of 37.5 MPa applied to the intermediate product 1i, because the silicon nitride ceramic substrate 11 is not shown in the graph of FIG. This is because it was damaged.

試作品の反り量は、レーザー変位計により測定された、図１１のグラフに示される窒化ケイ素セラミックス基板１１の他方の主面１１ｓｂの形状プロファイルから算出された。その際には、窒化ケイ素セラミックス基板１１の他方の主面１１ｓｂが凸状の面となっている場合は反り量に負の値を付与し、窒化ケイ素セラミックス基板１１の他方の主面１１ｓｂが凹状の面となっている場合は反り量に正の値を付与した。反り量が負の値を有することは、窒化ケイ素セラミックス基板１１に引張応力が残留していることを意味する。反り量が正の値を有することは、窒化ケイ素セラミックス基板１１に圧縮応力が残留していることを意味する。 The amount of warpage of the prototype was calculated from the shape profile of the other main surface 11sb of the silicon nitride ceramic substrate 11 shown in the graph of FIG. 11, which was measured using a laser displacement meter. At that time, if the other main surface 11sb of the silicon nitride ceramic substrate 11 is a convex surface, a negative value is given to the amount of warpage, and the other main surface 11sb of the silicon nitride ceramic substrate 11 is a concave surface. If the surface was oriented, a positive value was assigned to the amount of warpage. The fact that the amount of warpage has a negative value means that tensile stress remains in the silicon nitride ceramic substrate 11. The fact that the amount of warpage has a positive value means that compressive stress remains in the silicon nitride ceramic substrate 11 .

図９のグラフに示される反り量の温度変化からは、中間品１ｉが試作される際に中間品１ｉに加えられる面圧が６．３ＭＰａである場合は、室温の付近において、反り量が負の値を有し、窒化ケイ素セラミックス基板１１に引張応力が残留していることを理解することができる。また、室温の付近における反り量の温度変化を外挿することにより、約３００℃において反り量が０になると予想されることを理解することができる。 From the temperature change in the amount of warpage shown in the graph of FIG. 9, if the surface pressure applied to the intermediate product 1i is 6.3 MPa when the intermediate product 1i is prototyped, the amount of warpage will be negative near room temperature. It can be understood that tensile stress remains in the silicon nitride ceramic substrate 11. Further, by extrapolating the temperature change in the amount of warpage around room temperature, it can be understood that the amount of warpage is expected to become 0 at about 300°C.

また、図９のグラフに示される反り量の温度変化からは、中間品１ｉが試作される際に中間品１ｉに加えられる面圧が１２．５ＭＰａ又は１８．４ＭＰａである場合は、室温の付近において、反り量が０の付近の値を有し、窒化ケイ素セラミックス基板１１にわずかな引張応力及び圧縮応力しか残留していないことを理解することができる。また、約７０℃において反り量が０になることを理解することができる。 Furthermore, from the temperature change of the amount of warpage shown in the graph of FIG. It can be seen that the amount of warpage has a value near 0, and that only slight tensile stress and compressive stress remain in the silicon nitride ceramic substrate 11. It can also be seen that the amount of warpage becomes 0 at about 70°C.

また、中間品１ｉが試作される際に中間品１ｉに加えられる面圧が６．３ＭＰａである場合の反り量の温度変化と中間品１ｉが試作される際に中間品１ｉに加えられる面圧が１２．５ＭＰａ又は１８．４ＭＰａである場合の反り量の温度変化とを比較することにより、中間品１ｉに加える面圧を上げることにより、窒化ケイ素セラミックス基板１１に残留する応力を低下させることができることを理解することができる。 In addition, the temperature change in the amount of warpage when the surface pressure applied to the intermediate product 1i when the intermediate product 1i is prototyped is 6.3 MPa, and the surface pressure applied to the intermediate product 1i when the intermediate product 1i is prototyped. By comparing the temperature change in the amount of warpage when be able to understand what is possible.

また、中間品１ｉが試作される際に中間品１ｉの温度を下げることを開始した直後に中間品１ｉへの加圧を終了した点を除いて、上述した接合基板１の製造方法にしたがって、図１に図示される接合基板１の試作品を試作し、試作した接合基板１の試作品の断面を観察した。その結果を図１２に図示する。図１２からは、当該接合基板１の試作品に備えらえる窒化ケイ素セラミックス基板１１に銅板１２の端面の付近を起点とするクラックが発生していることを理解することができる。 Further, according to the method for manufacturing the bonded substrate 1 described above, except that the pressure applied to the intermediate product 1i was finished immediately after starting to lower the temperature of the intermediate product 1i when the intermediate product 1i was prototyped, A prototype of the bonded substrate 1 shown in FIG. 1 was manufactured, and the cross section of the prototype of the bonded substrate 1 was observed. The results are illustrated in FIG. From FIG. 12, it can be seen that cracks have occurred in the silicon nitride ceramic substrate 11 provided in the prototype of the bonded substrate 1, starting near the end surface of the copper plate 12.

この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。 Although this invention has been described in detail, the above description is illustrative in all aspects, and the invention is not limited thereto. It is understood that countless variations not illustrated can be envisaged without departing from the scope of the invention.

１ 接合基板
１１ 窒化ケイ素セラミックス基板
１２，１２ｉ 銅板
１３ 接合層
１３ｉ ろう材層 1 Bonding substrate 11 Silicon nitride ceramic substrate 12, 12i Copper plate 13 Bonding layer 13i Brazing metal layer

Claims (3)

a) 主面を有する窒化ケイ素セラミックス基板を準備する工程と、
b) 前記主面上にろう材層を形成する工程と、
c) 前記ろう材層上に銅板を配置して前記窒化ケイ素セラミックス基板、前記ろう材層及び前記銅板を備える中間品を得る工程と、
d) 前記中間品に対してホットプレスを行って、前記銅板を前記窒化ケイ素セラミックス基板に接合する接合層を生成させる工程と、
を備え、
前記ろう材層は、活性金属としてのチタンと前記活性金属以外の金属としての銀とを含み、
前記工程d)は、
d-1) 接合のための加圧を前記中間品に対して行わずに前記中間品の温度を脱バインダ温度まで上げて前記バインダの脱バインダを行う工程と、
d-2) 前記中間品に加える面圧を、あらかじめ設定されている面圧プロファイルにおける５ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下の最高面圧まで上げ、前記中間品の温度を最高温度まで上げる工程と、
d-3) 前記中間品に加える面圧を６．３ＭＰａ以上３０ＭＰａ以下に維持したまま、前記中間品の温度を前記最高温度から室温以上７０℃以下まで下げる工程と、
を備え、前記工程d-2)は、
d-2-1) 接合のための加圧を前記中間品に対して行うことを開始した後に、前記中間品に加える面圧を前記最高面圧よりも低い第１の面圧まで上げ前記第１の面圧で維持する工程と、
d-2-2) 前記中間品に加える面圧を前記第１の面圧から前記最高面圧まで上げる工程と、
を備える
接合基板の製造方法。 a) preparing a silicon nitride ceramic substrate having a main surface;
b) forming a brazing material layer on the main surface;
c) placing a copper plate on the brazing material layer to obtain an intermediate product comprising the silicon nitride ceramic substrate, the brazing material layer, and the copper plate;
d) performing hot pressing on the intermediate product to generate a bonding layer that bonds the copper plate to the silicon nitride ceramic substrate;
Equipped with
The brazing material layer contains titanium as an active metal and silver as a metal other than the active metal,
The step d) is
d-1) removing the binder by increasing the temperature of the intermediate product to a binder removal temperature without applying pressure to the intermediate product for bonding;
d- 2 ) increasing the surface pressure applied to the intermediate product to a maximum surface pressure of 5 MPa or more and 30 MPa or less in a preset surface pressure profile , and raising the temperature of the intermediate product to the maximum temperature;
d -3 ) lowering the temperature of the intermediate product from the maximum temperature to room temperature or higher and 70°C or lower while maintaining the surface pressure applied to the intermediate product at 6.3 MPa or more and 30 MPa or less;
The step d-2) comprises:
d-2-1) After starting to apply pressure for joining to the intermediate product, increase the surface pressure applied to the intermediate product to a first surface pressure lower than the maximum surface pressure, and a step of maintaining a surface pressure of 1;
d-2-2) increasing the surface pressure applied to the intermediate product from the first surface pressure to the highest surface pressure;
A method for manufacturing a bonded substrate comprising: 前記工程d-3)は、前記中間品に加える面圧を１０ＭＰａ以上に維持する
請求項１の接合基板の製造方法。 2. The method of manufacturing a bonded substrate according to claim 1, wherein in said step d- 3 ), the surface pressure applied to said intermediate product is maintained at 10 MPa or more. 前記工程d-3)は、前記中間品に加える面圧を１２．５ＭＰａ以上に維持するIn step d-3), the surface pressure applied to the intermediate product is maintained at 12.5 MPa or more.
請求項２の接合基板の製造方法。The method for manufacturing a bonded substrate according to claim 2.
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