JP7451964B2 - Cu合金板およびその製造方法 - Google Patents
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Description
上記の各接合方法は、セラミック基板とCu板とを、ろう材もしくは酸化Cuを介して積層して積層体とし、この積層体を、加熱炉中で、例えば、500℃以上1050℃以下の条件で加熱接合される(例えば、特許文献1)。
粗大化したCuの結晶粒は、配線パターンの外観検査等で結晶粒界を欠陥であると誤認される不具合が生じる。このため、セラミック配線基板に用いられるCu板は、上述の加熱接合を受けた後でも結晶粒の粗大化を抑える必要がある。
本発明のCu合金板は、0.003質量%以上0.010質量%未満のZrを含有し、残部がCuおよび不可避的不純物からなる組成を有し、導電率が98%IACS以上であり、900℃で1時間加熱した後の圧延面における平均結晶粒径が50μm以上300μm以下である。
本発明のCu合金板は、900℃で1時間加熱した後の圧延面における平均結晶粒径を300μm以下にする。これにより、本発明のCu合金板は、その圧延面の結晶粒が目視で確認することの困難な程に十分細かく、外観検査の画像処理において、結晶粒界と疵との判別が容易になる。また、上記と同様の理由から、本発明の実施形態にかかるCu合金板は、900℃で1時間加熱した後の圧延面における平均結晶粒径を280μm以下が好ましく、260μm以下がより好ましい。
また、セラミック基板とCu合金板では熱膨張率が異なるため、上述の加熱接合により接合されたセラミック基板とCu合金板との接合体が冷却される際に、Cu合金板がセラミック基板よりもより大きく収縮しようとする。本発明のCu合金板は、上述の平均結晶粒径を50μm以上にすることで、加熱接合後の冷却における、セラミック基板とCu合金板の収縮量の差を吸収させることができ、接合部の剥がれやセラミック基板の破損を抑制することができる。
これに対し、本発明のCu合金板は、Cu合金板の900℃で1時間加熱した後の圧延面における平均結晶粒径を50μm以上にすることで、半導体素子の発熱によって生じる、セラミック基板とCu合金板との熱膨張差を緩和できることに加え、Cu合金板における結晶粒成長の助長化を抑制できる。このため、本発明のCu合金板は、セラミック基板との接合部の剥がれや、セラミック基板の破損を抑制できる。また、過度な硬さの上昇を抑え、Cu合金板を製造する際のハンドリング時に生じる割れや欠けを抑制する観点から、本発明の実施形態にかかるCu合金板は、900℃で1時間加熱した後の圧延面における平均結晶粒径を200μm以上にすることが好ましく、220μm以上がより好ましい。
そして、パワーデバイスの実装基板として用いられるセラミック配線基板では、Cu配線に大きな電流が流れるため、上述した純Cu板に相当する優れた導電性や熱伝導性を具備する材料を、配線パターンの材料として用いることが求められる。このため、本発明のCu合金板は、こうした要求に合ったものであるといえる。そして、本発明のCu合金板は、導電率が99%IACS以上であることが好ましい。
Cu合金板中に含まれる微量成分の種類とその含有量は、Cu合金板の導電率や加熱接合した後の結晶粒径に大きく影響を及ぼす。一般に、微量成分の含有量が多くなるほど導電率は低下する一方、同時に、加熱接合において結晶粒が粗大化することを抑制する効果が得られる。
本発明のCu合金板は、上記の特性を得るためにZrを採用する。そして、Cu合金板におけるZrの含有量は、0.003質量%以上にすることで、900℃で1時間加熱した後の平均結晶粒径を300μm以下に抑えることができる。また、上記と同様の理由から、Zrの含有量は、0.005質量%以上にすることが好ましい。
一方、Cu合金板へのZrの含有量は、0.010質量%未満にすることで、98%IACS以上の導電率を安定して維持することができる。また、Cu合金板へのZrの含有量は、0.010質量%未満にすることで、過度な硬さの上昇が抑制され、Cu合金板の切断時のバリの発生を抑制できる上、割れや欠けの誘発を抑制できる。また、上記と同様の理由から、Zrの含有量は、0.009質量%以下にするこが好ましい。
Agは、Zrよりも含有量に対する導電率の低下が少ない元素である。また、Agは、高温加熱において結晶粒が粗大化することを抑制する効果も持つ。本発明の実施形態にかかるCu合金板は、Zrと共にAgを複合で含有させることにより、導電率のさらなる低下を抑制しつつ、結晶粒の粗大化を抑制する効果を高めることができる。
ここで、Cu合金板へのAgの含有量は、0.03質量%以上にすることで、結晶粒の粗大化を抑制する効果を維持することができる。上記と同様の理由から、Agの含有量は、0.04質量%以上にすることが好ましい。
一方、Cu合金板へのAgの含有量は、0.08質量%以下にすることで、導電率の低下を抑制できる。また、上記と同様の理由から、Agの含有量は、0.06質量%以下にすることが好ましい。
本発明のCu合金板は、上述した添加元素の含有量を調整し、0.003質量%以上0.010質量%未満のZrを含有し、残部がCuおよび不可避的不純物からなるCu合金を鋳造し、これに熱間圧延を行なった後、熱処理を挿んだ冷間圧延を行ない、目的の製品板厚まで加工することにより得る。ここで、本発明の意図する特性を安定して得るためには、先ず、熱間圧延を行なった後、熱処理を挿んだ冷間圧延により、最終的な製品板厚の1.4倍以上2.0倍以下の板厚まで加工して素材を得る。そして、この素材を750℃以上950℃未満に加熱してから、毎分50℃以上の降温速度で300℃以下まで冷却する熱処理を行ない、圧延面における平均結晶粒径を50μm以上300μm以下に調整する。そして、この素材を製品板厚まで冷間圧延することで、本発明のCu合金板を得ることができる。
ここで、結晶粒の粗大化に影響する因子の一つとして、Cu合金板の内部に蓄積された歪みがあり、この歪みの蓄積量が多くなると、結晶粒が粗大化しやすくなる。一方、歪みの蓄積量が少なくなると、Cu合金板は軟らかくなるため、切断時にバリを発生させたり、ハンドリング時に変形を誘発させたりする等、製造する際の取り扱いが難しくなる。
また、本発明の製造方法において、熱処理を行なう素材の板厚は、得ようとする製品板厚の1.4倍以上にすることで、Cu合金板に蓄積される歪みの量を適性化でき、Cu合金板の硬さを適正に維持でき、切断時のバリの発生を抑制できる上、ハンドリング時の変形を抑制できる等、製造する際の取り扱いが容易になる。
一方、熱処理の加熱温度は、950℃未満にすることで、Zrの析出物を微細にすることができ、加熱接合時の結晶粒粗大化を抑制できることに加え、導電率の低下を抑えることもできる。
本発明の主旨である、加熱接合後の結晶粒粗大化を抑制する効果を安定して得るためには、Zrの析出物を大きく成長させないことが重要である。ここで、Cu中のZrは、400℃以上600℃以下の範囲で加熱保持されると析出し、析出物の成長が進む。このため、本発明の製造方法において、400℃以上600℃以下の温度領域で加熱される時間をなるべく短くすることが重要である。
したがって、本発明の製造方法において、素材に施す熱処理は、毎分50℃以上の降温速度で300℃以下まで冷却する。これにより、本発明の製造方法は、得られるCu合金板のZrの析出物の成長を抑制でき、加熱接合後の結晶粒粗大化を抑制できる。
本発明のCu合金板は、セラミック基板との間に、接合層を介して接合される。そして、その接合層は、直接接合法または活性金属ろう付け法等によって形成できる。
また、活性金属ろう付け法は、Cu板とセラミック基板をTiなどの活性金属を含むろう材を挿んで積層し、所定の条件(例えば800℃以上1000℃以下の温度で5分加熱など)で加熱して、ろう材を溶融した後に冷却することで接合する方法である。そして、本発明のCu合金板に、この活性金属ろう付け法を適用すると、Cu合金板とセラミック基板の間に形成される接合層は、ろう材層となる。
このインゴットを加熱して、厚さ5mmまで熱間圧延した後、冷間圧延によって厚さ0.5mmまで加工して、Cu合金素材を得た。各Cu合金素材に対して、表1に示す条件で加熱した後、各降温速度で300℃以下まで冷却する熱処理を行なった。
熱処理後の各Cu合金素材の結晶組織を観察し、熱処理後の圧延面における平均結晶粒径を測定した。
従来例となる試料No.11の純CuからなるCu板は、900℃で1時間加熱後の平均結晶径が700μmを超える程度まで大きく成長していた。
比較例となる試料No.12、No.13、No.15、No.22~No.24は、いずれも、導電率が96%IACS以下であった。また、比較例となる試料No.14、No.16~No.24は、いずれも、900℃で1時間加熱後の平均結晶粒径が300μmを超えていた。
また、本発明のCu合金板は、従来の純Cu板に相当する優れた導電性を維持できることも確認できた。
Claims (3)
- 0.003質量%以上0.010質量%未満のZrを含有し、残部がCuおよび不可避的不純物からなる組成を有し、導電率が98%IACS以上であり、900℃で1時間加熱した後の圧延面における平均結晶粒径が50μm以上300μm以下であるCu合金板。
- 0.003質量%以上0.010質量%未満のZrと、0.03質量%以上0.08質量%以下のAgを含有し、残部がCuおよび不可避的不純物からなる組成を有し、導電率が98%IACS以上であり、900℃で1時間加熱した後の圧延面における平均結晶粒径が50μm以上300μm以下であるCu合金板。
- 0.003質量%以上0.010質量%未満のZrを含有し、残部がCuおよび不可避的不純物からなるCu合金を鋳造し、または、0.003質量%以上0.010質量%未満のZrと、0.03質量%以上0.08質量%以下のAgを含有し、残部がCuおよび不可避的不純物からなるCu合金を鋳造し、熱間圧延を行なった後、熱処理を挿んだ冷間圧延により、最終的な製品板厚の1.4倍以上2.0倍以下の板厚まで加工して得た素材を、750℃以上950℃未満で加熱した後、毎分50℃以上の降温速度で300℃以下まで冷却する熱処理を行ない、平均結晶粒径を50μm以上300μm以下にした後、前記素材を前記製品板厚まで圧延する請求項1または請求項2に記載のCu合金板の製造方法。
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