WO2018003845A1 - 銅/セラミックス接合体、及び、絶縁回路基板 - Google Patents
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- 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
Definitions
- the present invention relates to a copper / ceramic bonded body obtained by bonding a copper member made of copper or a copper alloy and a ceramic member made of silicon nitride, and copper made of copper or a copper alloy on the surface of a ceramic substrate made of silicon nitride.
- the present invention relates to an insulated circuit board on which a layer is formed.
- Semiconductor devices such as LEDs and power modules have a structure in which a semiconductor element is bonded on a circuit layer made of a conductive material.
- a power semiconductor element for large power control used for controlling wind power generation, electric vehicles, hybrid cars, etc.
- the amount of heat generated is large. Therefore, as a substrate on which such a power semiconductor element is mounted, for example, aluminum nitride
- an insulating circuit board provided with a layer has been widely used.
- a substrate in which a metal layer is formed by bonding a metal plate to the other surface of a ceramic substrate is also provided.
- the ceramic substrate made of silicon nitride (Si 3 N 4 ) is particularly excellent in strength.
- Patent Document 1 discloses an insulating circuit in which a first metal plate and a second metal plate constituting a circuit layer and a metal layer are copper plates, and the copper plates are directly bonded to a ceramic substrate by a DBC (Direct Bonded Copper) method.
- a substrate has been proposed.
- DBC Direct Bonded Copper
- this DBC method by utilizing a eutectic reaction between copper and copper oxide, a liquid phase is generated at the interface between the copper plate and the ceramic substrate, thereby bonding the copper plate and the ceramic substrate.
- Patent Document 2 proposes an insulated circuit board in which a circuit layer and a metal layer are formed by bonding a copper plate to one surface and the other surface of a ceramic substrate.
- a copper plate is disposed on one surface and the other surface of a ceramic substrate with an Ag—Cu—Ti brazing material interposed therebetween, and heat treatment is performed (so-called copper plate is joined).
- Active metal brazing method since a brazing material containing Ti, which is an active metal, is used, the wettability between the molten brazing material and the ceramic substrate is improved, and the ceramic substrate and the copper plate are bonded well. .
- the bonding temperature is set to 1065 ° C. or higher (eutectic point temperature of copper and copper oxide or higher). Since it is necessary, the ceramic substrate may be deteriorated during bonding.
- the bonding temperature is compared with 900 ° C. As a result, the ceramic substrate deteriorates due to the high temperature.
- the brazing material does not sufficiently react with the ceramic substrate, and the bonding rate at the interface between the ceramic substrate and the copper plate is lowered. Cannot be provided. Further, when the bonding temperature at the time of bonding using the Ag—Cu—Ti brazing material is high, the nitride compound layer (titanium nitride layer) formed at the bonding interface grows thick, and this nitride compound layer (titanium nitride layer) There is a problem that cracks are likely to occur.
- the present invention has been made in view of the above-described circumstances, can suppress the occurrence of cracks in the nitride compound layer, and is a highly reliable copper / ceramic member in which a copper member and a ceramic member made of silicon nitride are reliably bonded.
- An object of the present invention is to provide a ceramic joined body and an insulated circuit board made of the copper / ceramic joined body.
- the copper / ceramic bonding body of the present invention is a copper / ceramic bonded body obtained by bonding a copper member made of copper or a copper alloy and a ceramic member made of silicon nitride.
- a ceramic joined body wherein one or two or more types of nitride forming elements selected from Ti, Nb, Hf, and Zr are sequentially formed from the ceramic member side at a joining interface between the copper member and the ceramic member.
- a nitride compound layer and an Ag—Cu eutectic layer are formed, and the thickness of the nitride compound layer is not less than 0.15 ⁇ m and not more than 1.0 ⁇ m, and is provided between the copper member and the ceramic member.
- there is an intermetallic compound phase comprising an intermetallic compound containing the nitride-forming element and Si, and Cu and Si are present at the grain boundaries of the nitride compound layer. .
- an Ag—Cu eutectic layer is formed at the bonding interface between the copper member and the ceramic member, and the nitride is interposed between the copper member and the ceramic member. Since an intermetallic compound phase composed of an intermetallic compound containing a forming element and Si exists, a sufficient decomposition reaction has occurred at the joint surface of the ceramic substrate made of silicon nitride, and the copper member and the ceramic member are A reliably bonded copper / ceramic bonded body can be obtained.
- the intermetallic compound phase is present inside the Ag—Cu eutectic layer or adjacent to the nitride compound layer containing one or more nitride forming elements selected from Ti, Nb, Hf, and Zr.
- the intermetallic compound phase may exist within 20 ⁇ m from the bonding interface between the copper member and the ceramic member toward the copper member.
- the nitride compound layer having a thickness of 0.15 ⁇ m or more and 1.0 ⁇ m or less is formed between the Ag—Cu eutectic layer and the ceramic member, and Cu and Si are present at the grain boundaries of the nitride compound layer. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the nitride compound layer, and there is no unreacted portion at the bonding interface between the copper member and the ceramic member, and the copper / ceramic bonding has high bonding strength. You can get a body.
- the copper / ceramic bonding article of the present invention it is preferable that Ag particles are dispersed in the nitride compound layer.
- the Ag particles are presumed to have been produced in the process in which the nitride forming element and nitrogen react to form the nitride compound layer described above. Therefore, by dispersing Ag particles in the nitride compound layer, the above-mentioned nitride compound layer is sufficiently formed, and a copper / ceramic bonded body in which the copper member and the ceramic member are securely bonded is obtained. Obtainable.
- the Ag particles dispersed in the nitride compound layer may have a particle size in the range of 10 nm to 100 nm.
- the Ag particles dispersed in the nitride compound layer are relatively fine with a particle size of 10 nm or more and 100 nm or less, and a nitride forming element and nitrogen (N) react to form the above-described nitride compound layer.
- N nitride forming element and nitrogen
- the average concentration C1 of Ag in the region from the interface on the ceramic member side to the position of 25% of the total thickness, and the interface on the copper member side is preferably 0.8 or less.
- the Ag concentration on the ceramic member side is higher than the Ag concentration on the copper member side, the interfacial reaction has progressed sufficiently, and the copper member and the ceramic member are surely connected. A bonded copper / ceramic bonded body can be obtained.
- the insulated circuit board of the present invention is an insulated circuit board in which a copper layer made of copper or a copper alloy is formed on the surface of a ceramic board made of silicon nitride, and the copper layer and the ceramic board are made of the above-mentioned copper / It is characterized by comprising a ceramic joined body.
- the copper layer and the ceramic substrate are composed of the above-described copper / ceramic bonded body, the ceramic substrate and the copper plate are reliably bonded, and the bonding reliability Can be secured.
- the copper layer bonded to the surface of the ceramic substrate is used as a circuit layer or a metal layer.
- ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, generation
- FIG. 3 is an enlarged explanatory view of the nitride compound layer shown in FIG. 2. It is a flowchart which shows the manufacturing method of the insulated circuit board which is the 1st Embodiment of this invention. It is explanatory drawing which shows the manufacturing method of the insulated circuit board which is the 1st Embodiment of this invention.
- 2 is an SEM (scanning electron microscope) image of a cross section in the copper / ceramic bonding body of Example 1 of the present invention.
- 2 is a STEM (scanning transmission electron microscope) image in the copper / ceramic bonding body of Example 1 of the present invention.
- brazing filler material is not necessarily limited to a material containing lead.
- the copper / ceramic bonded body according to the present embodiment is an insulated circuit board 10 configured by bonding a ceramic substrate 11 as a ceramic member and a copper plate 22 (circuit layer 12) as a copper member.
- FIG. 1 shows an insulated circuit board 10 and a power module 1 using the insulated circuit board 10 according to the first embodiment of the present invention.
- the power module 1 includes an insulating circuit board 10, a semiconductor element 3 bonded to a surface on one side (the upper side in FIG. 1) of the insulating circuit board 10 via a solder layer 2, and the other side of the insulating circuit board 10. And a heat sink 51 (on the lower side in FIG. 1).
- the solder layer 2 is made of, for example, a Sn—Ag, Sn—In, or Sn—Ag—Cu solder material.
- the insulated circuit board 10 is arranged on the ceramic substrate 11, the circuit layer 12 disposed on one surface (the upper surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11, and the other surface (lower surface in FIG. 1) of the ceramic substrate 11. And a metal layer 13 provided.
- the ceramic substrate 11 prevents electrical connection between the circuit layer 12 and the metal layer 13, and in this embodiment, the ceramic substrate 11 is made of silicon nitride (Si 3 N 4 ) having high insulation properties.
- the thickness of the ceramic substrate 11 is set within a range of 0.2 to 1.5 mm, and is set to 0.32 mm in the present embodiment.
- the circuit layer 12 is formed by bonding a copper plate 22 made of copper or a copper alloy to one surface of the ceramic substrate 11.
- copper or a copper alloy oxygen-free copper, tough pitch copper, or the like can be used.
- an oxygen-free copper rolled plate is used as the copper plate 22 constituting the circuit layer 12.
- a circuit pattern is formed on the circuit layer 12, and one surface (the upper surface in FIG. 1) is a mounting surface on which the semiconductor element 3 is mounted.
- the thickness of the circuit layer 12 is set in a range of 0.1 mm or more and 3.0 mm or less, and is set to 0.6 mm in the present embodiment.
- the metal layer 13 is formed by bonding an aluminum plate 23 to the other surface of the ceramic substrate 11.
- the metal layer 13 is formed by joining an aluminum plate 23 made of a rolled plate of aluminum (so-called 4N aluminum) having a purity of 99.99 mass% or more to the ceramic substrate 11.
- the aluminum plate 23 has a 0.2% proof stress of 30 N / mm 2 or less.
- the thickness of the metal layer 13 (aluminum plate 23) is set within a range of 0.1 mm or more and 6 mm or less, and is set to 2.0 mm in the present embodiment.
- the heat sink 51 is for cooling the insulating circuit board 10 described above, and includes a top plate portion 52 joined to the insulating circuit board 10 and a flow path 53 for circulating a cooling medium (for example, cooling water). ing.
- the heat sink 51 (top plate portion 52) is preferably made of a material having good thermal conductivity, and is made of A6063 (aluminum alloy) in the present embodiment.
- the heat sink 51 (top plate portion 52) is directly bonded to the metal layer 13 of the insulating circuit board 10 using a brazing material.
- the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 are composed of one or more nitride forming elements selected from Ag, Cu, Ti, Nb, Hf, and Zr.
- Ag—Cu—Ti brazing material 24 containing Ti as a nitride forming element is used for bonding.
- a nitride compound layer 31 and an Ag—Cu eutectic layer 32 are formed at the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 12 (copper plate 22).
- an intermetallic compound phase 33 made of an intermetallic compound containing a nitride forming element (Ti in this embodiment) and Si exists between the circuit layer 12 (copper plate 22) and the ceramic substrate 11. .
- the intermetallic compound phase 33 is composed of Ti 5 Si 3 .
- the nitride compound layer 31 has a columnar crystal structure, and Cu and Si 34 exist at the grain boundaries 31a of the columnar crystals. Note that Cu and Si 34 present at the grain boundaries 31a of the nitride compound layer 31 are observed at an acceleration voltage of 200 kV and a magnification of 910,000 times using a transmission electron microscope (TITA ChemiSTEM manufactured by FEI Co.).
- the thickness t of the nitride compound layer 31 is set to 0.15 ⁇ m or more and 1.0 ⁇ m or less.
- the thickness t of the nitride compound layer 31 is preferably not less than 0.4 ⁇ m and not more than 0.8 ⁇ m.
- Ag particles 35 are dispersed in the nitride compound layer 31.
- Ag particles 35 are widely distributed on the ceramic substrate 11 side of the nitride compound layer 31, and the Ag concentration in the region near the interface from the interface with the ceramic substrate 11 to 500 nm in the nitride compound layer 31 is 0.3 atomic% or more. Preferably, it is within the range of 0.3 atomic% or more and 15 atomic% or less.
- 90% or more (number ratio) of the Ag particles 35 observed in the nitride compound layer 31 is distributed in the vicinity of the interface.
- a more preferable ratio of the Ag particles 35 distributed in the vicinity of the interface is 95% or more, and the upper limit is 100%, but is not limited thereto.
- the particle size of Ag particles dispersed in the nitride compound layer 31 is in the range of 10 nm to 100 nm.
- the particle size of the Ag particles may be set within a range of 10 nm to 50 nm.
- the interface from the interface on the ceramic substrate 11 side (interface with the ceramic substrate 11) to the position of 25% of the total thickness t of the nitride compound layer 31.
- the ratio C2 / C1 between the average concentration C1 of Ag in the region A1 and the average concentration C2 of Ag in the region A2 from the interface on the copper plate 22 (circuit layer 12) side to the 25% position of the total thickness t of the nitride compound layer 31 is It is preferable to be 0.8 or less. Further, the lower limit of C2 / C1 is 0, preferably 0.01. In the present embodiment, as shown in FIG.
- one surface of the ceramic substrate 11 will contain Ag, Cu, and one or more nitride forming elements selected from Ti, Nb, Hf, and Zr.
- a copper plate 22 to be the circuit layer 12 is laminated via a material (in this embodiment, an Ag—Cu—Ti brazing material 24 containing Ti as a nitride forming element).
- the Cu content is preferably 18 mass% or more and 34 mass% or less
- the Ti content is preferably 0.3 mass% or more and 7 mass% or less. It is not limited to.
- a foil material is used as the Ag—Cu—Ti brazing material 24, and the thickness is preferably set in the range of 3 ⁇ m to 50 ⁇ m.
- the temperature integrated value obtained by multiplying the temperature at the Cu—Si eutectic temperature (804 ° C.) or higher and the time is 180 ° C. ⁇ min or higher and 3501 ° C. ⁇ min or lower (preferably 180 ° C.).
- the temperature rising rate, the holding temperature, the holding time, the temperature lowering rate, and the like are defined so as to be within the range of ° C ⁇ min to 3500 ° C ⁇ min.
- the bonding temperature exceeds 850 ° C., the Cu—Ti intermetallic compound formation reaction may proceed excessively and the ceramic substrate 11 may be cracked. For this reason, it is preferable that the upper limit of joining temperature shall be 850 degreeC.
- the lower limit of the temperature integrated value is preferably 250 ° C. ⁇ min, and more preferably 500 ° C. ⁇ min.
- the upper limit of the temperature integrated value is preferably 1900 ° C. ⁇ min, more preferably 1700 ° C. ⁇ min.
- the temperature integrated value obtained by multiplying the temperature above the Cu—Si eutectic temperature (804 ° C.) and time is within the above range, so as shown in FIG.
- An Ag—Cu eutectic liquid phase 38 is formed by the eutectic reaction of Ag and Cu.
- the Ag—Cu—Ti brazing material 24 is formed at the interface with the ceramic substrate 11.
- Si is formed by the reaction of the nitride-forming element (Ti) of this and the ceramic substrate 11 made of Si 3 N 4 , and this Si and Cu in the Ag—Cu—Ti brazing material 24 undergo a eutectic reaction to form Cu.
- a -Si eutectic liquid phase 39 is formed.
- Ti in the Ag—Cu—Ti brazing material 24 and N (nitrogen) in the ceramic substrate 11 react to generate titanium nitride.
- the nitride compound layer 31 made of titanium nitride is formed in such a manner that the surface of the ceramic substrate 11 is eroded.
- Si in the ceramic substrate 11 reacts with the nitride-forming element (Ti) in the Ag—Cu—Ti-based brazing filler metal 24, and the inter-metal containing the nitride-forming element (Ti in this embodiment) and Si.
- An intermetallic compound phase 33 made of a compound is formed.
- Cu and Si 34 exist at the grain boundaries of the nitride compound layer 31 that grows as columnar crystals by the above-described reaction.
- Ag particles 35 are dispersed in the nitride compound layer 31.
- an aluminum plate 23 to be the metal layer 13 is laminated on the other surface side of the ceramic substrate 11 with a brazing material 25 interposed therebetween.
- a brazing material 25 for example, an Al—Si based brazing foil can be used.
- the ceramic substrate 11 and the aluminum plate 23 in a state pressurized in the range of the stacking direction 1 kgf / cm 2 or more 35 kgf / cm 2 or less (9.8 ⁇ 10 4 Pa or more 343 ⁇ 10 4 Pa or less), vacuum
- the aluminum plate 23 and the ceramic substrate 11 are bonded to each other by charging in a heating furnace in a nitrogen atmosphere and heating.
- the brazing temperature is in the range of 600 ° C. to 650 ° C.
- the holding time is in the range of 15 min to 120 min.
- the insulated circuit board 10 which is this embodiment is manufactured by the above processes.
- the heat sink 51 is bonded to the other surface side of the metal layer 13 of the insulating circuit substrate 10.
- the insulating circuit board 10 and the heat sink 51 are laminated through the brazing material 26, pressurized in the laminating direction, and inserted into a vacuum furnace for brazing. Thereby, the metal layer 13 of the insulated circuit board 10 and the top plate portion 52 of the heat sink 51 are joined.
- an Al—Si brazing foil having a thickness of 20 to 110 ⁇ m can be used as the brazing material 26, and the brazing temperature is set lower than the brazing temperature in the aluminum plate joining step S04. It is preferable.
- semiconductor element mounting step S06 Next, the semiconductor element 3 is joined to one surface of the circuit layer 12 of the insulating circuit board 10 by soldering. Through the above steps, the power module 1 shown in FIG. 1 is produced.
- the copper plate 22 (circuit layer 12) made of oxygen-free copper and silicon nitride (Si 3 N 4 ) are used.
- An Ag—Cu eutectic layer 32 is formed at the bonding interface with the ceramic substrate 11, and nitride is formed between the copper plate 22 (circuit layer 12) and the ceramic substrate 11 made of silicon nitride (Si 3 N 4 ).
- a nitride compound layer 31 made of a nitride containing a nitride forming element (Ti in this embodiment) is formed, and Cu and Si 34 exist at the grain boundaries of this nitride compound layer 31. Therefore, the occurrence of cracks in the nitride compound layer 31 can be suppressed. Moreover, since the thickness of the nitride compound layer 31 is 0.15 ⁇ m or more, an unreacted portion is present at the bonding interface between the copper plate 22 (circuit layer 12) and the ceramic substrate 11 made of silicon nitride (Si 3 N 4 ). Insulating circuit board 10 having high bonding strength without occurrence can be obtained.
- the intermetallic compound phase 33 may be present inside the Ag—Cu eutectic layer 32 or may be present adjacent to the nitride compound layer 31.
- the intermetallic compound phase 33 may exist within 20 ⁇ m from the bonding interface between the copper plate 22 (circuit layer 12) and the ceramic substrate 11 toward the copper plate 22 (circuit layer 12).
- the nitride compound layer 31 is sufficiently formed at the time of bonding, and the copper plate 22 (circuit layer 12) and the ceramic substrate 11 are formed. And are more securely joined.
- the Ag particles 35 dispersed in the nitride compound layer 31 have a relatively fine particle size in the range of 10 nm to 100 nm, and nitride forming elements (in this embodiment, Ti ) And N (nitrogen) are presumed to be produced in the process of forming the above-mentioned nitride compound layer 31. Therefore, the nitride compound layer 31 is sufficiently formed at the interface of the ceramic substrate 11, and the insulating circuit substrate 10 in which the copper plate 22 (circuit layer 12) and the ceramic substrate 11 are reliably bonded can be obtained. .
- the nitride compound layer 31 is sufficient at the bonding interface of the ceramic substrate 11.
- the copper plate 22 (circuit layer 12) and the ceramic substrate 11 are firmly bonded.
- the average concentration C1 of Ag in the region A1 from the interface on the ceramic substrate 11 side to the position of 25% of the total thickness t of the nitride compound layer 31, and the nitridation from the interface on the copper plate 22 (circuit layer 12) side is 0.8 or less, and the Ag concentration on the ceramic substrate 11 side is the copper plate 22 (circuit layer). 12) Since it is higher than the side, the interfacial reaction has proceeded sufficiently, and it is possible to obtain the insulated circuit board 10 in which the copper plate 22 (circuit layer 12) and the ceramic substrate 11 are reliably bonded. .
- the temperature integrated value obtained by multiplying the temperature at the Cu—Si eutectic temperature (804 ° C.) or higher and the time is 180 ° C. ⁇ min or more and 3500 ° C. ⁇ min or less. Since the temperature rising rate, holding temperature, holding time, temperature falling rate, etc.
- the integrated temperature value obtained by multiplying the temperature at the Cu—Si eutectic temperature (804 ° C.) or higher and the time is within the range of 180 ° C. ⁇ min to 3500 ° C. ⁇ min.
- the temperature rising rate, the holding temperature, the holding time, the temperature lowering rate, etc. are defined, and the ceramic substrate 11 and the copper plate 22 are reliably bonded even if the temperature condition in the copper plate bonding step S02 is relatively low. can do. Therefore, deterioration of the ceramic substrate 11 can be suppressed.
- the bonding temperature is set to 850 ° C. or less, it is possible to suppress the Cu—Ti intermetallic compound formation reaction from proceeding excessively, and to suppress the occurrence of cracks in the ceramic substrate 11. .
- the copper / ceramic bonded body according to the present embodiment is configured by bonding a ceramic substrate 11 as a ceramic member, and a copper plate 122 (circuit layer 112) and a copper plate 123 (metal layer 113) as copper members.
- the insulating circuit board 110 is used.
- FIG. 7 shows an insulated circuit board 110 and a power module 101 using the insulated circuit board 110 according to the second embodiment of the present invention.
- the power module 101 includes an insulating circuit board 110, a semiconductor element 3 joined to a surface on one side (upper side in FIG. 7) of the insulating circuit board 110 via a first solder layer 2, and an insulating circuit board 110. And a heat sink 151 disposed on the other side (lower side in FIG. 7).
- the insulated circuit board 110 is disposed on the ceramic substrate 11, the circuit layer 112 disposed on one surface (the upper surface in FIG. 7) of the ceramic substrate 11, and the other surface (the lower surface in FIG. 7) of the ceramic substrate 11. And a metal layer 113 provided.
- the ceramic substrate 11 prevents electrical connection between the circuit layer 112 and the metal layer 113, and is made of silicon nitride (Si 3 N 4 ) having high insulating properties.
- the thickness of the ceramic substrate 11 is set within a range of 0.2 to 1.5 mm, and is set to 0.32 mm in the present embodiment.
- the circuit layer 112 is formed by bonding a copper plate 122 made of copper or a copper alloy to one surface of the ceramic substrate 11.
- a copper plate 122 made of copper or a copper alloy oxygen-free copper, tough pitch copper, or the like can be used.
- a rolled plate of tough pitch copper is used as the copper plate 122 constituting the circuit layer 112.
- a circuit pattern is formed on the circuit layer 112, and one surface (the upper surface in FIG. 7) is a mounting surface on which the semiconductor element 3 is mounted.
- the thickness of the circuit layer 112 is set within a range of 0.1 mm or more and 1.0 mm or less, and is set to 0.6 mm in the present embodiment.
- the metal layer 113 is formed by bonding a copper plate 123 made of copper or a copper alloy to the other surface of the ceramic substrate 11.
- a copper plate 123 made of copper or a copper alloy
- oxygen-free copper, tough pitch copper, or the like can be used.
- a rolled plate of tough pitch copper is used as the copper plate 123 constituting the metal layer 113.
- the thickness of the metal layer 113 is set within a range of 0.1 mm or more and 1.0 mm or less, and is set to 0.6 mm in the present embodiment.
- the heat sink 151 is for cooling the insulating circuit board 110 described above, and includes a heat radiating plate 152 joined to the insulating circuit board 110 and a cooler 154 stacked on the heat radiating plate 152. .
- the heat radiating plate 152 spreads heat from the above-described insulating circuit board 110 in the surface direction, and is made of copper or copper alloy having excellent thermal conductivity.
- the heat sink 152 and the metal layer 113 of the insulated circuit board 110 are joined via the second solder layer 8.
- the cooler 154 includes a flow path 153 for circulating a cooling medium (for example, cooling water).
- the cooler 154 is preferably made of a material having good thermal conductivity.
- the cooler 154 is made of A6063 (aluminum alloy).
- the heat sink 152 and the cooler 154 are fastened by a fixing screw 156 via a grease layer (not shown).
- the ceramic substrate 11 and the circuit layer 112 (copper plate 122), and the ceramic substrate 11 and the metal layer 113 (copper plate 123) are composed of Ag, Cu, Ti, Nb, Hf, Joined using a brazing material containing one or more nitride forming elements selected from Zr (in this embodiment, an Ag—Cu—Ti brazing material 124 containing Ti as the nitride forming element). .
- the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 112 (copper plate 122) and the bonding interface between the ceramic substrate 11 and the metal layer 113 (copper plate 123) are at the grain boundaries.
- a nitride compound layer in which Cu and Si are present and Ag particles are dispersed therein, and an Ag—Cu eutectic layer are formed.
- a nitride-forming element (Ti in this embodiment) and Si are included between the ceramic substrate 11 and the circuit layer 112 (copper plate 122) and between the ceramic substrate 11 and the metal layer 113 (copper plate 123).
- the thickness of the nitride compound layer is set to 0.15 ⁇ m or more and 1.0 ⁇ m or less. Since the thickness of the nitride compound layer is 0.15 ⁇ m or more, an unreacted portion may occur at the bonding interface between the copper plate 122 (circuit layer 112) and the ceramic substrate 11 made of silicon nitride (Si 3 N 4 ). Insulated circuit board 110 having a high bonding strength can be obtained. Furthermore, since the nitride compound layer has a thickness of 1.0 ⁇ m or less, the occurrence of cracks in the nitride compound layer can be suppressed, and the insulating circuit substrate 110 having high bonding strength can be obtained. The thickness of the nitride compound layer is preferably 0.4 ⁇ m or more and 0.8 ⁇ m or less.
- the intermetallic compound phase may be present inside the Ag—Cu eutectic layer or may be present adjacent to the nitride compound layer. Furthermore, the intermetallic compound phase may be present within 20 ⁇ m from the bonding interface between the circuit layer 112 (copper plate 122) and the ceramic substrate 11 toward the circuit layer 112 (copper plate 122). Moreover, it may exist within 20 micrometers toward the metal layer 113 (copper plate 123) from the joining interface of the ceramic substrate 11 and the metal layer 113 (copper plate 123).
- a copper plate 122 to be the circuit layer 112 is laminated on one surface of the ceramic substrate 11 with an Ag—Cu—Ti brazing material 124 interposed therebetween. Further, a copper plate 123 to be the metal layer 113 is laminated on the other surface of the ceramic substrate 11 with an Ag—Cu—Ti brazing material 124 interposed therebetween.
- the Ag—Cu—Ti brazing filler metal 124 the Cu content is preferably 18 mass% or more and 34 mass% or less, and the Ti content is preferably 0.3 mass% or more and 7 mass% or less. It is not limited to.
- a foil material is used as the Ag—Cu—Ti brazing material 124, and the thickness may be set in the range of 3 ⁇ m to 50 ⁇ m.
- the temperature integrated value obtained by multiplying the temperature above the Cu—Si eutectic temperature (804 ° C.) and time is integrated within the range of 180 ° C. ⁇ min to 3500 ° C. ⁇ min.
- a temperature rising rate, a holding temperature, a holding time, a temperature lowering rate, etc. are defined.
- the bonding temperature exceeds 850 ° C.
- the Cu—Ti intermetallic compound formation reaction proceeds excessively, and the ceramic substrate 11 may be cracked.
- the upper limit of joining temperature shall be 850 degreeC.
- the lower limit of the temperature integrated value is preferably 250 ° C. ⁇ min, and more preferably 500 ° C. ⁇ min.
- the upper limit of the temperature integrated value is preferably 1900 ° C. ⁇ min, more preferably 1700 ° C. ⁇ min.
- the temperature integrated value obtained by multiplying the temperature above the Cu—Si eutectic temperature (804 ° C.) and time is within the above range, so that the Ag—Cu eutectic liquid In the phase, Si is formed at the interface with the ceramic substrate 11 by the reaction between Ti in the Ag—Cu—Ti brazing material 124 and the ceramic substrate 11 made of silicon nitride (Si 3 N 4 ).
- a liquid phase is formed by eutectic reaction with Cu in the Ag—Cu—Ti brazing material 124.
- Ti in the Ag—Cu—Ti brazing material 124 reacts with N (nitrogen) in the ceramic substrate 11 to produce titanium nitride.
- the nitride compound layer is formed in such a manner that the surface of the ceramic substrate 11 is eroded.
- Si in the ceramic substrate 11 and Ti in the Ag—Cu—Ti brazing material 124 react to form an intermetallic compound phase.
- Cu and Si exist in the grain boundary of the nitride compound layer which grows as a columnar crystal by the above reaction.
- Ag particles are dispersed in the nitride compound layer.
- the insulated circuit board 110 which is this embodiment is manufactured by the above processes.
- the heat sink 152 is bonded to the other surface side of the metal layer 113 of the insulating circuit board 110.
- the insulating circuit board 110 and the heat radiating plate 152 are stacked via a solder material and inserted into a heating furnace, and the insulating circuit board 110 and the heat radiating plate 152 are soldered together.
- a cooler 154 is disposed on the other surface side of the heat sink 152.
- Grease (not shown) is applied between the heat radiating plate 152 and the cooler 154, and the heat radiating plate 152 and the cooler 154 are connected by a fixing screw 156.
- semiconductor element mounting step S105 Next, the semiconductor element 3 is joined to one surface of the circuit layer 112 of the insulating circuit board 110 by soldering. Through the above steps, the power module 101 shown in FIG. 7 is produced.
- the copper plate 122 (circuit layer 112) and the copper plate 123 (metal layer 113) made of tough pitch copper and silicon nitride ( The ceramic substrate 11 made of Si 3 N 4 ) is bonded to each other by using an Ag—Cu—Ti brazing material 124, and in the copper plate bonding step S102, the temperature is equal to or higher than the Cu—Si eutectic temperature (804 ° C.).
- the integrated temperature value obtained by multiplying the time and the time is within the above-described range, and therefore has the same bonding interface as that of the first embodiment, and the copper plate 122 (circuit layer 112) and the ceramic substrate 11 Insulating circuit board 110 in which copper plate 123 (metal layer 113) and ceramic substrate 11 are securely bonded can be obtained.
- the copper / ceramic bonded body according to the present embodiment is an insulating material formed by bonding a ceramic substrate 11 that is a ceramic member and a copper plate 222 (circuit layer 212) that is a copper member.
- the circuit board 210 is used.
- the ceramic substrate 11 is made of highly insulating silicon nitride (Si 3 N 4 ), and has the same configuration as that of the first and second embodiments.
- the circuit layer 212 is formed by bonding a copper plate 222 made of copper or a copper alloy such as oxygen-free copper or tough pitch copper to one surface of the ceramic substrate 11.
- the copper plate 222 is an oxygen-free copper rolled plate.
- the ceramic substrate 11 and the circuit layer 212 include Ag and one or more nitride forming elements selected from Ti, Nb, Hf, and Zr. Bonding is performed using a brazing material (in this embodiment, an Ag—Ti brazing material containing Ti as a nitride-forming element).
- a brazing material in this embodiment, an Ag—Ti brazing material containing Ti as a nitride-forming element.
- Cu and Si exist at the grain boundaries, and a nitride compound layer (with Ag particles dispersed therein) A titanium nitride layer) and an Ag—Cu eutectic layer.
- an intermetallic compound phase composed of an intermetallic compound containing a nitride-forming element (Ti in this embodiment) and Si exists (FIG. 2 and FIG. 3).
- the thickness of the nitride compound layer is set to 0.15 ⁇ m or more and 1.0 ⁇ m or less. Since the thickness of the nitride compound layer is 0.15 ⁇ m or more, an unreacted portion may be generated at the bonding interface between the copper plate 222 (circuit layer 212) and the ceramic substrate 11 made of silicon nitride (Si 3 N 4 ). Insulated circuit board 210 having high bonding strength can be obtained.
- the nitride compound layer has a thickness of 1.0 ⁇ m or less, the occurrence of cracks in the nitride compound layer can be suppressed, and the insulating circuit substrate 210 having high bonding strength can be obtained.
- the thickness of the nitride compound layer is preferably 0.4 ⁇ m or more and 0.8 ⁇ m or less.
- the intermetallic compound phase may be present inside the Ag—Cu eutectic layer or may be present adjacent to the nitride compound layer. Further, the intermetallic compound phase may exist within 20 ⁇ m from the bonding interface between the copper plate 222 (circuit layer 212) and the ceramic substrate 11 toward the copper plate 222 (circuit layer 212).
- an Ag—Ti brazing material paste 224 is applied to one surface of the ceramic substrate 11 by screen printing.
- the thickness of the Ag—Ti brazing paste 224 is 20 ⁇ m or more and 300 ⁇ m or less after drying.
- the Ag—Ti brazing paste 224 contains a powder component containing Ag and Ti, a resin, a solvent, a dispersant, a plasticizer, and a reducing agent.
- the content of the powder component is 40% by mass or more and 90% by mass or less of the entire Ag—Ti brazing paste 224.
- the viscosity of the Ag—Ti brazing paste 224 is adjusted to 10 Pa ⁇ s to 500 Pa ⁇ s, more preferably 50 Pa ⁇ s to 300 Pa ⁇ s.
- the composition of the powder component is such that the Ti content is 0.4 mass% or more and 75 mass% or less, and the balance is Ag and inevitable impurities. In this embodiment, 10% by mass of Ti is contained, and the balance is Ag and inevitable impurities.
- the alloy powder of Ag and Ti is used as a powder component containing Ag and Ti. This alloy powder is produced by an atomizing method, and the particle diameter is set to 40 ⁇ m or less, preferably 20 ⁇ m or less, more preferably 10 ⁇ m or less by sieving the produced alloy powder.
- the temperature integrated value obtained by multiplying the temperature above the Cu—Si eutectic temperature (804 ° C.) and time is integrated within the range of 180 ° C. ⁇ min to 3500 ° C. ⁇ min.
- a temperature rising rate, a holding temperature, a holding time, a temperature lowering rate, etc. are defined.
- the bonding temperature exceeds 850 ° C.
- the Cu—Ti intermetallic compound formation reaction proceeds excessively, and the ceramic substrate 11 may be cracked.
- the upper limit of joining temperature shall be 850 degreeC.
- the lower limit of the temperature integrated value is preferably 250 ° C. ⁇ min, and more preferably 500 ° C. ⁇ min.
- the upper limit of the temperature integrated value is preferably 1900 ° C. ⁇ min, more preferably 1700 ° C. ⁇ min.
- the temperature integrated value obtained by multiplying the temperature above the Cu—Si eutectic temperature (804 ° C.) and time is within the above range, so that the Ag—Cu eutectic liquid
- Si is formed at the interface with the ceramic substrate 11 by a reaction between Ti in the Ag—Ti brazing paste 224 and the ceramic substrate 11 made of silicon nitride (Si 3 N 4 ).
- a liquid phase is formed by eutectic reaction with Cu in 222.
- Ti in the Ag—Ti brazing paste 224 and N (nitrogen) in the ceramic substrate 11 react to form titanium nitride.
- a nitride compound layer made of titanium nitride is formed so that the surface of the ceramic substrate 11 is eroded.
- Si in the ceramic substrate 11 and Ti in the Ag—Ti brazing paste 224 react to form an intermetallic compound phase.
- Cu and Si exist in the grain boundary of the nitride compound layer which grows as a columnar crystal by the above reaction. Further, Ag particles are dispersed in the nitride compound layer.
- the insulated circuit board 210 which is this embodiment is manufactured by the above processes.
- the copper plate 222 (circuit layer 212) made of oxygen-free copper and silicon nitride (Si 3 N 4 ) are used.
- the ceramic substrate 11 is bonded using the Ag—Ti brazing paste 224.
- the temperature at the Cu—Si eutectic temperature (804 ° C.) or higher is multiplied and integrated. Since the temperature integrated value is within the above-described range, the insulating circuit board has a bonding interface similar to that of the first embodiment, and the copper plate 222 (circuit layer 212) and the ceramic substrate 11 are securely bonded. 210 can be obtained.
- the copper plate which comprises a circuit layer or a metal layer was demonstrated as an oxygen-free copper rolled plate, it is not limited to this, You may be comprised with other copper or copper alloys.
- the aluminum plate constituting the metal layer has been described as a rolled plate of pure aluminum having a purity of 99.99 mass%.
- the aluminum plate is not limited to this, and aluminum having a purity of 99 mass% (2N It may be composed of other aluminum or aluminum alloy such as (aluminum).
- the present embodiment has been described on the assumption that Ag particles are dispersed in the nitride compound layer, the present invention is not limited to this.
- the Ag particles dispersed in the nitride compound layer have been described as having a particle size in the range of 10 nm to 100 nm. However, Ag particles of other sizes may be dispersed. Good.
- the heat sink and the heat sink are not limited to those exemplified in the present embodiment, and the structure of the heat sink is not particularly limited. Further, a buffer layer made of aluminum, an aluminum alloy, or a composite material containing aluminum (for example, AlSiC) may be provided between the top plate portion of the heat sink or the heat radiating plate and the metal layer.
- a buffer layer made of aluminum, an aluminum alloy, or a composite material containing aluminum (for example, AlSiC) may be provided between the top plate portion of the heat sink or the heat radiating plate and the metal layer.
- Ti is used as a nitride forming element, and a nitride compound layer made of titanium nitride and an intermetallic compound phase containing Ti and Si have been described.
- the present invention is limited to this. There is no nitride compound layer containing the nitride-forming element and between the metal containing the nitride-forming element and Si using one or more nitride-forming elements selected from Ti, Nb, Hf, and Zr. It may have a compound phase.
- the ceramic substrate and the copper plate are joined using the Ag—Ti brazing paste, but the present invention is not limited to this, and the Ag—Cu—Ti paste is used. It may be used.
- the copper / ceramic bonding body has the same interface structure as that of the first embodiment.
- the Ag—Ti brazing paste is applied to the ceramic substrate, the present invention is not limited to this, and an Ag—Ti brazing paste or the like may be applied to the copper plate.
- the Ag—Ti brazing paste is applied by screen printing, the application method is not limited. Further, a step of drying the Ag—Ti brazing material paste may be provided before the lamination step (S202).
- the alloy powder of Ag and Ti was used as a powder component containing Ag and Ti, not only this but the mixed powder of Ag powder and Ti powder can be used.
- the particle size of the Ag powder used is 40 ⁇ m or less, preferably 20 ⁇ m or less, and more preferably 10 ⁇ m or less.
- TiH 2 powder instead of Ti powder.
- the composition of the powder component is such that the content of TiH 2 is 0.4 mass% or more and 50 mass% or less, and the balance is Ag and inevitable impurities.
- the particle size of the TiH 2 powder used is preferably 15 ⁇ m or less, more preferably 5 ⁇ m or less.
- the thickness of the applied paste is preferably 20 ⁇ m or more and 300 ⁇ m or less after drying. It is also possible to use a Ag powder, a Cu powder, a paste comprising a mixed powder of Ti powder or TiH 2 powder.
- one or more elements selected from In, Sn, Al, Mn and Zn may be added to the Ag—Cu—Ti brazing material and the Ag—Ti brazing material described in the above embodiment. it can.
- the bonding temperature can be further reduced.
- the Ag—Ti brazing material paste a paste made of Ti and one or more elements selected from In, Sn, Al, Mn, and Zn, and the balance of Ag and inevitable impurities can be used. .
- the bonding temperature can be further reduced.
- the Ag—Ti brazing paste described in the third embodiment can be used in place of the Ag—Cu—Ti brazing foil.
- the power module is configured by mounting the power semiconductor element on the insulating circuit board.
- an LED module may be configured by mounting LED elements on a circuit layer of an insulated circuit board
- a thermoelectric module may be configured by mounting thermoelectric elements on a circuit layer of an insulated circuit board.
- Example 1 A copper / ceramic bonding body was formed using a ceramic substrate made of silicon nitride (Si 3 N 4 ), a brazing material, and a copper plate. More specifically, a copper plate made of the material shown in Table 1 was bonded to one side of a 40 mm square ceramic substrate having a thickness of 0.32 mm. In Table 1, “TPC” means tough pitch copper and “OFC” means oxygen-free copper. The size of the copper plate was 44 mm ⁇ 25 mm (however, it protruded 5 mm from the end of the ceramic substrate). The copper plate was joined under the conditions shown in Table 1 with a brazing material interposed between the ceramic substrate and the copper plate to form a copper / ceramic joined body. The pressure (load) in the stacking direction was 1.5 kgf / cm 2 , and the bonding atmosphere was vacuum (3 ⁇ 10 ⁇ 5 Pa).
- a brazing material of Ag-28 mass% Cu-3 mass% Ti was used.
- a brazing material of Ag-10 mass% Ti was used.
- a paste containing a brazing filler metal powder (particle size: 20 ⁇ m) having a powder component composition of Ag-28 mass% Cu-3 mass% Ti, an acrylic resin, and texanol is dried. It applied so that thickness after that might be set to 150 micrometers, and it was set as the brazing material.
- a paste containing a brazing filler metal powder (particle size: 20 ⁇ m) with an Ag-10 mass% Ti composition, an acrylic resin, and texanol is dried to a thickness of 150 ⁇ m. It applied so that it might become, and it was set as the brazing material.
- an Ag—Zr paste a paste containing a brazing powder (particle size 20 ⁇ m), an acrylic resin, and texanol having a powder component composition of Ag-17 mass% Zr, a thickness after drying of 150 ⁇ m. It applied so that it might become, and it was set as the brazing material.
- a paste containing a brazing filler metal powder (particle size: 40 ⁇ m) having an Ag-29 mass% Hf composition, an acrylic resin, and texanol is dried to a thickness of 150 ⁇ m. It applied so that it might become, and it was set as the brazing material.
- a paste containing a brazing filler metal powder (particle size: 20 ⁇ m) with an Ag-18 mass% Nb composition, an acrylic resin, and texanol is dried to a thickness of 150 ⁇ m. It applied so that it might become, and it was set as the brazing material.
- the thickness of the nitride compound layer, the presence or absence of an intermetallic compound phase in the Ag—Cu eutectic layer, the presence or absence of Cu and Si at the grain boundary of the nitride compound layer, the nitriding The presence / absence (particle size) of Ag particles in the compound layer and the 90 ° peel strength between the copper plate and the ceramic substrate were evaluated.
- the bonding interface (cross section perpendicular to the surface of the ceramic substrate) between the copper plate and the ceramic substrate was measured with a scanning electron microscope (ULTRA55 manufactured by Carl Zeiss NTS) at a magnification of 15000 times (measurement field: 6 ⁇ m ⁇ 8 ⁇ m), the number of fields Observation was conducted to confirm the thickness of the nitride compound layer, the presence or absence of an intermetallic compound phase in the Ag—Cu eutectic layer, and the presence or absence (particle size) of Ag particles in the nitride compound layer.
- ULTRA55 manufactured by Carl Zeiss NTS
- nitride compound layer element mapping of nitride forming element and N selected from Ti, Nb, Hf, and Zr is obtained at the bonding interface between the copper plate and the ceramic substrate, and the nitride forming element and nitrogen ( N) is regarded as a nitride compound layer, the area of this region is measured, a value obtained by dividing the measured area by the width of the measurement visual field is obtained, and the average of the values obtained in the five visual fields is determined by the nitride compound Layer thickness.
- the concentration of the nitride forming element in the region is 60 mass% or more and 90 mass. % Or less was regarded as “present”.
- the bonding interface was observed at an acceleration voltage of 200 kV and a magnification of 910,000, and element mapping with a beam diameter of about 0.1 nm was performed at the grain boundary of the nitride compound layer. The presence or absence of Cu and Si was confirmed.
- the element mapping of Ag in the nitride compound layer is converted to 8-bit gray scale, an Ag distribution image is obtained, and Kapur-Saho-Wong (Maximum Entropy) thresholding (Kapur, JN; Saho, Based on PK; Wong, ACK (1985), “A New Method for Gray-Level Picture Thresholding Usageing Thetheof of the History of Thehistogram”, Graphic Models3 and 29 Priced.
- the contour of the Ag particle was extracted from the binarized image, and the equivalent circle diameter (diameter) was calculated from the area (number of pixels) in the contour. And D50 of the calculated equivalent circle diameter was made into the particle size of Ag particle.
- Evaluation results are shown in Table 1. Moreover, the SEM observation result in the copper / ceramic bonding body of Invention Example 1 is shown in FIG. 13, and the STEM observation result in the copper / ceramic bonding body of Invention Example 1 is shown in FIG.
- the 90 ° peel strength was high. It is presumed that the nitride compound layer has a thickness of 0.15 ⁇ m or more and 1.0 ⁇ m or less, Cu and Si are present in the nitride compound layer, and the occurrence of cracks in the nitride compound layer is suppressed.
- FIG. 13A In Lens SE (secondary electron) image
- the nitride compound layer 31 and the Ag— are formed on the bonding interface of the ceramic substrate (Si 3 N 4 ) 11.
- a Cu eutectic layer 32 (Ag 32a and Cu 32b constituting the Ag—Cu eutectic layer 32 are observed in FIG. 13A) was observed.
- the intermetallic compound phase 33 exists between the copper plate and the ceramic substrate, and exists inside the Ag—Cu eutectic layer 32 and adjacent to the nitride compound layer 31. .
- FIG. 13A In Lens SE (secondary electron) image
- Example 2 An insulating circuit board was formed using a ceramic substrate made of silicon nitride (Si 3 N 4 ), a brazing material, and a copper plate. More specifically, copper plates made of the materials shown in Table 2 were bonded to both sides of a 40 mm square ceramic substrate having a thickness of 0.32 mm. The size of the copper plate was 37 mm square and the thickness was 0.8 mm. The copper plate was joined under the conditions shown in Table 2 through a brazing material between the ceramic substrate and the copper plate to form a copper / ceramic joined body. The pressure (load) in the stacking direction was 1.5 kgf / cm 2 , and the bonding atmosphere was vacuum (3 ⁇ 10 ⁇ 5 Pa). The brazing material shown in Table 2 was the same as in Example 1 described above.
- the thickness of the nitride compound layer, the average concentration C1 of Ag in the region of 25% of the total thickness from the interface on the ceramic substrate side in the nitride compound layer, and the interface on the copper plate side The ratio C2 / C1 with the average concentration C2 of Ag in the region of 25% of the total thickness, the initial bonding rate between the ceramic substrate and the copper plate, and cracking of the ceramic substrate by a thermal cycle test were evaluated.
- the area surrounded by the horizontal axis passing through the origin and the Ag concentration curve in the region from the interface on the ceramic substrate side to the position of 25% (t / 4) of the total thickness t of the nitride compound layer, where t is the total thickness of the nitride compound layer was divided by t / 4 to obtain an average Ag concentration C1. Further, in the region from the interface on the copper plate side to the position of 25% (t / 4) of the total thickness t of the nitride compound layer, the area surrounded by the horizontal axis passing through the origin and the Ag concentration curve is divided by t / 4 to obtain the Ag The average concentration was C2.
- the interface between the ceramic substrate and the nitride compound layer was defined as the interface where the concentration of the nitride-forming element in the line analysis was 10 at% or more for the first time when viewed from the ceramic substrate side.
- the interface between the copper plate and the nitride compound layer was defined as the interface where the concentration of the nitride forming element in the line analysis was 10 at% or more for the first time when viewed from the copper plate side.
- the total thickness t of the nitride compound layer was calculated from the interface position with the ceramic substrate and the interface position with the copper plate defined as described above.
- the bonding rate between the copper plate and the ceramic substrate was determined using the following formula using an ultrasonic flaw detector (FineSAT 200 manufactured by Hitachi Power Solutions Co., Ltd.).
- the initial bonding area is the area to be bonded before bonding, that is, the area of the bonding surface of the copper plate.
- peeling is indicated by a white portion in the joint, and thus the area of the white portion was taken as the peeling area.
- the copper / ceramic bonding body and the insulating circuit board of the present invention can suppress the occurrence of cracks in the nitride compound layer and the copper member and the ceramic member are securely bonded to each other, the reliability is high, such as an LED or a power module. Suitable for semiconductor devices.
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Abstract
本発明の銅/セラミックス接合体では、銅部材とセラミックス部材との接合界面には、セラミックス部材側から順に、Ti,Nb,Hf,Zrから選択される一種又は二種以上の窒化物形成元素を含む窒化化合物層と、Ag-Cu共晶層と、が形成されており、窒化化合物層の厚さは0.15μm以上1.0μm以下であり、銅部材とセラミックス部材との間には、窒化物形成元素とSiとを含む金属間化合物からなる金属間化合物相が存在しており、窒化化合物層の粒界にはCu及びSiが存在している。
Description
この発明は、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、及び、窒化ケイ素からなるセラミックス基板の表面に、銅又は銅合金からなる銅層が形成された絶縁回路基板に関する。
本願は、2016年6月30日に日本に出願された特願2016-130224号、および2017年6月19日に日本に出願された特願2017-119683号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
本願は、2016年6月30日に日本に出願された特願2016-130224号、および2017年6月19日に日本に出願された特願2017-119683号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
LEDやパワーモジュール等の半導体装置は、導電材料からなる回路層の上に半導体素子が接合された構造とされている。
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においては、発熱量が多いことから、このようなパワー半導体素子を搭載する基板としては、例えば窒化アルミニウム(AlN)、アルミナ(Al2O3)、窒化ケイ素(Si3N4)などからなる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された回路層と、を備えた絶縁回路基板が、従来から広く用いられている。なお、絶縁回路基板としては、セラミックス基板の他方の面に金属板を接合して金属層が形成されたものも提供されている。ここで、窒化ケイ素(Si3N4)からなるセラミックス基板は、特に強度に優れている。
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においては、発熱量が多いことから、このようなパワー半導体素子を搭載する基板としては、例えば窒化アルミニウム(AlN)、アルミナ(Al2O3)、窒化ケイ素(Si3N4)などからなる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された回路層と、を備えた絶縁回路基板が、従来から広く用いられている。なお、絶縁回路基板としては、セラミックス基板の他方の面に金属板を接合して金属層が形成されたものも提供されている。ここで、窒化ケイ素(Si3N4)からなるセラミックス基板は、特に強度に優れている。
例えば、特許文献1には、回路層及び金属層を構成する第一の金属板及び第二の金属板を銅板とし、この銅板をDBC(Direct Bonded Copper)法によってセラミックス基板に直接接合した絶縁回路基板が提案されている。このDBC法においては、銅と銅酸化物との共晶反応を利用することにより、銅板とセラミックス基板との界面に液相を生じさせて、銅板とセラミックス基板とを接合している。
また、特許文献2には、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に、銅板を接合することにより回路層及び金属層を形成した絶縁回路基板が提案されている。この絶縁回路基板においては、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に、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)。この活性金属ろう付け法では、活性金属であるTiが含有されたろう材を用いているため、溶融したろう材とセラミックス基板との濡れ性が向上し、セラミックス基板と銅板とが良好に接合される。
しかしながら、特許文献1に開示されているように、DBC法によってセラミックス基板と銅板とを接合する場合には、接合温度を1065℃以上(銅と銅酸化物との共晶点温度以上)にする必要があることから、接合時にセラミックス基板が劣化してしまうおそれがあった。
また、特許文献2に開示されているように、例えばAg-Cu-Tiろう材等を用いた活性金属ろう付け法によってセラミックス基板と銅板とを接合する場合には、接合温度が900℃と比較的高温とされていることから、やはり、セラミックス基板が劣化してしまうといった問題があった。ここで、単に接合温度を低下させた場合には、ろう材がセラミックス基板と十分に反応せず、セラミックス基板と銅板の界面での接合率が低下してしまい、信頼性の高い絶縁回路基板を提供することができない。
さらに、Ag-Cu-Tiろう材を用いて接合する際の接合温度が高い場合、接合界面に形成される窒化化合物層(窒化チタン層)が厚く成長し、この窒化化合物層(窒化チタン層)においてクラックが発生し易くなるといった問題があった。
また、特許文献2に開示されているように、例えばAg-Cu-Tiろう材等を用いた活性金属ろう付け法によってセラミックス基板と銅板とを接合する場合には、接合温度が900℃と比較的高温とされていることから、やはり、セラミックス基板が劣化してしまうといった問題があった。ここで、単に接合温度を低下させた場合には、ろう材がセラミックス基板と十分に反応せず、セラミックス基板と銅板の界面での接合率が低下してしまい、信頼性の高い絶縁回路基板を提供することができない。
さらに、Ag-Cu-Tiろう材を用いて接合する際の接合温度が高い場合、接合界面に形成される窒化化合物層(窒化チタン層)が厚く成長し、この窒化化合物層(窒化チタン層)においてクラックが発生し易くなるといった問題があった。
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、窒化化合物層におけるクラックの発生を抑制でき、銅部材と窒化ケイ素からなるセラミックス部材とが確実に接合された信頼性の高い銅/セラミックス接合体、及び、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。
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、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、前記銅部材と前記セラミックス部材との接合界面には、前記セラミックス部材側から順に、Ti,Nb,Hf,Zrから選択される一種又は二種以上の窒化物形成元素を含む窒化化合物層と、Ag-Cu共晶層と、が形成されており、前記窒化化合物層の厚さは0.15μm以上1.0μm以下であり、前記銅部材と前記セラミックス部材との間には、前記窒化物形成元素とSiを含む金属間化合物からなる金属間化合物相が存在しており、前記窒化化合物層の粒界にはCu及びSiが存在していることを特徴としている。
この構成の銅/セラミックス接合体においては、前記銅部材と前記セラミックス部材との接合界面にAg-Cu共晶層が形成されているとともに、前記銅部材と前記セラミックス部材との間に前記窒化物形成元素とSiとを含む金属間化合物からなる金属間化合物相が存在していることから、窒化ケイ素からなるセラミックス基板の接合面において十分に分解反応が生じており、銅部材とセラミックス部材とが確実に接合された銅/セラミックス接合体を得ることができる。なお、金属間化合物相はAg-Cu共晶層の内部に存在する場合や、Ti,Nb,Hf,Zrから選択される一種又は二種以上の窒化物形成元素を含む窒化化合物層に隣接するように存在している場合もある。また、金属間化合物相は前記銅部材と前記セラミックス部材との接合界面から前記銅部材に向かって20μm以内に存在している場合もある。
さらに、前記Ag-Cu共晶層とセラミックス部材との間に厚さ0.15μm以上1.0μm以下の前記窒化化合物層が形成されており、前記窒化化合物層の粒界においてCu及びSiが存在しているので、この窒化化合物層におけるクラックの発生を抑制することができるとともに、前記銅部材と前記セラミックス部材との接合界面に未反応部が生じることが無く、接合強度の高い銅/セラミックス接合体を得ることができる。
さらに、前記Ag-Cu共晶層とセラミックス部材との間に厚さ0.15μm以上1.0μm以下の前記窒化化合物層が形成されており、前記窒化化合物層の粒界においてCu及びSiが存在しているので、この窒化化合物層におけるクラックの発生を抑制することができるとともに、前記銅部材と前記セラミックス部材との接合界面に未反応部が生じることが無く、接合強度の高い銅/セラミックス接合体を得ることができる。
ここで、本発明の銅/セラミックス接合体においては、前記窒化化合物層の内部にAg粒子が分散されていることが好ましい。
このAg粒子は、窒化物形成元素と窒素とが反応して上述の前記窒化化合物層が形成される過程で生成したものであると推測される。よって、前記窒化化合物層の内部にAg粒子が分散されていることで、上述の窒化化合物層が十分に形成されており、銅部材とセラミックス部材とが確実に接合された銅/セラミックス接合体を得ることができる。
このAg粒子は、窒化物形成元素と窒素とが反応して上述の前記窒化化合物層が形成される過程で生成したものであると推測される。よって、前記窒化化合物層の内部にAg粒子が分散されていることで、上述の窒化化合物層が十分に形成されており、銅部材とセラミックス部材とが確実に接合された銅/セラミックス接合体を得ることができる。
また、本発明の銅/セラミックス接合体においては、前記窒化化合物層の内部に分散する前記Ag粒子の粒径が10nm以上100nm以下の範囲内とされている構成としてもよい。
この場合、前記窒化化合物層内に分散するAg粒子は、粒径が10nm以上100nm以下と比較的微細であり、窒化物形成元素と窒素(N)とが反応して上述の窒化化合物層が形成される過程で生成したものであることから、窒化物形成元素を含む窒化物の生成が促進されて窒化化合物層が十分に形成されることになり、銅部材とセラミックス部材とが確実に接合された銅/セラミックス接合体を得ることが可能となる。
この場合、前記窒化化合物層内に分散するAg粒子は、粒径が10nm以上100nm以下と比較的微細であり、窒化物形成元素と窒素(N)とが反応して上述の窒化化合物層が形成される過程で生成したものであることから、窒化物形成元素を含む窒化物の生成が促進されて窒化化合物層が十分に形成されることになり、銅部材とセラミックス部材とが確実に接合された銅/セラミックス接合体を得ることが可能となる。
さらに、本発明の銅/セラミックス接合体においては、前記窒化化合物層において、前記セラミックス部材側の界面から全厚の25%位置までの領域におけるAgの平均濃度C1と、前記銅部材側の界面から全厚の25%位置までの領域におけるAgの平均濃度C2との比C2/C1が0.8以下であることが好ましい。
この場合、前記窒化化合物層内において、セラミックス部材側のAg濃度が銅部材側のAg濃度よりも高くなっているので、界面反応が十分に進行しており、銅部材とセラミックス部材とが確実に接合された銅/セラミックス接合体を得ることが可能となる。
この場合、前記窒化化合物層内において、セラミックス部材側のAg濃度が銅部材側のAg濃度よりも高くなっているので、界面反応が十分に進行しており、銅部材とセラミックス部材とが確実に接合された銅/セラミックス接合体を得ることが可能となる。
本発明の絶縁回路基板は、窒化ケイ素からなるセラミックス基板の表面に、銅又は銅合金からなる銅層が形成された絶縁回路基板であって、前記銅層と前記セラミックス基板とが、上述の銅/セラミックス接合体で構成されていることを特徴としている。
この構成の絶縁回路基板によれば、前記銅層と前記セラミックス基板とが、上述の銅/セラミックス接合体で構成されているので、セラミックス基板と銅板とが確実に接合しており、接合信頼性を確保することができる。なお、セラミックス基板の表面に接合された銅層は、回路層あるいは金属層を構成するものとして用いられる。
本発明によれば、窒化化合物層におけるクラックの発生を抑制でき、銅部材と窒化ケイ素からなるセラミックス部材とが確実に接合された信頼性の高い銅/セラミックス接合体、及び、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可能となる。
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。なお、以下の説明において、「ろう材(brazing filler material)」は必ずしも鉛を含む材料に限定されない。
(第1の実施形態)
まず、本発明の第1の実施形態について、図1から図6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、セラミックス部材であるセラミックス基板11と、銅部材である銅板22(回路層12)とが接合されることにより構成された絶縁回路基板10とされている。
図1に、本発明の第1の実施形態である絶縁回路基板10及びこの絶縁回路基板10を用いたパワーモジュール1を示す。
まず、本発明の第1の実施形態について、図1から図6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、セラミックス部材であるセラミックス基板11と、銅部材である銅板22(回路層12)とが接合されることにより構成された絶縁回路基板10とされている。
図1に、本発明の第1の実施形態である絶縁回路基板10及びこの絶縁回路基板10を用い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、絶縁回路基板10と、この絶縁回路基板10の一方側(図1において上側)の面にはんだ層2を介して接合された半導体素子3と、絶縁回路基板10の他方側(図1において下側)に配置されたヒートシンク51と、を備えている。
ここで、はんだ層2は、例えばSn-Ag系、Sn-In系、若しくはSn-Ag-Cu系のはんだ材とされている。
ここで、はんだ層2は、例えばSn-Ag系、Sn-In系、若しくはSn-Ag-Cu系のはんだ材とされている。
絶縁回路基板10は、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、回路層12と金属層13との間の電気的接続を防止するものであって、本実施形態では、絶縁性の高い窒化ケイ素(Si3N4)で構成されている。ここで、セラミックス基板11の厚さは、0.2~1.5mm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。
セラミックス基板11は、回路層12と金属層13との間の電気的接続を防止するものであって、本実施形態では、絶縁性の高い窒化ケイ素(Si3N4)で構成されている。ここで、セラミックス基板11の厚さは、0.2~1.5mm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5に示すように、セラミックス基板11の一方の面に銅又は銅合金からなる銅板22が接合されることにより形成されている。銅又は銅合金としては、無酸素銅やタフピッチ銅等を用いることができる。本実施形態においては、回路層12を構成する銅板22として、無酸素銅の圧延板が用いられている。この回路層12には、回路パターンが形成されており、その一方の面(図1において上面)が、半導体素子3が搭載される搭載面とされている。ここで、回路層12の厚さは0.1mm以上3.0mm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5に示すように、セラミックス基板11の他方の面にアルミニウム板23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、純度が99.99mass%以上のアルミニウム(いわゆる4Nアルミニウム)の圧延板からなるアルミニウム板23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、このアルミニウム板23は、0.2%耐力が30N/mm2以下とされている。ここで、金属層13(アルミニウム板23)の厚さは0.1mm以上6mm以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、2.0mmに設定されている。
ヒートシンク51は、前述の絶縁回路基板10を冷却するためのものであり、絶縁回路基板10と接合される天板部52と冷却媒体(例えば冷却水)を流通するための流路53とを備えている。ヒートシンク51(天板部52)は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、A6063(アルミニウム合金)で構成されている。
このヒートシンク51(天板部52)は、本実施形態においては、絶縁回路基板10の金属層13にろう材を用いて直接接合されている。
このヒートシンク51(天板部52)は、本実施形態においては、絶縁回路基板10の金属層13にろう材を用いて直接接合されている。
ここで、セラミックス基板11と回路層12(銅板22)とは、図5に示すように、AgとCuとTi,Nb,Hf,Zrから選択される一種又は二種以上の窒化物形成元素とを含むろう材(本実施形態では、窒化物形成元素としてTiを含むAg-Cu-Ti系ろう材24)を用いて接合されている。
そして、セラミックス基板11と回路層12(銅板22)との接合界面には、図2に示すように、窒化化合物層31と、Ag-Cu共晶層32と、が形成されている。
そして、セラミックス基板11と回路層12(銅板22)との接合界面には、図2に示すように、窒化化合物層31と、Ag-Cu共晶層32と、が形成されている。
また、回路層12(銅板22)とセラミックス基板11との間には、窒化物形成元素(本実施形態ではTi)とSiとを含む金属間化合物からなる金属間化合物相33が存在している。本実施形態では、この金属間化合物相33は、Ti5Si3で構成されている。
そして、上述の窒化化合物層31は、図3に示すように、柱状晶組織とされており、この柱状晶の粒界31aにおいてCu及びSi34が存在している。なお、この窒化化合物層31の粒界31aに存在するCu及びSi34は、透過型電子顕微鏡(FEI社製Titan ChemiSTEM)を用いて加速電圧200kV、倍率91万倍で観察し、0.1nm程度のビーム径によるCuとSiの元素マッピングによって検出することができる。
ここで、窒化化合物層31の厚さtは0.15μm以上1.0μm以下とされている。なお、窒化化合物層31の厚さtは0.4μm以上0.8μm以下であることが好ましい。
そして、上述の窒化化合物層31は、図3に示すように、柱状晶組織とされており、この柱状晶の粒界31aにおいてCu及びSi34が存在している。なお、この窒化化合物層31の粒界31aに存在するCu及びSi34は、透過型電子顕微鏡(FEI社製Titan ChemiSTEM)を用いて加速電圧200kV、倍率91万倍で観察し、0.1nm程度のビーム径によるCuとSiの元素マッピングによって検出することができる。
ここで、窒化化合物層31の厚さtは0.15μm以上1.0μm以下とされている。なお、窒化化合物層31の厚さtは0.4μm以上0.8μm以下であることが好ましい。
また、この窒化化合物層31内には、Ag粒子35が分散している。Ag粒子35は、窒化化合物層31のセラミックス基板11側に多く分布しており、窒化化合物層31のうちセラミックス基板11との界面から500nmまでの界面近傍領域におけるAg濃度が0.3原子%以上、好ましくは0.3原子%以上15原子%以下の範囲内とされている。なお、本実施形態では、窒化化合物層31内で観察されるAg粒子35の90%以上(個数割合)が、上述の界面近傍領域に分布している。なお、上記界面近傍領域に分布するAg粒子35のより好ましい割合は95%以上であり、上限値は100%であるが、これに限定されることはない。
また、本実施形態では、窒化化合物層31内に分散するAg粒子の粒径が10nm以上100nm以下の範囲内とされている。なお、上記Ag粒子の粒径は10nm以上50nm以下の範囲内に設定されてもよい。
また、本実施形態では、窒化化合物層31内に分散するAg粒子の粒径が10nm以上100nm以下の範囲内とされている。なお、上記Ag粒子の粒径は10nm以上50nm以下の範囲内に設定されてもよい。
ここで、本実施形態では、図2に示すように、窒化化合物層31において、セラミックス基板11側の界面(セラミックス基板11との界面)から窒化化合物層31の全厚tの25%位置までの領域A1におけるAgの平均濃度C1と、銅板22(回路層12)側の界面から窒化化合物層31の全厚tの25%位置までの領域A2におけるAgの平均濃度C2との比C2/C1が0.8以下とされていることが好ましい。また、C2/C1の下限は0であり、0.01であることが好ましい。
なお、本実施形態では、図2に示すように、窒化化合物層31の銅板22(回路層12)側にはAg-Cu共晶層32が形成されていることから、上述の「窒化化合物層31の銅板22(回路層12)側の界面」は、Ag-Cu共晶層32との界面となる。
なお、本実施形態では、図2に示すように、窒化化合物層31の銅板22(回路層12)側にはAg-Cu共晶層32が形成されていることから、上述の「窒化化合物層31の銅板22(回路層12)側の界面」は、Ag-Cu共晶層32との界面となる。
次に、上述した本実施形態である絶縁回路基板10の製造方法について、図4から図6を参照して説明する。
(銅板積層工程S01)
まず、図4及び図5に示すように、セラミックス基板11の一方の面に、AgとCuとTi,Nb,Hf,Zrから選択される一種又は二種以上の窒化物形成元素とを含むろう材(本実施形態では、窒化物形成元素としてTiを含むAg-Cu-Ti系ろう材24)を介して、回路層12となる銅板22を積層する。
ここで、Ag-Cu-Ti系ろう材24においては、Cuの含有量は、18mass%以上34mass%以下、Tiの含有量は、0.3mass%以上7mass%以下であることが好ましいが、これに限定されることはない。なお、本実施形態では、Ag-Cu-Ti系ろう材24として箔材を用い、厚さは3μm以上50μm以下の範囲内に設定するとよい。
まず、図4及び図5に示すように、セラミックス基板11の一方の面に、AgとCuとTi,Nb,Hf,Zrから選択される一種又は二種以上の窒化物形成元素とを含むろう材(本実施形態では、窒化物形成元素としてTiを含むAg-Cu-Ti系ろう材24)を介して、回路層12となる銅板22を積層する。
ここで、Ag-Cu-Ti系ろう材24においては、Cuの含有量は、18mass%以上34mass%以下、Tiの含有量は、0.3mass%以上7mass%以下であることが好ましいが、これに限定されることはない。なお、本実施形態では、Ag-Cu-Ti系ろう材24として箔材を用い、厚さは3μm以上50μm以下の範囲内に設定するとよい。
(銅板接合工程S02)
次に、セラミックス基板11及び銅板22を積層方向に0.5kgf/cm2以上35kgf/cm2以下(4.9×104Pa以上343×104Pa以下)の範囲で加圧した状態で、真空またはアルゴン雰囲気の加熱炉内に装入して加熱し、銅板22とセラミックス基板11とを接合する。
次に、セラミックス基板11及び銅板22を積層方向に0.5kgf/cm2以上35kgf/cm2以下(4.9×104Pa以上343×104Pa以下)の範囲で加圧した状態で、真空またはアルゴン雰囲気の加熱炉内に装入して加熱し、銅板22とセラミックス基板11とを接合する。
ここで、銅板接合工程S02においては、Cu-Si共晶温度(804℃)以上における温度と時間とを掛け合わして積算した温度積分値が180℃・min以上3501℃・min以下(好ましくは180℃・min以上3500℃・min以下)の範囲内となるように、昇温速度、保持温度、保持時間、降温速度等が規定される。また、接合温度が850℃を超えると、Cu-Ti金属間化合物形成反応が過剰に進行し、セラミックス基板11の割れが生じるおそれがある。このため、接合温度の上限を850℃とすることが好ましい。
なお、上述の温度積分値の下限は、250℃・minとすることが好ましく、500℃・minとすることがさらに好ましい。また、上述の温度積分値の上限は、1900℃・minとすることが好ましく、1700℃・minとすることがさらに好ましい。
なお、上述の温度積分値の下限は、250℃・minとすることが好ましく、500℃・minとすることがさらに好ましい。また、上述の温度積分値の上限は、1900℃・minとすることが好ましく、1700℃・minとすることがさらに好ましい。
この銅板接合工程S02においては、Cu-Si共晶温度(804℃)以上における温度と時間とを掛け合わして積算した温度積分値を上述の範囲内としていることから、図6に示すように、AgとCuの共晶反応によりAg-Cu共晶液相38が形成され、このAg-Cu共晶液相38中において、セラミックス基板11との界面で、Ag-Cu-Ti系ろう材24中の窒化物形成元素(Ti)とSi3N4からなるセラミックス基板11との反応によりSiが形成され、このSiとAg-Cu-Ti系ろう材24中のCuとが共晶反応してCu-Si共晶液相39が形成される。そして、このCu-Si共晶液相39中において、Ag-Cu-Ti系ろう材24中のTiとセラミックス基板11中のN(窒素)とが反応して窒化チタンが生成される。これにより、セラミックス基板11の表面が侵食される形で、窒化チタンからなる窒化化合物層31が形成される。
さらに、セラミックス基板11中のSiとAg-Cu-Ti系ろう材24中の窒化物形成元素(Ti)とが反応し、窒化物形成元素(本実施形態ではTi)とSiとを含む金属間化合物からなる金属間化合物相33が形成される。
また、上述の反応により、柱状晶として成長する窒化化合物層31の粒界に、Cu及びSi34が存在する。
さらに、窒化化合物層31内に、Ag粒子35が分散される。
また、上述の反応により、柱状晶として成長する窒化化合物層31の粒界に、Cu及びSi34が存在する。
さらに、窒化化合物層31内に、Ag粒子35が分散される。
(アルミニウム板積層工程S03)
次に、セラミックス基板11の他方の面側にろう材25を介して金属層13となるアルミニウム板23を積層する。このとき、ろう材25としては、例えば、Al-Si系ろう材箔を用いることができる。
次に、セラミックス基板11の他方の面側にろう材25を介して金属層13となるアルミニウム板23を積層する。このとき、ろう材25としては、例えば、Al-Si系ろう材箔を用いることができる。
(アルミニウム板接合工程S04)
次に、セラミックス基板11及びアルミニウム板23を積層方向に1kgf/cm2以上35kgf/cm2以下(9.8×104Pa以上343×104Pa以下)の範囲で加圧した状態で、真空または窒素雰囲気の加熱炉内に装入して加熱し、アルミニウム板23とセラミックス基板11とを接合する。
このとき、ろう付け温度が600℃以上650℃以下の範囲内、保持時間を15min以上120min以下の範囲内とすることが好ましい。
次に、セラミックス基板11及びアルミニウム板23を積層方向に1kgf/cm2以上35kgf/cm2以下(9.8×104Pa以上343×104Pa以下)の範囲で加圧した状態で、真空または窒素雰囲気の加熱炉内に装入して加熱し、アルミニウム板23とセラミックス基板11とを接合する。
このとき、ろう付け温度が600℃以上650℃以下の範囲内、保持時間を15min以上120min以下の範囲内とすることが好ましい。
以上のような工程により、本実施形態である絶縁回路基板10が製造される。
(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51を接合する。
絶縁回路基板10とヒートシンク51とを、ろう材26を介して積層し、積層方向に加圧するとともに真空炉内に装入してろう付けを行う。これにより、絶縁回路基板10の金属層13とヒートシンク51の天板部52とを接合する。このとき、ろう材26としては、例えば、厚さ20~110μmのAl-Si系ろう材箔を用いることができ、ろう付け温度は、アルミニウム板接合工程S04におけるろう付け温度よりも低温に設定することが好ましい。
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51を接合する。
絶縁回路基板10とヒートシンク51とを、ろう材26を介して積層し、積層方向に加圧するとともに真空炉内に装入してろう付けを行う。これにより、絶縁回路基板10の金属層13とヒートシンク51の天板部52とを接合する。このとき、ろう材26としては、例えば、厚さ20~110μmのAl-Si系ろう材箔を用いることができ、ろう付け温度は、アルミニウム板接合工程S04におけるろう付け温度よりも低温に設定することが好ましい。
(半導体素子搭載工程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。
以上の工程により、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。
以上の工程により、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、無酸素銅からなる銅板22(回路層12)と窒化ケイ素(Si3N4)からなるセラミックス基板11との接合界面にAg-Cu共晶層32が形成されているとともに、銅板22(回路層12)と窒化ケイ素(Si3N4)からなるセラミックス基板11との間に窒化物形成元素(本実施形態ではTi)とSiとを含む金属間化合物からなる金属間化合物相33が存在しているので、セラミックス基板11の接合面において十分に分解反応が生じており、銅板22(回路層12)とセラミックス基板11とが確実に接合された絶縁回路基板10を得ることができる。
さらに、本実施形態においては、窒化物形成元素(本実施形態ではTi)を含む窒化物からなる窒化化合物層31が形成されており、この窒化化合物層31の粒界においてCu及びSi34が存在しているので、この窒化化合物層31におけるクラックの発生を抑制することができる。
また、窒化化合物層31の厚さが0.15μm以上とされているので、銅板22(回路層12)と窒化ケイ素(Si3N4)からなるセラミックス基板11との接合界面に未反応部が生じることが無く接合強度の高い絶縁回路基板10を得ることができる。さらに窒化化合物層31の厚さが1.0μm以下とされているので、窒化化合物層31にクラックが生じることを抑制でき、接合強度の高い、絶縁回路基板10を得ることができる。
なお、金属間化合物相33はAg-Cu共晶層32の内部に存在する場合や、窒化化合物層31に隣接するように存在している場合もある。また、金属間化合物相33は銅板22(回路層12)とセラミックス基板11との接合界面から銅板22(回路層12)に向かって20μm以内に存在している場合もある。
また、窒化化合物層31の厚さが0.15μm以上とされているので、銅板22(回路層12)と窒化ケイ素(Si3N4)からなるセラミックス基板11との接合界面に未反応部が生じることが無く接合強度の高い絶縁回路基板10を得ることができる。さらに窒化化合物層31の厚さが1.0μm以下とされているので、窒化化合物層31にクラックが生じることを抑制でき、接合強度の高い、絶縁回路基板10を得ることができる。
なお、金属間化合物相33はAg-Cu共晶層32の内部に存在する場合や、窒化化合物層31に隣接するように存在している場合もある。また、金属間化合物相33は銅板22(回路層12)とセラミックス基板11との接合界面から銅板22(回路層12)に向かって20μm以内に存在している場合もある。
さらに、本実施形態においては、窒化化合物層31の内部にAg粒子35が分散しているので、接合時に窒化化合物層31が十分に形成されており、銅板22(回路層12)とセラミックス基板11とがさらに確実に接合されている。
また、本実施形態では、窒化化合物層31内に分散するAg粒子35は、その粒径が10nm以上100nm以下の範囲内と比較的微細とされており、窒化物形成元素(本実施形態ではTi)とN(窒素)とが反応して上述の窒化化合物層31が形成される過程で生成したものであると推測される。よって、セラミックス基板11の界面に窒化化合物層31が十分に形成されていることになり、銅板22(回路層12)とセラミックス基板11とが確実に接合された絶縁回路基板10を得ることができる。
また、本実施形態では、窒化化合物層31内に分散するAg粒子35は、その粒径が10nm以上100nm以下の範囲内と比較的微細とされており、窒化物形成元素(本実施形態ではTi)とN(窒素)とが反応して上述の窒化化合物層31が形成される過程で生成したものであると推測される。よって、セラミックス基板11の界面に窒化化合物層31が十分に形成されていることになり、銅板22(回路層12)とセラミックス基板11とが確実に接合された絶縁回路基板10を得ることができる。
また、本実施形態では、窒化化合物層31のうちセラミックス基板11との界面近傍領域におけるAg濃度が0.3原子%以上とされているので、セラミックス基板11の接合界面に窒化化合物層31が十分に形成されており、銅板22(回路層12)とセラミックス基板11とが強固に接合される。
さらに、本実施形態では、セラミックス基板11側の界面から窒化化合物層31の全厚tの25%位置までの領域A1におけるAgの平均濃度C1と、銅板22(回路層12)側の界面から窒化化合物層31の全厚tの25%位置までの領域A2におけるAgの平均濃度C2との比C2/C1が0.8以下とされており、セラミックス基板11側のAg濃度が銅板22(回路層12)側よりも高くなっているので、界面反応が十分に進行しており、銅板22(回路層12)とセラミックス基板11とが確実に接合された絶縁回路基板10を得ることが可能となる。
さらに、本実施形態では、銅板接合工程S02において、Cu-Si共晶温度(804℃)以上における温度と時間とを掛け合わして積算した温度積分値が180℃・min以上3500℃・min以下の範囲内となるように、昇温速度、保持温度、保持時間、降温速度等を規定しているので、Cu-Si共晶液相39において、Ag-Cu-Ti系ろう材24中のTiと窒化ケイ素(Si3N4)からなるセラミックス基板11との反応、Ag-Cu-Ti系ろう材24中のTiとセラミックス基板11中のN(窒素)との反応、及び、セラミックス基板11中のSiとAg-Cu-Ti系ろう材24中のTiとの反応を促進することができ、Ag-Cu共晶層32の内部にTiとSiとを含む金属間化合物からなる金属間化合物相33が存在し、窒化化合物層31の粒界においてCu及びSi34が存在する絶縁回路基板10を製造することができる。また、窒化化合物層31には、Ag粒子35が分散される。
また、銅板接合工程S02において、Cu-Si共晶温度(804℃)以上における温度と時間とを掛け合わして積算した温度積分値が180℃・min以上3500℃・min以下の範囲内となるように、昇温速度、保持温度、保持時間、降温速度等が規定されていればよく、銅板接合工程S02における温度条件が比較的低温であっても、セラミックス基板11と銅板22とを確実に接合することができる。よって、セラミックス基板11の劣化を抑制することができる。
さらに、本実施形態では、接合温度が850℃以下とされているので、Cu-Ti金属間化合物形成反応が過剰に進行することを抑制でき、セラミックス基板11の割れの発生を抑制することができる。
さらに、本実施形態では、接合温度が850℃以下とされているので、Cu-Ti金属間化合物形成反応が過剰に進行することを抑制でき、セラミックス基板11の割れの発生を抑制することができる。
(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態について、図7から図9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、セラミックス部材であるセラミックス基板11と、銅部材である銅板122(回路層112)及び銅板123(金属層113)とが接合されることにより構成された絶縁回路基板110とされている。
図7に本発明の第2の実施形態である絶縁回路基板110及びこの絶縁回路基板110を用いたパワーモジュール101を示す。
次に、本発明の第2の実施形態について、図7から図9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、セラミックス部材であるセラミックス基板11と、銅部材である銅板122(回路層112)及び銅板123(金属層113)とが接合されることにより構成された絶縁回路基板110とされている。
図7に本発明の第2の実施形態である絶縁回路基板110及びこの絶縁回路基板110を用いたパワーモジュール101を示す。
このパワーモジュール101は、絶縁回路基板110と、この絶縁回路基板110の一方側(図7において上側)の面に第1はんだ層2を介して接合された半導体素子3と、絶縁回路基板110の他方側(図7において下側)に配置されたヒートシンク151と、を備えている。
絶縁回路基板110は、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7において上面)に配設された回路層112と、セラミックス基板11の他方の面(図7において下面)に配設された金属層113とを備えている。
セラミックス基板11は、回路層112と金属層113との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高い窒化ケイ素(Si3N4)で構成されている。ここで、セラミックス基板11の厚さは、0.2~1.5mm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。
セラミックス基板11は、回路層112と金属層113との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高い窒化ケイ素(Si3N4)で構成されている。ここで、セラミックス基板11の厚さは、0.2~1.5mm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112は、図9に示すように、セラミックス基板11の一方の面に銅又は銅合金からなる銅板122が接合されることにより形成されている。銅又は銅合金としては、無酸素銅やタフピッチ銅等を用いることができる。本実施形態においては、回路層112を構成する銅板122として、タフピッチ銅の圧延板が用いられている。この回路層112には、回路パターンが形成されており、その一方の面(図7において上面)が、半導体素子3が搭載される搭載面とされている。ここで、回路層112の厚さは0.1mm以上1.0mm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113は、図9に示すように、セラミックス基板11の他方の面に銅又は銅合金からなる銅板123が接合されることにより形成されている。銅又は銅合金としては、無酸素銅やタフピッチ銅等を用いることができる。本実施形態においては、金属層113を構成する銅板123として、タフピッチ銅の圧延板が用いられている。ここで、金属層113の厚さは0.1mm以上1.0mm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。
ヒートシンク151は、前述の絶縁回路基板110を冷却するためのものであり、絶縁回路基板110と接合される放熱板152と、この放熱板152に積層配置される冷却器154とで構成されている。
放熱板152は、前述の絶縁回路基板110からの熱を面方向に拡げるものであり、熱伝導性に優れた銅又は銅合金で構成されている。なお、放熱板152と絶縁回路基板110の金属層113とは、第2はんだ層8を介して接合されている。
放熱板152は、前述の絶縁回路基板110からの熱を面方向に拡げるものであり、熱伝導性に優れた銅又は銅合金で構成されている。なお、放熱板152と絶縁回路基板110の金属層113とは、第2はんだ層8を介して接合されている。
冷却器154は、図7に示すように、冷却媒体(例えば冷却水)を流通するための流路153を備えている。冷却器154は、熱伝導性が良好な材質で構成されることが望ましく、本実施形態においては、A6063(アルミニウム合金)で構成されている。
なお、放熱板152と冷却器154とは、図7に示すように、グリース層(図示なし)を介して固定ネジ156によって締結されている。
なお、放熱板152と冷却器154とは、図7に示すように、グリース層(図示なし)を介して固定ネジ156によって締結されている。
ここで、セラミックス基板11と回路層112(銅板122)、及び、セラミックス基板11と金属層113(銅板123)とは、図9に示すように、Agと、Cuと、Ti,Nb,Hf,Zrから選択される一種又は二種以上の窒化物形成元素を含むろう材(本実施形態では、窒化物形成元素としてTiを含むAg-Cu-Ti系ろう材124)を用いて接合されている。
このセラミックス基板11と回路層112(銅板122)との接合界面、および、セラミックス基板11と金属層113(銅板123)との接合界面には、第1の実施形態と同様に、その粒界においてCu及びSiが存在するとともに内部にAg粒子が分散した窒化化合物層と、Ag-Cu共晶層と、が形成されている。そして、セラミックス基板11と回路層112(銅板122)との間、および、セラミックス基板11と金属層113(銅板123)との間には窒化物形成元素(本実施形態ではTi)とSiを含む金属間化合物からなる金属間化合物相が存在している(図2及び図3参照)。なお、窒化化合物層の厚さは0.15μm以上1.0μm以下とされている。窒化化合物層の厚さが0.15μm以上とされているので、銅板122(回路層112)と窒化ケイ素(Si3N4)からなるセラミックス基板11との接合界面に未反応部が生じることが無く接合強度の高い絶縁回路基板110を得ることができる。さらに窒化化合物層の厚さが1.0μm以下とされているので、窒化化合物層にクラックが生じることを抑制でき、接合強度の高い、絶縁回路基板110を得ることができる。また、窒化化合物層の厚さは0.4μm以上0.8μm以下であることが好ましい。
また、金属間化合物相はAg-Cu共晶層の内部に存在する場合や、窒化化合物層に隣接するように存在している場合もある。さらに、金属間化合物相は回路層112(銅板122)とセラミックス基板11との接合界面から回路層112(銅板122)に向かって20μm以内に存在している場合もある。また、セラミックス基板11と金属層113(銅板123)との接合界面から金属層113(銅板123)に向かって20μm以内に存在している場合もある。
次に、上述した本実施形態である絶縁回路基板110の製造方法について、図8及び図9を参照して説明する。
(銅板積層工程S101)
まず、図8及び図9に示すように、セラミックス基板11の一方の面にAg-Cu-Ti系ろう材124を介して回路層112となる銅板122を積層する。また、セラミックス基板11の他方の面にAg-Cu-Ti系ろう材124を介して金属層113となる銅板123を積層する。
ここで、Ag-Cu-Ti系ろう材124においては、Cuの含有量は、18mass%以上34mass%以下、Tiの含有量は、0.3mass%以上7mass%以下であることが好ましいが、これに限定されることはない。また、本実施形態では、Ag-Cu-Ti系ろう材124として箔材を用い、厚さは3μm以上50μm以下の範囲内に設定するとよい。
まず、図8及び図9に示すように、セラミックス基板11の一方の面にAg-Cu-Ti系ろう材124を介して回路層112となる銅板122を積層する。また、セラミックス基板11の他方の面にAg-Cu-Ti系ろう材124を介して金属層113となる銅板123を積層する。
ここで、Ag-Cu-Ti系ろう材124においては、Cuの含有量は、18mass%以上34mass%以下、Tiの含有量は、0.3mass%以上7mass%以下であることが好ましいが、これに限定されることはない。また、本実施形態では、Ag-Cu-Ti系ろう材124として箔材を用い、厚さは3μm以上50μm以下の範囲内に設定するとよい。
(銅板接合工程S102)
次に、銅板122、セラミックス基板11及び銅板123を積層方向に0.5kgf/cm2以上35kgf/cm2以下(4.9×104Pa以上343×104Pa以下)の範囲で加圧した状態で、真空またはアルゴン雰囲気の加熱炉内に装入して加熱し、銅板122とセラミックス基板11と銅板123とを接合する。
次に、銅板122、セラミックス基板11及び銅板123を積層方向に0.5kgf/cm2以上35kgf/cm2以下(4.9×104Pa以上343×104Pa以下)の範囲で加圧した状態で、真空またはアルゴン雰囲気の加熱炉内に装入して加熱し、銅板122とセラミックス基板11と銅板123とを接合する。
この銅板接合工程S102においては、Cu-Si共晶温度(804℃)以上における温度と時間とを掛け合わして積算した温度積分値が180℃・min以上3500℃・min以下の範囲内となるように、昇温速度、保持温度、保持時間、降温速度等が規定される。ここで、接合温度が850℃を超えると、Cu-Ti金属間化合物形成反応が過剰に進行し、セラミックス基板11の割れが生じるおそれがある。このため、接合温度の上限を850℃とすることが好ましい。
なお、上述の温度積分値の下限は、250℃・minとすることが好ましく、500℃・minとすることがさらに好ましい。また、上述の温度積分値の上限は、1900℃・minとすることが好ましく、1700℃・minとすることがさらに好ましい。
なお、上述の温度積分値の下限は、250℃・minとすることが好ましく、500℃・minとすることがさらに好ましい。また、上述の温度積分値の上限は、1900℃・minとすることが好ましく、1700℃・minとすることがさらに好ましい。
この銅板接合工程S102においては、Cu-Si共晶温度(804℃)以上における温度と時間とを掛け合わして積算した温度積分値を上述の範囲内としていることから、Ag-Cu共晶の液相中において、セラミックス基板11との界面で、Ag-Cu-Ti系ろう材124中のTiと窒化ケイ素(Si3N4)からなるセラミックス基板11との反応によりSiが形成され、このSiとAg-Cu-Ti系ろう材124中のCuとが共晶反応して液相が形成される。そして、このCu-Si共晶液相中において、Ag-Cu-Ti系ろう材124中のTiとセラミックス基板11中のN(窒素)とが反応して窒化チタンが生成する。これにより、セラミックス基板11の表面が侵食される形で窒化化合物層が形成される。
さらに、セラミックス基板11中のSiとAg-Cu-Ti系ろう材124中のTiとが反応し、金属間化合物相が形成される。
また、上述の反応により、柱状晶として成長する窒化化合物層の粒界に、Cu及びSiが存在する。
さらに、窒化化合物層内に、Ag粒子が分散される。
また、上述の反応により、柱状晶として成長する窒化化合物層の粒界に、Cu及びSiが存在する。
さらに、窒化化合物層内に、Ag粒子が分散される。
以上のような工程により、本実施形態である絶縁回路基板110が製造される。
(放熱板接合工程S103)
次に、絶縁回路基板110の金属層113の他方の面側に放熱板152を接合する。
絶縁回路基板110と放熱板152とを、はんだ材を介して積層して加熱炉に装入し、絶縁回路基板110と放熱板152とをはんだ接合する。
次に、絶縁回路基板110の金属層113の他方の面側に放熱板152を接合する。
絶縁回路基板110と放熱板152とを、はんだ材を介して積層して加熱炉に装入し、絶縁回路基板110と放熱板152とをはんだ接合する。
(冷却器配設工程S104)
次に、放熱板152の他方の面側に、冷却器154を配設する。
放熱板152と冷却器154との間にグリース(図示無し)を塗布し、放熱板152と冷却器154とを固定ネジ156によって連結する。
次に、放熱板152の他方の面側に、冷却器154を配設する。
放熱板152と冷却器154との間にグリース(図示無し)を塗布し、放熱板152と冷却器154とを固定ネジ156によって連結する。
(半導体素子搭載工程S105)
次に、絶縁回路基板110の回路層112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。
以上の工程により、図7に示すパワーモジュール101が製出される。
次に、絶縁回路基板110の回路層112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。
以上の工程により、図7に示すパワーモジュール101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110(銅/セラミックス接合体)によれば、タフピッチ銅からなる銅板122(回路層112)及び銅板123(金属層113)と窒化ケイ素(Si3N4)からなるセラミックス基板11とが、それぞれAg-Cu-Ti系ろう材124を用いて接合されており、銅板接合工程S102において、Cu-Si共晶温度(804℃)以上における温度と時間とを掛け合わして積算した温度積分値が上述の範囲内とされているので、第1の実施形態と同様の接合界面を有しており、銅板122(回路層112)とセラミックス基板11、銅板123(金属層113)とセラミックス基板11とが確実に接合された絶縁回路基板110を得ることができる。
(第3の実施形態)
次に、本発明の第3の実施形態について、図10から図12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、図10に示すように、セラミックス部材であるセラミックス基板11と、銅部材である銅板222(回路層212)とが接合されることにより構成された絶縁回路基板210とされている。
次に、本発明の第3の実施形態について、図10から図12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、図10に示すように、セラミックス部材であるセラミックス基板11と、銅部材である銅板222(回路層212)とが接合されることにより構成された絶縁回路基板210とされている。
セラミックス基板11は、絶縁性の高い窒化ケイ素(Si3N4)で構成されており、第1の実施形態及び第2の実施形態と同様の構成とされている。
回路層212は、図12に示すように、セラミックス基板11の一方の面に無酸素銅やタフピッチ銅等の銅又は銅合金からなる銅板222が接合されることにより形成されている。本実施形態では、銅板222は無酸素銅の圧延板とされている。
回路層212は、図12に示すように、セラミックス基板11の一方の面に無酸素銅やタフピッチ銅等の銅又は銅合金からなる銅板222が接合されることにより形成されている。本実施形態では、銅板222は無酸素銅の圧延板とされている。
ここで、セラミックス基板11と回路層212(銅板222)とは、図12に示すように、Agと、Ti,Nb,Hf,Zrから選択される一種又は二種以上の窒化物形成元素を含むろう材(本実施形態では、窒化物形成元素としてTiを含むAg-Ti系ろう材)を用いて接合されている。
このセラミックス基板11と回路層212(銅板222)との接合界面には、第1の実施形態と同様に、その粒界においてCu及びSiが存在するとともに内部にAg粒子が分散した窒化化合物層(窒化チタン層)と、Ag-Cu共晶層と、が形成されている。そして、セラミックス基板11と回路層212(銅板222)との間には、窒化物形成元素(本実施形態ではTi)とSiを含む金属間化合物からなる金属間化合物相が存在している(図2及び図3参照)。なお、窒化化合物層の厚さは0.15μm以上1.0μm以下とされている。窒化化合物層の厚さが0.15μm以上とされているので、銅板222(回路層212)と窒化ケイ素(Si3N4)からなるセラミックス基板11との接合界面に未反応部が生じることが無く接合強度の高い絶縁回路基板210を得ることができる。さらに窒化化合物層の厚さが1.0μm以下とされているので、窒化化合物層にクラックが生じることを抑制でき、接合強度の高い、絶縁回路基板210を得ることができる。また、窒化化合物層の厚さは0.4μm以上0.8μm以下であることが好ましい。
また、金属間化合物相はAg-Cu共晶層の内部に存在する場合や、窒化化合物層に隣接するように存在している場合もある。さらに、金属間化合物相は銅板222(回路層212)とセラミックス基板11との接合界面から銅板222(回路層212)に向かって20μm以内に存在している場合もある。
このセラミックス基板11と回路層212(銅板222)との接合界面には、第1の実施形態と同様に、その粒界においてCu及びSiが存在するとともに内部にAg粒子が分散した窒化化合物層(窒化チタン層)と、Ag-Cu共晶層と、が形成されている。そして、セラミックス基板11と回路層212(銅板222)との間には、窒化物形成元素(本実施形態ではTi)とSiを含む金属間化合物からなる金属間化合物相が存在している(図2及び図3参照)。なお、窒化化合物層の厚さは0.15μm以上1.0μm以下とされている。窒化化合物層の厚さが0.15μm以上とされているので、銅板222(回路層212)と窒化ケイ素(Si3N4)からなるセラミックス基板11との接合界面に未反応部が生じることが無く接合強度の高い絶縁回路基板210を得ることができる。さらに窒化化合物層の厚さが1.0μm以下とされているので、窒化化合物層にクラックが生じることを抑制でき、接合強度の高い、絶縁回路基板210を得ることができる。また、窒化化合物層の厚さは0.4μm以上0.8μm以下であることが好ましい。
また、金属間化合物相はAg-Cu共晶層の内部に存在する場合や、窒化化合物層に隣接するように存在している場合もある。さらに、金属間化合物相は銅板222(回路層212)とセラミックス基板11との接合界面から銅板222(回路層212)に向かって20μm以内に存在している場合もある。
次に、上述した本実施形態である絶縁回路基板210の製造方法について、図11及び図12を参照して説明する。
(ろう材ペースト塗布工程S201)
まず、セラミックス基板11の一方の面に、スクリーン印刷によってAg-Ti系ろう材ペースト224を塗布する。なお、Ag-Ti系ろう材ペースト224の厚さは、乾燥後で20μm以上300μm以下とされている。
まず、セラミックス基板11の一方の面に、スクリーン印刷によってAg-Ti系ろう材ペースト224を塗布する。なお、Ag-Ti系ろう材ペースト224の厚さは、乾燥後で20μm以上300μm以下とされている。
ここで、Ag-Ti系ろう材ペースト224は、AgおよびTiを含む粉末成分と、樹脂と、溶剤と、分散剤と、可塑剤と、還元剤と、を含有するものである。
本実施形態では、粉末成分の含有量が、Ag-Ti系ろう材ペースト224全体の40質量%以上90質量%以下とされている。また、本実施形態では、Ag-Ti系ろう材ペースト224の粘度が10Pa・s以上500Pa・s以下、より好ましくは50Pa・s以上300Pa・s以下に調整されている。
本実施形態では、粉末成分の含有量が、Ag-Ti系ろう材ペースト224全体の40質量%以上90質量%以下とされている。また、本実施形態では、Ag-Ti系ろう材ペースト224の粘度が10Pa・s以上500Pa・s以下、より好ましくは50Pa・s以上300Pa・s以下に調整されている。
粉末成分の組成は、Tiの含有量が0.4質量%以上75質量%以下とされ、残部がAg及び不可避不純物とされている。本実施形態では、Tiを10質量%含んでおり、残部がAg及び不可避不純物とされている。
また、本実施形態においては、Ag及びTiを含む粉末成分として、AgとTiとの合金粉末を使用している。この合金粉末は、アトマイズ法によって作製されたものであり、作製された合金粉末を篩い分けすることによって、粒径を40μm以下、好ましくは20μm以下、さらに好ましくは10μm以下に設定している。
また、本実施形態においては、Ag及びTiを含む粉末成分として、AgとTiとの合金粉末を使用している。この合金粉末は、アトマイズ法によって作製されたものであり、作製された合金粉末を篩い分けすることによって、粒径を40μm以下、好ましくは20μm以下、さらに好ましくは10μm以下に設定している。
(銅板積層工程S202)
次に、セラミックス基板11の一方の面に回路層212となる銅板222を積層する。
次に、セラミックス基板11の一方の面に回路層212となる銅板222を積層する。
(銅板接合工程S203)
次に、銅板222とセラミックス基板11を積層方向に0.5kgf/cm2以上35kgf/cm2以下(4.9×104Pa以上343×104Pa以下)の範囲で加圧した状態で、真空またはアルゴン雰囲気の加熱炉内に装入して加熱し、銅板222とセラミックス基板11とを接合する。
次に、銅板222とセラミックス基板11を積層方向に0.5kgf/cm2以上35kgf/cm2以下(4.9×104Pa以上343×104Pa以下)の範囲で加圧した状態で、真空またはアルゴン雰囲気の加熱炉内に装入して加熱し、銅板222とセラミックス基板11とを接合する。
この銅板接合工程S203においては、Cu-Si共晶温度(804℃)以上における温度と時間とを掛け合わして積算した温度積分値が180℃・min以上3500℃・min以下の範囲内となるように、昇温速度、保持温度、保持時間、降温速度等が規定される。ここで、接合温度が850℃を超えると、Cu-Ti金属間化合物形成反応が過剰に進行し、セラミックス基板11の割れが生じるおそれがある。このため、接合温度の上限を850℃とすることが好ましい。
なお、上述の温度積分値の下限は、250℃・minとすることが好ましく、500℃・minとすることがさらに好ましい。また、上述の温度積分値の上限は、1900℃・minとすることが好ましく、1700℃・minとすることがさらに好ましい。
なお、上述の温度積分値の下限は、250℃・minとすることが好ましく、500℃・minとすることがさらに好ましい。また、上述の温度積分値の上限は、1900℃・minとすることが好ましく、1700℃・minとすることがさらに好ましい。
この銅板接合工程S203においては、Cu-Si共晶温度(804℃)以上における温度と時間とを掛け合わして積算した温度積分値を上述の範囲内としていることから、Ag-Cu共晶の液相中において、セラミックス基板11との界面で、Ag-Ti系ろう材ペースト224中のTiと窒化ケイ素(Si3N4)からなるセラミックス基板11との反応によりSiが形成され、このSiと銅板222中のCuとが共晶反応して液相が形成される。この液相中において、Ag-Ti系ろう材ペースト224中のTiとセラミックス基板11中のN(窒素)とが反応して窒化チタンが生成する。これにより、セラミックス基板11の表面が侵食される形で窒化チタンからなる窒化化合物層が形成される。
さらに、セラミックス基板11中のSiとAg-Ti系ろう材ペースト224中のTiが反応し、金属間化合物相が形成される。
また、上述の反応により、柱状晶として成長する窒化化合物層の粒界に、Cu及びSiが存在する。
さらに、窒化化合物層内に、Ag粒子が分散される。
また、上述の反応により、柱状晶として成長する窒化化合物層の粒界に、Cu及びSiが存在する。
さらに、窒化化合物層内に、Ag粒子が分散される。
以上のような工程により、本実施形態である絶縁回路基板210が製造される。
以上のような構成とされた本実施形態の絶縁回路基板210(銅/セラミックス接合体)によれば、無酸素銅からなる銅板222(回路層212)と窒化ケイ素(Si3N4)からなるセラミックス基板11とが、Ag-Ti系ろう材ペースト224を用いて接合されており、銅板接合工程S203において、Cu-Si共晶温度(804℃)以上における温度と時間とを掛け合わして積算した温度積分値が上述の範囲内とされているので、第1の実施形態と同様の接合界面を有しており、銅板222(回路層212)とセラミックス基板11が確実に接合された絶縁回路基板210を得ることができる。
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、回路層又は金属層を構成する銅板を、無酸素銅の圧延板として説明したが、これに限定されることはなく、他の銅又は銅合金で構成されたものであってもよい。
例えば、回路層又は金属層を構成する銅板を、無酸素銅の圧延板として説明したが、これに限定されることはなく、他の銅又は銅合金で構成されたものであってもよい。
また、第1の実施形態において、金属層を構成するアルミニウム板を、純度99.99mass%の純アルミニウムの圧延板として説明したが、これに限定されることはなく、純度99mass%のアルミニウム(2Nアルミニウム)等、他のアルミニウム又はアルミニウム合金で構成されたものであってもよい。
さらに、本実施形態では、窒化化合物層にAg粒子が分散されているものとして説明したが、これに限定されることはない。
また、本実施形態では、窒化化合物層に分散されるAg粒子の粒径が10nm以上100nm以下の範囲内とされているものとして説明したが、これ以外のサイズのAg粒子が分散していてもよい。
また、本実施形態では、窒化化合物層に分散されるAg粒子の粒径が10nm以上100nm以下の範囲内とされているものとして説明したが、これ以外のサイズのAg粒子が分散していてもよい。
さらに、ヒートシンクや放熱板は、本実施形態で例示してものに限定されることはなく、ヒートシンクの構造に特に限定はない。
また、ヒートシンクの天板部や放熱板と金属層との間に、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材(例えばAlSiC等)からなる緩衝層を設けてもよい。
また、ヒートシンクの天板部や放熱板と金属層との間に、アルミニウム又はアルミニウム合金若しくはアルミニウムを含む複合材(例えばAlSiC等)からなる緩衝層を設けてもよい。
さらに、本実施形態においては、窒化物形成元素としてTiを用いて、窒化チタンからなる窒化化合物層及びTiとSiとを含む金属間化合物相を有するものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ti,Nb,Hf,Zrから選択される一種又は二種以上の窒化物形成元素を用いて、この窒化物形成元素を含む窒化化合物層及び窒化物形成元素とSiとを含む金属間化合物相を有するものとしてもよい。
さらに、第3の実施形態では、Ag-Ti系ろう材ペーストを用いてセラミックス基板と銅板とを接合するものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ag-Cu-Ti系ペーストを用いてもよい。この場合、銅/セラミックス接合体は、第1の実施形態と同様の界面構造を有する。
また、Ag-Ti系ろう材ペーストをセラミックス基板に塗布するものとして説明したが、これに限定されることはなく、銅板にAg-Ti系ろう材ペースト等を塗布してもよい。
さらに、Ag-Ti系ろう材ペーストをスクリーン印刷によって塗布するものとして説明したが、塗布方法に限定はない。
また、積層工程(S202)の前に、Ag-Ti系ろう材ペーストの乾燥を行う工程を設けても良い。
また、Ag-Ti系ろう材ペーストをセラミックス基板に塗布するものとして説明したが、これに限定されることはなく、銅板にAg-Ti系ろう材ペースト等を塗布してもよい。
さらに、Ag-Ti系ろう材ペーストをスクリーン印刷によって塗布するものとして説明したが、塗布方法に限定はない。
また、積層工程(S202)の前に、Ag-Ti系ろう材ペーストの乾燥を行う工程を設けても良い。
さらに、第3の実施形態では、Ag及びTiを含む粉末成分として、AgとTiとの合金粉末を使用したが、これに限らず、Ag粉末とTi粉末との混合粉末を用いることができる。この場合、用いるAg粉末の粒径は40μm以下、好ましくは20μm以下、さらに好ましくは10μm以下であるとよい。
また、Ti粉末の代わりにTiH2粉末を用いることもできる。TiH2粉末を用いた場合、粉末成分の組成は、TiH2の含有量が0.4質量%以上50質量%以下とされ、残部がAg及び不可避不純物とすると良い。用いられるTiH2粉末の粒径は15μm以下が好ましく、より好ましくは5μm以下であるとよい。また、TiH2粉末を用いたペーストの場合、塗布されたペーストの厚さは、乾燥後で20μm以上300μm以下とすると良い。
また、Ag粉末と、Cu粉末と、Ti粉末又はTiH2粉末との混合粉末からなるペーストを用いることもできる。
また、Ti粉末の代わりにTiH2粉末を用いることもできる。TiH2粉末を用いた場合、粉末成分の組成は、TiH2の含有量が0.4質量%以上50質量%以下とされ、残部がAg及び不可避不純物とすると良い。用いられるTiH2粉末の粒径は15μm以下が好ましく、より好ましくは5μm以下であるとよい。また、TiH2粉末を用いたペーストの場合、塗布されたペーストの厚さは、乾燥後で20μm以上300μm以下とすると良い。
また、Ag粉末と、Cu粉末と、Ti粉末又はTiH2粉末との混合粉末からなるペーストを用いることもできる。
また、上記実施形態に記載したAg-Cu-Ti系ろう材やAg-Ti系ろう材にIn、Sn、Al、Mn及びZnから選択される1種又は2種以上の元素を添加させることもできる。この場合、接合温度をさらに低下させることができる。
さらに、Ag-Ti系ろう材ペーストとして、TiとIn、Sn、Al、Mn及びZnから選択される1種又は2種以上の元素と、残部がAg及び不可避不純物からなるペーストを用いることもできる。この場合、接合温度をさらに低下させることができる。
また、第2の実施形態において、Ag-Cu-Ti系ろう材箔の代わりに第3の実施形態で記載したAg-Ti系ろう材ペーストを用いることもできる。
さらに、Ag-Ti系ろう材ペーストとして、TiとIn、Sn、Al、Mn及びZnから選択される1種又は2種以上の元素と、残部がAg及び不可避不純物からなるペーストを用いることもできる。この場合、接合温度をさらに低下させることができる。
また、第2の実施形態において、Ag-Cu-Ti系ろう材箔の代わりに第3の実施形態で記載したAg-Ti系ろう材ペーストを用いることもできる。
また、本実施形態では、絶縁回路基板にパワー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。
本発明の有効性を確認するために行った確認実験について説明する。
(実施例1)
窒化ケイ素(Si3N4)からなるセラミックス基板、ろう材、銅板を用いて、銅/セラミックス接合体を形成した。詳述すると、40mm角で厚さ0.32mmのセラミックス基板の片面に、表1記載の材質からなる銅板を接合した。なお、表1において「TPC」はタフピッチ銅、「OFC」は無酸素銅を意味する。銅板の大きさは、44mm×25mm(但し、セラミックス基板の端部から5mm突出している)とした。セラミックス基板と銅板の間にろう材を介し、表1に示す条件で、銅板を接合し、銅/セラミックス接合体を形成した。また、積層方向への加圧力(荷重)は1.5kgf/cm2とし、接合雰囲気は真空(3×10-5Pa)とした。
窒化ケイ素(Si3N4)からなるセラミックス基板、ろう材、銅板を用いて、銅/セラミックス接合体を形成した。詳述すると、40mm角で厚さ0.32mmのセラミックス基板の片面に、表1記載の材質からなる銅板を接合した。なお、表1において「TPC」はタフピッチ銅、「OFC」は無酸素銅を意味する。銅板の大きさは、44mm×25mm(但し、セラミックス基板の端部から5mm突出している)とした。セラミックス基板と銅板の間にろう材を介し、表1に示す条件で、銅板を接合し、銅/セラミックス接合体を形成した。また、積層方向への加圧力(荷重)は1.5kgf/cm2とし、接合雰囲気は真空(3×10-5Pa)とした。
また、ろう材は、Ag-Cu-Ti箔の場合にはAg-28mass%Cu-3mass%Ti(厚さ:20μm)のろう材を用いた。
Ag-Ti箔の場合にはAg-10mass%Ti(厚さ:20μm)のろう材を用いた。
Ag-Cu-Tiペーストの場合には、粉末成分の組成がAg-28mass%Cu-3mass%Tiのろう材粉末(粒径20μm)と、アクリル系樹脂と、テキサノールとを含有するペーストを、乾燥後の厚さが150μmとなるよう塗布し、ろう材とした。
Ag-Tiペーストの場合には、粉末成分の組成がAg-10mass%Tiのろう材粉末(粒径20μm)と、アクリル系樹脂と、テキサノールとを含有するペーストを、乾燥後の厚さが150μmとなるよう塗布し、ろう材とした。
Ag-Ti箔の場合にはAg-10mass%Ti(厚さ:20μm)のろう材を用いた。
Ag-Cu-Tiペーストの場合には、粉末成分の組成がAg-28mass%Cu-3mass%Tiのろう材粉末(粒径20μm)と、アクリル系樹脂と、テキサノールとを含有するペーストを、乾燥後の厚さが150μmとなるよう塗布し、ろう材とした。
Ag-Tiペーストの場合には、粉末成分の組成がAg-10mass%Tiのろう材粉末(粒径20μm)と、アクリル系樹脂と、テキサノールとを含有するペーストを、乾燥後の厚さが150μmとなるよう塗布し、ろう材とした。
Ag-Zrペーストの場合には、粉末成分の組成がAg-17mass%Zrのろう材粉末(粒径20μm)と、アクリル系樹脂と、テキサノールとを含有するペーストを、乾燥後の厚さが150μmとなるよう塗布し、ろう材とした。
Ag-Hfペーストの場合には、粉末成分の組成がAg-29mass%Hfのろう材粉末(粒径40μm)と、アクリル系樹脂と、テキサノールとを含有するペーストを、乾燥後の厚さが150μmとなるよう塗布し、ろう材とした。
Ag-Nbペーストの場合には、粉末成分の組成がAg-18mass%Nbのろう材粉末(粒径20μm)と、アクリル系樹脂と、テキサノールとを含有するペーストを、乾燥後の厚さが150μmとなるよう塗布し、ろう材とした。
Ag-Hfペーストの場合には、粉末成分の組成がAg-29mass%Hfのろう材粉末(粒径40μm)と、アクリル系樹脂と、テキサノールとを含有するペーストを、乾燥後の厚さが150μmとなるよう塗布し、ろう材とした。
Ag-Nbペーストの場合には、粉末成分の組成がAg-18mass%Nbのろう材粉末(粒径20μm)と、アクリル系樹脂と、テキサノールとを含有するペーストを、乾燥後の厚さが150μmとなるよう塗布し、ろう材とした。
このようにして得られた銅/セラミックス接合体について、窒化化合物層の厚さ、Ag-Cu共晶層中の金属間化合物相の有無、窒化化合物層の粒界におけるCu及びSiの有無、窒化化合物層中のAg粒子の有無(粒径)、銅板とセラミックス基板との間の90°ピール強度を評価した。
(接合界面の観察)
銅板とセラミックス基板との接合界面(セラミック基板の表面に垂直な断面)を、走査型電子顕微鏡(カールツァイスNTS社製ULTRA55)を用いて、倍率15000倍(測定視野:6μm×8μm)、視野数5で観察を行い、窒化化合物層の厚さ、Ag-Cu共晶層中の金属間化合物相の有無、窒化化合物層中のAg粒子の有無(粒径)を確認した。
銅板とセラミックス基板との接合界面(セラミック基板の表面に垂直な断面)を、走査型電子顕微鏡(カールツァイスNTS社製ULTRA55)を用いて、倍率15000倍(測定視野:6μm×8μm)、視野数5で観察を行い、窒化化合物層の厚さ、Ag-Cu共晶層中の金属間化合物相の有無、窒化化合物層中のAg粒子の有無(粒径)を確認した。
窒化化合物層の厚さについては、銅板とセラミックス基板との接合界面において、Ti,Nb,Hf,Zrから選択される窒化物形成元素とNの元素マッピングを取得し、窒化物形成元素と窒素(N)が共存する領域を窒化化合物層とみなし、この領域の面積を測定し、測定された面積を測定視野の幅の寸法で除した値を求め、5視野において求めた値の平均を窒化化合物層の厚さとした。
なお、金属間化合物相の有無については、窒化物形成元素とSiの元素マッピングにおいて、窒化物形成元素とSiが共存する領域が存在し、その領域の窒化物形成元素の濃度が60mass%以上90mass%以下であった場合を金属間化合物相「有」とみなした。
また、透過型電子顕微鏡(FEI社製Titan ChemiSTEM)を用いて加速電圧200kV、倍率91万倍で接合界面を観察し、0.1nm程度のビーム径による元素マッピングにより、窒化化合物層の粒界におけるCu及びSiの有無を確認した。
また、透過型電子顕微鏡(FEI社製Titan ChemiSTEM)を用いて加速電圧200kV、倍率91万倍で接合界面を観察し、0.1nm程度のビーム径による元素マッピングにより、窒化化合物層の粒界におけるCu及びSiの有無を確認した。
Ag粒子の有無については、窒化化合物層内のAgの元素マッピングを8ビットグレースケールに変換し、Ag分布像を取得し、Kapur-Sahoo-Wong(Maximum Entropy)thresholding mrthod(Kapur,JN;Sahoo,PK;Wong,ACK(1985)、“A New Method for Gray-Level Picture Thresholding Usingthe Entropy of the Histogram”,Graphical Models and Image Processing 29(3):273-285参照)に基づいて、Ag分布像を2値化した。2値化した画像からAg粒子の輪郭を抽出し、輪郭内の面積(ピクセル数)から円相当径(直径)を算出した。そして、算出された円相当径のD50をAg粒子の粒径とした。
(90°ピール強度試験)
銅/セラミックス接合体において、150℃で500時間放置後、接合された銅板のうちセラミックス基板から突出した部分を90°折り曲げ、セラミックス基板と垂直方向に銅板を引っ張り、銅板がセラミックス基板から剥離するまでの最大の引っ張り荷重を測定した。この荷重を接合長さ(39mm)で割った値を90°ピール強度とし、表1に記載した。
銅/セラミックス接合体において、150℃で500時間放置後、接合された銅板のうちセラミックス基板から突出した部分を90°折り曲げ、セラミックス基板と垂直方向に銅板を引っ張り、銅板がセラミックス基板から剥離するまでの最大の引っ張り荷重を測定した。この荷重を接合長さ(39mm)で割った値を90°ピール強度とし、表1に記載した。
評価結果を表1に示す。また、本発明例1の銅/セラミックス接合体におけるSEM観察結果を図13に、本発明例1の銅/セラミックス接合体におけるSTEM観察結果を図14に示す。
窒化化合物層にCu及びSiが存在せず、窒化化合物層の厚さが0.15μm未満であった比較例1においては、90°ピール強度が3.2kN/mと低くなった。窒化化合物層におけるクラックの発生を抑制できず、また、セラミックス基板と銅板との接合界面に未反応部が生じたためと推測される。
窒化化合物層の厚さが1.24μmとされた比較例2においては、90°ピール強度が4.5kN/mと低くなった。窒化化合物層が必要以上に厚く形成され、クラックが生じたためと推測される。
窒化化合物層の厚さが1.24μmとされた比較例2においては、90°ピール強度が4.5kN/mと低くなった。窒化化合物層が必要以上に厚く形成され、クラックが生じたためと推測される。
これに対して、本発明例1-10においては、いずれも90°ピール強度が高くなった。窒化化合物層の厚さが0.15μm以上1.0μm以下とされ、窒化化合物層にCu及びSiが存在しており、窒化化合物層におけるクラックの発生が抑制されたためと推測される。
ここで、本発明例においては、図13(a)(In Lens SE(二次電子)像)に示すように、セラミックス基板(Si3N4)11の接合界面に窒化化合物層31とAg-Cu共晶層32(図13(a)ではAg-Cu共晶層32を構成するAg32aとCu32bが観察されている)が観察された。
また、金属間化合物相33は、銅板とセラミックス基板との間に存在しているとともに、Ag-Cu共晶層32の内部に窒化化合物層31に隣接して存在していることが確認された。
また、図13(b)(BSE(反射電子)像)に示すように、上述の窒化化合物層31の内部にAg粒子35が分散していることが確認された。
そして、本発明例においては、図14(上段の図はHAADF(高角度環状暗視野)像、中央の図はCuの元素マッピング、下段の図はSiの元素マッピング)に示すように、窒化化合物層の粒界にCu及びSiが存在していることが確認された。
また、金属間化合物相33は、銅板とセラミックス基板との間に存在しているとともに、Ag-Cu共晶層32の内部に窒化化合物層31に隣接して存在していることが確認された。
また、図13(b)(BSE(反射電子)像)に示すように、上述の窒化化合物層31の内部にAg粒子35が分散していることが確認された。
そして、本発明例においては、図14(上段の図はHAADF(高角度環状暗視野)像、中央の図はCuの元素マッピング、下段の図はSiの元素マッピング)に示すように、窒化化合物層の粒界にCu及びSiが存在していることが確認された。
(実施例2)
窒化ケイ素(Si3N4)からなるセラミックス基板、ろう材、銅板を用いて、絶縁回路基板を形成した。詳述すると、40mm角で厚さ0.32mmのセラミックス基板の両面に、表2記載の材質からなる銅板を接合した。銅板の大きさは、37mm角で厚さ0.8mmとした。セラミックス基板と銅板の間にろう材を介し、表2に示す条件で、銅板を接合し、銅/セラミックス接合体を形成した。また、積層方向への加圧力(荷重)は1.5kgf/cm2とし、接合雰囲気は真空(3×10-5Pa)とした。なお、表2に示すろう材は、上述の実施例1と同様のものを用いた。
窒化ケイ素(Si3N4)からなるセラミックス基板、ろう材、銅板を用いて、絶縁回路基板を形成した。詳述すると、40mm角で厚さ0.32mmのセラミックス基板の両面に、表2記載の材質からなる銅板を接合した。銅板の大きさは、37mm角で厚さ0.8mmとした。セラミックス基板と銅板の間にろう材を介し、表2に示す条件で、銅板を接合し、銅/セラミックス接合体を形成した。また、積層方向への加圧力(荷重)は1.5kgf/cm2とし、接合雰囲気は真空(3×10-5Pa)とした。なお、表2に示すろう材は、上述の実施例1と同様のものを用いた。
このようにして得られた絶縁回路基板について、窒化化合物層の厚さ、窒化化合物層におけるセラミックス基板側の界面から全厚の25%位置の領域におけるAgの平均濃度C1と、銅板側の界面から全厚の25%位置の領域におけるAgの平均濃度C2との比C2/C1、セラミックス基板と銅板との初期接合率、冷熱サイクル試験によるセラミックス基板の割れを評価した。
(窒化化合物層の厚さ、窒化化合物層におけるAg濃度)
窒化化合物層の厚さ方向のライン分析を、透過型電子顕微鏡(FEI社製Titan ChemiSTEM)を用いて加速電圧200kV、倍率91万倍で実施し、縦軸をAg濃度、横軸を測定位置としてグラフを作成した。
窒化化合物層の全厚をtとして、セラミックス基板側の界面から窒化化合物層の全厚tの25%(t/4)位置までの領域において原点を通る横軸とAg濃度曲線とで囲まれる面積をt/4で割ってAgの平均濃度C1とした。また、銅板側の界面から窒化化合物層の全厚tの25%(t/4)位置までの領域において原点を通る横軸とAg濃度曲線とで囲まれる面積をt/4で割ってAgの平均濃度C2とした。
窒化化合物層の厚さ方向のライン分析を、透過型電子顕微鏡(FEI社製Titan ChemiSTEM)を用いて加速電圧200kV、倍率91万倍で実施し、縦軸をAg濃度、横軸を測定位置としてグラフを作成した。
窒化化合物層の全厚をtとして、セラミックス基板側の界面から窒化化合物層の全厚tの25%(t/4)位置までの領域において原点を通る横軸とAg濃度曲線とで囲まれる面積をt/4で割ってAgの平均濃度C1とした。また、銅板側の界面から窒化化合物層の全厚tの25%(t/4)位置までの領域において原点を通る横軸とAg濃度曲線とで囲まれる面積をt/4で割ってAgの平均濃度C2とした。
ここで、セラミックス基板と窒化化合物層との界面は、ライン分析における窒化物形成元素の濃度が、セラミックス基板側から見て初めて10at%以上となった位置を界面とした。
また、銅板と窒化化合物層との界面は、ライン分析における窒化物形成元素の濃度が、銅板側から見て初めて10at%以上となった位置を界面とした。
そして、窒化化合物層の全厚tは、上述のように規定されたセラミックス基板との界面位置及び銅板との界面位置から算出した。
また、銅板と窒化化合物層との界面は、ライン分析における窒化物形成元素の濃度が、銅板側から見て初めて10at%以上となった位置を界面とした。
そして、窒化化合物層の全厚tは、上述のように規定されたセラミックス基板との界面位置及び銅板との界面位置から算出した。
(初期接合率)
銅板とセラミックス基板との接合率は、超音波探傷装置(株式会社日立パワーソリューションズ製FineSAT200)を用いて以下の式を用いて求めた。ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積、すなわち銅板の接合面の面積とした。超音波探傷像において剥離は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を剥離面積とした。
(接合率)={(初期接合面積)-(剥離面積)}/(初期接合面積)
銅板とセラミックス基板との接合率は、超音波探傷装置(株式会社日立パワーソリューションズ製FineSAT200)を用いて以下の式を用いて求めた。ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積、すなわち銅板の接合面の面積とした。超音波探傷像において剥離は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を剥離面積とした。
(接合率)={(初期接合面積)-(剥離面積)}/(初期接合面積)
(セラミックス基板の割れ)
冷熱衝撃試験機(エスペック株式会社製TSA-72ES)を使用し、-40℃×5分←→150℃×5分の冷熱サイクルを200回繰り返す毎に、セラミックス基板の割れの有無を確認し、割れが確認された回数を測定した。なお、1400回負荷時に割れが確認されなかったものは「>1400」と記載した。
冷熱衝撃試験機(エスペック株式会社製TSA-72ES)を使用し、-40℃×5分←→150℃×5分の冷熱サイクルを200回繰り返す毎に、セラミックス基板の割れの有無を確認し、割れが確認された回数を測定した。なお、1400回負荷時に割れが確認されなかったものは「>1400」と記載した。
窒化化合物層におけるセラミックス基板側の界面から全厚の25%位置までの領域におけるAgの平均濃度C1と、銅板側の界面から全厚の25%位置までの領域におけるAgの平均濃度C2との比C2/C1が小さいと、初期接合率が高く、かつ、セラミックス基板の割れが抑制される傾向にあった。これは、セラミックス基板側にAgが十分に拡散しており、界面反応が進行しているためと推測される。
以上のことから、本発明例によれば、銅部材と窒化ケイ素(Si3N4)からなるセラミックス部材とが確実に接合された銅/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。
本発明の銅/セラミックス接合体及び絶縁回路基板は、窒化化合物層におけるクラックの発生を抑制でき銅部材とセラミックス部材とが確実に接合されているので、信頼性が高く、LEDやパワーモジュール等の半導体装置に好適である。
10、110、210 絶縁回路基板
11 セラミックス基板
12、112、212 回路層(銅層)
13、113 金属層
22、122、123、222 銅板
24 Ag-Cu-Ti系ろう材
31 窒化化合物層
32 Ag-Cu共晶層
33 金属間化合物相
34 Cu及びSi
35 Ag粒子
124 Ag-Cu-Ti系ろう材
224 Ag-Ti系ろう材ペースト
11 セラミックス基板
12、112、212 回路層(銅層)
13、113 金属層
22、122、123、222 銅板
24 Ag-Cu-Ti系ろう材
31 窒化化合物層
32 Ag-Cu共晶層
33 金属間化合物相
34 Cu及びSi
35 Ag粒子
124 Ag-Cu-Ti系ろう材
224 Ag-Ti系ろう材ペースト
Claims (5)
- 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、
前記銅部材と前記セラミックス部材との接合界面には、前記セラミックス部材側から順に、Ti,Nb,Hf,Zrから選択される一種又は二種以上の窒化物形成元素を含む窒化化合物層と、Ag-Cu共晶層と、が形成されており、
前記窒化化合物層の厚さは0.15μm以上1.0μm以下であり、
前記銅部材と前記セラミックス部材との間には、前記窒化物形成元素とSiを含む金属間化合物からなる金属間化合物相が存在しており、
前記窒化化合物層の粒界にはCu及びSiが存在していることを特徴とする銅/セラミックス接合体。 - 前記窒化化合物層の内部にAg粒子が分散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。
- 前記窒化化合物層の内部に分散する前記Ag粒子の粒径が10nm以上100nm以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項2に記載の銅/セラミックス接合体。
- 前記窒化化合物層において、前記セラミックス部材側の界面から全厚の25%位置までの領域におけるAgの平均濃度C1と、前記銅部材側の界面から全厚の25%位置までの領域におけるAgの平均濃度C2との比C2/C1が0.8以下であることを特徴とする請求項2又は請求項3のいずれか一項に記載の銅/セラミックス接合体。
- 窒化ケイ素からなるセラミックス基板の表面に、銅又は銅合金からなる銅層が形成された絶縁回路基板であって、
前記銅層と前記セラミックス基板とが、請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の銅/セラミックス接合体で構成されていることを特徴とする絶縁回路基板。
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