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JP2025094030A - Ceramic Circuit Board - Google Patents

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JP2025094030A
JP2025094030A JP2025041217A JP2025041217A JP2025094030A JP 2025094030 A JP2025094030 A JP 2025094030A JP 2025041217 A JP2025041217 A JP 2025041217A JP 2025041217 A JP2025041217 A JP 2025041217A JP 2025094030 A JP2025094030 A JP 2025094030A
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JP
Japan
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copper plate
circuit board
temperature
brazing
brazing material
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Pending
Application number
JP2025041217A
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Japanese (ja)
Inventor
達也 外木
Tatsuya Tonoki
佳紀 山本
Yoshinori Yamamoto
繁幸 濱吉
Shigeyuki Hamayoshi
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Proterial Ltd
Original Assignee
Proterial Ltd
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Publication date
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Abstract

To provide a ceramic circuit board in which a copper plate has high electrical conductivity.SOLUTION: A ceramic circuit board W includes a copper plate bonded to one surface of a ceramic substrate S via a brazing material layer, and the ceramic substrate S has pores on its surface with a diameter of 15 μm or less, the copper plate has an average crystal grain size of 100 μm or less as measured by a cutting method in the grain size test method for drawn copper products specified in JIS 0501:1986, and has electrical conductivity of 96% or more and less than 100% of the IACS standard.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、パワーモジュールに使用されるセラミックス回路基板に関する。 The present invention relates to a ceramic circuit board used in a power module.

セラミックス回路基板(以下、単に回路基板と言う場合がある)は、例えば、特開2003-110222号に開示されている。特開2003-110222号に記載の回路基板は、セラミックス基板の少なくとも一方の面にろう材を介して接合された銅板を備えている。また、特開2003-110222号に開示によれば、セラミックス基板の少なくとも一方の面にろう材を介して銅板を接合し、その銅板の表面の所定の部分にレジストを塗布して銅板の不要部分をエッチングすることにより回路部を形成し、レジストを維持したまま不要なろう材およびろう材とセラミックス基板との反応生成物を除去し、その後、レジストを剥離することにより回路パターンが形成され、回路基板となる。 Ceramic circuit boards (hereinafter sometimes simply referred to as circuit boards) are disclosed, for example, in JP 2003-110222 A. The circuit board described in JP 2003-110222 A comprises a copper plate bonded to at least one surface of a ceramic substrate via a brazing material. According to the disclosure in JP 2003-110222 A, a copper plate is bonded to at least one surface of a ceramic substrate via a brazing material, a resist is applied to a predetermined portion of the surface of the copper plate, and unnecessary portions of the copper plate are etched to form a circuit section, unnecessary brazing material and reaction products between the brazing material and the ceramic substrate are removed while maintaining the resist, and then the resist is peeled off to form a circuit pattern and produce a circuit substrate.

特開2003-110222号公報JP 2003-110222 A

例えば、回路基板を構成する銅板の平均結晶粒径が過度に大きい場合、ろう材を介したセラミックス基板との接合性を損なうことが懸念される。そこで、平均結晶粒径を比較的小さく形成した銅板をセラミックス基板の一面にろう材を用いて接合したところ、回路基板を構成する銅板の導電率が低下する不都合が生じた。こうした銅板の導電率の低下に起因して、回路基板の電気的性能が低下することが懸念される。 For example, if the average crystal grain size of the copper plate constituting the circuit board is excessively large, there is concern that this will impair the bondability to the ceramic substrate via the brazing material. When a copper plate with a relatively small average crystal grain size was then bonded to one side of a ceramic substrate using brazing material, the electrical conductivity of the copper plate constituting the circuit substrate decreased. There is concern that the electrical performance of the circuit substrate will decrease due to this decrease in the electrical conductivity of the copper plate.

本発明の目的は、セラミックス基板の一面にろう材層を介して接合された銅板が高導電率を有するセラミックス回路基板を提供することにある。 The object of the present invention is to provide a ceramic circuit board having a high electrical conductivity, in which a copper plate is bonded to one side of the ceramic substrate via a brazing material layer.

上記目的に鑑み、鋭意研究の結果、ろう材を介してセラミックス基板に接合する際の銅板の結晶粒の粗大化に起因して回路基板を構成する銅板の導電率が低下することを突き止めた。そして、銅板とセラミックス基板をろう付けする際の温度プロファイルを工夫することにより、回路基板を構成する銅板の導電率の低下が抑制されることを見出し、本発明に想到した。 In view of the above objective, as a result of intensive research, it was discovered that the conductivity of the copper plate constituting the circuit board decreases due to the coarsening of the crystal grains of the copper plate when it is joined to the ceramic substrate via a brazing material. It was then discovered that the decrease in the conductivity of the copper plate constituting the circuit substrate can be suppressed by devising a temperature profile when brazing the copper plate to the ceramic substrate, and this led to the invention.

本発明のセラミックス回路基板は、セラミックス基板の一面にろう材層を介して接合された銅板を備えるセラミックス回路基板であって、前記セラミックス基板は、表面に存在する空孔の径が15μm以下であり、前記銅板は、JIS H0501:1986に規定の伸銅品結晶粒度試験方法の切断法による平均結晶粒径が100μm以下であり、導電率がIACS基準に対して96%以上100%未満である。 The ceramic circuit board of the present invention is a ceramic circuit board having a copper plate bonded to one surface of the ceramic substrate via a brazing material layer, the ceramic substrate has pores on the surface of which have a diameter of 15 μm or less, the copper plate has an average grain size of 100 μm or less as measured by the cutting method of the grain size test method for drawn copper products specified in JIS H0501:1986, and has an electrical conductivity of 96% or more but less than 100% of the IACS standard.

本発明は、高導電率の銅板を備えるセラミックス回路基板およびその製造方法を提供することができる。 The present invention can provide a ceramic circuit board with a highly conductive copper plate and a manufacturing method thereof.

セラミックス回路基板を模式的に示す正面図である。FIG. 2 is a front view showing a schematic diagram of a ceramic circuit board. 図1を上方から見た平面図である。FIG. 2 is a plan view of FIG. 1 as seen from above. 図1のセラミックス回路基板の製造方法を説明する第1の平面図である。FIG. 2 is a first plan view illustrating a method for manufacturing the ceramic circuit board of FIG. 1. 図1のセラミックス回路基板の製造方法を説明する第2の平面図である。FIG. 2 is a second plan view illustrating the method for manufacturing the ceramic circuit board of FIG. 1. 図1のセラミックス回路基板の製造方法を説明する第3の平面図である。FIG. 4 is a third plan view illustrating the method for manufacturing the ceramic circuit board of FIG. 1 . 図1のセラミックス回路基板の製造方法を説明する第4の平面図である。FIG. 4 is a fourth plan view illustrating the method for manufacturing the ceramic circuit board of FIG.

この本発明のセラミックス回路基板は、例えば、図1および図2に示すセラミックス回路基板Wである。このセラミックス回路基板Wは、セラミックス基板Sと、セラミックス基板Sの上面(一面)に間隙Gを介して形成された二つのろう材層C1,C2(以下、第1のろう材層C1および第2のろう材層C2と言う場合がある。)と、セラミックス基板Sの上面側に前記二つのろう材層C1,C2を介し各々接合された、半導体素子等が搭載される回路板として機能する二つの銅板M1,M2(以下、第1の銅板M1および第2の銅板基板M2と言う場合がある。)を基本的な構成として備える。前記二つの銅板M1,M2の表面には、Ni、Au等のメッキ層が必要に応じ形成されることがある。図1および図2に示すセラミックス回路基板Wは、セラミックス基板Sの下面(他面)にろう材層C3を介し接合された、放熱板として機能する銅板M3を有する。なお、銅板はM1,M2の二つに限定されず、上面側に三つ以上の銅板を有してもよい。 The ceramic circuit board of the present invention is, for example, the ceramic circuit board W shown in Figures 1 and 2. This ceramic circuit board W basically comprises a ceramic substrate S, two brazing layers C1, C2 (hereinafter sometimes referred to as the first brazing layer C1 and the second brazing layer C2) formed on the upper surface (one surface) of the ceramic substrate S with a gap G therebetween, and two copper plates M1, M2 (hereinafter sometimes referred to as the first copper plate M1 and the second copper plate substrate M2) that function as circuit boards on which semiconductor elements or the like are mounted, each bonded to the upper surface side of the ceramic substrate S via the two brazing layers C1, C2. A plating layer of Ni, Au, or the like may be formed on the surfaces of the two copper plates M1, M2 as necessary. The ceramic circuit board W shown in Figures 1 and 2 has a copper plate M3 that functions as a heat sink, bonded to the lower surface (other surface) of the ceramic substrate S via the brazing layer C3. The number of copper plates is not limited to two, M1 and M2, and there may be three or more copper plates on the top surface.

この本発明のセラミックス回路基板を構成するセラミックス基板は、その種類は特に限定されず、アルミナ、炭化珪素などを用いることができるが、高熱伝導率を有するという観点から、窒化珪素又は窒化アルミニウムが好ましい。セラミックス基板の表面に存在する空孔の最大径を15μmとするのが好ましい。前記空孔の最大径が15μmを超える場合、セラミックス基板の強度が低下し、例えば冷熱サイクル下におけるセラミックス回路基板の信頼性を劣化させる。特に強度および破壊靭性など機械的強度の面で優れた窒化珪素質焼結体で構成するのがより好ましい。 The ceramic substrate constituting the ceramic circuit board of the present invention is not particularly limited in type, and alumina, silicon carbide, etc. can be used, but silicon nitride or aluminum nitride is preferred from the viewpoint of high thermal conductivity. It is preferable that the maximum diameter of the voids present on the surface of the ceramic substrate is 15 μm. If the maximum diameter of the voids exceeds 15 μm, the strength of the ceramic substrate decreases, for example, deteriorating the reliability of the ceramic circuit substrate under thermal cycles. It is more preferable to construct the ceramic substrate from a silicon nitride sintered body, which is particularly excellent in terms of mechanical strength such as strength and fracture toughness.

前記窒化珪素質焼結体は、例えば90~97質量%の窒化珪素、および0.5~10質量%の焼結助剤(Mgの化合物と、Yおよびその他希土類元素の少なくとも1種の化合物とを含む)を含む原料粉末を用いて作製することができる。具体的には、この窒化珪素質焼結体は、前記原料粉末に適量の有機バインダ、可塑剤、分散剤および有機溶剤を添加し、ボールミル等で混合し、スラリーを形成し、このスラリーをドクターブレード法やカレンダーロール法で薄板状に成形し、セラミックスグリーンシートを得る。得られたセラミックスグリーンシートを、所望の形状となるよう打ち抜き又は裁断し、1700~1900℃の温度で焼結することにより得ることができる。この場合、焼結助剤が10質量%を超えると、セラミックス基板と銅板を接合する特性が十分でなくなることがある。また、焼結助剤が0.5質量%未満であると、窒化珪素粒子の焼結が十分でなくなることがある。高い熱伝導率および高強度を得るには、焼結助剤として、マグネシウム(Mg)を酸化マグネシウム換算で2~4質量%、イットリウム(Y)を酸化イットリウム換算で2~5質量%含有するのが好ましい。 The silicon nitride sintered body can be produced, for example, by using a raw material powder containing 90 to 97% by mass of silicon nitride and 0.5 to 10% by mass of a sintering aid (containing a compound of Mg and at least one compound of Y and other rare earth elements). Specifically, the silicon nitride sintered body is produced by adding an appropriate amount of an organic binder, a plasticizer, a dispersant, and an organic solvent to the raw material powder, mixing them in a ball mill or the like to form a slurry, and forming the slurry into a thin plate shape by a doctor blade method or a calendar roll method to obtain a ceramic green sheet. The obtained ceramic green sheet can be obtained by punching or cutting into a desired shape and sintering at a temperature of 1700 to 1900 ° C. In this case, if the sintering aid exceeds 10% by mass, the characteristics of joining the ceramic substrate and the copper plate may become insufficient. Also, if the sintering aid is less than 0.5% by mass, the sintering of the silicon nitride particles may become insufficient. To obtain high thermal conductivity and high strength, it is preferable to include 2 to 4 mass% magnesium (Mg) in terms of magnesium oxide and 2 to 5 mass% yttrium (Y) in terms of yttrium oxide as sintering aids.

この本発明のセラミックス回路基板において、セラミックス基板の一面にろう材を介して接合される銅板の個数は、特に限定されない。この本発明のセラミックス回路基板を構成する銅板は、0.03質量%を超え0.15質量%以下のZrを含有し、残部が銅および不可避的不純物である銅合金からなる。銅板は、電気的抵抗および延伸性、高熱伝導性(低熱抵抗性)、マイグレーションが少ない等の点から好ましい。 In the ceramic circuit board of the present invention, the number of copper plates bonded to one surface of the ceramic substrate via the brazing material is not particularly limited. The copper plates constituting the ceramic circuit board of the present invention are made of a copper alloy containing more than 0.03 mass% and not more than 0.15 mass% Zr, with the remainder being copper and unavoidable impurities. Copper plates are preferred in terms of electrical resistance and ductility, high thermal conductivity (low thermal resistance), low migration, etc.

この本発明のセラミックス回路基板の製造方法は、セラミックス基板の一面にろう材を介して銅板を接合する接合工程を有するセラミックス回路基板の製造方法であって、0.03質量%を超え0.15質量%以下のZrを含有し、残部が銅および不可避的不純物である銅合金からなる前記銅板を用いて、770~880℃の範囲内の温度で加熱する加熱工程と、前記加熱工程の後に50分以上の時間をかけて350℃まで温度を下げる降温工程とを含む、前記接合工程とする。 The method for manufacturing a ceramic circuit board of the present invention is a method for manufacturing a ceramic circuit board that includes a joining step of joining a copper plate to one surface of a ceramic substrate via a brazing material, and the joining step includes a heating step of heating the copper plate, which is made of a copper alloy containing more than 0.03 mass% and not more than 0.15 mass% Zr, with the balance being copper and unavoidable impurities, at a temperature within a range of 770 to 880°C, and a cooling step of lowering the temperature to 350°C over a period of 50 minutes or more after the heating step.

以下、この本発明のセラミックス回路基板の製造方法について、図1および図2に示すセラミックス回路基板Wを製造する場合を挙げて、適宜、図面を参照して説明する。ここで、セラミックス回路基板Wの製造方法は、例えば、(a)セラミックス基板、ろう材および銅板を準備する準備工程、(b)セラミックス基板にろう材を塗布するろう材領域形成工程、(c)セラミックス基板、ろう材、銅板の順となるよう重ねる載置工程、(d)接合工程、(e)銅板をエッチングする回路パターン形成工程、(f)不要ろう材層除去工程、並びに、(g)洗浄工程に、区分することができる。(d)接合工程は、この本発明のセラミックス回路基板の製造方法における「加熱工程」および「降温工程」を含む。 Hereinafter, the method for manufacturing the ceramic circuit board of the present invention will be described with reference to the drawings as appropriate, taking the case of manufacturing the ceramic circuit board W shown in Figures 1 and 2 as an example. Here, the method for manufacturing the ceramic circuit board W can be divided into, for example, (a) a preparation step of preparing a ceramic substrate, a brazing material, and a copper plate, (b) a brazing material region forming step of applying a brazing material to the ceramic substrate, (c) a placement step of stacking the ceramic substrate, the brazing material, and the copper plate in that order, (d) a bonding step, (e) a circuit pattern forming step of etching the copper plate, (f) a step of removing unnecessary brazing material layers, and (g) a cleaning step. (d) The bonding step includes the "heating step" and "cooling down step" in the method for manufacturing the ceramic circuit board of the present invention.

(a)準備工程
セラミックス基板Sと、ろう材(ろう材粉末と有機バインダとを含むペースト)と、銅板Mを準備する。
(a) Preparation Step A ceramic substrate S, a brazing material (a paste containing brazing material powder and an organic binder), and a copper plate M are prepared.

(b)ろう材領域形成工程
図3に示すように、セラミックス基板Sにスクリーン印刷等の手法でろう材を塗布することで、間隙Gをおいて、ろう材粉末と有機バインダとを含むろう材領域c1,c2を形成する。前記ろう材粉末としては、Ag,Cu等を所定の組成で含むろう材粉末が挙げられ、前記有機バインダとしては、様々な有機系樹脂を使用することができる。
3, a brazing material is applied to a ceramic substrate S by a method such as screen printing to form brazing material regions c1 and c2 containing a brazing material powder and an organic binder with a gap G. Examples of the brazing material powder include brazing material powder containing Ag, Cu, etc. in a predetermined composition, and various organic resins can be used as the organic binder.

(c)載置工程
セラミックス基板Sのろう材を塗布した側に銅板Mを載せ、治具を用いて固定する。
(c) Placing Step A copper plate M is placed on the side of the ceramic substrate S on which the brazing material is applied, and is fixed in place using a jig.

(d)接合工程
接合工程は、「加熱工程」と、「降温工程」とを含む。接合工程に保持工程を加えてもよい。図4に示すように、(i)セラミックス基板S、(ii)前記セラミックス基板に形成された、ろう材粉末と有機バインダとを含むろう材領域c1,c2、および(iii)前記ろう材領域を介して載置された銅板Mを加熱することで、セラミックス基板Sと銅板Mとがろう材層を介して接合され、接合体が形成される。接合する為の加熱は、真空中又は還元雰囲気中で行うのが好ましい。昇温過程でろう材ペースト中の有機成分を除去するため、有機バインダの揮発温度近傍(たとえば400℃付近)で一旦保持することが好ましい(保持工程)。その後に、770~880℃のろう付け温度で加熱する(加熱工程(ろう付け工程))。この加熱工程を続ける時間は10分以上であることが好ましい。ろう付け温度とは、適切にろう材層を形成できる温度、すなわち、ろう材の融点以上の温度である。ろう付け温度は、通常は前記昇温過程の最高温度である。加熱工程の後に、50分以上の時間をかけて350℃まで温度を下げる(降温工程)。ついで、350℃から常温まで温度を下げる。
(d) Bonding Process The bonding process includes a "heating process" and a "temperature lowering process". A holding process may be added to the bonding process. As shown in FIG. 4, (i) a ceramic substrate S, (ii) brazing material regions c1 and c2 formed on the ceramic substrate, which contain brazing material powder and an organic binder, and (iii) a copper plate M placed through the brazing material region are heated to bond the ceramic substrate S and the copper plate M through the brazing material layer, forming a bonded body. The heating for bonding is preferably performed in a vacuum or a reducing atmosphere. In order to remove organic components in the brazing material paste during the heating process, it is preferable to hold the temperature near the volatilization temperature of the organic binder (for example, near 400° C.) once (holding process). After that, the material is heated at a brazing temperature of 770 to 880° C. (heating process (brazing process)). The heating process is preferably continued for 10 minutes or more. The brazing temperature is a temperature at which a brazing material layer can be appropriately formed, that is, a temperature equal to or higher than the melting point of the brazing material. The brazing temperature is usually the maximum temperature in the temperature rise process. After the heating process, the temperature is lowered to 350° C. over a period of 50 minutes or more (temperature lowering process). Then, the temperature is lowered from 350° C. to room temperature.

接合工程中の保持工程では、有機バインダを除去するための保持温度が低いと、有機バインダ成分が揮発することが出来ず、有機バインダの残渣が残る恐れがある。従って、有機バインダを除去するための保持温度は300℃以上とするのが好ましい。例えばアクリル樹脂を含む有機バインダの場合、この保持温度は360℃以上とするのが好ましい。有機バインダ中の樹脂等に含まれる酸素によってろう材中の活性金属が酸化されることを避けるために、有機バインダを除去するための保持温度は、加熱工程(ろう付け工程)のろう付け温度よりも低くする。 In the holding step during the joining process, if the holding temperature for removing the organic binder is low, the organic binder components cannot volatilize, and there is a risk that organic binder residue will remain. Therefore, the holding temperature for removing the organic binder is preferably 300°C or higher. For example, in the case of an organic binder containing an acrylic resin, this holding temperature is preferably 360°C or higher. In order to prevent the active metal in the brazing material from being oxidized by the oxygen contained in the resin in the organic binder, the holding temperature for removing the organic binder is set lower than the brazing temperature in the heating step (brazing step).

前記接合工程に用いるろう材は、例えば、高強度、高封着性等が得られる、共晶組成であるAgおよびCuを主体としTi,Zr,Hf等の活性金属を添加したAg-Cu系活性ろう材が好ましい。さらにセラミックス基板Sと銅板M1~M3の接合強度の観点から、前記Ag-Cu系活性ろう材にInが添加された三元系のAg-Cu-In系活性ろう材がより好ましい。セラミックス基板Sと銅板との接合は、前述したように、前記ろう材粉末と有機バインダとを含むろう材ペーストを用いて行う。ろう材は、たとえば770~880℃の融点を有するAg-Cu系活性ろう材を使用し、ろう付け温度を770~880℃とするのが好ましい。770℃以上にするとろう材の溶融が十分になり、ボイドの形成を抑える。より好ましくは790℃以上にする。880℃以下にすると、ろう材が濡れ広がり過ぎることがない。さらに好ましくはろう付け温度を830~870℃とする。ろう付け温度で保持する時間は、接合用加熱炉に投入する量に依存するが、通常の生産性を考慮すると5時間以内であるのが好ましく、2時間以内であるのがさらに好ましい。ろう付け温度で保持する時間は、投入する試料の枚数によって、また例えば真空雰囲気にする場合には接合用加熱炉の容積や真空ポンプの排気量に応じて適宜調節して設定する。銅板とセラミックスとがボイドなしで接合されるように、載置工程の際に荷重印加して固定した状態としておき、接合工程で加熱するのが好ましい。 The brazing material used in the joining step is preferably, for example, an Ag-Cu-based active brazing material, which is a eutectic composition of Ag and Cu as the main components and which has been added with active metals such as Ti, Zr, and Hf, and which can provide high strength and high sealing properties. Furthermore, from the viewpoint of the joining strength between the ceramic substrate S and the copper plates M1 to M3, a ternary Ag-Cu-In-based active brazing material, in which In is added to the Ag-Cu-based active brazing material, is more preferable. The joining between the ceramic substrate S and the copper plates is performed using a brazing material paste containing the brazing material powder and an organic binder, as described above. For example, an Ag-Cu-based active brazing material having a melting point of 770 to 880°C is used as the brazing material, and the brazing temperature is preferably 770 to 880°C. If the brazing material is 770°C or higher, the brazing material is sufficiently melted and the formation of voids is suppressed. More preferably, the brazing temperature is 790°C or higher. If the brazing material is 880°C or lower, the brazing material does not wet and spread too much. More preferably, the brazing temperature is 830 to 870°C. The time to hold at the brazing temperature depends on the amount of material put into the bonding furnace, but considering normal productivity, it is preferably within 5 hours, and more preferably within 2 hours. The time to hold at the brazing temperature is set by adjusting appropriately according to the number of samples put in, and, for example, in the case of a vacuum atmosphere, according to the volume of the bonding furnace and the displacement of the vacuum pump. In order to bond the copper plate and ceramic without voids, it is preferable to apply a load to fix them during the placement process and then heat them in the bonding process.

銅板に一般的な無酸素銅を用いた場合、前記のろう付け温度の加熱で結晶粒径が300μmを超える大きさまで成長する懸念がある。それに対して、本発明の0.03質量%を超え0.15質量%以下のZrを含有する銅合金を用いた銅板は、前記のろう付け温度での加熱においても平均結晶粒径を100μm以下に抑制することができる。ここで、Zrの含有量が0.03質量%以下の場合、ろう付け温度の加熱で平均結晶粒径を100μm以下に抑制することができない。また、Zrの含有量が0.15質量%を超える場合、導電率の低下が大きくなり、IACS基準に対して96%以上を確保できない懸念が生じる。 When ordinary oxygen-free copper is used for the copper plate, there is a concern that the crystal grain size will grow to a size exceeding 300 μm when heated to the brazing temperature. In contrast, the copper plate using the copper alloy of the present invention containing more than 0.03 mass% and not more than 0.15 mass% Zr can suppress the average crystal grain size to 100 μm or less even when heated at the brazing temperature. Here, when the Zr content is 0.03 mass% or less, the average crystal grain size cannot be suppressed to 100 μm or less when heated to the brazing temperature. In addition, when the Zr content exceeds 0.15 mass%, the decrease in electrical conductivity is large, raising concerns that it will not be possible to ensure 96% or more of the IACS standard.

さらに、本発明の銅板は、ろう付け温度に加熱された状態においては大部分のZrが銅の母相に固溶しており、そのままの状態では高い導電率を確保することができない。そこで、高い導電率を確保するために、ろう付け温度から350℃まで50分以上の時間をかけてゆっくり冷却するのである。これにより、Zrは、550℃から350℃の温度域で銅の母相中に固溶した状態から、母相と別の相を作って析出した状態に変化することができる。ゆっくり冷却することで上記の温度域を通過する時間を十分に確保することにより、Zrの析出が進んで銅の母相が高純度化し、高い導電率を得ることができる。なお、ろう付け温度から350℃までの冷却時間が50分より短い場合、Zrの析出が不十分になり、IACS基準に対して96%以上の導電率を確保できない懸念が生じる。 Furthermore, in the copper plate of the present invention, when heated to the brazing temperature, most of the Zr is dissolved in the copper matrix, and high electrical conductivity cannot be ensured in this state. Therefore, in order to ensure high electrical conductivity, the plate is slowly cooled from the brazing temperature to 350°C over a period of 50 minutes or more. This allows Zr to change from a state in which it is dissolved in the copper matrix in the temperature range from 550°C to 350°C to a state in which it forms a separate phase from the matrix and precipitates. By cooling slowly, sufficient time is ensured to pass through the above temperature range, and the precipitation of Zr progresses, the copper matrix becomes highly purified, and high electrical conductivity can be obtained. Note that if the cooling time from the brazing temperature to 350°C is shorter than 50 minutes, the precipitation of Zr becomes insufficient, and there is a concern that a conductivity of 96% or more cannot be ensured according to the IACS standard.

なお、前記銅板の不可避的不純物の含有量は、例えば無酸素銅における不純物の含有量と同等に抑えることが好ましく、具体的には0.04質量%未満にすることが好ましい。前記銅板の平均結晶粒径は、好ましくは60μm以下、更に好ましくは30μm以下とすることができる。前記銅板は、熱伝導率が380W/m・K以上であることが更に好ましい。前記銅板は、平均結晶粒径G≦100μm、銅板厚さT≧0.2mmであることが好ましい(T/G≧2.0)。例えば、G=60μm、T=0.3mmのときはT/G=5.0、G=60μm、T=0.5mmのときはT/G=8.3、G=60μm、T=0.8mmのときはT/G=13.3である。 The content of unavoidable impurities in the copper plate is preferably suppressed to the same level as the content of impurities in oxygen-free copper, and more preferably to less than 0.04% by mass. The average crystal grain size of the copper plate is preferably 60 μm or less, more preferably 30 μm or less. It is more preferable that the thermal conductivity of the copper plate is 380 W/m·K or more. It is preferable that the average crystal grain size of the copper plate is G≦100 μm and the copper plate thickness T≧0.2 mm (T/G≧2.0). For example, when G=60 μm and T=0.3 mm, T/G=5.0, when G=60 μm and T=0.5 mm, T/G=8.3, and when G=60 μm and T=0.8 mm, T/G=13.3.

ろう材ペーストに含まれる有機バインダとしてアクリル樹脂を使用した場合、加熱過程において、ガス化したアクリル樹脂に起因する付着物がセラミックス基板表面に特に付着しやすい。従って、前記有機バインダとしてアクリル樹脂を使用した場合には、たとえばポリアクリル酸エステル、ポリメタクリル酸エステルが挙げられる。好ましくはメタクリル酸エステルを用いる。 When acrylic resin is used as the organic binder contained in the brazing paste, deposits resulting from the gasified acrylic resin during the heating process are particularly likely to adhere to the ceramic substrate surface. Therefore, when acrylic resin is used as the organic binder, examples include polyacrylic acid ester and polymethacrylic acid ester. Methacrylic acid ester is preferably used.

(e)回路パターン形成工程
前記接合工程で得られた接合体について、さらに、図5に示すように、接合工程で形成されたろう材層の外縁に沿うパターンで銅板Mの表面にレジスト膜R1,R2を形成し、エッチングして銅板Mを分割し、図6に示すように回路パターンM1,M2を形成する。
(e) Circuit Pattern Forming Step With respect to the bonded body obtained in the bonding step, as shown in FIG. 5, resist films R1, R2 are formed on the surface of the copper plate M in a pattern that follows the outer edge of the brazing material layer formed in the bonding step, and the copper plate M is divided by etching to form circuit patterns M1, M2 as shown in FIG.

(f)不要ろう材層除去工程
上記(e)回路パターン形成工程の後に、不要なろう材層を除去する不要ろう材層除去工程を設けることができる。前記レジスト膜は、前記接合工程で形成された前記ろう材層の外縁に沿うパターンで形成することが好ましい。回路パターン形成工程で形成するレジスト膜は、その厚みを10~80μm、好ましくは30~70μmと薄くすることができる。前記レジスト膜は紫外線硬化型レジスト剤で形成するのが望ましい。
(f) Unnecessary brazing material layer removal step After the circuit pattern formation step (e), an unnecessary brazing material layer removal step can be provided for removing an unnecessary brazing material layer. The resist film is preferably formed in a pattern that follows the outer edge of the brazing material layer formed in the bonding step. The resist film formed in the circuit pattern formation step can be thinned to a thickness of 10 to 80 μm, preferably 30 to 70 μm. The resist film is desirably formed from an ultraviolet-curable resist agent.

例えば、ろう材除去液として過酸化水素と酸性フッ化アンモニウムとを含む薬液を使用する場合には、10~40質量%(2.9~8.8mol/L)の過酸化水素と、1~8質量%(0.7~2.1mol/L)の酸性フッ化アンモニウムとを含む水溶液を使用することができる。過酸化水素が10質量%未満の場合には、ろう材を除去する能力が不十分であり、40質量%超の場合には銅板が過度に腐食され、銅板の寸法精度が悪化する。酸性フッ化アンモニウムが1質量%未満の場合には、ろう材層とセラミックス基板の接合界面に生じる活性金属を含む反応層の除去能が低下し、一方で8質量%を超える場合には、セラミックス基板を構成する結晶粒子を溶解し、セラミックス基板に求められる電気的な絶縁性や強度を低下させる。 For example, when using a chemical solution containing hydrogen peroxide and acidic ammonium fluoride as the brazing material remover, an aqueous solution containing 10 to 40 mass% (2.9 to 8.8 mol/L) hydrogen peroxide and 1 to 8 mass% (0.7 to 2.1 mol/L) acidic ammonium fluoride can be used. If the hydrogen peroxide is less than 10 mass%, the ability to remove the brazing material is insufficient, and if it exceeds 40 mass%, the copper plate is excessively corroded and the dimensional accuracy of the copper plate is deteriorated. If the acidic ammonium fluoride is less than 1 mass%, the ability to remove the reaction layer containing active metals generated at the bonding interface between the brazing material layer and the ceramic substrate is reduced, while if it exceeds 8 mass%, the crystal particles constituting the ceramic substrate are dissolved, reducing the electrical insulation and strength required of the ceramic substrate.

(g)洗浄工程
洗浄工程において、接合体を薬剤に浸漬して洗浄する。例えば、雰囲気から酸素を低減するのが十分ではなく、前記加熱工程で銅板の表面が酸化した場合、電気伝導性の低下やはんだ付け性の低下を招くことがあるので好ましくない。そこで、接合体を過酸化水素、硫酸、塩酸、塩化アンモニウムから選ばれる少なくとも1種を含む薬剤に浸漬して洗浄することにより、銅板表面の酸化物を除去する。前記薬剤として硫酸を用いることが好ましい。
(g) Cleaning step In the cleaning step, the bonded body is immersed in a chemical to clean it. For example, if the oxygen in the atmosphere is not sufficiently reduced and the surface of the copper plate is oxidized in the heating step, this is not preferable because it may lead to a decrease in electrical conductivity and a decrease in solderability. Therefore, the bonded body is immersed in a chemical containing at least one selected from hydrogen peroxide, sulfuric acid, hydrochloric acid, and ammonium chloride to clean it, thereby removing the oxides on the surface of the copper plate. It is preferable to use sulfuric acid as the chemical.

上記(e)~(g)の工程の後、銅板間の絶縁抵抗を低下させる付着物は除去或いは低減されている。 After steps (e) to (g) above, any deposits that reduce the insulation resistance between the copper plates are removed or reduced.

その他の工程として、(g)洗浄工程の後、銅板の表面にNi、Au、Ag等のメッキ層を形成する(h)メッキ工程を有していても良い。例えはNiメッキを施す場合、ニッケル(Ni)を主成分としリン(P)の濃度が8質量%に調整された無電解メッキ液(85℃)中に20~30分間浸漬することにより、銅板の表面に厚みが5μm程度のNiメッキ層を形成することができる。 Other processes may include (g) a cleaning process followed by (h) a plating process in which a plating layer of Ni, Au, Ag, etc. is formed on the surface of the copper plate. For example, when applying Ni plating, a Ni plating layer with a thickness of about 5 μm can be formed on the surface of the copper plate by immersing the plate for 20 to 30 minutes in an electroless plating solution (85°C) whose main component is nickel (Ni) and whose phosphorus (P) concentration is adjusted to 8 mass%.

本発明を以下の実施例で説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 The present invention will be described in the following examples, but is not limited to these.

(実施例)
実施例の共通部分を[(a)準備工程]~[(g)洗浄工程]として説明し、ついで、銅板および接合工程について実施例1~4および参考例1~5で説明する。
(Example)
The common parts of the examples will be explained as [(a) preparation step] to [(g) cleaning step], and then the copper plate and the joining step will be explained in Examples 1 to 4 and Reference Examples 1 to 5.

[(a)準備工程]
銅板とろう材とセラミックス基板を準備する。セラミックス基板Sとしては、全原料粉100質量部においてSi3N4を93質量%、Mgを酸化物換算で4質量%、Yを酸化物換算で3質量%含む窒化珪素基板(図2に示す紙面で表すと、縦横の大きさがそれぞれ30mmおよび40mm、並びに厚みが0.32mmである)を使用する。ろう材としては、70.6質量%のAg、2.9質量%のIn、1.9質量%のTi、残部Cuおよび微量の不純物の構成となるよう調整されたろう材粉末100質量部に対し、有機バインダとして5.3質量部のポリアクリル酸エステル、有機溶剤として19.1質量部のα-テルピネオール、分散剤として0.5質量部のポリオキシアルキレンアルキルエーテルおよびアルキルベンゼンスルホンサン塩を混合してなるろう材ペーストを使用する。
[(a) Preparation process]
A copper plate, a brazing material, and a ceramic substrate are prepared. As the ceramic substrate S, a silicon nitride substrate (30 mm and 40 mm in length and width, and 0.32 mm in thickness) containing 93 mass% Si3N4, 4 mass% Mg in oxide equivalent, and 3 mass% Y in oxide equivalent in 100 mass parts of the total raw material powder is used. As the brazing material, a brazing material paste is used, which is a mixture of 5.3 mass parts of polyacrylic acid ester as an organic binder, 19.1 mass parts of α-terpineol as an organic solvent, and 0.5 mass parts of polyoxyalkylene alkyl ether and alkylbenzene sulfonate as dispersants, with 100 mass parts of brazing material powder adjusted to have a composition of 70.6 mass% Ag, 2.9 mass% In, 1.9 mass% Ti, and the remainder Cu and a trace amount of impurities.

セラミックス回路基板Sの製造方法について、その各工程を示す平面図である図3~図6を参照しつつ説明する。なお、以下述べるセラミックス回路基板Sの製造工程において、回路板である銅板M1,M2および放熱板である銅板M3を形成するための各工程の内容は基本的に同一であるので、銅板M1,M2についてのみ詳述し、銅板M3については省略する。 The manufacturing method of the ceramic circuit board S will be described with reference to Figures 3 to 6, which are plan views showing each process. Note that in the manufacturing process of the ceramic circuit board S described below, the content of each process for forming the copper plates M1 and M2, which are the circuit boards, and the copper plate M3, which is the heat sink, is basically the same, so only the copper plates M1 and M2 will be described in detail, and copper plate M3 will be omitted.

[(b)ろう材領域形成工程]
図3に示すように、セラミックス基板Sの上面(一面)に、厚みがいずれも40μmの二つのろう材領域c1,c2を、平面方向において間隙Gを介してスクリーン印刷法でろう材ペーストを塗布することによって形成する。図3に示す紙面において、第1のろう材領域c1の大きさは縦横が各々27.6mmおよび11.6mm、第2のろう材領域c2の大きさは縦横が各々27.6mmおよび23.6mmであり、間隙Gのろう材領域c1,c2間の距離は1.0mmとする。
[(b) Brazing material region forming step]
As shown in Fig. 3, two brazing filler metal regions c1, c2, each having a thickness of 40 µm, are formed on the upper surface (one surface) of the ceramic substrate S by applying brazing filler metal paste by screen printing in a planar direction with a gap G therebetween. In the paper surface shown in Fig. 3, the size of the first brazing filler metal region c1 is 27.6 mm and 11.6 mm in length and width, respectively, the size of the second brazing filler metal region c2 is 27.6 mm and 23.6 mm in length and width, respectively, and the distance between the brazing filler metal regions c1 and c2 in the gap G is 1.0 mm.

[(c)載置工程]
前記ろう材領域形成工程の後、図4において、ろう材領域c1,c2にろう材領域c1,c2を覆う大きさの厚みが0.5mmである一枚の銅板Mを重ねて、セラミックス基板S、ろう材領域c1,c2および銅板Mを積層し、治具を用いて固定する。
[(c) Placing step]
After the brazing material region forming process, as shown in FIG. 4, a copper plate M having a thickness of 0.5 mm and a size sufficient to cover the brazing material regions c1, c2 is placed on the brazing material regions c1, c2, and the ceramic substrate S, the brazing material regions c1, c2 and the copper plate M are laminated and fixed using a jig.

[(d)接合工程]
加熱炉に挿入し、真空雰囲気下で加熱し、ろう材層C1,C2を介しセラミックス基板Sと銅板Mとを接合して接合体を形成する。なお、接合工程における銅板Mの熱膨張を考慮し、図4に示す紙面における銅板Mの縦横の大きさは、各々29.5mmおよび39.5mmであり、セラミックス基板Sの大きさより小さいものを使用する。
[(d) Bonding process]
The copper plate M is inserted into a heating furnace and heated in a vacuum atmosphere to bond the ceramic substrate S and the copper plate M via the brazing layers C1 and C2 to form a bonded body. Taking into consideration the thermal expansion of the copper plate M during the bonding process, the copper plate M has a length and width of 29.5 mm and 39.5 mm, respectively, in the plane of the paper shown in FIG. 4, which is smaller than the size of the ceramic substrate S.

接合工程では、有機バインダであるアクリル系樹脂の除去温度である400℃で10時間保持する保持工程と、前記保持工程から一定の昇温速度で加熱する昇温工程と、ろう材の溶融温度である770℃~880℃で1時間保持する加熱工程(ろう付け工程)と、加熱工程後に50分以上の時間をかけて350℃まで温度を下げる降温工程と、350℃から常温まで温度を下げる工程とを有する温度パターンで行う。 The joining process is carried out using a temperature pattern that includes a holding step in which the material is held at 400°C, the removal temperature of the acrylic resin, which is an organic binder, for 10 hours, a heating step in which the material is heated at a constant rate from the holding step, a heating step (brazing step) in which the material is held at 770°C to 880°C, the melting temperature of the brazing material, for 1 hour, a cooling step in which the temperature is lowered to 350°C over a period of 50 minutes or more after the heating step, and a step in which the temperature is lowered from 350°C to room temperature.

[(e)回路パターン形成工程]
接合工程の後、図5に示すように、前記接合体を構成する銅板Mの表面に所望のパターンで二つのレジスト膜R1,R2を形成し、その後エッチング処理を施して銅板Mの不要部を除去し、図6に示すように、平面方向において間隙Gを挟む状態で、回路パターンである二つの銅板M1,M2を形成する。具体的には、紫外線硬化型エッチングレジストを、下記の第1の銅板M1および第2の銅板M2の寸法に対応したパターンで銅板Mの表面にスクリーン印刷法で塗布した接合体を、液温50℃でエッチング液[塩化第2鉄(FeCl3)溶液(46.5Be)]に浸漬し、銅板M1,M2を形成した。なお、図6に示す紙面において、第1の銅板M1の縦横の大きさは各々28mmおよび12mm、および第2の銅板M2の縦横の大きさは各々28mmおよび24mmとする。
[(e) Circuit Pattern Forming Process]
After the joining process, as shown in Fig. 5, two resist films R1 and R2 are formed in a desired pattern on the surface of the copper plate M constituting the joint body, and then etching is performed to remove unnecessary parts of the copper plate M, and two copper plates M1 and M2 are formed as circuit patterns with a gap G in the planar direction as shown in Fig. 6. Specifically, a joint body in which an ultraviolet-curable etching resist is applied to the surface of the copper plate M by a screen printing method in a pattern corresponding to the dimensions of the first copper plate M1 and the second copper plate M2 described below is immersed in an etching solution [ferric chloride (FeCl3) solution (46.5Be)] at a liquid temperature of 50°C to form the copper plates M1 and M2. In addition, in the paper surface shown in Fig. 6, the length and width of the first copper plate M1 are 28 mm and 12 mm, respectively, and the length and width of the second copper plate M2 are 28 mm and 24 mm, respectively.

[(f)不要ろう材層除去工程]
図6に示すように、銅板M1,M2の表面に形成したレジスト膜を除去して、銅板M1,M2の外縁からはみ出した不要なろう材層を、過酸化水素7.6mol/Lおよび酸性フッ化アンモニウムを含むろう材除去液で液温40℃および処理時間40分で除去する。
(f) Unnecessary brazing material layer removal process
As shown in FIG. 6, the resist film formed on the surfaces of the copper plates M1 and M2 is removed, and the unnecessary brazing material layer protruding from the outer edges of the copper plates M1 and M2 is removed with a brazing material remover containing 7.6 mol/L of hydrogen peroxide and acidic ammonium fluoride at a liquid temperature of 40° C. for a treatment time of 40 minutes.

[(g)洗浄工程]
セラミックス回路基板を濃度1mol/L、温度50℃の硫酸に10分間浸漬して洗浄して、ついで洗浄液を除去、乾燥して回路基板を得る。
[(g) Washing step]
The ceramic circuit board is washed by immersing it in sulfuric acid having a concentration of 1 mol/L and a temperature of 50° C. for 10 minutes, and then the washing liquid is removed and the board is dried to obtain the circuit board.

銅板について、平均結晶粒径は、JIS H0501に規定された伸銅品結晶粒度試験方法の切断法を用いて測定することができる。銅板の表面を研磨紙およびアルミナ砥粒で鏡面になるまで研磨した後、過酸化水素を加えたアンモニア水で表面をエッチングして結晶粒界を明らかにする。現れた結晶組織について顕微鏡を用いて写真撮影した後、写真上に既知の長さの線分を引き、その線分によって完全に切られる結晶粒数を数えてその切断長さの平均値をもって平均結晶粒径とする。 For copper plate, the average crystal grain size can be measured using the cutting method of the copper grain size test method specified in JIS H0501. After polishing the surface of the copper plate to a mirror finish with polishing paper and alumina abrasive grains, the surface is etched with ammonia water to which hydrogen peroxide has been added to reveal the crystal grain boundaries. After photographing the revealed crystal structure using a microscope, a line of known length is drawn on the photograph, and the number of crystal grains that are completely cut by the line is counted and the average cut length is taken as the average crystal grain size.

銅板について、導電率は、例えばフェルスター社製の渦電流式導電率計シグマテストを用いて測定することができる。銅板の表面に接触させたプローブに交流磁界を発生させ、磁場の変化で銅板中に生じた渦電流の強さをプローブで検出することによって導電率を測定する。シグマテストによれば、測定した導電率の値を、IACS基準による%単位、およびSI単位系によるMS/m単位の両方の単位表示で得ることができる。 The conductivity of copper plates can be measured, for example, using a Sigma Test eddy current conductivity meter manufactured by Forster. An AC magnetic field is generated by a probe in contact with the surface of the copper plate, and the conductivity is measured by using the probe to detect the strength of eddy currents generated in the copper plate by changes in the magnetic field. With the Sigma Test, the measured conductivity value can be expressed in both % units according to the IACS standard and MS/m units according to the SI system of units.

銅板の熱伝導率について、セラミックス基板と接合した状態で銅板部分のみの熱伝導率を測定することは困難である。一方、熱伝導率と導電率の間にはウィーデマン・フランツの法則と呼ばれる比例関係があることが知られている。そこで、銅板の熱伝導率は、導電率の測定値からウィーデマン・フランツの法則による下記の数式を用いて計算することができる。 It is difficult to measure the thermal conductivity of only the copper plate when it is joined to the ceramic substrate. However, it is known that there is a proportional relationship between thermal conductivity and electrical conductivity, known as the Wiedemann-Franz law. Therefore, the thermal conductivity of the copper plate can be calculated from the measured electrical conductivity using the following formula based on the Wiedemann-Franz law.

K=LTσ
K:熱伝導率(W/m・K)
σ:導電率(S/m)
L:20℃の銅による補正ローレンツ数、2.3×10-8W/S・K2
T:温度(K)
K = L T σ
K: Thermal conductivity (W/m K)
σ: Electrical conductivity (S/m)
L: Corrected Lorentz number for copper at 20°C, 2.3 x 10-8 W/S K2
T: Temperature (K)

本発明で規定した銅板のZr含有量について、その規定範囲の理由を実施例と参考例を挙げて説明する。Zr含有量が本発明の規定範囲を満足する実施例1~4は、銅板の平均結晶粒径が100μm以下と小さく、セラミックス基板の接合性に優れている。また、銅板の導電率はIACS基準に対して96%以上であり、熱伝導率は375W/m・K以上である。実施例1~4は、任意の120μm幅の領域を観察したが平滑であり、幅20μm以上の凹部は観察されていない。 The reasons for the Zr content of the copper plate specified in this invention are explained with examples and reference examples. In Examples 1 to 4, in which the Zr content satisfies the range specified in this invention, the copper plate has a small average crystal grain size of 100 μm or less, and has excellent bonding properties with ceramic substrates. In addition, the electrical conductivity of the copper plate is 96% or more of the IACS standard, and the thermal conductivity is 375 W/m·K or more. In Examples 1 to 4, an arbitrary 120 μm wide area was observed, but it was smooth, with no recesses of 20 μm or more in width.

・実施例1
[(a)準備工程]~[(g)洗浄工程]で述べた構成について、[(d)接合工程]でZr含有量が0.04質量%である銅板を用いた。ろう付け工程は、ろう付け装置にて雰囲気温度を調整してろう付け温度800℃とし、保持する時間は1hとした(加熱工程)。その後、雰囲気温度をろう付け温度から350℃まで50分かけて降下させた(降温工程)。作製した回路基板について銅板の平均結晶粒径を測定したところ、60μmであった。また、銅板とろう材層の界面について、任意の120μm幅の領域を観察したが平滑であった。また、銅板の導電率を測定したところ、IACS基準に対して98%であった。測定した導電率から計算した熱伝導率は、383W/m・Kであった。
Example 1
For the configuration described in [(a) Preparation Process] to [(g) Cleaning Process], a copper plate with a Zr content of 0.04 mass% was used in [(d) Joining Process]. In the brazing process, the atmosphere temperature was adjusted to 800°C using a brazing device, and the holding time was 1 h (heating process). After that, the atmosphere temperature was lowered from the brazing temperature to 350°C over 50 minutes (temperature lowering process). The average crystal grain size of the copper plate was measured for the fabricated circuit board, and was 60 μm. In addition, an arbitrary 120 μm wide area was observed at the interface between the copper plate and the brazing material layer, and it was smooth. In addition, the electrical conductivity of the copper plate was measured, and was 98% of the IACS standard. The thermal conductivity calculated from the measured electrical conductivity was 383 W/m·K.

・実施例2
[(a)準備工程]~[(g)洗浄工程]で述べた構成について、[(d)接合工程]でZrの含有量が0.07質量%である銅板を用いた。ろう付け工程は、実施例1と同様にろう付け温度800℃とし、保持する時間は1hとした(加熱工程)。その後、実施例1と同様に雰囲気温度をろう付け温度から350℃まで50分かけて降下させた(降温工程)。作製した回路基板について銅板の平均結晶粒径を測定したところ、30μmであった。また、銅板とろう材層の界面について、任意の120μm幅の領域を観察したが平滑であった。また、銅板の導電率を測定したところ、IACS基準に対して97%であった。測定した導電率から計算した熱伝導率は、379W/m・Kであった。
Example 2
Regarding the configuration described in [(a) Preparation process] to [(g) Cleaning process], a copper plate having a Zr content of 0.07 mass% was used in [(d) Joining process]. In the brazing process, the brazing temperature was 800°C as in Example 1, and the holding time was 1 h (heating process). Thereafter, the atmospheric temperature was lowered from the brazing temperature to 350°C over 50 minutes as in Example 1 (temperature lowering process). The average crystal grain size of the copper plate was measured for the fabricated circuit board and found to be 30 μm. In addition, an arbitrary 120 μm wide region was observed at the interface between the copper plate and the brazing material layer, and found to be smooth. In addition, the electrical conductivity of the copper plate was measured and found to be 97% of the IACS standard. The thermal conductivity calculated from the measured electrical conductivity was 379 W/m·K.

・実施例3
[(a)準備工程]~[(g)洗浄工程]で述べた構成について、[(d)接合工程]でZrの含有量が0.15質量%である銅板を用いた。ろう付け工程は、実施例1と同様にろう付け温度800℃とし、保持する時間は1hとした(加熱工程)。その後、実施例1と同様に雰囲気温度をろう付け温度から350℃まで50分かけて降下させた(降温工程)。作製した回路基板について銅板の平均結晶粒径を測定したところ、15μmであった。また、銅板とろう材層の界面について、任意の120μm幅の領域を観察したが平滑であった。また、銅板の導電率を測定したところ、IACS基準に対して96%であった。測定した導電率から計算した熱伝導率は、375W/m・Kであった。
Example 3
Regarding the configuration described in [(a) Preparation process] to [(g) Cleaning process], a copper plate with a Zr content of 0.15 mass% was used in [(d) Joining process]. In the brazing process, the brazing temperature was 800°C as in Example 1, and the holding time was 1 h (heating process). Thereafter, the atmospheric temperature was lowered from the brazing temperature to 350°C over 50 minutes as in Example 1 (temperature lowering process). The average crystal grain size of the copper plate was measured for the fabricated circuit board and found to be 15 μm. In addition, an arbitrary 120 μm wide area was observed at the interface between the copper plate and the brazing material layer, and found to be smooth. In addition, the electrical conductivity of the copper plate was measured and found to be 96% of the IACS standard. The thermal conductivity calculated from the measured electrical conductivity was 375 W/m·K.

・実施例4
[(a)準備工程]~[(g)洗浄工程]で述べた構成について、[(d)接合工程]でZrの含有量が0.04質量%である銅板を用いた。ろう付け工程は、ろう付け温度を880℃とし、保持する時間は1hとした(加熱工程)。その後、実施例1と同様に雰囲気温度をろう付け温度から350℃まで50分かけて降下させた(降温工程)。作製した回路基板について銅板の平均結晶粒径を測定したところ、100μmであった。また、銅板とろう材層の界面について、任意の120μm幅の領域を観察したが平滑であった。また、銅板の導電率を測定したところ、IACS基準に対して98%であった。測定した導電率から計算した熱伝導率は、383W/m・Kであった。
Example 4
Regarding the configuration described in [(a) Preparation process] to [(g) Cleaning process], a copper plate with a Zr content of 0.04 mass% was used in [(d) Joining process]. In the brazing process, the brazing temperature was set to 880°C, and the holding time was set to 1 h (heating process). Thereafter, the atmospheric temperature was lowered from the brazing temperature to 350°C over 50 minutes (temperature lowering process) as in Example 1. The average crystal grain size of the copper plate was measured for the fabricated circuit board, and was 100 μm. In addition, an arbitrary 120 μm wide region was observed at the interface between the copper plate and the brazing material layer, and it was smooth. In addition, the electrical conductivity of the copper plate was measured, and was 98% of the IACS standard. The thermal conductivity calculated from the measured electrical conductivity was 383 W/m·K.

上記の実施例に対して、Zr含有量が本発明の規定範囲より少ない参考例1は、銅板の平均結晶粒径が100μmを超える値になり、セラミックス基板の接合性が低下する。また、Zr含有量が本発明の規定範囲より多い参考例2は、銅板の導電率がIACS基準に対して96%を下回り、熱伝導率も375W/m・Kを下回る。 Compared to the above examples, in Reference Example 1, in which the Zr content is less than the range specified by the present invention, the average crystal grain size of the copper plate exceeds 100 μm, and the bondability of the ceramic substrate is reduced. In addition, in Reference Example 2, in which the Zr content is greater than the range specified by the present invention, the electrical conductivity of the copper plate is less than 96% of the IACS standard, and the thermal conductivity is also less than 375 W/m·K.

・参考例1
[(a)準備工程]~[(g)洗浄工程]で述べた構成について、[(d)接合工程]でZr含有量が0.03質量%である銅板を用いた。ろう付け工程は、実施例1と同様にろう付け温度800℃とし、保持する時間は1hとした(加熱工程)。その後、実施例1と同様に雰囲気温度をろう付け温度から350℃まで50分かけて降下させた(降温工程)。作製した回路基板について銅板の平均結晶粒径を測定したところ、110μmであった。また、銅板とろう材層の界面について、任意の120μm幅の領域を観察し、幅20μm程度の凹部を1個見出した。また、銅板の導電率を測定したところ、IACS基準に対して98%であった。測定した導電率から計算した熱伝導率は、383W/m・Kであった。
・参考例2
・Reference example 1
Regarding the configuration described in [(a) Preparation process] to [(g) Cleaning process], a copper plate with a Zr content of 0.03 mass% was used in [(d) Joining process]. In the brazing process, the brazing temperature was set to 800°C as in Example 1, and the holding time was set to 1 h (heating process). Thereafter, the atmospheric temperature was lowered from the brazing temperature to 350°C over 50 minutes as in Example 1 (temperature lowering process). The average crystal grain size of the copper plate was measured for the fabricated circuit board, and was found to be 110 μm. In addition, an arbitrary 120 μm wide area was observed at the interface between the copper plate and the brazing material layer, and one recess with a width of about 20 μm was found. In addition, the electrical conductivity of the copper plate was measured, and was 98% of the IACS standard. The thermal conductivity calculated from the measured electrical conductivity was 383 W/m·K.
・Reference example 2

[(a)準備工程]~[(g)洗浄工程]で述べた構成について、[(d)接合工程]でZrの含有量が0.18質量%である銅板を用いた。ろう付け工程は、実施例1と同様にろう付け温度800℃とし、保持する時間は1hとした(加熱工程)。その後、実施例1と同様に雰囲気温度をろう付け温度から350℃まで50分かけて降下させた(降温工程)。作製した回路基板について銅板の平均結晶粒径を測定したところ、15μmであった。また、銅板とろう材層の界面について、任意の120μm幅の領域を観察したが平滑であった。また、銅板の導電率を測定したところ、IACS基準に対して95%であった。測定した導電率から計算した熱伝導率は、371W/m・Kであった。 For the configuration described in [(a) Preparation process] to [(g) Cleaning process], a copper plate with a Zr content of 0.18 mass% was used in [(d) Joining process]. The brazing process was performed at a brazing temperature of 800°C, as in Example 1, and the holding time was 1 h (heating process). Then, as in Example 1, the ambient temperature was lowered from the brazing temperature to 350°C over 50 minutes (temperature lowering process). The average crystal grain size of the copper plate was measured for the manufactured circuit board and found to be 15 μm. In addition, an arbitrary 120 μm wide area was observed at the interface between the copper plate and the brazing material layer, and found to be smooth. The electrical conductivity of the copper plate was measured and found to be 95% of the IACS standard. The thermal conductivity calculated from the measured electrical conductivity was 371 W/m·K.

本発明で規定した、接合工程における加熱工程の温度範囲および降温工程の冷却時間について、その規定範囲の理由を実施例と参考例を挙げて説明する。前述した実施例1~4は、加熱工程の温度および降温工程の冷却時間が本発明の規定範囲を満足しており、いずれも銅板の平均結晶粒径が100μm以下と小さく、セラミックス基板の接合性に優れている。また、銅板の導電率はIACS基準に対して96%以上であり、熱伝導率は375W/m・K以上である。 The reasons for the temperature range of the heating step and the cooling time of the cooling step in the bonding process specified in this invention will be explained with examples and reference examples. In the above-mentioned Examples 1 to 4, the temperature of the heating step and the cooling time of the cooling step satisfy the ranges specified in this invention, and in all cases the average crystal grain size of the copper plate is small at 100 μm or less, providing excellent bonding properties for ceramic substrates. In addition, the electrical conductivity of the copper plate is 96% or more of the IACS standard, and the thermal conductivity is 375 W/m·K or more.

参考例3と参考例4は、加熱工程の温度が本発明の規定範囲を外れる例である。温度が770℃未満である参考例3は、ろう材の溶融が不十分になるため、セラミックス基板の接合性が低下する。温度が880℃を超える参考例4は、ろう材が濡れ広がり過ぎることでセラミックス基板の接合性が低下する。また、温度が高すぎる場合、銅板の平均結晶粒径が100μmを超える恐れが生じる。 Reference Examples 3 and 4 are examples in which the temperature of the heating process falls outside the range specified by the present invention. In Reference Example 3, where the temperature is less than 770°C, the solder material is not melted sufficiently, resulting in a decrease in the bondability of the ceramic substrate. In Reference Example 4, where the temperature exceeds 880°C, the solder material spreads too much, resulting in a decrease in the bondability of the ceramic substrate. In addition, if the temperature is too high, there is a risk that the average crystal grain size of the copper plate will exceed 100 μm.

参考例5は、降温工程の冷却時間が本発明の規定時間より短い例である。この場合、銅板の導電率がIACS基準に対して96%を下回り、熱伝導率も375W/m・Kを下回る。 Reference Example 5 is an example in which the cooling time in the temperature-lowering step is shorter than the time specified in the present invention. In this case, the electrical conductivity of the copper plate is below 96% of the IACS standard, and the thermal conductivity is also below 375 W/m·K.

・参考例3
[(a)準備工程]~[(g)洗浄工程]で述べた構成について、[(d)接合工程]でZrの含有量が0.04質量%である銅板を用いた。ろう付け工程は、ろう付け温度を750℃とし、保持する時間は1hとした(加熱工程)。その後、雰囲気温度をろう付け温度から350℃まで50分かけて降下させた(降温工程)。作製した回路基板について銅板の平均結晶粒径を測定したところ、30μmであった。また、銅板とろう材層の界面について、任意の120μm幅の領域を観察したところ、幅20μm程度の凹部が2個見られた。また、銅板の導電率を測定したところ、IACS基準に対して98%であった。測定した導電率から計算した熱伝導率は、383W/m・Kであった。
・Reference example 3
For the configuration described in [(a) Preparation process] to [(g) Cleaning process], a copper plate with a Zr content of 0.04 mass% was used in [(d) Joining process]. In the brazing process, the brazing temperature was set to 750°C and the holding time was set to 1 h (heating process). After that, the atmospheric temperature was lowered from the brazing temperature to 350°C over 50 minutes (temperature lowering process). The average crystal grain size of the copper plate was measured for the fabricated circuit board and found to be 30 μm. In addition, when an arbitrary 120 μm wide area was observed at the interface between the copper plate and the brazing material layer, two recesses with a width of about 20 μm were found. In addition, the electrical conductivity of the copper plate was measured and found to be 98% of the IACS standard. The thermal conductivity calculated from the measured electrical conductivity was 383 W/m·K.

・参考例4
[(a)準備工程]~[(g)洗浄工程]で述べた構成について、[(d)接合工程]でZrの含有量が0.04質量%である銅板を用いた。ろう付け工程は、ろう付け温度を900℃とし、保持する時間は1hとした(加熱工程)。その後、雰囲気温度をろう付け温度から350℃まで50分かけて降下させた(降温工程)。作製した回路基板について銅板の平均結晶粒径を測定したところ、110μmであった。また、銅板とろう材層の界面について、任意の120μm幅の領域を観察し、幅20μm程度の凹部を1個見出した。また、銅板の導電率を測定したところ、IACS基準に対して98%であった。測定した導電率から計算した熱伝導率は、383W/m・Kであった。
・Reference example 4
Regarding the configuration described in [(a) Preparation process] to [(g) Cleaning process], a copper plate with a Zr content of 0.04 mass% was used in [(d) Joining process]. In the brazing process, the brazing temperature was set to 900°C and the holding time was set to 1 h (heating process). After that, the atmospheric temperature was lowered from the brazing temperature to 350°C over 50 minutes (temperature lowering process). The average crystal grain size of the copper plate was measured for the fabricated circuit board and found to be 110 μm. In addition, an arbitrary 120 μm wide area was observed at the interface between the copper plate and the brazing material layer, and one recess with a width of about 20 μm was found. In addition, the electrical conductivity of the copper plate was measured and found to be 98% of the IACS standard. The thermal conductivity calculated from the measured electrical conductivity was 383 W/m·K.

・参考例5
[(a)準備工程]~[(g)洗浄工程]で述べた構成について、[(d)接合工程]でZrの含有量が0.04質量%である銅板を用いた。ろう付け工程は、実施例1と同様にろう付け温度800℃とし、保持する時間は1hとした(加熱工程)。その後、雰囲気温度をろう付け温度から350℃まで30分かけて降下させた(降温工程)。作製した回路基板について銅板の平均結晶粒径を測定したところ、60μmであった。また、銅板とろう材層の界面について、任意の120μm幅の領域を観察したが平滑であった。また、銅板の導電率を測定したところ、IACS基準に対して95%であった。測定した導電率から計算した熱伝導率は、371W/m・Kであった。
・Reference example 5
Regarding the configuration described in [(a) Preparation process] to [(g) Cleaning process], a copper plate with a Zr content of 0.04 mass% was used in [(d) Joining process]. In the brazing process, the brazing temperature was 800°C, and the holding time was 1 h, as in Example 1 (heating process). After that, the atmospheric temperature was lowered from the brazing temperature to 350°C over 30 minutes (temperature lowering process). The average crystal grain size of the copper plate was measured for the fabricated circuit board, and was 60 μm. In addition, an arbitrary 120 μm wide region was observed at the interface between the copper plate and the brazing material layer, and it was smooth. In addition, the electrical conductivity of the copper plate was measured, and was 95% of the IACS standard. The thermal conductivity calculated from the measured electrical conductivity was 371 W/m·K.

A,B:球形電極、
C1,C2,C3:ろう材層、
c1,c2:ろう材領域、
G:間隙、
M1,M2,M3:金属基板、
M:金属基板、
R1,R2:レジスト膜、
S:セラミックス基板、
W:セラミックス回路基板
A, B: spherical electrode,
C1, C2, C3: brazing material layer,
c1, c2: brazing material region,
G: Gap;
M1, M2, M3: metal substrate,
M: metal substrate,
R1, R2: resist film,
S: ceramic substrate,
W: Ceramic circuit board

Claims (6)

セラミックス基板の一面にろう材層を介して接合された銅板を備えるセラミックス回路基板であって、
前記セラミックス基板は、表面に存在する空孔の径が15μm以下であり、
前記銅板は、JIS H0501:1986に規定の伸銅品結晶粒度試験方法の切断法による平均結晶粒径が100μm以下であり、導電率がIACS基準に対して96%以上100%未満である、
セラミックス回路基板。
A ceramic circuit board comprising a copper plate bonded to one surface of a ceramic substrate via a brazing material layer,
The ceramic substrate has pores on its surface each having a diameter of 15 μm or less,
The copper plate has an average crystal grain size of 100 μm or less according to the cutting method of the crystal grain size test method for drawn copper products specified in JIS H0501:1986, and an electrical conductivity of 96% or more but less than 100% of the IACS standard.
Ceramic circuit board.
前記銅板は、熱伝導率が375W/m・K以上である、
請求項1に記載のセラミックス回路基板。
The copper plate has a thermal conductivity of 375 W/m·K or more.
2. The ceramic circuit board according to claim 1.
前記セラミックス基板は、窒化ケイ素焼結基板である、
請求項1又は2に記載のセラミックス回路基板。
The ceramic substrate is a silicon nitride sintered substrate.
3. The ceramic circuit board according to claim 1 or 2.
前記銅板は、前記平均結晶粒径が60μm以下である、
請求項1~3のいずれか1項に記載のセラミックス回路基板。
The copper plate has an average crystal grain size of 60 μm or less.
The ceramic circuit board according to any one of claims 1 to 3.
前記銅板は、厚さが0.2mm以上である、
請求項1~4のいずれか1項に記載のセラミックス回路基板。
The copper plate has a thickness of 0.2 mm or more.
The ceramic circuit board according to any one of claims 1 to 4.
前記銅板と前記ろう材層との界面は、幅20μm以上の凹部を有しない、
請求項1~5のいずれか1項に記載のセラミックス回路基板。

The interface between the copper plate and the brazing material layer does not have a recess with a width of 20 μm or more.
The ceramic circuit board according to any one of claims 1 to 5.

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