陶瓷电路基板及陶瓷电路基板的制造方法技术

本发明专利技术的陶瓷电路基板由陶瓷基板、在上述陶瓷的一个面上经由接合层接合的由铜系材料构成的铜电路和在上述陶瓷的另一个面上经由接合层接合的由铜系材料构成的铜散热板构成。该接合层由钎料成分和规定浓度的活性金属构成，所述钎料成分由Ag等两种以上金属构成。并且，接合层由钎料层和含有活性金属的活性金属化合物层构成，所述钎料层由钎料成分构成，活性金属化合物层的接合面积在接合层的接合面积中所占的比例为88％以上。

Manufacturing Method of Ceramic Circuit Substrate and Ceramic Circuit Substrate

The ceramic circuit base plate of the present invention is composed of a ceramic base plate, a copper circuit composed of copper series materials joined by a bonding layer on one side of the ceramic and a copper heat dissipating plate made of copper series materials joined by a bonding layer on the other side of the ceramic. The bonding layer is composed of a filler metal composition and a specified concentration of active metal, and the filler metal composition is composed of more than two metals such as Ag. Moreover, the bonding layer is composed of a solder layer and an active metal compound layer containing active metals. The solder layer is composed of solder components. The proportion of the bonding area of the active metal compound layer in the bonding area of the bonding layer is more than 88%.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】陶瓷电路基板及陶瓷电路基板的制造方法
本专利技术涉及电源模块等中使用的陶瓷电路基板。特别是涉及在陶瓷基板上接合有铜电路和铜散热板的陶瓷电路基板，即使是在为了提高散热性而使铜电路和铜散热板增厚时也可确保接合部的耐久性。
技术介绍
作为混合动力汽车、发电设备等中使用的IGBT(绝缘栅双极晶体管，InsulatedGateBipolarTransistor)等电源模块的电路基板，应用使用陶瓷基板的陶瓷电路基板。陶瓷电路基板是在由陶瓷构成的基板的一个面上接合用于与半导体元件连接的由铜系材料构成的铜电路并且在另一个面上接合用于对半导体元件的发热进行散热的由铜系材料构成的铜散热板而成的基板。如上所述，陶瓷电路基板是在陶瓷基板上接合铜电路和铜散热板而成。在该接合中，考虑到其为陶瓷与金属(铜)这样的异种材料的接合，通常采用活性金属法。活性金属法是利用钎焊的接合方法的一个方式，其是使用在Ag钎料等构成钎料的钎料成分中添加有Ti、Zr等活性金属的活性金属钎料将金属与陶瓷接合的方法。在活性金属法中，活性金属钎料中的活性金属聚集在钎料成分与陶瓷的接合界面，与陶瓷中的氧、氮发生反应而获得接合力。作为该活性金属钎料，例如已知有Ag-Cu-Ti系钎料、Ag-Cu-Ti-Sn系钎料。在利用活性金属法的陶瓷电路基板的制造中，通常的做法是使构成活性金属钎料的金属的粉末混合并分散在有机溶剂中而使用钎料糊。例如，如果是Ag-Cu-Ti系钎料，将作为钎料成分的Ag粉末和Cu粉末、与作为活性金属的Ti粉末或Ti化合物粉末(TiH2粉末等)混合于有机溶剂中而制作活性金属钎料糊。然后，将该活性金属钎料糊涂布于陶瓷基板上后，以糊状载置铜电路和铜散热板，加热至规定温度，由此使活性金属钎料中的各金属粉末熔融，在陶瓷基板与铜电路(铜散热板)之间形成接合层。该接合层包含通过活性金属移动到与陶瓷的接合界面并反应而生成的活性金属化合物层。并且，接合层具有活性金属化合物层与以Ag、Cu等钎料成分作为主要成分的钎料层的两层结构。现有技术文献专利文献专利文献1：日本特开2014-90144号公报
技术实现思路
专利技术所要解决的问题在此，作为在应用陶瓷电路基板的电源模块的领域中成为课题的事项，可以列举：为了应对模块的高输出化、高密度化而提高散热性。IGBT等电源模块具有小型化发展、但输出增大的倾向。由于该倾向，所搭载的芯片的温度升高，要求比以往更高的散热能力。在此，作为提高模块的散热性的方法，除了改变陶瓷基板的材质以外，还研究了使铜电路和铜散热板增厚的方法(厚铜化)。具体而言，研究了将铜电路和铜散热板厚铜化至迄今为止的约2倍～约3倍的厚度从而使从这些部位的散热量扩大的方法。但是，本专利技术人发现，厚铜化会产生如下问题：使得铜电路和铜散热板与陶瓷基板的热膨胀差增大至以往以上，使得接合部和基板的耐久性、可靠性降低。铜系材料与陶瓷为异种材料，热膨胀系数相差较大。该热膨胀差成为热应力的原因，基于模块的开/关的热循环对陶瓷电路基板的构成、特别是接合层带来影响。该基于热膨胀差的热应力的问题在现有的陶瓷电路基板中也存在，但是，由于因厚铜化引起的热膨胀差的扩大而变得更加显著。另外，由于因热膨胀差的扩大引起的负荷升高，产生铜电路和铜散热板的剥离、陶瓷基板的破裂。这样的因厚铜化引起的铜剥离、基板破裂的问题利用现有的接合结构难以抑制。因此，虽然在提高陶瓷电路基板的散热能力时铜电路和铜散热板的厚铜化是有效的手段，但成为难以实现的课题。本专利技术是基于上述背景而完成的，提供一种即使受到因陶瓷基板与铜的热膨胀差引起的负荷也不易产生基板破裂、铜剥离的陶瓷电路基板。在该课题中明确特别优选的接合层的构成。另外，目的还在于明确针对该可靠性、耐久性提高的陶瓷电路基板的制造方法。用于解决问题的方法为了解决上述问题，本专利技术人首先对利用现有的活性金属法制造的陶瓷电路基板的接合层的构成详细地进行了分析。如上所述，在现有的陶瓷电路基板的制造工序中，将活性金属钎料以糊的形态供给至基板的接合面。活性金属钎料糊处于钎料成分(Ag、Cu等)的金属粉末和活性金属(Ti等)的金属间化合物粉末分散在溶剂中的状态。糊状的活性金属钎料的制备简便，处理性也良好，因此，接合作业性也优良。因此，应用糊状的活性金属钎料的活性金属法成为用于制造陶瓷电路基板的方法的主流。另外，如上所述，通过使糊状(粉末状)的钎料熔融、凝固而形成的接合层具有由以呈凝固组织的钎料成分作为主要成分的钎料层和在与陶瓷基板的界面形成的活性金属化合物层构成的两层结构。在此，本专利技术人着眼于活性金属化合物层相对于陶瓷基板的接合面积。接合面积是指活性金属化合物层或接合层各自的、与陶瓷基板接触的区域的面积。并且，本专利技术人针对利用现有的活性金属钎料糊形成的接合层评价了活性金属化合物层的接合面积在接合层整体的接合面积中所占的比例，结果确认到，该比例只有约50％。对于该接合面积的比例，在上述专利文献1中有所提及，其中公开了作为占有率最大为85％的比例。在基于活性金属法的接合层中，活性金属化合物层被认为是确保陶瓷基板与接合层的接合的部位，进而影响铜电路或者铜散热板与陶瓷基板的接合力。本专利技术人认为，今后对于厚铜化、发热量增加的电源模块的电路基板而言，接合层内的活性金属化合物层的形态变得更重要。但是，关于活性金属化合物层的形态控制，基于现有的糊状钎料的方法存在极限。因此，本专利技术人从重新进行将陶瓷基板接合到铜电路和铜散热板上的工序出发进行了研究。其结果发现，应用各构成金属合金化的块状的活性金属钎料代替将金属粉末混合而成的糊状的活性金属钎料时，能够形成可发挥以往以上的耐久性的接合层。然后，对此时形成的接合层及其中的活性金属化合物层的构成进行了研究，从而想到了本专利技术。即，本专利技术是一种陶瓷电路基板，其由陶瓷基板、在上述陶瓷的一个面上经由接合层接合的由铜系材料构成的铜电路和在上述陶瓷的另一个面上经由接合层接合的由铜系材料构成的铜散热板构成，所述陶瓷电路基板的特征在于，上述接合层由钎料成分和至少一种以上活性金属成分构成，所述钎料成分以Ag作为必要成分并且由至少两种以上金属构成，上述活性金属的含量相对于接合层整体的金属元素量为0.5质量％以上且2.0质量％以下，上述接合层由钎料层和含有上述活性金属的活性金属化合物层构成，所述钎料层由上述钎料成分构成，上述活性金属化合物层沿着与上述陶瓷基板的接合界面形成，并且，上述活性金属化合物层与上述陶瓷基板的接合面积在上述接合层与上述陶瓷基板的接合面积中所占的比例为88％以上。以下，对本专利技术详细地进行说明。如上所述，本专利技术的陶瓷电路基板应用钎料成分与活性金属合金化而一体化的活性金属钎料，在适当的接合条件下在陶瓷基板上接合铜电路和铜散热板来制造。另外，本专利技术的特征在于接合层的成分组成和结构两者。接合层的结构特征在于形成在接合界面上的活性金属化合物层的形态。以下，对与接合层的成分组成有关的特征和与接合层的结构和形态有关的特征分别进行说明。需要说明的是，在本专利技术中，接合层在陶瓷基板与铜电路之间和陶瓷基板与铜散热板之间分别形成。以下说明的接合层的组成、结构是以上述两者的接合层为对象。(A)接合层的成分组成关于接合层的成分组成，构成接合层的金属元素是以Ag作为必要成分的至少两种以上钎料本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种陶瓷电路基板，其由陶瓷基板、在所述陶瓷的一个面上经由接合层接合的由铜系材料构成的铜电路和在所述陶瓷的另一个面上经由接合层接合的由铜系材料构成的铜散热板构成，所述陶瓷电路基板的特征在于，所述接合层由钎料成分和至少一种以上活性金属成分构成，所述钎料成分以Ag作为必要成分并且由至少两种以上金属构成，所述活性金属的含量相对于接合层整体的金属元素量为0.5质量％以上且2.0质量％以下，所述接合层由钎料层和含有所述活性金属的活性金属化合物层构成，所述钎料层由所述钎料成分构成，所述活性金属化合物层沿着与所述陶瓷基板的接合界面形成，并且，所述活性金属化合物层与所述陶瓷基板的接合面积在所述接合层与所述陶瓷基板的接合面积中所占的比例为88％以上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.06.10 JP 2016-1164401.一种陶瓷电路基板，其由陶瓷基板、在所述陶瓷的一个面上经由接合层接合的由铜系材料构成的铜电路和在所述陶瓷的另一个面上经由接合层接合的由铜系材料构成的铜散热板构成，所述陶瓷电路基板的特征在于，所述接合层由钎料成分和至少一种以上活性金属成分构成，所述钎料成分以Ag作为必要成分并且由至少两种以上金属构成，所述活性金属的含量相对于接合层整体的金属元素量为0.5质量％以上且2.0质量％以下，所述接合层由钎料层和含有所述活性金属的活性金属化合物层构成，所述钎料层由所述钎料成分构成，所述活性金属化合物层沿着与所述陶瓷基板的接合界面形成，并且，所述活性金属化合物层与所述陶瓷基板的接合面积在所述接合层与所述陶瓷基板的接合面积中所占的比例为88％以上。2.如权利要求1所述的陶瓷电路基板，其中，作为钎料成分，含有Cu、Sn、In、Ni、Si、Li中的至少任意一种。3.如权利要求1或权利要求2所述的陶瓷电路基板，其中，作为活性金属，含有Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、V、Cr、Y、Al、Mo中的至少任意一种。4.如权利要求1～权利要求3中任一项所述的陶瓷电路基板，其中，活性金属化合物层的厚度相对于接合层整体为1/40以上且1/10以下。5.如权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：岸本贵臣，
申请(专利权)人：田中贵金属工业株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP