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CN110709369A - 陶瓷电路基板和使用其的模块 - Google Patents

陶瓷电路基板和使用其的模块 Download PDF

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CN110709369A
CN110709369A CN201880036002.2A CN201880036002A CN110709369A CN 110709369 A CN110709369 A CN 110709369A CN 201880036002 A CN201880036002 A CN 201880036002A CN 110709369 A CN110709369 A CN 110709369A
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ceramic circuit
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津川优太
西村浩二
原田祐作
青野良太
岩切翔二
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Denka Co Ltd
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Denki Kagaku Kogyo KK
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Abstract

提供一种具有高接合性和优异的耐热循环特性的陶瓷电路基板。一种陶瓷电路基板，其特征在于，陶瓷基板和铜板介由钎料而接合，所述钎料含有Ag、Cu以及选自Ti和Zr中的至少1种活性金属成分和选自In、Zn、Cd和Sn中的至少1种元素，接合后的钎料层的连续率为80％以上且钎料层的维氏硬度为60～85Hv。

Description

陶瓷电路基板和使用其的模块
技术领域
本发明涉及陶瓷电路基板和使用其的模块。
背景技术
作为用于功率模块等的电路用基板，从导热率、成本、安全性等方面出发，使用氧化铝、氧化铍、氮化硅、氮化铝等陶瓷基板。这些陶瓷基板接合铜、铝等金属电路板、散热板而作为电路基板来使用。这些对树脂基板、以树脂层为绝缘材料的金属基板具有优异的绝缘性和散热性等，因此被用作用于搭载高散热性电子部件的基板。
在电梯、车辆、混合动力汽车等之类的功率模块用途中，使用在陶瓷基板的表面用钎料接合金属电路板、再在金属电路板的规定位置搭载了半导体元件而成的陶瓷电路基板。近年来针对与半导体元件的高集成化、高频化、高输出化等相伴的来自半导体元件的发热量增加，使用了具有高导热率的氮化铝烧结体、氮化硅烧结体的陶瓷基板。特别地，氮化铝基板与氮化硅基板相比导热率高，因此作为用于搭载高散热性电子部件的陶瓷基板而优选。
但是，氮化铝基板虽然具有高导热率，但另一方面机械强度、韧性等低，因此具有容易由于组装工序中的紧固而发生破裂、或在施加了热循环时容易产生裂纹等难点。特别是用于汽车、电气化铁路、机床、机器人等在严苛的载荷、热学条件下使用的功率模块时，该难点变得明显。
因此，作为电子部件搭载用的陶瓷基板，需要提高机械可靠性，导热率比氮化铝基板差但机械强度、韧性优异的氮化硅基板受到关注。
使用了氮化硅基板的陶瓷电路基板例如利用以下所示的活性金属法来制作。
活性金属法是介由含有IVA族元素、VA族元素之类活性金属的钎料层在陶瓷基板上接合金属板的方法，通常，将含有Ag、Cu、Ti的钎料丝网印刷在氮化硅基板的两主面，在该印刷面上配置金属电路板和金属散热板，通过以适当的温度进行加热处理而将陶瓷基板和金属板接合。
如此得到的陶瓷电路基板中，作为活性金属的Ti与氮化物系陶瓷基板的N共价结合而形成TiN(氮化钛)，通过该TiN来形成接合层，因此能够得到某种程度的高接合强度。
另一方面，对于车载用功率模块而言，要求更高的散热性，正在研究陶瓷基板的薄板化、金属板的厚板化。但是，若形成这样的结构，则由于陶瓷基板与金属板的热膨胀率差异而产生的热循环时的应力负荷会益发增大，因此在陶瓷基板中产生裂纹而引起绝缘不良，或者金属板剥离而招致导热不良，作为电子设备的动作可靠性下降。由于这样的原因，关于耐热应力的陶瓷电路基板的钎料构成，提出了如下方案。
专利文献1记载有：通过向含有Ag、Cu、Ti的钎料层中添加5％以上的In，从而钎料层与氮化铝基板反应而生成的TiN或(Ti，Cu，In，Al)N、即反应生成层的维氏硬度增加。并且记载有：正比于反应生成层的维氏硬度的增加，陶瓷电路基板的耐热循环提高。
但是，根据该方法，虽然陶瓷基板界面的接合强度提高，但是In的添加量越增加则以Ag为主要成分的钎料层的连续性越下降，同时维氏硬度也增加。当钎料层的连续性下降、同时维氏硬度增加时，用于缓和在陶瓷基板与金属板的接合界面处产生的、起因于热膨胀率差的热应力的缓冲功能下降，例如无法满足对接合0.8mm这样的厚铜板的陶瓷电路基板所要求的耐热循环特性。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平9-36540号公报
发明内容
发明要解决的课题
鉴于上述课题，本发明的目的在于，得到具有高接合性和优异的耐热循环性的陶瓷电路基板。
用于解决课题的手段
为了实现上述目的，发明人对接合陶瓷基板和金属电路板的钎料中所含的元素的量和原料粉末的填充率进行各种变更并制备陶瓷电路基板，对钎料中所含的元素的量和原料粉的填充率给电路基板的耐热循环特性造成的影响进行比较研究。结果获知，电路基板的耐热循环特性随着钎料层连续性的增加和维氏硬度的下降而提高。本发明是基于这些见解完成的。
即，本发明为陶瓷电路基板，其特征在于，陶瓷基板和铜板是介由含有Ag、Cu以及选自Ti、Zr中的至少1种活性金属成分和选自In、Zn、Cd和Sn中的至少1种元素的钎料而接合的，接合后的钎料层的连续率为80％以上且钎料层的维氏硬度为60～85Hv。
发明的效果
根据本发明，能够提供具有高接合性和优异的耐热循环性的陶瓷电路基板。更详细而言，能够提供接合后的钎料层的连续率为80％以上且钎料层的维氏硬度为60～85Hv、进而在2000次循环的-55℃至150℃的热循环试验中裂纹率小于1％的陶瓷电路基板。
附图说明
图1是钎料层的连续率为99.5％的陶瓷电路基板的剖面照片的一例
图2是钎料层的连续率为72.9％的陶瓷电路基板的剖面照片的一例
附图标记的说明
1陶瓷基板
2陶瓷电路基板接合界面(TiN接合层)
3钎料层
4铜板
a整体长度
b钎料不连续长度
具体实施方式
[陶瓷电路基板]
本发明的陶瓷电路基板的特征在于，陶瓷基板和铜板是介由含有Ag、Cu以及选自Ti和Zr中的至少1种活性金属成分和选自In、Zn、Cd和Sn中的至少1种元素的钎料而接合的，接合后的钎料层的连续率为80％以上且钎料层的维氏硬度为60～85Hv。
作为本发明的陶瓷电路基板中所用的陶瓷基板，没有特别限定，可以使用：氮化硅、氮化铝等氮化物系陶瓷；氧化铝、氧化锆等氧化物系陶瓷；碳化硅等碳化物系陶瓷；硼化镧等硼化物系陶瓷等。其中，为了用活性金属法将金属板接合于陶瓷基板，优选氮化铝、氮化硅等非氧化物系陶瓷。
在本发明的一个实施方式中，对陶瓷基板的厚度没有特别限定，通常为0.1～3.0mm左右，特别地，若考虑到电路基板整体的热阻降低，则优选为1.0mm以下，更优选为0.4mm以下。
在本发明的一个实施方式中，铜板的纯度优选为90％以上。通过将纯度设为90％以上，能够抑制下述情况：在将陶瓷基板和铜板接合时，铜板与钎料的反应变得不充分，铜板变硬，电路基板的可靠性下降。
在本发明的一个实施方式中，对铜板的厚度没有特别限定，通常为0.1～2.0mm，特别地，从散热性的观点出发，优选为0.3mm以上，更优选为0.5mm以上。
发明人为了使以散热性提高为目的的由厚金属板和薄陶瓷基板构成的陶瓷电路基板也实现优异的耐热循环性，进行了深入研究，结果发现：通过增加钎料层的连续率和降低维氏硬度可提高耐热循环特性。还获知：通过提高作为钎料的主要成分的Ag粉末的填充率而使钎料层的连续率增加，并且通过减少钎料中所含的活性金属和Sn等元素的添加量能够降低钎料层的维氏硬度。
本发明的陶瓷电路基板的特征在于，接合后的钎料层的连续率为80％以上。这里钎料层的连续率是指以Ag为主要成分的合金的连续性。钎料层的连续率可如下求出：制备所制作的陶瓷电路基板的剖面，用扫描型电子显微镜以倍率500倍的视野随机观察3个位置而进行计量，从而求出。连续率设为在3个位置的视野计量的值的平均值。关于钎料层的结构，由于在以Ag为主要成分的合金与其以外的合金中检测强度是不同的，因此对比度不同，能够观察其厚度和比例。钎料层的连续率如下求出：按照以下的式(I)，在倍率500倍的视野中计量以Ag为主要成分的合金的厚度为1μm以下的长度(钎料不连续长度)，将其与整体长度之差除以整体长度。
钎料层的连续率(％)＝(整体长度-钎料不连续长度)/整体长度×100···(I)
从耐热循环性的观点出发，钎料层的连续率优选为80％以上，更优选为90％以上。当小于80％时，热应力容易局部地集中，容易使耐热循环性下降。
本发明的陶瓷电路基板的特征在于，钎料层的维氏硬度为60～85Hv。关于维氏硬度，可以制备所制作的陶瓷电路基板的剖面，以载荷0.025kgf从陶瓷电路基板接合界面向铜板侧在垂直方向上距离33μm的位置挤压压头，由产生的凹陷的面积来计算。钎料层的维氏硬度优选为65～85Hv，更优选为65～75Hv。通过将钎料层的维氏硬度设为85Hv以下，能够抑制钎料层的缓冲效果下降、耐热循环性下降的情况。
另外，在本发明的一个实施方式中，陶瓷电路基板的接合孔隙率优选为1.0％以下，更优选为0.5％以下，进一步优选为0.2％以下。
进而，本发明的一个实施方式的陶瓷电路基板的、通过以-55℃下15分钟、150℃下15分钟为1个循环的耐热循环试验进行2000次循环重复试验时的裂纹率优选小于1.0％，更优选小于0.8％，进一步优选小于0.2％。
在本发明的一个实施方式中，在陶瓷电路基板的接合中，使用含有Ag、Cu、活性金属的钎料。Ag与Cu的组成比优选设定为容易生成共晶组成的组成比，特别优选考虑了Cu从电路铜板和散热铜板熔入的组成。在Ag粉末与Cu粉末的合计100质量份中，优选Ag粉末为75～100质量份、Cu粉末为0～25质量份，更优选为75～99质量份，进一步优选为80～95质量份。通过将Ag粉末的量设为75～100质量份，能够抑制钎料的熔化温度升高而使来自接合时的热膨胀率差的热应力增加、耐热循环性下降的情况。
作为活性金属，从钛、锆、铪、铌等中选择至少一种。本发明的钎料层中所含的活性金属的量相对于Ag粉末、Cu粉末的合计100质量份优选为0.5～6.0质量份，更优选为1～5质量份，进一步优选为2～4质量份。通过将活性金属的含量设为0.5质量份以上，能够抑制陶瓷基板与钎料的润湿性不良、容易发生接合不良的情况。另一方面，通过将活性金属的含量设为6.0质量份以下，能够抑制在接合界面处形成的脆弱的活性金属的氮化物层过多、耐热循环性下降的情况。需要说明的是，活性金属优选为Ti、Zr。
本发明的钎料层中可以含有选自In、Zn、Cd和Sn中的至少1种元素。钎料层中所含的量相对于Ag粉末、Cu粉末的合计100质量份优选为0.4～5质量份，更优选为0.4～5质量份，进一步优选为1～4质量份。通过将含量设为0.4质量份以上，可以抑制陶瓷基板与钎料的润湿性不良而容易产生接合不良的情况。另一方面，通过将含量设为5.0质量份以下，能够抑制Cu与Sn的金属间化合物的生成量增大而使钎料层的维氏硬度变高、耐热循环特性容易下降的情况。
在本发明的一个实施方式中，钎料层中所含的Ag粉末的振实密度优选为3g/cm3以上。振实密度基于JIS Z 2512利用振实密度测定机来计算。通过将振实密度设为3g/cm3以上，能够抑制以下情况：钎料金属粉彼此的接触面积下降而使分散状态变成不均匀、接合时钎料的扩散变得不均匀、钎料层的连续率下降而使耐热循环性下降的情况。
在本发明的一个实施方式中，钎料的厚度以干燥基准计优选为5～40μm。通过将钎料厚度设为5μm以上，能够抑制产生未反应部分，另一方面，通过设为40μm以下，能够抑制除去接合层的时间变长、生产率下降的情况。对涂布方法没有特别限制，可以采用可在基板表面进行均匀涂布的丝网印刷法、辊涂机法等公知的涂布方法。
[陶瓷电路基板的制造方法]
本发明的陶瓷电路基板的制造方法包含：使用含有Ag 75～99质量份、Cu 1～25质量份、选自Ti和Zr中的至少1种活性金属成分0.5～6质量份、选自In、Zn、Cd和Sn中的至少1种元素0.4～5质量份的钎料，在真空度1.0×10-3Pa以下、接合温度700℃～820℃、保持时间10～60分钟的条件下进行接合，钎料中使用的Ag粉末粒子的振实密度为3g/cm3以上。在本发明的一个实施方式中，陶瓷基板与金属板的接合优选在真空中在700℃～820℃的温度且10～60分钟的时间条件下进行接合。作为接合温度，更优选为720～810℃，进一步优选为740～800℃。作为保持时间，更优选为20～60分钟，进一步优选为30～50分钟。通过将接合温度设为700℃以上、将保持时间设为10分钟以上，能够抑制由于未能充分生成Ti、Zr的化合物而局部地不能接合的情况，通过将接合温度设为820℃以下、将保持时间设为60分钟以下，能够抑制来自接合时的热膨胀率差的热应力增加而使耐热循环性下降的情况。
在本发明的一个实施方式中，为了在电路基板形成电路图案，在金属板涂布抗蚀剂并进行蚀刻。关于抗蚀剂，没有特别限制，可以使用例如一般使用的紫外线固化型、热固化型的抗蚀剂。关于抗蚀剂的涂布方法，没有特别限制，可以采用例如丝网印刷法等公知的涂布方法。
在本发明的一个实施方式中，为了形成电路图案，进行铜板的蚀刻处理。关于蚀刻液，也没有特别限制，可以使用一般使用的氯化铁溶液、氯化铜溶液、硫酸、双氧水等，作为优选的蚀刻液，可列举氯化铁溶液、氯化铜溶液。在通过蚀刻除去了不需要的金属部分后的氮化物陶瓷电路基板残留有涂布的钎料、其合金层、氮化物层等，通常使用含有卤化铵水溶液、硫酸、硝酸等无机酸、双氧水的溶液将它们除去。在电路形成后进行抗蚀剂的剥离，对剥离方法没有特别限制，一般用浸渍于碱水溶液的方法等。
实施例
以下利用实施例详细说明本发明。但是，本发明的范围不受以下的实施例限定。
[实施例1]
在厚0.32mm的氮化硅基板涂布相对于Ag粉末(福田金属箔粉工业(株)制：Ag-HWQ2.5μm)90质量份和Cu粉末(福田金属箔粉工业(株)制：Cu-HWQ 3μm)10质量份的合计100质量份含有TiH2粉末(OSAKA Titanium technologies Co.,Ltd.制：TSH-350)3.5质量份和Sn粉末(福田金属箔粉工业(株)制：Sn-HPN 3μm)3质量份的活性金属钎料，在1.0×10-3Pa以下的真空中在800℃且30分钟的条件下在电路面接合厚0.8mm的无氧铜板，在背面接合0.8mm的无氧铜板。
在接合而成的电路基板，通过丝网印刷将UV固化型抗蚀剂印刷成电路图案，UV固化后，进一步印刷散热面形状并进行UV固化。用作为蚀刻剂的氯化铜水溶液对其进行蚀刻，接着用60℃的硫代硫酸铵水溶液和氟化铵水溶液随时处理，形成电路图案和散热板图案。
按照下述方法评价陶瓷电路基板的接合性和耐热循环评价。
＜接合性的评价＞
对于接合而成的电路基板，用超声波探伤装置(Hitachi Power Solutions Co.,Ltd.制：FS-Line)测定后，计算接合孔隙在电路面积中所占的面积。
＜耐热循环性的评价＞
对于所制作的氮化硅电路基板，通过以-55℃下15分钟、150℃下15分钟为1个循环的耐热循环试验进行2000次循环重复试验后，用氯化铜液和氟化铵/过氧化氢蚀刻将铜板和钎料层剥离，用图像解析软件GIMP2(阈值140)对氮化硅基板表面的水平裂纹面积进行二值化、计算后，由水平裂纹面积/电路图案的面积来计算裂纹率。
＜综合判定的基准＞
将接合孔隙率为1.0％以下且裂纹率小于0.2％者判定为◎，将接合孔隙率为1.0％以下且裂纹率为1.0％以下者判定为○，将接合孔隙率大于1.0％或裂纹率大于1.0％者判定为×。
[实施例2～10、比较例1～7]
除了设为表1中所示的条件以外，与实施例1同样地进行。将评价结果示于表2。
【表1】
【表2】
Figure BDA0002295787220000092
Figure BDA0002295787220000101
如表2中所示，关于使用振实密度为3g/cm3以上的Ag粉末、In或Sn的添加量为5质量份以下且在接合温度为820℃以下的条件下制作的陶瓷电路基板，确认钎料层的维氏硬度在60～85Hv的范围内，热循环试验后的水平裂纹产生率小于1％。关于Sn的添加量为3质量份以下且在接合温度为800℃以下的条件下制作的电路基板，确认维氏硬度在60～75Hv的范围内，钎料层的连续率也为90％以上，热循环试验后的水平裂纹产生率小于0.2％。
另一方面，确认了当Sn添加量大于5质量份时或接合温度高于820℃时，钎料的维氏硬度超过85Hv，耐热循环试验后的水平裂纹产生率为1％以上。另外，确认了使用Ag粉末的振实密度小于3g/cm3的钎料粉末、在820℃以下进行接合时，铜板与陶瓷基板的接合变得不充分。确认了以超过820℃的温度进行接合的情况下，虽然接合性得到了改善，但是钎料层的维氏硬度超过85Hv，连续率也小于80％，耐热循环性下降。

Claims (4)

1.一种陶瓷电路基板，其特征在于，陶瓷基板和铜板介由钎料而接合，所述钎料含有Ag、Cu以及选自Ti和Zr中的至少1种活性金属成分和选自In、Zn、Cd和Sn中的至少1种元素，接合后的钎料层的连续率为80％以上且钎料层的维氏硬度为60～85Hv。
2.根据权利要求1所述的陶瓷电路基板，其特征在于，陶瓷基板为氮化铝基板或氮化硅基板。
3.根据权利要求1或2所述的陶瓷电路基板，其特征在于，铜板的厚度为0.2～2.0mm。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的陶瓷电路基板的制造方法，其包含：使用含有Ag75～99质量份、Cu 1～25质量份、选自Ti和Zr中的至少1种活性金属成分0.5～6质量份、选自In、Zn、Cd和Sn中的至少1种元素0.4～5质量份的钎料，在真空度1.0×10-3Pa以下、接合温度700℃～820℃、保持时间10～60分钟的条件下进行接合；钎料中使用的Ag粉末粒子的振实密度为3g/cm3以上。
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