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JP7299672B2 - Ceramic circuit board and its manufacturing method - Google Patents

Ceramic circuit board and its manufacturing method Download PDF

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JP7299672B2 JP2017188485A JP2017188485A JP7299672B2 JP 7299672 B2 JP7299672 B2 JP 7299672B2 JP 2017188485 A JP2017188485 A JP 2017188485A JP 2017188485 A JP2017188485 A JP 2017188485A JP 7299672 B2 JP7299672 B2 JP 7299672B2
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篤士 酒井
佳孝 谷口
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  • Manufacturing Of Printed Wiring (AREA)

Description

本発明は、セラミックス回路基板及びその製造方法に関し、特にパワーモジュール等の大電力電子部品の実装に好適なセラミックス回路基板及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a ceramic circuit board and its manufacturing method, and more particularly to a ceramic circuit board suitable for mounting high-power electronic components such as power modules and its manufacturing method.

近年、ロボット、モーター等の産業機器の高性能化に伴い、インバータの大電流化及び高効率化が求められている。このような状況の下、インバータに使用されるパワーモジュールにおいて、半導体素子から発生する熱も増加の一途をたどっている。半導体素子から発生する熱を効率的に拡散させるため、良好な熱伝導性を有するセラミックス回路基板が用いられている。 In recent years, as the performance of industrial equipment such as robots and motors has improved, there has been a demand for inverters with higher current and higher efficiency. Under such circumstances, heat generated from semiconductor elements in power modules used in inverters is increasing. A ceramic circuit board having good thermal conductivity is used to efficiently diffuse heat generated from a semiconductor element.

パワーモジュールは、一般に、セラミックス回路基板と、セラミックス回路基板の一方の面上に設けられた半導体素子と、セラミックス回路基板の他方の面上に半田付け等により設けられ、熱伝導性に優れるCu、Cu-Mo、Cu-C、Al、Al-SiC、Al-C等からなるベース板と、ベース板のセラミックス回路基板とは反対側の面上にねじ止め等により設けられた放熱フィンと、を備える。 A power module generally includes a ceramic circuit board, a semiconductor element provided on one side of the ceramic circuit board, and a semiconductor element provided on the other side of the ceramic circuit board by soldering or the like. A base plate made of Cu--Mo, Cu--C, Al, Al--SiC, Al--C, or the like, and radiation fins provided by screwing or the like on the surface of the base plate opposite to the ceramic circuit board. Prepare.

パワーモジュールの動作時に半導体素子等から発生した熱は、セラミックス回路基板、半田、及びベース板を介して放熱フィンに伝達される。実使用の際、パワーモジュールは発熱及び冷却が繰り返し行われる環境下に置かれる。セラミックス基材と金属回路との間に繰り返し生じる熱応力によりセラミックス基材にクラックが発生し、信頼性が低下する問題があった。 Heat generated from a semiconductor element or the like during operation of the power module is transferred to the heat dissipation fins through the ceramic circuit board, solder, and base plate. During actual use, the power module is placed in an environment where heat generation and cooling are repeated. There is a problem that cracks occur in the ceramic substrate due to thermal stress that repeatedly occurs between the ceramic substrate and the metal circuit, resulting in a decrease in reliability.

こうした、信頼性の問題に対して、例えば、セラミックス基材の両面に接合された金属層を有するセラミックス回路基板において、硬度、種類、厚さ等の異なる金属層をそれぞれ金属回路板及び放熱板として用いて、セラミックス基材の一方及び他方の面上に接合することが提案されている(例えば、特許文献1参照)。また、パワーモジュールを製造する際に、溶融した状態のベース板と、セラミックス回路基板とを接触させることにより、ベース板とセラミックス回路基板とを接合することが提案されている(例えば、特許文献2参照)。 To address such reliability issues, for example, in a ceramic circuit board having metal layers bonded to both sides of a ceramic substrate, metal layers with different hardness, types, thickness, etc. are used as a metal circuit board and a heat sink, respectively. It has been proposed to join on one side and the other side of a ceramic substrate by using a ceramic substrate (see, for example, Patent Document 1). In addition, when manufacturing a power module, it has been proposed to join the base plate and the ceramic circuit board by bringing the molten base plate and the ceramic circuit board into contact (for example, Patent Document 2). reference).

特開2004-207587号公報JP 2004-207587 A 特開2002-76551号公報JP-A-2002-76551

セラミックス回路基板は、信頼性の観点から、実使用において繰り返し行われる発熱及び冷却によっても金属層がセラミックス基材から剥離したり、セラミックス基材にクラックが発生したりせず、セラミックス基材と金属層の高い密着性を維持できることが望ましい。しかし、従来のセラミックス回路基板及びこれを用いたパワーモジュールは、高温動作時において未だ改善の余地があり、放熱性の向上も求められている。 From the viewpoint of reliability, the ceramic circuit board does not peel off the metal layer from the ceramic base material or cause cracks in the ceramic base material even when repeatedly heated and cooled in actual use. It is desirable to be able to maintain high adhesion of the layers. However, conventional ceramic circuit boards and power modules using the same still have room for improvement during high-temperature operation, and there is also a demand for improved heat dissipation.

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであって、発熱及び冷却が繰り返し行われる環境下で使用されても、性能を十分に発揮することができる優れた信頼性を有するとともに、放熱性に優れるセラミックス回路基板及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and has excellent reliability that can sufficiently demonstrate performance even when used in an environment where heat generation and cooling are repeated, and An object of the present invention is to provide a ceramic circuit board with excellent heat dissipation and a method for manufacturing the same.

本発明は、セラミックス基材と、セラミックス基材の両面上に設けられた金属層とを備え、セラミックス基材の少なくとも一方の面上に設けられた金属層が金属回路を形成するセラミックス回路基板の製造方法を提供する。この製造方法は、(A)セラミックス基材の両面上に、銅を主成分とする第一金属層を形成する工程と、(B)第一金属層の表面上に、溶射法によって第二金属層を形成する工程とを含み、(B)工程において、セラミックス基材の一方の面側に位置する第二金属層として銅を主成分とする層を形成するとともに、セラミックス基材の他方の面側に位置する第二金属層としてアルミニウムを主成分とする層を形成し、上記金属層はセラミックス基材側から第一金属層及び第二金属層をこの順序で含む多層構造を有し且つ0.5~2.0mmの厚さを有する。 The present invention provides a ceramic circuit board comprising a ceramic substrate and metal layers provided on both sides of the ceramic substrate, wherein the metal layer provided on at least one surface of the ceramic substrate forms a metal circuit. A manufacturing method is provided. This manufacturing method includes (A) the step of forming a first metal layer containing copper as a main component on both sides of a ceramic substrate; In the step (B), a layer containing copper as a main component is formed as a second metal layer located on one side of the ceramic base, and the other side of the ceramic base is formed. A layer containing aluminum as a main component is formed as the second metal layer located on the side of the ceramic substrate, and the metal layer has a multilayer structure including a first metal layer and a second metal layer in this order from the ceramic substrate side. It has a thickness of 0.5 to 2.0 mm.

上記製造方法によれば、セラミックス基材の両面上に形成される金属層のうちの一方の金属層の一部を構成する第二金属層として銅を主成分とする層を第一金属層の表面に対して溶射法によって形成することで、セラミックス基材と比較して熱伝導性に優れる金属層を十分に厚く形成することができ、放熱性に優れたセラミックス回路基板を得ることができる。また、セラミックス基材の両面上に形成される金属層のうちの他方の金属層の一部を構成する第二金属層としてアルミニウムを主成分とする層を第一金属層の表面に対して溶射法によって形成することで、この第二金属層がベース板との間で緩衝層として機能し、セラミックス回路基板の信頼性向上に寄与する。ここでいう主成分とは、対象の金属層(第一金属層又は第二金属層)の全体質量を基準として、70質量%以上含まれる成分を意味する。 According to the above manufacturing method, the second metal layer, which constitutes a part of one of the metal layers formed on both surfaces of the ceramic substrate, is a layer containing copper as the main component of the first metal layer. By forming the metal layer on the surface by thermal spraying, it is possible to form a sufficiently thick metal layer that is superior in thermal conductivity compared to the ceramic base material, and to obtain a ceramic circuit board that is excellent in heat dissipation. Further, a layer containing aluminum as a main component is thermally sprayed onto the surface of the first metal layer as a second metal layer constituting a part of the other metal layer of the metal layers formed on both surfaces of the ceramic substrate. This second metal layer functions as a buffer layer between the base plate and contributes to improving the reliability of the ceramic circuit board. The term "main component" as used herein means a component contained in an amount of 70% by mass or more based on the total mass of the target metal layer (first metal layer or second metal layer).

上記製造方法は、銅を主成分とする第一金属層を有するセラミックス回路基板を製造するためのものであるが、本発明に係る製造方法は、上記(A)工程において、銅を主成分とする第一金属層を形成する代わりに、アルミニウムを主成分とする第一金属層を形成するものであってもよい。 The above manufacturing method is for manufacturing a ceramic circuit board having a first metal layer containing copper as a main component. Instead of forming the first metal layer, a first metal layer containing aluminum as a main component may be formed.

本発明は、セラミックス回路基板を提供する。第一の態様に係るセラミックス回路基板は、セラミックス基材と、セラミックス基材の両面上に設けられた金属層とを備え、セラミックス基材の少なくとも一方の面上に設けられた金属層が金属回路を形成するものである。上記金属層は、セラミックス基材側から第一金属層及び第二金属層をこの順序で含む多層構造を有し且つ0.2~1.5mmの厚さを有する。第一金属層は、銅を主成分とするものであり、セラミックス基材の一方の面側に位置する第二金属層は、銅を主成分とし且つ溶射法によって形成されたものであり、セラミックス基材の他方の面側に位置する第二金属層は、アルミニウムを主成分とし且つ溶射法によって形成されたものである。 The present invention provides a ceramic circuit board. A ceramic circuit board according to a first aspect comprises a ceramic substrate and metal layers provided on both sides of the ceramic substrate, wherein the metal layer provided on at least one surface of the ceramic substrate serves as a metal circuit. to form The metal layer has a multilayer structure including a first metal layer and a second metal layer in this order from the ceramic substrate side, and has a thickness of 0.2 to 1.5 mm. The first metal layer contains copper as a main component, and the second metal layer located on one side of the ceramic substrate contains copper as a main component and is formed by thermal spraying. The second metal layer located on the other side of the base material is mainly composed of aluminum and is formed by thermal spraying.

上記セラミックス回路基板は、セラミックス基材の両面上に位置する金属層のうちの一方の金属層が銅を主成分とする第二金属層を有するため、放熱性に優れる。また、セラミックス基材の両面上に位置する金属層のうちの他方の金属層がアルミニウムを主成分とする第二金属層を有しており、この第二金属層がベース板との間で緩衝層として機能し、セラミックス回路基板の信頼性向上に寄与する。 In the ceramic circuit board, one of the metal layers located on both surfaces of the ceramic substrate has the second metal layer containing copper as a main component, so that the ceramic circuit board has excellent heat dissipation properties. In addition, the other metal layer of the metal layers positioned on both sides of the ceramic substrate has a second metal layer containing aluminum as a main component, and this second metal layer buffers between the base plate and the base plate. It functions as a layer and contributes to improving the reliability of ceramic circuit boards.

第二の態様に係るセラミックス回路基板は以下の構成の金属層を備えること以外は上記第一の態様と同じである。すなわち、第二の態様に係るセラミックス回路基板の金属層は、セラミックス基材側から第一金属層及び第二金属層をこの順序で含む多層構造を有し且つ0.2~1.5mmの厚さを有するとともに、以下の条件を満たす。
・第一金属層は、銅を主成分とし且つ厚さが0.1~0.3mmの範囲である。
・セラミックス基材の一方の面側に位置する第二金属層は、銅を主成分とし且つ厚さが0.4~1.9mmの範囲である。
・セラミックス基材の他方の面側に位置する第二金属層は、アルミニウムを主成分とし且つ厚さが0.4~1.9mmの範囲である。
The ceramic circuit board according to the second aspect is the same as the first aspect except that it has a metal layer having the following structure. That is, the metal layer of the ceramic circuit board according to the second aspect has a multilayer structure including a first metal layer and a second metal layer in this order from the ceramic substrate side, and has a thickness of 0.2 to 1.5 mm. and satisfies the following conditions.
- The first metal layer is mainly composed of copper and has a thickness in the range of 0.1 to 0.3 mm.
- The second metal layer located on one side of the ceramic substrate is mainly composed of copper and has a thickness in the range of 0.4 to 1.9 mm.
- The second metal layer located on the other side of the ceramic substrate is mainly composed of aluminum and has a thickness in the range of 0.4 to 1.9 mm.

上記構成の金属層を備えるセラミックス回路基板は、セラミックス基材の両面上に位置する金属層のうちの一方の金属層が銅を主成分とし且つ厚さが0.4~1.9mmの範囲の第二金属層を有するため、放熱性に優れる。また、セラミックス基材の両面上に位置する金属層のうちの他方の金属層がアルミニウムを主成分とし且つ厚さが0.4~1.9mmの範囲の第二金属層を有しており、この第二金属層がベース板との間で緩衝層として機能し、セラミックス回路基板の信頼性向上に寄与する。 In the ceramic circuit board provided with the metal layers having the above configuration, one of the metal layers located on both sides of the ceramic substrate is mainly composed of copper and has a thickness in the range of 0.4 to 1.9 mm. Since it has the second metal layer, it has excellent heat dissipation. In addition, the other metal layer of the metal layers located on both sides of the ceramic substrate has a second metal layer containing aluminum as a main component and having a thickness in the range of 0.4 to 1.9 mm, This second metal layer functions as a buffer layer between the base plate and contributes to improving the reliability of the ceramic circuit board.

上記第一及び第二の態様に係るセラミックス回路基板は、銅を主成分とする第一金属層を有するものであるが、本発明に係るセラミックス回路基板は、銅を主成分とする第一金属層の代わりに、アルミニウムを主成分とする第一金属層を有するものであってもよい。 The ceramic circuit board according to the first and second aspects has a first metal layer containing copper as a main component. The ceramic circuit board according to the present invention has a first metal layer containing copper as a main component Instead of the layer, it may have a first metal layer whose main component is aluminum.

セラミックス基材と金属層の密着性はヒートサイクル試験で評価することができる。本発明に係るセラミックス回路基板は、180℃の環境に当該セラミックス回路基板を30分間放置した後、-45℃の環境に当該セラミックス回路基板を30分間放置する操作を1サイクルとして、このサイクルを500回繰り返すヒートサイクル試験後において、セラミックス基材から金属回路の剥離が発生しないことが好ましい。 Adhesion between the ceramic substrate and the metal layer can be evaluated by a heat cycle test. In the ceramic circuit board according to the present invention, the operation of leaving the ceramic circuit board in an environment of 180° C. for 30 minutes and then leaving the ceramic circuit board in an environment of -45° C. for 30 minutes is regarded as one cycle, and this cycle is repeated 500 times. It is preferable that the metal circuit does not peel off from the ceramic substrate after repeated heat cycle tests.

第二金属層は第一金属層よりも厚いことが好ましい。溶射法によって第二金属層を第一金属層よりも厚く形成することで、十分な厚さを有し且つ残留応力が少ない金属層をセラミックス基材の表面上に形成することができる。第一金属層の端面と第二金属層の端面とは面一であってもよく、第一金属層の端面が第二金属層の端面よりも外側にはみ出ていてもよい。 Preferably, the second metal layer is thicker than the first metal layer. By forming the second metal layer thicker than the first metal layer by thermal spraying, a metal layer having a sufficient thickness and less residual stress can be formed on the surface of the ceramic substrate. The end face of the first metal layer and the end face of the second metal layer may be flush with each other, or the end face of the first metal layer may protrude outside the end face of the second metal layer.

機械的強度及び耐熱性等の点から、セラミックス基材の材質はSiであることが好ましい。セラミックス回路基板の放熱性等の点から、セラミックス基材は十分に薄いことが好ましく、その厚さの範囲は0.2~1.5mmであることが好ましい。 From the viewpoint of mechanical strength, heat resistance, etc., the material of the ceramic substrate is preferably Si 3 N 4 . From the viewpoint of heat dissipation of the ceramic circuit board, it is preferable that the ceramic substrate is sufficiently thin, and the thickness thereof is preferably in the range of 0.2 to 1.5 mm.

本発明によれば、発熱及び冷却が繰り返し行われる環境下で使用されても、性能を十分に発揮することができる優れた信頼性を有するとともに、放熱性に優れるセラミックス回路基板及びその製造方法が提供される。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, there is provided a ceramic circuit board which has excellent reliability and excellent heat dissipation properties so that performance can be sufficiently exhibited even when used in an environment where heat generation and cooling are repeated, and a method for manufacturing the same. provided.

セラミックス回路基板の一実施形態を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a ceramic circuit board; FIG. セラミックス回路基板の他の実施形態を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing another embodiment of a ceramic circuit board; パワーモジュールの一態様を示す断面図である。It is a sectional view showing one mode of a power module.

以下、本発明のいくつかの実施形態について詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。 Several embodiments of the invention are described in detail below. However, the present invention is not limited to the following embodiments.

<セラミックス回路基板>
図1は、セラミックス回路基板の一実施形態を示す断面図である。図1に示すように、セラミックス回路基板10Aは、セラミックス基材1と、セラミックス基材1の両面に設けられた金属層2,3とを備える。本実施形態においては、金属層2が電気回路を形成するものである(図3参照)。金属層2は、セラミックス基材1側から第一金属層2a及び第二金属層2bをこの順序で含む多層構造を有する。金属層3は、セラミックス基材1側から第一金属層3a及び第二金属層3bをこの順序で含む多層構造を有する。
<Ceramic circuit board>
FIG. 1 is a cross-sectional view showing one embodiment of a ceramic circuit board. As shown in FIG. 1, a ceramic circuit board 10A includes a ceramic base 1 and metal layers 2 and 3 provided on both sides of the ceramic base 1. As shown in FIG. In this embodiment, the metal layer 2 forms an electrical circuit (see FIG. 3). The metal layer 2 has a multilayer structure including a first metal layer 2a and a second metal layer 2b in this order from the ceramic substrate 1 side. The metal layer 3 has a multilayer structure including a first metal layer 3a and a second metal layer 3b in this order from the ceramic substrate 1 side.

上記構成のセラミックス回路基板10Aは、パワーモジュール製造過程において、ベース板(図3のベース板20参照)と接合される際、ベース板の反りを抑制できるのみならず、発熱及び冷却が繰り返して行われる環境下で使用されても、セラミックス基材1と金属層2,3との高い密着性を維持できる。この理由について本発明者等は以下のように考えている。 When the ceramic circuit board 10A having the above configuration is joined to the base plate (see the base plate 20 in FIG. 3) in the power module manufacturing process, not only can the warp of the base plate be suppressed, but heat generation and cooling are repeated. High adhesion between the ceramic substrate 1 and the metal layers 2 and 3 can be maintained even when used in a harsh environment. The inventors of the present invention consider the reason for this as follows.

まず、本発明者等の検討によれば、パワーモジュール製造時におけるベース板の反りの発生、並びにヒートサイクルによるセラミックス基材及び金属層の剥離やセラミックス基材におけるクラックの発生は、セラミックス回路基板を構成するセラミックス基材及び金属層の線熱膨張係数の差が原因であることが判明している。一般に、セラミックス基材の線熱膨張係数に比べ金属層の線熱膨張係数の方が大きい。そのため、セラミックス基材と金属層とを接合する温度から室温に戻す場合やヒートサイクルにより、金属層に引張応力が残留する。この引張応力の残留(残留応力)によって、上述したような不具合が発生すると考えられる。 First, according to the study of the present inventors, the occurrence of warping of the base plate during the production of the power module, the separation of the ceramic substrate and the metal layer due to the heat cycle, and the occurrence of cracks in the ceramic substrate are caused by the ceramic circuit substrate. It has been found that the reason for this is the difference in coefficient of linear thermal expansion between the ceramic base material and the metal layer. In general, the coefficient of linear thermal expansion of the metal layer is larger than the coefficient of linear thermal expansion of the ceramic substrate. Therefore, tensile stress remains in the metal layer when the temperature at which the ceramic substrate and the metal layer are bonded is returned to room temperature or due to heat cycles. It is considered that the residual tensile stress (residual stress) causes the problems described above.

本発明者等は、上記残留応力を低減するため、セラミックス回路基板の線熱膨張係数に着目した。本発明者等の更なる検討によれば、セラミックス回路基板の線熱膨張係数は、構成されるセラミックス基材と金属層の構造(厚さ等)及び組成に加え、セラミックス基材と金属層とを接合する温度から室温に戻る際に、両材料の熱膨張差により発生する残留応力により決まることが判明している。このため、例えば、同一の構成を有するセラミックス回路基板であっても、接合方法によりセラミックス回路基板の線熱膨張係数が異なる場合がある。一般に、セラミックス基材と金属層とは、温度800℃程度の温度で、活性金属法によってロウ付けして接合されることが多く、このような条件で接合した場合、接合後に室温に冷却する過程で線熱膨張係数の大きい金属層に引張応力が残留する。引張応力が残留している場合、得られるセラミックス回路基板の線熱膨張係数の測定値は、構成するセラミックス基材及び金属層の構造(厚さ等)及び組成から算出した線熱膨張係数の理論値より小さい値となると考えられる。本実施形態に係るセラミックス回路基板は、得られるセラミックス回路基板の線熱膨張係数の測定値を大きくし、且つ当該測定値を理論値に近づけたことで、セラミックス回路基板における残留応力を低減することができた、と本発明者等は考えている。 The present inventors focused on the linear thermal expansion coefficient of the ceramic circuit board in order to reduce the residual stress. According to further studies by the inventors of the present invention, the coefficient of linear thermal expansion of the ceramic circuit board depends on the structure (thickness, etc.) and composition of the ceramic base and metal layer, It has been found that the residual stress generated by the difference in thermal expansion between the two materials when returning from the temperature at which the two are joined to room temperature. For this reason, for example, ceramic circuit boards having the same structure may have different coefficients of linear thermal expansion depending on the joining method. In general, the ceramic base material and the metal layer are often joined by brazing by the active metal method at a temperature of about 800 ° C. When joining under such conditions, the process of cooling to room temperature after joining Tensile stress remains in the metal layer with a large coefficient of linear thermal expansion. When tensile stress remains, the measured value of the coefficient of linear thermal expansion of the obtained ceramic circuit board is the theory of the coefficient of linear thermal expansion calculated from the structure (thickness, etc.) and composition of the ceramic base material and metal layer that constitute it. It is considered that the value will be smaller than the value. In the ceramic circuit board according to the present embodiment, the measured value of the coefficient of linear thermal expansion of the obtained ceramic circuit board is increased and the measured value is brought closer to the theoretical value, thereby reducing the residual stress in the ceramic circuit board. The present inventors believe that

更に、本実施形態に係るセラミックス回路基板は、それ自体の残留応力を低減できることから、ベース板の種類や線熱膨張係数の値によらず、ベース板に接合する際のベース板の反りを抑制することもできると考えている。 Furthermore, since the ceramic circuit board according to the present embodiment can reduce its own residual stress, it suppresses the warpage of the base plate when it is joined to the base plate regardless of the type of base plate or the value of the linear thermal expansion coefficient. I think it is possible.

セラミックス回路基板の線熱膨張係数の測定値を大きくする手法としては、例えば、線熱膨張係数の大きい金属層の厚さを大きくすることが有効と考えられる。ただし、セラミックス回路基板の線熱膨張係数を大きくしすぎると、セラミックス基材に対する金属層の引張応力が大きくなり、実使用を想定したヒートサイクル試験において、セラミックス基材にクラックが入るなどの面で問題が発生する可能性がある。 As a method for increasing the measured value of the linear thermal expansion coefficient of the ceramic circuit board, for example, it is considered effective to increase the thickness of the metal layer having a large linear thermal expansion coefficient. However, if the coefficient of linear thermal expansion of the ceramic circuit board is too large, the tensile stress of the metal layer against the ceramic base material will increase, and in a heat cycle test assuming actual use, cracks will occur in the ceramic base material. Problems can occur.

一方、セラミックス回路基板の線熱膨張係数の測定値を理論値に近づける手法としては、例えば、セラミックス基材と金属層とを接合する際の温度を小さくし、金属層の残留応力を低減する方法等が有効と考えられる。セラミックス基材と金属層とを接合する方法としては、特に制限されるものではないが、例えば、接着剤を用いて両者を接着させる接着法、活性金属法、溶射法等を単独で又は複数を組み合わせて用いる方法が挙げられる。接合する際の温度を小さくできる観点からは、接着法、溶射法等を用いることが好ましく、熱伝導率の低い接着剤を用いずにパワーモジュールとしての放熱性を十分に確保する観点からは、活性金属法、溶射法等を用いることが好ましい。このような観点から、セラミックス基材の表面に活性金属法等により薄い金属層を形成した後に、所定の厚さの金属板を低温で接合する手法や溶射法により金属層を形成する手法が有効である。セラミックス基材と金属層とを接合する方法の詳細については、後述する。 On the other hand, as a method of bringing the measured value of the linear thermal expansion coefficient of the ceramic circuit board closer to the theoretical value, for example, a method of lowering the temperature when joining the ceramic substrate and the metal layer to reduce the residual stress of the metal layer. etc. are considered to be effective. The method for joining the ceramic base material and the metal layer is not particularly limited, but for example, a bonding method in which the two are bonded using an adhesive, an active metal method, a thermal spraying method, etc. alone or in combination. A method of using them in combination is mentioned. From the viewpoint of reducing the temperature at the time of joining, it is preferable to use an adhesive method, a thermal spraying method, or the like. It is preferable to use an active metal method, a thermal spraying method, or the like. From this point of view, it is effective to form a thin metal layer on the surface of the ceramic base material by the active metal method or the like, and then join the metal plates with a predetermined thickness at a low temperature or to form the metal layer by thermal spraying. is. The details of the method for joining the ceramic base material and the metal layer will be described later.

このようなセラミックス回路基板10Aを得るためには、例えば、セラミックス基材1は、Siで形成されていることが好ましい。 In order to obtain such a ceramic circuit board 10A, the ceramic base 1 is preferably made of Si3N4 , for example.

セラミックス基材1の厚さは、0.2~1.5mmであることが好ましく、0.25~1.0mmであることがより好ましい。セラミックス基材1の厚さが0.2mm未満であると耐熱衝撃性が低下する傾向があり、1.5mmを超えると放熱性が低下する傾向がある。 The thickness of the ceramic substrate 1 is preferably 0.2-1.5 mm, more preferably 0.25-1.0 mm. If the thickness of the ceramic substrate 1 is less than 0.2 mm, the thermal shock resistance tends to be lowered, and if it exceeds 1.5 mm, the heat dissipation tends to be lowered.

金属層2は、セラミックス基材1側から第一金属層2a及び第二金属層2bをこの順序で含む多層構造を有する。金属層3は、セラミックス基材1側から第一金属層3a及び第二金属層3bをこの順序で含む多層構造を有する。 The metal layer 2 has a multilayer structure including a first metal layer 2a and a second metal layer 2b in this order from the ceramic substrate 1 side. The metal layer 3 has a multilayer structure including a first metal layer 3a and a second metal layer 3b in this order from the ceramic substrate 1 side.

第一金属層2a,3aは、Cu(銅)を主成分として含む。ここでいう主成分とは、第一金属層2a,3aの全体質量を基準として、70質量%以上含まれる成分を意味する。第一金属層2a,3aにおけるCuの含有率は、90質量%以上であってもよく、95質量%以上であってもよい。第一金属層2a,3aが含み得るCu以外の元素としてMo、C等が挙げられる。 The first metal layers 2a and 3a contain Cu (copper) as a main component. The term "main component" as used herein means a component contained in an amount of 70% by mass or more based on the total mass of the first metal layers 2a and 3a. The content of Cu in the first metal layers 2a and 3a may be 90% by mass or more, or may be 95% by mass or more. Elements other than Cu that can be contained in the first metal layers 2a and 3a include Mo, C, and the like.

第二金属層2bは、Cu(銅)を主成分として含む。第二金属層2bにおけるCuの含有率は、90質量%以上であってもよく、95質量%以上であってもよい。第二金属層2bが含み得るCu以外の元素としてMo、C等が挙げられる。 The second metal layer 2b contains Cu (copper) as a main component. The content of Cu in the second metal layer 2b may be 90% by mass or more, or may be 95% by mass or more. Elements other than Cu that the second metal layer 2b may contain include Mo, C, and the like.

第二金属層3bは、Al(アルミニウム)を主成分として含む。第二金属層3bにおけるAlの含有率は、90質量%以上であってもよく、95質量%以上であってもよい。第二金属層3bが含み得るAl以外の元素としてSi、C等が挙げられる。 The second metal layer 3b contains Al (aluminum) as a main component. The Al content in the second metal layer 3b may be 90% by mass or more, or may be 95% by mass or more. Elements other than Al that the second metal layer 3b may contain include Si, C, and the like.

第二金属層2b,3bは第一金属層2a,3aよりも厚いことが好ましい。溶射法によって形成される第二金属層2b,3bを、例えば、活性金属法又は溶射法によって形成される第一金属層2a,3aよりも厚く形成することで、十分な厚さを有し且つ残留応力が少ない金属層2,3をセラミックス基材1の表面上に形成することができる。 The second metal layers 2b, 3b are preferably thicker than the first metal layers 2a, 3a. By forming the second metal layers 2b and 3b formed by the thermal spraying method to be thicker than the first metal layers 2a and 3a formed by the active metal method or the thermal spraying method, for example, it has a sufficient thickness and Metal layers 2 and 3 with little residual stress can be formed on the surface of the ceramic substrate 1 .

第一金属層2a,3aのそれぞれの厚さは、例えば、0.1~0.3mmの範囲であり、0.11~0.2mmの範囲であることが好ましく、0.12~0.15mmの範囲であることがより好ましい。第一金属層2a,3aの厚さが0.1mm未満であると、第一金属層2a,3aの形成が困難となる傾向があり、0.3mmを越えると0.3mm以下の場合と比較して残留応力が大きくなり信頼性が低下する。第一金属層2a,3aの厚さは、それぞれ実質的に同じでも異なっていてもよいが、セラミックス回路基板10Aの製造を容易にする観点から、実質的に同じであることが好ましい。 The thickness of each of the first metal layers 2a and 3a is, for example, in the range of 0.1 to 0.3 mm, preferably in the range of 0.11 to 0.2 mm, and more preferably 0.12 to 0.15 mm. is more preferably in the range of When the thickness of the first metal layers 2a and 3a is less than 0.1 mm, it tends to be difficult to form the first metal layers 2a and 3a. As a result, residual stress increases and reliability decreases. The thicknesses of the first metal layers 2a and 3a may be substantially the same or different, but are preferably substantially the same from the viewpoint of facilitating the manufacture of the ceramic circuit board 10A.

第二金属層2b,3bのそれぞれの厚さは、例えば、0.4~1.9mmの範囲であり、0.8~1.5mmの範囲であることが好ましく、1.0~1.3mmの範囲であることがより好ましい。第二金属層2b,3bの厚さが0.4mm未満であると、残留応力緩和の効果が不十分となる傾向があり、1.9mmを越えると耐熱衝撃性が不十分となるとともに第二金属層2b,3bの形成に長い時間を要する傾向がある。第二金属層2b,3bの厚さは、それぞれ実質的に同じでも異なっていてもよいが、セラミックス回路基板10Aの製造を容易にする観点から、実質的に同じであることが好ましい。 The thickness of each of the second metal layers 2b and 3b is, for example, in the range of 0.4 to 1.9 mm, preferably in the range of 0.8 to 1.5 mm, and 1.0 to 1.3 mm. is more preferably in the range of If the thickness of the second metal layers 2b and 3b is less than 0.4 mm, the effect of relieving residual stress tends to be insufficient. It tends to take a long time to form the metal layers 2b and 3b. The thicknesses of the second metal layers 2b and 3b may be substantially the same or different, but are preferably substantially the same from the viewpoint of facilitating the manufacture of the ceramic circuit board 10A.

金属層2,3のそれぞれの厚さは、0.5~2.0mmであり、1.0~1.8mmであることが好ましい。電気回路を形成する金属層2の厚さが0.5mm未満であると流せる電流が制限される。なお、図3に示されるように、第1の半田21を介してベース板20に接合される金属層3の厚さが0.5mm未満であるとセラミックス回路基板10Aの放熱性が不十分となる。他方、金属層2,3の厚さが2.0mmを超えると耐熱衝撃性が不十分となる。金属層2,3の厚さは、それぞれ実質的に同じでも異なっていてもよいが、セラミックス回路基板10Aの製造を容易にする観点から、実質的に同じであることが好ましい。 Each of the metal layers 2 and 3 has a thickness of 0.5 to 2.0 mm, preferably 1.0 to 1.8 mm. If the thickness of the metal layer 2 forming the electric circuit is less than 0.5 mm, the current that can flow is limited. As shown in FIG. 3, if the thickness of the metal layer 3 bonded to the base plate 20 via the first solder 21 is less than 0.5 mm, the heat radiation of the ceramic circuit board 10A will be insufficient. Become. On the other hand, when the thickness of the metal layers 2 and 3 exceeds 2.0 mm, the thermal shock resistance becomes insufficient. The thicknesses of the metal layers 2 and 3 may be substantially the same or different, but are preferably substantially the same from the viewpoint of facilitating the manufacture of the ceramic circuit board 10A.

セラミックス回路基板10Aは、180℃の環境にセラミックス回路基板10Aを30分間放置した後、-45℃の環境にセラミックス回路基板10Aを30分間放置する操作を1サイクルとして、このサイクルを500回繰り返すヒートサイクル試験後において、セラミックス基材1から金属層2,3の剥離が発生しないことが好ましい。 The ceramic circuit board 10A is heated by repeating this cycle 500 times, with one cycle consisting of leaving the ceramic circuit board 10A in an environment of 180° C. for 30 minutes and then leaving the ceramic circuit board 10A in an environment of −45° C. for 30 minutes. It is preferable that the metal layers 2 and 3 do not separate from the ceramic substrate 1 after the cycle test.

<セラミックス回路基板の製造方法>
次に、セラミックス回路基板10Aの製造方法について説明する。本実施形態に係る製造方法は、(A)セラミックス基材1の両面上に、銅を主成分とする第一金属層2a,3aを形成する工程と、(B)第一金属層2a,3aの表面上に、溶射法によって第二金属層2b,3bを形成する工程とを含み、(B)工程において、第二金属層2bとして銅を主成分とする層を形成するとともに、第二金属層3bとしてアルミニウムを主成分とする層を形成する。
<Method for producing ceramic circuit board>
Next, a method for manufacturing the ceramic circuit board 10A will be described. The manufacturing method according to the present embodiment includes (A) a step of forming first metal layers 2a and 3a containing copper as a main component on both surfaces of a ceramic substrate 1, and (B) the first metal layers 2a and 3a. forming the second metal layers 2b and 3b on the surface of the second metal layer 2b and 3b by a thermal spraying method, and in the step (B), a layer containing copper as the main component is formed as the second metal layer 2b, and the second metal A layer containing aluminum as a main component is formed as the layer 3b.

(A)工程は、セラミックス基材1の両面上に、銅を主成分とする第一金属層2a,3aを形成する工程である。第一金属層2a,3aの形成は、例えば、活性金属法又は溶射法(「コールドスプレー法」とも称される。)によって行えばよい。 The step (A) is a step of forming the first metal layers 2a and 3a containing copper as a main component on both surfaces of the ceramic substrate 1 . The first metal layers 2a and 3a may be formed by, for example, an active metal method or a thermal spraying method (also referred to as a "cold spraying method").

活性金属法は、セラミックス基材1の両面に対し、ろう材を用いて金属板をそれぞれ接合するステップを含む。形成すべき第一金属層2a,3aの厚さ及び組成に応じて、接合する金属板の厚さ及び組成を選択すればよい。接合の温度条件は、例えば、780~810℃の範囲であり、使用するろう材の種類に応じて適切な温度を設定すればよい。 The active metal method includes a step of bonding metal plates to both sides of the ceramic substrate 1 using a brazing material. The thickness and composition of the metal plates to be joined may be selected according to the thickness and composition of the first metal layers 2a and 3a to be formed. The temperature condition for joining is, for example, in the range of 780 to 810° C., and an appropriate temperature may be set according to the type of brazing material used.

Cuを含む金属板(Cu板)をセラミックス基材1に接合する場合、例えば、Ag(90%)-Cu(10%)-TiH(3.5%)のろう材を用いて、温度800℃でセラミックス基材1の両面にCu板を接合する。 When joining a metal plate containing Cu (Cu plate) to the ceramic substrate 1, for example, Ag (90%)-Cu (10%)-TiH 2 (3.5%) brazing material is used at a temperature of 800 A Cu plate is bonded to both surfaces of the ceramic substrate 1 at ℃.

溶射法(「コールドスプレー法」とも称される。)は、10~270℃(好ましくは20~260℃)の金属粉体(Cu含有粉体)を、対象面(セラミックス基材1の表面)に向けて250~1050m/秒(好ましくは400~1000m/秒)の速度で吹き付けるステップを含む。形成すべき第一金属層2a,3aの組成に応じて、吹き付ける金属粉体の組成を選択するとともに温度条件及び吹付け速度を設定すればよい。第一金属層2a,3aの厚さに応じて、金属粉体の吹付け量を調整すればよい。金属粉体の吹付けには、例えば、スプレーガンを使用すればよい。金属粉体を噴射するための作動ガスとして、例えば、窒素が使用される。 The thermal spraying method (also referred to as “cold spraying method”) applies metal powder (Cu-containing powder) at 10 to 270° C. (preferably 20 to 260° C.) to the target surface (the surface of the ceramic base 1). at a speed of 250-1050 m/s (preferably 400-1000 m/s). According to the composition of the first metal layers 2a, 3a to be formed, the composition of the metal powder to be sprayed may be selected, and the temperature conditions and spraying speed may be set. The amount of sprayed metal powder may be adjusted according to the thickness of the first metal layers 2a and 3a. A spray gun, for example, may be used to spray the metal powder. Nitrogen, for example, is used as working gas for injecting the metal powder.

なお、セラミックス基材1の表面に溶射法によって金属層(第一金属層2a,3a)を直接的に形成する場合、吹き付ける金属粉体の融点又は軟化点によっては金属粉体がセラミックス基材1に十分に付着しない場合がある。したがって、(A)工程においては、活性金属法によって第一金属層2a,3aを形成することが好ましい。 When the metal layers (first metal layers 2a and 3a) are directly formed on the surface of the ceramic base 1 by thermal spraying, the metal powder may be may not adhere well to Therefore, in the step (A), it is preferable to form the first metal layers 2a and 3a by the active metal method.

(B)工程は、第一金属層2aの表面上に銅を主成分とする第二金属層2bを溶射法によって形成するとともに、第一金属層3aの表面上にアルミニウムを主成分とする第二金属層3bを溶射法によって形成する工程である。 In the step (B), a second metal layer 2b containing copper as a main component is formed on the surface of the first metal layer 2a by thermal spraying, and a second metal layer 2b containing aluminum as a main component is formed on the surface of the first metal layer 3a. This is the step of forming the double metal layer 3b by thermal spraying.

第二金属層2bは、10~270℃(好ましくは20~260℃)のCu含有粉体を、第一金属層2aの表面に向けて250~1050m/秒(好ましくは400~1000m/秒)の速度で吹き付けることによって形成される。形成すべき第二金属層2bの組成に応じて、吹き付けるCu含有粉体の組成を選択するとともに温度条件及び吹付け速度を設定すればよい。第二金属層2bの厚さに応じて、Cu含有粉体の吹付け量を調整すればよい。 For the second metal layer 2b, Cu-containing powder at 10 to 270° C. (preferably 20 to 260° C.) is directed toward the surface of the first metal layer 2a at 250 to 1050 m/sec (preferably 400 to 1000 m/sec). formed by spraying at a velocity of According to the composition of the second metal layer 2b to be formed, the composition of the Cu-containing powder to be sprayed may be selected, and the temperature conditions and spraying speed may be set. The spray amount of the Cu-containing powder may be adjusted according to the thickness of the second metal layer 2b.

第二金属層3bは、10~270℃(好ましくは20~260℃)のAl含有粉体を、第一金属層3aの表面に向けて250~1050m/秒(好ましくは400~1000m/秒)の速度で吹き付けることによって形成される。形成すべき第二金属層3bの組成に応じて、吹き付けるAl含有粉体の組成を選択するとともに温度条件及び吹付け速度を設定すればよい。第二金属層3bの厚さに応じて、Al含有粉体の吹付け量を調整すればよい。 For the second metal layer 3b, Al-containing powder at 10 to 270° C. (preferably 20 to 260° C.) is directed toward the surface of the first metal layer 3a at 250 to 1050 m/sec (preferably 400 to 1000 m/sec). formed by spraying at a velocity of According to the composition of the second metal layer 3b to be formed, the composition of the Al-containing powder to be sprayed may be selected, and the temperature conditions and spraying speed may be set. The spray amount of the Al-containing powder may be adjusted according to the thickness of the second metal layer 3b.

なお、(A)工程において第一金属層2a,3aを形成した後、(B)工程において溶射法により第二金属層2b,3bを形成する前に、第一金属層2a,3aの少なくとも一方をエッチングすることにより、回路パターンを形成してもよい。この場合、この回路パターンに対応する開口部を有するマスク材をセラミックス基材1の表面に配置した状態で、溶射法によって第二金属層を形成してもよい。マスク材を使用することで、所望の箇所のみに第二金属層を形成することができる。第二金属層の表面に無電解Niめっき等を施してもよい。 After forming the first metal layers 2a and 3a in the step (A) and before forming the second metal layers 2b and 3b by thermal spraying in the step (B), at least one of the first metal layers 2a and 3a A circuit pattern may be formed by etching the . In this case, the second metal layer may be formed by thermal spraying while a mask material having openings corresponding to this circuit pattern is placed on the surface of the ceramic substrate 1 . By using the mask material, the second metal layer can be formed only at desired locations. Electroless Ni plating or the like may be applied to the surface of the second metal layer.

上記製造方法によれば、第二金属層2bとして銅を主成分とする層を溶射法によって形成することで、セラミックス基材1と比較して熱伝導性に優れる金属層2を十分に厚く形成することができ、放熱性に優れたセラミックス回路基板10Aを得ることができる。また、第二金属層3bとしてアルミニウムを主成分とする層を溶射法によって形成することで、第二金属層3bがベース板20との間で緩衝層の役割を果たすことができる。これにより、セラミックス回路基板10Aは、図3に示すようなパワーモジュール50に組み込まれた状態において、機能を十分に長期にわたって維持できる。 According to the manufacturing method described above, a layer containing copper as the main component is formed by thermal spraying as the second metal layer 2b, thereby forming a sufficiently thick metal layer 2 having excellent thermal conductivity compared to the ceramic substrate 1. It is possible to obtain the ceramic circuit board 10A having excellent heat dissipation. Further, by forming a layer containing aluminum as the main component as the second metal layer 3b by thermal spraying, the second metal layer 3b can serve as a buffer layer between the base plate 20 and the base plate 20 . As a result, the ceramic circuit board 10A can maintain its function for a sufficiently long period of time when assembled in the power module 50 as shown in FIG.

本実施形態に係るセラミックス回路基板10Aは、図1に示すとおり、第一金属層2a,3aの端面2c,3cと第二金属層2b,3bの端面2d,3dとが面一になっている。セラミックス回路基板のより優れた耐熱衝撃性を達成する観点から、図2に示すセラミックス回路基板10Bのように、第一金属層2a,3aの端面2c,3cが、第二金属層2b,3bの端面2d,3dよりも外側、すなわちセラミックス基材1の端部側にはみ出していてもよい。端面2c,3cが、端面2d,3dからはみ出している部分の幅は、例えば、1~1000μmである。 In the ceramic circuit board 10A according to the present embodiment, as shown in FIG. 1, the end faces 2c, 3c of the first metal layers 2a, 3a and the end faces 2d, 3d of the second metal layers 2b, 3b are flush with each other. . From the viewpoint of achieving better thermal shock resistance of the ceramic circuit board, as in the ceramic circuit board 10B shown in FIG. It may protrude outside the end faces 2d and 3d, that is, on the end side of the ceramic substrate 1. As shown in FIG. The width of the portion where the end surfaces 2c and 3c protrude from the end surfaces 2d and 3d is, for example, 1 to 1000 μm.

上記実施形態においては、第一金属層2a,3aが銅を主成分とする層である場合を例示したが、第一金属層2a,3aはAl(アルミニウム)を主成分とする層であってもよい。第一金属層2a,3aにおけるAlの含有率は、90質量%以上であってもよく、95質量%以上であってもよい。第一金属層2a,3aが含み得るAl以外の元素としてSi、C等が挙げられる。この層を活性金属法で形成する場合、例えば、Al-Cu-Mgクラッド箔をろう材として用い、温度630℃でセラミックス基材1の両面にAl板を接合すればよい。この層を溶射法で形成する場合、10~270℃(好ましくは20~260℃)のAl含有粉体を、セラミックス基材1の表面に向けて250~1050m/秒(好ましくは400~1000m/秒)の速度で吹き付ければよい。 In the above embodiment, the case where the first metal layers 2a and 3a are layers containing copper as a main component was illustrated, but the first metal layers 2a and 3a are layers containing Al (aluminum) as a main component. good too. The Al content in the first metal layers 2a and 3a may be 90% by mass or more, or may be 95% by mass or more. Elements other than Al that the first metal layers 2a and 3a may contain include Si, C, and the like. When this layer is formed by the active metal method, for example, an Al--Cu--Mg clad foil is used as a brazing material, and Al plates are joined to both sides of the ceramic substrate 1 at a temperature of 630.degree. When this layer is formed by thermal spraying, Al-containing powder at 10 to 270° C. (preferably 20 to 260° C.) is directed toward the surface of the ceramic substrate 1 at 250 to 1050 m/sec (preferably 400 to 1000 m/sec.). seconds).

上記実施形態に係るセラミックス回路基板は、パワーモジュールにおいて好適に用いられ、高い放熱性を有するのに加え、ベース板と接合する際に生じるベース板の反りを抑制できるのみならず、繰り返し行われる発熱及び冷却によってもセラミックス基材及び金属層の高い密着性を維持することができる。 The ceramic circuit board according to the above embodiment is suitably used in a power module, has high heat dissipation properties, and can suppress warping of the base plate that occurs when it is joined to the base plate. Also by cooling, the high adhesion between the ceramic base and the metal layer can be maintained.

ベース板に接合する際に生じるベース板の反りとは、ベース板にセラミックス回路基板を接合した際の、ベース板自体の初期形状(初期反り量)からの変形量(反り変化量)として測定される。また、ベース板の反り量とは、ベース板の任意の位置において、放熱面方向の長さ10cmあたりの反りの大きさを意味する。ベース板の反り変化量は、セラミックス回路基板に接合するとしては、好ましくは20μm以下、より好ましくは15μm以下、更に好ましくは10μm以下である。当該反り変化量は、セラミックス回路基板に接合する前のベース板の反り量と、セラミックス回路基板に接合した後のベース板の反り量との差の絶対値として定義される。 The warpage of the base plate that occurs when it is joined to the base plate is measured as the amount of deformation (change in warpage) from the initial shape (initial amount of warpage) of the base plate itself when the ceramic circuit board is joined to the base plate. be. The amount of warpage of the base plate means the amount of warp per 10 cm length in the direction of the heat dissipation surface at an arbitrary position of the base plate. The amount of change in warpage of the base plate is preferably 20 μm or less, more preferably 15 μm or less, and even more preferably 10 μm or less when bonded to a ceramic circuit board. The amount of warp change is defined as the absolute value of the difference between the amount of warp of the base plate before being joined to the ceramic circuit board and the amount of warp of the base plate after being joined to the ceramic circuit board.

<パワーモジュール>
図3は、パワーモジュールの一実施形態を示す断面図である。図3に示すように、パワーモジュール50は、ベース板20と、ベース板20上に第1の半田21を介して接合されたセラミックス回路基板10と、セラミックス回路基板10上に第2の半田22を介して接合された半導体素子6とを備えている。セラミックス回路基板10は、セラミックス回路基板10A又はセラミックス回路基板10Bであって、金属層2が電気回路(金属回路)を形成しているものである。なお、金属層3は、金属回路を形成していても、していなくともよい。
<Power module>
FIG. 3 is a cross-sectional view showing one embodiment of the power module. As shown in FIG. 3, the power module 50 includes a base plate 20, a ceramics circuit board 10 bonded onto the base plate 20 via a first solder 21, and a second solder 22 on the ceramics circuit board 10. and a semiconductor element 6 that is joined via the . The ceramic circuit board 10 is a ceramic circuit board 10A or a ceramic circuit board 10B, and the metal layer 2 forms an electric circuit (metal circuit). The metal layer 3 may or may not form a metal circuit.

ベース板20は、第1の半田21を介して金属層3に接合されている。半導体素子6は、第2の半田22を介して金属層2の所定の部分に接合されているとともに、アルミワイヤ(アルミ線)等の金属ワイヤ7で金属層2の所定の部分に接合されている。ベース板20上に設けられた上記の各構成要素は、例えば一面が開口した中空箱状の樹脂製の筐体25で蓋され、筐体25内に収容されている。ベース板20と筐体25との間の中空部分には、シリコーンゲル等の充填材28が充填されている。金属層2の所定部分には、筐体8の外部と電気的な接続が可能なように、筐体25を貫通する電極9が第3の半田23を介して接合されている。 The base plate 20 is joined to the metal layer 3 via the first solder 21 . The semiconductor element 6 is bonded to a predetermined portion of the metal layer 2 via a second solder 22, and is also bonded to a predetermined portion of the metal layer 2 with a metal wire 7 such as an aluminum wire (aluminum wire). there is Each of the components provided on the base plate 20 is covered with, for example, a hollow box-shaped resin housing 25 with one side open and housed in the housing 25 . A hollow portion between the base plate 20 and the housing 25 is filled with a filler 28 such as silicone gel. An electrode 9 penetrating the housing 25 is joined to a predetermined portion of the metal layer 2 via a third solder 23 so as to be electrically connected to the outside of the housing 8 .

ベース板20の縁部には、パワーモジュール50に例えば放熱部品を取り付ける際のネジ止め用の取付け穴20aが形成されている。取付け穴20aの数は、例えば4個以上である。ベース板20の縁部には、取付け穴20aに代えて、ベース板20の側壁が断面U字状となるような取付け溝が形成されていてもよい。 An edge of the base plate 20 is formed with a mounting hole 20a for screwing a heat radiating component to the power module 50, for example. The number of mounting holes 20a is, for example, four or more. At the edge of the base plate 20, instead of the mounting hole 20a, a mounting groove may be formed so that the side wall of the base plate 20 has a U-shaped cross section.

パワーモジュール50は、上述した本実施形態に係るセラミックス回路基板を備えるため、高耐圧、高出力等が要望される電車又は自動車の駆動インバータとして好適に用いられる。 Since the power module 50 includes the ceramic circuit board according to the present embodiment described above, it can be suitably used as a drive inverter for trains or automobiles in which high withstand voltage, high output, etc. are required.

以下、実施例を挙げて本発明について更に具体的に説明する。ただし、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples.

(実施例1)
セラミックス基材として、窒化珪素(Si)基材(サイズ:50mm×60mm×0.32mmt)を用いた。Ag-Cu-TiHろう材を用い、セラミックス基材の両面に温度800℃にてCu板(厚さ0.1mm、第一金属層2a,3aに相当)を接合した((A)工程)。続いて、セラミックス基材の一方の面側のCu板に対して以下の条件で溶射法(コールドスプレー法)により厚さ0.9mmのCu回路(第二金属層2bに相当)を積層した((B)工程)。また、セラミックス基材の他方の面側のCu板に対して以下の条件で溶射法(コールドスプレー法)により厚さ0.9mmのAl回路(第二金属層3bに相当)を積層した((B)工程)。得られた積層体を温度300℃でアニール処理した後、Cu回路及びAl回路の表面に無電解Niめっきを施す工程を経て本実施例に係るセラミックス回路基板を作製した。なお、本実施例における「Cu回路」及び「Al回路」はセラミックス基材の全面に形成したものである。
<溶射法の条件(Cu回路の形成)>
・Cu粉体の温度:260℃
・Cu粉体の吹付け速度:800m/秒
・作動ガス:窒素
<溶射法の条件(Al回路の形成)>
・Al粉体の温度:260℃
・Al粉体の吹付け速度:800m/秒
・作動ガス:窒素
(Example 1)
A silicon nitride (Si 3 N 4 ) substrate (size: 50 mm×60 mm×0.32 mmt) was used as a ceramic substrate. Cu plates (thickness: 0.1 mm, equivalent to first metal layers 2a and 3a) were joined to both sides of the ceramic substrate at a temperature of 800° C. using Ag—Cu—TiH 2 brazing material (step (A)). . Subsequently, a Cu circuit (corresponding to the second metal layer 2b) having a thickness of 0.9 mm was laminated on the Cu plate on one side of the ceramic substrate by a thermal spray method (cold spray method) under the following conditions ( (B) step). In addition, an Al circuit (corresponding to the second metal layer 3b) having a thickness of 0.9 mm was laminated on the Cu plate on the other side of the ceramic substrate by a thermal spray method (cold spray method) under the following conditions (( B) step). After the obtained laminate was annealed at a temperature of 300° C., the surfaces of the Cu circuit and the Al circuit were subjected to electroless Ni plating, and a ceramic circuit board according to this example was produced. The "Cu circuit" and "Al circuit" in this example are formed on the entire surface of the ceramic substrate.
<Conditions of thermal spraying method (formation of Cu circuit)>
・Temperature of Cu powder: 260°C
・Cu powder spraying speed: 800 m / sec ・Working gas: nitrogen <Conditions of thermal spraying method (formation of Al circuit)>
・Temperature of Al powder: 260°C
・Al powder spraying speed: 800 m / sec ・Working gas: nitrogen

参考例2,4,6,8及び実施例3,5,7
窒化珪素(Si)基材として、表1に示す厚さを有するものを使用するとともに、表1に示す材質(Cu又はAl)の第一金属層を基材の両面上に形成し且つ表1に示す厚さのCu回路及びAl回路を溶射法(コールドスプレー法)によって第一金属層の表面にそれぞれ形成したことの他は、実施例1と同様にしてセラミックス回路基板を作製した。
( Reference Examples 2, 4, 6, 8 and Examples 3, 5, 7 )
A silicon nitride (Si 3 N 4 ) substrate having a thickness shown in Table 1 was used, and a first metal layer made of a material (Cu or Al) shown in Table 1 was formed on both sides of the substrate. A ceramic circuit board was produced in the same manner as in Example 1, except that a Cu circuit and an Al circuit having a thickness shown in Table 1 were formed on the surface of the first metal layer by a thermal spray method (cold spray method). .

参考例9)
セラミックス基材として、窒化珪素(Si)基材(サイズ:50mm×60mm×0.32mmt)を用いた。セラミックス基材の両面に以下の条件で溶射法(コールドスプレー法)により厚さ0.1mmのAl層をそれぞれ形成した。
<溶射法の条件(Al層の形成)>
・Al粉体の温度:260℃
・Al粉体の吹付け速度:800m/秒
・作動ガス:窒素
( Reference example 9)
A silicon nitride (Si 3 N 4 ) substrate (size: 50 mm×60 mm×0.32 mmt) was used as a ceramic substrate. An Al layer having a thickness of 0.1 mm was formed on both sides of the ceramic substrate by thermal spraying (cold spraying) under the following conditions.
<Conditions of thermal spraying method (formation of Al layer)>
・Temperature of Al powder: 260°C
・Al powder spraying speed: 800 m / sec ・Working gas: nitrogen

続いて、セラミックス基材の一方の面側のAl層に対して以下の条件で溶射法(コールドスプレー法)により厚さ0.9mmのCu回路を積層した((B)工程)。また、セラミックス基材の他方の面側のAl回路に対して以下の条件で溶射法(コールドスプレー法)により厚さ0.9mmのAl回路を積層した((B)工程)。得られた積層体を温度300℃でアニール処理した後、Cu回路及びAl回路の表面に無電解Niめっきを施す工程を経てセラミックス回路基板を作製した。
<溶射法の条件(Cu回路の形成)>
・Cu粉体の温度:260℃
・Cu粉体の吹付け速度:800m/秒
・作動ガス:窒素
<溶射法の条件(Al回路の形成)>
・Al粉体の温度:260℃
・Al粉体の吹付け速度:800m/秒
・作動ガス:窒素
Subsequently, a Cu circuit having a thickness of 0.9 mm was laminated on the Al layer on one side of the ceramic substrate by thermal spraying (cold spraying) under the following conditions (step (B)). Further, an Al circuit having a thickness of 0.9 mm was laminated on the Al circuit on the other side of the ceramic substrate by thermal spraying (cold spray method) under the following conditions (step (B)). After the obtained laminate was annealed at a temperature of 300° C., the surfaces of the Cu circuit and the Al circuit were plated with electroless Ni to produce a ceramic circuit board.
<Conditions of thermal spraying method (formation of Cu circuit)>
・Temperature of Cu powder: 260°C
・Cu powder spraying speed: 800 m / sec ・Working gas: nitrogen <Conditions of thermal spraying method (formation of Al circuit)>
・Temperature of Al powder: 260°C
・Al powder spraying speed: 800 m / sec ・Working gas: nitrogen

(比較例1~3)
窒化珪素(Si)基材として、表1に示す厚さを有するものを使用するとともに、表1に示す厚さのCu回路及びAl回路を溶射法(コールドスプレー法)によって形成したことの他は、実施例1と同様にしてセラミックス回路基板を作製した。
(Comparative Examples 1 to 3)
A silicon nitride (Si 3 N 4 ) substrate having a thickness shown in Table 1 was used, and a Cu circuit and an Al circuit having the thickness shown in Table 1 were formed by thermal spraying (cold spray method). A ceramic circuit board was produced in the same manner as in Example 1 except for the above.

(比較例4)
窒化珪素(Si)基材として、表1に示す厚さを有するものを使用するとともに、表1に示す厚さのCu回路及びAl回路を溶射法(コールドスプレー法)によって形成したことの他は、参考例9と同様にしてセラミックス回路基板を作製した。
(Comparative Example 4)
A silicon nitride (Si 3 N 4 ) substrate having a thickness shown in Table 1 was used, and a Cu circuit and an Al circuit having the thickness shown in Table 1 were formed by thermal spraying (cold spray method). A ceramic circuit board was produced in the same manner as in Reference Example 9 except for the above.

(比較例5)
セラミックス基材として、窒化珪素(Si)基材(サイズ:50mm×60mm×0.32mmt)を用いた。Ag-Cu-TiHろう材を用い、セラミックス基材の両面に温度800℃にてCu板(厚さ0.3mm)を接合した。Cu板の表面に無電解Niめっきを施す工程を経てセラミックス回路基板を作製した。
(Comparative Example 5)
A silicon nitride (Si 3 N 4 ) substrate (size: 50 mm×60 mm×0.32 mmt) was used as a ceramic substrate. A Cu plate (thickness: 0.3 mm) was joined to both sides of the ceramic substrate at a temperature of 800° C. using Ag—Cu—TiH 2 brazing material. A ceramic circuit board was produced through a step of applying electroless Ni plating to the surface of the Cu plate.

(比較例6)
セラミックス基材として、窒化珪素(Si)基材(サイズ:50mm×60mm×0.32mmt)を用いた。Al-Cu-Mgクラッド箔をろう材として用い、セラミックス基材の両面に温度630℃にてAl板(厚さ2.0mm)を接合した後、エッチングによりAl回路を形成した。得られた積層体を温度300℃でアニール処理を行った後、Al回路の表面に無電解Niめっきを施す工程を経てセラミックス回路基板を作製した。
(Comparative Example 6)
A silicon nitride (Si 3 N 4 ) substrate (size: 50 mm×60 mm×0.32 mmt) was used as a ceramic substrate. Using an Al--Cu--Mg clad foil as a brazing material, Al plates (thickness: 2.0 mm) were joined to both sides of the ceramic substrate at a temperature of 630° C., and then Al circuits were formed by etching. After the obtained laminate was annealed at a temperature of 300° C., the surface of the Al circuit was plated with electroless Ni to produce a ceramic circuit board.

<セラミックス回路基板の見かけの熱伝導率>
実施例1,3,5,7、参考例2,4,6,8,9及び比較例1~6に係るセラミックス回路基板の見かけの熱伝導率を、NETZSCH社製フラッシュアナライザー(LFA467)を用いて以下のようにして求めた。黒化処理を施したサンプル(セラミックス回路基板)の熱拡散率をフラッシュ電圧200Vで測定した。この測定値と、各層の厚さとサンプルサイズから加成則により算出した見かけ密度及び見かけ比熱容量とを用いて、サンプルの見かけの熱伝導率を計算した。窒化珪素及びCuの物性は以下の値とした。表2に結果を示す。
窒化珪素(Si):密度3.2g/cm、比熱容量0.68J/g・K
Cu:密度8.89g/cm、比熱容量0.389J/g・K
Al:密度2.7g/cm、比熱容量0.88J/g・K
<Apparent Thermal Conductivity of Ceramic Circuit Board>
The apparent thermal conductivity of the ceramic circuit boards according to Examples 1 , 3, 5, 7, Reference Examples 2, 4, 6, 8, 9 and Comparative Examples 1 to 6 was measured using a NETZSCH flash analyzer (LFA467). was obtained as follows. The thermal diffusivity of the blackened sample (ceramic circuit board) was measured at a flash voltage of 200V. The apparent thermal conductivity of the sample was calculated using this measured value and the apparent density and apparent specific heat capacity calculated from the thickness of each layer and the sample size by the law of addition. The physical properties of silicon nitride and Cu are given below. Table 2 shows the results.
Silicon nitride (Si 3 N 4 ): density 3.2 g/cm 3 , specific heat capacity 0.68 J/g·K
Cu: density 8.89 g/cm 3 , specific heat capacity 0.389 J/g·K
Al: density 2.7 g/cm 3 , specific heat capacity 0.88 J/g·K

<ヒートサイクル試験のクラック評価>
実施例1,3,5,7、参考例2,4,6,8,9及び比較例1~6に係るセラミックス回路基板に対し、SiC含有量65質量%のAlベース板(サイズ140mm×190mm×5mm)を共晶半田でそれぞれ接合することによって、評価対象のサンプル(ベース板付セラミックス回路基板)を作製した。180℃の環境にサンプルを30分放置した後、-45℃の環境に当該サンプルを30分放置する操作を1サイクルとして、500サイクルのヒートサイクル試験を実施した。ヒートサイクル試験後におけるサンプルの異常(金属回路の剥離及びセラミックス基材におけるクラック)の有無を目視により確認した。表2に結果を示す。
<Crack evaluation in heat cycle test>
An Al base plate (size 140 mm × 190 mm × 5 mm) were respectively joined with eutectic solder to prepare a sample to be evaluated (a ceramic circuit board with a base plate). A heat cycle test of 500 cycles was carried out with one cycle consisting of leaving the sample in an environment of 180° C. for 30 minutes and then leaving the sample in an environment of −45° C. for 30 minutes. After the heat cycle test, the presence or absence of abnormalities in the samples (separation of the metal circuit and cracks in the ceramic substrate) was visually confirmed. Table 2 shows the results.

Figure 0007299672000001
Figure 0007299672000001

Figure 0007299672000002
Figure 0007299672000002

1…セラミックス基材、2,3…金属層、2a,3a…第一金属層、2b,3b…第二金属層、2c,3c…第一金属層の端面、2d,3d…第二金属層の端面、10A,10B…セラミックス回路基板。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Ceramics base material 2, 3... Metal layer 2a, 3a... First metal layer 2b, 3b... Second metal layer 2c, 3c... End surface of first metal layer 2d, 3d... Second metal layer , 10A, 10B... Ceramic circuit board.

Claims (7)

厚さが0.2~1.5mmの範囲であるセラミックス基材と、
前記セラミックス基材の両面上に設けられた金属層と、
を備え、
前記セラミックス基材の少なくとも一方の面上に設けられた前記金属層が金属回路を形成しているセラミックス回路基板の製造方法であって、
(A)前記セラミックス基材の両面上に、銅を主成分とし且つ厚さが0.1~0.3mmの範囲である第一金属層を形成する工程と、
(B)前記第一金属層の表面上に、コールドスプレー法によって第二金属層を形成する工程と、
を含み、
(B)工程において、前記セラミックス基材の一方の面側に位置する前記第二金属層として銅を主成分とする層を形成するとともに、前記セラミックス基材の他方の面側に位置する前記第二金属層としてアルミニウムを主成分とする層を形成し、
前記金属層が前記セラミックス基材側から前記第一金属層及び前記第二金属層をこの順序で含む多層構造を有し且つ0.5~2.0mmの厚さを有する、セラミックス回路基板の製造方法。
a ceramic substrate having a thickness in the range of 0.2 to 1.5 mm;
metal layers provided on both sides of the ceramic base;
with
A method for manufacturing a ceramic circuit board, wherein the metal layer provided on at least one surface of the ceramic substrate forms a metal circuit,
(A) forming a first metal layer containing copper as a main component and having a thickness in the range of 0.1 to 0.3 mm on both surfaces of the ceramic substrate;
(B) forming a second metal layer on the surface of the first metal layer by a cold spray method;
including
In the step (B), a layer containing copper as a main component is formed as the second metal layer located on one side of the ceramic base, and the second metal layer located on the other side of the ceramic base is formed. Forming a layer containing aluminum as a main component as a bimetallic layer,
Manufacture of a ceramic circuit board, wherein the metal layer has a multilayer structure including the first metal layer and the second metal layer in this order from the ceramic substrate side and has a thickness of 0.5 to 2.0 mm. Method.
前記第二金属層は前記第一金属層よりも厚い、請求項1に記載のセラミックス回路基板の製造方法。 2. The method of manufacturing a ceramic circuit board according to claim 1, wherein said second metal layer is thicker than said first metal layer. 厚さが0.2~1.5mmの範囲であるセラミックス基材と、
前記セラミックス基材の両面上に設けられた金属層と、
を備え、
前記セラミックス基材の少なくとも一方の面上に設けられた前記金属層が金属回路を形成しているセラミックス回路基板であって、
前記金属層は、前記セラミックス基材側から第一金属層及び第二金属層をこの順序で含む多層構造を有し且つ0.5~2.0mmの厚さを有し、
前記第一金属層は、銅を主成分とし且つ厚さが0.1~0.3mmの範囲であり、
前記セラミックス基材の一方の面側に位置する前記第二金属層は、銅を主成分とし且つコールドスプレー法によって形成されたものであり、
前記セラミックス基材の他方の面側に位置する前記第二金属層は、アルミニウムを主成分とし且つコールドスプレー法によって形成されたものである、セラミックス回路基板。
a ceramic substrate having a thickness in the range of 0.2 to 1.5 mm;
metal layers provided on both sides of the ceramic base;
with
A ceramic circuit board in which the metal layer provided on at least one surface of the ceramic substrate forms a metal circuit,
The metal layer has a multilayer structure including a first metal layer and a second metal layer in this order from the ceramic substrate side and has a thickness of 0.5 to 2.0 mm,
The first metal layer is mainly composed of copper and has a thickness in the range of 0.1 to 0.3 mm,
The second metal layer located on one side of the ceramic base is mainly composed of copper and is formed by a cold spray method,
The ceramic circuit board, wherein the second metal layer located on the other surface side of the ceramic substrate is mainly composed of aluminum and is formed by a cold spray method.
厚さが0.2~1.5mmの範囲であるセラミックス基材と、
前記セラミックス基材の一方及び他方の面上に設けられた金属層と、
を備え、
前記セラミックス基材の少なくとも一方の面上に設けられた前記金属層が金属回路を形成しているセラミックス回路基板であって、
前記金属層は、前記セラミックス基材側から第一金属層及び第二金属層をこの順序で含む多層構造を有し且つ0.5~2.0mmの厚さを有し、
前記第一金属層は、銅を主成分とし且つ厚さが0.1~0.3mmの範囲であり、
前記セラミックス基材の一方の面側に位置する前記第二金属層は、銅を主成分とし且つ厚さが0.4~1.9mmの範囲であり、
前記セラミックス基材の他方の面側に位置する前記第二金属層は、アルミニウムを主成分とし且つ厚さが0.4~1.9mmの範囲である、セラミックス回路基板。
a ceramic substrate having a thickness in the range of 0.2 to 1.5 mm;
a metal layer provided on one side and the other side of the ceramic base;
with
A ceramic circuit board in which the metal layer provided on at least one surface of the ceramic substrate forms a metal circuit,
The metal layer has a multilayer structure including a first metal layer and a second metal layer in this order from the ceramic substrate side and has a thickness of 0.5 to 2.0 mm,
The first metal layer is mainly composed of copper and has a thickness in the range of 0.1 to 0.3 mm,
The second metal layer located on one side of the ceramic base is mainly composed of copper and has a thickness in the range of 0.4 to 1.9 mm,
The ceramic circuit board, wherein the second metal layer located on the other side of the ceramic substrate is mainly composed of aluminum and has a thickness in the range of 0.4 to 1.9 mm.
180℃の環境に前記セラミックス回路基板を30分間放置した後、-45℃の環境に前記セラミックス回路基板を30分間放置する操作を1サイクルとして、このサイクルを500回繰り返すヒートサイクル試験後において、
前記セラミックス基材から前記金属回路の剥離が発生しない、請求項3又は4に記載のセラミックス回路基板。
After leaving the ceramic circuit board in an environment of 180° C. for 30 minutes and then leaving the ceramic circuit board in an environment of −45° C. for 30 minutes as one cycle, this cycle is repeated 500 times. After a heat cycle test,
5. The ceramic circuit board according to claim 3, wherein said metal circuit does not separate from said ceramic substrate.
前記セラミックス基材は、材質がSiであり且つ0.2~1.5mmの厚さを有する、請求項3~5のいずれか一項に記載のセラミックス回路基板。 6. The ceramic circuit board according to claim 3, wherein said ceramic substrate is made of Si 3 N 4 and has a thickness of 0.2 to 1.5 mm. 前記第一金属層の端面と前記第二金属層の端面とが面一である、又は、前記第一金属層の端面が前記第二金属層の端面よりも外側にはみ出ている、請求項3~6のいずれか一項に記載のセラミックス回路基板。 3. The end face of the first metal layer and the end face of the second metal layer are flush with each other, or the end face of the first metal layer protrudes outside the end face of the second metal layer. 7. The ceramic circuit board according to any one of -6.
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