JP7513984B2 - METHOD FOR RELAXING RESIDUAL STRESS IN CERAMIC-METAL BONDED BODY, ... AND METHOD FOR MANUFACTURING CERAMIC-METAL BONDED BODY - Google Patents
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Description
本発明は、セラミックス部材と金属部材との接合体に関し、詳しくは、セラミックス-金属接合体においてセラミックスに生じる残留応力を緩和する方法、そのセラミックス-金属接合体、およびセラミックス-金属接合体の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a bonded body of a ceramic member and a metal member, and more specifically, to a method for alleviating residual stress occurring in the ceramic in a ceramic-metal bonded body, the ceramic-metal bonded body, and a method for manufacturing the ceramic-metal bonded body.
例えば窒化アルミニウム(AlN)など、熱伝導率が高く電気絶縁性が高いセラミックス部材に金属部材を接合したセラミックス-金属接合体は、パワーモジュール用の電子部品の搭載基板などに広く用いられている。 For example, ceramic-metal joints, in which a metal member is joined to a ceramic member with high thermal conductivity and high electrical insulation, such as aluminum nitride (AlN), are widely used as mounting substrates for electronic components in power modules.
セラミックス-金属接合体は、例えばセラミックス基板にろう材を介して金属板を貼り付ける活性金属法、あるいはセラミックス基板の表面に金属の溶湯を接触させ、冷却して溶湯を固化させることによりセラミックス基板に金属板を直接接合する溶湯接合法等によって接合される。セラミックス-金属接合体が回路基板の場合は、さらに金属板にエッチング加工等を施して回路が形成される。セラミックス部材と金属部材とは、互いに熱膨張率が異なることから、接合時の加熱および接合後の冷却過程により、熱膨張差に起因して、セラミックス部材に引張残留応力が発生する。 Ceramic-metal joints are formed, for example, by the active metal method, in which a metal plate is attached to a ceramic substrate via a brazing material, or by the molten metal joining method, in which molten metal is brought into contact with the surface of the ceramic substrate and cooled to solidify, thereby directly joining the metal plate to the ceramic substrate. If the ceramic-metal joint is a circuit substrate, the metal plate is further etched to form a circuit. Since the ceramic and metal members have different thermal expansion coefficients, the difference in thermal expansion during the heating process during joining and the cooling process after joining causes tensile residual stress in the ceramic member.
例えば従来のAlN(窒化アルミニウム)-Cu(銅)接合体によるパワー半導体搭載用の回路基板の場合、熱サイクル試験(TCT)50回程度で、Cuの接合金属部端近傍のAlNから亀裂が生じることがある。 For example, in the case of a circuit board for mounting power semiconductors using a conventional AlN (aluminum nitride)-Cu (copper) joint, cracks may occur in the AlN near the edge of the Cu joint metal part after about 50 thermal cycle tests (TCT).
このようなセラミックス部材に生じる亀裂を防止する方法として、例えば特許文献1には、セラミック絶縁基板面上に金属層を形成する工程と、該金属層のうち、金属回路を形成する部位を覆うように保護層を形成する保護層形成工程と、該保護層に保護されていない金属層とセラミック絶縁基板を選択的に除去して段差を形成するエッチング工程とを行い、セラミック絶縁基板と金属回路との接合界面である金属回路形成面が、金属回路を形成しないセラミック露出面よりも高くなるように形成することや、金属回路の端面と、金属回路形成面の端面と、セラミック露出面とが、連続的になめらかに繋がっているように形成することにより、絶縁基板と金属回路との接合信頼性が良好になり、優れた耐熱サイクル性を確保できるセラミック回路基板が開示されている。
For example,
また、特許文献2には、セラミックス基板の残留応力が-50MPa以下であり、且つ、セラミックス基板の金属板との接合面の算術平均粗さRaが0.15~0.30μmになるように、液体中に砥粒を含むスラリーをセラミックス基板の表面に噴射する処理を行い、この処理により得られたセラミックス基板に金属板を接合することにより、セラミックス基板と金属板の接合強度に優れるとともに耐ヒートサイクル特性に優れた金属-セラミックス接合基板が開示されている。
特許文献3には、セラミック基板上に、メカニカルアロイ法によって機械的に噛合結合した複合粉末からなる接着材を用いて導電性金属板を貼着した後、金属板表面をピーニング処理することにより、金属板に圧縮応力が与えられ、残留応力が緩和されて耐熱衝撃性が向上し、接合部の剥離や基板の割れを抑制する回路基板が開示されている。
また、特許文献4には、溶湯接合法を用いて作製された金属-セラミックス複合基板の金属部分の表面にショットピーニング層を形成することにより、耐ヒートサイクル性を向上させる技術が開示されている。 Patent Document 4 also discloses a technique for improving heat cycle resistance by forming a shot peening layer on the surface of the metal part of a metal-ceramic composite substrate produced using a molten metal bonding method.
しかしながら、上記特許文献1は、保護層に保護されていない金属層とセラミックス絶縁基板面を選択的に除去して段差を形成するエッチング工程として、サンドブラスト加工等を行うものであり、回路間等に露出したセラミックス基板の表面にダメージが生じて回路基板の強度や耐熱サイクル性が低下したり、或いは均一な加工が難しく回路基板の強度や耐熱サイクル性にばらつきが発生する恐れがある。また、金属回路の全周にわたって、金属回路の端面と金属回路形成面の端面と、セラミック露出面とが連続的になめらかに繋がっているように形成することは困難である。
However, in the above-mentioned
特許文献2は、予めセラミックス部材にウェットブラスト加工等を行ってからセラミックス-金属接合体を製造するものであり、既に形成された接合基板に対して、耐ヒートサイクル性を向上させることはできない。さらに、セラミックス基板の表面全面に均一にブラスト処理する必要があり、金属-セラミックス接合基板としてばらつきの少ない製品の作製が難しくなる場合がある。また、特許文献3および特許文献4は、回路等を形成する金属部材をピーニングにより摩耗、損傷させるおそれがある。
In
以上の問題を解決するために、本発明は、セラミックス部材と金属部材との接合体において、回路基板等としての使用に伴う冷熱サイクルでセラミックス部材にクラックや破壊などが生じにくく、金属部材表面やセラミックス部材表面へのダメージの発生を少なくでき、セラミックス部材の金属部材との接合界面に対して垂直方向の引張残留応力を低減させる残留応力緩和方法、そのセラミックス-金属接合体、およびセラミックス-金属接合体の製造方法を提供することを目的とする。 In order to solve the above problems, the present invention aims to provide a method for relaxing residual stress that reduces the tensile residual stress perpendicular to the bonding interface between a ceramic member and a metal member, reduces the occurrence of cracks or breakage in the ceramic member during the thermal cycles associated with use as a circuit board or the like, reduces damage to the metal member surface and the ceramic member surface, and provides a ceramic-metal bonded body and a method for manufacturing the ceramic-metal bonded body.
本発明者らは、回路基板に冷熱サイクルが負荷されたときにセラミックス部材にクラックなどが発生するメカニズムについて種々の検討を行った。その結果、セラミックス部材にクラックや破壊が生じる前の回路基板の接合部端近傍の応力分布を、X線を用いて実測すると、AlNと金属との接合部端(接合境界)から0.1mm以内のセラミックス表面において、金属との接合境界に直交する方向に400MPa以上の引張応力が残留していることがわかった。この残留応力がTCT中にAlNの材料強度を超えてクラックが発生したものと考えられる。 The inventors conducted various studies on the mechanism by which cracks occur in ceramic members when a circuit board is subjected to a thermal cycle. As a result, when the stress distribution near the joint edge of the circuit board before cracks or fractures occur in the ceramic member was measured using X-rays, it was found that a tensile stress of 400 MPa or more remained in the direction perpendicular to the joint boundary with the metal on the ceramic surface within 0.1 mm from the joint edge (joint boundary) between the AlN and the metal. It is believed that this residual stress exceeded the material strength of the AlN during TCT, causing the cracks to occur.
上記問題を解決するため、本発明は、セラミックス部材の表面に金属部材が接合された接合体において、前記セラミックス部材および前記金属部材が板材であり、前記セラミックス部材が前記金属部材より大きく、前記金属部材の側面の下端との接合境界近傍において、前記セラミックス部材の表面が露出し、前記セラミックス部材と前記金属部材の側面の下端との接合境界近傍における前記セラミックス部材の表面に、ホーニング、ピーニング、またはブラスティング処理を行って圧縮応力を負荷し、前記セラミックス部材の前記接合境界近傍の表面における前記接合境界に対して垂直方向の引張残留応力を低減させることを特徴とする、セラミックス-金属接合体の残留応力緩和方法を提供する。
In order to solve the above problems, the present invention provides a method for relaxing residual stress in a ceramic-metal joined body, characterized in that in a joined body in which a metal member is joined to a surface of a ceramic member, the ceramic member and the metal member are plate materials, the ceramic member is larger than the metal member, a surface of the ceramic member is exposed in the vicinity of a joint boundary between the ceramic member and a lower end of a side surface of the metal member, and a compressive stress is applied to the surface of the ceramic member in the vicinity of the joint boundary between the ceramic member and the lower end of a side surface of the metal member by honing, peening, or blasting treatment, thereby reducing tensile residual stress in a direction perpendicular to the joint boundary on the surface of the ceramic member in the vicinity of the joint boundary.
前記金属部材の表面と、前記接合境界近傍を除く前記セラミックス部材の表面とに、マスキング部を形成した後、前記圧縮応力を負荷することが好ましい。 It is preferable to apply the compressive stress after forming masking portions on the surface of the metal member and the surface of the ceramic member except for the vicinity of the joint boundary.
前記セラミックス部材は、主成分がAl2O3、AlN、Si3N4のいずれかであり、前記金属部材は、Cu、Al、あるいはCuまたはAlのいずれかを主成分とする合金であり、前記セラミックス部材と前記金属部材との接合は、ろう付け法または溶湯接合法によって行われてもよい。
The ceramic member may be composed mainly of any one of Al2O3 , AlN , and Si3N4 , and the metal member may be composed mainly of Cu, Al, or an alloy containing either Cu or Al, and the ceramic member and the metal member may be joined by a brazing method or a molten metal joining method.
また、本発明は、セラミックス部材の表面に金属部材が接合された接合体において、前記セラミックス部材および前記金属部材が板材であり、前記セラミックス部材が前記金属部材より大きく、前記金属部材の側面の下端との接合境界近傍において、前記セラミックス部材の表面が露出し、前記セラミックス部材の前記接合境界近傍の表面における前記接合境界に対して垂直方向の引張残留応力が250MPa以下であることを特徴とする、セラミックス-金属接合体を提供する。 The present invention also provides a ceramic-metal bonded body in which a metal member is bonded to a surface of a ceramic member, characterized in that the ceramic member and the metal member are plate materials, the ceramic member is larger than the metal member, the surface of the ceramic member is exposed in the vicinity of a bond boundary with a lower end of a side surface of the metal member, and the tensile residual stress in a direction perpendicular to the bond boundary in the surface of the ceramic member in the vicinity of the bond boundary is 250 MPa or less.
前記セラミックス部材の前記接合境界近傍の表面における前記接合境界に対して垂直方向の応力勾配が、200MPa/0.1mm以下でもよい。また、前記セラミックス-金属接合体が回路基板でもよい。 The stress gradient in the direction perpendicular to the bond boundary on the surface of the ceramic member near the bond boundary may be 200 MPa/0.1 mm or less. The ceramic-metal bonded body may also be a circuit board.
また、本発明は、前記残留応力緩和方法でセラミックス-金属接合体の残留応力を緩和する工程を有することを特徴とする、セラミックス-金属接合体の製造方法を提供する。 The present invention also provides a method for producing a ceramic-metal bonded body, characterized in that the method includes a step of relaxing the residual stress in the ceramic-metal bonded body.
本発明によれば、セラミックス部材と金属部材の側面の下端との接合境界近傍における前記セラミックス部材の表面に、ホーニング、ピーニング、またはブラスティング処理により圧縮応力を負荷することにより、セラミックス部材と金属部材の接合境界に垂直方向の残留引張応力を低減させ、セラミックス部材のクラックを防止し、耐熱サイクル性を向上させることができる。 According to the present invention, compressive stress is applied to the surface of the ceramic member near the joint boundary between the ceramic member and the lower end of the side of the metal member by honing, peening, or blasting, thereby reducing the residual tensile stress perpendicular to the joint boundary between the ceramic member and the metal member, preventing cracks in the ceramic member, and improving heat cycle resistance.
本発明は、セラミックス部材の表面に金属部材が接合された接合体において、セラミックス部材と金属部材の側面の下端との接合境界近傍におけるセラミックス部材の表面に、ホーニング、ピーニング、またはブラスティング処理を行って圧縮応力を負荷し、セラミックス部材の接合境界近傍の表面における接合境界に対して垂直方向の引張残留応力を低減させることを特徴とする、セラミックス-金属接合体の残留応力緩和方法である。 The present invention is a method for relaxing residual stress in a ceramic-metal bonded body, characterized in that in a bonded body in which a metal member is bonded to the surface of a ceramic member, compressive stress is applied to the surface of the ceramic member near the bonded boundary between the ceramic member and the lower end of the side of the metal member by honing, peening, or blasting, thereby reducing the tensile residual stress in the direction perpendicular to the bonded boundary on the surface of the ceramic member near the bonded boundary.
以下、本発明の実施の形態を、図を参照して説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。 The following describes an embodiment of the present invention with reference to the drawings. In this specification and the drawings, elements having substantially the same functional configuration are designated by the same reference numerals to avoid redundant description.
図1は、セラミックス-金属接合体1の一例を示す図である。セラミックス部材2としては、例えばAlN(窒化アルミニウム)、Al2O3(アルミナ)、Si3N4(窒化珪素)等を主成分とする(例えばAlN、Al2O3、またはSi3N4を80質量%以上含有する)セラミックスが用いられる。特に窒化珪素と比べて強度、靭性の小さいAlNやAl2O3を主成分とするセラミックスに適用することが好ましい。金属部材3としては、例えばCu、Al、あるいはCuまたはAlのいずれかを主成分とする合金等が用いられる。セラミックス部材2と金属部材3とは、活性金属を含有するろう材を用いて金属部材3をセラミックス部材2に接合するろう付け法(活性金属法)、または金属溶湯を固化させて金属部材3をセラミックス基板2に接合させる溶湯接合法等によって接合される。
FIG. 1 is a diagram showing an example of a ceramic-metal bonded
図1はセラミックス-金属接合体1の一実施形態としての回路基板を示すものである。活性金属法による接合では、セラミックス基板(板材)からなるセラミックス部材2と金属板からなる金属部材3がチタン等の活性金属を含有するろう材を介して接合され、接合後に金属部材3およびろう材層(図示省略)にエッチングを施して回路パターン等を形成することにより、パワーモジュール用などの回路基板を作製することができる。
Figure 1 shows a circuit board as one embodiment of a ceramic-metal bonded
また、溶湯接合法による接合では、鋳型内にセラミックス基板(セラミックス部材2)を設置した後、このセラミックス基板に接触するようにアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を鋳型内に注湯し、冷却して溶湯を固化させることにより、セラミックス基板に直接接合したアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板(金属部材3)を形成し、例えば図1に示すような形状の回路基板(セラミックス-金属接合体1)が製造される。 In addition, in the case of bonding using the molten metal bonding method, a ceramic substrate (ceramic member 2) is placed in a mold, and then molten aluminum or aluminum alloy is poured into the mold so that it comes into contact with the ceramic substrate. The molten metal is then cooled and solidified to form a metal plate (metal member 3) made of aluminum or aluminum alloy that is directly bonded to the ceramic substrate, producing a circuit board (ceramic-metal bonded body 1) with a shape such as that shown in Figure 1.
セラミックス-金属接合体1が回路基板の場合、セラミックス部材2の厚さは0.2~2.0mm、さらには0.3~1.0mmであることが好ましく、金属部材3の厚さは0.2~5.0mmであることが好ましい。また金属部材3が回路パターンの場合、金属部材3の厚さは0.2~2.0mm、さらには0.25~1.0mm程度であることが好ましい。回路パターン間の(絶縁)距離は1.0mm以上が好ましく、1.2mm以上がより好ましく、1.5mm以上がさらに好ましい。
When the ceramic-metal bonded
図2は図1(a)のA部を拡大した平面図である。図3は、図1(b)のB部を拡大した縦断面図であり、セラミックス部材2の表面と金属部材3の側面の下端との接合の境界である接合境界11付近を示す縦断面図である。図3の例では、金属部材3の側面がセラミックス部材2の表面に対してなす角は90°である。なお、本発明において、金属部材3の側面とセラミックス部材2の表面のなす角度は90°に限定されず、例えば15°以上120°以下、好ましくは45°以上90°以下であるセラミックス-金属接合体に適用できる。
Figure 2 is an enlarged plan view of part A in Figure 1(a). Figure 3 is an enlarged longitudinal cross-sectional view of part B in Figure 1(b), showing the vicinity of the
このようなセラミックス-金属接合体1は、金属部材3との接合部において、セラミックス部材2の表面に残留応力が生じる。図4は、図2のC部における、セラミックス部材2の表面と金属部材3の側面との接合境界11に対して垂直方向(図2のC部の矢印方向)のセラミックス部材2の表面の残留応力分布を示し、縦軸の「+」が引張応力で「-」が圧縮応力、横軸は図2のC部であり、左右の一点鎖線は金属部材3の側面の下端の位置(接合境界11)を示す。図4に示すように、セラミックス部材2の表面に生じる残留応力は、セラミックス部材2と金属部材3の側面との接合境界11において、最も大きい引張方向の応力が生じており、接合境界11の近傍にも大きな引張応力が生じている。また、接合境界11から離れた金属部材3の中央部(図4の縦軸)付近は、接合境界11およびその近傍と比べて引張応力が小さく、圧縮応力となる領域も存在している。本発明は、この接合境界11近傍のセラミックス部材の表面にホーニング、ピーニング、またはブラスティング処理を行うことにより、セラミックス部材2の特に接合境界11の近傍に生じる引張応力の緩和を図る。
In such a ceramic-
ホーニング、ピーニング、またはブラスティング処理は、セラミックス部材2の金属部材3との接合境界11から離れた位置には圧縮応力が負荷されないように、且つ、金属部材3の回路部分を損傷しないように、接合境界11からなるべく狭い範囲の接合境界11の近傍に、セラミックス部材2と金属部材3との接合界面に対し略垂直な方向から負荷することが好ましい。
The honing, peening, or blasting process is preferably performed in a direction approximately perpendicular to the bonding interface between the
さらに、セラミックス部材2の、金属部材3との接合境界11の近傍に集中して圧縮応力を加えるために、図5に示すように、金属部材3の表面と、接合境界11近傍を除くセラミックス部材2の表面とに、マスキング部5を形成した後、圧縮応力を負荷することが好ましい。図5は、図2のC部においてマスキング部5を形成した状態の一例を示す断面模式図である。マスキング部5の材料としては、例えばマスキングテープやドライフィルム、レジストインク等を用いることができる。セラミックス基板2の表面など、狭い領域にマスキング部5を形成するためには、レジストインクをインクジェットプリンタやディスペンサーを用いて塗布することが好ましい。
Furthermore, in order to apply compressive stress concentrated in the vicinity of the
なお、本明細書において、接合境界11の近傍とは、前述の引張応力が大きくなる部分であり、接合境界11から垂直方向に概ね0.3mm以内の範囲(距離)のセラミックス部材2の表面の領域を意味する。
In this specification, the vicinity of the
ピーニング処理は、例えば、先端径が3mmのノズルを用いて、直径約50μmの鋼球微粒子を100m/secで噴射させるショットピーニングとしてもよい。また、ショット材としてナイロン球のような柔らかいプラスティック球も含めてもよい。 The peening process may be, for example, shot peening, in which a nozzle with a tip diameter of 3 mm is used to spray steel ball particles with a diameter of approximately 50 μm at 100 m/sec. The shot material may also include soft plastic balls such as nylon balls.
ブラスティング処理は、例えば、先端径が4mmのノズルを用いて、粒度JIS#100~150のAl2O3を0.3~0.5MPa、好ましくは0.35~0.45MPa、0.75Nm3/minで投射するショットブラスティングとしてもよい。 The blasting treatment may be, for example, shot blasting in which a nozzle with a tip diameter of 4 mm is used to project Al 2 O 3 having a grain size of JIS #100 to 150 at 0.3 to 0.5 MPa, preferably 0.35 to 0.45 MPa, at 0.75 Nm 3 /min.
以上のような処理を行うことにより、例えばAlNからなるセラミックス部材2の金属部材3の側面との接合境界11付近の残留応力(引張応力)を250MPa以下、接合境界11近傍の応力勾配200MPa/0.1mm以下を実現し、耐熱サイクル性能を大きく向上させたセラミックス-金属接合体1が得られる。本発明にかかるセラミックス-金属接合体の残留応力緩和方法において、接合境界11近傍の残留応力(引張応力)を200MPa以下、さらには100MPa以下に低減することができる。
By carrying out the above-mentioned treatment, the residual stress (tensile stress) near the
残留応力は、例えば照射部直径0.1mmのCrKαX線束、または照射部直径0.2mmのCuKαX線束によるsin2ψ法、あるいはX線2次元検出器を用いた2D法やcosα法で測定することができる。なお、X線束はCrKα、CuKαの他、MnKα、CoKαやVKαでも測定可能である。 Residual stress can be measured by, for example, the sin 2 ψ method using a CrKα X-ray beam with an irradiation diameter of 0.1 mm or a CuKα X-ray beam with an irradiation diameter of 0.2 mm, or the 2D method or cosα method using an X-ray two-dimensional detector. Note that the X-ray beam can also be MnKα, CoKα, or VKα in addition to CrKα or CuKα.
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 The above describes preferred embodiments of the present invention, but the present invention is not limited to these examples. It is clear that a person skilled in the art can come up with various modified or revised examples within the scope of the technical ideas described in the claims, and it is understood that these also naturally fall within the technical scope of the present invention.
<比較例>
高熱伝導性AlNからなる縦34mm、横34mm、厚さ0.635mmの平板状のセラミックス部材(株式会社トクヤマ製のAlN基板)の両面に、縦32mm、横32mm、厚さ0.25mmのCu板からなる金属部材を、Tiを含むAg-Cu系ろう材を用いた活性金属法(AMC)で接合し、AlN-Cu接合体(接合基板)を作成した。
Comparative Example
A metal member made of a Cu plate having a length of 32 mm, a width of 32 mm and a thickness of 0.25 mm was bonded to both sides of a flat ceramic member (AlN substrate manufactured by Tokuyama Corporation) made of highly thermally conductive AlN having a length of 34 mm, a width of 34 mm and a thickness of 0.635 mm by using an active metal bonding method (AMC) with a Ti-containing Ag-Cu-based brazing material to create an AlN-Cu bonded body (bonded substrate).
さらに、AlN-Cu接合体のAlN基板の一方の主面(表面)に形成(接合)されたCu板の表面に、スクリーン印刷により回路形状のエッチングレジスト(インク)を形成し、紫外線で硬化させた後、薬液によりCu板およびろう材の不要部分をエッチングで除去し、次いでエッチングレジストを除去して、複数のアイランド(Cu回路板)からなる回路パターンを形成し、セラミックス-金属接合体であるAlN-Cu接合回路基板を作製した。AlN基板の表面とCu回路板の側面とのなす角を90°とした。アイランド間(回路間)の距離は1.2mmとした。 Furthermore, a circuit-shaped etching resist (ink) was formed by screen printing on the surface of the Cu plate formed (bonded) on one of the main surfaces (front surfaces) of the AlN substrate of the AlN-Cu bonded body, and after curing with ultraviolet light, unnecessary parts of the Cu plate and brazing material were removed by etching with a chemical solution, and then the etching resist was removed to form a circuit pattern consisting of multiple islands (Cu circuit plates), producing an AlN-Cu bonded circuit substrate, which is a ceramic-metal bonded body. The angle between the surface of the AlN substrate and the side surface of the Cu circuit plate was 90°. The distance between the islands (circuits) was 1.2 mm.
この回路基板のCu回路板の全長20mmにわたる回路間(幅1.2mm)の長さ方向の中央部において、AlN基板の表面とCu回路板の側面との接合境界(回路パターン端部)から垂直方向に所定の距離の部位を中心として、AlN基板表面にX線束を照射し、X線応力測定法の2D法により、セラミックス基板表面の残留応力を測定した。その測定条件は、管電圧38kV、管電流16mAとし、直径0.2mmのCrKα線のX線束を用い回折角2θ0=150.3deg付近に現れるAlNの(202)回折環を測定し、ヤング率(縦弾性係数)E=315GPa、ポアソン比ν=0.24として応力を求めた。その結果、接合境界から垂直方向に0.1mm離れた部位のφ0.2mm領域におけるAlN基板の表面において、接合境界に垂直な方向に350MPaに達する残留引張応力が生じ、接合端(接合境界)の外挿値は450MPaとなった。接合境界近傍(接合境界から垂直方向に0.1~0.2mmの間)のセラミックス基板表面における前記接合境界に対して垂直方向の応力勾配の絶対値は約300MPa/0.1mmであった。この接合体に対して、125℃から-40℃の熱サイクル試験(TCT)を行ったところ、250回で接合部の片端から亀裂が生じた。 In the center of the length of the Cu circuit board of this circuit board, a flux of X-rays was irradiated onto the surface of the AlN substrate at a position at a predetermined distance in the vertical direction from the joint boundary (circuit pattern end) between the surface of the AlN substrate and the side of the Cu circuit board, and the residual stress of the ceramic substrate surface was measured by the 2D method of X-ray stress measurement. The measurement conditions were tube voltage 38 kV, tube current 16 mA, and a flux of CrKα rays with a diameter of 0.2 mm was used to measure the (202) diffraction ring of AlN appearing near the diffraction angle 2θ 0 = 150.3 deg, and the stress was calculated with Young's modulus (longitudinal elastic modulus) E = 315 GPa and Poisson's ratio ν = 0.24. As a result, a residual tensile stress of 350 MPa was generated in the direction perpendicular to the bond boundary in a φ0.2 mm region on the surface of the AlN substrate at a location 0.1 mm away from the bond boundary in the vertical direction, and the extrapolated value of the bond end (bond boundary) was 450 MPa. The absolute value of the stress gradient in the direction perpendicular to the bond boundary on the ceramic substrate surface near the bond boundary (between 0.1 and 0.2 mm in the vertical direction from the bond boundary) was about 300 MPa/0.1 mm. When this bonded body was subjected to a thermal cycle test (TCT) from 125°C to -40°C, a crack occurred at one end of the bond after 250 cycles.
<実施例>
比較例と同様の製造条件でAlN-Cu接合回路基板を作製した。この回路基板のCu回路板表面の全面にマスキングテープ(日東電工株式会社製のプリント基板用エレップマスキング N-300)を貼り付けた。次いで、Cu回路板の側面の下端(接合境界)から垂直方向に0.3mm以内の領域を除いたセラミックス基板表面に前記マスキングテープを貼り付け、接合境界近傍を除くセラミックス基板表面にマスキング部を形成した。このマスキングしたAlN-Cu接合回路基板において、AlN基板の表面とCu回路板の側面との接合境界に沿ってアルミナメディアの湿式ホーニングを行った。湿式ホーニングの条件として、アルミナ粉は粒度JIS#120(篩目の開き125μm)を用い、ノズル径4mm、噴射圧力0.4MPa、0.75Nm3/minとした。このように湿式ホーニングによる圧縮応力を接合境界近傍のセラミックス基板の表面に負荷した後、マスキング部(マスキングテープ)を除去した。
<Example>
An AlN-Cu bonded circuit board was produced under the same manufacturing conditions as those of the comparative example. A masking tape (N-300 Elep Masking for Printed Circuit Boards, manufactured by Nitto Denko Corporation) was applied to the entire surface of the Cu circuit board of this circuit board. Next, the masking tape was applied to the ceramic substrate surface except for an area within 0.3 mm in the vertical direction from the lower end (bonding boundary) of the side of the Cu circuit board, and a masking portion was formed on the ceramic substrate surface except for the vicinity of the bonding boundary. In this masked AlN-Cu bonded circuit board, wet honing of alumina media was performed along the bonding boundary between the surface of the AlN substrate and the side of the Cu circuit board. As the conditions of the wet honing, alumina powder with a particle size of JIS #120 (sieve opening 125 μm) was used, the nozzle diameter was 4 mm, the injection pressure was 0.4 MPa, and 0.75 Nm 3 /min. In this way, the compressive stress by wet honing was applied to the surface of the ceramic substrate near the bonding boundary, and then the masking portion (masking tape) was removed.
このようにして得られたAl-Cu接合回路基板を、比較例と同様の方法で、接合境界から垂直方向に0.1mm離れた部位のφ0.2mm領域におけるAlN基板の表面の残留応力を測定し、応力勾配を算出した。その結果、残留応力は引張応力200MPa、応力勾配は約120MPa/0.1mmに下がっていた。また、TCTは500回まで亀裂が発生しなかった。 The Al-Cu bonded circuit board obtained in this way was used to measure the residual stress on the surface of the AlN substrate in a φ0.2 mm region 0.1 mm away from the bond boundary in the vertical direction, using the same method as in the comparative example, and the stress gradient was calculated. As a result, the residual stress was a tensile stress of 200 MPa, and the stress gradient had dropped to approximately 120 MPa/0.1 mm. Furthermore, no cracks were observed up to 500 TCT cycles.
以上のように、セラミックスと金属側面との接合界面近傍のセラミックス基板表面へのホーニング処理により、界面垂直方向の残留応力が250MPa以下、界面応力勾配が200MPa/0.1mm以下を実現することができ、耐TCTが2倍以上に向上した。また、マスキングをすることにより、ホーニング処理を不要部分に行うことがないため、回路板やセラミックス基板表面へのダメージを抑制し、ばらつきの少ない処理を行うことができた。 As described above, by honing the surface of the ceramic substrate near the bonding interface between the ceramic and metal sides, it was possible to achieve a residual stress perpendicular to the interface of 250 MPa or less and an interface stress gradient of 200 MPa/0.1 mm or less, improving TCT resistance by more than two times. In addition, by using masking, honing was not performed on unnecessary parts, suppressing damage to the circuit board and ceramic substrate surface and enabling processing with little variation.
本発明は、セラミックス部材の表面に金属部材を接合した接合体に適用できる。 The present invention can be applied to a bonded body in which a metal member is bonded to the surface of a ceramic member.
1 セラミックス-金属接合体
2 セラミックス部材
3 金属部材
5 マスキング部
11 接合界面
1 Ceramic-metal bonded
Claims (7)
前記セラミックス部材および前記金属部材が板材であり、
前記セラミックス部材が前記金属部材より大きく、前記金属部材の側面の下端との接合境界近傍において、前記セラミックス部材の表面が露出し、
前記セラミックス部材と前記金属部材の側面の下端との接合境界近傍における前記セラミックス部材の表面に、ホーニング、ピーニング、またはブラスティング処理を行って圧縮応力を負荷し、前記セラミックス部材の前記接合境界近傍の表面における前記接合境界に対して垂直方向の引張残留応力を低減させることを特徴とする、セラミックス-金属接合体の残留応力緩和方法。 In a joined body in which a metal member is joined to a surface of a ceramic member,
the ceramic member and the metal member are plate materials,
The ceramic member is larger than the metal member, and a surface of the ceramic member is exposed in the vicinity of a joint boundary between the ceramic member and a lower end of a side surface of the metal member,
A method for relaxing residual stress in a ceramic-metal bonded body, comprising: applying a compressive stress to a surface of the ceramic member in the vicinity of a bond boundary between the ceramic member and a lower end of a side surface of the metal member by honing, peening, or blasting, thereby reducing a tensile residual stress in a direction perpendicular to the bond boundary on the surface of the ceramic member in the vicinity of the bond boundary.
前記セラミックス部材および前記金属部材が板材であり、
前記セラミックス部材が前記金属部材より大きく、前記金属部材の側面の下端との接合境界近傍において、前記セラミックス部材の表面が露出し、
前記セラミックス部材の前記接合境界近傍の表面における前記接合境界に対して垂直方向の引張残留応力が250MPa以下であることを特徴とする、セラミックス-金属接合体。 In a joined body in which a metal member is joined to a surface of a ceramic member,
the ceramic member and the metal member are plate materials,
The ceramic member is larger than the metal member, and a surface of the ceramic member is exposed in the vicinity of a joint boundary between the ceramic member and a lower end of a side surface of the metal member,
A ceramic-metal bonded body, characterized in that a tensile residual stress in a direction perpendicular to the bonded boundary on a surface of the ceramic member in the vicinity of the bonded boundary is 250 MPa or less.
A method for producing a ceramic-metal bonded body, comprising a step of relaxing residual stress in the ceramic-metal bonded body by the method according to any one of claims 1 to 3 .
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Citations (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000178080A (en) | 1998-12-14 | 2000-06-27 | Japan Science & Technology Corp | Ceramic-metal jointed body |
JP2001274545A (en) | 2000-03-28 | 2001-10-05 | Ngk Spark Plug Co Ltd | Ceramic circuit board and manufacturing method therefor |
JP2003192463A (en) | 2001-12-26 | 2003-07-09 | Kyocera Corp | Nitride ceramic copper circuit board |
JP2008069044A (en) | 2006-09-14 | 2008-03-27 | Hitachi Metals Ltd | Ceramic substrate, ceramic circuit board using the same and semiconductor module |
JP2014101248A (en) | 2012-11-20 | 2014-06-05 | Dowa Metaltech Kk | Metal-ceramics joining substrate and method of producing the same |
JP2014168044A (en) | 2013-01-30 | 2014-09-11 | Mitsubishi Materials Corp | Substrate for power module with heat sink and method for manufacturing the same |
JP2015168591A (en) | 2014-03-06 | 2015-09-28 | 国立大学法人東北大学 | assembly |
JP2017069302A (en) | 2015-09-29 | 2017-04-06 | 京セラ株式会社 | Circuit board and method for manufacturing circuit board |
JP2018142561A (en) | 2017-02-24 | 2018-09-13 | 三菱マテリアル株式会社 | Manufacturing method of ceramic plate and manufacturing method of substrate for power module |
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Patent Citations (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000178080A (en) | 1998-12-14 | 2000-06-27 | Japan Science & Technology Corp | Ceramic-metal jointed body |
JP2001274545A (en) | 2000-03-28 | 2001-10-05 | Ngk Spark Plug Co Ltd | Ceramic circuit board and manufacturing method therefor |
JP2003192463A (en) | 2001-12-26 | 2003-07-09 | Kyocera Corp | Nitride ceramic copper circuit board |
JP2008069044A (en) | 2006-09-14 | 2008-03-27 | Hitachi Metals Ltd | Ceramic substrate, ceramic circuit board using the same and semiconductor module |
JP2014101248A (en) | 2012-11-20 | 2014-06-05 | Dowa Metaltech Kk | Metal-ceramics joining substrate and method of producing the same |
JP2014168044A (en) | 2013-01-30 | 2014-09-11 | Mitsubishi Materials Corp | Substrate for power module with heat sink and method for manufacturing the same |
JP2015168591A (en) | 2014-03-06 | 2015-09-28 | 国立大学法人東北大学 | assembly |
JP2017069302A (en) | 2015-09-29 | 2017-04-06 | 京セラ株式会社 | Circuit board and method for manufacturing circuit board |
JP2018142561A (en) | 2017-02-24 | 2018-09-13 | 三菱マテリアル株式会社 | Manufacturing method of ceramic plate and manufacturing method of substrate for power module |
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