KR102504621B1

KR102504621B1 - 세라믹스 회로 기판 및 그것을 사용한 모듈

Info

Publication number: KR102504621B1
Application number: KR1020197035818A
Authority: KR
Inventors: 유타 츠가와; 고우지 니시무라; 유사쿠 하라다; 료타 아오노; 쇼지 이와키리
Original assignee: 덴카 주식회사
Priority date: 2017-05-30
Filing date: 2018-05-29
Publication date: 2023-02-27
Also published as: US20210176860A1; WO2018221493A1; JPWO2018221493A1; CN110709369A; KR20200013678A; EP3632879A4; EP3632879A1; US11570890B2; EP3632879B1; JP7080881B2

Abstract

(과제) 높은 접합성과 우수한 내열 사이클 특성을 갖는 세라믹스 회로 기판을 제공한다.
(해결 수단) 세라믹스 기판과 구리판이, Ag 및 Cu 와, Ti 및 Zr 에서 선택되는 적어도 1 종류의 활성 금속 성분과, In, Zn, Cd 및 Sn 에서 선택되는 적어도 1 종의 원소를 함유하는 브레이징재를 통하여 접합되고, 접합 후의 브레이징재층의 연속률이 80 ％ 이상 또한 브레이징재층의 비커스 경도가 60 ∼ 85 Hv 인 것을 특징으로 하는 세라믹스 회로 기판으로 한다.

Description

세라믹스 회로 기판 및 그것을 사용한 모듈

본 발명은, 세라믹스 회로 기판 및 그것을 사용한 모듈에 관한 것이다.

파워 모듈 등에 이용되는 회로용 기판으로서, 열 전도율이나 비용, 안전성 등의 점에서, 알루미나, 베릴리아, 질화규소, 질화알루미늄 등의 세라믹스 기판이 이용되고 있다. 이들 세라믹스 기판은, 구리나 알루미늄 등의 금속 회로판이나 방열판을 접합하여 회로 기판으로서 사용된다. 이것들은, 수지 기판이나 수지층을 절연재로 하는 금속 기판에 대하여, 우수한 절연성 및 방열성 등을 갖는 점에서, 고방열성 전자 부품을 탑재하기 위한 기판으로서 사용되고 있다.

엘리베이터, 차량, 하이브리드 카 등과 같은 파워 모듈 용도에는, 세라믹스 기판의 표면에, 금속 회로판을 브레이징재로 접합하고, 추가로 금속 회로판의 소정의 위치에 반도체 소자를 탑재한 세라믹 회로 기판이 사용되고 있다. 최근에는, 반도체 소자의 고집적화, 고주파화, 고출력화 등에 수반되는 반도체 소자로부터의 발열량의 증가에 대하여, 높은 열 전도율을 갖는 질화알루미늄 소결체나 질화규소 소결체의 세라믹스 기판이 사용되고 있다. 특히, 질화알루미늄 기판은, 질화규소 기판과 비교하여 열 전도율이 높기 때문에, 고방열성 전자 부품을 탑재하기 위한 세라믹스 기판으로서 바람직하다.

그러나, 질화알루미늄 기판은, 높은 열 전도율을 갖는 반면, 기계적 강도나 인성 등이 낮은 점에서, 어셈블리 공정에서의 체결에 의해 균열이 발생하거나, 열 사이클이 부가되었을 때에 크랙이 발생하기 쉬운 등의 난점을 갖고 있다. 특히, 자동차나 전기 철도, 공작 기계나 로봇 등의 가혹한 하중, 열적 조건하에서 적용되는 파워 모듈에 사용하는 경우에는, 이 난점이 현저해지고 있다.

이 때문에, 전자 부품 탑재용의 세라믹스 기판으로는, 기계적인 신뢰성의 향상이 요구되어, 질화알루미늄 기판보다 열 전도율은 떨어지지만, 기계적 강도나 인성이 우수한 질화규소 기판이 주목받고 있다.

질화규소 기판을 사용한 세라믹스 회로 기판은, 예를 들어, 이하에 나타내는 활성 금속법에 의해 제조된다.

활성 금속법은, 4A 족 원소나 5A 족 원소와 같은 활성 금속을 함유하는 브레이징재층을 개재하여 세라믹스 기판 상에 금속판을 접합하는 방법으로서, 일반적으로, Ag, Cu, Ti 를 함유하는 브레이징재를 질화규소 기판의 양 주면 (主面) 에 스크린 인쇄하고, 이 인쇄면 상에 금속 회로판 및 금속 방열판을 배치하고, 적당한 온도에서 가열 처리함으로써 세라믹스 기판과 금속판을 접합한다.

이와 같이 하여 얻어진 세라믹스 회로 기판은, 활성 금속인 Ti 와 질화물계 세라믹스 기판의 N 이 공유 결합하여 TiN (질화티탄) 이 되고, 이 TiN 에 의해 접합층을 형성하기 때문에, 어느 정도의 높은 접합 강도를 얻을 수 있다.

한편, 차재용 파워 모듈에서는 보다 높은 방열성이 요구되고 있고, 세라믹스 기판의 박판화, 금속판의 후판화가 검토되고 있다. 그러나 이와 같은 구조가 되면, 세라믹스 기판과 금속판의 열 팽창률차에 의해 발생하는 열 사이클시의 응력 부하가 점점 커지기 때문에, 세라믹스 기판에 크랙이 발생하여 절연 불량을 일으키거나, 금속판이 박리되어 전열 불량을 초래하여, 전자 기기로서의 동작 신뢰성이 저하된다. 이와 같은 점에서, 열 응력에 견딜 수 있는 세라믹스 회로 기판의 브레이징재 구성에 관하여, 이하와 같은 제안이 이루어져 있다.

특허문헌 1 에 의하면, Ag, Cu, Ti 를 함유하는 브레이징재층에 In 을 5 ％ 이상 첨가함으로써 브레이징재층과 질화알루미늄 기판이 반응하여 생성되는 TiN 혹은 (Ti, Cu, In, Al)N 인 반응 생성층의 비커스 경도가 증가한다고 기재되어 있다. 그리고, 반응 생성층의 비커스 경도의 증가에 비례하여 세라믹스 회로 기판의 내열 사이클이 향상된다고 기재되어 있다.

그러나, 이 방법에 의하면 세라믹스 기판 계면의 접합 강도는 높아지지만, In 의 첨가량이 많아질수록 Ag 를 주성분으로 하는 브레이징재층의 연속성이 저하됨과 함께 비커스 경도도 증가한다. 브레이징재층의 연속성이 저하됨과 함께 비커스 경도가 증가하면, 세라믹스 기판과 금속판의 접합 계면에 발생하는 열 팽창률차 기인의 열 응력을 완화시키기 위한 완충 기능이 저하되어, 예를 들어 0.8 ㎜ 와 같은 두꺼운 구리판을 접합하는 세라믹스 회로 기판에 요구되는 내열 사이클 특성을 만족시킬 수는 없었다.

일본 공개특허공보 평9-36540호

본 발명은, 상기 과제를 감안하여, 높은 접합성과 우수한 내열 사이클성을 갖는 세라믹스 회로 기판을 얻는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명자는, 세라믹스 기판과 금속 회로판을 접합하는 브레이징재에 함유시키는 원소의 양 및 원료분 (粉) 의 충전율을 다양하게 변화시켜 세라믹스 회로 기판을 조정하고, 브레이징재에 함유시키는 원소의 양 및 원료분의 충전율이 회로 기판의 내열 사이클 특성에 미치는 영향을 비교 검토하였다. 그 결과, 브레이징재층의 연속성의 증가 및 비커스 경도의 저하에 수반하여 회로 기판의 내열 사이클 특성이 향상되는 것이 판명되었다. 본 발명은 이들 지견에 기초하여 완성된 것이다.

즉, 본 발명은, 세라믹스 기판과 구리판이, Ag 및 Cu 와, Ti, Zr 에서 선택된 적어도 1 종류의 활성 금속 성분과, In, Zn, Cd 및 Sn 에서 선택되는 적어도 1 종의 원소를 함유하는 브레이징재를 개재하여 접합되고, 접합 후의 브레이징재층의 연속률이 80 ％ 이상 또한 브레이징재층의 비커스 경도가 60 ∼ 85 Hv 인 것을 특징으로 하는 세라믹스 회로 기판이다.

본 발명에 의하면, 높은 접합성과 우수한 내열 사이클성을 갖는 세라믹스 회로 기판을 제공할 수 있다. 보다 상세하게는, 접합 후의 브레이징재층의 연속률이 80 ％ 이상 또한 브레이징재층의 비커스 경도가 60 ∼ 85 Hv 이고, 또한, -55 ℃ 내지 150 ℃ 의 히트 사이클 시험 2000 사이클에 있어서 크랙률 1 ％ 미만의 세라믹스 회로 기판을 제공하는 것이 가능하다.

도 1 은 브레이징재층의 연속률이 99.5 ％ 인 세라믹스 회로 기판의 단면 사진의 일례이다.
도 2 는 브레이징재층의 연속률이 72.9 ％ 인 세라믹스 회로 기판의 단면 사진의 일례이다.
부호의 설명
1 : 세라믹스 기판
2 : 세라믹스 회로 기판 접합 계면 (TiN 접합층)
3 : 브레이징재층
4 : 구리판
a : 전체 길이
b : 브레이징재 불연속 길이

[세라믹스 회로 기판]

본 발명의 세라믹스 회로 기판은, 세라믹스 기판과 구리판이, Ag 및 Cu 와, Ti 및 Zr 에서 선택된 적어도 1 종류의 활성 금속 성분과, In, Zn, Cd 및 Sn 에서 선택되는 적어도 1 종의 원소를 함유하는 브레이징재를 개재하여 접합되고, 접합 후의 브레이징재층의 연속률이 80 ％ 이상 또한 브레이징재층의 비커스 경도가 60 ∼ 85 Hv 인 것을 특징으로 하는 세라믹스 회로 기판이다.

본 발명의 세라믹스 회로 기판에 사용되는 세라믹스 기판으로는, 특별히 한정되는 것은 아니며, 질화규소, 질화알루미늄 등의 질화물계 세라믹스, 산화알루미늄, 산화지르코늄 등의 산화물계 세라믹스, 탄화규소 등의 탄화물계 세라믹스, 붕화란탄 등의 붕화물계 세라믹스 등을 사용할 수 있다. 단, 금속판을 활성 금속법으로 세라믹스 기판에 접합하기 위해, 질화알루미늄, 질화규소 등의 비산화물계 세라믹스가 바람직하다.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 세라믹스 기판의 두께는 특별히 한정되지 않지만, 0.1 ∼ 3.0 ㎜ 정도의 것이 일반적이고, 특히, 회로 기판 전체의 열 저항 저감을 고려하면, 1.0 ㎜ 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.4 ㎜ 이하이다.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 구리판의 순도는, 90 ％ 이상인 것이 바람직하다. 순도를 90 ％ 이상으로 함으로써, 세라믹스 기판과 구리판을 접합할 때, 구리판과 브레이징재의 반응이 불충분해져, 구리판이 단단해져 회로 기판의 신뢰성이 저하되는 것을 억제할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 구리판의 두께는 특별히 한정되지 않지만, 0.1 ∼ 2.0 ㎜ 의 것이 일반적이고, 특히, 방열성의 관점에서, 0.3 ㎜ 이상이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.5 ㎜ 이상이다.

본 발명자는, 방열성 향상을 목적으로 한 두꺼운 금속판과 얇은 세라믹스 기판으로 이루어지는 세라믹스 회로 기판에 있어서도 우수한 내열 사이클성을 달성하기 위해 예의 검토를 실시한 결과, 브레이징재층의 연속률의 증가 및 비커스 경도의 저하에 의해 내열 사이클 특성이 향상되는 것을 알아냈다. 또한, 브레이징재의 주성분인 Ag 분말의 충전율을 높임으로써 브레이징재층의 연속률을 증가시킴과 함께, 브레이징재에 함유시키는 활성 금속 및 Sn 등의 원소의 첨가량을 줄임으로써 브레이징재층의 비커스 경도를 저하시킬 수 있는 것이 판명되었다.

본 발명의 세라믹스 회로 기판은, 접합 후의 브레이징재층의 연속률이 80 ％ 이상인 것을 특징으로 한다. 여기서 브레이징재층의 연속률이란, Ag 를 주성분으로 하는 합금의 연속성이다. 브레이징재층의 연속률은 제조된 세라믹스 회로 기판의 단면 조정을 실시하고, 주사형 전자 현미경으로 배율 500 배의 시야에서 무작위로 3 개 지점 관찰하여, 계측함으로써 구해진다. 연속률은 3 개 지점의 시야에서 계측한 값의 평균값으로 한다. 브레이징재층의 구조는, Ag 를 주성분으로 하는 합금과 그 이외의 합금에서 검출 강도가 상이하기 때문에 콘트라스트가 상이하여, 그 두께와 비율을 관찰할 수 있다. 브레이징재층의 연속률은, 이하의 식 (I) 에 따라, 배율 500 배의 시야에 있어서 Ag 를 주성분으로 하는 합금의 두께가 1 ㎛ 이하인 길이 (브레이징재 불연속 길이) 를 계측하고, 전체 길이와의 차를 전체 길이로 나눔으로써 구하였다.

브레이징재층의 연속률 (％) ＝ (전체 길이 － 브레이징재 불연속 길이)/전체 길이 × 100 … (I)

브레이징재층의 연속률은 내열 사이클성의 관점에서, 80 ％ 이상이 바람직하고, 보다 바람직하게는 90 ％ 이상이다. 80 ％ 미만의 경우에는 열 스트레스가 국소적으로 집중되기 쉬워져, 내열 사이클성이 저하되기 쉽다.

본 발명의 세라믹스 회로 기판은, 브레이징재층의 비커스 경도가 60 ∼ 85 Hv 인 것을 특징으로 한다. 비커스 경도는 제조된 세라믹스 회로 기판의 단면 조정을 실시하고, 세라믹스 회로 기판 접합 계면으로부터 구리판측으로 수직 방향으로 33 ㎛ 떨어진 지점에 하중 0.025 ㎏f 로 압자를 가압하고, 생성된 패임부의 면적으로부터 산출할 수 있다. 브레이징재층의 비커스 경도는, 65 ∼ 85 Hv 인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 65 ∼ 75 Hv 이다. 브레이징재층의 비커스 경도를 85 Hv 이하로 함으로써, 브레이징재층의 완충 효과가 저하되어, 내열 사이클성이 저하되는 것을 억제할 수 있다.

또, 본 발명의 일 실시형태에 있어서, 세라믹스 회로 기판의 접합 보이드율은, 1.0 ％ 이하가 바람직하고, 0.5 ％ 이하가 보다 바람직하고, 0.2 ％ 이하가 더욱 바람직하다.

또한, 본 발명의 일 실시형태의 세라믹스 회로 기판의, -55 ℃ 에서 15 분, 150 ℃ 에서 15 분을 1 사이클로 하는 내히트 사이클 시험에서, 2000 사이클 반복 시험에 있어서의 크랙률은, 1.0 ％ 미만인 것이 바람직하고, 0.8 ％ 미만인 것이 보다 바람직하고, 0.2 ％ 미만인 것이 더욱 바람직하다.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 세라믹스 회로 기판의 접합에는, Ag, Cu, 활성 금속을 함유하는 브레이징재가 사용된다. Ag 와 Cu 의 조성비는, 공정 (共晶) 조성을 생성하기 쉬운 조성비로 설정하는 것이 바람직하고, 특히 회로 구리판 및 방열 구리판으로부터의 Cu 의 용입을 고려한 조성이 바람직하다. Ag 분말과 Cu 분말의 합계 100 질량부에 있어서, Ag 분말이 75 ∼ 100 질량부, Cu 분말이 0 ∼ 25 질량부가 바람직하고, Ag 분말이 75 ∼ 99 질량부가 보다 바람직하고, 80 ∼ 95 질량부가 더욱 바람직하다. Ag 분말의 양을 75 ∼ 100 질량부로 함으로써, 브레이징재의 융해 온도가 상승하고, 접합시의 열 팽창률차에서 유래하는 열 스트레스가 증가하여, 내열 사이클성이 저하되는 것을 억제할 수 있다.

활성 금속에는, 티탄, 지르코늄, 하프늄, 니오브 등에서 적어도 1 종이 선택된다. 본 발명의 브레이징재층 중에 함유하는 활성 금속의 양은, Ag 분말, Cu 분말의 합계 100 질량부에 대하여, 0.5 ∼ 6.0 질량부가 바람직하고, 1 ∼ 5 질량부가 보다 바람직하고, 2 ∼ 4 질량부가 더욱 바람직하다. 활성 금속의 함유량을 0.5 질량부 이상으로 함으로써, 세라믹스 기판과 브레이징재의 젖음성이 양호하지 않아, 접합 불량이 발생하기 쉬워지는 것을 억제할 수 있다. 한편, 활성 금속의 함유량을 6.0 질량부 이하로 함으로써, 접합 계면에 형성되는 취약한 활성 금속의 질화물층이 과잉이 되어, 내열 사이클성이 저하되는 것을 억제할 수 있다. 또한, 활성 금속은 Ti, Zr 이 바람직하다.

본 발명의 브레이징재층에는 In, Zn, Cd 및 Sn 에서 선택되는 적어도 1 종의 원소를 함유시킬 수 있다. 브레이징재층 중에 함유시키는 양은, Ag 분말, Cu 분말의 합계 100 질량부에 대하여, 0.4 ∼ 5 질량부가 바람직하고, 0.4 ∼ 5 질량부가 보다 바람직하고, 1 ∼ 4 질량부가 더욱 바람직하다. 함유량을 0.4 질량부 이상으로 함으로써, 세라믹스 기판과 브레이징재의 젖음성이 양호하지 않아, 접합 불량이 발생하기 쉬워지는 것을 억제할 수 있다. 한편, 함유량을 5.0 질량부 이하로 함으로써, Cu 와 Sn 의 금속간 화합물의 생성량이 증대되어 브레이징재층의 비커스 경도가 높아져, 내열 사이클 특성이 저하되기 쉬워지는 것을 억제할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 브레이징재층 중에 함유하는 Ag 분말의 탭 밀도는 3 g/㎤ 이상이 바람직하다. 탭 밀도는 JIS Z 2512 에 준하여, 탭 밀도 측정기에 의해 산출하였다. 탭 밀도를 3 g/㎤ 이상으로 함으로써, 브레이징재 금속 분말끼리의 접촉 면적이 저하되어, 분산 상태가 불균일해져, 접합시에 브레이징재의 확산이 불균일해져, 브레이징재층의 연속률이 저하됨으로써 내열 사이클성이 저하되는 것을 억제할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 브레이징재의 두께는, 건조 기준으로 5 ∼ 40 ㎛ 가 바람직하다. 브레이징재 두께를 5 ㎛ 이상으로 함으로써, 미반응의 부분이 발생하는 것을 억제할 수 있고, 한편, 40 ㎛ 이하로 함으로써, 접합층을 제거하는 시간이 길어져, 생산성이 저하되는 것을 억제할 수 있다. 도포 방법은 특별히 한정되지 않으며, 기판 표면에 균일하게 도포할 수 있는 스크린 인쇄법, 롤 코터법 등의 공지된 도포 방법을 채용할 수 있다.

[세라믹스 회로 기판의 제조 방법]

본 발명의 세라믹스 회로 기판의 제조 방법은, Ag 를 75 ∼ 99 질량부, Cu 를 1 ∼ 25 질량부, Ti 및 Zr 에서 선택되는 적어도 1 종류의 활성 금속 성분을 0.5 ∼ 6 질량부, In, Zn, Cd 및 Sn 에서 선택되는 적어도 1 종의 원소를 0.4 ∼ 5 질량부 함유하는 브레이징재를 사용하고, 진공도 1.0 × 10^-3 ㎩ 이하, 접합 온도 700 ℃ ∼ 820 ℃, 유지 시간 10 ∼ 60 분으로 접합하는 것을 포함하고, 브레이징재에 사용되는 Ag 분말 입자의 탭 밀도가 3 g/㎤ 이상인, 제조 방법이다. 본 발명의 일 실시형태에 있어서, 세라믹스 기판과 금속판의 접합은, 진공 중에서 700 ℃ ∼ 820 ℃ 의 온도 또한 10 ∼ 60 분의 시간으로 접합하는 것이 바람직하다. 접합 온도로는, 720 ∼ 810 ℃ 가 보다 바람직하고, 740 ∼ 800 ℃ 가 더욱 바람직하다. 유지 시간으로는, 20 ∼ 60 분이 보다 바람직하고, 30 ∼ 50 분이 더욱 바람직하다. 접합 온도를 700 ℃ 이상으로 하고, 유지 시간을 10 분 이상으로 함으로써, Ti 나 Zr 의 화합물을 충분히 생성할 수 없기 때문에 부분적으로 접합할 수 없게 되는 것을 억제할 수 있고, 접합 온도를 820 ℃ 이하로 하고, 유지 시간을 60 분 이하로 함으로써, 접합시의 열 팽창률차에서 유래하는 열 스트레스가 증가하여, 내열 사이클성이 저하되는 것을 억제할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 회로 기판에 회로 패턴을 형성하기 위해, 금속판에 에칭 레지스트를 도포하여 에칭한다. 에칭 레지스트에 관하여 특별히 제한은 없으며, 예를 들어, 일반적으로 사용되고 있는 자외선 경화형이나 열 경화형의 것을 사용할 수 있다. 에칭 레지스트의 도포 방법에 관해서는 특별히 제한은 없으며, 예를 들어 스크린 인쇄법 등의 공지된 도포 방법을 채용할 수 있다.

본 발명의 일 실시형태에 있어서, 회로 패턴을 형성하기 위해 구리판의 에칭 처리를 실시한다. 에칭액에 관해서도 특별히 제한은 없으며, 일반적으로 사용되고 있는 염화 제 2 철 용액이나 염화 제 2 구리 용액, 황산, 과산화수소수 등을 사용할 수 있지만, 바람직한 것으로서, 염화 제 2 철 용액이나 염화 제 2 구리 용액을 들 수 있다. 에칭에 의해 불필요한 금속 부분을 제거한 질화물 세라믹스 회로 기판에는, 도포한 브레이징재, 그 합금층, 질화물층 등이 남아 있어, 할로겐화암모늄 수용액, 황산, 질산 등의 무기산, 과산화수소수를 함유하는 용액을 사용하여, 그것들을 제거하는 것이 일반적이다. 회로 형성 후 에칭 레지스트의 박리를 실시하는데, 박리 방법은 특별히 한정되지 않으며 알칼리 수용액에 침지시키는 방법 등이 일반적이다.

실시예

이하, 실시예에 의해 본 발명을 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 범위는 이하의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

두께 0.32 ㎜ 의 질화규소 기판에, Ag 분말 (후쿠다 금속 박분 공업 (주) 제조 : Ag-HWQ 2.5 ㎛) 90 질량부 및 Cu 분말 (후쿠다 금속 박분 공업 (주) 제조 : Cu-HWQ 3 ㎛) 10 질량부의 합계 100 질량부에 대하여, TiH2 분말 ((주) 오사카 티타늄 테크놀로지즈 제조 : TSH-350) 을 3.5 질량부 및 Sn 분말 (후쿠다 금속 박분 공업 (주) 제조 : Sn-HPN 3 ㎛) 을 3 질량부 함유하는 활성 금속 브레이징재를 도포하고, 회로면에 두께 0.8 ㎜, 이면에 0.8 ㎜ 의 무산소동판을 1.0 × 10^-3 ㎩ 이하의 진공 중에서 800 ℃ 또한 30 분의 조건으로 접합하였다.

접합된 회로 기판에, 스크린 인쇄에 의해 UV 경화형 에칭 레지스트를 회로 패턴으로 인쇄하고, UV 경화시킨 후, 추가로 방열면 형상을 인쇄하여 UV 경화시켰다. 이것을 에천트로 하여 염화 제 2 구리 수용액으로 에칭을 실시하고, 계속해서 60 ℃ 의 티오황산암모늄 수용액과 불화암모늄 수용액으로 수시 처리하여, 회로 패턴과 방열판 패턴을 형성하였다.

세라믹스 회로 기판의 접합성 및 내열 사이클 평가는 하기의 방법으로 평가하였다.

＜접합성의 평가＞

접합된 회로 기판을 초음파 탐상 장치 ((주) 히타치 파워 솔루션 제조 : FS-Line) 로 측정 후, 회로의 면적에서 차지하는 접합 보이드의 면적을 계산하였다.

＜내열 사이클성의 평가＞

제조된 질화규소 회로 기판을, -55 ℃ 에서 15 분, 150 ℃ 에서 15 분을 1 사이클로 하는 내히트 사이클 시험에서, 2000 사이클 반복 시험을 실시한 후, 염화구리액 및 불화암모늄/과산화수소 에칭으로 구리판 및 브레이징재층을 박리하고, 질화규소 기판 표면의 수평 크랙 면적을 화상 해석 소프트웨어 GIMP2 (임계값 140) 로 2 치화하여 산출한 후, 수평 크랙 면적/회로 패턴의 면적으로부터 크랙률을 산출하였다.

＜종합 판정의 기준＞

접합 보이드율이 1.0 ％ 이하이고 또한 크랙률이 0.2 ％ 미만인 것을 ◎, 접합 보이드율이 1.0 ％ 이하이고 또한 크랙률이 1.0 ％ 이하인 것을 ○, 접합 보이드율이 1.0 ％ 보다 크거나 혹은 크랙률이 1.0 ％ 보다 큰 것을 × 로 하여 판정하였다.

[실시예 2 ∼ 10, 비교예 1 ∼ 7]

표 1 에 나타내는 조건으로 한 것 이외에는, 실시예 1 과 동일하게 실시하였다. 평가 결과를 표 2 에 나타낸다.

표 2 에 나타내는 바와 같이, 탭 밀도가 3 g/㎤ 이상인 Ag 분말을 사용하고, In 또는 Sn 의 첨가량이 5 질량부 이하이고 접합 온도가 820 ℃ 이하에서 제조한 세라믹스 회로 기판에 대해서는, 브레이징재층의 비커스 경도가 60 ∼ 85 Hv 의 범위 내이고, 열 사이클 시험 후의 수평 크랙 발생률이 1 ％ 미만이 되는 것을 확인하였다. Sn 의 첨가량이 3 질량부 이하이고 접합 온도가 800 ℃ 이하에서 제조한 회로 기판에 대해서는, 비커스 경도는 60 ∼ 75 Hv 의 범위 내이고, 브레이징재층의 연속률도 90 ％ 이상이고, 열 사이클 시험 후의 수평 크랙 발생률이 0.2 ％ 미만이 되는 것을 확인하였다.

한편, Sn 첨가량이 5 질량부보다 큰 경우, 또는 접합 온도가 820 ℃ 보다 높은 경우에는 브레이징재의 비커스 경도가 85 Hv 를 초과하고, 내열 사이클 시험 후의 수평 크랙 발생률이 1 ％ 이상인 것을 확인하였다. 또, Ag 분말의 탭 밀도가 3 g/㎤ 미만인 브레이징재분을 사용하고, 820 ℃ 이하에서 접합한 경우에는 구리판과 세라믹스 기판의 접합이 불충분해지는 것이 확인되었다. 820 ℃ 를 초과하는 온도에서 접합한 경우에는 접합성은 개선되었지만, 브레이징재층의 비커스 경도가 85 Hv 를 초과하고, 연속률도 80 ％ 미만이 되어 내열 사이클성이 저하되는 것을 확인하였다.

Claims

세라믹스 기판과 구리판이, Ag 및 Cu 와, Ti 및 Zr 에서 선택되는 적어도 1 종류의 활성 금속 성분과, In, Zn, Cd 및 Sn 에서 선택되는 적어도 1 종의 원소를 함유하는 브레이징재를 개재하여 접합되고, 접합 후의 브레이징재층의 연속률이 80 ％ 이상 또한 브레이징재층의 비커스 경도가 60 ∼ 85 Hv 인 것을 특징으로 하는 세라믹스 회로 기판.
제 1 항에 있어서,
세라믹스 기판이 질화알루미늄 기판 또는 질화규소 기판인 것을 특징으로 하는 세라믹스 회로 기판.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
구리판의 두께가 0.2 ∼ 2.0 ㎜ 인 것을 특징으로 하는 세라믹스 회로 기판.
Ag 를 75 ∼ 99 질량부, Cu 를 1 ∼ 25 질량부, Ti 및 Zr 에서 선택되는 적어도 1 종류의 활성 금속 성분을 0.5 ∼ 6 질량부, In, Zn, Cd 및 Sn 에서 선택되는 적어도 1 종의 원소를 0.4 ∼ 5 질량부 함유하는 브레이징재를 사용하고, 진공도 1.0 × 10^-3 ㎩ 이하, 접합 온도 700 ℃ ∼ 820 ℃, 유지 시간 10 ∼ 60 분으로 접합하는 것을 포함하고, 브레이징재에 사용되는 Ag 분말 입자의 탭 밀도가 3 g/㎤ 이상인, 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 세라믹스 회로 기판의 제조 방법.