本發(fā)明涉及陶瓷電路基板及其制造方法。

背景技術：

在如面向電氣鐵路、車輛、工業(yè)機械等的需要高電壓、大電流工作的電源組件中，搭載有在陶瓷電路基板上接合了半導體元件的器件。從陶瓷電路基板向外部導出輸出功率時，通常情況下設置銅電極，將其以超出陶瓷電路基板外側的狀態(tài)設置。

以往，陶瓷電路基板與銅電極的接合使用焊料，但存在如下問題：作為電源組件使用時產(chǎn)生的熱、振動導致焊料裂紋產(chǎn)生，可靠性降低。因此，逐漸使用將金屬電路板與銅電極直接接合的超聲波接合。對于超聲波接合而言，是相對于陶瓷基板在垂直方向對銅電極施加負荷、同時在水平方向給予超聲波振動，由此將電路基板的銅板和銅電極一體化的方法。

就陶瓷電路基板中使用的陶瓷基板而言，對于伴隨著半導體元件的高輸出化、高集成化的放熱量的增加，使用了具有高熱導率的氮化鋁燒結體或氮化硅燒結體。特別是，與氮化硅基板相比，氮化鋁基板由于熱導率高，所以適合作為用于搭載高散熱性電子構件的陶瓷電路基板。

但是，氮化鋁基板具有高熱導率，但另一方面，機械強度、韌性等低，因此，存在因超聲波接合時的振動而導致在接合部正下方的氮化鋁板表面產(chǎn)生裂紋、損害組件的可靠性的問題。鑒于上述情況，為了防止在陶瓷基板上產(chǎn)生裂紋，提出以下方案。

專利文獻1中提出了如下方案：通過最優(yōu)化將銅電極超聲波接合的位置以及銅電極與金屬電路板的接合強度，能夠防止在陶瓷基板上產(chǎn)生裂紋。

專利文獻1：日本特開2002-164461號公報

技術實現(xiàn)要素：

但是，專利文獻1中并沒有改進陶瓷電路基板本身，不是防止裂紋產(chǎn)生的根本的解決對策。

鑒于上述課題，本發(fā)明的目的在于得到對超聲波接合具有優(yōu)異的耐裂紋性的陶瓷電路基板。

本發(fā)明人為了實現(xiàn)上述目的進行了潛心研究，結果發(fā)現(xiàn)，通過使陶瓷電路基板的金屬電路板的結晶粒徑微細，能夠提高超聲波接合時的耐裂紋性。

即，本發(fā)明為一種陶瓷電路基板，其特征在于，在陶瓷基板的一面接合有金屬電路板、在另一面接合有金屬散熱板，金屬電路板的結晶粒徑為20μm以上且70μm以下。

另外，本發(fā)明為一種陶瓷電路基板的制造方法，其特征在于，是上述陶瓷電路基板的制造方法，分別在陶瓷基板的一面配置金屬電路板、在另一面配置金屬散熱板，以真空度為1×10^-3Pa以下、接合溫度為780℃以上且850℃以下、保持時間為10分鐘以上且60分鐘以下，將金屬電路板及金屬散熱板接合于陶瓷基板。

根據(jù)本發(fā)明，可以得到對超聲波接合具有優(yōu)異的耐裂紋性的陶瓷電路基板。

具體實施方式

(陶瓷電路基板)

本發(fā)明涉及的陶瓷電路基板的特征在于，在陶瓷基板的一面接合有金屬電路板，在另一面接合有金屬散熱板，接合后的金屬電路板的粒徑為20μm以上且70μm以下。

通過使接合后的金屬電路板的結晶粒徑為20μm以上且70μm以下，能夠使超聲波接合時的耐裂紋性提高。金屬電路板的結晶粒徑優(yōu)選為20μm以上且65μm以下，更優(yōu)選為20μm以上且62μm以下。

作為本發(fā)明的陶瓷電路基板中使用的陶瓷基板，沒有特殊的限定，能夠使用氮化硅、氮化鋁等氮化物系陶瓷，氧化鋁、氧化鋯等氧化物系陶瓷，碳化硅等碳化物系陶瓷，硼化鑭等硼化物系陶瓷等。但是，由于采用活性金屬法將金屬板接合于陶瓷基板，所以優(yōu)選氮化鋁、氮化硅等非氧化物系陶瓷，進而，從優(yōu)異的導熱性的觀點考慮優(yōu)選氮化鋁基板。

陶瓷基板的厚度沒有特殊的限定，優(yōu)選0.2mm以上且1.5mm以下。通過設為1.5mm以下，能夠抑制熱阻變大，通過設為0.2mm以上，能夠抑制耐久性降低。

金屬電路板及金屬散熱板中使用的金屬只要是能夠適用活性金屬法的金屬即可，沒有特殊的限定，可以為銅、鋁、鐵、鎳、鉻、銀、鉬、鈷的單質或其合金等，特別是從導電性、散熱性的觀點考慮，優(yōu)選銅板。需要說明的是，金屬電路板及金屬散熱板可以由相同種類金屬構成，也可以由不同種類構成。

銅板的純度優(yōu)選為90％以上。通過使純度為90％以上，在將陶瓷基板與銅板接合時，能夠防止銅板與焊料的反應變得不充分，防止銅板變硬、電路基板的可靠性降低。

銅板的厚度沒有特別的限定，通常為0.1mm以上且1.5mm以下，特別是從散熱性的觀點考慮，優(yōu)選為0.2mm以上，從耐熱循環(huán)特性的觀點考慮，優(yōu)選為0.5mm以下。

對于銅板的種類而言，可以為壓延銅箔、電解銅箔等，沒有特別的限定，為了使與陶瓷基板接合后的重結晶粒徑微細，更優(yōu)選電解銅箔。另外，也可以使陶瓷基板的電路側為電解銅箔、使散熱面?zhèn)葹閴貉鱼~箔。另外，在電路面?zhèn)仁褂脡貉鱼~箔時，也可以通過接合時的升溫速度、冷卻速度等溫度條件的最優(yōu)化，實現(xiàn)微細化。

本發(fā)明中使用的金屬電路、金屬散熱板與陶瓷基板的接合，可以經(jīng)由焊料層進行。因此，陶瓷基板具有將金屬散熱板、焊料層、陶瓷基板、焊料層、金屬電路板按照此順序層合而成的結構。該焊料層含有Ag、Cu或Ag-Cu合金和Ti、Zr、Hf等活性金屬成分。

對于焊料層中的Ti、Zr、Hf等活性金屬成分的含有比例，相對于Ag、Cu或Ag-Cu合金的總量100質量份，為0.5質量份以上，優(yōu)選為2.0質量份以上，為10質量份以下，優(yōu)選為6.0質量份以下。

另外，在本發(fā)明的其它方案中，也能夠形成下述陶瓷電路基板，其特征在于，在陶瓷基板的一面接合有金屬電路、在另一面接合有金屬散熱板，以真空度為1×10^-3Pa以下、接合溫度為780℃～850℃、保持時間為10～60分鐘接合，接合后的金屬電路板的重結晶粒徑小于100μm。

進而，在其它方案中，也能夠形成下述陶瓷電路基板，其特征在于，在陶瓷基板的一面接合金屬電路，在另一面經(jīng)由Ag-Cu系焊料層接合金屬散熱板，以接合時的真空度為1×10^-3Pa以下、接合溫度為780℃～850℃、保持時間為10～60分鐘接合，接合后的金屬電路板的重結晶粒徑小于100μm，陶瓷基板由氮化鋁形成。

(制造方法)

陶瓷基板可以如下制造：分別在陶瓷基板的一面配置金屬電路形成用金屬板、在另一面配置散熱板形成用金屬板，以真空度為1×10^-3Pa以下、接合溫度為780℃以上且850℃以下、保持時間10分鐘以上且60分鐘以下，將金屬電路板及金屬散熱板接合于陶瓷基板。

陶瓷電路基板的接合溫度在真空度1×10^-3Pa以下的真空爐中優(yōu)選為780℃以上且850℃以下的溫度，其保持時間優(yōu)選為10分鐘以上且60分鐘以下。通過使接合溫度為780℃以上、保持時間為10分鐘以上，能夠避免因Ti化合物的生成不充分而不能部分地接合等問題。通過使接合溫度為850℃以下、保持時間為60分鐘以下，能夠抑制在高溫或保持時間過長時產(chǎn)生的、接合時的熱膨脹率差導致的熱應力增加，防止耐熱循環(huán)性降低。

本發(fā)明中使用的金屬電路及金屬散熱板與陶瓷基板之間的接合，能夠通過使用焊料的活性金屬釬焊法進行。該焊料可以使用含有Ag、Cu或Ag-Cu合金和Ti、Zr、Hf等活性金屬成分的焊料。例如，作為焊料，可以使用含有Ag、Cu及Ti等活性金屬的合金箔，也可以使用使這些單質金屬或合金粉末分散在聚異丁烷甲基丙烯酸酯(polyisobutene methacrylate)等粘合劑及松油醇等中而成的糊劑。對于調制而成的糊劑，通過絲網(wǎng)印刷法、輥涂法等涂布在陶瓷基板的表面及背面，在其表面配置金屬電路形成用金屬板，在背面配置散熱板形成用金屬板。

為了將電路圖案形成于已接合的陶瓷電路基板，將抗蝕劑涂布在金屬板上進行蝕刻。對于抗蝕劑，沒有特別的限定，例如，可以使用通常采用的紫外線固化型、熱固化型。對于抗蝕劑的涂布方法，沒有特殊的限制，可以采用例如絲網(wǎng)印刷法等公知的涂布方法。

為了形成電路圖案，進行銅板的蝕刻處理。對于蝕刻液，也沒有特殊的限制，可以使用通常采用的氯化鐵溶液、氯化銅溶液、硫酸、雙氧水等，作為優(yōu)選例，可以舉出氯化鐵溶液、氯化銅溶液。在通過蝕刻除去了不需要的金屬部分的氮化物陶瓷電路基板上，殘留有涂布的焊料、其合金層、氮化物層等，通常使用鹵化銨水溶液、硫酸、硝酸等無機酸、含有雙氧水的溶液將它們除去。電路形成后剝離抗蝕劑時，對于剝離方法沒有特殊的限定，通常為浸漬在堿水溶液中的方法等。

實施例

[實施例1]

在厚度0.635mm的氮化鋁基板的兩面，涂布活性金屬焊料，所述活性金屬焊料中相對于銀粉末(福田金屬箔粉工業(yè)(株式會社)制造：AgC-BO)90質量份及銅粉末(福田金屬箔粉工業(yè)(株式會社)制造：SRC-Cu-20)10質量份的總計100質量份含有3.5質量份鈦(大阪鈦技術(株式會社)制造：TSH-350)。然后，在表面重疊電路形成用銅板，在背面重疊散熱板形成用銅板(均為電解銅箔)，在真空氣氛下(6.5×10^-4Pa)、在800℃下保持20分鐘，由此制造銅板與氮化鋁基板的接合體。

將已接合的電路基板用含有氯化銅的蝕刻液進行蝕刻，形成電路。進而，將焊料層用氟化銨/過氧化氫蝕刻液進行蝕刻，制作氮化鋁電路基板。

所得的氮化鋁電路基板的金屬電路板的結晶粒徑的測定、超聲波接合評價及熱循環(huán)試驗，如下實施。

＜結晶粒徑＞

使用光學顯微鏡(50倍)觀察陶瓷電路基板的金屬電路板表面。確認任意10分區(qū)的1mm×1mm區(qū)域中的結晶的最長距離，求出其平均值，作為結晶粒徑。結果如表1所示。

＜超聲波接合評價＞

將1.5mm厚的銅電極材用(Adwelds Corporation制造UP-Lite3000)在負荷1200N、頻率20kHz、振幅50μm、接合時間0.4秒的條件下接合。接合后，通過蝕刻除去銅電極及電路基板的銅板，用光學顯微鏡觀察陶瓷基板的表面。對于超聲波接合而言，在每1條件下實施16處，將裂紋產(chǎn)生處分成以下3級。

A：0處、B：1～8處、C：9～16處

＜熱循環(huán)試驗評價＞

將所制作的陶瓷電路基板投入熱沖擊試驗，將以-40℃×30分鐘、125℃×30分鐘為1循環(huán)的熱沖擊試驗進行500次循環(huán)后，通過蝕刻除去銅板，用光學顯微鏡(50倍)觀察在陶瓷基板的表面上產(chǎn)生的裂紋的產(chǎn)生狀態(tài)。熱循環(huán)試驗實施10片，在測量裂紋長度中，使用最大值，分成以下3級。

A：未觀察到裂紋

B：觀察到長度小于100μm的裂紋

C：觀察到長度100μm以上的裂紋

考慮各評價，作為綜合評價，按照以下3級進行評價。

○：超聲波接合評價及熱循環(huán)試驗評價中均為A級

△：超聲波接合評價或熱循環(huán)試驗評價中的任意一項為B級

×：超聲波接合評價或熱循環(huán)試驗評價中的任意一項為C級

[實施例2～5、比較例1～5]

改變表1所示的條件，除此之外與實施例1相同地進行。

[表1]

如上所述，根據(jù)本發(fā)明可以提供一種陶瓷電路基板，通過超聲波接合將銅電極接合在陶瓷電路基板時，能夠在陶瓷基板不產(chǎn)生裂紋地接合，能夠提高組件的可靠性。