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金属-陶瓷接合基板及其制造方法.pdf

  • 上传人:Y948****062
  • 文档编号:10865
  • 上传时间:2018-01-11
  • 格式:PDF
  • 页数:16
  • 大小:1.39MB
  • 摘要
    申请专利号:

    CN201280077193.X

    申请日:

    2012.11.20

    公开号:

    CN104798195A

    公开日:

    2015.07.22

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情:

    授权|||实质审查的生效IPC(主分类):H01L 23/13申请日:20121120|||公开

    IPC分类号:

    H01L23/13; C04B37/02; C04B41/91; H05K1/05

    主分类号:

    H01L23/13

    申请人:

    同和金属技术有限公司; 株式会社德山

    发明人:

    小山内英世; 北村征宽; 青木洋人; 金近幸博; 菅原研; 武田靖子

    地址:

    日本东京

    优先权:

    专利代理机构:

    上海专利商标事务所有限公司31100

    代理人:

    金明花; 刘多益

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    内容摘要

    以由氮化铝烧结体构成的陶瓷基板(10)的残余应力在-50MPa以下、陶瓷基板(10)与金属板(14)的接合面的算术平均粗糙度Ra为0.15~0.30μm、十点平均粗糙度Rz为0.7~1.1μm、最大高度Ry为0.9~1.7μm、陶瓷基板(10)的抗弯强度为500MPa以下、沿着陶瓷基板(10)的表面所形成的残余应力层(10a)的厚度为25μm以下的条件,在进行将液体中包含球状氧化铝作为磨粒的浆料喷射至陶瓷基板(10)的表面的湿式喷砂处理后,在由该湿式喷砂处理得到的陶瓷基板(10)上通过钎料(12)接合由铜或铜合金构成的金属板(14),从而制造陶瓷基板(10)和金属板(14)的接合强度优异,并且耐热循环特性优异的金属-陶瓷接合基板。

    权利要求书

    1.  金属-陶瓷接合基板,其为在陶瓷基板上接合金属板而成的金属-陶瓷接合基板,其特征在于,陶瓷基板为氮化铝基板,陶瓷基板的残余应力在-50MPa以下、且陶瓷基板与金属板的接合面的算术平均粗糙度Ra为0.15~0.30μm。

    2.
      如权利要求1所述的金属-陶瓷接合基板,其特征在于,所述陶瓷基板与金属板的接合面的十点平均粗糙度Rz为0.7~1.1μm。

    3.
      如权利要求1所述的金属-陶瓷接合基板,其特征在于,所述陶瓷基板与金属板的接合面的最大高度Ry为0.9~1.7μm。

    4.
      如权利要求1所述的金属-陶瓷接合基板,其特征在于,所述陶瓷基板的抗弯强度为500MPa以下。

    5.
      如权利要求1所述的金属-陶瓷接合基板,其特征在于,沿着所述陶瓷基板的表面所形成的残余应力层的厚度为25μm以下。

    6.
      如权利要求1所述的金属-陶瓷接合基板,其特征在于,在所述陶瓷基板上通过钎料接合所述金属板。

    7.
      如权利要求1所述的金属-陶瓷接合基板,其特征在于,所述金属板是由铜或铜合金构成的金属板。

    8.
      金属-陶瓷接合基板的制造方法,其为在陶瓷基板上接合金属板而成的金属-陶瓷接合基板的制造方法,其特征在于,使用氮化铝基板作为陶瓷基板,以陶瓷基板的残余应力为-50MPa以下、且陶瓷基板与金属板的接合面的算术平均粗糙度Ra达到0.15~0.30μm的条件,进行将液体中包含磨粒的浆料喷射至陶瓷基板的表面的处理,将金属板接合在经过该处理得到的陶瓷基板上。

    9.
      如权利要求8所述的金属-陶瓷接合基板的制造方法,其特征在于,喷射所述浆料的处理以所述陶瓷基板与金属板的接合面的十点平均粗糙度Rz达到0.7~1.1μm的条件进行。

    10.
      如权利要求8所述的金属-陶瓷接合基板的制造方法,其特征在于,喷射所述浆料的处理以所述陶瓷基板与金属板的接合面的最大高度Ry达到 0.9~1.7μm的条件进行。

    11.
      如权利要求8所述的金属-陶瓷接合基板的制造方法,其特征在于,喷射所述浆料的处理以所述陶瓷基板的抗弯强度降低的条件进行。

    12.
      如权利要求8所述的金属-陶瓷接合基板的制造方法,其特征在于,喷射所述浆料的处理以所述陶瓷基板的抗弯强度达到500MPa以下的条件进行。

    13.
      如权利要求8所述的金属-陶瓷接合基板的制造方法,其特征在于,喷射所述浆料的处理以沿着所述陶瓷基板的表面所形成的残余应力层的厚度达到25μm以下的条件进行。

    14.
      如权利要求8所述的金属-陶瓷接合基板的制造方法,其特征在于,在所述陶瓷基板上通过钎料接合所述金属板。

    15.
      如权利要求8所述的金属-陶瓷接合基板的制造方法,其特征在于,所述金属板是由铜或铜合金构成的金属板。

    16.
      如权利要求8所述的金属-陶瓷接合基板的制造方法,其特征在于,所述磨粒由球状氧化铝构成。

    17.
      如权利要求8所述的金属-陶瓷接合基板的制造方法,其特征在于,将所述液体中包含磨粒的浆料喷射至陶瓷基板的处理是如下处理:将包含10~30体积%的比所述陶瓷基板的硬度高的磨粒的浆料与压缩空气一起,以施加于被处理面的压力达到0.10~0.25MPa的条件向所述陶瓷基板喷射0.02~1.0秒。

    说明书

    金属-陶瓷接合基板及其制造方法
    技术领域
    本发明涉及金属-陶瓷接合基板及其制造方法,特别涉及在由氮化铝构成的陶瓷基板上接合金属板而得的金属-陶瓷接合基板及其制造方法。
    背景技术
    以往,为了控制汽车、电气列车、工作机械等的大功率而使用功率模块,作为该功率模块用的绝缘基板,使用在陶瓷基板的表面上接合金属电路板而得的金属-陶瓷接合电路基板。
    近年来的功率模块用的绝缘基板的情况下,由于基板上搭载的半导体芯片等的电子构件的高输出功率化及高密度安装化,发热量增大,使用了由具有高热导率的氮化铝烧结体构成的陶瓷基板的金属-陶瓷接合电路基板的使用增加。
    这样的金属-陶瓷接合电路基板中使用的陶瓷基板通常通过将氮化铝粉末的多块成形体层叠、进行烧成来制作,所以为了防止陶瓷基板之间的粘接,在成形体间配置BN粉等脱模材料,该脱模材料在烧成后残留在陶瓷基板的表面。在使用这样的脱模材料残留在表面的陶瓷基板时,存在金属-陶瓷接合电路基板的陶瓷基板和金属电路板的接合强度降低的问题。
    为了解决该问题,提出了在对陶瓷基板的表面进行喷射磨粒的搪磨处理(日文:ホーニング処理)后,将金属板接合在陶瓷基板上的方法(例如参照日本专利特开2002-171037号公报、日本专利特开2005-89265号公报)。
    但是,这样的方法的情况下,由于来源于金属-陶瓷接合电路基板上所搭载的半导体芯片等的电子构件的反复发热,存在金属-陶瓷接合电路基板的陶瓷基板的强度降低、或者陶瓷基板容易产生裂纹、耐热循环特性下降的问题。
    发明内容
    因此,本发明鉴于上述的现有技术的问题,其目的是提供一种陶瓷基板和金属板的接合强度优异、且耐热循环特性优异的金属-陶瓷接合基板及其制造方法。
    本发明人为了解决上述技术问题进行了认真研究,结果发现通过在由残余应力为-50MPa以下、且与金属板的接合面的算术平均粗糙度Ra为0.15~0.30μm的氮化铝构成的陶瓷基板上接合金属板,能够制造陶瓷基板和金属板的接合强度优异、且耐热循环特性优异的金属-陶瓷接合基板,从而完成了本发明。
    即,本发明的金属-陶瓷接合基板是在陶瓷基板上接合金属板而成的金属-陶瓷接合基板,其特征是,陶瓷基板为氮化铝基板,陶瓷基板的残余应力为-50MPa以下、且陶瓷基板与金属板的接合面的算术平均粗糙度Ra为0.15~0.30μm。
    该金属-陶瓷接合基板中,陶瓷基板与金属板的接合面的十点平均粗糙度Rz较好是0.7~1.1μm,陶瓷基板与金属板的接合面的最大高度Ry较好是0.9~1.7μm。此外,陶瓷基板的抗弯强度较好是500MPa以下,沿着陶瓷基板的表面所形成的残余应力层的厚度较好是25μm以下。此外,较好是在陶瓷基板上通过钎料接合金属板,金属板较好是由铜或铜合金构成的金属板。
    此外,本发明的金属-陶瓷接合基板的制造方法是在陶瓷基板上接合金属板而成的金属-陶瓷接合基板的制造方法,其特征是,使用氮化铝基板作为陶瓷基板,以陶瓷基板的残余应力为-50MPa以下、且陶瓷基板与金属板的接合面的算术平均粗糙度Ra达到0.15~0.30μm的条件,进行将液体中包含磨粒的浆料喷射至陶瓷基板的表面的处理,将金属板接合在经该处理得到的陶瓷基板上。
    该金属-陶瓷接合基板的制造方法中,喷射浆料的处理较好是以陶瓷基板与金属板的接合面的十点平均粗糙度Rz达到0.7~1.1μm、陶瓷基板与金属板的接合面的最大高度Ry达到0.9~1.7μm的条件进行。此外,喷射浆料的处理较好是以陶瓷基板的抗弯强度降低的条件进行,且较好是以陶瓷基板的抗弯强度达到500MPa以下的条件进行。此外,喷射浆料的处理较好是以沿着陶瓷基板的表面所形成的残余应力层的厚度达到25μm以下的条件进行。此外,较好是在陶瓷基板上通过钎料接合金属板,金属板较好是由铜或铜合金构成的金 属板。此外,磨粒较好是由球状氧化铝构成。此外,将液体中包含磨粒的浆料喷射至陶瓷基板的处理是如下处理:将包含10~30体积%的比陶瓷基板的硬度高的磨粒的浆料与压缩空气一起,以施加于被处理面的压力达到0.10~0.25MPa的条件向陶瓷基板喷射0.02~1.0秒。
    另外,本说明书中,“残余应力”表示根据X射线衍射角通过sin2ψ法算出的残余应力,残余应力以“-”(负)的数值表示时表示压缩残余应力,残余应力以“+”(正)的数值表示时表示拉伸残余应力。
    此外,本说明书中,“残余应力层”是沿着陶瓷基板的表面所形成的层,表示在陶瓷基板的表面和达到(与通常的氮化铝基板大致相同的破坏韧性值)2.1MPa·m1/2的破坏韧性值的部分(自陶瓷基板的表面起计的规定深度的部分)之间所形成的压缩残余应力层。
    根据本发明,鉴于这样的现有技术的问题,能够制造陶瓷基板和金属板的接合强度优异、且耐热循环特性优异的金属-陶瓷接合基板。
    附图说明
    图1是表示本发明的金属-陶瓷接合基板的实施方式的剖视图。
    图2是表示图1的金属-陶瓷接合基板的陶瓷基板的剖视图。
    具体实施方式
    下面,参照附图,对本发明的金属-陶瓷接合基板及其制造方法的实施方式进行详细说明。
    本发明的金属-陶瓷接合基板的实施方式如图1所示,具备陶瓷基板10、和在该陶瓷基板10上(直接或通过钎料12)接合的金属板14。
    陶瓷基板10的残余应力为-50MPa以下(高于50MPa的压缩残余应力),较好是-60MPa以下。另外,如果压缩残余应力过大,则陶瓷基板10可能会破裂,所以陶瓷基板10的残余应力较好是在-200MPa以上(低于200MPa的压缩残余应力),更好是-150MPa以上。
    该陶瓷基板10的残余应力可通过作为残余应力的非破坏测定法的通常的X射线应力测定法算出。这样的X射线应力测定法中,通过将固体受到应力时 发生变化的晶格面间隔作为X射线衍射角的变化进行测定,从而非破坏地算出赋予该固体的残余应力。例如,使用X射线衍射装置,以若干入射角ψ对由氮化铝烧结体构成的陶瓷基板10照射特征X射线,测定各入射角ψ时的AlN的规定晶格面的衍射峰的衍射角2θ,通过sin2ψ法(在表示2θ和sin2ψ的关系的2θ-sin2ψ曲线图上进行绘图而得到直线的斜率,将该斜率乘以规定的压力常数而算出残余应力的方法)可算出陶瓷基板10的残余应力。另外,固体内若发生内部应力(固有形变),衍射峰不会在规定的2θ的位置发生,产生角度偏差Δ2θ,所以只要将X射线源置于固定状态,以X射线照射点为中心使X射线检测器摆动,增加满足衍射条件的概率,检测出衍射X射线的衍射角度的偏差量Δ2θ即可(将这样的固定X射线源,仅摇动X射线检测器的测定方法称为“ψ0固定法”)。
    关于这样的陶瓷基板10的残余应力的计算,在使用市售的X射线应力测定装置(例如,株式会社理学(株式会社リガク)制的微小部X射线应力测定装置AutoMATEII)时,可根据衍射峰的测定结果通过sin2ψ法自动实施。
    另外,陶瓷基板10的残余应力以“-”(负)的数值表示时,作为内部应力(固有形变)的一种的压缩残余应力会赋予陶瓷基板10中,压缩残余应力越高,该数值的绝对值越大。另一方面,陶瓷基板10的残余应力以“+”(正)的数值表示时,拉伸残余应力会赋予陶瓷基板10中。
    陶瓷基板10与金属板14的接合面的算术平均粗糙度Ra为0.15~0.30μm,较好是0.15~0.25μm。陶瓷基板10与金属板14的接合面的十点平均粗糙度Rz较好是0.7~1.1μm。陶瓷基板10与金属板14的接合面的最大高度Ry较好是0.9~1.7μm,更好是0.9~1.6μm。陶瓷基板10与金属板14的接合面的算术平均粗糙度Ra超过0.30μm时,由氮化铝烧结体构成的陶瓷基板10的被处理面的AlN晶粒的脱粒变得显著,陶瓷基板10的被处理面的表面粗糙度变得过大,提高金属-陶瓷接合基板的耐热循环特性的效果不充分。
    陶瓷基板10的抗弯强度较好是500MPa以下,更好是450MPa以下,最好是420MPa以下。如果陶瓷基板10的抗弯强度超过500MPa,则金属-陶瓷接合基板的耐热循环特性有时会降低。另外,如果陶瓷基板10的抗弯强度低于250MPa,则金属-陶瓷接合基板的耐热循环特性降低,所以陶瓷基板10的抗 弯强度较好是250MPa以上,更好是300MPa以上。
    此外,如图2所示,较好是沿着陶瓷基板10的表面形成残余应力层10a,该残余应力层10a的厚度在25μm以下。
    本发明的金属-陶瓷接合基板的制造方法的实施方式中,在陶瓷基板10上(直接或通过钎料12)接合金属板14而得的金属-陶瓷接合基板的制造方法中,作为陶瓷基板10使用氮化铝基板,陶瓷基板10的残余应力在-50MPa以下(高于50MPa的压缩残余应力),较好是在-60MPa以下,且以陶瓷基板10与金属板14的接合面的算术平均粗糙度Ra达到0.15~0.30μm、优选0.15~0.25μm的条件,进行将液体中包含磨粒的浆料喷射在陶瓷基板10的表面的湿式喷砂处理(湿式喷射处理或液体搪磨处理),在由该处理得到的陶瓷基板10上接合金属板14。该湿式喷砂处理较好是以陶瓷基板10与金属板14的接合面的十点平均粗糙度Rz达到0.7~1.1μm的条件进行,较好是以陶瓷基板10与金属板14的接合面的最大高度Ry达到0.9~1.7μm、优选0.9~1.6μm的条件进行。此外,该湿式喷砂处理较好是以陶瓷基板10的抗弯强度降低的条件进行,在陶瓷基板10的抗弯强度较好是达到500MPa以下、更好是450MPa以下、最好是420MPa以下,且较好是达到250MPa以上、更好是300MPa以上的条件下进行。此外,湿式喷砂处理较好是以沿着陶瓷基板10的表面所形成的残余应力层10a的厚度达到25μm以下的条件进行。
    本实施方式的金属-陶瓷接合基板的制造方法中,使用由氮化铝烧结体构成的氮化铝基板作为陶瓷基板10。作为该氮化铝烧结体,可使用平均结晶粒径较好为0.5~20μm、更好为2~7μm的氮化铝烧结体。这样的氮化铝烧结体可通过对平均粒径为0.1~15μm、优选0.5~5μm的氮化铝粉末的成形体进行烧成而得到。
    该氮化铝粉末的成形体可根据需要包含烧结助剂和有机粘合剂等。作为烧结助剂,可使用例如氧化钇(Y2O3)、氧化铒(Er2O3)、氧化镱(Yb2O3)等稀土金属氧化物,Ca、Ba、Sr等碱土金属元素的氧化物等,特别优选使用氧化钇。在氮化铝粉末的成形体中添加的烧结助剂的量较好是相对于氮化铝粉末为1~10质量%。如果烧结助剂的量超过10质量%,则有可能导致氮化铝烧结体的热导率的下降等。另一方面,如果烧结助剂的量不足1质量%,则有可能氮化铝烧 结体的烧结性下降,导致气孔(日文:ポア)的增大等。此外,作为有机粘合剂,可使用例如聚乙烯醇缩丁醛、乙基纤维素类、丙烯酸树脂类等,为了将氮化铝粉末良好地成形,较好使用丙烯酸树脂类及聚乙烯醇缩丁醛。
    氮化铝烧结体的厚度较好是0.3~1.5mm。如果氮化铝烧结体的厚度超过1.5mm,则有时会陶瓷基板10的热阻增大、散热性降低。另一方面,如果氮化铝烧结体的厚度低于0.3mm,则陶瓷基板10的强度大幅变差,并且有时会绝缘电压降低、金属-陶瓷接合基板的可靠性降低。
    本实施方式的金属-陶瓷接合基板的制造方法中,进行将液体中包含磨粒的浆料喷射在陶瓷基板10的表面的湿式喷砂处理。作为该湿式喷砂处理中使用的浆料中的磨粒,优选使用比氮化铝烧结体的硬度高的磨粒,特别优选使用比氮化铝烧结体的维氏硬度Hv高50以上的磨粒,更优选使用高100以上的磨粒(特别是维氏硬度Hv为1060~2500的磨粒)。作为这样的磨粒,可使用氧化铝、氧化锆、碳化硅等的磨粒,从获得的容易度考虑,工业上特别优选使用氧化铝的磨粒。磨粒的平均粒径优选为10~60μm,更优选15~30μm。此外,磨粒的形状优选为球状。
    该浆料的液体只要是能将磨粒分散的液体即可,例如可使用水、及醇等有机溶剂。该浆料优选含有10~30体积%的磨粒。磨粒的含量不足10体积%时,金属-陶瓷接合基板的耐热循环特性的提高效果不充分,另一方面,超过30体积%时,喷射浆料的喷嘴的孔容易堵塞,此外,容易发生磨粒的循环不良。
    该浆料较好是与压缩空气一起,以施加于陶瓷基板10的被处理面的压力达到0.10~0.25MPa的条件喷射至陶瓷基板10的被处理面。施加于被处理面的压力超过0.25MPa时,即使使用粒径小的磨粒,由氮化铝烧结体构成的陶瓷基板10的被处理面的AlN结晶粒子的脱粒变得明显,陶瓷基板10的被处理面的表面粗糙度变得过大,金属-陶瓷接合基板的耐热循环特性的提高效果不充分。
    将该浆料喷射至陶瓷基板10的被处理面的时间(处理时间)优选为0.02~1.0秒,更优选0.05秒~0.2秒。处理时间少于0.02秒时,从陶瓷基板10除去脱模材料不充分,金属-陶瓷接合基板的强度及耐热循环特性的提高效果不充分。另一方面,处理时间超过1.0秒时,由氮化铝烧结体构成的陶瓷基板10 的被处理面的AlN结晶粒子的脱粒变得显著,陶瓷基板10的被处理面的表面粗糙度变得过大,金属-陶瓷接合基板的耐热循环特性的提高效果不充分,生产性也降低。
    本实施方式的金属-陶瓷接合基板的制造方法中,将湿式喷砂处理的条件预先设为如下条件即可,即陶瓷基板10的残余应力达到-50MPa以下(高于50MPa的压缩残余应力)、优选-60MPa以下,且陶瓷基板10与金属板14的接合面的算术平均粗糙度Ra达到0.15~0.30μm(更好是十点平均粗糙度Rz为0.7~1.1μm,最大高度Ry为0.9~1.7μm,陶瓷基板10的抗弯强度为500MPa以下,沿着陶瓷基板10的表面所形成的残余应力层10a的厚度为25μm以下)。
    在由此进行了湿式喷砂处理的陶瓷基板10的至少一面上直接或通过钎料12接合金属板14。作为金属板14,除了由铜或铜合金构成的金属板,可以使用由铝或铝合金构成的金属板等。在陶瓷基板10上通过钎料12接合金属板14时,较好使用Ag-Cu系钎料中包含0.5~10重量%的选自Ti、Zr、Hf、Nb等的至少1种的活性金属的活性金属钎料。将这样的钎料12以厚度5~30μm左右、优选10~20μm左右涂布在陶瓷基板10上,在其上层叠金属板14后,在惰性气体气氛中或真空中,以700~900℃左右的温度进行热处理,从而可制造金属-陶瓷接合基板。
    另外,在该金属-陶瓷接合基板的各金属板14上形成规定的电路图案形状及散热板形状的抗蚀剂,用试液进行蚀刻除去不需要的金属板14和钎料12,之后,在电路图案形状和散热板形状的金属板上实施镀敷,可制造金属-陶瓷电路基板。
    下面,对本发明的金属-陶瓷接合基板及其制造方法的实施例进行详细说明。
    实施例1
    首先,准备由长51.5mm×宽46.5mm×厚度0.6mm的氮化铝的烧结体构成的陶瓷基板。
    对于该陶瓷基板,在负载速率0.5mm/分钟、跨距30mm的测定条件下,以在与陶瓷基板的长边方向垂直的方向上与上部的支点接触的方式负载该陶瓷 基板(根据JIS R1601“精细陶瓷的弯曲强度试验方法”),进行3点弯曲试验,测定抗弯强度,结果是陶瓷基板的(初期的)抗弯强度为450MPa。
    此外,对于该陶瓷基板,使用X射线应力测定装置(株式会社理学制的微小部X射线应力测定装置AutoMATEII)测定衍射峰的衍射角,算出残余应力,结果是陶瓷基板的被处理面的任意4点(n=4)中,赋予陶瓷基板的残余应力的平均值为-26MPa的压缩残余应力。另外,衍射峰的衍射角的测定中,作为X射线入射法使用ψ0固定法(将X射线源固定且仅摆动X射线检测器的测定方法),作为检测器扫描法使用ISO倾角法(日文:並傾法)(使用晶格面角度ψ的设定面和衍射角2θ的扫描面在同一面内的光学体系的方法)。此外,作为特征X射线使用Cr-Kα射线,将X射线管电压设为40kV、X射线管电流设为40mA、X射线束直径设为φ2mm、X射线照射时间设为60秒。此外,作为AlN的规定的晶格面,在无形变的状态下使用以2θ=120.4°为中心的AlN的(112)面,将ψ角的摆动角设为±1°、ψ测定点数设为10点、解析角度设为117.9°~122.5°。
    此外,对于该陶瓷基板的表面粗糙度,根据由接触式表面粗糙度计(株式会社三丰(株式会社ミツトヨ)制的SJ201P)测定的结果,基于JIS B0601(1994年)算出作为表示表面粗糙度的参数的算术平均粗糙度Ra、十点平均粗糙度Rz,结果是算术平均粗糙度Ra为0.207μm、十点平均粗糙度Rz为2.105μm。
    接着,对该陶瓷基板的各表面用湿式喷砂装置(马科株式会社(マコー株式会社)制的PFE-300)进行了处理。该湿式喷砂处理通过下述方法进行,即,将水中包含20体积%的平均粒径(D50)20~24μm的球状氧化铝磨粒的浆料(从开口面积46.5mm2的喷嘴)以气压(吐出压力)0.125MPa向陶瓷基板的表面喷射0.05秒(使被喷射浆料的被处理面的面积为48.8mm2)。另外,将吐出压力记作P1(MPa),将由浆料施加于陶瓷基板的被处理面的压力记作P2(MPa),将喷嘴的开口面积记作S1(mm2),将被喷射浆料的被处理面的面积记作S2(mm2),根据P2=P1×S1/S2算出施加于陶瓷基板的被处理面的压力P2,结果为0.119MPa。
    对于该湿式喷砂处理后的陶瓷基板,通过与上述相同的方法测定抗弯强度,结果为408MPa。
    此外,对于湿式喷砂处理后的陶瓷基板,通过与上述相同的方法算出残余 应力,结果赋予陶瓷基板的残余应力的平均值为-78MPa的压缩残余应力。
    此外,对于湿式喷砂处理后的陶瓷基板的表面粗糙度,通过与上述相同的方法算出算术平均粗糙度Ra、十点平均粗糙度Rz、最大高度Ry,结果是算术平均粗糙度Ra为0.180μm、十点平均粗糙度Rz为0.860μm、最大高度Ry为1.080μm。
    接着,在该湿式喷砂处理后的陶瓷基板的两面涂布包含30质量%的Cu和1.5质量%的Ti、剩余部分由Ag构成的Ag-Cu-Ti类钎料糊料后,隔着该钎料糊料,在陶瓷基板的各面叠加由长51.5mm×宽46.5mm×厚度0.25mm的无氧铜构成的(电路图案用)金属板、和由长51.5mm×宽46.5mm×厚度0.25mm的无氧铜构成的(散热用)金属板,并投入接合炉中,在真空中加热至850℃,将金属板接合在陶瓷基板上。将该接合体从炉中取出后,在各金属板上形成规定的电路图案形状和散热板形状的抗蚀剂,用试液进行蚀刻除去不需要的金属板和钎料,之后,在电路图案形状和散热板形状的金属板上通过Ni-P无电解镀敷形成厚度2μm的镀敷皮膜,制造了金属-陶瓷电路基板。
    对于由此制造的金属-陶瓷电路基板,测定通炉处理(在380℃下加热10分钟后恢复至室温的热循环)前的(初期的)抗弯强度,结果以10块相同的金属-陶瓷电路基板的平均值计为600MPa,通炉处理3次后的抗弯强度以10块相同的金属-陶瓷电路基板的平均值计为545MPa,以10块相同的金属-陶瓷电路基板的最小值计为419MPa。另外,金属-陶瓷电路基板的抗弯强度通过与陶瓷基板的抗弯强度相同的方法测定。此外,在通炉处理50次后,将金属板从金属-陶瓷电路基板剥离,用40倍的放大镜进行目视观察,结果确认到即使在通炉处理50次后,也没有在陶瓷基板的厚度方向贯穿的裂纹(贯穿裂纹)。
    另外,将金属板从金属-陶瓷电路基板剥离,通过与湿式喷砂处理后的陶瓷基板的残余应力相同的方法计算陶瓷基板的残余应力,结果与(金属-陶瓷电路基板的制作前的)湿式喷砂处理后的陶瓷基板的残余应力相比几乎没有变化。
    实施例2
    除了将吐出压力设为0.150MPa,将被处理面的压力设为0.143MPa以外,通过与实施例1相同的方法,进行了陶瓷基板的湿式喷砂处理。
    对于该湿式喷砂处理后的陶瓷基板,通过与实施例1同样的方法,计算抗弯强度、残余应力和表面粗糙度,结果是抗弯强度为416MPa,残余应力为-90MPa,作为表示表面粗糙度的参数的算术平均粗糙度Ra为0.182μm,十点平均粗糙度Rz为0.980μm,最大高度Ry为1.340μm。
    此外,通过与实施例1同样的方法,制造金属-陶瓷接合基板,测定抗弯强度,并且观察有无通炉处理后的贯穿裂纹,结果是通炉处理前的(初期的)抗弯强度的平均值为650MPa,通炉处理3次后的抗弯强度的平均值为500MPa,通炉处理3次后的抗弯强度的最小值为427MPa,确认到即使在通炉处理50次后,在陶瓷基板的厚度方向上也没有贯穿裂纹。
    实施例3
    除了将吐出压力设为0.175MPa,将被处理面的压力设为0.167MPa以外,通过与实施例1相同的方法,进行了陶瓷基板的湿式喷砂处理。
    对于该湿式喷砂处理后的陶瓷基板,通过与实施例1同样的方法,计算抗弯强度、残余应力和表面粗糙度,结果是抗弯强度为336MPa,残余应力为-80MPa,作为表示表面粗糙度的参数的算术平均粗糙度Ra为0.176μm,十点平均粗糙度Rz为0.780μm,最大高度Ry为1.000μm。
    此外,通过与实施例1同样的方法,制造金属-陶瓷接合基板,测定抗弯强度,并且观察有无通炉处理后的贯穿裂纹,结果是通炉处理前的(初期的)抗弯强度的平均值为615MPa,通炉处理3次后的抗弯强度的平均值为505MPa,通炉处理3次后的抗弯强度的最小值为377MPa,确认到即使在通炉处理50次后,在陶瓷基板的厚度方向上也没有贯穿裂纹。
    实施例4
    除了将吐出压力设为0.200MPa,将被处理面的压力设为0.191MPa以外,通过与实施例1相同的方法,进行了陶瓷基板的湿式喷砂处理。
    对于该湿式喷砂处理后的陶瓷基板,通过与实施例1同样的方法,计算抗弯强度、残余应力和表面粗糙度,结果是抗弯强度为329MPa,残余应力为-95MPa,作为表示表面粗糙度的参数的算术平均粗糙度Ra为0.180μm,十点平均粗糙度Rz为0.820μm,最大高度Ry为1.640μm。
    此外,通过与实施例1同样的方法,制造金属-陶瓷接合基板,测定抗弯 强度,并且观察有无通炉处理后的贯穿裂纹,结果是通炉处理前的(初期的)抗弯强度的平均值为600MPa,通炉处理3次后的抗弯强度的平均值为550MPa,通炉处理3次后的抗弯强度的最小值为475MPa,确认到即使在通炉处理50次后,在陶瓷基板的厚度方向上也没有贯穿裂纹。
    实施例5
    除了将吐出压力设为0.225MPa,将被处理面的压力设为0.214MPa以外,通过与实施例1相同的方法,进行了陶瓷基板的湿式喷砂处理。
    对于该湿式喷砂处理后的陶瓷基板,通过与实施例1同样的方法,计算抗弯强度、残余应力和表面粗糙度,结果是抗弯强度为373MPa,残余应力为-75MPa,作为表示表面粗糙度的参数的算术平均粗糙度Ra为0.207μm,十点平均粗糙度Rz为0.967μm,最大高度Ry为1.267μm。
    此外,通过与实施例1同样的方法,制造金属-陶瓷接合基板,测定抗弯强度,并且观察有无通炉处理后的贯穿裂纹,结果是通炉处理前的(初期的)抗弯强度的平均值为597MPa,通炉处理3次后的抗弯强度的平均值为550MPa,通炉处理3次后的抗弯强度的最小值为394MPa,确认到即使在通炉处理50次后,在陶瓷基板的厚度方向上也没有贯穿裂纹。
    实施例6
    除了将球状氧化铝磨粒的平均粒径(D50)设为49~53μm以外,通过与实施例1相同的方法,进行了陶瓷基板的湿式喷砂处理。
    对于该湿式喷砂处理后的陶瓷基板,通过与实施例1同样的方法,计算抗弯强度、残余应力和表面粗糙度,结果是抗弯强度为339MPa,残余应力为-80MPa,作为表示表面粗糙度的参数的算术平均粗糙度Ra为0.158μm,十点平均粗糙度Rz为0.940μm,最大高度Ry为1.260μm。
    此外,通过与实施例1同样的方法,制造金属-陶瓷接合基板,测定抗弯强度,并且观察有无通炉处理后的贯穿裂纹,结果是通炉处理前的(初期的)抗弯强度的平均值为585MPa,通炉处理3次后的抗弯强度的平均值为495MPa,通炉处理3次后的抗弯强度的最小值为395MPa,确认到即使在通炉处理50次后,在陶瓷基板的厚度方向上也没有贯穿裂纹。
    实施例7
    除了将球状氧化铝磨粒的平均粒径(D50)设为49~53μm以外,通过与实施例5相同的方法,进行了陶瓷基板的湿式喷砂处理。
    对于该湿式喷砂处理后的陶瓷基板,通过与实施例1同样的方法,计算抗弯强度、残余应力和表面粗糙度,结果是抗弯强度为283MPa,残余应力为-100MPa,作为表示表面粗糙度的参数的算术平均粗糙度Ra为0.160μm,十点平均粗糙度Rz为1.001μm,最大高度Ry为1.489μm。
    此外,通过与实施例1同样的方法,制造金属-陶瓷接合基板,测定抗弯强度,并且观察有无通炉处理后的贯穿裂纹,结果是通炉处理前的(初期的)抗弯强度的平均值为534MPa,通炉处理3次后的抗弯强度的平均值为464MPa,通炉处理3次后的抗弯强度的最小值为393MPa,确认到即使在通炉处理25次后,在陶瓷基板的厚度方向上也没有贯穿裂纹,但是确认到在通炉处理30次后在陶瓷基板的厚度方向上产生了贯穿裂纹。
    比较例1
    用搪磨装置(株式会社石井表记(株式会社石井表記)制的喷射刮擦研磨纸(日文:ジェットスクラブ研磨紙))对与实施例1相同的陶瓷基板的各表面进行了处理。该搪磨处理通过下述方法进行,即,将由平均粒径50μm的氧化铝(粒度#280)构成的磨粒(从开口面积3mm2的喷嘴)以气压(吐出压力)0.300MPa向陶瓷基板的表面喷射15秒(使被喷射磨粒的被处理面的面积为159mm2)。另外,将吐出压力记作P1(MPa),将由浆料施加于陶瓷基板的被处理面的压力记作P2(MPa),将喷嘴的开口面积记作S1(mm2),将被喷射浆料的被处理面的面积记作S2(mm2),根据P2=P1×S1/S2算出施加于陶瓷基板的被处理面的压力P2,结果为0.006MPa。
    对于该搪磨处理后的陶瓷基板,通过与实施例1同样的方法,计算抗弯强度、残余应力和表面粗糙度,结果是抗弯强度为549MPa,残余应力为-40MPa,作为表示表面粗糙度的参数的算术平均粗糙度Ra为0.135μm,十点平均粗糙度Rz为0.702μm,最大高度Ry为0.980μm。
    此外,通过与实施例1同样的方法,制造金属-陶瓷接合基板,测定抗弯强度,并且观察有无通炉处理后的贯穿裂纹,结果是通炉处理前的(初期的)抗弯强度的平均值为545MPa,通炉处理3次后的抗弯强度的平均值为282MPa, 通炉处理3次后的抗弯强度的最小值为229MPa,确认到在通炉处理20次后,在陶瓷基板的厚度方向上产生了贯穿裂纹。
    比较例2
    除了进行2次比较例1的搪磨处理以外,通过与比较例1同样的方法,进行了陶瓷基板的搪磨处理。
    对于该搪磨处理后的陶瓷基板,通过与实施例1同样的方法,计算抗弯强度、残余应力和表面粗糙度,结果是抗弯强度为568MPa,残余应力为-43MPa,作为表示表面粗糙度的参数的算术平均粗糙度Ra为0.153μm,十点平均粗糙度Rz为0.794μm,最大高度Ry为0.950μm。
    此外,通过与实施例1同样的方法,制造金属-陶瓷接合基板,测定抗弯强度,并且观察有无通炉处理后的贯穿裂纹,结果是通炉处理前的(初期的)抗弯强度的平均值为555MPa,通炉处理3次后的抗弯强度的平均值为330MPa,通炉处理3次后的抗弯强度的最小值为275MPa,确认到在通炉处理20次后,在陶瓷基板的厚度方向上产生了贯穿裂纹。
    比较例3
    除了使用水中包含20体积%的由平均粒径57μm的氧化铝(粒度#320)构成的磨粒的浆料,将吐出压力设为0.150MPa,将被处理面的压力设为0.143MPa以外,通过与实施例1同样的方法,进行了陶瓷基板的湿式喷砂处理。
    对于该湿式喷砂处理后的陶瓷基板,通过与实施例1同样的方法,计算抗弯强度、残余应力和表面粗糙度,结果是抗弯强度为434MPa,残余应力为-37MPa,作为表示表面粗糙度的参数的算术平均粗糙度Ra为0.134μm,十点平均粗糙度Rz为0.774μm,最大高度Ry为0.922μm。
    此外,通过与实施例1同样的方法,制造金属-陶瓷接合基板,测定抗弯强度,并且观察有无通炉处理后的贯穿裂纹,结果是通炉处理前的(初期的)抗弯强度的平均值为542MPa,通炉处理3次后的抗弯强度的平均值为252MPa,通炉处理3次后的抗弯强度的最小值为182MPa,确认到在通炉处理25次后,在陶瓷基板上产生了贯穿裂纹。
    比较例4
    除了使用水中包含20体积%的由平均粒径28μm的氧化铝(粒度#600)构 成的磨粒的浆料,将吐出压力设为0.250MPa,将被处理面的压力设为0.238MPa以外,通过与实施例1同样的方法,进行了陶瓷基板的湿式喷砂处理。
    对于该湿式喷砂处理后的陶瓷基板,通过与实施例1同样的方法,计算抗弯强度、残余应力和表面粗糙度,结果是抗弯强度为392MPa,残余应力为-38MPa,作为表示表面粗糙度的参数的算术平均粗糙度Ra为0.186μm,十点平均粗糙度Rz为1.294μm,最大高度Ry为1.758μm。
    此外,通过与实施例1同样的方法,制造金属-陶瓷接合基板,测定抗弯强度,并且观察有无通炉处理后的贯穿裂纹,结果是通炉处理前的(初期的)抗弯强度的平均值为547MPa,通炉处理3次后的抗弯强度的平均值为248MPa,通炉处理3次后的抗弯强度的最小值为210MPa,确认到在通炉处理20次后,在陶瓷基板上产生了贯穿裂纹。
    比较例5
    除了将吐出压力设为0.250MPa,将被处理面的压力设为0.238MPa以外,通过与实施例1相同的方法,进行了陶瓷基板的湿式喷砂处理。
    对于该湿式喷砂处理后的陶瓷基板,通过与实施例1同样的方法,计算抗弯强度、残余应力和表面粗糙度,结果是抗弯强度为375MPa,残余应力为-80MPa,作为表示表面粗糙度的参数的算术平均粗糙度Ra为0.578μm,十点平均粗糙度Rz为2.988μm,最大高度Ry为3.966μm。
    此外,通过与实施例1同样的方法,制造金属-陶瓷接合基板,测定抗弯强度,并且观察有无通炉处理后的贯穿裂纹,结果是通炉处理前的(初期的)抗弯强度的平均值为509MPa,通炉处理3次后的抗弯强度的平均值为212MPa,通炉处理3次后的抗弯强度的最小值为173MPa,确认到在通炉处理20次后,在陶瓷基板上产生了贯穿裂纹。
    此外,为了计算由实施例1~7和比较例1~5得到的湿式喷砂处理后的陶瓷基板的残余应力层的厚度,在对各陶瓷基板的表面进行研磨加工仅除去厚度25μm后,将维氏压头压入研磨加工面,测定自压痕伸展的裂纹的长度,算出破坏韧性值,结果均在2.1MPa·m1/2以下。根据该结果可知,这些陶瓷基板的残余应力层的厚度均在25μm以下。
    另外,陶瓷基板的研磨加工中,作为研磨机使用卧式平面研削盘(横滨陶 瓷株式会社(ヨコハマセラミックス株式会社)制的YCC-H1),并使用磨石(则武有限公司(株式会社ノリタケカンパニーリミテド)制)来进行。另外,破坏韧性值通过下述方法算出,即,根据JIS R1617(2002年)的IF(Indentation Fracture)法,利用维氏硬度试验机(株式会社三丰制的AVK-CO),采用压入荷重49N、保持时间15秒,测定自压痕伸展的裂纹的长度,根据Kc=0.026(E1/2P1/2a)/C3/2(式中,Kc为破坏韧性值(MPa·m1/2),E为杨氏模量(Pa)=280MPa,P为压入荷重(N),C为裂纹的长度的平均值的一半(m),a为压痕的对角线的长度的平均值的一半(m))算出。
    此外,将实施例5、7和比较例1、5中得到的金属-陶瓷电路基板沿厚度方向切割,将其截面的接合界面附近用电场发射型扫描电子显微镜(FE-SEM)(JEOL社制JSM-6700F)放大1万倍,对70视场(日文:視野)进行观察,结果发现实施例5中存在15条、实施例7中存在16条、比较例1中存在2条、比较例5中存在20条宽度为0.1μm以下(在金属-陶瓷电路基板的厚度方向上延伸5μm左右)的超微细裂纹,钎料侵入到这些超微细裂纹内。实施例5和7中,这样的钎料侵入的超微细裂纹数量较多,由此可认为即使在通炉处理50次后,也能防止在陶瓷基板的厚度方向上产生贯穿裂纹。
    将这些实施例和比较例的陶瓷基板的湿式喷砂处理或搪磨处理的条件示于表1中,将它们的处理后的陶瓷基板的抗弯强度、残余应力、残余应力层的厚度、表面粗糙度、超微细裂纹数示于表2中,将使用这些陶瓷基板而制造的金属-陶瓷电路基板的通炉处理前后的抗弯强度和产生贯穿裂纹的通炉处理次数示于表3中。
    [表1]
    表1

    [表2]
    表2

    [表3]
    表3

    根据表1~表3可知,金属-陶瓷电路基板的通炉处理3次后的抗弯强度在比较例1~5中是平均值为330MPa以下(最小值为275MPa以下)的较低值,与此相对,在实施例1~7中是平均值为464MPa以上(最小值为377MPa以上)的较高值,此外,陶瓷基板上产生贯穿裂纹的通炉处理次数在比较例1~5中 是25次以下的较低值,与此相对,在实施例7中虽然是25~30次,但在实施例1~6中是50次以上的较高值。由这些结果可知,实施例1~7的金属-陶瓷电路基板与比较例1~5的金属-陶瓷电路基板相比,耐热循环特性优异。

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    金属 陶瓷 接合 及其 制造 方法
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