特許ウォッチ

公開番号2025065002
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-04-17
出願番号2024164955
出願日2024-09-24
発明の名称銅/セラミックス接合体、および、絶縁回路基板
出願人三菱マテリアル株式会社
代理人個人,個人,個人,個人
主分類C04B 37/02 20060101AFI20250410BHJP(セメント;コンクリート;人造石;セラミックス;耐火物)
要約【課題】厳しい冷熱サイクルを負荷した場合であっても、セラミックス部材と銅部材との接合性に優れ、冷熱サイクル信頼性に優れた銅/セラミックス接合体を提供する。
【解決手段】銅部材と、セラミックス部材とが接合されてなる銅/セラミックス接合体であって、前記銅部材は、Cuの含有量が99.96mass%以上とされており、液槽にて-65℃で5分保持と150℃で5分保持を1サイクルとする熱サイクル試験を3000サイクル実施後において、前記銅部材の厚さ方向に沿った断面における平均結晶粒径が100μm以下である。
【選択図】なし
特許請求の範囲【請求項１】
銅部材と、セラミックス部材とが接合されてなる銅／セラミックス接合体であって、
前記銅部材は、Ｃｕの含有量が９９．９６ｍａｓｓ％以上とされており、
液槽にて－６５℃で５分保持と１５０℃で５分保持を１サイクルとする熱サイクル試験を３０００サイクル実施後において、前記銅部材の厚さ方向に沿った断面における平均結晶粒径が１００μｍ以下であることを特徴とする銅／セラミックス接合体。
続きを表示（約 1,000 文字）【請求項２】
前記銅部材において、前記セラミックス部材との接合界面から１００μｍ離間した位置におけるナノインデンテーション硬度が０．４０ＧＰａ以上１．０３ＧＰａ以下の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の銅／セラミックス接合体。
【請求項３】
前記銅部材は、Ｃａ，Ｂａ，Ｓｒ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｙ，Ｓｃ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕから選択される１種又は２種以上のＡ群元素、および、Ｏ，Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅから選択される１種又は２種以上のＢ群元素のいずれか一方又は両方を合計量で１０ｍａｓｓｐｐｍ以上３００ｍａｓｓｐｐｍ以下の範囲内で含有していることを特徴とする請求項１に記載の銅／セラミックス接合体。
【請求項４】
前記銅部材に、Ｃｕと、前記Ａ群元素および前記Ｂ群元素のいずれか一方または両方とを含む化合物粒子が析出していることを特徴とする請求項３に記載の銅／セラミックス接合体。
【請求項５】
セラミックス基板の表面に、銅板が接合されてなる絶縁回路基板であって、
前記銅板は、Ｃｕの含有量が９９．９６ｍａｓｓ％以上とされており、
液槽にて－６５℃で５分保持と１５０℃で５分保持を１サイクルとする熱サイクル試験を３０００サイクル実施後において、前記銅板の厚さ方向に沿った断面における平均結晶粒径が１００μｍ以下であることを特徴とする絶縁回路基板。
【請求項６】
前記銅板において、前記セラミックス基板との接合界面から１００μｍ離間した位置におけるナノインデンテーション硬度が０．４０ＧＰａ以上１．０３ＧＰａ以下の範囲内であることを特徴とする請求項５に記載の絶縁回路基板。
【請求項７】
前記銅板は、Ｃａ，Ｂａ，Ｓｒ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｙ，Ｓｃ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕから選択される１種又は２種以上のＡ群元素、および、Ｏ，Ｓ，Ｓｅ，Ｔｅから選択される１種又は２種以上のＢ群元素のいずれか一方又は両方を合計量で１０ｍａｓｓｐｐｍ以上３００ｍａｓｓｐｐｍ以下の範囲内で含有していることを特徴とする請求項５に記載の絶縁回路基板。
【請求項８】
前記銅板に、前記Ａ群元素および前記Ｂ群元素のいずれか一方または両方を含む化合物粒子が析出していることを特徴とする請求項７に記載の絶縁回路基板。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
この発明は、銅部材と、セラミックス部材とが接合されてなる銅／セラミックス接合体、および、セラミックス基板の表面に銅板が接合されてなる絶縁回路基板に関するものである。
続きを表示（約 2,200 文字）【背景技術】
【０００２】
パワーモジュール、ＬＥＤモジュールおよび熱電モジュールにおいては、絶縁層の一方の面に導電材料からなる回路層を形成した絶縁回路基板に、パワー半導体素子、ＬＥＤ素子および熱電素子が接合された構造とされている。
例えば、風力発電、電気自動車、ハイブリッド自動車等を制御するために用いられる大電力制御用のパワー半導体素子は、動作時の発熱量が多いことから、これを搭載する基板としては、セラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に導電性の優れた金属板を接合して形成した回路層と、セラミックス基板の他方の面に金属板を接合して形成した放熱用の金属層と、を備えた絶縁回路基板が、従来から広く用いられている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、セラミックス基板の一方の面および他方の面に、銅板を接合することにより回路層および金属層を形成した絶縁回路基板が提案されている。この特許文献１においては、セラミックス基板の一方の面および他方の面に、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材を介在させて銅板を配置し、加熱処理を行うことにより銅板が接合されている（いわゆる活性金属ろう付け法）。この活性金属ろう付け法では、活性金属であるＴｉが含有されたろう材を用いているため、溶融したろう材とセラミックス基板との濡れ性が向上し、セラミックス基板と銅板とが良好に接合されることになる。
ここで、回路層には半導体素子が接合されるとともに、金属層にはヒートシンク等が接合される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
特許第３２１１８５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、最近では、絶縁回路基板に搭載される半導体素子の発熱温度が高くなる傾向にあるとともに、大電流用途で使用されることがある。このため、回路層および金属層を構成する銅材として、電気伝導性および熱伝導性に特に優れた純銅材を用いることが考えられる。
しかしながら、純銅材は、熱処理を行った際に、容易に結晶粒が粗大化するとともに、結晶粒径が大きくばらつくことになる。
【０００６】
ここで、絶縁回路基板においては、厳しい熱サイクルが負荷されることがあり、回路層および金属層において結晶粒の粗大化や不均一な結晶成長が発生し、回路層および金属層の内部（特に結晶粒界）にひずみが偏在することになる。このように、回路層および金属層においてひずみが偏在することで、回路層および金属層の内部の降伏応力が不均一となり、回路層および金属層の硬化や変形が生じ、回路層および金属層とセラミックス部材との接合信頼性が低下するおそれがあった。また、回路層および金属層に他の部材（半導体素子、ヒートシンク等）を接合する場合には、回路層および金属層と他の部材との接合信頼性が低下するおそれがあった。
【０００７】
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、厳しい冷熱サイクルを負荷した場合であっても、セラミックス部材と銅部材との接合性に優れ、冷熱サイクル信頼性に優れた銅／セラミックス接合体、および、この銅／セラミックス接合体からなる絶縁回路基板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前述の課題を解決するために、本発明の態様１の銅／セラミックス接合体は、銅部材と、セラミックス部材とが接合されてなる銅／セラミックス接合体であって、前記銅部材は、Ｃｕの含有量が９９．９６ｍａｓｓ％以上とされており、液槽（ガルデン液）にて－６５℃で５分保持と１５０℃で５分保持を１サイクルとする熱サイクル試験を３０００サイクル実施後において、前記銅部材の厚さ方向に沿った断面における平均結晶粒径が１００μｍ以下であることを特徴としている。
【０００９】
本発明の態様１の銅／セラミックス接合体においては、前記銅部材におけるＣｕの含有量が９９．９６ｍａｓｓ％以上とされているので、銅部材の電気伝導性および熱伝導性に特に優れている。
そして、液槽（ガルデン液）にて－６５℃で５分保持と１５０℃で５分保持を１サイクルとする熱サイクル試験を３０００サイクル実施後において、前記銅部材の厚さ方向に沿った断面における平均結晶粒径が１００μｍ以下とされているので、厳しい熱サイクルを負荷しても、結晶粒の粗大化や不均一な結晶成長が生じず、ひずみが偏在することが抑制され、前記銅部材の硬化や変形を抑制できる。
【００１０】
本発明の態様２の銅／セラミックス接合体は、態様１の銅／セラミックス接合体において、前記銅部材において、前記セラミックス部材との接合界面から１００μｍ離間した位置におけるナノインデンテーション硬度が０．４０ＧＰａ以上１．０３ＧＰａ以下の範囲内であることを特徴としている。
本発明の態様２の銅／セラミックス接合体によれば、前記セラミックス部材との接合界面から１００μｍ離間した位置におけるナノインデンテーション硬度が０．４０ＧＰａ以上１．０３ＧＰａ以下の範囲内とされているので、銅部材のセラミックス部材との接合界面が必要以上の硬化することがなく、銅部材とセラミックス部材との接合信頼性をさらに向上させることができる。
（【００１１】以降は省略されています）

関連特許