氧化物系陶瓷電路基板的制造方法以及氧化物系陶瓷電路基板的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種氧化物系陶瓷電路基板的制造方法，其是通過在氧化物系陶瓷基板上配置銅板而形成層疊體的工序、以及加熱所得到的層疊體的工序，從而將氧化物系陶瓷基板和銅板一體接合而成的氧化物系陶瓷電路基板的接合方法，其特征在于，所述加熱的工序具有：在1065～1085℃之間有加熱溫度的極大值的第一加熱區(qū)域?qū)盈B體進(jìn)行加熱的工序，接著在1000～1050℃之間有加熱溫度的極小值的第二加熱區(qū)域?qū)盈B體進(jìn)行加熱的工序，進(jìn)而在1065～1120℃之間有加熱溫度的極大值的第三加熱區(qū)域?qū)盈B體進(jìn)行加熱而形成接合體的工序；之后在冷卻區(qū)域?qū)⒃摻雍象w冷卻。根據(jù)所述構(gòu)成，可以得到耐熱循環(huán)（TCT）特性優(yōu)良的氧化物系陶瓷電路基板。
【專利說明】氧化物系陶瓷電路基板的制造方法以及氧化物系陶瓷電路基板
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及氧化物系陶瓷電路基板的制造方法以及氧化物系陶瓷電路基板，特別涉及耐熱循環(huán)(TCT )特性優(yōu)良的氧化物系陶瓷電路基板及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]以前，作為搭載功率晶體管等半導(dǎo)體元件的電路基板，陶瓷電路基板被廣泛地使用。作為成為陶瓷電路基板的基材的陶瓷基板，使用的是氧化鋁燒結(jié)體和氧化鋁與氧化鋯的混合燒結(jié)體等氧化物系陶瓷、以及氮化鋁燒結(jié)體和氮化硅燒結(jié)體等氮化物系陶瓷。近年來，正在進(jìn)行氮化物系陶瓷的高熱傳導(dǎo)化。為此，在要求高熱傳導(dǎo)性的產(chǎn)品中，使用氮化物系陶瓷電路基板。
[0003]另一方面，氧化物系陶瓷基板與氮化物系陶瓷相比，由于比較廉價(jià)，所以被用于不要求較高熱傳導(dǎo)性的產(chǎn)品。另外，在制作氧化物系陶瓷電路基板的情況下，通過被稱之為直接接合法(DBC:direct bonding copper)的接合法,可以進(jìn)行銅電路板和氧化物系陶瓷基板的接合。在氮化物系陶瓷基板的情況下，需要使用含有Ti等活性金屬的活性金屬焊料作為接合劑，與此相對(duì)照，在直接接合法中，由于不需要使用Ti等活性金屬，所以價(jià)格優(yōu)勢(shì)較大。
[0004]直接接合法例如正如日本特開平1-59986號(hào)公報(bào)(專利文獻(xiàn)I)和日本特開平4-144978號(hào)公報(bào)(專利文獻(xiàn)2)中記載的那樣，是利用氧和銅的共晶組合物進(jìn)行接合的方 法。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0006]專利文獻(xiàn)
[0007]專利文獻(xiàn)1:日本特開平1-59986號(hào)公報(bào)
[0008]專利文獻(xiàn)2:日本特開平4-144978號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]發(fā)明所要解決的課題
[0010]在專利文獻(xiàn)2所示的接合方法中，通過侵蝕氧化鋁電路基板的銅板表面，以除去銅板表面的氧化物層，從而可以得到熱循環(huán)試驗(yàn)(TCT試驗(yàn))的耐久性優(yōu)良的電路基板。然而，侵蝕工序成為價(jià)格上升的主要原因。另一方面，在進(jìn)行侵蝕工序而未除去銅板表面的氧化物層的氧化鋁電路基板中，存在難以謀求TCT特性的提高的問題。
[0011]本發(fā)明是為了解決上述的問題而完成的，其目的在于提供一種使用直接接合法而使TCT特性以及接合強(qiáng)度優(yōu)良的氧化物系陶瓷電路基板。
[0012]用于解決課題的手段
[0013]本發(fā)明涉及一種氧化物系陶瓷電路基板的制造方法，其是通過在氧化物系陶瓷基板上配置銅板而形成層疊體的工序、以及加熱所得到的層疊體的工序，從而將氧化物系陶瓷基板和銅板一體接合而成的氧化物系陶瓷電路基板的接合方法，其特征在于，所述加熱的工序具有:在1065~1085°C之間有加熱溫度的極大值的第一加熱區(qū)域?qū)盈B體進(jìn)行加熱的工序，接著在1000~1050°C之間有加熱溫度的極小值的第二加熱區(qū)域?qū)盈B體進(jìn)行加熱的工序，進(jìn)而在1065~1120°C之間有加熱溫度的極大值的第三加熱區(qū)域?qū)盈B體進(jìn)行加熱而形成接合體的工序；之后在冷卻區(qū)域?qū)⒔雍象w冷卻。
[0014]另外，在所述氧化物系陶瓷電路基板的制造方法中，所述加熱工序優(yōu)選通過將配置有銅板的氧化物系陶瓷基板載置在托盤上，使用帶式爐來實(shí)施，所述帶式爐一邊以傳送速度(帶速)為70~270mm/分鐘的帶式傳送機(jī)傳送托盤，一邊連續(xù)地進(jìn)行各加熱工序。另外，所述托盤優(yōu)選的是由鎳合金構(gòu)成。另外，所述銅板優(yōu)選具有通過壓力加工而形成有多個(gè)電路元件和連接這些電路元件的橋接部的電路結(jié)構(gòu)，在將所述銅板和氧化物系陶瓷基板接合后，再除去所述橋接部。另外，優(yōu)選在將所述氧化物系陶瓷基板和銅板接合后，通過蝕刻工序形成電路結(jié)構(gòu)。另外，優(yōu)選所述加熱工序在氮?dú)鈿夥罩袑?shí)施。
[0015]另外，所述帶式爐優(yōu)選具有入口簾的氮流量(A)和出口簾的氮流量(B)之比A/B被控制在0.2以下的氮?dú)夥铡?br> [0016]另外，所述氧化物系陶瓷基板優(yōu)選由氧化鋁燒結(jié)體、以及包含氧化鋁和氧化鋯的混合燒結(jié)體之中的任一種構(gòu)成。另外，優(yōu)選具有在所述銅板的配置于氧化物系陶瓷基板的面上設(shè)置氧化膜的工序。再者，所述銅板的接合強(qiáng)度優(yōu)選為9.5kgf/cm以上。另外，所述銅板中的碳含量?jī)?yōu)選為0.1~1.0質(zhì)量％。
[0017]另外，本發(fā)明涉及一種氧化物系陶瓷電路基板，其是采用直接接合法將銅板和氧化物系陶瓷基板接合而成的氧化物系陶瓷電路基板，其特征在于:在剝離銅板時(shí)，銅板的與氧化物系陶瓷基板的接合面?zhèn)鹊你~面積率相對(duì)于每單位面積3000 μ mX3000 μ m為60%以下，所述銅板的接合強(qiáng)度 為9.5kgf/cm以上。
[0018]另外，在所述氧化物系陶瓷電路基板中，所述氧化物系陶瓷基板優(yōu)選由氧化鋁燒結(jié)體、以及包含氧化鋁和氧化鋯的混合燒結(jié)體之中的任一種構(gòu)成。另外，優(yōu)選對(duì)于將使所述氧化物系陶瓷電路基板在溫度_40°C下保持30分鐘，其次在溫度25°C下保持10分鐘，接著在溫度125°C下保持30分鐘，繼而在溫度25°C下保持10分鐘的加熱工序設(shè)定為一個(gè)循環(huán)的熱循環(huán)試驗(yàn)(TCT)，即使在實(shí)施100個(gè)循環(huán)的該熱循環(huán)試驗(yàn)之后，氧化物系陶瓷基板也不會(huì)產(chǎn)生裂紋。
[0019]另外，所述氧化物系陶瓷基板的密度優(yōu)選為3.60~3.79g/cm3。另外，優(yōu)選對(duì)于將使所述氧化物系陶瓷電路基板在溫度_40°C下保持30分鐘，其次在溫度25°C下保持10分鐘，接著在溫度125°C下保持30分鐘，繼而在溫度25°C下保持10分鐘的加熱工序設(shè)定為一個(gè)循環(huán)的熱循環(huán)試驗(yàn)(TCT)，即使在實(shí)施100個(gè)循環(huán)的該熱循環(huán)試驗(yàn)之后，所述銅板的接合強(qiáng)度為6.5kgf/cm以上。
[0020]另外，所述銅板的厚度優(yōu)選為0.2~0.5mm。另外，所述氧化物系陶瓷基板的表面粗糙度Ra優(yōu)選為0.1~0.7μπι。另外，優(yōu)選在所述銅板的晶界存在氧。另外，所述銅板的平均結(jié)晶粒徑優(yōu)選為300~800 μ m。另外，所述銅板的碳含量?jī)?yōu)選為0.1~1.0質(zhì)量％。
[0021]發(fā)明的效果
[0022]根據(jù)本發(fā)明的氧化物系陶瓷電路基板的制造方法，由于在規(guī)定的第一加熱區(qū)域、第二加熱區(qū)域、第三加熱區(qū)域?qū)嵤┘訜峁ば?，因而可以使由共晶產(chǎn)生的接合反應(yīng)穩(wěn)定化，所以能夠提高陶瓷電路基板的制造成品率。另外，本發(fā)明的氧化物系陶瓷電路基板的接合強(qiáng)度較高，從而可以提高TCT特性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是表示本發(fā)明的氧化物系陶瓷電路基板的一實(shí)施例的構(gòu)成的剖視圖。
[0024]圖2是表示本發(fā)明的氧化物系陶瓷電路基板的制造方法的一實(shí)施例的剖視圖。
[0025]圖3是表示本發(fā)明的氧化物系陶瓷電路基板的制造方法中的溫度分布的一個(gè)例子的曲線圖。
[0026]圖4是表示本發(fā)明的氧化物系陶瓷電路基板的制造方法的其它實(shí)施例的剖視圖。【具體實(shí)施方式】
[0027]本實(shí)施方式涉及一種氧化物系陶瓷電路基板的制造方法，其是通過在氧化物系陶瓷基板上配置銅板而形成層疊體的工序、以及加熱所得到的層疊體的工序，從而將氧化物系陶瓷基板和銅板一體接合而成的氧化物系陶瓷電路基板的接合方法，其特征在于:所述加熱的工序具有:在1065~1085°C之間有加熱溫度的極大值的第一加熱區(qū)域?qū)盈B體進(jìn)行加熱的工序，接著在1000~1050°C之間有加熱溫度的極小值的第二加熱區(qū)域?qū)盈B體進(jìn)行加熱的工序，進(jìn)而在1065~1120°C之間有加熱溫度的極大值的第三加熱區(qū)域?qū)盈B體進(jìn)行加熱而形成接合體的工序；之后在冷卻區(qū)域?qū)⒔雍象w冷卻。
[0028]圖1示出了氧化物系陶瓷電路基板的構(gòu)成例。圖中，符號(hào)I為氧化物系陶瓷電路基板，符號(hào)11為氧化物系陶瓷基板，符號(hào)12為銅電路板(電路用銅板)，符號(hào)13為背面金屬板(背面銅板)。
[0029]首先，氧化物系陶瓷基板11優(yōu)選的是氧化鋁燒結(jié)體、以及包含氧化鋁和氧化鋯的混合燒結(jié)體之中的任一種。氧化鋁燒結(jié)體也可以含有8質(zhì)量％以下的Si成分、Ca成分、Mg成分、Na成分等燒結(jié)助劑。另外，氧化鋁和氧化鋯的混合燒結(jié)體優(yōu)選的是氧化鋯為10~90質(zhì)量％、剩余部分為氧化鋁的燒結(jié)體。此外，根據(jù)需要，也可以含有8質(zhì)量％以下的燒結(jié)助劑。
[0030]另外,銅板優(yōu)選使用由含有100~1000質(zhì)量ppm氧的電解韌銅構(gòu)成的銅板。另外，在使用氧含量低于100質(zhì)量ppm的銅板的情況下，優(yōu)選在銅板的與氧化物系陶瓷基板的接合面?zhèn)刃纬裳趸~膜。氧化銅膜的形成方法可以列舉出對(duì)銅板進(jìn)行熱處理而直接氧化的方法、和涂布氧化銅粉末的漿料的方法等。具體地說，通過實(shí)施于大氣中，在溫度為150~360°C的范圍將銅板加熱20~120秒的表面氧化處理來形成。
[0031]在此，在氧化銅膜的厚度低于1μ m的情況下，由于Cu-O共晶的發(fā)生量減少，所以基板和銅電路板的未接合部分較多，提高接合強(qiáng)度的效果較少。另一方面，即使氧化銅層的厚度過大而超過10μm，接合強(qiáng)度的改善效果也較少，反而妨礙銅電路板的導(dǎo)電特性。因此，在銅電路板表面形成的氧化銅層的厚度優(yōu)選的是1~10μm的范圍。而且根據(jù)同樣的理由，更優(yōu)選的是2~5μm的范圍。在使用氧化銅粉末的漿料的情況下，使用平均粒徑為1~5 μ m的氧化銅粉末，形成厚度為1~10 μ m的氧化銅膜，然后進(jìn)行干燥或熱處理。
[0032]另外，銅板優(yōu)選含有0.1~1.0質(zhì)量％的碳。碳由于作為脫氧劑而發(fā)揮作用，所以能夠得到使銅板(韌銅(tough pitch copper)或無氧銅)中的氧向銅板表面移動(dòng)的效果。向銅板表面移動(dòng)的氧可以被有效地用于形成進(jìn)行直接接合法時(shí)的Cu-O共晶。在碳含量低于0.1質(zhì)量％時(shí)，沒有含有的效果，如果超過1.0質(zhì)量％，則碳含量過于增加，從而使銅板的導(dǎo)電性降低。
[0033]本發(fā)明使用的接合方法是直接接合法(DBC:direct bonding copper)。直接接合法就是在氧化物系陶瓷基板11上，接觸配置銅電路板12、背面銅板13而進(jìn)行加熱，從而在接合界面生成Cu-Cu20、Cu-O等共晶液相，在該液相的作用下，與氧化物系陶瓷基板的潤濕性得以提高，接著使該液相冷卻凝固，從而將氧化物系陶瓷基板和銅板直接接合在一起。由于利用銅和氧的共晶，所以需要在接合面形成銅和氧存在的形態(tài)。
[0034]銅和氧的共晶液相的生成在1065°C以上的溫度下發(fā)生。另一方面，由于銅的熔點(diǎn)是1083°C，所以如果溫度過高，則銅板發(fā)生熔化。為此，在1065~1085°C的溫度范圍進(jìn)行接合。在以往的直接接合法中，在溫度1065~1085°C下進(jìn)行熱處理之后，直接進(jìn)入恢復(fù)到常溫的冷卻工序。
[0035]與此相對(duì)照，在本發(fā)明的氧化物系陶瓷電路基板的制造方法中，所述加熱的工序包括:在1065~1085°C之間有極大值的第一加熱區(qū)域、接著在1000~1050°C之間有極小值的第二加熱區(qū)域、進(jìn)而在1065~1120°C之間有極大值的第三加熱區(qū)域，之后成為冷卻區(qū)域。
[0036]圖2示出了本發(fā)明的氧化物系陶瓷電路基板的制造方法的一個(gè)例子。在圖2中，符號(hào)I是氧化物系陶瓷 電路基板，2是托盤，3是帶式傳送機(jī)。載置在托盤2上的氧化物系陶瓷電路基板I的層疊體正如在圖中的箭頭所示的那樣，通過帶式傳送機(jī)3，相向地從左邊傳送到右邊。
[0037]圖2例示出了將配置有接合前的氧化物系陶瓷電路基板I的托盤2配置在帶式傳送機(jī)3上，用帶式傳送機(jī)3傳送托盤2的帶式爐6。此外，本發(fā)明只要具有后述的第一加熱區(qū)域、第二加熱區(qū)域、第三加熱區(qū)域，就不限定于上述帶式爐6。
[0038]首先，在加熱的工序中，形成在1065~1085°C的溫度范圍內(nèi)有加熱溫度的極大值的第一加熱區(qū)域。第一加熱區(qū)域的形成可以通過調(diào)整位于與第一加熱區(qū)域相當(dāng)?shù)牟糠值募訜崞?未圖不)的輸出溫度來形成。
[0039]在上述第一加熱區(qū)域后(2次側(cè):secondary side),形成在1000~1050°C的溫度范圍內(nèi)有加熱溫度的極小值的第二加熱區(qū)域，接著形成在1065~1120°C的溫度范圍內(nèi)有加熱溫度的極大值的第三加熱區(qū)域，繼而進(jìn)入冷卻工序。關(guān)于溫度調(diào)節(jié)，可以通過改變位于各自區(qū)域的加熱器的輸出溫度進(jìn)行調(diào)整。需要連續(xù)實(shí)施上述第一加熱區(qū)域、第二加熱區(qū)域、第三加熱區(qū)域的加熱工序。為此，優(yōu)選一邊用帶式爐6傳送，一邊使其通過各自的溫度區(qū)域的方法。
[0040]圖3表示了本發(fā)明的氧化物系陶瓷電路基板的制造方法中的加熱工序的溫度分布的一個(gè)例子。如圖3所示，在銅和氧的共晶反應(yīng)所發(fā)生的1065~1085°C的溫度范圍(第一加熱區(qū)域)對(duì)層疊體進(jìn)行加熱后，降低到共晶反應(yīng)不會(huì)發(fā)生的1000~1064°C的溫度范圍(第二加熱區(qū)域)而實(shí)施層疊體的加熱工序，再次提高到共晶反應(yīng)所發(fā)生的1065~1120°C的溫度范圍(第三加熱區(qū)域)實(shí)施加熱工序。
[0041]作為這樣的溫度分布，就是提高、降低、提高加熱溫度而連續(xù)地實(shí)施各加熱工序。另外，圖3表示了溫度分布的圖示變化為曲線狀的狀態(tài)，但也可以設(shè)定為在成為極大值或極小值的恒定溫度下保持下來。
[0042]在上述的第一加熱區(qū)域發(fā)生銅和氧的共晶反應(yīng)時(shí)，銅板中(或銅板表面)含有的氧被共晶反應(yīng)使用，或從銅板釋放到外面。然而，使銅板中的氧全部發(fā)生共晶反應(yīng)或釋放到外面是很難的，它的一部分殘留在銅板中。如果共晶反應(yīng)之后立刻進(jìn)入到冷卻工序，則殘留的氧在銅板中形成樹枝狀結(jié)晶(枝晶:dendrite)。如果該樹枝狀結(jié)晶存在，則接合強(qiáng)度降低。另外，銅板表面與鍍層或焊錫的潤濕性降低。
[0043]為此，通過設(shè)置第二加熱區(qū)域，在共晶反應(yīng)以下的溫度即1000~1064°C這一較低的溫度下進(jìn)行加熱，從而使共晶反應(yīng)穩(wěn)定化，之后，通過在第三加熱區(qū)域于1065~1120°C的溫度范圍再加熱，便可以除去殘留的樹枝狀晶。也就是說，可以從銅板中釋放出已形成樹枝狀結(jié)晶的氧。
[0044]另外，第二加熱區(qū)域如果低于ΙΟΟΟ?，則溫度過于下降，在第三加熱區(qū)域不會(huì)充分地進(jìn)行樹枝狀結(jié)晶的除去。加熱溫度范圍優(yōu)選為1020~1050°C。
[0045]另外，第三加熱區(qū)域如果超過1120°C，則引起銅板的熔化(變形)，因而不是優(yōu)選的。進(jìn)一步優(yōu)選的加熱溫度范圍是1070~1090°C。另外，為了除去在第三加熱區(qū)域形成樹枝狀結(jié)晶的氧，優(yōu)選第三加熱區(qū)域的溫度比第一加熱區(qū)域的加熱溫度更高。
[0046]另外，加熱工序優(yōu)選將配置有銅板的氧化物系陶瓷基板(層疊體)載置在托盤上，使用一邊以傳送速度為70~270mm/分鐘的帶式傳送機(jī)傳送托盤，一邊連續(xù)地實(shí)施各加熱工序的帶式爐?？梢酝ㄟ^控制帶速，調(diào)整熱處理時(shí)間。
[0047]如果帶速小于70mm/分鐘,則每單位時(shí)間的處理數(shù)(生產(chǎn)節(jié)拍)減少,而且特別是通過第一加熱區(qū)域的過剩的熱處理，更加促進(jìn)枝晶的生成，從而在第二加熱區(qū)域和第三加熱區(qū)域變得不能完全除掉。
[0048]另一方面，如果帶速大于270mm/分鐘，則在第一、第三加熱區(qū)域的接合變得不充分，從而有可能引起銅板剝離等不良現(xiàn)象。帶速優(yōu)選的是100~220mm/分鐘的范圍。另外，使用上述的傳送速度而連續(xù)傳送時(shí)，優(yōu)選第一加熱區(qū)域、第二加熱區(qū)域、第三加熱區(qū)域分別是300~2000mm的搬運(yùn)距離。
[0049]另外，傳送氧化物系陶瓷電路基板(層疊體)的托盤優(yōu)選由鎳合金構(gòu)成。上述托盤在與銅板或氧化物系陶瓷基板接觸的狀態(tài)下在熱處理爐(帶式爐)中傳送。為此，必須是在直接接合法所使用的溫度1065~1120°C附近，不會(huì)與銅和氧化物系陶瓷基板反應(yīng)的材料。
[0050]氧化物系陶瓷電路基板將銅板配置接合在兩面上對(duì)于防止翹曲是有效的。因此，優(yōu)選的是在熱處理溫度下不與銅板反應(yīng)、且不因熱而發(fā)生變形的材料。
[0051]作為這樣的材料有鎳合金，特別優(yōu)選的是含有規(guī)定量的鉻和鐵的鎳鉻鐵耐熱耐蝕合金(Inconel )。在鎳鉻鐵耐熱耐蝕合金中，作為代表可列舉出Inconel600(以質(zhì)量％計(jì)為Ni76.0、Crl5.5、Fe8.0)、Inconel601 (以質(zhì)量 ％ 計(jì)為 Ni60.5、Cr23.0、Fel4.4, All.4)。除此以外，還可列舉出Inconel625、Inconel718、Inconel X750。鎳鉻鐵耐熱耐蝕合金作為耐熱合金使用，由于不與銅板反應(yīng)，不發(fā)生熱變形，因而是優(yōu)選的。另外，為更有效地防止與銅板的反應(yīng)，在鎳鉻鐵耐熱耐蝕合金制托盤的表面實(shí)施濕氫處理是有效的。
[0052]另外，上述加熱工序優(yōu)選在氮?dú)鈿夥罩袑?shí)施。直接接合法由于利用銅和氧的共晶反應(yīng)，所以優(yōu)選在實(shí)施加熱工序的氣氛中不存在必要以上的氧。為此，加熱接合工序優(yōu)選在不活潑氣氛中實(shí)施。[0053]作為不活潑氣氛，可以列舉出氮?dú)狻鍤?。其中，由于氮?dú)廨^為經(jīng)濟(jì)，所以優(yōu)選使用氮?dú)狻Ａ硗?，氮?dú)鈨?yōu)選的純度為99.9%以上，進(jìn)一步優(yōu)選的是99.99%以上的高純度氣體。
[0054]另外，帶式爐6優(yōu)選具有入口簾的氮流量(A)和出口簾的氮流量(B)之比A/B被控制為0.2以下的氮?dú)鈿夥铡D4表示用于說明氮流量的帶式爐6的剖視圖。在圖中，氧化物系陶瓷電路基板(層疊體或接合體)1在載置于托盤2上的狀態(tài)下，通過傳送皮帶(帶式傳送機(jī))3而以規(guī)定的傳送速度從搬入口(入口)4側(cè)被傳送到搬出口(出口)5側(cè)。
[0055]在帶式爐6的搬入口 4的附近，設(shè)置有入口簾，另一方面，在搬出口 5的附近設(shè)置有出口簾。在此，A表示入口簾的氮流量，B表示出口簾的氮流量。也就是說，在搬入口 4的附近，流動(dòng)著以氮流量(A)流出的氮?dú)?。另外，在搬出?5的附近，流動(dòng)著以氮流量(B)流出的氮?dú)狻?br> [0056]在此，優(yōu)選將氮流量(A)/氮流量(B)控制為0.2以下。氮流量比A/B為0.2以下，表示氮流量B以氮流量A的5倍以上的大流量流動(dòng)。如果是這樣的關(guān)系，則從搬出口 5向搬入口 4方向形成氮?dú)饬鳌Ｍㄟ^形成面向托盤2的傳送方向的風(fēng)(逆流)，即使在加熱工序中(例如帶式爐6內(nèi))殘留大氣，也可以用氮?dú)饬鲃?dòng)除去。
[0057]另外，也可以發(fā)揮使在加熱工序中從銅電路板和背面銅板排出的氧不滯留于氧化物系陶瓷電路基板的附近的效果。另一方面，氮?dú)饬鲃?dòng)的方向如果與托盤2的傳送方向相同，則依情況的不同，也有可能一直這么使帶式爐6內(nèi)的氧滯留殘存于氧化物系陶瓷電路基板I的周圍。
[0058]另外，氮流量(A)優(yōu)選為2~20升/分鐘。另外，氮流量(B)優(yōu)選為30~100升/分鐘。只要在上述范圍，則氮流量的控制容易實(shí)施。另外，通過將搬入口 4附近的氮流量設(shè)定為2升/分鐘以上，就可以作為防止從搬入口 4混入大氣等的雜質(zhì)和塵土的氣流簾而發(fā)揮作用。同樣，通過將搬出口 5的氮流量設(shè)定為30升/分鐘以上，可以有效地防止從搬出口 5混入大氣等的雜質(zhì)和塵土。
[0059]另外，從防止雜質(zhì)的混入`這一點(diǎn)來說，流入加熱的氮?dú)庖彩怯行У摹＜赐ㄟ^加熱，具有使氮?dú)庵泻械乃趾蛶綘t內(nèi)的水分蒸發(fā)的效果。作為氮?dú)獾募訜釡囟?，?yōu)選為50~180°C的范圍。如果低于50°C，則加熱氮?dú)獾男Ч⒉怀浞?，如果超過180°C，則不但不能得到在此以上的效果，而且成為成本上升的重要原因。
[0060]下面就將銅板加工成銅電路板的工序進(jìn)行說明。在上述的加熱工序(接合工序)中，優(yōu)選的是預(yù)先配置加工為電路形狀的銅板，然后直接進(jìn)行接合的方法。然而，在像帶式爐那樣一邊傳送一邊進(jìn)行接合工序的制作方法中，有可能在傳送中于氧化物系陶瓷基板上產(chǎn)生銅板的偏移。為此，優(yōu)選在設(shè)置面積較大的狀態(tài)下配置于氧化物系陶瓷基板上。
[0061]作為擴(kuò)大銅板的設(shè)置面積的方法，有如下的方法。第I方法是:通過壓力加工在銅板上形成設(shè)置有多個(gè)電路板元件以及將其相互連接的橋接部的電路結(jié)構(gòu)。通過將各個(gè)銅電路板元件設(shè)計(jì)為用橋接部連接的結(jié)構(gòu)，各自地用橋接部連接較小的銅電路板，可以成為表觀上具有較大的設(shè)置面積的銅電路板。
[0062]另外，第2方法是:在氧化物系陶瓷基板上配置銅板，接合后根據(jù)蝕刻工序形成規(guī)定形狀的電路結(jié)構(gòu)的方法。
[0063]另外，作為防止銅板(銅電路板和背面銅板)的位置偏移的方法，可以列舉出將樹脂粘結(jié)劑涂布于氧化物系陶瓷基板上，然后在其上配置銅板的方法。樹脂粘結(jié)劑只要在加熱工序中燒掉，則沒有特別的限定。作為這樣的樹脂粘結(jié)劑，可以列舉出丙烯酸粘結(jié)劑(例如甲基丙烯酸異丁酯等)。作為樹脂粘結(jié)劑的涂布形狀，優(yōu)選涂布成直徑為10_以下的圓點(diǎn)狀。樹脂粘結(jié)劑通過加熱工序而燒掉，但如果涂布于配置有銅板的整個(gè)面上，則燒掉時(shí)產(chǎn)生的二氧化碳等氣體成分不能充分地從氧化物系陶瓷基板和銅板的間隙排盡，反而有可能成為共晶反應(yīng)的障礙。
[0064]通過如上述那樣防止銅板的位置偏移，即使實(shí)施托盤的速度為150mm/分鐘以上的高速傳送，也可以防止因位置偏移引起的不良現(xiàn)象的發(fā)生。進(jìn)而通過防止位置偏移，可以在托盤上配置10個(gè)以上的大量接合前的氧化物系陶瓷電路基板(層疊體)，所以能夠進(jìn)一步
提高批量生產(chǎn)率。
[0065]另外，也可以在所得到的氧化物系陶瓷電路基板的銅板表面實(shí)施鎳鍍覆。在根據(jù)以上的本發(fā)明的制造方法所得到的氧化物系陶瓷電路基板中，可以將銅板的接合強(qiáng)度設(shè)定為 9.5kgf/cm 以上。
[0066]下面就本實(shí)施方式的氧化物系陶瓷電路基板進(jìn)行說明。本實(shí)施方式的氧化物系陶瓷電路基板基本是用本發(fā)明的氧化物系陶瓷電路基板的制造方法得到的，而只要具有同樣的構(gòu)成，則該制造方法并沒有特別的限定。以下就本實(shí)施方式的發(fā)明的氧化物系陶瓷電路基板的構(gòu)成進(jìn)行說明。
[0067]本實(shí)施方式的氧化物系陶瓷電路基板的特征在于:在采用直接接合法接合銅板和氧化物系陶瓷基板而成的氧化物系陶瓷電路基板中，剝離銅板時(shí)，銅板的與氧化物系陶瓷基板的接合面?zhèn)鹊你~面積率相對(duì)于每單位面積3000 μ mX 3000 μ m為60%以下，銅板的接合強(qiáng)度為9.5kgf/cm以上。
[0068]首先，氧化物系陶瓷基板優(yōu)選由氧化鋁燒結(jié)體、以及包含氧化鋁和氧化鋯的混合燒結(jié)體之中的任一種構(gòu)成。氧化鋁燒結(jié)體也可以含有8質(zhì)量％以下的Si成分、Ca成分、Mg成分、Na成分等的燒結(jié)助劑。另外，氧化鋁和氧化鋯的混合燒結(jié)體優(yōu)選氧化鋯為10~90質(zhì)量％、剩余部分為氧化鋁的燒結(jié)體。此外，根據(jù)需要，也可以含有8質(zhì)量％以下的燒結(jié)助劑。
[0069]另外，氧化物系陶瓷基板的密度優(yōu)選為3.60~3.79g/cm3。如果密度低于3.60g/cm3，則陶瓷基板內(nèi)的氣孔過多，基板的強(qiáng)度和熱傳導(dǎo)系數(shù)降低。另外，如果基板表面氣孔較多，則進(jìn)行與銅板的直接接合時(shí)，未接合部增多，從而接合強(qiáng)度降低。另一方面，如果密度較大而超過3.79g/cm3，則陶瓷基板的制造成本反而上升，因而不是優(yōu)選的。另外，氧化物系陶瓷基板的厚度優(yōu)選為0.3~1.2mm。
[0070]另外，作為銅板的構(gòu)成材料，既可以使用含有規(guī)定量的氧的韌銅，也可以是氧含量較少的銅板。另外，銅板的厚度優(yōu)選為0.2~0.5mm。由于使氧化物系陶瓷基板的厚度為0.3~1.2mm的范圍，另一方面使銅板的厚度為0.2~0.5mm,從而可以取得氧化物系陶瓷基板和銅板的熱膨脹差的平衡，耐熱循環(huán)試驗(yàn)(TCT試驗(yàn))的耐久性得以提高。
[0071]另外，銅板優(yōu)選含有0.1~1.0質(zhì)量％的碳。碳由于作為脫氧劑而發(fā)揮作用，所以能夠得到使銅板(韌銅或無氧銅)中的氧向銅板表面移動(dòng)的效果。向銅板表面移動(dòng)的氧可以有效地應(yīng)用于形成實(shí)施直接接合法時(shí)的Cu-O共晶。如果碳含量低于0.1質(zhì)量％，則沒有含有的效果，另一方面，如果超過1.0質(zhì)量％，則碳含量過于增加，從而使銅板的導(dǎo)電性降低。
[0072]另外，在實(shí)施直接接合法時(shí)，氧化物系陶瓷基板的表面粗糙度以Ra計(jì)優(yōu)選為
0.1~0.7 μ m。如果表面粗糙度Ra低于0.1 μ m，則需要高精度的表面研磨，從而成為成本提高的主要原因。另外，如果表面粗糙度Ra超過0.7μπι，則表面過于粗糙，在銅板和氧化物系陶瓷基板之間形成間隙，共晶反應(yīng)有可能不能充分地進(jìn)行。
[0073]如果使用這樣的氧化物系陶瓷基板而形成氧化物系陶瓷電路基板，則在剝離接合的銅板時(shí)，可以使銅板的與氧化物系陶瓷基板的接合側(cè)面的銅面積率相對(duì)于每單位面積3000 μ mX 3000 μ m為60%以下。剝離銅板時(shí),所謂該銅板的與氧化物系陶瓷基板的接合側(cè)面的銅面積率，是指通過EPMA對(duì)剝離的銅板的與氧化物系陶瓷基板的接合面?zhèn)冗M(jìn)行面分析時(shí)，Cu最多被檢出的面積相對(duì)于每單位面積3000μηιΧ3000μηι為60%以下。所謂每單位面積的銅面積率為60%以下，表示從氧化物系陶瓷基板剝離的部分處于附著在剩余部分的狀態(tài)。也就是說，表示在剩余部分，銅板與氧化物系陶瓷基板的接合涉及整個(gè)表面而均勻地進(jìn)行。更優(yōu)選的銅面積率為40%以下。
[0074]此外，進(jìn)行EPMA面分析時(shí)，在用一個(gè)視場(chǎng)無法測(cè)量整個(gè)單位面積3000 μ mX3000 μ m時(shí)，也可以分割為多個(gè)視場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。在此情況下，例如可以列舉出縱橫分別分割成10個(gè)部位而對(duì)300 μ mX300 μ m的視場(chǎng)連續(xù)地進(jìn)行面分析并加以合計(jì)的方法。
[0075]另外，通過滿足每單位面積的銅面積率為60%以下，銅板的接合強(qiáng)度便成為9.5kgf/cm以上，進(jìn)而成為10.5kgf/cm以上。
[0076]另外，接合后的銅板的平均結(jié)晶粒徑優(yōu)選為300~800 μ m。直接接合法是利用銅與氧的共晶反應(yīng)的接合方法。銅板中和銅板表面的氧聚集在銅板的晶界。由于聚集在晶界的氧繼續(xù)被用于共晶反應(yīng)，所以銅板的晶界優(yōu)選具有適度的尺寸。如果銅板的平均結(jié)晶粒徑小于300 μ m，則晶界相過小或過細(xì)，從而招致接合強(qiáng)度的降低。另一方面，如果平均結(jié)晶粒徑超過800 μ m，則由于晶界相過于增大，每單位面積的銅晶界的比率減少，所以招致接合強(qiáng)度的降低。
[0077]在這樣地調(diào)整了銅晶粒尺寸之后，通過使氧存在于銅晶界，可以提高接合強(qiáng)度，進(jìn)而提高TCT特性。此外，采用EPMA對(duì)剝離的銅板的接合面?zhèn)鹊难踹M(jìn)行面分析，可以得知氧凝集在銅晶界。`
[0078]通過采用這樣的構(gòu)成，可以形成如下的氧化物系陶瓷電路基板:對(duì)于以-40°C X30分鐘一250C XlO分鐘一125°C X30分鐘一25°C XlO分鐘為I個(gè)循環(huán)的TCT試驗(yàn)，即使在實(shí)施100個(gè)循環(huán)之后，也不會(huì)在氧化物系陶瓷基板上產(chǎn)生裂紋。
[0079]另外，對(duì)于以-40°CX 30 分鐘一250C XlO 分鐘一125°C X 30 分鐘一25°C XlO分鐘為I個(gè)循環(huán)的TCT試驗(yàn)，在實(shí)施100個(gè)循環(huán)之后，銅板的接合強(qiáng)度也可以為6.5kgf/cm以上。
[0080]根據(jù)本實(shí)施方式的氧化物系陶瓷電路基板，通過調(diào)整銅板的銅晶粒尺寸并使氧凝集在銅板的晶界相，可以提高氧化物系陶瓷基板和銅板的接合強(qiáng)度。因此，可以提供特別是TCT特性得以提高的氧化物系陶瓷電路基板。如果是這樣的電路基板，則可以提供活用了廉價(jià)的氧化物系陶瓷基板的特性的成本優(yōu)勢(shì)較高的陶瓷電路基板。
[0081]實(shí)施例
[0082](實(shí)施例1~5)
[0083]作為氧化物系陶瓷基板，準(zhǔn)備好氧化鋁基板(長度50mmX寬度30mmX厚度0.4mm、表面粗糙度Ra0.3 μ m、密度3.72g/cm3)。作為金屬電路板用銅板，準(zhǔn)備好氧含量為500質(zhì)量ppm的韌銅板(長度40mmX寬度20mmX厚度0.5mm、平均結(jié)晶粒徑50 μ m)。另外，作為背面銅板用銅板，準(zhǔn)備好氧含量為500質(zhì)量ppm的韌銅板(長度40mmX寬度20mmX厚度0.5mm。此外，使用銅板中的碳含量低于0.1質(zhì)量％的銅。
[0084]其次，在lncone1600制的托盤上，按照背面銅板/氧化鋁基板/銅電路板的順序重疊配置，從而形成層疊體。
[0085]使用圖4所示的帶式爐6，進(jìn)行具有表1所示的第一加熱區(qū)域、第二加熱區(qū)域、第三加熱區(qū)域的加熱工序，實(shí)施直接接合法而調(diào)制出實(shí)施例1~5的氧化物系陶瓷電路基板。此外，上述第一加熱區(qū)域、第二加熱區(qū)域、第三加熱區(qū)域的層疊體的傳送距離統(tǒng)一為1000mm。另外，帶式爐6的入口簾和出口簾的氮?dú)饬髁?A)、(B)設(shè)定為表1所示的數(shù)值。
[0086](比較例I)
[0087]除采用不實(shí)施第二加熱工序和第三加熱工序的加熱工序?qū)嵤┲苯咏雍戏ㄟ@一點(diǎn)以外，用與實(shí)施例1相同的方法進(jìn)行處理，從而調(diào)制出比較例I的氧化物系陶瓷電路基板。
[0088]表1
【權(quán)利要求】
1.一種氧化物系陶瓷電路基板的制造方法，其是通過在氧化物系陶瓷基板上配置銅板而形成層疊體的工序、以及加熱所得到的層疊體的工序，從而將氧化物系陶瓷基板和銅板一體接合而成的氧化物系陶瓷電路基板的接合方法，其特征在于， 所述加熱的工序具有:在1065~1085°C之間有加熱溫度的極大值的第一加熱區(qū)域?qū)盈B體進(jìn)行加熱的工序，接著在1000~1050°C之間有加熱溫度的極小值的第二加熱區(qū)域?qū)盈B體進(jìn)行加熱的工序，進(jìn)而在1065~1120°C之間有加熱溫度的極大值的第三加熱區(qū)域?qū)盈B體進(jìn)行加熱而形成接合體的工序；之后在冷卻區(qū)域?qū)⒃摻雍象w冷卻。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧化物系陶瓷電路基板的制造方法，其特征在于:所述加熱工序通過將配置有銅板的氧化物系陶瓷基板載置在托盤上，并使用帶式爐來實(shí)施，所述帶式爐一邊以傳送速度為70~270mm/分鐘的帶式傳送機(jī)傳送托盤，一邊連續(xù)地進(jìn)行各加熱工序。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氧化物系陶瓷電路基板的制造方法，其特征在于:所述托盤由鎳合金構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1~3中任一項(xiàng)所述的氧化物系陶瓷電路基板的制造方法，其特征在于:所述銅板具有通過壓力加工而形成有多個(gè)電路元件和連接這些電路元件的橋接部的電路結(jié)構(gòu)，在將所述銅板和氧化物系陶瓷基板接合后，將所述橋接部除去。
5.根據(jù)權(quán)利要求1~3中任一項(xiàng)所述的氧化物系陶瓷電路基板的制造方法，其特征在于:在將所述氧化物系陶瓷基板和銅板接合后，通過蝕刻工序形成電路結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1~5中任一項(xiàng)所述的氧化物系陶瓷電路基板的制造方法，其特征在于:所述加熱工序在氮?dú)鈿夥罩袑?shí)施。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的氧化物系陶瓷電路基板的制造方法，其特征在于:所述帶式爐具有入口簾的氮流量A和出口簾的氮流量B之比A/B被控制在0.2以下的氮?dú)夥铡?br> 8.根據(jù)權(quán)利要求1~7中任一項(xiàng)所述的氧化物系陶瓷電路基板的制造方法，其特征在于:所述氧化物系陶瓷基板由氧化鋁燒結(jié)體、以及包含氧化鋁和氧化鋯的混合燒結(jié)體之中的任一種構(gòu)成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1~8中任一項(xiàng)所述的氧化物系陶瓷電路基板的制造方法，其特征在于:具有在所述銅板的配置于氧化物系陶瓷基板的面上設(shè)置氧化膜的工序。
10.根據(jù)權(quán)利要求1~9中任一項(xiàng)所述的氧化物系陶瓷電路基板的制造方法，其特征在于:所述銅板的接合強(qiáng)度為9.5kgf/cm以上。
11.根據(jù)權(quán)利要求1~10中任一項(xiàng)所述的氧化物系陶瓷電路基板的制造方法，其特征在于:所述銅板中的碳含量為0.1~1.0質(zhì)量％。
12.—種氧化物系陶瓷電路基板，其是采用直接接合法將銅板和氧化物系陶瓷基板接合而成的氧化物系陶瓷電路基板，其特征在于:在剝離銅板時(shí)，銅板的與氧化物系陶瓷基板的接合面?zhèn)鹊你~面積率相對(duì)于每單位面積3000 μ mX 3000 μ m為60%以下，銅板的接合強(qiáng)度為 9.5kgf/cm 以上。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的氧化物系陶瓷電路基板，其特征在于:所述氧化物系陶瓷基板由氧化鋁燒結(jié)體、以及包含氧化鋁和氧化鋯的混合燒結(jié)體之中的任一種構(gòu)成。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的氧化物系陶瓷電路基板，其特征在于:對(duì)于將使所述氧化物系陶瓷電路基板在溫度_40°C下保持30分鐘，其次在溫度25°C下保持10分鐘，接著在溫度125°C下保持30分鐘，繼而在溫度25°C下保持10分鐘的加熱工序設(shè)定為一個(gè)循環(huán)的熱循環(huán)試驗(yàn)TCT，在實(shí)施了 100個(gè)循環(huán)的該熱循環(huán)試驗(yàn)之后，氧化物系陶瓷基板也不會(huì)產(chǎn)生裂紋。
15.根據(jù)權(quán)利要求12~14中任一項(xiàng)所述的氧化物系陶瓷電路基板，其特征在于:所述氧化物系陶瓷基板的密度為3.60~3.79g/cm3。
16.根據(jù)權(quán)利要求12~15中任一項(xiàng)所述的氧化物系陶瓷電路基板，其特征在于:對(duì)于將使所述氧化物系陶瓷電路基板在溫度-40°C下保持30分鐘，其次在溫度25°C下保持10分鐘，接著在溫度125°C下保持30分鐘，繼而在溫度25°C下保持10分鐘的加熱工序設(shè)定為一個(gè)循環(huán)的熱循環(huán)試驗(yàn)TCT，在實(shí)施了 100個(gè)循環(huán)的該熱循環(huán)試驗(yàn)之后，所述銅板的接合強(qiáng)度為6.5kgf/cm以上。
17.根據(jù)權(quán)利要求12~16中任一項(xiàng)所述的氧化物系陶瓷電路基板，其特征在于:所述銅板的厚度為0.2~0.5mm。
18.根據(jù)權(quán)利要求12~17中任一項(xiàng)所述的氧化物系陶瓷電路基板，其特征在于:所述氧化物系陶瓷基板的表面粗糙度Ra為0.1~0.7 μ m。
19.根據(jù)權(quán)利要求12~18中任一項(xiàng)所述的氧化物系陶瓷電路基板，其特征在于:在所述銅板的晶界存在氧。
20.根據(jù)權(quán)利要求12~19中任一項(xiàng)所述的氧化物系陶瓷電路基板，其特征在于:所述銅板的平均結(jié)晶粒徑為300~800 μ m。
21.根據(jù)權(quán)利要求12~20中任一項(xiàng)所述的氧化物系陶瓷電路基板，其特征在于:所述銅板的碳含量為0.1~1.0質(zhì)量％。`
【文檔編號(hào)】C04B37/02GK103717552SQ201280037799
【公開日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2012年7月26日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月28日
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