JPH04238877A - AlN部材とCu部材の接合体とその製造方法 - Google Patents
AlN部材とCu部材の接合体とその製造方法Info
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- JPH04238877A JPH04238877A JP1148191A JP1148191A JPH04238877A JP H04238877 A JPH04238877 A JP H04238877A JP 1148191 A JP1148191 A JP 1148191A JP 1148191 A JP1148191 A JP 1148191A JP H04238877 A JPH04238877 A JP H04238877A
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- Japan
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- aln
- foil
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- Insulated Metal Substrates For Printed Circuits (AREA)
- Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、パワー半導体モジュー
ル等の電子回路形成用セラミック基板等に適用されるA
lN 部材とCu部材との接合体およびその製造方法に
関する。
ル等の電子回路形成用セラミック基板等に適用されるA
lN 部材とCu部材との接合体およびその製造方法に
関する。
【0002】
【従来の技術】電子回路等においては、通常、基板とな
るセラミックスと、導体等の回路および素子との組立て
のための接合が行われるが、いずれの場合にあってもセ
ラミックスと金属との接合が問題となる。従来技術にお
けるこれらセラミックスと金属との接合に関しては多く
の研究が行われているが、その要点は■接合界面での濡
れの確保、■接合界面に生成する層の制御、■熱応力に
よる割れの防止が挙げられる。酸化物系セラミックス(
たとえばAl2O3 を主成分とするもの)では、これ
らの課題がかなり解決されている。しかし、窒化物系セ
ラミックスでは、金属との接合界面での濡れの確認が容
易でなく、また金属との熱膨張差も大きくなるため熱応
力による割れも発生しやすくなるという問題が存在する
。
るセラミックスと、導体等の回路および素子との組立て
のための接合が行われるが、いずれの場合にあってもセ
ラミックスと金属との接合が問題となる。従来技術にお
けるこれらセラミックスと金属との接合に関しては多く
の研究が行われているが、その要点は■接合界面での濡
れの確保、■接合界面に生成する層の制御、■熱応力に
よる割れの防止が挙げられる。酸化物系セラミックス(
たとえばAl2O3 を主成分とするもの)では、これ
らの課題がかなり解決されている。しかし、窒化物系セ
ラミックスでは、金属との接合界面での濡れの確認が容
易でなく、また金属との熱膨張差も大きくなるため熱応
力による割れも発生しやすくなるという問題が存在する
。
【0003】一方、電子回路セラミックス基板として、
大電力化を図るためには、従来用いられているAl2O
3 系材料に比べ放熱効率の優れた AlN(窒化物系
)材料を用いた基板の開発が望まれている。特に、大型
電子回路装置における放熱効率の改善は今日強く求めら
れているところである。AlN 基板とCuよりなる回
路との接合技術としては、AlNとCuとの間にTi層
を介在せしめ加熱して接合する方法が、特開昭60−1
77634号公報に開示されている。この方法では、T
i−Cuの共晶とAlN との濡れを利用しており、T
iの介在手段としては、■Ti箔の介在、■蒸着、メッ
キ、スパッタリングによるTi堆積、等が示されている
。また、これとは別に特開昭60−32343 号公報
には前記Tiの他にZr等の活性金属と銅の合金層を設
けた基板が開示されている。
大電力化を図るためには、従来用いられているAl2O
3 系材料に比べ放熱効率の優れた AlN(窒化物系
)材料を用いた基板の開発が望まれている。特に、大型
電子回路装置における放熱効率の改善は今日強く求めら
れているところである。AlN 基板とCuよりなる回
路との接合技術としては、AlNとCuとの間にTi層
を介在せしめ加熱して接合する方法が、特開昭60−1
77634号公報に開示されている。この方法では、T
i−Cuの共晶とAlN との濡れを利用しており、T
iの介在手段としては、■Ti箔の介在、■蒸着、メッ
キ、スパッタリングによるTi堆積、等が示されている
。また、これとは別に特開昭60−32343 号公報
には前記Tiの他にZr等の活性金属と銅の合金層を設
けた基板が開示されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
公知方法ではAlN 基板とCu導体回路の間にTiを
介在させて約1000℃に加熱して接合する必要があり
、このため接合界面に生ずる熱応力が大きく、接合界面
での反応層厚さの制御のバラツキによっては、割れが発
生するという欠点があった。また、熱ひずみによる変形
も大きくなる。上記の特開昭60−177634号公報
および特開昭−32343 号公報の詳細な説明には約
880 〜1082℃の加熱でよい旨の記載がある。前
記の点について、本発明者らが追試検討したところによ
れば、880 ℃付近では接合できず、該公報の実施例
にあるように1000℃(具体的には990 ℃)付近
でないと接合はできないことが確認された。また、該公
報の技術では10分間程の短時間での接合は不可能であ
る。
公知方法ではAlN 基板とCu導体回路の間にTiを
介在させて約1000℃に加熱して接合する必要があり
、このため接合界面に生ずる熱応力が大きく、接合界面
での反応層厚さの制御のバラツキによっては、割れが発
生するという欠点があった。また、熱ひずみによる変形
も大きくなる。上記の特開昭60−177634号公報
および特開昭−32343 号公報の詳細な説明には約
880 〜1082℃の加熱でよい旨の記載がある。前
記の点について、本発明者らが追試検討したところによ
れば、880 ℃付近では接合できず、該公報の実施例
にあるように1000℃(具体的には990 ℃)付近
でないと接合はできないことが確認された。また、該公
報の技術では10分間程の短時間での接合は不可能であ
る。
【0005】前述した従来技術の問題点として、例えば
次の点が挙げられる。 (1)Cu導体回路と接合するAlN 基板の濡れ確保
を短時間に実現するためには、約1000℃での加熱接
合が必要である。その結果、接合界面での熱応力が大き
くなり、接合界面で割れが発生しやすく(反応層厚さに
対する許容限界が小さい)、さらに、熱ひずみによる変
形も大きいこと。 (2)共晶反応層を形成させるために必要なTiの介在
方法が非効率的であること。本発明は上記のような従来
技術における問題点を解消し、電子回路に使用するAl
N 部材とCu部材との確実な接合体およびその製造方
法を提供することを目的としている。
次の点が挙げられる。 (1)Cu導体回路と接合するAlN 基板の濡れ確保
を短時間に実現するためには、約1000℃での加熱接
合が必要である。その結果、接合界面での熱応力が大き
くなり、接合界面で割れが発生しやすく(反応層厚さに
対する許容限界が小さい)、さらに、熱ひずみによる変
形も大きいこと。 (2)共晶反応層を形成させるために必要なTiの介在
方法が非効率的であること。本発明は上記のような従来
技術における問題点を解消し、電子回路に使用するAl
N 部材とCu部材との確実な接合体およびその製造方
法を提供することを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
、本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、電子回路セラミ
ックス基板としてのAlN 基板に対し、回路パターン
Cu部材を接合するにあたり、両者の間にTi、Zrを
複合介在させることによりCu−Ti−Zrの低温の三
元共晶を形成させ、低温での接合が可能となることを知
見し、本発明を完成するに至った。さらに、Ti、Zr
に対しNiを添加すると反応層の熱膨張係数を小さく(
AlN との差を小さく)し、熱応力低減に有効である
ことがわかった。すなわち、本発明は、電子回路用のA
lN 部材とCu部材の接合体であって、前記AlN
部材とCu部材との間に重量%でZr:10〜90%お
よびTi:10〜90%を含有し残部Cuから成る中間
層を介在させて成ることを特徴とする電子回路用AlN
部材とCu部材の接合体である。
、本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、電子回路セラミ
ックス基板としてのAlN 基板に対し、回路パターン
Cu部材を接合するにあたり、両者の間にTi、Zrを
複合介在させることによりCu−Ti−Zrの低温の三
元共晶を形成させ、低温での接合が可能となることを知
見し、本発明を完成するに至った。さらに、Ti、Zr
に対しNiを添加すると反応層の熱膨張係数を小さく(
AlN との差を小さく)し、熱応力低減に有効である
ことがわかった。すなわち、本発明は、電子回路用のA
lN 部材とCu部材の接合体であって、前記AlN
部材とCu部材との間に重量%でZr:10〜90%お
よびTi:10〜90%を含有し残部Cuから成る中間
層を介在させて成ることを特徴とする電子回路用AlN
部材とCu部材の接合体である。
【0007】前記中間層はさらに重量%でNi:30%
以下を含んでいてもよい。また別の面からは、本発明は
、Cu部材の表面に実質的にTiからなる箔体およびZ
rからなる箔体を重ねた後、圧延接合させて、さらに、
前記箔体側にAlN 部材を重ねて加熱接合することを
特徴とする電子回路におけるAlN 部材とCu部材の
接合体の製造方法である。Cu部材からのCuと箔体の
Ti、Zrが相互に拡散してCu−Ti−Zr三元共晶
の中間層を形成する。上記Tiからなる箔体およびZr
からなる箔体にさらに、実質的にCuからなる箔体およ
びNiからなる箔体の1種以上の箔体を重ねた後、Al
N 部材とCu部材を圧延接合してもよい。これら箔体
の積層順位は特に制限されないが、Cu部材側からNi
箔体、Cu箔体、Zr箔体、そしてTi箔体をこの順位
で積層するのが好ましい。
以下を含んでいてもよい。また別の面からは、本発明は
、Cu部材の表面に実質的にTiからなる箔体およびZ
rからなる箔体を重ねた後、圧延接合させて、さらに、
前記箔体側にAlN 部材を重ねて加熱接合することを
特徴とする電子回路におけるAlN 部材とCu部材の
接合体の製造方法である。Cu部材からのCuと箔体の
Ti、Zrが相互に拡散してCu−Ti−Zr三元共晶
の中間層を形成する。上記Tiからなる箔体およびZr
からなる箔体にさらに、実質的にCuからなる箔体およ
びNiからなる箔体の1種以上の箔体を重ねた後、Al
N 部材とCu部材を圧延接合してもよい。これら箔体
の積層順位は特に制限されないが、Cu部材側からNi
箔体、Cu箔体、Zr箔体、そしてTi箔体をこの順位
で積層するのが好ましい。
【0008】
【作用】本発明において接合体の構成材料および製造方
法等の条件を限定した理由は次のとおりである。 (1)Cuは経済性、導電性、加工性等すべての点から
みて回路基板用導体の部材として最適であるから、これ
を採用する。 (2)AlN は、Al2O3 に比べ熱伝導性に優れ
、強度も大であるため基板材料として使用する。 (3)中間層の厚さは、Cu箔、Ni箔を使用する場合
、便宜上図1(a) のように積層した素材を、同(b
) に示すように回路用のCu部材と圧延接合された後
の箔材層合計の厚みとして、好ましくは5μm以上50
μm以下とする。 厚さの下限はAlN との濡れ性確保の可能な限界であ
り、上限は形成された反応層の割れを防止する上で必要
な範囲として決定した。
法等の条件を限定した理由は次のとおりである。 (1)Cuは経済性、導電性、加工性等すべての点から
みて回路基板用導体の部材として最適であるから、これ
を採用する。 (2)AlN は、Al2O3 に比べ熱伝導性に優れ
、強度も大であるため基板材料として使用する。 (3)中間層の厚さは、Cu箔、Ni箔を使用する場合
、便宜上図1(a) のように積層した素材を、同(b
) に示すように回路用のCu部材と圧延接合された後
の箔材層合計の厚みとして、好ましくは5μm以上50
μm以下とする。 厚さの下限はAlN との濡れ性確保の可能な限界であ
り、上限は形成された反応層の割れを防止する上で必要
な範囲として決定した。
【0009】(4)中間層の成分構成(重量%)はTi
:10〜90、Zr:10〜90を含有し残部Cuから
なり、さらに必要によりNi:30%以下を含有する。 Ti、Zrは接合の際の加熱により、Cu部材のCuま
たは予め接合されているCuと反応して低温共晶を形成
し、AlN との濡れに寄与する。 上記組成範囲内のZr、Ti量であれば、中間層の溶融
温度は850 ℃付近となり、低温接合が可能となる。 この組成範囲外(上、下限の外)では、共に中間層の溶
融温度が高くなり、本発明の利点である低温での接合が
不可能となる。共晶はCu接合体に箔状で積層一体化さ
れたTi、ZrがCu接合体のCuと反応して生成する
が、箔材層の中にCu箔材をも含有させると、この反応
を促進させ接合時間の短縮化に有効であり、箔材層への
Cu添加はより効果的といえる。AlN 部材とCu部
材の接合に寄与した共晶は、接合中間層として残存する
。この接合中間層の熱膨張係数を小さくするためにNi
を添加することができる。しかし、Niの過剰添加は、
共晶の融点の上昇を招くため30%以下とする。
:10〜90、Zr:10〜90を含有し残部Cuから
なり、さらに必要によりNi:30%以下を含有する。 Ti、Zrは接合の際の加熱により、Cu部材のCuま
たは予め接合されているCuと反応して低温共晶を形成
し、AlN との濡れに寄与する。 上記組成範囲内のZr、Ti量であれば、中間層の溶融
温度は850 ℃付近となり、低温接合が可能となる。 この組成範囲外(上、下限の外)では、共に中間層の溶
融温度が高くなり、本発明の利点である低温での接合が
不可能となる。共晶はCu接合体に箔状で積層一体化さ
れたTi、ZrがCu接合体のCuと反応して生成する
が、箔材層の中にCu箔材をも含有させると、この反応
を促進させ接合時間の短縮化に有効であり、箔材層への
Cu添加はより効果的といえる。AlN 部材とCu部
材の接合に寄与した共晶は、接合中間層として残存する
。この接合中間層の熱膨張係数を小さくするためにNi
を添加することができる。しかし、Niの過剰添加は、
共晶の融点の上昇を招くため30%以下とする。
【0010】(5)なお、箔体を重ねた後に圧延接合す
る圧延は、冷間圧延、温間圧延(200℃以下) どち
らでもよい。 (6) 接合温度はCu−Ti−Zr共晶の融点以上(
概ね850℃)で、950℃以下とするのが好ましい。 共晶の融点以下ではAlN との濡れ性が確保されない
。一方、950 ℃を超えると、熱応力が大きくなるた
め接合層に割れを発生するおそれがある。なお、上記
AlN部材とCu部材を接合するための接合雰囲気は不
活性ガス雰囲気、真空雰囲気等が使用され、その雰囲気
中で被処理物を加熱する。本発明によれば、複雑な配線
パターンであっても、箔材が接合された導体用Cu板か
ら回路配線パターンを切り抜いて、それをAlN 基板
上に置いて前記雰囲気中で加熱するだけで回路配線と基
板との接合が容易に行える。
る圧延は、冷間圧延、温間圧延(200℃以下) どち
らでもよい。 (6) 接合温度はCu−Ti−Zr共晶の融点以上(
概ね850℃)で、950℃以下とするのが好ましい。 共晶の融点以下ではAlN との濡れ性が確保されない
。一方、950 ℃を超えると、熱応力が大きくなるた
め接合層に割れを発生するおそれがある。なお、上記
AlN部材とCu部材を接合するための接合雰囲気は不
活性ガス雰囲気、真空雰囲気等が使用され、その雰囲気
中で被処理物を加熱する。本発明によれば、複雑な配線
パターンであっても、箔材が接合された導体用Cu板か
ら回路配線パターンを切り抜いて、それをAlN 基板
上に置いて前記雰囲気中で加熱するだけで回路配線と基
板との接合が容易に行える。
【0011】
【実施例】本発明を実施例により詳細に説明するが、こ
れによって本発明が限定されるものではない。図1(a
)のように導体用Cu板の上に、Ti、Zr、Ni、C
uの箔を重ねて冷間圧延することによりこれらを接合し
て、箔材層と接合されたCu部材を製造した(図1(b
)。初期の各箔材の厚さ、および圧延接合時の圧下比を
変えることにより、Cu板に接合された箔材層の組成お
よび厚みの異なるCu板と箔材の接合体を作製すること
ができる。この接合体から 0.3×40×40mmの
板を切り出し1×50×50ミリのAlN 基板上に、
箔材層側がAlN と接するように配置し、0.1kg
f/mm2 の加圧力を加えAr雰囲気内の炉中に入れ
て加熱し図2に示されるように接合した。接合後には、
AlN とCuのそれぞれの部材間に中間層が形成され
る。接合強度の評価は、接合体の隅に図3に示すように
1φmmの銅線をはんだ付けし、銅線を上方に引張って
接合部の引きはがしテストにより行った。結果を第1表
に示す。
れによって本発明が限定されるものではない。図1(a
)のように導体用Cu板の上に、Ti、Zr、Ni、C
uの箔を重ねて冷間圧延することによりこれらを接合し
て、箔材層と接合されたCu部材を製造した(図1(b
)。初期の各箔材の厚さ、および圧延接合時の圧下比を
変えることにより、Cu板に接合された箔材層の組成お
よび厚みの異なるCu板と箔材の接合体を作製すること
ができる。この接合体から 0.3×40×40mmの
板を切り出し1×50×50ミリのAlN 基板上に、
箔材層側がAlN と接するように配置し、0.1kg
f/mm2 の加圧力を加えAr雰囲気内の炉中に入れ
て加熱し図2に示されるように接合した。接合後には、
AlN とCuのそれぞれの部材間に中間層が形成され
る。接合強度の評価は、接合体の隅に図3に示すように
1φmmの銅線をはんだ付けし、銅線を上方に引張って
接合部の引きはがしテストにより行った。結果を第1表
に示す。
【0012】
【表1】
【0013】本発明例のA1〜A3に示すようにTi、
Zrを適正量存在する層を介在して接合されたものは、
850 ℃という比較的低温にて良好なる接合強度が得
られた。また、Cu添加により接合時間の短縮化(A1
〜3 に比較してA4は時間が短い) がなされ、Ni
添加により箔材層を厚くしても割れが発生しない(A5
)ことが確認された。一方、比較例における箔材層なし
(B1)、箔材層の厚さ不足(B5)では、濡れが十分
確保されず、またTi単独添加(B2)のものは、85
0 ℃では接合されなかった。また、適正成分の箔材層
を用いて接合してもその厚みが大きすぎる場合(B4)
には、濡れが確保されても熱応力が大きくなり、割れが
発生した。以上の結果から、本発明によれば、AlN
よりなる基板とCuよりなる回路配線が低温にて安定し
た接合が行えることが確認された。
Zrを適正量存在する層を介在して接合されたものは、
850 ℃という比較的低温にて良好なる接合強度が得
られた。また、Cu添加により接合時間の短縮化(A1
〜3 に比較してA4は時間が短い) がなされ、Ni
添加により箔材層を厚くしても割れが発生しない(A5
)ことが確認された。一方、比較例における箔材層なし
(B1)、箔材層の厚さ不足(B5)では、濡れが十分
確保されず、またTi単独添加(B2)のものは、85
0 ℃では接合されなかった。また、適正成分の箔材層
を用いて接合してもその厚みが大きすぎる場合(B4)
には、濡れが確保されても熱応力が大きくなり、割れが
発生した。以上の結果から、本発明によれば、AlN
よりなる基板とCuよりなる回路配線が低温にて安定し
た接合が行えることが確認された。
【0014】
【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているから、電子回路における信頼性の高い基板のAl
N 部材と導体であるCu部材の接合体およびその製造
方法が確立され、これにより高性能な製品の提供が可能
となって、産業上極めて有用である。
ているから、電子回路における信頼性の高い基板のAl
N 部材と導体であるCu部材の接合体およびその製造
方法が確立され、これにより高性能な製品の提供が可能
となって、産業上極めて有用である。
【図1】図1(a)、(b)は、本発明で使用する回路
用Cu板と箔体とのそれぞれ圧延結合前(a)、後(b
)の説明図である。
用Cu板と箔体とのそれぞれ圧延結合前(a)、後(b
)の説明図である。
【図2】AlN基板と回路用Cu板との接合体の断面図
である。
である。
【図3】接合部の強度試験を実施する際の斜視図である
。
。
Claims (4)
- 【請求項1】 電子回路用のAlN 部材とCu部材
の接合体であって、前記AlN 部材とCu部材との間
に重量%でZr:10〜90%およびTi:10〜90
%を含有し残部がCuより成る中間層を介在させて成る
ことを特徴とする電子回路用AlN 部材とCu部材の
接合体。 - 【請求項2】 前記中間層がさらに重量%でNi:3
0%以下を含む請求項1記載のAlN 部材とCu部材
の接合体。 - 【請求項3】 Cu部材の表面に実質的にTiからな
る箔体およびZrからなる箔体を重ねた後、圧延接合さ
せて、さらに、前記箔体側にAlN 部材を重ねて加熱
接合することを特徴とする電子回路用AlN 部材とC
u部材の接合体の製造方法。 - 【請求項4】 Tiからなる箔体およびZrからなる
箔体にさらに、実質的にCuからなる箔体および/また
はNiからなる箔体の1種以上の箔体を重ねた後、圧延
接合させる請求項3記載の電子回路用AlN 部材とC
u部材の接合体の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1148191A JPH04238877A (ja) | 1991-01-08 | 1991-01-08 | AlN部材とCu部材の接合体とその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1148191A JPH04238877A (ja) | 1991-01-08 | 1991-01-08 | AlN部材とCu部材の接合体とその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04238877A true JPH04238877A (ja) | 1992-08-26 |
Family
ID=11779248
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1148191A Withdrawn JPH04238877A (ja) | 1991-01-08 | 1991-01-08 | AlN部材とCu部材の接合体とその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04238877A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010535632A (ja) * | 2007-08-07 | 2010-11-25 | 韓国生産技術研究院 | チタンロウ付けのためのZr−Ti−Ni(Cu)系低融点ロウ付け溶加材合金組成物 |
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| WO2019008003A1 (de) * | 2017-07-04 | 2019-01-10 | Rogers Germany Gmbh | Lötmaterial zum aktivlöten und verfahren zum aktivlöten |
| WO2025202754A1 (ja) * | 2024-03-29 | 2025-10-02 | 日本発條株式会社 | 接合体および接合体の製造方法 |
-
1991
- 1991-01-08 JP JP1148191A patent/JPH04238877A/ja not_active Withdrawn
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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