JP2000124585A - アルミニウム−窒化アルミニウム絶縁基板の製造方法 - Google Patents
アルミニウム−窒化アルミニウム絶縁基板の製造方法Info
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Abstract
基板の製造方法においては、窒化アルミニウムとアルミ
ニウムとの間に未接欠陥が発生しやすく、また、窒化ア
ルミニウムの表面に予め酸化物を形成しなければならな
いという欠点があった。 【解決手段】 本発明のアルミニウム−窒化アルミニウ
ム絶縁基板の製造方法によれば、窒化アルミニウム基板
の両面にAgを含むペースト状ろう材を形成し、その上
に上記窒化アルミニウム基板を挟むようにAl板材を重
ねて、真空中でろう接した後、湿式エッチング法により
所望形状のAl回路及びベース板を形成し、更に、Al
部分の全面または一部にNiめっき層を形成する。上記
ペースト状ろう材としては、銀20重量%以上を含むA
g−Al系ペースト状ろう材、銀単体及び銀合金ペース
ト状ろう材、Ti、Mg、Si、Zn、Sn、Cuを1
〜10重量%含むAl−Ag合金系ペースト状ろう材、
または、Ti、Al、Mg、Si、Zn、Sn、Cuを
含む銀合金系ペースト状ろう材を使用する。
Description
アルミニウム絶縁基板の製造方法、特に、高圧大電力電
子部品の実装や、特に高信頼性が要求される自動車用電
子部品の実装に好適な金属/セラミックス絶縁基板の製
造方法に関するものである。
力電子部品の実装に使用する基板として、セラミックス
基板の表面に銅板を接合して作製された銅張りセラミッ
クス複合基板が使用されている。この複合基板は、使用
されるセラミックスの種類及び製造方法によって、銅/
アルミナ直接接合基板、銅/窒化アルミニウム直接接合
基板、銅/アルミナろう接基板、及び銅/窒化アルミニ
ウムろう接基板に分けられる。
特開昭52−37914号公報に開示されているよう
に、酸素を含有する銅板を使用するか、無酸素銅板を使
用して酸化性雰囲気中で加熱することによって無酸素銅
板の表面に酸化銅層を形成してから、銅板とアルミナ基
板を重ねて不活性雰囲気中で加熱し、銅板とアルミナ基
板との界面に銅とアルミニウムとの複合酸化物を生成さ
せ、銅板とアルミナ基板とを接合する方法で製造されて
いる。
の場合には、予め窒化アルミニウム基板の表面に酸化物
を形成する必要がある。例えば特開平3−93687号
公報に開示するように、予め空気中において、約100
0℃の温度で窒化アルミニウム基板を処理し、表面に酸
化物を生成させてから、この酸化物を介して上述の方法
により銅板と窒化アルミニウム基板とを接合している。
アルミニウムろう接基板は、銅板とセラミックス基板を
活性金属のチタンまたはジルコニウムを含む銅系または
銀銅合金系ろう材を用いるろう接法で製造されている。
く使用されているにも関わらず、銅とセラミックスの熱
膨張係数の差に起因する熱応力によって、電子部品の実
装の際、及び使用中にセラミックス基板の内部にクラッ
クが形成し、基板の表裏間の短絡が発生する。絶縁基板
の重要な評価項目の1つヒートサイクル耐量、即ち、絶
縁基板を−40℃から125℃まで繰り返し加熱、冷却
する際の、セラミックス基板にクラックが発生するまで
の循環回数は僅か50回前後である。
軟らかいアルミニウムを回路材料として使うアルミニウ
ム/セラミックス基板が開発されるようになった。
有するアルミニウムを絶縁基板の回路材料として使う構
想は以前からあった。例えば特開昭59−121890
号公報にはAl/アルミナ基板及びAl/窒化アルミニ
ウム基板に関連する記述がある。実開平2−68448
号公報と実開平3−57945号公報にはそれぞれAl
−Si、Al−Ge系ろう材を使って作製したAl/ア
ルミナ、Al/窒化アルミニウムろう接基板が開示され
ている。
すいため、室温においてAlの表面は常に酸化膜によっ
て覆われている。温度が高くなるとこの酸化膜は分解し
やすくなるが、800℃においてもAl−Al2 03 系
の酸素平衡分圧は10-40 Paであり、通常のろう接温
度660℃以下では、Al表面に酸化膜が残存する。酸
化膜残存の状態でろう接すると、Alの濡れ性が悪いた
め、接合界面に未接欠陥が生じ、接合強度のバラツキは
非常に大きい。特に窒化アルミニウムセラミックスの場
合、ろう接は非常に困難である。これを改善するため
に、実開平2−68448号公報と実開平3−5794
5号公報の発明者らは更に窒化アルミニウムセラミック
スを酸化性雰囲気中において加熱し、表面にアルミナを
形成してから上述のろう材でろう接する方法(特開平4
−12554号公報)、表面にアルミナを形成し、その
上に更にSiO2層を形成してから上述のろう材でろう
接する方法(特開平3−125463号公報)を発明し
た。
影響に着目し、Al表面の酸化膜を除去してから、Al
と窒化アルミニウム等のセラミックスを接合する溶湯接
合法(特許第2642574号、特開平7−27603
5号公報)を発明した。即ち、不活性雰囲気において、
Al溶湯にセラミックスを挿入し、Al溶湯でセラミッ
クスを濡らしてから、セラミックスの表面に溶湯を所定
の形状に凝固させ、Alとセラミックスを接合させる方
法である。この方法で窒化アルミニウムとAlとの高強
度接合を実現させ、ヒートサイクル耐量3000回以上
のAl/窒化アルミニウム基板の作製に成功した。
うな従来の接合方法においては、Al−Si合金ろう
材、Al−Ge合金ろう材を使ってAl/窒化アルミニ
ウムをろう接するときに、窒化アルミニウムの表面に予
め酸化膜を形成しなければならない。また溶湯接合法で
Alと窒化アルミニウムを接合する場合、溶湯を所定の
形状に凝固させる為のダイスが必要である。即ち、次の
ような欠点があった。
身の強度は低くなり、Al/窒化アルミニウム基板の強
度は低くなる。半導体の実装工程及び使用中において、
窒化アルミニウム基板の割れが生じ、半導体装置の絶縁
不良の発生率は高くなる。
成しても、Al表面及び上記ろう材の表面の酸化膜に起
因する未接欠陥の発生を完全には防止できない。
の表面は平らではなく、表面に凹凸があり、反りがあ
る。従って、溶湯接合法で接合する時に基板は反った状
態で接合され、その上に形成されたAl板の厚みは不均
一になり、その後のエッチング工程でエッチング不良が
発生する。
う接する場合、窒化アルミニウムの表面に酸化膜を形成
する工程が必要である。また、溶湯接合法で接合する場
合、窒化アルミニウム基板のサイズ、厚み及びその上に
接合するAlの厚みに合うダイスが必要である。何れの
場合にも余分のコストがかかる。
lにクラッドした状態で使用されている。特にAl−S
i系の箔状ろう材或いはクラッド材は既にJIS標準化
し、AlとAl、或いはAlとセラミックスとのろう接
に広く使用されている。特に、特開昭60−71579
号公報、或いは上述のAlとセラミックスとのろう接に
関する発明にこのようなろう材を使用している。しかし
ながら、上記のように、市販されている窒化アルミニウ
ム基板の表面には凹凸があり、ろう接の時にろう材と窒
化アルミニウムを重ねると、その間に隙間ができ、この
隙間の存在により、加熱時ろう材表面の酸化が更に進
み、未接不良は発生する。
ムと銅との接合に一般的に応用されているにもかかわら
ず、この方法を窒化アルミニウムとAlとの接合に応用
した場合、未接欠陥が発生しやすい、また窒化アルミニ
ウムの表面に予め酸化膜を形成しなければならないよう
な問題点がある。
知見に基づいて、ろう材表面の酸化膜を除去し、或いは
改質すれば、Alと窒化アルミニウムとの接合状態が改
善される可能性がある。本発明はろう接の方法またはろ
う材を改良し、Alと窒化アルミニウムとの直接ろう接
の実現を計るために鋭意研究したところ、ろう材に貴金
属の銀を添加し、またペースト状のろう材を窒化アルミ
ニウムの表面に直接塗布することによって、Alと窒化
アルミニウムとのろう接状態が大幅に改善できることを
見いだし、本発明を完成することができたものである。
窒化アルミニウム絶縁基板の製造方法は、窒化アルミニ
ウム基板の両面にAgを含むペースト状ろう材を形成
し、このようにした窒化アルミニウム基板を挟むように
これにAl板材を重ねて、真空中でろう接した後、湿式
エッチング法により所望形状のAl回路及びベース板を
形成し、更に、Al板材の全面または一部にNiめっき
層を形成することを特徴とする。
量%以上を含むAg−Al合金系ペースト状ろう材、銀
単体及び銀合金ペースト状ろう材、Ti、Mg、Si、
Zn、Sn、Cuを1〜10重量%含むAl−Ag合金
系ペースト状ろう材、または、Ti、Al、Mg、S
i、Zn、Sn、Cuを含む銀合金系ペースト状ろう材
を使用する。
定量の有機物バインダー及び溶剤を入れて均一に混ぜた
後、三本ロールを通し、印刷用のペースト状のろう材を
作製し、このろう材を窒化アルミニウム基板の表面上
に、所定の形状及び厚みに直接印刷した後、所定の温度
に加熱し、乾燥する。同じ手順で窒化アルミニウム基板
の裏面にもろう材を形成し、このようにしてろう材が形
成された窒化アルミニウム基板にこれを挟む形でAl板
を重ね、その上に重りを乗せて真空中で一定の温度に加
熱し、ろう材中のバインダー、溶剤を除去した後、更に
ろう材の溶融温度以上、Alの融点以下の温度に加熱
し、ろう接を行う。
う接されたAl板上に所定形状のエッチングレジストを
形成し、塩化鉄溶液で不要部分を除去し、所定形状のA
l回路を形成し、Alの表面の所定部分に耐酸、耐アル
カリ熱乾燥型めっきレジストを所定の形状に印刷し、ジ
ンケート処理を施した後、Niめっき層を形成する。
ろう材を印刷したため、ろう接するときにろう材とAl
板との間に隙間ができる可能性がある。しかし隙間があ
ってもろう材と窒化アルミニウムとの濡れ性と比べて、
ろう材とアルミニウムとの濡れ性は非常に良いため、上
記隙間は実用上特に問題がない。
善しても、酸化膜が存在した状態では、Alと窒化アル
ミニウムとの接合強度は非常に低いが、本発明ではろう
材に銀を入れたので、接合強度を向上できる。然しなが
ら、銀の添加量が20重量%より少ない場合その効果は
低い。従って、銀の添加量は20重量%以上にするのが
好ましい。
作ってからペースト状のろう材を作る方法と、Al粉と
Ag粉を機械的に混ぜてペースト状ろう材とする方法が
ある。前者の場合、銀の分散性がよく、虫食い欠陥が発
生しにくい利点が考えられるが、合金粉末を作るのに余
分のコストがかかるようになる。
ていないが、銀は貴金属であり酸化しにくいため、銀の
添加により、Alろう材表面の酸化状態が改善されるた
めであると考えられる。
の溶融温度を低くすることが好ましい。また、ろう接強
度を更に改善するために、窒化アルミニウムと反応しや
すいような活性金属を添加することが好ましい。このた
め、Al−Ag合金ろう材に更に1〜10重量%のC
u、Si、Sn、Zn、Mg、Tiを一種以上添加す
る。またその添加方法としてはAl合金粉末を作ってか
らペースト状ろう材を作るのが理想的であるが、それぞ
れの粉末を機械的に混ぜて、ペースト状ろう材にしても
良い。
なくても、ろう接の時に上記Al板が溶けて、Alとの
合金元素のろう材が自動的にできるため、Ti,Mg、
Si、Zn、Sn、Cuを含む銀合金系ろう材及び銀系
ろう材を使用しても良い。
除去するための脱脂工程はろう接と同時に実施しても良
いが、バインダー及び溶剤を効率良く除去するために
は、Al板を重ねない状態でまず脱脂作業を実施し、そ
の後Al板を重ねてろう接するのが好ましい。
接合基板の製造方法をより具体的に説明する。
系溶液を用い、Al粉、Ag粉、ビヒクルの重量比を8
0:20:15になるよう配合し、自動乳鉢で混合した
後、3本ロールを3回以上通し、20重量%のAgを含
むA1−Agのペースト状ろう材を作製した。このろう
材を市販されている窒化アルミニウム基板(イワキガラ
ス株式会社製、厚み0.635mm)の表面に厚さ20
μmになるように、所定の形状に印刷し、大気中におい
て80℃で30分加熱し、ろう材を乾燥した。同じ手順
で窒化アルミニウム基板の裏面にも所定形状のろう材を
形成した。更に、このろう材が印刷された窒化アルミニ
ウム基板を挟む形で市販されたAl板(JIS105
0、厚み0.5mm)を重ね、10-5torrの真空中
において500℃で3時間加熱し脱脂処理した後、62
0℃で1時間加熱しろう接を行った。
う接されたAl板上に所定形状のエッチングレジストを
形成し、塩化鉄溶液で不要部分を除去し、所定形状のA
l回路を形成した。Alの表面の所定部分に耐酸、耐ア
ルカリ熱乾燥型めっきレジストを所定の形状に印刷し、
ジンケート処理を施した後、厚さ3.5μmの無電解N
iめっき層を形成した。更に有機溶剤を使って、メッキ
レジストを溶かし、最終製品の部分めっきAl−窒化ア
ルミニウム絶縁基板を作製した。
探傷法で検査し、未接欠陥の無いことを確認した。更
に、Alと窒化アルミニウム基板の界面にカッターを押
し入れてAlの一部を剥がし、ピール強度測定用のサン
プルを作製し、ピール強度を測定した。ピール強度は
3.5kg/cmであった。
ウム基板を作製し、超音波検査とピール強度測定を行っ
た。但し、ろう材の組成は30重量%のAgを含むAl
−Agとし、ろう接温度は600℃とした。作製したA
l−窒化アルミニウム基板のピール強度は4.7kg/
cmであった。
ウム基板を作製し、超音波検査とピール強度測定を行っ
た。但し、ろう材の組成は56重量%のAgを含む共晶
組成のAl−Agとし、ろう接温度は580℃とした。
作製したAl−窒化アルミニウム基板のピール強度は
3.8kg/cmであった。
ウム基板を作製し、超音波検査とピール強度測定を行っ
た。但し、ろう材はAgろう材とした。作製したAl−
窒化アルミニウム基板のピール強度は4.1kg/cm
であった。
アルミニウム基板を作製し、超音波検査とピール強度測
定を行った。但し、ろう材としては、更にSi粉を添加
し、20重量%のAgと10重量%のSiを含むAl−
Ag−Siのろう材を作製した。作製したAl−窒化ア
ルミニウム基板のピール強度は5.9kg/cmであっ
た。
ウム基板を作製し、超音波検査とピール強度測定を行っ
た。但し、ろう材としては、Si粉の代わりにCu粉を
添加し、20重量%のAgと20重量%のCuを含むA
l−Ag−Cuのろう材を作製し、600℃でろう接を
行った。作製したAl−窒化アルミニウム基板のピール
強度は3.6kg/cmであった。
ウム基板を作製し、超音波検査とピール強度測定を行っ
た。但し、ろう材としては、Si粉の代わりにCu粉を
添加し、40重量%のAgと10重量%のSiを含むA
l−Ag−Cuのろう材を作製し、560℃でろう接を
行った。作製したAl−窒化アルミニウム基板のピール
強度は8.0Kg/cmであった。
ウム基板を作製し、超音波検査とピール強度測定を行っ
た。但し、ろう材としては、Si粉の代わりにCu粉を
添加し、60重量%のAgと10重量%のSiを含むA
l−Ag−Cuのろう材を作製し、560℃でろう接を
行った。作製したAl−窒化アルミニウム基板のピール
強度は10Kg/cmであった。
含むAl−Siろう材を使って、10-5torrの真空
中において620℃で1時間加熱しAl板と窒化アルミ
ニウム基板とのろう接を行った。その後実施例1と同じ
ようにAl−窒化アルミニウム絶縁基板を作製し、超音
波検査とピール強度測定を行った。この絶縁基板には1
9%の未接部が有り、ピール強度は1.5kg/cmで
あった。
ウム絶縁基板を作製し、超音波検査とピール強度測定を
行った。但し、使用したろう材はAgを含まず、10重
量%のSiを含むAl−Siペースト状ろう材であり、
作製した絶縁基板のピール強度は1.2kg/cmであ
った。
ウム絶縁基板を作製し、超音波検査とピール強度測定を
行った。但し、使用したろう材はAgを含まず、33重
量%のCuを含むAl−Cu共晶合金ペースト状ろう材
とした。作製した絶縁基板のピール強度は1kg/cm
未満であった。
ウム絶縁基板を作製し、超音波検査とピール強度測定を
行った。但し、使用したろう材はAgを含まず、60重
量%のSnを含むAl−Snペースト状ろう材とし、ろ
う接温度は600℃であった。作製した絶縁基板のピー
ル強度は1kg/cm未満であった。
ウム絶縁基板を作製し、超音波検査とピール強度測定を
行った。但し、使用したろう材はAgを含まず、10重
量%のZnを含むAl−Znペースト状ろう材とし、ろ
う接温度は630℃であった。作製した絶縁基板のAl
板にピンホール欠陥があり、ピール強度は1kg/cm
未満であった。
ウム絶縁基板を作製し、超音波検査とピール強度測定を
行った。但し、使用したろう材はAgを10重量%しか
含まないAl−Agペースト状ろう材とし、ろう接温度
は640℃であった。作製した絶縁基板のピール強度は
1.5kg/cmであった。
基板の断面図を示し、1は窒化アルミニウム基板、2は
ろう材、3はアルミニウム回路、4はアルミニウムベー
ス板である。
ミニウム基板の表面処理工程を省略でき、未接欠陥のな
いAl−窒化アルミニウム絶縁基板を低コストで製造で
きるようになる大きな利益がある。
ム基板の断面図である。
Claims (5)
- 【請求項1】 窒化アルミニウム基板の両面にAgを含
むペースト状ろう材を形成し、このようにした窒化アル
ミニウム基板を挟むようにこれにAl板材を重ねて、真
空中でろう接した後、湿式エッチング法により所望形状
のAl回路及びベース板を形成し、更に、Al板材の全
面または一部にNiめっき層を形成することを特徴とす
るアルミニウム−窒化アルミニウム絶縁基板の製造方
法。 - 【請求項2】 20重量%以上の銀を含むAg−Al合
金系ペースト状ろう材を使用することを特徴とする請求
項1記載のアルミニウム−窒化アルミニウム絶縁基板の
製造方法。 - 【請求項3】 銀合金系ペースト状ろう材を使用するこ
とを特徴とする請求項1記載のアルミニウム−窒化アル
ミニウム絶縁基板の製造方法。 - 【請求項4】 Ti、Mg、Si、Zn、Sn、Cuを
1〜10重量%含むAl−Ag合金系ペースト状ろう材
を使用することを特徴とする請求項2記載のアルミニウ
ム−窒化アルミニウム絶縁基板の製造方法。 - 【請求項5】 Ti、Al、Mg、Si、Zn、Sn、
Cuを含む銀合金系ペースト状ろう材を使用することを
特徴とする請求項3記載のアルミニウム−窒化アルミニ
ウム絶縁基板の製造方法。
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