JP2002137974A - セラミック体と銅板の接合方法 - Google Patents

セラミック体と銅板の接合方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】窒化アルミニウム又は窒化珪素を主体とするセ
ラミック体と、光沢度1.1以上かつ表面粗さRz1.
0以下の無酸素銅板とを、無酸素銅板の平滑性を損なわ
せない低温で、十分な接合強度をもって接合すること。 【解決手段】窒化アルミニウム又は窒化珪素を主体とす
るセラミック体と、光沢度1.1以上かつ表面粗さRz
1.0以下の無酸素銅板とを、金属成分として、銀75
〜89%、銅1〜23%、錫1〜5%、チタン、ジルコ
ニウム及びハフニウムから選ばれた少なくとも1種の活
性金属成分1〜6%を含んでなる接合ろう材を用い、温
度800〜830℃で接合することを特徴とする接合方
法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、パワーモジュール
に使用される回路基板の製造に好適なセラミック体と平
滑無酸素銅板との接合方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、ロボット・モーター等の産業機器
の高性能化にともない、大電力・高効率インバーター等
大電力モジュールの変遷が進み、半導体素子から発生す
る熱も増加の一途をたどっている。この熱を効率よく放
散させるため、大電力モジュール基板では従来より様々
な方法がとられてきた。最近では、良好な熱伝導を有す
るセラミックス基板が利用できるようになり、その表裏
両面に銅板等の金属板を接合し、エッチングによって一
方の面に金属回路、他方の面に放熱金属板を形成させた
後、そのままあるいはメッキ等の処理を施し、金属回路
部分に半導体素子を実装し、反対面をベース銅板と半田
付けし、ヒートシンクに取り付けて使用されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の分野に使用されている金属回路基板の信頼性に対する
要求は、年々厳しくなる一方であり、これまで要求され
てきた、セラミック基板の割れや金属回路とセラミック
基板との密着強度等だけではなく、金属回路表面特性、
すなわちユーザーで行うワイヤボンディング性に対して
も高い信頼性を要求されてきた。
【0004】この要求を満たすには、表面ができるだけ
平滑で光沢があり、しかも酸素量が20ppm以下の無
酸素銅板を金属回路の材質とすればよいことが知られて
いたが、このような無酸素銅板を、チタン、ジルコニウ
ム等の活性金属成分を含有する通常の銀及び/又は銅を
主成分とするろう材を用いて窒化アルミニウム基板に接
合する場合、所用接着強度を得るための接合温度が約8
60℃と高温となる。これでは、接合された銅の粒成長
が過度となり、表面が荒れてしまうので、平滑な無酸素
銅板を接合することの意義が薄れ、窒化アルミニウム基
板と十分な接合強度をもって接合することはできなかっ
た。
【0005】そこで、従来は、Niメッキを施す前に金
属回路表面を研磨し、表面の平滑性を保持することによ
ってワイヤボンディングの信頼性を確保してきた。しか
し、研磨工程の付加はそのままコストアップにつなが
り、しかも研磨工程管理が不十分であると、金属板の損
傷や表面性状の不均一性を引き起こし、何かと問題であ
った。
【0006】本発明は、上記に鑑みてなされたものであ
り、その目的は、窒化アルミニウム又は窒化珪素を主体
とするセラミック体と、光沢度1.1以上かつ表面粗さ
Rz1.0以下の無酸素銅板とを、銅の粒成長が過度と
ならない830℃以下の低温で、十分な接合強度をもっ
て接合する方法を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、窒
化アルミニウム又は窒化珪素を主体とするセラミック体
と光沢度1.1以上かつ表面粗さRz1.0以下の無酸
素銅板とを、金属成分として、銀75〜89%、銅1〜
23%、錫1〜5%、チタン、ジルコニウム及びハフニ
ウムから選ばれた少なくとも1種の活性金属成分1〜6
%を含んでなる接合ろう材を用い、温度800〜830
℃で接合することを特徴とする接合方法である。
【0008】
【発明の実施の形態】以下、更に詳しく本発明を説明す
る。
【0009】ワイヤボンディングに要求されている信頼
性の高い銅板表面性状とは、簡単にいうとより平滑であ
るということである。その平滑さを推し量る尺度とし
て、表面粗さと光沢度がある。比較的大きな範囲(0.
1mm〜数mm程度)での平滑さは表面粗さという尺度
が好ましい。表面粗さの中にも、Ra、Rmax、Rz
等があるが、本発明ではRzで評価することが望まし
い。比較的小さな範囲(0.01mm〜0.1mm程
度)での平滑さは光沢度という尺度を使用する。本発明
でいう光沢度とは、光沢度計(例えばマクベス社製「R
D918(Gretag Macbeth」)にてイエ
ローレンジ測定された値である。
【0010】本発明においては、比較的大きな範囲
(0.1mm〜数mm程度)と比較的小さな範囲(0.
01mm〜0.1mm程度)のそれぞれにおいて平滑で
あることが重要である。すなわち、光沢度1.1以上
で、表面粗さRz1.0以下の無酸素銅板が必要とな
る。光沢度が1.1未満であると、表面の微少部分
(0.01mm〜0.1mm程度)での表面粗さが大き
くなり、ワイヤーの密着性が悪くなる。表面粗さRzが
1.0を超えると、表面の比較的大きな範囲(0.1m
m〜数mm程度)における表面粗さが大きくなり、ワイ
ヤーの密着が不均一となる。
【0011】無酸素銅板の酸素含有量は20ppm以下
であることが好ましく、それよりも多くなると、接合ろ
う材成分中の活性金属成分が酸化され、接合ろう材のセ
ラミック体への反応が妨げられる。
【0012】本発明の特徴は、平滑な無酸素銅板とセラ
ミック体とを接合する際に、金属成分として、銀75〜
89%、銅1〜23%、錫1〜5%、チタン、ジルコニ
ウム及びハフニウムから選ばれた少なくとも1種の活性
金属成分1〜6%を含んでなる接合ろう材を用い、温度
800〜830℃で接合することである。
【0013】本発明において、接合ろう材の活性金属成
分はセラミック体に拡散し、また錫成分は銀成分と無酸
素銅板との濡れ性を向上させる結果、セラミック体と無
酸素銅板とが、直接、強固に接合する。
【0014】本発明の接合ろう材において、銀が75%
未満であると、銅と錫の金属間化合物の生成量が増大し
て接合層が脆弱なものとなり、機械的強度の信頼性が大
きく低下する。また、89%を超えると、接合ろう材の
無酸素銅板に対する濡れ性が低下し、接合層中にボイド
が形成され接合強度が低下する。
【0015】銅が1%未満であると、接合ろう材自体の
融点が低下しないので、800〜830℃の低温におい
て、無酸素銅板又はセラミック体への接合ろう材の濡れ
性が低下する。また、23%を超えると、銀銅共晶点組
成よりも銅成分が著しく多くなるため、これまた接合ろ
う材の融点が高くなり、800〜830℃の低温で十分
な接合強度をもって接合させることが困難となる。
【0016】錫が1%未満であると、無酸素銅板が接合
ろう材中に溶解する割合が多くなって、接合ろう材の融
点が上昇し、接合温度を高めなねばならなくなるととも
に、接合層にボイドが形成され接合強度が大きく低下す
る。また、5%を超えると、銅と錫の金属間化合物の生
成量が増大して接合層が脆弱なものとなり、機械的強度
の信頼性が大きく低下する。
【0017】チタン、ジルコニウム及びハフニウムから
選ばれた少なくとも1種の活性金属成分が1%未満であ
ると、セラミック体と接合層との接合強度が弱く、また
6%を超えると、接合層が脆弱なものとなり、機械的強
度の信頼性が低下する。これらの活性金属成分は、それ
らを成分とする単体又は化合物が使用される。
【0018】接合ろう材の金属成分は、それら単体又は
合金の箔や粉末をそのまま用いることができるが、好ま
しくはペーストを調合し、それをセラミック体と無酸素
銅板の間に介在させて熱処理することである。ペースト
調合の一例を示せば、金属成分100部(部は質量部、
以下同じ)あたり、PIBMA等の媒体4〜10部であ
る。ペーストの塗布量は、乾燥基準で9〜10mg/m
2 とすることが好ましい。
【0019】本発明において、接合温度は800〜83
0℃である。800℃未満では接合が十分でなくなり、
また830℃を超えると、無酸素銅板の表面において、
銅の粒成長が過度となり、表面粗さが粗くなってしま
う。接合雰囲気は真空が好ましい。
【0020】本発明で用いられるセラミック体は、窒化
アルミニウム又は窒化珪素を主体とするものである。窒
化アルミニウムを主体とするものは、強度、熱伝導率、
純度が、それぞれ400MPa以上、150W/mK以
上、93%以上であることが好ましく、また窒化珪素を
主体とするものは、それぞれ600MPa以上、50W
/mK以上、93%以上であることが好ましい。これら
のセラミック体には、市販品があるのでそれを用いるこ
とができる。
【0021】
【実施例】以下、本発明を実施例、比較例をあげて具体
的に説明する。
【0022】実施例1〜5 比較例1〜11 表1に示す質量割合で、銀粉末、銅粉末、錫粉末、活性
金属粉末及びテルピネオールを配合し、ポリイソブチル
メタアクリレートのテルピネオール溶液を加えて混練
し、接合ろう材ペーストを調製した。この接合ろう材ペ
ーストを窒化アルミニウム基板(サイズ:60mm×3
6mm×0.65mm 曲げ強さ:500MPa 熱伝
導率:155W/mK、純度95%以上)の両面にロー
ルコーターによって基板全面に塗布した。塗布量は、乾
燥基準で9mg/m2 とした。
【0023】つぎに、窒化アルミニウム基板の金属回路
形成面には表1に示す無酸素銅板(56mm×32mm
×0.3mm)を、また金属放熱板形成面には表1に示
す種無酸素銅板(56mm×32mm×0.15mm)
を接触配置してから、真空度0.1Torr以下の真空
下、表1に示す温度で30分加熱した後、600℃まで
急冷し、その後2℃/分の降温速度で冷却した。そし
て、金属回路形成面には回路パターン状に、金属放熱板
形成面に放熱板状にレジストインクをスクリーン印刷し
てから銅板と接合層のエッチングを行い、回路及び放熱
板を形成した。その後、無電解Ni−Pメッキ(厚み3
μm)を施し回路基板とした。
【0024】なお、用いた無酸素銅板の酸素含有量をL
ECO社「ON分析計」で測定しところ、いずれも10
ppm以下の検出限界以下であることを確認した。光沢
度は、マクベス社製光沢度計「RD918(Greta
g Macbeth)」を用い、イエローレンジで測定
した。表面粗さは、ミツトヨ社製表面粗さ計「サーフテ
スト301」を用い、以下の条件で測定した。 カットオフ値(測定距離):0.8mm 測定区間 :5(上記測定距離を5区間行う) ピークカウント :1
【0025】回路部へのワイヤボンディングは、Ni入
りAlボンディングワイヤ(田中電子工業社製「TAN
W 」直径300μm)を用い、ボンディング間距離が
10mm程度のループが形成されるよう、太線用超音波
ボンダー(超音波工業社製「SW−1−20A」)を用
い、両ボンディング共に3.7Wの出力で行った。
【0026】ワイヤボンディング強度の測定は、超音波
工業社製プルテスター「UJ−246−1C」を用い、
ループの頂点を引っ張った際、ワイヤーがちぎれたとき
のプル強度と、そのときの剥離モードのうち、界面より
剥離するものの確率をn=50にて測定した。これらの
結果を表2に示す。
【0027】
【表1】
【0028】
【表2】
【0029】
【発明の効果】本発明によれば、窒化アルミニウム又は
窒化珪素を主体とするセラミック体と、光沢度1.1以
上かつ表面粗さRz1.0以下の無酸素銅板とを、無酸
素銅板の平滑性を損なわせない低温で、十分な接合強度
をもって接合することができるため、ワイヤボンディン
グ性に優れた回路基板となる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4G026 BA16 BA17 BB23 BC02 BD12 BF16 BF24 BG02 BG23 BH07 5E343 AA02 AA24 BB24 BB67 CC01 DD52 GG02

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 窒化アルミニウム又は窒化珪素を主体と
    するセラミック体と光沢度1.1以上かつ表面粗さRz
    1.0以下の無酸素銅板とを、金属成分として、銀75
    〜89%、銅1〜23%、錫1〜5%、チタン、ジルコ
    ニウム及びハフニウムから選ばれた少なくとも1種の活
    性金属成分1〜6%を含んでなる接合ろう材を用い、温
    度800〜830℃で接合することを特徴とする接合方
    法。
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