JP2003055058A

JP2003055058A - セラミック体と銅板の接合方法

Info

Publication number: JP2003055058A
Application number: JP2001252703A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Iwamoto; 豪岩元; Yoshihiko Tsujimura; 好彦辻村; Yoshitaka Taniguchi; 佳孝谷口; Nobuyuki Yoshino; 信行吉野
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2001-08-23
Filing date: 2001-08-23
Publication date: 2003-02-26
Anticipated expiration: 2021-08-23
Also published as: JP4812985B2

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
ラミック体と銅板との接合を、窒素雰囲気下の焼成によ
って、接合強度を維持しつつ、縁部の未接合部分を著し
く軽減させて行うこと。【解決手段】窒化アルミニウム又は窒化珪素を主体とす
るセラミック体と銅板とを、金属成分として、銀５０〜
８９％、銅１〜３０％、ビスマス０．０５〜０．７％、
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１０〜３０％を含んでなるろう材
を介して積層し、それを１．０ＭＰａ以上の圧力で加圧
しながら、酸素濃度１００〜１０００ｐｐｍの窒素雰囲
気下、昇温速度及び降温速度を５．５℃／分以上にして
接合することを特徴とするセラミック体と銅板の接合方
法である。ろう材が更に錫０．５〜３０％を含有してな
ることが好ましい。

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】当該分野における今日
の課題は、これまでと同等又はそれ以上の高信頼性回路
基板を低コストで生産することである。その一方法とし
て、最もコストがかかる回路基板の接合工程を、活性金
属ろう付け法を用いる高真空下の熱処理から窒素雰囲気
下の焼成に変更することが考えられるが、この場合、窒
素雰囲気中に存在する微量な酸素が活性金属と結びつ
き、縁部が十分に接合しない問題があった。そのため、
回路基板に供するにはその接合不良部分を含めた大幅な
切り落としが必要となり甚だ不経済であった。

【０００４】本発明の目的は、上記に鑑み、高信頼性回
路基板を低コストで製造することである。本発明の目的
は、セラミック体と銅板との接合を、活性金属ろう付け
法を用いる高真空下の熱処理から窒素雰囲気下の焼成に
変更するべき接合ろう材等の諸条件を適正化することに
よって達成することができる。

【０００５】

【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
と銅板とを、金属成分として、銀５０〜８９％、銅１〜
３０％、ビスマス０．０５〜０．７％、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１０〜３０％を含んでなるろう材を介して積層
し、それを１．０ＭＰａ以上の圧力で加圧しながら、酸
素濃度１００〜１０００ｐｐｍの窒素雰囲気下、昇温速
度及び降温速度を５．５℃／分以上にして接合すること
を特徴とするセラミック体と銅板の接合方法である。ろ
う材が更に錫０．５〜３０％を含有してなることが好ま
しい。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、更に詳しく本発明を説明す
ると、本発明の特徴は、ろう材の金属成分組成、加圧接
合、接合雰囲気、接合時間の諸条件を適正化して、高真
空下の熱処理から窒素雰囲気下の焼成に変更したことで
ある。これによって、接合強度（ピール強度）を落とさ
ず（１００Ｎ／ｃｍ以上）に、縁部（特に沿面距離が３
ｍｍ以内の縁部）の未接合部分を軽減させることが可能
となる。

【０００７】本発明で用いられるろう材において、金属
成分の合計中、銀が８９％超となると、銀とその他ろう
材成分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、５０％未満となると、ろう材の銅板に対する濡れ
性が低下し、接合層中にボイドが形成されて接合強度が
低下する。

【０００８】銅が１％未満ではろう材の融点が著しく上
がり、ろう材の濡れ性が悪くなる。３０％を超えると、
銅とその他ろう材成分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。

【０００９】ビスマスが０．０５％未満では、昇温時に
気化したビスマスが十分に雰囲気中の酸素と反応しきれ
ず、縁部の接合不良が改善されない。また、０．７％を
超えると、気化せずに残ったビスマスが他のろう材成分
と金属間化合物を作り、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。

【００１０】活性金属としては、ジルコニウムが好まし
い。活性金属が１０％未満では、セラミック体と接合層
との接合強度が弱く、また３０％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。

【００１１】本発明において、活性金属はセラミック体
に拡散し、ビスマスは、他の金属成分に比較して蒸気圧
が高いので、蒸気化したビスマスは回路基板縁部まで行
き渡り、活性金属とセラミックスの接合を阻害する雰囲
気中の微量な酸素と結びつき、回路基板縁部の接合不良
を改善する。

【００１２】本発明で使用されるろう材には、更に錫が
０．５〜３０％含有されていることが好ましい。錫は、
銀成分や銅成分のろう材と銅板との濡れ性を高め、また
ろう材の金属成分の酸化抑制作用とろう材の融点降下作
用として機能するので、高真空下の焼成でなくても極微
量酸素を含む窒素雰囲気下の焼成によって、セラミック
体と銅板とがより一段と強固に接合させることができ
る。錫が０．５％未満ではこのような効果は認められ
ず、また３０％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
の信頼性が低下する恐れがある。

【００１３】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銅板との間
に介在させることである。ペースト調合の一例を示せ
ば、金属成分１００部あたり、ポリイソブチルメタアク
リレート（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／ｍ²とす
ることが好ましい。ペーストはセラミック体及び／又は
銅板に塗布される。

【００１４】ろう材を挟んだセラミック体と銅板の積層
体は、圧力１．０ＭＰａ以上で加圧しながら焼成され
る。加圧力が１．０ＭＰａ未満であると、ろう材が雰囲
気に曝される隙間が大きくなるため、接合が不十分とな
る。加圧力の上限は２ＭＰａ程度である。

【００１５】接合雰囲気は、酸素濃度１００〜１０００
ｐｐｍの窒素雰囲気である。酸素濃度が１０００ｐｐｍ
超であると、基板縁部の酸化が顕著となり、接合不良を
起こす。また、１００ｐｐｍ未満では、活性金属の酸化
は抑えられ、良好な接合状態が得られるが、気化したビ
スマスが回路銅板表面に回り込み、ロウ材しみ出し不良
が発生してしまう。

【００１６】接合は、例えば温度７５０〜９００℃で
０．５〜２時間保持して行われる。７５０℃未満では接
合が十分でなく、また９００℃を超えると、銀や錫の銅
板への拡散が過度となり、接合層が脆弱なものとなる。
この温度範囲における保持時間が０．５時間よりも短い
と接合が不十分となり、また２時間よりも長くなると、
同様に銀や錫の銅板への拡散が過度となり、接合層が脆
弱なものとなる。

【００１７】本発明においては、昇温開始から７５０℃
までの昇温速度と、７５０℃から室温等の取り出し温度
までの冷却速度が、いずれも５．５℃／分以上にして行
われる。昇温速度が５．５℃／分未満であると、ろう材
が酸化されてしまい、接合が不十分となる。また、冷却
速度が５．５℃／分未満であると、６００℃以上の温度
範囲において、ろう材のＡｇやＳｎ等の成分が銅板側へ
拡散してしまうため、基板としての信頼性が低下する。
また、６００℃よりも低温域において冷却速度が遅いこ
とは生産性の向上につながらない。

【００１８】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としては、強度と熱伝
導率純度が４００ＭＰａ以上、１５０Ｗ／ｍＫ以上、９
３％以上であることが好ましく、また窒化珪素を主体と
するものとしては強度と熱伝導率純度が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。

【００１９】本発明で用いられる銅板は、無酸素銅板、
特に酸素量が５０ｐｐｍ以下、特に３０ｐｐｍ以下の無
酸素銅板であることが好ましい。

【００２０】本発明によって製造される接合体は、接合
層の厚みが８〜１３μｍであることが好ましい。接合層
の厚み８μｍ未満であると接合が不十分となり、また１
３μｍを超えると、銅と錫の金属間化合物の生成量が増
大し、接合層が脆弱なものとなる。接合層の厚みは、ろ
う材厚みによって容易に調節することができる。

【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。なお、本明細書に記載の「％」、「部」
はいずれも質量基準である。

【００２２】実施例１〜１２比較例１〜１５銀粉末（１．１μｍ、９９．３％）、銅粉末（１４．１
μｍ、９９．８％）、錫粉末（５．０μｍ、９９．９
％）、ジルコニウム粉末（５．５μｍ、９９．９％）、
ビスマス粉末（最大粒径７５μｍ、９９．９％）を表１
の割合で配合し、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、金属成分７１．４％
を含むろう材ペーストを調製した。

【００２３】このろう材ペーストを窒化アルミニウム基
板（サイズ：６０ｍｍ×３６ｍｍ×０．６５ｍｍ、曲げ
強さ：５００ＭＰａ、熱伝導率：１５５Ｗ／ｍＫ、純度
９５％以上）又は窒化珪素基板（サイズ：５７ｍｍ×３
４ｍｍ×０．６５ｍｍ、曲げ強さ：７００ＭＰａ、熱伝
導率：７０Ｗ／ｍＫ、純度９２％以上）の両面にロール
コーターによって全面に塗布した。その際の塗布量は乾
燥基準で９ｍｇ／ｃｍ ²とした。

【００２４】つぎに、セラミック体の銅回路形成面に５
６ｍｍ×３２ｍｍ×０．３ｍｍの無酸素銅板（酸素量１
０ｐｐｍ）を、また放熱銅板形成面に５６ｍｍ×３２ｍ
ｍ×０．１５ｍｍの無酸素銅板（酸素量１０ｐｐｍ）を
接触配置してから、表１、表２に示される酸素濃度の窒
素雰囲気下で、接合温度、接合時間、酸素濃度、昇温速
度、降温速度、接合圧力を表１、表２のように変化させ
接合を行った。そして、銅回路形成面には所定形状の回
路パターンを、放熱銅板形成面に放熱板パターンを形成
させるように、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、無電解Ｎｉ−Ｐメ
ッキ（厚み３μｍ）を行って回路基板を作製した。

【００２５】得られた回路基板のピール強度と、縁部の
未接合距離を測定した。それらの結果を表２に示す。（１）ピール強度：無酸素銅板とセラミック体との接合
強度をシンポ工業社製プッシュプルゲージ「ＤＦＧ−２
０ＴＲ」を用いて測定した。（２）縁部の未接合距離：塩化第二鉄及びチオ硫酸ナト
リウムを用いて接合された銅板を除去して接合層をむき
出しにし、セラミック体端部から接合層までの距離を測
定した。

【００２６】

【表１】

【００２７】

【表２】

【００２８】

【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銅板との接合を、
窒素雰囲気下の焼成によって、接合強度を維持しつつ、
縁部の未接合部分を著しく軽減させて行うことができ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者吉野信行福岡県大牟田市新開町１電気化学工業株式会社大牟田工場内Ｆターム(参考） 4G026 BA16 BA17 BB22 BF11 BF16 BF24 BF44 BG02 BG27 BG30 BH07 5E343 AA02 AA24 BB14 BB24 BB67 CC01 DD75 DD80 GG02

Claims

【特許請求の範囲】

【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銅板とを、金属成分として、銀５０
〜８９％、銅１〜３０％、ビスマス０．０５〜０．７
％、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１０〜３０％を含んでなるろ
う材を介して積層し、それを１．０ＭＰａ以上の圧力で
加圧しながら、酸素濃度１００〜１０００ｐｐｍの窒素
雰囲気下、昇温速度及び降温速度を５．５℃／分以上に
して接合することを特徴とするセラミック体と銅板の接
合方法。
【請求項２】ろう材が更に錫０．５〜３０％を含有し
てなることを特徴とする請求項１記載の接合方法。