JP2003188310A

JP2003188310A - 電極端子付き回路基板の製造方法

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Publication number: JP2003188310A
Application number: JP2001384160A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Tsujimura; 好彦辻村; Nobuyuki Yoshino; 信行吉野; Takeshi Iwamoto; 豪岩元
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2001-12-18
Filing date: 2001-12-18
Publication date: 2003-07-04

Abstract

(57)【要約】【課題】耐絶縁性の大きな電極端子付き回路基板を半田
を用いないで生産性を高めて製造すること。【解決手段】窒化アルミニウム又は窒化珪素を主体とす
るセラミック基板に、（イ）銀、銅、錫及びジルコニウ
ムを含むろう材を用い、窒素雰囲気下で加熱して銅回路
又は銅板を接合するか、又は（ロ）Ａｌ−Ｃｕ系合金
箔、Ａｌ−Ｃｕ系合金箔の粉末、及びＡｌとＣｕを含む
混合粉末から選ばれた少なくとも１種の接合材を用い、
窒素雰囲気下で加熱してＡｌ又はＡｌ合金からなる回路
又は板を接合した後、銅板、又はＡｌ又はＡｌ合金から
なる板を接合したときにはエッチングを行ってその回路
を形成し、これらの回路の上面積の１／３以下の部分
に、１箇所の電極端子の取り付け面積を３〜３０ｍｍ²
として、特定条件の超音波エネルギを与えて電極端子を
取り付ける。

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
に好適な電極端子付き回路基板の製造方法に関する。【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、良好な熱伝
導を有する窒化アルミニウム又は窒化珪素を主体とする
セラミック基板（以下、「窒化アルミニウム等基板」と
いう。」）とその表裏両面に銅板を接合し、エッチング
によって一方の面に銅回路、他方の面に放熱銅板を形成
させた後、そのままあるいはメッキ等の処理を施して回
路基板となし、その銅回路部分に半導体素子と電極端子
を半田付けし、反対面の放熱銅板をベース銅板に半田付
けしてから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】ここで用いられる半田
は、鉛を含むものであるため、今日の環境問題の見地か
ら鉛フリー半田の使用が検討されている。その一方で、
半田を使用しない接合方法も検討されており、電極端子
を３０〜２００ｋＨｚの超音波を用いて溶接することが
すでに提案されている（特開２０００−２３２１８９号
公報）。しかしながら、この超音波条件で取り付けられ
た電極端子付き回路基板であっても、その回路基板の製
造履歴や回路形状によって、耐絶縁性が大きく異なり、
ＡＣ５０００Ｖを３分間印加すると破壊したり、製造当
初は良くても繰り返して熱サイクルを受けると、絶縁破
壊に至るものがあった。【０００４】本発明の目的は、特開２０００−２３２１
８９号公報における上記問題を解決することであり、耐
絶縁性の大きな電極端子付き回路基板を半田を用いない
で製造することである。本発明の目的は、セラミック基
板として窒化アルミニウム等基板を用い、錫入りろう材
を用いて銅回路を接合するか、又はＡｌ−Ｃｕ系接合材
を用いてＡｌ又はＡｌ合金からなる回路を接合して回路
基板を製造し、その回路の特定上面に特定条件の超音波
を加えて電極端子を取り付け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、以
下のとおりである。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基板に、（イ）銀、銅、錫及びジル
コニウムを含むろう材を用い、窒素雰囲気下で加熱して
銅回路又は銅板を接合するか、又は（ロ）Ａｌ−Ｃｕ系
合金箔、Ａｌ−Ｃｕ系合金箔の粉末、及びＡｌとＣｕを
含む混合粉末から選ばれた少なくとも１種の接合材を用
い、窒素雰囲気下で加熱してＡｌ又はＡｌ合金からなる
回路又は板を接合した後、銅板、又はＡｌ又はＡｌ合金
からなる板を接合したときにはエッチングを行ってその
回路を形成し、これらの回路の上面積の１／３以下の部
分に、１箇所の電極端子の取り付け面積を３〜３０ｍｍ
²として、電極端子の少なくとも１個を、出力３００Ｗ
以上、周波数７ｋＨｚ以上、振幅７μｍ以上の超音波エ
ネルギを与えて取り付けることを特徴とする電極端子付
き回路基板の製造方法。【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、特定条件で製造された回路基板
に特定条件で電極端子を超音波接合したことである。【０００７】本発明で用いられるセラミック基板は窒化
アルミニウム等基板である。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、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
ック基板には、市販品があるのでそれを用いることがで
きる。【０００８】回路金属及び放熱金属が銅の場合は、ろう
材の金属成分は、銀４０〜６４％、銅１２〜２８％、錫
１２〜２２％、ジルコニウム８〜１６％であることが好
ましい。銀が４０％未満となると、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、６４％を超え
ると、ろう材の銅板（又は銅回路又は放熱銅板）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。【０００９】銅が１２％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。２８％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。【００１０】錫が１２％未満であると、ろう材が酸化さ
れやすくなり、ろう材の融点が上昇し、接合温度を高め
なければならなくなるとともに、接合層にボイドが形成
されて接合強度が大きく低下する。また、２２％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。【００１１】活性金属としては、ジルコニウムを選択す
る。ジルコニウムが８％未満では、窒化アルミニウム等
基板と接合層との接合強度が弱く、また１６％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。【００１２】本発明において、ジルコニウム成分は窒化
アルミニウム等基板に拡散し、錫成分は銀成分と銅成分
の銅板（又は銅回路又は放熱銅板）に対する濡れ性を改
善する結果、高真空下の焼成でなくても窒素雰囲気下の
焼成によって、窒化アルミニウム等基板と銅板（又は銅
回路又は放熱銅板）とが強固に接合する。【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、それを窒化アルミニウム等基板と
銅板（又は銅回路又は放熱銅板）と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。ペーストは窒化アルミニウム等基板及び／
又は銅板（又は銅回路又は放熱銅板）に塗布される。【００１４】本発明で用いられる銅板（又は銅回路又は
放熱銅板）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。銅回路パターン又は放熱銅板パターンを接合した
場合には、エッチングは特に必要でないが、銅板を接合
した場合には、銅板から銅回路又は放熱銅板を形成する
ためにエッチングが必要となる。これは、後述するＡｌ
又はＡｌ合金からなる板（アルミニウム板）を接合した
場合も同じである。【００１５】銅回路の厚みは０．１〜０．５ｍｍ、放熱
銅板の厚みは０．１〜０．５ｍｍであることが望まし
い。【００１６】本発明によって製造される回路基板は、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
１３μｍ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。【００１７】ろう材を挟んだ窒化アルミニウム等基板と
銅板（又は銅回路又は放熱銅板）の積層体は、圧力１．
０ＭＰａ以上で加圧しつつ焼成することが好ましい。
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
上限には限定はないが、２ＭＰａ程度で十分である。【００１８】積層体の接合雰囲気は窒素雰囲気である。
好ましくは酸素濃度１〜１００ｐｐｍの窒素雰囲気であ
る。酸素濃度が１００ｐｐｍを超えると、ろう材が酸化
され、接合が不十分となる。また、酸素濃度１ｐｐｍ未
満では、ろう材の濡れ性が極端に良くなり、温度制御が
困難となるため好ましくない。また、装置が大がかりな
ものとなるので製品コストが十分に下がらない。【００１９】接合は、温度７５０〜８５０℃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８５０℃を超えると、銀や錫の銅板（又は
銅回路又は放熱銅板）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（又は銅回路
又は放熱銅板）への拡散が過度となり、接合層が脆弱な
ものとなる。【００２０】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
までの冷却速度も重要であり、いずれも３００℃／時間
以上とすることが好ましい。昇温速度が３００℃／時間
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。冷却速度が３００℃／時間未満であると特に
６００℃以上の温度範囲では、ろう材層中のＡｇやＳｎ
等の成分が銅板（又は銅回路又は放熱銅板）側へ拡散し
てしまい、回路基板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を遅くすると生産性向
上につながらない。【００２１】つぎに、回路金属及び放熱金属がＡｌ又は
Ａｌ合金（以下、「アルミニウム」という。）である場
合について説明する。詳しくは、特開２００１−０８５
８０８号公報に記載されている。接合材としては、Ａｌ
−Ｃｕ系合金箔、Ａｌ−Ｃｕ系合金箔の粉末、及びＡｌ
とＣｕを含む混合粉末から選ばれた少なくとも１種の接
合材が用いられる。中でも、Ａｌ−Ｃｕ系合金箔が好ま
しく、特にアルミニウム回路の厚みに対し１／１０〜１
／５０の厚みを持つ合金箔が好ましい。１／５０未満の
厚みでは、十分な接合が難しくなり、また１／１０超で
はアルミニウム回路が硬くなり回路基板の熱履歴に対し
て不利となる。特に好ましくは、１００μｍ以下の厚み
であって、しかもアルミニウム回路の厚みに対して１／
１２〜１／４０の厚みである。通常、厚み０．４〜０．
６ｍｍのアルミニウム回路が使用されるので、接合材の
厚みは１０〜５０μｍ、特に１５〜３０μｍ程度とな
る。【００２２】アルミニウム板（又はアルミニウム回路又
は放熱アルミニウム板）としては、１０００系の純Ａｌ
は勿論のこと、接合が容易な４０００系のＡｌ−Ｓｉ系
合金や、６０００系のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金等が使用
さできる。なかでも、降伏耐力の低い高純度Ａｌ（純度
９９．８５％以上）が好ましい。このようなアルミニウ
ム板は、１０８５、１Ｎ８５材として市販されている。
また、９９．９％（３Ｎ）品や９９．９９％（４Ｎ）品
でもそれほど高価ではないので、使用することができ
る。【００２３】アルミニウム回路は単体でもよく、二種又
は三種以上のクラッド等の積層体であってもよい。積層
体の例をあげれば、Ａｌ−Ｎｉ、Ａｌ−Ｎｉ−Ｃｕ、Ａ
ｌ−Ｍｏ、Ａｌ−Ｗ、Ａｌ−Ｃｕ等である。これらは、
使用目的や接合方法により適宜選択される。これらの中
にあっても、純度９９．９９％以上のＡｌ単体の圧延
板、特に圧延率１０％以上の圧延板を用いることが好ま
しい。圧延Ａｌ板が好適である理由は、溶融アルミニウ
ム法に比べて、ロールで均一な圧延が繰り返し行われて
いるので、均一な塑性変形が生じやすいことである。【００２４】アルミニウム回路のＡｌ純度は、高純度で
ある程良好であるが、高価であるので、通常に入手可能
な９９．９９９％程度品が好適である。また、アルミニ
ウム回路の厚みは、通常０．３〜０．５ｍｍである。こ
の範囲を著しく逸脱すると、上記好適な接合材厚みとの
関係が維持できなくなる。例えば、３ｍｍ厚みのアルミ
ニウム回路に対して、１／１５の厚さである２００μｍ
の合金箔は適切な厚みとはならず、熱履歴に対して不利
な硬い層が形成される。【００２５】さらには、アルミニウム回路の硬度を最適
化して塑性変形を比較的均一に発生させ、メッキやボン
ディングワイヤの剥離防止と、半田クラック等の損傷を
著しく軽減させるために、アルミニウム回路の厚みが１
００μｍ以上で、ビッカース硬度は１５ｋｇｆ／ｍｍ²
以下であることが好ましい。【００２６】放熱アルミニウム板としては、純度９９．
０％以上のものであれば良く、厚みが０．１〜０．５ｍ
ｍであることが望ましい。【００２７】接合材の好ましい組成は、Ａｌが８６％以
上、Ｃｕが１〜６％、Ｍｇが３％以下（０を含まず）特
に０．２〜２．０％である。更には、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｍ
ｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｂｉ、Ｂ、Ｆｅ等の成分を合計で５％
程度以下を含ませることができる。このような組成によ
って、回路基板をより安定かつ安価に供給することがで
きる。【００２８】接合材の具体例（市販品合金）を示すと、
２０１８合金、２０１７合金、更にはＪＩＳ合金の２０
０１、２００３、２００５、２００７、２０１１、２０
１４、２０２４、２０２５、２０３０、２０３４、２０
３６、２０４８、２０９０、２１１７、２１２４、２２
１８、２２２４、２３２４、７０５０等の合金である。【００２９】積層体の接合雰囲気は窒素雰囲気、好まし
くは酸素濃度１〜１００ｐｐｍの窒素雰囲気である。接
合温度は６００〜６５０℃である。【００３０】本発明で用いられる超音波接合は、例えば
超音波工業社製ＵＳＷ−６１０Ｚ２０Ｓ等の装置を用
い、その条件を選択して行われる。まず、出力は３００
Ｗ以上、好ましくは５００〜２５００Ｗの範囲内におい
て、回路基板や電極端子の大きさによって調整される。
出力が３００Ｗ未満では接合が十分でなくなる。周波数
は７ｋＨｚ以上、好ましくは１０〜２８ｋＨｚである。
７ｋＨｚよりも低いと十分に接合せず、２８ｋＨｚより
も高いと振動が大きくなり過ぎ、接合が十分でなくな
る。振幅は７μｍ以上、好ましくは１０〜１００μｍで
ある。振幅が７μｍ未満では接合が十分でなくなる。さ
らには、振動を与える時間は、０．５〜５秒が好まし
く、特に１〜３秒が好ましい。【００３１】電極端子となる金属導電材料は、安価で電
気伝導度が高いものが要求されるため、回路が銅回路、
アルミニウム回路のいずれにおいても、銅又は銅合金で
あることが好ましい。寸法の一例は、厚み０．５〜１．
５ｍｍ、幅２〜２．５ｍｍである。【００３２】本発明においては、銅回路又はアルミニウ
ム回路の上面に電極端子を取り付ける際、その取付け面
積が重要な条件となる。すなわち、回路上面積（分割回
路の場合はそれらの合計の上面積）の１／３以下（すな
わち取付け面積率が３３．３％以下）の面積で、しかも
１箇所の取り付け面積を３〜３０ｍｍ²とすることであ
る。回路上面積の１／３を超えて取り付けると、別の電
極端子を取り付ける際に振動を受けて剥離し、複数個の
電極端子を取り付けることができなくなる。好ましい取
り付け面積率は５〜２０％である。また、１箇所の取り
付け面積が３ｍｍ²よりも狭いと、電極端子としての機
能を満たすには乏しくなり、３０ｍｍ²よりも広いと超
音波溶接をすることが困難とある。好ましい１箇所の取
り付け面積は４〜８ｍｍ²である。なお、電極端子は、
通常、複数個取り付けられる。【００３３】【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。【００３４】実施例１〜３、７〜１１比較例１〜８銀粉末（１．１μｍ、９９．３％）、銅粉末（１．４μ
ｍ、９９．８％）、錫粉末（５．０μｍ、９９．９
％）、ジルコニウム粉末（５．５μｍ、９９．９％）を
銀５１．４部、銅２０．０部、錫１４．３部、ジルコニ
ウム１４．３部の割合で配合し、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Ａを調製した。【００３５】一方、銀粉末（１．１μｍ、９９．３
％）、銅粉末（１．４μｍ、９９．８％）、水素化チタ
ニウム粉末（５．０μｍ、９９．９％）を銀８０部、銅
１５部、水素化チタン５部の割合で配合し、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Ｂを調
製した。【００３６】これら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）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。【００３７】つぎに、窒化アルミニウム基板の銅回路形
成面に５６ｍｍ×３２ｍｍ×０．３ｍｍの無酸素銅板
（酸素量：１０ｐｐｍ）を、また放熱銅板形成面に５６
ｍｍ×３２ｍｍ×０．１５ｍｍの無酸素銅板（酸素量：
１０ｐｐｍ）を接触配置してから、表１に示す接合条件
で接合した。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。なお、
窒素雰囲気中の酸素濃度は５０ｐｐｍであり、比較例１
の真空中は１×１０^-3Ｐａである。【００３８】実施例４〜６、１２〜１６比較例９〜１
４上記窒化アルミニウム基板の表裏面に接合材を介してＡ
ｌ板を重ね、Ｃ−Ｃコンポジット板（厚さ２ｍｍ）に挟
んで、ホットプレス装置により、窒化アルミニウム基板
に垂直方向に均等に加圧しながら酸素濃度５０ｐｐｍの
窒素雰囲気中で加熱した。接合材は、Ａｌ−４．１％Ｃ
ｕ−０．５％Ｍｇ組成を有し、厚さ１０μｍの箔を用い
た。【００３９】得られた接合体のアルミニウム回路形成面
には所定形状の回路パターンを、放熱アルミニウム板形
成面には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、Ａｌ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。その後、厚み０．８ｍ
ｍ、幅２〜２．５ｍｍのタフピッチ銅製電極端子の先端
を折り曲げて表１、表２に示される接合面積とし、超音
波工業社製「ＵＳＷ−６１０Ｚ２０Ｓ」を用いて表１、
表２に示す条件で超音波接合した。【００４０】得られた電極端子付き回路基板にＡＣ５０
００Ｖを３分間印加する絶縁破壊試験を行った。また、
−４０℃と１２５℃の温度を交互に加える熱サイクル試
験を２０００回行った後、ＡＣ５０００Ｖを３分間印加
する絶縁破壊試験を行った。更には、不良とならなっか
た試験体について、回路部分等を化学エッチングによっ
て除去し、回路パターン周囲の水平クラック率を、式、
（水平クラックの入った長さ）／（回路パターン周囲の
全長）、によって測定した。これらの結果を表１、表２
に示す。【００４１】【表１】【００４２】【表２】【００４３】表１、表２から、本発明によって製造され
た電極端子付き回路基板は、電極端子直下の窒化アルミ
ニウム等基板部分には水平クラックの発生がないことか
ら、その部位の強度が十分に高められていることがわか
り、また高度な耐絶縁性能を有するものであることがわ
かった。【００４４】窒化アルミニウム基板の代わりに窒化珪素
基板（サイズ：５７ｍｍ×３４ｍｍ×０．６５ｍｍ曲
げ強さ：７００ＭＰａ熱伝導率：７０Ｗ／ｍＫ、純度
９２％以上）を用いて上記に準じた試験を行ったとこ
ろ、上記とほぼ同等の結果となった。【００４５】【発明の効果】本発明によれば、耐絶縁性の大きな電極
端子付き回路基板を半田を用いないで生産性を高めて製
造することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4G026 BA16 BA17 BB22 BB27 BF13 BF16 BF17 BF20 BF24 BF31 BF42 BF43 BF44 BG02 BG03 BG27

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
するセラミック基板に、（イ）銀、銅、錫及びジルコニウムを含むろう材を用
い、窒素雰囲気下で加熱して銅回路又は銅板を接合する
か、又は（ロ）Ａｌ−Ｃｕ系合金箔、Ａｌ−Ｃｕ系合金
箔の粉末、及びＡｌとＣｕを含む混合粉末から選ばれた
少なくとも１種の接合材を用い、窒素雰囲気下で加熱し
てＡｌ又はＡｌ合金からなる回路又は板を接合した後、銅板、又はＡｌ又はＡｌ合金からなる板を接合したとき
にはエッチングを行ってその回路を形成し、これらの回路の上面積の１／３以下の部分に、１箇所の
電極端子の取り付け面積を３〜３０ｍｍ²として、電極
端子の少なくとも１個を、出力３００Ｗ以上、周波数７ｋＨｚ以上、振幅７μｍ以
上の超音波エネルギを与えて取り付けることを特徴とす
る、電極端子付き回路基板の製造方法。