JP2003212676A - 接合に先立って非酸化物セラミック基板の接着性を改善する方法 - Google Patents

接合に先立って非酸化物セラミック基板の接着性を改善する方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 基板上のいかなる電源部品も汚染することな
く、接合部の強度を高め、経時的信頼性を高めることを
確実にするための、接合に先立って非酸化物セラミック
基板の接着性を改善する方法であって、実施が簡単で経
済的な方法を提案する。 【解決手段】 接合に先立って非酸化物セラミック基板
1の接着性を改善する方法は、エキシマレーザーを用い
て、接合すべきセラミック基板1の表面を照射するステ
ップと、照射済みの表面にカップリング剤を塗布するス
テップとを含むことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、接合に先立って非
酸化物セラミック基板の接着性を改善する方法に関す
る。本発明による方法は、特に電源半導体部品を担持す
るセラミック基板であって、鉄道業界分野のインバータ
に使用される冷却マニホールドに接合されるべきセラミ
ック基板の調製に適用される。
【0002】
【従来の技術】電源部品を担持する窒化アルミニウム
(AlN)基板を冷却マニホールドに接合することは、
インバータの業界で知られており、通常、化学的、機械
的、または熱的方法を用いて表面を洗浄することによ
り、接合すべき表面を調製するステップを含む。最新の
組立方法では、アルゴンと酸素の混合物からなるコール
ドプラズマを用いた方法により表面を洗浄する。この方
法は、クリーンルーム環境において用いられることが可
能であるが、依然として、真空容器が必要であり、この
ため時間を要し、且つ複雑であるという欠点がある。
【0003】また、従来用いられている洗浄方法は概し
て、セラミック基板に設置された電源部品を汚染し、得
られた接合されたセラミック/ポリマー結合は、化学的
観点からは非常に弱く、特に化学的または機械的に洗浄
された、処置の前には本質的に疎水性であった表面が、
処置後には親水性となるので、水分が界面に容易に入り
込む。この結果、鉄道業界分野のインバータと同様、得
られた接合された界面は高熱且つ高湿な環境において、
信頼性がない。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】また、本発明の目的
は、基板上のいかなる電源部品も汚染することなく、接
合部の強度を高め、経時的信頼性を高めることを確実に
するための、接合に先立って非酸化物セラミック基板の
接着性を改善する方法であって、実施が簡単で経済的な
方法を提案することである。
【0005】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明は、接合に先立って非酸化物セラミック基板
の接着性を改善する方法であって、エキシマレーザーを
用いて、接合すべきセラミック基板の表面を照射するス
テップと、照射済みの表面にカップリング剤を塗布する
ステップとを含むことを特徴とする方法を提供する。
【0006】本発明にしたがう、非酸化物セラミック基
板の接着性を改善する方法の具体的な実施態様は、単独
またはすべての技術的に実行可能な組み合わせにおい
て、一またはそれ以上の以下の特徴を有することができ
る。すなわち、エキシマレーザーにより供給されるエネ
ルギー密度は、1〜100Hzの周波数で0.5〜2J
/cmである。
【0007】レーザーが248nmで放射するKrFエ
キシマレーザーである。
【0008】レーザーが193nmで放射するArFエ
キシマレーザーである。
【0009】基板がAlN、SiC、またはSi
からなる。
【0010】カップリング剤がシラン水溶液である。
【0011】また本発明は、変性エポキシ樹脂を用い
て、非酸化物セラミック基板を冷却液マニホールドに接
着することによる組立方法であって、前述した方法によ
り、基板をマニホールドに接合するのに先立って、接合
すべき基板の表面を処理するステップを含むことを特徴
とする方法を提供する。
【0012】本発明にしたがう接合による組立方法の他
の特徴によると、冷却液マニホールドはポリエーテルイ
ミドからなる。
【0013】本発明はさらに、非酸化物セラミック基板
の一方の面上に配置された電源半導体部品を含む電源モ
ジュールであって、前記基板の他方の面が、前記基板に
冷却液を導くプラスチック材料マニホールド上に搭載さ
れており、前述の方法を用いて、コレクタが前記基板に
接合されていることを特徴とする電源モジュールを提供
する。
【0014】本発明の目的、態様、および利点は、以下
に詳述される本発明の具体的な一実施態様により、より
一層理解されるであろう。この実施態様を、非制限的な
例として、添付の図面を参照して説明する。
【0015】図を単純化するため、本発明の理解に必要
な部品のみを図示した。いずれの図にも、同一の部品に
は同一の参照符号を付した。
【0016】
【発明の実施の形態】図1および図2は、冷却フィン2
を備える底面と、電源半導体部品10を受ける平らな上
面とを有する窒化アルミニウム(AlN)基板1を示
す。これらの図に示されているように、基板の底面の外
周には、図3および図4に示される、ポリエーテルイミ
ド製のウォーターマニホールド5に接合されるのに適し
た、下方に突出するリム3を有する。
【0017】図3および図4に示されるように、ウォー
ターマニホールド5はその頂部に、基板1のリム3の形
状に相補的な形状を有する溝4を備える、リム7に縁取
られた開口6を有する。開口6の底部は、マニホールド
5の本体中で縦方向に延在し、両端から冷却水が供給さ
れる流路9に向かって開口する局部スロット8を備える
壁で閉鎖される。
【0018】次に、基板1のウォーターマニホールド5
への接合に先立って、基板1の接着性を改善する方法を
説明する。
【0019】AlN基板1のリム3の表面を、248n
mで紫外線を放射するKrFエキシマレーザーを用いて
局部的に処理する。他の実施態様においては、局部的処
理に、193nmで放射するArFエキシマレーザーを
用いる。
【0020】表面処理の条件は以下の通りである。すな
わち、0.5〜2J/cm、好ましくは0.6〜1J
/cmのパワー、1〜100Hz、好ましくは5〜2
0Hzの発振周波数、1〜100の発振回数である。
【0021】表面処理により、AlNの化学結合が分解
され、分解された窒化アルミニウムが局部的に得られ
る。得られた、多かれ少なかれ酸化されたアルミニウム
は、シラン水溶液等のカップリング剤と容易に化学結合
を形成する。カップリング剤は、例えば基板1のリム3
をシランのバスに浸けることによって、簡単にリム3に
塗布される。
【0022】湿潤環境(グリコールを含む水、水)にお
けるセラミック/ポリマー接合部のエージング耐性を改
善するのに好適なシランは、CH−O−(CH
Si(OCHの化学式を有するγ−グリシドオキ
シプロピルトリメトキシシラン(γ−GPS)と、NH
−(CHSi(OCの化学式を有す
るγ−アミノプロピルトリエトキシシランである。
【0023】次いで、AlN基板1のリム3上のシラン
を重合させる。
【0024】次に、図5に示すように、リム3と溝4と
の間の界面に変性エポキシ樹脂11を用いて、従来の方
法で基板1をマニホールド5に接着することができる。
【0025】シランを、表面の照射後できるだけ早くリ
ムに塗布することが好ましく、変性エポキシ樹脂を用い
た接着は、シランを重合してから2日以内に行われるこ
とが好ましい。また、接着性を改善する本発明にしたが
う方法により処理した部品は、制御雰囲気中に保管され
ることが好ましい。
【0026】AlN基板1のリム3の接着性を改善する
方法は、例えば、1J/cm、10Hz、および50
回の発振のKrFレーザー照射を用いた表面処理のステ
ップと、照射済みのリム3にγ−GPSの0.5%濃度
溶液を塗布するステップと、リム3上に付着されたγ−
GPS溶液を110℃で15分間重合するステップとか
らなる。
【0027】窒化アルミニウム基板の上記の処置を試行
した結果、基板1とマニホールド5との間の接合部の耐
久性が、使用したエポキシ樹脂の種類により4倍から1
6倍に増加していることが分かった。
【0028】接着性を改善するための本発明にしたがう
上記のような方法によって、強力な化学結合を有する、
耐久性および信頼性の高い接合部が得られる。シラン
は、エキシマレーザーによって酸化された無機基板とシ
ロキサン型共有結合を形成する。この結合は、ポリマー
を同基板に接触させた際に発現する結合よりも水に対す
る感受性がかなり低い。したがって、界面での水分の浸
透を遅らせることが可能であり、これにより、特に高温
且つ高湿な環境において、組立体の耐用年数を増加する
ことができる。
【0029】また、接着性を改善するための本発明にし
たがう方法は、非汚染性のエキシマレーザー処理を、特
別な容器を必要とすることなく、クリーンルーム環境に
おいて行うことができるので、低コストであるという利
点を有する。
【0030】もちろん、本発明は、例としてのみ与えら
れた、詳述され且つ図示された実施態様に限定されるも
のでなく、特に種々の部品の組み合わせ、または技術的
均等物の置き換えの観点から、本発明の保護の範囲を逸
脱することなく変更可能である。したがって、本発明の
他の実施態様において、基板は炭化珪素(SiC)、ま
たは窒化珪素(Si)製とすることが可能であ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の方法に従ってウォーターマニホールド
に接着可能な基板の底面図である。
【図2】図1のII−II線に沿った切断面におけるマ
ニホールドの図である。
【図3】図1に示された基板に接着可能なウォーターマ
ニホールドの上面図である。
【図4】図3のIV−IV線に沿った切断面におけるマ
ニホールドの図である。
【図5】図3のマニホールドに取り付けられた図1の基
板を示す断面図である。
【符号の説明】
1 非酸化物セラミック基板 2 冷却フィン 3、7 リム 4 溝 5 冷却液マニホールド 6 開口 8 局部的スロット 9 流路 10 電源半導体部品 11 変性エポキシ樹脂
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 23/473 B29K 77:00 // B29K 77:00 B29L 24:00 B29L 24:00 H01L 23/46 Z (72)発明者 ジエローム・エビウ フランス国、65000・タルブ、リユ・ド ウ・ラドウール、2、レジダンス・ル・ポ ン・ビウ (72)発明者 イブ・バジアール フランス国、65000・タルブ、リユ・ビク トル・ユーゴー、22 Fターム(参考) 4D075 BB44Y BB48Y BB94Y CA12 DA06 DB14 DC19 DC21 EA06 EA07 EB33 EB43 EC45 4F211 AA40 AD04 AD32 AD33 AD34 AG03 AG06 AH33 AK03 TA03 TC02 TD11 TH02 TH03 TH22 TH24 TN27 TN46 5F036 AA01 BA05 BA24 BB05 BB41 BC05

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 接合に先立って非酸化物セラミック基板
    (1)の接着性を改善する方法であって、 化学結合を変性するために、エキシマレーザーを用い
    て、接合すべきセラミック基板(1)の表面を照射する
    ステップと、 照射済みの表面にカップリング剤を塗布し、カップリン
    グ剤と、セラミック基板の照射により得られた酸化表面
    との間に化学結合を発生させるステップとを含むことを
    特徴とする方法。
  2. 【請求項2】 エキシマレーザーにより供給されるエネ
    ルギー密度は、1〜100Hzの周波数で0.5〜2J
    /cmであることを特徴とする、請求項1に記載の方
    法。
  3. 【請求項3】 前記レーザーが、248nmで放射する
    KrFエキシマレーザーであることを特徴とする、請求
    項1または2に記載の方法。
  4. 【請求項4】 前記レーザーが、193nmで放射する
    ArFエキシマレーザーであることを特徴とする、請求
    項1または2に記載の方法。
  5. 【請求項5】 前記基板(1)が、AlN、SiC、ま
    たはSiからなることを特徴とする、請求項1か
    ら4のいずれか一項に記載の方法。
  6. 【請求項6】 前記カップリング剤が、シラン水溶液で
    あることを特徴とする、請求項1から5のいずれか一項
    に記載の方法。
  7. 【請求項7】 変性エポキシ樹脂(11)を用いて、非
    酸化物セラミック基板(1)を冷却液マニホールド
    (5)に接合することによる組立方法であって、基板
    (1)をマニホールド(5)に接合するのに先立って、
    請求項1から6のいずれか一項に記載の方法に従い、接
    合すべき基板の表面を処理するステップを含むことを特
    徴とする方法。
  8. 【請求項8】 前記冷却液マニホールド(5)が、ポリ
    エーテルイミドからなることを特徴とする、請求項7に
    記載の方法。
  9. 【請求項9】 非酸化物セラミック基板(1)の一方の
    面上に配置された電源半導体部品(10)を含む電源モ
    ジュールであって、前記基板(1)の他方の面が、前記
    基板(1)に冷却液を導くプラスチック材料マニホール
    ド(5)上に搭載されており、請求項7または8に記載
    の方法を用いて、前記コレクタ(5)が前記基板(1)
    に接合されていることを特徴とする電源モジュール。
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