JP2004014589A - 金属−セラミックス接合体およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】段部やフィレットの幅や厚さを自由に変更することができ且つ繰り返しヒートサイクルに対してより高い信頼性の金属−セラミックス接合体の製造方法を提供する。
【解決手段】セラミックス部材１０と金属部材１２とを接合した後に金属部材１２上の所定の領域にレジスト１４を印刷してエッチングすることにより金属部材１２を所定の形状に形成する金属−セラミックス接合体の製造方法において、レジスト１４の外周から所定の間隔、例えば０．０１〜０．５ｍｍだけ内側に離間した所に、例えば０．０１〜０．５ｍｍの幅の帯状のレジストを印刷しない部分（無印刷部）１６を１つ以上設けて、金属部材１２の外周部のエッチング速度を制御することにより、フィレットの幅や厚さを自由に変更し、例えば金属部材１２の外周部に０．０５〜０．５ｍｍの幅で０．００５〜０．２５ｍｍの厚さの段部（または段部およびフィレット）を形成する。
【選択図】 図１
【解決手段】セラミックス部材１０と金属部材１２とを接合した後に金属部材１２上の所定の領域にレジスト１４を印刷してエッチングすることにより金属部材１２を所定の形状に形成する金属−セラミックス接合体の製造方法において、レジスト１４の外周から所定の間隔、例えば０．０１〜０．５ｍｍだけ内側に離間した所に、例えば０．０１〜０．５ｍｍの幅の帯状のレジストを印刷しない部分（無印刷部）１６を１つ以上設けて、金属部材１２の外周部のエッチング速度を制御することにより、フィレットの幅や厚さを自由に変更し、例えば金属部材１２の外周部に０．０５〜０．５ｍｍの幅で０．００５〜０．２５ｍｍの厚さの段部（または段部およびフィレット）を形成する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックス部材と金属部材が接合された金属−セラミックス接合体、その製造方法、その金属−セラミックス接合体を用いた金属−セラミックス接合基板、およびその金属−セラミックス接合体を用いて組み立てられたパワーモジュールに関し、特に繰り返し熱衝撃が加えられた場合にもセラミックス部材内にクラックが生じ難い金属−セラミックス接合体、その製造方法、その金属−セラミックス接合体を用いた金属−セラミックス接合基板、およびその金属−セラミックス接合体を用いて組み立てられたパワーモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
絶縁基板として使用されている金属−セラミックス接合体では、接合後の熱衝撃によりセラミックス部材と金属部材との間に発生する熱膨張差による熱応力により、セラミックス部材中にクラックが発生し易い。このような熱応力を緩和させる方法として、金属部材の沿面部分を薄くする方法、すなわち金属部材の周縁部に段構造またはフィレットを形成する方法が知られている。
【０００３】
このような構造を実現するため、セラミックス部材と金属部材を接合するための銀を母材とする金属ろう材と金属部材のエッチング速度の差を利用してフィレットを形成する方法が提案されている（特開平１０−３２６９４９号公報参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この方法では、段部やフィレットの寸法を制御することが困難である。すなわち、段部やフィレットの幅や厚さを自由に変更することが困難であり、繰り返しヒートサイクルに対してより高い信頼性の金属−セラミックス接合体を提供することが困難である。
【０００５】
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、段部やフィレットの幅や厚さを自由に変更することができ且つ繰り返しヒートサイクルに対してより高い信頼性の金属−セラミックス接合体の製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、セラミックス部材と金属部材とを接合した後に金属部材上の所定の領域にレジストを形成してエッチングすることにより金属部材を所定の形状に形成する金属−セラミックス接合体の製造方法において、レジストの外周から所定の間隔（例えば０．０１〜０．５ｍｍ）だけ内側に離間した所に（例えば０．０１〜０．５ｍｍの幅の帯状の）レジストを形成しない部分を設けて、金属部材の外周部のエッチング速度を制御することにより、段部やフィレットの幅や厚さを自由に変更することができ（例えば金属部材の外周部に０．０５〜０．５ｍｍの幅で０．００５〜０．２５ｍｍの厚さの段部（または段部およびフィレット）を形成することができ）且つ繰り返しヒートサイクルに対してより高い信頼性の金属−セラミックス接合体の製造方法を提供することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
すなわち、本発明による金属−セラミックス接合体の製造方法は、セラミックス部材と金属部材とを接合した後に金属部材上の所定の領域にレジストを形成してエッチングすることにより金属部材を所定の形状に形成する金属−セラミックス接合体の製造方法において、レジストの外周から所定の間隔だけ内側に離間した所にレジストを形成しない部分を１つ以上設けることを特徴とする。
【０００８】
この金属−セラミックス接合体の製造方法において、レジストを形成しない部分がレジストの外周に沿って延びる１つ以上の帯状の部分であるのが好ましい。また、所定の間隔が０．０１〜０．５ｍｍであり、レジストを形成しない部分が０．０１〜０．５ｍｍの幅の１つ以上の帯状の部分であるのが好ましい。また、レジストを形成しない部分がレジストの外周の全部または一部に沿って延びるのが好ましい。さらに、セラミックス部材と金属部材とを直接または活性金属含有ろう材を介して接合するのが好ましい。直接接合する場合には、エッチング後の金属部材の外周に０．０５〜０．５ｍｍの幅で０．００５〜０．２５ｍｍの厚さの段部を形成するのが好ましい。活性金属含有ろう材を介して接合する場合には、エッチング後により金属部材の外周に金属部材の段部および金属含有ろう材のフィレットを同時に形成するのが好ましい。この場合、エッチング後の金属部材の外周に０．０５〜０．５ｍｍの幅で０．００５〜０．２５ｍｍの厚さの段部およびフィレットを形成するのが好ましい。
【０００９】
また、本発明による金属−セラミックス接合体は、セラミックス部材と金属部材とを直接またはろう材を介して接合した金属−セラミックス接合体において、金属部材の周縁部に０．３ｍｍ以上の幅の段部または段部およびフィレットが形成され、且つ還元雰囲気下において３７０℃で１０分間加熱した後に冷却する処理を３回行った後において負荷速度０．５ｍｍ／ｍｉｎ、スパン長さ３０ｍｍの測定条件で測定した抗折強度が２００ＭＰａ以上であることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明による金属−セラミックス接合基板は、上記の金属−セラミックス接合体からなり、本発明によるパワーモジュールは、上記の金属−セラミックス接合体を用いて組み立てられることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明による金属−セラミックス接合体の製造方法の実施の形態を説明する。
【００１２】
図１および図２に示すように、セラミックス部材（例えばセラミックス基板）１０上に直接または（図４において参照符号１８で示す）活性金属含有ろう材を介して金属部材（例えば金属板）１２を配置して加熱接合する。この加熱接合した金属板１２上の所定の領域（例えば回路形成領域）にレジスト１４をスクリーン印刷などにより形成する。このスクリーン印刷では、レジスト１４の外周から内側に所定の間隔だけ離間した所に、所定の幅の無印刷部（レジスト１４が印刷されていない部分）１６がレジスト１４の外周に沿って延びるように、レジスト１４が印刷される。なお、レジスト１４は、スクリーン印刷の他、ドライフィルム、ディップ、スピンコータ、ロールコータなどにより形成してもよい。次に、エッチングにより金属板１２の不要部分を除去した後、レジスト１４を除去すると、図３または図４に示すように、金属板１２の外周部に所定の幅（段幅Ｌ）の所定の厚さ（段厚Ｔ）の段部（または段部およびフィレット）が形成される。その後、金属板１２（または金属板１２および活性金属含有ろう材１８）上に無電解ニッケルメッキを施す。
【００１３】
上述したように、本発明による金属−セラミックス接合体の製造方法の実施の形態では、セラミックス部材上に直接または活性金属含有ろう材を介して金属部材を配置し、実質的に真空または非酸化性雰囲気中で加熱した後に冷却することにより、セラミックス部材と金属部材を接合する。その後、外周から内側に所定の間隔（０．０１〜０．５ｍｍ）だけ離間して外周の全部または一部に沿って伸びる所定の幅（０．０１〜０．５ｍｍ）の無印刷部を含むレジストを金属部材上の所定の領域に印刷することにより、エッチング速度を制御して、金属部材の外周部に所定の幅（０．０１〜０．５ｍｍ）の所定の厚さ（０．００５〜０．２５ｍｍ）の段部（または段部およびフィレット）を有する金属回路を形成することができる。さらに、段部（または段部およびフィレット）の幅を広くしたい場合には、レジストの印刷部と無印刷部を２つ以上交互に形成することにより広くすることができる。
【００１４】
段部（または段部およびフィレット）の幅を０．０１〜０．５ｍｍとするのは、段部（または段部およびフィレット）の幅が０．０１ｍｍより小さいと、繰り返しヒートサイクル１００回未満でクラックの発生がみられ、一方、段部（または段部およびフィレット）の幅が０．５ｍｍより大きいと、回路のファインパターン化に支障をきたすからである。なお、段部（または段部およびフィレット）の幅が０．３ｍｍ以上になると、強度や耐通炉クラック特性が特に高くなり、車両などの特に高信頼性を要求される分野にも適用可能になり、繰り返しヒートサイクルによるクラックの発生を防止する効果が顕著になる。
【００１５】
また、段部（または段部およびフィレット）の厚さを０．００５〜０．２５ｍｍとするのは、０．００５ｍｍより薄いと、ヒートサイクルによりその部分が破断し、応力緩和効果を失い、信頼性が低下するおそれがあり、一方、０．２５ｍｍより厚いと、厚さによる応力の増大により信頼性が低下するおそれがあるからである。
【００１６】
セラミックス部材としては、アルミナやシリカなどの酸化物や、窒化アルミニウムや窒化ケイ素などの非酸化物などのセラミックス部材を使用することができ、通常、一辺の長さが１０〜３００ｍｍで厚さが０．２５〜３．０ｍｍのセラミックス部材が使用される。また、金属部材としては、銅、アルミニウム、ニッケルなどの単一金属の箔や板材、またはマンガニン、黄銅、ステンレスなどの合金の箔や板材を使用することができ、０．１〜５．０ｍｍの厚さの箔や板材を使用することが多い。しかし、本発明では、セラミックス部材や金属部材の大きさや厚さは、特に限定されるものではない。
【００１７】
また、本発明による金属−セラミックス接合体の特に効果が大きい用途は、電子回路用の金属−セラミックス接合基板であり、この接合基板を使用してパワーモジュールを作成すると、接合基板の信頼性の向上により、パワーモジュールの信頼性も向上し、高信頼性を有するパワーモジュールを提供することができる。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明による金属−セラミックス接合体およびその製造方法の実施例について詳細に説明する。
【００１９】
［実施例１］
６０ｍｍ×６０ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍのアルミナ基板の両面に厚さ０．３ｍｍの銅箔を接触させ、窒素雰囲気中で加熱してアルミナ基板と銅箔を直接接合した。
【００２０】
次に、銅箔の表面を研磨紙で研磨した後、一方の面の銅箔上の回路形成領域に回路形成用レジストをスクリーン印刷した。このスクリーン印刷では、レジストの外周から内側に０．２ｍｍだけ離間した所に、０．２ｍｍの幅の無印刷部（レジストが印刷されていない部分）がレジストの外周の全体に沿って延びるように、レジストを印刷した。次に、回路を印刷した基板を塩化第２銅エッチング液によりエッチングし、外周部に幅０．２ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの段部を有する銅回路を形成した。さらに、レジストを除去した後、銅回路上に無電解ニッケルメッキを３μｍ施し、最終製品とした。
【００２１】
このようにして得られた基板について、室温→−４０℃×３０分→室温×１０分→１２５℃×３０分→室温×１０分を１サイクルとする繰り返しヒートサイクルを３００回行った。この処理後に銅回路を除去してアルミナ基板の表面を顕微鏡観察したところ、アルミナ基板にクラックの発生はなく、銅回路の外周部分を段構造とする効果が認められた。
【００２２】
［実施例２］
５０ｍｍ×３０ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム基板を用意し、この基板上に活性金属を含む銀ろうペーストを回路形成領域よりもやや大きめに印刷した後、この活性金属を含む銀ろうペースト介して、窒化アルミニウム基板の表面に厚さ０．３ｍｍ、裏面に厚さ０．１５ｍｍの銅箔を配置し、１０−５ｔｏｒｒ以下、８５０℃で加熱接合した。
【００２３】
次に、一方の面の銅箔上の回路形成領域に回路形成用レジストをスクリーン印刷した。このスクリーン印刷では、レジストの外周から内側に０．２５ｍｍだけ離間した所に、０．３ｍｍの幅の無印刷部（レジストが印刷されていない部分）がレジストの外周の全体に沿って延びるように、レジストを印刷した。次に、回路を印刷した基板を塩化第２銅エッチング液によりエッチングし、外周部に幅０．４ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍの段部およびフィレットを有する銅回路を形成した。さらに、レジストを除去した後、銅回路上に無電解ニッケルメッキを３μｍ施し、最終製品とした。
【００２４】
このようにして得られた基板について、実施例１と同様の繰り返しヒートサイクルを５００回行った。この処理後に銅回路および銀ろうを除去して窒化アルミニウム基板の表面を顕微鏡観察したところ、窒化アルミニウム基板にクラックの発生はなく、銅回路の外周部分を段構造とする効果が認められた。
【００２５】
［比較例１］
５０ｍｍ×３０ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム基板を用意し、その両面に活性金属を含む銀ろうペーストを介して厚さ０．３ｍｍの銅箔を配置し、１０−５ｔｏｒｒ以下、８５０℃で加熱接合した。
【００２６】
加熱接合された基板に回路を形成するため、一方の面の銅箔上の回路形成領域にレジストを印刷した。次に、回路を印刷した基板を塩化第２銅エッチング液によりエッチングし、外周部に段部を有しない銅回路を形成した。
【００２７】
このようにして得られた基板について、実施例１と同様の繰り返しヒートサイクルを５００回行った。この処理後に銅回路および銀ペーストを除去して窒化アルミニウム基板の表面を顕微鏡観察したところ、窒化アルミニウム基板に形成されていた銅回路に沿って、目視で容易に確認できるクラックの発生が認められた。
【００２８】
［実施例３〜６、比較例２］
厚さ０．２５ｍｍの銅箔を使用し、レジストの外周から無印刷部までの間隔（外周の印刷部の幅）と無印刷部の幅を変えた以外は、実施例１と同様の方法により基板上に銅回路を形成した。
【００２９】
表１に示すように、実施例３では、外周の印刷部の幅を１００μｍ、無印刷部の幅を６０μｍとし、段幅１２０μｍの銅回路を形成した。実施例４では、外周の印刷部の幅を１００μｍ、無印刷部の幅を５０μｍとし、段幅２００μｍの銅回路を形成した。実施例５では、外周の印刷部の幅を１００μｍ、無印刷部の幅を９０μｍとし、段幅３００μｍ、段厚６０μｍの銅回路を形成した。実施例６では、外周の印刷部の幅を１５０μｍ、無印刷部の幅を１２０μｍとし、段幅３５０μｍ、段厚３０μｍの銅回路を形成した。比較例２では、無印刷部を設けず、外周部に段部を有しない銅回路を形成した。
【００３０】
【表１】
【００３１】
このようにして得られた実施例３〜６の基板について、通炉処理（還元雰囲気（窒素４＋水素１）下において３７０℃で１０分間加熱した後に冷却する処理、昇降温度約２０℃／分）を行い、通炉処理前、３回の通炉処理後および６回の通炉処理後における抗折強度（ＭＰａ）、たわみ量（ｍｍ）および通炉耐量（通炉処理後にセラミックス部にクラックが発生するか否かを外観検査してクラックが発生したときの通炉処理の回数）によって、それぞれの基板の信頼性を評価した。抗折強度は、抗折測定装置（島津製作所製ＳＨＩＭＡＤＺＵ ＡＧＳ−１００Ｄ）を使用して、３点曲げ試験により、負荷速度０．５ｍｍ／ｍｉｎ、スパン長さ３０ｍｍの測定条件で測定した。なお、この測定では、銅回路と反対の面から負荷した。また、たわみ量は、３点曲げ試験においてセラミックス基板にクラックが発生したときの変位量である。
【００３２】
通炉処理前、３回の通炉処理後および６回の通炉処理後における抗折強度（ＭＰａ）の平均値、最大値および最小値、通炉処理前に対する３回の通炉処理後および６回の通炉処理後における抗折強度（ＭＰａ）の比、たわみ量（ｍｍ）の平均値、最大値および最小値、通炉処理前に対する３回の通炉処理後および６回の通炉処理後におけるたわみ量（ｍｍ）の比、および１０〜５０回の通炉処理後のクラックが発生した基板の枚数を表２および表３に示す。なお、表３において、比較例２では１０回未満の通炉処理でクラックが発生した。これらの表から、段幅が３００μｍ以上の場合に信頼性の高い基板が得られ、段幅が３５０μｍ以上の場合にさらに信頼性の高い基板が得られることがわかる。
【００３３】
【表２】
【００３４】
【表３】
【００３５】
また、実施例３〜６の基板について、通炉処理前および３回の通炉処理後における段幅（μｍ）と抗折強度（ＭＰａ）の関係および段幅（μｍ）とたわみ量（ｍｍ）の関係をそれぞれ図５および図６に示す。これらの図から、段幅が３００μｍ以上の場合に信頼性の高い基板が得られ、段幅が３５０μｍ以上の場合にさらに信頼性の高い基板が得られることがわかる。
【００３６】
また、実施例３〜６の基板について、通炉回数と抗折強度（ＭＰａ）の関係および通炉回数とたわみ量（ｍｍ）の関係をそれぞれ図７および図８に示す。これらの図からも、段幅が３００μｍの場合に信頼性の高い基板が得られ、段幅が３５０μｍの場合にさらに信頼性の高い基板が得られることがわかる。
【００３７】
［実施例７、８］
レジストの外周から無印刷部までの間隔（外周の印刷部の幅）と無印刷部の幅を変えた以外は、実施例２と同様の方法により基板上に銅回路を形成した。
【００３８】
表４に示すように、実施例７では、外周の印刷部の幅を１３０μｍ、無印刷部の幅を９０μｍとし、３枚の基板（基板▲１▼、▲２▼、▲３▼）上に段幅３００μｍ、段厚６０μｍの銅回路を形成した。また、実施例８では、外周の印刷部の幅を１５０μｍ、無印刷部の幅を１２０μｍとし、３枚の基板（基板▲１▼、▲２▼、▲３▼）上に段幅３５０μｍ、段厚３０μｍの銅回路を形成した。
【００３９】
このようにして得られた実施例７および８の基板について、通炉処理を５０回行った後に銅回路および銀ペーストを除去して基板の表面を顕微鏡観察したところ、表４に示すように、クラック率（＝（５０回の通炉処理後に発生したクラックの長さの合計／回路パターンの全長）×１００）の平均値は、実施例７では８７．２％、実施例８では１１．４％であり、段幅が３５０μｍの場合にクラックの発生率が非常に小さくなることがわかる。
【００４０】
【表４】
【００４１】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、セラミックス部材と金属部材とを接合した後に金属部材上の所定の領域にレジストを印刷してエッチングすることにより金属部材を所定の形状に形成する金属−セラミックス接合体の製造方法において、レジストの外周の全部または一部から所定の間隔、例えば０．０１〜０．５ｍｍだけ内側に離間した所に、例えば０．０１〜０．５ｍｍの幅の帯状のレジストを印刷しない部分を１つ以上設けて、金属部材の外周部のエッチング速度を制御することにより、段部やフィレットの幅や厚さを自由に変更することができ、例えば金属部材の外周部に０．０５〜０．５ｍｍの幅で０．００５〜０．２５ｍｍの厚さの段部（または段部およびフィレット）を形成することができ、繰り返しヒートサイクルによるクラックの発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による金属−セラミックス接合体の製造方法の実施の形態における製造工程を示す平面図。
【図２】本発明による金属−セラミックス接合体の製造方法の実施の形態における製造工程を示すＩＩ−ＩＩ線断面図。
【図３】本発明による金属−セラミックス接合体の製造方法の実施の形態によりセラミックス部材に金属部材が直接接合されて製造された金属−セラミックス接合体の周縁部を示す拡大断面図。
【図４】本発明による金属−セラミックス接合体の製造方法の実施の形態により活性金属含有ろう材を介してセラミックス部材に金属部材が接合されて製造された金属−セラミックス接合体の周縁部を示す拡大断面図。
【図５】実施例３〜６の基板についての通炉処理前および３回の通炉処理後における段幅（μｍ）と抗折強度（ＭＰａ）の関係を示す図。
【図６】実施例３〜６の基板についての通炉処理前および３回の通炉処理後における段幅（μｍ）とたわみ量（ｍｍ）の関係を示す図。
【図７】実施例３〜６の基板についての通炉回数と抗折強度（ＭＰａ）の関係を示す図。
【図８】実施例３〜６の基板についての通炉回数とたわみ量（ｍｍ）の関係を示す図。
【符号の説明】
１０ セラミックス部材
１２ 金属部材
１４ レジスト
１６ 無印刷部
１８ 活性金属含有ろう材
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックス部材と金属部材が接合された金属−セラミックス接合体、その製造方法、その金属−セラミックス接合体を用いた金属−セラミックス接合基板、およびその金属−セラミックス接合体を用いて組み立てられたパワーモジュールに関し、特に繰り返し熱衝撃が加えられた場合にもセラミックス部材内にクラックが生じ難い金属−セラミックス接合体、その製造方法、その金属−セラミックス接合体を用いた金属−セラミックス接合基板、およびその金属−セラミックス接合体を用いて組み立てられたパワーモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
絶縁基板として使用されている金属−セラミックス接合体では、接合後の熱衝撃によりセラミックス部材と金属部材との間に発生する熱膨張差による熱応力により、セラミックス部材中にクラックが発生し易い。このような熱応力を緩和させる方法として、金属部材の沿面部分を薄くする方法、すなわち金属部材の周縁部に段構造またはフィレットを形成する方法が知られている。
【０００３】
このような構造を実現するため、セラミックス部材と金属部材を接合するための銀を母材とする金属ろう材と金属部材のエッチング速度の差を利用してフィレットを形成する方法が提案されている（特開平１０−３２６９４９号公報参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この方法では、段部やフィレットの寸法を制御することが困難である。すなわち、段部やフィレットの幅や厚さを自由に変更することが困難であり、繰り返しヒートサイクルに対してより高い信頼性の金属−セラミックス接合体を提供することが困難である。
【０００５】
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、段部やフィレットの幅や厚さを自由に変更することができ且つ繰り返しヒートサイクルに対してより高い信頼性の金属−セラミックス接合体の製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、セラミックス部材と金属部材とを接合した後に金属部材上の所定の領域にレジストを形成してエッチングすることにより金属部材を所定の形状に形成する金属−セラミックス接合体の製造方法において、レジストの外周から所定の間隔（例えば０．０１〜０．５ｍｍ）だけ内側に離間した所に（例えば０．０１〜０．５ｍｍの幅の帯状の）レジストを形成しない部分を設けて、金属部材の外周部のエッチング速度を制御することにより、段部やフィレットの幅や厚さを自由に変更することができ（例えば金属部材の外周部に０．０５〜０．５ｍｍの幅で０．００５〜０．２５ｍｍの厚さの段部（または段部およびフィレット）を形成することができ）且つ繰り返しヒートサイクルに対してより高い信頼性の金属−セラミックス接合体の製造方法を提供することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
すなわち、本発明による金属−セラミックス接合体の製造方法は、セラミックス部材と金属部材とを接合した後に金属部材上の所定の領域にレジストを形成してエッチングすることにより金属部材を所定の形状に形成する金属−セラミックス接合体の製造方法において、レジストの外周から所定の間隔だけ内側に離間した所にレジストを形成しない部分を１つ以上設けることを特徴とする。
【０００８】
この金属−セラミックス接合体の製造方法において、レジストを形成しない部分がレジストの外周に沿って延びる１つ以上の帯状の部分であるのが好ましい。また、所定の間隔が０．０１〜０．５ｍｍであり、レジストを形成しない部分が０．０１〜０．５ｍｍの幅の１つ以上の帯状の部分であるのが好ましい。また、レジストを形成しない部分がレジストの外周の全部または一部に沿って延びるのが好ましい。さらに、セラミックス部材と金属部材とを直接または活性金属含有ろう材を介して接合するのが好ましい。直接接合する場合には、エッチング後の金属部材の外周に０．０５〜０．５ｍｍの幅で０．００５〜０．２５ｍｍの厚さの段部を形成するのが好ましい。活性金属含有ろう材を介して接合する場合には、エッチング後により金属部材の外周に金属部材の段部および金属含有ろう材のフィレットを同時に形成するのが好ましい。この場合、エッチング後の金属部材の外周に０．０５〜０．５ｍｍの幅で０．００５〜０．２５ｍｍの厚さの段部およびフィレットを形成するのが好ましい。
【０００９】
また、本発明による金属−セラミックス接合体は、セラミックス部材と金属部材とを直接またはろう材を介して接合した金属−セラミックス接合体において、金属部材の周縁部に０．３ｍｍ以上の幅の段部または段部およびフィレットが形成され、且つ還元雰囲気下において３７０℃で１０分間加熱した後に冷却する処理を３回行った後において負荷速度０．５ｍｍ／ｍｉｎ、スパン長さ３０ｍｍの測定条件で測定した抗折強度が２００ＭＰａ以上であることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明による金属−セラミックス接合基板は、上記の金属−セラミックス接合体からなり、本発明によるパワーモジュールは、上記の金属−セラミックス接合体を用いて組み立てられることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明による金属−セラミックス接合体の製造方法の実施の形態を説明する。
【００１２】
図１および図２に示すように、セラミックス部材（例えばセラミックス基板）１０上に直接または（図４において参照符号１８で示す）活性金属含有ろう材を介して金属部材（例えば金属板）１２を配置して加熱接合する。この加熱接合した金属板１２上の所定の領域（例えば回路形成領域）にレジスト１４をスクリーン印刷などにより形成する。このスクリーン印刷では、レジスト１４の外周から内側に所定の間隔だけ離間した所に、所定の幅の無印刷部（レジスト１４が印刷されていない部分）１６がレジスト１４の外周に沿って延びるように、レジスト１４が印刷される。なお、レジスト１４は、スクリーン印刷の他、ドライフィルム、ディップ、スピンコータ、ロールコータなどにより形成してもよい。次に、エッチングにより金属板１２の不要部分を除去した後、レジスト１４を除去すると、図３または図４に示すように、金属板１２の外周部に所定の幅（段幅Ｌ）の所定の厚さ（段厚Ｔ）の段部（または段部およびフィレット）が形成される。その後、金属板１２（または金属板１２および活性金属含有ろう材１８）上に無電解ニッケルメッキを施す。
【００１３】
上述したように、本発明による金属−セラミックス接合体の製造方法の実施の形態では、セラミックス部材上に直接または活性金属含有ろう材を介して金属部材を配置し、実質的に真空または非酸化性雰囲気中で加熱した後に冷却することにより、セラミックス部材と金属部材を接合する。その後、外周から内側に所定の間隔（０．０１〜０．５ｍｍ）だけ離間して外周の全部または一部に沿って伸びる所定の幅（０．０１〜０．５ｍｍ）の無印刷部を含むレジストを金属部材上の所定の領域に印刷することにより、エッチング速度を制御して、金属部材の外周部に所定の幅（０．０１〜０．５ｍｍ）の所定の厚さ（０．００５〜０．２５ｍｍ）の段部（または段部およびフィレット）を有する金属回路を形成することができる。さらに、段部（または段部およびフィレット）の幅を広くしたい場合には、レジストの印刷部と無印刷部を２つ以上交互に形成することにより広くすることができる。
【００１４】
段部（または段部およびフィレット）の幅を０．０１〜０．５ｍｍとするのは、段部（または段部およびフィレット）の幅が０．０１ｍｍより小さいと、繰り返しヒートサイクル１００回未満でクラックの発生がみられ、一方、段部（または段部およびフィレット）の幅が０．５ｍｍより大きいと、回路のファインパターン化に支障をきたすからである。なお、段部（または段部およびフィレット）の幅が０．３ｍｍ以上になると、強度や耐通炉クラック特性が特に高くなり、車両などの特に高信頼性を要求される分野にも適用可能になり、繰り返しヒートサイクルによるクラックの発生を防止する効果が顕著になる。
【００１５】
また、段部（または段部およびフィレット）の厚さを０．００５〜０．２５ｍｍとするのは、０．００５ｍｍより薄いと、ヒートサイクルによりその部分が破断し、応力緩和効果を失い、信頼性が低下するおそれがあり、一方、０．２５ｍｍより厚いと、厚さによる応力の増大により信頼性が低下するおそれがあるからである。
【００１６】
セラミックス部材としては、アルミナやシリカなどの酸化物や、窒化アルミニウムや窒化ケイ素などの非酸化物などのセラミックス部材を使用することができ、通常、一辺の長さが１０〜３００ｍｍで厚さが０．２５〜３．０ｍｍのセラミックス部材が使用される。また、金属部材としては、銅、アルミニウム、ニッケルなどの単一金属の箔や板材、またはマンガニン、黄銅、ステンレスなどの合金の箔や板材を使用することができ、０．１〜５．０ｍｍの厚さの箔や板材を使用することが多い。しかし、本発明では、セラミックス部材や金属部材の大きさや厚さは、特に限定されるものではない。
【００１７】
また、本発明による金属−セラミックス接合体の特に効果が大きい用途は、電子回路用の金属−セラミックス接合基板であり、この接合基板を使用してパワーモジュールを作成すると、接合基板の信頼性の向上により、パワーモジュールの信頼性も向上し、高信頼性を有するパワーモジュールを提供することができる。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明による金属−セラミックス接合体およびその製造方法の実施例について詳細に説明する。
【００１９】
［実施例１］
６０ｍｍ×６０ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍのアルミナ基板の両面に厚さ０．３ｍｍの銅箔を接触させ、窒素雰囲気中で加熱してアルミナ基板と銅箔を直接接合した。
【００２０】
次に、銅箔の表面を研磨紙で研磨した後、一方の面の銅箔上の回路形成領域に回路形成用レジストをスクリーン印刷した。このスクリーン印刷では、レジストの外周から内側に０．２ｍｍだけ離間した所に、０．２ｍｍの幅の無印刷部（レジストが印刷されていない部分）がレジストの外周の全体に沿って延びるように、レジストを印刷した。次に、回路を印刷した基板を塩化第２銅エッチング液によりエッチングし、外周部に幅０．２ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの段部を有する銅回路を形成した。さらに、レジストを除去した後、銅回路上に無電解ニッケルメッキを３μｍ施し、最終製品とした。
【００２１】
このようにして得られた基板について、室温→−４０℃×３０分→室温×１０分→１２５℃×３０分→室温×１０分を１サイクルとする繰り返しヒートサイクルを３００回行った。この処理後に銅回路を除去してアルミナ基板の表面を顕微鏡観察したところ、アルミナ基板にクラックの発生はなく、銅回路の外周部分を段構造とする効果が認められた。
【００２２】
［実施例２］
５０ｍｍ×３０ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム基板を用意し、この基板上に活性金属を含む銀ろうペーストを回路形成領域よりもやや大きめに印刷した後、この活性金属を含む銀ろうペースト介して、窒化アルミニウム基板の表面に厚さ０．３ｍｍ、裏面に厚さ０．１５ｍｍの銅箔を配置し、１０−５ｔｏｒｒ以下、８５０℃で加熱接合した。
【００２３】
次に、一方の面の銅箔上の回路形成領域に回路形成用レジストをスクリーン印刷した。このスクリーン印刷では、レジストの外周から内側に０．２５ｍｍだけ離間した所に、０．３ｍｍの幅の無印刷部（レジストが印刷されていない部分）がレジストの外周の全体に沿って延びるように、レジストを印刷した。次に、回路を印刷した基板を塩化第２銅エッチング液によりエッチングし、外周部に幅０．４ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍの段部およびフィレットを有する銅回路を形成した。さらに、レジストを除去した後、銅回路上に無電解ニッケルメッキを３μｍ施し、最終製品とした。
【００２４】
このようにして得られた基板について、実施例１と同様の繰り返しヒートサイクルを５００回行った。この処理後に銅回路および銀ろうを除去して窒化アルミニウム基板の表面を顕微鏡観察したところ、窒化アルミニウム基板にクラックの発生はなく、銅回路の外周部分を段構造とする効果が認められた。
【００２５】
［比較例１］
５０ｍｍ×３０ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム基板を用意し、その両面に活性金属を含む銀ろうペーストを介して厚さ０．３ｍｍの銅箔を配置し、１０−５ｔｏｒｒ以下、８５０℃で加熱接合した。
【００２６】
加熱接合された基板に回路を形成するため、一方の面の銅箔上の回路形成領域にレジストを印刷した。次に、回路を印刷した基板を塩化第２銅エッチング液によりエッチングし、外周部に段部を有しない銅回路を形成した。
【００２７】
このようにして得られた基板について、実施例１と同様の繰り返しヒートサイクルを５００回行った。この処理後に銅回路および銀ペーストを除去して窒化アルミニウム基板の表面を顕微鏡観察したところ、窒化アルミニウム基板に形成されていた銅回路に沿って、目視で容易に確認できるクラックの発生が認められた。
【００２８】
［実施例３〜６、比較例２］
厚さ０．２５ｍｍの銅箔を使用し、レジストの外周から無印刷部までの間隔（外周の印刷部の幅）と無印刷部の幅を変えた以外は、実施例１と同様の方法により基板上に銅回路を形成した。
【００２９】
表１に示すように、実施例３では、外周の印刷部の幅を１００μｍ、無印刷部の幅を６０μｍとし、段幅１２０μｍの銅回路を形成した。実施例４では、外周の印刷部の幅を１００μｍ、無印刷部の幅を５０μｍとし、段幅２００μｍの銅回路を形成した。実施例５では、外周の印刷部の幅を１００μｍ、無印刷部の幅を９０μｍとし、段幅３００μｍ、段厚６０μｍの銅回路を形成した。実施例６では、外周の印刷部の幅を１５０μｍ、無印刷部の幅を１２０μｍとし、段幅３５０μｍ、段厚３０μｍの銅回路を形成した。比較例２では、無印刷部を設けず、外周部に段部を有しない銅回路を形成した。
【００３０】
【表１】
このようにして得られた実施例３〜６の基板について、通炉処理（還元雰囲気（窒素４＋水素１）下において３７０℃で１０分間加熱した後に冷却する処理、昇降温度約２０℃／分）を行い、通炉処理前、３回の通炉処理後および６回の通炉処理後における抗折強度（ＭＰａ）、たわみ量（ｍｍ）および通炉耐量（通炉処理後にセラミックス部にクラックが発生するか否かを外観検査してクラックが発生したときの通炉処理の回数）によって、それぞれの基板の信頼性を評価した。抗折強度は、抗折測定装置（島津製作所製ＳＨＩＭＡＤＺＵ ＡＧＳ−１００Ｄ）を使用して、３点曲げ試験により、負荷速度０．５ｍｍ／ｍｉｎ、スパン長さ３０ｍｍの測定条件で測定した。なお、この測定では、銅回路と反対の面から負荷した。また、たわみ量は、３点曲げ試験においてセラミックス基板にクラックが発生したときの変位量である。
【００３２】
通炉処理前、３回の通炉処理後および６回の通炉処理後における抗折強度（ＭＰａ）の平均値、最大値および最小値、通炉処理前に対する３回の通炉処理後および６回の通炉処理後における抗折強度（ＭＰａ）の比、たわみ量（ｍｍ）の平均値、最大値および最小値、通炉処理前に対する３回の通炉処理後および６回の通炉処理後におけるたわみ量（ｍｍ）の比、および１０〜５０回の通炉処理後のクラックが発生した基板の枚数を表２および表３に示す。なお、表３において、比較例２では１０回未満の通炉処理でクラックが発生した。これらの表から、段幅が３００μｍ以上の場合に信頼性の高い基板が得られ、段幅が３５０μｍ以上の場合にさらに信頼性の高い基板が得られることがわかる。
【００３３】
【表２】
【表３】
また、実施例３〜６の基板について、通炉処理前および３回の通炉処理後における段幅（μｍ）と抗折強度（ＭＰａ）の関係および段幅（μｍ）とたわみ量（ｍｍ）の関係をそれぞれ図５および図６に示す。これらの図から、段幅が３００μｍ以上の場合に信頼性の高い基板が得られ、段幅が３５０μｍ以上の場合にさらに信頼性の高い基板が得られることがわかる。
【００３６】
また、実施例３〜６の基板について、通炉回数と抗折強度（ＭＰａ）の関係および通炉回数とたわみ量（ｍｍ）の関係をそれぞれ図７および図８に示す。これらの図からも、段幅が３００μｍの場合に信頼性の高い基板が得られ、段幅が３５０μｍの場合にさらに信頼性の高い基板が得られることがわかる。
【００３７】
［実施例７、８］
レジストの外周から無印刷部までの間隔（外周の印刷部の幅）と無印刷部の幅を変えた以外は、実施例２と同様の方法により基板上に銅回路を形成した。
【００３８】
表４に示すように、実施例７では、外周の印刷部の幅を１３０μｍ、無印刷部の幅を９０μｍとし、３枚の基板（基板▲１▼、▲２▼、▲３▼）上に段幅３００μｍ、段厚６０μｍの銅回路を形成した。また、実施例８では、外周の印刷部の幅を１５０μｍ、無印刷部の幅を１２０μｍとし、３枚の基板（基板▲１▼、▲２▼、▲３▼）上に段幅３５０μｍ、段厚３０μｍの銅回路を形成した。
【００３９】
このようにして得られた実施例７および８の基板について、通炉処理を５０回行った後に銅回路および銀ペーストを除去して基板の表面を顕微鏡観察したところ、表４に示すように、クラック率（＝（５０回の通炉処理後に発生したクラックの長さの合計／回路パターンの全長）×１００）の平均値は、実施例７では８７．２％、実施例８では１１．４％であり、段幅が３５０μｍの場合にクラックの発生率が非常に小さくなることがわかる。
【００４０】
【表４】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、セラミックス部材と金属部材とを接合した後に金属部材上の所定の領域にレジストを印刷してエッチングすることにより金属部材を所定の形状に形成する金属−セラミックス接合体の製造方法において、レジストの外周の全部または一部から所定の間隔、例えば０．０１〜０．５ｍｍだけ内側に離間した所に、例えば０．０１〜０．５ｍｍの幅の帯状のレジストを印刷しない部分を１つ以上設けて、金属部材の外周部のエッチング速度を制御することにより、段部やフィレットの幅や厚さを自由に変更することができ、例えば金属部材の外周部に０．０５〜０．５ｍｍの幅で０．００５〜０．２５ｍｍの厚さの段部（または段部およびフィレット）を形成することができ、繰り返しヒートサイクルによるクラックの発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による金属−セラミックス接合体の製造方法の実施の形態における製造工程を示す平面図。
【図２】本発明による金属−セラミックス接合体の製造方法の実施の形態における製造工程を示すＩＩ−ＩＩ線断面図。
【図３】本発明による金属−セラミックス接合体の製造方法の実施の形態によりセラミックス部材に金属部材が直接接合されて製造された金属−セラミックス接合体の周縁部を示す拡大断面図。
【図４】本発明による金属−セラミックス接合体の製造方法の実施の形態により活性金属含有ろう材を介してセラミックス部材に金属部材が接合されて製造された金属−セラミックス接合体の周縁部を示す拡大断面図。
【図５】実施例３〜６の基板についての通炉処理前および３回の通炉処理後における段幅（μｍ）と抗折強度（ＭＰａ）の関係を示す図。
【図６】実施例３〜６の基板についての通炉処理前および３回の通炉処理後における段幅（μｍ）とたわみ量（ｍｍ）の関係を示す図。
【図７】実施例３〜６の基板についての通炉回数と抗折強度（ＭＰａ）の関係を示す図。
【図８】実施例３〜６の基板についての通炉回数とたわみ量（ｍｍ）の関係を示す図。
【符号の説明】
１０ セラミックス部材
１２ 金属部材
１４ レジスト
１６ 無印刷部
１８ 活性金属含有ろう材
Claims (13)
- セラミックス部材と金属部材とを接合した後に金属部材上の所定の領域にレジストを形成してエッチングすることにより金属部材を所定の形状に形成する金属−セラミックス接合体の製造方法において、レジストの外周から所定の間隔だけ内側に離間した所にレジストを形成しない部分を１つ以上設けることを特徴とする、金属−セラミックス接合体の製造方法。
- 前記レジストを形成しない部分が前記レジストの外周に沿って延びる１つ以上の帯状の部分であることを特徴とする、請求項１に記載の金属−セラミックス接合体の製造方法。
- 前記所定の間隔が０．０１〜０．５ｍｍであり、前記レジストを形成しない部分が０．０１〜０．５ｍｍの幅の１つ以上の帯状の部分であることを特徴とする、請求項１または２に記載の金属−セラミックス接合体の製造方法。
- 前記レジストを形成しない部分が前記レジストの外周の全部または一部に沿って延びることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の金属−セラミックス接合体の製造方法。
- 前記セラミックス部材と前記金属部材とを直接接合することを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の金属−セラミックス接合体の製造方法。
- 前記エッチング後の前記金属部材の外周に０．０５〜０．５ｍｍの幅で０．００５〜０．２５ｍｍの厚さの段部を形成することを特徴とする、請求項５に記載の金属−セラミックス接合体の製造方法。
- 前記セラミックス部材と前記金属部材とを活性金属含有ろう材を介して接合することを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の金属−セラミックス接合体の製造方法。
- 前記エッチング後により前記金属部材の外周に前記金属部材の段部および前記金属含有ろう材のフィレットを同時に形成することを特徴とする、請求項７に記載の金属−セラミックス接合体の製造方法。
- 前記エッチング後の前記金属部材の外周に０．０５〜０．５ｍｍの幅で０．００５〜０．２５ｍｍの厚さの段部およびフィレットを形成することを特徴とする、請求項８に記載の金属−セラミックス接合体の製造方法。
- セラミックス部材と金属部材とを直接接合した金属−セラミックス接合体において、金属部材の周縁部に０．３ｍｍ以上の幅の段部が形成され、且つ還元雰囲気下において３７０℃で１０分間加熱した後に冷却する処理を３回行った後において負荷速度０．５ｍｍ／ｍｉｎ、スパン長さ３０ｍｍの測定条件で測定した抗折強度が２００ＭＰａ以上であることを特徴とする、金属−セラミックス接合体。
- セラミックス部材と金属部材とをろう材を介して接合した金属−セラミックス接合体において、金属部材の周縁部に０．３ｍｍ以上の幅の段部およびフィレットが形成され、且つ還元雰囲気下において３７０℃で１０分間加熱した後に冷却する処理を３回行った後において負荷速度０．５ｍｍ／ｍｉｎ、スパン長さ３０ｍｍの測定条件で測定した抗折強度が２００ＭＰａ以上であることを特徴とする、金属−セラミックス接合体。
- 請求項１０または１１のいずれかに記載の金属−セラミックス接合体からなる金属−セラミックス接合基板。
- 請求項１０または１１のいずれかに記載の金属−セラミックス接合体を用いて組み立てられたパワーモジュール。
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