JP2004327737A

JP2004327737A - 複合基板及びその製造方法

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Publication number: JP2004327737A
Application number: JP2003120768A
Authority: JP
Inventors: Hidehiro Arikawa; 秀洋有川; Yasuhiro Sasaki; 康博佐々木; Shinya Terao; 慎也寺尾; Hirobumi Terasono; 博文寺園
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-04-24
Filing date: 2003-04-24
Publication date: 2004-11-18

Abstract

【課題】セラミック基板と金属部材との接合信頼性が高く、生産性に優れた複合基板とその製造方法を提供する。
【解決手段】セラミック基板３と、該セラミック基板３との接合面に凹部２が形成された金属部材１と、該凹部２の凹部２底面２ａと前記セラミック基板３表面との間及び前記金属部材２の堤部２ｃ表面と前記セラミック基板３表面との間に形成された接合層４とを具備し、前記接合層４によって前記セラミック基板３と前記金属部材１とが接合されてなることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属部材とセラミック基板との複合基板及びその製造方法に関するものであり、詳細にはパワーモジュール等の放熱性や大電流許容配線を必要とする分野に好適に用いることのできる複合基板及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、パワーモジュール等の放熱性や大電流許容配線を必要とする複合基板は、セラミック基板の表面に、Ｃｕ板やＡｌ板などの金属部材をＣｕＡｇ系ろう材やＡｌ系ろう材を用いて接合されたものが知られている。
【０００３】
例えば、放熱性を向上させるため、ヒートシンク材などの熱伝導性に優れた金属材と回路基板を半田等で接合することが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００４】
ところが、接合温度が高い場合、熱膨張係数の違いにより、反りや変形が発生する。これを抑制するためこれらの対策として、Ｓｎ系、Ｉｎ系及びＺｎ系のろうや半田を用いて接合温度を下げることにより、熱膨張差で発生する残留応力を抑え、信頼性の向上を計っている（例えば、特許文献３、４参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平４−１２５５４号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開平６−５３６２４号公報
【０００７】
【特許文献３】
特開平７−１４９４０号公報
【０００８】
【特許文献４】
特開平２００２−２２２９０５号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献３、４に記載の方法では、ろう材や半田等の接合材を金属部材とセラミック基板との間に挿入して熱処理を行い、接合後には接合層が形成するため、接合材を完全に溶融させてセラミック基板と金属部材を接合しようとする場合、セラミック基板や金属部材の傾きによって接合層の厚みが不均一となり、応力が一部に集中するため接合強度にばらつきが起こり、接合信頼性が低下する問題があった。
【００１０】
また、セラミック基板や金属部材の移動を防止したり、接合層の厚みを一定にするためには、特殊な冶具を用いることもできるが、手間がかかって生産性が低くなるという問題があった。
【００１１】
従って、本発明は、セラミック基板と金属部材との接合信頼性が高く、生産性に優れた複合基板とその製造方法を提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、表面に凹部を有する金属部材とセラミック基板とを、該凹部に接合材を充填するとともに、セラミック基板表面に接合材を形成して接合処理を行うことにより、接合材が溶融しても位置ずれの抑制が可能で、寸法精度に優れ、しかも接合が容易な複合基板を実現できるとの知見に基づく。
【００１３】
即ち、本発明の複合基板は、セラミック基板と、該セラミック基板との接合面に凹部が形成された金属部材と、該凹部の凹部底面と前記セラミック基板表面との間、及び前記金属部材の堤部表面と前記セラミック基板表面との間に形成された接合層とを具備し、前記接合層によって前記セラミック基板と前記金属部材とが接合されてなることを特徴とするものである。
【００１４】
凹部に設けられた接合層がセラミック基板と金属部材とを接合し、しかも接合層の主たる部分が凹部に保持されるため、接合層の厚みが不均一になることを防止し、接合信頼性を高めることができる。また、セラミック基板と金属部材の堤部との間にも接合層を設けているため、金属部材のエッジに掛かる負荷を緩和し、接合における高い信頼性が得られる。しかも接合が容易であるため生産性を高めることができる。
【００１５】
このとき、前記金属部材の堤部と前記セラミック基板間の接合層の厚みは２０〜１００μｍの範囲内が好ましく、その厚みばらつきは５０％以下が望ましい。これにより、金属部材が斜めに接合することを防止し、接合信頼性をさらに高めることができる。
【００１６】
特に、前記金属部材がＣｕ及び／又はＡｌを主成分とすることが好ましい。このようにＣｕやＡｌを用いることによって、熱伝導性、電気伝導性に優れ、且つ、加工しやすいため容易に凹形状を形成することができる。
【００１７】
また、前記接合層が、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ａｇ、Ｃｕ及びＡｌのうち少なくとも１種を含むことが好ましい。接合温度が８００℃前後では、Ａｇ及びＣｕを主成分とする接合層が好ましく、６００℃前後ではＡｌを主成分とする接合層が好ましく、４００℃以下ではＩｎ、Ｓｎ及びＰｂの少なくとも１つを含む接合層が好適である。
【００１８】
さらに、前記セラミック基板が、アルミナ、窒化珪素及び窒化アルミニウムのうち少なくとも１種からなることが好ましい。絶縁性、熱伝導性に優れるため、絶縁抵抗や熱放散性を必要とするパワーモジュール基板等の絶縁層に好適である。
【００１９】
また、本発明の複合基板の製造方法は、金属部材の主面に形成された凹部内と、前記金属部材の堤部表面とセラミック基板表面との間に接合材を充填し、該接合材をセラミック基板と前記金属部材とで挟持するように、前記接合材と前記セラミック基板とを接触させながら熱処理を行なって前記金属部材と前記セラミック基板を接合することを特徴とするものであり、これにより、上記の複合基板を容易に得ることができる。
【００２０】
特に、前記熱処理において、前記金属部材と前記セラミック基板との間に圧力を加えることが好ましい。これにより、接合界面の密着性が高まりボイドの少ない複合基板を得ることができる。
【００２１】
また、前記金属部材と前記セラミック基板間に充填された接合材の厚みがほぼ一様になるように、圧力を加えることが好ましい。これにより、厚みばらつきを小さくでき、接合信頼性をさらに高めることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明で用いる金属部材は、図１に示したように、金属部材１の主面に凹部２が形成され、凹部２は、底面２ａ及び側面２ｂにより構成される。また、凹部２の外部には堤部２ｃが設けられている。
【００２３】
本発明の複合基板は、図２に示したように、金属部材１の主面に設けられた凹部２の底面２ａとセラミック基板３間、及び金属部材１の堤部２ｃとセラミック基板３間、に接合層４が形成され、金属部材１とセラミック基板３とで接合層４を挟持するように接合されていることが重要である。
【００２４】
換言すれば、金属部材１が接合層４を介してセラミック基板１に接合されており、接合層４は、金属部材１の主面に設けられた凹部２の底面２ａと堤部２ｃとを含む接合面に設けられている。この接合層４は、金属部材１の凹部２の接合層４ａ、及び接合層４ａとセラミック基板３間と金属部材１の堤部２ｃとセラミック基板３間とに形成された接合層４ｂとで構成されている。
【００２５】
或いはまた、図３のように金属部材１の凹部２の底面２ａとセラミック基板３間に設けられた接合層４ｃと、金属部材１の堤部２ｃとセラミック基板３間に設けられた接合層４ｄとで接合層４が形成されていても良い。
【００２６】
なお、接合層４ａと４ｂは同一であっても異なっても良い。同様に、接合層４ｃと４ｄも同一であっても異なっても良い。接合層４ａと４ｂが同一の場合、又は、接合層４ｃと４ｄが同一の場合は、接合層４が一体となった状態にあり、接合信頼性が最も良い状態となる。
【００２７】
金属部材１に設けられた凹部２の深さＴ_１は、充填された接合層４ａが再現良く均一な厚みを確保できるように２０μｍ以上、特に５０μｍ以上、更には７０μｍ以上が好ましい。特に、金属部材１が大きい場合、例えば金属部材１の主面の一辺が１０ｍｍ以上の正方形の場合や主面の直径が１０ｍｍ以上の円形の場合、接合信頼性を確保するため、７０μｍ以上、特に１００μｍ以上が望ましい。
【００２８】
金属部材１の堤部２ｃからセラミック基板３間の高さＴ_２は応力を緩和し接合信頼性を確保する為２０μｍ以上、特に３０μｍ以上が好ましい。また、接合時に発生する接合材の溶融による位置ずれ及び傾きによる厚みの不均一を抑制する為、金属部材１の堤部２ｃからセラミック基板３間の高さＴ_２の上限は１００μｍ、特に８０μｍが望ましく、厚みばらつきは５０％以下、特に３０％以下が望ましい。
【００２９】
金属部材１は、パワーモジュールのように大電流が配線基板に流れ、放熱量が大きい用途に用いられる場合、電気伝導及び熱伝導に優れているのが好ましく、さらに一方の主面に凹部２を容易に加工することができる材料が良い。また、低コストであるのがさらに好ましい。これらを考慮すると、Ｃｕ及び／又はＡｌを主成分とする金属であることが望しい。特に、電気伝導及び熱伝導により優れている点でＣｕを主成分とする金属が、凹部２の加工性により優れている点ではＡｌを主成分とする金属が望ましい。
【００３０】
凹部２を含む金属部材１の表面は、図４に示したように、耐腐食性を高めるとともに、接合層４との濡れ性を向上させるため、Ｎｉ、Ｃｕ及びＳｎのうち少なくとも１種からなるメッキ層５が形成されているのが良い。例えば、ＣｕＡｇ系、Ａｌ系ろうで接合する場合はＮｉ、Ｃｕがメッキ層５として好適であり、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂ系ろうで接合する場合はＳｎがメッキ層５として好適である。
【００３１】
上記メッキ層５の厚みは、十分な腐食性を確保し、高い密着性を保持するように、１〜３０μｍ、特に５〜１０μｍであるのが良い。なお、耐腐食性を効果的に高めるため、上記のメッキ層５の表面に、メッキによってさらにＡｕ層を形成するのが良い。
【００３２】
金属部材１の形状は、平板（金属板）であっても、ブロックであっても、配線パターン形状であっても、更には冷却用のフィン形状等の複雑形状であっても良く、金属部材１の使用目的に従って決定すれば良い。
【００３３】
セラミック基板３は、平板を形成できる材料であれば良いが、パワーモジュールのように大電流が配線基板に流れ、放熱量が大きい用途に用いられる場合、絶縁性、強度、及び熱伝導に優れていることが好ましく、さらに低コストであるのが良い。例えば、強度とコストの点ではアルミナが、高強度と高熱伝導性が必要な場合には窒化珪素が、さらに高い熱伝導性が必要な場合は窒化アルミニウムが好適である。
【００３４】
セラミック基板３の表面には、メタライズ層６が形成されているのが良い。メタライズ層６の目的は、セラミック基板３の接合部を金属化して接合層４との濡れを向上させるためである。さらに、メタライズ層６の表面には、金属部材１の場合と同様に、耐腐食性や接合層４との濡れ性をさらに向上させるために、Ｎｉ、Ｃｒ及びＳｎのうち少なくとも１種の被覆層（図示せず）を設けることも可能である。
【００３５】
接合層４は、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ａｇ、Ｃｕ及びＡｌのうち少なくとも１種を含むことが好ましい。これらは、いずれも高い接合強度を実現することが可能であり、金属部材１及びセラミック基板３の材質と表面状態、接合層４の融点及び接合条件によって上記の元素を含む半田やろう材を選択すれば良い。
【００３６】
具体的には、Ｉｎろう、Ｓｎ−Ｃｕろう、Ｓｎ−Ｃｕ−Ａｇろう、Ｐｂ半田、Ａｕ−Ｃｕろう等を例示できるが、他のろう材も使用できることは言うまでもない。
【００３７】
接合層４としてＣｕＡｇ系、Ａｌ系ろうを用いる場合はＮｉ又はＣｒを被覆層に用いることが望ましく、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂ系ろうを用いる場合はＳｎを被覆層に用いることが望ましい。特に、耐腐食性をさらに高めることが必要な場合は、被覆層の厚みを３μｍ以上にするか、被覆層上にＡｕめっきを施すことが望ましい。
【００３８】
本発明において高い接合強度を得るためには、金属部材１の凹部２の底面２ａの少なくとも５０％以上、特に７０％以上、更には８５％以上が接合層４と接合していることが好ましい。
【００３９】
次に、本発明の複合基板の製造方法について説明する。
【００４０】
まず、図１に示したような金属部材１を用意し、凹部２を形成する。凹部２の形成方法はエッチング法や金型プレスによる機械加工等の公知の手法で所望の形状に加工すれば良い。また、耐腐食性を高めるとともに、接合層との濡れ性を向上させて接合強度を高めるため、金属部材１の凹部２の底面２ａや側面２ｂ及び堤部２ｃを含む一方の面にメッキ層を形成しても良い。
【００４１】
次に、セラミック基板３を準備する。セラミック基板３の製造方法は、公知のセラミック焼結体の製造方法を用いることができる。例えば、アルミナからなる原料粉末を混合してスラリーを作製し、このスラリーを用いてドクターブレード法やロールコンパクション法等の公知のセラミック成形方法によりグリーンシートを作製する。得られたグリーンシートの表面に、所望により導体ペーストを塗布し、積層の後に同時焼成によってメタライズ層６を形成する。
【００４２】
さらに、所望により、メタライズ層６の表面に、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ａｇ、Ｃｕ及びＡｌのうち少なくとも１種を含む金属を、メッキ法、スパッタリングやＣＶＤ（気相蒸着法）等の公知のコーティング方法によって被覆層を形成することができる。これらのうち、簡便で低コストである点でメッキ法が好ましい。
【００４３】
ここで接合材１４を準備する。接合材１４の種類は、特に制限はないが、粉末、ペースト及び箔のうち少なくとも１種を用いることができる。均一に且つ確実に凹部２に充填できるためには、ペースト又は箔が好ましい。
【００４４】
接合材１４の選択に当っては、金属部材１とセラミック基板３との組合せを考慮し、さらに接合材１４の融点及び金属部材１やセラミック基板３との良好な濡れ状態を形成する温度を選択する。また、接合材１４は同一組成のものが好ましい。接合温度が８００℃前後では、Ａｇ及びＣｕを主成分とする接合層４ａ及び／又は４ｂが好ましく、６００℃前後ではＡｌを主成分とする接合層４ａ及び／又は４ｂが好ましく、４００℃以下ではＩｎ、Ｓｎ及びＰｂの少なくとも１つを含む接合層４ａ及び／又は４ｂが好ましい。
【００４５】
また、構造が接合面に関して対称性に乏しい場合、例えば、セラミック基板３の一方の主面のみに金属部材１を接合する場合、残留応力による反りや変形の抑制が必要な場合、融点が４００℃以下のＳｎ、Ｉｎ、Ｐｂ系のろう材や半田を用いることが望ましい。
【００４６】
次に、接合層４ａを凹部２に充填する。充填する接合層４ａの量は、その容積が凹部２の容積に略同一であることが好ましいが、接合層４ａの総容積が凹部２の容積以上であっても良い。特に、凹部２と略同一の形状に加工された接合材１４を凹部２に挿入するのが良い。
【００４７】
同様にして、セラミック基板３上又はその表面に設けられたメタライズ層６上に、箔を載置する、又は、ペーストを塗布する。
【００４８】
次いで、図５に示したように、金属部材１の凹部２内の接合材１４とセラミック基板３表面にある接合材１４とが、金属部材１とセラミック基板３とによって挟持されるように、金属部材１とセラミック基板３とを接触させ、所望により接合面に垂直な方向に加圧しながら加熱処理をして接合する。
【００４９】
加熱処理は、ＡｇＣｕ系ろう材の場合、還元雰囲気で８００〜９００℃、Ａｌ系ろう材の場合、還元雰囲気において５５０℃〜６６０℃で熱処理する。また、接合部のボイドを低減したい場合は、１×１０⁻ ^４Ｐａ以上、特に１×１０⁻ ^６Ｐａ以上の真空度で熱処理するのが良い。
【００５０】
【実施例】
実施例１
金属部材として、縦１２ｍｍ、横２２ｍｍ、厚さ０．２ｍｍのＡｌ板をそれそれ５枚ずつ準備した。この金属部材の主面に、金型プレス法によって縦１０ｍｍ、横２０ｍｍ、深さ７０μｍの凹部をそれぞれ金型プレス加工で形成した。
【００５１】
次いで、凹部が形成された金属部材に無電解法で３μｍのＮｉメッキ層を形成した。
【００５２】
次に、厚さ０．３ｍｍのアルミナグリーンシートの主面にタングステンペーストを塗布し、同時焼成することによって、表面にメタライズ層を具備するアルミナ基板を作製した。アルミナ基板の寸法は縦１５ｍｍ、横２５ｍｍであった。
【００５３】
次いで、このメタライズ層の表面に、電解法によって、Ｎｉ被覆層３μｍを形成した。
【００５４】
さらに、金属部材の凹部に、凹部の形状と略同一である厚さ５０μｍのＩｎ系半田箔を埋設し、セラミック基板上に厚さ２０、３０、５０、８０、１００μｍのＩｎ系半田箔をそれぞれ貼り合わせ、金属部材の凹部が形成されている主面に重ね合わせ、セラミック基板の上に圧力を加えながら、大気中雰囲気中２００℃で熱処理を行って接合した。
【００５５】
接合した試料を切断し、顕微鏡によって接合層の厚みを確認した。その結果、いずれの金属部材の場合でも、クラックや剥離といった異常は観られなかった。また、接合層の厚みもばらつきが２０％以下と均一であり、寸法の大きなずれは見られなかった。
【００５６】
また、接合した試料を−３０℃〜１２０℃の冷熱サイクルを１００サイクル行って熱負荷を与えた後、顕微鏡により金属部材とセラミック基板との接合界面を観察した。その結果、何らの異常も見られず、良好な接合状態を呈しており、寸法精度も良好であった。
【００５７】
実施例２
金属部材として縦２２ｍｍ、横２２ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのＣｕ板を３枚準備した。この金属部材の主面に実施例１と同様にして深さ７０、１００、１５０μｍの凹部をそれぞれ形成し、３μｍのＮｉメッキ層を形成した。
【００５８】
また、縦１５ｍｍ、横２５ｍｍ、厚さ０．３ｍｍの窒化珪素基板を準備し、その主面にＣＶＤ（化学気相）法で０．１μｍのＣｒ層を形成した。
【００５９】
次いで、金属部材の凹部にＣｕＳｎ系のろうペーストを充填し、さらに窒化珪素基板上に４０μｍのＣｕＳｎ系ろうペーストを塗布し、上記Ｃｒ層上のろうペーストが金属部材と接するように、セラミック基板を金属部材の凹部に重ね合わせ、しかる後に還元中雰囲気中４００℃で熱処理を行った。
【００６０】
実施例１と同様の方法で評価を行ったところ、接合層の厚みもばらつきが３０％以下と均一で、大きなずれはなく、また、接合界面も異常は無く、良好な接合状態であった。
【００６１】
比較例１
実施例１と同じ形状のＣｕ板及びＡｌ板を準備し、凹部加工以外は実施例１と同様にして接合体を作製した。また、評価も実施例１と同様にして行った。その結果、凹部を形成していないため、接合層の厚みが５５％以上のばらつきがあり、金属部材に傾きが生じていた。そして、冷熱サイクル後に、接合層の薄い部位にクラックが観察された。
【００６２】
比較例２
実施例２と同一形状のＣｕ板及びＡｌ板を準備し、凹部加工以外は実施例２と同様にして接合体を作製した。また、評価も実施例１と同様にして行った。その結果、凹部を形成していないため、接合層の厚みが６０％以上のばらつきがあり、金属部材に傾きを生じていた。そして、冷熱サイクル後に、接合層の薄い部分の界面に剥離が観察された。
【００６３】
【発明の効果】
本発明は、接合材が金属部材の凹部に充填されるため、接合を行なう金属部材及びセラミック基板が大きくなっても、特殊な冶具を使用する必要が無く、且つ高い接合信頼性を実現することができる。しかも、特殊な治具や工程を要せずに接合層を均一な厚みに調整して接合することができるため、接合工程の生産性が高く、且つ接合信頼性に優れた複合基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に用いる金属部材の構造を示す概略断面図である。
【図２】本発明の複合基板の構造を示す概略断面図である。
【図３】本発明の複合基板の他の構造を示す概略断面図である。
【図４】本発明の複合基板の一部を拡大した概略断面図である。
【図５】本発明の複合基板の製造方法の一部を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１・・・金属部材
２・・・凹部
２ａ・・・凹部の底面
２ｂ・・・凹部の側面
２ｃ・・・金属部材１の堤部
３・・・セラミック基板
４・・・接合層
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ・・・接合層
５・・・メッキ層
６・・・メタライズ層
Ｔ_１・・・凹部２の深さ
Ｔ_２・・・金属部材１の堤部２ｃからセラミック基板３間の高さ
Ｔ_３・・・凹部底面２ａからセラミック基板３間の高さ
１４・・・接合材

Claims

セラミック基板と、該セラミック基板との接合面に凹部が形成された金属部材と、該凹部の凹部底面と前記セラミック基板表面との間、及び前記金属部材の堤部表面と前記セラミック基板表面との間に形成された接合層とを具備し、前記接合層によって前記セラミック基板と前記金属部材とが接合されてなることを特徴とする複合基板。
前記金属部材がＣｕ及び／又はＡｌを主成分とすることを特徴とする請求項１記載の複合基板。
前記金属部材の堤部表面と前記セラミック基板表面との間に形成された接合層の厚みが２０〜１００μｍであることを特徴とする請求項１又は２記載の複合基板。
前記金属部材の堤部表面と前記セラミック基板表面との間に形成された接合層の厚みばらつきが５０％以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の複合基板。
前記接合層が、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ａｇ、Ｃｕ及びＡｌのうち少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の複合基板。
前記セラミック基板が、アルミナ、窒化珪素及び窒化アルミニウムのうち少なくとも１種からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の複合基板。
金属部材の主面に形成された凹部内に接合材を充填し、且つセラミック基板表面に接合材を充填し、該接合材をセラミック基板と前記金属部材とで挟持するように、前記接合材と前記セラミック基板とを接触させながら熱処理を行なって前記金属部材と前記セラミック基板を接合することを特徴とする複合基板の製造方法。
前記熱処理において、前記金属部材と前記セラミック基板との間に圧力を加えることを特徴とする請求項７記載の複合基板の製造方法。
前記金属部材と前記セラミック基板間に充填された前記接合材の厚みがほぼ一様になるように、圧力を加えることを特徴とする請求項８記載の複合基板の製造方法。