JP2006286754A

JP2006286754A - 金属−セラミックス接合基板

Info

Publication number: JP2006286754A
Application number: JP2005101992A
Authority: JP
Inventors: Junji Nakamura; 潤二中村; Mitsuru Ota; 充太田; Masami Kimura; 正美木村
Original assignee: Dowa Mining Co Ltd
Current assignee: Dowa Holdings Co Ltd
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2025-03-31
Also published as: JP4765110B2

Abstract

【課題】金属−セラミックス接合基板に金属ベース板を固定した後に、セラミックス基板にクラックが生じるのを防止することができる、金属−セラミックス接合基板を提供する。
【解決手段】セラミックス基板１０、１１０の一方の面に、接合面の面積が８０ｍｍ^２以上の大きい銅板１４、１１４と、各々の接合面の面積が８０ｍｍ^２未満であり且つ互いに１ｍｍ以下の間隔で離間して配置された複数の小さい銅板１４、１１４とがろう材１２、１１２を介して接合するとともに、大きい銅板の周縁部に段差が設けられて薄肉部が形成され、あるいは、大きい銅板の周縁からろう材がはみ出してフィレット部が形成されている。また、セラミックス基板の他方の面に接合した銅板の周縁部に段差が設けられて薄肉部が形成され、あるいはセラミック基板の他方の面に接合した銅板の周縁からろう材がはみ出してフィレット部が形成されている。
【選択図】図１Ｈ

Description

本発明は、金属−セラミックス接合基板に関し、特に、セラミックス基板の両面に金属板が接合された金属−セラミックス接合基板に関する。

従来、電気自動車、電車、工作機械などの大電流を制御するために、パワーモジュールが使用されている。従来のパワーモジュールでは、セラミックス基板の両面に金属板が接合された金属−セラミックス接合基板の上面に、パワー半導体素子が半田付けにより固定され、同様にセラミックス基板の両面に金属板が接合された金属−セラミックス接合基板の上面に、パワー半導体素子を制御する制御回路部が半田付けにより固定され、これらの金属−セラミックス接合基板が、半田付けにより厚い銅板などの放熱板（ベース板）に固定されている（例えば、特許文献１参照）。

また、ヒートサイクル後に金属−セラミックス接合基板のセラミックス基板にクラックが生じるのを防止するために、金属板の周縁部に薄肉部や段差を設けた金属−セラミックス接合基板が提案されている（例えば、特許文献２〜４参照）。

特開平９−２１３８７７号公報（段落番号００２７）特開昭６４−５９９８６号公報（第２頁）特公平７−９３３２６号公報（第２頁）特開平１０−１２５８２１号公報（段落番号０００７−０００８）

しかし、特許文献１のように、パワー半導体素子搭載用の金属−セラミックス接合基板と制御回路部搭載用の金属−セラミックス接合基板とを金属ベース板に固定してパワーモジュールを作製すると、ヒートサイクル後にセラミックス基板にクラックが生じ易いという問題がある。また、パワー半導体素子搭載用の金属−セラミックス接合基板として、特許文献２〜４に提案されたような金属板の周縁部に薄肉部や段差を設けた金属−セラミックス接合基板と、制御回路部搭載用の金属−セラミックス接合基板とを金属ベース板に固定してパワーモジュールを作製しても、ヒートサイクル後に制御回路部搭載用の金属−セラミックス接合基板のセラミックス基板にクラックが生じるのを十分に防止することができない。また、１つの金属−セラミックス絶縁基板にパワー半導体素子と制御回路部が固定された一体型のパワーモジュールも提案されているが、このパワーモジュールでも、ヒートサイクル後にセラミックス基板にクラックが生じるのを十分に防止することができない。

したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、金属−セラミックス接合基板に金属ベース板を固定した後に、セラミックス基板にクラックが生じるのを防止することができる、金属−セラミックス接合基板を提供することを目的とする。

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、セラミックス基板の一方の面に、接合面の面積が８０ｍｍ^２以上の大きい金属板と、各々の接合面の面積が８０ｍｍ^２未満であり且つ互いに１ｍｍ以下の間隔で離間して配置された複数の小さい金属板とを接合するとともに、大きい金属板の周縁部に段差を設けて薄肉部を形成し、あるいは、大きい金属板の周縁からろう材をはみ出させてフィレット部を形成することにより、金属−セラミックス接合基板に金属ベース板を固定した後に、セラミックス基板にクラックが生じるのを防止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。

すなわち、本発明による金属−セラミックス接合基板は、セラミックス基板の両面に金属板が接合した金属−セラミックス接合基板において、セラミックス基板の一方の面に、接合面の面積が８０ｍｍ^２以上の大きい金属板と、各々の接合面の面積が８０ｍｍ^２未満であり且つ互いに１ｍｍ以下の間隔で離間して配置された複数の小さい金属板とが接合し、大きい金属板の周縁部に段差が設けられて薄肉部が形成されていることを特徴とする。この金属−セラミックス接合基板において、セラミックス基板の他方の面に接合した金属板の周縁部に段差が設けられて薄肉部が形成されているのが好ましく、セラミックス基板の両面に接合した金属板が、ろう材を介してセラミックス基板に接合しているのが好ましい。

また、本発明による金属−セラミックス接合基板は、セラミックス基板の両面にろう材を介して金属板が接合した金属−セラミックス接合基板において、セラミックス基板の一方の面に、接合面の面積が８０ｍｍ^２以上の大きい金属板と、各々の接合面の面積が８０ｍｍ^２未満であり且つ互いに１ｍｍ以下の間隔で離間して配置された複数の小さい金属板とが接合し、大きい金属板の周縁からろう材がはみ出してフィレット部が形成されていることを特徴とする。この金属−セラミックス接合基板において、セラミックス基板の他方の面に接合した金属板の周縁からろう材がはみ出してフィレット部が形成されているのが好ましい。

上記の金属−セラミックス接合基板において、セラミックス基板の他方の面に接合した金属板が、放熱用の金属ベース板に固定されているのが好ましい。

また、本発明によるパワーモジュールは、上記の金属−セラミックス接合基板を用いたことを特徴とする。

本発明によれば、金属−セラミックス接合基板に金属ベース板を固定した後に、セラミックス基板にクラックが生じるのを防止することができる。

本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態では、セラミックス基板の一方の面に、接合面の面積が８０ｍｍ^２以上の大きい金属板と、各々の接合面の面積が８０ｍｍ^２未満であり且つ互いに１ｍｍ以下の間隔で離間して配置された複数の小さい金属板とがろう材を介して接合するとともに、大きい金属板の周縁部に段差が設けられて薄肉部が形成され、あるいは、大きい金属板の周縁からろう材がはみ出してフィレット部が形成されている。また、セラミックス基板の他方の面にろう材を介して接合した金属板の周縁部に段差が設けられて薄肉部が形成され、あるいはセラミック基板の他方の面に接合した金属板の周縁からろう材がはみ出してフィレット部が形成されている。

薄肉部またはフィレット部が形成された大きい金属板は、パワー半導体素子または端子を搭載する金属板として使用され、接合面の面積が８０ｍｍ^２以上であり、1辺の長さが７ｍｍ以上であるのが好ましく、１０ｍｍ以上であるのがさらに好ましい。一方、薄肉部またはフィレット部が形成されない複数の小さい金属板は、制御回路部を搭載する金属板として使用され、各々の接合面の面積が８０ｍｍ^２未満であり、1辺の長さが７ｍｍ未満であるのが好ましく、また、金属板同士の間隔が１ｍｍ以下であるのが好ましく、０．８ｍｍ以下であるのがさらに好ましい。

本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態では、セラミックス基板の一方の面に接合した複数の制御回路部搭載用の金属板が比較的小さく且つこれらの金属板同士の間隔が狭いために、これらの金属板の周縁部に薄肉部やフィレット部を形成することができない場合でも、セラミックス基板の同一の面に、比較的大きいパワー半導体素子または端子の搭載用の金属板を接合するとともに、この金属板の周縁部に薄肉部やフィレット部を形成し、さらに、セラミックス基板の他方の面に接合した金属板の周縁部に薄肉部やフィレット部を形成することにより、金属−セラミックス接合基板を金属ベース板に固定した後に、ヒートサイクルが加えられてもセラミックス基板にクラックが生じるのを防止することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明による金属−セラミックス接合基板の実施例について詳細に説明する。

［実施例１］
図１Ａ〜図１Ｈは、実施例１の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示している。

まず、図１Ａに示すように、セラミックス基板１０として５６ｍｍ×４７ｍｍ×０．６ｍｍの大きさの窒化アルミニウム基板を用意し、この窒化アルミニウム基板１０の両面に、スクリーン印刷法によってペースト状のろう材１２を塗布し、熱風乾燥によってろう材１２を乾燥した。ろう材１２として、金属とセラミックスの接合に使用する一般的な組成の活性金属ろう材（Ａｇ−Ｃｕ共晶ろう材に１．５重量％のＴｉを添加し、金属粉とビヒクルを混合することにより作製したペースト状の活性金属ろう材）を使用した。

次に、図１Ｂに示すように、窒化アルミニウム基板１０の両面にろう材１２を介して５６ｍｍ×４７ｍｍ×０．２５ｍｍの大きさ（窒化アルミニウム基板１０と同程度またはそれ以上の大きさでよい）の銅板１４を配置して真空炉に入れ、１．３×１０^−３Ｐａ以下の圧力下において８５０℃で３０分間加熱して、窒化アルミニウム基板１０の両面に銅板１４を接合した後、接合体を冷却して真空炉から取り出した。

次に、図１Ｃに示すように、接合体の両側の銅板１４の表面の所定の部分に、スクリーン印刷法によって紫外線硬化型のエッチングレジスト１６を印刷した後、図１Ｄに示すように、塩化第二銅を主成分とするエッチング液で不要な銅板１４を除去し、さらに、図１Ｅに示すように、フッ酸を含むエッチング液で不要なろう材１２を除去した後、３％水酸化ナトリウム溶液でエッチングレジスト１６を除去し、銅板１４の形状を所定のパターン形状にした。

次に、図１Ｆに示すように、接合体の両側の銅板１４の表面に、スクリーン印刷法よってエッチングレジスト１６と同様の紫外線硬化型のエッチングレジスト１８を印刷した。このとき、窒化アルミニウム基板１０の表面側（図中上側）に接合した所定のパターン形状の銅板１４のうち、パワー半導体素子搭載用の比較的大きいパターンの銅板１４（図中右側の銅板１４で）の表面には、銅板１４の外周から０．５ｍｍだけ小さいエッチングレジスト１８を印刷し、細い制御回路部搭載用の比較的小さいパターンの銅板１４（図中左側の銅板１４で）の表面には、その全面にエッチングレジスト１８を印刷した（この全面に印刷するエッチングレジスト１８の大きさは、銅板１４と同程度またはそれ以上の大きさであればよい）。また、窒化アルミニウム基板１０の裏面側（図中下側）に接合した銅板１４の表面には、銅板１４の外周から０．５ｍｍだけ小さいエッチングレジスト１８を印刷した。その後、図１Ｇに示すように、塩化第二銅を主成分とするエッチング液で銅板１４の露出部分が約半分の厚さ（０．１５ｍｍ）になるようにエッチング時間を調整してエッチングを行った後、３％水酸化ナトリウム溶液でエッチングレジスト１８を除去し、パワー半導体素子搭載用の比較的大きい銅板１４の周縁部に段差を設けて薄肉部を形成した。

最後に、図１Ｈに示すように、無電解Ｎｉ−Ｐめっきによって金属部の表面に約３μｍの厚さのめっき２０を施した。

このようにして製造した金属−セラミックス接合基板について、２０℃→−４０℃×３０分→２０℃×１０分→１２５℃×３０分→２０℃×１０分を１サイクルとするヒートサイクルを３００回行った後に、銅板１４とろう材１２を除去して窒化アルミニウム基板１０の表面を光学顕微鏡で観察したところ、窒化アルミニウム基板１０の小回路部（制御回路部搭載用の銅板１４）に対応する部分にクラックが発生していた。しかし、本実施例で製造した金属−セラミックス接合基板の裏面に厚さ３ｍｍの銅ベース板（放熱板）を共晶半田で半田付け（２３０℃で５分間加熱）し、同様のヒートサイクル試験を行った後に、窒化アルミニウム基板１０の表面を光学顕微鏡で観察したところ、窒化アルミニウム基板１０にクラックが発生していなかった。

［実施例２］
図２Ａ〜図２Ｈは、実施例２の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示している。

まず、図２Ａに示すように、セラミックス基板１１０として実施例１と同様の窒化アルミニウム基板を用意し、この窒化アルミニウム基板１１０の両面に、スクリーン印刷法によって実施例１と同様のペースト状のろう材１１２を塗布し、熱風乾燥によってろう材１１２を乾燥した。なお、本実施例では、実施例１と異なり、窒化アルミニウム基板１１０の表面側（図中上側）には、エッチング後の銅板１１４に対応するそれぞれの部分に、それらの銅板１１４より広い範囲にわたってろう材１１２を印刷した。

次に、図２Ｂに示すように、窒化アルミニウム基板１１０の両面にろう材１１２を介して実施例１と同様の銅板１１４を配置して真空炉に入れ、１．３×１０^−３Ｐａ以下の圧力下において８５０℃で３０分間加熱して、窒化アルミニウム基板１１０の両面に銅板１１４を接合した後、接合体を冷却して真空炉から取り出した。

次に、図２Ｃに示すように、接合体の両側の銅板１１４の表面の所定の部分に、スクリーン印刷法によって紫外線硬化型のエッチングレジスト１１６を印刷した後、図２Ｄに示すように、塩化第二銅を主成分とするエッチング液で不要な銅板１１４を除去し、さらに、図２Ｅに示すように、フッ酸を含むエッチング液で不要なろう材１１２を除去した後、３％水酸化ナトリウム溶液でエッチングレジスト１１６を除去し、銅板１１４の形状を所定のパターン形状にした。

次に、図２Ｆに示すように、接合体の両側の銅板１４の表面に、スクリーン印刷法よってエッチングレジスト１１６と同様の紫外線硬化型のエッチングレジスト１１８を印刷した。このとき、窒化アルミニウム基板１１０の表面側（図中上側）に接合した所定のパターン形状の銅板１１４のうち、パワー半導体素子搭載用の比較的大きいパターンの銅板１１４（図中右側の銅板１１４）の表面には、銅板１１４の外周から０．５ｍｍだけ小さいエッチングレジスト１１８を印刷し、細い制御回路部搭載用の比較的小さいパターンの銅板１１４（図中左側の銅板１１４）の表面には、その全面にエッチングレジスト１１８を印刷した（この全面に印刷するエッチングレジスト１１８の大きさは、銅板１１４と同程度またはそれ以上の大きさであればよい）。また、窒化アルミニウム基板１１０の裏面側（図中下側）に接合した銅板１１４の表面には、銅板１１４の外周から０．５ｍｍだけ小さいエッチングレジスト１１８を印刷した。その後、図２Ｇに示すように、塩化第二銅を主成分とするエッチング液で不要な銅板１１４を除去した後、３％水酸化ナトリウム溶液でエッチングレジスト１１８を除去し、大回路部として使用するパワー半導体素子搭載用の銅板１１４（図中右側の銅板１１４）の周縁からろう材１１２がはみ出すようにして、フィレット部を形成した。

最後に、図２Ｈに示すように、無電解Ｎｉ−Ｐめっきによって金属部の表面に約３μｍの厚さのめっき１２０を施した。

このようにして製造した金属−セラミックス接合基板について、実施例１と同様のヒートサイクル試験を行った後に、銅板１１４とろう材１１２を除去して窒化アルミニウム基板１１０の表面を光学顕微鏡で観察したところ、窒化アルミニウム基板１１０の小回路部（制御回路部搭載用の銅板１１４）に対応する部分にクラックが発生していた。しかし、本実施例で製造した金属−セラミックス接合基板の裏面に厚さ３ｍｍの銅ベース板（放熱板）を共晶半田で半田付け（２３０℃で５分間加熱）し、同様のヒートサイクル試験を行った後に、窒化アルミニウム基板１１０の表面を光学顕微鏡で観察したところ、窒化アルミニウム基板１１０にクラックが発生していなかった。

［比較例］
図３Ａ〜図３Ｆは、比較例の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示している。

まず、図３Ａに示すように、セラミックス基板２１０として実施例１と同様の窒化アルミニウム基板を用意し、この窒化アルミニウム基板２１０の両面に、スクリーン印刷法によって実施例１と同様のペースト状のろう材２１２を塗布し、熱風乾燥によってろう材２１２を乾燥した。

次に、図３Ｂに示すように、窒化アルミニウム基板２１０の両面にろう材２１２を介して実施例１と同様の銅板２１４を配置して真空炉に入れ、１．３×１０^−３Ｐａ以下の圧力下において８５０℃で３０分間加熱して、窒化アルミニウム基板２１０の両面に銅板２１４を接合した後、接合体を冷却して真空炉から取り出した。

次に、図３Ｃに示すように、接合体の両側の銅板２１４の表面の所定の部分に、スクリーン印刷法によって紫外線硬化型のエッチングレジスト２１６を印刷した後、図３Ｄに示すように、塩化第二銅を主成分とするエッチング液で不要な銅板２１４を除去し、さらに、図３Ｅに示すように、フッ酸を含むエッチング液で不要なろう材２１２を除去した後、３％水酸化ナトリウム溶液でエッチングレジスト２１６を除去し、銅板２１４の形状を所定のパターン形状にした。

最後に、図３Ｆに示すように、無電解Ｎｉ−Ｐめっきによって金属部の表面に約３μｍの厚さのめっき２２０を施した。

このようにして製造した金属−セラミックス接合基板について、実施例１と同様のヒートサイクル試験を行った後に、銅板２１４とろう材２１２を除去して窒化アルミニウム基板２１０の表面を光学顕微鏡で観察したところ、窒化アルミニウム基板２１０の大回路部（パワー半導体素子搭載用の銅板２１４）と小回路部（制御回路部搭載用の銅板２１４）に対応する部分にクラックが発生していた。また、本実施例で製造した金属−セラミックス接合基板の裏面に厚さ３ｍｍの銅ベース板（放熱板）を共晶半田で半田付け（２３０℃で５分間加熱）し、同様のヒートサイクル試験を行った後に、窒化アルミニウム基板２１０の表面を光学顕微鏡で観察したところ、窒化アルミニウム基板２１０の大回路部に対応する部分にクラックが発生していた。

実施例１の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示す断面図である。実施例１の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示す断面図である。実施例１の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示す断面図である。実施例１の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示す断面図である。実施例１の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示す断面図である。実施例１の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示す断面図である。実施例１の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示す断面図である。実施例１の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示す断面図である。実施例２の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示す断面図である。実施例２の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示す断面図である。実施例２の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示す断面図である。実施例２の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示す断面図である。実施例２の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示す断面図である。実施例２の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示す断面図である。実施例２の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示す断面図である。実施例２の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示す断面図である。比較例の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示す断面図である。比較例の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示す断面図である。比較例の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示す断面図である。比較例の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示す断面図である。比較例の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示す断面図である。比較例の金属−セラミックス接合基板の製造工程を示す断面図である。

符号の説明

１０、１１０、２１０セラミックス基板
１２、１１２、２１２ろう材
１４、１１４、２１４銅板
１６、１１６、２１６エッチングレジスト
１８、１１８エッチングレジスト
２０、１２０、２２０めっき

Claims

セラミックス基板の両面に金属板が接合した金属−セラミックス接合基板において、セラミックス基板の一方の面に、接合面の面積が８０ｍｍ^２以上の大きい金属板と、各々の接合面の面積が８０ｍｍ^２未満であり且つ互いに１ｍｍ以下の間隔で離間して配置された複数の小さい金属板とが接合し、前記大きい金属板の周縁部に段差が設けられて薄肉部が形成されていることを特徴とする、金属−セラミックス接合基板。
前記セラミックス基板の他方の面に接合した金属板の周縁部に段差が設けられて薄肉部が形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の金属−セラミックス接合基板。
前記セラミックス基板の両面に接合した金属板が、ろう材を介して前記セラミックス基板に接合していることを特徴とする、請求項１または２に記載の金属−セラミックス接合基板。
セラミックス基板の両面にろう材を介して金属板が接合した金属−セラミックス接合基板において、セラミックス基板の一方の面に、接合面の面積が８０ｍｍ^２以上の大きい金属板と、各々の接合面の面積が８０ｍｍ^２未満であり且つ互いに１ｍｍ以下の間隔で離間して配置された複数の小さい金属板とが接合し、前記大きい金属板の周縁からろう材がはみ出してフィレット部が形成されていることを特徴とする、金属−セラミックス接合基板。
前記セラミックス基板の他方の面に接合した金属板の周縁からろう材がはみ出してフィレット部が形成されていることを特徴とする、請求項４に記載の金属−セラミックス接合基板。
前記セラミックス基板の他方の面に接合した金属板が、放熱用の金属ベース板に固定されていることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板。
請求項１乃至６のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板を用いたパワーモジュール。