JP2016076603A - 金属−セラミックス回路基板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】活性金属含有ろう材によりセラミックス基板に金属板を接合した金属−セラミックス回路基板において、マイグレーションの発生を十分に抑制することができる、金属−セラミックス回路基板およびその製造方法を提供する。
【解決手段】窒化アルミニウムからなるセラミックス基板１０を酸化してセラミックス基板１０の表面（少なくとも一方の面）に酸化層１２を形成した後、この酸化層１２上に活性金属含有ろう材１４を塗布し、この活性金属含有ろう材１４上に金属板１５を配置し、活性金属含有ろう材１４と酸化層１２を介して金属板１６をセラミックス基板１０に接合し、その後、活性金属含有ろう材１４の露出面にめっき皮膜１８を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属−セラミックス回路基板およびその製造方法に関し、特に、活性金属含有ろう材により金属板がセラミックス部材に接合された金属−セラミックス回路基板およびその製造方法に関する。

従来、電気自動車、電車、工作機械などの大電力を制御するために、パワーモジュールが使用されている。このようなパワーモジュール用の絶縁基板として、セラミックス基板の一方の面に接合された金属回路板上のチップ部品や端子の半田付けが必要な部分などにめっきが施された金属−セラミックス回路基板が使用されている。

しかし、金属回路板を活性金属含有ろう材でセラミックス基板に接合した金属−セラミックス回路基板をパワーモジュールに組み込むと、セラミックス基板上の金属回路板の回路パターン間などにおいて、活性金属含有ろう材中の金属（例えば、活性金属と銀と銅からなるろう材を使用した場合に銀または銅）のマイグレーションが生じて、絶縁不良などを起こすおそれがある。

このようなマイグレーションを防止する方法として、ろう材の露出面に無電解Ｎｉ−Ｐめっきを施す方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−２２８９１８号公報（段落番号００２１−００２２）

しかし、活性金属含有ろう材の露出面にＮｉ−Ｐめっきを施しても、金属−セラミックス回路基板をパワーモジュールに組み込む際のアセンブリ工程における（半田付けなどの）熱処理や絶縁ゲルによる被覆によってマイグレーションが発生するのを十分に抑制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、活性金属含有ろう材によりセラミックス基板に金属板を接合した金属−セラミックス回路基板において、マイグレーションの発生を十分に抑制することができる、金属−セラミックス回路基板およびその製造方法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、窒化アルミニウムからなるセラミックス基板を酸化してセラミックス基板の少なくとも一方の面に酸化層を形成した後、酸化層上に活性金属含有ろう材を塗布し、この活性金属含有ろう材上に金属板を配置し、活性金属含有ろう材と酸化層を介して金属板をセラミックス基板に接合し、その後、活性金属含有ろう材の露出面にめっき皮膜を形成することにより、マイグレーションの発生を十分に抑制することができる、金属−セラミックス回路基板およびそ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。

すなわち、本発明による金属−セラミックス回路基板の製造方法は、窒化アルミニウムからなるセラミックス基板を酸化してセラミックス基板の少なくとも一方の面に酸化層を形成した後、この酸化層上に活性金属含有ろう材を塗布し、この活性金属含有ろう材上に金属板を配置し、活性金属含有ろう材と酸化層を介して金属板をセラミックス基板に接合し、その後、活性金属含有ろう材の露出面にめっき皮膜を形成することを特徴とする。

この金属−セラミックス回路基板の製造方法において、金属板が銅板であるのが好ましく、酸化層の厚さが０．０５〜３μｍであるのが好ましい。また、活性金属含有ろう材が、活性金属と銀と銅からなるろう材であるのが好ましく、活性金属含有ろう材中の銀の含有量が２５〜９５質量％であるのが好ましい。また、めっき皮膜が、Ｎｉめっき皮膜であるのが好ましく、無電解Ｎｉ−Ｐめっきによって形成されるのが好ましい。さらに、セラミックス基板の酸化が、酸素の存在下において９５０〜１４００℃で加熱することによって行われるのが好ましい。

また、本発明による金属−セラミックス回路基板は、窒化アルミニウムからなるセラミックス基板の少なくとも一方の面に酸化層が形成され、この酸化層と活性金属含有ろう材を介して金属板がセラミックス基板に接合され、活性金属含有ろう材の露出面にめっき皮膜が形成されていることを特徴とする。

この金属−セラミックス回路基板において、金属板が銅板であるのが好ましく、酸化層の厚さが０．０５〜３μｍであるのが好ましい。また、活性金属含有ろう材が、活性金属と銀と銅からなるろう材であるのが好ましく、活性金属含有ろう材中の銀の含有量が２５〜９５質量％であるのが好ましい。また、めっき皮膜が、Ｎｉめっき皮膜であるのが好ましく、Ｎｉ−Ｐめっき皮膜であるのがさらに好ましい。

本発明によれば、活性金属含有ろう材によりセラミックス基板に金属板を接合した金属−セラミックス回路基板において、マイグレーションの発生を十分に抑制することができる、金属−セラミックス回路基板およびその製造方法を提供することができる。

本発明による金属−セラミックス回路基板の実施の形態を示す断面図である。

本発明による金属−セラミックス回路基板の実施の形態では、図１に示すように、窒化アルミニウムからなるセラミックス基板１０の表面（少なくとも一方の面）に酸化層１２が形成され、この酸化層１２と活性金属含有ろう材１４を介して金属板１６がセラミックス基板１０に接合され、活性金属含有ろう材１４の露出面にめっき皮膜１８が形成されている。

本発明による金属−セラミックス回路基板の製造方法の実施の形態では、窒化アルミニウムからなるセラミックス基板１０を酸化してセラミックス基板１０の表面（少なくとも一方の面）に酸化層１２を形成した後、この酸化層１２上に活性金属含有ろう材１４を塗布し、この活性金属含有ろう材１４上に金属板１６を配置し、活性金属含有ろう材１４と酸化層１２を介して金属板１６をセラミックス基板１０に接合し、その後、活性金属含有ろう材１４の露出面にめっき皮膜１８を形成する。

セラミックス基板１０として、５〜２００ｍｍ×５〜２００ｍｍ×０．２５〜３．０ｍｍ程度の大きさの窒化アルミニウム基板を使用することができる。セラミックス基板１０上に形成される酸化層１２の厚さは、０．０５〜３μｍであるのが好ましく、０．１〜１．５μｍであるのがさらに好ましい。この酸化物層１２は、窒化アルミニウム基板を酸素の存在下、例えば、大気中において９５０〜１４００℃（好ましくは１０００〜１３００℃）で加熱することによって形成することができる。あるいは、窒化アルミニウム基板の表面にアルミニウム含有溶液（例えば、アルミナゾル、アルミニウム塩溶液、アルミニウム粉と有機バインダを含む溶液など）を塗布し、不活性雰囲気（例えば、窒素雰囲気）または大気中において８００〜１２００℃程度の温度で焼成して酸化物層１２を形成してもよい。この場合、市販されている窒化アルミニウム基板の殆どに焼結助剤として使用されているイットリアが、上記のアルミニウム含有溶液中のアルミニウムと反応して、ＹとＡｌを含む酸化物の層が形成される。なお、金属−セラミックス回路基板の良好な耐熱衝撃性を確保するために、セラミックス基板１０として、３点曲げ強度が好ましくは４５０ＭＰａ以上、さらに好ましくは５００ＭＰａ以上の窒化アルミニウム基板を使用する。

金属板１６は、銅板であるのが好ましく、無酸素銅板であるのがさらに好ましい。また、セラミックス基板１０に接合した金属板１６の表面に回路パターンのレジストを塗布した後に金属板１５をエッチングして除去することにより、金属回路板を形成するのが好ましい。

活性金属含有ろう材１４は、活性金属と銀と銅からなるろう材であるのが好ましい。この場合、活性金属含有ろう材１４中の銀の含有量は、２５〜９５質量％であるのが好ましく、３０〜７５質量％であるのがさらに好ましい。この活性金属含有ろう材１４の活性金属成分として、チタン、ジルコニウム、ハフニウムおよびこれらの水素化物の少なくとも１種以上を使用することができる。この活性金属含有ろう材１４として、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系、Ａｇ−Ｃｕ−Ｚｒ系、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｚｒ系などのろう材を使用するのが好ましく、これらのろう材にＳｎを添加してもよい。なお、ジルコニウムを含有するろう材は、セラミックス基板１０の表面の酸化物層１２と反応して、正方晶ジルコニアを含む酸化物を形成し、熱伝導性を損なうことなく、金属−セラミックス回路基板の耐熱衝撃性を向上させることができる。

また、めっき皮膜１８は、Ｎｉめっき皮膜であるのが好ましく、無電解Ｎｉ−Ｐめっきにより形成するのが好ましい。

活性金属含有ろう材（例えば、活性金属と銀と銅からなるろう材）によりセラミックス基板に（銅板などの）金属板を接合した金属−セラミックス回路基板では、無電解Ｎｉ−Ｐめっきにより金属板と活性金属含有ろう材を覆うようにめっき皮膜を形成しても、金属−セラミックス回路基板をパワーモジュールに組み込む際のアセンブリ工程における熱履歴によって、めっき皮膜にクラックが生じて、活性金属含有ろう材中の（活性金属以外の）金属（例えば、活性金属と銀と銅からなるろう材を使用した場合に銀または銅）が露出したり、活性金属含有ろう材の端部とセラミックス基板の表面の間の微細な隙間から活性金属含有ろう材が露出することがわかった。このように露出した活性金属含有ろう材が硫黄と接触すると、マイグレーションが生じる。そのため、本発明による金属−セラミックス回路基板およびその製造方法の実施の形態では、セラミックス基板の表面に酸化物層を形成するとともに、活性金属含有ろう材の露出面にめっき皮膜を形成することにより、マイグレーションを防止している。

以下、本発明による金属−セラミックス回路基板およびその製造方法の実施例について詳細に説明する。

［実施例１］
セラミックス基板として３２ｍｍ×２２ｍｍ×０．６ｍｍの大きさの窒化アルミニウム基板（３点曲げ強度５２０ＭＰａ）を用意し、この窒化アルミニウム基板を箱型炉により大気中において１１５０℃で１０時間加熱して酸化することにより、窒化アルミニウム基板上に酸化物層を形成した。なお、酸化物層を切断して断面を電子プローブマイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）により観察したところ、酸化物層の厚さは１μｍであった。また、この酸化物層をＥＰＭＡとＸ線回折装置（ＸＲＤ）により分析したところ、酸化アルミニウムからなる層であることが確認された。

このようにして表面に酸化物層を形成した窒化アルミニウム基板の両面に、活性金属成分として２重量％のチタンを含む活性金属含有ろう材（Ａｇ：Ｃｕ：Ｔｉ＝７０：２８：２）をスクリーン印刷し、その上に厚さ０．３ｍｍの無酸素銅板を配置し、真空中で８５０℃に加熱して窒化アルミニウム基板の両面に銅板を接合した。

次に、両面の銅板上に紫外線硬化アルカリ剥離型レジストをスクリーン印刷により塗布し、レジストに紫外線を照射して硬化させた後、塩化銅と過酸化水素水を含むエッチング液により銅板の不要な部分をエッチングして除去し、フッ酸を含むエッチング液により活性金属含有ろう材の不要部分をエッチングして除去し、水酸化ナトリウム水溶液によりレジストを除去して銅回路を形成した。

次に、銅板および活性金属含有ろう材を覆うように無電解Ｎｉ−Ｐめっきにより厚さ２μｍのめっき皮膜を形成して、金属−セラミックス回路基板を得た。

このようにして作製した金属−セラミックス回路基板について、以下のような硫黄華試験を行って、マイグレーションの発生の有無を評価した。まず、金属−セラミックス回路基板を２７０℃で３分間熱処理（金属−セラミックス回路基板に電子部品を半田付けする際と同様の熱処理）した後、金属−セラミックス回路基板にゲル（モメンティブ社製のＴＳＥ３０５１)を厚さ１〜２ｍｍ程度に塗布し、１５０℃で１時間加熱して硬化させた。この金属−セラミックス回路基板を、硫黄華４ｇと相対湿度制御用の蒸留水２０ｍＬを入れておいた容積約１２００ｃｍ^３のガラス容器内に投入し、密閉して８０℃で５００時間静置した。その後、銅板の周縁部の幅１ｍｍ程度の部分を上方から電子プローブマイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）により５００倍で観察し、Ｎｉ−Ｐめっき皮膜からＡｇ（とＳ）がはみ出した部分（幅５μｍ以上の点状または線状の部分）を特性Ｘ線で確認し、その部分をマイグレーション発生箇所として、その発生箇所の数が０〜１０個未満の場合はマイグレーションの発生なし、１０〜２０個の場合はマイグレーションの発生軽微、２１〜１００個の場合はマイグレーションの発生多数と評価し、１００個を超える場合、幅１００μｍ以上の箇所がある場合、観察領域のほぼ全てにマイグレーション発生箇所がある場合には、マイグレーションの発生顕著として評価した。その結果、本実施例で作製した金属−セラミックス回路基板では、マイグレーションの発生箇所の数は２個であり、マイグレーションの発生はなかった。

［実施例２］
活性金属成分として２重量％のチタンを含む活性金属含有ろう材（Ａｇ：Ｃｕ：Ｔｉ：Ｓｎ＝５０：４３：２：５）を使用した以外は、実施例１と同様の方法により、金属−セラミックス回路基板を得た。

このようにして作製した金属−セラミックス回路基板について、実施例１と同様の方法により、硫黄華試験を行って、マイグレーションの発生の有無を評価したところ、本実施例で作製した金属−セラミックス回路基板では、マイグレーションの発生箇所の数は１個であり、マイグレーションの発生はなかった。

［実施例３］
窒化アルミニウム基板の酸化温度を１１００℃として３時間加熱した以外は、実施例１と同様の方法により、金属−セラミックス回路基板を得た。なお、窒化アルミニウム基板上に形成した酸化物層の断面を実施例１と同様の方法により観察したところ、酸化物層の厚さは０．５μｍであった。

このようにして作製した金属−セラミックス回路基板について、実施例１と同様の方法により、硫黄華試験を行って、マイグレーションの発生の有無を評価したところ、本実施例で作製した金属−セラミックス回路基板では、マイグレーション発生箇所は１つもなく、マイグレーションの発生はなかった。

［比較例］
セラミックス基板の酸化処理を行わなかった以外は、実施例１と同様の方法により、金属−セラミックス回路基板を得た。

このようにして作製した金属−セラミックス回路基板について、実施例１と同様の方法により、硫黄華試験を行って、マイグレーションの発生の有無を評価したところ、本比較例で作製した金属−セラミックス回路基板では、マイグレーションの発生箇所の数が非常に多く（１００個超）、マイグレーションの発生は顕著であった。

これらの実施例および比較例の結果から、窒化アルミニウム基板の表面に酸化物層を形成するとともに、活性金属含有ろう材の露出面にめっき皮膜を形成すれば、活性金属含有ろう材によりセラミックス基板に金属板を接合した金属−セラミックス回路基板のマイグレーションの発生を十分に抑制することができることがわかる。

また、実施例１〜３と比較例１で作製した金属−セラミックス回路基板をそれぞれ２７０℃で３分間加熱した後、そのセラミックス基板の主面に略垂直に切断し、その断面を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）により５０００倍に拡大して観察した。

その結果、実施例１〜３の金属−セラミックス回路基板では、窒化アルミニウム基板の表面に平行に延びる長さ数μｍのクラックが窒化アルミニウム基板上の酸化物層に形成されているのが確認された。実施例１〜３の金属−セラミックス回路基板をそれぞれ２７０℃で３分間加熱する前にそのセラミックス基板の主面に略垂直に切断した断面を同様の方法により観察したところ、酸化物層にクラックが形成されていなかったので、このようなクラックが発生するのは、窒化アルミニウム基板の表面を酸化することにより、窒化アルミニウム基板の表面に強度が低い酸化物層が形成され、２７０℃で３分間加熱した際に発生した応力によって、強度が低い酸化物層にクラックが発生したと考えられる。この酸化物層に形成されたクラック内に硫黄が侵入しても、活性金属含有ろう材中の活性金属以外の金属（銀や銅など）と反応せずに、マイグレーションが十分に抑制されると考えられる。

一方、比較例１の金属−セラミックス回路基板では、窒化アルミニウム基板とめっき皮膜の間に間隙が形成されているのが確認された。比較例１の金属−セラミックス回路基板をそれぞれ２７０℃で３分間加熱する前にそのセラミックス基板の主面に略垂直に切断した断面を同様の方法により観察したところ、窒化アルミニウム基板とめっき皮膜の間に間隙が形成されていなかったので、このような間隙は、２７０℃で３分間加熱した際に発生した応力によって形成されたと考えられ、この間隙から露出した活性金属含有ろう材中の活性金属以外の金属（銀や銅など）が硫黄と反応して、マイグレーションが発生したと考えられる。なお、実施例１〜３と比較例で作製した金属−セラミックス回路基板をそれぞれ２７０℃で３分間加熱した後に窒化アルミニウム基板の両面の銅板間に６ｋＶの電圧を印加したが、いずれも絶縁破壊は起こらなかった。

１０ セラミックス基板
１２ 酸化物層
１４ 活性金属含有ろう材
１６ 金属板
１８ めっき皮膜

Claims (17)

1. 窒化アルミニウムからなるセラミックス基板を酸化してセラミックス基板の少なくとも一方の面に酸化層を形成した後、この酸化層上に活性金属含有ろう材を塗布し、この活性金属含有ろう材上に金属板を配置し、活性金属含有ろう材と酸化層を介して金属板をセラミックス基板に接合し、その後、活性金属含有ろう材の露出面にめっき皮膜を形成することを特徴とする、金属−セラミックス回路基板の製造方法。
2. 前記金属板が銅板であることを特徴とする、請求項１に記載の金属−セラミックス回路基板の製造方法。
3. 前記酸化層の厚さが０．０５〜３μｍ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−セラミックス回路基板の製造方法。
4. 前記活性金属含有ろう材が、活性金属と銀と銅からなるろう材であ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−セラミックス回路基板の製造方法。
5. 前記活性金属含有ろう材が錫を含むことを特徴とする、請求項４に記載の金属−セラミックス回路基板の製造方法。
6. 前記活性金属含有ろう材中の銀の含有量が２５〜９５質量％であることを特徴とする、請求項４または５に記載の金属−セラミックス回路基板の製造方法。
7. 前記めっき皮膜がＮｉめっき皮膜であることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれかに記載の金属−セラミックス回路基板の製造方法。
8. 前記めっき皮膜が、無電解Ｎｉ−Ｐめっきによって形成されることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれかに記載の金属−セラミックス回路基板の製造方法。
9. 前記セラミックス基板の酸化が、酸素の存在下において９５０〜１４００℃で加熱することによって行われることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれかに記載の金属−セラミックス回路基板の製造方法。
10. 窒化アルミニウムからなるセラミックス基板の少なくとも一方の面に酸化層が形成され、この酸化層と活性金属含有ろう材を介して金属板がセラミックス基板に接合され、活性金属含有ろう材の露出面にめっき皮膜が形成されていることを特徴とする、金属−セラミックス回路基板。
11. 前記金属板が銅板であることを特徴とする、請求項１０に記載の金属−セラミックス回路基板。
12. 前記酸化層の厚さが０．０５〜３μｍであることを特徴とする、請求項１０または１１に記載の金属−セラミックス回路基板。
13. 前記活性金属含有ろう材が、活性金属と銀と銅からなるろう材であることを特徴とする、請求項１０乃至１２のいずれかに記載の金属−セラミックス回路基板。
14. 前記活性金属含有ろう材が錫を含むことを特徴とする、請求項１３に記載の金属−セラミックス回路基板。
15. 前記活性金属含有ろう材中の銀の含有量が２５〜９５質量％であることを特徴とする、請求項１３または１４に記載の金属−セラミックス回路基板。
16. 前記めっき皮膜がＮｉめっき皮膜であることを特徴とする、請求項１０乃至１５のいずれかに記載の金属−セラミックス回路基板。
17. 前記めっき皮膜がＮｉ−Ｐめっき皮膜であることを特徴とする、請求項１０乃至１５のいずれかに記載の金属−セラミックス回路基板。
    

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