JP2016162926A - セラミックス基板とアルミニウム板との接合体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な接合を確保しつつ製造コストを削減することができるセラミックス基板とアルミニウム板との接合体を製造する方法を提供することを目的とする。
【解決手段】セラミックス基板１０とアルミニウム板３０，４０との接合体を製造する方法であって、セラミックス基板１０とアルミニウム板３０，４０との間に接合材としてアルミニウム合金からなる芯材２１の両面にマグネシウム（Ｍｇ）を３．０質量％以下含有するろう材層２２，２３が形成された両面ろうクラッド材２０を介在させ、非酸化性雰囲気中で接合温度に加熱する。
【選択図】図１

Description

本発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュール等におけるセラミックス基板とアルミニウム板との接合体の製造方法に関する。

従来、パワーモジュール等に用いられるセラミックス基板とアルミニウム板との接合体を製造する方法としては、セラミックス基板とアルミニウム板との間にろう材を介在させ、真空雰囲気中でろう付け接合する方法が知られている。
このようなセラミックス基板とアルミニウム板との接合体を製造する方法において、例えば特許文献１では、接合不良を誘発する酸化被膜等を除去することを目的として、マグネシウムを含む材料からなるろう材を用い真空雰囲気中でろう付け接合する方法が開示されている。
また、特許文献２ではセラミックス基板とアルミニウム板との接合においてアルミニウム板とろう材層との接合界面或いはその近傍にマグネシウムを偏在させた接合方法が開示されている。
一方、特許文献３では、アルミニウムまたはアルミニウム合金板と窒化アルミニウム板との接合に、Ａｌ−Ｍｇ−Ｃｕ系合金、Ａｌ−Ｍｇ−Ｇｅ系合金、Ａｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金等からなる箔を用いて窒素、水素、不活性ガスによる低酸素雰囲気下で接合することが開示されている。

特開２００１−０６２５８８号公報 特開２００１−１４４４３３号公報 特開２００１−０４４３４５号公報

しかし、真空雰囲気中での接合作業では昇温に時間を要すことより、接合時間が長く製造コストも高くなるという問題があった。一方、特許文献３では低酸素雰囲気中での接合が可能であるが、マグネシウムを含有するアルミニウム合金箔の製造が困難である。
また、このようなセラミックス基板とアルミニウム板との接合において、セラミックス基板とアルミニウム板とでマグネシウムの必要量に違いがあり、各々の最適値に調整することができないという問題もあった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、良好な接合を確保しつつ製造コストを削減することができるセラミックス基板とアルミニウム板との接合体を製造する方法を提供することを目的とする。

本発明の製造方法は、セラミックス基板とアルミニウム板との接合体を製造する方法であって、前記セラミックス基板と前記アルミニウム板との間に接合材としてアルミニウム合金からなる芯材の両面にマグネシウムを３．０質量％以下含有するろう材層が形成された両面ろうクラッド材を介在させ、非酸化性雰囲気中で接合温度に加熱する。

本発明の製造方法では、マグネシウムを含有するろう材層が形成された両面クラッド材を使用し接合体を製造することで、セラミックス基板側のマグネシウム量とアルミニウム板側のマグネシウム量とを各々最適値に調整することができ、良好な接合性が維持できる。
また、両面ろうクラッド材を介在させ非酸化性雰囲気中において接合することで、真空雰囲気中での接合に比べ短時間で昇温でき接合することができるので、製造コストを削減できる。
なお、上述の非酸化性雰囲気とは窒素ガス雰囲気やアルゴンガス雰囲気などの不活性ガス雰囲気をさすものとする。
マグネシウム含有量が３．０質量％を超えるろう材層は製造が困難である。

本発明の製造方法において、前記両面ろうクラッド材のマグネシウム含有量は、前記セラミックス基板側と前記アルミニウム板側とで異なるとよい。接合対象に合せてマグネシウム含有量を適切に調整することで、良好な接合性を維持することができる。

また本発明の製造方法において、前記両面ろうクラッド材のマグネシウム含有量は、前記セラミックス基板側が０．０１質量％〜１．５質量％、前記アルミニウム板側が０．５質量％〜３．０質量％の範囲であるとよい。

この接合体の製造方法では、アルミニウム板には接合不良を誘発する酸化被膜等が比較的多く含まれており、アルミニウム板との接合にはその酸化物を除去するためにある程度多くのマグネシウム含有量が必要となる。一方セラミックス基板側ではマグネシウム含有量が過多となるとセラミックス基板の剥離や割れが発生するおそれがある。
そこで、セラミックス基板側のマグネシウム含有量とアルミニウム板側のマグネシウム含有量とを各々上記最適値に調整することで、良好な接合性を維持することができる。

また本発明の製造方法において、前記アルミニウム板がヒートシンクであるとよい。
特に製造コストが重視される傾向にあるヒートシンク付きセラミックス基板は、本発明の製造方法で製造することで製造コストの削減を図ることできる。

本発明の製造方法によれば、両面ろうクラッド材を用いてセラミックス基板側のマグネシウム含有量とアルミニウム板側のマグネシウム含有量とを各々最適値に調整し、非酸化性雰囲気中で接合することで良好な接合を確保しつつ製造コストを削減することができる。

本発明の第１実施形態の製造方法を工程順に示す断面図である。 本発明の製造方法に用いる両面ろうクラッド材を示す断面図である。 本発明の第２実施形態の製造方法を工程順に示す断面図である。 本発明の製造方法に用いる加圧装置の正面図である。 実施例２のセラミックス基板と両面ろうクラッド材の芯材との接合面の超音波測定画像である。 比較例１のセラミックス基板とアルミニウム板との接合面の超音波測定画像である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
第１実施形態のセラミックス基板とアルミニウム板との接合体であるパワーモジュール用基板５０は、図１に示すように、セラミックス基板１０の一方の面に両面ろうクラッド材２０を介して回路層４０が接合され、セラミックス基板１０の他方の面に両面ろうクラッド材２０を介して金属層３０が接合されている。

セラミックス基板１０は、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化珪素）等の窒化物系セラミックス、もしくはＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）等の酸化物系セラミックスを用い、厚さは０．２ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲内に設定される。

回路層４０及び金属層３０は、純度９９質量％以上のアルミニウム（２Ｎ−Ａｌ）、純度９９．９質量％以上のアルミニウム（３Ｎ−Ａｌ）、純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（４Ｎ−Ａｌ）又はアルミニウム合金例えばＡ６０６３やＡ３００３を用い、厚さは０．１ｍｍ〜２．５ｍｍの範囲内に設定される。

両面ろうクラッド材２０は図２に示すように、芯材２１の両面にろう材層２２，２３がクラッドされ構成されている。
芯材２１は本実施形態ではアルミニウム合金Ａ３００３が用いられ、厚さは０．０５ｍｍ〜０．６ｍｍの範囲内に設定される。
ろう材層２２，２３はＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系ろう材が用いられ、厚さは５μｍ〜１００μｍの範囲内に設定される。
この場合、両側のろう材層２２，２３のマグネシウム（Ｍｇ）含有量は、セラミックス基板１０側に当接される側のろう材層２２にはマグネシウム（Ｍｇ）が０．０１質量％〜１．５質量％の範囲で含有され、回路層４０及び金属層３０側に当接される側のろう材層２３にはマグネシウム（Ｍｇ）が０．５質量％〜３．０質量％の範囲で含有されている。

ここで、マグネシウム（Ｍｇ）含有量は、セラミックス基板１０側ではマグネシウム（Ｍｇ）含有量が過多になるとセラミックス基板１０のセラミックス割れが発生するおそれがあるので１．５質量％以下に設定され、回路層４０及び金属層３０側では接合不良を誘発する酸化被膜等を除去するために必要となるマグネシウム（Ｍｇ）の含有量が最大３．０質量％であり、アルミニウム（本実施形態では回路層４０及び金属層３０）の材質によっては最適値が異なることより、上記範囲に設定されている。セラミックス基板１０側のマグネシウム（Ｍｇ）含有量が０．０１質量％未満の場合や回路層４０及び金属層３０側のマグネシウム（Ｍｇ）含有量が０．５質量％未満の場合、酸化被膜等の除去が不十分となり、接合不良が発生するおそれがある。
また、セラミックス基板１０側のマグネシウム（Ｍｇ）含有量が１．５質量％を超えた場合には、回路層４０及び金属層３０に使用される金属のセラミックス基板１０近傍が硬化し、セラミックス基板１０に割れが生じるおそれがある。
例えば、セラミックス基板１０をＳｉ_３Ｎ_４（窒化珪素）、回路層４０及び金属層３０をアルミニウム合金Ａ３００３で形成する場合、マグネシウム（Ｍｇ）の最適な含有量は、セラミックス基板１０側が０．０５質量％で回路層４０及び金属層３０側が１．５質量％とするとよい。
なお、本発明においてろう材として両面ろうクラッド材２０を用いていることにより、単一の箔に比べて、両側のろう材層２２，２３のマグネシウム含有量を多くすることが可能であるが、マグネシウム含有量が３．０質量％を超えると、クラッド材製造工程において圧延性が極端に悪くなるため、クラッド材製造が困難となる。

次に、このように構成されるパワーモジュール用基板５０の製造方法を説明する。
図１（ａ）に示すように、セラミックス基板１０の一方の面に両面ろうクラッド材２０を介して回路層用アルミニウム板４０´を積層し、セラミックス基板１０の他方の面に両面ろうクラッド材２０を介して金属層用アルミニウム板３０´を厚さ方向に積層する。この場合、両面ろうクラッド材２０は、セラミックス基板１０側にマグネシウム量が少ないろう材層２２が当接される向きで積層する。
その積層体Ｓを図４に示す加圧装置１１０を用いて積層方向に加圧した状態とする。
この加圧装置１１０は、ベース板１１１と、ベース板１１１の上面の四隅に垂直に取り付けられたガイドポスト１１２と、これらガイドポスト１１２の上端部に固定された固定板１１３と、これらベース板１１１と固定板１１３との間で上下移動自在にガイドポスト１１２に支持された押圧板１１４と、固定板１１３と押圧板１１４との間に設けられて押圧板１１４を下方に付勢するばね等の付勢手段１１５とを備えている。
固定板１１３および押圧板１１４は、ベース板１１１に対して平行に配置されており、ベース板１１１と押圧板１１４との間に前述の積層体Ｓが配置される。積層体Ｓの両面には加圧を均一にするためにクッションシート１１６が配設される。クッションシート１１６は、カーボンシートとグラファイトシートの積層板で形成されている。この加圧装置１１０により加圧した状態で、加圧装置１１０ごと図示略の加熱炉内に設置し、常圧の窒素ガス（Ｎ_２）雰囲気下で接合温度に加熱してセラミックス基板１０に回路層４０と金属層３０とを接合する。この場合の加圧力としては例えば０．０１ＭＰａ〜０．６ＭＰａ、接合温度としては６４０℃以下好ましくは６１０℃〜６２０℃の範囲に加熱して接合する。

このように製造される第１実施形態のパワーモジュール用基板５０は、セラミックス基板１０と回路層４０との間、及びセラミックス基板１０と金属層３０との間の各々に両面ろうクラッド材２０の芯材２１であった薄いアルミニウム合金層が介在した状態となる。
この製造方法のように、両面ろうクラッド材２０を用いてセラミックス基板１０とアルミニウム板３０´，４０´とを接合してパワーモジュール用基板５０を製造するので、両面ろうクラッド材２０の両面のろう材層２２，２３のマグネシウム（Ｍｇ）含有量を同一に設定しておくこともできるし、異なる含有量に設定しておくこともでき、セラミックス基板１０側のマグネシウム（Ｍｇ）含有量と回路層４０及び金属層３０側のマグネシウム（Ｍｇ）含有量とを各々最適値に調整して、セラミックス基板１０とアルミニウム板３０´，４０´とを良好に接合することができる。
また、非酸化性雰囲気中で接合することで、真空引き工程が不要なことや昇温時間の短縮など真空雰囲気中の接合に比して接合時間が短縮され製造コストが削減できる。

図３には本発明をヒートシンク付きセラミックス基板７０に適用した第２実施形態を示している。
第２実施形態のヒートシンク付きセラミックス基板７０は、セラミックス基板１０の一方の面に両面ろうクラッド材２０を介してヒートシンク６０が接合されている。
このヒートシンク付きセラミックス基板７０は、図３（ｃ）に示すように、例えばセラミックス基板１０の上面にパワーモジュール８０をグリスを介して押圧して保持することにより、パワーモジュール８０の冷却器として使用される。

セラミックス基板１０は、第１実施形態と同様に例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化珪素）等の窒化物系セラミックス、もしくはＡｌ_２Ｏ_３（アルミナ）等の酸化物系セラミックスを用い、厚さは０．２ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲内に設定される。
ヒートシンク６０は、天板部６１とこの天板部６１から垂設された放熱フィン６２とを有しており、アルミニウム合金例えばＡ６０６３やＡ３００３が用いられ、両面ろうクラッド材２０との接合面である天板部６１は平滑な面に形成されている。

両面ろうクラッド材２０も構成及び各構成材は第１実施形態と同様で、芯材２１の両面にろう材層２２，２３がクラッドされ構成されている。
芯材２１はアルミニウム合金Ａ３００３が用いられ、厚さは０．０５ｍｍ〜０．６ｍｍの範囲内に設定される。
ろう材層２２，２３はＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系ろう材が用いられ、厚さは５μｍ〜１００μｍの範囲内に設定される。
この場合、両側のろう材層２２，２３のマグネシウム（Ｍｇ）含有量は、セラミックス基板１０側に当接される側のろう材層２２にはマグネシウム（Ｍｇ）が０．０１質量％〜１．５質量％の範囲で含有され、ヒートシンク６０側に当接される側のろう材層２３にはマグネシウム（Ｍｇ）が０．５質量％〜３．０質量％の範囲で含有されている。

次にこのヒートシンク付きセラミックス基板７０の製造方法を説明する。
図３（ａ）に示すように、セラミックス基板１０とヒートシンク６０とを両面ろうクラッド材２０を介して積層する。この場合、ヒートシンク６０は天板部６１と放熱フィン６２とを鍛造、鋳造、押出成形等で形成しておく。また、両面ろうクラッド材２０は、セラミックス基板１０側にマグネシウム（Ｍｇ）の含有量が少ないろう材層２２が当接される向きで厚さ方向に積層する。
その積層体を、図４と同様の加圧装置１１０を用いて放熱フィン６２を避けて積層方向に加圧した状態で、加圧装置１１０ごと窒素ガス（Ｎ_２）雰囲気下で加熱して接合する。

このように製造される第２実施形態のヒートシンク付きセラミックス基板７０は、第１実施形態と同様にセラミックス基板１０とヒートシンク６０との間に両面ろうクラッド材２０の芯材２１であった薄いアルミニウム合金層が介在した状態となる。
このヒートシンク付きセラミックス基板７０においても、セラミックス基板１０側のマグネシウム（Ｍｇ）含有量とヒートシンク６０側のマグネシウム（Ｍｇ）含有量とを各々最適値に調整することができるので、良好な接合を確保しつつ製造コストを削減して製造することができる。

本発明の効果の確認のために行った試験について説明する。
（実施例１〜１４）
実施例１〜１４として、表１記載のアルミニウム板（平面サイズ：４０ｍｍ×４０ｍｍ）を、両面ろうクラッド材を介してセラミックス基板（窒化珪素Ｓｉ_３Ｎ_４（平面サイズ：４０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ：０．３２ｍｍ））の一方の面及び他方の面に積層した。これらの積層体を図４の加圧装置で加圧して窒素ガス（Ｎ_２）雰囲気下で表１に示す接合温度（積層体表面温度）に昇温し、温度維持時間の間、接合温度に維持して接合した。
両面ろうクラッド材は、芯材をアルミニウム合金Ａ３００３（平面サイズ：４０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ：０．２ｍｍ）とし、ろう材層はＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ（平面サイズ：４０ｍｍ×４０ｍｍ）とし、ろう材層のＭｇ含有量、Ｓｉ含有量及び厚さは表１の通りとした。

（比較例１）
比較例１として、表１記載のアルミニウム板（平面サイズ：４０ｍｍ×４０ｍｍ）を、Ａｌ−１０．５Ｓｉろう材（平面サイズ：４１ｍｍ×４１ｍｍ、厚さ：０．０２ｍｍ）を介してセラミックス基板（窒化珪素Ｓｉ_３Ｎ_４（平面サイズ：４０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ：０．３２ｍｍ））の一方の面及び他方の面に積層した。これらの積層体を図４の加圧装置で加圧して窒素ガス（Ｎ_２）雰囲気下で表１に示す接合温度（積層体表面温度）に昇温し、温度維持時間の間、接合温度に維持して接合した。

（比較例２）
比較例２として、芯材をアルミニウム合金Ａ３００３（厚さ：０．２ｍｍ）、ろう材層をＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇとし、ろう材層のＭｇ含有量、Ｓｉ含有量及び厚さを表１の通りとした両面ろうクラッド材を製造しようとしたが、両面ろうクラッド材を製造することはできなかった。

比較例２を除き、これらの接合体に対して接合性及びセラミックス割れを以下のように評価した。
１００個のサンプルに対し、超音波画像測定機にてセラミックス基板と両面ろうクラッド材の芯材との接合界面、及びアルミニウム板と両面ろうクラッド材の芯材との接合界面（比較例１はセラミックス基板とアルミニウム板との接合界面）を観察して、これらの接合界面におけるボイド（空孔）の面積を測定し、接合すべき面積に対するボイドの合計面積をボイド率として算出し、その平均を平均ボイド率とした。いずれの接合界面も平均ボイド率が２％未満であったものを接合性◎、いずれかの接合界面の平均ボイド率が２％以上５％以下のものを接合性○、いずれかの接合界面の平均ボイド率が５％を超えるものを接合性×とした。
また、セラミックス割れについても、１００個のサンプルに対して−４０℃から１５０℃の液槽冷熱サイクルを１０００サイクル実施し、超音波画像測定機を用いてセラミックスの割れ有無を判定し、割れ確率が０％であったものを◎、５％以下（０％除く）であったものを○、５％を超えたものを×と評価した。

表１から、接合温度が低温でありながら短時間で良好な接合体が得られる効率的な接合は、接合材として両面ろうクラッド材（芯材：Ａ３００３、ろう材層：Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ）を用い、窒素ガス（Ｎ_２）雰囲気下の接合温度６００℃で５分間以上加熱すれば良好であることがわかった。ただし、比較例２に示すようにろう材層のマグネシウム含有量が３．０質量％を超えると両面ろうクラッド材を製造することができなかった。
また、図５に実施例２（接合性◎）のセラミックス基板と両面ろうクラッド材の芯材との接合面の超音波測定画像、図６に比較例１（接合性×）のセラミックス基板とアルミニウム板との接合面の超音波測定画像を示す。図５は均一に接合されており、図６はボイドが認められる。このように、比較例１ではボイドが多いため、部分的に接合された状態であり、このため、セラミックス基板の表裏からの応力が不均一にかかることから、セラミックス基板に割れが生じる。

なお、本発明は上記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、細部構成においては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

１０…セラミックス基板
２０…両面ろうクラッド材
２１…芯材
２２，２３…ろう材層
３０…金属層
４０…回路層
５０…パワーモジュール用基板
６０…ヒートシンク
７０…ヒートシンク付きセラミックス基板
１１０…加圧装置

Claims (4)

1. セラミックス基板とアルミニウム板との接合体を製造する方法であって、前記セラミックス基板と前記アルミニウム板との間に接合材としてアルミニウム合金からなる芯材の両面にマグネシウムを３．０質量％以下含有するろう材層が形成された両面ろうクラッド材を介在させ、非酸化性雰囲気中で接合温度に加熱することを特徴とするセラミックス基板とアルミニウム板との接合体の製造方法。
2. 前記両面ろうクラッド材のマグネシウム含有量は、前記セラミックス基板側と前記アルミニウム板側とで異なることを特徴とする請求項１に記載のセラミックス基板とアルミニウム板との接合体の製造方法。
3. 前記両面ろうクラッド材のマグネシウム含有量は、前記セラミックス基板側が０．０１質量％〜１．５質量％、前記アルミニウム板側が０．５質量％〜３．０質量％の範囲であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のセラミックス基板とアルミニウム板との接合体の製造方法。
4. 前記アルミニウム板がヒートシンクであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のセラミックス基板とアルミニウム板との接合体の製造方法。