JP2022024310A - 絶縁基板およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】絶縁基板単体での通炉耐性に優れ、さらに絶縁基板に放熱板を半田付けした状態（即ちパワーモジュールに絶縁基板を組み込んだ状態を想定）での高温でのヒートサイクル特性に優れた絶縁基板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の一方の主面に、放熱側金属板１２の一方の主面がろう材層を介してろう付けされた絶縁基板であって、セラミックス基板１０と放熱側金属板１２との間から露出するろう材層１４を覆うＮｉめっき層２０が設けられ、放熱側金属板１２の他方の主面の少なくとも一部がＮｉめっき層に覆われておらず、放熱側金属板１２の表面が露出した状態であることを特徴とする、絶縁基板１である。本発明によれば、絶縁基板１（単体）の通炉耐性に優れ、さらに絶縁基板１に放熱板を半田付けした状態でのヒートサイクル特性にも優れた絶縁基板１を得ることができるようになる。【選択図】図１
Description
本発明は、半導体パワーモジュールなどに利用される絶縁基板およびその製造方法に関する。
例えば特許文献１に示されるように、半導体パワーモジュールなどに利用される絶縁基板は、ＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ3Ｎ4等からなるセラミックス基板の両面に銅板をろう材層によってろう付けした構成になっている。そして、回路側の銅板は所定の銅回路にされて、半導体チップなどの電子部品がはんだ付けされ、放熱側の銅板には熱伝導性に優れたＣｕやＡｌなどの放熱板（ベース板）がはんだ付けされて、半導体パワーモジュールなどが作製される。
かかる絶縁基板にあっては、例えば特許文献２に示されるように、絶縁基板として、ＡｇとＣｕおよび活性金属とを含むろう材を用いて金属板をセラミック基板に接合した金属－セラミック絶縁基板が用いられている。また、特許文献３に示されるように、電子部品や放熱板のはんだ付けを良好にさせるとともに、耐食性を向上させるために、Ｎｉめっきで銅板全体を被覆することが行われている。
Ｃｕ板等の金属板とＡｌＮ基板等のセラミックス基板を接合した絶縁基板は、セラミックス基板の一方の主面に放熱側金属板が形成され、セラミックス基板の他方の主面に回路側金属板（回路パターン）が形成され、セラミックス基板と放熱側金属板および回路側金属板は、ろう材層を介して接合している。
パワーモジュール用基板として前記絶縁基板が使用される場合、前記放熱側金属板の表面（他方の主面）には例えばＣｕからなる板状の比較的厚い（例えば２～５ｍｍ程度の）放熱板（ベース板）が半田により接合され、前記回路側金属板の表面（他方の主面）には半導体チップ等の電子部品や端子などが半田付けや超音波接合などにより搭載される。さらに、パワー半導体等のボンディング等による配線が終わった後に、放熱板上に絶縁基板を囲むように樹脂製のケースが形成され、封止用のゲル材料がケース内に充填され、ケースの蓋が閉じられる、等の工程を経て、パワーモジュールが製造される。
絶縁基板には上述のパワーモジュール組み立て工程で発生する熱負荷（熱履歴）に対する（絶縁基板単体での）信頼性（通炉耐性）が求められる。また近年、絶縁基板は、絶縁基板に放熱板を半田付けした状態において、さらなる高温での厳しいヒートサイクル特性の向上への要望が高まっている。
しかしながら、特許文献１、３のセラミックス絶縁基板は絶縁基板単体での通炉耐性において十分ではなく、通炉後にセラミックス基板にクラックが発生するおそれがある。特許文献２の絶縁基板は、絶縁基板単体での通炉耐性は優れているが、絶縁基板の放熱側金属板に放熱板を半田付けした状態で高温ヒートサイクル試験を行うと、セラミックス基板に割れが発生することがわかってきた。
パワーモジュール用基板として前記絶縁基板が使用される場合、前記放熱側金属板の表面（他方の主面）には例えばＣｕからなる板状の比較的厚い（例えば２～５ｍｍ程度の）放熱板（ベース板）が半田により接合され、前記回路側金属板の表面（他方の主面）には半導体チップ等の電子部品や端子などが半田付けや超音波接合などにより搭載される。さらに、パワー半導体等のボンディング等による配線が終わった後に、放熱板上に絶縁基板を囲むように樹脂製のケースが形成され、封止用のゲル材料がケース内に充填され、ケースの蓋が閉じられる、等の工程を経て、パワーモジュールが製造される。
絶縁基板には上述のパワーモジュール組み立て工程で発生する熱負荷（熱履歴）に対する（絶縁基板単体での）信頼性（通炉耐性）が求められる。また近年、絶縁基板は、絶縁基板に放熱板を半田付けした状態において、さらなる高温での厳しいヒートサイクル特性の向上への要望が高まっている。
しかしながら、特許文献１、３のセラミックス絶縁基板は絶縁基板単体での通炉耐性において十分ではなく、通炉後にセラミックス基板にクラックが発生するおそれがある。特許文献２の絶縁基板は、絶縁基板単体での通炉耐性は優れているが、絶縁基板の放熱側金属板に放熱板を半田付けした状態で高温ヒートサイクル試験を行うと、セラミックス基板に割れが発生することがわかってきた。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、絶縁基板単体での通炉耐性に優れ、さらに絶縁基板に放熱板を半田付けした状態（即ちパワーモジュールに絶縁基板を組み込んだ状態を想定）での高温でのヒートサイクル特性に優れた絶縁基板を提供することを目的とする。
本発明者らは、セラミックス基板に発生するクラックの要因について検討した。その結果、電子部品や放熱板を絶縁基板にはんだ付けした際に、銅板を接合しているろう材層中にはんだ由来の成分（例えばＳｎ）が浸食（拡散）してろう材の成分（例えばＡｇ、Ｃｕなど）と脆い化合物を形成するといった、ろう材層のはんだ食われが、クラックの要因となるのではないかとの推測が得られた。そこで、本発明では、Ｎｉめっきを利用して、ろう材層とはんだが直接接触することを防止することで、ろう材層中へＳｎなどのはんだ構成成分が拡散することを回避するようにした。
本発明によれば、セラミックス基板の一方の主面に、放熱側金属板の一方の主面がろう材層を介してろう付けされた絶縁基板であって、前記セラミックス基板と前記放熱側金属板との間から露出するろう材層を覆うＮｉめっき層が設けられ、前記放熱側金属板の他方の主面の少なくとも一部がＮｉめっき層に覆われておらず、前記放熱側金属板の表面が露出した状態であることを特徴とする、絶縁基板が提供される。
この絶縁基板において、前記放熱側金属板の側面の一部もしくは全部が前記Ｎｉめっき層で覆われていても良い。また、前記放熱側金属板の他方の主面の周囲が前記Ｎｉめっき層で覆われていても良い。また、前記セラミックス基板の他方の主面に、回路側金属板の一方の主面がろう材層を介してろう付けされていても良い。前記回路側金属板が銅板または銅合金板であっても良い。また、前記放熱側金属板が銅板または銅合金板であっても良い。
また、本発明によれば、セラミックス基板の一方の主面に、放熱側金属板の一方の主面がろう材層を介して接合され、セラミックス基板の他方の主面に、回路側金属板の一方の主面がろう材層を介して接合された絶縁基板において、前記放熱側金属板の他方の主面にめっきレジストを形成し、前記めっきレジストが形成された絶縁基板をＮｉめっき液中に浸漬して、前記めっきレジストが形成されていない前記セラミックス基板と前記放熱側金属板との間から露出するろう材層にＮｉめっき層を形成し、次いで前記めっきレジストを剥離することを特徴とする、絶縁基板の製造方法が提供される。
この絶縁基板の製造方法において、前記放熱側金属板の側面の一部もしくは全部が前記Ｎｉめっき層で覆われていても良い。また、前記放熱側金属板の他方の主面の周囲が前記Ｎｉめっき層で覆われていても良い。また、前記回路側金属板の他方の主面にめっきレジストを形成し、前記セラミックス基板と前記回路側金属板との間から露出するろう材層にＮｉめっき層を形成しても良い。また、前記回路側金属板の側面の一部もしくは全部が前記Ｎｉめっき層で覆われていても良い。また、前記放熱側金属板および前記回路側金属板が、銅板または銅合金板であっても良い。また、前記ろう材層がＣｕ、Ａｇ、Ｓｎから選ばれるいずれかひとつの金属成分と、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒから選ばれるいずれかひとつの活性金属成分を有しても良い。
本発明によれば、絶縁基板（単体）の通炉耐性に優れ、さらに絶縁基板に放熱板を半田付けした状態でのヒートサイクル特性にも優れた絶縁基板を得ることができるようになる。
以下、本発明の実施の形態の一例について、図面を参照しながら説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
図１に示すように、本発明の実施の形態にかかる絶縁基板１は、ＡｌＮ 、Ａｌ2Ｏ3、Ｓｉ3Ｎ4等からなる（板状の）セラミックス基板１０の一方の主面（表面）に、（銅やアルミニウム等からなる）放熱側金属板１２の一方の主面（表面）がろう材層１４を介してろう付けされた絶縁基板１であって、前記セラミックス基板１０と前記放熱側金属板１２との間から露出するろう材層１４（の端部）を覆うＮｉめっき層２１が設けられ、前記放熱側金属板１２の他方の主面の少なくとも一部がＮｉめっき層に覆われておらず、前記放熱側金属板の表面が露出した状態であることを特徴とする。
また、前記放熱側金属板１２の側面１２ａの一部もしくは全部が前記Ｎｉめっき層２１で覆われていてもよく、前記放熱側金属板１２の他方の主面（表面）の周囲が前記Ｎｉめっき層２１で覆われていてもよい。
また、前記放熱側金属板１２の側面１２ａの一部もしくは全部が前記Ｎｉめっき層２１で覆われていてもよく、前記放熱側金属板１２の他方の主面（表面）の周囲が前記Ｎｉめっき層２１で覆われていてもよい。
また、前記セラミックス基板１０の他方の主面（表面）に、（銅やアルミニウム等からなる）回路側金属板１１の一方の主面（表面）がろう材層１３を介してろう付けされている。また、前記放熱側金属板１２が銅板または銅合金板であることが好ましく、前記回路側金属板１１が銅板または銅合金板であることが好ましい。また、前記放熱側金属板１２の他方の主面において、Ｎｉめっき層に覆われておらず、前記放熱側金属板の主面が露出している領域は、前記放熱側金属板の他方の主面の面積に対して７０面積％以上であることが好ましく、８０％以上であることがより好ましく、９０％以上であることがさらに好ましい。
なお、図１では、セラミックス基板１０の他方の主面（上の面）に、回路側金属板１１の一方の主面（表面）をろう材層１３によってろう付けし、セラミックス基板１０の一方の主面（下の面）に、放熱側金属板１２の一方の主面（表面）をろう材層１４によってろう付けした状態を示している。回路側金属板１１は所定の回路の形状にされており、回路側金属板１１には、半導体チップなどの電子部品（図示せず）がはんだ付けされる。また、放熱側金属板１２には熱伝導性に優れたＣｕやＡｌの放熱板（ベース板、図示せず）が放熱側金属板１２の他方の面の略全面にはんだ付けされて、パワーモジュールなどが作製される。
かかる絶縁基板１にあっては、パワーモジュールとして使用された場合に、上述の半導体チップを回路側銅板１１に半田付けする際や放熱板を放熱側金属板１２に半田付けする際、さらには半導体チップの通電時に発熱が繰り返されるなどにより、セラミックス基板１０と回路側金属板１１および放熱側金属板１２との熱膨張率の相違により発生する熱応力、さらにはヒートサイクル負荷により、回路側金属板１１、放熱側金属板１２の端部において、セラミックス基板１０の表面に応力集中が発生してセラミックス基板１０にクラックを生ずる恐れがある。そのため、例えばこの実施の形態にかかる絶縁基板１に示すように、回路側金属板１１、放熱側金属板１２の側面１１ａ、１２ａをテーパ面に形成することにより、回路側金属板１１、放熱側金属板１２の端部において、セラミックス基板１０に発生する応力集中を緩和させる対策が講じられている。また、例えば銅板の端部に段差を形成することで、ヒートサイクル特性を向上させる技術も知られている。このような熱応力やヒートサイクル負荷に対して絶縁基板１のセラミックス基板１０にクラックの発生を防止できるかは、後述の絶縁基板１（単体）の通炉耐性で評価することができる。
しかしながら、上記通炉耐性を満足しても絶縁基板１に不具合が発生することが判明した。すなわち放熱板をはんだ付けした状態（例えば半導体パワーモジュールに組み込まれたた状態）では、放熱側金属板１２の端部よりも内側の箇所（接合領域）においてセラミックス基板１０にクラックを生ずる場合があることを見出した。本発明者は、この放熱側金属板１２の端部よりも内側の箇所においてセラミックス基板１０に発生するクラックの要因について検討した。その結果、放熱板を放熱側金属板１２にはんだ付けした際に、ろう材層１４にはんだが接触すると、はんだを構成する成分（例えばＳｎ）がろう材層に拡散してろう材層を構成するＡｇ、Ｃｕなどの元素と化合物が形成されるといった、ろう材層１４のはんだ食われが生じることが判明した。そして、ろう材層１４のはんだ食われにより、ろう材層１４にＣｕ－Ｓｎなどの脆い化合物が形成されることに起因すると考えられるクラックが、ろう材層１４の内部に（接合界面に略平行方向に）発生していることが観察された。
さらに絶縁基板１の断面の解析を行ったところ、放熱側金属板１２の端部よりも内側のろう材層１４中の箇所であって、且つろう材層１４中のクラックの先端部においてセラミックス基板１０の一方の面（表面）から厚さ方向にクラックが発生していることが観察された。また、シミュレーションにより応力解析を行ったところ、ろう材層１４中に前記クラックが存在すると、そのクラックの先端部でセラミックス基板１０の表面に応力集中が発生することが確認され、この応力集中によりセラミックス基板１０の表面にクラックの発生が起きることが判明した。近年、パワーモジュールの動作温度は上昇する傾向にあり、また、Ｓｎ含有量の多い高温はんだの使用が増加しており、前記のろう材食われに起因するセラミックス基板１０のクラック発生が増加することが考えられる。本発明では、Ｎｉめっきによって、ろう材層１４へのはんだの接触を防止することにより、ろう材層１４中へのＳｎ等の浸食を回避するようにして、前記ろう材層１４中へのクラックの発生およびその先端からのセラミックス基板へのクラックの発生を抑制することに成功した。
さらに前記ろう材層中のクラックを防止することにより、絶縁基板の放熱性の劣化を抑制することができる。
さらに前記ろう材層中のクラックを防止することにより、絶縁基板の放熱性の劣化を抑制することができる。
具体的には図１に示すように、セラミックス基板１０と放熱側金属板１２との間から露出するろう材層１４の端部を覆うように、Ｎｉめっき層２１が設けられている。この実施の形態にかかる絶縁基板１では、セラミックス基板１０と放熱側金属板１２との間から露出するろう材層１４の端部と放熱側金属板１２の側面１２ａの一部を覆うように、Ｎｉめっき層２１が設けられている。セラミックス基板１０との接合面（一方の面）を除く放熱側金属板１２の表面において、Ｎｉめっき層２１が存在していない残りの部分は放熱側金属板１２が露出した状態になっている、すなわち、放熱板側金属板１２の他方の面（図１では下面）と、放熱側金属板１２の側面１２ａの一部を除く部分にはＮｉめっき層２１が無く、放熱側金属板１２の表面が露出した状態になっている。
言い換えれば、セラミックス基板１０と放熱側金属板１２との間から露出するろう材層１４を覆うＮｉめっき層２１が形成されたＮｉめっき領域が設けられ、前記放熱側金属板１２の他方の主面（の少なくとも周囲を除く領域）は、Ｎｉめっきが形成されていない非Ｎｉめっき領域である絶縁基板１である。
放熱側金属板１２の全面をＮｉめっきで覆うと通炉耐性が劣化する恐れがあるので、放熱側金属板１２の他方の主面はＮｉめっきで覆わないことが好ましい。
放熱側金属板１２の全面をＮｉめっきで覆うと通炉耐性が劣化する恐れがあるので、放熱側金属板１２の他方の主面はＮｉめっきで覆わないことが好ましい。
なお、Ｎｉめっき層２１は、ろう材層１４からろう材層中の成分（例えばＡｇ）とはんだ構成成分（例えばＳｎ）との相互拡散を防止できる機能を有していれば良く、本発明のＮｉめっき層は、Ｎｉめっき層またはＮｉ合金めっき層を意味し、例えば電気Ｎｉめっき層、無電解Ｎｉ－Ｐめっき層、無電解Ｎｉ－Ｂめっき層などのＮｉまたはＮｉ合金めっきも含まれる。
また、図１に示すように、セラミックス基板１０と回路側金属板１１との間から露出するろう材層１３の端部を覆うように、Ｎｉめっき層２０を設けてもよい。この実施の形態にかかる絶縁基板１では、セラミックス基板１０と回路側金属板１１との間から露出するろう材層１３（の端部）と回路側金属板１１の側面１１ａの一部を覆うように、Ｎｉめっき層２０が設けられている。セラミックス基板１０との接合面を除く回路側金属板１１の表面において、Ｎｉめっき層２０に覆われていない残りの部分は回路側金属板１１の表面が露出した状態になっている、すなわち、回路側金属板１１の上面と、側面１１ａの一部を除く部分にはＮｉめっき層２０が無く、回路側金属板１１の表面が露出した状態になっている。
本発明の実施の形態にかかる絶縁基板１において、所定の回路の形状にされた回路側金属板１１の他方の面には、半導体チップなどの電子部品（図示せず）がはんだ付け等により搭載される。また、放熱側金属板１２の他方の面には熱伝導性に優れたＣｕやＡｌの放熱板（ベース板、図示せず）がはんだ付けされる。これにより、半導体パワーモジュールなどが作製される。
図１に示す本発明の実施の形態にかかる絶縁基板１にあっては、セラミックス基板１０と回路側金属板１１との間から露出しているろう材層１３の端部がＮｉめっき層２０で被覆されている。
ただし、回路側のろう材層１３はＮｉめっきで被覆されていなくても良い。なぜなら、パワーモジュールの組み立て工程において回路側金属板１１に電子部品をはんだ付けする際に、通常、回路側のろう材層１３にはんだが付着する可能性は低いからである。
実施例に後述するように、Ｎｉめっきの成膜には無電解めっき（浸漬めっき）を採用することが生産性・コスト面で優れているので好ましい。回路側金属板１１の他方の主面（表面）および放熱側金属板１２の他方の主面（表面）にＮｉめっきが被膜されないようにめっきレジストを塗布した後に、無電解Ｎｉめっきを施した場合は、各表面がＮｉめっきで覆われていないことから、通炉耐性および端子の超音波接合性など特性が良好となる。この製法を用いた場合は回路側のろう材層１３もＮｉめっきで被膜される。
本発明の実施の形態にかかる絶縁基板１にあっては、回路側金属板１１および放熱側金属板１２のいずれも全体がＮｉめっきで覆われることがないので、通炉耐性が低下するという問題を生じない。Ｎｉめっきは銅やアルミニウムなどの回路側金属板１１および放熱側金属板１２よりも硬度が高く、さらに無電解Ｎｉ－Ｐめっきのようにチップや放熱板の半田付けなどの熱履歴により硬度が高くなることがある。硬度の高いＮｉめっきは通炉耐性を劣化させるが、本発明によれば、絶縁基板の金属板全体（回路側金属板および放熱側金属板の他方の主面）をＮｉめっきで被覆した構造ではないため、硬度の高いＮｉめっきによる通炉耐性の低下という問題は生じない。
また、近年、パワーモジュールの大電流化が進んだことで、前記絶縁基板とパワーモジュールの構成部品である銅端子（バスバー）との接合技術として、従来のはんだ接合やＡｌワイヤーボンディング接合に代わって、銅バスバーを直接に絶縁基板の回路板の表面に超音波接合する事例が増えている。このような銅バスバーの超音波接合において、回路金属板の表面がＮｉめっきで覆われている場合、銅バスバーと絶縁基板の（銅）回路板との固相拡散が妨げられ、銅バスバーと絶縁基板との接合強度が低下するという恐れがあった。本発明の実施の形態に関わる構造では、銅バスバーと絶縁基板の回路上面とが接合する表面にＮｉめっき層が存在しないため、銅バスバーの超音波接合時に銅バスバーの銅と回路の銅との固相拡散が促進され、接合強度の高い端子接合が得られる。
以上により、本発明によれば、パワーモジュール組み立て時の実装性（通炉耐性および超音波接合性）に優れ、かつ、パワーモジュール（放熱板に絶縁基板がはんだ付けされた構造）における高温でのヒートサイクル特性に優れた絶縁基板を提供することができる。
なお、図１では、回路側のろう材層１３の端部と回路側金属板１１の側面１１ａの一部を覆うようにＮｉめっき層２０を設け、放熱側のろう材層１４の端部と放熱側金属板１２の側面１２ａの一部を覆うように、Ｎｉめっき層２１が設けた例を示したが、図２に示すように、ろう材層１３、１４の端部に加えて、回路側金属板１１、放熱側金属板１２の側面１１ａ、１２ａの全体をＮｉめっき層２０、２１で覆うようにしても良い。また、図３に示すように、回路側金属板１１、放熱側金属板１２の側面１１ａ、１２ａに加えて、さらに回路側金属板１１の上面の一部（他方の主面の周縁部）と放熱側金属板銅板１２の下面の一部（他方の主面の周縁部）までＮｉめっき層２０、２１で覆うようにしても良い。
本発明の絶縁基板の製造方法は、セラミックス基板の一方の主面に、放熱側金属板の一方の主面がろう材層を介して接合され、セラミックス基板の他方の主面に、回路側金属板の一方の主面がろう材層を介して接合された絶縁基板において、
前記放熱側金属板の他方の主面（および好ましくは前記回路側金属板の他方の主面）にめっきレジストを形成し、前記レジストが形成された絶縁基板をＮｉめっき液中に浸漬して、レジストが形成されていない前記セラミックス基板と前記放熱側金属板との間（および好ましくは前記セラミックス基板と前記回路側金属板との間）から露出するろう材層にＮｉめっき層を形成し、次いで前記レジストを剥離することを特徴とする。
前記放熱側金属板および前記回路側金属板の側面の一部もしくは全部が前記Ｎｉめっき層で覆われていてもよく、前記放熱側金属板の他方の主面の周囲が前記Ｎｉめっき層で覆われていてもよい。
前記放熱側金属板および前記回路側金属板が、銅板または銅合金板であることが好ましく、前記ろう材層がＣｕ、Ａｇ、Ｓｎから選ばれるいずれかひとつの金属成分と、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒから選ばれるいずれかひとつの活性金属成分のを有することが好ましい。
前記放熱側金属板の他方の主面（および好ましくは前記回路側金属板の他方の主面）にめっきレジストを形成し、前記レジストが形成された絶縁基板をＮｉめっき液中に浸漬して、レジストが形成されていない前記セラミックス基板と前記放熱側金属板との間（および好ましくは前記セラミックス基板と前記回路側金属板との間）から露出するろう材層にＮｉめっき層を形成し、次いで前記レジストを剥離することを特徴とする。
前記放熱側金属板および前記回路側金属板の側面の一部もしくは全部が前記Ｎｉめっき層で覆われていてもよく、前記放熱側金属板の他方の主面の周囲が前記Ｎｉめっき層で覆われていてもよい。
前記放熱側金属板および前記回路側金属板が、銅板または銅合金板であることが好ましく、前記ろう材層がＣｕ、Ａｇ、Ｓｎから選ばれるいずれかひとつの金属成分と、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒから選ばれるいずれかひとつの活性金属成分のを有することが好ましい。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
（実施例１）
セラミックス基板として４６ｍｍ×４８ｍｍ×０．４ｍｍの大きさの市販の窒化アルミニウム基板を準備した。また、８３質量％の銀粉と１０質量％の銅粉と５質量％の錫粉と（活性金属成分としての）２質量％のチタン粉（Ａｇ：Ｃｕ：Ｓｎ：Ｔｉ＝８３：１０：５：２）をビヒクルに加えて混練して活性金属含有ろう材ペーストを作製し、セラミックス基板の両面の全面に、ろう材ペーストの厚さが１０μｍになるようにスクリーン印刷した後、大気中で乾燥してろう材層を形成した。次いでろう材層に４６ｍｍ×４８ｍｍ×０．３ｍｍの２枚の無酸素銅板をそれぞれ接触配置し、真空炉中で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て、窒化アルミニウム基板の一方の表面に放熱側銅板形成用の銅板の一方の面が接合（形成）され、窒化アルミニウム基板の他方の主面に回路パターン形成用の銅板の一方の主面が接合（形成）された接合体を得た。
セラミックス基板として４６ｍｍ×４８ｍｍ×０．４ｍｍの大きさの市販の窒化アルミニウム基板を準備した。また、８３質量％の銀粉と１０質量％の銅粉と５質量％の錫粉と（活性金属成分としての）２質量％のチタン粉（Ａｇ：Ｃｕ：Ｓｎ：Ｔｉ＝８３：１０：５：２）をビヒクルに加えて混練して活性金属含有ろう材ペーストを作製し、セラミックス基板の両面の全面に、ろう材ペーストの厚さが１０μｍになるようにスクリーン印刷した後、大気中で乾燥してろう材層を形成した。次いでろう材層に４６ｍｍ×４８ｍｍ×０．３ｍｍの２枚の無酸素銅板をそれぞれ接触配置し、真空炉中で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て、窒化アルミニウム基板の一方の表面に放熱側銅板形成用の銅板の一方の面が接合（形成）され、窒化アルミニウム基板の他方の主面に回路パターン形成用の銅板の一方の主面が接合（形成）された接合体を得た。
次に、接合体の回路パターン形成用の銅板の他方の主面（セラミックス基板に接合された面の反対側の面）に所定の回路パターン形状の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、接合体の放熱側銅板形成用の銅板の他方の主面（セラミックス基板に接合された面の反対側の面）の中央部に、４５ｍｍ×４７ｍｍの長方形の形状の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、これらのレジストに紫外線を照射して硬化させた後、塩化銅と塩酸と残部の水とからなるエッチング液により銅板の不要な部分をエッチングし、水酸化ナトリウム水溶液によりレジストを除去して銅板からなる回路パターン（回路側銅板）および放熱側銅板を形成した。
次に、希硫酸に２０秒間浸漬して酸洗し、１．６質量％のＥＤＴＡ・４Ｎａと３質量％のアンモニア水（２８質量％のアンモニアを含むアンモニア水）と５質量％の過酸化水素水（３５質量％の過酸化水素を含む過酸化水素水）を含むキレート水溶液に２０℃で２０分間浸漬し、２質量％のエチレントリアミン五酢酸（ＤＴＰＡ）・５Ｎａと５質量％の過酸化水素水を含むキレート水溶液に２０℃で５２分間浸漬することにより、セラミックス基板表面の銅回路パターンの間や放熱側銅板の周囲に残留する活性金属含有ろう材の不要な部分を除去し絶縁基板の中間製品を得た。
次に、１４質量％の硫酸と３．２質量％の過酸化水素と残部の水とからなる化学研磨液に前記中間製品を４５℃で５分間浸漬して回路側銅板および放熱側銅板の表面を化学研磨により除去して、活性金属含有ろう材を回路側銅板および放熱側銅板の側面部から０．３ｍｍ程度はみ出させ、所定の形状の回路側銅板および放熱側銅板を形成する工程を完了させた。
次に、Ｎｉめっきを所定の領域に施すために回路側銅板および放熱側銅板の主面の全面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硬化することで、各銅板の主面のみをレジスト膜により被覆した。
次に、このレジスト膜付き接合体に無電解Ｎｉ－Ｐめっきを施し、厚さ４μｍのめっき被膜を形成したのちに、水酸化ナトリウム水溶液によりレジストを除去して、セラミックス基板と放熱側銅板の間から露出するろう材層、セラミックス基板と回路側銅板の間から露出するろう材層およびそれぞれの銅板の側面がＮｉめっき層に被覆された金属－セラミックス絶縁基板を得た。なお、回路側金属板および放熱側金属板の他方の主面にＮｉめっき層は形成されていない。
このようにして作成した金属-セラミックス絶縁基板について、以下のような「ろう材食われ評価」、「通炉耐性評価」、「超音波接合性評価」を実施した。
「ろう材食われ評価」
まず、１２０ｍｍ×６０ｍｍ×３ｍｍの銅ベース板（放熱板）の表面中央部に、メタルマスクを用いて絶縁基板の外形と同形状（４６ｍｍ×４８ｍｍ）にＳｎ－５．０Ｓｂフラックス入りペーストはんだ（千住金属工業株式会社製、エコソルダーＭ１０）をペースト厚さ３００μｍとなるように塗布した。
まず、１２０ｍｍ×６０ｍｍ×３ｍｍの銅ベース板（放熱板）の表面中央部に、メタルマスクを用いて絶縁基板の外形と同形状（４６ｍｍ×４８ｍｍ）にＳｎ－５．０Ｓｂフラックス入りペーストはんだ（千住金属工業株式会社製、エコソルダーＭ１０）をペースト厚さ３００μｍとなるように塗布した。
次に、このペーストはんだの上に前述の金属－セラミックス絶縁基板を搭載し、Ｎ２雰囲気下で２７０℃まで昇温した後、２７０℃を保持したまま真空排気を３分間実施した後に降温することで、金属－セラミックス絶縁基板を銅ベース板（放熱板）にはんだ付けした。はんだ付け後のはんだ厚は約２００μｍだった。
このようにして得たベース板付き絶縁基板について、断面観察試料を作製しエネルギ－分散型Ｘ線分析装置を備えた走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ／ＥＤＳ）による元素マッピングを実施し、ろう材食われの発生有無を確認した。その結果、本実施例１で作成した金属－セラミックス絶縁基板では、ろう材層を被覆するＮｉ－Ｐめっきにより絶縁基板のろう材層にはんだの成分であるＳｎ等がろう材層側へ拡散しておらず、脆いＣｕ－Ｓｎ化合物が生成していない（ろう材食われが起きていない）ことがＳＥＭ／ＥＤＳによる元素マッピングから確かめられた。
「通炉耐性評価」
次に通炉耐性を評価するために、本実施例の金属-セラミックス絶縁基板（ベース板を半田付けしていない）４個に対して通炉３回（還元雰囲気（水素／窒素＝２０／８０）下において３５０℃で１０分間加熱した後に室温まで冷却する処理を３回繰り返す）の熱負荷を与えた。通炉３回後のセラミックス部のクラック発生有無を光学顕微鏡により基板全域にわたり検査した。本実施例の金属-セラミックス絶縁基板は、通炉3回後のクラック発生は無く、高い通炉耐性を持つことが確かめられた。
次に通炉耐性を評価するために、本実施例の金属-セラミックス絶縁基板（ベース板を半田付けしていない）４個に対して通炉３回（還元雰囲気（水素／窒素＝２０／８０）下において３５０℃で１０分間加熱した後に室温まで冷却する処理を３回繰り返す）の熱負荷を与えた。通炉３回後のセラミックス部のクラック発生有無を光学顕微鏡により基板全域にわたり検査した。本実施例の金属-セラミックス絶縁基板は、通炉3回後のクラック発生は無く、高い通炉耐性を持つことが確かめられた。
「超音波接合性評価」
次に超音波接合性を評価するために、銅端子（超音波接合面のサイズ５ｍｍ×５ｍｍ、厚み１ｍｍ)を超音波接合装置で本実施例の金属-セラミックス絶縁基板に超音波接合したのち、超音波探傷像により超音波接合部の接合面積率を評価し、シェア強度測定器によりシェア強度を評価した。本実施例の金属-セラミックス絶縁の接合面積率は７０％以上、シェア強度は１５００Ｎ以上であり、良好な超音波接合性を示した。また、超音波接合部の断面にＳＥＭ／ＥＤＳ観察を実施したところ、銅端子部と絶縁基板の銅回路部とが一体化していることも確認できた。
次に超音波接合性を評価するために、銅端子（超音波接合面のサイズ５ｍｍ×５ｍｍ、厚み１ｍｍ)を超音波接合装置で本実施例の金属-セラミックス絶縁基板に超音波接合したのち、超音波探傷像により超音波接合部の接合面積率を評価し、シェア強度測定器によりシェア強度を評価した。本実施例の金属-セラミックス絶縁の接合面積率は７０％以上、シェア強度は１５００Ｎ以上であり、良好な超音波接合性を示した。また、超音波接合部の断面にＳＥＭ／ＥＤＳ観察を実施したところ、銅端子部と絶縁基板の銅回路部とが一体化していることも確認できた。
（比較例１）
図４に示すように、回路側銅板および放熱側銅板を形成後の（部分Ｎｉめっき用の）レジスト印刷工程および無電解Ｎｉ－Ｐめっき工程を実施せず、いっさいのＮｉめっき層が存在しないこと以外は、実施例１と同様の方法により、比較例１の金属－セラミックス絶縁基板を得た。
図４に示すように、回路側銅板および放熱側銅板を形成後の（部分Ｎｉめっき用の）レジスト印刷工程および無電解Ｎｉ－Ｐめっき工程を実施せず、いっさいのＮｉめっき層が存在しないこと以外は、実施例１と同様の方法により、比較例１の金属－セラミックス絶縁基板を得た。
この金属-セラミックス絶縁基板について実施例１と同様の方法により、「ろう材食われ評価」、「通炉耐性評価」、「超音波接合性評価」を実施した。
「ろう材食われ評価」
本比較例１で作成した金属－セラミックス絶縁基板では、ベース付けに用いたはんだは放熱側の銅板の側面に濡れ広がり、セラミックス基板と放熱側銅板の間から露出したろう材層とはんだとが接触し、絶縁基板のろう材層にはんだの成分であるＳｎ等がろう材層側へ拡散し、ろう材層に脆いＣｕ－Ｓｎ化合物が生成している（ろう材食われが起きている）ことがＳＥＭ／ＥＤＳによる元素マッピングから確かめられた。
本比較例１で作成した金属－セラミックス絶縁基板では、ベース付けに用いたはんだは放熱側の銅板の側面に濡れ広がり、セラミックス基板と放熱側銅板の間から露出したろう材層とはんだとが接触し、絶縁基板のろう材層にはんだの成分であるＳｎ等がろう材層側へ拡散し、ろう材層に脆いＣｕ－Ｓｎ化合物が生成している（ろう材食われが起きている）ことがＳＥＭ／ＥＤＳによる元素マッピングから確かめられた。
「通炉耐性評価」
本比較例１の金属-セラミックス絶縁基板は、通炉３回後のクラック発生は無く、高い通炉耐性を持つことが確かめられた。
本比較例１の金属-セラミックス絶縁基板は、通炉３回後のクラック発生は無く、高い通炉耐性を持つことが確かめられた。
「超音波接合性評価」
本比較例１の金属-セラミックス絶縁基板は、超音波接合部の接合面積率が７０％以上であり、シェア強度は１５００Ｎ以上であり、良好な超音波接合性を示した。また、超音波接合部の断面をＳＥＭ／ＥＤＳで観察したところ、銅端子部と絶縁基板の銅回路部とが一体化していることも確認できた。
本比較例１の金属-セラミックス絶縁基板は、超音波接合部の接合面積率が７０％以上であり、シェア強度は１５００Ｎ以上であり、良好な超音波接合性を示した。また、超音波接合部の断面をＳＥＭ／ＥＤＳで観察したところ、銅端子部と絶縁基板の銅回路部とが一体化していることも確認できた。
（比較例２）
図５に示すように、回路側銅板および放熱側銅板を形成後の（部分Ｎｉめっき用の）レジスト印刷工程を実施せず、絶縁基板の回路側銅板および放熱側銅板の表面が厚さ４μｍのＮｉ－Ｐめっき層によって被覆されていること以外は、実施例１と同様の方法により、比較例２の金属－セラミックス絶縁基板を得た。
図５に示すように、回路側銅板および放熱側銅板を形成後の（部分Ｎｉめっき用の）レジスト印刷工程を実施せず、絶縁基板の回路側銅板および放熱側銅板の表面が厚さ４μｍのＮｉ－Ｐめっき層によって被覆されていること以外は、実施例１と同様の方法により、比較例２の金属－セラミックス絶縁基板を得た。
この金属－セラミックス絶縁基板について実施例１と同様の方法により、「ろう材食われ評価」、「通炉耐性評価」、「超音波接合性評価」を実施した。
「ろう材食われ評価」
本比較例２で作成した金属－セラミックス絶縁基板では、ろう材層を被覆するＮｉ－Ｐめっきにより絶縁基板のろう材層にはんだの成分であるＳｎ等がろう材層側へ拡散しておらず、脆いＣｕ－Ｓｎ化合物が生成していない（ろう材食われが起きていない）ことがＳＥＭ／ＥＤＳによる元素マッピングから確かめられた。
本比較例２で作成した金属－セラミックス絶縁基板では、ろう材層を被覆するＮｉ－Ｐめっきにより絶縁基板のろう材層にはんだの成分であるＳｎ等がろう材層側へ拡散しておらず、脆いＣｕ－Ｓｎ化合物が生成していない（ろう材食われが起きていない）ことがＳＥＭ／ＥＤＳによる元素マッピングから確かめられた。
「通炉耐性評価」
本比較例２の金属－セラミックス絶縁基板は、通炉３回後にセラミックス部にクラック（４個中２個）が発生しており、通炉耐性が低かった。
本比較例２の金属－セラミックス絶縁基板は、通炉３回後にセラミックス部にクラック（４個中２個）が発生しており、通炉耐性が低かった。
「超音波接合性」
本比較例の金属－セラミックス絶縁基板は、緒音波接合部の接合面積率が５０％であり、シェア強度は６００Ｎと低く、超音波接合性が不良であった。また、超音波接合部の断面にＳＥＭ／ＥＤＳ観察を実施したところ、銅端子部と絶縁基板の銅回路部との間にＮｉ－Ｐめっき被膜が残存している箇所があり、銅端子と銅回路部が一体化していなかった。
本比較例の金属－セラミックス絶縁基板は、緒音波接合部の接合面積率が５０％であり、シェア強度は６００Ｎと低く、超音波接合性が不良であった。また、超音波接合部の断面にＳＥＭ／ＥＤＳ観察を実施したところ、銅端子部と絶縁基板の銅回路部との間にＮｉ－Ｐめっき被膜が残存している箇所があり、銅端子と銅回路部が一体化していなかった。
実施例１および比較例１、２の結果を表１にまとめて示す。
絶縁基板の回路側金属板（回路側銅板）および放熱側金属板（放熱側銅板）の表面の全面にＮｉめっき層を形成した場合、Ｎｉめっき層がろう材層のＡｇとはんだ由来のＳｎの相互拡散を防止するため、前記のろう材食われは起こらない。しかしながら、絶縁基板の回路側金属板（回路側銅板）および放熱側金属板（放熱側銅板）の表面の全面にＮｉめっき層を形成した場合、硬度の硬いＮｉめっき層が存在することで、パワーモジュール組み立て時に受ける熱負荷に対する信頼性（通炉耐性）が低下するという課題がある。また、絶縁基板の回路金属板（回路側銅板）の表面に銅ターミナル端子を超音波接合するという用途もあり、この場合、銅ターミナル端子が接合される表面はＮｉめっきされていない銅であることが好ましい。
本発明は、例えば半導体パワーモジュールなどに利用される絶縁基板に利用することができる。
１ 絶縁基板
１０ セラミックス基板
１１ 回路側金属板（回路側銅板）
１２ 放熱側金属板（放熱側銅板）
１３、１４ ろう材層
１１ａ、１２ａ 側面
２０、２１ Ｎｉめっき層
１０ セラミックス基板
１１ 回路側金属板（回路側銅板）
１２ 放熱側金属板（放熱側銅板）
１３、１４ ろう材層
１１ａ、１２ａ 側面
２０、２１ Ｎｉめっき層
Claims (13)
- セラミックス基板の一方の主面に、放熱側金属板の一方の主面がろう材層を介してろう付けされた絶縁基板であって、
前記セラミックス基板と前記放熱側金属板との間から露出するろう材層を覆うＮｉめっき層が設けられ、
前記放熱側金属板の他方の主面の少なくとも一部がＮｉめっき層に覆われておらず、前記放熱側金属板の表面が露出した状態であることを特徴とする、絶縁基板。 - 前記放熱側金属板の側面の一部もしくは全部が前記Ｎｉめっき層で覆われていることを特徴とする、請求項１に記載の絶縁基板。
- 前記放熱側金属板の他方の主面の周囲が前記Ｎｉめっき層で覆われていることを特徴とする、請求項１または２に記載の絶縁基板。
- 前記セラミックス基板の他方の主面に、回路側金属板の一方の主面がろう材層を介してろう付けされていることを特徴とする、請求項１～３のいずれかに記載の絶縁基板。
- 前記回路側金属板が銅板または銅合金板であることを特徴とする、請求項４に記載の絶縁基板。
- 前記放熱側金属板が銅板または銅合金板であることを特徴とする、請求項１～５のいずれかに記載の絶縁基板。
- セラミックス基板の一方の主面に、放熱側金属板の一方の主面がろう材層を介して接合され、セラミックス基板の他方の主面に、回路側金属板の一方の主面がろう材層を介して接合された絶縁基板において、
前記放熱側金属板の他方の主面にめっきレジストを形成し、
前記めっきレジストが形成された絶縁基板をＮｉめっき液中に浸漬して、前記めっきレジストが形成されていない前記セラミックス基板と前記放熱側金属板との間から露出するろう材層にＮｉめっき層を形成し、次いで前記めっきレジストを剥離することを特徴とする、絶縁基板の製造方法。 - 前記放熱側金属板の側面の一部もしくは全部が前記Ｎｉめっき層で覆われていることを特徴とする、請求項７に記載の絶縁基板の製造方法。
- 前記放熱側金属板の他方の主面の周囲が前記Ｎｉめっき層で覆われていることを特徴とする、請求項７または８に記載の絶縁基板の製造方法。
- 前記回路側金属板の他方の主面にめっきレジストを形成し、前記セラミックス基板と前記回路側金属板との間から露出するろう材層にＮｉめっき層を形成することを特徴とする、請求項７～９のいずれかに記載の絶縁基板の製造方法。
- 前記回路側金属板の側面の一部もしくは全部が前記Ｎｉめっき層で覆われていることを特徴とする、請求項７～１０のいずれかに記載の絶縁基板の製造方法。
- 前記放熱側金属板および前記回路側金属板が、銅板または銅合金板であることを特徴とする、請求項７～１１のいずれかに記載の絶縁基板の製造方法。
- 前記ろう材層がＣｕ、Ａｇ、Ｓｎから選ばれるいずれかひとつの金属成分と、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒから選ばれるいずれかひとつの活性金属成分を有することを特徴とする、請求項７～１２のいずれかに記載の絶縁基板の製造方法。
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