JP2612093B2 - 銅回路形成用接合体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、セラミックス基板に金属回路を形成するた
めのセラミックス基板と銅板との接合体に関する。

〔従来の技術〕

近年、ロボット・モーター等の産業機器の高性能化に
伴い、大電力・高能率インバーターの採用などモジュー
ルの変遷が進んでおり、半導体素子から発生する熱も増
加の一途をたどっている。この熱を効率よく放散するた
め、大電力モジュール基板では従来よりさまざまな方法
がとられてきた。特に最近、良好な熱伝導性を有するセ
ラミックス基板が利用できるようになったため、基板上
に銅板などの金属板を接合し回路を形成後、そのままあ
るいはメッキ等の処理を施してから半導体素子を搭載す
る構造も採用されつつある。

金属とセラミックスを接合する方法には種々あるが、
回路基板の製造という点からは、Mo−Mn法、活性金属
法、硫化銅法、DBC法、銅メタライズ法があげられる。

特に大電力モジュール基板では高熱伝導性の窒化アル
ミニウム基板が注目されており、銅板との接合方法とし
ては、従来より、銅板と窒化アルミニウム基板との間に
活性金属成分を含むろう材（以下、しばしば単に「ろう
材」という）を介在させ、加熱処理して接合体とする活
性金属法（例えば特開昭60−177634号公報）や、銅板と
表面を酸化処理してなる窒化アルミニウム基板とを銅の
融点以下でCu₂O−Ｏの共晶温度以上で加熱接合するDBC
法（例えば特開昭56−163093号公報）などが知られてい
る。活性金属法はDBC法に比べて以下の利点がある。

（１） 上記接合体を得るための処理温度が低いので、
AIN−Cuの熱膨張差によって生じる残留応力が小さい。

（２） 銅板が延性金属であるので、ヒートショックや
ヒートサイクルに対して耐久性が大である。

活性金属法の問題点は、銅板と窒化アルミニウム基板
との接合不良である。これは、主として、銅板とセラミ
ックス基板の接合端部において、ろう材が変質したりろ
う材と銅板及び／又は窒化アルミニウム基板との濡れ性
が悪くなっていることに原因している。

接合不良の改善のためには、活性金属成分の増量が効
果的であるが、活性金属の増量は、はみ出し不良やピー
ル強度の低下、水平クラックの発生などを生じやすいと
いう問題点がある。ここに、はみ出し不良とは接合時
に、銅板との接合が不要な部分にまでろう材が濡れ拡が
ってしまう現象で、活性金属成分とセラミックス基板と
の反応層が不要部分にも生じることが原因である。ま
た、水平クラックとは主として銅板とセラミックス基板
との接合端部の基板面に生じ基板面に対して水平方向に
進行していくクラックであり、ピール強度の低下の原因
となり、更に進行すれば回路電極部等が剥離してしま
う。活性金属成分とセラミックス基板との反応量が多く
なり過ぎるとはみ出し不良や水平クラックが発生しやす
いので、これらの点からはむしろ活性金属成分をなるべ
く少なくして接合する方が好ましい。

このような問題点の解決のため新しい技術の提案が待
たれている。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明者らは、以上のような問題点を解決するために
検討を重ねた結果、特定組成の活性金属成分を含むろう
材ペーストを使用することにより、はみ出し不良やピー
ル強度の低下、水平クラックの発生などを生じることが
ない銅板とセラミックス基板との接合体が得られること
を見い出し、本発明を完成したものである。

〔課題を解決するための手段〕

すなわち、本発明は、金属成分として、銀成分と銅成
分とジルコニウム成分とチタン成分を含み、銀成分の割
合は銅成分よりも多く、しかも全金属成分中、ジルコニ
ウム成分の割合が２重量％以上、チタン成分の割合が１
重量％以上でしかもジルコニウム成分とチタン成分の合
計が25重量％以下であるろう材ペーストを用い、セラミ
ックス基板と銅板とを接合してなることを特徴とする銅
回路形成用接合体である。

以下、本発明をさらに詳細に説明する。

本発明の特徴の１つは、ろう材中にチタン成分を含ま
せることによってろう材のセラミックス基板への濡れ性
を確保し、一方、ジルコニウム成分を含ませることによ
って銅板を清浄化させ、その結果ろう材の銅板への濡れ
性を損なわせないで、銅板とセラミックス基板との接合
状態を良好にし接合不良等による歩留りの低下を防いだ
ことにある。

活性金属法による銅板とセラミックス基板の接合にお
いては、溶融時にろう材とセラミックスの濡れ性を確保
するため、活性金属成分を加える。活性金属成分はセラ
ミミックス基板と反応して酸化物や窒化物を生成し、こ
の反応層がろう材とセラミックス基板の結合を強固なも
のにする。本発明においてもこのような活性金属成分を
含ませるものであり、その具体例をあげれば、チタン、
ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、バナジ
ウムやこれらの化合物である。

本発明においては、これらの活性金属成分のうち、チ
タン成分とジルコニウム成分との特定量を併用する。こ
の理由は以下のとおりである。

すなわち、チタン成分は反応の容易さの点で最適であ
ることによる。一方、セラミックス基板と接合する銅板
は、通常、表面が酸化された状態にあり、そのままでは
ろう材との濡れ性があまり良くない。しかしながら、活
性金属の酸化物は銅の酸化物よりも安定であることが多
いため、活性金属成分が銅板表面を還元することによっ
てそれを清浄化し、ろう材と銅板がよく濡れるようにな
る。これによって、ろう材と銅板は相互に拡散し、結合
が形成される。このような作用をもつ活性金属成分とし
ては特にチタン成分とジルコニウム成分が最も効果的で
あるが、チタンはジルコニウムに比べてろう材の溶融時
に選択的に基板側へ移動しやすいので銅板の清浄化作用
の点では劣る。従って、チタン成分とジルコニア成分を
共に含ませることによって銅板とセラミックス基板との
接合状態が良好な、接合不良等による歩留りの低下のな
い接合体を製造することができる。

ジルコニウム成分は、全金属成分中、２重量％以上好
ましくは３重量％以上を含んでいないと上記した効果は
発現しない。ジルコニウム成分は、金属ジルコニウム粉
末、例えばジルコニウム−チタン合金などのジルコニウ
ム合金、水素化ジルコニウムなどの化合物を用いること
によって供給される。

チタン成分は、全金属成分中、１重量％以上好ましく
は２重量％以上を含んでいないと上記した効果は発現し
ない。チタン成分は、金属チタン粉末、例えばチタン−
ジルコニウム合金などのチタン合金、水素化チタンなど
の化合物を用いることによって供給される。

ジルコニウム成分及びチタン成分の割合は、全金属成
分中、両成分の合計で３〜25重量％である。３重量％未
満では十分な接合強度は得られず、また25重量％を越え
るとジルコニウム成分及びチタン成分の割合が増え過ぎ
るため、反応物量が増加し、はみ出し不良やピール強度
の低下、水平クラックの発生が起こりやすくなる。

ジルコニウム成分及びチタン成分の合計３〜25重量％
の残部97〜75重量％は、銀成分と銅成分が主成分とな
る。銀成分と銅成分の割合については、ろう材の溶融温
度を低くするために、銀成分は銅成分よりも多く含ませ
ることが必要であり、好ましくは共晶組成である銀72:
銅28（重量比）またはの付近である。

本発明のろう材ペーストは、以上のような銀成分と銅
成分を主成分とし特定量のジルコニウム成分及びチタン
成分を含んでなる金属成分に有機溶剤や必要に応じて有
機結合剤を加え、混合機例えばロール、ニーダ、バンバ
リミキサー、万能混合機、らいかい機等を用いて混合す
ることによって調整される。その際の有機溶媒として
は、メチルセルソルブ、エチルセルソルブ、テレピネオ
ール、イソホロン、トルエン等、また、有機結合剤とし
ては、エチルセルロース、メチルセルロース、ポリメチ
ルメタアクリレート、ポリイソブチルメタアクリレート
等が使用される。

ろう材ペーストの組成の一例を示せば、上記割合から
なる金属成分70〜92重量％、有機溶剤８〜30重量％、有
機結合剤０〜10重量％である。

ろう材ペーストの粘度については一般的には1,000〜2
0,000cps程度である。塗布方法については、セラミック
ス基板又は金属板にあまり厚みのムラなく塗布できる方
法であれば特に制限されるものではなく通常の方法でよ
いが、本発明では金属板のセラミックス基板とを接合し
た後に薬液で不要ろう材部分を除去できるのでスクリー
ン印刷以外にもロールコータを用いた全面塗布をも可能
である。

不要ろう材の除去薬液の具体例をあげれば、フッ酸単
独、硝酸、硫酸、塩酸等の無機酸とフッ酸との混酸、王
水、水酸化ナトリウム溶液、水酸化カリウム溶液などで
あり、不要ろう材の成分に応じて適切なものが選択され
る。好ましくは、フッ酸単独、又はフッ酸と塩酸との混
酸である。これらの薬液は40〜95℃の温度で使用するこ
とが望ましく、また、薬液処理と同時に及び／又は薬液
処理後の水、溶剤、アルカリ脱脂液等を用いた洗浄工程
において、超音波を付与することが望ましい。

本発明で使用される金属板は銅板であり、その厚みに
ついては特に制限はなく、通常、金属箔と言われている
肉厚の薄いものでも使用可能であり、0.1〜1mmのものが
使用される。また、本発明で使用されるセラミックス基
板の材質としては、通常、窒化アルミニウム、窒化ケイ
素、酸化アルミニウム、クライト等が用いられる。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例と比較例をあげて具体的に説明
する。

実施例１〜９ 第１表に示すように、銀粉末69〜75重量部、銅粉末25
〜31重量部にジルコニウム粉末３〜20、チタン又は水素
化チタン２〜15重量部、及びテレピネオール15重量部と
有機結合剤としてポリイソブチルメタアクリレートのト
リエン溶液を固形分で1.5重量部加えてよく混練し、ろ
う材ペーストを調製した。このろう材ペーストを60mm×
30mm×0.65mm^tの窒化アルミニウム基板の両面にロール
コーターを用いて基板に全面塗布した。ｍの際の塗布量
（乾燥後）を第１表に示す。次にこの基板の両面に60mm
×30mm×0.25mm^tの銅板を接触配置し、炉に各10枚投入
した。これらの試料を高真空中、900℃、30min加熱した
後、２℃/minの降温速度で冷却して接合体とした。

次に、この接合体の銅板上に、熱硬化タイプのエッチ
ングレジストをスクリーン印刷にて回路パターンに塗布
後、塩化第２鉄溶液を用いてエッチング処理を行なっ
て、銅板不要部分を溶融除去し、更にエッチングレジス
トを５％苛性ソーダ溶液で剥離した。

このエッチング処理後の接合体には、銅回路パターン
間に残留不要ろう材及び活性金属成分と基板の反応物が
あり、これを除去するため、各試料につき、70℃、10％
フッ酸溶液に10分間浸漬後さらに10％硝酸溶液に２分間
浸漬してろう材の除去を行なった。

これら一連の処理を経て得られた接合体の接合状態を
観察し、銅回路パターンのピール強度を測定した。その
結果を第１表に示す。

実施例１〜９のピール強度は一般的な実用強度の目安
とされている5kgf/cm以上であった。

実施例10〜11 第１表に示すろう材組成にテレピネオール15重量部と
有機結合剤としてポリイソブチルメタアクリレートのト
ルエン溶液を固形分で1.5重量部加えてよく混練し、ろ
う材ペーストを調製した。ペーストはスクリーン印刷機
を用いて窒化アルミニウム基板の回路パターン上に塗布
し150℃で５分間乾燥した。以下、実施例１と同様にし
て試料を作製して測定した。その結果を第１表に示す。

実施例の10と11はピール強度の一般的な実用強度の目
安とされている5kgf/cm以上であった。

比較例１〜３ 第１表に示すろう材組成にテレピネオールとポリイソ
ブチルメタアクリレートのトルエン溶液を実施例１と同
様に加えて試料を作製して測定した。その結果を第１表
に示す。

比較例１〜３はいずれも接合不良が生じており歩留ま
りの低下となっている。さらに比較例１と３はピール強
度も実用強度の目安とされている5kgf/cmに達していな
い。

〔発明の効果〕 本発明によれば、はみ出し不良やピール強度の低下、
水平クラック等の発生などを生じることがない銅板とセ
ラミックス基板との接合体が得られ、工程上の歩留りが
大幅に向上する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮井 明 東京都町田市旭町３丁目５番１号 電気 化学工業株式会社総合研究所内 (72)発明者 蛭田 和幸 東京都町田市旭町３丁目５番１号 電気 化学工業株式会社総合研究所内 審査官 近野 光知 (56)参考文献 特開 昭64−65859（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−87791（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−208033（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−87790（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−187180（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】金属成分として、銀成分と銅成分とジルコ
   ニウム成分とチタン成分を含み、銀成分の割合は銅成分
   よりも多く、しかも全金属成分中、ジルコニウム成分の
   割合が２重量％以上、チタン成分の割合が１重量％以上
   でしかもジルコニウム成分とチタン成分の合計が25重量
   ％以下であるろう材ペーストを用い、セラミックス基板
   と銅板とを接合してなることを特徴とする銅回路形成用
   接合体。