JP3412801B2 - 接合体の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、特にパワーモジュ
ール基板の製造に好適なセラミックス板と金属板からな
る接合体の製造方法に関する。

【０００２】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等パワー
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、パワーモジュール基板では従来より様々な
方法が取られてきた。特に最近、良好な熱伝導を有する
セラミックス基板が利用できるようになったため、基板
上に銅などの銅板を接合し、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回路面に半導体素子
が搭載されている。この場合において、回路の反対側に
は、放熱フィンを取り付けるための金属放熱板が接合さ
れている構造のものもある。

【０００３】このようなモジュールは、当初、簡単な工
作機械に使用されてきたが、ここ数年、溶接機、電車の
駆動部、電気自動車に使用されるようになってきた。し
かも、使用される環境は厳しくなる一方であり、また品
質への要求も一段と厳しくなってきており、品質の安定
したパワーモジュール基板の量産技術の開発が待たれて
いる。この要求に対しては、セラミックス板と金属板の
接合が重要なポイントとなる。

【０００４】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、活性金属ろう付け法、硫化銅法、ＤＢＣ法、銅メタ
ライズ法などがあげられる。これらのうち、銅とセラミ
ックス基板との接合については、両者の間に活性金属を
含むろう材を介在させ加熱処理して接合体とする活性金
属ろう付け法（例えば特開昭60-177634 号公報）や、表
面を酸化処理したセラミックス基板と銅板を銅の融点以
下でＣｕ−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）がある。

【０００５】活性金属ろう付け法は、ＤＢＣ法に比べ
て、（イ）接合体を得るための処理温度が低いので、セ
ラミックス基板と銅の熱膨張差によって生じる残留熱応
力が小さい、（ロ）活性金属を含むろう材が延性金属で
あるので、ヒートショックやヒートサイクルに対する耐
久性が大である、などの利点がある。

【０００６】ＤＢＣ法においては、その独自の接合メカ
ニズム条件、特に温度管理が重要である。一方、活性金
属ろう付け法においても、現在要求されているパワーモ
ジュール基板の特性を満足させるには、活性金属のセラ
ミックス側への過度の進入によるセラミックスの脆化
と、ろう材成分の金属板への過度の拡散による金属の硬
化を防ぐ必要があり、そのためには約１０℃の温度範囲
差のもとに接合することが要求される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
活性金属ろう付け法の場合、真空中等の非酸化性雰囲気
を保つ必要から量産性を向上させるには、バッチ式の炉
に頼らざるを得ず、一度に大量のワークを仕込む形式と
なるため、温度管理については不備な点が多くなり、品
質のバラツキが大きくなる傾向にあった。

【０００８】本発明者らは、上記に鑑み種々検討した結
果、セラミックス板と金属板とからなる積層体を炉内の
インナーボックスに配置し、そのインナーボックスの外
側に設けられたメインヒーターと内側に設けられた補助
ヒーターにより加熱すれば、積層体に与えられる熱量を
精密にコントロールすることができ、その結果、接合体
の品質のバラツキが少なくなり、しかも歩留りと生産性
が向上することを見いだし、本発明を完成させたもので
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、セ
ラミックス板と金属板とを接合材を介して又は介さない
で積層されてなる積層体の一個又は複数個を、スペーサ
ーを介して又は介さないで、縦方向に積み重ねるか又は
横方向に押圧配列して、炉内のインナーボックス内に配
置し、上記インナーボックスの外側に配設されたメイン
ヒーターと上記インナーボックスの内側に配設された補
助ヒーターにより上記積層体を加熱することを特徴とす
るセラミックス板と金属板からなる接合体の製造方法で
あり、特に補助ヒーターが、積層体の積み重ね方向又は
横の配列方向と平行になるようにしてインナーボックス
の内側に配設されていることを特徴とする接合体の製造
方法である。

【００１０】また、本発明は、上記接合体の金属板の１
又は２以上の側面を加熱部材に接触させてなることを特
徴とする接合体の製造方法であり、更には、この接合体
の製造方法において、セラミックスが窒化アルミニウ
ム、金属が銅又は銅合金、接合材が活性金属を含むろう
材、加熱部材がカーボン製治具であることを特徴とする
ものである。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、更に詳しく本発明について
説明する。

【００１２】本発明で使用されるセラミックス板として
は、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウム等があげら
れるが、熱伝導率の高い窒化アルミニウムが特に望まし
い。窒化アルミニウム板は、窒化アルミニウム粉末に希
土類酸化物（例えばイットリア）、アルカリ土類酸化物
（例えばカルシア）等の焼結助剤を内割りで２〜５重量
％程度添加し、成形後焼成することによって製造するこ
とができる。セラミックス板の厚みとしては、厚すぎる
と熱抵抗が大きくなり、薄すぎると耐久性がなくなるの
で、０．５〜１．０ｍｍ程度であることが好ましい。

【００１３】一方、金属回路及び／又は金属放熱板とな
る金属板としては、銅、アルミニウム、タングステン、
モリブデン等が使用されるが、銅又は銅合金が一般的で
ある。金属板の厚みについては、金属回路形成用金属板
の場合は、近年、電流密度が向上していく傾向から０．
３ｍｍよりも厚い方が好ましく、また金属放熱板形成用
金属板の場合は、０．２ｍｍ以下であることが好まし
い。

【００１４】セラミックス板と金属板とを接合する方法
は、ＤＢＣ法でも活性金属ろう付け法でも良い。ＤＢＣ
法では接合材を介する必要はないが、活性金属ろう付け
法では接合材として、銀と銅を主成分とし、溶融時のセ
ラミックス板との濡れ性を確保するために活性金属を副
成分としたものが使用される。この活性金属成分は、セ
ラミックス板と反応して酸化物や窒化物を生成させ、そ
れらの生成物がろう材とセラミックス板との結合を強固
なものにする。活性金属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。これらの割合としては、
銀８０〜９７重量部と銅２０〜３重量部の合計量１００
重量部あたり活性金属１〜７重量部である。

【００１５】本発明においては、セラミックス板と金属
板とを接合材を介して又は介さないで積層した積層体の
一個又は複数個を縦方向に積み重ねるか、又は横方向に
押圧した状態で配列して炉内のインナーボックス内に配
置し加熱する。このとき、積層体の金属板同士が接面す
るような積み重ねないしは配列の場合には、金属板の種
類によっては金属板同士が接合温度で融着する場合があ
るので、金属板と反応しない材質からなるスペーサー又
は金属板と反応しない材質で表面コーティングされた金
属板からなるスペーサーを金属板間に配置することが望
ましい。

【００１６】本発明においては、上記のように積層体は
縦方向に積み重ねるか、又は横方向に押圧した状態で配
列して炉内のインナーボックス内に配置されるが、中で
も横方向の配列は温度分布を少なくすることが容易であ
り、また配列した状態が安定であるので特に好ましい。
横方向に配列する場合は、セラミックス板と金属板との
接触を保持するために横方向に押圧するが、縦方向に積
み重ねる場合は、自重により接触が保たれるので特に押
圧は必要でない。押圧は、図１に示した治具によること
が好ましい。

【００１７】本発明で重要な点は、上記積層体を炉内に
形成されたインナーボックス内に配置し、そのインナー
ボックスの外側に配設されたメインヒーターによりイン
ナーボックスを含む炉全体を加熱するとともに、インナ
ーボックスの内側に配設された補助ヒーターにより上記
積層体の側面を加熱することである。当該技術における
従来の加熱方式は、インナーボックスを形成させない炉
内に棚板を敷き、積層体を縦方向に積み重ねメインヒー
ターで加熱するものであったものである。

【００１８】インナーボックスの材質としては、カーボ
ン又はモリブデン、タングステン等の金属が好ましい。
また、インナーボックスの形状は、積層体の一個又は複
数個を包むことのできる箱型等の密閉形状が最適である
が、何もこれに限られることはない。積層体の少なくと
も一面又は補助ヒーターを覆うことのできる面積をもっ
たテーブル形状のものであってもよい。

【００１９】本発明において、補助ヒーターによる加熱
はメインヒーターの加熱と切り離して行ってもよく、ま
たメインヒーターの加熱と一緒に行ってもよいが、好ま
しくは接合温度付近になるまで補助ヒーターを働かせ又
は働かせないでメインヒーターによりインナーボックス
を含めた炉全体を加熱し、接合温度付近に達したら補助
ヒーターを急激に働かせて積層体を加熱し、精密な温度
調節を行うことである。

【００２０】本発明において、補助ヒーターは、積層体
の積み重ね方向又は横の配列方向と平行にして炉内に形
成されたインナーボックスの内側に配設されていること
が好ましい。本発明のような補助ヒーターの加熱によっ
て、熱が接合体の金属板に均一かつスムーズに伝わるの
で、積層体各一個当たりに与える熱量を従来よりも厳し
い範囲で調節することが可能となり、セラミックス板と
金属板とが容易に接合し、また積層体間の温度分布が少
なくなるので歩留りが向上し、生産性が高まる。

【００２１】本発明の更なる好適な態様について説明す
ると、上記補助ヒーターによる加熱を行うに際し、接合
体の金属板の１又は２以上の側面を加熱部材と接触させ
ることである。加熱部材はそれ自身がヒーター機能を有
するものであることが好ましいが、そうでなくともよ
い。炉内のインナーボックス内の熱を積層体の金属板に
速やかに伝えることのできるような材質又は熱容量を有
するものであればよい。このような材質としてはカーボ
ンが好都合であるが、熱伝導率の良い銅等の金属であっ
てもよい。但し、積層体の金属板と反応して融着するよ
うな材質のものは不適当である。

【００２２】本発明で好適な加熱部材は、図１に示され
るように、枠体（３）と押し板（４）と上記押し板の押
圧手段（５）とから構成されてなる治具である。図１
は、加熱部材である治具に積層体（１）を配列収納し、
それを炉内のインナーボックス（１３）内に配置し、イ
ンナーボックスの外側に配設されたメインヒーター（１
４）と内側に配設された補助ヒーター（１２）により、
加熱される状態を示す部分概略側面図である。なお、１
５は炉壁である。

【００２３】図１に示される積層体（１）は、枠体
（３）の左端板と押し板（４）との間にスペーサー
（２）を介して配列され、積層体の金属板の側面は枠体
（３）の底板と接触しており、積層体全体がネジ式の押
圧手段（５）によって押圧されている。この場合におい
て、治具全体がカーボン等のようにヒーター機能を有す
るものであることが好ましい。また、押圧手段は、ネジ
式が望ましいが、積層体を固定できる程度であればバネ
式等の別の方式であってもよい。

【００２４】上記のような加熱部材（治具）に積層体を
配列させることの別の利点は、積層体を固定する押圧力
を変化させることによって、金属板又はセラミックス板
と活性金属ろう材との濡れ性を調節することが可能とな
ることである。これによって、従来のように積層体を縦
方向に積み重ね、最上部に重し材を置く方法では接合す
ることができなかった温度においても接合が可能となっ
たことである。また、金属板とセラミックス板との熱膨
張差によって生じるズレの問題も回避することができた
ことである。更には、積層体の熱処理個数は、従来の積
み重ね法では一単位体あたりせいぜい２０個程度であっ
たが、これを８０個程度に増加することができ、大幅に
生産性が向上したことである。

【００２５】

【実施例】以下、本発明を実施例と比較例をあげて更に
具体的に説明する。

【００２６】実施例１〜３ 比較例１ 窒化アルミニウム粉末９６重量部、焼結助剤（イットリ
ア）４重量部、表面処理剤（オレイン酸）２重量部を振
動ミルで予備混合した後、有機結合材（エチルセルロー
ス）８重量部、可塑剤（グリセリントリオレート）３重
量部及び水１２重量部を配合してミキサーで混合し、こ
れを押出成型した。次いで、押出成型体を１２０℃×５
分間の乾燥を行った後、４８０℃で１０時間空気中で脱
脂を行い、１８６０℃×２時間の焼成を行った。得られ
た焼結体を６０ｍｍ×３６ｍｍ×０．６５ｍｍのサイズ
に加工し、表面をホーニング処理して窒化アルミニウム
板を製造した。

【００２７】銀粉末９０重量部、銅粉末１０重量部、ジ
ルコニウム粉末３重量部、チタン粉末３重量部及びテル
ピネオール１５重量部と有機結合剤（ポリイソブチルメ
タアクリレートのトルエン溶液）を固形分で全体に対し
５重量％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窒化アルミニウム板の両面に
スクリーン印刷によって全面に塗布した。その際の塗布
量（乾燥後）は９ｍｇ／ｃｍ² とした。

【００２８】次に、図２に示されるように、ろう材ペー
スト〔接合材（９）〕の塗布された窒化アルミニウム板
〔セラミックス板（８）〕の片面に６０ｍｍ×３６ｍｍ
×０．３ｍｍの銅板〔金属板（７）〕を、また反対面に
は６０ｍｍ×３６ｍｍ×０．１５ｍｍの銅板〔金属板
（７）〕をそれぞれ接触配置して積層体（１）を形成し
た。

【００２９】上記積層体を、実施例１では図３のように
２０個積み重ねて重し材（１１）を載せ、その１８単位
体を、炉内に形成されたインナーボックス（１３）内で
あって、その内部を上下の二部屋に分割された各々の部
屋に、棚板（６）の上に均等に配置し、真空度１×１０
^-5Ｔｏｒｒ以下の真空下、表１に示す種々の温度で３０
分間保持した後、２℃／分の降温速度で冷却して接合体
を製造した。

【００３０】なお、本実施例で使用した炉は、炉壁（１
５）に箱型状カーボン製インナーボックス（１３）が形
成され、その内部が上下の二部屋に仕切られてなるもの
であって、インナーボックスの外側にはカーボン製メイ
ンヒーター（１４）が、また内側には積層体の積み重ね
方向と平行にカーボン製補助ヒーター（１２）が配設さ
れてなるものである。そして、加熱は、まずメインヒー
ターのみで７５０℃まで加熱し１時間保持後、補助ヒー
ターを働かせて表１に示す接合温度に温度調節を行っ
た。

【００３１】実施例２では、図４のように上記積層体の
２０個を横方向に配列し、その両端部をカーボン製支持
部材（図示せず）で支え、その１８単位体を、積層体の
横の配列方向と平行にカーボン製補助ヒーター（１２）
が配設されたインナーボックス（１３）内に配置したこ
と以外は、実施例１と同様に加熱・冷却して接合体を製
造した。

【００３２】実施例３では、図１のように上記積層体の
８０個を加熱部材（１０）である治具に配列収納し、そ
の１８単位体を、積層体の横の配列方向と平行にカーボ
ン製補助ヒーター（１２）が内側に配設されたインナー
ボックス内に配置したこと以外は、実施例１と同様に加
熱・冷却して接合体を製造した。

【００３３】また、比較例１では、インナーボックスと
補助ヒーターのない炉を用いた事以外は、実施例１と同
様に加熱・冷却して接合体を製造した。

【００３４】上記で得られた接合体の銅板上にＵＶ硬化
タイプのエッチングレジストをスクリーン印刷で塗布
後、塩化第２銅溶液を用いてエッチング処理を行って銅
板不要部分を溶解除去し、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や活性
金属成分と窒化アルミニウム板との反応物があるので、
それを除去するため、温度６０℃、１０％フッ化アンモ
ニウム溶液に１０分間浸漬した。

【００３５】これら一連の処理を経て製作された、一方
の面に銅回路、反対面に放熱銅板の形成された窒化アル
ミニウム基板について、各１８単位体より１枚ずつサン
プルを抜き取り、放熱銅板側から押した場合の３点曲げ
強度を、スパン３０ｍｍ、クロスヘッドスピード０．５
ｍｍ／ｍｉｎの条件で測定した。また、耐ヒートサイク
ル試験を、気中、−４０℃×３０分保持後、２５℃×１
０分間放置、更に１２５℃×３０分保持後、２５℃×１
０分間放置を１サイクルとして行い、銅回路又は放熱銅
板が剥離開始したヒートサイクル回数を測定した。試験
体１８個の結果を表１に示す。

【００３６】

【表１】

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば、ヒートサイクル等の熱
衝撃、熱履歴に対する耐久性が大きく、パワージュール
基板の製作に好適なセラミックスと金属板とからなる接
合体を歩留りよく、しかも生産性を高めて製造すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】加熱部材である治具に配列収納された積層体が
加熱される状態を示す部分概略側面図。

【図２】積層体の概略側面図

【図３】縦方向に積み重ねられた積層体が加熱される状
態を示す部分概略正面図。

【図４】横方向に配列された積層体が加熱される状態を
示す部分概略側面図。

【符号の説明】 １ 接合体 ２ スペーサー ３ 枠体 ４ 押し板 ５ 押圧手段 ６ 棚板 ７ 金属板 ８ セラミックス板 ９ 接合材 １０ 加熱部材 １１ 重し材 １２ 補助ヒーター １３ インナーボックス １４ メインヒーター １５ 炉壁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−310581（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−222003（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−18683（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C04B 37/02 H05K 1/00 - 3/46 F27D 7/00 - 15/02

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミックス板と金属板とを接合材を介
   して又は介さないで積層されてなる積層体の一個又は複
   数個を、スペーサーを介して又は介さないで、縦方向に
   積み重ねるか又は横方向に押圧配列して、炉内のインナ
   ーボックス内に配置し、上記インナーボックスの外側に
   配設されたメインヒーターと上記インナーボックスの内
   側に配設された補助ヒーターにより上記積層体を加熱す
   ることを特徴とするセラミックス板と金属板からなる接
   合体の製造方法。
2. 【請求項２】 補助ヒーターが、積層体の積み重ね方向
   又は横の配列方向と平行になるようにインナーボックス
   の内側に配設されていることを特徴とする請求項１記載
   の接合体の製造方法。
3. 【請求項３】 接合体の金属板の１又は２以上の側面を
   加熱部材に接触させてなることを特徴とする請求項１又
   は２記載の接合体の製造方法。
4. 【請求項４】 セラミックスが窒化アルミニウム、金属
   が銅又は銅合金、接合材が活性金属を含むろう材、加熱
   部材がカーボン製治具であることを特徴とする請求項３
   記載の接合体の製造方法。