JP3585338B2 - 窒化アルミニウム基板及びその用途 - Google Patents
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【産業上の利用分野】
本発明は、電子部品のパワーモジュール等に使用される窒化アルミニウム基板の改良に関するものであり、特にヒートショックやヒートサイクルに対する耐久性を一段と高めたパワー半導体モジュール基板を提供することを目的とするものである。
【0002】
近年、ロボットや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半導体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、パワー半導体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、良好な熱伝導性を有する窒化アルミニウム基板が利用できるようになったため、その上面に銅などの金属回路を、またその反対面に金属放熱板を形成後、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が実装されている。
【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、電気自動車等に使用されるようになり、より厳しい環境下の使用における耐久性と、更なる小型化の要求があり、それに伴い窒化アルミニウム基板に対しても電流密度を上げるための回路厚みの増加や、ヒートショックやヒートサイクルに対する更なる耐久性の向上が要求されてきている。
【0004】
従来、窒化アルミニウム基板は、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)、アルカリ土類金属酸化物(例えばカルシア)等の焼結助剤を添加し成形後焼成する常圧焼結法と、前記成形体又は窒化アルミニウム単独成形体をホットプレス焼結する方法とにより、一般的に製造されている。この場合において、窒化アルミニウム焼結体表面を厚み10〜50μm削除して窒化アルミニウム基板の抗折強度を高めることも知られている(特開昭63−069763号公報)。
【0005】
一方、銅板と窒化アルミニウム基板の接合方法としては、両者の間に活性金属成分を含むろう材を介在させて加熱接合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窒化アルミニウム基板と銅板とを銅の融点以下、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)などがある。活性金属ろう付け法は、DBC法に比べて次の利点がある。
(1)接合体を得るための処理温度が低いので、窒化アルミニウム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。
(2)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きい。
【0006】
しかしながら、活性金属ろう付け法を用いても、ろう材の融点近傍にまで温度を上げて接合するために、接合体に残留応力が生じてしまい、ヒートショックやヒートサイクルに対する耐久性が十分とはいえなかった。そこで、金属板と窒化アルミニウム基板との接合体をアニール処理して残留応力を緩和することも提案されているが(例えば特開平5−5127号公報)、十分ではなかった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記に鑑み、ろう材の濡れ性に対する新たな指標を設けることによって窒化アルミニウム基板を適正化し、一段とヒートショックやヒートサイクルに対する耐久性を高めたパワー半導体モジュール基板を提供することを目的とするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、窒化アルミニウム焼結体をホーニング処理した後、ろう材に対する濡れ性を向上させるために、N 2 雰囲気中、温度1050〜1300℃で熱処理してなることを特徴とする、ろう材に対する濡れ指標が3以上である窒化アルミニウム基板の製造方法であり、該製造方法により得られる窒化アルミニウム基板の一方の面に金属回路、他方の面に金属放熱板を形成させてなることを特徴とするパワー半導体モジュール基板である。
【0009】
【発明の実施の形態】
本発明で定義される「ろう材に対する濡れ指標」とは、いずれも試薬を用い、Ag粉末/Cu粉末/TiH2 粉末の重量比を72/28/5したもの100重量部に、テルピネオール15重量部とポリイソブチルメタアクリレートの30重量%トルエン溶液を固形分で5重量部加えてよく混練してろう材を調製し、120℃の空気中で10分間以上保持して十分に乾燥させた後、その1gを用いて直径10mm×厚み2mmのペレットを成形し、次いでそれを被測定物である窒化アルミニウム基板上に置き、1×10−4Torrの真空中、温度300〜500℃に保持してポリイソブチルメタアクリレートを十分に分解除去した後、880℃にて30分保持してから2℃/分以上の速度で室温まで冷却して、ペレットの窒化アルミニウム基板上への濡れ広がり面積(S1 )を測定し、W=S1 /S0 により算出された値である。但し、W:基板表面のろう材に対する濡れ指標、S0 :処理前のペレットの面積(=π×102 mm2 )である。なお、(S1 )値は、ノギス等を用いて、広がりの各箇所の直径を5箇所以上にわたって測定し、その平均値を用いるものとする。
【0010】
窒化アルミニウム基板に銅等の金属回路を形成させてなる回路基板の信頼性については、窒化アルミニウム基板自体の強度を向上させることの他に、金属の耐疲労特性を低下させないことも重要なことである。すなわち、金属の機械的特性を低下させないようにして窒化アルミニウム基板と接合させることである。そのためには、窒化アルミニウム基板と金属板とをできるだけ低温、短時間で接合することであるが、その際、ろう材と金属との反応は金属同士の反応であるので大きな問題はないが、ろう材と窒化アルミニウム基板との反応では、界面におけるろう材の濡れ性が大きく影響する。特に、ろう材の濡れ性は、ろう材自身の組成の変更等である程度改善できるが、窒化アルミニウム基板の表面状態によって大きく左右される。
【0011】
これまで、セラミックスの表面状態を推し量る指標としては、表面粗さが一般的であったが、窒化アルミニウム基板と金属板との接合体、特に一段とヒートショックやヒートサイクルに対する耐久性を高めたパワー半導体モジュール基板を得ようとする場合においては、そのような物理量だけでは不十分であり、表面の化学的状態をも含めて、実際のろう材に対してどの程度濡れるかということが重要なことである。
【0012】
本発明の窒化アルミニウム基板は、このような観点で規定されたものであり、上記で定義されたろう材の濡れ指標が3以上の窒化アルミニウム基板である。本発明の窒化アルミニウム基板を用いることによって、銅板等の金属板との接合条件を緩和することができ、一段とヒートショックやヒートサイクルに対する耐久性を高めたパワー半導体モジュール基板を得ることができる。濡れ指標が3未満の窒化アルミニウム基板ではろう材の濡れ性が不足し、所用の接合強度を得るために高温、長時間の接合が必要となり、接合時の残留応力が増加し、所期の目的を達成することができない。
【0013】
本発明の窒化アルミニウム基板は、窒化アルミニウム焼結体を例えば常法によって製造し、それを先ずホーニング処理した後、次いでN2 雰囲気中、温度1050〜1300℃で熱処理(アニール処理)することによって製造することができる。この処理を逆に行うと、結果は上記方法よりもよくない。
【0014】
ホーニング処理としては、平均粒径10〜100μm程度のアルミナ粒子を研磨材とし、圧力2〜5kg/cm2 で吹き付け、研磨量を2〜5μm程度とするのがよい。また、アニール処理において、その雰囲気が空気等の窒素以外の気体もしくは処理温度が1050℃未満では効果が小さく、また1300℃をこえると窒化アルミニウム焼結体中の不純物、例えば焼結助剤相を形成するYAG等が再溶融し濡れ性の改善効果が認められなくなる。処理時間は2〜6時間程度である。
【0015】
本発明のモジュール基板において、窒化アルミニウム基板の一方の面に金属回路、他方の面には金属放熱板を形成する方法としては、両者の接合体をエッチングする方法、金属板から打ち抜かれた金属回路及び/又は金属放熱板のパターンを窒化アルミニウム基板に接合する方法等によって行うことができ、これらの際における金属板又はパターンと窒化アルミニウム基板との接合方法としては、活性金属ろう付け法が使用される。
【0016】
活性金属ろう付け法におけるろう材の金属成分は、銀と銅を主成分とし、溶融時の窒化アルミニウム基板との濡れ性を確保するために活性金属を副成分とする。この活性金属成分は、窒化アルミニウム基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窒化アルミニウム基板との結合を強固なものにする。活性金属成分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合金・化合物である。これらの比率としては、銀80〜95重量部と銅20〜31重量部の合計量100重量部あたり活性金属成分1〜7重量部である。
【0017】
接合温度については、温度が高すぎると金属回路中へのAgの拡散が進み、金属回路の残留応力として残りやすくなる。また、低すぎると十分に金属と窒化アルミニウム基板とが接合しないため、800〜840℃の範囲でろう付けを行う。特に、接合温度までの温度上昇を可能な限り速くすることであり、700℃からの昇温速度は10℃/分以上とすることが望ましい。
【0018】
【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。
【0019】
実施例1〜3 比較例1〜3
重量で、酸素含有量1.1%の窒化アルミニウム粉末96部、焼結助剤(イットリア)4部の合計100部に対し、表面処理剤としてオレイン酸を2部を添加し、振動ミルにて予備混合を行った。更に、有機結合材としてエチルセルロース8部、可塑剤としてグリセリントリオレート3部及び水12部を配合しミキサーで混合した後、それを成型速度1.0m/分、成型圧力55〜70kg/cm2 にて押出成型を行った。その後、遠赤外線にて120℃、5分間乾燥し、480℃で10時間空気中で脱脂した後、1850℃×4時間の焼成を行った。得られた窒化アルミニウム焼結体をホーニング処理した後、アニール処理して窒化アルミニウム基板を製造した。
【0020】
ホーニング処理は、平均粒径20〜30μm程度のアルミナ粒子を圧力2〜4kg/cm2 で吹き付け、表面を3μm程度研磨することによって行った。また、アニール処理は表1に示す条件で行った。
【0021】
比較例4
窒化アルミニウム焼結体を、先ずアニール処理してからホーニング処理したこと以外は、実施例1と同様にして窒化アルミニウム基板を製造した。
【0022】
得られた窒化アルミニウム基板について、上記に従い、ろう材の濡れ指標を測定した。また、上記と同様にして製造された窒化アルミニウム基板を用い、以下に従ってパワー半導体モジュール基板を製造し、ヒートサイクルに対する耐久性を評価した。それらの結果を表1に示す。
【0023】
重量で、銀粉末90部、銅粉末10部、ジルコニウム粉末3部、チタン粉末3部、テルピネオール15部、及びポリイソブチルメタアクリレートの30%トルエン溶液を固形分で5部配合しよく混練して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基板(60mm×36mm×0.65mm)の回路面にスクリーン印刷によって両面に全面塗布した。その際の塗布量(乾燥後)は9mg/cm2 とした。
【0024】
次いで、一方の面には60mm×36mm×0.3mmの銅板を、また他方の面には60mm×36mm×0.15mmの銅板をそれぞれ接触配置してから、真空度1×10−5Torr以下の真空下、温度700℃からの速度を15℃/分として820℃まで昇温し、その温度で30分保持した後、2℃/分の降温速度で冷却して接合体を製造した。
【0025】
次に、この接合体の銅板上の一方の面にパターン率=0.2のL字型パターンに、また他方の面に放熱パターンに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した後、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基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。
【0026】
このようにして得られたパワー半導体モジュール基板について、ヒートサイクル試験を行った。ヒートサイクル試験は、気中、−40℃×30分保持後、25℃×10分間放置、更に125℃×30分保持後、25℃×10分間放置を1サイクルとして行い、銅板が剥離開始したヒートサイクル回数を測定した。
【0027】
【表1】
【0028】
【発明の効果】
本発明によれば、一段とヒートショックやヒートサイクルに対する耐久性を高めたパワー半導体モジュール基板が得られる。
Claims (2)
- 窒化アルミニウム焼結体をホーニング処理した後、ろう材に対する濡れ性を向上させるために、N 2 雰囲気中、温度1050〜1300℃で熱処理してなることを特徴とする、ろう材に対する濡れ指標が3以上である窒化アルミニウム基板の製造方法。
ここで、濡れ指標とは、以下によって定義されるものである。組成が、Ag粉末/Cu粉末/TiH 2 粉末=72/28/5(重量比)であるろう材ペレットを窒化アルミニウム基板上に置き、880℃で加熱してから、加熱後のペレットの面積( S 1 )を加熱前のペレットの面積( S 0 )で除したもの( S 1 /S 0 )である。 - 請求項1記載の製造方法により得られる窒化アルミニウム基板の一方の面に金属回路、他方の面に金属放熱板を形成させてなることを特徴とするパワー半導体モジュール基板。
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