JP3939979B2 - Nitride ceramic copper circuit board and power module - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーモジュール用基板やスイッチングモジュール用基板等に代表される、大きな電流の流れを許容する窒化物セラミックス銅回路基板に関する。
【0002】
【従来の技術】
パワーモジュール用基板やスイッチングモジュール用基板等に代表される、大きな電流の流れを許容する窒化物セラミックス銅回路基板は、一般に窒化アルミニウムや窒化ケイ素に代表される窒化物セラミックスから成る基板の表面に銅板から成る所定パターンの金属回路板をろう付けすることにより形成されている。
【0003】
このような窒化物セラミックス銅回路基板は、まず、窒化物セラミックスから成る基板を準備して、その表面にペースト状のAg−Cu−Ti等の活性ろう材を介して所定の回路形状に形成した銅から成る金属回路板を位置決め載置するとともに荷重を加え、次にこれら積層した基板、活性ろう材、および金属回路板を真空炉中に投入するとともに所定の温度に昇温することにより活性ろう材を溶融させ、基板および金属回路板と活性ろう材との間に反応層を形成させて基板と金属回路板とを接合することにより製作される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来の窒化物セラミック銅回路基板においては、基板への金属回路板の接合が、基板の表面に活性ろう材ペーストを介して金属回路板を載置させた後、これを不活性雰囲気中、活性ろう材ペーストの液層線温度以上の温度である約900℃に加熱することによって行われていることから、活性ろう材の量を多くすると活性ろう材ペーストが大きく溶け広がり、この溶け広がった活性ろう材によって隣接する金属回路板間で電気的に短絡してしまうという問題点を有していた。
【0005】
このような問題点を解決する手段として、活性ろう材ペーストの量を少なくし、ろう材層の厚みを薄くし、活性ろう材の広がりを抑制する手法がある。しかしながら、活性ろう材ペーストの厚みを薄くすると、窒化物セラミックスから成る基板の表面に金属回路板を接合する際、窒化物セラミックス固有のうねり部を埋めるための活性ろう材の量が不足し、基板と金属回路板との間にボイドが発生し、その結果、ろう付け強度の低下や金属回路板上に実装される半導体素子の発熱によって発生する熱サイクルによる金属回路板の剥がれの起点になるという問題点を有していた。
【0006】
本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑み案出されたものであり、活性ろう材の量が十分で窒化物セラミックスから成る基板と銅からなる金属回路板との接合が強固で、かつ金属回路板間で電気的に短絡の発生しない窒化物セラミックス銅回路基板を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の窒化物セラミック銅回路基板は、窒化物セラミックスからなる基板と、前記基板上に並設された複数の金属回路板と、前記基板の表面に設けられており、前記複数の金属回路板を前記基板に接合する活性ろう材と、前記複数の金属回路板間に、表面を露出させた状態で前記基板と接するように設けられた窒化物セラミックスの酸化膜と、を備える。
【0008】
また、本発明の窒化物セラミック銅回路基板は、前記複数の金属回路板の表面に、ニッケル層が被着されていることを特徴とする。
【0009】
本発明の窒化物セラミック銅回路基板は、前記酸化膜の厚みが0.2〜4μmであることを特徴とする。
【0010】
本発明のパワーモジュールは、上述のいずれかに記載の窒化物セラミックス銅回路基板と、前記銅回路基板に搭載された電子部品とを有することを特徴とする。
【0011】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を添付の図面に基づいて詳細に説明する。図1は、本発明の窒化物セラミックス銅回路基板の実施の形態の一例を示す断面図である。この図において、1は窒化物セラミックスから成る基板、2は酸化膜、3は活性ろう材、4は銅から成る金属回路板である。
【0012】
窒化物セラミックスから成る基板1は、その形状が正方形や長方形、あるいは略正方形や略長方形であり、上面にそれぞれ活性ろう材3を介して銅から成る複数の金属回路板4がろう付けされている。窒化物セラミックスから成る基板1は、銅から成る金属回路板4を支持する支持部材として機能し、窒化ケイ素や窒化アルミニウム等の窒化物質焼結体で形成されている。
【0013】
このような窒化物セラミックスから成る基板1は、例えば基板1が窒化ケイ素から成る場合、窒化ケイ素や酸化アルミニウム・酸化マグネシウム等の原料粉末に酸化イットリウムや酸化セシウム・酸化サマリウム・酸化エルビニウム・酸化イッテリビウム・酸化ルテニウム等の希土類元素から成る焼結助剤粉末と適当な有機バインダーや可塑剤・溶剤等とを添加混合して泥しょう物となすとともにこの泥しょう物を従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法を採用することによってセラミックグリーンシート(セラミック生シート)を形成し、次にセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施し所定形状となすとともに、必要に応じて複数枚を積層して成形体となし、しかる後、これを窒素雰囲気等の非酸化性雰囲気中、1600〜2000℃の高温で焼成することによって製作される。
【0014】
また、窒化物セラミックスから成る基板1は、その表面に銅から成る金属回路板4が活性ろう材3を介してろう付けされている。
【0015】
銅から成る金属回路板4は、例えば銅のインゴット(塊)に圧延加工法や打ち抜き加工法等、従来周知の金属加工法を施すことによって、厚さが500μm程度で所定パターン形状に製作される。
【0016】
なお、このような銅から成る金属回路板4は無酸素銅を用いると、無酸素銅はろう付けの際に銅の表面が銅中に存在する酸素により酸化されることなく活性ろう材3との濡れ性が良好となり、窒化物セラミックスから成る基板1への活性ろう材3を介しての接合を強固とすることができる。従って、銅から成る金属回路板4はこれを無酸素銅で形成しておくことが好ましい。
【0017】
さらに、窒化物セラミックスから成る基板1に銅から成る金属回路板4をろう付け取着する活性ろう材3は、基板1と金属回路板4とを接合する接合材としての作用をなし、例えば、銀ろう材(銀:72重量%、銅:28重量%)に活性金属であるTi、Zr、Hf、Nbおよび/またはその水素化合物の少なくとも1種を2〜5重量%添加したものが好適に使用され、また、これに適当な有機バインダー、可塑剤、溶剤を添加混合して得た金属ペーストを基板1の表面に周知のスクリーン印刷法により所定パターンに印刷塗布しておくことによって窒化物セラミックスから成る基板1の表面に所定パターンに被着される。
【0018】
なお、活性金属の量が2重量%未満となると活性金属の絶対量が不足して活性ろう材3を基板1に強固に接着させることができなくなる危険性があり、また5重量%を超えると活性金属と基板1との間に脆弱な反応層が厚く形成され、結果的に活性ろう材3と基板1との接着強度が低下してしまう危険性がある。従って、活性金属の添加量は2〜5重量%の範囲にしておくことが好ましい。
【0019】
基板1への金属回路板4の接合は、基板1上に金属回路板4を間に活性ろう材3を挟んで載置し、次にこれを真空中もしくは不活性雰囲気中で所定温度(約900℃)で加熱処理し、活性ろう材3を溶融するとともに基板1の上面と金属回路板4の下面とに接合させることによって行われる。
【0020】
なお、本発明においては、窒化物セラミックスから成る基板1に銅から成る金属回路板4を接合する前に、基板1の表面を酸化処理して、金属回路板4間に位置する基板1の表面に、基板1を構成する窒化物セラミックスを酸化してなる酸化膜2形成しておくことが重要である。
【0021】
本発明の窒化物セラミックス銅回路基板によれば、活性ろう材3間に位置する基板1の表面に窒化物セラミックスを酸化して成る酸化膜2を形成したことから、酸化膜の活性ろう材3に対する濡れ性が窒化物セラミックスの活性ろう材3に対する濡れ性に対して悪いために、活性ろう材3が基板1表面の銅から成る金属回路板4間に大きく溶け広がることはなく、その結果、金属回路板4間で電気的に短絡することはない。また、活性ろう材3が基板1表面の金属回路板4間に大きく溶け広がることがないことから、活性ろう材3の量を多くすることができ、その結果、基板1と金属回路板4との接合を強固なものとすることができるとともに基板1と金属回路板4との間にボイドが発生することもない。
【0022】
このような活性ろう材3間に位置する基板1の表面の酸化膜2は、次に述べる方法により形成される。まず、窒化物セラミックスが例えば窒化ケイ素である場合、あらかじめ基板1を大気中で1000〜1500℃の温度で30〜120分間加熱することによって、窒化ケイ素の成分であるケイ素と大気中の酸素とが結合してなる酸化膜2が基板1の表面全体を覆うように形成される。次に、銅から成る金属回路板4が活性ろう材3を介して接合される領域の酸化膜2を除去する。酸化膜2の除去は、ホーニング処理にて行えばよい。ホーニング処理としては、エッチング加工やプレス加工により酸化膜2を除去したい部分の形状に加工したメタルマスク等の保護マスクをあらかじめ準備し、次に、この保護マスクを酸化膜2の形成された基板1上に固定し、しかる後、アルミナ球状粉末等の研磨剤を添加した水溶液等を用いてホーニング処理を行うことにより、酸化膜2の不要な部分、すなわち基板1表面の活性ろう材3を介して金属回路板4が接合される部分の酸化膜2を除去することができる。
【0023】
また、本発明の窒化物セラミックス銅回路基板においては、酸化膜2の厚みを0.2〜4μmの範囲とすることが好ましい。酸化膜の厚みが0.2μm未満であると、活性ろう材3が酸化膜2の表面に広がってしまう危険性があり、また、4μmを超えると窒化物セラミックスから成る基板1と酸化膜2の界面にクラック等が生じてしまう危険性がある。従って、酸化膜2はその厚みが0.2〜4μmの範囲に特定される。
【0024】
また、金属回路板3の表面にニッケルから成る、良導電性で、かつ耐蝕性および活性ろう材3との濡れ性が良好な金属をめっき法により被着させておくと、金属回路板3と外部電気回路との電気的接続を良好と成すとともに金属回路板3に半導体素子等の電子部品を強固に接着させることができる。
【0025】
さらに、ニッケルめっき層は燐(P)を8〜15重量%含有させたニッケル−燐のアモルファス合金としておくとニッケル層の表面酸化を良好に防止することができる。なお、ニッケルめっき層に含有される燐が8重量%未満となるとニッケルめっき層は酸化しやすいニッケル−燐の多結晶構造と成って金属回路板3に半導体素子等の電子部品を半田等の接着材を介して強固に電気的に接続することができず、また、15重量%を超えるとニッケルめっき層を形成する際、燐が単独に、また優先的に析出してニッケル−燐のアモルファス合金を形成することができなくなる。従って、ニッケルめっき層の内部に含有される燐の量は8〜15重量%の範囲に特定され、好適には10〜15重量%の範囲がよい。
【0026】
なお、金属回路板3の表面に被着されるニッケルめっき層は、その厚みが1.5μm未満の場合、金属回路板3の表面をニッケルめっき層で完全に被覆することができず、金属回路板3の酸化腐蝕を有効に防止することができなくなり、また3μmを超えるとニッケルめっき層の内部に内在する内在応力が大きくなってセラミック基板1に反りや割れ等が発生してしまう。特にセラミック基板1の厚さが700μm以下の薄いものになった場合にはこのセラミック基板1の反りや割れ等が顕著となってしまう。従って、金属回路板3の表面に被着されるニッケルメッキ層は、その厚みを1.5〜3μmの範囲としておくことが好ましい。
【0027】
かくして、本発明の窒化物セラミックス銅回路基板によれば、活性ろう材3間に位置する基板1の表面に窒化物セラミックスを酸化して成る酸化膜2を形成したことから、活性ろう材ペーストが液相線温度以上の温度で加熱されても金属回路板4間に大きく溶け広がることがないため、隣接する金属回路板4間が電気的に短絡する事が無く、また活性ろう材3中にボイドがないため、窒化物セラミックスから成る基板1と金属回路板4との接合強度が高く、また信頼性の高い基板1とすることができる。
【0028】
なお、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能である。
【0029】
【発明の効果】
本発明の窒化物セラミックス銅回路基板によれば、活性ろう材間に位置する基板の表面に窒化物セラミックスを酸化して成る酸化膜を形成したことから、酸化膜の活性ろう材に対する濡れ性が窒化物セラミックスの活性ろう材に対する濡れ性に対して悪いために、活性ろう材が基板表面の銅から成る金属回路間に大きく溶け広がることはなく、その結果、金属回路板間で電気的に短絡することはない。
【0030】
また、酸化膜の厚みを0.2〜4μmとしたことから、活性ろう材が金属回路板間に濡れ広がることはなく、また、基板に酸化膜を強固に被着させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の窒化物セラミックス銅回路基板の実施の形態の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
1・・・・・・・窒化物セラミックスから成る基板
2・・・・・・・酸化膜
3・・・・・・・活性ろう材
4・・・・・・・銅から成る金属回路板[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a nitride ceramic copper circuit board that allows a large current flow, such as a power module board and a switching module board.
[0002]
[Prior art]
Nitride ceramic copper circuit boards that allow large current flow, such as power module boards and switching module boards, are generally copper plates on the surface of nitride ceramics represented by aluminum nitride and silicon nitride. It is formed by brazing a metal circuit board having a predetermined pattern.
[0003]
For such a nitride ceramic copper circuit board, first, a substrate made of nitride ceramics was prepared and formed on the surface thereof into a predetermined circuit shape via an active brazing material such as paste-like Ag-Cu-Ti. The metal circuit board made of copper is positioned and mounted, and then a load is applied. Next, the laminated board, the active brazing material, and the metal circuit board are placed in a vacuum furnace and heated to a predetermined temperature. It is manufactured by melting the material, forming a reaction layer between the substrate and the metal circuit board and the active brazing material, and bonding the substrate and the metal circuit board.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in this conventional nitride ceramic copper circuit board, the metal circuit board is bonded to the board after the metal circuit board is placed on the surface of the board via the active brazing paste, and then the inert circuit is used. The active brazing paste is melted and spread when the amount of the active brazing filler metal is increased, because it is heated to about 900 ° C, which is higher than the liquidus line temperature of the active brazing paste. The spread active brazing material has a problem that an electrical short circuit occurs between adjacent metal circuit boards.
[0005]
As means for solving such a problem, there is a method of reducing the amount of the active brazing material paste, reducing the thickness of the brazing material layer, and suppressing the spread of the active brazing material. However, if the thickness of the active brazing material paste is reduced, the amount of the active brazing material for filling the undulations inherent to the nitride ceramic is insufficient when the metal circuit board is bonded to the surface of the substrate made of nitride ceramic. A void is generated between the metal circuit board and the metal circuit board, and as a result, the metal circuit board is peeled off due to a decrease in brazing strength or a heat cycle generated by heat generated from the semiconductor element mounted on the metal circuit board. Had problems.
[0006]
The present invention has been devised in view of the problems of the prior art. The amount of the active brazing material is sufficient, the bonding between the substrate made of nitride ceramics and the metal circuit board made of copper is strong, and the metal An object of the present invention is to provide a nitride ceramics copper circuit board that does not cause an electrical short circuit between circuit boards.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The nitride ceramic copper circuit board of the present invention is provided on a substrate made of nitride ceramics, a plurality of metal circuit boards arranged side by side on the board, and a surface of the board, and the plurality of metal circuit boards An active brazing material that joins the substrate to the substrate, and a nitride ceramic oxide film provided between the plurality of metal circuit boards so that the substrate is in contact with the surface exposed.
[0008]
The nitride ceramic copper circuit board of the present invention is characterized in that a nickel layer is deposited on the surfaces of the plurality of metal circuit boards.
[0009]
The nitride ceramic copper circuit board of the present invention is characterized in that the oxide film has a thickness of 0.2 to 4 μm.
[0010]
A power module according to the present invention includes the nitride ceramic copper circuit board according to any one of the above and an electronic component mounted on the copper circuit board.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of an embodiment of a nitride ceramic copper circuit board according to the present invention. In this figure, 1 is a substrate made of nitride ceramics, 2 is an oxide film, 3 is an active brazing material, and 4 is a metal circuit board made of copper.
[0012]
The
[0013]
For example, when the
[0014]
The
[0015]
The
[0016]
When the oxygen-free copper is used for the
[0017]
Furthermore, the active brazing
[0018]
If the amount of the active metal is less than 2% by weight, there is a risk that the absolute amount of the active metal is insufficient and the active brazing
[0019]
The
[0020]
In the present invention, before the
[0021]
According to the nitride ceramic copper circuit board of the present invention, since the oxide film 2 formed by oxidizing the nitride ceramic is formed on the surface of the
[0022]
The oxide film 2 on the surface of the
[0023]
In the nitride ceramic copper circuit board of the present invention, the thickness of the oxide film 2 is preferably in the range of 0.2 to 4 μm. If the thickness of the oxide film is less than 0.2 μm, there is a risk that the
[0024]
Further, if a metal made of nickel, which has good conductivity, corrosion resistance, and good wettability with the
[0025]
Furthermore, when the nickel plating layer is made of a nickel-phosphorus amorphous alloy containing 8 to 15% by weight of phosphorus (P), the surface oxidation of the nickel layer can be satisfactorily prevented. When the phosphorus content in the nickel plating layer is less than 8% by weight, the nickel plating layer has a nickel-phosphorus polycrystalline structure that is easily oxidized, and an electronic component such as a semiconductor element is bonded to the
[0026]
When the thickness of the nickel plating layer deposited on the surface of the
[0027]
Thus, according to the nitride ceramic copper circuit board of the present invention, since the oxide film 2 formed by oxidizing the nitride ceramic is formed on the surface of the
[0028]
In addition, this invention is not limited to the above-mentioned Example, A various change is possible if it is a range which does not deviate from the summary of this invention.
[0029]
【The invention's effect】
According to the nitride ceramic copper circuit board of the present invention, since the oxide film formed by oxidizing nitride ceramics is formed on the surface of the substrate located between the active brazing materials, the wettability of the oxide film to the active brazing material is improved. Due to the poor wettability of nitride ceramics to the active brazing material, the active brazing material does not melt and spread between the metal circuits made of copper on the substrate surface, resulting in an electrical short circuit between the metal circuit boards. Never do.
[0030]
Further, since the thickness of the oxide film is 0.2 to 4 μm, the active brazing material does not spread between the metal circuit boards, and the oxide film can be firmly attached to the substrate.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an example of an embodiment of a nitride ceramic copper circuit board according to the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記基板上に並設された複数の金属回路板と、A plurality of metal circuit boards arranged side by side on the substrate;
前記基板の表面に設けられており、前記複数の金属回路板を前記基板に接合する活性ろう材と、An active brazing material that is provided on the surface of the substrate and joins the plurality of metal circuit boards to the substrate;
前記複数の金属回路板間に、表面を露出させた状態で前記基板と接するように設けられた窒化物セラミックスの酸化膜と、An oxide film of nitride ceramic provided between the plurality of metal circuit boards so as to be in contact with the substrate with a surface exposed;
を備えた窒化物セラミックス銅回路基板。Nitride ceramics copper circuit board.
前記銅回路基板に搭載された電子部品とを有することを特徴とするパワーモジュール。A power module comprising: an electronic component mounted on the copper circuit board.
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