JP3997293B2

JP3997293B2 - 点接合または線接合を有する金属−セラミックス複合基板の製造方法

Info

Publication number: JP3997293B2
Application number: JP34479495A
Authority: JP
Inventors: 正美桜庭; 正美木村; 潤二中村; 隆司小野
Original assignee: Dowa Metaltech Co Ltd
Current assignee: Dowa Metaltech Co Ltd
Priority date: 1995-12-06
Filing date: 1995-12-06
Publication date: 2007-10-24
Anticipated expiration: 2015-12-06
Also published as: JPH09157055A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、金属とセラミックスとを接合して複合基板と成す製造方法並びに基板自体に関し、特にろう材を部分的に点接合あるいは線接合させることによって耐熱衝撃性や通炉耐量に優れた複合基板を提供することを目的とする。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、金属としての銅板とセラミックス基板としての窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板とを接合する方法として、特開昭６０−１６６１６５号公報記載の「窒化物系セラミックスと金属との接合方法」に開示する活性金属ろう接法や、銅板と窒化アルミニウム基板とをそれらの表面を改質させて直接接合するＤＢＣ法（例えば特開昭５６−１６３０９３号公報）等が知られている。
【０００３】
このうち活性金属ろう接法は、ＤＢＣ法に比較して接合強度が高く、得られた接合体はヒートサイクルに対して耐久性が高い等の特性を有することから、酸化物系セラミックス基板以外の例えば窒化物セラミックス基板と銅板との接合に多用されるようになった。
【０００４】
上記活性金属ろう接法に使用されるろう材としては、Ａｇ−Ｃｕ−活性金属（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆのいずれか１種）からなるろう材（特開昭６０−１６６１６５号公報）や、Ａｇ−Ｃｕ−水素化チタンからなる活性金属ペースト材（特開平３−１０１１５３号公報）が実用化されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記ろう材を用いて窒化アルミニウム基板の上下面に銅板を接合して回路基板を形成することは実用化されているが、近年の回路用基板には、大電力化に対応できるよう、放熱性、電気絶縁性に加え、より高強度でかつ耐熱衝撃性に優れた基板の開発が望まれていた。また東芝「特開平７−９４６２３」の浮きパターンもあるが、端子付け部分は耐熱衝撃性は優れているものの、浮きパターン部以外は従来と同程度の耐熱衝撃性しかなかった。
【０００６】
したがって本発明の目的は、従来のろう接合法によって得られる複合基板より優れた耐熱衝撃性を有する複合基板とその製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は上記目的を達成すべく鋭意研究した結果、従来公知の活性金属ろう材を使用する場合においても、セラミックス基板上に全面塗布するのでなく、丸形や角形の部分的点状あるいは線状にろう材を塗布することによって、熱応力の小さい複合基板を得ることができることを見出し、本発明を提案することができた。
【０００８】
すなわち、本発明は第１に、金属板とセラミックス基板とをろう材で接合して複合基板を製造する方法において、上記ろう材をセラミックス基板上に点状または線状と部分全面とに相互に隣接させて塗布する第１工程と、次いで該ろう材上に金属板を重ね、加熱接合して金属−セラミックス基板接合体を得る第２工程と、得られた接合体の金属板上にエッチングレジストにより回路パターンを形成した後、エッチング処理により前記部分全面塗布部に接合した金属部を半導体搭載部とした金属回路を形成する第３工程とからなることを特徴とする点接合または線接合を有する金属−セラミックス複合基板の製造方法である。
【０００９】
次に本発明は第２に、金属板とセラミックス基板とをろう材で接合して複合基板を製造する方法において、上記ろう材をセラミックス基板上に点状または線状と部分全面とに相互に隣接させて塗布する第１工程と、次いで該ろう材上に金属板を重ね、加熱接合して金属−セラミックス基板接合体を得る第２工程と、得られた接合体の金属板上にエッチングレジストにより回路パターンを形成した後、エッチング処理により前記部分全面塗布部に接合した金属部を半導体搭載部とし前記点状または線状塗布部に接合した金属部を併せ持つ金属回路を形成する第３工程とからなることを特徴とする点接合または線接合を有する金属−セラミックス複合基板の製造方法である。
【００１０】
最後に本発明は第３に、前記第１工程において前記セラミックス基板の裏面に前記ろう材を全面に塗布し、前記第２工程において前記加熱接合の前に該ろう材上に金属板を重ねる、前記第１または第２に記載の製造方法である。
【００１１】
【作用】
本発明において使用するろう材としては、Ａｇ−Ｃｕ系のろう材が好ましく、Ａｇの含有量は６０〜９５重量％、好ましくは６５〜８０重量％範囲内である。またＣｕの含有量は５〜４０重量％、好ましくは２０〜３５重量％範囲内である。ＡｇおよびＣｕの含有量がこれらの範囲を越えると共晶ができにくく、Ｃｕ板あるいはセラミックスとの反応性が悪くなるため接着力が弱くなってしまうからである。
【００１２】
Ａｇ−Ｃｕ系ろう材としては、上記の二種の金属の他に活性金属から成るろう材が好ましい。活性金属を添加することによって接着強度を高めることができる。ここに言う活性金属とは、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆなど周期律表の４Ａ族のうちの少なくとも一種であり、添加形態としては、金属体として、あるいは水素化物として用いてもよく、添加量としては、０．５〜４．５重量％の範囲が好ましい。これは０．５重量％未満では生成される窒化物層が少なくなり接着強度がなく、一方、４．５重量％を越えると逆に接着強度は高くなるものの、残留応力が増大し接合後にクラックが発生しやすくなるという欠点があるからである。
【００１３】
この他、本発明においては酸化物としてＴｉＯやＴｉＯ₂を０．２５〜０．９重量％の範囲で添加することによって、耐ヒートサイクル性、抗折強度、たわみ量、通炉耐量等の特性向上に寄与させている。
【００１４】
従来はこれらの活性金属ろう材をペースト状にして、セラミックス基板に対して所定の形状にあるいは全面に塗布し、その上に金属板を加熱接合していたが、本発明においては上記ろう材を点状あるいは線状に、例えば直径０．３〜１．０mmの円形または０．３〜１．０mm平方の角形状に、０．２〜１．０mmの間隔を空けてセラミックス基板上に印刷する。あるいは他の形態として、幅０．３〜１．０mm×長さ２〜３mmの線を斜線状に０．３〜１．０mmの間隔を空けて印刷する形状でも構わない。上記の点接合や線接合したものは、全面塗布あるいは回路形状にろう材を塗布して加熱接合したものに比べて予め計画的に未接合部分を作り出したものであり、熱衝撃時の基板に対する熱応力が小さくなることから、結果として従来の全面接合基板より耐熱衝撃性や通炉耐量が格段に向上することを見い出し、本発明を提供するに至ったのである。
【００１５】
以下実施例をもって詳しく説明するが、本発明の範囲はこれらに限定されるものではない。
【００１６】
【実施例１】
セラミックス基板１として５３mm×２９mmのＡｌＮ基板を用い、ろう材としては、固形分が７０．０重量％のＡｇ、２７．０重量％のＣｕおよび２．５重量％のＴｉからなる従来公知のろう材ペーストを用いた。セラミックス基板１の表面上には、図１に示すように、ろう材ペーストを直径０．８mmの円形点状に印刷した点状塗布ろう材２と、部分的にろう材を全面印刷した部分全面塗布部３を形成し、この部分全面塗布部３を半導体搭載部とした（第１工程）。
【００１７】
上記点状印刷の面積率を全面印刷に比べ５０％程度に調整したろう材上に、上部金属板４として厚み０．３mmの銅板を接合すると共に、セラミックス基板の裏面には、下部金属板５として厚み０．２５mmの銅板を全面塗布ろう材６によって接合し、これらの接合体を加熱炉中で８３０℃にて焼成して図２に示す金属−セラミックス複合基板を得た（第２工程）。
【００１８】
次いで、上記複合基板の銅板表面に所定の電子回路パターンをエッチングレジストにより形成させた後、塩化第二鉄を主成分とするエッチング液で銅の不要部分を除去し、次いでエッチングレジスト膜を除去することによって図３に示す銅回路部７を有する窒化アルミニウム基板を形成した（第３工程）。
【００１９】
得られた基板表面のろう材の塗布状態は図４に示すように点接合と部分全面接合との境界は明白なものであった。
【００２０】
【実施例２】
セラミックス基板１として５３mm×２９mmのＡｌＮ基板を用い、その表面に、実施例１で用いたＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉペーストろう材を塗布した。塗布の方法としては、全面塗布（従来例）を行った他、直径５mmの円形点状のろう材２をその印刷面積率が１０％、３０％、５０％、７０％となるように調整してセラミックス基板上に塗布を行った。
【００２１】
これらのろう材上に上部金属板４として厚さ０．３mmの銅板を接合すると共に、セラミックス基板の裏面には下部金属板５として厚さ０．２５mmの銅板を全面塗布したろう材６で接合し、加熱炉中で８３０℃の一定温度で加熱接合し、所望の金属−セラミックス複合基板を得た。
【００２２】
得られた各複合基板を用い、これらのピール強度、ヒートサイクル（クラックの発生した回数）、抗折強度、たわみ量、通炉耐量についての特性を調べ、その結果を表１に併せて示した。
【００２３】
【表１】

【００２４】
表１の結果から、本発明例（点接合法）を従来例（全面塗布法）と比較すると、本発明の点接合のろう材印刷面積が１０％の場合においてのみ、ピール強度が市場要求値の１０kg/cm 以下の５．７kg/cm を示すが、本発明例のその他の特性値は従来例に比べて格段に向上していることが明らかとなった。すなわち、表１のデータから、ろう材印刷面積率が３０〜７０％の範囲で接合して得られた金属−セラミックス複合基板が特に耐熱衝撃性に強いものであると判断することができる。
【００２５】
【実施例３】
ろう材ペーストを直径０．８mmの円形点状に印刷する代りに０．８×０．８(mm)の各形点状に印刷したこと以外は実施例２と同じことを繰り返した。
【００２６】
得られた複合基板を用い、ピール強度、ヒートサイクル（クラックの発生した回数）、抗折強度、たわみ量、通炉耐量についての特性を調べた。結果は実施例２の場合とほぼ同様のものであった。
【００２７】
【実施例４】
図４のろう材全面塗布の部分はそのままとし、点状塗布の部分を図５または図６に示すように太さ０．３〜１．０mmの斜線状塗布とし、ろう材２の印刷面積率が７０％、５０％、３０％、１０％となるようにしたこと以外は実施例２と同じことを繰り返して、金属セラミックス複合基板を得た。得られた各複合基板を用い、これらのピール強度、ヒートサイクル、抗折強度、たわみ量、通炉耐量についての特性を調べ、その結果を表２に示した。
【００２８】
【表２】

【００２９】
【発明の効果】
上記のように本発明は、ろう材の塗布形状を従来の全面塗布法に代え、点接合（円形、角形、斜線形）によって未接部を設けて接合するだけであるが、この方法によって耐熱衝撃性に優れた金属−セラミックス複合基板を得ることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１におけるろう材の塗布パターンを示す平面図である。
【図２】本発明の実施例１におけるろう材の塗布パターンを示す断面図である。
【図３】本発明の実施例１におけるエッチング処理後の電子回路を形成した基板の断面図である。
【図４】本発明の実施例１におけるエッチング処理後の電子回路を形成した基板のろう材の塗布パターンを示す平面図である。
【図５】本発明の実施例３および実施例４におけるろう材の塗布パターンを示す平面図である。
【図６】本発明の実施例４におけるろう材の塗布パターンを示す平面図である。
【符号の説明】
１セラミックス基板
２点状塗布ろう材
３部分全面塗布部
４上部金属板
５下部金属板
６全面塗布ろう材
７回路部
８線状塗布ろう材

Claims

金属板とセラミックス基板とをろう材で接合して複合基板を製造する方法において、上記ろう材をセラミックス基板上に点状または線状と部分全面とに相互に隣接させて塗布する第１工程と、次いで該ろう材上に金属板を重ね、加熱接合して金属−セラミックス基板接合体を得る第２工程と、得られた接合体の金属板上にエッチングレジストにより回路パターンを形成した後、エッチング処理により前記部分全面塗布部に接合した金属部を半導体搭載部とした金属回路を形成する第３工程とからなることを特徴とする点接合または線接合を有する金属−セラミックス複合基板の製造方法。
金属板とセラミックス基板とをろう材で接合して複合基板を製造する方法において、上記ろう材をセラミックス基板上に点状または線状と部分全面とに相互に隣接させて塗布する第１工程と、次いで該ろう材上に金属板を重ね、加熱接合して金属−セラミックス基板接合体を得る第２工程と、得られた接合体の金属板上にエッチングレジストにより回路パターンを形成した後、エッチング処理により前記部分全面塗布部に接合した金属部を半導体搭載部とし前記点状または線状塗布部に接合した金属部を併せ持つ金属回路を形成する第３工程とからなることを特徴とする点接合または線接合を有する金属−セラミックス複合基板の製造方法。
前記第１工程において前記セラミックス基板の裏面に前記ろう材を全面に塗布し、前記第２工程において前記加熱接合の前に該ろう材上に金属板を重ねる、請求項１または２に記載の製造方法。