JP4018264B2

JP4018264B2 - アルミニウム−窒化アルミニウム絶縁基板の製造方法

Info

Publication number: JP4018264B2
Application number: JP30952198A
Authority: JP
Inventors: 暁山寧
Original assignee: Dowa Holdings Co Ltd; Dowa Mining Co Ltd
Current assignee: Dowa Holdings Co Ltd
Priority date: 1998-10-16
Filing date: 1998-10-16
Publication date: 2007-12-05
Anticipated expiration: 2018-10-16
Also published as: JP2000124585A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はアルミニウム−窒化アルミニウム絶縁基板の製造方法、特に、高圧大電力電子部品の実装や、特に高信頼性が要求される自動車用電子部品の実装に好適な金属／セラミックス絶縁基板の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来パワーモジュールのような高圧大電力電子部品の実装に使用する基板として、セラミックス基板の表面に銅板を接合して作製された銅張りセラミックス複合基板が使用されている。この複合基板は、使用されるセラミックスの種類及び製造方法によって、銅／アルミナ直接接合基板、銅／窒化アルミニウム直接接合基板、銅／アルミナろう接基板、及び銅／窒化アルミニウムろう接基板に分けられる。
【０００３】
このうち、銅／アルミナ直接接合基板は、特開昭５２−３７９１４号公報に開示されているように、酸素を含有する銅板を使用するか、無酸素銅板を使用して酸化性雰囲気中で加熱することによって無酸素銅板の表面に酸化銅層を形成してから、銅板とアルミナ基板を重ねて不活性雰囲気中で加熱し、銅板とアルミナ基板との界面に銅とアルミニウムとの複合酸化物を生成させ、銅板とアルミナ基板とを接合する方法で製造されている。
【０００４】
一方、銅／窒化アルミニウム直接接合基板の場合には、予め窒化アルミニウム基板の表面に酸化物を形成する必要がある。例えば特開平３−９３６８７号公報に開示するように、予め空気中において、約１０００℃の温度で窒化アルミニウム基板を処理し、表面に酸化物を生成させてから、この酸化物を介して上述の方法により銅板と窒化アルミニウム基板とを接合している。
【０００５】
また銅／アルミナろう接基板及び銅／窒化アルミニウムろう接基板は、銅板とセラミックス基板を活性金属のチタンまたはジルコニウムを含む銅系または銀銅合金系ろう材を用いるろう接法で製造されている。
【０００６】
上述のような銅／セラミック絶縁基板は広く使用されているにも関わらず、銅とセラミックスの熱膨張係数の差に起因する熱応力によって、電子部品の実装の際、及び使用中にセラミックス基板の内部にクラックが形成し、基板の表裏間の短絡が発生する。絶縁基板の重要な評価項目の１つヒートサイクル耐量、即ち、絶縁基板を−４０℃から１２５℃まで繰り返し加熱、冷却する際の、セラミックス基板にクラックが発生するまでの循環回数は僅か５０回前後である。
【０００７】
これを改善する為に、近年、銅の代わりに軟らかいアルミニウムを回路材料として使うアルミニウム／セラミックス基板が開発されるようになった。
【０００８】
銅と同じように、優れた電気と熱伝導性を有するアルミニウムを絶縁基板の回路材料として使う構想は以前からあった。例えば特開昭５９−１２１８９０号公報にはＡｌ／アルミナ基板及びＡｌ／窒化アルミニウム基板に関連する記述がある。実開平２−６８４４８号公報と実開平３−５７９４５号公報にはそれぞれＡｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｇｅ系ろう材を使って作製したＡｌ／アルミナ、Ａｌ／窒化アルミニウムろう接基板が開示されている。
【０００９】
しかしながら、Ａｌ自身が非常に酸化しやすいため、室温においてＡｌの表面は常に酸化膜によって覆われている。温度が高くなるとこの酸化膜は分解しやすくなるが、８００℃においてもＡｌ−Ａｌ₂０₃系の酸素平衡分圧は１０^-40Ｐａであり、通常のろう接温度６６０℃以下では、Ａｌ表面に酸化膜が残存する。酸化膜残存の状態でろう接すると、Ａｌの濡れ性が悪いため、接合界面に未接欠陥が生じ、接合強度のバラツキは非常に大きい。特に窒化アルミニウムセラミックスの場合、ろう接は非常に困難である。これを改善するために、実開平２−６８４４８号公報と実開平３−５７９４５号公報の発明者らは更に窒化アルミニウムセラミックスを酸化性雰囲気中において加熱し、表面にアルミナを形成してから上述のろう材でろう接する方法（特開平４−１２５５４号公報）、表面にアルミナを形成し、その上に更にＳｉＯ２層を形成してから上述のろう材でろう接する方法（特開平３−１２５４６３号公報）を発明した。
【００１０】
本発明者らは以前からＡｌ表面の酸化膜の影響に着目し、Ａｌ表面の酸化膜を除去してから、Ａｌと窒化アルミニウム等のセラミックスを接合する溶湯接合法（特許第２６４２５７４号、特開平７−２７６０３５号公報）を発明した。即ち、不活性雰囲気において、Ａｌ溶湯にセラミックスを挿入し、Ａｌ溶湯でセラミックスを濡らしてから、セラミックスの表面に溶湯を所定の形状に凝固させ、Ａｌとセラミックスを接合させる方法である。この方法で窒化アルミニウムとＡｌとの高強度接合を実現させ、ヒートサイクル耐量３０００回以上のＡｌ／窒化アルミニウム基板の作製に成功した。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の接合方法においては、Ａｌ−Ｓｉ合金ろう材、Ａｌ−Ｇｅ合金ろう材を使ってＡｌ／窒化アルミニウムをろう接するときに、窒化アルミニウムの表面に予め酸化膜を形成しなければならない。また溶湯接合法でＡｌと窒化アルミニウムを接合する場合、溶湯を所定の形状に凝固させる為のダイスが必要である。即ち、次のような欠点があった。
【００１２】
１．酸化処理によって窒化アルミニウム自身の強度は低くなり、Ａｌ／窒化アルミニウム基板の強度は低くなる。半導体の実装工程及び使用中において、窒化アルミニウム基板の割れが生じ、半導体装置の絶縁不良の発生率は高くなる。
【００１３】
２．窒化アルミニウムの表面に酸化膜を形成しても、Ａｌ表面及び上記ろう材の表面の酸化膜に起因する未接欠陥の発生を完全には防止できない。
【００１４】
３．市販されている窒化アルミニウム基板の表面は平らではなく、表面に凹凸があり、反りがある。従って、溶湯接合法で接合する時に基板は反った状態で接合され、その上に形成されたＡｌ板の厚みは不均一になり、その後のエッチング工程でエッチング不良が発生する。
【００１５】
４．Ａｌ−Ｓｉ、Ａｌ−Ｇｅ系ろう材でろう接する場合、窒化アルミニウムの表面に酸化膜を形成する工程が必要である。また、溶湯接合法で接合する場合、窒化アルミニウム基板のサイズ、厚み及びその上に接合するＡｌの厚みに合うダイスが必要である。何れの場合にも余分のコストがかかる。
【００１６】
５．Ａｌ合金ろう材は一般に箔状或いはＡｌにクラッドした状態で使用されている。特にＡｌ−Ｓｉ系の箔状ろう材或いはクラッド材は既にＪＩＳ標準化し、ＡｌとＡｌ、或いはＡｌとセラミックスとのろう接に広く使用されている。特に、特開昭６０−７１５７９号公報、或いは上述のＡｌとセラミックスとのろう接に関する発明にこのようなろう材を使用している。しかしながら、上記のように、市販されている窒化アルミニウム基板の表面には凹凸があり、ろう接の時にろう材と窒化アルミニウムを重ねると、その間に隙間ができ、この隙間の存在により、加熱時ろう材表面の酸化が更に進み、未接不良は発生する。
【００１７】
上記のように、ろう接法は窒化アルミニウムと銅との接合に一般的に応用されているにもかかわらず、この方法を窒化アルミニウムとＡｌとの接合に応用した場合、未接欠陥が発生しやすい、また窒化アルミニウムの表面に予め酸化膜を形成しなければならないような問題点がある。
【００１８】
一方、本発明者らが開発した溶湯接合法の知見に基づいて、ろう材表面の酸化膜を除去し、或いは改質すれば、Ａｌと窒化アルミニウムとの接合状態が改善される可能性がある。本発明はろう接の方法またはろう材を改良し、Ａｌと窒化アルミニウムとの直接ろう接の実現を計るために鋭意研究したところ、ろう材に貴金属の銀を添加し、またペースト状のろう材を窒化アルミニウムの表面に直接塗布することによって、Ａｌと窒化アルミニウムとのろう接状態が大幅に改善できることを見いだし、本発明を完成することができたものである。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明のアルミニウム−窒化アルミニウム絶縁基板の製造方法は、窒化アルミニウム基板の両面にＡｇを２０重量％以上含むＡｇとＡｌからなるＡｇ−Ａｌ合金ペースト状ろう材を形成し、このようにした窒化アルミニウム基板を挟むようにこれにＡｌ板材を重ねて、真空中でＡｌの融点以下の温度に加熱し窒化アルミニウム基板の表面にＡｌ板をろう接した後、湿式エッチング法により所望形状のＡｌ回路及びベース板を形成し、更に、Ａｌ板材の全面または一部にＮｉめっき層を形成することを特徴とする。
【００２０】
また、本発明のアルミニウム−窒化アルミニウム絶縁基板の製造方法は、窒化アルミニウム基板の両面にＡｇを２０重量％以上含み、さらにＳｉを１〜１０重量％含むＡｇ、ＳｉおよびＡｌからなるＡｇ−Ｓｉ−Ａｌ合金ペースト状ろう材を形成し、このようにした窒化アルミニウム基板を挟むようにこれにＡｌ板材を重ねて、真空中でＡｌの融点以下の温度に加熱し窒化アルミニウム基板の表面にＡｌ板をろう接した後、湿式エッチング法により所望形状のＡｌ回路及びベース板を形成し、更に、Ａｌ板材の全面または一部にＮｉめっき層を形成することを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施例を説明する。
【００２２】
本発明においては、Ａｌ及びＡｇ粉末に一定量の有機物バインダー及び溶剤を入れて均一に混ぜた後、三本ロールを通し、印刷用のペースト状のろう材を作製し、このろう材を窒化アルミニウム基板の表面上に、所定の形状及び厚みに直接印刷した後、所定の温度に加熱し、乾燥する。同じ手順で窒化アルミニウム基板の裏面にもろう材を形成し、このようにしてろう材が形成された窒化アルミニウム基板にこれを挟む形でＡｌ板を重ね、その上に重りを乗せて真空中で一定の温度に加熱し、ろう材中のバインダー、溶剤を除去した後、更にろう材の溶融温度以上、Ａｌの融点以下の温度に加熱し、ろう接を行う。
【００２３】
次いで、窒化アルミニウム基板の表面にろう接されたＡｌ板上に所定形状のエッチングレジストを形成し、塩化鉄溶液で不要部分を除去し、所定形状のＡｌ回路を形成し、Ａｌの表面の所定部分に耐酸、耐アルカリ熱乾燥型めっきレジストを所定の形状に印刷し、ジンケート処理を施した後、Ｎｉめっき層を形成する。
【００２４】
この場合、窒化アルミニウム基板上にだけろう材を印刷したため、ろう接するときにろう材とＡｌ板との間に隙間ができる可能性がある。しかし隙間があってもろう材と窒化アルミニウムとの濡れ性と比べて、ろう材とアルミニウムとの濡れ性は非常に良いため、上記隙間は実用上特に問題がない。
【００２５】
なお、上記のように印刷法で密着状態を改善しても、酸化膜が存在した状態では、Ａｌと窒化アルミニウムとの接合強度は非常に低いが、本発明ではろう材に銀を入れたので、接合強度を向上できる。然しながら、銀の添加量が２０重量％より少ない場合その効果は低い。従って、銀の添加量は２０重量％以上にするのが好ましい。
【００２６】
銀を添加する場合、Ａｌ−Ａｇ合金粉末を作ってからペースト状のろう材を作る方法と、Ａｌ粉とＡｇ粉を機械的に混ぜてペースト状ろう材とする方法がある。前者の場合、銀の分散性がよく、虫食い欠陥が発生しにくい利点が考えられるが、合金粉末を作るのに余分のコストがかかるようになる。
【００２７】
銀の添加による強度向上の原因は解明されていないが、銀は貴金属であり酸化しにくいため、銀の添加により、Ａｌろう材表面の酸化状態が改善されるためであると考えられる。
【００２８】
また、Ａｌ板の溶解を防ぐ為には、ろう材の溶融温度を低くすることが好ましい。また、ろう接強度を更に改善するために、窒化アルミニウムと反応しやすいような活性金属を添加することが好ましい。このため、Ａｌ−Ａｇ合金ろう材に更に１〜１０重量％のＣｕ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｔｉを一種以上添加する。またその添加方法としてはＡｌ合金粉末を作ってからペースト状ろう材を作るのが理想的であるが、それぞれの粉末を機械的に混ぜて、ペースト状ろう材にしても良い。
【００２９】
更に、ペースト状ろう材の中にＡｌを入れなくても、ろう接の時に上記Ａｌ板が溶けて、Ａｌとの合金元素のろう材が自動的にできるため、Ｔｉ，Ｍｇ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｃｕを含む銀合金系ろう材及び銀系ろう材を使用しても良い。
【００３０】
ろう材ペースト中のバインダー及び溶剤を除去するための脱脂工程はろう接と同時に実施しても良いが、バインダー及び溶剤を効率良く除去するためには、Ａｌ板を重ねない状態でまず脱脂作業を実施し、その後Ａｌ板を重ねてろう接するのが好ましい。
【００３１】
次に本発明の窒化アルミニウムとＡｌとの接合基板の製造方法をより具体的に説明する。
【００３２】
（実施例１）
【００３３】
市販されているＡｌ粉、Ａｇ粉とアクリル系溶液を用い、Ａｌ粉、Ａｇ粉、ビヒクルの重量比を８０：２０：１５になるよう配合し、自動乳鉢で混合した後、３本ロールを３回以上通し、２０重量％のＡｇを含むＡ１−Ａｇのペースト状ろう材を作製した。このろう材を市販されている窒化アルミニウム基板（イワキガラス株式会社製、厚み０．６３５ｍｍ）の表面に厚さ２０μｍになるように、所定の形状に印刷し、大気中において８０℃で３０分加熱し、ろう材を乾燥した。同じ手順で窒化アルミニウム基板の裏面にも所定形状のろう材を形成した。更に、このろう材が印刷された窒化アルミニウム基板を挟む形で市販されたＡｌ板（ＪＩＳ１０５０、厚み０．５ｍｍ）を重ね、１０^-5ｔｏｒｒの真空中において５００℃で３時間加熱し脱脂処理した後、６２０℃で１時間加熱しろう接を行った。
【００３４】
次いで、窒化アルミニウム基板の表面にろう接されたＡｌ板上に所定形状のエッチングレジストを形成し、塩化鉄溶液で不要部分を除去し、所定形状のＡｌ回路を形成した。Ａｌの表面の所定部分に耐酸、耐アルカリ熱乾燥型めっきレジストを所定の形状に印刷し、ジンケート処理を施した後、厚さ３．５μｍの無電解Ｎｉめっき層を形成した。更に有機溶剤を使って、メッキレジストを溶かし、最終製品の部分めっきＡｌ−窒化アルミニウム絶縁基板を作製した。
【００３５】
Ａｌ−窒化アルミニウム絶縁基板を超音波探傷法で検査し、未接欠陥の無いことを確認した。更に、Ａｌと窒化アルミニウム基板の界面にカッターを押し入れてＡｌの一部を剥がし、ピール強度測定用のサンプルを作製し、ピール強度を測定した。ピール強度は３．５ｋｇ／ｃｍであった。
【００３６】
（実施例２）
【００３７】
実施例１と同じようにＡｌ−窒化アルミニウム基板を作製し、超音波検査とピール強度測定を行った。但し、ろう材の組成は３０重量％のＡｇを含むＡｌ−Ａｇとし、ろう接温度は６００℃とした。作製したＡｌ−窒化アルミニウム基板のピール強度は４．７ｋｇ／ｃｍであった。
【００３８】
（実施例３）
【００３９】
実施例１と同じようにＡｌ−窒化アルミニウム基板を作製し、超音波検査とピール強度測定を行った。但し、ろう材の組成は５６重量％のＡｇを含む共晶組成のＡｌ−Ａｇとし、ろう接温度は５８０℃とした。作製したＡｌ−窒化アルミニウム基板のピール強度は３．８ｋｇ／ｃｍであった。
【００４０】
（実施例４）
【００４１】
実施例３と同じようにＡｌ−窒化アルミニウム基板を作製し、超音波検査とピール強度測定を行った。但し、ろう材はＡｇろう材とした。作製したＡｌ−窒化アルミニウム基板のピール強度は４．１ｋｇ／ｃｍであった。
【００４２】
（実施例５）
【００４３】
実施例４と実質的に同じようにＡｌ−窒化アルミニウム基板を作製し、超音波検査とピール強度測定を行った。但し、ろう材としては、更にＳｉ粉を添加し、２０重量％のＡｇと１０重量％のＳｉを含むＡｌ−Ａｇ−Ｓｉのろう材を作製した。作製したＡｌ−窒化アルミニウム基板のピール強度は５．９ｋｇ／ｃｍであった。
【００４４】
（実施例６）
【００４５】
実施例５と同じようにＡｌ−窒化アルミニウム基板を作製し、超音波検査とピール強度測定を行った。但し、ろう材としては、Ｓｉ粉の代わりにＣｕ粉を添加し、２０重量％のＡｇと２０重量％のＣｕを含むＡｌ−Ａｇ−Ｃｕのろう材を作製し、６００℃でろう接を行った。作製したＡｌ−窒化アルミニウム基板のピール強度は３．６ｋｇ／ｃｍであった。
【００４６】
（実施例７）
【００４７】
実施例６と同じようにＡｌ−窒化アルミニウム基板を作製し、超音波検査とピール強度測定を行った。但し、ろう材としては、Ｓｉ粉の代わりにＣｕ粉を添加し、４０重量％のＡｇと１０重量％のＳｉを含むＡｌ−Ａｇ−Ｃｕのろう材を作製し、５６０℃でろう接を行った。作製したＡｌ−窒化アルミニウム基板のピール強度は８．０Ｋｇ／ｃｍであった。
【００４８】
（実施例８）
【００４９】
実施例７と同じようにＡｌ−窒化アルミニウム基板を作製し、超音波検査とピール強度測定を行った。但し、ろう材としては、Ｓｉ粉の代わりにＣｕ粉を添加し、６０重量％のＡｇと１０重量％のＳｉを含むＡｌ−Ａｇ−Ｃｕのろう材を作製し、５６０℃でろう接を行った。作製したＡｌ−窒化アルミニウム基板のピール強度は１０Ｋｇ／ｃｍであった。
【００５０】
（比較例１）
【００５１】
厚さ２０μｍの箔状の１０重量％のＳｉを含むＡｌ−Ｓｉろう材を使って、１０^-5ｔｏｒｒの真空中において６２０℃で１時間加熱しＡｌ板と窒化アルミニウム基板とのろう接を行った。その後実施例１と同じようにＡｌ−窒化アルミニウム絶縁基板を作製し、超音波検査とピール強度測定を行った。この絶縁基板には１９％の未接部が有り、ピール強度は１．５ｋｇ／ｃｍであった。
【００５２】
（比較例２）
【００５３】
実施例１と同じようにＡｌ−窒化アルミニウム絶縁基板を作製し、超音波検査とピール強度測定を行った。但し、使用したろう材はＡｇを含まず、１０重量％のＳｉを含むＡｌ−Ｓｉペースト状ろう材であり、作製した絶縁基板のピール強度は１．２ｋｇ／ｃｍであった。
【００５４】
（比較例３）
【００５５】
実施例１と同じようにＡｌ−窒化アルミニウム絶縁基板を作製し、超音波検査とピール強度測定を行った。但し、使用したろう材はＡｇを含まず、３３重量％のＣｕを含むＡｌ−Ｃｕ共晶合金ペースト状ろう材とした。作製した絶縁基板のピール強度は１ｋｇ／ｃｍ未満であった。
【００５６】
（比較例４）
【００５７】
実施例１と同じようにＡｌ−窒化アルミニウム絶縁基板を作製し、超音波検査とピール強度測定を行った。但し、使用したろう材はＡｇを含まず、６０重量％のＳｎを含むＡｌ−Ｓｎペースト状ろう材とし、ろう接温度は６００℃であった。作製した絶縁基板のピール強度は１ｋｇ／ｃｍ未満であった。
【００５８】
（比較例５）
【００５９】
実施例１と同じようにＡｌ−窒化アルミニウム絶縁基板を作製し、超音波検査とピール強度測定を行った。但し、使用したろう材はＡｇを含まず、１０重量％のＺｎを含むＡｌ−Ｚｎペースト状ろう材とし、ろう接温度は６３０℃であった。作製した絶縁基板のＡｌ板にピンホール欠陥があり、ピール強度は１ｋｇ／ｃｍ未満であった。
【００６０】
（比較例６）
【００６１】
実施例１と同じようにＡｌ−窒化アルミニウム絶縁基板を作製し、超音波検査とピール強度測定を行った。但し、使用したろう材はＡｇを１０重量％しか含まないＡｌ−Ａｇペースト状ろう材とし、ろう接温度は６４０℃であった。作製した絶縁基板のピール強度は１．５ｋｇ／ｃｍであった。
【００６２】
以上の結果を表１に示す。
【００６３】
【表１】

【００６４】
図１は、上記Ａｌ−窒化アルミニウム絶縁基板の断面図を示し、１は窒化アルミニウム基板、２はろう材、３はアルミニウム回路、４はアルミニウムベース板である。
【００６５】
【発明の効果】
上記のように本発明によれば、窒化アルミニウム基板の表面処理工程を省略でき、未接欠陥のないＡｌ−窒化アルミニウム絶縁基板を低コストで製造できるようになる大きな利益がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明において製造するＡｌ−窒化アルミニウム基板の断面図である。
【符号の説明】
１窒化アルミニウム基板
２ろう材
３アルミニウム回路
４アルミニウムベース板

Claims

窒化アルミニウム基板の両面にＡｇを２０重量％以上含むＡｇとＡｌからなるＡｇ−Ａｌ合金ペースト状ろう材を形成し、
このようにした窒化アルミニウム基板を挟むようにこれにＡｌ板材を重ねて、真空中でＡｌの融点以下の温度に加熱し窒化アルミニウム基板の表面にＡｌ板をろう接した後、
湿式エッチング法により所望形状のＡｌ回路及びベース板を形成し、更に、Ａｌ板材の全面または一部にＮｉめっき層を形成することを特徴とするアルミニウム−窒化アルミニウム絶縁基板の製造方法。
窒化アルミニウム基板の両面にＡｇを２０重量％以上含み、さらにＳｉを１〜１０重量％含むＡｇ、ＳｉおよびＡｌからなるＡｇ−Ｓｉ−Ａｌ合金ペースト状ろう材を形成し、
このようにした窒化アルミニウム基板を挟むようにこれにＡｌ板材を重ねて、真空中でＡｌの融点以下の温度に加熱し窒化アルミニウム基板の表面にＡｌ板をろう接した後、
湿式エッチング法により所望形状のＡｌ回路及びベース板を形成し、更に、Ａｌ板材の全面または一部にＮｉめっき層を形成することを特徴とするアルミニウム−窒化アルミニウム絶縁基板の製造方法。
窒化アルミニウム基板の両面に銀からなる銀ペースト状ろう材を形成し、
このようにした窒化アルミニウム基板を挟むようにこれにＡｌ板材を重ねて、真空中でＡｌの融点以下の温度に加熱し窒化アルミニウム基板の表面にＡｌ板をろう接した後、湿式エッチング法により所望形状のＡｌ回路及びベース板を形成し、更に、Ａｌ板材の全面または一部にＮｉめっき層を形成することを特徴とするアルミニウム−窒化アルミニウム絶縁基板の製造方法。