JP4048914B2

JP4048914B2 - 回路基板の製造方法および回路基板

Info

Publication number: JP4048914B2
Application number: JP2002312593A
Authority: JP
Inventors: 和明久保; 敏之長瀬
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2002-10-28
Filing date: 2002-10-28
Publication date: 2008-02-20
Anticipated expiration: 2022-10-28
Also published as: JP2004146736A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回路基板の製造方法および回路基板に係り、特に、パワーモジュール等に使用される回路基板の製作に有用なセラミックス基板と金属板との接合体の製造に用いて好適な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、パワーモジュール等に利用される半導体装置においては、アルミナ、ベリリア、窒化ケイ素、窒化アルミニウム等のセラミックス基板の表裏面に、Ｃｕ、Ａｌ、それらの金属を成分とする合金等の金属回路と放熱板とがそれぞれ形成されてなる回路基板が用いられている。このような回路基板は、樹脂基板と金属基板との複合基板ないしは樹脂基板よりも、高絶縁性が安定して得られることが特長である。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−３２２０４号公報
【特許文献２】
特開平１０−１７８２７０号公報
【特許文献３】
特開２０００−３３５９８３号公報
【０００４】
セラミックス基板と金属回路又は放熱板の接合方法としては、大別してろう材を用いたろう付け法がある。代表的な例としては、純アルミ板と窒化アルミニウムをＡｌ−Ｓｉの共晶点を利用して接合する方法がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、加熱接合時にセラミックス基板とろう材、および、ろう材と金属板、においてそれぞれの接触が完全でない場合があり、セラミックス基板と金属板との接合が不十分になってしまい製造歩留まりが悪くなり製造コストが上昇するという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、セラミックス基板と金属板との接続面積を増大して接合率を向上し、パワーモジュール用回路基板として充分に高い接合を持つ接合体を容易かつ安価に製造するという目的を達成しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明回路基板の製造方法は、セラミックス基板と金属板とを接触させ、高温下で加圧接合して回路基板を製造する際に、
ろう材粉末によってブラスト処理して前記金属板の接合面積を増大させ、この金属板を前記セラミックス基板と接合することにより上記課題を解決した。
本発明において、前記ろう材粉末が、前記セラミックス基板または前記金属板と加熱した際に、合金としての共晶点が低下するものとされることが望ましい。
また、本発明において、前記ろう材粉末がＳｉを含み、前記金属板がＡｌとされる手段か、前記ろう材粉末がＧｅを含み、前記金属板がＣｕとされる手段か、前記ろう材粉末がＧｅを含み、前記金属板がＡｌとされる手段か、前記ろう材粉末がＣｕを含み、前記金属板がＡｌとされる手段か、前記ろう材粉末がＡｌを含み、前記金属板がＣｕとされる手段を採用することもできる。
本発明回路基板は、上記の製造方法により製造されたことにより上記課題を解決した。
【０００８】
本発明回路基板の製造方法は、ろう材粉末によってブラスト処理することで、ろう材粉末が金属板表面内にくいこむか埋め込まれるため、このろう材と金属板との接触面積を、シート状のろう材を使用した場合に比べて増大することができる。従って、金属板をセラミックス基板に圧接して高温で加圧接合する際に、シート状のろう材を使用するよりもセラミックス基板と金属板の接合状態を良好にすることができ、これにより、充分な接合状態とされた回路基板を製造して、回路基板の製造における歩留まりを向上して、製造コストを制限することが可能となる。
また、ろう材粉末をブラスト処理するだけですむため、金属板とろう材箔との接合部材（クラッド）を製造しこれをセラミックス基板と接合するものに比べて工程数が少なく低コストに製造することが可能となる。さらに、あらかじめ、ろう材粉末のブラスト処理を施したＡｌ板を、プレス加工等により任意のパターン形状に打ち抜き、または、打ち抜き後にブラスト処理を施したＡｌ板を接合することにより、パターニングされた接合体を得ることも可能である。
【０００９】
本発明において、前記ろう材粉末が、前記金属板と加熱した際に、合金としての共晶点が低下するものとされることにより、金属板表面にくい込んだろう材粉末により、金属板の融点よりも低い温度状態の熱処理で、金属板とセラミックス基板とを容易に接合することが可能となる。
【００１０】
具体的には、前記金属板が融点６６０℃のＡｌとされた際に、ろう材としてＳｉ粉末を使用することにより金属板表面で共晶点を５７７℃とすることや、前記金属板が融点１０８３℃のＣｕとされた際に、ろう材としてＧｅ粉末を使用することにより金属板表面で共晶点を６４０℃付近とすることができる。
【００１１】
本発明回路基板は、上記の製造方法により製造されたことで、接合率を向上するとともに製造コストを低減することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る回路基板の製造方法および回路基板の一実施形態を、図面に基づいて説明する。
図１は本実施形態の回路基板の製造方法におけるアルミニウム板を示す断面図（ａ）と、そのブラスト面付近の拡大図（ｂ）であり、図において、符号Ｍはアルミニウム板、Ｂはろう材粉末である。
【００１３】
本実施形態は、セラミックス基板とアルミニウム板（金属板）とを接触させ、高温下で加圧接合して回路基板を製造する回路基板の製造方法である。この際、図１（ａ）に矢印Ａで示すように、ろう材粉末Ｂによってブラスト処理することでアルミニウム板（金属板）Ｍの接合面積を増大させ、この金属板Ｍのブラスト処理した面をセラミックス基板の両面に当接し、この状態で高温加圧接合するものである。
【００１４】
ここで、セラミックス基板としては、例えば、ＡｌＮ，Ａｌ_２Ｏ_３、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等が用いられる。パワーモジュール用回路基板の作製には絶縁性の良好な窒化ケイ素基板又は窒化アルミニウム基板が望ましい。また、セラミックス基板の形状は通常矩形であることが多いが、形状は用途によって適宜選択されるものであり、回路基板の形状に何ら制約を受けるものではない。セラミックス基板の厚さは、要求される回路基板の強さによって異なるが、通常、０．１ｍｍから２．０ｍｍのものが使われる。
【００１５】
接合する金属板Ｍは、本実施形態ではアルミニウムからなる板とされ、特に、９９．９９％程度の純度の高いアルミニウムからなるものとされることが好ましい。
【００１６】
ろう材粉末Ｂは、使用するセラミック基板や金属板Ｍの材質により適宜選択可能であるが、アルミニウム板（金属板）Ｍと加熱した際に、合金としての共晶点が低下するものとされ、本実施形態では、例えばＳｉ粉末や、Ａｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｇｅ系合金、Ａｌ−Ｃｕ系合金が適用可能であり、具体的にはＳｉ粉末とされる。
また、ろう材粉末Ｂは粒径が５μｍ〜１５０μｍのものとされることが好ましく、より好ましくは、１０〜７０μｍ程度の粒径とされる。
【００１７】
本実施形態の製造方法においては、９８．１〜４９０ｋＰａ（１〜５ｋｇｆ／ｃｍ^２）程度の圧力により、ろう材粉末Ｂによってアルミニウム板Ｍをブラスト処理する。これにより、図１（ｂ）に示すように、ろう材粉末Ｂがアルミニウム板Ｍの全表面にくいこむか埋め込まれた状態となり、アルミニウム板Ｍの片側表面における全体に微細な凹凸が形成された状態となる。
次いで、アルミニウム板Ｍ表面に付いた余計なろう材粉末Ｂを払い落とす。
【００１８】
この後、アルミニウム板Ｍのブラスト処理面をセラミックス基板の両面に当接し、均等に加圧した状態で、熱処理炉等に入れることにより、セラミックス基板面内方向においてセラミックス基板とアルミニウム板Ｍとを均一に加熱接合し接合体を形成する。ここで、アルミニウム板Ｍに対して垂直方向に付与する圧力を９．８×１０^−４Ｐａ〜３９．２×１０^−４Ｐａ（１〜４ｋｇｆ／ｃｍ^２）として調整した状態でアルミニウム板Ｍへの加圧状態を維持し、５７７℃以上、具体的には６００〜６５０℃程度の温度条件として加熱接合をおこなう。
この際、アルミニウム板Ｍの接合面積がブラスト処理により増大しているため、アルミニウム板Ｍをセラミックス基板に圧接して高温で加圧接合する際に、シート状のろう材を使用するよりもセラミックス基板とアルミニウム板Ｍとの接合状態を改善することができる。同時に、ろう材粉末Ｂがアルミニウム板Ｍ表面内にくいこむか埋め込まれるため、このろう材粉末Ｂとアルミニウム板Ｍとの接触面積を、シート状のろう材を使用した場合に比べて増大することができる。
【００１９】
図２はＡｌ−Ｓｉにおける金属および合金の状態図である。
ここで、加圧接合時の温度条件を５７７℃以上としたのは、図２に示すように、アルミニウムＡｌとシリコンＳｉとの共晶点が５７７℃であり、ろう材粉末Ｂがアルミニウム板Ｍ表面にくい込んで互いに接していることにより、この５７７℃以上という温度条件で液相を出現させてアルミニウム板Ｍとセラミックス基板とを接合することが可能になるためである。
【００２０】
その後接合体から回路基板を製造する方法として、フルエッチ法では金属板部分を、目的形状とするため、化学エッチング等の方法で不要な金属板及びろう材を除去して、パターニングすなわち金属回路を形成して回路基板を製造する。さらに、パターニングして回路形成後、ハンダ濡れ性や耐候性の向上のために金属部分にＮｉ系などのメッキ処理を施すのが一般的である。メッキ方法は電解メッキ法や無電解メッキ法など特に限定されるものではない。
【００２１】
本実施形態の回路基板およびその製造方法においては、ろう材粉末Ｂによってアルミニウム板Ｍをブラスト処理することで、ろう材粉末Ｂがアルミニウム板Ｍ表面内にくいこむか埋め込まれるため、このろう材とアルミニウムとの接触面積を、シート状のろう材を使用した場合に比べて著しく増大することができる。
【００２２】
従って、アルミニウム板Ｍをセラミックス基板に圧接して高温で加圧接合する際に、シート状のろう材を使用するよりもセラミックス基板とアルミニウム板Ｍの接合状態を良好にすることができ、これにより、充分な接合状態とされた回路基板を製造して、回路基板の製造における歩留まりを向上して、製造コストを制限することが可能となる。
また、ろう材粉末をブラスト処理するだけですむため、アルミニウム板とろう材箔との接合部材（クラッド）を製造しこれをセラミックス基板と接合するものに比べて工程数が少なく製造コストを低減することが可能となる。さらに、あらかじめ、ろう材粉末のブラスト処理を施したＡｌ板を、プレス加工等により任意のパターン形状に打ち抜き、または、打ち抜き後にブラスト処理を施したＡｌ板を接合することにより、パターニングされた接合体を得ることも可能である。
【００２３】
本実施形態において、ろう材粉末Ｂがアルミニウム板Ｍ表面内にくいこむか埋め込まれるために、共晶点まで合金化がすすみ液相を出現させることが可能となる。このため、融点１４３０℃のＳｉを含むセラミックス基板と、融点６６０℃のアルミニウム板Ｍとを加熱した際に、ろう材粉末ＢであるＳｉとアルミニウムとの合金としての共晶点を低下させて、アルミニウム板Ｍの融点よりも低い５７７℃以上程度の温度状態で、アルミニウム板Ｍとセラミックス基板とを容易に接合することが可能となる。
【００２４】
また、金属板Ｍとしてはアルミニウム単層でもよいが、これ以外にも、二種または三種以上のクラッド等の積層体であってもよい。積層体の例をあげれば、Ａｌ−Ｎｉ、Ａｌ−Ｎｉ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｍｏ、Ａｌ−Ｗ、Ａｌ−Ｃｕ等である。これらは、使用目的や接合方法により適宜選択されることができる。
【００２５】
なお、本実施形態では、Ａｌ−Ｓｉ合金系における共晶点の低下を利用したが、金属板を９９．９９％純度のＣｕとするとともに、セラミックス基板をＡｌ_２Ｏ_３からなるものとし、ろう材粉末をＧｅとして、図３に示すようにＣｕ−Ｇｅ合金系の共晶点の低下を利用することもできる。この場合にも、上記の実施形態のように、金属板表面における接合面積の増大の効果を得ることができるのは言うまでもない。
さらに、図示しないが、Ａｌ−Ｃｕ合金系の共晶点の低下を利用することもできる。この場合にも、上記の実施形態のように、金属板表面における接合面積の増大の効果を得ることができる。
【００２６】
なお、接合温度は、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材粉末を用いて無酸素銅板を接合する場合は、８００〜８５０℃、Ｃｕ−Ｇｅ系合金粉末を接合材として用いる場合は、６５０〜７００℃程度である。
【００２７】
また、これ以外にも共晶点の低下を利用できる組み合わせとしては、ＡｌまたはＣｕ板を接合する場合に、Ａｌ−Ｃｕ系合金粉末を接合剤として用いる場合がある。
【００２８】
また、ろう材粉末として、一種類の材質でなく、複数の材質からなるものを混合して適応することができる。例えば、Ｓｉ＋Ａｌ８Ｓｉ等がある。このようにＡｌ８Ｓｉ粉末をＳｉ材粉末に追加することにより、Ｓｉ粉末とＡｌ板の反応性を向上させることが可能となる。
【００２９】
【実施例】
以下、実施例と比較例をあげてさらに具体的に説明する。セラミックス基板として窒化アルミニウム焼結基板を用いた。この窒化アルミニウム焼結基板は窒化アルミニウム粉末に酸化イットリウム粉末３重量％配合しドクターブレード法を用いて成形した成型体を１８７０℃で窒素雰囲気中で焼成して得られた熱伝導率１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、相対密度９９．９％、厚み０．６３ｍｍのものを用いた。
【００３０】
ろう材粉末としては、平均粒径４５μｍのＳｉ粉末を用い、回路形成用としての厚さ０．５ｍｍのアルミニウム板の片側表面をブラスト処理した。このときのブラスト条件としては、吹き付け圧力を０〜９．８×１０^−５Ｐａ（０〜１０ｋｇｆ／ｃｍ^２）の範囲に設定したる。また、粉塵爆発防止のため、ガスは高純度アルゴンを使用した。
【００３１】
このアルミニウム板を窒化アルミからなるセラミックス基板の両面にそれぞれ当接し、セラミックス基板に対して垂直方向に付与する圧力を１９．６×１０^−４Ｐａ（２ｋｇｆ／ｃｍ^２）程度として、真空加熱炉に投入し、１．３×１０^−３Ｐａ（１×１０^−５ｔｏｒｒ）の真空下、６３０℃で１０ｍｉｎ加熱した後、１０℃／ｍｉｎの降温速度で冷却して接合体を製造した。
【００３２】
また、接合強度測定用試料として、長さ１００ｍｍ×５ｍｍ巾のアルミニウム板（ピール）の５ｍｍ×５ｍｍの部分をセラミックス基板に接続し、残りの５０ｍｍ×５ｍｍの部分をセラミックス板の外側につきだした状態として接合体とした後、超音波探傷(ＳＡＴ)で接合状態を観察し、１ｍｍφ以上の未接合部又は５％以上の未接合面積が認められた場合を接合不良とした。その結果を表１，図４に示す。
【００３３】
【表１】

【００３４】
この接合体に対して引き剥がし試験を実施した。
引き剥がし試験としては、セラミックス板縁部から、アルミニウム板（ピール）を引き剥がす方向に荷重をかけて、剥がれた時の荷重を測定した。
その結果を表１，図４に示す。
【００３５】
上記の結果から、吹きつけ圧力によって接合率およびピール強度ともに吹きつけ圧が１７．１×１０^−４Ｐａ〜４０．９×１０^−４Ｐａ（１．５ｋｇｆ／ｃｍ^２〜５ｋｇｆ／ｃｍ^２）の範囲の場合に吹きつけ圧０の場合に比べて結果が向上していることが解る。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の回路基板の製造方法および回路基板によれば、ろう材粉末によってブラスト処理することで、ろう材粉末が金属板表面内にくいこむか埋め込まれるため、このろう材と金属板との接触面積を、シート状のろう材を使用した場合に比べて増大することができる。従って、金属板をセラミックス基板に圧接して高温で加圧接合する際に、シート状のろう材を使用するよりもセラミックス基板と金属板の接合状態を良好にすることができ、これにより、充分な接合状態とされた回路基板を製造して、回路基板の製造における歩留まりを向上して、製造コストを制限することが可能となる。
また、ろう材粉末をブラスト処理するだけですむため、金属板とろう材箔との接合部材（クラッド）を製造しこれをセラミックス基板と接合するものに比べて工程数が少なく低コストに製造することが可能となる。さらに、あらかじめ、ろう材粉末のブラスト処理を施したＡｌ板を、プレス加工等により任意のパターン形状に打ち抜き、または、打ち抜き後にブラスト処理を施したＡｌ板を接合することにより、パターニングされた接合体を得ることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る回路基板の製造方法および回路基板の一実施形態を示す断面図（ａ）およびその拡大図（ｂ）である。
【図２】Ａｌ−Ｓｉにおける金属および合金の状態図である。
【図３】Ｃｕ−Ｇｅにおける金属および合金の状態図である。
【図４】本発明の実施例における吹きつけ圧力と接合率およびピール強度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
Ｍアルミニウム板（金属板）
Ｂろう材粉末

Claims

セラミックス基板と金属板とを接触させ、高温下で加圧接合して回路基板を製造する際に、
ろう材粉末によってブラスト処理して前記金属板の接合面積を増大させ、この金属板を前記セラミックス基板と接合することを特徴とする回路基板の製造方法。
前記ろう材粉末が、前記セラミックス基板または前記金属板と加熱した際に、合金としての共晶点が低下するものとされることを特徴とする請求項１記載の回路基板の製造方法。
前記ろう材粉末がＳｉを含み、前記金属板がＡｌとされることを特徴とする請求項１または２記載の回路基板の製造方法。
前記ろう材粉末がＧｅを含み、前記金属板がＣｕとされることを特徴とする請求項１または２記載の回路基板の製造方法。
前記ろう材粉末がＧｅを含み、前記金属板がＡｌとされることを特徴とする請求項１または２記載の回路基板の製造方法。
前記ろう材粉末がＣｕを含み、前記金属板がＡｌとされることを特徴とする請求項１または２記載の回路基板の製造方法。
前記ろう材粉末がＡｌを含み、前記金属板がＣｕとされることを特徴とする請求項１または２記載の回路基板の製造方法。
請求項１から７のいずれか記載の製造方法により製造されたことを特徴とする回路基板。