JP4286992B2

JP4286992B2 - Ａｌ回路板用ろう材とそれを用いたセラミックス回路基板

Info

Publication number: JP4286992B2
Application number: JP23787099A
Authority: JP
Inventors: 秀幸江本; 正浩伊吹山; 陽一尾形; 茂雄檜山; 学宇都
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 1999-08-25
Filing date: 1999-08-25
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2019-08-25
Also published as: JP2001062586A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーモジュール等に使用される高信頼性回路基板に関する。
【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、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、ベリリア（ＢｅＯ）、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミックス基板の表裏面にＣｕ、Ａｌ、或いはそれらの金属を成分とする合金等からなる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。この様な回路基板は、樹脂基板或いは樹脂基板と金属基板との複合基板よりも、高絶縁性が安定して得られる特長がある。
【０００３】
セラミックス基板と回路又は放熱板との接合方法として、大別して、ろう材を用いたろう付け法とろう材を用いない方法が知られている。後者の代表的な方法としては、タフピッチ銅板とアルミナをＣｕ−Ｏの共晶点を利用して接合するＤＢＣ法が知られている。
【０００４】
しかし、いずれの方法に於いても、回路の材質がＣｕの場合は、回路とセラミックス基板や半田との熱膨張差に起因して熱応力が発生し、繰り返しの熱履歴によってセラミックス基板や半田にクラックを発生するなどの問題があり、高信頼性が十分ではない。
【０００５】
これに対して、熱伝導性や電気伝導性ではややＣｕに劣るものの、Ａｌを回路材質に選定すれば、熱応力を受けても容易に塑性変形するのでセラミックス基板や半田へかかる応力は緩和され、信頼性が飛躍的に改善されることが期待され、この開発が注目されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Ａｌ回路を有する回路基板の開発上の問題点のうち、高価であることが最大の問題である。Ａｌ回路の形成方法としては、（１）溶融アルミニウムをセラミックス基板に接触、冷却して両者の接合体を製造した後、Ａｌ板を機械研削して厚みを整え、その後エッチングする溶湯法、（２）Ａｌ板又はＡｌ合金板をろう付けしてエッチングする方法があるが、両者ともに通常のＣｕ回路を形成する場合と比較して２〜５倍程度のコストが必要となる。この様にコストが高いことが、特殊用途以外には用途が制限され、広く普及する可能性を制限している。
【０００７】
生産効率の悪い溶湯法は別としても、ろう付け法でＡｌ回路がＣｕ回路よりもコストアップとなる主な原因は、接合条件が非常に狭いことがある。Ａｌの溶融温度（６６０℃）と接合温度（最も一般的なろう材であるＡｌ−Ｓｉ系の場合は、６３０〜６５０℃）とが近いために、充分に接合温度が制御されていないと、局部的にＡｌが溶融してろう接欠陥が生じやすく、それを防いで製造するにはかなりの熟練と労力が必要となるという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、幅広い温度域で接合可能な、従って安定して回路用Ａｌ板とセラミックス基板とを接合することのできる、微量のＭｇを含むＡｌ−Ｇｅ系のＡｌ回路用ろう材を見いだし、更に鋭意検討を重ねて本発明を完成させたものである。
【０００９】
また、本発明の目的は、セラミックス基板にアルミニウムを主成分とする回路が形成されてなる回路基板を、その高信頼性を保持しつつ安価に提供することである。
【００１０】
即ち、本発明は、セラミックス基板とアルミニウムを主成分とする金属板とを接合するろう材であって、Ｇｅを２〜３０重量％、Ｓｉを０〜１３重量％、Ｍｇを０．０５〜５重量％含有するＡｌ合金からなることを特徴とするろう材であり、本発明は前記セラミックス基板が、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素又はアルミナの何れかであることを特徴とするものである。更に、本発明は前記ろう材を介して、セラミックス基板とアルミニウムを主成分とする金属板を接合してなることを特徴とするセラミックス回路基板である。
【００１１】
【発明実施の形態】
セラミックスとアルミニウムの接合材としては、既存のアルミニウム同士の接合ろう材であるＡｌ−Ｓｉ系が使用されており、特開平４−１２５５４号公報及び特開平４−１８７４６号公報にＡｌ−Ｓｉ系ろう材を用いたアルミニウム−セラミックス基板が開示されている。しかし、本発明者らの検討に拠れば、前記開示の技術で作製した接合材のヒートサイクル特性はパワーモジュール用途には不十分なものである。
【００１２】
上述したとおりに、Ａｌの溶融温度（６６０℃）と接合温度（最も一般的なろう材であるＡｌ−Ｓｉ系の場合は、６３０〜６５０℃）と近いため、局部的にＡｌが溶融してろう接欠陥が生じやすく、厳密な温度制御が必要となる。特に、非酸化物セラミックスとの接合の場合、セラミックスの表面に酸化物を形成しなければならなく、製造コストが高くなってしまう。
【００１３】
本発明者らは、液相生成温度（固相線温度）を下げる元素の添加とセラミックス基板及びアルミニウムを主成分とする金属板との界面活性を高める元素の添加により、本発明が目的とするセラミックスの表面処理することなく、幅広い温度域で接合可能でパワーモジュール用途に耐えうるＡｌ回路用ろう材を得ることができるとの考えに立ち、鋭意検討を行った結果、本発明に至ったものである。
【００１４】
本発明の接合ろう材は、Ｇｅを２〜３０重量％、Ｓｉを０〜１３重量％、Ｍｇを０．０５〜５重量％含有するアルミニウム合金である。セラミックス基板と金属板が接合するためには接合ろう材の少なくとも一部が溶融する必要がある。この為、本発明の接合ろう材はＡｌとの共融点が４２０℃と非常に低いＧｅを２〜３０重量％含有するものであり、好ましくは３〜２０重量％含有するものである。Ｇｅが２重量％未満では、接合温度がＡｌの融点近傍まで高くなり、また３０重量％を超えると、接合後のろう材の拡散部が固くなり回路基板の熱履歴に対して不利となる。
【００１５】
Ｓｉは、前記Ｇｅと組み合わせて用いると５７０℃以上の温度域において高Ａｌ含有量ろう材の使用を可能ならしめる。その含有量については、０〜１３重量％、好ましくは０〜８重量％である。しかし、Ｓｉの含有量が１３重量％を越えるときには、Ａｌ回路のろう材拡散部が固くなり回路基板の熱履歴に対して不利となる。
【００１６】
また、Ｍｇは前記Ｇｅと組み合わせて用いて、ろう材の溶融温度を下げるとともにＡｌ金属板及びセラミックス基板の界面活性を高め、接合強度を高める。その含有量については、０．０５〜５重量％、好ましくは０．２〜３重量％である。Ｍｇが０．０５重量％未満ではＡｌ回路の表面酸化皮膜の除去が不十分であり、またセラミックスとの結合層強度が不十分となることがある。また、Ｍｇが５重量％を越えると接合界面が脆くなり、回路基板の熱履歴により界面破壊が起こりやすくなる。
【００１７】
本発明の接合ろう材においては、主成分を構成するＡｌ、Ｇｅ、Ｍｇはもとより、その他の成分を含んでも構わない。例えば、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｉｎ等の成分を５重量％程度以下を含んでいてもよい。
【００１８】
本発明のろう材の形態は、前記組成の合金の箔又は粉末、ないしはこれらの組成からなる混合粉末、更に接合温度以下で前記金属成分を残留する化合物を含む混合粉末のいずれでも良い。この中にあって、本発明においては、酸化物層量が少ない合金箔が接合作業が容易であって、しかも安定した接合が得られることから好ましく、特にＡｌ金属板の厚みに対し１／１０〜１／５０の厚みの合金箔が好ましい。１／５０未満では、十分な接合が難しくなり、また１／１０を越えるとＡｌ回路が硬くなり回路基板の熱履歴に対して不利となる。特に好ましくは、１００μｍ以下の厚みにあって、しかもＡｌ回路の厚みに対して１／１２〜１／４０の厚みである。
【００１９】
上記のように、接合ろう材は、合金箔が好適であるが、該合金の粉末ないしは該組成を有する金属混合粉末を、有機バインダーと溶剤でペースト化したものを使用することもできる。この場合は、酸化に十分な注意が必要であり、金属粉末中の酸素量は１重量％以下、特に０．８重量％以下に調整して使用される。また、上記厚み関係を保持するには、合金箔相当の厚さに換算する必要がある。即ち、充填密度５０％のペースト層１００μｍの場合には、合金箔５０μｍに相当する。
【００２０】
Ａｌ回路の材質は、ＪＩＳ呼称１０００系の純Ａｌは勿論、接合が容易な４０００系のＡｌ−Ｓｉ系合金や６０００系のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金等があるが、なかでも耐力が低く、融点の高い高純度Ａｌが好ましい。また、その厚みは、通常０．３〜０．５ｍｍである。この範囲を著しく逸脱すると、上記好適な厚み関係が維持できなくなることがある。
【００２１】
また、基材となるセラミックスとしては、電気絶縁性で熱伝導性に富むものならばどの様なものでも構わず、例えば、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）や炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化珪素、窒化アルミニウム等を挙げることができるが、これらの内では、電力が大きなパワーデバイスで熱の発生が大きいことを考慮すると絶縁耐圧が高く、熱伝導性の高いことから窒化アルミニウム基板や窒化珪素基板が最も適している。
【００２２】
本発明の回路基板は、Ａｌ板又はＡｌ合金板とセラミックス基板とを上記接合ろう材を用いて加熱接合した後、エッチングする方法、Ａｌ板またはＡｌ合金板から打ち抜かれた回路パターンをセラミックス基板に上記接合ろう材を用いて接合する方法によって製造することができる。
【００２３】
接合材は、セラミックス側、金属板又は回路パターン側のどちらに配置してもよく、また合金箔は、予め金属板又は回路パターンとクラッド化しておいてもよい。
【００２４】
いずれの方法においても、接合温度は、４５０〜６４０℃の範囲にあるが、接合ろう材組成によって適正範囲は異なる。接合に必要な最低温度はＧｅ、ＳｉやＭｇ等の含有量に依存し、それらが多いほど接合温度は低下する。一方、接合温度が６４０℃を越えると、接合時にろう接欠陥（Ａｌ回路に生じた虫食い現象）が生じやすくなるので、好ましくない。また、接合時にセラミックス基板面と垂直方向に１〜５０ｋｇｆ／ｃｍ²で加圧することが好ましい。
【００２５】
【実施例】
以下、実施例と比較例を挙げて、本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれに限定されない。
【００２６】
［実施例１〜４、比較例１〜４］
セラミックス基板として窒化アルミニウム基板を用いた。サイズは５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．６３５ｍｍであり、熱伝導率は、１７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、また三点曲げ強度は平均値で４００ＭＰａである。Ａｌ板としては、純度９９．８５％（ＪＩＳ−Ａ１０８５）の厚み０．４ｍｍのものを準備した。
【００２７】
ろう材である合金箔は次の方法により作製した。市販の純Ａｌ、Ａｌ−１０Ｍｇ合金及びＡｌ−１２Ｓｉ合金インゴット及び塊状Ｇｅを所定量秤取り、アーク溶解炉にて合金化した。溶解した合金を型に流し込み、圧延機を通した薄化とアニールを繰り返し、最終的に厚さ２０μｍの箔とした。作製した合金箔は化学分析により目的とする組成であることを確認した。
【００２８】
窒化アルミニウム基板の両面にＡｌ板を上記の方法により作製した表１の組成の合金ろう箔を介して重ね、垂直方向に４０ｋｇｆ／ｃｍ²で加圧した。そして、１０^-3Ｐａ台の真空中で、４５０〜６００℃の条件で加熱して接合した。接合体は、目視及び超音波探傷による接合不良やろう接欠陥を検査し、各ろう材の接合可能温度域を調べた。この結果を表１に示す。
【００２９】
上記試験の接合最低温度で接合した試料について、片面のＡｌ板表面の所望部分にエッチングレジストをスクリーン印刷して、塩化第二鉄溶液にてエッチング処理して回路パターンを形成した。次いで、レジストを剥離した後、無電解Ｎｉ−Ｐメッキを３μｍ行い、回路基板とした。
【００３０】
その後、回路基板を−４０℃×３０分→室温×１０分→１２５℃×３０分→室温×１０分を１サイクルとするヒートサイクルを３０００回実施した。その後、目視及び超音波探傷による回路板の剥離や窒化アルミニウム基板におけるクラック発生状況等の異常の有無を観察した。この結果を表１に併せて示した。
【００３１】
【表１】

【００３２】
[実施例５]
セラミックス基板として窒化珪素基板を用いた。サイズは５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．６３５ｍｍであり、熱伝導率は、７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、また三点曲げ強度の平均値は７５０ＭＰａである。Ａｌ板としては、純度９９．８５％（ＪＩＳ−Ａ１０８５）の厚み０．４ｍｍのものを用いた。
【００３３】
窒化珪素基板の両面にＡｌ板を実施例１のろう材（厚さ２０μｍの合金箔）を介して重ね、垂直方向に４０ｋｇｆ／ｃｍ²で加圧した。そして、１０^-3Ｐａ台の真空中、温度５７０℃で加熱し接合した。接合体は、目視及び超音波探傷により接合不良やろう接欠陥は認められなかった。
【００３４】
次に実施例１と同じ操作方法で回路基板を作製した。その後、回路基板を−４０℃×３０分→室温×１０分→１２５℃×３０分→室温×１０分を１サイクルとするヒートサイクルを３０００回実施したが、回路間の基板の亀裂や回路の剥離は認められなかった。
【００３５】
[実施例６、比較例５]
実施例１と同じ操作方法で回路基板を作製した。接合用ろう材には、実施例６では１０Ｇｅ−０．５Ｍｇ−残Ａｌ合金粉末（重量比）を、比較例５では４０Ｇｅ−０．５Ｍｇ−残Ａｌ合金粉末（重量比）を、いずれも有機バインダー（ＰＩＭＢＡ）、溶剤（テレペネオール）によりペースト化したものを使用した。また、接合温度は５５０℃とした。接合体は、目視及び超音波探傷により接合不良やろう接欠陥は認められなかった。また、ヒートサイクルを３０００回後も、回路間の基板の亀裂や回路の剥離は認められなかった。
【００３６】
【発明の効果】
本発明のＡｌ回路基板用接合ろう材は、幅広い温度範囲で接合可能であることから生産性に優れ、産業上極めて有用である。そして、本発明のセラミックス回路基板は、前記接合ろう材を用いているので安価であるとともに信頼性が高い特徴を有する。

Claims

Ｇｅが２〜３０重量％、Ｍｇが０．０５〜５重量％、残部がＡｌからなるろう材を介して、窒化アルミニウム基板または窒化珪素基板とアルミニウムを主成分とする金属板とを、接合温度４８０〜５７０℃で、接合時にセラミックス基板面と垂直方向に１〜５０ｋｇｆ／ｃｍ²で加圧して接合することを特徴とする耐ヒートサイクル性に優れたセラミックス回路基板の製造方法。