JP4323706B2 - セラミック体と銅板の接合方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーモジュールに使用される回路基板の製造に好適なセラミック体と平滑無酸素銅板との接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ロボット・モーター等の産業機器の高性能化にともない、大電力・高効率インバーター等大電力モジュールの変遷が進み、半導体素子から発生する熱も増加の一途をたどっている。この熱を効率よく放散させるため、大電力モジュール基板では従来より様々な方法がとられてきた。最近では、良好な熱伝導を有するセラミックス基板が利用できるようになり、その表裏両面に銅板等の金属板を接合し、エッチングによって一方の面に金属回路、他方の面に放熱金属板を形成させた後、そのままあるいはメッキ等の処理を施し、金属回路部分に半導体素子を実装し、反対面をベース銅板と半田付けし、ヒートシンクに取り付けて使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの分野に使用されている金属回路基板の信頼性に対する要求は、年々厳しくなる一方であり、これまで要求されてきた、セラミック基板の割れや金属回路とセラミック基板との密着強度等だけではなく、金属回路表面特性、すなわちユーザーで行うワイヤボンディング性に対しても高い信頼性を要求されてきた。
【０００４】
この要求を満たすには、表面ができるだけ平滑で光沢があり、しかも酸素量が２０ｐｐｍ以下の無酸素銅板を金属回路の材質とすればよいことが知られていたが、このような無酸素銅板を、チタン、ジルコニウム等の活性金属成分を含有する通常の銀及び／又は銅を主成分とするろう材を用いて窒化アルミニウム基板に接合する場合、所用接着強度を得るための接合温度が約８６０℃と高温となる。これでは、接合された銅の粒成長が過度となり、表面が荒れてしまうので、平滑な無酸素銅板を接合することの意義が薄れ、窒化アルミニウム基板と十分な接合強度をもって接合することはできなかった。
【０００５】
そこで、従来は、Ｎｉメッキを施す前に金属回路表面を研磨し、表面の平滑性を保持することによってワイヤボンディングの信頼性を確保してきた。しかし、研磨工程の付加はそのままコストアップにつながり、しかも研磨工程管理が不十分であると、金属板の損傷や表面性状の不均一性を引き起こし、何かと問題であった。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、窒化アルミニウム又は窒化珪素を主体とするセラミック体と、光沢度１．１以上かつ表面粗さＲｚ１．０以下の無酸素銅板とを、銅の粒成長が過度とならない８３０℃以下の低温で、十分な接合強度をもって接合する方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、窒化アルミニウム又は窒化珪素を主体とするセラミック体と光沢度１．１以上かつ表面粗さＲｚ１．０以下の無酸素銅板とを、金属成分として、銀７５〜８９質量％、銅１〜２３質量％、錫１〜５質量％、チタン、ジルコニウム及びハフニウムから選ばれた少なくとも１種の活性金属成分の金属相当分として１〜６質量％を含んでなる接合ろう材を用い、温度８００〜８３０℃で接合することを特徴とする接合方法である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、更に詳しく本発明を説明する。
【０００９】
ワイヤボンディングに要求されている信頼性の高い銅板表面性状とは、簡単にいうとより平滑であるということである。その平滑さを推し量る尺度として、表面粗さと光沢度がある。比較的大きな範囲（０．１ｍｍ〜数ｍｍ程度）での平滑さは表面粗さという尺度が好ましい。表面粗さの中にも、Ｒａ、Ｒｍａｘ、Ｒｚ等があるが、本発明ではＲｚで評価することが望ましい。比較的小さな範囲（０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍ程度）での平滑さは光沢度という尺度を使用する。本発明でいう光沢度とは、光沢度計（例えばマクベス社製「ＲＤ９１８（Ｇｒｅｔａｇ Ｍａｃｂｅｔｈ」）にてイエローレンジ測定された値である。
【００１０】
本発明においては、比較的大きな範囲（０．１ｍｍ〜数ｍｍ程度）と比較的小さな範囲（０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍ程度）のそれぞれにおいて平滑であることが重要である。すなわち、光沢度１．１以上で、表面粗さＲｚ１．０以下の無酸素銅板が必要となる。光沢度が１．１未満であると、表面の微少部分（０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍ程度）での表面粗さが大きくなり、ワイヤーの密着性が悪くなる。表面粗さＲｚが１．０を超えると、表面の比較的大きな範囲（０．１ｍｍ〜数ｍｍ程度）における表面粗さが大きくなり、ワイヤーの密着が不均一となる。
【００１１】
無酸素銅板の酸素含有量は２０ｐｐｍ以下であることが好ましく、それよりも多くなると、接合ろう材成分中の活性金属成分が酸化され、接合ろう材のセラミック体への反応が妨げられる。
【００１２】
本発明の特徴は、平滑な無酸素銅板とセラミック体とを接合する際に、金属成分として、銀７５〜８９質量％、銅１〜２３質量％、錫１〜５質量％、チタン、ジルコニウム及びハフニウムから選ばれた少なくとも１種の活性金属成分の金属相当分として１〜６質量％を含んでなる接合ろう材を用い、温度８００〜８３０℃で接合することである。
【００１３】
本発明において、接合ろう材の活性金属成分はセラミック体に拡散し、また錫成分は銀成分と無酸素銅板との濡れ性を向上させる結果、セラミック体と無酸素銅板とが、直接、強固に接合する。
【００１４】
本発明の接合ろう材において、銀が７５質量％未満であると、銅と錫の金属間化合物の生成量が増大して接合層が脆弱なものとなり、機械的強度の信頼性が大きく低下する。また、８９質量％を超えると、接合ろう材の無酸素銅板に対する濡れ性が低下し、接合層中にボイドが形成され接合強度が低下する。
【００１５】
銅が１質量％未満であると、接合ろう材自体の融点が低下しないので、８００〜８３０℃の低温において、無酸素銅板又はセラミック体への接合ろう材の濡れ性が低下する。また、２３質量％を超えると、銀銅共晶点組成よりも銅成分が著しく多くなるため、これまた接合ろう材の融点が高くなり、８００〜８３０℃の低温で十分な接合強度をもって接合させることが困難となる。
【００１６】
錫が１％質量未満であると、無酸素銅板が接合ろう材中に溶解する割合が多くなって、接合ろう材の融点が上昇し、接合温度を高めねばならなくなるとともに、接合層にボイドが形成され接合強度が大きく低下する。また、５質量％を超えると、銅と錫の金属間化合物の生成量が増大して接合層が脆弱なものとなり、機械的強度の信頼性が大きく低下する。
【００１７】
チタン、ジルコニウム及びハフニウムから選ばれた少なくとも１種の活性金属成分の金属相当分が１質量％未満であると、セラミック体と接合層との接合強度が弱く、また６質量％を超えると、接合層が脆弱なものとなり、機械的強度の信頼性が低下する。これらの活性金属成分は、それらを成分とする単体又は化合物が使用される。
【００１８】
接合ろう材の金属成分は、それら単体又は合金の箔や粉末をそのまま用いることができるが、好ましくはペーストを調合し、それをセラミック体と無酸素銅板の間に介在させて熱処理することである。ペースト調合の一例を示せば、金属成分１００部（部は質量部、以下同じ）あたり、ＰＩＢＭＡ等の媒体４〜１０部である。ペーストの塗布量は、乾燥基準で９〜１０ｍｇ／ｍ2 とすることが好ましい。
【００１９】
本発明において、接合温度は８００〜８３０℃である。８００℃未満では接合が十分でなくなり、また８３０℃を超えると、無酸素銅板の表面において、銅の粒成長が過度となり、表面粗さが粗くなってしまう。接合雰囲気は真空が好ましい。
【００２０】
本発明で用いられるセラミック体は、窒化アルミニウム又は窒化珪素を主体とするものである。窒化アルミニウムを主体とするものは、強度、熱伝導率、純度が、それぞれ４００ＭＰａ以上、１５０Ｗ／ｍＫ以上、９３％以上であることが好ましく、また窒化珪素を主体とするものは、それぞれ６００ＭＰａ以上、５０Ｗ／ｍＫ以上、９３％以上であることが好ましい。これらのセラミック体には、市販品があるのでそれを用いることができる。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明を実施例、比較例をあげて具体的に説明する。
【００２２】
実施例１〜５ 比較例１〜１１
表１に示す質量割合で、銀粉末、銅粉末、錫粉末、活性金属粉末及びテルピネオールを配合し、ポリイソブチルメタアクリレートのテルピネオール溶液を加えて混練し、接合ろう材ペーストを調製した。この接合ろう材ペーストを窒化アルミニウム基板（サイズ：６０ｍｍ×３６ｍｍ×０．６５ｍｍ 曲げ強さ：５００ＭＰａ 熱伝導率：１５５Ｗ／ｍＫ、純度９５％以上）の両面にロールコーターによって基板全面に塗布した。塗布量は、乾燥基準で９ｍｇ／ｍ2 とした。
【００２３】
つぎに、窒化アルミニウム基板の金属回路形成面には表１に示す無酸素銅板（５６ｍｍ×３２ｍｍ×０．３ｍｍ）を、また金属放熱板形成面には表１に示す種無酸素銅板（５６ｍｍ×３２ｍｍ×０．１５ｍｍ）を接触配置してから、真空度０．１Ｔｏｒｒ以下の真空下、表１に示す温度で３０分加熱した後、６００℃まで急冷し、その後２℃／分の降温速度で冷却した。そして、金属回路形成面には回路パターン状に、金属放熱板形成面に放熱板状にレジストインクをスクリーン印刷してから銅板と接合層のエッチングを行い、回路及び放熱板を形成した。その後、無電解Ｎｉ−Ｐメッキ（厚み３μｍ）を施し回路基板とした。
【００２４】
なお、用いた無酸素銅板の酸素含有量をＬＥＣＯ社「ＯＮ分析計」で測定しところ、いずれも１０ｐｐｍ以下の検出限界以下であることを確認した。光沢度は、マクベス社製光沢度計「ＲＤ９１８（Ｇｒｅｔａｇ Ｍａｃｂｅｔｈ）」を用い、イエローレンジで測定した。表面粗さは、ミツトヨ社製表面粗さ計「サーフテスト３０１」を用い、以下の条件で測定した。
カットオフ値（測定距離）：０．８ｍｍ
測定区間 ：５（上記測定距離を５区間行う）
ピークカウント ：１
【００２５】
回路部へのワイヤボンディングは、Ｎｉ入りＡｌボンディングワイヤ（田中電子工業社製「ＴＡＮＷ 」直径３００μｍ）を用い、ボンディング間距離が１０ｍｍ程度のループが形成されるよう、太線用超音波ボンダー（超音波工業社製「ＳＷ−１−２０Ａ」）を用い、両ボンディング共に３．７Ｗの出力で行った。
【００２６】
ワイヤボンディング強度の測定は、超音波工業社製プルテスター「ＵＪ−２４６−１Ｃ」を用い、ループの頂点を引っ張った際、ワイヤーがちぎれたときのプル強度と、そのときの剥離モードのうち、界面より剥離するものの確率をｎ＝５０にて測定した。これらの結果を表２に示す。
【００２７】
【表１】
【００２８】
【表２】
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、窒化アルミニウム又は窒化珪素を主体とするセラミック体と、光沢度１．１以上かつ表面粗さＲｚ１．０以下の無酸素銅板とを、無酸素銅板の平滑性を損なわせない低温で、十分な接合強度をもって接合することができるため、ワイヤボンディング性に優れた回路基板となる。
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーモジュールに使用される回路基板の製造に好適なセラミック体と平滑無酸素銅板との接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ロボット・モーター等の産業機器の高性能化にともない、大電力・高効率インバーター等大電力モジュールの変遷が進み、半導体素子から発生する熱も増加の一途をたどっている。この熱を効率よく放散させるため、大電力モジュール基板では従来より様々な方法がとられてきた。最近では、良好な熱伝導を有するセラミックス基板が利用できるようになり、その表裏両面に銅板等の金属板を接合し、エッチングによって一方の面に金属回路、他方の面に放熱金属板を形成させた後、そのままあるいはメッキ等の処理を施し、金属回路部分に半導体素子を実装し、反対面をベース銅板と半田付けし、ヒートシンクに取り付けて使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの分野に使用されている金属回路基板の信頼性に対する要求は、年々厳しくなる一方であり、これまで要求されてきた、セラミック基板の割れや金属回路とセラミック基板との密着強度等だけではなく、金属回路表面特性、すなわちユーザーで行うワイヤボンディング性に対しても高い信頼性を要求されてきた。
【０００４】
この要求を満たすには、表面ができるだけ平滑で光沢があり、しかも酸素量が２０ｐｐｍ以下の無酸素銅板を金属回路の材質とすればよいことが知られていたが、このような無酸素銅板を、チタン、ジルコニウム等の活性金属成分を含有する通常の銀及び／又は銅を主成分とするろう材を用いて窒化アルミニウム基板に接合する場合、所用接着強度を得るための接合温度が約８６０℃と高温となる。これでは、接合された銅の粒成長が過度となり、表面が荒れてしまうので、平滑な無酸素銅板を接合することの意義が薄れ、窒化アルミニウム基板と十分な接合強度をもって接合することはできなかった。
【０００５】
そこで、従来は、Ｎｉメッキを施す前に金属回路表面を研磨し、表面の平滑性を保持することによってワイヤボンディングの信頼性を確保してきた。しかし、研磨工程の付加はそのままコストアップにつながり、しかも研磨工程管理が不十分であると、金属板の損傷や表面性状の不均一性を引き起こし、何かと問題であった。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、窒化アルミニウム又は窒化珪素を主体とするセラミック体と、光沢度１．１以上かつ表面粗さＲｚ１．０以下の無酸素銅板とを、銅の粒成長が過度とならない８３０℃以下の低温で、十分な接合強度をもって接合する方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、窒化アルミニウム又は窒化珪素を主体とするセラミック体と光沢度１．１以上かつ表面粗さＲｚ１．０以下の無酸素銅板とを、金属成分として、銀７５〜８９質量％、銅１〜２３質量％、錫１〜５質量％、チタン、ジルコニウム及びハフニウムから選ばれた少なくとも１種の活性金属成分の金属相当分として１〜６質量％を含んでなる接合ろう材を用い、温度８００〜８３０℃で接合することを特徴とする接合方法である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、更に詳しく本発明を説明する。
【０００９】
ワイヤボンディングに要求されている信頼性の高い銅板表面性状とは、簡単にいうとより平滑であるということである。その平滑さを推し量る尺度として、表面粗さと光沢度がある。比較的大きな範囲（０．１ｍｍ〜数ｍｍ程度）での平滑さは表面粗さという尺度が好ましい。表面粗さの中にも、Ｒａ、Ｒｍａｘ、Ｒｚ等があるが、本発明ではＲｚで評価することが望ましい。比較的小さな範囲（０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍ程度）での平滑さは光沢度という尺度を使用する。本発明でいう光沢度とは、光沢度計（例えばマクベス社製「ＲＤ９１８（Ｇｒｅｔａｇ Ｍａｃｂｅｔｈ」）にてイエローレンジ測定された値である。
【００１０】
本発明においては、比較的大きな範囲（０．１ｍｍ〜数ｍｍ程度）と比較的小さな範囲（０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍ程度）のそれぞれにおいて平滑であることが重要である。すなわち、光沢度１．１以上で、表面粗さＲｚ１．０以下の無酸素銅板が必要となる。光沢度が１．１未満であると、表面の微少部分（０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍ程度）での表面粗さが大きくなり、ワイヤーの密着性が悪くなる。表面粗さＲｚが１．０を超えると、表面の比較的大きな範囲（０．１ｍｍ〜数ｍｍ程度）における表面粗さが大きくなり、ワイヤーの密着が不均一となる。
【００１１】
無酸素銅板の酸素含有量は２０ｐｐｍ以下であることが好ましく、それよりも多くなると、接合ろう材成分中の活性金属成分が酸化され、接合ろう材のセラミック体への反応が妨げられる。
【００１２】
本発明の特徴は、平滑な無酸素銅板とセラミック体とを接合する際に、金属成分として、銀７５〜８９質量％、銅１〜２３質量％、錫１〜５質量％、チタン、ジルコニウム及びハフニウムから選ばれた少なくとも１種の活性金属成分の金属相当分として１〜６質量％を含んでなる接合ろう材を用い、温度８００〜８３０℃で接合することである。
【００１３】
本発明において、接合ろう材の活性金属成分はセラミック体に拡散し、また錫成分は銀成分と無酸素銅板との濡れ性を向上させる結果、セラミック体と無酸素銅板とが、直接、強固に接合する。
【００１４】
本発明の接合ろう材において、銀が７５質量％未満であると、銅と錫の金属間化合物の生成量が増大して接合層が脆弱なものとなり、機械的強度の信頼性が大きく低下する。また、８９質量％を超えると、接合ろう材の無酸素銅板に対する濡れ性が低下し、接合層中にボイドが形成され接合強度が低下する。
【００１５】
銅が１質量％未満であると、接合ろう材自体の融点が低下しないので、８００〜８３０℃の低温において、無酸素銅板又はセラミック体への接合ろう材の濡れ性が低下する。また、２３質量％を超えると、銀銅共晶点組成よりも銅成分が著しく多くなるため、これまた接合ろう材の融点が高くなり、８００〜８３０℃の低温で十分な接合強度をもって接合させることが困難となる。
【００１６】
錫が１％質量未満であると、無酸素銅板が接合ろう材中に溶解する割合が多くなって、接合ろう材の融点が上昇し、接合温度を高めねばならなくなるとともに、接合層にボイドが形成され接合強度が大きく低下する。また、５質量％を超えると、銅と錫の金属間化合物の生成量が増大して接合層が脆弱なものとなり、機械的強度の信頼性が大きく低下する。
【００１７】
チタン、ジルコニウム及びハフニウムから選ばれた少なくとも１種の活性金属成分の金属相当分が１質量％未満であると、セラミック体と接合層との接合強度が弱く、また６質量％を超えると、接合層が脆弱なものとなり、機械的強度の信頼性が低下する。これらの活性金属成分は、それらを成分とする単体又は化合物が使用される。
【００１８】
接合ろう材の金属成分は、それら単体又は合金の箔や粉末をそのまま用いることができるが、好ましくはペーストを調合し、それをセラミック体と無酸素銅板の間に介在させて熱処理することである。ペースト調合の一例を示せば、金属成分１００部（部は質量部、以下同じ）あたり、ＰＩＢＭＡ等の媒体４〜１０部である。ペーストの塗布量は、乾燥基準で９〜１０ｍｇ／ｍ2 とすることが好ましい。
【００１９】
本発明において、接合温度は８００〜８３０℃である。８００℃未満では接合が十分でなくなり、また８３０℃を超えると、無酸素銅板の表面において、銅の粒成長が過度となり、表面粗さが粗くなってしまう。接合雰囲気は真空が好ましい。
【００２０】
本発明で用いられるセラミック体は、窒化アルミニウム又は窒化珪素を主体とするものである。窒化アルミニウムを主体とするものは、強度、熱伝導率、純度が、それぞれ４００ＭＰａ以上、１５０Ｗ／ｍＫ以上、９３％以上であることが好ましく、また窒化珪素を主体とするものは、それぞれ６００ＭＰａ以上、５０Ｗ／ｍＫ以上、９３％以上であることが好ましい。これらのセラミック体には、市販品があるのでそれを用いることができる。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明を実施例、比較例をあげて具体的に説明する。
【００２２】
実施例１〜５ 比較例１〜１１
表１に示す質量割合で、銀粉末、銅粉末、錫粉末、活性金属粉末及びテルピネオールを配合し、ポリイソブチルメタアクリレートのテルピネオール溶液を加えて混練し、接合ろう材ペーストを調製した。この接合ろう材ペーストを窒化アルミニウム基板（サイズ：６０ｍｍ×３６ｍｍ×０．６５ｍｍ 曲げ強さ：５００ＭＰａ 熱伝導率：１５５Ｗ／ｍＫ、純度９５％以上）の両面にロールコーターによって基板全面に塗布した。塗布量は、乾燥基準で９ｍｇ／ｍ2 とした。
【００２３】
つぎに、窒化アルミニウム基板の金属回路形成面には表１に示す無酸素銅板（５６ｍｍ×３２ｍｍ×０．３ｍｍ）を、また金属放熱板形成面には表１に示す種無酸素銅板（５６ｍｍ×３２ｍｍ×０．１５ｍｍ）を接触配置してから、真空度０．１Ｔｏｒｒ以下の真空下、表１に示す温度で３０分加熱した後、６００℃まで急冷し、その後２℃／分の降温速度で冷却した。そして、金属回路形成面には回路パターン状に、金属放熱板形成面に放熱板状にレジストインクをスクリーン印刷してから銅板と接合層のエッチングを行い、回路及び放熱板を形成した。その後、無電解Ｎｉ−Ｐメッキ（厚み３μｍ）を施し回路基板とした。
【００２４】
なお、用いた無酸素銅板の酸素含有量をＬＥＣＯ社「ＯＮ分析計」で測定しところ、いずれも１０ｐｐｍ以下の検出限界以下であることを確認した。光沢度は、マクベス社製光沢度計「ＲＤ９１８（Ｇｒｅｔａｇ Ｍａｃｂｅｔｈ）」を用い、イエローレンジで測定した。表面粗さは、ミツトヨ社製表面粗さ計「サーフテスト３０１」を用い、以下の条件で測定した。
カットオフ値（測定距離）：０．８ｍｍ
測定区間 ：５（上記測定距離を５区間行う）
ピークカウント ：１
【００２５】
回路部へのワイヤボンディングは、Ｎｉ入りＡｌボンディングワイヤ（田中電子工業社製「ＴＡＮＷ 」直径３００μｍ）を用い、ボンディング間距離が１０ｍｍ程度のループが形成されるよう、太線用超音波ボンダー（超音波工業社製「ＳＷ−１−２０Ａ」）を用い、両ボンディング共に３．７Ｗの出力で行った。
【００２６】
ワイヤボンディング強度の測定は、超音波工業社製プルテスター「ＵＪ−２４６−１Ｃ」を用い、ループの頂点を引っ張った際、ワイヤーがちぎれたときのプル強度と、そのときの剥離モードのうち、界面より剥離するものの確率をｎ＝５０にて測定した。これらの結果を表２に示す。
【００２７】
【表１】
【表２】
【発明の効果】
本発明によれば、窒化アルミニウム又は窒化珪素を主体とするセラミック体と、光沢度１．１以上かつ表面粗さＲｚ１．０以下の無酸素銅板とを、無酸素銅板の平滑性を損なわせない低温で、十分な接合強度をもって接合することができるため、ワイヤボンディング性に優れた回路基板となる。
Claims (1)
- 窒化アルミニウム又は窒化珪素を主体とするセラミック体と光沢度１．１以上かつ表面粗さＲｚ１．０以下の無酸素銅板とを、金属成分として、銀７５〜８９質量％、銅１〜２３質量％、錫１〜５質量％、チタン、ジルコニウム及びハフニウムから選ばれた少なくとも１種の活性金属成分の金属相当分として１〜６質量％を含んでなる接合ろう材を用い、温度８００〜８３０℃で接合することを特徴とする接合方法。
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|---|---|
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Cited By (1)
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| KR102220725B1 (ko) * | 2020-01-09 | 2021-03-02 | 주식회사 한국전자재료(케이.이.엠) | 브레이징 필러 금속, 브레이징 필러 합금 판재 및 브레이징 접합 방법 |
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| JP6000770B2 (ja) * | 2012-09-12 | 2016-10-05 | 新電元工業株式会社 | セラミック回路基板の製造方法、およびパワーモジュールの製造方法 |
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- 2000-10-25 JP JP2000324912A patent/JP4323706B2/ja not_active Expired - Fee Related
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