JP4335509B2 - 接合に先立って非酸化物セラミック基板の接着性を改善する方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、接合に先立って非酸化物セラミック基板の接着性を改善する方法に関する。本発明による方法は、特に電源半導体部品を担持するセラミック基板であって、鉄道業界分野のインバータに使用される冷却マニホールドに接合されるべきセラミック基板の調製に適用される。
【０００２】
【従来の技術】
電源部品を担持する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板を冷却マニホールドに接合することは、インバータの業界で知られており、通常、化学的、機械的、または熱的方法を用いて表面を洗浄することにより、接合すべき表面を調製するステップを含む。最新の組立方法では、アルゴンと酸素の混合物からなるコールドプラズマを用いた方法により表面を洗浄する。この方法は、クリーンルーム環境において用いられることが可能であるが、依然として、真空容器が必要であり、このため時間を要し、且つ複雑であるという欠点がある。
【０００３】
また、従来用いられている洗浄方法は概して、セラミック基板に設置された電源部品を汚染し、得られた接合されたセラミック／ポリマー結合は、化学的観点からは非常に弱く、特に化学的または機械的に洗浄された、処置の前には本質的に疎水性であった表面が、処置後には親水性となるので、水分が界面に容易に入り込む。この結果、鉄道業界分野のインバータと同様、得られた接合された界面は高熱且つ高湿な環境において、信頼性がない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
また、本発明の目的は、基板上のいかなる電源部品も汚染することなく、接合部の強度を高め、経時的信頼性を高めることを確実にするための、接合に先立って非酸化物セラミック基板の接着性を改善する方法であって、実施が簡単で経済的な方法を提案することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明は、接合に先立って非酸化物セラミック基板の接着性を改善する方法であって、
エキシマレーザーを用いて、接合すべきセラミック基板の表面を照射するステップと、
照射済みの表面にカップリング剤を塗布するステップとを含むことを特徴とする方法を提供する。
【０００６】
本発明にしたがう、非酸化物セラミック基板の接着性を改善する方法の具体的な実施態様は、単独またはすべての技術的に実行可能な組み合わせにおいて、一またはそれ以上の以下の特徴を有することができる。すなわち、
エキシマレーザーにより供給されるエネルギー密度は、１〜１００Ｈｚの周波数で０．５〜２Ｊ／ｃｍ２である。
【０００７】
レーザーが２４８ｎｍで放射するＫｒＦエキシマレーザーである。
【０００８】
レーザーが１９３ｎｍで放射するＡｒＦエキシマレーザーである。
【０００９】
基板がＡｌＮ、ＳｉＣ、またはＳｉ３Ｎ４からなる。
【００１０】
カップリング剤がシラン水溶液である。
【００１１】
また本発明は、変性エポキシ樹脂を用いて、非酸化物セラミック基板を冷却液マニホールドに接着することによる組立方法であって、前述した方法により、基板をマニホールドに接合するのに先立って、接合すべき基板の表面を処理するステップを含むことを特徴とする方法を提供する。
【００１２】
本発明にしたがう接合による組立方法の他の特徴によると、冷却液マニホールドはポリエーテルイミドからなる。
【００１３】
本発明はさらに、非酸化物セラミック基板の一方の面上に配置された電源半導体部品を含む電源モジュールであって、前記基板の他方の面が、前記基板に冷却液を導くプラスチック材料マニホールド上に搭載されており、前述の方法を用いて、マニホールドが前記基板に接合されていることを特徴とする電源モジュールを提供する。
【００１４】
本発明の目的、態様、および利点は、以下に詳述される本発明の具体的な一実施態様により、より一層理解されるであろう。この実施態様を、非制限的な例として、添付の図面を参照して説明する。
【００１５】
図を単純化するため、本発明の理解に必要な部品のみを図示した。いずれの図にも、同一の部品には同一の参照符号を付した。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１および図２は、冷却フィン２を備える底面と、電源半導体部品１０を受ける平らな上面とを有する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板１を示す。これらの図に示されているように、基板の底面の外周には、図３および図４に示される、ポリエーテルイミド製のウォーターマニホールド５に接合されるのに適した、下方に突出するリム３を有する。
【００１７】
図３および図４に示されるように、ウォーターマニホールド５はその頂部に、基板１のリム３の形状に相補的な形状を有する溝４を備える、リム７に縁取られた開口６を有する。開口６の底部は、マニホールド５の本体中で縦方向に延在し、両端から冷却水が供給される流路９に向かって開口する局部スロット８を備える壁で閉鎖される。
【００１８】
次に、基板１のウォーターマニホールド５への接合に先立って、基板１の接着性を改善する方法を説明する。
【００１９】
ＡｌＮ基板１のリム３の表面を、２４８ｎｍで紫外線を放射するＫｒＦエキシマレーザーを用いて局部的に処理する。他の実施態様においては、局部的処理に、１９３ｎｍで放射するＡｒＦエキシマレーザーを用いる。
【００２０】
表面処理の条件は以下の通りである。すなわち、０．５〜２Ｊ／ｃｍ２、好ましくは０．６〜１Ｊ／ｃｍ２のパワー、１〜１００Ｈｚ、好ましくは５〜２０Ｈｚの発振周波数、１〜１００の発振回数である。
【００２１】
表面処理により、ＡｌＮの化学結合が分解され、分解された窒化アルミニウムが局部的に得られる。得られた、多かれ少なかれ酸化されたアルミニウムは、シラン水溶液等のカップリング剤と容易に化学結合を形成する。カップリング剤は、例えば基板１のリム３をシランのバスに浸けることによって、簡単にリム３に塗布される。
【００２２】
湿潤環境（グリコールを含む水、水）におけるセラミック／ポリマー接合部のエージング耐性を改善するのに好適なシランは、ＣＨ２−Ｏ−（ＣＨ２）３Ｓｉ（ＯＣＨ３）３の化学式を有するγ−グリシドオキシプロピルトリメトキシシラン（γ−ＧＰＳ）と、ＮＨ２−（ＣＨ２）３Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）３の化学式を有するγ−アミノプロピルトリエトキシシランである。
【００２３】
次いで、ＡｌＮ基板１のリム３上のシランを重合させる。
【００２４】
次に、図５に示すように、リム３と溝４との間の界面に変性エポキシ樹脂１１を用いて、従来の方法で基板１をマニホールド５に接着することができる。
【００２５】
シランを、表面の照射後できるだけ早くリムに塗布することが好ましく、変性エポキシ樹脂を用いた接着は、シランを重合してから２日以内に行われることが好ましい。また、接着性を改善する本発明にしたがう方法により処理した部品は、制御雰囲気中に保管されることが好ましい。
【００２６】
ＡｌＮ基板１のリム３の接着性を改善する方法は、例えば、
１Ｊ／ｃｍ２、１０Ｈｚ、および５０回の発振のＫｒＦレーザー照射を用いた表面処理のステップと、
照射済みのリム３にγ−ＧＰＳの０．５％濃度溶液を塗布するステップと、
リム３上に付着されたγ−ＧＰＳ溶液を１１０℃で１５分間重合するステップとからなる。
【００２７】
窒化アルミニウム基板の上記の処置を試行した結果、基板１とマニホールド５との間の接合部の耐久性が、使用したエポキシ樹脂の種類により４倍から１６倍に増加していることが分かった。
【００２８】
接着性を改善するための本発明にしたがう上記のような方法によって、強力な化学結合を有する、耐久性および信頼性の高い接合部が得られる。シランは、エキシマレーザーによって酸化された無機基板とシロキサン型共有結合を形成する。この結合は、ポリマーを同基板に接触させた際に発現する結合よりも水に対する感受性がかなり低い。したがって、界面での水分の浸透を遅らせることが可能であり、これにより、特に高温且つ高湿な環境において、組立体の耐用年数を増加することができる。
【００２９】
また、接着性を改善するための本発明にしたがう方法は、非汚染性のエキシマレーザー処理を、特別な容器を必要とすることなく、クリーンルーム環境において行うことができるので、低コストであるという利点を有する。
【００３０】
もちろん、本発明は、例としてのみ与えられた、詳述され且つ図示された実施態様に限定されるものでなく、特に種々の部品の組み合わせ、または技術的均等物の置き換えの観点から、本発明の保護の範囲を逸脱することなく変更可能である。したがって、本発明の他の実施態様において、基板は炭化珪素（ＳｉＣ）、または窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）製とすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法に従ってウォーターマニホールドに接着可能な基板の底面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った切断面におけるマニホールドの図である。
【図３】図１に示された基板に接着可能なウォーターマニホールドの上面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った切断面におけるマニホールドの図である。
【図５】図３のマニホールドに取り付けられた図１の基板を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 非酸化物セラミック基板
２ 冷却フィン
３、７ リム
４ 溝
５ 冷却液マニホールド
６ 開口
８ 局部的スロット
９ 流路
１０ 電源半導体部品
１１ 変性エポキシ樹脂
【発明の属する技術分野】
本発明は、接合に先立って非酸化物セラミック基板の接着性を改善する方法に関する。本発明による方法は、特に電源半導体部品を担持するセラミック基板であって、鉄道業界分野のインバータに使用される冷却マニホールドに接合されるべきセラミック基板の調製に適用される。
【０００２】
【従来の技術】
電源部品を担持する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板を冷却マニホールドに接合することは、インバータの業界で知られており、通常、化学的、機械的、または熱的方法を用いて表面を洗浄することにより、接合すべき表面を調製するステップを含む。最新の組立方法では、アルゴンと酸素の混合物からなるコールドプラズマを用いた方法により表面を洗浄する。この方法は、クリーンルーム環境において用いられることが可能であるが、依然として、真空容器が必要であり、このため時間を要し、且つ複雑であるという欠点がある。
【０００３】
また、従来用いられている洗浄方法は概して、セラミック基板に設置された電源部品を汚染し、得られた接合されたセラミック／ポリマー結合は、化学的観点からは非常に弱く、特に化学的または機械的に洗浄された、処置の前には本質的に疎水性であった表面が、処置後には親水性となるので、水分が界面に容易に入り込む。この結果、鉄道業界分野のインバータと同様、得られた接合された界面は高熱且つ高湿な環境において、信頼性がない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
また、本発明の目的は、基板上のいかなる電源部品も汚染することなく、接合部の強度を高め、経時的信頼性を高めることを確実にするための、接合に先立って非酸化物セラミック基板の接着性を改善する方法であって、実施が簡単で経済的な方法を提案することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明は、接合に先立って非酸化物セラミック基板の接着性を改善する方法であって、
エキシマレーザーを用いて、接合すべきセラミック基板の表面を照射するステップと、
照射済みの表面にカップリング剤を塗布するステップとを含むことを特徴とする方法を提供する。
【０００６】
本発明にしたがう、非酸化物セラミック基板の接着性を改善する方法の具体的な実施態様は、単独またはすべての技術的に実行可能な組み合わせにおいて、一またはそれ以上の以下の特徴を有することができる。すなわち、
エキシマレーザーにより供給されるエネルギー密度は、１〜１００Ｈｚの周波数で０．５〜２Ｊ／ｃｍ２である。
【０００７】
レーザーが２４８ｎｍで放射するＫｒＦエキシマレーザーである。
【０００８】
レーザーが１９３ｎｍで放射するＡｒＦエキシマレーザーである。
【０００９】
基板がＡｌＮ、ＳｉＣ、またはＳｉ３Ｎ４からなる。
【００１０】
カップリング剤がシラン水溶液である。
【００１１】
また本発明は、変性エポキシ樹脂を用いて、非酸化物セラミック基板を冷却液マニホールドに接着することによる組立方法であって、前述した方法により、基板をマニホールドに接合するのに先立って、接合すべき基板の表面を処理するステップを含むことを特徴とする方法を提供する。
【００１２】
本発明にしたがう接合による組立方法の他の特徴によると、冷却液マニホールドはポリエーテルイミドからなる。
【００１３】
本発明はさらに、非酸化物セラミック基板の一方の面上に配置された電源半導体部品を含む電源モジュールであって、前記基板の他方の面が、前記基板に冷却液を導くプラスチック材料マニホールド上に搭載されており、前述の方法を用いて、マニホールドが前記基板に接合されていることを特徴とする電源モジュールを提供する。
【００１４】
本発明の目的、態様、および利点は、以下に詳述される本発明の具体的な一実施態様により、より一層理解されるであろう。この実施態様を、非制限的な例として、添付の図面を参照して説明する。
【００１５】
図を単純化するため、本発明の理解に必要な部品のみを図示した。いずれの図にも、同一の部品には同一の参照符号を付した。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１および図２は、冷却フィン２を備える底面と、電源半導体部品１０を受ける平らな上面とを有する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板１を示す。これらの図に示されているように、基板の底面の外周には、図３および図４に示される、ポリエーテルイミド製のウォーターマニホールド５に接合されるのに適した、下方に突出するリム３を有する。
【００１７】
図３および図４に示されるように、ウォーターマニホールド５はその頂部に、基板１のリム３の形状に相補的な形状を有する溝４を備える、リム７に縁取られた開口６を有する。開口６の底部は、マニホールド５の本体中で縦方向に延在し、両端から冷却水が供給される流路９に向かって開口する局部スロット８を備える壁で閉鎖される。
【００１８】
次に、基板１のウォーターマニホールド５への接合に先立って、基板１の接着性を改善する方法を説明する。
【００１９】
ＡｌＮ基板１のリム３の表面を、２４８ｎｍで紫外線を放射するＫｒＦエキシマレーザーを用いて局部的に処理する。他の実施態様においては、局部的処理に、１９３ｎｍで放射するＡｒＦエキシマレーザーを用いる。
【００２０】
表面処理の条件は以下の通りである。すなわち、０．５〜２Ｊ／ｃｍ２、好ましくは０．６〜１Ｊ／ｃｍ２のパワー、１〜１００Ｈｚ、好ましくは５〜２０Ｈｚの発振周波数、１〜１００の発振回数である。
【００２１】
表面処理により、ＡｌＮの化学結合が分解され、分解された窒化アルミニウムが局部的に得られる。得られた、多かれ少なかれ酸化されたアルミニウムは、シラン水溶液等のカップリング剤と容易に化学結合を形成する。カップリング剤は、例えば基板１のリム３をシランのバスに浸けることによって、簡単にリム３に塗布される。
【００２２】
湿潤環境（グリコールを含む水、水）におけるセラミック／ポリマー接合部のエージング耐性を改善するのに好適なシランは、ＣＨ２−Ｏ−（ＣＨ２）３Ｓｉ（ＯＣＨ３）３の化学式を有するγ−グリシドオキシプロピルトリメトキシシラン（γ−ＧＰＳ）と、ＮＨ２−（ＣＨ２）３Ｓｉ（ＯＣ２Ｈ５）３の化学式を有するγ−アミノプロピルトリエトキシシランである。
【００２３】
次いで、ＡｌＮ基板１のリム３上のシランを重合させる。
【００２４】
次に、図５に示すように、リム３と溝４との間の界面に変性エポキシ樹脂１１を用いて、従来の方法で基板１をマニホールド５に接着することができる。
【００２５】
シランを、表面の照射後できるだけ早くリムに塗布することが好ましく、変性エポキシ樹脂を用いた接着は、シランを重合してから２日以内に行われることが好ましい。また、接着性を改善する本発明にしたがう方法により処理した部品は、制御雰囲気中に保管されることが好ましい。
【００２６】
ＡｌＮ基板１のリム３の接着性を改善する方法は、例えば、
１Ｊ／ｃｍ２、１０Ｈｚ、および５０回の発振のＫｒＦレーザー照射を用いた表面処理のステップと、
照射済みのリム３にγ−ＧＰＳの０．５％濃度溶液を塗布するステップと、
リム３上に付着されたγ−ＧＰＳ溶液を１１０℃で１５分間重合するステップとからなる。
【００２７】
窒化アルミニウム基板の上記の処置を試行した結果、基板１とマニホールド５との間の接合部の耐久性が、使用したエポキシ樹脂の種類により４倍から１６倍に増加していることが分かった。
【００２８】
接着性を改善するための本発明にしたがう上記のような方法によって、強力な化学結合を有する、耐久性および信頼性の高い接合部が得られる。シランは、エキシマレーザーによって酸化された無機基板とシロキサン型共有結合を形成する。この結合は、ポリマーを同基板に接触させた際に発現する結合よりも水に対する感受性がかなり低い。したがって、界面での水分の浸透を遅らせることが可能であり、これにより、特に高温且つ高湿な環境において、組立体の耐用年数を増加することができる。
【００２９】
また、接着性を改善するための本発明にしたがう方法は、非汚染性のエキシマレーザー処理を、特別な容器を必要とすることなく、クリーンルーム環境において行うことができるので、低コストであるという利点を有する。
【００３０】
もちろん、本発明は、例としてのみ与えられた、詳述され且つ図示された実施態様に限定されるものでなく、特に種々の部品の組み合わせ、または技術的均等物の置き換えの観点から、本発明の保護の範囲を逸脱することなく変更可能である。したがって、本発明の他の実施態様において、基板は炭化珪素（ＳｉＣ）、または窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）製とすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法に従ってウォーターマニホールドに接着可能な基板の底面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った切断面におけるマニホールドの図である。
【図３】図１に示された基板に接着可能なウォーターマニホールドの上面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った切断面におけるマニホールドの図である。
【図５】図３のマニホールドに取り付けられた図１の基板を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 非酸化物セラミック基板
２ 冷却フィン
３、７ リム
４ 溝
５ 冷却液マニホールド
６ 開口
８ 局部的スロット
９ 流路
１０ 電源半導体部品
１１ 変性エポキシ樹脂
Claims (9)
- 接合に先立って非酸化物セラミック基板（１）の接着性を改善する方法であって、
化学結合を変性するために、エキシマレーザーを用いて、接合すべきセラミック基板（１）の表面を照射するステップと、
照射済みの表面にカップリング剤を塗布し、カップリング剤と、セラミック基板の照射により得られた酸化表面との間に化学結
合を発生させるステップとを含むことを特徴とする方法。 - エキシマレーザーにより供給されるエネルギー密度は、１〜１００Ｈｚの周波数で０．５〜２Ｊ／ｃｍ２であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
- 前記レーザーが、２４８ｎｍで放射するＫｒＦエキシマレーザーであることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
- 前記レーザーが、１９３ｎｍで放射するＡｒＦエキシマレーザーであることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
- 前記基板（１）が、ＡｌＮ、ＳｉＣ、またはＳｉ３Ｎ４からなることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
- 前記カップリング剤が、シラン水溶液であることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
- 変性エポキシ樹脂（１１）を用いて、非酸化物セラミック基板（１）を冷却液マニホールド（５）に接合することによる組立方法であって、基板（１）をマニホールド（５）に接合するのに先立って、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法に従い、接合すべき基板の表面を処理するステップを含むことを特徴とする方法。
- 前記冷却液マニホールド（５）が、ポリエーテルイミドからなることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
- 非酸化物セラミック基板（１）の一方の面上に配置された電源半導体部品（１０）を含む電源モジュールであって、前記基板（１）の他方の面が、前記基板（１）に冷却液を導くプラスチック材料マニホールド（５）上に搭載されており、請求項７または８に記載の方法を用いて、前記マニホールド（５）が前記基板（１）に接合されていることを特徴とする電源モジュール。
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