JP4581041B2

JP4581041B2 - アルミニウム−セラミックス接合基板

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Publication number: JP4581041B2
Application number: JP2007034720A
Authority: JP
Inventors: 貴幸高橋; 英世小山内; 睦浪岡
Original assignee: Dowa Metaltech Co Ltd
Current assignee: Dowa Metaltech Co Ltd
Priority date: 2007-02-15
Filing date: 2007-02-15
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2022-09-30
Also published as: JP2007186417A

Description

本発明は、セラミックス基板とこのセラミックス基板に接合されたアルミニウム板とからなるアルミニウム−セラミックス接合基板およびその製造方法に関し、特に、高い熱サイクル耐性を備えたパワーモジュール用のアルミニウム−セラミックス絶縁基板として使用するアルミニウム−セラミックス接合基板、その製造方法およびそのアルミニウム−セラミックス接合基板を用いたパワーモジュールに関する。

従来、パワーモジュール用の金属−セラミックス絶縁基板の金属回路板として銅板が使用されている。また、近年、より高い熱サイクル耐性を実現するために、金属−セラミックス絶縁基板の金属回路板としてアルミニウム板を使用することが提案され、実用化されている。アルミニウム板を使用することによって高い熱サイクル耐性が得られるのは、アルミニウムの降伏応力が銅と比べて小さいので、金属とセラミックスの接合界面に発生する熱応力を金属自身の塑性変形によって緩和する効果が大きくなり、金属−セラミックス接合基板に熱サイクルが加えられた場合のセラミックス基板に対するダメージが低減して熱サイクル耐性が向上するためであると推察されている。

しかし、アルミニウム板の表面には酸化被膜が形成され、この酸化被膜がアルミニウム板とセラミックス基板との接合を妨害するため、特別な処理によってアルミニウム板の表面の酸化被膜を除去して清浄な表面を維持したままでなければ、アルミニウム板とセラミックス基板の直接的な接合は困難であると考えられてきた。

そのため、アルミニウム板とセラミックス基板は、一般にＡｌ−Ｓｉ系などのろう材を介して接合されている。このような方法の例として、アルミニウム板をＡｌ−Ｓｉ系ろう材を介してセラミックス基板上に配置し、真空中において加熱することにより、ろう材を介してアルミニウム板をセラミックス基板に接合する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

一方、ろう材などの中間材を使用しないで、Ｓｉを含むアルミニウム板をセラミックス基板に直接接合する方法として、不活性雰囲気中においてＳｉを含むアルミニウム板とセラミックス基板をその共晶温度とアルミニウムの融点との間の温度に加熱して、Ｓｉを含むアルミニウム板とセラミックス基板との間にＡｌ−Ｓｉ共晶融体を生成させることにより、Ｓｉを含むアルミニウム板とセラミックス基板を直接接合するいわゆる共晶接合法が知られている（例えば、特許文献２参照）。

また、５０重量％以下のＳｉを含むＡｌ−Ｓｉ合金板を窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）基板に直接接合する方法も知られている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００１−１６８４８２号公報（段落番号００６８）特開昭５２−３７９１４号公報（５頁左下欄１３行〜右下欄１行、表）特開２００１−１６８４８２号公報（段落番号００３４）

しかし、ろう材を介してアルミニウム板をセラミックス基板に接合する方法では、ペースト状のろう材を使用する場合には、セラミックス基板またはアルミニウム板に予めペースト状のろう材を塗布するろう材ペースト塗布工程が必要となり、箔状のろう材を使用する場合には、アルミニウム板とセラミックス基板の積層時に製品の主構成物ではないろう材箔を挿入するろう材箔挿入工程が必要となるため、工程数が多くなり、材料費などのコストが高くなるという問題がある。また、真空炉内において高真空で接合する必要があり、ベルト式トンネル炉などの生産性の高い連続炉内において接合することができず、製造コストが比較的高くなるという問題もある。さらに、ろう材からアルミニウム中に異種元素が拡散混入すると、一般に降状応力が増大し、アルミニウムの塑性変形によるアルミニウム−セラミックス接合基板の熱応力の緩和作用が低下するため、アルミニウム−セラミックス接合基板の熱サイクル耐性が低下するという問題もある。

また、共晶接合法は、共晶融体を生成するアルミニウム板とセラミックス基板とを接合する場合に限られ、Ｓｉを含むアルミニウムとＡｌ−Ｓｉ共晶融体を生成しないセラミックスとを接合するのは困難である。

さらに、Ａｌ−Ｓｉ合金板を窒化珪素基板に直接接合する方法では、アルミニウム中にＳｉなどの異種元素が過度に混入する場合には、一般に降状応力が増大し、アルミニウムの塑性変形によるアルミニウム−セラミックス接合基板の熱応力の緩和作用が低下して、アルミニウム−セラミックス接合基板の熱サイクル耐性が低下するという問題がある。そのため、アルミニウムは高純度であることが望ましい。また、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）基板は高価であり放熱性も窒化アルミニウムよりも低いため、この方法の用途は限られている。そのため、放熱特性に優れた窒化アルミニウムや、放熱性は窒化アルミニウムより低いが安価で入手し易い酸化アルミニウムに対して、異種元素が添付されていない純アルミニウム板を直接接合する方法が望まれているが、このような方法は未だ知られておらず、純アルミニウム板を窒化アルミニウム基板や酸化アルミニウム基板に接合するためにろう材が使用されている。

したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、異種金属を添加しないアルミニウム部材を窒化アルミニウム基板や酸化アルミニウム基板などのセラミックス基板にろう材を介さずに直接接合することができる、アルミニウム−セラミックス接合基板、その製造方法およびそのアルミニウム−セラミックス接合基板を用いたパワーモジュールを提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、純度が９９．５％以上のアルミニウム部材をセラミックス基板の少なくとも一方の面に接触させ、不活性ガス中において６２０℃〜６５０℃の温度に加熱することにより、アルミニウム部材をセラミックス基板にろう材や接合に関与する合金成分を介さずに直接接合することができることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明によるアルミニウム−セラミックス接合基板の製造方法は、純度が９９．５％以上のアルミニウム部材をセラミックス基板の少なくとも一方の面に接触させ、不活性ガス中において６２０℃〜６５０℃の温度に加熱することにより、アルミニウム部材をセラミックス基板に直接接合することを特徴とする。

このアルミニウム−セラミックス接合基板の製造方法において、セラミックス基板が窒化アルミニウムを主成分とするセラミックス基板またはアルミナを主成分とするセラミックス基板であるのが好ましい。また、アルミニウム部材の純度が９９．９％以上であるのが好ましい。さらに、不活性ガスが窒素ガスであるのが好ましい。特に、不純物である酸素の濃度は１０ｐｐｍ以下に制御するのが好ましい。

また、本発明によるアルミニウム−セラミックス接合基板は、純度が９９．５％以上のアルミニウム部材がセラミックス基板の少なくとも一方の面に直接接合し、アルミニウム部材とセラミックス基板との間のピール強度が５ｋｇ／ｃｍ以上であることを特徴とする。

このアルミニウム−セラミックス接合基板において、セラミックス基板が窒化アルミニウムを主成分とするセラミックス基板またはアルミナを主成分とするセラミックス基板であるのが好ましい。また、アルミニウム部材の純度が９９．９％以上であるのが好ましい。

上述したように、本発明によれば、純度が９９．５％以上のアルミニウム部材をセラミックス基板の少なくとも一方の面に接触させ、不活性ガス中において６２０℃〜６５０℃の温度に加熱することにより、Ａｌ−Ｓｉ共晶融体のような共晶融体を生成しない場合でも、ろう材を介することなく、アルミニウム部材を窒化アルミニウム基板や酸化アルミニウム基板などのセラミックス基板に直接接合することができ、通常のパワーモジュールに使用するのに必要な特性を満たすアルミニウム−セラミックス接合基板を安価に且つ高い生産性で製造することができる。

また、添加元素のないアルミニウム部材をろう材を介さずにセラミックス基板に接合できるため、アルミニウムの純度が保たれ、接合後のアルミニウムの降状応力が増大することがなく、将来のより過酷な熱サイクル耐性の要求にも対応できるアルミニウム−セラミックス接合基板を製造することができる。

本発明によるアルミニウム−セラミックス接合基板の製造方法の実施の形態では、窒素ガス中において６２０℃〜６５０℃の温度で加熱処理することにより、純アルミニウム板と窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板やアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）基板などのセラミックス基板とをろう材を介さずに直接接合することができる。

この方法では、大きな加圧も必要がなく、真空炉を必要としないので、生産性の高い連続炉における製造が可能になる。また、ろう材ペースト塗布工程またはろう材箔挿入工程が必要ないので、工程を簡略化することができる。

接合温度を６２０℃〜６５０℃の温度とするのは、６２０℃より低い温度では、接合に長時間要するため生産性に乏しく、一方、６５０℃より高い温度では、アルミニウム板の窒化が起こり、電気的特性や熱的特性が低いアルミニウム−セラミックス接合基板になるからである。

アルミニウム板をセラミックス基板に接合する際にアルミニウム板をセラミックス基板に押圧する必要がないが、１０００Ｐａ以下のわずかな押圧により、さらに強固な接合が得られる。

アルミニウム部材の純度は、９９．５％以上であれば良好なアルミニウム−セラミックス接合基板を得ることができるが、より高い熱サイクル耐性を確保するためには、アルミニウムの純度が高い方が好ましい。

加熱処理装置としては、開放型の窒素雰囲気炉を使用することができ、ベルト式トンネル炉などにより連続的に量産することができる。

また、本発明によるアルミニウム−セラミックス接合基板の製造方法の実施の形態により製造されたアルミニウム−セラミックス接合基板上への半導体チップ、端子、放熱板などの半田付け、アルミニウム線のワイヤボンディング、樹脂パッケージなどのアセンブリ工程を経て、安価で信頼性の高いパワーモジュールを製造することができる。

なお、本発明によるアルミニウム−セラミックス接合基板におけるアルミニウム板とセラミックス基板の接合のメカニズムは明確でないが、従来の考え方であるＡｌの表面酸化を除去するために、Ｓｉなどの添加元素を利用したり、高真空中で接合するのではなく、接合界面に微量のＮが見られるため、それが接合に関わっていると考えられる。

以下、実施例に基づいて本発明によるアルミニウム−セラミックス接合基板およびその製造方法について詳細に説明する。

［実施例１］
図１に示すように、４０ｍｍ×４０ｍｍの大きさで厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮからなるセラミックス基板１０と、４０ｍｍ×４０ｍｍの大きさで厚さ０．４ｍｍの純度９９．９％のアルミニウム板１２を用意し、セラミックス基板１０の両面にアルミニウム板１２を直接配置し、その両側に接合防止用の離型剤（ＢＮ）を塗布したＡｌＮからなるスペーサ１４を配置し、その上面に１２０ｇのステンレス製のおもり１６を載せた。これをベルト式トンネル炉に入れ、窒素ガスを５Ｌ／分の流量で流した窒素ガス雰囲気において、１時間で接合温度６２０℃まで昇温させ、その温度で２時間保持して加熱した後、２時間で２０℃まで冷却して、約５時間でセラミックス基板の両面にアルミニウム板が接合したアルミニウム−セラミックス接合基板を得た。

このようにして得られたアルミニウム−セラミックス接合基板について接合強度（ピール強度）を測定したところ、ピール強度は＞２００Ｎ／ｃｍであり、パワーモジュールなどに使用するのに十分な強い接合強度であった。

また、本実施例で得られたアルミニウム−セラミックス接合基板について、３８０℃に維持された非酸化雰囲気のリフロー炉を通過させた後にアルミニウム板の剥離やセラミックス基板のクラックの発生などの異常が生じるか否かを確認し、この通炉処理を繰り返して異常が生じない通炉回数によって熱サイクル耐性を評価した。その結果、この実施例において製造されたアルミニウム−セラミックス接合基板は、通炉処理５回後にアルミニウムの剥離もクラックの発生もなく、異常がなかった。

［実施例２〜４］
加熱温度を６３０℃（実施例２）、６４０℃（実施例３）、６５０℃（実施例４）とした以外は、実施例１と同様の方法によりアルミニウム−セラミックス接合基板を得た。

このようにして得られたアルミニウム−セラミックス接合基板についてピール強度を測定したところ、ピール強度はいずれの実施例でも＞２００Ｎ／ｃｍであり、パワーモジュールなどに使用するのに十分な強い接合強度であった。また、実施例１と同様に通炉処理を行ったところ、いずれの実施例でも通炉処理５回後にアルミニウムの剥離もクラックの発生もなく、異常がなかった。

［実施例５〜８］
セラミックス基板をアルミナ基板とした以外は、実施例１〜４と同様の方法によりアルミニウム−セラミックス接合基板を得た。

［実施例９］
アルミニウム板のアルミニウム純度を９９．５％とした以外は、実施例３と同様の方法によりアルミニウム−セラミックス接合基板を得た。

このようにして得られたアルミニウム−セラミックス接合基板についてピール強度を測定したところ、ピール強度は＞２００Ｎ／ｃｍであり、パワーモジュールなどに使用するのに十分な強い接合強度であった。また、実施例１と同様に通炉処理を行ったところ、通炉処理５回後にアルミニウムの剥離もクラックの発生もなく、異常がなかった。

［実施例１０］
アルミニウム板のアルミニウム純度を９９．５％とした以外は、実施例７と同様な方法によりアルミニウム−セラミックス接合基板を得た。

［比較例１］
セラミックス基板の両面に予めＡｌ−０．５ｗｔ％Ｓｉの組成のろう材ペーストを塗布して乾燥した後にアルミニウム板を配置し、真空炉内で加熱した以外は実施例３と同様の方法によりアルミニウム−セラミックス接合基板を得た。なお、この比較例では、加熱および冷却時間に合計２０時間を要した。

［比較例２］
セラミックス基板の両面に予めＡｌ−０．５ｗｔ％Ｓｉの組成のろう材ペーストを塗布して乾燥した後にアルミニウム板を配置し、真空炉内で加熱した以外は実施例７と同様の方法によりアルミニウム−セラミックス接合基板を得た。なお、この比較例では、加熱および冷却時間に合計２０時間を要した。

実施例１〜１０と比較例１および２を比較すると、実施例１〜１０においてアルミニウム板とセラミックス基板を直接接合することにより得られたアルミニウム−セラミックス接合基板は、比較例１および２においてアルミニウム板とセラミックス基板をろう材を介して接合することにより得られたアルミニウム−セラミックス接合基板と同等の特性を有することがわかる。また、実施例１〜１０においてアルミニウム板とセラミックス基板を直接接合することによりアルミニウム−セラミックス接合基板を作製するのに要した時間は、比較例１および２においてアルミニウム板とセラミックス基板をろう材を介して接合することによりアルミニウム−セラミックス接合基板を作成するのに要した時間の４分の１程度であった。なお、熱サイクル耐性の試験は、通路処理５回で終了させたが、アルミニウムの純度が高くなれば、硬さ（強度）が低くなり、さらに熱サイクル耐性が高くなる。

なお、実施例１〜１０および比較例１、２の結果を表１にまとめて示す。

本発明によるアルミニウム−セラミックス接合基板の製造方法によりセラミックス基板にアルミニウム板を直接接合する工程を示す側面図。

符号の説明

１０セラミックス基板
１２アルミニウム板
１４スペーサ
１６おもり

Claims

純度が９９．５％以上のアルミニウム部材が窒化アルミニウムまたはアルミナを主成分とするセラミックス基板の少なくとも一方の面に直接接合し、アルミニウム部材とセラミックス基板との間のピール強度が５ｋｇ／ｃｍ以上であることを特徴とする、アルミニウム−セラミックス接合基板。
前記アルミニウム部材の純度が９９．９％以上であることを特徴とする、請求項１に記載のアルミニウム−セラミックス接合基板。
請求項１に記載のアルミニウム−セラミックス接合基板を用いたパワーモジュール。