JP5468569B2 - 両面が金属とされたセラミック基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、直接ボンディングプロセスによる、両面が金属とされたセラミック基板の製造方法に関する。

両面が金属とされたセラミック基板が一般に知られている。このような金属−セラミックの基板は、特にパワー半導体モジュールの分野で回路保持体として使用されている。このような回路保持体は、上面及び下面が銅によって金属とされたセラミックを備えており、少なくとも一方の金属とされた面が回路構造を有している。このような金属−セラミック複合材料を共晶接合によって製造する公知の方法は、一般に直接ボンディングプロセス（直接銅ボンディング、ＤＣＢ）と呼ばれる。

特許文献１，２には、直接ボンディングプロセスによる金属−セラミック基板の製造方法が記載されている。公知の製造プロセスは、金属板または金属箔とセラミックとの間の接合部の形成が、液相接合プロセスによって行われるという共通点がある。この目的のため、融点（共晶点）が金属及びセラミックの融点より低い中間層が金属板上に積層され、中間層が局所的に溶融させられる。

公知の直接ボンディングプロセスは、基本的に以下の方法ステップを含んでいる。
−特段の構造を備えていない(unstructured)金属板の少なくとも一方の面に適切な層を積層して、共晶溶融層(eutectic melt-on layer)を形成する。
−溶融層が形成された、上記特段の構造を備えていない金属板を、特段の構造を備えていないセラミックの上面に積層する。
−金属板及びセラミックを、溶融層の融点より高く、かつ接合すべき材料の融点より低い温度まで加熱する。
−この複合材料を室温まで冷却する。
−必要に応じて、接合された金属層を研削し研磨して、ボンディングプロセスによって生じた局所的な凹凸部を除去する。

特許文献１より公知の方法では、セラミックの上面及び下面への金属板の接合が、好ましくは２つのステップで行われるが、それが不都合な点となっている。これは、両方の金属板を同時に接合すると、下部金属板が基板の保持体に付着する傾向があり、その後金属板を分離したときに金属−セラミックの基板が損傷するためである。従って、両面が金属とされた金属−セラミックの基板を製造するには少なくとも２つのプロセスステップが必要であり、これは時間とコストがかかる。

特許文献３には、２つの金属箔をセラミックに同時に接合する方法が記載されている。この公知の方法では、有孔材料から形成することが意図されている追加の分離層を間に挟むことによって、下部金属箔の、基板の保持体への付着を避けることが意図されている。特許文献３に記載の方法の欠点は、必要な分離層をまず適切な手段によって形成し、ボンディングプロセスの後、適切なプロセスによって分離層を再び金属面から除去するため、追加の時間及びコストがかかることである。

金属−セラミックの基板の液相接合プロセスによる接合に関する他の問題は、金属板とセラミック基板との接合が部分的に生じ、１００％全面で生じないことである。金属とセラミックの境界面に生じる介在物は、特に基板の部分放電抵抗に悪影響をもたらし、金属・セラミック間の熱的及び機械的な接合を局所的に妨げる。

特許文献４，５，６には、気泡の形成を低減させ、あるいは接合される表面を広くすることが意図された方法が記載されている。特許文献４では、金属板またはセラミックに「気泡抜きライン」を配置することが提案されている。この技術の欠点は、パワー半導体モジュールを組み立てるのに必要な接合プロセスの間に、はんだ付けの際の媒溶剤などのプロセス流体が構造体の内部に溜まる可能性があることである。プロセス流体は、モジュールの使用時に出現し構成要素の耐用年数を短くするおそれがある。これに加えて、「気泡抜きライン」は金属・セラミック間の熱的及び機械的な接合を低下させる。

特許文献５では、金属板及びセラミックの表面を集中的に洗浄することによって気泡の形成を避けることが提案されている。気泡の形成の回避は、特に、液相接合に必要な反応層を所定の位置に形成することによって実現することが意図されている。しかし、気泡の形成には、ごみが付着する可能性以外の原因があるため、この方法は実用的にそれほど有望であるとは思われない。

特許文献６に記載された方法では、接合プロセスの間に生じた気泡を、以後のプロセスにおいて、非常に高い圧力（４０〜２００ＭＰａ（４００〜２０００バール））及び高温（４５０〜１０５０℃）で、境界面から押し出すことが意図されている。気泡を除去するためのこの公知のプロセスの欠点は、非常に多量のエネルギーと長い時間を必要とし、従って、コストがかかることである。その結果、この方法は大量生産には極めて不適当である。

米国特許第３９９４４３０号明細書 欧州特許出願公開第００８５９１４号明細書 独国特許出願公開第１０２００４０５６８７９号明細書 米国特許第４４０９２２７８号明細書 米国特許第４８６０９３９号明細書 独国特許出願公開第１０２００４０３３９３３号明細書

本発明は、直接ボンディングプロセスによる、両面が金属とされた金属−セラミックの基板の製造方法であって、単純で経済的に実施可能な製造方法を提供することを目的とする。

この課題は、請求項１の特徴を有する発明によって解決される。本発明の好ましい実施態様は従属請求項がその対象としている。

本発明の方法によれば、１回のプロセスシーケンスのみで、少なくとも１枚のセラミック基板の上面及び下面にそれぞれ、金属板または金属箔を接合することができる。この接合プロセスは液相接合である。本発明によれば、この接合は、接合すべき複合材料が、特別に構成された保持体の上に置かれることによって実現される。本発明によれば、この保持体は、その上面が、多数の接触点が形成されるように構成されていることを特徴とする。保持体は、１つの部分だけで構成されてもよいし、いくつかの部分で構成されてもよい。本発明の唯一の重要な要素は、保持体の上面が上記の通りに構成されることである。

本発明によれば、第１及び第２の金属板とセラミック基板とからなる構成体が保持体の上に置かれる。本発明による保持体の特殊な構造のために、接合プロセスの後、２つの金属板とセラミック基板との複合材料を残留物無しに保持体から分離することができ、必要に応じて洗浄後に、保持体を再使用できる、という状況が実現される。本発明による保持体は、保持体上に先に積層しておく必要があったであろう追加的な分離層を不要とする、という利点をもたらす。保持体と構成体との間の中間スペースによって、炉で加熱する際の良好な熱伝達が確保される。このようにして、両面が金属とされた金属−セラミックの基板の製造方法が簡略化される。

接触点の数及び大きさは、金属板とセラミック基板とからなる構成体が保持体に適切に支持されるとともに、構成体と保持体との間に適切な中間スペースが設けられるような数及び大きさとするのがよい。

集合体の高さは１００ｍｍ未満、好ましくは５０ｍｍ未満、特に好ましくは１０ｍｍ未満であることが好ましい。

保持体は、第１及び第２の金属板とセラミック基板とからなる構成体に面する上面に、複数の突状集合体を有している。突状集合体は構成体に向けて先細りになっている。突状集合体は構成体の方向に、端部まで延びていることが好ましい。従って、これによって複数の小さい接触点が形成される。

「端部まで延びる」上面の集合体は、複数の端部として形成される「接触面」の存在を含意している。この複数の端部は例えば、１つの集合体当たり１ｍｍ²から３ｍｍ²の間、特には２ｍｍ²であってよい。これは、生産上の技術的理由に基いており、実用的には、より小さい接触面を作製することは困難であり、または相当の経費を伴い、またはそれらの両方の不利益を伴う。接触面の大きさをさらに小さくすることは不要であり、かつ望ましくない。接触面をさらに小さくすると基板が損傷するおそれがある。

保持体上の突状集合体全体によって形成される接触面の面積は、接合すべき表面の面積に比例しており、好ましくはその０．１％から０．５％の間であり、特に０．３％である。

突状集合体としては、円錐体またはピラミッド体を使用することが特に好ましい。しかし、突状集合体は円筒形であってもよい。突状集合体は、正方形、矩形、楕円、長円のいずれか、またはこれらを組み合わせた断面を有してもよい。唯一の重要な要素は、構成体がその全面で突状集合体に接触せず、下面の全表面積に対して非常に小さい表面積で接触することである。

複数の突状集合体は、複数の列をなして、好ましくは一定距離の間隔をおいて、上面全体にわたって分散して配置されることが好ましい。

保持体は、耐高温性能を備えた金属など、接合プロセスに対して反応速度が遅く、及び／または可溶性を有さない材料で構成されるのがよい。それによって、保持体を必要に応じて、洗浄後に再使用することができる。保持体は、様々なプロセス雰囲気（反応性雰囲気及び不活性雰囲気）で使用できる材料で構成するのがよい。

保持体または保持体の一部は、ムライト、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素、窒化ジルコニウム、炭化ケイ素、及び黒鉛からなる群から選択される少なくとも１つの化合物を含むことが好ましい。

本発明による方法では、気泡の形成は、第１及び／または第２の金属板を、セラミック基板上に配置する前に穿孔することによって効果的に回避される。金属板、好ましくは両方の金属板を穿孔することによって、接合プロセス中に金属板とセラミックとの境界面に形成される気泡を「抜く」ことができる。これによって、接合が行われる表面が広くなる。

２つの金属板の少なくとも一方を穿孔することは、それ自体、特許性を有する重要な要件である。両面が金属とされた金属−セラミックの基板の製造方法では、本発明による構造を備えた保持体と、本発明によって穿孔された金属板または金属箔と、を共に使用することが好ましい。しかし、本発明によって穿孔された金属板のみを使用し、本発明による保持体を使用しないことも、原理的には可能である。

２つの金属板の少なくとも一方に、「抜き」効果を確保するのに十分大きくかつ金属板が適度な大きさの通電容量を有する程度に小さい直径を有する複数の穴を設けることが好ましい。穴の直径は、０．１〜１ｍｍ、好ましくは０．４〜０．６ｍｍである。

穴は、複数の列をなして、好ましくは一定距離の間隔をおいて、配置されることが好ましい。しかし、穴は基本的には、金属板上に任意の所望の状態で分散させることができる。

頂部金属板または金属箔と、底部金属板または金属箔と、の間に配置されたセラミック基板を示す、ＤＣＢパッケージの断面図である。 保持体に置かれた図１のＤＣＢパッケージを示す図である。 図１のＤＣＢパッケージの、２つの金属板または金属箔の一方を示す図である。 ＤＣＢパッケージの保持体の、他の実施形態を示す図である。 ＤＣＢパッケージの保持体の、他の実施形態を示す図である。

本発明の実施形態について、図面を参照して以下に詳しく説明する。

図１は、第１の頂部金属板１と第２の底部金属板３とからなり、これらの間にセラミック基板２が配置された、ＤＣＢパッケージとして形成された構成体を示している。２つの金属板１，３はいずれも、銅板または銅箔である。セラミック基板は酸化セラミック基板であり、特に酸化アルミニウムのセラミックで形成されている。

酸化金属板１，３をセラミック基板２に接合する直接ボンディングプロセスと呼ばれる方法は、明示的に引用される特許文献２に詳しく記載されている。

本発明による方法は、ＤＣＢパッケージが、特別な構成の保持体４（図２）の上に置かれることを特徴としている。保持体４は、ムライト、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素、窒化ジルコニウム、炭化ケイ素、及び黒鉛からなる群から選択される少なくとも１つの化合物でできたプレートである。このプレートは、ＤＣＢパッケージ１，２，３に面する上面に複数の突状集合体４Ａを有している。突状部の高さＨは、０＜Ｈ≦２０ｍｍであることが好ましい。実施例では、突状集合体４Ａは高さが約１０ｍｍの円錐体であり、先端部４Ｂが外側を向いている。円錐体４Ａの先端部４Ｂは、ＤＣＢ基板１，２，３が保持体４に置かれる端部である、複数の接触点を形成している。円錐体４Ａは、複数の列をなし、一定距離の間隔で配置されている。

第１の実施例では、厚さ０．３８ｍｍ、大きさ１３８ｍｍ×１９０ｍｍのＡｌ₂Ｏ₃製セラミック基板の両面に、厚さ０．３ｍｍの銅製の金属箔を接合した。接合プロセスの前に、両面の銅箔１，３を公知の方法で酸化させた。２つの金属箔１，３及びセラミック基板２から、図１に示すＤＣＢパッケージを組み立てた。次に、ＤＣＢパッケージ１，２，３を図２に示す保持体の上に置き、連続炉のコンベアベルト上に配置した。連続炉内で、保持体４の上に置かれ一定速度で搬送されるＤＣＢパッケージ１，２，３を、１０６５℃から１０８３℃の間の温度、例えば１０７１℃まで加熱し、炉の加熱ゾーンを通過した後、室温に冷却した。この接合プロセスの後、金属−セラミックの基板１，２，３を保持体４から分離し、公知のＤＣＢ製造技術に従って処理した。接合プロセスの後、保持体４を次の接合プロセスで再び利用できるように洗浄した。金属箔が保持体に付着するおそれはなく、底部金属箔３の下面と保持体４との間で追加的な分離層を省略できることが分かった。

ＤＣＢパッケージ１，２，３の金属箔１，３を、金属−セラミックの基板２上に配置する前に穿孔した。穿孔にはレーザを使用し、それによって直径０．５ｍｍの穴５を、複数の列状に、かつ距離２０ｍｍの間隔で銅箔に設けた。穿孔後、接合プロセスを始める前に、銅箔を酸化させた。穿孔され酸化させられた銅箔１，３を、接合プロセスの前にセラミック基板２上に配置した。この複合材料を連続炉のコンベアベルト上に配置し、一定の搬送速度下で、１０６５℃から１０８３℃の間の温度、例えば１０７１℃まで加熱し、炉の加熱ゾーンを通過した後、室温まで冷却した。銅箔とセラミック基板との間に気泡の形成は認められなかった。

図４は、ＤＣＢパッケージ１，２，３の保持体４の、他の実施形態を示している。保持体４は、横方向帯状部７を有する矩形フレーム６として構成されている。横方向帯状部７の上面に、列７Ａ〜７Ｅをなして、複数の突状集合体が配置されている。突状集合体は複数の四角錐台８として構成体されている。しかし、四角錐台の代わりに、側面の数が４つより多いかまたは少ないピラミッド形の部材を設けることができる。ピラミッドの平坦な先端部は、ＤＣＢ基板が置かれる表面を形成する。

図５は、ＤＣＢパッケージ１，２，３の保持体４の、他の実施形態を示している。図５の実施形態は、突状集合体の構成だけが図４の実施形態と異なっている。従って、互いに対応する部分には同じ参照番号が使用されている。保持体は、この場合も横方向帯状部７を有する矩形フレーム６として構成されている。横方向帯状部７の上面に、列７Ａ〜７Ｅをなして、半球体９として構成された突状集合体が配置されている。円形断面を有する部材の代わりに、楕円断面または長円断面を有する部材を設けることもできる。

１，３ 金属板
２ セラミック基板
４ 保持体
４Ａ 円錐体
４Ｂ 先端部
５ 穴
７ 横方向帯状部
７Ａ〜７Ｅ 列
９ 半球体

Claims (12)

1. 直接ボンディングプロセスによって両面が金属とされたセラミック基板を製造する方法であって、第１及び第２の金属板と、前記第１の金属板と前記第２の金属板との間に配置されたセラミック基板と、からなる構成体を保持体の上に該保持体と接触するように置き、前記保持体の上に置かれ、前記第１及び第２の金属板と前記セラミック基板とからなる前記構成体を加熱によって接合し、前記両面が金属とされたセラミック基板を得る方法において、
   前記保持体は、前記第１及び第２の金属板と前記セラミック基板とからなる前記構成体に面する上面に、前記構成体が前記保持体上に置かれる接触点が複数個形成されるように構成され、前記保持体は、前記第１及び第２の金属板と前記セラミック基板とからなる前記構成体に面する前記上面に、前記第１及び第２の金属板と前記セラミック基板とからなる前記構成体に向けて先細りする形状の、複数の突状集合体を有することを特徴とする方法。
2. 前記突状集合体は、前記第１及び第２の金属板と前記セラミック基板とからなる前記構成体の方向に、端部まで延びている、請求項１に記載の方法。
3. 前記突状集合体は円錐体である、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記突状集合体はピラミッド体である、請求項１または２に記載の方法。
5. 前記突状集合体は半球体である、請求項１または２に記載の方法。
6. 前記突状集合体は、前記第１及び第２の金属板と前記セラミック基板とからなる前記構成体に面する前記保持体の上面に、一定の間隔で分散して位置している、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記保持体または前記保持体の少なくとも一部は、ムライト、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素、窒化ジルコニウム、炭化ケイ素、及び黒鉛からなる群から選択される少なくとも１つの化合物を含んでいる、請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記第１及び第２の金属板は、前記セラミック基板上に置かれる前に酸化させられる、請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記第１及び第２の金属板として銅板が使用される、請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記第１の金属板と前記第２の金属板の少なくともいずれかは、前記セラミック基板上に配置される前に穿孔される、請求項１から９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記第１の金属板と前記第２の金属板の少なくともいずれかは、前記セラミック基板上に配置される前に、直径が０．１ｍｍから１ｍｍの間の複数の穴が設けられる、請求項１０に記載の方法。
12. 前記穴は、複数の列をなすように、かつ間隔をもって配置される、請求項１０または１１に記載の方法。

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