JP6797018B2 - ろう材及びこれを用いたセラミック基板 - Google Patents
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Description
本発明はろう材及びこれを用いたセラミック基板に関する。
パワーモジュール等に利用される回路用基板として、熱伝導率、コスト、安全性等の点から、アルミナ、ベリリア、窒化ケイ素、窒化アルミニウム等のセラミック基板が利用されている。これらのセラミック基板は、銅やアルミニウム等の金属回路や放熱板を接合して、回路基板として用いられる。これらは、樹脂基板や樹脂層を絶縁材とする金属基板に対し、高い絶縁性が安定して得られる点が特長である。
エレベーター、車両、ハイブリッドカー等といったパワーモジュール用途には、半導体搭載用セラミック基板の表面に、導電性を有する金属回路層をろう材で接合し、更に金属回路層の所定の位置に半導体素子を搭載したセラミック回路基板が用いられている。
エレベーター、車両、ハイブリッドカー等といったパワーモジュール用途には、半導体搭載用セラミック基板の表面に、導電性を有する金属回路層をろう材で接合し、更に金属回路層の所定の位置に半導体素子を搭載したセラミック回路基板が用いられている。
近年、回路基板の小型化及びパワーモジュールの高出力化が進む中、セラミック基板材料には、電気絶縁性に加えて、優れた放熱特性を発現するように高熱伝導率が要求されており、熱伝導率が高い窒化アルミニウム基板が注目されている。
特に電気鉄道や車両用途では、セラミック回路基板には、モジュール形成の熱衝撃に耐えうる強度や、搭載された半導体素子の発熱及び周囲環境の温度変化の繰り返しに耐える耐性が要求される。
特に電気鉄道や車両用途では、セラミック回路基板には、モジュール形成の熱衝撃に耐えうる強度や、搭載された半導体素子の発熱及び周囲環境の温度変化の繰り返しに耐える耐性が要求される。
このような熱特性はヒートサイクルにより評価される。一般にヒートサイクル評価は、−４５℃から１２５℃まで加熱、冷却を繰り返し、回路基板端部にかかる応力に起因するクラックを評価する方法である。
銅回路板と窒化アルミニウム基板の耐ヒートサイクル性を向上させる方法として、パターン端部の裾を長くすることや回路端部に段差を設けることで端部に発生する応力を緩和する手法などが提案されている（特許文献１、２）。
銅回路板と窒化アルミニウム基板の耐ヒートサイクル性を向上させる方法として、パターン端部の裾を長くすることや回路端部に段差を設けることで端部に発生する応力を緩和する手法などが提案されている（特許文献１、２）。
しかしながら、上記手法では、耐ヒートサイクル性は向上されるが、生産性が低下するといった問題は解決されていない。
また、一般的に接合を低温にすることで接合界面に発生する熱膨張差に起因する応力が緩和され、耐ヒートサイクル性が向上すると考えられるが、上記手法を用いた場合、セラミック基板と金属板の間にろう材が濡れ広がらず、接合性が低下して、パターン剥離等の原因となる。
また、一般的に接合を低温にすることで接合界面に発生する熱膨張差に起因する応力が緩和され、耐ヒートサイクル性が向上すると考えられるが、上記手法を用いた場合、セラミック基板と金属板の間にろう材が濡れ広がらず、接合性が低下して、パターン剥離等の原因となる。
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、セラミック基板に用いられたときに、接合性を向上させる、ろう材が提供される。
本発明によれば、酸素量０．０８質量％以下の銀粉末が７２質量部以上、酸素量０．０５質量％以下の銅粉末が２８質量部以下の合計１００質量部に対して、活性金属を１．０質量部〜５．０質量部含むことを特徴とするろう材が提供される。
本発明の一態様によれば、上記のろう材では、銀粉末が７２質量部以上９０質量部以下、銅粉末が１０質量部以上２８質量部以下であることを特徴とする。
本発明によれば、セラミック基材と金属板とを含む基板であって、セラミック基材と金属板とを接合する接合層が上記のろう材からなることを特徴とするセラミック基板が提供される。
本発明によれば、セラミック基板に用いられたときに、接合性を向上させる、ろう材が提供される。
以下、実施形態により本発明をさらに詳細に説明する。しかし、本発明がこれらの実施形態に限定されないことは自明である。
［ろう材］
本実施形態のろう材は、酸素量０．０８質量％以下の銀粉末が７２質量部以上、酸素量０．０５質量％以下の銅粉末が２８質量部以下の合計１００質量部に対して、活性金属を１．０質量部〜５．０質量部含むことを特徴とする。「酸素量」とは、銀粉末中又は銅粉末中に含まれる酸素含有量のことをいう。銀粉末又は銅粉末の酸素量は、酸素・窒素分析装置等により測定することができる。
本実施形態のろう材は、酸素量０．０８質量％以下の銀粉末が７２質量部以上、酸素量０．０５質量％以下の銅粉末が２８質量部以下の合計１００質量部に対して、活性金属を１．０質量部〜５．０質量部含むことを特徴とする。「酸素量」とは、銀粉末中又は銅粉末中に含まれる酸素含有量のことをいう。銀粉末又は銅粉末の酸素量は、酸素・窒素分析装置等により測定することができる。
ろう材に含まれる銀粉末の酸素量が０．０８質量％以下であることにより、窒化アルミニウム基板とろう材との接合性を向上させることができる。また、ろう材に含まれる銅粉末の酸素量が０．０５質量％以下であることにより、窒化アルミニウム基板とろう材との接合性を向上させることができる。
上記のろう材は、銀粉末が７２質量部以上９０質量部以下、銅粉末が１０質量部以上２８質量部以下であってもよい。このような範囲の配合とすることにより、接合性が高く、かつ接合面におけるクラックの発生を抑制できる。
ろう材に含有する活性金属の量は、銀粉末と銅粉末との合計１００質量部に対して１．０〜５．０質量部が好ましい。より好ましくは２．０〜４．０質量部である。
活性金属の量が１．０質量部以上であれば、セラミック基板とろう材との接合性が十分に確保でき、５．０質量部以下であれば、ヒートサイクル試験後のクラックの発生を抑制できる。
活性金属の量が１．０質量部以上であれば、セラミック基板とろう材との接合性が十分に確保でき、５．０質量部以下であれば、ヒートサイクル試験後のクラックの発生を抑制できる。
また、活性金属としては、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、バナジウム、錫、アルミニウムなどから選択される１種又は２種以上の金属を用いることができるが、チタンを使用することが一般的である。活性金属であるチタンと窒化物系セラミックス基板の窒素とが共有結合してＴｉＮ（窒化チタン）となり、このＴｉＮが接合層の一部を形成する。
［セラミック基板］
本実施形態のろう材は、セラミック基材と金属板とを接合する接合層として、セラミック基材と金属板とを含むセラミック基板に好ましく用いられる。
本実施形態のろう材は、セラミック基材と金属板とを接合する接合層として、セラミック基材と金属板とを含むセラミック基板に好ましく用いられる。
セラミック基板を構成するセラミック基材としては、窒化ケイ素、窒化アルミニウムなどが用いられる。熱伝導性、絶縁性の観点より、窒化アルミニウム基板が特に好ましい。
また、その厚みは、機械的強度および耐電圧特性の観点から、０．３ｍｍより厚いことが好ましく、熱抵抗値の観点から３．０ｍｍより薄いことが好ましい。例えば、セラミック基材の厚さは、０．３〜３．０ｍｍとすることができる。
また、その厚みは、機械的強度および耐電圧特性の観点から、０．３ｍｍより厚いことが好ましく、熱抵抗値の観点から３．０ｍｍより薄いことが好ましい。例えば、セラミック基材の厚さは、０．３〜３．０ｍｍとすることができる。
セラミック基板を構成する金属板としては、アルミニウム、銅などが用いられるが、熱抵抗値の観点より、銅板が特に好ましい。
銅板の厚みは、０．１ｍｍ以上であれば、基板の放熱性が低下することなく、０．４ｍｍ以下であれば、接合後の残留応力が抑制されるため、０．１〜０．４ｍｍが特に好ましい。
銅板の厚みは、０．１ｍｍ以上であれば、基板の放熱性が低下することなく、０．４ｍｍ以下であれば、接合後の残留応力が抑制されるため、０．１〜０．４ｍｍが特に好ましい。
金属板の純度は、９０％以上であることが好ましい。純度が９０％以上であれば、基板と金属板を接合する際、金属板とろう材の反応が十分であり、金属板が硬くなり回路基板の信頼性が低下することを抑制できる。
［セラミック基板の製造方法］
上記のセラミック基材と金属板とを接合する接合層を形成する材料として、ろう材が用いられる。
本実施形態のろう材を用いたセラミック基板の製造方法は、特に限定されるものではなく、例えば、次の方法で作製することができる。
上記のセラミック基材と金属板とを接合する接合層を形成する材料として、ろう材が用いられる。
本実施形態のろう材を用いたセラミック基板の製造方法は、特に限定されるものではなく、例えば、次の方法で作製することができる。
セラミック基材にろう材を塗布し、回路が形成される金属板を重ね合わせて積層体とする。このとき、回路形成面の裏側の放熱面に、同じろう材を介して放熱板を重ねてもよい。
ろう材の塗布量は、乾燥基準で５〜１０ｍｇ／ｃｍ２が好ましい。塗布量が５ｍｇ／ｃｍ２以上であれば、未反応の部分が生じることを抑制でき、１０ｍｇ／ｃｍ２以下であれば、接合層を除去する時間を短くできて、生産性が向上する。
ろう材の塗布方法は特に限定されず、基板表面に均一に塗布できるスクリーン印刷法、ロールコーター法等の公知の塗布方法を採用することができる。
ろう材の塗布方法は特に限定されず、基板表面に均一に塗布できるスクリーン印刷法、ロールコーター法等の公知の塗布方法を採用することができる。
次いで、上記の積層体を加熱してろう材を溶解させ、セラミック基材と金属板との間に、ろう材からなる接合層が形成されたセラミック基板を作製する。
ここで、セラミック基材と金属板との接合温度が８００℃以上８２０℃以下であってもよい。窒化アルミニウム基板と銅板の接合は、真空中にて８００℃〜８２０℃の温度且つ１０〜２０分の時間で接合してもよい。接合温度が８００℃以上であれば、セラミック基材とろう材の接合性が良く、８２０℃以下であれば、耐ヒートサイクル性が向上する。
また、セラミック基材と金属板との接合時間が１０分以上２０分以下であってもよい。
接合時間が１０分以上であれば、セラミック基材とろう材の接合性が良い。接合時間が２０分以下であれば、耐ヒートサイクル性が向上する。
接合時間が１０分以上であれば、セラミック基材とろう材の接合性が良い。接合時間が２０分以下であれば、耐ヒートサイクル性が向上する。
上記のセラミック基板を回路基板とする場合には、回路基板に回路パターンを形成するため、金属板にエッチングレジストを塗布してエッチングする。
エッチングレジストに関して特に制限はなく、例えば、一般に使用されている紫外線硬化型や熱硬化型のものが使用できる。エッチングレジストの塗布方法に関しては特に制限はなく、例えばスクリーン印刷法等の公知の塗布方法が採用できる。
エッチングレジストに関して特に制限はなく、例えば、一般に使用されている紫外線硬化型や熱硬化型のものが使用できる。エッチングレジストの塗布方法に関しては特に制限はなく、例えばスクリーン印刷法等の公知の塗布方法が採用できる。
エッチング処理に用いられるエッチング液に関しても特に制限はないが、塩化第二銅溶液が好ましい。エッチングによって不要な金属部分を除去した窒化物セラミックス回路基板には、塗布したろう材、その合金層、窒化物層等が残っており、ハロゲン化アンモニウム水溶液、硫酸、硝酸等の無機酸、過酸化水素水を含む溶液を用いて、それらを除去するのが一般的である。
回路形成後、エッチングレジストの剥離を行うが、剥離方法は特に限定されずアルカリ水溶液に浸漬させる方法などが一般的である。
回路形成後、エッチングレジストの剥離を行うが、剥離方法は特に限定されずアルカリ水溶液に浸漬させる方法などが一般的である。
上記の実施形態のろう材は、セラミック基板に用いられたときに、接合性を向上させるという効果を奏する。そして、セラミック基板を生産性良く製造することができる。
［実施例１］
５５ｍｍ×４８ｍｍ×１ｍｍｔの窒化アルミニウム基板の表面及び裏面に、酸素量が０．０８質量％の銀粉末（９０質量部）及び酸素量が０．０５％の銅粉末（１０質量部）の合計１００質量部に対して、チタンを３質量部含む活性金属ろう材を乾燥後の厚みが１０μｍとなるようロールコーターを用いて塗布した。
その後、表面に回路形成用銅板（厚み０．３０ｍｍ、無酸素銅板）を、裏面に放熱板形成用銅板（厚み０．２５ｍｍ、無酸素銅板）を重ね、６．５×１０−４Ｐａの真空炉中、８１５℃且つ１０分の条件にて接合し、銅板と窒化アルミニウム基板の接合体を製造した。
５５ｍｍ×４８ｍｍ×１ｍｍｔの窒化アルミニウム基板の表面及び裏面に、酸素量が０．０８質量％の銀粉末（９０質量部）及び酸素量が０．０５％の銅粉末（１０質量部）の合計１００質量部に対して、チタンを３質量部含む活性金属ろう材を乾燥後の厚みが１０μｍとなるようロールコーターを用いて塗布した。
その後、表面に回路形成用銅板（厚み０．３０ｍｍ、無酸素銅板）を、裏面に放熱板形成用銅板（厚み０．２５ｍｍ、無酸素銅板）を重ね、６．５×１０−４Ｐａの真空炉中、８１５℃且つ１０分の条件にて接合し、銅板と窒化アルミニウム基板の接合体を製造した。
接合体の金属板に、スクリーン印刷によりＵＶ硬化型エッチングレジストを回路パターン形状となるよう印刷し、ＵＶ硬化させた後、さらに金属放熱面にベタパターンを印刷しＵＶ硬化させた。これをエッチャントとして塩化第二銅水溶液を使用したエッチングをおこない、続いて６０℃のフッ化アンモニウム水溶液で処理し、窒化アルミニウム回路基板を作製した。
次いで、無電解Ｎｉ−Ｐめっきを施した回路基板を製造し、以下の評価を行った。銅板と窒化アルミニウム基板の接合性及び回路基板の耐ヒートサイクル評価は下記の方法にて評価した。
＜銅板と窒化アルミニウムの接合性の評価＞
銅板と窒化アルミニウム基板の接合性は、走査型超音波探傷装置（本多電子株式会社製・型式ＨＡ７０１Ｗ）にて得られた、窒化アルミニウム基板と銅板の接合界面における未接合面積を、画像解析ソフトＧＩＭＰ２（閾値１４０）にて二値化し算出した後、未接合面積／基板面積により未接合率を算出した。
得られた結果より、未接合率１％未満の条件を接合性を良好と判断した。
銅板と窒化アルミニウム基板の接合性は、走査型超音波探傷装置（本多電子株式会社製・型式ＨＡ７０１Ｗ）にて得られた、窒化アルミニウム基板と銅板の接合界面における未接合面積を、画像解析ソフトＧＩＭＰ２（閾値１４０）にて二値化し算出した後、未接合面積／基板面積により未接合率を算出した。
得られた結果より、未接合率１％未満の条件を接合性を良好と判断した。
＜耐ヒートサイクル性の評価＞
得られた回路基板を、−４５℃にて３０分保持、２５℃にて１０分保持、１２５℃にて３０分保持、２５℃にて１０分保持する行程を１サイクルとする耐ヒートサイクル試験にて、５００サイクル繰り返し試験を行った後、塩化銅液及びフッ化アンモニウム／過酸化水素エッチングで銅板及びろう材層を剥離した。
この窒化アルミニウム基板の表面の水平クラック面積を画像解析ソフトＧＩＭＰ２（閾値１４０）にて二値化し算出した後、水平クラック面積／回路パターンの面積よりクラック率を算出した。
得られた結果より、クラック率１％以下の条件を耐ヒートサイクル性を良好と判定した。
得られた回路基板を、−４５℃にて３０分保持、２５℃にて１０分保持、１２５℃にて３０分保持、２５℃にて１０分保持する行程を１サイクルとする耐ヒートサイクル試験にて、５００サイクル繰り返し試験を行った後、塩化銅液及びフッ化アンモニウム／過酸化水素エッチングで銅板及びろう材層を剥離した。
この窒化アルミニウム基板の表面の水平クラック面積を画像解析ソフトＧＩＭＰ２（閾値１４０）にて二値化し算出した後、水平クラック面積／回路パターンの面積よりクラック率を算出した。
得られた結果より、クラック率１％以下の条件を耐ヒートサイクル性を良好と判定した。
［実施例２〜１３、比較例１〜５］
実施例２〜１３及び比較例１〜９については、表１に示す様に銀粉末と銅粉末の配合比、それぞれの粉末の酸素量、チタンの配合量、接合の条件を変えたこと以外は、実施例１と同様の作成方法でろう材及び窒化アルミニウム回路基板を作製した。
実施例２〜１３及び比較例１〜９については、表１に示す様に銀粉末と銅粉末の配合比、それぞれの粉末の酸素量、チタンの配合量、接合の条件を変えたこと以外は、実施例１と同様の作成方法でろう材及び窒化アルミニウム回路基板を作製した。
表１より、本発明のろう材を用いた場合、窒化アルミニウム基板に銅板を接合する際に、接合性を低下させることなく、耐ヒートサイクルの評価でクラック率１％以下の回路基板が得られることがわかる。
Claims (2)
- 酸素量０．０８質量％以下の銀粉末が７２質量部以上９０質量部以下、酸素量０．０５質量％以下の銅粉末が１０質量部以上２８質量部以下の合計１００質量部に対して、活性金属を１．０質量部〜５．０質量部含み、
活性金属が、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、バナジウムから選択される１種又は２種以上のみからなり、
窒化アルミニウム基材と銅板との接合に用いられることを特徴とするろう材。 - 窒化アルミニウム基材と銅板とを含むセラミック基板であって、窒化アルミニウム基材と銅板とを接合する接合層が請求項１に記載のろう材からなることを特徴とするセラミック基板。
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