JP7363027B2 - 接合体の製造方法、及び、絶縁回路基板の製造方法 - Google Patents
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Description
この発明は、金属部材とセラミックス部材とが接合されてなる接合体の製造方法、及び、金属板とセラミックス基板とが接合されてなる絶縁回路基板の製造方法に関するものである。
パワーモジュール、ＬＥＤモジュール及び熱電モジュールにおいては、絶縁層の一方の面に導電材料からなる回路層を形成した絶縁回路基板に、パワー半導体素子、ＬＥＤ素子及び熱電素子が接合された構造とされている。
例えば、風力発電、電気自動車、ハイブリッド自動車等を制御するために用いられる大電力制御用のパワー半導体素子は、動作時の発熱量が多いことから、これを搭載する基板としては、セラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に導電性の優れた金属板を接合して形成した回路層と、を備えた絶縁回路基板が、従来から広く用いられている。なお、絶縁回路基板としては、セラミックス基板の他方の面に金属板を接合して金属層を形成したものも提供されている。
例えば、風力発電、電気自動車、ハイブリッド自動車等を制御するために用いられる大電力制御用のパワー半導体素子は、動作時の発熱量が多いことから、これを搭載する基板としては、セラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に導電性の優れた金属板を接合して形成した回路層と、を備えた絶縁回路基板が、従来から広く用いられている。なお、絶縁回路基板としては、セラミックス基板の他方の面に金属板を接合して金属層を形成したものも提供されている。
例えば、特許文献１には、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に、アルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミニウム板を接合することにより回路層及び金属層を形成した絶縁回路基板が提案されている。
この特許文献１においては、セラミックス基板又は金属板の接合面のうちの少なくとも一方にＳｉ及びＣｕを固着させ、固着させたＳｉ及びＣｕを前記金属板側に拡散させることによって前記セラミックス基板と前記金属板との界面に前記溶融金属領域を形成し、前記溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持し、前記溶融金属領域中のＳｉ及びＣｕをさらに前記金属板側に拡散させ、温度を一定に保持した状態で前記溶融金属領域の凝固を進行させることによって、セラミックス基板と金属板とを接合している。
この特許文献１においては、セラミックス基板又は金属板の接合面のうちの少なくとも一方にＳｉ及びＣｕを固着させ、固着させたＳｉ及びＣｕを前記金属板側に拡散させることによって前記セラミックス基板と前記金属板との界面に前記溶融金属領域を形成し、前記溶融金属領域が形成された状態で温度を一定に保持し、前記溶融金属領域中のＳｉ及びＣｕをさらに前記金属板側に拡散させ、温度を一定に保持した状態で前記溶融金属領域の凝固を進行させることによって、セラミックス基板と金属板とを接合している。
さらに、特許文献２－４には、セラミックス基板の一方の面及び他方の面に、銅又は銅合金からなる銅板を接合することにより回路層及び金属層を形成した絶縁回路基板が提案されている。
ここで、特許文献２においては、セラミックス基板と銅板とを、活性金属材とＣｕ－Ｐろう材等を介在させて積層し、積層したセラミックス基板と銅板を加熱して液相を生じさせ、この液相を凝固させることにより、セラミックス基板と銅板とを接合している。
ここで、特許文献２においては、セラミックス基板と銅板とを、活性金属材とＣｕ－Ｐろう材等を介在させて積層し、積層したセラミックス基板と銅板を加熱して液相を生じさせ、この液相を凝固させることにより、セラミックス基板と銅板とを接合している。
また、特許文献３においては、セラミックス基板と銅板との間に、Ａｇ及び窒化物形成元素を含むペーストを介在させて積層し、積層したセラミックス基板と銅板を加熱して液相を生じさせ、この液相を凝固させることにより、セラミックス基板と銅板とを接合している。
特許文献４においては、窒化アルミニウム基板又は導体層の、少なくとも一方の表面上に、チタン、ジルコニウム及びハフニウムからなる群から選択される少なくとも一種を、スパッタリング法又は蒸着法により成膜し、成膜した薄膜層上に、導体層又は窒化アルミニウム基板を圧着させることにより、窒化アルミニウム基板と導体層とを接合している。
特許文献４においては、窒化アルミニウム基板又は導体層の、少なくとも一方の表面上に、チタン、ジルコニウム及びハフニウムからなる群から選択される少なくとも一種を、スパッタリング法又は蒸着法により成膜し、成膜した薄膜層上に、導体層又は窒化アルミニウム基板を圧着させることにより、窒化アルミニウム基板と導体層とを接合している。
ところで、上述した特許文献１，２，４に記載されたように、セラミックス基板と金属板にスパッタリングや蒸着によって各種金属膜を成膜する場合には、成膜装置内にこれらセラミックス基板や金属板を配置する必要があり、金属膜を効率良く成膜することが困難であった。
なお、金属膜を成膜する代わりに、セラミックス基板と金属板との間に金属箔を配設することも考えられるが、厚さの薄い金属箔を取り扱うことは非常に困難であり、作業効率が悪く、効率良く絶縁回路基板を製造することができなかった。
また、特許文献３に記載されたように、金属ペーストを用いた場合には、接合条件によっては、金属ペーストに含まれる溶剤等の有機物の残渣が残り、界面反応が阻害され、セラミックス基板と金属板とを強固に接合できないおそれがあった。
なお、金属膜を成膜する代わりに、セラミックス基板と金属板との間に金属箔を配設することも考えられるが、厚さの薄い金属箔を取り扱うことは非常に困難であり、作業効率が悪く、効率良く絶縁回路基板を製造することができなかった。
また、特許文献３に記載されたように、金属ペーストを用いた場合には、接合条件によっては、金属ペーストに含まれる溶剤等の有機物の残渣が残り、界面反応が阻害され、セラミックス基板と金属板とを強固に接合できないおそれがあった。
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、セラミックス部材と金属部材との間に、各種金属膜を容易に配設することができ、かつ、接合時の界面反応を阻害することなく、セラミックス部材と金属部材とを確実に接合することができ、接合信頼性に優れた接合体を効率良く製造することが可能な接合体の製造方法、及び、絶縁回路基板の製造方法を提供することを目的とする。
このような課題を解決して、前記目的を達成するために、本発明の接合体の製造方法は、金属部材と、セラミックス部材とが接合されてなる接合体の製造方法であって、樹脂基材の表面に金属膜が成膜された複合シート材を準備する複合シート材準備工程と、前記金属部材と前記セラミックス部材とを、少なくとも前記複合シート材を介して積層する積層工程と、前記複合シート材を介して積層された前記金属部材と前記セラミックス部材とを加熱して前記金属部材と前記セラミックス部材とを接合する接合工程と、を備えており、前記積層工程では、前記複合シート材とともに溶加材を介して、前記金属部材と前記セラミックス部材とを積層しており、前記樹脂基材は、熱分解温度が、前記接合工程における加熱温度よりも低く、かつ、熱分解後に残存する残渣の重量比が１．２％以下とされた樹脂で構成されており、前記複合シート材は、前記金属膜の厚さＡと前記樹脂基材の厚さＢとの比Ａ／Ｂが０．０１以上０．３以下の範囲内とされていることを特徴としている。
この構成の接合体の製造方法においては、樹脂基材の表面に金属膜が成膜された複合シート材を介して、前記金属部材と前記セラミックス部材とを積層する積層工程を備えているので、比較的容易に、前記金属部材と前記セラミックス部材との間に金属膜を配設することが可能となる。
また、樹脂基材は、熱分解温度が、前記接合工程における加熱温度よりも低く、かつ、熱分解後に残存する残渣の重量比が１．２％以下とされた樹脂で構成されているので、接合工程で確実に熱分解されるとともに熱分解後の残渣が少なく、界面反応が阻害されることはない。
よって、セラミックス部材と金属部材との接合信頼性に優れた接合体を効率良く製造することが可能となる。
また、樹脂基材は、熱分解温度が、前記接合工程における加熱温度よりも低く、かつ、熱分解後に残存する残渣の重量比が１．２％以下とされた樹脂で構成されているので、接合工程で確実に熱分解されるとともに熱分解後の残渣が少なく、界面反応が阻害されることはない。
よって、セラミックス部材と金属部材との接合信頼性に優れた接合体を効率良く製造することが可能となる。
ここで、本発明の接合体の製造方法においては、前記金属膜の厚さＡと前記樹脂基材の厚さＢとの比Ａ／Ｂが０．０１以上とされているので、前記樹脂基材の厚さＢの割合が少なくなり、熱分解後の残渣をさらに少なく抑えることができ、界面反応を促進させることが可能となる。
一方、前記金属膜の厚さＡと前記樹脂基材の厚さＢとの比Ａ／Ｂが０．３以下とされているので、前記樹脂基材の厚さＢの割合が確保され、取り扱いが容易となり、前記金属部材と前記セラミックス部材と間に金属膜を、容易にかつ確実に、配設することが可能となる。
また、前記複合シート材とともに接合材を介して前記金属部材と前記セラミックス部材とを積層することにより、接合工程において確実に界面反応を促進させることができ、金属部材とセラミックス部材とを強固に接合することが可能となる。
一方、前記金属膜の厚さＡと前記樹脂基材の厚さＢとの比Ａ／Ｂが０．３以下とされているので、前記樹脂基材の厚さＢの割合が確保され、取り扱いが容易となり、前記金属部材と前記セラミックス部材と間に金属膜を、容易にかつ確実に、配設することが可能となる。
また、前記複合シート材とともに接合材を介して前記金属部材と前記セラミックス部材とを積層することにより、接合工程において確実に界面反応を促進させることができ、金属部材とセラミックス部材とを強固に接合することが可能となる。
また、本発明の接合体の製造方法においては、前記樹脂基材の厚さが１０μｍ以上５０μｍ以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、前記樹脂基材の厚さが１０μｍ以上とされているので、前記樹脂基材の厚さが確保され、熱によって複合シート材の強度が大きく低下することを抑制できる。
一方、前記樹脂基材の厚さが５０μｍ以下とされているので、熱分解後に残存する残渣量を抑えることができ、界面反応を促進させることが可能となる。
この場合、前記樹脂基材の厚さが１０μｍ以上とされているので、前記樹脂基材の厚さが確保され、熱によって複合シート材の強度が大きく低下することを抑制できる。
一方、前記樹脂基材の厚さが５０μｍ以下とされているので、熱分解後に残存する残渣量を抑えることができ、界面反応を促進させることが可能となる。
本発明の絶縁回路基板の製造方法は、金属板と、セラミックス基板とが接合されてなる絶縁回路基板の製造方法であって、上述の接合体の製造方法によって、前記金属板と前記セラミックス基板とを接合することを特徴としている。
この構成の絶縁回路基板の製造方法によれば、上述の接合体の製造方法によって、前記金属板と前記セラミックス基板とを接合する構成とされているので、比較的容易に、前記金属板と前記セラミックス基板との間に金属膜を配設することが可能となる。また、樹脂基材は、熱分解温度が、前記接合工程における加熱温度よりも低く、かつ、熱分解後に残存する残渣の重量比が１．２％未満とされた樹脂で構成されているので、接合工程で確実に熱分解されるとともに熱分解後の残渣が少なく、界面反応が阻害されることはない。
これにより、比較的容易に、セラミックス基板と金属板との接合信頼性に優れた絶縁回路基板を製造することが可能となる。
この構成の絶縁回路基板の製造方法によれば、上述の接合体の製造方法によって、前記金属板と前記セラミックス基板とを接合する構成とされているので、比較的容易に、前記金属板と前記セラミックス基板との間に金属膜を配設することが可能となる。また、樹脂基材は、熱分解温度が、前記接合工程における加熱温度よりも低く、かつ、熱分解後に残存する残渣の重量比が１．２％未満とされた樹脂で構成されているので、接合工程で確実に熱分解されるとともに熱分解後の残渣が少なく、界面反応が阻害されることはない。
これにより、比較的容易に、セラミックス基板と金属板との接合信頼性に優れた絶縁回路基板を製造することが可能となる。
本発明によれば、セラミックス部材と金属部材との間に、各種金属膜を容易に配設することができ、かつ、接合時の界面反応を阻害することなく、セラミックス部材と金属部材とを確実に接合することができ、接合信頼性に優れた接合体を効率良く製造することが可能な接合体の製造方法、及び、絶縁回路基板の製造方法を提供することが可能となる。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、以下に示す各実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
本発明の実施形態に係る接合体は、セラミックス部材であるセラミックス基板１１と、金属部材である金属板２２（回路層１２）及び金属板２３（金属層１３）とが接合されることにより構成された絶縁回路基板１０とされている。
図１に、本実施形態である絶縁回路基板１０及びこの絶縁回路基板１０を用いたパワーモジュール１を示す。
図１に、本実施形態である絶縁回路基板１０及びこの絶縁回路基板１０を用いたパワーモジュール１を示す。
このパワーモジュール１は、絶縁回路基板１０と、この絶縁回路基板１０の一方側（図１において上側）にはんだ層２を介して接合された半導体素子３と、絶縁回路基板１０の他方側（図１において下側）に接合されたヒートシンク３１と、を備えている。
本実施形態に係る絶縁回路基板１０は、セラミックス基板１１と、このセラミックス基板１１の一方の面（図１において上面）に配設された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（図１において下面）に配設された金属層１３とを備えている。
セラミックス基板１１は、回路層１２と金属層１３との間の電気的接続を防止するものであって、本実施形態では、窒化アルミニウムで構成されている。ここで、セラミックス基板１１の厚さは、０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。
回路層１２は、図３に示すように、セラミックス基板１１の一方の面に導電性を有する金属板２２が接合されることによって形成されている。この回路層１２には、回路パターンが形成されており、その一方の面（図１において上面）が、半導体素子３が搭載される搭載面されている。
本実施形態では、金属板２２は、銅又は銅合金で構成されたものとされている。なお、銅又は銅合金からなる金属板２２としては、例えば、無酸素銅、タフピッチ銅、Ｓｎ入り銅等の圧延板を用いることができる。本実施形態の金属板２２は、無酸素銅の圧延板とされている。
ここで、回路層１２（金属板２２）の厚さは、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されている。
本実施形態では、金属板２２は、銅又は銅合金で構成されたものとされている。なお、銅又は銅合金からなる金属板２２としては、例えば、無酸素銅、タフピッチ銅、Ｓｎ入り銅等の圧延板を用いることができる。本実施形態の金属板２２は、無酸素銅の圧延板とされている。
ここで、回路層１２（金属板２２）の厚さは、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されている。
金属層１３は、図３に示すように、セラミックス基板１１の他方の面に熱伝導性に優れた金属板２３が接合されることにより形成されている。本実施形態では、金属板２３は、アルミニウム又はアルミニウム合金で構成されたものとされている。なお、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属板２３としては、例えば、純度９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（２Ｎアルミニウム）、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上のアルミニウム（４Ｎアルミニウム）、Ａ１０５０、Ａ１０８５、Ａ１１００、Ａ３００３等の圧延板を用いることができる。本実施形態の金属板２３は、４Ｎアルミニウムの圧延板とされている。
ここで、金属層１３（金属板２３）の厚さは ０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内に設定されている。
ここで、金属層１３（金属板２３）の厚さは ０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の範囲内に設定されている。
ヒートシンク３１は、絶縁回路基板１０側の熱を放散するためのものである。本実施形態においては、ヒートシンク３１は、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる放熱板とされている。具体的には、Ａ６０６３合金からなる放熱板とされ、その厚さが１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲内に設定されている。
なお、ヒートシンク３１としては、Ａ１０５０、Ａ１１００、Ａ３００３、Ａ６０６１等のアルミニウムを用いることもできる。
なお、ヒートシンク３１としては、Ａ１０５０、Ａ１１００、Ａ３００３、Ａ６０６１等のアルミニウムを用いることもできる。
次に、上述した本実施形態である絶縁回路基板１０の製造方法について、図２から図４を参照して説明する。
（複合シート材準備工程Ｓ０１）
まず、樹脂基材の表面に金属膜を成膜した複合シート材を準備する。本実施形態では、図３及び図４に示すように、２つの複合シート材（第１複合シート材４０及び第２複合シート材５０）を準備する。
まず、樹脂基材の表面に金属膜を成膜した複合シート材を準備する。本実施形態では、図３及び図４に示すように、２つの複合シート材（第１複合シート材４０及び第２複合シート材５０）を準備する。
第１複合シート材４０を構成する第１樹脂基材４１、及び、第２複合シート材５０を構成する第２樹脂基材５１は、熱分解温度が、後述する接合工程Ｓ０３における加熱温度よりも低く、かつ、熱分解後に残存する残渣の重量比が１．２％未満となる樹脂で構成されている。本実施形態では、後述するように、接合工程Ｓ０３における加熱温度が６００℃以上６５０℃以下の範囲内とされているので、第１樹脂基材４１及び第２樹脂基材５１を構成する樹脂の熱分解温度は、この加熱温度以下となる。
ここで、熱分解後に残存する残渣の重量比は、熱重量測定（ＴＧ測定）を実施することで算出する。本実施形態では、Ａｒ雰囲気下で、昇温速度を２０℃／ｍｉｎとし、熱分解温度＋３０℃まで加熱し、残渣重量比を算出した。
なお、熱分解温度は、以下のようにして求めた。示差熱分析（ＤＴＡ）における吸熱ピーク温度を、昇温速度を変化しながら取得し、横軸に昇温温度、縦軸に吸熱ピーク温度としてプロットし、これらの比例関係式から求められる０℃／ｍｉｎの外挿値を、熱分解温度とした。
なお、熱分解温度は、以下のようにして求めた。示差熱分析（ＤＴＡ）における吸熱ピーク温度を、昇温速度を変化しながら取得し、横軸に昇温温度、縦軸に吸熱ピーク温度としてプロットし、これらの比例関係式から求められる０℃／ｍｉｎの外挿値を、熱分解温度とした。
本実施形態においては、第１樹脂基材４１及び第２樹脂基材５１を構成する樹脂としては、例えば、ポリスチレン、アクリル、ポリ乳酸、ポリプロピレン、高密度ポリエチレン等を適用することができる。
そして、第１複合シート材４０においては、第１樹脂基材４１の表面に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｈｆといった活性元素のいずれか１種又は２種以上を含有する第１金属膜４２を成膜する。本実施形態においては、第１金属膜４２は、Ｔｉで構成されたものとしている。
ここで、第１金属膜４２の厚さＡ１と第１樹脂基材４１の厚さＢ１との比Ａ１／Ｂ１が０．０１以上０．３以下の範囲内とされている。
なお、第１金属膜４２の厚さＡ１と第１樹脂基材４１の厚さＢ１との比Ａ１／Ｂ１の下限は、０．０３以上であることが好ましく、０．０７以上であることがさらに好ましい。一方、第１金属膜４２の厚さＡ１と第１樹脂基材４１の厚さＢ１との比Ａ１／Ｂ１の上限は、０．１５以下であることが好ましく、０．１０以下であることがさらに好ましい。
ここで、第１金属膜４２の厚さＡ１と第１樹脂基材４１の厚さＢ１との比Ａ１／Ｂ１が０．０１以上０．３以下の範囲内とされている。
なお、第１金属膜４２の厚さＡ１と第１樹脂基材４１の厚さＢ１との比Ａ１／Ｂ１の下限は、０．０３以上であることが好ましく、０．０７以上であることがさらに好ましい。一方、第１金属膜４２の厚さＡ１と第１樹脂基材４１の厚さＢ１との比Ａ１／Ｂ１の上限は、０．１５以下であることが好ましく、０．１０以下であることがさらに好ましい。
また、本実施形態においては、第１金属膜４２の厚さＡ１が０．１μｍ以上１．０μｍ以下の範囲内とされており、第１樹脂基材４１の厚さＢ１が１０μｍ以上５０μｍ以下の範囲内とされている。
なお、第１金属膜４２の厚さＡ１の下限は、０．１５μｍ以上であることが好ましく、０．３μｍ以上であることがさらに好ましい。一方、第１金属膜４２の厚さＡ１の上限は、０．８５μｍ以下であることが好ましく、０．７μｍ以下であることがさらに好ましい。
また、第１樹脂基材４１の厚さＢ１の下限は、１２μｍ以上であることが好ましく、１５μｍ以上であることがさらに好ましい。一方、第１樹脂基材４１の厚さＢ１の上限は、３５μｍ以下であることが好ましく、２５μｍ以下であることがさらに好ましい。
なお、第１金属膜４２の厚さＡ１の下限は、０．１５μｍ以上であることが好ましく、０．３μｍ以上であることがさらに好ましい。一方、第１金属膜４２の厚さＡ１の上限は、０．８５μｍ以下であることが好ましく、０．７μｍ以下であることがさらに好ましい。
また、第１樹脂基材４１の厚さＢ１の下限は、１２μｍ以上であることが好ましく、１５μｍ以上であることがさらに好ましい。一方、第１樹脂基材４１の厚さＢ１の上限は、３５μｍ以下であることが好ましく、２５μｍ以下であることがさらに好ましい。
また、第２複合シート材５０においては、第２樹脂基材５１の表面に、Ｓｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｇｅ，Ｃａ，Ｇａ，Ｌｉのうちのいずれか１種又は２種以上を含有する第２金属膜５２を成膜する。本実施形態においては、第２金属膜５２は、Ｃｕで構成されたものとしている。
ここで、第２金属膜５２の厚さＡ２と第２樹脂基材５１の厚さＢ２との比Ａ２／Ｂ２が０．０１以上０．３以下の範囲内とされている。
なお、第２金属膜５２の厚さＡ２と第２樹脂基材５１の厚さＢ２との比Ａ２／Ｂ２の下限は、０．０３以上であることが好ましく、０．０７以上であることがさらに好ましい。一方、第２金属膜５２の厚さＡ２と第２樹脂基材５１の厚さＢ２との比Ａ２／Ｂ２の上限は、０．１５以下であることが好ましく、０．１０以下であることがさらに好ましい。
ここで、第２金属膜５２の厚さＡ２と第２樹脂基材５１の厚さＢ２との比Ａ２／Ｂ２が０．０１以上０．３以下の範囲内とされている。
なお、第２金属膜５２の厚さＡ２と第２樹脂基材５１の厚さＢ２との比Ａ２／Ｂ２の下限は、０．０３以上であることが好ましく、０．０７以上であることがさらに好ましい。一方、第２金属膜５２の厚さＡ２と第２樹脂基材５１の厚さＢ２との比Ａ２／Ｂ２の上限は、０．１５以下であることが好ましく、０．１０以下であることがさらに好ましい。
また、本実施形態においては、第２金属膜５２の厚さＡ２が０．１μｍ以上８μｍ以下の範囲内とされており、第２樹脂基材５１の厚さＢ２が１０μｍ以上５０μｍ以下の範囲内とされている。
なお、第２金属膜５２の厚さＡ２の下限は、０．１５μｍ以上であることが好ましく、０．３μｍ以上であることがさらに好ましい。一方、第２金属膜５２の厚さＡ２の上限は、６μｍ以下であることが好ましく、４．５μｍ以下であることがさらに好ましい。
また、第２樹脂基材５１の厚さＢ２の下限は、１２μｍ以上であることが好ましく、１５μｍ以上であることがさらに好ましい。一方、第２樹脂基材５１の厚さＢ２の上限は、３５μｍ以下であることが好ましく、２５μｍ以下であることがさらに好ましい。
なお、第２金属膜５２の厚さＡ２の下限は、０．１５μｍ以上であることが好ましく、０．３μｍ以上であることがさらに好ましい。一方、第２金属膜５２の厚さＡ２の上限は、６μｍ以下であることが好ましく、４．５μｍ以下であることがさらに好ましい。
また、第２樹脂基材５１の厚さＢ２の下限は、１２μｍ以上であることが好ましく、１５μｍ以上であることがさらに好ましい。一方、第２樹脂基材５１の厚さＢ２の上限は、３５μｍ以下であることが好ましく、２５μｍ以下であることがさらに好ましい。
なお、第１樹脂基材４１の表面に第１金属膜４２を成膜する手段、及び、第２樹脂基材５１の表面に第２金属膜５２を成膜する手段には、特に限定はなく、蒸着、スパッタリング、イオンプレーティング等を適用することができる。
ここで、第１樹脂基材４１及び第２樹脂基材５１は、コイル状に巻き取ることが可能であることから、連続成膜装置を用いて、第１金属膜４２及び第２金属膜５２をそれぞれ成膜することが好ましい。
ここで、第１樹脂基材４１及び第２樹脂基材５１は、コイル状に巻き取ることが可能であることから、連続成膜装置を用いて、第１金属膜４２及び第２金属膜５２をそれぞれ成膜することが好ましい。
（積層工程Ｓ０２）
次に、セラミックス基板１１の一方の面（図３において上面）に、溶加材２５及び第１複合シート材４０を介して、金属板２２を積層する。なお、このとき、金属板２２と第１金属膜４２とが直接接触するように、第１複合シート材４０を配置する。
また、セラミックス基板１１の他方の面（図３において下面）に、第２複合シート材５０を介して、金属板２３を積層する。なお、このとき、金属板２３と第２金属膜５２とが直接接触するように、第２複合シート材５０を配置する。
次に、セラミックス基板１１の一方の面（図３において上面）に、溶加材２５及び第１複合シート材４０を介して、金属板２２を積層する。なお、このとき、金属板２２と第１金属膜４２とが直接接触するように、第１複合シート材４０を配置する。
また、セラミックス基板１１の他方の面（図３において下面）に、第２複合シート材５０を介して、金属板２３を積層する。なお、このとき、金属板２３と第２金属膜５２とが直接接触するように、第２複合シート材５０を配置する。
ここで、溶加材２５は、融点が６６０℃以下のＣｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉ系ろう材、Ｃｕ－Ｓｎ系ろう材、又はＣｕ－Ａｌ系ろう材、Ｃｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉ系はんだ材又はＣｕ－Ｓｎ系はんだ材とされている。また、望ましくは、融点が６００℃以下とされているとよい。本実施形態では、溶加材２５としてＣｕ－Ｐ－Ｓｎ－Ｎｉ系ろう材箔（Ｃｕ－７ｍａｓｓ％Ｐ－１５ｍａｓｓ％Ｓｎ－１０ｍａｓｓ％Ｎｉ）を用いている。溶加材２５の厚みは、５μｍ以上１５０μｍ以下の範囲とされている。
（接合工程Ｓ０３）
次に、金属板２２、第１複合シート材４０、溶加材２５、セラミックス基板１１、第２複合シート材５０、金属板２３を、積層方向に加圧（圧力０．１ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下）した状態で、真空加熱炉内に装入して加熱し、金属板２２とセラミックス基板１１、及び、セラミックス基板１１と金属板２３を接合する。
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０－６Ｐａ以上１０－３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は６００℃以上６５０℃以下の範囲内に、加熱時間は３０分以上３６０分以下の範囲内に設定している。
次に、金属板２２、第１複合シート材４０、溶加材２５、セラミックス基板１１、第２複合シート材５０、金属板２３を、積層方向に加圧（圧力０．１ＭＰａ以上３．５ＭＰａ以下）した状態で、真空加熱炉内に装入して加熱し、金属板２２とセラミックス基板１１、及び、セラミックス基板１１と金属板２３を接合する。
ここで、本実施形態では、真空加熱炉内の圧力は１０－６Ｐａ以上１０－３Ｐａ以下の範囲内に、加熱温度は６００℃以上６５０℃以下の範囲内に、加熱時間は３０分以上３６０分以下の範囲内に設定している。
なお、積層方向の加圧荷重の下限は、０．１ＭＰａ以上とすることが好ましく、３．４３ＭＰａ以上とすることがさらに好ましい。一方、積層方向の加圧荷重の上限は、１．９６ＭＰａ以下とすることが好ましく、１．４７ＭＰａ以下とすることがさらに好ましい。
また、加熱温度の下限は、６１５℃以上とすることが好ましく、６２５℃以上とすることがさらに好ましい。一方、加熱温度の上限は、６４５℃以下とすることが好ましく、６４０℃以下とすることがさらに好ましい。
さらに、加熱温度での保持時間の下限は、６０分以上とすることが好ましく、９０分以上とすることがさらに好ましい。一方、加熱温度での保持時間の上限は、２４０分以下とすることが好ましく、１８０分以下とすることがさらに好ましい。
また、加熱温度の下限は、６１５℃以上とすることが好ましく、６２５℃以上とすることがさらに好ましい。一方、加熱温度の上限は、６４５℃以下とすることが好ましく、６４０℃以下とすることがさらに好ましい。
さらに、加熱温度での保持時間の下限は、６０分以上とすることが好ましく、９０分以上とすることがさらに好ましい。一方、加熱温度での保持時間の上限は、２４０分以下とすることが好ましく、１８０分以下とすることがさらに好ましい。
この接合工程Ｓ０３においては、第１複合シート材４０のＴｉからなる第１金属膜４２と金属板２２とが固相拡散接合によって接合されるとともに、溶加材２５が溶融することで液相が生じ、この液相が凝固することにより、溶加材２５を介して、セラミックス基板１１と第１複合シート材４０の第１金属膜４２とが接合されることになる。これにより、セラミックス基板１１と金属板２２とが接合される。
また、接合工程Ｓ０３においては、第２複合シート材５０の第２金属膜５２のＣｕがアルミニウムからなる金属板２３側に拡散することにより、金属板２３の第２金属膜近傍の添加元素の濃度（Ｃｕ濃度）が上昇して融点が低くなり、液相が生じることになる。そして、液相が生じた状態で温度一定で保持すると、液相中のＣｕが、さらに金属板２３側へと拡散し、液相部分のＣｕ濃度が徐々に低下していき融点が上昇することになり、温度を一定に保持した状態で凝固が進行していく。これにより、セラミックス基板１１と金属板２３とが接合される。つまり、セラミックス基板１１と金属板２３とは、いわゆる過渡液相接合法（ＴＬＰ：Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｂｏｎｄｉｎｇ）によって接合されているのである。
このようにして、金属板２２、セラミックス基板１１、金属板２３が接合され、本実施形態である絶縁回路基板１０が製造される。
（ヒートシンク接合工程Ｓ０４）
次に、絶縁回路基板１０の金属層１３の他方の面側にヒートシンク３１を接合する。
絶縁回路基板１０とヒートシンク３１とを、Ａｌ－Ｓｉ系ろう材を介して積層して加熱炉に装入し、絶縁回路基板１０とヒートシンク３１とを接合する。
次に、絶縁回路基板１０の金属層１３の他方の面側にヒートシンク３１を接合する。
絶縁回路基板１０とヒートシンク３１とを、Ａｌ－Ｓｉ系ろう材を介して積層して加熱炉に装入し、絶縁回路基板１０とヒートシンク３１とを接合する。
（半導体素子接合工程Ｓ０５）
次に、絶縁回路基板１０の回路層１２の一方の面に、半導体素子３をはんだ付けにより接合する。
以上の工程により、図１に示すパワーモジュール１が製出される。
次に、絶縁回路基板１０の回路層１２の一方の面に、半導体素子３をはんだ付けにより接合する。
以上の工程により、図１に示すパワーモジュール１が製出される。
以上のような構成とされた本実施形態の絶縁回路基板（接合体）の製造方法によれば、セラミックス基板１１の一方の面に、溶加材２５、及び、第１樹脂基材４１の表面にＴｉからなる第１金属膜４２が成膜された第１複合シート材４０を介して、金属板２２を積層するとともに、セラミックス基板１１の他方の面に、第２樹脂基材５１の表面にＣｕからなる第２金属膜５２が成膜された第２複合シート材５０を介して、金属板２３を積層する積層工程Ｓ０２を備えているので、金属板２２とセラミックス基板１１の間にＴｉからなる第１金属膜４２を、また、セラミックス基板１１と金属板２３の間にＣｕからなる第２金属膜５２を、それぞれ比較的容易に配設することができる。
そして、第１樹脂基材４１及び第２樹脂基材５１は、熱分解温度が、接合工程Ｓ０３における加熱温度よりも低く、かつ、熱分解後に残存する残渣の重量比が１．２％未満とされた樹脂で構成されているので、接合工程Ｓ０３において、第１樹脂基材４１及び第２樹脂基材５１が確実に熱分解されるとともに熱分解後の残渣が少なく、界面反応が阻害されることはない。よって、金属板２２とセラミックス基板１１、及び、セラミックス基板１１と金属板２３とを良好に接合することができる。
また、本実施形態においては、複合シート材準備工程Ｓ０１において、連続成膜装置等を用いて、第１樹脂基材４１及び第２樹脂基材５１の表面に、それぞれ第１金属膜４２及び第２金属膜５２を成膜した場合には、効率的に第１複合シート材４０及び第２複合シート材５０を製造することが可能となる。
さらに、本実施形態において、第１複合シート材４０の第１金属膜４２の厚さＡ１と第１樹脂基材４１の厚さＢ１との比Ａ１／Ｂ１が０．０１以上とされ、第２複合シート材５０の第２金属膜５２の厚さＡ２と第２樹脂基材５１の厚さＢ２との比Ａ２／Ｂ２が０．０１以上とされている場合には、第１樹脂基材４１及び第２樹脂基材５１の厚さ割合が少なくなり、熱分解後の残渣をさらに少なく抑えることができ、界面反応を促進させることが可能となる。
一方、第１複合シート材４０の第１金属膜４２の厚さＡ１と第１樹脂基材４１の厚さＢ１との比Ａ１／Ｂ１が０．３以下とされ、第２複合シート材５０の第２金属膜５２の厚さＡ２と第２樹脂基材５１の厚さＢ２との比Ａ２／Ｂ２が０．３以下とされている場合には、第１樹脂基材４１及び第２樹脂基材５１の厚さ割合が確保され、第１複合シート材４０及び第２複合シート材５０を容易に取り扱うことができ、金属板２２とセラミックス基板１１の間に第１複合シート材４０を、また、セラミックス基板１１と金属板２３の間に第２複合シート材５０を、それぞれ容易に配設することができる。
一方、第１複合シート材４０の第１金属膜４２の厚さＡ１と第１樹脂基材４１の厚さＢ１との比Ａ１／Ｂ１が０．３以下とされ、第２複合シート材５０の第２金属膜５２の厚さＡ２と第２樹脂基材５１の厚さＢ２との比Ａ２／Ｂ２が０．３以下とされている場合には、第１樹脂基材４１及び第２樹脂基材５１の厚さ割合が確保され、第１複合シート材４０及び第２複合シート材５０を容易に取り扱うことができ、金属板２２とセラミックス基板１１の間に第１複合シート材４０を、また、セラミックス基板１１と金属板２３の間に第２複合シート材５０を、それぞれ容易に配設することができる。
また、本実施形態において、第１樹脂基材４１の厚さが１０μｍ以上とされ、第２樹脂基材５１の厚さが１０μｍ以上とされている場合には、第１樹脂基材４１及び第２樹脂基材５１の厚さが確保され、熱によって第１複合シート材４０及び第２複合シート材５０の強度が大きく低下することを抑制できる。
一方、第１樹脂基材４１の厚さが５０μｍ以下とされ、第２樹脂基材５１の厚さが５０μｍ以下とされている場合には、熱分解後に残存する残渣量を抑えることができ、界面反応を促進させることが可能となる。
一方、第１樹脂基材４１の厚さが５０μｍ以下とされ、第２樹脂基材５１の厚さが５０μｍ以下とされている場合には、熱分解後に残存する残渣量を抑えることができ、界面反応を促進させることが可能となる。
さらに、本実施形態においては、金属板２２とセラミックス基板１１との間に、第１複合シート材４０とともに溶加材２５を配設しており、接合工程Ｓ０３において、この溶加材２５が溶融することで液相が生じる構成とされているので、金属板２２とセラミックス基板１１とを確実に接合することが可能となる。
また、本実施形態では、第１複合シート材４０において、活性金属であるＴｉからなる第１金属膜４２の厚さＡ１が０．１μｍ以上１．０μｍ以下の範囲内とされているので、金属板２２と第１金属膜４２とを確実に固相拡散接合させることができるとともに、溶加材２５を介してセラミックス基板１１と第１金属膜４２とを接合することができる。よって、金属板２２とセラミックス基板１１とを確実に接合して、回路層１２を形成することができる。
さらに、本実施形態では、第２複合シート材５０において、Ｃｕからなる第２金属膜５２の厚さＡ２が０．１μｍ以上８μｍ以下の範囲内とされているので、第２金属膜５２のＣｕ原子を金属板２３側に拡散させることで液相を生じさせ、さらに拡散を促進することで液相を凝固させることができる。よって、セラミックス基板１１と金属板２３を確実に接合して、金属層１３を形成することができる。
さらに、本実施形態では、上述したように、セラミックス基板１１の一方の面に銅からなる金属板２２を６５０℃以下の低温条件で接合することができるので、セラミックス基板１１と銅からなる金属板２２との接合と、セラミックス基板１１とアルミニウムからなる金属板２３との接合とを、同時に実施することができる。
また、セラミックス基板１１への熱負荷を低減することができ、セラミックス基板１１の割れ等の発生を抑制することができる。
また、セラミックス基板１１への熱負荷を低減することができ、セラミックス基板１１の割れ等の発生を抑制することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施形態においては、回路層を銅又は銅合金で構成し、金属層をアルミニウム又はアルミニウム合金で構成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、回路層及び金属層をともに銅又は銅合金で構成してもよいし、回路層及び金属層をともにアルミニウム又はアルミニウム合金で構成してもよい。あるいは、回路層と金属層の一方又は両方が、銅とアルミニウムの積層体で構成されていてもよい。
例えば、本実施形態においては、回路層を銅又は銅合金で構成し、金属層をアルミニウム又はアルミニウム合金で構成したものとして説明したが、これに限定されることはなく、回路層及び金属層をともに銅又は銅合金で構成してもよいし、回路層及び金属層をともにアルミニウム又はアルミニウム合金で構成してもよい。あるいは、回路層と金属層の一方又は両方が、銅とアルミニウムの積層体で構成されていてもよい。
さらに、本実施形態では、銅又は銅合金からなる金属板とセラミックス基板とを、溶加材を介して接合するものとして説明したが、これに限定されることはなく、金属板とセラミックス基板の間に、樹脂基材の表面に、ＡｇとＴｉ，Ｈｆ，Ｚｒ，Ｎｂから選択される１種又は２種以上の活性金属とを含有する金属膜が成膜された複合シート材を介在させ、これを積層方向に加圧して加熱することにより、金属板とセラミックス基板とを接合してもよい。この場合、接合時の加熱温度は、例えば７９０℃以上８５０℃以下の範囲内とされる。よって、複合シート材を構成する樹脂基材は、この加熱温度で熱分解する樹脂を選択することができる。
さらに、本実施形態では、セラミックス基板とアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属板とを、過渡液相接合法（ＴＬＰ）によって接合するものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ａｌ－Ｓｉろう材等を用いて接合してもよい。
また、本実施形態では、絶縁回路基板の回路層にパワー半導体素子を搭載してパワーモジュールを構成するものとして説明したが、これに限定されることはない。例えば、絶縁回路基板にＬＥＤ素子を搭載してＬＥＤモジュールを構成してもよいし、絶縁回路基板の回路層に熱電素子を搭載して熱電モジュールを構成してもよい。
本発明の有効性を確認するために行った確認実験について説明する。
まず、表１に示すように、樹脂基板の表面に金属膜を成膜した複合シート材を準備した。ここで、金属膜は、真空蒸着法によって成膜した。金属膜の成膜条件は、真空度を１×１０－３Ｐａ、基材到達温度を８０℃以上９０℃以下とした。
なお、表１に示すように、本発明例３，６，７，９，１０及び比較例４においては、金属膜として、２種類の金属膜を積層した。ここで、表１においては、金属膜の膜厚Ａは、１層構造の場合には、Ａ＝Ａ１、２層構造の場合には、Ａ＝Ａ１＋Ａ２となる。
なお、表１に示すように、本発明例３，６，７，９，１０及び比較例４においては、金属膜として、２種類の金属膜を積層した。ここで、表１においては、金属膜の膜厚Ａは、１層構造の場合には、Ａ＝Ａ１、２層構造の場合には、Ａ＝Ａ１＋Ａ２となる。
次に、表２に示すセラミックス基板（５０ｍｍ×６０ｍｍ、厚さは表２に記載）と、金属板（４８ｍｍ×５８ｍｍ、厚さは表２に記載）を準備した。
そして、表２に示す条件で、これらセラミックス基板と金属板とを接合した。なお、表３においては、過渡液相接合法を用いたものを「ＴＬＰ」と表記し、溶加材（Ｃｕ－６．３ｍａｓｓ％Ｐ－９．３ｍａｓｓ％Ｓｎ－７ｍａｓｓ％Ｎｉ）を用いて接合したものを「溶加材」と表記し、Ａｇと活性金属を用いて接合したものを「ＡＭＢ」と表記した。
そして、表２に示す条件で、これらセラミックス基板と金属板とを接合した。なお、表３においては、過渡液相接合法を用いたものを「ＴＬＰ」と表記し、溶加材（Ｃｕ－６．３ｍａｓｓ％Ｐ－９．３ｍａｓｓ％Ｓｎ－７ｍａｓｓ％Ｎｉ）を用いて接合したものを「溶加材」と表記し、Ａｇと活性金属を用いて接合したものを「ＡＭＢ」と表記した。
得られた絶縁回路基板（接合体）について、回路層とセラミックス基板との接合率を評価した。評価結果を表２に示す。
具体的には、絶縁回路基板において、回路層とセラミックス基板との界面の接合率について超音波探傷装置（株式会社日立パワーソリューションズ製ＦｉｎｅＳＡＴ２００）を用いて評価し、以下の式から算出した。ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積、すなわち回路層の面積とした。超音波探傷像を二値化処理した画像において剥離は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を剥離面積とした。
（接合率）＝｛（初期接合面積）－（非接合部面積）｝／（初期接合面積）×１００
具体的には、絶縁回路基板において、回路層とセラミックス基板との界面の接合率について超音波探傷装置（株式会社日立パワーソリューションズ製ＦｉｎｅＳＡＴ２００）を用いて評価し、以下の式から算出した。ここで、初期接合面積とは、接合前における接合すべき面積、すなわち回路層の面積とした。超音波探傷像を二値化処理した画像において剥離は接合部内の白色部で示されることから、この白色部の面積を剥離面積とした。
（接合率）＝｛（初期接合面積）－（非接合部面積）｝／（初期接合面積）×１００
比較例１－４においては、樹脂基材として、熱分解後に残存する残渣の重量比が８．２％であったポリエチレンテレフタレートを用いたため、セラミックス基板の材質、金属板の材質、接合方法等によらず、いずれも接合率が低くなり、セラミックス基板と金属板とを十分に接合することが困難であった。
接合時に残渣が多く存在し、界面反応が阻害されたことにより、接合率が低下したと推測される。
接合時に残渣が多く存在し、界面反応が阻害されたことにより、接合率が低下したと推測される。
これに対して、樹脂基材として、熱分解温度が接合工程における加熱温度よりも低く、かつ、熱分解後に残存する残渣の重量比が１．２％未満とされた樹脂を適用した本発明例１－１２においては、セラミックス基板の材質、金属板の材質、接合方法等によらず、いずれも接合率が十分に高く、セラミックス基板と金属板とを確実に接合することが可能であった。
以上のことから、本発明例によれば、セラミックス基板（セラミックス部材）と金属板（金属部材）とを確実に接合することができ、接合信頼性に優れた絶縁回路基板（接合体）を効率良く製造することが可能な絶縁回路基板（接合体）の製造方法を提供可能であることが確認された。
１０ 絶縁回路基板（接合体）
１１ セラミックス基板（セラミックス部材）
１２ 回路層
１３ 金属層
２２ 金属板（金属部材）
２３ 金属板（金属部材）
１１ セラミックス基板（セラミックス部材）
１２ 回路層
１３ 金属層
２２ 金属板（金属部材）
２３ 金属板（金属部材）
Claims (3)
- 金属部材と、セラミックス部材とが接合されてなる接合体の製造方法であって、
樹脂基材の表面に金属膜が成膜された複合シート材を準備する複合シート材準備工程と、
前記金属部材と前記セラミックス部材とを、少なくとも前記複合シート材を介して積層する積層工程と、
前記複合シート材を介して積層された前記金属部材と前記セラミックス部材とを加熱して前記金属部材と前記セラミックス部材とを接合する接合工程と、
を備えており、
前記積層工程では、前記複合シート材とともに溶加材を介して、前記金属部材と前記セラミックス部材とを積層しており、
前記樹脂基材は、熱分解温度が、前記接合工程における加熱温度よりも低く、かつ、熱分解後に残存する残渣の重量比が１．２％以下とされた樹脂で構成されており、
前記複合シート材は、前記金属膜の厚さＡと前記樹脂基材の厚さＢとの比Ａ／Ｂが０．０１以上０．３以下の範囲内とされていることを特徴とする接合体の製造方法。 - 前記樹脂基材の厚さが１０μｍ以上５０μｍ以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項１に記載の接合体の製造方法。
- 金属板と、セラミックス基板とが接合されてなる絶縁回路基板の製造方法であって、
請求項１または請求項２に記載の接合体の製造方法によって、前記金属板と前記セラミックス基板とを接合することを特徴とする絶縁回路基板の製造方法。
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