JPH01201085A - 電子部品用銅張りセラミック基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は電子部品用銅張りセラミックス基板の製造方法
に関する。

［従来の技術］ セラミックスと金属の接合法についてはこれまでに多く
の方法が知られているが、その中で現在パワーモジュー
ル用銅張りセラミック基板の製造方法として実用化され
ている方法は特公昭５７−１３５１５号公報及び特公昭
６０−４１５４号公報に開示されている方法である。特
公昭５フ一１３５１５号公報に開示されている方法は要
約すると「金属部材（銅）とセラミック基体（アルミナ
）とを接触させて配置し、制御された反応性（酸素）雰
囲気内で該金属の共晶融体を形成してセラミック基体と
金属部材とを結合する」ものであり、特公昭６０−４１
５４号公報に開示されている方法は「銅部材またはセラ
ミック基体上に２００〜５０００人の厚さの銅酸化物層
を形成し、これをセラミック基体または銅部材と接触さ
せて配置し、不活性雰囲気中において加熱して銅と銅酸
化物の亜共晶融体を形成して銅部材とセラミック基体と
を結合する」ものである。

特公昭６０−４１５４号公報の方法は特公昭５７−１３
５１５号公報の方法を改良したものであるが、両方法と
も銅の融点よりも低い温度に加熱して銅部材とアルミナ
基体との間に銅と銅酸化物との共晶融体を形成する点に
おいて非常に類似している。

この融体は冷却中に凝固し、銅と銅酸化物の混合した領
域（以下、共晶領域と呼ぶ）を形成するが、この共晶領
域は通常５０ミクロン以下の薄い層をなしているために
実質的に銅部材が直接アルミナ基体に接合しているとみ
なすことができる。

この方法によって製造される銅張りセラミック基板は熱
伝導性が良好である他、銅の熱膨張率が見掛は上アルミ
ナの線膨張率に近い値となるためにシリコン半導体を直
接ハンダ付けしても熱応力が大きくならないなどの優れ
た特性を有しているのでパワーモジュールなどの半導体
部品用の基板として使用されている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上述の銅張りセラミック基板には次のよ
うな欠点がある。即ち、パワーモジュール等の半導体部
品の組み立てにおいて、水素雰囲気でハンダ付けをする
場合に、接合界面の酸素濃度が減少するために接合力が
著しく低下する。また、ＪＩＳ　Ｃ５０３Ｏｒ電子部品
の温度サイクル試験」を行なうと銅とセラミックの熱膨
張率の差に起因して第２ＩＡのように銅部材（２，３′
）とセラミック基体（１）の接合端部（八、Ｂ）よりセ
ラミック基体に割れ（Ｉａ、ｌｂ）が発生する。

本発明者らはこのような銅張りセラミック基板の欠点の
原因とその改良方法について鋭意研究したところ以下に
述べる知見を得た。即ち、上述の接合法においては共晶
融体中の酸素が結合剤となってアルミナとの濡れが生じ
ているために、水素還元作用によって界面の酸素の濃度
が低下する。こｉ！、ニア１１て水！還元反応Ｈ２＋１
／２０２＝８２０によって生じた水蒸気の逃げ場がない
ために接合界面のミクロボイド内に集積し、その圧力に
よって一層接合力が低下することが明らかとなった。

また、銅とアルミナの間の共晶領域は非常に薄く且つ実
質的に銅と変わらない熱膨張率を有するために熱応力か
第２図のＡ部に集中してアルミナ基体が割れることが判
明した。

従来の方法では第３図（ｂ、　ｃ）のように銅部材（２
）あるいはアルミナ基体（１）の表面に酸化銅（３）の
層を形成して銅−酸化銅の共晶温度（１０６５℃）以上
に加熱する。酸化ｆＩ４層の形成方法としては加熱前に
銅部材を酸化するか、もしくはアルミナ基体上に酸化物
ペーストを印刷することもできるし、第３図（、）のよ
うに酸素を含む雰囲気中で銅部材とアルミナ基体を組み
合わせたものを加熱して銅部材表面を酸化することもで
きる。共晶温度以上に加熱された状態では第３図（ｄ）
のようにｍ／酸化銅共晶融体（４）がアルミナ基体（１
）を濡らして接合界面に広がる。冷却に伴って該融体は
凝固分解して銅と酸化銅の混合物となる。この結果、第
３図＜（・）のような接合部の構造となる。つまり、こ
の方法においては該共晶融体（４）が銅部材（２）とア
ルミナ基体（１）とを接合する「ろう材」の役割を果た
しており、酸素が結合剤の役目をしているのである。

このような接合体において、共晶領域（５）の厚さは通
常５０ミクロン以下の薄い層であり、該領域内の酸化銅
粒子の密度も低いために実質的には銅部材（２）が直接
アルミナ基体（１）と接合しているとみなせる。従って
、銅の熱膨張による応力が直接アルミナに作用し、上述
の割れを発生し易い。

また、不活性雰囲気や還元性雰囲気中で高温に加熱する
と接合界面の酸素濃度が低下するために接合力が低下す
る。特に、水素還元を行なうと、［−１２＋１　／　２
０□＝Ｈ２０反応により生じる水蒸気ガスが界面から逃
散できないために界面のミクロボイドに集積して内圧を
形成する。このために−層接合力が低下するのである。

［課題を解決するための手段］ 本発明者らは係る知見に基づいてこれらの欠点を改善す
るために■アルミナ自身の反応による接合、■熱応力の
緩和、■水蒸気の逃げ易い界面構造の観点から更に鋭意
研究して本発明を完成させた。

即ち、本発明はアルミナ基体表面にｆＪ／アルミニウム
共晶酸化物層を形成し、該酸化物層上に銅部材を配置し
て不活性雰囲気中で１０６５〜１０８３℃の温度に加熱
し、次に冷却することにより該アルミナ基体と該銅部材
を接合することを特徴とする電子部品用銅張りセラミッ
ク基板の製造方法に係る。

［作　用］ 本発明における接合のメカニズムはおよそ次のように説
明できる。即ち、第１図（ａ）のように先ずアルミナ基
体＜１）の上に酸化銅（３）の層を形成してこれを１０
５０〜１２００℃に加熱すると第１図（ｂ）のように酸
化銅／アルミナ共晶融体（６）を形成される。これを冷
却すると第１図（ｃ）のように該融体は凝固し、酸化銅
（３）と銅／アルミニウム酸（ヒ物（７）とに分解して
銅／アルミニウム共晶酸化物層（８）を形成する。アル
ミナと酸化銅の共晶温度は雰囲気中の酸素濃度により変
化するので加熱雰囲気に応じて加熱温度を適宜選択すれ
ばよい。

また、酸化銅層は必ずしも加熱前に形成する必要はなく
、金属鋼を加熱中に酸化してもよい、更に、銅／アルミ
ニウム共晶酸化物層（８）の表面に酸化果において変わ
りない、該酸化銅層の形成方法はペーストの印刷、塗布
、薄膜法、溶射などの公知の種々の方法を採用できるが
３〜２０ミクロンの厚さが適当である。次に、第１図（
ｄ）に示すのように、銅／アルミニウム共晶酸化物Ｎ（
８）上に銅部材（２）を設置し、上述の酸化銅と銅部材
（２）とを１０６５〜１０８３℃に加熱すると共晶反応
によって第１図（ｅ）のように銅／酸化銅共晶融体（４
）を形成する。この銅／酸化銅共晶融体（４）は銅／ア
ルミニウム共晶酸化物層（８）とも容易に濡れて接合界
面に広がり、冷却中に凝固して銅と酸化銅とに分解して
共晶領域（５）を形成するので結局接合部は第１図（ｆ
）のような構造となる。なお、１０６５℃は共晶温度で
あり、１０８３℃は銅の融点であるから銅部材と溶解す
ることなく接合するためには１０６５〜１０８３に加熱
しなければならない。つまり、本発明においては、銅／
アルミニウム共晶酸化物層（８）と共晶領域（５）を中
間材として銅とアルミナを接合していることに特徴があ
る。

銅／アルミニウム共晶酸化物層（８）と共晶領域（５）
の熱膨張率は銅よりも小さいために銅の膨張、収縮に起
因する熱応力は直接アルミナ基体に作用せずに緩和され
ることになる。このため温度サイクル試験においてもア
ルミナ基体に割れが発生するのを防止する効果がある。

また、このような接音体を水素還元すると酸化銅−銅界
面から酸素が除去されて酸化銅は金属銅へ還元される。

つまり水素が酸化銅の還元に消費されるので銅と酸化銅
の接合力が低下しない、更に酸化銅は前述の共晶酸化物
中に埋め込まれたｍ造となっているためにアンカー効果
によって接合力が維持される。

銅部材として銅板を使用する場合には銅板の厚さが０　
、１　ｒｆ１ｍ以下になると剛性が低下するなめに変形
し易く、また、接合時に膨れを発生し易いために好まし
くない、このような場合には銅板を使用する代わりに銅
ペーストを使用することができる。

更に、共晶酸化物層を多孔質にすることによって水素還
元反応によって発生する水蒸気ガスの逃散を容易にし且
つ熱応力をより効果的に緩和することができる。多孔質
状態とするためには幾つかの方法があるが、ｉ＃Ｊ簡便
な方法は酸化銅ペースｈを印刷または塗布し、これを焼
成する方法である。

［実　施　例］ 以下に実施例を挙げて本発明方法を更に説明する。

Ｋ旌例−１− 酸化第２銅（Ｃｕｂ）７５重量部に対してα〜テルピネ
オール及びフタル酸ジ−ローブチルを主成分とするバイ
ンダ２５重量部を混練して作製した酸化銅ペーストを２
５０メツシユ、乳剤厚さ４μｍｏのスクリーンを用いて
厚さ０．６３５ｍｍ−［横１０（’）ａｍの９６％アル
ミナ基板上に印刷した。乾燥後、２５０℃、１０分間の
脱バインダ処理を行ない、１０５０°Ｃ１１０８０℃、
１１００°Ｃに５分間加熱して冷却した。この上に厚さ
０．３ｍｍ、縦横９３１１ＩＩＩ＋の銅板を配置して窒
素雰囲気中で１０７５°Ｃ１４分間加熱し、次に、冷却
することにより銅板を接合して本発明の電子部品用セラ
ミック基板を得た。

次に、得られた電子部品用セラミック基板にスクリーン
印刷にてマスキングを施してから塩化第２鉄でエツチン
グして銅回路を形成し、パワーモジュール基板を作製し
た。このようにして作製された基板を水素５０％、窒素
５０％の混合ガス中で３５０　’Ｃに１０分間加熱し、
次に冷却した。

水素還元処理の荊後で９０゛ピール試験を実施して接合
力の低下率を（Ａ−Ｂ）／Ａ（％）で評価した。ここで
、Ａは還元前ビール強度、Ｂは還元後ビール強度である
。

更に、基板を一４０℃〜１５０℃の温度でＪＩＳＣ５０
３０に定める温度サイクル試験を行なった。所定回数反
復後、基板の銅をエツチングによって溶解し、カラーチ
エツク液に２４時間浸漬して割れを検出した。割れ長さ
と銅回路長さの比を割れ率（％）と定義して割れ感受性
を評価した。

その結果を従来基板の性能と比較すると第１表のように
本発明の基板は水素還元による接合力の低下率か０であ
り、温度サイクル試験における割れ率ら著しく低く、改
善効果が顕著である。

：ｊｉｆｌｉｊＬＬ 実施例１と同様の方法でパワーモジュール基板を作製し
た。ただし、本例では酸化銅ペーストを印刷する際のス
クリーンの乳剤厚さを４μｍｎと８μｍの両名を用い、
ペースト焼成温度は１０７５℃と１０９５℃とした。ま
た、基板の銅回路？形成した後、無電解ニッケルメッキ
により３μ−〇のｊゾさのニッケルメッキを施した。水
素還元処理条件は同様であるが、温度サイクル試験は−
／１０°Ｃ〜１２５°Ｃの温度域で行なった。結果を従
来基板の性能と比較すると、第２表のように本発明の基
板は従来基板に比べて格段に優れた性能を示している。

［発明の効果］ 以上の説明によって理解されるように、本発明方法によ
り製造された電子部品用鋼張りセラミック周板はその接
合原理において従来法とは基本的に異なり、水素還元に
よる接合力の低下や温度サイクル試験におけるセラミッ
ク基体の割れというパワーモジュール用基板に要求され
る基本性能において著しく優れた性能を提供するもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｆ）は本発明における工程と接合原理
と説明する図てあり、第２図は従来基板において発生す
る割れの位置と形状を示す図であり、第３１イｌ　（ａ
　）〜（ｅ）は従来基板の接合方法におけるアルミナ基
体と銅部材の組み合わせ法及び接合原理を説明する［Ａ
である。図中、１・・・アルミナ基体、２銅部材、３・
・酸化銅、４・・銅／酸化銅共晶急体、５・・・共晶領
域、６・酸１ヒ銅／アルミナ共晶融体、７　・銅／アル
ミニウム酸化物、８・・・銅／アルミニウム共晶酸化物
層。 第１図 第２図 第３図 （ａ） ｃｌ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. １．アルミナ基体表面に銅／アルミニウム共晶酸化物層
   を形成し、該酸化物層上に銅部材を配置して不活性雰囲
   気中で１０６５〜１０８３℃の温度に加熱し、次に冷却
   することにより該アルミナ基体と該銅部材を接合するこ
   とを特徴とする電子部品用銅張りセラミック基板の製造
   方法。
2. ２．銅／アルミニウム共晶酸化物層が酸化銅とアルミナ
   の共晶反応により形成されたものである特許請求の範囲
   第１項記載の電子部品用銅張りセラミック基板の製造方
   法。
3. ３．銅／アルミニウム共晶酸化物層が多孔質である特許
   請求の範囲第１項または第２項記載の電子部品用銅張り
   セラミック基板の製造方法。