JPH01261283A - 電気絶縁材料製の基体への銅板の接合法 - Google Patents
電気絶縁材料製の基体への銅板の接合法Info
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- JPH01261283A JPH01261283A JP63283543A JP28354388A JPH01261283A JP H01261283 A JPH01261283 A JP H01261283A JP 63283543 A JP63283543 A JP 63283543A JP 28354388 A JP28354388 A JP 28354388A JP H01261283 A JPH01261283 A JP H01261283A
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- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K3/00—Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
- H05K3/38—Improvement of the adhesion between the insulating substrate and the metal
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- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
1)産業上の利用分野
この発明は電気絶縁材料製の基体への銅板の接合法に関
する。
する。
この発明はアルミナおよびアルミニウム窒化物から選択
された電気絶縁材料から製造された基体を使用する電子
パワーモジュールの製造に特に適用され得る。
された電気絶縁材料から製造された基体を使用する電子
パワーモジュールの製造に特に適用され得る。
電子パワーモジュールの製造は電気化学的絶縁性および
熱伝導性の高い材料の使用が要求される。
熱伝導性の高い材料の使用が要求される。
更に、使用される材料はシリコンなどに使用される半導
体材料の膨張係数に近い膨張係数を有すべきである。そ
の上、上述のモジュールを製造する材料にとってできる
安価であることが明らかに好ましい。
体材料の膨張係数に近い膨張係数を有すべきである。そ
の上、上述のモジュールを製造する材料にとってできる
安価であることが明らかに好ましい。
2)従来技術
電気的絶縁材料から製造された基体への銅板の接合に対
して、多数のプロセスが既に提案されている。
して、多数のプロセスが既に提案されている。
例えば、資料us−a−2517248およびGB−A
−584931は、金属板と基体との間に置かれるはん
だづけ材料を使用して電気絶縁材料から造られた基体へ
の金属板の接合方法を教示している。しかし、金属板と
基体との間のはんだづけ材料をヘースとする層の生成は
電子パワーモジュールの設計に要求される物理的性質(
膨張係数および熱伝導性)を有する組合わせ体を生じな
い。
−584931は、金属板と基体との間に置かれるはん
だづけ材料を使用して電気絶縁材料から造られた基体へ
の金属板の接合方法を教示している。しかし、金属板と
基体との間のはんだづけ材料をヘースとする層の生成は
電子パワーモジュールの設計に要求される物理的性質(
膨張係数および熱伝導性)を有する組合わせ体を生じな
い。
資料11s−A−3517432,C11−^−202
198およびGB−A−761045は基体中への金属
の拡散とそれによるこれらの要素の機械的接合を得るた
めに材料をその融点以上に加熱することにより基体への
金属板の接合方法を教示している。しかし、溶融後、金
属は一般に健全な姿を失くし、金属溶滴に崩壊する傾向
があることが特に注目される。その結果は、金属/基体
の組合わせ体は電子パワーモジュールを製造するために
必要な物理的性質を持たないということである。
198およびGB−A−761045は基体中への金属
の拡散とそれによるこれらの要素の機械的接合を得るた
めに材料をその融点以上に加熱することにより基体への
金属板の接合方法を教示している。しかし、溶融後、金
属は一般に健全な姿を失くし、金属溶滴に崩壊する傾向
があることが特に注目される。その結果は、金属/基体
の組合わせ体は電子パワーモジュールを製造するために
必要な物理的性質を持たないということである。
資料EP−^−0097944およびEP−^−012
3212は例えば熱処理により電気絶縁性の基体上に接
合層を最初に形成することにより金属板を電気絶縁材料
から造られた基体で接合することを教示している。この
ようにして得られた組合わせ体は電子パワーモジュール
の製造に必要な物理的性質を持っていな1、%− 更に、共融材料の生成により金属板を電気絶縁材料から
造られた基体で接合することが提案されている。
3212は例えば熱処理により電気絶縁性の基体上に接
合層を最初に形成することにより金属板を電気絶縁材料
から造られた基体で接合することを教示している。この
ようにして得られた組合わせ体は電子パワーモジュール
の製造に必要な物理的性質を持っていな1、%− 更に、共融材料の生成により金属板を電気絶縁材料から
造られた基体で接合することが提案されている。
かくして、資料FR−A−2181049は電気絶縁材
料で造られた基体上に銅板を置き、この組合わせ体を反
応ガス雰囲気下で共融混合物を生成する温度と銅の融点
との間の温度範囲で加熱し、次いで組合わせ体を冷却す
ることを教示している。資料US−^−3994930
、tls−A−3911553,DE−へ一30361
213およびDE−A−3204167は金属板を電気
絶縁材料上に置く前に予備酸化し、このようにして得ら
れた組合わせ体を制御された雰囲気下で共融混合物の生
成温度と銅の融点との間の温度範囲で加熱することを教
示している。
料で造られた基体上に銅板を置き、この組合わせ体を反
応ガス雰囲気下で共融混合物を生成する温度と銅の融点
との間の温度範囲で加熱し、次いで組合わせ体を冷却す
ることを教示している。資料US−^−3994930
、tls−A−3911553,DE−へ一30361
213およびDE−A−3204167は金属板を電気
絶縁材料上に置く前に予備酸化し、このようにして得ら
れた組合わせ体を制御された雰囲気下で共融混合物の生
成温度と銅の融点との間の温度範囲で加熱することを教
示している。
共融混合物の生成による、電気絶縁材料から造られた基
体への金属板の接合のためにこれまでに提案されたプロ
セスは非常に有益であった。しかし、これらのプロセス
は完全には満足ものでない。
体への金属板の接合のためにこれまでに提案されたプロ
セスは非常に有益であった。しかし、これらのプロセス
は完全には満足ものでない。
というのは、金属/基体の界面に存在する気泡があるこ
とが詳細な分析により明らかに示されているからである
。これらの気泡の存在は金属と基体との間のどのような
機械的接合に対しても局部的障害である。更に、特別の
目的に通用したパターンで金属パッドを除去により得る
時に、これらの気泡は金属と絶縁基体との間にエツチン
グ剤を拡散させる不都合な効果を及ぼす。
とが詳細な分析により明らかに示されているからである
。これらの気泡の存在は金属と基体との間のどのような
機械的接合に対しても局部的障害である。更に、特別の
目的に通用したパターンで金属パッドを除去により得る
時に、これらの気泡は金属と絶縁基体との間にエツチン
グ剤を拡散させる不都合な効果を及ぼす。
例えば資料DH−A−3324661に記述されている
ように金属板の表面に除去用の経路として用いられる溝
を形成することによりかくて示される気泡の除去が試み
られてきた。この種の溝は金属/基体界面における気泡
の生成を効果的に制限することを可能にするように見え
る。しかし、上述の溝は金属板と基体との間へのエツチ
ング剤の有害な拡散を助長する。
ように金属板の表面に除去用の経路として用いられる溝
を形成することによりかくて示される気泡の除去が試み
られてきた。この種の溝は金属/基体界面における気泡
の生成を効果的に制限することを可能にするように見え
る。しかし、上述の溝は金属板と基体との間へのエツチ
ング剤の有害な拡散を助長する。
結論として、これまで提案された電気絶縁材料から造ら
れた基板への銅板の接合技術は完全に満足すべきもので
ない。
れた基板への銅板の接合技術は完全に満足すべきもので
ない。
敗多くの試行と多くの研究の後、共融混合物の生成温度
よりも高い温度を得る前の、これまで不可欠として認め
られてきた金属板の予備酸化(資料Fl?−A−218
1049による温度上昇中の反応性雰囲気の適用により
得られる予備酸化や或いは資料US−A−399493
0,υ5−A−991553,DH−^−303612
8およびDE−A−3204167による熱処理前の予
備酸化)は実際上述の気泡の生成に責任があったと出願
人は決定した。更に、これらの一般に認められたアイデ
アに反対に、多数のテストと研究の後、電子パワーモジ
エールを製造するために必要な物理的性質に合う完全に
満足できるlii/基体の接合が金属板の予備酸化なし
に得られることを出願人は確定した。
よりも高い温度を得る前の、これまで不可欠として認め
られてきた金属板の予備酸化(資料Fl?−A−218
1049による温度上昇中の反応性雰囲気の適用により
得られる予備酸化や或いは資料US−A−399493
0,υ5−A−991553,DH−^−303612
8およびDE−A−3204167による熱処理前の予
備酸化)は実際上述の気泡の生成に責任があったと出願
人は決定した。更に、これらの一般に認められたアイデ
アに反対に、多数のテストと研究の後、電子パワーモジ
エールを製造するために必要な物理的性質に合う完全に
満足できるlii/基体の接合が金属板の予備酸化なし
に得られることを出願人は確定した。
3)問題点を解決するための手段
この目的のため、出願人はこの発明の枠組内において次
の方法を提案する。すなわち、銅板を基体上に置き、少
なくとも一時的に酸化性反応ガスの使用により制御され
た雰囲気において銅と反応ガスに基づく共融混合物の生
成温度と銅の融点との間の温度範囲に銅板と基体との組
合わせ体を加熱し、次いで組合わせ体を冷却することか
ら成りそれ自体知られているアルミナおよびアルミニウ
ム窒化物から選ばれた電気絶縁材料から造られた基体へ
の銅板の直接接合法において、 i−銅を基体上へ置く前に銅表面の微量の酸化物を除去
するために銅を清浄化する段階、と!i−共融混合物の
生成温度より高い温かい温度が得られるまで中性の雰囲
気下で銅/基体の組合わせ体を加熱する段階と、 1ii−銅表面が少しでも酸化される前に達成され得る
ような方法で共融混合物の生成温度よりも高い温度を得
た後にのみ酸化反応ガスを適用する段階とから成る電気
絶縁材料から造4れた基体への銅板の直接接合法である
。
の方法を提案する。すなわち、銅板を基体上に置き、少
なくとも一時的に酸化性反応ガスの使用により制御され
た雰囲気において銅と反応ガスに基づく共融混合物の生
成温度と銅の融点との間の温度範囲に銅板と基体との組
合わせ体を加熱し、次いで組合わせ体を冷却することか
ら成りそれ自体知られているアルミナおよびアルミニウ
ム窒化物から選ばれた電気絶縁材料から造られた基体へ
の銅板の直接接合法において、 i−銅を基体上へ置く前に銅表面の微量の酸化物を除去
するために銅を清浄化する段階、と!i−共融混合物の
生成温度より高い温かい温度が得られるまで中性の雰囲
気下で銅/基体の組合わせ体を加熱する段階と、 1ii−銅表面が少しでも酸化される前に達成され得る
ような方法で共融混合物の生成温度よりも高い温度を得
た後にのみ酸化反応ガスを適用する段階とから成る電気
絶縁材料から造4れた基体への銅板の直接接合法である
。
4)実施例
添付された図面に図解的に示されるように、この発明に
よる方法の目的はアルミナ又はアルミニウム窒化物から
造られた基体20へ銅板10を接合することである。非
限定的な例として、銅板は約0.3 mの厚さでアルミ
ナは約0.635 Waの厚さである。
よる方法の目的はアルミナ又はアルミニウム窒化物から
造られた基体20へ銅板10を接合することである。非
限定的な例として、銅板は約0.3 mの厚さでアルミ
ナは約0.635 Waの厚さである。
この発明の枠組内において、銅板の組成のチエツクが最
初に必要である。このチエツク段階は添付図面に図解的
に参照番号11で示される。
初に必要である。このチエツク段階は添付図面に図解的
に参照番号11で示される。
というのは、銅板10中のリンの存在が銅/基体の効率
のよい接合に妨害することを出願人は確定しているから
である。
のよい接合に妨害することを出願人は確定しているから
である。
更に詳細に繰返すと、最適の銅/基板の接合は0.00
15%より低いリン含有量で得られることを出願人は決
定している。更に、酸素含有量が重要で0.0020%
と0.0024%の間の範囲である銅板10を使用する
ことが従って好ましい、 ・最終的に、硬さが43
11Vと45+1V (ビッカース硬度)の間の範囲に
ある焼鈍タイプの銅板lOを使用することが好ましいこ
とを出願人は確定している。
15%より低いリン含有量で得られることを出願人は決
定している。更に、酸素含有量が重要で0.0020%
と0.0024%の間の範囲である銅板10を使用する
ことが従って好ましい、 ・最終的に、硬さが43
11Vと45+1V (ビッカース硬度)の間の範囲に
ある焼鈍タイプの銅板lOを使用することが好ましいこ
とを出願人は確定している。
銅板10はチエツク段階11において規定の性質を満た
すと、清浄化プロセス12にかけられる。
すと、清浄化プロセス12にかけられる。
好ましくは、この清浄化段階12は添付図面で120で
示される塩酸で希釈された溶液中で清浄化する前段階と
添付図面で121で示される脱イオン水中で行う後続の
すすき段階に分割される。
示される塩酸で希釈された溶液中で清浄化する前段階と
添付図面で121で示される脱イオン水中で行う後続の
すすき段階に分割される。
同時に、基板20はチエツク段階21にかけられる。
というのは、最適のtR/基体の接合を得るたiに重量
で0.08%より少ない遷移金属酸化物、特に鉄酸化物
Pe、01の含有物を有するアルミナ又はアルミニウム
窒化物を使用することが好ましいということを出願人は
確定しているからである。
で0.08%より少ない遷移金属酸化物、特に鉄酸化物
Pe、01の含有物を有するアルミナ又はアルミニウム
窒化物を使用することが好ましいということを出願人は
確定しているからである。
従って組成のチエツク段階21において規定の基準を満
足する基体は表面粗さ試験22にかけられる。
足する基体は表面粗さ試験22にかけられる。
なぜなら、最適の銅/基体の接合を得るために、表面粗
さが3.3±2.10−’mの範囲であるアルミナ又は
アルミニウム窒化物の基体20を使用することが好まし
いことを出願人は確定しそいるからである。
さが3.3±2.10−’mの範囲であるアルミナ又は
アルミニウム窒化物の基体20を使用することが好まし
いことを出願人は確定しそいるからである。
表面粗さチエツク22の基準を満足するアルミナ又はア
ルミニウム窒化物の基板20は清浄化プロセス23にか
けられる。それ自体標準的であるこの種の清浄化プロセ
スは残りの記載でより詳細には記述されない。
ルミニウム窒化物の基板20は清浄化プロセス23にか
けられる。それ自体標準的であるこの種の清浄化プロセ
スは残りの記載でより詳細には記述されない。
このようにして選ばれた清浄化された銅板10および基
体は適切に接合プロセス30に用いられる。
体は適切に接合プロセス30に用いられる。
このために、清浄化プロセス12から来た銅板10は清
浄化プロセスから来た基体20上に直接に置かれる。接
合段階30は三つの連続する基本ステップ:温度の上昇
301.一定温度レベル302および冷却段階303に
分けられる。
浄化プロセスから来た基体20上に直接に置かれる。接
合段階30は三つの連続する基本ステップ:温度の上昇
301.一定温度レベル302および冷却段階303に
分けられる。
温度の上昇301は中性雰囲気、好ましくは窒素の中性
雰囲気の下で達成される。中性雰囲気下での温度上昇段
階301は共融混合物を得るための理論的温度より高い
温度が得られるまで、すなわち、酸化反応ガスの場合に
1065°Cより高い温度まで継続される。
雰囲気の下で達成される。中性雰囲気下での温度上昇段
階301は共融混合物を得るための理論的温度より高い
温度が得られるまで、すなわち、酸化反応ガスの場合に
1065°Cより高い温度まで継続される。
接合プロセスの第2段階302は、共融混合物生成温度
、すなわち1065°C1と銅の融点、すなわち108
3°Cの間の範囲の処理温度に酸化反応ガスを同時に適
用しながら維持することから成る。
、すなわち1065°C1と銅の融点、すなわち108
3°Cの間の範囲の処理温度に酸化反応ガスを同時に適
用しながら維持することから成る。
好ましくは、ステップ302の処理温度は1075°C
+/−2℃に等しい。
+/−2℃に等しい。
好ましくは、処理ステップ302の期間に適用される酸
化反応ガスは、50ないし1100ppm,有利には7
0ppmの分圧下の酸素によって生成される。この発明
の有利な特徴によれば、反応ガス雰囲気下における10
75°Cの高さの一定の温度レベルのステップ302は
2ないし4分続く。
化反応ガスは、50ないし1100ppm,有利には7
0ppmの分圧下の酸素によって生成される。この発明
の有利な特徴によれば、反応ガス雰囲気下における10
75°Cの高さの一定の温度レベルのステップ302は
2ないし4分続く。
終わりに、最後の冷却ステップ303が中性雰囲気、好
ましくは窒素雰囲気下において達成される。
ましくは窒素雰囲気下において達成される。
出願人は5cm/分の大きさの流速の連続炉において(
温度上昇301.一定温度レベル302.冷却302)
の約45分の完全な処理時間、制御された雰囲気30の
下において熱処理を行って完全に満足すべき結果を得た
。
温度上昇301.一定温度レベル302.冷却302)
の約45分の完全な処理時間、制御された雰囲気30の
下において熱処理を行って完全に満足すべき結果を得た
。
この発明による方法は、単一の銅板をアルミナ又はアル
ミニウム窒化物の基体へ接合するかあるいはサンドイン
チ構造を作る、すなわちアルミナ又はアルミニウム窒化
物の基体の両側に銅板を接合することが可能である。
ミニウム窒化物の基体へ接合するかあるいはサンドイン
チ構造を作る、すなわちアルミナ又はアルミニウム窒化
物の基体の両側に銅板を接合することが可能である。
もちろん、この発明は上述の実施B+Mに限定されない
が、発明の精神に従う如何なる別の実施態様にも拡げる
ことができる。
が、発明の精神に従う如何なる別の実施態様にも拡げる
ことができる。
図面はこの発明による接合方法を実施するための種々の
段階を図解的に示す工程図である。 10・・・銅(反 11・・・組成のチエ
ツク12・・・清浄化 120・・・塩酸によ
る清浄化121・・・脱イオン水によるすすぎ 20・・・アルミナ又はアルミニウム窒化物の基体21
・・・組成のチエツク 22・・・表面粗さ試験23
・・・清浄化 30・・・接合301・・・
中性雰囲気下における温度上昇302・・・反応ガス雰
囲気下における一定の温度レベル303・・・中性雰囲
気下における冷却□代理人 弁理士 湯浅恭三i、、、
、’、: : 、IIし一一− (外4名)
段階を図解的に示す工程図である。 10・・・銅(反 11・・・組成のチエ
ツク12・・・清浄化 120・・・塩酸によ
る清浄化121・・・脱イオン水によるすすぎ 20・・・アルミナ又はアルミニウム窒化物の基体21
・・・組成のチエツク 22・・・表面粗さ試験23
・・・清浄化 30・・・接合301・・・
中性雰囲気下における温度上昇302・・・反応ガス雰
囲気下における一定の温度レベル303・・・中性雰囲
気下における冷却□代理人 弁理士 湯浅恭三i、、、
、’、: : 、IIし一一− (外4名)
Claims (12)
- 1.銅板を基体上に置き、少なくとも一時的に酸化性反
応ガスの使用により制御された雰囲気において銅および
反応ガスに基づく共融混合物の生成温度と銅の融点との
間の温度範囲に銅板と基体との組合わせ体を加熱し、次
いで組合わせ体を冷却することから成るアルミナおよび
アルミニウム窒化物から選ばれた電気絶縁材料から造ら
れた基体への銅板の直接接合法において、 i−銅を基体上へ置く前に銅表面の微量の酸化物を除去
するために銅を清浄化する段階、とii−共融混合物の
生成温度より高い温度が得られるまで中性(neutr
al)の雰囲気下で銅/基体の組合わせ体を加熱する段
階、と iii−銅表面が少しでも酸化される前に達成され得る
ような方法で共融混合物の生成温度よりも高い温度を得
た後にのみ酸化反応ガスを適用する段とから成ることを
特徴とする電気絶縁材料から造られた基体への銅の直接
接合法。 - 2.銅板が重量で0.0015%より少ないリン含有量
を有していることを特徴とする請求項1による方法。 - 3.銅板が重量で0.0024%より少ない酸素含有量
を有していることを特徴とする請求項1による方法。 - 4.銅板が重量で0.0020%と0.0024%の間
の範囲の酸素含有量を有していることを特徴とする請求
項1による方法。 - 5.基体が3.3±0.2μmのオーダーの表面粗さを
有していることを特徴とする請求項1による方法。 - 6.基体が重量で0.08%より少ない遷移金属酸化物
含有量,特に鉄酸化物含有量を有していることを特徴と
する請求項1による方法。 - 7.銅/基体の組合わせ体が1075℃±2℃の温度ま
で加熱されることを特徴とする請求項1による方法。 - 8.銅/基体の組合わせ体が1075℃±2℃の一定の
温度レベルで2〜4分間加熱されることを特徴とする請
求項1による方法。 - 9.共融混合物の温度よりも高い温度を得た後に通用さ
れる反応ガスは50ないし100ppm,好ましくは7
0ppmの分圧の酸素により生成されることを特徴とす
る請求項1による方法。 - 10.冷却段階は中性の雰囲気下で行われることを特徴
とする請求項1による方法。 - 11.中性の雰囲気が窒素により生成されることを特徴
とする請求項1による方法。 - 12.銅の清浄化段階が塩酸の希釈溶液中での該銅の清
浄化と次いで脱イオン水中での該銅のすすぎとから成る
ことを特徴とする請求項1による方法。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR8715547A FR2623046B1 (fr) | 1987-11-10 | 1987-11-10 | Procede de liaison d'une feuille de cuivre a un substrat en materiau electriquement isolant |
FR8715547 | 1987-11-10 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH01261283A true JPH01261283A (ja) | 1989-10-18 |
Family
ID=9356655
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP63283543A Pending JPH01261283A (ja) | 1987-11-10 | 1988-11-09 | 電気絶縁材料製の基体への銅板の接合法 |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US4860939A (ja) |
JP (1) | JPH01261283A (ja) |
DE (1) | DE3837788C2 (ja) |
FR (1) | FR2623046B1 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010207908A (ja) * | 2009-03-12 | 2010-09-24 | Nikon Corp | 半導体装置を製造する製造装置及び半導体装置を製造する製造方法 |
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-
1987
- 1987-11-10 FR FR8715547A patent/FR2623046B1/fr not_active Expired - Lifetime
-
1988
- 1988-11-08 DE DE3837788A patent/DE3837788C2/de not_active Expired - Fee Related
- 1988-11-09 JP JP63283543A patent/JPH01261283A/ja active Pending
- 1988-11-10 US US07/269,394 patent/US4860939A/en not_active Expired - Fee Related
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Publication number | Publication date |
---|---|
FR2623046A1 (fr) | 1989-05-12 |
DE3837788A1 (de) | 1989-05-18 |
DE3837788C2 (de) | 1997-01-30 |
US4860939A (en) | 1989-08-29 |
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