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

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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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copper
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temperature
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JP63283543A
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Jannick Guinet
ジャニック・ギネ
Jean-Claude Hubert
ジャン−クロード・ユーベール
Marie-Francoise Martial
マリー−フランソワーズ・マルシャル
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La Telemecanique Electrique SA
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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。

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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
好ましくは、ステップ302の処理温度は1075°C
+/−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。
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。
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
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。
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。
【図面の簡単な説明】
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)

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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。
JP63283543A 1987-11-10 1988-11-09 電気絶縁材料製の基体への銅板の接合法 Pending JPH01261283A (ja)

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FR8715547 1987-11-10

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JP (1) JPH01261283A (ja)
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