JPH02208031A - 回路基板の製造方法 - 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〉 本発明は電気的絶縁性を有するセラミックス板上に金属
板を接合してなる放熱性、耐熱性に優れた回路基板の製
造方法の改良に関する。

〈従来の技術〉 パワースイッチ、パワーの制御回路、モータの制御回路
、高周波発振出力、広帯域電力増幅などに用いられるパ
ワー半導体モジュールは、近年、高密度集積化、大電流
制御化の傾向にあり、それらモジュールに用いられる基
板には素子から出る多量の熱を速やかに放出する放熱性
とモジュールの高密度集積化に対応する導体回路パター
ンの微細化・高精度化が求められている。

従来このような半導体モジュール基板として、第１図に
示すように、電気的絶縁性を有するセラミックス板１の
１つの面に回路パターンを有するあるいは回路パターン
が形成される金属板２を接合し、その上に素子４を搭載
し、発生した熱を金属板２からセラミックス板１を伝導
させ他方の側に接合した金属板３を介して放熱板５へと
放散させる機構が用いられており、例えば、金属板とし
てあらかじめ所要のパターンに切りぬかれた銅板を、絶
縁性を有するセラミックスとして、Ａｌ１　ｏｓを用い
て加熱によりＣｕ−０共晶を発生させるいわゆる共晶法
で接合したものが商品化されている。

このような、半導体モジュール基板の放熱性を改良する
手段としては、セラミックスの熱伝導性を向上させる傾
向にあり、Ａ　ｆＬ２０　ｓに替ってＢｅ０５ＡｕＮな
ど熱伝導率のより高い材料の使用が試みられている。

また、導体回路を形成する金属板については、目的に応
じて使い分けられ、例えば、耐食性が必要な場合はステ
ンレス、耐熱性が必要な場合にＭＯｌＷなど高融点金属
セラミックスとの熱膨張差を抑えて、信頼性を高めたい
ときには、インバー　コバールなど各種合金などが用い
られるが、特に大電流制御に対応し、導体抵抗値を低く
抑えたい場合には、銅板が推奨される。

このような新材料の中にはパターン化した銅板を、共晶
法により接合する方法を直接応用することがむずかしい
ものもあり、たとえば、Ａｊ！Ｎは熱伝導率こそＢｅＯ
に劣るものの、ＢｅＯのような毒性を心配する必要もな
く、期待される材料であるが、ＡｌＮの共晶液相に対す
る濡れ性が著しく低いために共晶法を応用するためには
、基板を予め酸化処理して表面にＡｆｌｔＯｓ層を形成
することが必要である。

そのため、ＡＩＮについては、活性金属を含有するろう
材を用いて金属板と接合する方法が試みられている。

〈発明が解決しようとする課題〉 絶縁性基板として、熱伝導率の高いＡｕＮセラミックス
と、回路導体部材として電気伝導性に優れた銅板の組み
合わせは、パワー半導体モジュール用基板として理想的
だがＡＪ！Ｎセラミックスの熱膨張率はアルミナに比べ
て小さいために、銅板との熱膨張率差が大きくなり、接
合温度における伸びがろう材の凝固により固定され、Ａ
ｉＮ側により大きな残留応力が働く結果、■ＡｌＮ板に
ひびがはいる、　■ちよとした衝撃で割れ易くなる、　
■耐熱衝撃性が低下する、また、銅板側にもそりが大き
くなるなどの問題が生じる。

一方、ＡｆｔＮセラミックスに、ろう付により金属板を
接合する場合に、ろう材に活性金属を含ませしめること
により、接合強度が大きく、信頼性の高い積層体が得ら
れるが、活性金属が加わることによりろう材の融点、ろ
う付温度が上昇し、銅板のそり、ＡｌＮのひび、耐熱衝
撃性の低下が促進される。

本発明は、半導体モジュール用基板部材の理想的な組み
合わせとしてＡｌ１Ｎセラミックスに接合する場合に生
じる上述した問題を解決しようとするものであり、Ａｕ
Ｎセラミックスと銅板との接合を活性金属を含むろう材
で行ったとしても、接合をできるだけ低い温度で確実に
行うことができ、ＡｌＮへの残留応力、銅板のそりを最
小限に抑えることのできる、特に大電力用の回路基板の
製造方法を提供することを目的とする。

く課題を解決するための手段〉 ＡｉＮへの残留応力が発生するのは、前述のように、接
合のために真空または不活性ガス雰囲気において昇温し
、ろう材が溶融し、十分に金属板とＡｉＮ板のろう材と
の接合を確保される温度まで上昇させ、５分程度保持し
た後に冷却するという過程を経るために、ろう材の凝固
時に固定された熱膨張が冷却後熱膨張の最小の材質のも
のに最終的に維持されるためである。

従って、接合はできるだけ低温度で行うのが良いわけで
あるが、接合強度を出すために必要なろう材を選ぶと必
然的に接合温度が高くなり、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系におい
ても融点が８００℃以上と推定されるので通常８５０℃
以上で接合しなくてはならず、熱膨張率の差に起因する
問題点が生じていた。

本発明によれば、このような条件を溝たすものとして、
電気的絶縁性を有するＡｆｔＮセラミックス板の少なく
とも片側に銅板を接合して回路基板を製造する場合に、
前記銅板とＡｕＮセラミックス板とを活性金属を０．０
１〜５ｗｔ％含むＡｇ−Ｃｕ系合金ろう材を用いて該Ａ
ｇ−Ｃｕ系合金ろう材の融点以下で接合することを特徴
とする回路基板の製造方法が提供される。

Ａｇ、−Ｃｕ合金としてはその共晶合金を用いるのが好
ましく、活性金属としてはＴ１１Ｚｒ、またはＨｆを用
いるのがよい。

そして、セラミックス板と銅板との接合は真空または不
活性雰囲気中で行うのがよい。

以下に本発明を添付の図面を参照しながらさらに詳細に
説明する。

従来は、／’ＪＩＮセラミックス板と銅板との接合には
Ａｇ−Ｃｕ共晶合金が用いられている。

この共晶合金は、７８０℃という低い融点を有している
。　この共晶合金のろう材にてＡｊ！Ｎセラミックス板
と銅板とを接合する場合、接合強度が不足することがあ
る。　それは、セラミックス板とろう材との接合強度、
かやや劣るためである。

そこで、Ａｇ−Ｃｕ合金に活性金属を添加したろう材を
用い、活性金属のはたらきによりセラミックス板との接
合強度を向上させる試みもあるのは前述の通りである。

本発明は、ＡｆｉＮセラミックス板と銅板との接合にお
いて、活性金属を含むＡｇ−Ｃｕ合金を用い、その活性
金属含有量および接合温度に新たな知見を得てなされた
ものである。

すなわち、Ａｇ−Ｃｕ合金に添加するＴｉ１Ｚｒ、Ｈｆ
なとの活性金属の量を０．０１〜５ｗｔ％とする。　こ
れが、０．０１ｗｔ％未満では、界面に作用し、十分な
接合強度を達成するに必要な量に不足し、５ｗｔ％を超
えると融点の上昇を招いたり、接合後硬く脆い層を形成
するためである。

ところで、Ａｇ−Ｃｕ合金にＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆなどの活
性金属を添加せしめると一般的には融点が上昇するのが
普通である。　また、Ａｇ−Ｃｕ共晶合金を用いて接合
するとき、その融点である７８０℃付近では溶融はする
が、まだその溶融状態が硬くて接合に適していす、実際
には融点より約４０〜５０℃高い温度で接合を行なって
いる。　従って、Ａｇ−Ｃｕ合金は接合強度向上のため
、活性金属を含有せしめると更に高い温度で接合しなけ
ればならない。

しかし、セラミックス板としてＡＪＺＮを用い、金属板
として銅板を用いたときには、活性金属を上記範囲内で
添加したＡｇ−Ｃｕ合金のろう材を用いると、約７４０
℃付近で溶融し、この溶融状態でＡｆＬＮ板と銅板が良
好に接合されることが知見された。　その作用機序はい
まだ明確ではないが、活性金属とＡＪ２Ｎセラミックス
板中のある成分との化合物がろう材の融点降下剤として
作用しているものと推測される。

以上の知見かられかるように、本発明においては、Ａｇ
−Ｃｕ共晶合金のろう材を用いる場合に比べて接合温度
を約１００℃以上低くすることができ、所要範囲内の活
性金属を含んでいるためにＡｉＮセラミックス板と銅板
との接合強度も高めることができる。　　このような知
見は、従来開示されていす、本発明は回路基板の工業的
製造上に大いに有効なものである。

セラミックス板と銅板との接合を行なうときには、酸化
を防止するため、窒素ガスまたはアルゴン、ヘリウムな
どの不活性雰囲気を用いるのがよい、　また、真空を用
いてもよい。

用いるろう材はＡｇ％Ｃｕおよび活性金属を含むペース
トあるいは箔を用いてもよい。

Ａｇ−Ｃｕ合金はその共晶合金を用いるのが、融点の低
い水準で使用できるので特に好ましい。

〈実施例〉 以下に本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。

（実施例） セラミックス板としてＡｆＮセラミックス板（厚さ０．
６３５　ｍ　ｍ　、直径４０　ｍｍ）を用い、金属板と
して銅板（厚さ２　ｍ　ｍ　％直径４０　ｍｍ）を用い
、ろう材としてＡｇ−Ｃｕ共晶合金（融点７７９．５℃
）ろう材を用い、これに活性金属Ｔｉを１．５ｗｔ％含
ましめて、セラミックス板の両側に銅板を７４０℃で接
合して回路基板を得た。

回路基板の９０”　ビール強度は、１２　ｋｇ／ｃｍで
十分な強度があり、＋１５０℃に３５分間保持し、１０
分間で一６５℃にしてその温度に３５分保持するサイク
ルを１２０回繰り返した熱衝撃にも耐えた。　また、銅
板のそりは、最大０．２ｍｍ程度に抑えることがで仕た
。

（比較例） 実施例と同じ条件で接合温度のみを８００℃とした結果
、ビール強度は、７．５ｋｇ／ｃ−で熱′ａ撃は３０回
程度でＡｕＮ基板に割れが生じた。　そりも０．４ｍｍ
あった。

〈発明の効果〉 本発明においては、セラミックス板と金属材との接合温
度を低い水準で行えるので基板のそりや劣化が少ない上
、歪が少いため、熱衝、撃に強く、しかも接合強度も高
温の接合に比べ劣らないという極めて優れた接合体が得
られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、半導体モジュール基板の説明図である。 符号の説明 １・・・セラミックス板、 ２・・・回路パターンを有する金属板、３・・・金属板
、 ４・・・素子、 ５・・・放熱板 Ｆ　Ｉ　Ｇ、　１

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）電気的絶縁性を有するＡｌＮセラミックス板の少
   なくとも片側に銅板を接合して回路基板を製造する場合
   に、前記銅板とＡｌＮセラミックス板とを活性金属を０
   ．０１〜５ｗｔ％含むＡｇ−Ｃｕ系合金ろう材を用いて
   該Ａｇ−Ｃｕ系合金ろう材の融点以下で接合することを
   特徴とする回路基板の製造方法。
2. （２）前記Ａｇ−Ｃｕ合金は、共晶合金を用いる請求項
   １に記載の回路基板の製造方法。
3. （３）前記活性金属は、Ｔｉ、ＺｒまたはＨｆである請
   求項１または２に記載の回路基板の製造方法。
4. （４）ＡｌＮセラミックス板と銅板との接合は真空また
   は不活性雰囲気中で行う請求項１〜３のいずれかに記載
   の回路基板の製造方法。