JPH03101153A - 銅回路を有する窒化アルミニウム基板の製法 - 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、銅回路を有する窒化アルミニウム基板の製法
に関するもので、特にパワー半導体モジ（１） ニール等に適した熱放散性回路基板の改良製法に関する
。

〔従来の技術〕

従半よシ、銅板と窒化アルミニウム基板の接合としては
、活性金属法（例えば特開昭６０−１７７（５３４号公
報）や、銅板と表面酸化処理してなる窒化アルミニウム
基板とを銅の融点以下Ｃｕ　２０−０の共晶温度以上で
加熱して接合するいわゆるＤＢＣ法（例えば特開昭５６
−１６３０９３号公報）などが知られている。

活性金属法は、ＤＢＣ法に比較して、 文 （１）接合処理温度が低いので、ＡｂＮ　−Ｃｕの熱膨
張差によって生じる残留応力が小さい。

（２）接合不良が少なく接合強度が高い。

（３）接合層が延性金属であるので、ヒートショックや
ヒートサイクルに対して耐久性が犬である。

などの利点を有する反面、ＤＢＣ法で採用されている全
面ベタ付エツチングによる回路形成ができず、生産性が
悪いという問題がある。その理由は、次（２） のとおシである。すなわち、活性金属法で用いられる活
性金属はＴｉ、Ｚｒが一般的であるが、それらはｋｌＮ
と反応しＡｊＮ基板表面でＴｉＮ　、　　ＺｒＮを生成
することによって強固な接合をもたらす。しかしながら
、回路基板の場合には、回路間は絶縁されていなければ
ならないので、導体成分であるＴｉＮやＺｒＮを除去す
る必要があシ、それらの除去には、銅で採用されている
ような塩化第２鉄のエツチング液ではできず、フッ酸の
ような酸が必要である。しかし、フッ酸は、接合界面を
侵食し接合強度を低下させる。これの改良法が稀々検討
されているが、まだ十分に満足したものは得られていな
い。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明者らは、以上の問題点を解決するために種々検討
した結果、ＤＢＣ法で採用されているような銅板の全面
ペタ付エツチングによる生産性向上法を上記した長所を
有する活性金属法によって達成できることを見い出し、
本発明を完成したものである。

（６） 〔課題を解決するための手段〕 すなわち、本発明は、次の（ａ）、　（ｂ）及び（ｃ１
の工程からなることを特徴とする銅回路を有する窒化ア
ルミニウム基板の製法である。

（ａ）　　窒化アルミニウム基板上に、活性金属ろう材
ペーストを所望の接合パターンに塗布する工程 （ｂｌ　　上記塗布ペースト上に、接合パターンを覆う
に十分な広さの銅板を接合する工程 （ｃ）　　上記接合体の銅板上に、上記接合パターンを
少なくとも備えた回路パターンをエツチングレジストに
よ）形成させた後、エツチング処理して不要部分を除去
する工程 以下、さらに詳しく本発明について説明する。

（ａｌ工程の説明 本発明では、銅板と窒化アルミニウム基板の接合剤とし
て、活性金属ろう材ペーストを用いるが、これには、銅
、銀及び水素化チタンの粉末に、有機溶剤又は有機溶剤
と有機結合剤を配合してなるものが好ましい。通常、こ
れらのろう材では、活（４） 性金属として、チタン、ジルコニウム、ハフニウム等が
用いられているが、本発明では、それラノ中で特にチタ
ンを、しかもその添加形態として水素化物を用いること
が望ましい。その理由は、ペースト中のチタンが有機溶
剤中の溶存酸素等によって酸化されることなく、接合工
程までその活性を維持させるためである。すなわち、金
属チタンの場合は、溶存酸素等による酸化によって接合
工程に至るまでに活性を失うおそれがあるが、水素化チ
タンの場合は、接合工程の加熱処理によって初めて水素
を放出し活性な金属チタンとなってＡｊＮ表面に作用す
るので、そのようなおそれがないからである。

本発明において、銀と銅粉末の混合比は、重量割合で、
銀６０〜８０チ、銅２０〜４０％が好ましく採用される
。この混合比は、後の熱処理工程における処理温度によ
シ任意に選択されるが、処理温度の低下及び接合強度の
向上の点から、銀７２チ、銅２８チのいわゆる共晶組成
が最も好ましい。

銀と銅の混合粉末１００重量部に対するチタン及び／又
は水素化チタンは２重量部以上２５重量部以下が好まし
い。２重量部未満では生成される窒化チタン層が少なく
なシ、窒化アルミニウム焼結体との接合強度が充分高く
なく、一方、２５重量部を越えると生成する窒化チタン
量が増加するため窒化アルミニウム焼結体との接着強度
は増すが残留応力の緩和が困難となシフラックが発生し
やすくなる。

有機溶剤としては、メチルセルソルブ、エチルセルソル
ゾ、テルピネオール、イソホロン、トルエン等、また有
機結合剤としては、エチルセルロズ、メチルセルローズ
、　　ＰＭＭＡ等が用いられる。

ペーストの配合の一例を示せば、有機溶剤６０〜７０容
量部、上記混合粉末６０〜６０容量部及び有機結合剤０
〜２０容量部で、これらの合計が１００容量部である。

ペーストの粘度としては２０．０００〜１００，０００
　ｃｐｓ程度である。

本発明で使用される窒化アルミニウム基板としては、公
知の方法で製造されたものが使用でき、（５） （６） その−例を示せば、焼結助剤を添加せずにホットプレス
法で焼結したもの、イツトリア、カルシア々どの酸化物
を窒化アルミニウム粉末に添加して常圧焼結したものな
どである。

ペーストは窒化アルミニウム焼結体の片面又は両面にス
クリーン印刷法によシ並布される。パワ半導体モジュー
ル用基板としては、片面に基板とほぼ同じ大きさの銅板
を接合しヒートシンク材と半田付けするため、この面に
対してはほぼ全面に上記ペーストを塗布する。また、も
う一方の面には半導体素子を搭載する銅回路板を接合す
るため、目的回路パターンと同形の、又は目的回路パタ
ーンの一部をなす形状の接合パターンをスクリーン印刷
によシ印刷する。後記するように、前者の場合には、接
合パターンと同形の銅回路が（ｃ）工程で形成され、後
者の場合には、接合パターンを含むが接合パターンとは
異なった非接合部を有する銅回路が形成される。

塗布量としては、ペーストのはみ出しや接合不良等が起
こらないように、乾燥塗膜重量で４．５〜（７） １５　Ｉｌｌ　／　ｃｍ２程度とするのが望ましい。

（ｂｌ工程の説明 （ａ）工程において、窒化アルミニウム基板のほぼ全面
にペーストを塗布した面にはそのペースト面を覆うに十
分な広さ、すなわら、窒化アルミニウム基板面と同程度
以上の広さのベタ銅板を接触配置する。一方、その片面
である接合パターンを印刷した面にも上記と同程度の広
さのベタ銅板を接触配置してもよいが、必ずしもそのよ
うにする必要はない。接合パターンを覆うに十分な広さ
、すなわち、接合パターンよシも広い銅板を接触配置す
ればよい。その際の銅板としては無酸素銅板が望ましい
。

以上のようにして銅板が配置された窒化アルミニウム基
板は、８００℃以上９５０℃以下の温度で熱処理される
。８００℃に満たない温度においてもＣｕ−Ａｇは液相
な生成するが、このような条件下において作製された接
合体は、介在層と窒化アルミニウム焼結体や銅板との濡
れが不良となシ十分な接合強度を生じない。また、９５
０℃を越える（８） 温度で処理されたものは、接合層の粘性が小さいため、
銅板からペーストのはみ出しを生じ短絡のれの点で望ま
しい。

熱処理後冷却して本発明に係る銅を接合した窒化アルミ
ニウム基板とする。窒化アルミニウム焼結体と銅の熱膨
張係数の差が大きいので、その際の冷却速度を大きくす
ると得られた基板に残留応力に起因するクラックや欠損
が生じることがある。

そのため、本発明では、残留応力を極力少なくするため
に冷却速度を５°Ｃ／分以下％に２°Ｃ／分以下とする
のが望ましい。

（ｃ）工程の説明 （ｂ）工程で得られた接合体の銅板上に、エツチングレ
ジストを用いて最終目的の回路パターンを形成する。こ
の場合、エツチングレジストは、ろう材ペーストの塗布
位置（接合パターン）としつかシと合っていることが大
切であシ、これについて充分な配慮が必要である。

エツチングレジストを接合パターンと全く同じに形成さ
せた場合には、接合パターンと銅回路とは同形状になる
が、本発明では、何もこれに制限されるものではない。

接合パターンと同形状のエツチングレジストを形成させ
ると共にろう材ペーストが塗布されていない位置の銅板
にもそれを形成させるととによって、接合パターンとは
異なる形状で、しかも非接合部を有する銅回路を形成さ
せることができる。

次いで、エツチング処理によって銅の不要部分を除去し
た後エツチングレジスト膜を除去して所期した銅回路を
有する窒化アルミニウム基板とする。エツチング液とし
ては、通常、銅のエツチングに用いられる塩化第２鉄溶
液が用いられる。

以上のように１本発明においては、接合パターンと銅回
路パターンとを変えることも容易であシ、そうするとと
Ｋよって非接合部を有する銅回路を簡単に形成させるこ
とができる。このように非接合部を形成させることの利
点は、外部電極と基板（９） （１０） 上の銅回路とを接続する際に、外部電極をその非接合部
に接続することによって、通電・停止のヒートサイクル
によって発生する金属部の膨張・収縮による基板の損傷
を防止することができるということである。また、ＤＢ
Ｃ法の場合、非接合部を形成するには、予め非接合部に
相当する銅板が基い。

〔実施例〕

以下、図面を参照し、実施例と比較例をあげてさらに具
体的に本発明を説明する。

実施例１ Ｘ　３０＊ｍＸ　Ｏ，６５ｒｉｔの窒化アルミニウム基
板１の両面にスクリーン印刷した後乾燥した。その際、
片面（裏面）はほぼ全面に（図示せず）、もう−方の面
（表面）は半導体素子搭載のため島状のペスト層（接合
パターン）２に印刷した（第１図参照）。塗布量は乾燥
後の塗膜が１０〜／ｃｍ２となるようにした。

次いで、６０ｍ＋Ｘ３０酎Ｘ　Ｏ，３０期ｔの表銅板３
を表面に、また、６０龍×６０龍Ｘ　Ｏ，２０龍ｔの裏
銅板４を裏面に接触配置した後、スペーサーを介して２
４０ｇの重しをのせ、８　Ｘ　１０−６Ｔｏｒｒの真空
中、最高温度８５０°Ｃで６０分間加熱処理してから冷
却速度５°Ｃ／分として冷却し窒化アルミニウム基板と
銅板の接合体を製造した。

得られた接合体の銅の面に、接合パターンとの位置ズレ
がないように目的最終の回路パターンをエツチングレジ
スト５で形成させた後（第２図参照）、塩化第２鉄溶液
でエツチング処理をして銅の不要部分を除去してからエ
ツチングレジスト膜を除去して銅回路６を有する分化ア
ルミニウム基板とした（第６図錠照）。なお、パターン
形成にはスクリーン印刷機を用いた。

その結果、活性金属ろう材ペーストのはみ出しもなく、
そのまま回路基板として使用できる仕上シであった。ま
た、これに無電解Ｎ１−Ｐメツキによシ銅の酸化防止処
理を行ったが、パターンの外にＮ１−Ｐメツキが折用す
ることなく、パワーモジュール用回路基板として何ら支
障のないものが得られた。接合体のビール強度は１５に
９・ｆ／ｃＩｎであシ実用強度５ゆ・ｆ／ｃｍをはるか
に上まわっていた。

実施例２〜１５ 活性金属ろう材ペーストの組成と塗布量を変えたこと以
外は実施例１と同様にして回路基板を製造しビール強度
を測定した。その結果を表−１に示す。なお、回路基板
の外観はいずれも良好であった。

（１３） （１４） 実施例１６ エツチングレジストＴの塗布パターンを第４図に示すも
のにしたこと以外は実施例１と全く同様な操作を行って
回路基板を製造した（第５図参照）。

この回路基板は、回路パターンと接合パターンとが異な
るために、非接合部９を有する銅回路８をもつものであ
るが、エツチング処理によっても非接合部がうすくなる
ようなことはなかった。また、ペーストのはみ出しもな
く、ビール強度も１４ｋｌ？・ｆ／ｃＩｎと十分に高か
った。

比較例１ 窒化アルミニウム基板の両面に、ペーストを接合パター
ン状にスクリーン印刷し、これに予めパターン形状に加
工した銅板（回路側０．３１１１１、裏面０．２ｍｍ）
をペースト筐布部に位置ズレのないように置いたこと以
外は、実施例１と同様にして銅回路を有する窒化アルミ
ニウム基板を製造した。その結果、無電解Ｎ１−Ｐメツ
キ前の状態で銅板の位置精度を測定したところ、測定数
１，０００枚のうち１５６枚が目的公差を外れていた。

比較例２ 窒化アルミニウム基板の両面に所望の接合パターンを形
成するかわシにスクリーン印刷でベタ印刷し、これに目
的パターンの形成が可能となる大きさのペタ銅板を置い
たこと以外は実施例１と同様にして銅回路を有する窒化
アルミニウム基板を製造した。

得られた銅の面に目的の回路パターンをエツチングレジ
ストを用いて形成した後、塩化第２鉄溶液でエツチング
処理をし、銅の不要部分を除去したが、不要部分の基板
表面にはＴｉＮ層が残っておシ回路間は短絡していた。

このＴｉＮ層をフッ酸溶液で溶解し目的回路基板を得た
。しかしながら、この基板について一４０℃と１５０℃
のヒートショック試験を実施したところ、２回目に基板
にクラックが生じ信頼性の点で問題があることがわかっ
た。

〔発明の効果〕

本発明によれば、活性金属法とＤＢＣ法の両方の長所が
採シ入れられた銅回路を有する窒化アルミニウム基板を
製造することができる。すなわち、接合強度とパターン
精度に優れた銅回路を有する窒化アルミニウム基板を簡
単ＫＭ造することができる。また、接合パターンと異な
る非接合部を有する銅回路を形成させることもできるの
で、そのように形成させた非接合部に外部電極を取付け
ることによって、ヒートサイクル時に発生する熱応力か
ら解放され基板が損傷することも少なくなる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は実施例１〜１５の銅回路を有する窒化
アルミニウム基板の、また第１図と第４図〜第５図は実
施例１６のそれの製造工程を説明するだめの斜視図であ
る。 １・・・窒化アルミニウム基板 ２・・・島状のペースト層（接合パターン）３・・・表
銅板 ４・・・裏銅板 ５．７・・・エツチングレジスト ６・・・非接合部を有しない銅回路 ８・・・非接合部９を有する銅回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．　次の（ａ），（ｂ）及び（ｃ）の工程からなるこ
   とを特徴とする銅回路を有する窒化アルミニウム基板の
   製法。 （ａ）窒化アルミニウム基板上に、活性金属ろう材ペー
   ストを所望の接合パターンに塗布する工程 （ｂ）上記塗布ペースト上に、接合パターンを覆うに十
   分な広さの銅板を接合する工程 （ｃ）上記接合体の銅板上に、上記接合パターンを少な
   くとも備えた回路パターンをエツチングレジストにより
   形成させた後、エツチング処理して不要部分を除去する
   工程