JPH04108673A - ろう材ペースト及びそれを用いた接合体 - 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、ろう材ペースト詳しくはパワー半導体モジュ
ール等に使用される金属板をセラミックス基板に接合し
導体回路を形成する際に有用であるろう材ペースト及び
それを用いた接合体に関する。

〔従来の技術〕

近年、ロボット・モーター等の産業機器の高性能化に伴
い、大電力・高能率インバーターなど大電力モジュール
の変遷か進んでおり、半導体素子から発生する熱も増加
の一途をたどっている。この熱を効率よく放散するため
、大電力モジュール基板では従来よりさまざまな方法が
とられてきた。

とくに最近、良好な熱伝導性を有するセラミックス基板
の出現により、基板上に金属板を接合し回路を形成後、
そのまま金属板上に半導体素子を搭載する構造も採用さ
れつつある。

従来より、銅板などの金属とセラミックスを接合する方
法としては種々の提案がなされているが、特に大電力モ
ジュール基板では、高熱伝導性の窒化アルミニウム基板
が注目されている。銅板と窒化アルミニウム基板の接合
方法としては、両者の間に活性金属を含むろう材を介在
させ、加熱処理して接合体を形成する活性金属法（例え
ば特開昭６０−１７７６３４号公報）や、表面を酸化処
理した窒化アルミニウム基板と銅板を銅の融点以下、Ｃ
ｕ、０−０の共晶温度以上で加熱して接合する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法に比べて、 ｌ）接合処理温度が低いので、Ａ　Ｉ　Ｎ−Ｃｕの熱膨
張差によって生じる残留応力か小さい。

２）接合層か延性金属であるので、ヒートショックやヒ
ツトサイクルに対して耐久性か大きい。

などの利点を有する反面、ＤＢＣ法で採用されている金
属板の全面接合後のエツチングによる回路形成法いわゆ
る「ベタ付エツチング」が難しいので、生産性が悪いと
いう問題点かある。活性金属法では、加熱処理時にろう
材中の活性金属成分か基板と反応し、活性金属の窒化物
や酸化物を生成することにより結合をはたしている。し
かしなから、このようなろう材を基板全面に配置し銅板
と接触させて接合体を得、その後エツチングにて銅回路
パターンを形成する方法では、例えば塩化第２鉄溶液や
塩化第２銅溶液等通常のエツチング液では、回路パター
ン外にも生成しているそれらの窒化物や酸化物は除去し
にくく、パターン間の短絡の原因になってしまう。

従来、この対策として、以下の方法がとられてきた。

ｌ）回路パターン状にろう材ペーストを塗布し、その上
に同形状の金属板を配置し、加熱接合して回路を形成す
る。

２）回路パターン状にろう材ペーストを筒布し、その上
にその形状を含む金属板すなわちへた金属板を配置し加
熱接合後エツチングして回路を形成する。

２）は１）に比較し、ベタ金属板を用いる点で生産性の
ある方法であるか、ろう材ペーストか接合時に回路間の
絶縁部にはみ出して歩留まりの低下を招く。

さらに、パワー半導体モジュール等のセラミックス基板
の適用範囲が拡大しつつある現在、−層の信頼性、特に
耐ヒートシヨツク性や耐ヒートサイクル性の向上が厳し
く求められている。これに対処するため、回路の電極半
田付は部等を基板と接合しない部分つまり非接合部とす
る方法が採用されつつあるが、ＤＢＣ法では本質的に非
接合部を形成させることは難しく、金属板を加工して基
板と接触しない部分をつくり非接合部としている。

この方法では、金属板の加工工程が加わるのでコストア
ップと歩留まりの低下を招き、特に非接触部を金属板の
折り曲げによる浮かせによってつくると、折り曲げ部の
金属が損傷しやすくなる。また、加熱接合に基板−金属
板−スペーサを何層にも積層して行なうことが困難であ
るので生産性は低下する。一方、活性金属法では、非接
合部に、ろう材のはみ出しによる不良が生じた場合、物
理的及び薬液等の使用による化学的な除去は著しく困難
であるので歩留まりが低下する。

〔発明か解決しようとする課題〕

本発明者等は、以上の問題点を解決するために種々検討
した結果、上記長所を有する活性金属法において、ろう
材ペーストとして、活性金属に対して反応性を有するセ
ラミックス粉末の少量を存在させたものを用いればよい
ことを見出し、本発明を完成したものである。

〔課題を解決するための手段〕

すなわち、本発明は、以下を要旨とするろう材ペースト
及びそれを用いた接合体である。

■、　ろう材１００重量部に対し、活性金属５〜４０重
量部と該活性金属に対して反応性を有するセラミックス
粉末０．１〜１０重量部とを含有してなることを特徴と
するろう材ペースト。

２、　セラミックス基板と金属板とを請求項１記載のろ
う材ペーストにより接合してなることを特徴とする接合
体。

以下、さらに詳しく本発明について説明する。

本発明のろう材ペーストは、ろう材と活性金属と該活性
金属に対して反応性を有するセラミックス粉末（以下、
反応性セラミックス粉末という）を含み、それを有機溶
剤又は有機溶剤と有機結合剤で練ったものである。

ろう材としては、ニッケル（Ｎｉ）　、銅（Ｃｕ）、銀
（Ａｇ）等から選ばれた少なくとも１種を、それらの単
体、合金もしくは化合物の形態で用いられるが、中でも
、ろう材の融点が低いということと取扱い性の点からＡ
ｇとＣｕを併用するのが望ましい。

活性金属とは、セラミックス基板と反応してろう材の濡
れ性か確保されれば特に限定するものではないが、取扱
い性及びセラミックス基板との反応の容易さを考えれば
、チタン（Ｔｉ）　、ジルコニウム（Ｚｒ）　、ハフニ
ウム（Ｈｆ）　、及びこれらを主成分とする合金、さら
にはろう材の融点までに分解してそれらの活性金属を生
成する化合物か好ましく、特にＴｉ、　Ｔｉ−Ｚｒ合金
及びＴｉ　とＺｒの混合物あるいはそれらの水素化物が
好ましい。

通常、金属ろう材の溶融物はセラミックス表面に対して
濡れ性が悪く、これを改善するために本発明のろう材ペ
ーストには活性金属を含む。活性金属が、セラミックス
と金属板を接合する際に、セラミックス基板と反応して
界面で反応生成物を形成し、金属板とろう材の金属成分
が加熱時相互に拡散して強固に結合している。活性金属
の添加量は、活性金属の種類や接合条件、有機溶剤、有
機結合剤の添加量等によって変わるが、ろう材１００重
量部に対し５〜４０重量部とすることが望ましい。５重
量部よりも少な過ぎると接合ＦＤか悪くなり、特に接合
部の端部か接合しなくなっていわゆる接合不良か生じや
すくなる。一方、４０重量部よりも多過ぎると接合時に
ろう材のはみ出し不良を生じやすくなる。

適正量の活性金属を添加すれば、接合不良もはみ出し不
良も生じないか、この適正量は、基板の表面状態によっ
ても変化する上、通常あまり広い範囲ではないのでペー
スト塗布条件等の僅かな変化によっても、部分的に逸脱
することかあり、しばしば接合工程上の歩留まり低下の
原因となる。

セラミックス基板と金属板の接合からいえば、活性金属
量は上記接合不良もはみ出しもしない適正量よりも少し
多い方か状態は良好である。これはろう材が溶融した際
に、セラミックス界面に偏析した十分な活性金属によっ
てろう材のぬれ性が確保されるためである。しかし、こ
の時、適正量よりも余剰分の活性金属は、基板との反応
が進み反応層を形成していく過程で、不要な部分にも反
応層を形成しその上にろう材が濡れ広がってしまうので
はみ出し不良を生じる。

本発明においては、活性金属をやや過剰に加えることに
より、ろう材溶融時の十分な濡れ性を確保して接合不良
の発生を抑えると共に、後述する該活性金属と反応する
セラミックス粉末を加えることにより、余剰の活性金属
を消費させて、不要部分での反応層の形成を防いてはみ
出し不良の発生を抑えるものである。これは、ろう材の
溶融温度の方か活性金属の反応が顕著になる温度より低
温にあり、溶融の方が比較的速やかにおこることを利用
している。例えば窒化アルミニウム基板にチタンを活性
金属として、共晶組成のＡｇ−Ｃｕ合金をろう材として
銅板を接合する場合、ろう材は７８０°Ｃで溶融し、活
性金属は８３０〜８５０°Ｃで窒化アルミニウムとの反
応が顕著になってくる。

反応性セラミックス粉末とは、ろう材の溶融後に活性金
属と反応しそれを消費する性質を有するものである。活
性金属との反応性がセラミックス基板よりも小さいセラ
ミックス粉末であると、主に基板と反応してしまい、逆
に、基板より非常に反応しやすいものであると、基板の
反応層の形成が著しく阻害されるため、反応性セラミッ
クス粉末としては、活性金属との反応性が基板とあまり
差のあるものは好ましくない。−例として、セラミック
ス基板に窒化アルミニウムを使用した場合の適切な反応
性セラミックス粉末を例示すれば、窒化アルミニウム、
窒化ケイ素、窒化硼素、酸化アルミニウム、及びこれら
の複合系を主成分とするものなどである。一方、酸化ア
ルミニウム基板の場合は、アルミニウム、シリコン、カ
ルシウム、クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル
、銅、亜鉛、バリウム、イツトリウム、ランタノイドな
どの酸化物及びアルミノシリケートのようにそれらのう
ち二種以上の複合酸化物を主成分とするものなど、さら
には窒化珪素、窒化アルミニウム、窒化硼素などの窒化
物などである。

反応性セラミックス粉末の粒度としては、塗布したペー
ストの厚味が、通常、１０〜４０μｍであることを考え
れば、最大径が５０μｍを越えるものはよくないので、
好ましくは３０μｍ以下特に２０μｍ以下である。平均
径もあまり大きいと反応性セラミックス粉末の添加量が
増えて、接合状態に悪影響を及はすことかあるので１５
μｍを越えるものはよくなく、好ましくは１０μｍ以下
特に５μｍ以下である。

反応性セラミックス粉末の添加量は、接合条件や活性金
属の添加量によっても異なるか、ろう材１００重量部に
対し少なくとも活性金属より３重量部以上少ないことが
好ましく、特に好ましくは５〜３５重量部重量部量であ
り、最も好ましくは１０〜３０重量部少ない量である。

具体的には、ろう材１００重量部に対して、０．１〜ｌ
Ｏ重量部である。好ましくは１〜９重量部、特に好まし
くは２〜８重量部である。

有機溶剤や有機接合剤については特に限定するものでは
なく、接合時にペーストの金属成分に対して特に悪影響
を及ぼさないものであればよい。

その−例を示せば、有機溶剤については、メチルセルソ
ルブ、エチルセルソルブ、テレピネオール、イソホロン
、トルエン等、また、有機結合剤については、エチルセ
ルロース、メチルセルロース、ＰＭＭＡ、　　ＰＩＢＭ
Ａ等である。

以上説明した各成分の量的割合の一例を示せば、ろう材
１００重量部に対し、活性金属５〜４０重量部、反応性
セラミックス粉末０．１〜１０重量部、有機溶剤１０〜
３０重量部、有機結合剤０〜５重量部である。

本発明のろう材ペーストは以上のような各成分を混合し
て得られる。混合法は特に限定するものではなく、各成
分か均一に混ざりあえばよい。具体的には、ロール、ニ
ーダ−等の混練機をはじめ、パンバリミキサー、万能混
合機やらいかい機などが一般的である。

本発明のろう材ペーストを用いるセラミックス基板と金
属板との接合は、通常の活性金属法の接合と同じでよく
、真空下又は不活性雰囲気下で行なわれる。活性金属と
反応容易な雰囲気は好ましくなく、特に高温では活性か
十分に保てる雰囲気が必要である。

セラミックス基板の材質としては、窒化ケイ素、窒化ア
ルミニウム、窒化硼素、酸化アルミニウム、及びこれら
の複合系を主成分とするものなどがあげられるが、酸化
アルミニウムと窒化アルミニウムが最も一般的である。

特に、パワー半導体モジュール基板への適用を考えた場
合、高熱伝導性を有する窒化アルミニウムが最も好まし
い。

また、金属板としては、銅、ニッケル、アルミニウム、
及びこれらを主成分とする合金などが一般的である。パ
ワー半導体モジュール基板への適用を考えた場合、銅板
を使用することか望ましい。

〔実施例〕

以下、実施例と比較例をあげて本発明を具体的に説明す
る。

実施例１〜７．比較例１〜４ 第１表に示す割合からなる金属成分と反応性セラミック
ス粉末の組成物１００重量部に、テレピネオール１５重
量部と有機結合剤としてポリイソブチルメタアクリレー
トのトルエン溶液を固形分て１．５重量部加え、大型ら
いかい機で３０分混合後セラミックス製３本ロールに４
回通してよく混練しろう材ペーストを調製した。

このろう材ペーストを７０ｍｍ　Ｘ　４０＋ｎｍ　Ｘ　
０．６５ｍｍ　ｔの窒化アルミニウム基板の両面にスク
リーン印刷した。次に、この基板を１５０°Ｃで５分間
乾燥後、両面に７０ｗ　Ｘ　４０ｍｍ　Ｘ　０．２５０
１１１１　ｔの銅板を接触配置し、炉に各１０枚づつ投
入した。これらの試料を、まず高純度窒素ガス気流中４
００°Ｃで有機分を十分除去後、１０°Ｃ／ｍｉｎで８
８０°Ｃまで昇温し、Ｉ　Ｘ　１０−’ｔｏｒｒ、８８
０°Ｃで２０分間加加熱台し、さらに２°Ｃ／ｍｉｎの
降温速度で室温まで冷却して接合体とした。

この接合体の銅板上に紫外線硬化型のエツチングレジス
トをスクリーン印刷機で回路パターン上に塗布後、塩化
第２銅溶液を用いてエツチング処理を行なって銅板の不
要部分を溶解除去し、さらにエツチングレジストを５重
量％苛性ソーダ溶液で剥離した。

各試料は接合不良、はみ出し不良の有機をチエツク後、
ビール強度を測定した。それらの結果を第１表に示す。

本発明の実施例１〜７はいずれも接合不良を生じること
な（、はみ出し不良の防止かできており、ビール強度も
、実用強度の目安とされている５ｋｇｆ／ａｎを下回る
ものはなかった。

実施例８〜１３．比較例５〜７ 第１表に示す割合からなる金属成分と反応性セラミック
ス粉末の組成物１００重量部のかわりに、第２表に示す
割合からなる金属成分と反応性セラミックス粉末の組成
物１００重量部を用いた以外は実施例１と同様にしてろ
う材ペーストを調製した。

このろう材ペーストを５０ｍｍ　Ｘ　２０ｍｍ　Ｘ　０
．７　ｍｍ　ｔの基板に非接合部を設けてスクリーン印
刷し、１５０°Ｃで４分間乾燥後両面に５０ｍｍ　Ｘ　
２０ｍｍ　Ｘ　０．２　ｍｍ　ｔの銅板を接触配置し、
炉に各１０枚ずつ投入した。セラミックス基板の種類を
第２表に示す。これらの試料を真空中、４５０°Ｃまで
加熱し、さらに十分脱気後第２表に示す各接合温度まで
昇温し、３０分間保持後２℃／ｍｉｎで室温まで冷却し
て接合体とした。

以下実施例１と同様の工程を経て評価し、第２表の結果
を得た。

本発明の実施例８〜１３はいずれも接合不良を生じるこ
となく、はみ出し不良の発生防止ができており、ビール
強度も実用強度の目安とされている５　ｋｇｆ／ａｎを
下回るものはなかった。

（発明の効果） 本発明のように、反応性セラミックス粉末を含む活性金
属ろう材ペーストを用いることによって、セラミックス
基板と金属板との接合不良を増加させたり接合状態を低
下させたりすることはなく、またろう材ペーストのはみ
出し不良をも抑止することができるので、歩留りが向上
する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ろう材１００重量部に対し、活性金属５〜４０重量
   部と該活性金属に対して反応性を有するセラミックス粉
   末０．１〜１０重量部とを含有してなることを特徴とす
   るろう材ペースト。 ２、セラミックス基板と金属板とを請求項１記載のろう
   材ペーストにより接合してなることを特徴とする接合体
   。