JPH04149075A - 銅回路形成用接合体 - 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、セラミックス基板に金属回路を形成するため
の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の採用などモジュ、−
ルの変遷が進んでおり、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。

特に最近、良好な熱伝導性を有するセラミックス基板が
利用できるようになったため、基板上に銅板などの金属
板を接合し回路を形成後、そのままあるいはメツキ等の
処理を施してから半導体素子を搭載する構造も採用され
つつある。

金属とセラミックスを接合する方法には種々あるが、回
路基板の製造という点からは、Ｍｏ　−Ｍｎ法、活性金
属法、硫化銅法、ＤＢＣ法、銅メタライズ法があげられ
る。

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おり、銅板との接合方法として
は、従来より、銅板と窒化アルミニウム基板との間に活
性金属成分を含むろう材（以下、しばしば単に「ろう材
」という）を介在させ、加熱処理して接合体とする活性
金属法（例えば特開昭６０−１７７６３４号公報）や、
銅板と表面を酸化処理してなる窒化アルミニウム基板と
を銅の融点以下でＣｕ、Ｏ−０の共晶温度以上で加熱接
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
て以下の利点がある。

（１）　　上記接合体を得るための処理温度が低いので
ＡｌＮ−ＣｕＯ熱膨張差によって生じる残留応力が小さ
い。

（２）銅板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大である。

活性金属法の問題点は、銅板と窒化アルミニウム基板と
の接合不良である。これは、主として、銅板とセラミッ
クス基板の接合端部において、ろう材が変質したりろう
材と銅板及び／又は窒化アルミニウム基板との濡れ性が
悪くなっていることに原因している。

接合不良の改善のためには、活性金属成分の増量が効果
的であるが、活性金属の増量は、はみ出し不良やビール
強度の低下、水平クシツクの発生などを生じやすいとい
う問題点がある。ここに、はみ出し不良とは接合時に、
銅板との接合が不要な部分にまでろう材が濡れ拡がって
しまう現象で、活性金属成分とセラミックス基板との反
応層が不要部分にも生じることが原因である。また、水
平クラックとは主として銅板とセラミックス基板との接
合端部の基板面に生じ基板面に対して水平方向に進行し
ていくクラックであり、ビール強度の低下の原因となり
、更に進行すれば回路電極部等が剥離してしまう。活性
金属成分とセラミックス基板との反応量が多くなり過ぎ
るとはみ出し不良や水平クランクが発生しやすいので、
これらの点からはむしろ活性金属成分をなるべく少なく
して接合する方が好ましい。

このような問題点の解決のため新しい技術の提案が待た
れている。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明者らは、以上のような問題点を解決するために検
討を重ねた結果、特定組成の活性金属成分を含むろう材
ペーストを使用することにより、はみ出し不良やビール
強度の低下、水平クラックの発生などを生じることがな
い金属板とセラミックス基板との接合体が得られること
を見い出し、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。

１、金属成分として、銀成分と銅成分を主成分とし活性
金属成分を全金属成分中３〜３５重量％含んでなり、し
かも該活性金属成分のうち２重量％以上がジルコニウム
成分で１重量％以上がチタン成分であることを特徴とす
るろう材ペースト。

Ｚ　請求項１記載のろう材ペーストを用いて得られたセ
ラミックス基板と銅板との接合体。

以下、本発明をさらに詳細に説明する。

本発明の特徴の１つは、ろう材中にチタン成分を含ませ
ることによってろう材のセラミックス基板への濡れ性を
確保し、一方、ジルコニウム成分を含ませることによっ
て銅板を清浄化させ、その結果ろう材の銅板への濡れ性
を損なわせないで、銅板とセラミックス基板との接合状
態を良好にし接合不良等による歩留りの低下を防いだこ
とにある。

活性金属法による銅板とセラミックス基板の接合におい
ては、溶融時にろ・う材とセラミックスの濡れ性を確保
するため、活性金属成分を加える。

活性金属成分はセラミックス基板と反応して酸化物や窒
化物を生成し、この反応層がろう材とセラミックス基板
の結合を強固なものにする。本発明においてもこのよう
な活性金属成分を含ませるものであり、その具体例をあ
げれば、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、
タンタル、バナジウムやこれらの化合物である。

本発明においては、これらの活性金属成分のうち、チタ
ン成分とジルコニウム成分との特定量を併用する。その
理由は以下のとおりである。

すなわち、チタン成分は反応の容易さの点で最適である
ことによる。一方、セラミックス基板と接合する銅板は
、通常、表面が酸化された状態にあり、そのままではろ
う材との濡れ性があまり良くない。しかしながら、活性
金属の酸化物は銅の酸化物よりも安定であることが多い
ため、活性金属成分が銅板表面を還元することによって
それを清浄化し、ろう材と銅板がよく濡れるようになる
これによって、ろう材と銅板は相互に拡散し、結合が形
成される。このような作用をもつ活性金属成分としては
特にチタン成分とジルコニウム成分が最も効果的である
が、チタンはジルコニウムに比べてろう材の溶融時に選
択的に基板側へ移動しやすいので銅板の清浄化作用の点
では劣る。従って、チタン成分とジルコニア成分を共に
含ませることによって銅板とセラミックス基板との接合
状態が良好な、接合不良等による歩留りの低下のない接
合体を製造することができる。

ジルコニウム成分は、活性金属成分中、２重量％以上好
ましくは３重量％以上を含んでいないと上記した効果は
発現しない。ジルコニウム成分は、金属ジルコニウム粉
末、例えばジルコニウム−チタン合金などのジルコニウ
ム合金、水素化ジルコニウムなどの化合物を用いること
によって供給される。

チタン成分は、活性金属成分中、１重量％以上好ましく
は２重量％以上を含んでいないと上記した効果は発現し
ない。チタン成分は、金属チタン粉末、例えばチタン−
ジルコニウム合金などのチタン合金、水素化チタンなど
の化合物を用いることによって供給される。

活性金属成分の含有割合は、全金属成分中、３〜３５重
量％好ましくは５〜３０重量％特に好ましくは・７〜２
５重量％である。３重量％未満では十分な接合強度は得
られず、また３５重量％を越えるとろう材中の活性金属
成分の量が増え過ぎるため、反応物量が増加しはみ出し
不良やビール強度の低下、水平クラックの発生が容易と
なる。本発明では、上記したジルコニウム成分とチタン
成分の割合を逸脱しない限り、他の活性金属成分と併用
できることはいうまでもない。

活性金属成分３〜３５重量％以外の金属成分９７〜６５
重量％の主成分は銀成分と銅成分である。両者の組成に
ついては特に制限を受けるものではないが、溶融温度が
最も低い共晶組成すなわち重量比で銀７２：銅２８また
はその付近が好ましい。第３成分の添加も活性金属やろ
う材に特に大きな影響を与えなければ特に限定するもの
ではなく、通常のろう材と同様にろう材の融点降下や反
応性、耐酸化性の向上等のための各種金属等の添加は可
能である。

本発明のろう材ペーストは、以上のような銀成分と銅成
分を主成分とし特定量・種の活性金属成分からなる金属
成分に有機溶剤や必要に応じて有機結合剤を加え、混合
機例えばロール、ニーダ、パンバリミキサー、万能混合
機、６らいかい機等を用いて混合することによって調整
される。その際の有機溶剤としては、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、有機結合剤としては、エチルセルロー
ス、メチルセルロース、ポリメチルメタアクリレート、
ポリイソブチルメタアクリレート等が使用される。

ろう材ペーストの組成の一例を示せば、活性金属成分３
〜３５重量％、銀−銅ろう相成分３５〜８９重量％、有
機溶剤８〜３０重量％、有機結合剤０〜１０重景％置部
る。

ろう材ペーストの粘度については一般的には１　、００
０〜２０，０００　ｃｐｓ程度である。塗布方法につい
ては、セラミックス基板又は金属板にあまり厚みのムラ
な（塗布できる方法であれば特に制限されるものではな
く通常の方法でよいが、本発明では金属板とセラミック
ス基板とを接合した後に薬液で不要ろう材部骨を除去で
きるのでスクリーン印刷以外にもロールコータを用いた
全面塗布をも可能である。

不要ろう材の除去薬液の具体例をあげれば、フッ酸単独
、硝酸、硫酸、塩酸等の無機酸とフッ酸との混酸、王水
、水酸化ナトリウム溶液、水酸化カリウム溶液などであ
り、不要ろう材の成分に応じて適切なものが選択される
。好ましくは、フッ酸単独、又はフッ酸と塩酸との混酸
である。これらの薬液は４０〜９５°Ｃの温度で使用す
ることが望ましく、また、薬液処理と同時に及び／又は
薬液処理後の水、溶剤、アルカリ脱脂液等を用いた洗浄
工程において、超音波を付与することが望ましい。

本発明で使用される金属板の材質については特に制限は
なく、通常は、銅、ニッケル、銅合金、ニッケル合金が
用いられる。また、その厚みについても特に制限はなく
、通常、金属箔と言われている肉厚の薄いものでも使用
可能であり、０．１〜１、ｏ　ｔｍｎＯものが用いられ
る。また、本発明で使用されるセラミックス基板の材質
としては、通常、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、酸化
アルミニウム、ムライト等が用いられる。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例と比較例をあげて具体的に説明す
る。

実施例１〜９ 第１表に示すように、銀粉末６９〜７５重量部、銅粉末
２５〜３１重量部にジルコニウム粉末３〜２０、チタン
又は水素化チタン２〜１５重量部、及びテレピネオール
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で１．５重量部加えて
よく混練し、ろう材ペーストを調製した。このろう材ベ
ーストを６０ｓｍｎ　Ｘ　３０ｓ　ｘＯ，６５ｍｍｔの
窒化アルミニウム基板の両面にロールコータ−を用いて
基板に全面塗布した。その際の塗布量（乾燥後）を第１
表に示す。次にこの基板の両面に６０鵬Ｘ　３０ｍｍ　
Ｘ　０．２５閣１の銅板を接触配置し、炉に各１０枚投
入した。これらの試料を高真空中、９００°Ｃ１３０ｗ
ｉｎ加熱した後、２’Ｃ／ｍｉｎの降温速度で冷却して
接合体とした。

次に、この接合体の銅板上に、熱硬化タイプのエツチン
グレジストをスクリーン印刷にて回路パターンに塗布後
、塩化第２鉄溶液を用いてエツチング処理を行なって、
銅板不要部分を溶解除去し、更にエツチングレジストを
５％苛性ソーダ溶液で剥離した。

このエツチング処理後の接合体には、銅回路パターン間
に残留不要ろう材及び活性金属成分と基板の反応物があ
り、これを除去するため、各試料につき、７０’Ｃ１１
０％フッ酸溶液に１０分間浸漬後さらに１０％硝酸溶液
に２分間浸漬してろう材の除去を行なった。

これら一連の処理を経て得られた接合体の接合状態を観
察し、銅回路パターンのビール強度を測定した。その結
果を第１表に示す。

実施例１〜９のビール強度は一般的な実用強度の目安と
されている５ｋｇｆ／ｃｍ＋以上であった。

実施例１０〜１１ 第１表に示するう材組成にテレピネオール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で１．５重量部加えてよく混練し、
ろう材ペーストを調製した。ペーストはスクリーン印刷
機を用いて窒化アルミニウム基板の回路パターン上に塗
布し１５０°Ｃで５分間乾燥した。以下、実施例１と同
様にして試料を作製して測定した。その結果を第１表に
示す。

実施例の１０と１１はビール強度の一般的な実用強度の
目安とされている５ｋｇｆ／ｃｍ以上であった。

比較例１〜３ 第１表に示するう材組成にテレピネオールとポリイソブ
チルメタアクリレートのトルエン溶液を実施例１と同様
に加えて試料を作製して測定した。

その結果を第１表に示す。

比較例１〜３はいずれも接合不良が生じており歩留マり
の低下となっている。さらに比較例１と３はビール強度
も実用強度の目安とされている５ｋｇ　ｆ　／　ｃｍに
達していない。

第 表 〔発明の効果〕 本発明によれば、はみ出し不良やビール強度の低下、水
平クラック等の発生などを生じることがない金属板とセ
ラミックス基板との接合体が得られ、工程上の歩留りが
大幅に向上する。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．　金属成分として、銀成分と銅成分を主成分とし活
   性金属成分を全金属成分中３〜３５重量％含んでなり、
   しかも該活性金属成分のうち２重量％以上がジルコニウ
   ム成分で１重量％以上がチタン成分であることを特徴と
   するろう材ペースト。
2. ２．　請求項１記載のろう材ペーストを用いて得られた
   セラミックス基板と銅板との接合体。