JPH04214080A - 窒化アルミニウム基板への金属シートの接合方法と接合品 - Google Patents

窒化アルミニウム基板への金属シートの接合方法と接合品

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JPH04214080A
JPH04214080A JP3023377A JP2337791A JPH04214080A JP H04214080 A JPH04214080 A JP H04214080A JP 3023377 A JP3023377 A JP 3023377A JP 2337791 A JP2337791 A JP 2337791A JP H04214080 A JPH04214080 A JP H04214080A
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ジャン・ジャリジュ
Jacques Mexmain
ジャック・メクスマン
Jean-Pascal Michelet
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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】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、窒化アルミニウム基板
への銅などの金属シートの接合の技術分野に関する。本
発明は特にエレクトロニック・パワー・モジュールの製
造に有用である。
【０００２】
【従来の技術】エレクトロニック・パワー・モジュール
の製造には、電気絶縁性が良好であると同時に、熱伝導
性も良い材料を使用することが必要となる。また、この
材料は、シリコンのような回路製作に用いる半導体材料
と熱膨張率が近いものでなければならない。さらに、当
然ながら、上記モジュールの製造に用いる材料は、でき
るだけ安価であることが望ましい。
【０００３】電気絶縁性のセラミック基板、特に窒化ア
ルミニウムに、例えば銅などの金属のシートを接合する
ための方法としては、これまでも各種の方法が提案され
ている。例えば、欧州特許出願公開公報Ｎｏ．０，１２
３，２１２には、窒化アルミニウム基板への銅シートの
接合方法が記載されている。この方法は、窒化アルミニ
ウム基板上に熱処理を用いてアルミナ層を成長させ、次
いで、このアルミナ層の上に銅シートを置き、常法によ
りアルミナ層に銅シートを接合することからなる。
【０００４】より正確には、上記欧州特許出願公開公報
には、ＡｌＮ基板を１２００℃の空気に２〜５時間曝す
ことにより基板上にアルミナ層を形成し、次いで、銅の
シートを積層し、窒素雰囲気下で１０７８℃に１５分間
加熱すると、この加熱により生成するＡｌ２Ｏ３−Ｃｕ
２Ｏ層により、良好な接合が得られることが示されてい
る。
【０００５】この方法は産業界で現在広く採用されてい
るが、完全に満足できるものではない。銅−アルミナ間
の接合は不十分であることが多い。銅シートが簡単に剥
離してしまうことがしばしばある。上記の方法で得られ
た製品の検査から、銅シートの下に気泡が存在し、それ
により接合部の機械的強度が劣化したことがわかる。例
えば下記の文献にこの気泡の生成についての記載がある
。１）　Ｊ．　Ａｍ．　Ｃｅｒａｍ．Ｓｏｃ．　７２（
８），　ｐｐ．　１３２２−１３２７　（１９８９），
「銅−アルミナ接合における酸素の役割」Ｙｕｉｃｈｉ
　Ｙｏｓｈｉｎｏ；　２）　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｒｅ
ｓｅａｒｃｈ　Ｓｏｃｉｅｔｙ，　Ｓｙｍｐ．　Ｐｒｏ
ｃ．　Ｖｏｌ．　４０，　１９８５「銅−セラミックス
の共融接合」Ｍａｒｃ　Ｗｉｔｔｎｅｒ；　３）Ｍａｔ
ｅｒｉａｌｓ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｓｏｃｉｅｔｙ，　
Ｓｙｍｐ．　Ｐｒｏｃ．　Ｖｏｌ．　４０，　１９８５
「パワーハイブリッド用のＡｌＮ基板の直接接合銅メタ
ライゼーション」Ｐｅｔｒａ　Ｋｌｕｇｅ　Ｗｅｉｓｓ
　ｅｔａｌ；　４）　ＩＥＥＥ　０５６９，　５５０３
，　８９，　００２９　「水熱酸化処理条件下での窒化
アルミニウムセラミック表面の挙動」Ｄ．　Ｓｕｒｙａ
ｎａｒａｙａｎａ　ｅｔ　ａｌ。
【０００６】さらに、上記欧州特許出願公開公報Ｎｏ．
０，１２３，２１２に記載の方法を実施して得た製品を
検査すると、アルミナ層にひび割れがあることが一般に
明らかとなる。このひび割れについては、ＩＥＥＥ　Ｔ
ｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ
，　Ｈｙｂｒｉｄｓ，　ａｎｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉ
ｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　Ｖｏｌ．　１２，　Ｎ
ｏ．　３，　１９８９年９月「ＡｌＮ基板の表面特性お
よび絶縁特性に対する水分の影響」Ｙａｓｕｔｏｓｈｉ
　Ｋｕｒｉｈａｒａ　ｅｔ　ａｌ，　に詳述されている
。
【０００７】金属シートと窒化アルミニウムとの間の接
合を改善するために多くの研究がこれまでになされてき
た。具体的には、各種厚みのアルミナ層で数多くの試験
を行うことにより気泡生成に対するアルミナ層厚みの影
響を調べることが試みられた。一般に、この試験では、
アルミナ層の厚みが増すほど気泡の数と容積が増大する
ことが示された。そのため、当業者はアルミナ層を薄く
したデバイスを製造しようとした。しかし、この試みは
うまくいかなかった。十分な接合を生じなかったからで
ある。熱処理温度、具体的にはアルミナ層形成のための
酸化段階の温度が気泡生成に及ぼす影響についての検討
もなされてきた。この試験でも決定的な結果は得られな
かった。
【０００８】最後に、接合の全段階に対する水蒸気の影
響を調べるための試験も行われた。例えば、このような
試験は、Ａｎｎ．　Ｃｈｉｍ．　Ｆｒ．　１９８５，　
１０，　ｐｐ．　７９−８３の「高温水蒸気中での焼結
窒化アルミニウムの挙動」Ｙ．　Ｙｅｆｓａｈ　ｅｔ　
ａｌ；および　７ｔｈ　ＥｕｒｏｐｅａｎＨｙｂｒｉｄ
　Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｃｏｎｆｅｒｅ
ｎｃｅ，　Ｈａｍｂｕｒｇ，　１９８９　年５月「Ａｌ
Ｎ基板の表面処理」Ｙｏｓｈｉｒｏｕ　Ｋｕｒｏｍｉｔ
ｓｕ　ｅｔ　ａｌに記載されている。概括すると、これ
らの試験では、水蒸気が存在すると酸化速度を増大させ
ることができることを示しただけである。そのために、
当業者は、全体の製造時間を短縮するため、酸化熱処理
中にやや湿った、即ち、水蒸気をかなり含む雰囲気を使
用する傾向があった。
【０００９】気泡の生成を防止するため、例えば、ドイ
ツ特許公報Ｎｏ．３，３２４，６６１に記載されている
ように、当業者は、金属シートの表面に排水溝として作
用する溝を設けることで一般に対処せざるを得ない。こ
のような溝は、確かに金属／基板界面での気泡の生成を
抑制するように思われる。しかし、上記の溝は、金属部
分に所定のパターンを得るために後続工程で行われる腐
食処理時に金属シートと基板の間に腐食剤が拡散すると
いう望ましくない現象を助長する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、銅
シートを電気絶縁性材料の基板に接合するために提案さ
れた従来の方法はいずれも完全に満足できるものではな
い。本発明の目的は、金属、好ましくは銅のシートを窒
化アルミニウム基板上に接合するための新規な方法を提
供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、　ｉ）
　窒化アルミニウム基板上に熱処理によりアルミナ層を
成長させ、ｉｉ）　このアルミナ層上に金属シートを置
き、両者を接合させる、という従来より公知の工程から
なる方法において、アルミナ成長工程ｉ）を水分を含ま
ない抑制された酸化性雰囲気下で行うことを特徴とする
方法により、上記目的が達成される。即ち、当業者が従
来持っていた、製造過程を促進させるために水蒸気の多
い雰囲気を使用するという技術常識に反して、本発明者
らはかかる水蒸気を慎重に排除すべきであるとの結論に
達したのであった。
【００１２】本発明の方法を添付の図１により図式的に
説明する。図１に示し、かつ上述したように、本発明の
方法は二つの必須工程３０および５０を含む。この工程
３０および５０は、それぞれｉ）　　窒化アルミニウム
基板の表面を水蒸気を含まない酸化性雰囲気下で酸化す
ること、およびｉｉ）　生成したアルミナ層の上に金属
、好ましくは銅のシートを接合すること、からなる。
【００１３】基板酸化工程３０の前に、窒化アルミニウ
ム基板を製作する前工程１０があり、さらに一般には製
作された基板を検査する中間工程２０も実施される。こ
の検査工程は、当業者には周知のものであり、例えば、
基板の組成、その表面粗さ、およびその熱伝導性を検査
することからなるものでよい。
【００１４】本発明の主要な特徴を成す基板酸化工程３
０は、水蒸気を含まない酸化性雰囲気下に行われ、好ま
しくは緩慢酸化処理に相当する条件で実施する。但し、
急速酸化処理に相当する条件で実施してもよい。例えば
、現時点で好ましい緩慢酸化処理工程は、１０００〜１
２００℃の範囲内の温度で１２〜３０時間の範囲内の処
理時間により実施されうる。急速酸化処理工程は、窒化
アルミニウム基板を１４２０〜１５００℃の温度に５分
未満の時間さらすことにより実施することができ、この
場合もやはり当然ながら水蒸気を含まない酸化性雰囲気
下に処理を行う。
【００１５】１例として、工程３０で使用する酸化性雰
囲気は、下記条件を満足する純酸素雰囲気からなる。 Ｏ２　　　　　　　　　　　９９．５％〜９９．９９８
％Ｈ２　Ｏ　　　　　　　　＜　５　ｐｐｍＨ２　　　
　　　　　　　　＜　２　ｐｐｍＡｒ，Ｎ２　　　　　
＜１４　ｐｐｍ ＣＯ＋ＣＯ２　　　＜　１　ｐｐｍ 可能であれば、酸化工程３０の次に、生成したアルミナ
層を検査する工程４０を行ってから、金属／アルミナ接
合工程５０を実施する。
【００１６】銅／アルミナ接合工程は、本出願人の仏国
特許Ｎｏ．８７　１５５４７（公開Ｎｏ．２，６２３，
０４６）　に記載の方法により実施することが好ましい
ので、この特許中の説明を参照するのが有用であろう。 この仏国特許には、アルミナ基板への銅シートの直接接
合方法が開示されており、この方法は、 １）銅シートを表面清浄化してその表面酸化の痕跡を除
去してから、基板に銅を重ね、 ２）銅／基板の積層体を不活性雰囲気下に、使用する反
応ガスとの銅系共融物が生成する温度より高く、かつ銅
の溶融温度より低い温度に達するまで加熱し、３）前記
共融物生成温度より高温に達してから初めて酸化性の反
応ガスを雰囲気に導入することによって、銅シートの酸
化が起こる前にこの温度に到達させておく、ことからな
る。
【００１７】上記仏国特許にはさらに下記の点も記載さ
れており、本発明にも適用できる。■使用する銅シート
は重量でリン含有量が０．００１５％未満、酸素含有量
が０．００２０％〜０．００２４％の範囲内のものが好
ましい。■例えば、硬度が４３ＨＶ〜４５ＨＶの範囲内
の焼鈍型の銅のシートを使用する。■清浄化工程を、例
えば、希塩酸溶液中での清浄化　（酸洗）　処理段階と
その後の脱イオン水中での洗浄処理段階の形態で実施す
る。■アルミナへの銅シートの積層を、昇温、温度保持
、および冷却という３段階の連続した基本工程で実施す
る。
【００１８】上記■の積層を実施するための３段階のう
ち、第一段の昇温段階は、不活性雰囲気、好ましくは窒
素雰囲気下で実施する。不活性雰囲気下での昇温工程は
、表面温度が理論的に反応ガスとの共融物が得られる温
度より高温、即ち、酸化性反応ガスを使用する場合は１
０６５℃より高温になるまで続ける。積層工程の第二段
は、同時に酸化性反応ガスを適用　（導入）　しながら
、処理温度を、共融物生成温度（１０６５℃）　と銅の
溶融温度　（１０８３℃）　との間に保持することから
なる。第二段の処理温度は１０７５℃±２℃の範囲内と
することが好ましい。この第二段で用いる酸化性反応ガ
スは、５０〜１００　ｐｐｍ　、有利には７０　ｐｐｍ
の分圧の酸素を含有するものであることが好ましい。反
応ガス雰囲気下で約１０７５℃に温度を保持する第二段
の温度保持工程は、約２分間〜約４分間続けることがで
きる。最後の冷却段階は、不活性雰囲気、好ましくは窒
素雰囲気下で行う。この熱処理を、通過型の加熱炉を使
用し、上記のように制御された雰囲気下において約５ｃ
ｍ／ｍｉｎの通過速度および約４５分の全処理時間（昇
温、定温保持、および冷却を含む）　で実施することに
より、完全に満足できる結果が得られる。
【００１９】
【発明の効果】従来の方法に比べて、本発明の方法によ
り数多くの利点が得られる。本発明の効果を具体的に次
に列挙する。（ａ）　パラメータのいくつか、特に酸化
工程３０の持続時間、が変動しうるものであるにもかか
わらず、本発明により、水蒸気を含まない酸素雰囲気下
での酸化処理により、空気中で得られるものに比べて厚
みがより一定でより規則的なアルミナ層を得ることが可
能となる。本発明者が実施した試験結果から、水蒸気を
含まない酸化性雰囲気の使用により、アルミナ層の厚み
の再現性が向上することが示された。具体的には、この
試験により下記のデータが得られた。１２００℃の温度
の空気雰囲気下に０．５　時間〜２時間の範囲内の処理
時間で得られたアルミナ層の厚みは　０．２〜５．５　
μｍ　であり、１１００℃の温度の空気雰囲気下に５時
間〜１０時間の範囲内の処理時間で得られたアルミナ層
の厚みは２〜７．５　μｍ　であった。これに対し、本
発明により水蒸気を含まない酸素雰囲気下に１２００℃
で１２時間〜２４時間の範囲内の処理時間で得られたア
ルミナ層の厚みは　１．５〜２．５　μｍ　であり、厚
みのばらつきが少ない。 （ｂ）　アルミナ層の厚みの再現性が高く、容易に再現
できる。 （ｃ）　アルミナ層が均一である。 （ｄ）　酸化工程で形成されたアルミナ層に小孔、気泡
、ひび割れがない。 （ｅ）　酸化厚みの検査が容易である。 （ｆ）　アルミナ層と窒化アルミニウム基板との接合部
の機械的強度が高い。 （ｇ）　欠陥のないＣｕ／Ａｌ２Ｏ３　−ＡｌＮ　接合
が得られ、良好な機械的強度が確保される。 （ｈ）　アルミナ層の厚みを薄くできることから、熱サ
イクル試験時のアルミナと窒化アルミニウムとの間のひ
び割れの危険性が、熱膨張率が非常に異なるにもかかわ
らず少なくなる。
【００２０】いうまでもないが、本発明は上記の説明の
みに制限されるものではなく、本発明の範囲内で各種の
変更が可能である。例えば、本発明は窒化アルミニウム
への銅シートの接合に限定されるものではない。他の種
類の金属シートを積層するのにも利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法を図式的に示す工程図である。

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】　　ｉ）窒化アルミニウム基板上に熱処理
    によりアルミナ層を成長させ、ｉｉ）　生成したアルミ
    ナ層上に金属シートを積層して両者を接合させる、とい
    う工程を含む窒化アルミニウム基板に金属シートを接合
    する方法であって、アルミナ成長工程ｉ）を、水分を含
    まない酸化性雰囲気下で行うことを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】　　アルミナ成長工程ｉ）を、水蒸気を含
    まない純酸素雰囲気下で行うことを特徴とする、請求項
    １記載の金属シートの接合方法。
  3. 【請求項３】　　工程ｉ）で用いる酸化性雰囲気の水蒸
    気含有量が５ｐｐｍ　未満である、請求項１または２記
    載の金属シートの接合方法。
  4. 【請求項４】　　工程ｉ）で用いる酸化性雰囲気が下記
    条件を満足することを特徴とする、請求項１ないし３の
    いずれかに記載の金属シートの接合方法。 Ｏ２　　　　　　　　　　　９９．５％〜９９．９９８
    ％Ｈ２　Ｏ　　　　　　　　＜　５　ｐｐｍＨ２　　　
    　　　　　　　　＜　２　ｐｐｍＡｒ，Ｎ２　　　　　
    ＜１４　ｐｐｍ ＣＯ＋ＣＯ２　　　＜　１　ｐｐｍ
  5. 【請求項５】　　金属シートが銅シートであることをこ
    とを特徴とする、請求項１ないし４のいずれかに記載の
    金属シートの接合方法。
  6. 【請求項６】　　アルミナ成長工程ｉ）を、１０００〜
    １２００℃の範囲内の温度で１２〜３０時間の範囲内の
    処理時間により行うことを特徴とする、請求項１ないし
    ５のいずれかに記載の金属シートの接合方法。
  7. 【請求項７】　　アルミナ成長工程ｉ）を、１４２０〜
    １５００℃の範囲内の温度で５分未満の処理時間により
    行うことを特徴とする、請求項１ないし５のいずれかに
    記載の金属シートの接合方法。
  8. 【請求項８】　　アルミナ層への金属シートの接合工程
    ｉｉ）　が、 １）金属シートを表面清浄化してその表面から酸化の痕
    跡を除去してから、アルミナ層上に金属シートを積層し
    、２）金属／基板の積層体を不活性雰囲気下で共融物が
    生成する温度より高温に達するまで加熱し、３）金属シ
    ートの表面酸化が起こる前に前記共融物生成温度より高
    温に到達するように、この共融物生成温度より高温に達
    してから初めて酸化性の反応ガスを雰囲気に導入する、
    ことからなる、請求項１ないし７のいずれかに記載の金
    属シートの接合方法。
  9. 【請求項９】　　請求項１ないし８のいずれかに記載の
    方法を実施することにより得られた生成物。
JP3023377A 1990-02-20 1991-02-18 窒化アルミニウム基板への金属シートの接合方法と接合品 Pending JPH04214080A (ja)

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