JPH04349175A - 銅板とAlN基板の接合方法 - Google Patents

銅板とAlN基板の接合方法

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JPH04349175A
JPH04349175A JP140391A JP140391A JPH04349175A JP H04349175 A JPH04349175 A JP H04349175A JP 140391 A JP140391 A JP 140391A JP 140391 A JP140391 A JP 140391A JP H04349175 A JPH04349175 A JP H04349175A
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JP
Japan
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bonding
aln substrate
copper plate
temperature
aln
Prior art date
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Pending
Application number
JP140391A
Other languages
English (en)
Inventor
Kenji Fukuda
憲司 福田
Yumiko Kouno
有美子 河野
Masato Kumagai
正人 熊谷
Tsuneo Hirayama
平山 恒男
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
JFE Steel Corp
Kinzoku Giken Co Ltd
Original Assignee
Kinzoku Giken Co Ltd
Kawasaki Steel Corp
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Publication date
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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、パワー半導体モジュー
ルに利用される銅板接合AlN基板の製造方法に関する
【0002】
【従来の技術】従来より、Ti、Zr等の活性金属を用
いてAlNと銅板を接合する方法としては以下のものが
提案されている。 (i)  活性金属粉を介在させて加熱し接合する方法
(特開昭56−163093号公報)。 (ii)  AlN基板と銅板の間に活性金属箔を順次
積層し加熱して接合する方法(特開昭56−16309
3号公報)。 (iii)  Ag、Cu及びTiの合金体と、AlN
とCu板とを重ね、真空中で加熱して接合することを特
徴とする接合方法(特開平2−64070号公報)。 (iv)  Ag粉、銅粉、TiH2 にバインダを添
加してペーストを作製し、AlN上にスクリーン印刷し
て不活性雰囲気下800℃以上950℃以下にて接合す
る方法(特開平2−149478号公報)。
【0003】上記(i)〜(iv)の技術はいずれも、
銅板とAlN基板接合を主目的としているが、(i)〜
(iii)の方法では、Tiが酸化しやすく接合不良が
発生しやすい欠点があった。(iv)についてはTiH
2 を用いているため高温までTiが酸化しにくいがペ
ーストの脱脂工程がないため、ペースト中に有機物が残
留しやすくTiC等の化合物が形成されやすい欠点があ
った。また、(i)〜(iv)の接合方法では接合時の
温度、雰囲気、荷重、接合時間の制御が不十分であり、
ろう材(Ti−Ag−Cu)の銅板中への拡散による合
金層の厚さの変化を制御していないので、合金層が厚く
なり、AlN基板に発生する熱応力が大きくなって、耐
熱衝撃試験(−65℃と+150℃の間を変化する熱衝
撃を接合体に繰返し与えて、AlN基板に亀裂の入るま
での回数を測定する試験)時にAlN基板に亀裂が発生
しやすいという欠点があった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、TiH
2 とAg−Cu合金粉と、バインダとを混合して作製
したペーストをAlN基板に印刷してこれに銅板を接合
する場合に、ペーストの脱脂工程の処理条件、脱脂後接
合時までの雰囲気、並びに接合時の温度、荷重、時間及
び雰囲気などについて広範囲に検討した。その結果、連
続した接合工程において、接合状態が良好で、かつTi
−Ag−Cu合金層の厚さを制御することにより、Al
N基板に発生する熱応力を軽減して耐熱衝撃性を向上さ
せ、実際の使用に耐える製品を製造する技術を開発した
。本発明はこのような新技術を提供し、上記従来技術の
問題点を解決しようとするものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、銅板とAlN
基板の接合方法において以下の■〜■の工程を有するこ
とを特徴とする。■  AlN基板にてTiH2 と、
Ag−Cu合金粉またはAg粉とCu粉との混合粉と、
バインダとを混合したペーストをスクリーン印刷し、そ
の上に銅板を治具で固定する工程。■  300〜60
0℃でN2 、H2 あるいは真空中で脱脂してペース
ト中の有機物を除去する工程。■  ■の工程後、ペー
ストの酸化をさけるために、空気中に出すことなく連続
して、治具で固定した銅板とAlN基板を真空中へ移行
する工程。■  温度840℃〜880℃、時間30分
〜60分、荷重0.05〜0.5kg/cm2 にて真
空中で熱処理して接合する工程。
【0006】
【作用】銅板とAlN基板の接合には、活性金属Tiを
含むろう材で接合する方法がよく用いられる。この方法
においては、AlN基板とろう材は、 AlN+Ti→Al+TiN の反応により接合し、ろう材と銅板はTi、Agが銅板
中へ拡散することにより合金層を形成して接合する。T
iは非常に酸化しやすい。Ti酸化物ができると、Ti
Nの形成や、Tiの銅板中への拡散、ろう材の銅板への
濡れ性が悪くなり、接合不良が発生する。また、脱脂が
不十分で、ペースト中の有機物が十分に除去されずに残
留していると、TiC等の化合物が形成されTi酸化物
と同様の理由により、接合不良が発生する。これを防ぐ
には、Tiを接合温度直前まで水素化合物として存在す
るTiH2 を用いて酸化を防止すると共に、300〜
600℃で、N2 、H2 あるいは真空中で脱脂する
ことにより、ペースト中の有機物を十分に除去して、T
iH2 が700℃で分解した後、TiC等を形成する
のを防止する。さらに、脱脂後、空気中に出すことなく
連続的に真空中へ移行させてペースト(特にTi)の酸
化を防止することにより、接合時に AlN+TiH2 →Al+TiN への反応及びTi、Agの銅板中への拡散、ろう材の銅
板への濡れ性を向上させることにより接合不良の発生を
防止することができる。
【0007】図1に有限要素法で計算したAlN基板に
発生する最大主応力のろう材の厚さ依存性を示した。ろ
う材が厚くなるとAlN基板に発生する最大主応力は急
激に増大する。したがって、ろう材が厚くなると耐熱衝
撃数が減少することが予想される。図2に耐熱衝撃数の
ろう材の厚さ依存性を示した。図2によれば、ろう材の
厚さと共に耐熱衝撃数は減少し、計算の妥当性を証明し
ている。これは、室温での銅板の降状応力が約5kg/
mm2 なのにTi−Ag−Cuろう材の降状応力は約
50kg/mm2 と非常に高いために厚くするとAl
N基板に発生する最大主応力は急激に増加するためであ
ると思われる。実際の使用においては熱衝撃回数は10
0回以上が要求されるので、ろう材の厚さは20μm以
下にしなくてはならない。Ti、Agの銅板中への拡散
は接合時の温度、時間、荷重が重要な要素であり、当然
、接合温度が低過ぎたり接合時間が短過ぎたり、荷重が
軽いと接合不良が発生する。反対に接合温度を高く、時
間を長く、荷重を重くすると、接合状態は向上するが、
Ti、Agの銅板中への拡散が活発になり、合金層が厚
くなって、熱衝撃性が劣化する。したがって、接合時に
おいては温度、荷重、時間を上記範囲のように制限して
、合金層の厚さを20μm以下に制御することにより、
熱衝撃性を向上させることが重要である。
【0008】本発明の上記の一連の工程により実際の使
用に耐える、接合状態が良好で、同時に耐熱衝撃性に優
れた銅板接合体を製造することができる。次に本発明の
限定条件について説明する。脱脂温度が300℃未満で
は、欠陥率が増加し、実際に使用することはできない。 一方、600℃を越えると、TiH2 が分解し、Ti
Cが形成されるので、脱脂温度は300〜600℃に限
定される。
【0009】接合温度は840℃未満では欠陥率が高く
なり、880℃を越えると、欠陥率は減少するが、ろう
材層の厚さが厚くなり、熱衝撃性が劣化する。したがっ
て、接合温度は840〜880℃とすることが必要であ
る。接合温度が840〜880℃でも、荷重が0.04
kg/cm2 未満であると欠陥率が高くなり、0.6
kg/cm2 を越えると、接合状態は良好だが、ろう
材層の厚さが増加し、耐熱衝撃性が低下する。
【0010】接合時間は30分未満では不十分であり、
60分を越えるとろう材層の厚さが厚くなり不可である
【0011】
【実施例】AlN基板に銅板を接合した。銅板接合Al
N基板の典型的な断面図を図3に示す。パターン側の銅
板1はパターンが形成されているので分割され、放熱側
の銅板5は一様全面に銅板が接合されている。
【0012】実験に使用した銅板とAlN基板の形状は
以下の通り。 銅板、パターン側:厚さ0.3mm、放熱側:35×3
5×0.25tmm AlN基板:36×54×0.635tmm脱脂雰囲気
:N2 ガス、接合時雰囲気:真空(10−6Torr
) 実験をした脱脂温度、接合温度、接合時間、荷重は表1
に示した。
【0013】実験結果を表2〜表13に示す。実施例中
にでてくる欠陥率は、銅板接合AlN基板の超音波探傷
試験を行い、画像処理をして算出した。ろう材層の厚さ
は、AlN基板を原点として、AlN基板から最も離れ
た銅板中のTi、Agまでの距離をEPMA試験から求
めた。耐熱衝撃数は、接合体に−65〜+150℃の熱
衝撃を繰返し与えて、目視によりAlN基板に亀裂の入
るまでの回数で定義した。
【0014】脱脂温度が200℃では、欠陥率が2%以
上あり実際に使用することはできない。反対に700℃
ではTiH2 の分解が始まり、ペースト中の炭素と反
応してTiCが形成されて、50%以上の接合不良が発
生し、使用に耐えない。接合温度が830℃では接合時
間、荷重によらず、欠陥率1.5〜2%であり、実際に
は使用できない。840℃以上では荷重0.05kg/
cm2 以上、接合時間が30分以上では欠陥率は0.
4%より小さく、接合状態については実際上問題ない。 しかし、接合温度が890℃以上になると、欠陥率は時
間、荷重によらず、0.4%以下になるが、ろう材層の
厚さが25μm以上になり、熱衝撃回数は100回以下
になり実際の使用に耐えない。
【0015】接合温度が840〜880℃でも、荷重が
0.04kg/cm2 以下であると欠陥率が0.4%
以上あり実際の使用に耐えない。また、0.6kg/c
m2 以上だと欠陥率は0.1%より小さく接合状態は
良好だが、ろう材層の厚さが25μm以上あり、耐熱衝
撃数が100回以下となって実際に使用できない。脱脂
温度300〜600℃、接合温度840〜880℃で荷
重0.05〜0.5kg/cm2 でも接合時間が20
分だと欠陥率が1%以上あり、実際には使用できない。 反対に70分以上だと、欠陥率は0.1%以下になるが
、ろう材層の厚さが20μm以上になり、耐熱衝撃性が
100回以下になり、実際には使用できない。
【0016】したがって、脱脂温度は300〜600℃
に接合温度は840〜880℃に、接合時間は30〜6
0分、荷重は0.05〜0.5kg/cm2 にする必
要がある。
【0017】
【表1】
【0018】
【表2】
【0019】
【表3】
【0020】
【表4】
【0021】
【表5】
【0022】
【表6】
【0023】
【表7】
【0024】
【表8】
【0025】
【表9】
【0026】
【表10】
【0027】
【表11】
【0028】
【表12】
【0029】
【表13】
【0030】
【発明の効果】本発明によれば、接合状態が良好でかつ
熱衝撃性に優れた銅板接合AlN基板を製造することが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】有限要素法により計算したAlN基板に発生す
る最大主応力のろう材の厚さ依存性の図である。
【図2】熱衝撃数のろう材の厚さ依存性の図である。
【図3】典型的な銅板接合AlN基板の断面図である。
【符号の説明】
1    電子部品搭載側銅板 2    電子部品搭載側ろう材 3    AlN基板 4    放熱側ろう材 5    放熱側銅板

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  AlN基板上にTiH2 含有Ag−
    Cu合金粉またはAg粉とCu粉との混合粉ペーストを
    スクリーン印刷し、その上に銅板を治具で固定した後、
    300〜600℃でN2 、H2 あるいは真空中で脱
    脂して前記ペースト中の有機物を除去し、引続き治具で
    固定した銅板とAlN基板を真空中へ移行し、温度84
    0〜880℃、時間30分〜60分、荷重0.05〜0
    .5kg/cm2 にて真空中で熱処理して銅板とAl
    N基板とを接合することを特徴とする銅板とAlN基板
    の接合方法。
JP140391A 1991-01-10 1991-01-10 銅板とAlN基板の接合方法 Pending JPH04349175A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2021075402A (ja) * 2019-11-05 2021-05-20 Dowaメタルテック株式会社 金属−セラミックス接合基板およびその製造方法
CN116693315A (zh) * 2023-06-12 2023-09-05 保定中创燕园半导体科技有限公司 一种AlN陶瓷覆铜基板的制备方法

Cited By (2)

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