JPH05163077A - セラミックス回路基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ピール強度を高めた生産性の大なるセラミッ
クス回路基板の提供。 【構成】 金属板と窒化アルミニウム基板とが、ZrN 、
ZrO₂及び 3ZrO₂・2Y₂O₃ からなるZr化合物とTiO₂及びTi
N からなるTi化合物とを含有してなる接合層を介して接
合されてなることを特徴とするセラミックス回路基板。

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
ル等に使用されるセラミックス回路基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ロボットや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。とくに最近、良好な熱伝
導率を有するセラミックス基板の出現により、基板上に
金属板を接合して回路を形成後、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ている。

【０００３】従来より、金属とセラミックスを接合する
方法には種々の方法があるが、とくに回路基板の製造と
いう点からはMo-Mn 法、活性金属ろう付法、硫化銅法、
DBC法、銅メタライズ法があげられる。これらの中で大
電力モジュール基板の製造では、現在、金属として銅を
用い、セラミックスとの接合方法として活性金属ろう付
法又はDBC 法を用いることが主流となっており、さらに
高熱伝導性を有する窒化アルミニウムを絶縁基板として
使用することが普及しつつある。

【０００４】従来、銅板と窒化アルミニウム基板とを接
合する方法としては、銅板と窒化アルミニウム基板との
間に活性金属を含むろう材を介在させ、加熱処理し接合
体を形成する活性金属ろう付法（たとえば特開昭60-177
634 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の共晶温度以上
で加熱接合するDBC 法（たとえば特開昭56-163093 号公
報) などが知られている。

【０００５】活性金属ろう付法はDBC 法に比べて次の利
点を有する。 (1) 接合処理温度が低いので、AlN-Cuの熱膨張差によっ
て生じる残留応力が小さい。 (2) 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大である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、活性金
属ろう付法によって得られたセラミックス回路基板を、
一段と過酷な状態で使用するためには、接合層がより安
定であり、ピール強度等にもより優れていることが望ま
しい。

【０００７】本発明の目的は、上記要求に応えたもので
あり、ピール強度が一段と高いセラミックス回路基板を
生産性よく製造することにある。

【０００8 】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、金
属板と窒化アルミニウム基板とが、ZrN 、ZrO₂及び 3Zr
O₂・2Y₂O₃ からなるZr化合物とTiO₂及びTiN からなるTi
化合物とを含有してなる接合層を介して接合されてなる
ことを特徴とするセラミックス回路基板である。

【０００８】以下、さらに詳しく本発明について説明す
る。

【０００９】本発明の最大の特徴は、接合層に、ZrN 、
ZrO₂、 3ZrO₂・2Y₂O₃ 、TiO₂及びTiN の化合物を含ませ
たことにある。従来より、金属とセラミックスを接合さ
せる際のろう材としては、Ag、Cuからなるいわゆる銀ろ
うを主成分とし、そこにTi、Zr、Ni等の活性金属を含ま
せたものが使用されている。とくに銅板と窒化アルミニ
ウム基板とを接合させる場合には、Ag、CuにTi又はZrを
添加することが主として実施されてきた。

【００１０】Ag、CuにTiを添加したろう材の場合、AlN
中の窒素やその焼結助剤であるY₂O₃の酸素などとの反応
速度が速いために、窒化アルミニウム基板側ではよく反
応しピール強度も高くなるが、反面、銅板側との反応が
進み難くなり接合面積が大きくなった場合に、接合面端
部において接合状態が悪くなるという欠点があった。

【００１１】一方、Ag、CuにZrを添加したろう材の場
合、Tiを添加した場合に比べて銅板側の反応はスムーズ
に進行するが、窒化アルミニウム基板との反応がそれほ
ど深いところまで進まないので、ピール強度と耐ヒート
サイクル性等が低下した。

【００１２】そこで、Ti系ろう材とZr系ろう材のそれぞ
れの欠点を補うために、本発明のようにAgとCuとTiとZr
の適切量を配合してなるろう材を用いることによって、
Tiが窒化アルミニウム基板と、Zrが銅板とそれぞれ反応
し、接合面積の広いものでも端部まで十分に接合するよ
うになったものである。

【００１３】その際の条件としては、ろう材組成は、Ag
- Cu合金100 重量部に対してZr２〜10重量部、Ti 2〜10
重量部が好ましく、また、窒化アルミニウム基板に含ま
れるY 又はY 化合物の量はY₂O₃換算で 2〜10重量％とす
るのが望ましい。接合温度は880 〜940 ℃で、真空度は
1 ×10^-5Torr以下であることが好ましい。

【００１４】以上の条件で製造された本発明のセラミッ
クス回路基板の接合層には、ZrN 、ZrO₂、 3ZrO₂・2Y₂O
₃ 、TiO₂及びTiN の化合物が含まれ、従来よりも高いピ
ール強度を備えたものとなる。とくにＸ線回折のピーク
比で、AlN (100) に対して 3ZrO₂・2Y₂O₃ が30% 以上で
TiN が20% 以上の割合で構成されてなる接合層の場合に
は、より大きなピール強度をもったものとなる。なお、
接合層に含まれる上記５種の化合物の接合層中における
存在位置については、本発明では何の制約も受けない。

【００１５】本発明で使用されるろう材ペーストは、上
記金属成分と有機溶剤とで構成されおり、取扱性の点か
らさらに有機結合剤を含ませることもできる。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、トルエンなど、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(PMMA)、ポリイソブチルメ
タアクリレート(PIBMA) などが使用される。ろう材ペー
ストを調整するには、有機溶剤又は有機溶剤と有機結合
剤と共に混合機たとえばロール、ニーダ、バンバリミキ
サー、万能混合機、らいかい機などを用いて混合する。

【００１６】窒化アルミニウム基板としては、Y 又はY₂
O₃等のY 化合物などの焼結助剤を窒化アルミニウム粉末
に添加し、ホットプレス焼結又は成形後常圧焼結したも
のなどが使用される。

【００１７】本発明で使用される金属板の材質について
はとくに制限はなく、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
制限はなく、通常、金属箔といわれている肉厚の薄いも
のでも使用可能であり、0.1〜1.0mm 好ましくは0.2 〜
0.5mm のものが用いられる。金属板の形状については以
下の３種類のものが使用される。

【００１８】少なくとも金属回路パターンを含み、そ
れよりも広い面積を有する金属板（以下、この金属板を
ベタ金属板という）。ベタ金属板を使用する場合、ろう
材ペーストは、少なくとも金属回路パターンを含み、そ
れよりも広い面積にわたって窒化アルミニウム基板上に
配置する。従って、ろう材ペーストは窒化アルミニウム
基板全面に配置することもできるし、また金属回路パタ
ーンと同形に配置することもできる。

【００１９】金属回路部分と金属回路部分よりも薄い
肉厚を有する金属回路以外の部分とからなる金属板（以
下、この金属板をハーフエッチ金属板という）。金属回
路以外の部分（薄肉部）を形成するには化学エッチング
法による溶解が望ましく、またろう材は金属回路パター
ンと同形に配置することが望ましい。

【００２０】金属回路部分と金属回路以外の部分とか
らなっており、機械的な力を加えることによって両者を
容易に切り離すことができる状態になっている金属板
（以下、この金属板をプッシュバック金属板という）。
プッシュバック金属板は例えば次のようにして製造する
ことができる。 （ｉ）金属回路部分を金属板からいったん抜き落としそ
の後もとの状態にはめ戻す。 （ｉｉ）金属回路部分が抜け落ちる直前まで溝を設け
る。 （ｉｉｉ）上記（ｉｉ）において、溝の大部分を貫通さ
せ金属回路部分と金属回路以外の 部分の大部分を切
り離しておく。 上記（ｉ）〜（ｉｉｉ）の方法において、金属回路部分
と金属回路以外の部分の厚みは同じであってもよく、ま
た異なっていてもよい。そして、金属回路部分の形成法
としては、金属回路パターンを備えたプレス金型、セー
パー、フライス等を用いてもよいし化学エッチングによ
ってもよい。

【００２１】プッシュバック金属板を使用するに際して
は、ろう材は金属回路パターンと同形に配置することが
望ましく、窒化アルミニウム基板にプッシュバック金属
板を接合させた後、金属回路以外の金属部分を引き離す
ことによって金属回路パターンを容易に形成させること
ができる。金属回路パターン外に生じた不要ろう材は、
ハロゲン化アンモニウム水溶液等の薬液で処理して除去
する。

【００２２】窒化アルミニウム基板に金属板を接合後、
金属板にエッチングレジストを塗布しエッチングにより
金属回路パターンを形成する。プッシュバック金属板を
用いたときにはこの操作は必要でない。

【００２３】本発明に用いられるエッチングレジストと
しては、紫外線硬化型や熱硬化型などがあげられる。ま
た、エッチング液としては、金属板が銅板又は銅合金板
であれば、塩化第２鉄溶液、塩化第２銅溶液、硫酸、過
酸化水素等の溶液が使用される。好ましくは、塩化第２
鉄溶液、塩化第２銅溶液である。一方、金属板がニッケ
ル又はニッケル合金の場合は、通常、塩化第２鉄溶液が
用いられる。

【００２４】窒化アルミニウム基板にろう材ペーストを
配置するには、スクリーン印刷法やロールコーターによ
る塗布法が採用されるが、ペーストを基板全面に塗布す
る場合は、生産性の点から後者が望ましい。

【００２５】ろう材ペーストが塗布された窒化アルミニ
ウム基板は、そのペーストを覆うに十分な広さの金属板
を配置後熱処理される。熱処理条件については上記し
た。熱処理後冷却することによって金属板と窒化アルミ
ニウム基板との接合体を得ることができる。窒化アルミ
ニウム基板と金属板との熱膨張係数の差が大きいので、
残留応力に起因するクラックや欠損を極力少なくするた
め、冷却速度を５℃／分以下とくに２℃／分以下とする
のが望ましい。

【００２６】次に、エッチングレジストを用いて目的と
した金属回路パターンを形成する。ハーフエッチ金属板
を用いた場合は、エッチングレジストの塗布はロールコ
ーターで実施するのが望ましい。なぜならば、ロールコ
ーターでハーフエッチ金属板の全面にエッチングレジス
トを塗布した場合であっても、金属回路以外の薄肉部に
は塗布されないので、その薄肉部の除去が容易となり、
生産性が高まるからである。プッシュバック金属板を用
いた場合、エッチングレジストの塗布は、特別の場合を
除き行う必要がない。

【００２７】次いで、エッチングによって金属の不要部
分を除去した後、エッチングレジスト膜を剥離し金属回
路パターンを備えた窒化アルミニウム基板とする。プッ
シュバック金属板の金属回路以外の部分を機械的に引き
離すことによって金属回路パターンを備えた窒化アルミ
ニウム基板となる。

【００２８】この段階においては、金属回路パターン間
にはもともと配置したろう材成分やその合金層・窒化物
層あるいは金属回路パターン外にはみ出した不要ろう材
がまだ残っている状態にあるので、通常はそれをハロゲ
ン化アンモニウム水溶液等の薬液により除去して本発明
のセラミックス回路基板とする。

【００２９】

【実施例】以下、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。

【００３０】実施例１〜７ 比較例１〜５ 表１に示す重量割合で、銀粉末、銅粉末、金属ジルコニ
ウム粉末及び金属チタニウム粉末を混合し、さらにテレ
ピネオール15部を加えてろう材ペーストを調整した。こ
れを60mm×30mm×0.65mmt の窒化アルミニウム基板（Y₂
O₃含有量 4〜5 重量％ )の両面にロールコーターを用い
て基板全面に塗布した。塗布量は 7〜10mg／cm² とし
た。

【００３１】上記ろう材ペースト塗布基板を乾燥した
後、両面に60mm×30mm×0.25mmt の銅板を接触配置して
から炉に投入し、真空度 1×10^-5Torrの真空中、920 ℃
で 0.3時間加熱した後、２℃／分の速度で冷却して接合
体を製造した。

【００３２】次に、これらの接合体の銅板上に、スクリ
ーン印刷によりレジストインクを幅３mmの回路パターン
に塗布後、塩化第２鉄溶液でエッチング処理を行って不
要銅板部分を除去し次いでエッチングレジストを剥離し
た。

【００３３】得られたセラミックス回路基板について、
銅回路パターンのピール強度を市販の測定器具を用いて
測定した。また、銅回路パターンを剥離して接合層の成
分をＸ線回折にて分析した。それらの結果を表１に示
す。なお、表１に示した以外のZr化合物及びTi化合物は
検出されなかった。

【００３４】

【表１】

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、ピール強度を高めた生
産性の大なるセラミックス回路基板を得ることができ
る。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属板と窒化アルミニウム基板とが、Zr
   N 、ZrO₂及び 3ZrO₂・2Y₂O₃ からなるZr化合物とTiO₂及
   びTiN からなるTi化合物とを含有してなる接合層を介し
   て接合されてなることを特徴とするセラミックス回路基
   板。