JPH05246788A - 窒化アルミニウム基板及びその製造方法 - Google Patents

窒化アルミニウム基板及びその製造方法

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JPH05246788A
JPH05246788A JP8153892A JP8153892A JPH05246788A JP H05246788 A JPH05246788 A JP H05246788A JP 8153892 A JP8153892 A JP 8153892A JP 8153892 A JP8153892 A JP 8153892A JP H05246788 A JPH05246788 A JP H05246788A
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JP
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aluminum nitride
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copper plate
nitride substrate
copper
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JP8153892A
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English (en)
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Tsuneo Kawachi
恒夫 河内
Takashi Shoji
孝志 荘司
Takekazu Sakai
丈和 堺
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Resonac Holdings Corp
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Showa Denko KK
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 接合強度が強く耐熱衝撃性にすぐれた銅張窒
化アルミニウム基板を安価に得る。 【構成】 焼結後、何ら表面処理をしていない窒化アル
ミニウム板を使用し、表面に浸み出した焼結助剤を利用
して、活性金属法により銅板を接合する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、窒化アルミニウムと銅
を接合した電気回路用の基板とその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】セラミック板の表面に銅などの金属板を
接合した金属張りセラミック回路基板が、高出力用半導
体モジュールやパワーモジュール用基板として使用され
ている。セラミックは一般に耐熱性、耐摩耗性、絶縁性
に優れているので、自動車のエンジン周辺部品等の過酷
な環境下での使用に適している。さらに近年高度のエレ
クトロニクス化が進み、部品の小型化と共に部品の実装
密度が高くなって大電流を扱うことからモジュールから
の発熱量が大きくなり、耐熱性に優れた放熱性の良いセ
ラミック複合基板の需要はますます増大している。
【0003】そこで従来から使用されているアルミナに
代えて窒化アルミニウムが利用されるようになってきた
(特開昭53−102310等)。窒化アルミニウムは
熱伝導率が大きく、パワーモジュールのような大きな放
熱を必要とする半導体素子搭載用基板として好適であ
る。窒化アルミニウム板の片面に回路パターンとなる銅
板を接合し、もう一方の面には全面に銅板を接合し、さ
らに放熱器を接合して使用される。窒化アルミニウムと
銅との接合には活性金属法(特開昭59−13737
3)や酸素原子を介在させて接合する直接接合法(特開
昭52−37914)が使用されている。
【0004】ところで、窒化アルミニウム基板は平均粒
径20μm 以下の高純度窒化アルミニウム微粉末に希土
類酸化物やアルカリ土類金属を焼結助剤として加え、成
形助剤や分散剤を加えて湿式混練し、金型押出成型法や
ドクターブレード法により薄生板(グリーンシート)に
成形する。次いでグリーンシートを400〜700℃で
脱脂し、1700〜2000℃で焼成して窒化アルミニ
ウム焼結体の薄板を得ている(特開昭62−52181
等参照)。
【0005】このようなプロセスによって得られた窒化
アルミニウム焼結体はアズファイアー品(as fir
e)と呼ばれ、高温焼結によるうねりを有し、焼結体表
面の結晶粒界のところどころに焼結助剤である酸化物が
花模様状に析出していて、表面が滑らかでない(特開平
2−38369参照)。このため銅張複合基板を作る際
に、銅板との強固な接合を得るために表面をラップ研磨
等により滑らかにし、うねりも取り除いてから接合して
いるのが実状である。
【0006】窒化アルミニウムを用いて半導体モジュー
ルを作る一つの方法は、基板表面にモリブデンによりメ
タライズ層を形成し、その上にNi等のメッキ処理後は
んだ層を介して銅板を接合し、更に銅表面をNiメッキ
処理したのちはんだを介して半導体チップを搭載してい
る。この場合高い接合性を得るためには窒化アルミニウ
ム表面は適度の表面粗さを有しているのが好ましい。こ
のため窒化アルミニウム表面にホーニング等の機械加工
やアルカリエッチング等の化学処理がおこなわれる(特
開平3−234045)。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】窒化アルミニウムを用
いて銅張複合基板を作る場合、熱衝撃に耐える強固な接
合が要求される。ところがアズファイアーの窒化アルミ
ニウム板は表面粗さはRa=0.5〜2.0μm (JI
Sによる中心線平均粗さ)になっているものの、5〜4
0μm 程度のうねりを有しており、このうねりを除去し
ないと銅板との強固な接合は得られない。このため窒化
アルミニウムの銅張基板では、表面をラップ研磨して使
用している。ラップ研磨は長時間の作業を要するため生
産性が悪く、コストに占める加工費の割合も大きなもの
となっている。また、強固な接合を得るために高荷重下
で接合する必要があるが、基板に高荷重をかけると基板
の破損を生じたり、接合後の基板の耐熱衝撃性に悪影響
を及ぼすので好ましくない。
【0008】
【課題を解決するための手段】そこで本発明者は研磨加
工を省いても強固な接合力を得るための手段を鋭意研究
した結果、特定の活性金属接合剤を使用し、アズファイ
アー窒化アルミニウム表面に浸み出してきた酸化物焼結
助剤を積極的に利用することにより、強固な接合力、特
に耐熱衝撃サイクルを有する窒化アルミニウム銅張金属
が得られることを見出した。
【0009】本発明で使用する窒化アルミニウムは前述
の製法によって得られた、焼結した状態そのままで特別
な表面加工はしていないアズファイアー品である。アズ
ファイアー品は表面粗さはRa=0.5〜2.0μm で
あるが、5〜40μm のうねりを有し、表面の窒化アル
ミニウム粒界のところどころに酸化イットリウムを主体
とする焼結助剤が浸み出しており、図1に示すように花
模様を呈している。接合方法は活性金属法による。接合
剤はTi、Zr、Nbのうち少なくとも1種を0.5〜
4.0wt%、Cu35〜90wt%、残部がAgからなる
金属粉を含むペースト状のものを用いる。ペースト状の
接合剤を5〜50μm 、好ましくは15〜45μm の厚
さに塗布することにより、アズファイアー基板のうねり
の影響を排除することができる。接合剤の塗布は回路パ
ターンとなる部分のみで良い。表面にヒートシンクを付
ける場合は全面に塗布する。
【0010】銅板には電器材料用として通常使用されて
いる無酸素銅を使用する。回路パターン用としては、窒
化アルミニウム板とほぼ同じ大きさの銅板を重ね、80
0〜900℃で加熱して接合し、パターン部分にレジス
トを塗布した後不要部分をエッチングで除去して回路パ
ターンを得る。この際、不要部分には接合剤が塗布され
ていないので、エッチャントである塩化第二鉄溶液によ
り精度良く除去することができる。このようにして得ら
れた接合基板の銅板表面にNiP又はNiBをメッキ
し、その上に電子部品チップやリードワイヤー、ヒート
シンク等を接合してモジュール基板を得る。
【0011】アズファイアー基板の焼結助剤の浸み出し
が激しく、突起状を呈して最大表面粗さRmax が大きい
場合には、表面をホーニング加工して突起部分のみを除
去するとより強固な接合が得られる。この場合窒化アル
ミニウム表面は図2に示すように焼結助剤の痕跡をとど
める程度になっている。ラップ研磨の場合は焼結助剤を
掘り起こして完全に除去するのに対し、ホーニング加工
では突起部分のみを平滑になるように研磨している。こ
のように焼結助剤、特に酸化イットリウムが存在すると
接合剤と反応して強固な接合が得られる。
【0012】
【作用】本発明は窒化アルミニウム表面に存在する焼結
助剤と活性金属との反応を利用して、強固な接合力を得
るものである。窒化アルミニウムアズファイアー品に残
存するうねりは、活性金属接合剤の塗布厚さを調整する
ことにより影響を排除することとした。
【0013】
【実施例】次に実施例をあげて本発明を詳細に説明す
る。平均粒径1.5μm 、BET比表面積3.5cm2
/g、純度98.5%の窒化アルミニウム粉末に、焼結
助剤として酸化イットリウム(Y23 )5%、酸化ア
ルミニウム(Al23 )1.5%を配合し、これらの
混合粉100重量部に対して、成型助剤としてポリビニ
ルブチラール(バインダー)10重量部、ブチルフタリ
ルブチルグリコレート(可塑剤)2.5重量部、ポリエ
チレングリコール(分散剤)0.5重量部を加え、さら
に溶剤としてトリクロルエチレン10重量部、テトラク
ロルエチレン20重量部、n−ブチルアルコール20重
量部を加え湿式混練してスラリー化した。
【0014】このスラリーを減圧脱泡後ドクターブレー
ド法にて厚さ1.1mmのグリーンシートとし、約70
℃で3時間乾燥後金型を使用して打抜き、真空中で60
0℃×2時間脱脂処理をした。次いで打抜きシートを窒
素気流中で1870℃×6時間焼結し、大きさ25×2
5×0.7mmの窒化アルミニウム焼結体のアズファイ
アー板を得た。このようにして得られた窒化アルミニウ
ム板を3分し、一群はアズファイアーのまま、もう一群
は表面を液体ホーニング加工、他の一群は表面をラッピ
ング研磨加工して仕上げた。アズファイアー品は表面粗
さRa=0.8μm で、15〜20μm のうねりを有
し、表面のところどころに図1に示すような焼結助剤の
浸出模様を呈していた。SEMで観察した結果、これら
の浸出物は3Y23 ・5Al23 およびY23
Al23 であった。
【0015】液体ホーニング加工は研削液中に320番
のWA砥粒を混ぜ、吹付圧4kg/cm2 で噴射させ、
移動速度2m/min で加工した。加工後の表面粗さはR
a=0.2μm で15〜20μm のうねりを有し、表面
には図2に示すように焼結助剤の浸出模様の痕跡が残っ
ていた。ラッピング加工は800番のアルミナ砥粒を用
い、ラッピングマシンを使用して周速度0.1m/sec
で研磨し、厚さが0.635±0.05mmになるよう
に仕上げた。表面の焼結助剤の浸出模様は消失し、表面
粗さはRa=0.4μm、うねりは5μm 以下となって
いた。表面状態を図3に示す。
【0016】接合剤としては平均粒径10μm のチタン
粉末1.0重量部、平均粒径10μm の銀粉末49.5
重量部、平均粒径15μm の銅粉末49.5重量部を混
合した。金属粉末100重量部に対し、テレピネオール
10重量部、エチルセルロース10重量部を配合して混
練し、ペースト状にしたものを準備した。回路パターン
用銅板としては厚さ0.3mmの無酸素銅を使用した。
【0017】上記ペーストをスクリーン印刷法にて前記
3種類の窒化アルミニウム基板表面に5〜43μm の厚
さに図4に示す回路パターン通りに印刷した。印刷後1
0分間室温にてレベリングし、引き続き105℃で15
分間乾燥した。尚、印刷膜厚は乾燥後に表面粗さ計で測
定した。乾燥後、窒素気流中で600℃にて脱脂した。
脱脂処理を完了した窒化アルミニウム基板に銅板を重
ね、1.5kg/cm2 の荷重を加え、10-4Torr以下
の真空下で850℃×15分間加熱し接合した。接合
後、回路形成はレジスト印刷及び塩化第2鉄水溶液によ
るエッチングにておこなった。更に無電解NiPメッキ
を3〜5μm 形成して窒化アルミニウム−銅接合型複合
基板を得た。
【0018】このようにして作成した複合基板につき、
ピール強度測定と熱衝撃試験を実施した。ピール強度
は、銅板を基板に対して90度の方向に引き剥し、引き
剥した時の荷重を測定し、パターン幅1cmに換算し表
示した。また、熱衝撃試験は、チッ素雰囲気中でピーク
温度400℃×5分間、プロファイル30分間を1サイ
クルとし、各サイクル終了後に10倍の顕微鏡にてチッ
化アルミニウム表面のクラック発生の有無を観察した。
これらの結果を表1に示す。表1から明らかなように、
ラップ研磨という高価な処理をしなくても浸出した焼結
助剤を利用し印刷膜厚を制御することによりピール強
度、耐熱衝撃性共に優れた銅接合型モジュール基板が得
られた。
【0019】
【表1】
【0020】
【発明の効果】本発明によれば窒化アルミニウム焼結体
表面ラッピング工程が省略できるので、生産コストが大
幅に削減できる。また、接合強度の強い基板、特に熱衝
撃サイクルに強い基板が得られ、大きな電流を扱うパワ
ーモジュール基板として最適である。
【図面の簡単な説明】
【図1】窒化アルミニウムアズファイアー品の表面状態
を示すSEM像である(倍率500倍)。
【図2】表面を液体ホーニング加工した窒化アルミニウ
ムの表面状態を示すSEM像である(倍率500倍)。
【図3】表面をラップ研磨加工した窒化アルミニウムの
表面状態を示すSEM像である(倍率500倍)。
【図4】モジュールの回路パターンの形状及び寸法を示
す図で、(A)は回路パターン側、(B)はヒートシン
ク側である(単位mm)。
【符号の説明】
1 セラミック板 2 回路パターン 3 ヒートシンク
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H05K 3/06 A 6921−4E 3/38 E 7011−4E

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 アズファイアー窒化アルミニウム表面に
    銅板を接合したことを特徴とする窒化アルミニウム基
    板。
  2. 【請求項2】 ホーニング加工した窒化アルミニウム基
    板表面に銅板を接合したことを特徴とする窒化アルミニ
    ウム基板。
  3. 【請求項3】 焼結助剤として酸化イットリウムを含む
    窒化アルミニウム基板表面に、Ti、Nb、Zrのうち
    少なくとも1種を0.5〜4.0wt%、Cu35〜90
    wt%含み残部がAgからなる金属粉末を含むペースト状
    接合剤を、回路パターン部にのみ印刷塗布して乾燥脱脂
    したのち窒化アルミニウム基板とほぼ同じ大きさの銅板
    を重ね合わせ、800〜900℃で加熱接合し、次いで
    銅板表面の回路パターン部分にのみレジスト剤を塗布
    し、銅板の不要部分をエッチング除去することを特徴と
    する窒化アルミニウム基板の製造方法。
JP8153892A 1992-03-02 1992-03-02 窒化アルミニウム基板及びその製造方法 Pending JPH05246788A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004288829A (ja) * 2003-03-20 2004-10-14 Mitsubishi Materials Corp 回路基板の製造方法および製造装置
JP2012246169A (ja) * 2011-05-26 2012-12-13 Tokuyama Corp 窒化アルミニウム−金属接合基板の製造方法
JP2014101248A (ja) * 2012-11-20 2014-06-05 Dowa Metaltech Kk 金属−セラミックス接合基板およびその製造方法

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