JPH05259636A - パワーモジュール用セラミックス回路基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高品質、高性能で安価なパワーモジュール用
セラミックス回路基板を提供する。 【構成】 パターン化した銅板と、厚さ３０〜１５０μ
ｍのアルミナ基板とを積層して酸化雰囲気中で加熱して
接合した後急冷する。次いで、銅板表面の酸化膜を除去
する。 【効果】 超薄型アルミナ基板を用いるため、アルミナ
基板による熱伝導性の問題が改善され、系外への熱放散
性の高いセラミックス回路基板が提供される。超薄型ア
ルミナ基板を銅板と酸化加熱接合した後、急冷するた
め、接合強度が高められ、強度のバラツキのない、従っ
て、剥離の問題のないセラミックス回路基板が提供され
る。

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ＩＣ、パワート
ランジスター等搭載のモジュールやスイッチ電源用モジ
ュール用回路基板等のパワーモジュール用セラミックス
回路基板の製造方法に係り、特に、セラミックス基板と
銅板とを直接接合して得られる、高品質かつ高性能で安
価に提供されるパワーモジュール用セラミックス回路基
板の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、パワーＩＣ、パワートランジスタ
ー等搭載のモジュールやスイッチ電源用モジュールで
は、使用電力が増々増大し、大電力を使用することか
ら、発生する熱量が多く、そのため高温化に対処した高
熱放散性と高信頼性を具備したパワーモジュール用回路
基板が要望されてきた。

【０００３】従来、この種のパワーモジュール用回路基
板は、一般に厚さが０．６〜１ｍｍ程度、表面粗さＲａ
が０．５〜０．６μｍ程度のアルミナ基板と、厚さが
０．１〜０．５ｍｍの回路用銅板とを接触させながら、
微量酸素を含む窒素雰囲気中で１０００〜１２００℃の
温度で加熱して直接接合することにより製造された、所
謂、ＤＢＣ回路基板が製品化されている。

【０００４】このＤＢＣ回路基板は、アルミナ基板と銅
板との間の接合層が比較的薄く、しかも、銅ないし銅酸
化物から形成されるので、比較的熱放散性に優れるとい
う利点があり、大電力用のモジュール用回路基板として
適用されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ＤＢＣ回路基板には、次のような欠点があった。 アルミナ基板と銅板との接合力にバラツキがあり、
これが弱い場合には剥離が生ずることがあった。この原
因は、焼成窒素雰囲気中の酸素量の微量コントロールが
難しいことと、アルミナ基板表面の粗さが大きいので接
合層の接触面積が小さいことによると思われる。

【０００６】 使用するアルミナ基板の厚みが厚いた
め、熱伝導性が低く、系外への熱放散性が十分でないた
め、熱的問題が発生する。

【０００７】これに対して、熱伝導率の大きいベリリア
基板や窒化アルミニウム基板をアルミナ基板の代わりに
用いることも考えられるが、これらは価格が高い上に、
上記と同様の問題がある。このように、従来の回路基
板では、いずれも品質、性能、価格等の面で問題があっ
た。

【０００８】本発明は上記従来の問題点を解決し、ハイ
パワー、大電力用パワーハイブリッド用回路基板として
好適な、高品質、高性能かつ安価なパワーモジュール用
回路基板の製造方法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１のパワーモジュ
ール用セラミックス回路基板の製造方法は、パターン化
した銅板と、厚さ３０〜１５０μｍのアルミナ基板とを
積層して、酸化雰囲気中で加熱することにより接合した
後急冷し、次いで、銅板表面の酸化膜を除去することを
特徴とする。

【００１０】請求項２のパワーモジュール用セラミック
ス回路基板の製造方法は、請求項１の方法において、ア
ルミナ基板の銅板との積層面の表面粗さＲａが０．２μ
ｍ以下であることを特徴とする。

【００１１】請求項３のパワーモジュール用セラミック
ス回路基板の製造方法は、請求項１又は２の方法におい
て、加熱接合温度が１０００〜１２００℃の範囲である
ことを特徴とする。

【００１２】請求項４のパワーモジュール用セラミック
ス回路基板の製造方法は、請求項１〜３の方法におい
て、急冷速度が１００〜５００℃／ｓｅｃの範囲である
ことを特徴とする。

【００１３】以下に本発明を詳細に説明する。本発明に
おいて使用される銅板は、回路用として用いるものであ
るため、プレスでパターン状に打ち抜くことにより、或
いは、エッチング等によりパターン状とすることにより
パターン化されたものである。このような銅板の厚み
は、通常０．３〜０．５ｍｍ程度であることが好ましい
が、この範囲外の厚みのものであっても良い。

【００１４】一方、アルミナ基板は厚さ３０〜１５０μ
ｍで、その少なくとも銅板との積層面の表面粗さ（以
下、単に「表面粗さ」と称す。）Ｒａが好ましくは０．
２μｍ以下のものである。アルミナ基板の厚さが３０μ
ｍ未満であると基板としての機械的特性を満足し得ず、
１５０μｍを超えると本発明による熱放散性の改善効果
が十分に得られない。

【００１５】また、アルミナ基板の表面粗さＲａが０．
２μｍを超えると、アルミナ基板と銅板との接合層の接
触面積が十分に得られず、剥離の問題を確実に解決し得
ない。

【００１６】このような極薄フィルム状のアルミナ基板
は、従来のアルミナ粉末法では製造が困難であり、好ま
しくは、水酸化アルミニウムのコロイド物質を出発原料
とする製造法、例えば、アルコキシド加水分解法により
製造するのが有利である。

【００１７】アルコキシド加水分解法による場合、アル
ミニウムアルコキシドを合成した後、これに水を加えて
加水分解し、ベーマイトを生成させる。更に、これに酸
を添加して解膠させ、超微粒子のコロイドを作製する。
次いで、これに有機バインダーを加えて粘度調整し、成
形乾燥した後、得られたグリーンシートを焼成すること
によって、３０〜１５０μｍという極薄で、しかも、表
面粗さＲａ０．２μｍ以下の緻密なアルミナ基板を得る
ことができる。

【００１８】もちろん、本発明に係るアルミナ基板の製
造方法は、上記アルコキシド加水分解法に何ら限定され
るものでなく、無機塩加水分解法、その他の従来の一般
的な製造方法である粉末法により得たアルミナ基板を必
要に応じて研磨することにより製造することもできる。

【００１９】銅板とアルミナ基板との接合は、銅板とア
ルミナ基板とを積層した状態で加熱することにより、積
層面に銅酸化層を形成させて直接接合することにより行
なう。

【００２０】この加熱接合は、酸化雰囲気中、１０００
〜１２００℃程度、特に１０２０〜１１５０℃で、５〜
３０分程度、特に１０〜２０分程度行なうのが好まし
い。なお、加熱時の酸化雰囲気としては、空気、酸素、
或いは、酸素と不活性ガスとの混合ガスが挙げられる
が、空気雰囲気とするのが経済的に有利である。

【００２１】この加熱接合後は、当該加熱温度から好ま
しくは１００〜５００℃／ｓｅｃ程度の冷却速度で急冷
する。この急冷速度は大きいほど、大きな接合強度が得
られるが、冷却速度が５００℃／ｓｅｃを超えるとアル
ミナ基板に割れが発生するおそれがあることから、５０
０℃／ｓｅｃ以下とするのが好ましい。

【００２２】この急冷処理は、処理対象基板の大きさ等
によっても異なるが、一般には、接合基板を加熱炉から
直ちに空気中に取り出す、或いは、更にその後エアブロ
アー等で空気を吹き付ければ良い。

【００２３】この急冷処理により、銅板とアルミナ基板
との接合強度を高め、そのバラツキをなくすことがで
き、また、銅の酸化を過度に助長することを防止するこ
とができる。

【００２４】しかしながら、急冷を行なっても、高温で
の酸化加熱処理を行なうため、銅表面の酸化を抑制する
ことはできない。このため、本発明においては、急冷
後、銅板表面に形成された酸化膜を除去する。この酸化
膜の除去は、塩酸、硫酸、硝酸等の１種又は２種以上を
含む酸溶液を用いて、容易に行なうことができる。

【００２５】

【作用】本発明においては、厚さ３０〜１５０μｍとい
う超薄型アルミナ基板を用いるため、アルミナ基板によ
る熱伝導性の問題が改善され、系外への熱放散性の高い
セラミックス回路基板が提供される。

【００２６】しかも、このような超薄型アルミナ基板を
銅板と酸化加熱接合した後、急冷するため、接合強度が
高められ、強度のバラツキのない、従って、剥離の問題
のないセラミックス回路基板が提供される。

【００２７】特に、請求項２の方法によれば、アルミナ
基板の表面が平滑であるため、銅板との接触面積を大き
く確保することができ、より一層接合強度が高められ
る。

【００２８】また、請求項３、４の方法によれば、高品
質、高性能のパワーモジュール用セラミックス回路基板
を確実に製造することが可能とされる。

【００２９】

【実施例】以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に
説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以下の
実施例に限定されるものではない。

【００３０】実施例１ 超微粒子のベーマイトゾルを出発原料とし、アルコキシ
ド加水分解法によりアルミナ基板を作製した。具体的に
は、アルミニウムインゴットとアルコールとを反応さ
せ、アルミニウムアルコキシドを合成し、加水分解した
後、更に酸を添加して解膠し、ベーマイトゾルを生成さ
せた。これに有機バインダーを加え、スラリー化した
後、ドクターブレードを通してキャスティングしながら
成形、乾燥してグリーンシートとした。その後、所定の
形状に切断して電気炉で焼成し、表面粗さＲａが０．２
μｍで、厚さ１００μｍの緻密なアルミナ基板を得た。
なお、このようにして得られるアルミナ基板は、微粒子
から構成されているため、厚みが薄くてもピンホールを
生成することがなく、表面粗さが小さく、平滑性が非常
に良いものであった。また、厚さも所望の厚さに容易に
制御することができた。

【００３１】このアルミナ基板と、回路用として所望の
パターンに打ち抜いた０．５ｍｍ厚さの無酸素銅板とを
積層配置して加熱炉内に入れ、酸素１０％含有アルゴン
雰囲気中、１１００℃で１０分間加熱し、その後、加熱
炉から銅板・アルミナ基板接合体を空気中へ出し急冷し
た。この時の冷却速度は５００℃／ｓｅｃ程度であっ
た。その後、この接合体を５０％塩酸水溶液に浸漬して
銅板表面の酸化膜を除去した。

【００３２】このようにして得た銅回路付きアルミナ基
板は、大電力用のパワーモジュール用セラミックス回路
基板として好適に使用することができた。

【００３３】実施例２ 実施例１と同様のゾルゲル法により、表面粗さＲａ０．
１μｍ程度で、厚さ５０μｍのアルミナ基板を作製し
た。このアルミナ基板と、プレスによる打ち抜きで得た
厚さ０．３ｍｍのパターン化した銅板とを積層してセッ
ターに挟み、加重接触させながら、バッチタイプの加熱
炉に入れ、大気雰囲気にて１２００℃で５分間加熱し、
その後、すぐに炉を開け、炉内から上記銅板・アルミナ
基板接合体を取り出し急冷した。このときの冷却速度は
３００℃／ｓｅｃ程度であった。その後、この接合体を
２０％硝酸水溶液に浸漬して銅板表面の酸化膜を除去し
た。

【００３４】このようにして得た銅回路付きアルミナ基
板は、大電力用のパワーモジュール用セラミックス回路
基板として好適に使用することができた。

【００３５】実施例３ 実施例１と同様のゾルゲル法により、表面粗さＲａ０．
０５μｍ程度で、厚さ３０μｍのアルミナ基板を作製し
た。このアルミナ基板と、プレスによる打ち抜きで得た
厚さ０．３ｍｍのパターン化した銅板とを積層してセッ
ターに挟み、加重接触させながら、バッチタイプの加熱
炉に入れ、大気雰囲気にて１０２０℃で３０分間加熱
し、その後、すぐに炉を開け、炉内から上記銅板・アル
ミナ基板接合体を取り出し急冷した。このときの冷却速
度は１００℃／ｓｅｃ程度であった。その後、この接合
体を４０％塩酸水溶液に浸漬して銅板表面の酸化膜を除
去した。

【００３６】このようにして得た銅回路付きアルミナ基
板は、大電力用のパワーモジュール用セラミックス回路
基板として好適に使用することができた。

【００３７】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明のパワーモジ
ュール用セラミックス回路基板の製造方法によれば、回
路用銅板とアルミナ基板との接合強度が強く、また、熱
放散性の良い、高信頼性、高性能、高品質、低コストの
パワーモジュール用セラミックス回路基板が提供され
る。

【００３８】請求項２のパワーモジュール用セラミック
ス回路基板の製造方法によれば、接合強度はより一層改
善される。

【００３９】請求項３、４のパワーモジュール用セラミ
ックス回路基板の製造方法によれば、高特性、高性能の
パワーモジュール用セラミックス回路基板をより一層確
実に製造することが可能とされる。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 パターン化した銅板と、厚さ３０〜１５
   ０μｍのアルミナ基板とを積層して、酸化雰囲気中で加
   熱することにより接合した後急冷し、次いで、銅板表面
   の酸化膜を除去することを特徴とするパワーモジュール
   用セラミックス回路基板の製造方法。
2. 【請求項２】 アルミナ基板の銅板との積層面の表面粗
   さＲａが０．２μｍ以下であることを特徴とする請求項
   １に記載のパワーモジュール用セラミックス回路基板の
   製造方法。
3. 【請求項３】 加熱接合温度が１０００〜１２００℃の
   範囲であることを特徴とする請求項１又は２に記載のパ
   ワーモジュール用セラミックス回路基板の製造方法。
4. 【請求項４】 急冷速度が１００〜５００℃／ｓｅｃの
   範囲であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれ
   か１項に記載のパワーモジュール用セラミックス回路基
   板の製造方法。