JPH06310851A - 銅回路を有する窒化アルミニウム基板 - Google Patents

銅回路を有する窒化アルミニウム基板

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JPH06310851A
JPH06310851A JP9962593A JP9962593A JPH06310851A JP H06310851 A JPH06310851 A JP H06310851A JP 9962593 A JP9962593 A JP 9962593A JP 9962593 A JP9962593 A JP 9962593A JP H06310851 A JPH06310851 A JP H06310851A
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JP
Japan
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aluminum nitride
nitride substrate
circuit
copper
zirconium
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Pending
Application number
JP9962593A
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English (en)
Inventor
Yoshihiko Tsujimura
好彦 辻村
Yoshiyuki Nakamura
美幸 中村
Katsunori Terano
克典 寺野
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Denka Co Ltd
Original Assignee
Denki Kagaku Kogyo KK
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 窒化アルミニウム基板や接合法あるいは回路
構造の大幅な変更をすることなく熱衝撃や熱履歴に対す
る耐久性、すなわち耐ヒートサイクル性を向上させた銅
回路を有する窒化アルミニウム基板の提供。 【構成】 銅板と窒化アルミニウム基板とをろう材ペー
ストにより加熱接合した後銅回路を形成させてなるセラ
ミックス基板において、上記ろう材ペーストは、金属成
分として、銀(Ag)粉、銅(Cu)粉、ジルコニウム(Z
r)粉及び/又はジルコニウム水素化物粉、及びモリブ
デン (Mo) 又はタングステン(W)のファイバーを含んで
なるものであることを特徴とする銅回路を有する窒化ア
ルミニウム基板。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電子部品のパワーモジ
ュール等に使用される銅回路を有する窒化アルミニウム
基板に関する。
【0002】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等大電力
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様々な
方法が取られてきた。特に最近、良好な熱伝導を有する
セラミック基板が利用できるようになったため、基板上
に銅板などの金属板を接合し、回路を形成後、そのまま
あるいはメッキ等の処理を施してから半導体素子を実装
する構造も採用されつつある。
【0003】金属とセラミックスを接合する方法には種
々あるが、回路基板の製造という点からは、Mo-Mn 法、
活性金属ろう付け法、硫化銅法、DBC法、銅メタライ
ズ法などがあげられる。
【0004】特に大電力モジュール基板では、従来のア
ルミナに変わって高熱伝導性の窒化アルミニウム基板が
注目されており、銅板の接合方法としては、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(以
下、単に「ろう材」という)を介在させ、加熱処理して
接合体とする活性金属ろう付け法(例えば特開昭60-177
634 号公報)や、表面を酸化処理した窒化アルミニウム
基板と銅板を銅の融点以下でCu-Oの共晶温度以上で加熱
接合するDBC法(例えば特開昭56-163093 号公報)な
どがある。
【0005】活性金属ろう付け法は、DBC法に比べて
以下の利点がある。 (1)上記接合体を得るための処理温度が低いので、窒
化アルミニウム基板と銅板の熱膨張差によって生じる残
留応力が小さい。 (2)ろう材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
属ろう付け法を用いても、ヒートショックやヒートサイ
クルなどの熱衝撃、熱履歴によって生じる損傷に対して
充分な耐久性があるとはいえず新しい技術の提案が待た
れていた。そこで、Mo、W等をろう材に含有させたり
(特開平4-50186 号公報、特開平2-36553 号公報)、金
属箔や合金箔を用いる(特開平4-6174号公報)ことが提
案されているが、いずれも量産性に難点があった。
【0007】本発明者らは、以上のような問題点を解決
するために鋭意検討を重ねた結果、銅板と窒化アルミニ
ウム基板との間に介在する接合層を形成するためのろう
材ペーストの金属成分として、従来のろう材にさらにモ
リブデン (Mo) 又はタングステン(W)のファイバーを含
ませればよいことを見いだし、本発明を完成させたもの
である。
【0008】
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、銅
板と窒化アルミニウム基板とをろう材ペーストにより加
熱接合した後銅回路を形成させてなるセラミックス基板
において、上記ろう材ペーストは、金属成分として、銀
(Ag)粉、銅(Cu)粉、ジルコニウム(Zr)粉及び/又
はジルコニウム水素化物粉、及びモリブデン (Mo) 又は
タングステン(W)のファイバーを含んでなるものである
ことを特徴とする銅回路を有する窒化アルミニウム基板
である。
【0009】以下、さらに詳しく本発明について説明す
ると、一般に活性金属ろう付け法においては、ろう材の
ろう成分として、銀成分と銅成分を主成分としたものが
用いられる。さらに、溶融時にろう材とセラミックスの
濡れ性を確保するため、活性金属成分が加えられる。こ
の活性金属成分は、セラミックス基板と反応して酸化物
や窒化物を生成し、この反応層が銅板とセラミックス基
板の結合を強固なものにする。
【0010】本発明においてもこのような活性金属成分
を含ませるものであり、その具体例をあげれば、ジルコ
ニウム及び/又はジルコニウム水素化物である。これら
の活性金属の酸化物は、銅の酸化物よりも安定であるこ
とが多いため、活性金属成分が銅板表面を還元すること
によってそれを清浄化し、ろう材と銅板が良く濡れるよ
うになる。それによって、ろう材と銅板は相互に拡散
し、接合層が形成される。
【0011】このようなろう材を用いた場合の接合層で
は、靭性が足りず、銅と窒化アルミニウムの熱膨張差か
ら生じる熱応力を緩和するという働きがほとんどなく、
銅板の熱応力をそのまま窒化アルミニウムの基板に伝え
てしまうことになり、損傷することが多かった。
【0012】そこで、本発明者らは、ろう材ペーストに
モリブデン (Mo) 又はタングステン(W)のファイバーを
添加したところ、驚くべきことに、接合層自体の靭性が
向上し銅板の熱応力が緩和できることを見いだしたもの
である。
【0013】本発明で使用されるろう材ペーストは、銀
成分と銅成分を主成分とし特定量のジルコニウム及び/
又はジルコニウム水素化物の活性金属成分からなる金属
成分に、有機溶剤及び必要に応じて有機結合剤を加え、
混合機例えばロール、ニーダ、バンバリミキサー、万能
混合機、らいかい機等を用いて混合することによって調
整される。この場合において、銀、銅並びにジルコニウ
ム及び/又はジルコニウム水素化物の金属成分は粉末の
状態で混合される。その際の有機溶剤としては、メチル
セルソルブ、エチルセルソルブ、テルピネオール、イソ
ホロン、トルエン等、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、ポリメチルメタクリ
レート等が使用される。
【0014】ろう材ペーストを構成する金属成分の比率
としては、銀69〜75重量部と銅25〜31重量部の合計量10
0 重量部あたり、ジルコニウム及び/又はジルコニウム
水素化物 3〜35重量部及びモリブデン又はタングステン
のファイバー 1〜10重量部である。特に好ましくは、銀
69〜75重量部と銅25〜31重量部の合計量100 重量部あた
り、ジルコニウム20〜30重量部及びモリブデンファイバ
ー 2〜5 重量部である。モリブデン (Mo) 又はタングス
テン(W)ファイバーの直径は30μm以下特に20μm
以下が好ましく、またその長さは40〜100μmが好
ましい。
【0015】モリブデン又はタングステンファイバーが
1重量部よりも少ないと靭性向上の効果が不十分であ
り、また、10重量部よりも多いとろう材の溶融を阻害
し、窒化アルミニウム基板との反応性が弱まり、十分な
接合強度を得ることができなくなって、耐ヒートサイク
ル性が悪くなる。
【0016】
【実施例】以下、本発明を実施例と比較例をあげて具体
的に説明する。 実施例1〜6、比較例1〜2 ろう材の金属成分の割合を表1に示すように配合し、さ
らにテルピネオール15重量部と有機結合剤としてポリイ
ソブチルメタアクリレートのトルエン溶液を固形分で1.
5 重量部を加えてよく混合し、ろう材ペーストを調整し
た。このろう材ペーストを60mm×30mm×0.65mmの窒化ア
ルミニウム基板の両面にスクリーン印刷によって全面に
塗布した。その際の塗布量(乾燥後)は 6〜8mg/cm2
した。
【0017】次に、ろう材ペーストの塗布された窒化ア
ルミニウム基板の両面に、60mm×30mm×0.25mmの銅板を
接触配置してから炉に投入し、高真空中、温度900 ℃で
30分加熱した後、2 ℃/ 分の降温速度で冷却して接合体
を製造した。
【0018】次いで、この接合体の銅板上にUV硬化タ
イプのエッチングレジストをスクリーン印刷で回路パタ
ーンに塗布後、塩化第2銅溶液を用いてエッチング処理
を行って銅板不要部分を溶解除去し、さらにエッチング
レジストを5%苛性ソーダ溶液で剥離した。このエッチ
ング処理後の接合体には、銅回路パターン間に残留不要
ろう材や活性金属成分と窒化アルミニウム基板との反応
物があるので、それを除去するため、温度60℃、10%フ
ッ化アンモニウム溶液に10分間浸漬した。
【0019】これら一連の処理を経て製作された銅回路
を有する窒化アルミニウム基板についてヒートサイクル
(熱衝撃)試験を行った。ヒートサイクル試験は、気
中、-40 ℃×30分保持後、25℃×10分間放置、さらに 1
25℃×30分保持後、25℃×10分間放置を1サイクルとし
て行い、銅板が剥離開始したヒートサイクル回数を測定
した。これらの結果を表 1に示す。
【0020】
【表1】
【0021】
【発明の効果】本発明によれば、窒化アルミニウム基板
や接合法あるいは回路構造の大幅な変更をすることな
く、銅板と窒化アルミニウム基板の熱衝撃や熱履歴に対
する耐久性すなわち耐ヒートサイクル性を向上させるこ
とができる。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 銅板と窒化アルミニウム基板とをろう材
    ペーストにより加熱接合した後銅回路を形成させてなる
    セラミックス基板において、上記ろう材ペーストは、金
    属成分として、銀(Ag)粉、銅(Cu)粉、ジルコニウム
    (Zr)粉及び/又はジルコニウム水素化物粉、及びモリ
    ブデン (Mo) 又はタングステン(W)のファイバーを含ん
    でなるものであることを特徴とする銅回路を有する窒化
    アルミニウム基板。
JP9962593A 1993-04-26 1993-04-26 銅回路を有する窒化アルミニウム基板 Pending JPH06310851A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150208496A1 (en) * 2012-02-01 2015-07-23 Mitsubishi Materials Corporation Power module substrate, power module substrate with heat sink, power module, method of manufacturing power module substrate, and copper member-bonding paste

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150208496A1 (en) * 2012-02-01 2015-07-23 Mitsubishi Materials Corporation Power module substrate, power module substrate with heat sink, power module, method of manufacturing power module substrate, and copper member-bonding paste
US9504144B2 (en) * 2012-02-01 2016-11-22 Mitsubishi Materials Corporation Power module substrate, power module substrate with heat sink, power module, method of manufacturing power module substrate, and copper member-bonding paste
US10375825B2 (en) 2012-02-01 2019-08-06 Mitsubishi Materials Corporation Power module substrate, power module substrate with heat sink, power module, method of manufacturing power module substrate, and copper member-bonding paste

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