JPH0692748A - パワーエレクトロニクス用の非酸化物セラミック基板に銅を接合する方法 - Google Patents

パワーエレクトロニクス用の非酸化物セラミック基板に銅を接合する方法

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JPH0692748A
JPH0692748A JP5159299A JP15929993A JPH0692748A JP H0692748 A JPH0692748 A JP H0692748A JP 5159299 A JP5159299 A JP 5159299A JP 15929993 A JP15929993 A JP 15929993A JP H0692748 A JPH0692748 A JP H0692748A
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ローラン・クリオ
Alain Petitbon
アラン・プテイボン
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Abstract

(57)【要約】 【構成】 銅と非酸化物のセラミック製であり熱伝導性
を持つが、電気的絶縁体である、パワーエレクトロニク
スのための基板とを結合する方法で、前記基板の表面を
酸化し、次にＤＢＣ技術（Direct Bond Copper）を使用
することから成る方法であって、前記基板の表面の酸化
処理が 0.1μm 〜３μm の厚さでレーザービームによっ
て表面を照射して実施されることを特徴とする。 【効果】 非酸化物セラミック基板の表面を正確かつ迅
速に酸化できる。そのため、ＤＢＣ技術により、この基
板に銅を接合するのが容易になる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は銅と、パワーエレクトロ
ニクスのための非酸化物のセラミック製基板との結合の
ための方法であり、一般にＤＢＣ（Direct Bond Coppe
r）と呼ばれる技術を使用する方法である。予期される
適用を考えて、非酸化物セラミックは熱伝導性を持ち、
電気的に絶縁体である。例えばＢＮ、ＳｉＣ、ＡｌＮ等
から選択される。
【０００２】
【従来の技術】ＤＢＣ技術（ダイレクトボンディング）
は、エレクトロニクス産業において、銅をアルミナＡｌ
2 Ｏ3 に結合するために使用された。（参考J. F. Burg
ess etal.“Hybrid Packages by the direct Bond Copp
er Process ”Solid State Science and Technology, M
ay 1975, pp 40 ） この技術は、一般に熱伝達を低下させる中間層の使用
（例えばはんだ付け）をせずに、銅を酸化物に接合させ
うるために、非常に有利である。
【０００３】前記の技法は、２つの文献、J. F. Dickso
n,“Direct Bond Copper Technology ：materials, met
hode, applications”，Int. J. Hybrid Microelectron
ic,5(2), 103-109(1982) 、およびJ. E. Holowczak, V.
A. Greenhut, O. J. Shanefield,“Effect of alumina
composition on Interfacial Chemistry and strength
of Direct Bonded Copper-Alumina ”，Ceram. Eng. S
ci. Proc. 10[9-10],pp 1283-1294(1989) において示さ
れたように、銅−酸素の共晶体を1065℃で形成すること
に基づく。
【０００４】銅はセラミックの上に接触するように配置
され、その全体が不活性雰囲気の中で、1065℃（共晶温
度）と1083℃（銅の融解温度）との間の温度まで加熱さ
れる。共晶体の形成に必要な酸素は、前記雰囲気中に直
接導入されるか又は銅を前もって酸化することによって
もたらされる。前記処理温度で液体が形成されてセラミ
ック及び銅を濡らし、冷却後に２つの物質（antagonist
es）間の結合を形成する。アルミン酸銅もまた形成さ
れ、銅の接着性を強化する。
【０００５】この技術は現在まで主にアルミナに適用さ
れているが、銅を酸化物材料であるところのシリカ、酸
化ベリリウム（ＢｅＯ）、サファイアまたはいくつかの
スピネル型化合物と結合させることもできることは既知
である。
【０００６】例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のよう
な、パワーエレクトロニクスのための高い熱伝導性を持
つニューセラミックは、前もって表面を酸化せずには、
この技術によって銅と結合させることはできない。実
際、（ＡｌＮのような）非酸化物は、銅または共晶体Ｃ
ｕ−Ｏによって濡れず、また銅のアルミン酸塩を形成す
ることはできない。
【０００７】窒化アルミニウムの表面を酸化してアルミ
ナにすることは、銅と窒化アルミニウムの接着特性を調
整する重要なパラメーターであり、例えばヨーロッパ特
許ＥＰ−Ａ−170012及び以下の２つの文献：P. Kluge-W
eiss, J. Gobrecht, “Direct Bonded Copper Metalli
zation of AlN substrates for Power Hybrids”Mat.Re
s. Soc. Symp. Proc. 40 (1985)、およびW. L. Chiang,
V. A. Greenhut, D.J. Shanefield, L. Sahati, R. L.
Moore, “Effect of Substrate and Pretreatment on
copper to AlN direct Bonds”. Ceram. Eng. Sci. Pro
c. 12 [9-10]pp 2105-2114 (1991)に示されている。
【０００８】特に形成されるアルミナ層が厚過ぎると、
ＡｌＮとＡｌ2 Ｏ3 間に応力が生じ、従って後のＣｕ−
ＡｌＮ結合の質が低下する。酸化物層の厚さはできるだ
け薄くなければならないが、 0.1μm 未満の厚さでは、
完全に共晶体Ｃｕ−Ｏ中に溶解するために、十分な厚さ
を保持しなければならない。
【０００９】現在まで窒化物は反応炉内の空気または酸
素の存在下において、1100℃以上の温度で１時間以上酸
化されてきた。この方法は長時間にわたっており、窒化
アルミニウムの表面の決められた箇所を選択的に酸化す
ることができない。他方では、この方法を、酸化されう
る基板に支持された、窒化アルミニウムの薄いまたは厚
い層に適用することはできない。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、非酸化物セ
ラミック製の基板の表面をより正確かつ迅速に酸化し、
続いてＤＢＣ技術によって銅製の要素に容易に結合させ
うるようにすることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明は、銅と、Ａｌ
Ｎ，ＳｉＣ，ＢＮから選択される非酸化物のセラミック
製であり、熱伝導性を持つが電気的に絶縁体である、パ
ワーエレクトロニクスのための基板との結合を実施する
ための方法で、前記基板の表面を酸化し、次にＤＢＣ技
術（Direct Bond Copper）を使用することから成る方法
を目的とし、前記基板の表面の酸化が、 0.1〜３μm の
厚さに渡って、レーザービームによって前記表面を照射
することで実施されることを特徴とする。
【００１２】この方法によって、ＤＢＣ結合させる部分
のみが、酸化処理され、しかも調整されうる厚みで処理
される。
【００１３】前記のレーザーは連続レーザーまたはパル
スレーザーであり、エキシマレーザー、ＹＡＧレーザー
および好ましくはＣＯ2 レーザーから選択されうる。
【００１４】前記レーザービームが、直径 0.5〜10mm、
出力50Ｗ〜３KWである連続赤外線ビームであり、処理時
間は１ms〜３ｓであると有利である。
【００１５】こうして処理部分は非常に正確に限定さ
れ、処理は速やかである。
【００１６】空気の存在下において操作することもでき
るが、好ましくは、処理表面に、レーザービームと同軸
に酸素のガス流が送られる。
【００１７】より好ましくは、前記レーザービームが例
えば万華鏡（kaleidoscope）で均質化される。
【００１８】先に定義されたビームの直径は光集束装置
によって調整されうる。
【００１９】特に、本発明による処理によって得られ
た、酸化層の亀裂による損傷の危険を避けるため、いく
つかの場合においては、前記の基板の表面の酸化処理の
前に、約 200〜600 ℃まで予熱することが有利となりう
る。
【００２０】例えば、単に抵抗を介して実施されるこの
予熱は、有害な熱衝撃を低下させうる。
【００２１】前章までの部分全てにおいて、非酸化物の
セラミック製基板は、何らかの支持体の上に配置される
薄い層かまたは厚い層の形をとりうる。この支持体は本
発明による酸化処理に影響されることはない。
【００２２】
【実施例】本発明の別の特徴及び利点は、非限定的実施
例を示す以下の詳細な記載より十分理解されよう。
【００２３】1.5mmの厚さの窒化アルミニウムの基板を
用意する。基板の下に配置された抵抗によって予熱す
る。到達温度は 400℃である。
【００２４】処理基板の表面と垂直に、３ｍ3 ／時の流
量の酸素流が送られる。
【００２５】使用するビームは、出力1700ＷのＣＯ2 の
連続レーザーに由来する。そして基板上の処理されるべ
き箇所が一辺約５mmの正方形になるように万華鏡（kale
idoscope）によって集光される。
【００２６】１秒間の処理時間によって、約 0.5μm の
厚さで、均質な表面の酸化が得られる。
【００２７】当然ながら本発明はこの実施例に限定され
るものではなく、特に、他の非酸化物セラミックにも応
用される。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アラン・プテイボン フランス国、78730・サン・タルヌル・ア ン・イブリーヌ、リユ・デ・ムニユエ、23

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＢＮから選択される非
    酸化物セラミック製であり熱伝導性を持つが電気的に絶
    縁体であるパワーエレクトロニクス用の基板と銅とを接
    合するための方法であって、 前記基板の表面を酸化し、次にＤＢＣ技術（Direct Bon
    d Copper）を使用することから成り、 前記基板の表面酸化処理を、 0.1μm 〜３μm の厚さだ
    けレーザービームによって前記表面を照射することで実
    施することを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】 前記レーザーが、連続またはパルスのエ
    キシマ、ＹＡＧ、ＣＯ2 レーザーから選択されることを
    特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記レーザービームが、直径 0.5〜10m
    m、出力50ワット〜３キロワットの連続赤外線ビームで
    あり、処理時間は１ミリ秒〜３秒であることを特徴とす
    る請求項１に記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記処理表面に、前記レーザービームと
    同軸に、酸素ガス流を送ることを特徴とする、請求項２
    または３に記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記レーザービームが均質化されている
    ことを特徴とする、請求項２から４のいずれか１つに記
    載の方法。
  6. 【請求項６】 前記基板の表面酸化処理の前に、前記基
    板を約 200〜600 ℃の温度まで予熱することを特徴とす
    る、請求項１から５のいずれか１つに記載の方法。
JP5159299A 1992-06-29 1993-06-29 パワーエレクトロニクス用の非酸化物セラミック基板に銅を接合する方法 Pending JPH0692748A (ja)

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