JPH0697316A - 接合材及び回路基板 - Google Patents
接合材及び回路基板Info
- Publication number
- JPH0697316A JPH0697316A JP24234392A JP24234392A JPH0697316A JP H0697316 A JPH0697316 A JP H0697316A JP 24234392 A JP24234392 A JP 24234392A JP 24234392 A JP24234392 A JP 24234392A JP H0697316 A JPH0697316 A JP H0697316A
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- Japan
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- metal
- bonding material
- metal powder
- component
- bonding
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 セラミックス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、金属板とセラミックス基
板の接合強度、及び耐ヒートサイクル性に優れた回路基
板の提供。 【構成】 金属粉末と分散媒からなり、該金属粉末がロ
ウ成分と活性金属成分から構成されてなるセラミックス
と金属の接合材において、上記金属粉末として、酸素含
有量が０．５重量％以下であるものを用いることを特徴
とする接合材、及び銅回路と窒化アルミニウム基板とが
上記接合材で接合されてなることを特徴とする回路基
板。
の大幅な変更をすることなく、金属板とセラミックス基
板の接合強度、及び耐ヒートサイクル性に優れた回路基
板の提供。 【構成】 金属粉末と分散媒からなり、該金属粉末がロ
ウ成分と活性金属成分から構成されてなるセラミックス
と金属の接合材において、上記金属粉末として、酸素含
有量が０．５重量％以下であるものを用いることを特徴
とする接合材、及び銅回路と窒化アルミニウム基板とが
上記接合材で接合されてなることを特徴とする回路基
板。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、接合材及び回路基板、
詳しくはパワー半導体モジュール等に使用される回路基
板に関する。
詳しくはパワー半導体モジュール等に使用される回路基
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の
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
様々な方法がとられてきた。特に最近では、良好な熱伝
導率を有するセラミックス基板の利用ができるようにな
ったため、セラミックス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てい
る。
の高性能化に伴い、大電力・高能率インバーターなどの
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
様々な方法がとられてきた。特に最近では、良好な熱伝
導率を有するセラミックス基板の利用ができるようにな
ったため、セラミックス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。これらの中で、
大電力モジュール基板の製造においては、金属粉末と分
散媒からなり、その金属粉末がロウ成分と活性金属成分
で構成されてなる接合材を用いて銅板と窒化アルミニウ
ム基板とを加熱接合する活性金属ろう付け法（例えば特
開昭60ー177634 号公報）や、表面を酸化処理してなる窒
化アルミニウム基板と銅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（例えば特開昭
56ー163093 号公報）などが知られている。
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。これらの中で、
大電力モジュール基板の製造においては、金属粉末と分
散媒からなり、その金属粉末がロウ成分と活性金属成分
で構成されてなる接合材を用いて銅板と窒化アルミニウ
ム基板とを加熱接合する活性金属ろう付け法（例えば特
開昭60ー177634 号公報）や、表面を酸化処理してなる窒
化アルミニウム基板と銅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（例えば特開昭
56ー163093 号公報）などが知られている。
【０００４】活性金属ろう付け法は、ＤＢＣ法に比べて
次の利点がある。 （１）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）接合材の構成成分である金属粉末のロウ成分は、
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。
次の利点がある。 （１）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）接合材の構成成分である金属粉末のロウ成分は、
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。
【０００５】しかしながら、活性金属ろう付け法によっ
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は十分な耐久性があ
るとはいえず、新しい技術の出現が待たれていた。
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は十分な耐久性があ
るとはいえず、新しい技術の出現が待たれていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、以上の
要望に応えるべき種々検討した結果、接合材の構成成分
である金属粉末として酸素含有量の少ないものを用いる
と、セラミックスと金属の接合強度が向上し、しかも得
られた回路基板の熱衝撃や熱履歴に対する耐久性も著し
く向上することを見いだし、本発明を完成させたもので
ある。
要望に応えるべき種々検討した結果、接合材の構成成分
である金属粉末として酸素含有量の少ないものを用いる
と、セラミックスと金属の接合強度が向上し、しかも得
られた回路基板の熱衝撃や熱履歴に対する耐久性も著し
く向上することを見いだし、本発明を完成させたもので
ある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、金
属粉末と分散媒からなり、該金属粉末がロウ成分と活性
金属成分から構成されてなるセラミックスと金属の接合
材において、上記金属粉末として、酸素含有量が０．５
重量％以下であるものを用いることを特徴とする接合
材、及び銅回路と窒化アルミニウム基板とが上記接合材
で接合されてなることを特徴とする回路基板である。
属粉末と分散媒からなり、該金属粉末がロウ成分と活性
金属成分から構成されてなるセラミックスと金属の接合
材において、上記金属粉末として、酸素含有量が０．５
重量％以下であるものを用いることを特徴とする接合
材、及び銅回路と窒化アルミニウム基板とが上記接合材
で接合されてなることを特徴とする回路基板である。
【０００８】以下、さらに詳しく本発明について説明す
ると、本発明の最大の特徴は、接合材を構成する金属粉
末として、酸素含有量が０．５重量％以下のものを用い
たことである。
ると、本発明の最大の特徴は、接合材を構成する金属粉
末として、酸素含有量が０．５重量％以下のものを用い
たことである。
【０００９】本発明において、金属粉末は、ロウ成分と
活性金属成分から構成されている。ロウ成分としては、
銀、銅等があげられ、これらの１種又は２種以上が用い
られる。一方、活性金属成分としては、チタン、ジルコ
ニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、バナジウムな
どの金属及びこれらの金属の水素化物等があげられ、こ
れらの１種又は２種以上が用いられる。
活性金属成分から構成されている。ロウ成分としては、
銀、銅等があげられ、これらの１種又は２種以上が用い
られる。一方、活性金属成分としては、チタン、ジルコ
ニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、バナジウムな
どの金属及びこれらの金属の水素化物等があげられ、こ
れらの１種又は２種以上が用いられる。
【００１０】ロウ成分と活性金属成分の平均粒径は、い
ずれも１〜３０μｍ程度のものが通常使用され、両者の
割合は、ロウ成分１００重量部に対し、活性金属成分１
〜４０重量部である。
ずれも１〜３０μｍ程度のものが通常使用され、両者の
割合は、ロウ成分１００重量部に対し、活性金属成分１
〜４０重量部である。
【００１１】本発明においては、活性金属成分は、接合
の際に酸化物となりやすく、そ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。それによって、銅が清浄化され、ロウ成
分が銅板と良く濡れるようになるので、ロウ成分が銅板
中に拡散し接合層が形成される。このとき、ロウ成分に
含まれる不純物特に酸素の濃度が高いと、ロウ成分の濡
れ性を悪化させることになるので、本発明においては、
ロウ成分を含めて金属粉末の酸素濃度はできるだけ少な
いほうがよい。
の際に酸化物となりやすく、そ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。それによって、銅が清浄化され、ロウ成
分が銅板と良く濡れるようになるので、ロウ成分が銅板
中に拡散し接合層が形成される。このとき、ロウ成分に
含まれる不純物特に酸素の濃度が高いと、ロウ成分の濡
れ性を悪化させることになるので、本発明においては、
ロウ成分を含めて金属粉末の酸素濃度はできるだけ少な
いほうがよい。
【００１２】本発明においては、金属粉末の酸素含有量
は、０．５重量％以下好ましくは０．３重量％以下であ
ることが必要である。酸素含有量が０．５重量％をこえ
る金属粉末を用いた接合材であっては、セラミックスと
金属の接合強度を十分に高めることができない。
は、０．５重量％以下好ましくは０．３重量％以下であ
ることが必要である。酸素含有量が０．５重量％をこえ
る金属粉末を用いた接合材であっては、セラミックスと
金属の接合強度を十分に高めることができない。
【００１３】普通に入手できる金属粉末の酸素含有量は
１．０重量％程度であるので、本発明に係るような酸素
含有の金属粉末は、メーカーに特別注文するか、又は普
通に入手した上記金属粉末を脱酸素することによって、
調達することができる。金属粉末の脱酸素は、窒素及び
／又は水素気流中、温度４００〜６００℃で熱処理する
ことによって行うことができる。
１．０重量％程度であるので、本発明に係るような酸素
含有の金属粉末は、メーカーに特別注文するか、又は普
通に入手した上記金属粉末を脱酸素することによって、
調達することができる。金属粉末の脱酸素は、窒素及び
／又は水素気流中、温度４００〜６００℃で熱処理する
ことによって行うことができる。
【００１４】本発明の接合材を構成する分散媒として
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、トルエン等が用いられる。これの使
用量は、金属粉末１００重量部に対し１０〜２０重量部
が好ましい。接合材の粘度は、１０００〜３０００ｃｐ
ｓが好ましいので、それには、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の結合剤を
必要により添加する。
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、トルエン等が用いられる。これの使
用量は、金属粉末１００重量部に対し１０〜２０重量部
が好ましい。接合材の粘度は、１０００〜３０００ｃｐ
ｓが好ましいので、それには、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の結合剤を
必要により添加する。
【００１５】本発明においては、接合材中の酸素含有量
は、少ないほうが好適であるので、用いる分散媒、結合
剤の酸素含有量も少ないにこしたことはない。しかし、
これらは、接合材の溶融温度までに蒸発又は分解揮散し
てしまうので、金属粉末ほどの管理は必要とせず、例え
ば１重量％程度の酸素含有量であっても問題はない。
は、少ないほうが好適であるので、用いる分散媒、結合
剤の酸素含有量も少ないにこしたことはない。しかし、
これらは、接合材の溶融温度までに蒸発又は分解揮散し
てしまうので、金属粉末ほどの管理は必要とせず、例え
ば１重量％程度の酸素含有量であっても問題はない。
【００１６】接合材の調整には、ロール、ニーダー、バ
ンバリミキサー、万能混合機、らいかい機等が用いられ
る。
ンバリミキサー、万能混合機、らいかい機等が用いられ
る。
【００１７】金属回路を形成するのに使用される金属板
の材質については、特に制限はなく、通常は、銅、ニッ
ケル、銅合金、ニッケル合金が用いられ、その厚みは、
０．３ｍｍ以下程度である。０．３ｍｍをこえると、セ
ラミックス基板と金属回路の熱膨張率の差により、接合
・冷却時に発生する金属回路の引張応力が大きくなって
耐ヒートサイクル性が低下する。
の材質については、特に制限はなく、通常は、銅、ニッ
ケル、銅合金、ニッケル合金が用いられ、その厚みは、
０．３ｍｍ以下程度である。０．３ｍｍをこえると、セ
ラミックス基板と金属回路の熱膨張率の差により、接合
・冷却時に発生する金属回路の引張応力が大きくなって
耐ヒートサイクル性が低下する。
【００１８】セラミックスの材質についても、特に制限
はなく、窒化アルミニウム（AlN ）、窒化ケイ素（Si3N
4 ）、酸化アルミニウム（Al2O3 ）、ムライト等が使用
される。
はなく、窒化アルミニウム（AlN ）、窒化ケイ素（Si3N
4 ）、酸化アルミニウム（Al2O3 ）、ムライト等が使用
される。
【００１９】大電力モジュール基板としては、銅回路と
窒化アルミニウム基板の組合せが最適である。
窒化アルミニウム基板の組合せが最適である。
【００２０】金属とセラミックスとの接合条件について
は、従来の活性金属ろう付け法で採用されている条件が
そのまま使用できる。
は、従来の活性金属ろう付け法で採用されている条件が
そのまま使用できる。
【００２１】
【実施例】以下、実施例と比較例をあげて更に具体的に
説明する。
説明する。
【００２２】実施例１〜４ 比較例１〜４ 表１に示す酸素含有量の異なる銀、銅（いずれも平均粒
径約１μｍ）及びジルコニウム（平均粒径５〜１０μ
ｍ）の各金属粉末を入手した。
径約１μｍ）及びジルコニウム（平均粒径５〜１０μ
ｍ）の各金属粉末を入手した。
【００２３】重量割合で、銀粉末７５部、銅粉末２５
部、ジルコニウム粉末３３部、テルピネオール１５部、
ポリイソブチルメタクリレートのトルエン溶液を固形分
で１部をロールで混合し、接合材を調合した。
部、ジルコニウム粉末３３部、テルピネオール１５部、
ポリイソブチルメタクリレートのトルエン溶液を固形分
で１部をロールで混合し、接合材を調合した。
【００２４】窒化アルミニウム基板（６０×３０×０．
６５ｍｍ）の両面に、上記接合材をロールコーターを用
いて塗布（塗布量は乾燥後で７〜９ｍｇ／ｃｍ2 ）した
後、銅板（６０×３０×０．２５ｍｍ）を接触配置し、
炉に投入した。これを真空中（真空度1.0 ×10-6tor
r）、温度９００℃で３０分間加熱した後、２℃／ｍｉ
ｎの降温速度で冷却して接合体を製造した。
６５ｍｍ）の両面に、上記接合材をロールコーターを用
いて塗布（塗布量は乾燥後で７〜９ｍｇ／ｃｍ2 ）した
後、銅板（６０×３０×０．２５ｍｍ）を接触配置し、
炉に投入した。これを真空中（真空度1.0 ×10-6tor
r）、温度９００℃で３０分間加熱した後、２℃／ｍｉ
ｎの降温速度で冷却して接合体を製造した。
【００２５】次に、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回路パターンにスクリーン
印刷した後、塩化第２銅溶液を用いてエッチング処理を
行って銅板の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。
イプのエッチングレジストを回路パターンにスクリーン
印刷した後、塩化第２銅溶液を用いてエッチング処理を
行って銅板の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。
【００２６】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した不要な接合材成分、及び活性金
属成分と基板との反応生成物があるので、それを除去す
るため、６０℃、１０％フッ化アンモニウム溶液に１０
分間浸漬した。
路パターン間に残留した不要な接合材成分、及び活性金
属成分と基板との反応生成物があるので、それを除去す
るため、６０℃、１０％フッ化アンモニウム溶液に１０
分間浸漬した。
【００２７】得られた接合体について、ピール強度とヒ
ートサイクル試験を行った。ヒートサイクル試験は、気
中にて、−４０℃×３０分、２５℃×１０分、１２５℃
×３０分、25℃×10分を１サイクルとして行った。それ
らの結果を表１に示す。
ートサイクル試験を行った。ヒートサイクル試験は、気
中にて、−４０℃×３０分、２５℃×１０分、１２５℃
×３０分、25℃×10分を１サイクルとして行った。それ
らの結果を表１に示す。
【００２８】
【表１】
【００２９】
【発明の効果】本発明によれば、セラミックス基板や接
合法あるいは回路構造の大幅な変更をすることなく、金
属板とセラミックス基板の接合強度、及び耐ヒートサイ
クル性に優れた回路基板を得ることができる。
合法あるいは回路構造の大幅な変更をすることなく、金
属板とセラミックス基板の接合強度、及び耐ヒートサイ
クル性に優れた回路基板を得ることができる。
───────────────────────────────────────────────────── 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 3/38 Ｅ 7011−4Ｅ 9355−4Ｍ Ｈ０１Ｌ 23/14 Ｍ (72)発明者 中村 美幸 福岡県大牟田市新開町１ 電気化学工業株 式会社大牟田工場内
Claims (2)
- 【請求項１】 金属粉末と分散媒からなり、該金属粉末
がロウ成分と活性金属成分から構成されてなるセラミッ
クスと金属の接合材において、上記金属粉末として、酸
素含有量が０．５重量％以下であるものを用いることを
特徴とする接合材。 - 【請求項２】 銅回路と窒化アルミニウム基板とが請求
項１記載の接合材で接合されてなることを特徴とする回
路基板。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24234392A JPH0697316A (ja) | 1992-09-10 | 1992-09-10 | 接合材及び回路基板 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24234392A JPH0697316A (ja) | 1992-09-10 | 1992-09-10 | 接合材及び回路基板 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0697316A true JPH0697316A (ja) | 1994-04-08 |
Family
ID=17087790
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP24234392A Pending JPH0697316A (ja) | 1992-09-10 | 1992-09-10 | 接合材及び回路基板 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0697316A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001216839A (ja) * | 2000-01-31 | 2001-08-10 | Kyocera Corp | 導電性ペースト及び多層基板の製法 |
| JP2016523426A (ja) * | 2013-05-03 | 2016-08-08 | ヘレウス ドイチェラント ゲーエムベーハー ウント カンパニー カーゲー | 部分的に酸化した金属粒子を含む改良焼結ペースト |
-
1992
- 1992-09-10 JP JP24234392A patent/JPH0697316A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001216839A (ja) * | 2000-01-31 | 2001-08-10 | Kyocera Corp | 導電性ペースト及び多層基板の製法 |
| JP2016523426A (ja) * | 2013-05-03 | 2016-08-08 | ヘレウス ドイチェラント ゲーエムベーハー ウント カンパニー カーゲー | 部分的に酸化した金属粒子を含む改良焼結ペースト |
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