JPH09246691A - 金属回路を有するセラミックス回路基板の製造方法 - Google Patents

金属回路を有するセラミックス回路基板の製造方法

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JPH09246691A JP4514596A JP4514596A JPH09246691A JP H09246691 A JPH09246691 A JP H09246691A JP 4514596 A JP4514596 A JP 4514596A JP 4514596 A JP4514596 A JP 4514596A JP H09246691 A JPH09246691 A JP H09246691A
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美幸 中村
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康人 伏井
Hiroto Horiuchi
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Abstract

(57)【要約】 【課題】ヒートショックやヒートサイクルに対する耐久
性を更に改善した金属回路を有するセラミックス回路基
板の製造方法を提供すること。 【解決手段】セラミックス基板と金属板との接合体、該
接合体の金属をエッチングして金属回路を形成させた接
合体、及び/又はセラミックス基板と金属回路パターン
との接合体を−20℃以下の雰囲気に接触させる、うね
り矯正工程を含むことを特徴とする金属回路を有するセ
ラミックス回路基板の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、金属回路を有するセラ
ミックス回路基板の製造方法に関するものである。
【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
放散させるため、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
するセラミックス基板が利用できるようになったため、
基板上に銅板等の金属板を接合し、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】このようなモジュールは、当初、簡単な工
作機械に使用されてきたが、ここ数年、溶接機、電車の
駆動部、電気自動車に使用されるようになり、より厳し
い環境条件たとえば電流密度を上げるための回路銅厚の
増加や熱衝撃等に対する耐久性の向上と、更なる小型化
が要求されるようになってきた。この要求に対応可能な
セラミックス基板は、現時点では窒化アルミニウム基板
のみである。
【0004】金属とセラミックスを接合する方法には種
々あるが、銅板と窒化アルミニウム基板との接合には、
両者間に活性金属を含むろう材を介在させ、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60-1
77634 号公報)や、表面が酸化処理された窒化アルミニ
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)等がある。
【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)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する耐久性が大である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、活性金
属ろう付け法は、ろう材の融点近傍にまで温度を上げて
接合するので接合体に応力が残留し、近年のヒートショ
ックやヒートサイクルに対する耐久性の要求を満たし得
ず、更なる改良が待たれていた。
【0007】本発明の目的は、上記に鑑み、ヒートショ
ックやヒートサイクルに対する耐久性を更に改善した金
属回路を有するセラミックス回路基板の製造方法を提供
することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は以下
を要旨とするものである。 (請求項1)セラミックス基板と金属板との接合体、該
接合体の金属をエッチングして金属回路を形成させた接
合体、及び/又はセラミックス基板と金属回路パターン
との接合体を−20℃以下の雰囲気に接触させる、うね
り矯正工程を含むことを特徴とする金属回路を有するセ
ラミックス回路基板の製造方法。 (請求項2)セラミックス基板が厚み0.3〜0.8m
mの窒化アルミニウム基板、窒化珪素基板又はアルミナ
基板であり、金属が厚み0.3mm以上の銅であること
を特徴とする請求項1記載の金属回路を有するセラミッ
クス回路基板の製造方法。 (請求項3)セラミックス基板が窒化アルミニウム基板
であり、それを大気中で酸化処理を行い表面にアルミナ
を含む酸化表面が形成させてなるものであることを特徴
とする請求項2記載の金属回路を有するセラミックス回
路基板の製造方法。 (請求項4)接合体が活性金属ろう付け法によって接合
されたものであることを特徴とする請求項2記載の金属
回路を有するセラミックス回路基板の製造方法。 (請求項5)接合体が活性金属ろう付け法によって接合
されたものであることを特徴とする請求項3記載の金属
回路を有するセラミックス回路基板の製造方法。 (請求項6)接合体を真空パックし、それを温度−20
〜−80℃のメタノール・ドライアイスと接触させるこ
とを特徴とする請求項1、2、3、4又は5記載の金属
回路を有するセラミックス回路基板の製造方法。
【0009】
【発明の実施の形態】以下、さらに詳しく本発明につい
て説明する。
【0010】本発明は、セラミックスと金属板、金属回
路との接合体においては、熱膨張差で生じる残留応力が
温度に対してヒステリシスを持つ原理を利用したもので
ある。すなわち、図1は、横軸に温度、縦軸に金属回路
面のセラミックス基板にかかる応力を示したものである
が、この図で示されるように、金属板とセラミックスの
接合が終了した時点における残留応力がaであったとす
ると、それを−20℃以下に冷凍すると銅板は塑性変形
してbの位置へ応力が移動し、次いでそれを室温に戻す
とcの位置へ移動し、残留応力aが残留応力cまでに減
少することになる。その結果、回路基板の強度とヒート
ショックやヒートサイクルに対する耐久性が向上するこ
とになる。
【0011】本発明は、セラミックス基板に金属板を接
合し、その接合体の金属をエッチングして金属回路を形
成させるか、又はあらかじめ金属板から金属回路パター
ンを加工しそれをセラミックス基板に接合して金属回路
を形成させ、金属回路を有するセラミックス回路基板を
製造するものであるが、本発明のうねり矯正工程は、金
属板とセラミックス基板とが接合された段階、該接合体
の金属をエッチングして金属回路を形成させた段階、及
び/又はセラミックス基板と金属回路パターンとが接合
された段階で行われる。望ましくは、最終製品に近い段
階で行うことである。
【0012】うねり矯正工程における処理温度は、−2
0℃以下好ましくは−40〜−80℃であることを要
し、−20℃よりも高温では残留応力の低減効果は小さ
い。処理温度が−80℃よりも低すぎると冷却時の熱応
力が大きすぎて接合体に損傷を与える恐れがある。
【0013】−20℃以下に処理する方法としては、フ
ッ素系等の冷媒や、液体窒素、液体水素等の液化ガスを
用いた冷凍装置、あるいはメタノール・ドライアイス浴
に投入する方法が採用される。
【0014】本発明で使用されるセラミックス基板とし
ては、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウム等があげ
られ、その厚みとしては、厚すぎると熱抵抗が大きくな
り、薄すぎると耐久性がなくなるので、0.3〜0.8
mm程度であることが好ましい。
【0015】セラミックス基板の表面性状は重要であ
り、微少な欠陥や窪み等は金属板との接触面積に大きな
影響を与えるため平滑であることが望ましく、それには
ホーニングや機械加工等の処理が施されているものが望
ましい。本発明においては、熱伝導率の高い窒化アルミ
ニウム基板が望ましく、特に、大気中、温度1100℃
程度で酸化処理を行い表面にアルミナを含む酸化表面を
形成させた窒化アルミニウム基板が望ましい。
【0016】金属回路の材質としては、銅、アルミニウ
ム、タングステン、モリブデン等が使用されるが、銅が
一般的である。金属回路の厚みとしては、近年、電流密
度が増加していく傾向から0.3mmよりも厚い方が好
ましい。本発明においては、セラミックス基板の表面に
金属回路が、またその裏面には金属放熱板が形成された
構造の回路基板であってもよい。その金属放熱板の材質
についても上記したものが使用され、またその厚みは
0.2mm以下であることが好ましい。
【0017】セラミックス基板の一方の面に金属回路、
他方の面に金属放熱板を形成する方法としては、セラミ
ック基板と金属板との接合体をエッチングする方法、金
属板から打ち抜かれた金属回路及び/又は金属放熱板の
パターンをセラミックス基板に接合する方法等によって
行うことができ、これらの際における金属板又は金属回
路パターンとセラミックス基板との接合方法としては、
活性金属ろう付け法やDBC法、Mo−Mn法、硫化銅
法、銅メタライズ法等が採用される。
【0018】活性金属ろう付け法におけるろう材の金属
成分は、銀及び/又は銅を主成分とし、溶融時のセラミ
ックス基板との濡れ性を確保するために活性金属を副成
分とする。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させ、それらの生成物がろ
う材とセラミックス基板との結合を強固なものにする。
活性金属の具体例をあげれば、チタン、ジルコニウム、
ハフニウム、ニオブ、タンタル、バナジウムやこれらの
化合物である。これらの比率の一例は、銀69〜95重
量部と銅5〜31重量部の合計量100重量部あたり活
性金属1〜7重量部である。接合温度は、820〜86
0℃が好ましい。
【0019】
【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。
【0020】実施例1 窒化アルミニウム粉末96重量部、イットリア粉末4重
量部、オレイン酸2重量部を振動ミルにて予備混合した
後、エチルセルロース8重量部、グリセリントリオレー
ト3重量部及び水12重量部を配合しミキサーで混合し
た。この混合物を成型速度1.0m/分、成型圧力55
〜70kg/cm2 で押出成型を行い、遠赤外線にて1
20℃、5分間乾燥した後、480℃で10時間空気中
にて脱脂し、次いで温度1950℃×30分の条件で焼
成を行った。得られた焼結体の表面をホーニング処理し
て窒化アルミニウム基板とした。
【0021】銀粉末90重量部、銅粉末10重量部、ジ
ルコニウム粉末3重量部、チタン粉末3重量部、テルピ
ネオール15重量部及び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5重量部加えてよく混練
し、ろう材ペーストを調整した。このろう材ペーストを
上記で製造された窒化アルミニウム基板(60mm×3
6mm×0.65mm)の回路面(表面)にスクリーン
印刷によってパターン率=0.20のL字型パターンに
塗布し、放熱面側(裏面)には全面塗布した。その際の
塗布量(乾燥後)は9mg/cm2とした。
【0022】次に、表面には60mm×36mm×0.
3mmの厚みをもつ銅板を、また裏面には60mm×3
6mm×0.15mmの厚みを持つ銅板を接触配置して
から、真空度1×10-5Torr以下の真空下、温度8
40℃で30分加熱した後、2℃/分の降温速度で冷却
して窒化アルミニウム基板と銅板の接合体を製造した。
【0023】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、
それを温度60℃、10%フッ化アンモニウム溶液に1
0分間浸漬して除去した。
【0024】次いでこれを真空パックし、−70℃のメ
タノール・ドライアイスに1時間浸漬してうねり矯正を
行った。
【0025】このようにして製造された金属回路を有す
るセラミックス基板について、放熱側(裏面)から押し
た場合の3点曲げ強度を、スパン30mm、クロスヘッ
ドスピード0.5mm/分の条件にて測定した。また、
気中、−40℃×30分保持後、25℃×10分間放
置、更に125℃×30分保持後、25℃×10分間放
置を1サイクルとした耐ヒートサイクル試験を行い、放
熱銅板又は銅回路が剥離開始したヒートサイクル回数を
測定した。その結果を表1に示す。
【0026】比較例1 うねり矯正を行わなかったこと以外は、実施例1と同様
にして金属回路を有するセラミックス基板を製造し、評
価した。
【0027】
【表1】
【0028】
【発明の効果】本発明によれば、ヒートサイクルに対す
る耐久性を一段と向上させた金属回路を有するセラミッ
クス回路基板を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】ヒステリシスの原理を説明するための図であ
る。
フロントページの続き (72)発明者 堀内 博人 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 (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 セラミックス基板と金属板との接合体、
    該接合体の金属をエッチングして金属回路を形成させた
    接合体、及び/又はセラミックス基板と金属回路パター
    ンとの接合体を−20℃以下の雰囲気に接触させる、う
    ねり矯正工程を含むことを特徴とする金属回路を有する
    セラミックス回路基板の製造方法。
  2. 【請求項2】 セラミックス基板が厚み0.3〜0.8
    mmの窒化アルミニウム基板、窒化珪素基板又はアルミ
    ナ基板であり、金属が厚み0.3mm以上の銅であるこ
    とを特徴とする請求項1記載の金属回路を有するセラミ
    ックス回路基板の製造方法。
  3. 【請求項3】 セラミックス基板が窒化アルミニウム基
    板であり、それを大気中で酸化処理を行い表面にアルミ
    ナを含む酸化表面が形成させてなるものであることを特
    徴とする請求項2記載の金属回路を有するセラミックス
    回路基板の製造方法。
  4. 【請求項4】 接合体が活性金属ろう付け法によって接
    合されたものであることを特徴とする請求項2記載の金
    属回路を有するセラミックス回路基板の製造方法。
  5. 【請求項5】 接合体が活性金属ろう付け法によって接
    合されたものであることを特徴とする請求項3記載の金
    属回路を有するセラミックス回路基板の製造方法。
  6. 【請求項6】 接合体を真空パックし、それを温度−2
    0〜−80℃のメタノール・ドライアイスと接触させる
    ことを特徴とする請求項1、2、3、4又は5記載の金
    属回路を有するセラミックス回路基板の製造方法。
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