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Info
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Abstract
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
ミックス回路基板の製造方法に関するものである。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
て説明する。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
的に説明する。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
る。
Claims (6)
- 【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0.3〜0.8
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。 - 【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−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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP04514596A JP3419620B2 (ja) | 1996-03-01 | 1996-03-01 | 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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JP2012156211A (ja) * | 2011-01-24 | 2012-08-16 | Mitsubishi Materials Corp | パワーモジュール用基板の製造方法 |
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JP2013207237A (ja) * | 2012-03-29 | 2013-10-07 | Mitsubishi Materials Corp | ヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法 |
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- 1996-03-01 JP JP04514596A patent/JP3419620B2/ja not_active Expired - Fee Related
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