(57)【要約】【課題】取り扱い性を阻害することなくＡｇ‐Ｃｕ共晶層の厚みを薄く形成でき、セラミックス基板に生じる割れを抑制することができるとともに、銅金属板とセラミックス基板とを確実に接合することができるろう付用シート、ろう付用シート構成体及びパワーモジュール用基板の製造方法を提供する。【解決手段】銅又は銅合金からなる銅金属板２とセラミックス基板３との接合に用いるろう付用シート１であって、Ａｇ、活性金属及び樹脂を含有してなるろう材層１１を有し、単位面積当たりのＡｇ及び活性金属の含有量は、Ａｇが１ｍｇ／ｃｍ２以上１５ｍｇ／ｃｍ２以下とされ、活性金属が０．５ｍｇ／ｃｍ２以上６ｍｇ／ｃｍ２以下とされる。【選択図】      図１
2014168811.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅又は銅合金からなる銅金属板とセラミックス基板との接合に用いるろう付用シートであって、Ａｇ、活性金属及び樹脂を含有してなるろう材層を有し、単位面積当たりのＡｇ及び活性金属の含有量は、Ａｇが１ｍｇ／ｃｍ２以上１５ｍｇ／ｃｍ２以下とされ、活性金属が０．５ｍｇ／ｃｍ２以上６ｍｇ／ｃｍ２以下とされることを特徴とするろう付用シート。
【請求項２】
前記活性金属は、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂから選択される１種又は２種以上の元素であることを特徴とする請求項１に記載のろう付用シート。
【請求項３】
前記ろう材層にＣｕが含まれており、前記Ａｇと前記Ｃｕとの配合比率は、Ａｇが１００重量部に対し、Ｃｕが１を超え１００以下の重量部とされていることを特徴とする請求項１又は２に記載のろう付用シート。
【請求項４】
前記ろう材層の一方の面に、樹脂層が積層されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のろう付用シート。
【請求項５】
前記ろう材層の厚みと前記樹脂層の厚みとを合計した総厚みが、３００μｍ以下であることを特徴とする請求項４記載のろう付用シート。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載のろう付用シートの一方の面に前記ろう材層と接触するように支持基材を積層してなることを特徴とするシート構成体。
【請求項７】
請求項６に記載のシート構成体を用いて銅又は銅合金からなる銅金属板とセラミックス基板とを接合するパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記銅金属板に前記シート構成体の前記支持基材とは反対側の表面を接触させて加熱圧着することにより前記銅金属板と前記シート構成体とが積層された金属板積層体を形成する金属板積層工程と、前記金属板積層体を前記支持基材ごと回路パターン形状に打抜き加工する打抜工程と、打抜き加工後の前記金属板積層体から前記支持基材を剥がして前記ろう材層を露出させ、該ろう材層を前記セラミックス基板に接触させ加圧した状態で加熱することにより前記銅合金板と前記セラミックス基板とをろう付けする接合工程とを備えることを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
【請求項８】
請求項６に記載のシート構成体を用いて銅又は銅合金からなる銅金属板とセラミックス基板とを接合するパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記シート構成体を回路パターン形状に打抜き加工する打抜工程と、打抜き加工後の前記シート構成体の前記支持基材とは反対側の表面を予め回路パターン形状に形成された前記銅金属板に接触させて加熱圧着することにより、前記銅金属板と前記シート構成体とが積層された金属板積層体を形成する金属板積層工程と、前記金属板積層体から前記支持基材を剥がして前記ろう材層を露出させ、該ろう材層を前記セラミックス基板に接触させ加圧した状態で加熱することにより前記銅合金板と前記セラミックス基板とをろう付けする接合工程とを備えることを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、銅金属板とセラミックス基板とを接合するために使用されるろう付用シート、ろう付用シート構成体及びそれを用いたパワーモジュール用基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーモジュール用基板として、絶縁層となるセラミックス基板の一方の面に、半導体チップ等の電子部品が接合されて回路層となる銅又は銅合金からなる銅金属板が積層された構成のものが知られている。そして、この種のパワーモジュール用基板において、銅金属板とセラミックス基板との接合は、活性金属ろう材を用いたろう付け法により行うことができる。
【０００３】
例えば、特許文献１に記載されているように、セラミックスに対して活性金属であるＴｉを含むろう材（Ａｇ‐Ｃｕ‐Ｔｉ系）を、銅金属板とセラミックス基板との間に配置し、これらの積層体を加圧した状態のまま真空中で加熱することにより、ろう材中の活性金属であるＴｉによりセラミックス基板の表面にＴｉの窒化物等を形成し、Ａｇ‐Ｃｕ共晶層を介して銅金属板とセラミックス基板とを接合することができる。そして、このろう材は、ペーストや箔の形態で用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８‐２４５６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、ろう材箔を用いる場合は、ろう材箔の厚みを薄くすると取り扱い性が悪くなることから、一定の厚みを確保する必要がある。このため、Ａｇ‐Ｃｕ共晶層が厚く形成される。
そして、Ａｇ‐Ｃｕ共晶層は非常に硬いことから、銅板とセラミックス基板との接合部に、銅金属板とセラミックス基板との熱膨張係数の差に起因するせん断応力が作用したときに、厚く形成されたＡｇ‐Ｃｕ共晶層及び銅金属板の変形が抑制され、セラミックス基板に割れ等が発生し、ヒートサイクル性が低下することが問題であった。
また、ろう材ペーストを用いる場合においても、銅金属板又はセラミックス基板にろう材ペーストを均一に塗布するためには一定の厚みを確保する必要があり、Ａｇ‐Ｃｕ共晶層が厚く形成され、ろう材箔の場合と同様の問題が生じる。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、取り扱い性を阻害することなくＡｇ‐Ｃｕ共晶層の厚みを薄く形成でき、セラミックス基板に生じる割れを抑制することができるとともに、銅金属板とセラミックス基板とを確実に接合することができるろう付用シート、ろう付用シート構成体及びパワーモジュール用基板の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、銅又は銅合金からなる銅金属板とセラミックス基板との接合に用いるろう付用シートであって、Ａｇ、活性金属及び樹脂を含有してなるろう材層を有し、単位面積当たりのＡｇ及び活性金属の含有量は、Ａｇが１ｍｇ／ｃｍ２以上１５ｍｇ／ｃｍ２以下とされ、活性金属が０．５ｍｇ／ｃｍ２以上６ｍｇ／ｃｍ２以下とされることを特徴とする。
【０００８】
ろう付用シートにはＡｇ及び活性金属が含まれていることから、銅金属板とセラミックス基板との間に配置して加熱した際に、セラミックス中の窒素や酸素、炭素と活性金属とが反応してセラミックス基板の表面に窒化物又は酸化物の層を形成することができるとともに、Ａｇ成分が銅金属板側に拡散することにより、ＣｕとＡｇとの反応による溶融金属領域が形成され、この溶融金属領域が凝固することで、銅金属板とセラミックス基板とが接合される。
この場合、Ａｇの単位当たりの含有量が１ｍｇ／ｃｍ２以上１５ｍｇ／ｃｍ２以下とされ、活性金属の単位当たりの含有量が０．５ｍｇ／ｃｍ２以上６ｍｇ／ｃｍ２以下とされていることから、活性金属によるセラミックス基板表面の窒化物又は酸化物の層と、ＡｇとＣｕとの共晶組織とを、確実に形成でき、銅金属板とセラミックス基板とを接合することができる。このように、窒化物又は酸化物の層を介してセラミックス基板と銅金属板とを接合することができるので、セラミックス基板と銅金属板との接合強度の向上を図ることができる。
【０００９】
そして、これらＡｇ及び活性金属に樹脂を混合してろう付用シートを形成することで、一定の厚みを確保しながらもＡｇ及び活性金属の配合比率を低くしたろう付用シートを形成することができる。これにより、ろう付用シートの取り扱い性を阻害することなく、銅金属板とセラミックス基板との間に介在する単位面積当たりのＡｇ及び活性金属の含有量を低減させることができる。
したがって、銅金属板とセラミックス基板との接合部において、溶融金属領域が必要以上に形成されることがなく、接合後（凝固後）に形成されるＡｇ‐Ｃｕ共晶層の厚みを薄くすることができ、ヒートサイクル時に生じるセラミックス基板の割れの発生を抑制することができる。
【００１０】
なお、乾燥して溶剤を除去し、ろう付用シートとした際に金属粉末が６０質量％以上、８０質量％以下であることが好ましい。６０質量％未満では金属粉末の含有率が少なく、金属粒子間の距離が開くため、金属元素の拡散が十分に進行せず接合性が悪化するおそれがある。また、８０質量％を超えると樹脂の含有率が少なくなり、シートとして取り扱える強度を保持できなくなるおそれがある。
また、活性金属の含有量が０．５ｍｇ／ｃｍ２未満では、窒化物又は酸化物の層を確実に形成することができず、セラミックス基板と銅金属板との接合強度が低下するおそれがある。また、活性金属の含有量が６ｍｇ／ｃｍ２を超えると、銅金属板へ拡散するＡｇ量が十分に確保できず、セラミックス基板と銅金属板とを接合できなくなるおそれがある。
【００１１】
なお、ろう付用シートに含まれる樹脂は、ろう付け時に熱分解されるため、銅金属板とセラミックス基板との接合に影響しない。また、ろう付用シートに含まれるＡｇ及び活性金属は、Ａｇ粉末と活性金属の粉末とを混合したものであってもよいし、Ａｇと活性金属との合金粉末であってもよいし、それらを混合したものであってもよい。
【００１２】
本発明のろう付用シートにおいて、前記活性金属は、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂから選択される１種又は２種以上の元素であることが好ましい。
Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂといった元素は、窒化物や酸化物を形成しやすい元素であり、セラミックス基板の表面に窒化物又は酸化物の層を確実に形成することができる。よって、セラミックス基板と窒化物又は酸化物の層とが強固に結合することになり、セラミックス基板と銅金属板とを確実に接合することができる。
【００１３】
本発明のろう付用シートにおいて、前記ろう材層にＣｕが含まれており、前記Ａｇと前記Ｃｕとの配合比率は、Ａｇが１００重量部に対し、Ｃｕが１を超え１００以下の重量部とされているとよい。
この場合、ろう材層にＣｕを含有しているので、Ａｇ‐Ｃｕ共晶組織を形成し易くなる。
【００１４】
本発明のろう付用シートにおいて、前記ろう材層の一方の面に、樹脂層が積層されているとよい。
ろう材層の上に樹脂層を重ねた二層構造のろう付用シートを形成することで、銅金属板もしくはセラミックス基板に熱圧着して仮止めすることが可能となり、接合時に位置ずれを起こし難くなる。
【００１５】
本発明の樹脂層を重ねた二層構造のろう付用シートにおいて、前記ろう材層の厚みと前記樹脂層の厚みとを合計した総厚みが、３００μｍ以下であるとよい。
ろう材層と樹脂層との総厚みが３００μｍを超えると、樹脂の分解により発生する炭素残渣の量が多くなり、溶融金属領域とセラミックス基板の反応を阻害して初期接合率が低下するおそれがある。
【００１６】
本発明のろう付用シート構成体は、前記ろう付用シートの一方の面に前記ろう材層と接触するように支持基材を積層してなることを特徴とする。
ろう付用シートを支持基材上に重ねてろう付用シート構成体を形成しておくことで、ろう付用シートの取り扱い性が向上するので、ろう付用シートを銅金属板の所望の位置に容易に積層することができる。
また、銅金属板を、ろう付用シートと支持基材とを積層した状態で回路パターン形状に加工することもできるので、ろう付用シートを容易に回路パターン形状に形成でき、ろう付けに必要なＡｇ量及び活性金属量を銅金属板とセラミックス基板との間に介在させることができ、確実に接合することができる。
【００１７】
本発明は、前記ろう付用シート構成体を用いて銅又は銅合金からなる銅金属板とセラミックス基板とを接合するパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記銅金属板に前記ろう付用シート構成体の前記支持基材とは反対側の表面を接触させて加熱圧着することにより前記銅金属板と前記ろう付用シート構成体とが積層された金属板積層体を形成する金属板積層工程と、前記金属板積層体を前記支持基材ごと回路パターン形状に打抜き加工する打抜工程と、打抜き加工後の前記金属板積層体から前記支持基材を剥がして前記ろう材層を露出させ、該ろう材層を前記セラミックス基板に接触させ加圧した状態で加熱することにより前記銅合金板と前記セラミックス基板とをろう付けする接合工程とを備えることを特徴とする。
銅金属板にろう付用シート構成体を接合した後に、回路パターン形状に打抜き加工することで、銅金属板のセラミックス基板との接合面全域にろう付用シートが貼り付けられた状態とされ、銅金属板とセラミックス基板とのろう付けに必要な金属粉末量を確実に銅金属板とセラミックス基板との間に介在させることができる。
【００１８】
本発明は、前記ろう付用シート構成体を用いて銅又は銅合金からなる銅金属板とセラミックス基板とを接合するパワーモジュール用基板の製造方法であって、前記ろう付用シート構成体を回路パターン形状に打抜き加工する打抜工程と、打抜き加工後の前記ろう付用シート構成体の前記支持基材とは反対側の表面を予め回路パターン形状に形成された前記銅金属板に接触させて加熱圧着することにより、前記銅金属板と前記ろう付用シート構成体とが積層された金属板構積層体を形成する金属板積層工程と、前記金属板積層体から前記支持基材を剥がして前記ろう材層を露出させ、該ろう材層を前記セラミックス基板に接触させ加圧した状態で加熱することにより前記銅合金板と前記セラミックス基板とをろう付けする接合工程とを備えることを特徴とする。
ろう付用シート構成体の状態で回路パターン形状に形成することで、ろう付用シートを容易に回路パターン形状に形成することができるとともに、加工後のろう付用シートは支持基材に積層された状態で取り扱うことができるので、ろう付用シートを銅金属板の所望の位置に容易に積層することができる。したがって、銅金属板とセラミックス基板とのろう付けに必要な金属粉末量を確実に銅金属板とセラミックス基板との間に介在させることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、取り扱い性を阻害することなくＡｇ‐Ｃｕ共晶層の厚みを薄く形成でき、セラミックス基板に生じる割れを抑制することができるとともに、銅金属板とセラミックス基板とを確実に接合することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１実施形態のろう付用シートを積層したろう付用シート構成体を説明する概略説明図である。
【図２】本発明の第２実施形態のろう付用シートを積層したろう付用シート構成体を説明する概略説明図である。
【図３】本発明のろう付用シートを用いて製造されたヒートシンク付パワーモジュール用基板の概略説明図である。
【図４】図３における回路層とセラミックス基板との接合界面の要部断面図である。
【図５】ろう付用シート構成体を用いたパワーモジュール用基板の製造方法の第１実施形態を説明する要部断面図である。
【図６】ろう付用シート構成体を用いたパワーモジュール用基板の製造方法の第２実施形態を説明する要部断面図である。
【図７】パワーモジュール用基板を用いたヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法を説明する概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明に係るろう付用シート、ろう付用シート構成体及びパワーモジュール用基板の製造方法の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
第１実施形態のろう付用シート１ａは、例えば図３に示すようなパワーモジュール用基板９を構成する銅又は銅合金からなる銅金属板２（回路層２ａ）とセラミックス基板３との接合に用いるものであり、図１に示すように、Ａｇ、活性金属及び樹脂を含有してなるろう材層１１を有するものである。
また、ろう付用シート１ａの単位面積当たりのＡｇ及び活性金属の含有量は、Ａｇが１ｍｇ／ｃｍ２以上１５ｍｇ／ｃｍ２以下とされ、活性金属が０．５ｍｇ／ｃｍ２以上６ｍｇ／ｃｍ２以下とされている。
【００２２】
そして、活性金属は、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂから選択される１種又は２種以上の元素であることが好ましく、本実施形態のろう付用シート１ａでは、活性金属としてＴｉを含有している。
Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｎｂといった元素は、窒化物や酸化物を形成しやすい元素であり、銅金属板２とセラミックス基板３との接合時に、セラミックス基板３の表面に窒化物又は酸化物の層を確実に形成することができる。
また、活性金属としてはＴｉＨ２、ＺｒＨ２等の活性金属元素の水素化物を使用することができる。この場合、活性金属元素の水素化物の水素が還元剤として作用するので、銅金属板２とセラミックス基板３との接合時に、銅金属板２の表面に形成された酸化膜等を除去でき、Ａｇの拡散及び窒化物又は酸化物の層の形成を確実に行うことができる。
【００２３】
また、ろう付用シートには、Ａｇ粉末と活性金属の粉末とを混合したものを使用することもできるし、Ａｇと活性金属との合金粉末を使用することもできるし、それらを混合した粉末を使用することもできる。本実施形態においては、Ａｇ及びＴｉ（活性金属）を含む金属粉末として、ＡｇとＴｉとの合金粉末を使用することとしており、この合金粉末は、例えば、アトマイズ法によって作製することができる。
【００２４】
樹脂は、銅金属板２とセラミックス基板３との接合時の昇温過程において熱分解され、完全に除去されるものが好ましく、例えば、ポリ（メタ）アクリル系樹脂、セルロース系樹脂、ポリビニルアセタール系樹脂などが好適に用いられる。
ポリ（メタ）アクリル系樹脂の例としては、メチル（メタ）アクリレート、エチル（メタ）アクリレート、プロピル（メタ）アクリレート、ｔ−ブチル（メタ）アクリレート、ペンチル（メタ）アクリレ−ト、アミル（メタ）アクリレート、イソアミル（メタ）アクリレート、ヘキシル（メタ）アクリレート、ヘプチル（メタ）アクリレート、オクチル（メタ）アクリレート、イソオクチル（メタ）アクリレート、エチルヘキシル（メタ）アクリレート、ラウリル（メタ）アクリレート、ステアリル（メタ）アクリレートなどのアルキル（メタ）アクリレート、メトキシエチレングリコール（メタ）アクリレート、メトキシジエチレングリコール（メタ）アクリレート、メトキシポリエチレングリコール（メタ）アクリレート、エチレングリコールジ（メタ）アクリレート、ジエチレングリコールジ（メタ）アクリレート、ポリエチレングリコールジ（メタ）アクリレート、メトキシプロピレングリコール（メタ）アクリレート、メトキシジプロピレングリコール（メタ）アクリレート、メトキシポリプロピレングリコール（メタ）アクリレート、プロピレングリコールジ（メタ）アクリレート、ジプロピレングリコールジ（メタ）アクリレート、ポリプロピレングリコールジ（メタ）アクリレートなどの（ポリ）オキシアルキレン（メタ）アクリレート、（メタ）アクリル酸、２−ヒドロキシエチル（メタ）アクリレート、２−ヒドロキシプロピル（メタ）アクリレート、３−ヒドロキシプロピル（メタ）アクリレート、２−ヒドロキシブチル（メタ）アクリレート、４−ヒドロキシブチル（メタ）アクリレート、２-メタクリロイルオキシエチルサクシネート、フェニルグリシジルエーテル（メタ）アクリレート、エチレングリコールモノ（メタ）アクリレート、ポリエチレングリコールモノ（メタ）アクリレート、プロピレングリコールモノ（メタ）アクリレートなどに代表される（メタ）アクリル酸エステル系モノマーから選ばれる１種以上のモノマーを重合して得られる樹脂が挙げられる。
セルロース系樹脂としては、酢酸セルロース、及び酪酸セルロースなどのセルロースエステル、メチルセルロース、エチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロースなどが挙げられる。
ポリビニルアセタール系樹脂としては、ポリビニルホルマール、ポリビニルブチラールなどが挙げられる。
【００２５】
なお、適度な可とう性を与えて取り回しを容易にするため、樹脂に可塑剤を添加することもできる。
可塑剤としては、ジブチルフタレート、ジ‐ｎ‐オクチルフタレート、ジ‐２‐エチルヘキシルフタレート、ジイソデシルフタレート、ブチルベンジルフタレート、ジイソノニルフタレート等のフタル酸エステル類、トリ‐２‐エチルヘキシルトリメリテート、トリ‐ｎ‐アルキルトリメリテート、トリイソノニルトリメリテート、トリイソデシルトリメリテート等のトリメリット酸エステル、ジメチルアジペート、ジブチルアジペート、ジ−２‐エチルヘキシルアジペート、ジエチルセバケート、ジブチルセバケート、ジ‐２‐エチルヘキシルセバケート、ジ‐２‐エチルヘキシルマレート、アセチル‐トリ‐（２‐エチルヘキシル）シトレート、アセチル‐トリ‐ｎ‐ブチルシトレート、アセチルトリブチルシトレート等の脂肪族多塩基酸エステル類などが挙げられる。
【００２６】
次に、ろう付用シート１ａの製造方法について説明する。
まず、樹脂と、樹脂を溶解させる溶剤とを混合して、樹脂溶液を生成する。
この樹脂を溶解させる溶剤としては、メタノール、エタノール、ｎ‐プロパノール、イソプロパノール、エチレングリコール、プロピレングリコール等のアルコール類、α‐もしくはβ‐テルピネオール等のテルペン類、アセトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、ジエチルケトン、２‐ヘプタノン、４‐ヘプタノン等のケトン類、トルエン、キシレン等の芳香族炭化水素類、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノエチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノエチルエーテル、トリエチレングリコールモノメチルエーテル等のグリコールエーテル類、ｎ‐ヘキサン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、エチルシクロヘキサン等の脂肪族/脂環式炭化水素類、酢酸エチル、酢酸ブチル、エチレングリコールモノメチルエーテルアセテート、エチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、エチレングリコールモノブチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノメチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノエチルエーテルアセテート、ジエチレングリコールモノブチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールモノエチルエーテルアセテート、３‐メトキシブチルアセテート等の酢酸エステル類、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル、プロピレングリコールジメチルエーテル、ジプロピレングリコールジメチルエーテル等のジアルキルグリコールエーテル等が挙げられ、これらを単独もしくは２種類以上を混合したものを使用することができる。
【００２７】
そして、ＡｇとＴｉ（活性金属）とを含有する合金粉末と樹脂溶液と、可塑剤とを遊星式攪拌機等の攪拌機（図示略）により混合し、合金粉末入りのスラリーを形成する。続いて、スラリーを、アプリケーター（図示略）を使用して支持基材１０上に一定の膜厚で塗布する。
最後に、塗布されたスラリーを支持基材１０ごと乾燥することで、ろう付用シート１ａが形成されるとともに、図１に示すように、支持基材１０上にろう付用シート１ａが積層されたろう付用シート構成体５ａを形成することができる。
【００２８】
なお、攪拌機としては、遊星式攪拌機、ボールミル、ディスパー等の種々の装置を用いることができ、合金粉末と樹脂溶液等を混合する手段は限定されるものではない。また、ろう付用シートの形成には、ロールコーターやブレードコーター、リップコーター、アプリケーター等の種々の装置を用いることができる。
また、支持基材１０としては、例えば、離型処理が施されたＰＥＴフィルムを用いることができ、厚みは限定されない。
【００２９】
図２は、本発明の第２実施形態のろう付用シートを示している。
このろう付用シート１ｂは、第１実施形態のろう付用シート１ａと同様に、銅又は銅合金からなる銅金属板２とセラミックス基板３との接合に用いるものであり、図２に示すように、Ａｇ、活性金属及び樹脂を含有してなるろう材層１１を有するとともに、ろう材層１１の一方の面に、樹脂層１２が積層されてなる。樹脂層１２は、Ａｇ及び活性金属を含有せず、樹脂から構成されている。
また、ろう材層１１の厚みと樹脂層１２の厚みとを合計した総厚みは、３００μｍ以下とすることが好ましい。総厚みが３００μｍを超える場合は、樹脂層１２の分解により発生する炭素残渣量が多くなり、銅金属板２とセラミックス基板３との接合を阻害し、接合不良となるおそれがある。
また、上記の観点から、樹脂層１２の厚みは１００μｍ以下が望ましい。
なお、その他の構成については、第１実施形態のろう付用シート１ａと同様である。
【００３０】
第２実施形態のろう付用シート１ｂの製造方法について説明する。
このろう付用シート１ｂは、第１実施形態のろう付用シート１ａのろう材層１１の一方の面に、樹脂層１２を積層することにより製造することができる。なお、支持基材１０上にろう材層１１を積層する部分については、第１実施形態のろう付用シート１ａの製造方法と同様であり、説明を省略する。
【００３１】
まず、樹脂と、樹脂を溶解させる溶剤とを混合して、樹脂層形成用樹脂溶液を生成する。樹脂層１２を形成するための樹脂としては、ろう材層１１を形成するために用いる前述のポリ（メタ）アクリル系樹脂、セルロース系樹脂、ポリビニルアセタール系樹脂などを好適に用いることができる。また、樹脂を溶解させる溶剤としては、第１実施形態に記載されるものを用いることができるが、樹脂層形成時においてろう材層１１に樹脂層形成用樹脂溶液を塗布した際に、ろう材層１１を溶かさない溶剤を選択することが好ましい。
【００３２】
そして、支持基材１０上にろう材層１１を積層した後に、このろう材層１１の表面に樹脂層形成用樹脂溶液を一定の膜厚で塗布する。そして、塗布された樹脂層形成用樹脂溶液を支持基材１０及びろう材層１１ごと乾燥することで、図２に示すように、ろう材層１１と樹脂層１２とが積層されたろう付用シート１ｂが形成されるとともに、支持基材１０上にろう付用シート１ｂが積層されたろう付用シート構成体５ｂを形成することができる。
【００３３】
次に、上述した第１実施形態のろう付用シート構成体５ａ又は第２実施形態のろう付用シート構成体５ｂを用いてパワーモジュール用基板を製造する方法について説明する。パワーモジュール用基板の製造方法においては、ろう付用シート構成体５ａ及び５ｂを総称して符号５を用いて説明し、ろう付用シート１ａ及び１ｂを総称して符号１を用いて説明する。
本実施形態におけるパワーモジュール用基板９は、図３に示すように、回路層２ａ（銅金属板２）とセラミックス基板３とが接合されてなるとともに、セラミックス基板３の裏面に接合された金属層４とを備えている。図３は、このパワーモジュール用基板９を用いて構成されたパワーモジュール１００を示す。
【００３４】
図３に示すパワーモジュール１００は、回路層２ａが配設されたパワーモジュール用基板９と、回路層２ａの表面にはんだ層（図示略）を介して接合された半導体素子等の電子部品６と、ヒートシンク７とを備えている。
ここで、はんだ層は、例えばＳｎ‐Ａｇ系、Ｓｎ‐Ｉｎ系もしくはＳｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ系のはんだ材で構成される。
【００３５】
パワーモジュール用基板９を構成するセラミックス基板３は、回路層２ａと金属層４との間の電気的接続を防止するものであって、絶縁性の高いＡｌＮ，Ｓｉ３Ｎ４，Ａｌ２Ｏ３等で構成されている。また、セラミックス基板３の厚みは、０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。
【００３６】
回路層２ａは、セラミックス基板３の表面に銅金属板２が接合されることにより形成されている。回路層２ａの厚みは、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．３ｍｍに設定されている。また、回路層２ａには、回路パターンが形成されており、その一方の面が、電子部品６が搭載される搭載面とされている。
本実施形態においては、回路層２ａ（銅金属板２）は、純度９９．９９質量％以上の無酸素銅（ＯＦＣ）の圧延板とされている。
そして、セラミックス基板３と回路層２ａとの接合に、ろう付用シート１が使用されている。
【００３７】
金属層４は、図３に示すように、セラミックス基板３の他方の面に、アルミニウム板が接合されることにより形成されている。金属層４の厚みは０．６ｍｍ以上６．０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６ｍｍに設定されている。
また、本実施形態においては、アルミニウム板（金属層４）は、純度９９．９９質量％以上のアルミニウム（いわゆる４Ｎアルミニウム）の圧延板とされている。
【００３８】
ヒートシンク７は、パワーモジュール用基板９からの熱を放熱するためのものである。本実施形態においては、ヒートシンク７はアルミニウム又はアルミニウム合金により構成されており、具体的にはＡ６０６３合金の圧延板とされている。また、ヒートシンク７の厚みは１ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲内に設定されており、本実施形態では、５ｍｍに設定されている。
【００３９】
図４に、セラミックス基板３と回路層２ａとの接合界面の拡大図を示す。セラミックス基板３の表面には、ろう付用シート１に含有された活性金属（Ｔｉ）により、ＡｌＮ等の窒化物系セラミックス基板の場合は窒化物（ＴｉＮ）からなる窒化物層３１が形成されている。なお、Ａｌ２Ｏ３等の酸化物系セラミックス基板の場合は酸化物（ＴｉＯ）からなる酸化物層が形成される。
そして、図４においては、窒化物層３１に積層するようにＡｇ‐Ｃｕ共晶層２１が形成されている。ここで、Ａｇ‐Ｃｕ共晶層２１の厚みは１５μｍ以下となっている。
【００４０】
〔パワーモジュール用基板の製造方法の第１実施形態〕
まず、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法の第１実施形態について説明する。
（金属板積層工程）
図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、銅金属板２にろう付用シート構成体５の支持基材１０とは反対側の表面を接触させた状態とする。そして、銅金属板２とろう付用シート構成体５とを、その積層方向（厚み方向）に加熱圧着することにより、銅金属板２とろう付用シート構成体５とを積層し、これらが積層された金属板積層体８を形成する。
この際、ろう付用シート１を支持基材１０上に重ねた状態で取り扱われるので、ろう付用シート１を容易に取り扱うことができ、ろう付用シート１を銅金属板２の所望の位置に容易に積層することができる。
【００４１】
（打抜工程）
図５（ｃ）に示すように、金属板積層体８を支持基材１０ごと回路パターン形状に打抜き加工する。これにより、銅金属板２を回路パターン形状に形成するとともに、銅金属板２の片面に圧着されたろう付用シート１を回路パターン形状に沿って形成することができる。銅金属板２は、ろう付用シート１と支持基材１０とを積層した状態で回路パターン形状に加工されることから、銅金属板２のセラミックス基板３との接合面全域にろう付用シート１が貼り付けられた状態とされ、銅金属板２とセラミックス基板３とのろう付けに必要なＡｇ量及び活性金属量を、確実に確保することができる。
【００４２】
（接合工程）
次に、図５（ｄ）に示すように、打抜き加工後の金属板積層体８から支持基材１０を剥がして、ろう付用シート１を露出させる。この際、図１及び図２に示すように、支持基材１０側に積層されたろう材層１１が露出することになる。そして、このろう材層１１をセラミックス基板３の一方の面側に接触させ、図５（ｅ）に示すように、銅金属板２とセラミックス基板３との間にろう付用シート１を介在させた状態とし、これらの積層方向（厚み方向）に０．０１〜０．３５ＭＰａ（１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）の圧力で加圧した状態で真空加熱炉内に装入して加熱する。ここで、真空加熱炉内の圧力は１０−６Ｐａ以上１０−３Ｐａ以下の範囲内に設定し、加熱温度は７９０℃以上８５０℃以下の範囲内に設定している。
この際、銅金属板２の一部がＣｕとＡｇとの反応によって溶融し、銅金属板２とセラミックス基板３との界面に、溶融金属領域が形成される。そして、この溶融金属領域を凝固させることにより、セラミックス基板３と銅金属板２とが接合される。
また、ろう付用シート１のＡｇは銅金属板２へ十分に拡散されており、樹脂はろう付け時に熱分解されるため、銅金属板２とセラミックス基板３との接合界面にろう付用シート１が残存することはない。また、上述のように、樹脂はろう付け時に熱分解されるため、銅金属板２とセラミックス基板３との接合に影響しない。
【００４３】
（金属層接合工程）
次に、セラミックス基板３の他方の面に金属層４となるアルミニウム板を接合する。図７（ａ）に示すように、セラミックス基板３の他方の面側に、金属層４となるアルミニウム板を厚み５〜５０μｍのろう材箔１５を介して積層する。本実施形態では、ろう材箔１５は、融点降下元素であるＳｉを含有したＡｌ‐Ｓｉ系ろう材により構成され、厚みが１４μｍとされている。
そして、セラミックス基板３、ろう材箔１５、金属層４を積層方向に０．０１〜０．３５ＭＰａ（１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）の圧力で加圧した状態で加熱炉内に装入して加熱する。加熱温度は５５０℃以上６５０℃以下、加熱時間は３０分以上１８０分以下とされている。
この際、ろう材箔１５と金属層４の一部とが溶融し、金属層４とセラミックス基板３との界面に溶融金属領域が形成される。そして、この溶融金属領域を凝固させることにより、セラミックス基板３と金属層４とが接合され、セラミックス基板３に回路層２ａと金属層４とが積層されたパワーモジュール用基板９が製造される。
【００４４】
（ヒートシンク接合工程）
図７（ｂ）に示すように、パワーモジュール用基板９の金属層４に、ヒートシンク７を厚み５〜５０μｍのろう材箔１５を介して積層する。
本実施形態では、ろう材箔１５は、Ａｌ‐Ｓｉ系ろう材により構成され、厚みが１４μｍとされている。
そして、パワーモジュール用基板９、ろう材箔１５、ヒートシンク７を積層方向に０．０１〜０．３５ＭＰａ（１〜３５ｋｇｆ／ｃｍ２）の圧力で加圧した状態で加熱炉内に装入して加熱する。加熱温度は５５０℃以上６５０℃以下、加熱時間は３０分以上１８０分以下とされている。
この際、金属層４とヒートシンク７との界面に、それぞれ溶融金属領域が形成される。そして、この溶融金属領域を凝固させることにより、パワーモジュール用基板９とヒートシンク７とが接合され、ヒートシンク付パワーモジュール用基板が製造される。
【００４５】
〔パワーモジュール用基板の製造方法の第２実施形態〕
次に、本発明のパワーモジュール用基板の製造方法の第２実施形態について説明する。
（打抜工程）
まず、図６（ａ）に示すように、ろう付用シート構成体５を回路層２ａの回路パターン形状に打抜き加工する。また、銅金属板２も回路パターン形状に打抜き加工しておく。
【００４６】
（金属板積層工程）
次に、図６（ｂ）に示すように、打抜き加工後のろう付用シート構成体５と銅金属板２との位置を合わせて、ろう付用シート構成体５の支持基材１０とは反対側の表面を銅金属板２に接触させた状態とする。そして、銅金属板２とろう付用シート構成体５とを、その積層方向に加熱圧着することにより、図６（ｃ）に示すように、銅金属板２とろう付用シート構成体５とを積層し、これらが積層された金属板積層体８を形成する。
この際、ろう付用シート１を支持基材１０上に重ねた状態で取扱われるので、ろう材用シート１を容易に取り扱うことができ、ろう付用シート１を銅金属板２の所望の位置に容易に積層することができる。
【００４７】
（接合工程）
次に、図６（ｄ）に示すように、金属板積層体８から支持基材１０を剥がしてろう付用シート１を露出させる。この際、図１及び図２に示すように、支持基材１０側に積層されたろう材層１１が露出することになる。そして、このろう材層１１をセラミックス基板３の一方の面側に接触させ、図６（ｅ）に示すように、銅金属板２とセラミックス基板３との間にろう付用シート１を介在させた状態とし、これらの積層方向に加圧した状態で真空加熱炉内に装入して加熱する。これにより、銅金属板２の一部がＣｕとＡｇとの反応によって溶融し、銅金属板２とセラミックス基板３との界面に、溶融金属領域が形成される。そして、この溶融金属領域を凝固させることにより、セラミックス基板３と銅金属板２とが接合される。
【００４８】
なお、セラミックス基板３に金属層４を接合する金属層接合工程と、金属層４にヒートシンク７を接合するヒートシンク接合工程は、第１実施形態のパワーモジュール用基板の製造方法と同様であり、説明を省略する。
【００４９】
以上のように、本発明によれば、Ａｇ及び活性金属に樹脂を混合してろう付用シート１を形成することで、一定の厚みを確保しながらもＡｇ及び活性金属の配合比率を低くしたろう付用シート１を形成することができる。これにより、ろう付用シート１の取り扱い性を阻害することなく、銅金属板２とセラミックス基板３との間に介在する単位面積当たりのＡｇ及び活性金属の含有量を低減させることができる。
したがって、銅金属板２とセラミックス基板３との接合部において、溶融金属領域が必要以上に形成されることがなく、接合後（凝固後）に形成されるＡｇ‐Ｃｕ共晶層の厚みを薄くすることができ、ヒートサイクル時に生じるセラミックス基板３の割れの発生を抑制することができる。
【００５０】
また、ろう付用シート１は、Ａｇの単位当たりの含有量が１ｍｇ／ｃｍ２以上１５ｍｇ／ｃｍ２以下とされ、活性金属の単位当たりの含有量が０．５ｍｇ／ｃｍ２以上６ｍｇ／ｃｍ２以下とされていることから、活性金属によるセラミックス基板３表面の窒化物又は酸化物の層と、ＡｇとＣｕとの共晶組織とを、確実に形成でき、銅金属板２とセラミックス基板３とを接合することができる。そして、窒化物又は酸化物の層を介してセラミックス基板３と銅金属板２とを接合することができるので、セラミックス基板３と銅金属板２との接合強度の向上を図ることができる。
【００５１】
なお、乾燥して溶剤を除去し、ろう付用シートとした際に金属粉末が６０質量％以上、８０質量％以下であることが好ましい。６０質量％未満では金属粉末の含有率が少なく、金属粒子間の距離が開くため、金属元素の拡散が十分に進行せず接合性が悪化するおそれがある。また、８０質量％を超えると、樹脂の含有率が少なくなり、シートとして取り扱える強度を保持できなくなるおそれがある。
また、活性金属の含有量が０．５ｍｇ／ｃｍ２未満では、窒化物又は酸化物の層を確実に形成することができず、セラミックス基板３と銅金属板２との接合強度が低下するおそれがある。また、活性金属の含有量が６ｍｇ／ｃｍ２を超えると、銅金属板２へ拡散するＡｇ量が十分に確保できず、セラミックス基板３と銅金属板２とを接合できなくなるおそれがある。
【００５２】
また、図２に示すように、ろう材層１１の上に樹脂層１２を重ねた二層構造のろう付用シート１ｂを形成した場合には、ろう付用シート１ｂを銅金属板２もしくはセラミックス基板３に熱圧着して仮止めすることが可能となり、接合時に位置ずれを起こし難くすることができ、より取り扱い性を向上することができる。
【００５３】
なお、上記実施形態においては、ろう付用シート１はＡｇと活性金属と樹脂とにより構成されていたが、ろう材層１１にＣｕが含まれるようにしてもよく、ＡｇとＣｕとの配合比率は、Ａｇが１００重量部に対し、Ｃｕが１を超え１００以下の重量部とされているとよい。
この場合、ろう材層１１にＣｕを含有しているので、Ａｇ‐Ｃｕ共晶組織を形成し易くなる。
【実施例】
【００５４】
本発明の有効性を確認するために行った比較実験について説明する。
表１から表４に示す条件でろう付用シートを形成し、表３及び表４に示す各種ろう付用シートを用いて、セラミックス基板３と銅金属板２とを接合して、パワーモジュール用基板９を製造した。そして、これらのパワーモジュール用基板９について、初期接合率と、冷熱サイクル試験後のセラミックス割れを評価した。
【００５５】
なお、表１には、ろう付用シートの製造に用いる樹脂溶液の構成を示しており、表２には、表１に示す種類の樹脂溶液と金属粉末とを組み合わせて形成したスラリーの組成を示している。また、表３に示すろう付用シートは、ろう材層１１のみで形成したものであり、表４に示すろう付用シートは、ろう材層１１に樹脂層１２を重ねて形成したものである。
【００５６】
（ろう付用シートの製造）
表３に示す実施例１のろう付用シートは、表１に示す樹脂溶液Ａを用い、表２に示すスラリー（１）の組成により作製した。樹脂溶液Ａは、表１に示すように、ポリブチルメタクリレート（平均重量分子量２５００００）４０重量部を酢酸エチル６０重量部中に溶解することにより作製した。また、表２に示すように、樹脂溶液Ａ７５重量部にＡｇ粉末（粒径１μｍ）７２重量部と、Ｃｕ粉末（粒径３μｍ）２８重量部、Ｔｉ粉末（粒径１０μｍ）２０重量部、酢酸エチル１３５重量部を加え、遊星式攪拌機で攪拌することによりスラリー（１）を構成した。そして、このスラリー（１）を離型処理したＰＥＴフィルムの支持基材上にアプリケーターで１００μｍ厚に塗布し、１００℃で５分間乾燥することで、厚み２３μｍのろう材層１１を形成し、実施例１のろう付用シートを形成するとともに、支持基材上にろう付用シートが積層されたろう付用シート構成体を形成した。なお、表３に示す実施例２〜９及び比較例１〜４のろう付用シートは実施例１と同様の方法で形成した。
【００５７】
また、表４に示す樹脂層１２を有する実施例１０のろう付用シートは、表２に示すスラリー（１）により支持基材１０上にろう材層１１を形成した後に、さらにろう材層１１上に表１に示す樹脂層形成用樹脂溶液Ｂを塗布して、１００℃５分間乾燥することで、ろう材層１１と樹脂層１２とが積層されたろう付用シートを形成するとともに、支持基材１０上にろう付用シートが積層されたろう付用シート構成体を形成した。なお、表４に示す実施例１１，１２及び比較例５のろう付用シートは、実施例１０と同様の方法で形成した。
【００５８】
（評価方法）
表３及び表４に示すろう付用シートを用いて、セラミックス基板３と銅金属板２とを接合することにより、パワーモジュール用基板９を製作した。
各パワーモジュール用基板９は、セラミックス基板３として３０ｍｍ×３０ｍｍで厚み０．６３５ｍｍのＡｌＮ板を、回路層２ａ（銅金属板２）として２７ｍｍ×２７ｍｍで厚み０．３ｍｍの純度９９．９９質量％以上の無酸素銅の圧延板を、金属層４として、２８ｍｍ×２８ｍｍで厚み０．６ｍｍの純度９９．９９質量％以上の４Ｎアルミニウムの圧延板を用いた。また、ヒートシンク７には、５０ｍｍ×６０ｍｍで厚み５ｍｍのアルミニウム合金（６０６３合金）の圧延板を用いた。
【００５９】
そして、各パワーモジュール用基板について、初期接合率、冷熱後のセラミックス割れを評価した。
初期接合率は、超音波探傷により回路層２ａとセラミックス基板３との接合界面、金属層４とセラミックス基板３との接合界面の接合状態を観察し、下記の（１）式より求めた。
初期接合率＝接合面積／（回路層の面積＋金属層面積）×１００（％）…（１）
【００６０】
セラミックス割れは、冷熱サイクル（−４５℃←→１２５℃）を５００回繰り返す毎にクラックの発生の有無を確認し、クラックが確認された回数で評価した。
また、各ろう付用シート中の各元素の存在量はろう付用シートを２０ｍｍ×２０ｍｍに切断し、酸溶液に溶解した後、ＩＣＰ‐ＡＥＳ（誘導結合プラズマ発光分光分析装置）による各元素の定量値から計算した。
【００６１】
【表１】
2014168811.tif 000003
【００６２】
【表２】
2014168811.tif 000004
【００６３】
【表３】
2014168811.tif 000005
【００６４】
【表４】
2014168811.tif 000006
【００６５】
表３及び表４からわかるように、Ａｇの単位面積当たりの含有量が１ｍｇ／ｃｍ２以上１５ｍｇ／ｃｍ２以下とされ、活性金属（Ｔｉ）の単位面積当たりの含有量が０．５ｍｇ／ｃｍ２以上６ｍｇ／ｃｍ２以下とされた実施例１〜９及び樹脂層を設けた実施例１０〜１３においては、いずれも初期接合率が９５％を超えており、銅金属板２とセラミックス基板３とを良好に接合することができた。また、セラミックス割れの評価においても、良好な結果が得られた。
また、実施例１３は、ろう材層１１の厚みが６３μｍで、樹脂層１２の厚みが２００μｍとされ、ろう付用シートの総厚みが実施例１０〜実施例１２と比べ増していることから、樹脂の分解により生じた炭素残渣により銅金属板２とセラミックス基板３との接合が阻害され、初期接合率が実施例１〜１２に比較して低下したと推察される。
【００６６】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【符号の説明】
【００６７】
１，１ａ，１ｂ  ろう付用シート
２  銅金属板
２ａ  回路層
３  セラミックス基板
４  金属層
５，５ａ，５ｂ  ろう付用シート構成体
６  電子部品
７  ヒートシンク
８  金属板積層体
９  パワーモジュール用基板
１０  支持基材
１１  ろう材層
１２  樹脂層
１５  ろう材箔
２１  Ａｇ‐Ｃｕ共晶層
３１  窒化物層
１００  パワーモジュール
【図１】
2014168811.tif 000007
【図２】
2014168811.tif 000008
【図３】
2014168811.tif 000009
【図４】
2014168811.tif 000010
【図５】
2014168811.tif 000011
【図６】
2014168811.tif 000012
【図７】
2014168811.tif 000013