(57)【要約】【課題】窒化アルミニウム基板と銅板を強固に接合し、安価で、接合信頼性の高い窒化アルミニウム基板と銅板の接合体を提供する。【解決手段】窒化アルミニウム基板１１と銅板１２、１２ａを加熱して直接接合する接合体１０において、窒化アルミニウム基板１１の少なくとも銅板１２、１２ａとの接合表面が酸化処理を行う前の窒化アルミニウム基板１１の接合表面に酸素を供給し易くできるための化学表面処理液で表面処理が施されている。そして、この窒化アルミニウム基板１１と銅板１２、１２ａの接合体１０において、表面処理がフッ化水素（ＨＦ）溶液で行われているのがよい。あるいは、この窒化アルミニウム基板１１と銅板１２、１２ａの接合体１０において、表面処理が過マンガン酸カリウム（ＫＭｎＯ４）溶液で行われているのがよい。【選択図】        図１
2004269314.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化アルミニウム基板と銅板を加熱して直接接合する接合体において、
前記窒化アルミニウム基板の少なくとも前記銅板との接合表面が酸化処理を行う前の前記窒化アルミニウム基板の前記接合表面に酸素を供給し易くできるための化学表面処理液で表面処理が施されていることを特徴とする窒化アルミニウム基板と銅板の接合体。
【請求項２】
請求項１記載の窒化アルミニウム基板と銅板の接合体において、前記表面処理がフッ化水素（ＨＦ）溶液で行われていることを特徴とする窒化アルミニウム基板と銅板の接合体。
【請求項３】
請求項１記載の窒化アルミニウム基板と銅板の接合体において、前記表面処理が過マンガン酸カリウム（ＫＭｎＯ４）溶液で行われていることを特徴とする窒化アルミニウム基板と銅板の接合体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、熱伝導性の良好な窒化アルミニウム基板と銅板の接合体に関し、より詳細には、高放熱特性が要求される電子部品を搭載するための基板として用いられる接合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、セラミック基板の表面に銅や、アルミニウム等の金属板を接合した接合体は、パワーモジュール用や、高出力用半導体モジュール用等の電子部品搭載用基板として使用されている。耐熱性、耐摩耗性、絶縁性に優れるセラミック基板と、熱伝導性の良い金属板の接合体である電子部品搭載用基板は、近年の自動車の電子化に対してもエンジン周辺部品等の過酷な環境下での使用に適しているので、多く採用され始めており、これからも更に多くの使用が見込まれている。また、近年の高度なエレクトロニクス化によって、部品の小型化と共に部品の高密度化が進み、大電流を扱うことでモジュールからの発熱量が大きくなり、耐熱性に優れて放熱性の良いセラミック基板と金属板の接合体の需要は益々増大している。
【０００３】
この接合体のセラミック基板には、従来、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）が多く用いられていたが、より高放熱性の要求から高熱伝導率を有する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が利用されるようになってきた。この窒化アルミニウム基板には、アルミニウム（Ａｌ）板や、銅（Ｃｕ）板が活性金属ろう材を介在させて接合されたり、銅板が酸素原子を介在させて接合される直接接合法（例えば、特許文献１参照）で接合されたりしている。
【０００４】
図３（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、この直接接合法で接合して形成する従来の接合体５０に用いられる窒化アルミニウム基板５１は、高純度窒化アルミニウム粉末に希土類酸化物や、アルカリ土類金属等からなる焼結助剤を加えた原材料をグリーンシートにして打ち抜いて成形体を形成したり、粉末プレスで成形体を形成したりした後、約１７００〜２０００℃で焼成して作製している。あるいは、焼成した後にレーザー等で所定の大きさに切断している。次いで、窒化アルミニウム基板５１は、酸化雰囲気中、１１５０〜１３００℃で焼成され、表面に数μｍの酸化アルミニウム膜を形成している。そして、窒化アルミニウム基板５１の上面には、回路パターンとなる表面に酸化膜を形成した銅板５２が加熱して接合される。また、窒化アルミニウム基板５１の下面には、全面パターンとなる表面に酸化膜を形成した銅板５２ａが加熱して接合される。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭５２−３７９１４号公報（第１−１９頁、図１図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したような従来の窒化アルミニウム基板と銅板の接合体は、次のような問題がある。
（１）直接接合法で窒化アルミニウム基板と銅板を接合する接合体は、窒化アルミニウム基板と銅板の表面に酸化処理を行ってはいるものの、両者間の接合強度が５ｋｇ／ｃｍ程度のレベルであるので、温度サイクルや、熱衝撃サイクル等の信頼性試験を行った時に窒化アルミニウム基板と銅板に剥がれが発生する場合がある。高信頼性の要求のある接合体においては、直接接合法で窒化アルミニウム基板と銅板を接合する接合体を採用することが難しくなっている。
（２）窒化アルミニウム基板と銅板を接合するために、活性金属ろう材を用いる場合には、活性金属ろう材が高価であり、接合体のコストアップとなっている。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、窒化アルミニウム基板と銅板を強固に接合し、安価で、接合信頼性の高い窒化アルミニウム基板と銅板の接合体を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う本発明に係る窒化アルミニウム基板と銅板の接合体は、窒化アルミニウム基板と銅板を加熱して直接接合する接合体において、窒化アルミニウム基板の少なくとも銅板との接合表面が酸化処理を行う前の窒化アルミニウム基板の接合表面に酸素を供給し易くできるための化学表面処理液で表面処理が施されている。窒化アルミニウム基板の銅板との接合表面が酸化され易い表面に仕上げられていることによって、窒化アルミニウム基板と銅板との接合強度を向上させることができ、安価で、接合信頼性の高い窒化アルミニウム基板と銅板の接合体を得ることができる。
【０００８】
ここで、接合体は、表面処理がフッ化水素溶液で行われているのがよい。これにより、窒化アルミニウム基板の表面に酸化アルミニウム膜を形成する時に阻害要因となっている窒化アルミニウム基板の表面に析出している焼結助剤成分が容易に除去できるので、酸化処理を行うための酸素が供給し易くなり、銅板との接合強度を向上させることができて、安価で、接合信頼性の高い窒化アルミニウム基板と銅板の接合体を得ることができる。
【０００９】
また、接合体は、表面処理が過マンガン酸カリウム溶液で行われているのがよい。これにより、過マンガン酸カリウムが窒化アルミニウム基板の表面を酸化処理を行うための酸素を供給し易い状態にすることができると考えられ、銅板との接合強度を向上させることができて、安価で、接合信頼性の高い窒化アルミニウム基板と銅板の接合体を得ることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係る窒化アルミニウム基板と銅板の接合体のＡ−Ａ’線縦断面図、上面側平面図である。
【００１１】
図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本発明の一実施の形態に係る窒化アルミニウム基板１１と銅板１２、１２ａの接合体１０は、窒化アルミニウム基板１１と銅板１２、１２ａを金属メタライズ膜や、めっき膜、又は活性金属ろう材等の接合材等を介することなく、両者が直接接合されて形成されている。ここで用いられる窒化アルミニウム基板１１は、例えば、高純度窒化アルミニウム粉末に希土類酸化物や、アルカリ土類金属等の焼結助剤と、バインダー、溶剤を加え、ドクターブレード法等によって形成したセラミックグリーンシートから所定の大きさに成形し、必要に応じて複数枚を積層して板状の成形体を形成した後、約１７００〜２０００℃で焼成して作製している。あるいは、窒化アルミニウム基板１１は、セラミックグリーンシートの状態や、積層体の状態で焼成した後、レーザー等で所定の大きさに切断して作製している。
【００１２】
一方、銅板１２、１２ａには、例えば、電気材料用として通常使用されている無酸素銅が使用されている。そして、窒化アルミニウム基板１１の上面側に接合される銅板１２は、板材をプレス金型で打ち抜いたり、エッチング等したりして加工される窒化アルミニウム基板１１の大きさより若干小さめの外形寸法からなる回路パターン１３が設けられている。また、窒化アルミニウム基板１１の下面側に接合される銅板１２ａは、上面側の回路パターン１３の外形寸法とほぼ同じ寸法の全面、又は全面を複数個に分割させた板体に形成されている。
【００１３】
酸化アルミニウムや、窒化アルミニウム等のセラミック基板と銅板を接合材等を介することなく直接接合するのは、通称、ＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｂｏｎｄ  Ｃｏｐｐｅｒ）法と呼ばれている。このＤＢＣ法での接合とは、セラミック基板の表面の酸素原子と、予め表面を酸化させた銅板をセラミック基板の表面に当接させ、銅の融点付近まで加熱して銅と微量の酸素との反応により生成するＣｕ−Ｏ共晶液相を結合材として直接接合するものである。ところが、セラミック基板が窒化アルミニウム基板１１の場合には、窒化アルミニウム基板１１に酸素原子が存在しないので、窒化アルミニウム基板１１を再度酸化焼成炉で焼成して酸化処理を行い表面に酸化アルミニウムの薄い膜を形成する必要がある。この窒化アルミニウム１１の表面を酸化処理するには、酸化処理を行う前に、少なくとも銅板１２、１２ａが接合される窒化アルミニウム基板１１の表面に酸素が供給し易くできるための化学表面処理液による表面処理が施されている。なお、窒化アルミニウム基板１１の上、下面にそれぞれ銅板１２、１２ａを接合して接合体１０を形成するのは、上、下面を一回で接合してもよいし、上、下面を別々に二回に分けて接合してもよい。
【００１４】
この表面処理には、フッ化水素溶液が用いられのがよい。窒化アルミニウム基板１１の表面には、ＡｌＹＯ３や、Ａｌ２Ｙ４Ｏ９の高純度窒化アルミニウム粉末を結合させている焼結助剤成分が析出している。この焼結助剤成分は、酸化処理における酸化アルミニウム膜形成の阻害要因となっていると考えられており、この焼結助剤成分をフッ化水素溶液で容易に除去できることから、窒化アルミニウム基板１１をドライエアー中で焼成することで表面に酸化アルミニウム膜を容易に形成することができる。なお、フッ化水素溶液は、濃度が３０〜６０％程度の水溶液がよく、濃度が３０％を下まわると窒化アルミニウム基板１１の焼結助剤成分を除去する力が低くなり、濃度が６０％を超えると窒化アルミニウム粒子の表面を削り取るようになる。
【００１５】
また、表面処理には、過マンガン酸カリウム溶液が用いられのがよい。過マンガン酸カリウム溶液が接合に作用するメカニズムについては、未だ解析中であるが、過マンガン酸カリウムは、窒化アルミニウム基板１１の表面を酸化されやすい状態にするための酸化剤と考えられ、窒化アルミニウム基板１１をドライエアー中で焼成する時に、窒化アルミニウム基板１１の表面に酸化アルミニウム膜を容易に形成することができる。なお、過マンガン酸カリウム溶液は、濃度が１〜６０ｇ／リットル程度の水溶液がよく、濃度が１ｇ／リットルを下まわると、窒化アルミニウム基板１１の表面を酸化されやすい状態にするための力が低くなり、濃度が６０ｇ／リットルを超えると過マンガン酸カリウムが比較的高価であるので表面処理溶液としてのコストが高くなり、接合体のコストアップとなる。
【００１６】
【実施例】
本発明者は、長さ５０ｍｍ×幅５０ｍｍ×厚さ０．６３５ｍｍの焼成済みの窒化アルミニウム基板を濃度４０％のフッ化水素溶液に１０分間、１時間、６時間、１２時間、２４時間浸漬した後、５分間２回の流水洗浄を行い、更に、１０分間のアルコール超音波洗浄を行ったそれぞれ実施例１〜実施例５用の表面処理を施した窒化アルミニウム基板を準備した。また、前記と同様の大きさの窒化アルミニウム基板を濃度３０ｇ／リットルの過マンガン酸カリウム溶液に２４時間浸漬した後、５分間２回の流水洗浄を行い、更に、１０分間のアルコール超音波洗浄を行った実施例６用の表面処理を施した窒化アルミニウム基板を準備した。併せて、従来例用の表面処理を施さない窒化アルミニウム基板を準備した。これらの実施例１〜実施例６用、及び従来例用の窒化アルミニウム基板は、大気雰囲気バッチ焼成炉に格納し、露点−５０〜−６０℃のドライエアーを炉内に充填しながら１２２５℃で３時間焼成して酸化処理（温度と時間で最適な酸化処理が行うことができ、１１５０℃で５時間〜１３００℃で１時間の間の範囲が好ましい）を行った後、１０分間のアルコール超音波洗浄を行った。そして、これらの窒化アルミニウム基板に、予め表面を酸化させた無酸素銅からなる長さ３０ｍｍ×幅４ｍｍ×厚さ０．２５ｍｍの銅板を載置させ、窒素雰囲気連続焼成炉を用いて１０８０℃で焼成して、窒化アルミニウム基板と銅板の接合体を作製した。
【００１７】
次に、図２（Ａ）、（Ｂ）を参照しながら窒化アルミニウム基板と銅板の接合体の接合強度を説明する。ここに、図２（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態及び従来例に係る窒化アルミニウム基板と銅板の接合体の接合強度測定方法の説明図である。図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、窒化アルミニウム基板１１に接合されている長さ３０ｍｍ×幅４ｍｍ×厚さ０．２５ｍｍの銅板１２ｂの一方の端部の長さ約５ｍｍは、窒化アルミニウム基板１１に対して垂直方向に予め折り曲げられ、残りの長さ約２５ｍｍが窒化アルミニウム基板１１に直接接合されている。接合後、この銅板１２ｂの垂直方向に折り曲げられた部分を引っ張り試験機の挟持部で挟持させ、窒化アルミニウム基板１１を固定した状態で窒化アルミニウム基板１１に対して垂直方向に引っ張って、窒化アルミニウム基板１１と銅板１２ｂの接合体の接合強度を測定した。実施例１〜実施例６、及び従来例の接合体について、それぞれを比較することができる接合強度の測定結果を表１に示す。
【００１８】
【表１】
2004269314.tif 000003
【００１９】
窒化アルミニウム基板に表面処理を行わない従来例の接合強度に比較して、窒化アルミニウム基板に表面処理を行った実施例１〜実施例６の接合強度は、何れも従来例よりも大きな接合強度を有することが確認できた。窒化アルミニウム基板をフッ化水素溶液で表面処理したものについては、フッ化水素溶液中の浸漬時間が１時間を超える実施例２〜実施例５のものが好ましい。この中でも、接合強度が最も高いのは、浸漬時間が６時間程度の実施例３のもので、それを過ぎると接合強度が低下するので、製造コストを考慮すると浸漬時間は２４時間程度までが好ましい。また、実施例６の窒化アルミニウム基板を過マンガン酸カリウム溶液で表面処理したものについては、従来例に比較して２倍近い接合強度が得られることが確認できた。
【００２０】
【発明の効果】
請求項１とこれに従属する請求項２又は３記載の窒化アルミニウム基板と銅板の接合体は、窒化アルミニウム基板の少なくとも銅板との接合表面が酸化処理を行う前の窒化アルミニウム基板の接合表面に酸素を供給し易くできるための化学表面処理液で表面処理が施されているので、窒化アルミニウム基板の接合表面が酸化され易い表面に仕上げられて、接合体の接合強度を向上させることができ、安価で、接合信頼性の高い接合体を得ることができる。
【００２１】
特に、窒化アルミニウム基板と銅板の接合体は、表面処理がフッ化水素溶液で行われているので、窒化アルミニウム基板の表面に析出している助剤成分が容易に除去でき、酸化処理を行うための酸素が供給し易くなり、接合体の接合強度を向上できて、安価で、接合信頼性の高い接合体を得ることができる。
【００２２】
特に、窒化アルミニウム基板と銅板の接合体は、表面処理が過マンガン酸カリウム溶液で行われているので、窒化アルミニウム基板の表面を焼成して酸化処理を行うための酸素を供給し易い状態にすることができると考えられ、接合体の接合強度を向上させることができ、安価で、接合信頼性の高い接合体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係る窒化アルミニウム基板と銅板の接合体のＡ−Ａ’線縦断面図、上面側平面図である。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態及び従来例に係る窒化アルミニウム基板と銅板の接合体の接合強度測定方法の説明図である。
【図３】（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ従来例の窒化アルミニウム基板と銅板の接合体の説明図である。
【符号の説明】
１０、１０ａ：窒化アルミニウム基板と銅板の接合体、１１：窒化アルミニウム基板、１２、１２ａ、１２ｂ：銅板、１３：回路パターン
【図１】
2004269314.tif 000004
【図２】
2004269314.tif 000005
【図３】
2004269314.tif 000006