(57)【要約】【課題】セラミックス基板と金属箔からなる接合体の生産性を高めること。【解決手段】有機系接着剤を用いて張り合わされた金属箔とろう材合金箔との積層物を、有機系接着剤を介して、セラミックス基板の片面又は両面に、その積層物のろう材合金箔面とセラミックス基板面とを重ねて積層構造体とした後、それを熱処理することを特徴とする接合体の製造方法である。【選択図】　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機系接着剤を用いて張り合わせられた金属箔とろう材合金箔との積層物を、有機系接着剤を介して、セラミックス基板の片面又は両面に、その積層物のろう材合金箔面とセラミックス基板面とを重ねて積層構造体とした後、それを熱処理することを特徴とする接合体の製造方法。
【請求項２】
次の工程１〜３を経由することを特徴とする接合体の製造方法。
工程１：金属箔とろう材合金箔とを有機系接着剤を用いて張り合わせ、それを圧延機に通過させて金属箔とろう材合金箔からなる帯状積層物を製造する工程。
工程２：上記帯状積層物を所用寸法に打抜き、それを、上記有機系接着剤と同様の接着剤を介して、セラミックス基板の片面又は両面に、上記帯状積層物のろう材合金箔面とセラミックス基板面とを重ねて配置し、積層構造体を製造する工程。
工程３：上記積層構造体を非酸化性雰囲気の高温化に保持された、予加熱部、仮接合部、拡散部を有する接合炉内へ搬送させて、金属箔とセラミックス基板との接合体を製造する工程。
ここで、「予加熱部」とは、ろう材合金箔の融点より低い温度に保持された領域であり、「仮接合部」とは、ろう材合金箔の融点以上の温度領域で上記積層構造体を加圧しながら、ろう材成分とセラミックス基板とを反応させる領域であり、「拡散部」とは、ろう材合金箔の融点以上の温度領域で上記積層構造体の加圧を解いて、ろう材成分を金属箔へ拡散させる領域である、と定義される。
【請求項３】
有機系接着剤が、ポリイソブチルメタクリル酸のトルエン溶液又はポリイソブチルメタクリレートのテルピネオール溶液であり、セラミックス基板が窒化アルミニウム製又は窒化珪素製であり、金属箔がＡｌ製又はＡｌ合金製であり、ろう材合金箔がＡｌとＣｕを主成分とするものであることを特徴とする請求項１又は２記載の接合体の製造方法。
【請求項４】
積層構造体の予加熱部における通過速度が０．１〜１０ｍｍ／ｓｅｃであり、仮接合部の雰囲気温度が６００〜６５０℃、積層構造体の仮接合部における通過速度が０．１〜１０ｍｍ／ｓｅｃ、加圧が１ＭＰａ以上のロール加圧であり、積層構造体の拡散部における通過速度が０．１〜１０ｍｍ／ｓｅｃであることを特徴とする請求項２又は３記載の接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回路基板として好適な接合体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、パワーモジュール等に利用される半導体装置においては、アルミナ、ベリリア、窒化ケイ素、窒化アルミニウム等のセラミックス基板の表裏面に、Ｃｕ、Ａｌ、それらの金属を成分とする合金等の回路と放熱板とがそれぞれ形成されてなる回路基板が開発され（特許文献１）、実用化されている。Ａｌ回路基板は、Ｃｕ回路基板よりも熱履歴に対する信頼性が高いので、自動車用途等の高信頼性基板の用途として検討されているが、製造が複雑でコスト高となることが、広く普及しない理由となっている。
【０００３】
【特許文献１】
米国特許第５，３５４，４１５号明細書
【特許文献２】
特開平２００１−０８５８０８号公報
【特許文献３】
特開平１１−６０３４３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
セラミックス基板にＡｌ回路を形成するには、溶融アルミニウムをセラミックス基板に接触・冷却して両者の接合体を製造した後、機械研磨してＡｌ板の厚みを整え、その後エッチングする溶湯法（特許文献２）があるが、この方法はＣｕ回路を形成する場合と比較して２〜５倍程度のコストがかかる。
【０００５】
一方、ろう付け法のＡｌ回路基板がＣｕ回路基板よりもコスト高となる原因は、セラミックス基板とＡｌ箔又はＡｌ合金箔の積層体に一部始終圧力を加えながら接合しなければいけないからである。加圧方法としては、黒鉛製冶具に積層体を収納し、両端面からねじ込むなどの機械的手段によって行われているが（特許文献３）、このような方法では生産性が十分に高まらない。
【０００６】
本発明の目的は、上記に鑑み、生産性の極めて高いセラミックス基板と、金属箔、特にＡｌ箔又はＡｌ合金箔からなる接合体の製造方法を提供することである。本発明の目的は、金属箔とろう材合金箔を有機系接着剤を用いて張り合わせ、それを有機系接着剤を介してセラミックス基板に配置して積層構造体となした後、熱処理することによって達成することができる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、有機系接着剤を用いて張り合わせられた金属箔とろう材合金箔との積層物を、有機系接着剤を介して、セラミックス基板の片面又は両面に、その積層物のろう材合金箔面とセラミックス基板面とを重ねて積層構造体とした後、それを熱処理することを特徴とする接合体の製造方法である。
【０００８】
また、本発明は、次の工程１〜３を経由することを特徴とする接合体の製造方法である。
工程１：金属箔とろう材合金箔とを有機系接着剤を用いて張り合わせ、それを圧延機を通過させて金属箔とろう材合金箔からなる帯状積層物を製造する工程。工程２：上記帯状積層物を所用寸法に打抜き、それを有機系接着剤を介して、セラミックス基板の片面又は両面に、上記帯状積層物のろう材合金箔面とセラミックス基板面とを重ねて配置し、積層構造体を製造する工程。
工程３：上記積層構造体を非酸化性雰囲気の高温化に保持された、予加熱部、仮接合部、拡散部を有する接合炉内へ搬送させて、金属箔とセラミックス基板との接合体を製造する工程。
【０００９】
ここで、「予加熱部」とは、ろう材合金箔の融点より低い温度に保持された領域であり、「仮接合部」とは、ろう材合金箔の融点以上の温度領域で上記積層構造体を加圧しながら、ろう材成分とセラミックス基板とを反応させる領域であり、「拡散部」とは、ろう材合金箔の融点以上の温度領域で上記積層構造体の加圧を解いて、ろう材成分を金属箔へ拡散させる領域である、と定義される。
【００１０】
本発明においては、金属箔とろう材合金箔を張り合わせるのに用いる有機系接着剤と、セラミックス基板に積層物を配置するのに用いる有機接着剤は、いずれもポリイソブチルメタクリル酸のトルエン溶液又はポリイソブチルメタクリレートのテルピネオール溶液であり、またセラミックス基板が窒化アルミニウム製又は窒化珪素製、金属箔がＡｌ製又はＡｌ合金製、ろう材合金箔がＡｌとＣｕを主成分とするものであることが好ましい。
【００１１】
さらには、積層構造体の予加熱部における通過速度が０．１〜１０ｍｍ／ｓｅｃであり、仮接合部の雰囲気温度が６００〜６５０℃、積層構造体の仮接合部における通過速度が０．１〜１０ｍｍ／ｓｅｃ、加圧が１ＭＰａ以上のロール加圧であり、積層構造体の拡散部における通過速度が０．１〜１０ｍｍ／ｓｅｃであることが好ましい。
【００１２】
【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。
【００１３】
本発明で用いられる金属箔の材質は、Ｃｕ箔、Ｃｕ合金箔、Ａｌ箔、Ａｌ合金箔等であるがＡｌ箔又はＡｌ合金箔が好適である。これには、１０００系の純Ａｌは勿論のこと、接合が容易な４０００系のＡｌ−Ｓｉ系合金や、６０００系のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金等が例示できる。中でも、圧延率１０％以上の高純度Ａｌ箔（純度９９．８５％（質量％、以下同じ））が好ましく、これには１０８５、ＩＮ８５材の市販品がある。また、９９．９％（３Ｎ）品、９９．９９％（４Ｎ）品もそれほど高価ではないので使用可能である。金属箔は、単体でもよく、二種又は三種以上のクラッド等の積層体であってもよい。積層体の例を挙げれば、Ａｌ−Ｎｉ、Ａｌ−Ｎｉ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｍｏ、Ａｌ−Ｍｏ、Ａｌ−Ｗ、Ａｌ−Ｃｕなどである。
【００１４】
金属箔の厚みは、０．１〜０．５ｍｍ、特に０．２〜０．６ｍｍであることが好ましい。とくに、回路基板の熱応力による反りやうねりをなくし、半田クラック等による損傷、ボンディングワイヤやメッキの剥離防止を高度にするため、裏面金属箔（放熱板）に対する表面金属箔（回路）の体積比（回路体積／放熱板体積）を１に近づけることが望ましく、０．８０〜１．２、特に０．８５〜１．１５、更には０．９〜１．１とすることが好ましい。なお、放熱板の厚みは、回路の厚みと同等以下とするのが好ましい。Ａｌ回路の体積は、回路面積と回路厚みを乗じることによって、また放熱板の体積は放熱板面積と加熱版厚みを乗じることによって算出することが出来る。金属箔の形状について限定はないが、請求項２に関連する発明においては帯状である。
【００１５】
本発明で用いられるろう材合金箔の成分は、ＡｌとＣｕを主成分とするものが好ましく、例示すればＣｕ１〜６％、特に１．５〜５％のＡｌ−Ｃｕ箔合金、４％Ｃｕと０．５％Ｍｇとを含む２０１８合金箔、０．５％のＭｎを含む２０１７合金箔、更にはＪＩＳ合金の２００１、２００３、２００５、２００７、２０１１、２０１４、２０２４、２０２５、２０３０，２０３４，２０３６，２０４８，２０９０，２１１７，２１２４，２２１８，２２２４，２３２４，７０５０等の合金箔である。Ｍｇ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｂｉ等の第三成分は合計で５％まで含ませることができる。
【００１６】
Ａｌ−Ｃｕ合金箔又はこれに第三成分の付加された合金において、Ｃｕが１％未満では、接合温度を高めなければならなくなるので量産化には不利となり、また６％超では、接合後のろう材の拡散部が特に硬くなってＡｌ回路の信頼性が低下する恐れがある。特に好ましいろう材合金箔は、Ａｌ８６％以上、Ｃｕ１〜６％、Ｍｇ３％以下（０％を含まず）、特に０．２〜２．０％である。
【００１７】
ろう材合金箔の厚みは、上記金属の厚みに対して１／１０〜１／５０の厚みであることが好ましい。１／５０未満の厚みでは、十分な接合が難しくなり、また１／１０超ではＡｌ回路が硬くなる。特に好ましくは、１００μｍ以下の厚みであって、しかも金属箔の厚みに対して１／１２〜１／１４の厚みである。これは、金属箔の厚みが０．４〜０．６ｍｍである場合、１０〜５０μｍ厚、特に１５〜３０μｍ厚が好適となることを意味している。ろう材合金箔の形状については限定はないが、請求項２に関連する発明においては帯状である。
【００１８】
金属箔とろう材合金箔との積層物とするのに用いる有機系接着剤としては、水系あるいは非水系有機溶剤のどちらでも可能であるが、好ましくはポリイソブチルメタクリレート、ポリビニルアルコール等を媒質とした粘度３．０〜０．１Ｐａ・ｓｅｃ溶液である。特に好ましくは、ポリイソブチルメタクリレート１０〜５０質量％のトルエン溶液、ポリイソブチルメタクリレート１０〜８０質量％のテルピネオール溶液などである。このような有機系接着剤を用いることによって、熱処理時にズレが生じず、また３５０℃以上では残留炭素が５０ｐｐｍ以下となるので、接合体になったときに、金属箔とろう材合金箔間の残炭素の存在は無視できる。有機系接着剤は、金属箔、ろう材合金箔、又はその両方の接合面の全面に塗布されていることが好ましい。
【００１９】
上記積層物は、セラミックス基板に配置する際に、圧延機を通す等によって圧延処理が施されていることが更に好ましい。圧延機としては、ヒーター付属の複数のロールを有したものが好ましく、そのロール間に積層物を通すことによって、接着剤の乾燥と両箔の仮接着を行うことができる。ロール温度１００〜１３０℃、ロール回転による搬送速度０．１〜１０ｍｍ／ｓｅｃを一例としてあげることができる。
【００２０】
上記積層物は、次いで上記有機系接着剤と同種の有機系接着剤を介し、ろう材合金箔面とセラミックス基板面とを一致させて配置して積層構造体とする。有機系接着剤は、セラミックス基板、ろう材合金箔、又はその両方の接合面の全面に塗布されていることが好ましい。
【００２１】
本発明で使用されるセラミックス基板は、窒化アルミニウム製又は窒化ケイ素製であることが好ましい。炭化ケイ素、酸化ベリリウム等のセラミックス基板では、絶縁性と安全性の点で劣る。セラミックス基板の熱伝導率は、高信頼性が求められるパワーモジュールに使用されることを考えれば、少なくとも７０Ｗ／ｍＫ以上、特に１３０Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。なかでも、表面のＣｕ−Ｋα線によるエックス線回折ピーク強度比が、２≦Ｙ２Ｏ３・Ａｌ２Ｏ３×１００／ＡｌＮ≦１７、かつ２Ｙ２Ｏ３・Ａｌ２Ｏ３×１００／ＡｌＮ≦２を有する窒化アルミニウム基板が好適である。
【００２２】
このような窒化アルミニウム基板は、レーザー回折散乱法で測定された１００μｍ以上の粗大粒子を１〜１０％と１μｍ以下の微粒子を１０〜５０％を含んでいる窒化アルミニウム粉末原料を持い、窒化アルミニウム粉末原料中のＡｌ２Ｏ３とＹ２Ｏ３分の組成比等を適正化することによって製造できる。例えば、２Ｙ２Ｏ３・Ａｌ２Ｏ３が多い場合にはＡｌ２Ｏ３分を増やせばよいので酸素量の多い窒化アルミニウム原料粉末を用いるか、又はＡｌ２Ｏ３を添加して、Ｙ２Ｏ３分を減らして焼結する。一方、Ｙ２Ｏ３・Ａｌ２Ｏ３が多い場合には、Ｙ２Ｏ３の添加量を減らすか、焼成温度を下げる。脱バインダーを空気中で行えばＡｌ２Ｏ３分を増加させることができる。
【００２３】
焼結助剤としてはイットリア、アルミナ、マグネシア、希土類酸化物等の粉末を窒化アルミニウム粉末原料に０．５〜１０％内割配合される。成形は、ブチラールやメチスセルロース等の有機バインダーを用いて行われ、焼結は脱バインダー後、窒素、アルゴン等の非酸化性雰囲気中、温度１７００〜１９００℃で１〜１２時間程度保持して行われる。
【００２４】
セラミックス基板の厚みは、通常０．６３５ｍｍであるが、要求特性によって変えることが出来る。たとえば、高電圧での絶縁性があまり重要ではなく熱抵抗が重要である場合は、０．５〜０．３ｍｍの薄い板を用いることができ、逆に高電圧での絶縁耐圧や部分放電特性が重要である場合には、１〜３ｍｍの厚板が用いられる。広さは、縦２０〜２００ｍｍ、横２０〜２００ｍｍが例示される。
【００２５】
その後、積層構造体は熱処理されて接合体となる。熱処理条件は、窒素ガスやアルゴンガス等の非酸化性ガス雰囲気下、雰囲気の最高温度５５０〜６４０℃、０．５〜３時間保持することによって行うことができる。
【００２６】
つぎに、請求項２の発明とそれに関連する発明について説明する。これらの発明でも上記した材料が用いられる。
【００２７】
この発明においては、有機系接着剤を用いて金属箔とろう材合金箔を張り合わせ、圧延機を通して帯状積層体とする。たとえば、金属箔とろう材合金箔の巻物から各帯状物を引き出し、有機系接着剤を滴下しながら、圧延機に搬入しそこから搬出することによって行う。有機系接着剤の塗布は、例えばチューブディスペンサーを用い、滴下温度２０〜２８℃、滴下量５０〜３００マイクロリットル、帯状積層体の帯幅の中心部に滴下し、滴下間隔は３０〜１００ｃｍであることが好ましい。
【００２８】
得られた帯状積層体は、例えば打抜き金型を有したプレス機を用いて、帯状積層体のろう箔面から行い、所定の寸法に打抜かれる。その寸法の一例を示せば、幅０．５〜１０インチ、長さ０．５〜１０インチである。プレス圧は荷重０．５〜１０トンが好適である。この打ち抜かれた積層物のろう合金箔面を、有機系接着剤を介し、セラミックス基板の片面又は両面に、好ましくは１〜３ＭＰａの応力を付加して重ねることによって積層構造体となる。
【００２９】
ついで、積層構造体は熱処理される。用いる接合炉は、予熱部、仮接合部、拡散部を有し、窒素、アルゴン、水素、炭酸ガス等の非酸化性ガス、好ましくは酸素濃度１０％以下、特に好ましくは酸素濃度５０ｐｐｍ以下の非酸化性ガスを流通させ、所定の非酸化性雰囲気に保持されている。積層構造体の接合炉への搬送には、積層構造体上下面に接触するベルトやローラー等が用いられる。
【００３０】
予熱部は、接合炉の入り口からろう材合金箔の融点までの領域を占め、その後、接合炉出口までの領域が仮接合部と拡散部とになる。具体的には、予熱部の雰囲気温度は、室温〜ろう材合金箔の融点よりも１０℃低い温度、仮接合部と拡散部の雰囲気温度は６００〜６５０℃であり、拡散部の温度は仮接合部よりも１０〜３０℃低いことが好ましく、そのためのヒーターは予熱部、仮接合部、拡散部に設置されるのが好適である。また、予熱部、仮接合部、拡散部の通過時間は、それぞれ３０秒〜１０分、５秒〜５分、５分〜１８０分であることが好ましく、特に仮接合部は０．１〜１０ｍｍ／ｓｅｃの速度で通過させることが好ましい。０．１ｍｍ／ｓｅｃよりも遅いと、ろう材合金箔の金属箔への拡散が進みすぎ、回路の信頼性を損なう恐れがある。また、１０ｍｍ／ｓｅｃよりも速いと接合反応が不十分となる。
【００３１】
重要なことは、仮接合部では積層構造体が加圧されるが、拡散部ではその加圧が解除されることである。積層構造体の加圧は、上下面からのプレス又は多段ロール間に通すことによって行われる。プレス又は多段ロールは、ろう材合金の溶融温度以上に加熱されていることが好ましい。また、加圧力は１ＭＰａ以上であることが好ましく、１ＭＰａ未満であると、ろう材合金箔とセラミックス基板の密着が確保できず、接合不良となる。好ましい加圧力は１〜７ＭＰａである。プレス又は多段ロールの材質は、金属や、アルミナ、窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化ホウ素、サイアロン等のセラミックスでもよいが、熱変形のしにくい窒化ケイ素と窒化ホウ素との複合焼結体が特に好ましい。
【００３２】
拡散部では、金属箔とセラミックス基板間の接合強度を確保するために、ろう材成分の一部の金属成分を金属箔中に拡散させることが必要である。たとえば、金属箔がＡｌで、ろう材合金箔成分がＡｌ−Ｃｕ系である場合、Ａｌ中にＣｕを拡散させる。拡散距離は５０〜１００μｍであることが好ましい。この工程を経て、積層構造体が、金属箔とセラミックス基板からなる接合体となる。
【００３３】
本発明によって製造された接合体から回路基板を製造するには、常法に従い、接合体の不要な金属箔と接合層をエッチングによって除去した後、必要に応じてメッキが施される。レジストインクとしては、ＵＶ硬化、アルカリ剥離型が用いられ、不要な金属箔と接合層の除去には、過酸化水素水およびフッ素化合物の混合溶液が好適に用いられる。
【００３４】
本発明によって製造された接合体から回路基板を製造するには、常法に従い、接合体の不要な金属箔と接合層をエッチングによって除去した後、必要に応じてメッキが施される。レジストインクとしては、ＵＶ効果やアルカリ剥離型が用いられ、不要な金属箔と接合層の除去には、過酸化水素水およびフッ素化合物の混合溶液が好適に用いられる。
【００３５】
【実施例】
以下、実施例、比較例をあげて更に具体的に本発明を説明する。
【００３６】
実施例１
有機系接着剤（ポリイソブチルメタクリル酸３０質量％のトルエン溶液）をディスペンサー用い、温度２５℃下、一回の滴下量１５０マイクロリットルとして、１５秒間隔毎にＡｌ箔の帯幅の中心部へ滴下した後、温度１１０℃、搬送スピード１１ｍｍ／ｓｅｃの条件で圧延を行い、０．４００ｍｍ厚のＡｌ箔と０．０２厚のろう材合金箔からなる０．４２ｍｍ厚の帯状積層体を製造した。これを幅５インチ、長さ７インチに打抜き、上記と同じ有機系接着剤を用い、帯状積層体のろう材合金箔面と窒化アルミニウム基板（０．５ｍｍ厚、幅５インチ、長さ７インチ、熱伝導率１７０Ｗ／ｍＫ、曲げ強さ４００ＭＰａ）面を１ＭＰａの応力を付与して重ね、窒化アルミニウム基板の両面に帯状積層体を接着して積層構造体を製造した。
【００３７】
この積層体構造体を、その上下面に接触する０．４ｍｍ厚のＳＵＳ（４０３材）の搬送ベルトにのせ、搬送速度０．５ｍｍ／ｓｅｃで接合炉に搬入し、窒素雰囲気下、酸素濃度５０ｐｐｍ、予熱部温度５７０℃とその通過時間５分、仮接合部温度６００℃とその通過時間５分、仮接合圧力３ＭＰａ、拡散部温度６２０℃とその通過時間５０分を経させて接合体を製造した。
【００３８】
得られた接合体のアルミニウム回路形成面（表側）には所定形状の回路パターンを、放熱アルミニウム板形成面（裏側）に放熱板パターンを形成させるように、ＵＶ硬化型レジストインクをスクリーン印刷で塗布後、ＵＶランプを照射させてレジスト膜を硬化させ、Ａｌ板と接合層をＦｅＣｌ３液でエッチングを行い、３μｍ厚の無電解Ｎｉ−Ｐメッキを施し、回路基板を作製した。
【００３９】
その後、−４０℃、３０分→室温、１０分→１２５℃、３０分→室温、１０分を１サイクルとして３０００サイクルの熱履歴試験を実施し、膨れ、剥がれ等の外観確認、断面観察による半田クラックの発生の有無を調べ、更には回路基板の回路部分を溶解し、インクテストによるクラックの発生の有無を測定した。それらの結果を表１に示す。
【００４０】
実施例２
窒化アルミニウム基板の代わりに窒化ケイ素基板（厚み０．６３５ｍｍ、幅５インチ、長さ７インチ、熱伝導率７０Ｗ／ｍＫ、曲げ強さ８００ＭＰａ）を用いたこと以外は、実施例１と同様にして接合体を製造した。これを用いて回路基板を作製し、ヒートサイクル試験を行った。その結果を表１に示す。
【００４１】
比較例１
窒化アルミニウム基板の表裏両面に、その基板と同一寸法（幅５インチ、長さ７インチ）に加工された接合材（Ａｌ−２０１７材の合金箔：厚さ１０μｍを介して、それと同一寸法のＡｌ板（表裏共厚さ、０．４ｍｍ）を重ねた積層体を２ｍｍ厚のＣ−Ｃコンポジット板に挟み、酸素濃度５０ｐｐｍの窒素雰囲気中、ホットプレス装置により、窒化アルミニウム基板に垂直方向に均等に３ＭＰａで加圧しながら６２０℃、２．５時間加熱した。これを用いて回路基板を作製し、ヒートサイクル試験を行った。その結果を表１に示す。
【００４２】
【表１】
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【００４３】
表１から、本発明の実施例１、２は、比較例１に比べて接合工程の所要時間が極めて短いにも拘わらず、比較例１と同等性能の回路基板を製造できたことが分かる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明の製造方法によれば、セラミックス基板と金属箔、特に窒化アルミニウム基板又は窒化珪素基板とＡｌ箔又はＡｌ合金箔からなる接合体を、生産性を極めて高めて製造することができる。