(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化アルミニウム又は窒化珪素を主体とするセラミック体と銅板とを、金属成分として、銀５０〜６０．６％、銅１８．５〜２５％、ビスマス０．０７〜０．５％、錫１４．３％以下であり、チタン、ジルコニウム及びハフニウムから選ばれた少なくとも１種の活性金属１０〜２０％を含んでなるろう材を介して積層し、それを１．０ＭＰａ以上の圧力で加圧しながら、酸素濃度１００〜１０００ｐｐｍの窒素雰囲気下、昇温速度及び降温速度を５．５℃／分以上にして接合することを特徴とするセラミック体と銅板の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーモジュールに使用される回路基板の製造に好適なセラミック体と銅板との接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ロボット・モーター等の産業機器の高性能化にともない、大電力・高効率インバーター等大電力モジュールの変遷が進み、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とられてきた。最近では、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り、その表裏両面に銅板等の金属板を接合し、エッチングによって一方の面に金属回路、他方の面に放熱金属板を形成させた後、そのままあるいはメッキ等の処理を施し、金属回路部分に半導体素子を実装し、反対面をベース銅板と半田付けし、ヒートシンクに取り付けて使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
当該分野における今日の課題は、これまでと同等又はそれ以上の高信頼性回路基板を低コストで生産することである。その一方法として、最もコストがかかる回路基板の接合工程を、活性金属ろう付け法を用いる高真空下の熱処理から窒素雰囲気下の焼成に変更することが考えられるが、この場合、窒素雰囲気中に存在する微量な酸素が活性金属と結びつき、縁部が十分に接合しない問題があった。そのため、回路基板に供するにはその接合不良部分を含めた大幅な切り落としが必要となり甚だ不経済であった。
【０００４】
本発明の目的は、上記に鑑み、高信頼性回路基板を低コストで製造することである。本発明の目的は、セラミック体と銅板との接合を、活性金属ろう付け法を用いる高真空下の熱処理から窒素雰囲気下の焼成に変更するべき接合ろう材等の諸条件を適正化することによって達成することができる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、窒化アルミニウム又は窒化珪素を主体とするセラミック体と銅板とを、金属成分として、銀５０〜８９％、銅１〜３０％、ビスマス０．０５〜０．７％、チタン、ジルコニウム及びハフニウムから選ばれた少なくとも１種の活性金属１０〜３０％を含んでなるろう材を介して積層し、それを１．０ＭＰａ以上の圧力で加圧しながら、酸素濃度１００〜１０００ｐｐｍの窒素雰囲気下、昇温速度及び降温速度を５．５℃／分以上にして接合することを特徴とするセラミック体と銅板の接合方法である。ろう材が更に錫０．５〜３０％を含有してなることが好ましい。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、更に詳しく本発明を説明すると、本発明の特徴は、ろう材の金属成分組成、加圧接合、接合雰囲気、接合時間の諸条件を適正化して、高真空下の熱処理から窒素雰囲気下の焼成に変更したことである。これによって、接合強度（ピール強度）を落とさず（１００Ｎ／ｃｍ以上）に、縁部（特に沿面距離が３ｍｍ以内の縁部）の未接合部分を軽減させることが可能となる。
【０００７】
本発明で用いられるろう材において、金属成分の合計中、銀が８９％超となると、銀とその他ろう材成分の金属間化合物の生成量が増大して接合層が脆弱なものとなり、機械的強度の信頼性が大きく低下する。また、５０％未満となると、ろう材の銅板に対する濡れ性が低下し、接合層中にボイドが形成されて接合強度が低下する。
【０００８】
銅が１％未満ではろう材の融点が著しく上がり、ろう材の濡れ性が悪くなる。３０％を超えると、銅とその他ろう材成分の金属間化合物の生成量が増大して接合層が脆弱なものとなり、機械的強度の信頼性が大きく低下する。
【０００９】
ビスマスが０．０５％未満では、昇温時に気化したビスマスが十分に雰囲気中の酸素と反応しきれず、縁部の接合不良が改善されない。また、０．７％を超えると、気化せずに残ったビスマスが他のろう材成分と金属間化合物を作り、接合層が脆弱なものとなり、機械的強度の信頼性が大きく低下する。
【００１０】
活性金属としては、ジルコニウムが好ましい。活性金属が１０％未満では、セラミック体と接合層との接合強度が弱く、また３０％を超えると、接合層が脆弱なものとなり、機械的強度の信頼性が低下する。
【００１１】
本発明において、活性金属はセラミック体に拡散し、ビスマスは、他の金属成分に比較して蒸気圧が高いので、蒸気化したビスマスは回路基板縁部まで行き渡り、活性金属とセラミックスの接合を阻害する雰囲気中の微量な酸素と結びつき、回路基板縁部の接合不良を改善する。
【００１２】
本発明で使用されるろう材には、更に錫が０．５〜３０％含有されていることが好ましい。錫は、銀成分や銅成分のろう材と銅板との濡れ性を高め、またろう材の金属成分の酸化抑制作用とろう材の融点降下作用として機能するので、高真空下の焼成でなくても極微量酸素を含む窒素雰囲気下の焼成によって、セラミック体と銅板とがより一段と強固に接合させることができる。錫が０．５％未満ではこのような効果は認められず、また３０％を超えると、銅と錫の金属間化合物の生成量が増大して接合層が脆弱なものとなり、機械的強度の信頼性が低下する恐れがある。
【００１３】
ろう材の金属成分は、それら単体又は合金の箔や粉末をそのまま用いることができるが、好ましくはペーストを調合し、それをセラミック体と銅板との間に介在させることである。ペースト調合の一例を示せば、金属成分１００部あたり、ポリイソブチルメタアクリレート（ＰＩＢＭＡ）等の媒体４〜１０部である。ペーストの塗布量は、乾燥基準で９〜１０ｍｇ／ｍ2 とすることが好ましい。ペーストはセラミック体及び／又は銅板に塗布される。
【００１４】
ろう材を挟んだセラミック体と銅板の積層体は、圧力１．０ＭＰａ以上で加圧しながら焼成される。加圧力が１．０ＭＰａ未満であると、ろう材が雰囲気に曝される隙間が大きくなるため、接合が不十分となる。加圧力の上限は２ＭＰａ程度である。
【００１５】
接合雰囲気は、酸素濃度１００〜１０００ｐｐｍの窒素雰囲気である。酸素濃度が１０００ｐｐｍ超であると、基板縁部の酸化が顕著となり、接合不良を起こす。また、１００ｐｐｍ未満では、活性金属の酸化は抑えられ、良好な接合状態が得られるが、気化したビスマスが回路銅板表面に回り込み、ロウ材しみ出し不良が発生してしまう。
【００１６】
接合は、例えば温度７５０〜９００℃で０．５〜２時間保持して行われる。７５０℃未満では接合が十分でなく、また９００℃を超えると、銀や錫の銅板への拡散が過度となり、接合層が脆弱なものとなる。この温度範囲における保持時間が０．５時間よりも短いと接合が不十分となり、また２時間よりも長くなると、同様に銀や錫の銅板への拡散が過度となり、接合層が脆弱なものとなる。
【００１７】
本発明においては、昇温開始から７５０℃までの昇温速度と、７５０℃から室温等の取り出し温度までの冷却速度が、いずれも５．５℃／分以上にして行われる。昇温速度が５．５℃／分未満であると、ろう材が酸化されてしまい、接合が不十分となる。また、冷却速度が５．５℃／分未満であると、６００℃以上の温度範囲において、ろう材のＡｇやＳｎ等の成分が銅板側へ拡散してしまうため、基板としての信頼性が低下する。また、６００℃よりも低温域において冷却速度が遅いことは生産性の向上につながらない。
【００１８】
本発明で用いられるセラミック体は、窒化アルミニウム又は窒化珪素を主体とするものである。窒化アルミニウムを主体とするものとしては、強度と熱伝導率純度が４００ＭＰａ以上、１５０Ｗ／ｍＫ以上、９３％以上であることが好ましく、また窒化珪素を主体とするものとしては強度と熱伝導率純度が６００ＭＰａ以上、５０Ｗ／ｍＫ以上、９３％以上であることが好ましい。これらのセラミック体には、市販品があるのでそれを用いることができる。
【００１９】
本発明で用いられる銅板は、無酸素銅板、特に酸素量が５０ｐｐｍ以下、特に３０ｐｐｍ以下の無酸素銅板であることが好ましい。
【００２０】
本発明によって製造される接合体は、接合層の厚みが８〜１３μｍであることが好ましい。接合層の厚み８μｍ未満であると接合が不十分となり、また１３μｍを超えると、銅と錫の金属間化合物の生成量が増大し、接合層が脆弱なものとなる。接合層の厚みは、ろう材厚みによって容易に調節することができる。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明を実施例、比較例をあげて具体的に説明する。なお、本明細書に記載の「％」、「部」はいずれも質量基準である。
【００２２】
実施例１〜１２  比較例１〜１５
銀粉末（１．１μｍ、９９．３％）、銅粉末（１４．１μｍ、９９．８％）、錫粉末（５．０μｍ、９９．９％）、ジルコニウム粉末（５．５μｍ、９９．９％）、ビスマス粉末（最大粒径７５μｍ、９９．９％）を表１の割合で配合し、ポリイソブチルメタアクリレートのテルピネオール溶液を加えて混練し、金属成分７１．４％を含むろう材ペーストを調製した。
【００２３】
このろう材ペーストを窒化アルミニウム基板（サイズ：６０ｍｍ×３６ｍｍ×０．６５ｍｍ、曲げ強さ：５００ＭＰａ、熱伝導率：１５５Ｗ／ｍＫ、純度９５％以上）又は窒化珪素基板（サイズ：５７ｍｍ×３４ｍｍ×０．６５ｍｍ、曲げ強さ：７００ＭＰａ、熱伝導率：７０Ｗ／ｍＫ、純度９２％以上）の両面にロールコーターによって全面に塗布した。その際の塗布量は乾燥基準で９ｍｇ／ｃｍ2 とした。
【００２４】
つぎに、セラミック体の銅回路形成面に５６ｍｍ×３２ｍｍ×０．３ｍｍの無酸素銅板（酸素量１０ｐｐｍ）を、また放熱銅板形成面に５６ｍｍ×３２ｍｍ×０．１５ｍｍの無酸素銅板（酸素量１０ｐｐｍ）を接触配置してから、表１、表２に示される酸素濃度の窒素雰囲気下で、接合温度、接合時間、酸素濃度、昇温速度、降温速度、接合圧力を表１、表２のように変化させ接合を行った。そして、銅回路形成面には所定形状の回路パターンを、放熱銅板形成面に放熱板パターンを形成させるように、レジストインクをスクリーン印刷してから銅板と接合層のエッチングを行い、無電解Ｎｉ−Ｐメッキ（厚み３μｍ）を行って回路基板を作製した。
【００２５】
得られた回路基板のピール強度と、縁部の未接合距離を測定した。それらの結果を表２に示す。
（１）ピール強度：無酸素銅板とセラミック体との接合強度をシンポ工業社製プッシュプルゲージ「ＤＦＧ−２０ＴＲ」を用いて測定した。
（２）縁部の未接合距離：塩化第二鉄及びチオ硫酸ナトリウムを用いて接合された銅板を除去して接合層をむき出しにし、セラミック体端部から接合層までの距離を測定した。
【００２６】
【表１】
0004812985.tif 000002
【００２７】
【表２】
0004812985.tif 000003
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、窒化アルミニウム又は窒化珪素を主体とするセラミック体と銅板との接合を、窒素雰囲気下の焼成によって、接合強度を維持しつつ、縁部の未接合部分を著しく軽減させて行うことができる。