(57)【要約】【課題】超音波接合に対して優れた耐クラック性を有するセラミックス回路基板を得ること。【解決手段】セラミックス基板の両主面と金属板が、銀−銅系ろう材層を介して接合されたセラミックス回路基板であって、銀−銅系ろう材の構成が銀粉末７５〜９８質量部、銅粉末２〜２５質量部であり、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、バナジウムから選択される少なくとも一種の活性金属と錫を含み、真空度１×１０−３Ｐａ以下、接合温度７８０℃〜８５０℃、保持時間１０〜６０分で接合し、接合後のろう材層の厚み差が５０μｍより小さいことを特徴とするセラミックス回路基板であり、セラミックス基板が窒化アルミニウムからなることを特徴とするセラミックス回路基板の製造方法。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板の両主面と金属板が、銀−銅系ろう材層を介して接合されたセラミックス回路基板であって、銀−銅系ろう材の構成が銀粉末７５〜９８質量部、銅粉末２〜２５質量部で合計１００質量部とし、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、バナジウムから選択される少なくとも一種の活性金属と錫を含み、真空度１×１０−３Ｐａ以下、接合温度７８０℃〜８５０℃、保持時間１０〜６０分で接合し、接合後のろう材層の厚み差が５０μｍより小さいことを特徴とするセラミックス回路基板の製造方法。
【請求項２】
接合後のろう材層の厚み差が１５μｍ未満であることを特徴とする請求項１記載の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からなることを特徴とする請求項１または２記載のセラミックス回路基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波接合に対して優れた耐クラック性を有するセラミックス回路基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電鉄、車両、産業機械向けといった高電圧、大電流動作を必要とするパワーモジュールには、セラミックス回路基板上に半導体素子が接合されたものが搭載されている。セラミックス回路基板から外部に出力を取り出すには、銅電極を設け、これをセラミックス回路基板の外側にはみ出した形態で設置するのが一般的である。
【０００３】
従来、セラミックス回路基板と銅電極の接合は半田が使用されてきたが、パワーモジュールとして使用する際に発生する熱や振動により半田クラックが発生し、信頼性が低下する問題があった。このため、金属回路板と銅電極を直接接合する超音波接合が用いられるようになってきた。超音波接合は、銅電極をセラミックス基板に対し垂直方向に荷重を掛けながら、水平方向に超音波振動を付与することにより回路基板の銅板と銅電極を一体化する手法である。
【０００４】
セラミックス回路基板に使用されるセラミックス基板は、半導体素子の高出力化、高集積化に伴う発熱量の増加に対し、高い熱伝導率を有する窒化アルミニウム焼結体や窒化ケイ素焼結体が使用されている。特に、窒化アルミニウム基板は、窒化ケイ素基板と比較して熱伝導率が高いため、高放熱性電子部品を搭載するためのセラミックス回路基板として好適である。
【０００５】
しかし、窒化アルミニウム基板は高い熱伝導率を有する反面、機械的強度や靭性等が低いことから、超音波接合時の振動により接合部直下の窒化アルミニウム板表面にクラックが発生し、モジュールの信頼性を損なってしまうという問題があった。このようなことからセラミックス基板へのクラック発生を防止するため、以下のような提案がなされている。
【０００６】
特許文献１には、銅電極を超音波接合する位置および銅電極と金属回路板の接合強度の適正化により、セラミックス基板へのクラックの発生を防止することができるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−１６４４６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１はセラミックス回路基板そのものを改良したものでは無く、クラック発生を防止する根本的な解決策には至っていない。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑み、超音波接合に対して優れた耐クラック性を有するセラミックス回路基板を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、上記の目的を達成するために鋭意検討した結果、セラミックス回路基板の接合後のろう材層の厚み差を抑制することで超音波接合時の耐クラック性を向上できるとの知見を得たものである。
【００１１】
即ち、本発明は、セラミックス基板の両主面と金属板が、銀−銅系ろう材層を介して接合されたセラミックス回路基板であって、銀−銅系ろう材の構成が銀粉末７５〜９８質量部、銅粉末２〜２５質量部で合計１００質量部とし、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、バナジウムから選択される少なくとも一種の活性金属と錫を含み、真空度１×１０−３Ｐａ以下、接合温度７８０℃〜８５０℃、保持時間１０〜６０分で接合し、接合後のろう材層の厚み差が５０μｍより小さいことを特徴とするセラミックス回路基板の製造方法である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、超音波接合によりクラックが発生しない窒化アルミニウム回路基板を製造することが可能である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明のセラミックス回路基板に使用されるセラミックス基板としては、特に限定されるものではなく、窒化ケイ素、窒化アルミニウムなどの窒化物系セラミックス、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムなどの酸化物系セラミックス、炭化ケイ素等の炭化物系セラミックス、ほう化ランタン等のほう化物系セラミックス等で使用できる。但し、金属板を活性金属法でセラミックス基板に接合するため、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等の非酸化物系セラミックスが好適であり、更に、優れた熱伝導性の観点より窒化アルミニウム基板が好ましい。
【００１４】
本発明のセラミックス基板の厚みは特に限定されないが、１．５ｍｍを越えると熱抵抗が大きくなり、０．２ｍｍ未満では耐久性がなくなるため、０．２〜１．５ｍｍが好ましい。
【００１５】
本発明の金属板に使用する金属は、銅、アルミニウム、鉄、ニッケル、クロム、銀、モリブテン、コバルトの単体またはその合金など、活性金属法を適用できる金属であれば特に限定は無いが、特に導電性、放熱性の観点から銅が好ましい。
【００１６】
本発明の銅板の純度は、９０％以上であることが好ましく、純度が９０％より低い場合、セラミックス基板と銅板を接合する際、銅板とろう材の反応が不十分となったり、銅板が硬くなり回路基板の信頼性が低下する場合がある。
【００１７】
本発明の銅板の厚みは特に限定されないが、０．１〜１．５ｍｍのものが一般的であり、特に、放熱性の観点から０．２ｍｍ以上が好ましく、耐熱サイクル特性の観点から０．５ｍｍ以下が好ましい。
【００１８】
本発明のろう材は、ろう材中にチタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、バナジウムから選択される少なくとも一種の活性金属と錫を含有する銀−銅系ろう材で構成される。銀−銅系ろう材の組成比は、共晶組成を生成し易い組成比に設定することが好ましく、特に、回路銅板および放熱銅板からの銅の溶け込みを考慮した組成（銀粉末と銅粉末の合計１００質量部において、銀粉末が７５〜９８質量部、銅粉末が２〜２５質量部）が好適である。銀粉末の量が７５〜９８質量部以外の場合、ろう材の融解温度が上昇するため、接合時の熱膨張率差に由来する熱ストレスが増加し、耐熱サイクル性が低下し易い。
【００１９】
本発明のろう材層には接合時のろう材の溶融温度を調整するために錫を０．１〜２０質量部添加することが好ましい。０．１質量部未満ではその効果が無く、２０質量部を越えると溶融温度が低くなりすぎ、接合時にろう材が流れ出すなどの不具合が生じてしまう。
【００２０】
本発明のろう材の厚みは、乾燥基準で５〜４０μｍ が好ましい。ろう材厚みが５μｍ未満では未反応の部分が生じる場合があり、一方、４０μｍを超えると、接合層を除去する時間が長くなり生産性が低下する場合がある。塗布方法は特に限定されず、基板表面に均一に塗布できるスクリーン印刷法、ロールコーター法等の公知の塗布方法を採用することができる。
【００２１】
本発明に関わるセラミックス回路基板の接合温度は、真空度１×１０−３Ｐａ以下の真空炉で７８０℃〜８５０℃の温度であることが好ましく、より好ましくは８００℃未満である。また、その保持時間は１０〜６０分であることが望ましい。接合温度がこれより低くかったり、保持時間を短くした場合、Ｔｉ化合物の生成が十分にできないために部分的に接合できない場合があるためであり、逆に高温であったり保持時間が長すぎる場合には、接合後のろう材層の厚み差が大きくなり過ぎ超音波接合によるクラックが発生し易い。
【００２２】
本発明のセラミックス回路基板のろう材層の厚み差は、５０μｍより小さいことが好ましく、より好ましくは３５μｍ未満である。ろう材層の厚み差が大きい場合、超音波接合時に発生する応力が局所的に集中し易くなり、クラックが発生し易い。
【００２３】
接合したセラミックス回路基板に回路パターンを形成するため、金属板にエッチングレジストを塗布してエッチングする。エッチングレジストに関して特に制限はなく、例えば、一般に使用されている紫外線硬化型や熱硬化型のものが使用できる。エッチングレジストの塗布方法に関しては特に制限はなく、例えばスクリーン印刷法等の公知の塗布方法が採用できる。
【００２４】
回路パターンを形成するために銅板のエッチング処理を行う。エッチング液に関しても特に制限はなく、一般に使用されている塩化第二鉄溶液や塩化第二銅溶液、硫酸、過酸化水素水等が使用できるが、好ましいものとして、塩化第二鉄溶液や塩化第二銅溶液が挙げられる。エッチングによって不要な金属部分を除去した窒化物セラミックス回路基板には、塗布したろう材、その合金層、窒化物層等が残っており、ハロゲン化アンモニウム水溶液、硫酸、硝酸等の無機酸、過酸化水素水を含む溶液を用いて、それらを除去するのが一般的である。回路形成後エッチングレジストの剥離を行うが、剥離方法は特に限定されずアルカリ水溶液に浸漬させる方法などが一般的である。
【実施例】
【００２５】
［実施例１］
厚み０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム基板に、銀粉末（福田金属箔粉工業（株）製：ＡｇＣ−ＢＯ）９０質量部および銅粉末（福田金属箔粉工業（株）製：ＳＲＣ−Ｃｕ−２０）１０質量部の合計１００質量部に対して、チタン（（株）大阪チタニウムテクノロジーズ製：ＴＳＨ−３５０）を３．５質量部、錫（三津和薬品化学：すず粉末（−３２５ｍｅｓｈ））を３質量部含む活性金属ろう材を乾燥後の厚さが１５μｍとなるように塗布した。その後、表面に回路形成用銅板（厚さ０．３ｍｍ）を裏面に放熱板形成用銅板（厚さ０．３ｍｍ）を重ね、真空雰囲気下（６．５×１０−４Ｐａ）、８４０℃で２０分保持させることで銅板と窒化アルミニウム基板の接合体を製造した。
【００２６】
接合した回路基板を塩化銅を含むエッチング液でエッチングして回路を形成した。さらに、ろう材層をフッ化アンモニウム／過酸化水素エッチング液でエッチングし、窒化アルミニウム回路基板を作製した。
【００２７】
得られた窒化アルミニウム回路基板のろう材層の厚み差の測定、超音波接合評価および熱サイクル試験は、以下の通り実施した。
＜ろう材層の厚み差測定＞
セラミックス回路基板の中央部を１５ｍｍ幅で切断し、樹脂包埋および断面調整を行った後、ＳＥＭを用いてろう材層を観察した。ろう材層の厚み差は、接合断面を４ｍｍ間隔で３箇所を選び、各個所について接合面に水平方向に３００μｍの範囲を観察した場合の最大厚みと最小厚みの差を平均したものとする。結果を表１に示す。
＜超音波接合評価＞
１．５ｍｍ厚の銅電極材を「アドウェルズ社製ＵＰ−Ｌｉｔｅ３０００」にて、荷重１２００Ｎ、周波数２０ｋＨｚ、振幅５０μｍ、接合時間０．４秒で接合した。接合後、銅電極および回路基板の銅板をエッチングにて除去し、セラミックス基板の表面の観察を光学顕微鏡で実施した。超音波接合は３２箇所で実施し、クラックの発生率を以下の３つにランク分けした。
◎：発生率０％、○：０％＜発生率≦２０％、×：発生率＞２０％
【００２８】
［実施例２〜１０、比較例１〜４］
表１に示す条件を変えたこと以外は、実施例１と同様に行った。
【００２９】
【表１】
2017041567.tif 000002
【００３０】
上記に示すとおり、本発明によれば、セラミックス回路基板に銅電極を超音波接合にて接合する際、セラミックス基板にクラックの発生率が２０％以下に抑えて接合でき、モジュールの信頼性を向上することができるセラミックス回路基板が提供される。