(57)【要約】  銅板が窒化ケイ素セラミックス基板にホットプレス接合された後に銅板を他の物体から分離することが容易になる接合基板の製造方法を提供する。少なくともひとつの中間品が準備される。各中間品は、窒化ケイ素セラミックス基板、銅板及びろう材層を備える。ろう材層は、銅板の一方の主面と窒化ケイ素セラミックス基板との間にある。続いて、離型剤を含む被覆が、当該被覆により銅板の他方の主面が覆われるように形成される。続いて、少なくともひとつの中間品に対してホットプレスが行われる。これにより、ろう材層が、銅板を窒化ケイ素セラミックス基板に接合する接合層に変化する。また、各中間品が、窒化ケイ素セラミックス基板、銅板及び接合層を備え銅板が接合層を介して窒化ケイ素セラミックス基板に接合されている接合基板に変化する。続いて、被覆が除去される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
a) 各中間品が、窒化ケイ素セラミックス基板と、一方の主面及び他方の主面を有する銅板と、前記一方の主面と前記窒化ケイ素セラミックス基板との間にあるろう材層と、を備える少なくともひとつの中間品を準備する工程と、
b) 離型剤を含む被覆を、前記被覆により前記他方の主面が覆われるように形成する工程と、
c) 前記少なくともひとつの中間品に対してホットプレスを行い、前記ろう材層を、前記銅板を前記窒化ケイ素セラミックス基板に接合する接合層に変化させ、前記各中間品を、前記窒化ケイ素セラミックス基板、前記銅板及び前記接合層を備え前記銅板が前記接合層を介して前記窒化ケイ素セラミックス基板に接合されている接合基板に変化させる工程と、
d) 前記被覆を除去する工程と、
を備える接合基板の製造方法。
【請求項２】
前記少なくともひとつの中間品は、複数の中間品であり、
e) 工程b)の後であって工程c)の前に前記窒化ケイ素セラミックス基板の厚さ方向に前記複数の中間品を積み重ねる工程
をさらに備える請求項１の接合基板の製造方法。
【請求項３】
前記窒化ケイ素セラミックス基板は、第１の主面及び第２の主面を有し、
前記銅板は、第１の銅板であり、
前記ろう材層は、第１のろう材層であり、前記第１の銅板の一方の主面と前記第１の主面との間にあり、
前記各中間品は、一方の主面及び他方の主面を有する第２の銅板と、前記第２の銅板の一方の主面と前記第２の主面との間にある第２のろう材層と、をさらに備え、
工程b)は、前記被覆により前記第２の銅板の他方の主面がさらに覆われるように前記被覆を形成する
請求項１又は２の接合基板の製造方法。
【請求項４】
前記離型剤は、網目層状構造を有する結晶を含む
請求項１から３までのいずれかの接合基板の製造方法。
【請求項５】
前記離型剤は、窒化ホウ素粉末、黒鉛粉末、二硫化モリブデン粉末及び二酸化モリブデン粉末からなる群より選択される少なくとも１種を含む
請求項１から４までのいずれかの接合基板の製造方法。
【請求項６】
工程c)は、 前記少なくともひとつの中間品を、最高面圧が５ＭＰａ以上２５ＭＰａ以下となる面圧プロファイルにしたがって前記窒化ケイ素セラミックス基板の厚さ方向に加圧し、最高温度が８００℃以上１０００℃以下となる温度プロファイルにしたがって加熱する
請求項１から５までのいずれかの接合基板の製造方法。
【請求項７】
前記ろう材層は、銀を含む金属粉末、並びに水素化チタン粉末及び水素化ジルコニウム粉末からなる群より選ばれる少なくとも１種を含む
請求項１から６までのいずれかの接合基板の製造方法。
【請求項８】
前記ろう材層は、０．１μｍ以上１０μｍ以下の平均粒子径を有する粉末からなる活性金属ろう材を含む
請求項１から７までのいずれかの接合基板の製造方法。
【請求項９】
前記接合層は、０．１μｍ以上５μｍ以下の厚さを有する
請求項１から８までのいずれかの接合基板の製造方法。
【請求項１０】
e) 工程d)の後に前記銅板をパターニングする工程
をさらに備える請求項１から９までのいずれかの接合基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化ケイ素セラミックスは、高い熱伝導性及び高い絶縁性を有する。このため、銅板が窒化ケイ素セラミックス基板に接合された接合基板は、パワー半導体素子が実装される絶縁放熱基板として好適に用いられる。【０００３】
当該接合基板は、多くの場合は、ろう材層が銅板と窒化ケイ素セラミックス基板との間にある中間品を作製し、作製した中間品を熱処理することにより製造される。中間品が熱処理される際には、ろう材層が、銅板を窒化ケイ素セラミックス基板に接合する接合層に変化する。また、中間品が、銅板が接合層を介して窒化ケイ素セラミックス基板に接合された接合基板に変化する。【０００４】
中間品を熱処理する際に中間品に対してホットプレスを行うことも提案されている。例えば、特許文献１に記載された技術においては、接合基板が、窒化珪素基板の一方主面に接合層を介して銅板が接合された構成を有する（段落００２４−００２５）。接合基板は、窒化珪素基板の一方主面上にろう材を塗布した後にろう材の塗布面に銅板を重ね合わせ、加熱および加圧することによって得られる（段落００２４−００２５）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１８−５０６４９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
接合基板が製造される際に中間品に対してホットプレスが行われた場合は、銅板が窒化ケイ素セラミックス基板にホットプレス接合された後に銅板を他の物体から分離することが困難になる場合がある。例えば、銅板が中間品を加圧するパンチに固着し銅板をパンチから分離することが困難になる場合がある。また、複数の中間品が窒化ケイ素セラミックス基板の厚さ方向に積み重ねられた状態で複数の中間品に対してホットプレスが行われた場合は、隣接するふたつの中間品にそれぞれ備えられるふたつの銅板を互いに分離することが困難になる場合がある。【０００７】
本発明は、この問題を考慮してなされた。本発明が解決しようとする課題は、銅板が窒化ケイ素セラミックス基板にホットプレス接合された後に銅板を他の物体から分離することが容易になる接合基板の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、接合基板の製造方法に向けられる。【０００９】
少なくともひとつの中間品が準備される。各中間品は、窒化ケイ素セラミックス基板、銅板及びろう材層を備える。ろう材層は、銅板の一方の主面と窒化ケイ素セラミックス基板との間にある。【００１０】
続いて、離型剤を含む被覆が、当該被覆により銅板の他方の主面が覆われるように形成される。【００１１】
続いて、少なくともひとつの中間品に対してホットプレスが行われる。これにより、ろう材層が、銅板を窒化ケイ素セラミックス基板に接合する接合層に変化する。また、各中間品が、窒化ケイ素セラミックス基板、銅板及び接合層を備え銅板が接合層を介して窒化ケイ素セラミックス基板に接合されている接合基板に変化する。【００１２】
続いて、被覆が除去される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、銅板の他方の主面が離型剤を含む被覆に覆われた状態で、銅板が窒化ケイ素セラミックス基板にホットプレス接合される。このため、銅板が窒化ケイ素セラミックス基板にホットプレス接合された後に銅板を他の物体から分離することが容易になる。これにより、接合基板の生産性を向上することができる。【００１４】
この発明の目的、特徴、局面及び利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１実施形態の接合基板を模式的に図示する断面図である。
【図２】第１実施形態の接合基板の製造の流れを示すフローチャートである。
【図３】第１実施形態の接合基板の製造中に得られる被処理物、及び第１実施形態の接合基板の製造に使用されるホットプレス装置を模式的に図示する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
１  接合基板
図１は、第１実施形態の接合基板を模式的に図示する断面図である。
【００１７】
図１に図示される第１実施形態の接合基板１００は、窒化ケイ素セラミックス基板１１０、銅板１１１、接合層１１２、銅板１１３及び接合層１１４を備える。接合基板１００がこれらの要素以外の要素を備えてもよい。銅板１１１及び接合層１１２の組、並びに銅板１１３及び接合層１１４の組の片方の組が省略されてもよい。
【００１８】
銅板１１１及び１１３は、それぞれ接合層１１２及び１１４を介して窒化ケイ素セラミックス基板１１０に接合されている。銅板１１１及び１１３は、それぞれ接合層１１２及び１１４により窒化ケイ素セラミックス基板１１０の互いに反対の方向を向く第１の主面１１０１及び第２の主面１１０２にろう付けされている。
【００１９】
接合基板１００は、どのように用いられてもよいが、例えばパワー半導体素子が実装される絶縁放熱基板として用いられる。
【００２０】
２  接合基板の製造方法
図２は、第１実施形態の接合基板の製造の流れを示すフローチャートである。図３は、第１実施形態の接合基板の製造中に得られる被処理物、及び第１実施形態の接合基板の製造に使用されるホットプレス装置を模式的に図示する断面図である。
【００２１】
第１実施形態の接合基板１００の製造においては、図２に図示される工程Ｓ１１からＳ１６までが順次に実行される。
【００２２】
工程Ｓ１１においては、図３に図示される被処理物１４０に備えられる複数の中間品１５０が準備される。
【００２３】
複数の中間品１５０に含まれる各中間品１５０は、窒化ケイ素セラミックス基板１１０、銅板１１１、ろう材層１６２、銅板１１３及びろう材層１６４を備える。接合基板１００から銅板１１１及び接合層１１２が省略される場合は、中間品１５０から銅板１１１及びろう材層１６２が省略される。接合基板１００から銅板１１３及び接合層１１４が省略される場合は、中間品１５０から銅板１１３及びろう材層１６４が省略される。
【００２４】
ろう材層１６２は、銅板１１１の一方の主面１１１Ａと窒化ケイ素セラミックス基板１１０の第１の主面１１０１との間にある。ろう材層１６４は、銅板１１３の一方の主面１１３Ａと窒化ケイ素セラミックス基板１１０の第２の主面１１０２との間にある。
【００２５】
ろう材層１６２及び１６４が形成される際には、活性金属ろう材及び溶剤を含むペーストが調製される。ペーストがバインダ、分散剤、消泡剤等をさらに含んでもよい。続いて、調製されたペーストが窒化ケイ素セラミックス基板１１０の第１の主面１１０１上及び第２の主面１１０２上にスクリーン印刷され、窒化ケイ素セラミックス基板１１０の第１の主面１１０１上及び第２の主面１１０２上にそれぞれ第１及び第２のスクリーン印刷膜が形成される。続いて、形成された第１及び第２のスクリーン印刷膜に含まれる溶剤が揮発させられる。これにより、第１及び第２のスクリーン印刷膜が、それぞれろう材層１６２及び１６４に変化する。ろう材層１６２及び１６４は、活性金属ろう材を含む。ろう材層１６２及び１６４がこの方法とは異なる方法により形成されてもよい。
【００２６】
活性金属ろう材は、粉末からなる。活性金属ろう材は、例えば、銀（Ａｇ）及び銅（Ｃｕ）からなる群より選択される少なくとも１種の金属元素、並びにチタン（Ｔｉ）及びジルコニウム（Ｚｒ）からなる群より選択される少なくとも１種の活性金属元素を含む。活性金属ろう材は、望ましくは、銀を含む金属粉末、並びに水素化チタン（ＴｉＨ２）粉末及び水素化ジルコニウム（ＺｒＨ２）粉末からなる群より選択される少なくとも１種からなる。活性金属ろう材が銀を含む金属粉末、並びに水素化チタン粉末及び水素化ジルコニウム粉末からなる群より選択される少なくとも１種からなる場合のように活性金属ろう材が低コストで微粒化することが困難な合金粉末を含まない場合は、活性金属ろう材を低コストで微粒化することが容易になる。
【００２７】
活性金属ろう材は、望ましくは、０．１μｍ以上１０μｍ以下の平均粒子径を有する粉末からなる。平均粒子径は、市販のレーザー回折式の粒度分布測定装置により粒度分布を測定し、測定した粒度分布からＤ５０を算出することにより得ることができる。活性金属ろう材がこのように小さい平均粒子径を有することにより、ろう材層１６２及び１６４を薄くすることができる。
【００２８】
工程Ｓ１２においては、被処理物１４０において銅板１１１の他方の主面１１１Ｂ及び銅板１１３の他方の主面１１３Ｂが被覆１６５により覆われるように被覆１６５が形成される。
【００２９】
被覆１６５が形成される際には、離型剤及び溶剤を含む被覆液が調製される。被覆液が、バインダ、分散剤、消泡剤等をさらに含んでもよい。溶剤は、イソプロピルアルコール等を含む。続いて、調製された被覆液が銅板１１１の他方の主面１１１Ｂ又は銅板１１３の他方の主面１１３Ｂである被形成面に向かってスプレーされ、当該被形成面にスプレー膜が形成される。スプレー膜が被形成面に形成される際には、望ましくは被覆液が被形成面に静電塗布される。これにより、被覆液が被形成面以外に回り込むことを抑制することができ、被覆液のロスを少なくすることができる。続いて、形成されたスプレー膜に含まれる溶剤が揮発させられる。これにより、スプレー膜が被覆１６５に変化する。被覆１６５は、離型剤を含む。被覆１６５がこの方法とは異なる方法により形成されてもよい。例えば、離型剤を含む被覆液を被形成面に向かってスプレーすることに代えて、離型剤を含むペーストを被形成面にスクリーン印刷することが行われてもよい。
【００３０】
被覆１６５の厚さは、任意であるが、望ましくは５μｍ以上３０μｍ以下である。被覆１６５の厚さがこの範囲より薄い場合は、銅板１１１の他方の主面１１１Ｂ及び銅板１１３の他方の主面１１３Ｂが露出しやすくなる傾向が現れる。このため、下述する工程Ｓ１４において、最上段の中間品１５０Ｕに備えられる銅板１１１、及び最下段の中間品１５０Ｌに備えられる銅板１１３を、それぞれ上パンチ１８０及び下パンチ１８１から分離することが困難になり、下段の中間品１５０に備えられる銅板１１１を上段の中間品１５０に備えられる銅板１１３から分離することが困難になる傾向が現れる。一方、被覆１６５の厚さがこの範囲より厚い場合は、下述する工程Ｓ１５において、被覆１６５を除去するのに長時間を要する傾向が現れる。
【００３１】
離型剤は、粉末からなる。離型剤は、望ましくは、網目層状構造を有する結晶を含み、さらに望ましくは、窒化ホウ素（ＢＮ）粉末、黒鉛粉末、二硫化モリブデン（ＭｏＳ２）粉末及び二酸化モリブデン（ＭｏＯ２）粉末からなる群より選択される少なくとも１種を含み、特に望ましくは高い耐熱性を有する窒化ホウ素粉末からなる。
【００３２】
離型剤は、望ましくは０．１μｍ以上１０μｍ以下の平均粒子径を有する。平均粒子径は、市販のレーザー回折式の粒度分布測定装置により粒度分布を測定し、測定した粒度分布からＤ５０を算出することにより得ることができる。平均粒子径がこの範囲より大きい場合は、銅板１１１及び１１３が窒化ケイ素セラミックス基板１１０にホットプレス接合される際に、銅板１１１の他方の主面１１１Ｂ及び銅板１１３の他方の主面１１３Ｂに離型剤の粉末の形状が転写され、銅板１１１の他方の主面１１１Ｂ及び銅板１１３の他方の主面１１３Ｂの表面粗さが悪化する傾向が現れる。
【００３３】
工程Ｓ１３においては、複数の中間品１５０が窒化ケイ素セラミックス基板１１０の厚さ方向に積み重ねられる。これにより、被処理物１４０が得られる。
【００３４】
工程Ｓ１４においては、被処理物１４０がホットプレス装置１７０に備えられる上パンチ１８０及び下パンチ１８１により加圧された状態で被処理物１４０がホットプレス装置１７０に備えられるヒーター１８２により加熱される。これにより、被処理物１４０に備えられる複数の中間品１５０に対してホットプレスが行われる。その結果として、ろう材層１６２が銅板１１１を窒化ケイ素セラミックス基板１１０に接合する接合層１１２に変化し、銅板１１１が窒化ケイ素セラミックス基板１１０にホットプレス接合される。また、ろう材層１６４が銅板１１３を窒化ケイ素セラミックス基板１１０に接合する接合層１１４に変化し、銅板１１３が窒化ケイ素セラミックス基板１１０にホットプレス接合される。そして、各中間品１５０が、銅板１１１、接合層１１２、銅板１１３及び接合層１１４を備え、銅板１１１及び１１３がそれぞれ接合層１１２及び１１４を介して窒化ケイ素セラミックス基板１１０に接合されている接合基板１００に変化する。
【００３５】
工程Ｓ１４においては、望ましくは、被処理物１４０が、真空中又は不活性ガス中で、最高面圧が５ＭＰａ以上２５ＭＰａ以下となる面圧プロファイルにしたがって窒化ケイ素セラミックス基板１１０の厚さ方向に加圧され、最高温度が８００℃以上１０００℃以下となる温度プロファイルにしたがって加熱され、望ましくは最高温度が８００℃以上９００℃以下となる温度プロファイルにしたがって加熱される。
【００３６】
工程Ｓ１４において得られる接合層１１２及び１１４は、望ましくは、０．１μｍ以上５μｍ以下の厚さを有する。
【００３７】
銅板１１１及び１１３が窒化ケイ素セラミックス基板１１０にホットプレス接合されることにより、接合層１１２中、接合層１１４中及び窒化ケイ素セラミックス基板１１０中の欠陥を減らすことができる。これにより、欠陥に起因する、接合基板１００の絶縁不良を抑制することができる。
【００３８】
また、ろう材層１６２及び１６４が薄くなり、銅板１１１及び１１３が窒化ケイ素セラミックス基板１１０にホットプレス接合されることにより、接合層１１２及び１１４を薄くすることができる。これにより、接合層１１２及び１１４の存在により生じる応力を小さくすることができ、応力に起因する、冷熱サイクルに対する接合基板１００の耐久性の低下を抑制することができる。
【００３９】
また、銅板１１１及び１１３が窒化ケイ素セラミックス基板１１０にホットプレス接合されることにより、接合基板１００に生じるそりを打ち消すように銅板１１１及び１１３を塑性変形させることができる。これにより、接合基板１００の平坦性を向上することができる。
【００４０】
工程Ｓ１４が実行される前に工程Ｓ１２が実行されることにより、最上段の中間品１５０Ｕに備えられる銅板１１１の他方の主面１１１Ｂ、及び最下段の中間品１５０Ｌに備えられる銅板１１３の他方の主面１１３Ｂが離型剤を含む被覆１６５に覆われた状態で、銅板１１１及び１１３が窒化ケイ素セラミックス基板１１０にホットプレス接合される。このため、銅板１１１及び１１３が窒化ケイ素セラミックス基板１１０にホットプレス接合される際に、最上段の中間品１５０Ｕに備えられる銅板１１１の他方の主面１１１Ｂ、及び最下段の中間品１５０Ｌに備えられる銅板１１３の他方の主面１１３Ｂは、それぞれ、被覆１６５を介して上パンチ１８１及び上パンチ１８２に間接的に接触し、上パンチ１８１及び上パンチ１８２に直接的に接触しない。これにより、銅板１１１及び１１３が窒化ケイ素セラミックス基板１１０にホットプレス接合された後に、最上段の中間品１５０Ｕに備えられる銅板１１１、及び最下段の中間品１５０Ｌに備えられる銅板１１３を、それぞれ上パンチ１８０及び下パンチ１８１から分離することが容易になる。これにより、接合基板１００の生産性を向上することができる。
【００４１】
また、工程Ｓ１４が実行される前に工程Ｓ１２が実行されることにより、隣接するふたつの中間品１５０中の下段の中間品１５０に備えられる銅板１１１の他方の主面１１１Ｂが離型剤を含む被覆１６５に覆われた状態で、銅板１１１及び１１３が窒化ケイ素セラミックス基板１１０にホットプレス接合される。このため、銅板１１１及び１１３が窒化ケイ素セラミックス基板１１０にホットプレス接合される際に、下段の中間品１５０に備えられる銅板１１１の他方の主面１１１Ｂは、被覆１６５を介して当該ふたつの中間品１５０中の上段の中間品１５０に備えられる銅板１１３に間接的に接触し、上段の中間品１５０に備えられる銅板１１３に直接的に接触しない。これにより、銅板１１１及び１１３が窒化ケイ素セラミックス基板１１０にホットプレス接合された後に、下段の中間品１５０に備えられる銅板１１１を上段の中間品１５０に備えられる銅板１１３から分離することが容易になる。これにより、接合基板１００の生産性を向上することができる。
【００４２】
工程Ｓ１４が実行される前に工程Ｓ１３が実行されることにより、複数の接合基板１００を同時に得ることができる。これにより、接合基板１００の生産性を向上することができる。ただし、被処理物１４０がただひとつの中間品１５０を備えてもよい。その場合は、工程Ｓ１３が実行されない。
【００４３】
工程Ｓ１５においては、被覆１６５が除去される。被覆１６５の除去は、サンドブラスト、こすり洗い、すすぎ、超音波洗浄、研磨等により行われる。
【００４４】
工程Ｓ１６においては、銅板１１１、接合層１１２、銅板１１３及び接合層１１４が必要に応じてパターニングされる。銅板１１１、接合層１１２、銅板１１３及び接合層１１４のパターニングは、例えばエッチング等により行われる。
【００４５】
この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
【符号の説明】
【００４６】
１００  接合基板
１１０  窒化ケイ素セラミックス基板
１１１  銅板
１１２  接合層
１１３  銅板
１１４  接合層
１５０  中間品
１６２  ろう材層
１６４  ろう材層
１６５  被覆
【図１】
2020105160.tif 000003
【図２】
2020105160.tif 000004
【図３】
2020105160.tif 000005
【国際調査報告】
2020105160.tif 000006
2020105160.tif 000007
2020105160.tif 000008
2020105160.tif 000009