JP4124497B2

JP4124497B2 - 金属−セラミックス複合基板及びその製造法

Info

Publication number: JP4124497B2
Application number: JP15633296A
Authority: JP
Inventors: 暁山寧; 裕司小川
Original assignee: Dowa Holdings Co Ltd; Dowa Mining Co Ltd
Current assignee: Dowa Holdings Co Ltd
Priority date: 1996-05-29
Filing date: 1996-05-29
Publication date: 2008-07-23
Anticipated expiration: 2016-05-29
Also published as: JPH09315876A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーモジュール等の大電力電子部品の実装に好適な金属−セラミックス複合基板及びその製造方法に関し、更に詳しくは特に優れたヒートサイクル耐量が要求される自動車又は電車用電子部品の実装に好適な複合基板及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００２】
【従来の技術】
従来、パワーモジュールのような大電力電子部品の実装に使用する基板として、セラミックス基板の表面に銅板を接合して作製された銅張りセラミックス複合基板が使用されている。この複合基板は更に、使用するセラミックス基板の種類やその製造法によって、銅／アルミナ直接接合基板、銅／窒化アルミニウム直接接合基板、銅／アルミナろう接基板、及び銅／窒化アルミニウムろう接基板に分けられている。
【０００３】
このうち、銅／アルミナ直接接合基板は、特開昭５２−３７９１４号公報に開示されるように、酸素を含有する銅板を使用するか、無酸素銅板を使用して酸化性雰囲気中で加熱することによって無酸素銅板の表面に酸化銅を発生させてから、銅板とアルミナ基板を重ねて不活性雰囲気中で加熱し、銅板とアルミナ基板との界面に銅とアルミニウムとの複合酸化物を生成させ銅板とアルミナ基板とを接合するものである。
【０００４】
一方、銅／窒化アルミニウム直接接合基板の場合には、予め窒化アルミニウム基板の表面に酸化物を形成する必要がある。例えば特開平３−９３６８７号公報に開示するように、予め空気中において、約１０００℃の温度で窒化アルミニウム基板を処理し、表面に酸化物を生成させてから、この酸化物層を介して上述の方法により銅板と窒化アルミニウム基板とを接合している。
【０００５】
また銅／アルミナろう接基板及び銅／窒化アルミニウムろう接基板は、銅板とセラミックス基板との間に低触点のろう材を用いて接合するが、この場合、使用するろう材に銅の他、融点を下げる為の合金元素及びセラミックスとの濡れを良くする為の合金元素が添加され、一例としてＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系のような活性金属ろう材はよく使用されている。
【０００６】
上述のように銅／セラミックス複合基板は広く使用されるにもかかわらず、製造中及び実用上幾つかの問題点がある。その中で最も重大な問題点は、電子部品の実装及び使用中にセラミックス基板の内部にクラックが形成し、基板の表裏間を電気的に導通することによる故障である。
【０００７】
これは銅の熱膨張係数がセラミックスの係数より約一桁大きいことに起因するが接合の場合、セラミックス基板と銅が１０００℃近くまで加熱され、接合温度から室温に冷却する時に、熱膨張係数の違いにより複合基板の内部に多大の熱応力が発生する。
【０００８】
また、パワーモジュール等の電子部品を実装するときに、銅・セラミックス複合基板は４００℃近くまで加熱されるため、さらに使用環境や使用中の発熱により、同複合基板の温度が常に変化し、同複合基板に変動熱応力が掛けられる。これらの熱応力によってセラミックス基板にクラックが発生する。
【０００９】
近年、電気自動車用パワーモジュールの開発により、ヒートサイクル耐量の優れた複合基板への要望が特に高まっており、例えば電気自動車の様に温度変化が激しく、振動が大きい使用条件の場合、複合基板のヒートサイクル耐量が５００回以上必要であると言われているが現在使用されている銅・セラミックス複合基板では、このような要望に対応できない。
【００１０】
銅と同じような優れた電気と熱伝導性を有するアルミニウムを導電回路材料として使う構想は以前からあり、例えば特開昭５９−１２１８９０号にこのような構想が記述されている。アルミニウムとセラミックスとの接合に一般的にろう接法は使用され、特開平３−１２５４６３号、特開平４−１２５５４号及び特開平４−１８７４６号にろう接法で作製したアルミニウム−セラミックス基板を開示している。
【００１１】
しかし、この方法の場合、接合は真空中で行わなければならないし、また非酸化物セラミックスの場合、あらかじめ予備処理を施し、セラミックスの表面に酸化物を形成しなければならないという問題があり、製造コストおよび熱伝導性の面においても満足できないところがあった。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
アルミニウム−セラミックス基板が優れたヒートサイクル耐量を持つ一方、銅と比べてＡｌの熱伝導率や電気伝導率が小さいため、同じ量の電流を流すためには回路側のＡｌの厚さを１．６倍にしなければならない。従って電子部品に電力をかける時に発生した熱の放熱能力は銅張基板より劣っている。
【００１３】
従って本発明は、ヒートサイクル耐量に優れた特性の他、熱伝導特性も併せて優れている新規な金属−セラミックス複合基板を開発することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の問題を解決するため鋭意研究したところ、従来の銅張り接合基板やアルミニウムろう接合基板に比べ、アルミニウム溶湯をアルミナ基板の少なくとも一面に接合して凝固させ、また反対面に銀−銅系ろう材からなるメタライズ層を所定厚み（５〜６０μｍ厚）に接合し、最終的に銅板からなる放熱板を該メタライズ層に接合することによって、そりの少ない且つヒートサイクル耐性や熱伝導性開発することができた。
【００１５】
本発明の金属−セラミックス複合基板は、溶湯接合によりアルミナ基板の一主面にアルミニウム材からなる電気導通及び電子部品搭載のための金属部分を形成し、他面に放熱板を接合するためのＡｇ−Ｃｕ系合金ろう材である厚さが５〜６０μｍのメタライズ層を設けていることを特徴とする。
【００１６】
本発明の金属−セラミックス複合基板においては、上記メタライズ層に放熱板としての銅板が接合されていることを特徴とする。
【００１７】
本発明の第３は、アルミナ基板の一主面にメタライズ層としてＷ，Ｍｏ−ＭｎＯ，Ａｇ−Ｃｕ系合金から選ばれる一種の合金層を形成せしめる第１工程、次いで上記基板の他面に溶湯アルミニウムを接合させた後、凝固して複合基板とする第２工程、次いで得られた複合基板において、アルミニウム材表面をエッチング処理することにより所定の回路を形成する第３工程、次いで得られたアルミニウム回路の表面をメッキ処理する第４工程、とから成ることを特徴とする金属−セラミックス複合基板の製造法に関する。
【００１８】
【作用】
本発明において使用する基板としては、アルミナ、窒化アルミニウム、炭化硅素、ジルコニア等のセラミックス基板やガラス等であり、この場合、高純度の素材であればなおさら好ましい。
【００１９】
上記アルミナ基板の一面にＷ，Ｍｏ−ＭｎＯ合金、あるいはＡｇ−Ｃｕ系合金の少なくとも一種以上のろう材を合金箔状やペースト状として、真空下、８００〜９５０℃で焼成することによって５〜６０μｍ、好ましくは１０〜５０μｍの厚みでメタライズ化する。
【００２０】
この場合、メタライズ層の厚みを５μｍ以下にすると、ぬれ性が悪くアルミナ基板との接着力が弱く、逆に１００μｍ以上であれば印刷時において応力がかかりすぎることによる。そして厚みが上記範囲にあると最終製品において熱抵抗をできるだけ小さくすることができる他、複合基板のそりを小さくすることができるという効果を併せて有する。
【００２１】
上記ろう材のうち特に銀−銅系合金ろう材をペースト状にして用いる場合には、銀と銅の混合比は重量割合で、銀５５〜８５％、銅１５〜４５％の範囲が好ましく、更に活性金属としてのチタン、ジルコニウム、ハフニウムやこれらの水素化物や酸化物を銀と銅の合金１００重量部に対して１〜２０重量部とした合金粉末を用い、これらの合金粉末を１５〜３０容量部、有機溶剤（トルエン、テレピネオール等）６０〜７０容量部、有機結合材０〜２０容量部の合計１００容量部としたものを用いるとよい。
【００２２】
また、本発明で回路を形成するための金属は、純度９９．９％（３Ｎ）の純アルミニウムである。
【００２３】
この金属とアルミナ基板との接合は溶湯接合法で行ない、これにより高い接合強度と未接欠陥の少ない複合基板とすることができる上、窒化アルミニウム基板や窒化硅素基板にも表面改質することなく直接に接合することができる（第２工程）。
【００２４】
次いで、上記溶湯接合法で得られた金属−セラミックス複合基板の両主面にエッチングレジストを加熱圧着した後、アルミニウム材表面のみ遮光・現像処理を行なって所望のパターンを形成し、塩化第２鉄溶液にてエッチングを行なって回路４を形成する（第３工程）。
【００２５】
本発明において得られた回路のうち、特に電子部品搭載部３としてのアルミニウム材の上に銅、モリブデン、ニッケル等から選ばれる一種のメッキを積層し、ヒートサイクル耐量及び耐熱衝撃特性の優れた複合基板とすることもできる（第４工程）。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明複合基板（以下金属−セラミックス直接接合基板とする）について詳細に説明する。
【００２７】
（実施例１）
【００２８】
先ず、３６ｍｍ×５２ｍｍ×０．６３５ｍｍのアルミナ基板に予め、銀２７．５ｗｔ％、銅２７．０ｗｔ％、Ｔｉ０．５ｗｔ％からなるろう材ペーストを前面塗布したものを真空炉中で８３０℃一定で焼成して厚み２０μｍのメタライズ層１１を得た（第１工程）。
【００２９】
得られたアルミナ基板１を図３に示す金属−セラミックス直接接合基板を製造装置（原理図）に挿入する。先ず、純度９９．９％のアルミニウム２をヒーター７を有するルツボ６にセットしてから蓋９をしめて、ケース８の内部に窒素ガスを充填した後、ルツボ６に設けたガイド一体型ダイス１０の左側入口から上記第１工程で得たアルミナ基板をメタライズ１１側を下面にして順次挿入した。ルツボ６内に入った該アルミナ基板にアルミニウム溶湯を接触させ、次いで、出口側において凝固させることによって厚さ０．５ｍｍのアルミニウム板がアルミナ基板上面に接合された金属−セラミックス直接接合基板を得た（第２工程）。
【００３０】
次いで得られた直接接合基板の両面にエッチングレジストを加熱圧着した後、表面のアルミニウム板のみ遮光・現像処理を行なって所望のパターンを形成して、塩化第２鉄溶液にてエッチング処理を行なって回路４を形成した（第３工程）。
【００３１】
次いで上記回路面を亜鉛置換した後Ｎｉメッキ処理を施すと共に、裏面のメタライズ層１１に厚さ４ｍｍの銅板をヒートシンク板５として接合せしめて、目的とする金属−セラミックス複合基板を得た（第４工程）。
【００３２】
得られた上記接合基板のヒートサイクル耐量及び熱伝導性を調べたところヒートサイクル１０００回でもクラックの発生はなく、また熱伝導率を少なく、製品自体のそり量も従来品に比較して少ないという効果を併せて有していた。
【００３３】
（実施例２）
【００３４】
セラミックス基板としてアルミナに代えて窒化アルミニウム基板（３６ｍｍ×５２ｍｍ×０．６３５ｍｍ）を用いた他は、実施例１と同様な手段で金属−窒化アルミニウム直接接合基板を得、この接合基板のヒートサイクル耐量を調べたところ３０００回でもクラックの発生はなく、また熱伝導率を少なく、製品自体のそり量も従来品に比較して少なかった。
【００３５】
（比較例１）
【００３６】
比較のため実施例２に示す窒化アルミニウム基板を用いて厚さ０．３ｍｍの銅板を基板の両面にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう材ペーストを介して７８０℃で真空炉中で焼成して得た銅張り基板を得、ヒートサイクル耐量を求めたところ数十回でクラックが発生し、基板のそり量は大きかった。
【００３７】
【発明の効果】
上述のように本発明法によって得た金属−セラミックス直接接合基板は、従来の複合基板では得られなかったヒートサイクル耐量に富み、電気自動車や電車向けの大電力パワーモジュール基板として特に好ましいものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る金属−セラミックス直接接合基板の模式平面図である。
【図２】図１の金属−セラミックス直接接合基板の側面図である。
【図３】本発明接合基板の製造装置の原理図である。
【符号の説明】
１アルミナ基板
２アルミニウム
３電子部品搭載部
４回路
５ヒートシンク板
６ルツボ
７ヒーター
８ケース
９蓋
１０ガイド一体型ダイス
１１メタライズ層

Claims

溶湯接合によりアルミナ基板の一主面にアルミニウム材からなる電気導通及び電子部品搭載のための金属部分を形成し、他面に放熱板を接合するためのＡｇ−Ｃｕ系合金ろう材である厚さが５〜６０μｍのメタライズ層を設けていることを特徴とする金属−セラミックス複合基板。
上記メタライズ層に放熱板としての銅板が接合されていることを特徴とする請求項１に記載の金属−セラミックス複合基板。
前記アルミニウム材が純度９９．９％であることを特徴とする請求項１または２に記載の金属−セラミックス複合基板。
アルミナ基板の一主面にメタライズ層として厚さが５〜６０μｍのＡｇ−Ｃｕ系合金層を形成せしめる第１工程、次いで上記基板の他面に溶湯アルミニウムを接合させた後、凝固して複合基板とする第２工程、次いで得られた複合基板において、アルミニウム材表面をエッチング処理することにより所定の回路を形成する第３工程、次いで得られたアルミニウム回路の表面をメッキ処理する第４工程、上記合金層に放熱板を接合する第５工程、とから成ることを特徴とする金属−セラミックス複合基板の製造法。
前記アルミニウム材が純度９９．９％であること特徴とする請求項４に記載の金属−セラミックス複合基板の製造法。