JP3255331B2

JP3255331B2 - 回路基板

Info

Publication number: JP3255331B2
Application number: JP12006794A
Authority: JP
Inventors: 好彦辻村; 美幸中村; 明宮井; 克典寺野
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 1994-06-01
Filing date: 1994-06-01
Publication date: 2002-02-12
Anticipated expiration: 2017-02-12
Also published as: JPH07326827A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子部品のパワーモジ
ュール等に使用される回路基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ロボット・モーター等の産業機器
の高性能化に伴い、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んでおり、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、パワーモジュール用回路基板では従来
より様々な方法がとられている。

【０００３】特に最近、優れた熱伝導性と電気絶縁性を
有し熱膨張係数がシリコンのそれに近い窒化アルミニウ
ムが注目され、窒化アルミニウム基板の表面に銅等の金
属回路を形成後、そのまま又はメッキ処理を施してから
半導体素子が実装されている。また、この場合におい
て、金属回路の反対面には放熱フインを取り付けるため
の放熱金属板が設けられた構造も採用されている。

【０００４】窒化アルミニウム基板に金属回路又は放熱
金属板を形成させる法としては、窒化アルミニウム基板
と金属板の接合体を製造してから金属を化学エッチング
する方法が一般的である。接合体の製造方法としては、
銅板と窒化アルミニウム基板との間に活性金属を含むろ
う材を介在させ加熱処理する活性金属ろう付け法（例え
ば特開昭６０−１７７６３４号公報）と、表面を酸化処
理した窒化アルミニウム基板と銅板を銅の融点以下でCu
-Oの共晶温度以上で加熱接合するＤＢＣ法（例えば特開
昭５６−１６３０９３号公報）等がある。

【０００５】活性金属ろう付け法は、ＤＢＣ法に比べ
て、（１）接合体を得るための処理温度が低いので窒化
アルミニウム基板と銅板の熱膨張差によって生じる残留
熱応力が小さい、（２）ろう材が延性金属であるのでヒ
ートショックやヒートサイクルに対する耐久性が大であ
る等の利点がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】パワーモジュールは、
当初、簡単な工作機械に使用されてきたが、ここ数年、
溶接機、電車の駆動部、電気自動車への応用が検討され
始め、高出力化、高信頼性が従来以上にも増して求めら
れ、回路基板に対してもヒートショックやヒートサイク
ルによって生じるクラック等の損傷に対して更なる耐久
性の向上が要求されている。

【０００７】これに応えるため、従来より、活性金属ろ
う付け法により銅回路を形成させる際、接合層に 3ZrO₂
・2Y₂O₃ を含ませたり（特開平５−１０２６２９号公
報）、金属回路の体積を反対面の金属放熱板の体積の５
０〜９０％にしたり（特開昭６３−２４８１５号公
報）、銅製放熱板の厚さを銅回路厚さの５０％以下にし
たりする（特開平５−１７０５６４号公報）等の工夫が
なされている。しかしながら、これらの改善のみでは後
記のヒートサイクル試験による耐久性は７００回程度で
あり、これからの厳しい要求には十分に応えることがで
きない。

【０００８】本発明は、以上のような状況に鑑み、ヒー
トショックやヒートサイクルに対する耐久性を更に高め
た回路基板を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、窒
化アルミニウム基板に金属回路又は金属回路と放熱金属
板が形成されてなるものであって、金属回路間の窒化ア
ルミニウム基板表面が３ＺｒＯ₂・２Ｙ₂Ｏ₃を含む酸化
物層で被覆されていると共に、金属回路と窒化アルミニ
ウム基板との間に３ＺｒＯ ₂ ・２Ｙ ₂ Ｏ ₃ を存在させてな
ることを特徴とする回路基板である。

【００１０】以下、本発明をさらに詳しく説明すると、
本発明品と従来品との差異は、従来品では金属回路間の
窒化アルミニウム基板は 3ZrO₂・2Y₂O₃ を含む酸化物層
で被覆されていないが、本発明では被覆されているもの
である。これによってヒートショックやヒートサイクル
をうけて回路基板に熱応力が発生しても窒化アルミニウ
ム基板に伝播をするクラックを阻止することができ、耐
久性の高い回路基板となる。

【００１１】本発明のように、金属回路間の窒化アルミ
ニウム基板を 3ZrO₂・2Y₂O₃ を含む酸化物層で被覆する
には、従来品を製造しその金属回路間に 3ZrO₂・2Y₂O₃
粉末を塗布焼成することによって行うこともできるが、
以下の方法が好ましい。

【００１２】すなわち、活性金属を含むろう材に更に 3
ZrO₂・2Y₂O粉末を含ませたものを使用して窒化アルミニ
ウム基板と金属板の接合体の接合層に 3ZrO₂・2Y₂O₃ を
存在させておくか、又は窒化アルミニウム基板にY₂O₃が
含まれている場合には活性金属成分としてジルコニウム
又はジルコニウム化合物を含むろう材を使用し、窒化ア
ルミニウム基板と金属板とを接合する際にそれらを反応
させて接合層に 3ZrO₂・2Y₂O₃ を生成させておき、いず
れの場合においても金属回路間に存在する不要ろう材の
除去工程等において、 3ZrO₂・2Y₂O₃ が選択的に残存す
るような処理を行うことである。このような手段につい
ては更に後記する。

【００１３】3ZrO₂・2Y₂O₃ を含む酸化物層の被覆厚み
は２〜１０μｍが好ましい。２μｍ未満では効果が少な
く、また１０μｍをこえても効果はさほど向上せずかえ
って斑点等が生成し外観上好ましくなくなる。酸化物層
の 3ZrO₂・2Y₂O₃ はＸ線回折による（２１１）面又は
（００３）面のピークによって確認することができる。

【００１４】本発明で使用される窒化アルミニウム基板
は、窒化アルミニウム粉末と例えばイットリア、セリア
等の希土類酸化物、カルシア、マグネシア等のアルカリ
土類金属酸化物等の焼結助剤を含むスラリーをシート状
に成形し焼結することによって製造することができる。
焼結助剤としては焼結密度、熱伝導率等からイットリア
が好適であるが、上記のように 3ZrO₂・2Y₂O₃ を含む酸
化物層のイットリウム成分を窒化アルミニウム基板から
供給させる場合にはイットリア等のイットリウム化合物
であることが必要である。焼結助剤の添加量は窒化アル
ミニウム粉末１００重量部に対し３〜５重量部であるこ
とが好ましい。

【００１５】窒化アルミニウム基板を製造するためのス
ラリーは、窒化アルミニウム粉末に焼結助剤、有機結合
剤、可塑剤、分散剤、溶剤を配合して調製される。有機
結合剤としてはエチルセルロース等のセルロース類も使
用できるがポリビニルブチラールが最適である。可塑剤
としてはジブチルフタレートやジオクチルフタレート、
分散剤としてはグリセリントリオレート等の脂肪酸エス
テルが使用される。また、溶剤としてはアルコール系、
ケトン系、芳香族系、パラフィン系が使用でき、その具
体例を示すとトルエン、キシレン、イソプロパノール等
である。スラリーの混練方法としては、ボールミルが一
般的であるがミキサー類を使用することもできる。

【００１６】スラリーをシート状に成形するには、ドク
ターブレード法が好適であるがこれに限られることはな
くカレンダーロール法や押出し成形法をも採用すること
ができる。成形にあたっては、真空脱泡を行い粘度調整
を行うことが好ましい。

【００１７】成形されたシートはプレス装置にて所定形
状に打ち抜かれ、脱脂後焼成される。脱脂は、窒素及び
／又は空気中で行われ、温度は９００℃以下特に空気を
含む雰囲気では６００℃以下である。焼成は、窒素、ア
ルゴン等の非酸化性雰囲気下、温度１８００〜１９５０
℃で行われる。

【００１８】窒化アルミニウム基板の厚みとしては０．
３〜０．８ｍｍであることが望ましい。０．３ｍｍより
も薄いと熱応力に対して構造的に耐久力がなくなり、ま
た０．８ｍｍをこえると熱抵抗が大きくなる。

【００１９】窒化アルミニウム基板の一方の面に金属回
路、他方の面には放熱金属板を形成する方法としては、
窒化アルミニウム基板と金属板との接合体をエッチング
する方法、金属板から打ち抜かれた金属回路又は放熱金
属板のパターンを窒化アルミニウム基板に接合する方法
等によって行うことができるが、本発明においては前者
が好適である。なお、本発明が対象としている回路基板
は、窒化アルミニウム基板の一方の面に金属回路が形成
されていることであり、他方の面に形成させる放熱金属
板は任意である。

【００２０】本発明においては、窒化アルミニウム基板
と金属板との接合には活性金属ろう付け法が好適であ
り、その際のろう材の金属成分としては、銀と銅を主成
分とし、溶融時の窒化アルミニウム基板との濡れ性を確
保するために活性金属を副成分とする。この活性金属成
分は、窒化アルミニウム基板と反応して主に窒化物を生
成させ、それらの生成物がろう材と窒化アルミニウム基
板との結合を強固なものにする。活性金属の具体例をあ
げれば、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、
タンタル、バナジウム及びそれらの化合物である。これ
らの割合としては、銀６９〜７５重量部と銅２５〜３１
重量部の合計量１００重量部あたり活性金属３〜３５重
量部である。

【００２１】金属回路間の窒化アルミニウム基板を 3Zr
O₂・2Y₂O₃ を含む酸化物層で被覆するには、従来品を製
造しその金属回路間に 3ZrO₂・2Y₂O₃ 粉末を塗布焼成す
ることによって行うこともできるが、好ましくは金属回
路間に存在する不要ろう材の除去工程等において、 3Zr
O₂・2Y₂O₃ が選択的に残存するような処理を行うことで
ある。そのためには、活性金属としてジルコニウム又は
ジルコニウム化合物あるいはそれと共に又はそのかわり
に 3ZrO₂・2Y₂O₃ 粉末が使用される。

【００２２】活性金属ろう付け法で使用されるろう材ペ
ーストは、上記ろう材の金属成分に有機溶剤及び必要に
応じて、 3ZrO₂・2Y₂O₃ 粉末、有機結合材を加え、ロー
ル、ニーダ、万能混合機、らいかい機等で混合すること
によって調製することができる。有機溶剤としては、メ
チルセルソルブ、テルピネオール、イソホロン、トルエ
ン等、又有機結合材としては、エチルセルロース、メチ
ルセルロース、ポリメタクリレート等が使用される。

【００２３】窒化アルミニウム基板にろう材ペーストを
配置するには、スクリーン印刷法やロールコーターによ
る塗布法が採用されるが、ペーストを窒化アルミニウム
基板全面に塗布する場合は、生産性の点から後者が望ま
しい。

【００２４】本発明で使用される金属板の材質について
は特に制限はなく、通常は、銅、ニッケル、銅合金、ニ
ッケル合金が用いられる。また、その厚みについても制
限はなく、通常、金属箔と言われている肉厚の薄いもの
でも使用可能であり、０．１〜１．０ｍｍ好ましくは
０．２〜０．５ｍｍのものが用いられる。

【００２５】窒化アルミニウム基板と金属板の接合は、
真空又は不活性雰囲気下において加熱した後冷却するこ
とによって行うことができる。その際の冷却速度は、窒
化アルミニウム基板と金属板との熱膨張係数の差による
残留応力に基づくクラックや欠損を極力少なくするた
め、５℃／分以下特に２℃／分以下とすることが望まし
い。

【００２６】金属回路の形成方法としては、接合体の金
属板にエッチングレジストを塗布しエッチングする方法
が好適である。エッチングレジストとしては、紫外線硬
化型や熱硬化型があげられる。また、エッチング液とし
ては、金属板が銅板又は銅合金板であれば、塩化第２鉄
溶液、塩化第２銅液、硫酸、過酸化水素水等の溶液が使
用される。好ましくは、塩化第２鉄溶液、塩化第２銅溶
液である。一方、金属板がニッケルまたはニッケル合金
の場合は、塩化第２鉄溶液が用いられる。

【００２７】エッチングによって金属の不要部分が除去
された基板の金属回路間には、もともと塗布したろう材
やその合金層・窒化物層あるいは金属回路パターン外に
はみ出した不要ろう材がまだ残っている。そこで、まず
第１処理としてハロゲン化アンモニウム水溶液、第２処
理として硫酸、硝酸等の無機酸と過酸化水素水を含む溶
液を用いてそれらを除去するが、本発明のポイントは、
接合層に 3ZrO₂・2Y₂O ₃ が存在している場合には、それ
を選択的に残存させる条件でこの除去操作を行い、金属
回路間の窒化アルミニウム基板表面を 3ZrO₂・2Y₂O₃を
含む酸化物層で被覆させることである。

【００２８】特開平５−１３９２０号公報には、接合層
の全てを除去する方法が開示されているが、本発明では
第１処理と第２処理の条件を以下のようにすることによ
って接合層中の 3ZrO₂・2Y₂O₃を残すことができる。こ
れらの条件については、特開平５−１３９２０号公報に
は何ら記載されていない。

【００２９】第１処理におけるハロゲン化アンモニウム
としてはNH₄Fが最適である。NH₄F水溶液を用いると室温
（１８℃）から９５℃の範囲で接合層中のジルコニウム
化合物、すなわち ZrN、 3ZrO₂・2Y₂O₃等を除去するこ
とができるが、ZrN の方が早く溶解するので、処理液の
濃度を薄くするか、処理温度を下げることによってZrN
のみを選択的に除去することができる。このときの処理
温度は望ましくは４０〜６０℃であり、NH₄F濃度は０．
１〜１０重量％であることが好ましい。NH₄F濃度が０．
１重量％よりも少ないとZrN 層を除去することができ
ず、また１０重量％よりも大きいと 3ZrO₂・2Y₂O₃層も除
去されてしまう。

【００３０】第２処理における無機酸としては硫酸が最
も好ましい。無機酸の濃度は２〜４重量％が好ましく、
２重量％よりも小さいと合金層の溶解力が小さくなるた
め十分な除去効果は得られず、また４重量％よりも大き
いと 3ZrO₂・2Y₂O₃を含む酸化物層までも除去されてしま
う。

【００３１】また、第２処理における過酸化水素の濃度
についても可能な限り薄い方がよく０．５〜１重量％が
望ましい。０．５重量％よりも小さいと合金層の溶解力
が小さくなるため十分な除去効果は得られず、また１重
量％よりも大きいと 3ZrO₂・2Y₂O₃層も除去されてしま
う。第２処理の望ましい温度は４０〜６０℃である。

【００３２】本発明においては、以上のようなハロゲン
化アンモニウムによる処理と硫酸等の無機酸と過酸化水
素とを含む溶液での処理を別々に行っても良いが、これ
らの処理を同時に行っても同等の効果が得られる。

【００３３】

【実施例】以下、本発明を実施例と比較例をあげて具体
的に説明する。

【００３４】実施例１〜２比較例１〜５銀粉末７５重量部、銅粉末２５重量部、ジルコニウム粉
末５重量部、 3ZrO₂・2Y₂O₃粉末を３重量部、テルピネオ
ール１５重量部及び有機結合剤としてポリイソブチルメ
タアクリレートのトルエン溶液を固形分で１重量部を加
えてよく混練し、ろう材ペーストを調製した。このろう
材ペーストを５１×３６×０．６５ｍｍの窒化アルミニ
ウム基板の両面に塗布した。その際の塗布量（乾燥後）
は６〜８ｍｇ／ｃｍ²とした。

【００３５】次に、ろう材ペーストの塗布された窒化ア
ルミニウム基板の片面に５１×３６×０．３ｍｍの銅板
を、また反対側の面には５１×３６×０．２ｍｍの銅板
を接触配置してから、真空度１×１０^-5Ｔｏｒｒ以下の
真空下、温度９００℃で３０分加熱した後、２℃/ 分の
降温速度で冷却して接合体を製造した。

【００３６】この接合体の銅板上にＵＶ硬化タイプのエ
ッチングレジストをスクリーン印刷で塗布した後、塩化
第２銅溶液を用いてエッチング処理を行って銅板不要部
分を溶解除去し、さらにエッチングレジストを５％苛性
ソーダ溶液で剥離した。このエッチング処理後の基板に
は、銅回路パターン間の残留不要ろう材や活性金属成分
と窒化アルミニウム基板との反応物があるので、その処
理を表１に示す各種の溶液を用いて行った。なお、第１
処理は温度６０℃、５分間、第２処理は温度５０℃、５
分間で行った。

【００３７】得られた回路基板について、ろう材除去状
態の目視観察とヒートサイクル（熱衝撃）試験を行っ
た。ヒートサイクル試験は、気中、４０℃×３０分保持
後、２５℃×１０分間放置、さらに１２５℃×３０分保
持後、２５℃×１０分間放置を１サイクルとして行い、
銅板が剥離したヒートサイクル回数を測定した。また、
銅回路間の表面層の成分をＸ線回折によって分析し、Al
N （１００）面のピーク高さ１００に対する ZrN（１１
１）面、 3ZrO₂・2Y₂O₃（２１１）面のピーク高さを測
定した。これらの結果を表１に示す。なお、ろう材の除
去状態の「○」は完全に除去、「△」は部分的に残留、
「×」は全体的に残留しているものである。

【００３８】

【表１】

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、ヒートショックやヒー
トサイクルに対する耐久性の大なる回路基板が提供され
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H05K 1/02 B32B 15/04 C04B 41/90 H05K 1/03 610 H05K 1/05

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】窒化アルミニウム基板に金属回路又は金
属回路と放熱金属板が形成されてなるものであって、金
属回路間の窒化アルミニウム基板表面が３ＺｒＯ₂・２
Ｙ₂Ｏ₃を含む酸化物層で被覆されていると共に、金属回
路と窒化アルミニウム基板との間に３ＺｒＯ ₂ ・２Ｙ ₂ Ｏ
₃ を存在させてなることを特徴とする回路基板。