JPH0455148B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、パワーモジユール基盤の製造方法に
関する。さらに詳しくは、成形銅板とアルミナセ
ラミツクス板との間に、ハンダ合金、金属ペース
ト、メツキ金属等の介在物を何ら存在させること
なく、成形銅板とアルミナセラミツクス板とを直
接接触させた状態で両者を強固に接合することに
よる、パワーモジユール基盤の製造方法に関す
る。

〔従来の技術と問題点〕

従来のパワーモジユール基盤の製造方法では、
アルミナセラミツクスグリーンシートの表面にモ
リブデンやタングステンなどの有機バインダーを
含んだ金属ペーストを印刷し、雰囲気炉中で加熱
してメタライズさせて、回路を形成していた。次
いでメタライズ層をNiメツキし、ハンダ付けを
行い、銅の放熱板を接合させ、さらにハンダ付
け、Niメツキ、モリブデンやタングステンなど
のスペーサを付加し、Niメツキを順次行つて、
最後にSiチツプを載せる方法がとられてきた。

しかし、このような従来の方法では、複雑な回
路を形成するための工程を何度も経由するため、
コストの上昇および歩留りの低下が顕著となる欠
点があつた。また、金属ペーストは有機バインダ
ーを含んでいるため、焼成中にバインダーが炉内
で蒸発し、炉内を汚染し、炉材の劣化を促進する
という欠点があつた。

〔発明の構成〕

本発明は、上述のような欠点がなく、しかも安
価なパワーモジユール基盤の製造方法を提供せん
とするものである。

すなわち本発明は、アルミナセラミツクスの表
面に有機バインダーやろう材などを使用すること
なく、清浄なアルミナセラミツクス板上に銅板を
直接接触するように載せ、これらを1060℃から
1065℃までの範囲の温度の炉内に置き、かつこの
炉内の条件を酸素濃度が0.5ppm以上1000ppm以
下で、かつ1.1〜1.6気圧に保持し、アルミナセラ
ミツクスと銅板との界面に反応層を形成させて両
者を接合させることからなる、パワーモジユール
基盤の製造方法を提供せんとするものである。

銅は酸素の存在する雰囲気において、還元作用
を示す元素が存在しない場合は、1000℃以上の温
度において酸化銅として安定に存在する。この点
に着目して発明者は、高精度の温度制御と酸化濃
度制御とを同時に行うことにより、銅表面上に酸
化銅を形成させ、かつこれを1060℃以上で1065℃
以下の温度に保持するとともに、炉内圧を１気圧
よりも高することを基本とする、新規なパワーモ
ジユール基盤の製造方法を開発した。

上記条件の下で、アルミナセラミツクスと接し
ている銅表面にも酸化銅が形成されている。これ
は、酸素が接触面のわずかなすき間から侵入する
ためである。アルミナセラミツクスと接している
この酸化銅は液相となると同時に、アルミナセラ
ミツクスの表面をぬらし、アルミナセラミツクス
中にある酸素をとりこんで液相中の酸素濃度を上
昇させ、液相領域を拡大していき、結局接触面全
体が反応して接合することになると考えられる。
これは、雰囲気に露出している側の銅板表面より
も、アルミナセラミツクスに接している側の銅板
表面のほうが酸素濃度が富になつていることによ
り起こる現象である。従つて、雰囲気に露出して
いる側の銅板表面にはわずかな酸化被膜が形成さ
れるだけで液相にはならず、実質上この部分は銅
板として存すると考えてよい。

炉内圧が１気圧で雰囲気の温度が1000℃以上の
とき液相が生じ、1065℃から銅の融点未満の温度
で液相領域が接触面全に十に拡大する。しかし、
1.1気圧〜1.6気圧に加圧された雰囲気中では液相
の現れる温度が1000℃よりももつと低くなり、
1060〜1065℃の温度範囲で液相領域が接触面全体
に短時間で十分に拡大するようになる。好ましく
は1.2気圧〜1.5気圧とする。

酸素濃度は、銅板表面に酸化銅を形成させるこ
とが可能な0.5ppmから1000ppmの範囲の濃度で
あることが必要である。ただし、高濃度酸素雰囲
気中で長時間保持すると銅板が溶融してしまうの
で、酸素濃度は0.5ppm〜100ppmの範囲にコント
ロールすることが望ましい。

加熱時間は、温度と酸素濃度に応じて最適な時
間を選択する。1060〜1065℃の温度範囲に保持す
る時間は５分間程度でよい。

雰囲気ガスは、中性ガスである窒素を用いるの
が、コスト面から有利である。また、酸素の供給
源としては、大気中の空気を使用することができ
る。すなわち、空気を除湿して、窒素と混合して
炉内に供給すればよい。本発明の方法では、この
ように安価なガスを使用できるので、金属ペース
トを用いたモジユール基盤に比して、価格的にも
有利に製造できる。また、クリーンなガスを使用
することにより、金属ペースト焼成の場合に起こ
るバインダーのミストなどの発生がなくなるの
で、炉内を汚染しない。このようなミストを除く
必要上、従来法ではガスの供給量が多くなるが、
本発明の方法では炉内ガスの清浄度が常に一定で
あるため、ガスの供給量が比較的少量でよい。ま
た、ガス圧を１気圧より高することによつて接合
に必要な温度が低くなるので、省エネルギ効果が
ある。さらに、銅板の軟化による変形が防止され
る。

本発明の方法によつて製造したパワーモジユー
ル基盤は、アルミナセラミツクスに直接銅板が接
合されているため、熱放散性が良好であり、Ni
メツキを施す必要なしに、直接はんだ付けが行え
るので、Siチツプ等を重ねて一体化する場合の製
造工程を簡素化ることができ、製造コストを低下
することができるという利点もある。

以下、実施例により説明する。

実施例 １ 酸素を100ppm含む銅板（厚さ0.3mm）を８mm×
６mm角に打ち抜き、96％アルミナ板上に置き、銅
板とアルミナ板が位置ずれをおこさないようにし
て炉内に装入した。窒素雰囲気中で酸素濃度を
150ppm±5ppmに安定させ、炉内の圧力を1.5気
圧とした。温度を上昇させ1060℃に達した後1064
℃まで昇温し、冷却した。この時、1060℃以上の
温度に５分間保持した。炉冷後試料を取り出した
ところ、銅板とアルミナセラミツクスは接合して
いた。

実施例 ２ 酸素を7ppm含む無酸素銅（厚さ0.254mm）を８
mm×６mm角に打ち抜き、96％アルミナ板上に置
き、銅板とアルミナ板が位置ずれをおこさないよ
うにして炉内に装入した。窒素雰囲気中で酸素濃
度を1ppm±0.5ppmに安定させ、1065℃で５分
間、1.2気圧に保持した。炉冷後試料を取り出し
たところ、銅板とアルミナセラミツクスは接合し
ていた。

比較例 １ 実施例２と同様の試料を用い、純窒素中1.2気
圧で1060℃にて５分間保持した。炉冷後試料を取
り出したところ、銅板とアルミナセラミツクスは
接合していなかつた。

比較例 ２ 実施例２と同様の試料を用い、窒素雰囲気中で
酸素濃度を1200ppm±10ppmに安定させ、1060℃
に30秒間保持した。炉冷後試料を取り出したとこ
ろ、銅板と酸化が激しく黒くなり、一部溶融して
凝固していた。

〔発明の効果〕

以上の説明から理解されるように、本発明の方
法によれば、金属である銅とアルミナセラミツク
スとを、中間に何も介在せずに容易に接合するこ
とができる。この方法によつて得られた接合体
は、熱放散性を必要とするパワーモジユール基盤
として最適である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 成形銅板とアルミナセラミツクス板とを直接
   接触させて接合させるパワーモジユール基盤の製
   造方法において、1.1気圧〜1.6気圧で、かつ0.5〜
   1000ppmの酸素濃度をもつ雰囲気中で、1060〜
   1065℃に加熱することによつて、前記成形銅板と
   アルミナセラミツクス板とを接合させることを特
   徴とする、パワーモジユール基盤の製造方法。２
   前記成形銅板がプレス加工により成形された、
   10ppm以下の酸素濃度を有する銅板である、特許
   請求の範囲第１項に記載の方法。 ３ 雰囲気ガスに窒素を使用し、雰囲気の酸素は
   大気として存在する空気をコンプレツサーにより
   加圧圧縮し、かつ乾燥した後、炉内に供給する、
   特許請求の範囲第１項または第２項に記載の方
   法。