JPH06310850A - 銅回路を有する窒化アルミニウム基板 - Google Patents
銅回路を有する窒化アルミニウム基板Info
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Landscapes
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- Manufacturing Of Printed Wiring (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 窒化アルミニウム基板や接合法あるいは回路
構造の大幅な変更をすることなく、熱衝撃や熱履歴に対
する耐久性すなわち耐ヒートサイクル性を向上させた銅
回路を有する窒化アルミニウム基板の提供。 【構成】 銅板と窒化アルミニウム基板とをろう材ペー
ストにより加熱接合した後銅回路を形成させてなるセラ
ミックス基板において、上記ろう材ペーストは、金属成
分として、銀（Ａｇ）粉、銅（Ｃｕ）粉、ジルコニウム
（Ｚｒ）粉及び／又はジルコニウム水素化物粉、及びタ
ングステン（Ｗ）粉を含んでなるものであることを特徴
とする銅回路を有する窒化アルミニウム基板。
構造の大幅な変更をすることなく、熱衝撃や熱履歴に対
する耐久性すなわち耐ヒートサイクル性を向上させた銅
回路を有する窒化アルミニウム基板の提供。 【構成】 銅板と窒化アルミニウム基板とをろう材ペー
ストにより加熱接合した後銅回路を形成させてなるセラ
ミックス基板において、上記ろう材ペーストは、金属成
分として、銀（Ａｇ）粉、銅（Ｃｕ）粉、ジルコニウム
（Ｚｒ）粉及び／又はジルコニウム水素化物粉、及びタ
ングステン（Ｗ）粉を含んでなるものであることを特徴
とする銅回路を有する窒化アルミニウム基板。
Description
【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銅回路を有する窒化アルミニウム
基板に関する。
ュール等に使用される銅回路を有する窒化アルミニウム
基板に関する。
【０００２】近年、ロボットやモーター等の産業機器の
高性能化に伴い、大電力・高能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
散するため、大電力モジュール基板では従来より様々な
方法が取られてきた。特に最近、良好な熱伝導を有する
セラミックス基板が利用できるようになったため、基板
上に銅板などの金属板を接合し、回路を形成後、そのま
まあるいはメッキ等の処理を施してから半導体素子を実
装する構造も採用されつつある。
高性能化に伴い、大電力・高能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
散するため、大電力モジュール基板では従来より様々な
方法が取られてきた。特に最近、良好な熱伝導を有する
セラミックス基板が利用できるようになったため、基板
上に銅板などの金属板を接合し、回路を形成後、そのま
まあるいはメッキ等の処理を施してから半導体素子を実
装する構造も採用されつつある。
【０００３】金属とセラミックスを接合する方法には種
々あるが、回路基板の製造という点からは、Mo-Mn 法、
活性金属ろう付け法、硫化銅法、ＤＢＣ法、銅メタライ
ズ法などがあげられる。
々あるが、回路基板の製造という点からは、Mo-Mn 法、
活性金属ろう付け法、硫化銅法、ＤＢＣ法、銅メタライ
ズ法などがあげられる。
【０００４】特に大電力モジュール基板では、従来のア
ルミナに変わって高熱伝導性の窒化アルミニウム基板が
注目されており、銅板の接合方法としては、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（以
下、単に「ろう材」という）を介在させ、加熱処理して
接合体とする活性金属ろう付け法（例えば特開昭60-177
634 号公報）や、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）な
どがある。
ルミナに変わって高熱伝導性の窒化アルミニウム基板が
注目されており、銅板の接合方法としては、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（以
下、単に「ろう材」という）を介在させ、加熱処理して
接合体とする活性金属ろう付け法（例えば特開昭60-177
634 号公報）や、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）な
どがある。
【０００５】活性金属ろう付け法は、ＤＢＣ法に比べて
以下の利点がある。 （１）上記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して耐久性が大である。
以下の利点がある。 （１）上記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して耐久性が大である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、活性金
属ろう付け法を用いても、ヒートショックやヒートサイ
クルなどの熱衝撃、熱履歴によって生じる損傷に対して
充分な耐久性があるとはいえず新しい技術の提案が待た
れていた。そこで、Ｍｏ、Ｗ等をろう材に含有させたり
（特開平4-50186 号公報、特開平2-36553 号公報）、金
属箔や合金箔を用いる（特開平4-6174号公報）ことが提
案されているが、いずれも量産性に難点があった。
属ろう付け法を用いても、ヒートショックやヒートサイ
クルなどの熱衝撃、熱履歴によって生じる損傷に対して
充分な耐久性があるとはいえず新しい技術の提案が待た
れていた。そこで、Ｍｏ、Ｗ等をろう材に含有させたり
（特開平4-50186 号公報、特開平2-36553 号公報）、金
属箔や合金箔を用いる（特開平4-6174号公報）ことが提
案されているが、いずれも量産性に難点があった。
【０００７】本発明者らは、以上のような問題点を解決
するために鋭意検討を重ねた結果、銅板と窒化アルミニ
ウム基板との間に介在する接合層を形成するためのろう
材ペーストの金属成分として、銀（Ａｇ）粉、銅（Ｃ
ｕ）粉、ジルコニウム粉（Ｚｒ）及び／又はジルコニウ
ム水素化物粉、及びタングステン（Ｗ）粉を含ませれば
よいことを見いだし、本発明を完成させたものである。
するために鋭意検討を重ねた結果、銅板と窒化アルミニ
ウム基板との間に介在する接合層を形成するためのろう
材ペーストの金属成分として、銀（Ａｇ）粉、銅（Ｃ
ｕ）粉、ジルコニウム粉（Ｚｒ）及び／又はジルコニウ
ム水素化物粉、及びタングステン（Ｗ）粉を含ませれば
よいことを見いだし、本発明を完成させたものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、銅
板と窒化アルミニウム基板とをろう材ペーストにより加
熱接合した後銅回路を形成させてなるセラミックス基板
において、上記ろう材ペーストは、金属成分として、銀
（Ａｇ）粉、銅（Ｃｕ）粉、ジルコニウム（Ｚｒ）粉及
び／又はジルコニウム水素化物粉、及びタングステン
（Ｗ）粉を含んでなるものであることを特徴とする銅回
路を有する窒化アルミニウム基板である。
板と窒化アルミニウム基板とをろう材ペーストにより加
熱接合した後銅回路を形成させてなるセラミックス基板
において、上記ろう材ペーストは、金属成分として、銀
（Ａｇ）粉、銅（Ｃｕ）粉、ジルコニウム（Ｚｒ）粉及
び／又はジルコニウム水素化物粉、及びタングステン
（Ｗ）粉を含んでなるものであることを特徴とする銅回
路を有する窒化アルミニウム基板である。
【０００９】以下、さらに詳しく本発明について説明す
ると、一般に活性金属ろう付け法においては、ろう材の
ろう成分として、銀成分と銅成分を主成分としたものが
用いられる。さらに、溶融時にろう材とセラミックスの
濡れ性を確保するため、活性金属成分が加えられる。こ
の活性金属成分は、セラミックス基板と反応して酸化物
や窒化物を生成し、この反応層が銅板とセラミックス基
板の結合を強固なものにする。
ると、一般に活性金属ろう付け法においては、ろう材の
ろう成分として、銀成分と銅成分を主成分としたものが
用いられる。さらに、溶融時にろう材とセラミックスの
濡れ性を確保するため、活性金属成分が加えられる。こ
の活性金属成分は、セラミックス基板と反応して酸化物
や窒化物を生成し、この反応層が銅板とセラミックス基
板の結合を強固なものにする。
【００１０】本発明においてもこのような活性金属成分
を含ませるものであり、その具体例をあげれば、ジルコ
ニウム及び／又はジルコニウム水素化物である。これら
の活性金属の酸化物は、銅の酸化物よりも安定であるこ
とが多いため、活性金属成分が銅板表面を還元すること
によってそれを清浄化し、ろう材と銅板が良く濡れるよ
うになる。それによって、ろう材と銅板は相互に拡散
し、接合層が形成される。
を含ませるものであり、その具体例をあげれば、ジルコ
ニウム及び／又はジルコニウム水素化物である。これら
の活性金属の酸化物は、銅の酸化物よりも安定であるこ
とが多いため、活性金属成分が銅板表面を還元すること
によってそれを清浄化し、ろう材と銅板が良く濡れるよ
うになる。それによって、ろう材と銅板は相互に拡散
し、接合層が形成される。
【００１１】このようなろう材を用いた場合の接合層
は、銀成分や銅成分の主成分とジルコニウム及び／又は
ジルコニウム水素化物の活性金属成分とで形成された合
金の大きな粒子からなっているため、剛性が強く、銅と
窒化アルミニウムの熱膨張差から生じる熱応力を緩和す
るという働きがほとんどなく、銅板の熱応力をそのまま
窒化アルミニウム基板に伝えてしまうことになり、損傷
することが多かった。
は、銀成分や銅成分の主成分とジルコニウム及び／又は
ジルコニウム水素化物の活性金属成分とで形成された合
金の大きな粒子からなっているため、剛性が強く、銅と
窒化アルミニウムの熱膨張差から生じる熱応力を緩和す
るという働きがほとんどなく、銅板の熱応力をそのまま
窒化アルミニウム基板に伝えてしまうことになり、損傷
することが多かった。
【００１２】そこで、本発明者らは、ろう材ペーストに
さらにタングステン（Ｗ）を加えたところ、驚くべきこ
とに、接合層中に生じる合金の粒子の大きさが小さくな
り、銅板の熱応力が緩和されることを見いだしたもので
ある。この原理としては、タングステンを添加すること
によって粒子分散の作用が高まり、合金が溶融状態から
固化するときの結晶粒の成長を制御することが可能とな
ったためと考えられる。
さらにタングステン（Ｗ）を加えたところ、驚くべきこ
とに、接合層中に生じる合金の粒子の大きさが小さくな
り、銅板の熱応力が緩和されることを見いだしたもので
ある。この原理としては、タングステンを添加すること
によって粒子分散の作用が高まり、合金が溶融状態から
固化するときの結晶粒の成長を制御することが可能とな
ったためと考えられる。
【００１３】本発明で使用されるろう材ペーストは、銀
成分と銅成分を主成分とし特定量のジルコニウム及び／
又はジルコニウム水素化物の活性金属成分からなる金属
成分に、有機溶剤及び必要に応じて有機結合剤を加え、
混合機例えばロール、ニーダ、バンバリミキサー、万能
混合機、らいかい機等を用いて混合することによって調
整される。この場合において、銀、銅及び活性金属の金
属成分は粉末の状態で混合される。その際の有機溶剤と
しては、メチルセルソルブ、エチルセルソルブ、テルピ
ネオール、イソホロン、トルエン等、また、有機結合剤
としては、エチルセルロース、メチルセルロース、ポリ
メチルメタクリレート等が使用される。
成分と銅成分を主成分とし特定量のジルコニウム及び／
又はジルコニウム水素化物の活性金属成分からなる金属
成分に、有機溶剤及び必要に応じて有機結合剤を加え、
混合機例えばロール、ニーダ、バンバリミキサー、万能
混合機、らいかい機等を用いて混合することによって調
整される。この場合において、銀、銅及び活性金属の金
属成分は粉末の状態で混合される。その際の有機溶剤と
しては、メチルセルソルブ、エチルセルソルブ、テルピ
ネオール、イソホロン、トルエン等、また、有機結合剤
としては、エチルセルロース、メチルセルロース、ポリ
メチルメタクリレート等が使用される。
【００１４】ろう材ペーストを構成する金属成分の比率
としては、銀69〜75重量部と銅25〜31重量部の合計量10
0 重量部あたり、ジルコニウム及び／又はジルコニウム
水素化物 3〜35重量部特に20〜30重量部及びタングステ
ン 1〜10重量部特に 2〜5 重量部であることが好まし
い。タングステンが 1重量部よりも少ないと粒子分散の
効果が不十分となり、また、10重量部よりも多いとジル
コニウム及び／又はジルコニウム水素化物の活性金属と
の反応が活発になり過ぎて窒化アルミニウム基板との反
応性が弱まり、十分な接合強度を得ることができなくな
り、耐ヒートサイクル性が悪くなる。
としては、銀69〜75重量部と銅25〜31重量部の合計量10
0 重量部あたり、ジルコニウム及び／又はジルコニウム
水素化物 3〜35重量部特に20〜30重量部及びタングステ
ン 1〜10重量部特に 2〜5 重量部であることが好まし
い。タングステンが 1重量部よりも少ないと粒子分散の
効果が不十分となり、また、10重量部よりも多いとジル
コニウム及び／又はジルコニウム水素化物の活性金属と
の反応が活発になり過ぎて窒化アルミニウム基板との反
応性が弱まり、十分な接合強度を得ることができなくな
り、耐ヒートサイクル性が悪くなる。
【００１５】
【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。 実施例１〜５ 比較例１〜３ ろう材の金属成分の割合を表１に示すように配合し、さ
らにテルピネオール15重量部と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.
5 重量部を加えてよく混合し、ろう材ペーストを調整し
た。このろう材ペーストを60mm×30mm×0.65mmの窒化ア
ルミニウム基板の両面にスクリーン印刷によって全面に
塗布した。その際の塗布量（乾燥後）は 6〜8mg/cm2 と
した。
的に説明する。 実施例１〜５ 比較例１〜３ ろう材の金属成分の割合を表１に示すように配合し、さ
らにテルピネオール15重量部と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.
5 重量部を加えてよく混合し、ろう材ペーストを調整し
た。このろう材ペーストを60mm×30mm×0.65mmの窒化ア
ルミニウム基板の両面にスクリーン印刷によって全面に
塗布した。その際の塗布量（乾燥後）は 6〜8mg/cm2 と
した。
【００１６】次に、ろう材ペーストの塗布された窒化ア
ルミニウム基板の両面に、60mm×30mm×0.25mmの銅板を
接触配置してから炉に投入し、高真空中、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。
ルミニウム基板の両面に、60mm×30mm×0.25mmの銅板を
接触配置してから炉に投入し、高真空中、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。
【００１７】次いで、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回路パタ
ーンに塗布後、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
ング処理後の接合体には、銅回路パターン間に残留不要
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、それを除去するため、温度60℃、10％フ
ッ化アンモニウム溶液に10分間浸漬した。
イプのエッチングレジストをスクリーン印刷で回路パタ
ーンに塗布後、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
ング処理後の接合体には、銅回路パターン間に残留不要
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、それを除去するため、温度60℃、10％フ
ッ化アンモニウム溶液に10分間浸漬した。
【００１８】これら一連の処理を経て製作された銅回路
を有する窒化アルミニウム基板についてヒートサイクル
（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 1
25℃×30分保持後、25℃×10分間放置を１サイクルとし
て行い、銅板が剥離開始したヒートサイクル回数を測定
した。これらの結果を表 1に示す。
を有する窒化アルミニウム基板についてヒートサイクル
（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 1
25℃×30分保持後、25℃×10分間放置を１サイクルとし
て行い、銅板が剥離開始したヒートサイクル回数を測定
した。これらの結果を表 1に示す。
【００１９】
【表１】
【００２０】
【発明の効果】本発明によれば、窒化アルミニウム基板
や接合法あるいは回路構造の大幅な変更をすることな
く、銅板と窒化アルミニウム基板の熱衝撃や熱履歴に対
する耐久性すなわち耐ヒートサイクル性を向上させるこ
とができる。
や接合法あるいは回路構造の大幅な変更をすることな
く、銅板と窒化アルミニウム基板の熱衝撃や熱履歴に対
する耐久性すなわち耐ヒートサイクル性を向上させるこ
とができる。
Claims (1)
- 【請求項１】 銅板と窒化アルミニウム基板とをろう材
ペーストにより加熱接合した後銅回路を形成させてなる
セラミックス基板において、上記ろう材ペーストは、金
属成分として、銀（Ａｇ）粉、銅（Ｃｕ）粉、ジルコニ
ウム（Ｚｒ）粉及び／又はジルコニウム水素化物粉、及
びタングステン（Ｗ）粉を含んでなるものであることを
特徴とする銅回路を有する窒化アルミニウム基板。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9815893A JPH06310850A (ja) | 1993-04-23 | 1993-04-23 | 銅回路を有する窒化アルミニウム基板 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9815893A JPH06310850A (ja) | 1993-04-23 | 1993-04-23 | 銅回路を有する窒化アルミニウム基板 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06310850A true JPH06310850A (ja) | 1994-11-04 |
Family
ID=14212324
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9815893A Pending JPH06310850A (ja) | 1993-04-23 | 1993-04-23 | 銅回路を有する窒化アルミニウム基板 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06310850A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20150208496A1 (en) * | 2012-02-01 | 2015-07-23 | Mitsubishi Materials Corporation | Power module substrate, power module substrate with heat sink, power module, method of manufacturing power module substrate, and copper member-bonding paste |
-
1993
- 1993-04-23 JP JP9815893A patent/JPH06310850A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20150208496A1 (en) * | 2012-02-01 | 2015-07-23 | Mitsubishi Materials Corporation | Power module substrate, power module substrate with heat sink, power module, method of manufacturing power module substrate, and copper member-bonding paste |
| US9504144B2 (en) * | 2012-02-01 | 2016-11-22 | Mitsubishi Materials Corporation | Power module substrate, power module substrate with heat sink, power module, method of manufacturing power module substrate, and copper member-bonding paste |
| US10375825B2 (en) | 2012-02-01 | 2019-08-06 | Mitsubishi Materials Corporation | Power module substrate, power module substrate with heat sink, power module, method of manufacturing power module substrate, and copper member-bonding paste |
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