JPH0714015B2 - 銅回路を有する窒化アルミニウム基板の製法 - Google Patents

銅回路を有する窒化アルミニウム基板の製法

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JPH0714015B2
JPH0714015B2 JP1238169A JP23816989A JPH0714015B2 JP H0714015 B2 JPH0714015 B2 JP H0714015B2 JP 1238169 A JP1238169 A JP 1238169A JP 23816989 A JP23816989 A JP 23816989A JP H0714015 B2 JPH0714015 B2 JP H0714015B2
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aluminum nitride
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好彦 辻村
和幸 蛭田
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、銅回路を有する窒化アルミニウム基板の製法
に関するもので、特にパワー半導体モジユール等に適し
た熱放散性回路基板の改良製法に関する。
〔従来の技術〕
従来より、銅板と窒化アルミニウム基板の接合として
は、活性金属法(例えば特開昭60−177634号公報)や、
銅板と表面酸化処理してなる窒化アルミニウム基板とを
銅の融点以下Cu2O-Oの共晶温度以上で加熱して接合する
いわゆるDBC法(例えば特開昭56−163093号公報)など
が知られている。
活性金属法は、DBC法に比較して、 (1)接合処理温度が低いので、AlN−Cuの熱膨張差に
よつて生じる残留応力が小さい。
(2)接合不良が少なく接合強度が高い。
(3)接合層が延性金属であるので、ヒートシヨツクや
ヒートサイクルに対して耐久性が大である。
などの利点を有する反面、DBC法で採用されている全面
ベタ付エツチングによる回路形成ができず、生産性が悪
いという問題がある。その理由は、次のとおりである。
すなわち、活性金属法で用いられる活性金属はTi,Zrが
一般的であるが、それらはAlNと反応してAlN基板表面で
TiN,ZrNを生成することによつて強固な接合をもたら
す。しかしながら、回路基板の場合には、回路間は絶縁
されていなければならないので、導体成分であるTiNやZ
rNを除去する必要があり、それらの除去には、銅で採用
されているような塩化第2鉄のエッチング液ではでき
ず、したがってろう材ペーストを全面塗布しさらに銅板
をベタ付してエッチング処理し回路を形成するような方
法をとることができない。そのためこれの改良法が種々
検討されているが、まだ十分に満足したものは得られて
いない。
〔発明が解決しようとする課題〕
本発明者らは、以上の問題点を解決するために種々検討
した結果、DBC法で採用されているような銅板の全面ベ
タ付エツチングによる生産性向上法を上記した長所を有
する活性金属法によつて達成できることを見い出し、本
発明を完成したものである。
〔課題を解決するための手段〕
すなわち、本発明は、次の(a),(b)及び(c)の
工程からなることを特徴とする銅回路を有する窒化アル
ミニウム基板の製法である。
(a)窒化アルミニウム基板上に、活性金属ろう材ペー
ストを所望の接合パターンに塗布する工程 (b)上記塗布ペースト上に、接合パターンを覆うに十
分な広さの銅板を接合する工程 (c)上記接合体の銅板上に、上記接合パターンを少な
くとも備えた回路パターンをエツチングレジストにより
形成させた後、エツチング処理して不要部分を除去する
工程 以下、さらに詳しく本発明について説明する。
(a)工程の説明 本発明では、銅板と窒化アルミニウム基板の接合剤とし
て、活性金属ろう材ペーストを用いるが、これには、
銅、銀及び水素化チタンの粉末に、有機溶剤又は有機溶
剤と有機結合剤を配合してなるものが好ましい。通常、
これらのろう材では、活性金属として、チタン、ジルコ
ニウム、ハフニウム等が用いられているが、本発明で
は、それらの中で特にチタンを、しかもその添加形態と
して水素化物を用いることが望ましい。その理由は、ペ
ースト中のチタンが有機溶剤中の溶存酸素等によつて酸
化されることなく、接合工程までその活性を維持させる
ためである。すなわち、金属チタンの場合は、溶存酸素
等による酸化によつて接合工程に至るまでに活性を失う
おそれがあるが、水素化チタンの場合は、接合工程の加
熱処理によつて初めて水素を放出し活性な金属チタンと
なつてAlN表面に作用するので、そのようなおそれがな
いからである。
本発明において、銀と銅粉末の混合比は、重量割合で、
銀60〜80%、銅20〜40%が好ましく採用される。この混
合比は、後の熱処理工程における処理温度により任意に
選択されるが、処理温度の低下及び接合強度の向上の点
から、銀72%、銅28%のいわゆる共晶組成が最も好まし
い。
銀と銅の混合粉末100重量部に対するチタン及び/又は
水素化チタンは2重量部以上25重量部以下が好ましい。
2重量部未満では生成される窒化チタン層が少なくな
り、窒化アルミニウム焼結体との接合強度が充分高くな
く、一方、25重量部を越えると生成する窒化チタン量が
増加するため窒化アルミニウム焼結体との接着強度は増
すが残留応力の緩和が困難となりクラツクが発生しやす
くなる。
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、エチルセルローズ、メチルセルロー
ズ,PMMA等が用いられる。ペーストの配合の一例を示せ
ば、有機溶剤60〜70容量部、上記混合粉末30〜60容量部
及び有機結合剤0〜20容量部で、これらの合計が100容
量部である。ペーストの粘度としては20,000〜100,000c
ps程度である。
本発明で使用される窒化アルミニウム基板としては、公
知の方法で製造されたものが使用でき、その一例を示せ
ば、焼結助剤を添加せずにホツトプレス法で焼結したも
の、イツトリア、カルシアなどの酸化物を窒化アルミニ
ウム粉末に添加して常圧焼結したものなどである。
ペーストは窒化アルミニウム焼結体の片面又は両面にス
クリーン印刷法により塗布される。パワー半導体モジユ
ール用基板としては、片面に基板とほぼ同じ大きさの銅
板を接合しヒートシンク材と半田付けするため、この面
に対してはほぼ全面に上記ペーストを塗布する。また、
もう一方の面には半導体素子を搭載する銅回路板を接合
するため、目的回路パターンと同形の、又は目的回路パ
ターンの一部をなす形状の接合パターンをスクリーン印
刷により印刷する。後記するように、前者の場合には、
接合パターンと同形の銅回路が(c)工程で形成され、
後者の場合には、接合パターンを含むが接合パターンと
は異なつた非接合部を有する銅回路が形成される。
塗布量としては、ペーストのはみ出しや接合不良等が起
こらないように、乾燥塗膜重量で4.5〜15mg/cm2程度と
するのが望ましい。
(b)工程の説明 (a)工程において、窒化アルミニウム基板のほぼ全面
にペーストを塗布した面にはそのペースト面を覆うに十
分な広さ、すなわち、窒化アルミニウム基板面と同程度
以上の広さのベタ銅板を接触配置する。一方、その片面
である接合パターンを印刷した面にも上記と同程度の広
さのベタ銅板を接触配置してもよいが、必ずしもそのよ
うにする必要はない。接合パターンを覆うに十分な広
さ、すなわち、接合パターンよりも広い銅板を接触配置
すればよい。その際の銅板としては無酸素銅板が望まし
い。
以上のようにして銅板が配置された窒化アルミニウム基
板は、800℃以上950℃以下の温度で熱処理される。800
℃に満たない温度においてもCu−Agは液相を生成する
が、このような条件下において作製された接合体は、介
在層と窒化アルミニウム焼結体や銅板との濡れが不良と
なり十分な接合強度を生じない。また、950℃を越える
温度で処理されたものは、接合層の粘性が小さいため、
銅板からペーストのはみ出しを生じ短絡の原因となつて
しまう。
熱処理雰囲気としては、Ar、He等の不活性ガス雰囲気下
でもよいが、真空雰囲気がろう材の濡れの点で望まし
い。
熱処理後冷却して本発明に係る銅を接合した窒化アルミ
ニウム基板とする。窒化アルミニウム焼結体と銅の熱膨
張係数の差が大きいので、その際の冷却速度を大きくす
ると得られた基板に残留応力に起因するクラツクや欠損
が生じることがある。そのため、本発明では、残留応力
を極力少なくするために冷却速度を5℃/分以下特に2
℃/分以下とするのが望ましい。
(c)工程の説明 (b)工程で得られた接合体の銅板上に、エツチングレ
ジストを用いて最終目的の回路パターンを形成する。こ
の場合、エツチングレジストは、ろう材ペーストの塗布
位置(接合パターン)としつかりと合つていることが大
切であり、これについて充分な配慮が必要である。
エツチングレジストを接合パターンと全く同じに形成さ
せた場合には、接合パターンと銅回路とは同形状になる
が、本発明では、何もこれに制限されるものではない。
接合パターンと同形状のエツチングレジストを形成させ
ると共にろう材ペーストが塗布されていない位置の銅板
にもそれを形成させることによつて、接合パターンとは
異なる形状で、しかも非接合部を有する銅回路を形成さ
せることができる。
次いで、エツチング処理によつて銅の不要部分を除去し
た後エツチングレジスト膜を除去して所期した銅回路を
有する窒化アルミニウム基板とする。エツチング液とし
ては、通常、銅のエツチングに用いられる塩化第2鉄溶
液が用いられる。
以上のように、本発明においては、接合パターンと銅回
路パターンとを変えることも容易であり、そうすること
によつて非接合部を有する銅回路を簡単に形成させるこ
とができる。このように非接合部を形成させることの利
点は、外部電極と基板上の銅回路とを接続する際に、外
部電極をその非接合部に接続することによつて、通電・
停止のヒートサイクルによつて発生する金属部の膨張・
収縮による基板の損傷を防止することができるというこ
とである。また、DBC法の場合、非接合部を形成するに
は、予め非接合部に相当する銅板が基板と接触しないよ
うに銅板を特殊加工しなければならず、また特定の位置
にぴつたり配置する必要があるが、本発明ではそのよう
なことは必要でない。
〔実施例〕
以下、図面を参照し、実施例と比較例をあげてさらに具
体的に本発明を説明する。
実施例1 銀粉末72重量部、銅粉末28重量部、水素化チタン4重量
部、テレピネオール15重量部を混合してペーストを調整
した。このペーストを60mm×30mm×0.65mmtの窒化アル
ミニウム基板1の両面にスクリーン印刷した後乾燥し
た。その際、片面(裏面)はほぼ全面に(図示せず)、
もう一方の面(表面)は半導体素子搭載のため島状のペ
ースト層(接合パターン)2に印刷した(第1図参
照)。塗布量は乾燥後の塗膜が10mg/cm2となるようにし
た。
次いで、60mm×30mm×0.30mmtの表銅板3を表面に、ま
た、60mm×30mm×0.20mmtの裏銅板4を裏面に接触配置
した後、スペーサーを介して240gの重しをのせ、8×10
-6Torrの真空中、最高温度850℃で30分間加熱処理して
から冷却速度5℃/分として冷却し窒化アルミニウム基
板と銅板の接合体を製造した。
得られた接合体の銅の面に、接合パターンとの位置ズレ
がないように目的最終の回路パターンをエツチングレジ
スト5で形成させた後(第2図参照)、塩化第2鉄溶液
でエツチング処理をして銅の不要部分を除去してからエ
ツチングレジスト膜を除去して銅回路6を有する窒化ア
ルミニウム基板とした(第3図参照)。なお、パターン
形成にはスクリーン印刷機を用いた。
その結果、活性金属ろう材ペーストのはみ出しもなく、
そのまま回路基板として使用できる仕上りであつた。ま
た、これに無電解Ni-Pメツキにより銅の酸化防止処理
を行つたが、パターンの外にNi-Pメツキが析出するこ
となく、パワーモジユール用回路基板として何ら支障の
ないものが得られた。接合体のピール強度は15kg・f/cm
であり実用強度5kg・f/cmをはるかに上まわつていた。
実施例2〜15 活性金属ろう材ペーストの組成と塗布量を変えたこと以
外は実施例1と同様にして回路基板を製造しピール強度
を測定した。その結果を表−1に示す。なお、回路基板
の外観はいずれも良好であつた。
実施例16 エツチングレジスト7の塗布パターンを第4図に示すも
のにしたこと以外はは実施例1と全く同様な操作を行つ
て回路基板を製造した(第5図参照)。この回路基板
は、回路パターンと接合パターンとが異なるために、非
接合部9を有する銅回路8をもつものであるが、エツチ
ング処理によつても非接合部がうすくなるようなことは
なかつた。また、ペーストのはみ出しもなく、ピール強
度も14kg・f/cmと十分に高かつた。
比較例1 窒化アルミニウム基板の両面に、ペーストを接合パター
ン状にスクリーン印刷し、これに予めパターン形状に加
工した銅板(回路側0.3mm、裏面0.2mm)をペースト塗布
部に位置ズレのないように置いたこと以外は、実施例1
と同様にして銅回路を有する窒化アルミニウム基板を製
造した。その結果、無電解Ni−Pメツキ前の状態で銅板
の位置精度を測定したところ、測定数1,000枚のうち153
枚が目的公差を外れていた。
比較例2 窒化アルミニウム基板の両面に所望の接合パターンを形
成するかわりにスクリーン印刷でベタ印刷し、これに目
的パターンの形成が可能となる大きさのベタ銅板を置い
たこと以外は実施例1と同様にして銅回路を有する窒化
アルミニウム基板を製造した。
得られた銅の面に目的の回路パターンをエツチングレジ
ストを用いて形成した後、塩化第2鉄溶液でエツチング
処理をし、銅の不要部分を除去したが、不要部分の基板
表面にはTiN層が残つており回路間は短絡していた。こ
のTiN層をフツ酸溶液で溶解し目的回路基板を得た。し
かしながら、この基板について−40℃と150℃のヒート
シヨツク試験を実施したところ、2回目に基板にクラツ
クが生じ信頼性の点で問題があることがわかつた。
〔発明の効果〕
本発明によれば、活性金属性とDBC法の両方の長所が採
り入れられた銅回路を有する窒化アルミニウム基板を製
造することができる。すなわち、接合強度とパターン精
度に優れた銅回路を有する窒化アルミニウム基板を簡単
に製造することができる。また、接合パターンと異なる
非接合部を有する銅回路を形成させることもできるの
で、そのように形成させた非接合部に外部電極を取付け
ることによつて、ヒートサイクル時に発生する熱応力か
ら解放され基板が損傷することも少なくなる。
【図面の簡単な説明】
第1図〜第3図は実施例1〜15の銅回路を有する窒化ア
ルミニウム基板の、また第1図と第4図〜第5図は実施
例16のそれの製造工程を説明するための斜視図である。 1…窒化アルミニウム基板 2…島状のペースト層(接合パターン) 3…表銅板 4…裏銅板 5,7…エツチングレジスト 6…非接合部を有しない銅回路 8…非接合部9を有する銅回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 // C04B 41/90 Z

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】次の(a),(b)及び(c)の工程から
    なることを特徴とする銅回路を有する窒化アルミニウム
    基板の製法。 (a)窒化アルミニウム基板上に、活性金属ろう材ペー
    ストを所望の接合パターンに塗布する工程 (b)上記塗布ペースト上に、接合パターンを覆うに十
    分な広さの銅板を接合する工程 (c)上記接合体の銅板上に、上記接合パターンを少な
    くとも備えた回路パターンをエツチングレジストにより
    形成させた後、エツチング処理して不要部分を除去する
    工程
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