JPH09191059A

JPH09191059A - パワー半導体モジュール基板

Info

Publication number: JPH09191059A
Application number: JP32368096A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Tsujimura; 好彦辻村; Akira Miyai; 明宮井; Kazuyuki Hiruta; 和幸蛭田; Kazuo Kato; 和男加藤
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 1996-12-04
Filing date: 1996-12-04
Publication date: 1997-07-22

Abstract

(57)【要約】【目的】接合性の良好なパワー半導体モジュール基板を
提供すること。【構成】窒化アルミニウム基板の一方の面に銅回路、そ
の反対面に放熱銅板が、チタン及び／又はジルコニウム
などの活性金属の窒化物層と、銀と銅の混合物層とを含
む接合層を介して接合されてなるものであって、上記銅
回路及び上記放熱銅板の酸素含有量がそれぞれ５０ｐｐ
ｍ以下であることを特徴とするパワー半導体モジュール
基板。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、パワー半導体モジュー
ル基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、窒化アルミニウム基板の一方の面
に銅回路、その反対面に放熱銅板が形成されてなるパワ
ー半導体モジュール基板は知られており、それを製造す
るための窒化アルミニウム基板と、銅回路、放熱銅板な
いしは銅回路又は放熱銅板を形成させるための銅板（以
下、これを総称して「銅部材」という。）とを接合する
方法としては、以下が提案されている。

【０００３】（１）表面を酸化した窒化アルミニウム基
板に銅部材を接触配置し、銅の融点以下、Ｃｕ₂Ｏ−Ｏ
の共晶温度以上で加熱接合するいわゆるＤＢＣ法（例え
ば特開昭５９−１２１１７５号公報）。（２）窒化アルミニウム基板と銅部材との間にＡｇ箔、
Ｃｕ箔、活性金属箔を順次積層し加熱接合する方法（例
えば特開昭５６−１６３０９３号公報）。（３）上記金属の合金板を介在させ加熱接合する方法
（例えば特開昭５８−１４０３８１号公報）。（４）上記金属からなる合金粉末を介在させ加熱接合す
る方法（例えば特開昭５６−１６３０９３号公報）。（５）銀粉、銅粉及び活性金属もしくは活性金属を含む
化合物粉からなる混合粉末をペースト化し、それを窒化
アルミニウム基板上に塗布後、銅部材を配置し、加熱接
合するいわゆる活性金属ロウ付け法。

【０００４】これらの方法のうち、（２）〜（５）の方
法は、銅部材と窒化アルミニウム基板の間に、Ａｇ、Ｃ
ｕ及び活性金属かなる成分を介在させ接合体を得るもの
であり、とくに（５）の方法は、特別に箔や、合金板、
合金粉末等を用いずに簡便に接合層を形成できることに
加えて、スクリーン印刷法によって容易に回路パターン
状に接合層を形成できる点で有利な方法である。

【０００５】しかしながら、（５）の方法で製造された
パワー半導体モジュール基板であっても、窒化アルミニ
ウム基板と銅回路及び／又は放熱銅板との接合強度が不
十分であったり、接合不良が生じていて十分に満足でき
るものではなかった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
問題を解決し、十分な接合強度を有し、接合不良も生じ
ていないパワー半導体モジュール基板を提供することで
ある。

【０００７】

【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の一方の面に銅回路、その反対面に
放熱銅板が、活性金属の窒化物層と、銀と銅の混合物層
とを含む接合層を介して接合されてなるものであって、
上記銅回路及び上記放熱銅板の酸素含有量がそれぞれ５
０ｐｐｍ以下であることを特徴とするパワー半導体モジ
ュール基板である。

【０００８】以下、更に詳しく本発明を説明する。

【０００９】本発明のパワー半導体モジュール基板は、
銀と銅の混合物層と、チタン及び／又はジルコニウムな
どの活性金属の窒化物層とを含む接合層を介して、銅回
路及び放熱銅板と窒化アルミニウム基板とが接合されて
いるものである。このような接合層は、例えば銀と、銅
と、チタン及び／又はジルコニウムなどの活性金属もし
くは水素化チタン等の活性金属の化合物とからなる混合
粉末のペースト（ロウ材）を、窒化アルミニウム基板と
銅部材との間に介在させた後、加熱接合することによっ
て形成させることができる。

【００１０】本発明のパワー半導体モジュール基板が十
分な接合強度を発現する理由について、その断面観察と
接合層の組成分析を行い検討したところ、窒化アルミニ
ウム基板側から、活性金属の窒化物層、銀と銅の混合物
層、銅回路又は放熱銅板の順となっており、加熱接合の
高温時に形成された上記窒化物層が窒化アルミニウム基
板と上記混合物層との強度を維持していること、また上
記混合層は銅部材を濡らして拡散層を形成することによ
って、銅部材と上記混合物層とが接合していることに基
づいているものであることがわかった。

【００１１】更に詳しく検討したところ、上記混合物層
と銅部材との接合状態は、銅部材の酸素含有量に大きく
依存しており、酸素含有量の少ない銅部材ほど接合状態
がよく接合強度も十分であるが、逆に酸素含有量の多い
銅部材を使用すると、加熱接合時に銅部材から酸素が放
出し、それがペースト中の活性金属成分の活性消失ある
いはロウ材金属（銀と銅）を酸化させて溶融の起こらな
い部分を生じさせ、その結果、十分な接合強度が得られ
なかったり、接合の起こらない部分が生じることを見い
だしたものである。

【００１２】窒化アルミニウム基板に銅部材を接合する
方法としては、上記（１）〜（５）の方法がある。
（１）のＤＢＣ法は、Ｃｕ₂Ｏ−Ｏの共晶を利用して接
合するので酸素の介在が必要な方法であるので、酸素を
ある程度含有する銅部材、例えば酸素含有量３００〜４
００ｐｐｍのタフピッチ銅が用いられる。

【００１３】また、（２）〜（５）の方法においても、
基本的にはペースト（ロウ材）を介して窒化アルミニウ
ム基板と銅部材を接合するものであるため、銅部材の酸
素含有量がその接合性に大きく影響するはずであるが、
従来、銅部材の酸素含有量と接合性との関連から、使用
できる銅部材の酸素含有量を追求したものはない。

【００１４】本発明者らは、タフピッチ銅を含め、種
々、酸素含有量の異なる銅部材を用意し、接合性を検討
したところ、銅部材の酸素含有量が５０ｐｐｍ以下でな
いと銅部材とロウ材の接合性が十分に起こらず、好まし
い酸素含有量は３０ｐｐｍ以下であること、１００ｐｐ
ｍ程度の酸素含有量の銅部材では一部接合しない部分が
発生すること、更には３００〜４００ｐｐｍの酸素含有
量を有するタフピッチ銅では全く接合しないことを見い
だしたものである。

【００１５】本発明のパワー半導体モジユール基板を製
造するに際し、銀粉末と銅粉末の混合比は、重量割合
で、銀６０〜８０％、銅４０〜２０％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
組成が最適である。チタン及び／又はジルコニウムなど
の活性金属粉もしくはこの活性金属を含む化合物粉の量
は、銀と銅の混合粉末１００重量部に対し活性金属成分
換算で５〜２０重量部が好ましい。これらの中でも、チ
タンの水素化物が好適である。

【００１６】これらの混合粉末を窒化アルミニウム基板
上に塗布するには、通常、混合粉末をペースト化して行
われる。ペーストの調製は、有機溶剤、例えばメチルセ
ルソルブ、エチルセルソルブ、テルピネオール、トルエ
ン等や、有機結合剤、例えばエチルセルローズ、メチル
セルローズ、ＰＭＭＡ等が用いられる。

【００１７】ペーストの配合例を示せば、有機溶剤６０
〜７０容量部、上記混合粉末１８〜３０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、１００００〜１００
０００ｃｐｓ程度である。

【００１８】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を使用すること
ができ、その一例を示せば、焼結助剤を添加せずにホッ
トプレス法で焼結したもの、イットリア、カルシア等の
焼結助剤を窒化アルミニウム粉末に添加し常圧焼結した
ものなどである。

【００１９】次に、本発明のパワー半導体モジユール基
板の製造法の一例を説明する。

【００２０】（ａ）窒化アルミニウム基板の表面に、上
記ペーストをスクリーン印刷法等で回路パターン状に塗
布する。一方、窒化アルミニウム基板の裏面には放熱銅
板を接合するために上記ペーストをほぼ全面に塗布す
る。

【００２１】（ｂ）表側には、銅回路を形成させるた
め、回路パターンと同形状もしくは回路パターン全面を
覆える面積を有しかつ本発明に係る酸素含有量を有する
銅部材をペースト塗布面上に配置する。一方、裏側にも
本発明に係る酸素含有量を有する銅部材をペースト塗布
面上に配置する。

【００２２】（Ｃ）上記（ｂ）の積層体をＡｒ、Ｈｅ、
Ｎ₂等の不活性雰囲気中もしくは真空中、温度８００〜
９５０℃で加熱処理をして接合体を製造する。昇温速度
は、１０℃／分以下好ましくは５℃／分以下であり、昇
温速度が速いと、ペースト中に含まれる炭素が高温まで
残留し、接合強度の弱いパワー半導体モジユール基板と
なりやすい。

【００２３】（ｄ）上記（ｂ）において、回路パターン
と同形状の銅部材を配置したものは、接合後、そのまま
銅回路と放熱銅板を有するパワー半導体モジユール基板
となる。また、回路パターン全面を覆える面積を有する
銅部材を配置した場合は、接合後、エッチング法により
不要な銅部分を除去して銅回路を形成させる。

【００２４】

【実施例】以下、実施例と比較例をあげて、更に具体的
に本発明を説明する。

【００２５】実施例１〜８銀粉末７２重量％、銅粉末２８重量％からなる混合粉末
１００重量部に対し、チタン粉末及び水素化チタン粉末
を各々１０重量部ないし２０重量部を添加した後、ＰＭ
ＭＡを１．０重量部とテルピネオールを加え、十分に混
合し、ペーストを調製した。

【００２６】このペーストを５０ｍｍ×５０ｍｍ×厚み
０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム基板の表裏両面にス
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、もう一方の面（表面）は半導体素子を搭
載する銅回路を形成させるために島状に印刷した。

【００２７】次いで、酸素含有量が３０ｐｐｍ又は５０
ｐｐｍで、しかもペースト塗布位置と同形状の銅板を接
触配置した後、真空中、９００℃で１時間熱処理し、窒
化アルミニウム基板の表面に銅回路、裏面に放熱銅板を
形成させたパワー半導体モジユール基板を製造した。な
お、銅板の酸素含有量は、ＬＥＣＯ社製酸素分析計「Ｒ
Ｏ−１８」を使用し、溶融抽出法にて測定した。

【００２８】得られたパワー半導体モジユール基板の銅
回路及び放熱銅板を剥がし、剥離した状態を観察するこ
とによって接合性を評価した。それらの結果を表１に示
す。また、パワー半導体モジユール基板の接合断面を走
査型電子顕微鏡により観察したところ、いずれも、窒化
アルミニウム基板側から、チタンの窒化物層、銀と銅の
混合物層、銅回路又は放熱銅板の順となっていた。

【００２９】比較例１〜８酸素含有量が１００ｐｐｍ又は３００ｐｐｍである銅板
を用いたこと以外は、実施例１〜８と同様にしてパワー
半導体モジユール基板を製造した。それらの接合性の観
察結果を表１に示す。

【００３０】

【表１】

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、接合性の良好なパワー
半導体モジユール基板が得られる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者加藤和男東京都町田市旭町３丁目５番１号電気化学工業株式会社総合研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】窒化アルミニウム基板の一方の面に銅回
路、その反対面に放熱銅板が、活性金属の窒化物層と、
銀と銅の混合物層とを含む接合層を介して接合されてな
るものであって、上記銅回路及び上記放熱銅板の酸素含
有量がそれぞれ５０ｐｐｍ以下であることを特徴とする
パワー半導体モジュール基板。