JPH09275256A - 金属回路を有する窒化アルミニウム回路基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ヒートサイクルに対する耐久性を一段と向上さ
せた金属回路を有する窒化アルミニウム回路基板を製造
すること。 【解決手段】窒化アルミニウム基板を酸化処理して表面
にアルミナを形成させた後、それと金属板とをジルコニ
ウム又はその化合物を含む活性金属ろう材で接合した
後、該接合体の金属をエッチングして回路を形成させる
ことを特徴とする金属回路を有する窒化アルミニウム回
路基板の製造方法、及び窒化アルミニウム基板を酸化処
理してその表面にアルミナを形成させた後、それと金属
回路パターンとをジルコニウム又はその化合物を含む活
性金属ろう材で接合し回路を形成させることを特徴とす
る金属回路を有する窒化アルミニウム回路基板の製造方
法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属回路を有する窒化
アルミニウム回路基板の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】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
放散させるため、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、
セラミックス基板上に銅板等の金属板を接合し、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】このようなモジュールは、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、電気自動車に使用されるようになり、より厳し
い要求たとえば電流密度を上げるための回路銅厚の増
加、熱衝撃等に対する耐久性の向上、更なる小型化が要
求されるようになってきた。これらの要求に対応可能な
セラミックス基板は、現時点では窒化アルミニウム基板
のみである。

【０００４】金属とセラミックスを接合する方法には種
々あるが、銅板と窒化アルミニウム基板との接合には、
両者間に活性金属を含むろう材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、表面が酸化処理された窒化アルミニウ
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
以下の利点がある。 （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。

【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
クルに対する耐久性が十分とはいえず新しい技術の出現
が待たれていた。そこで、金属回路板（通常はセラミッ
クス基板の上面に設けられる）の体積が反対面の金属放
熱板の体積の５０〜９０％となるように調整したり（特
開昭６３−２４８１５号公報）、放熱側銅板の厚さを回
路側銅板の厚さの５０％以下とすること（特開平５−１
７０５６４号公報）の提案があるが、これらのみでは上
記厳しい要求に対しては不十分である。

【０００７】したがって、窒化アルミニウム焼結体等の
セラミックス自体の改善が不可欠となる。セラミックス
の焼結には常圧焼結法とホットプレス法がある。常圧焼
結法はホットプレス法に比べて簡単かつ量産的にセラミ
ックスを製造することができるが、焼結体にポアなどの
欠陥を生じやすく、また焼結助剤成分とセラミックス成
分との反応によって生成した第２、第３相が比較的高い
蒸気圧を持つため偏析を生じやすく、ホットプレス法で
製造した焼結体に比べて熱衝撃性は弱くなる傾向があ
る。特に、窒化アルミニウム焼結体にはこの傾向が顕著
である。

【０００８】一方、セラミックスの脆性を改善する手段
として、純安定な正方晶ジルコニアを部分的に安定化し
て分散させたいわゆる「ジルコニアタフンドセラミック
ス」はすでに実用化段階に入っている。これは、正方晶
が安定な単斜晶へ変態する際にともなう体積変化を利用
して破壊エネルギーを吸収したりクラックの進行を阻害
することにより、靭性を強化する方法であるが、ジルコ
ニアの熱伝導性があまり良好ではないので高熱伝導性の
要求される絶縁基板としては適当ではない。

【０００９】本発明の目的は、窒化アルミニウム基板の
表面に正方晶ジルコニアをその熱伝導性を損なわせるこ
とがない程度に生成させ、正方晶ジルコニアが有する靱
性を利用し、ヒートショックやヒートサイクルに対する
耐久性を更に改善した金属回路を有する窒化アルミニウ
ム回路基板を製造する方法を提供することである。

【００１０】

【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を酸化処理して表面にアルミナを形
成させた後、それと金属板とをジルコニウム又はその化
合物を含む活性金属ろう材で接合した後、該接合体の金
属をエッチングして回路を形成させることを特徴とする
金属回路を有する窒化アルミニウム回路基板の製造方
法、及び窒化アルミニウム基板を酸化処理してその表面
にアルミナを形成させた後、それと金属回路パターンと
をジルコニウム又はその化合物を含む活性金属ろう材で
接合し回路を形成させることを特徴とする金属回路を有
する窒化アルミニウム回路基板の製造方法である。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、更に詳細に本発明を説明す
る。

【００１２】本発明の特徴は、窒化アルミニウム基板と
金属回路とが接合層を介して接合された回路基板におい
て、十分な接合強度を保持しつつ、破壊の起点である窒
化アルミニウム基板の表面又はその近傍に正方晶ジルコ
ニアを、窒化アルミニウム基板表面にあるアルミナ成分
と活性金属ろう材のジルコニウム成分との反応によって
形成させ、熱伝導性を損なうことなく、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改善したことで
ある。

【００１３】今日、信頼性の点で最も改善が望まれてい
る回路基板は、パワーモジュール等に使用されている銅
厚付け回路基板であり、通常、厚み０．１５〜０．５ｍ
ｍの銅回路を窒化アルミニウム基板に形成させている
が、熱履歴を受けると銅と窒化アルミニウムの熱膨張差
によって応力が生じる。小さな応力は主に銅板の弾性・
塑性変形で吸収されるが、繰り返しの熱履歴の間に蓄積
された応力や、大きな温度変化によって生じた応力は、
窒化アルミニウム基板の破壊によって解放される。つま
り、熱的なストレスで窒化アルミニウム基板が損傷を受
ける場合は、金属が接合されている界面すなわち窒化ア
ルミニウム基板基板表面とその近傍が破壊の起点とな
る。従って、窒化アルミニウム基板の表面又はその近傍
にのみ正方晶ジルコニアを存在させると大きな靱性の改
善効果につながり、しかも正方晶ジルコニアの存在量も
少なくすることができるので窒化アルミニウム回路基板
の熱伝導性には大きな悪影響を与えない。

【００１４】本発明において、正方晶ジルコニアの存在
量は、Ｘ線回折によって容易に知ることができる。すな
わち、金属回路を有する窒化アルミニウム基板から、金
属回路と接合層を硝酸、フッ酸等の酸類で溶解し、残っ
た窒化アルミニウム基板をＸ線回折分析を行い回折線強
度比を求めることによって行うことができる。正方晶ジ
ルコニアの存在があまり少ないと靭性の改善効果が小さ
くなり、またあまり大きいと熱抵抗が大きくなる。そこ
で、本発明においては、０. ０２≦Ｉ_Z ／Ｉ_A≦０. ３
が適当である。ここに、Ｉ_A は窒化アルミニウムの（１
０１）面の回折線強度、Ｉ_Z は正方晶ジルコニアの（１
１１）面の回折線強度である。Ｘ線回折においては、窒
化アルミニウム基板の表面又はその近傍の正方晶ジルコ
ニアが測定され内部のそれは無視されるが、本発明にお
いては窒化アルミニウム基板の表面又はその近傍の正方
晶ジルコニアの存在が重要であるのでこの測定法が採用
される。

【００１５】本発明において、窒化アルミニウム基板の
表面又はその近傍に正方晶ジルコニアを存在させるに
は、窒化アルミニウム基板を酸化処理してその表面にア
ルミナ層を形成させ、それと金属板又は金属回路パター
ンとをジルコニウム又はその化合物を含む活性金属ろう
材により加熱接合させる際の反応によって行うことがで
きる。

【００１６】窒化アルミニウム基板の表面のアルミナ層
があまり多量であると表面から部分的又は全体的に剥離
してしまうことがあるので、その厚みは１０μｍ以下で
あることが望ましい。その下限は必要量の少なくとも１
／１０である。ここで、必要量とは活性金属ろう材のジ
ルコニウムがすべてジルコニアになるために必要な量で
ある。

【００１７】窒化アルミニウム基板の表面のアルミナ層
を形成させるには、窒化アルミニウム基板を、大気中、
９５０〜１３００℃で１５分〜９０分程度熱処理するこ
とが好ましい。９５０℃未満の温度ではアルミナ層が生
成せず、また１３００℃をこえるとアルミナ層の生成速
度の増大によって不均一な反応層が生成し、十分な接合
強度が得られなくなる。

【００１８】中でも、イットリアを焼結助剤として製造
された窒化アルミニウム基板を上記条件で酸化処理し、
Ｘ線回折によるαーアルミナ（１０４）面の回折線強度
Ｉ_{10 4} とアルミン酸イットリウム（４００）の回折線強
度Ｉ₄₀₀ の比（Ｉ₁₀₄ ／Ｉ_{40 0} ）が０．１〜２．５とし
た窒化アルミニウム基板が最適である。このような窒化
アルミニウム基板を用いることによって、αーアルミナ
は活性金属ろう材のジルコニア成分と反応し熱応力の緩
衝層となり、またアルミン酸イットリウムは活性金属ろ
う材と反応し強固な接合層を形成する。そのため、強固
な接合強度を維持しながら、ヒートショックやヒートサ
イクルに対する耐久性が更に高まった窒化アルミニウム
回路基板を製造することができる。

【００１９】本発明で使用される活性金属ろう材の金属
成分は、銀、銅、銀−銅、亜鉛、インジウム、カドミウ
ム、スズ等を主成分とし、溶融時のセラミックス基板と
の濡れ性を確保するために活性金属を副成分とする。そ
の活性金属は、窒化アルミニウム基板と反応して酸化物
や窒化物を生成させ、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、バナジウムやこれらの化合物で
ある。本発明においては、金属成分の主成分は銀又は銀
−銅が好ましいが、活性金属成分はジルコニウム又はそ
の化合物が必須成分となる。好ましい活性金属成分は、
ジルコニウム又はその化合物と他の活性金属成分特にチ
タン又はその化合物と併用することである。これらの比
率の一例は、銀６９〜１００重量部と銅０〜３１重量部
の合計量１００重量部あたり、ジルコニウム又はその化
合物０．５〜１０重量部特に１〜８重量部である。ジル
コニウム又はその化合物があまり多いと接合温度が高く
なって接合後に室温まで冷却する際に生じる熱応力が大
きくなり、またあまり少ないと生成する正方晶ジルコニ
アも少なくなって靭性の改善効果が小さくなる。

【００２０】活性金属ろう材は、通常はペーストで使用
され、それは上記金属成分に有機溶剤と必要に応じて有
機結合剤を加え、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、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、ポリメタクリレート
等が使用される。

【００２１】表面にアルミナ層を形成させた窒化アルミ
ニウム基板と金属板又は金属回路のパターンとの接合条
件は、１０^-7〜１０^-5Ｔｏｒｒ程度の真空中、温度７０
０〜９００℃程度好ましくは７５０〜８５０℃程度であ
る。

【００２２】窒化アルミニウム基板の厚みとしては、厚
すぎると熱抵抗が大きくなり、また薄すぎると耐久性が
なくなるので、０．３〜０．８ｍｍ程度が好ましい。

【００２３】窒化アルミニウム基板の表面状態は重要で
あり、微少な欠陥や窪み等は金属板又は金属回路パター
ンとの接触面積に大きな悪影響を与えるため平滑である
ことが望ましく、それには酸化処理する前又は酸化処理
した後でホーニング処理が施されていることが望まし
い。

【００２４】金属回路の材質としては、銅、アルミニウ
ム、タングステン、モリブデン等が使用されるが、銅が
一般的である。金属回路の厚みとしては、近年、電流密
度が増加していく傾向から０．３ｍｍよりも厚い方が好
ましい。また、本発明においては、窒化アルミニウム基
板の表面に金属回路が、またその裏面には金属放熱板が
形成された構造の回路基板であってもよく、その金属放
熱板の材質については上記したものが使用され、またそ
の厚みは０．２ｍｍ以下であることが好ましい。

【００２５】窒化アルミニウム基板の一方の面に金属回
路、他方の面に金属放熱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パターン及び
／又は金属放熱板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。

【００２６】

【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。

【００２７】実施例１〜４ 比較例１ 窒化アルミニウム粉末９６重量部、イットリア粉末４重
量部、オレイン酸２重量部を振動ミルにて予備混合した
後、エチルセルロース８重量部、グリセリントリオレー
ト３重量部及び水１２重量部を配合しミキサーで混合し
た。この混合物を成型速度１．０ｍ／分、成型圧力５５
〜７０ｋｇ／ｃｍ² で押出成型を行い、遠赤外線にて１
２０℃、５分間乾燥した後、４８０℃で１０時間空気中
にて脱脂し、温度１９５０℃で３０分の焼成を行った。

【００２８】得られた窒化アルミニウム焼結体から窒化
アルミニウム基板（６０ｍｍ×３６ｍｍ×０．６５ｍ
ｍ）を機械加工しホーニング処理した後、大気中１１０
０℃で３０分間加熱処理をして窒化アルミニウム基板表
面にアルミナ層を形成させた。そのＸ線回折分析を行
い、αーアルミナ（１０４）面の回折線強度Ｉ₁₀₄ とア
ルミン酸イットリウム（４００）の回折線強度Ｉ₄₀₀ の
比（Ｉ₁₀₄ ／Ｉ₄₀₀ ）を測定したところ、１．０であっ
た。

【００２９】金属粉末を表１に示される割合で配合し、
この金属成分１００重量部にテルピネオール１４重量部
と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７重量部加え、らいかい機で混練して活性金属ろ
う材ペーストを調整した。このろう材ペーストを上記で
製造された窒化アルミニウム基板の回路面（表面）にス
クリーン印刷によってパターン率＝０．２０のＬ字型パ
ターンに塗布し、放熱面側（裏面）には全面塗布した。
その際の塗布量（乾燥後）は９ｍｇ／ｃｍ² とした。

【００３０】次に、表面には６０ｍｍ×３６ｍｍ×０．
３ｍｍの厚みをもつ銅板を、また裏面には６０ｍｍ×３
６ｍｍ×０．１５ｍｍの厚みをもつ銅板を接触配置して
から、真空度１×１０^-6Ｔｏｒｒ以下の真空下、表１に
示す温度で３０分熱処理した後、２℃／分の降温速度で
冷却して窒化アルミニウム基板と銅板の接合体を製造し
た。

【００３１】

【表１】

【００３２】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、更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
れを温度６０℃、１０％フッ化アンモニウム溶液に１０
分間浸漬して除去した。その後、厚さ２μｍのＮｉメッ
キを行い、銅回路を有する窒化アルミニウム回路基板を
製造した。

【００３３】比較例２〜６ 大気中１１００℃で３０分間の加熱処理を行わない窒化
アルミニウム基板を用いたこと以外は、実施例１〜４又
は比較例１と同様にして銅回路を有する窒化アルミニウ
ム回路基板を製造した。

【００３４】このようにして製造された銅回路を有する
窒化アルミニウム回路基板について、ピール強度をプッ
シュプル測定器（引張り速度：５０ｍｍ／分）により測
定した。また、気中、−４０℃×３０分保持後、２５℃
×１０分間放置、更に１２５℃×３０分保持後、２５℃
×１０分間放置を１サイクルとした耐ヒートサイクル試
験を試料１０について行い、放熱銅板又は銅回路が剥離
開始したヒートサイクル回数を測定した。更に、回路基
板の放熱銅板と銅回路及び接合層を上記薬液で除去し、
残った窒化アルミニウム基板についてＸ線回折分析を行
い、正方晶ジルコニア量（Ｉ_Z ／Ｉ_A ）を測定した。そ
れらの結果を表２に示す。

【００３５】

【表２】

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、ヒートサイクルに対す
る耐久性を一段と向上させた金属回路を有する窒化アル
ミニウム回路基板を製造することができる。

フロントページの続き (72)発明者 辻村 好彦 福岡県大牟田市新開町１ 電気化学工業株 式会社大牟田工場内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 窒化アルミニウム基板を酸化処理して表
   面にアルミナを形成させた後、それと金属板とをジルコ
   ニウム又はその化合物を含む活性金属ろう材で接合した
   後、該接合体の金属をエッチングして回路を形成させる
   ことを特徴とする金属回路を有する窒化アルミニウム回
   路基板の製造方法。
2. 【請求項２】 窒化アルミニウム基板を酸化処理してそ
   の表面にアルミナを形成させた後、それと金属回路パタ
   ーンとをジルコニウム又はその化合物を含む活性金属ろ
   う材で接合し回路を形成させることを特徴とする金属回
   路を有する窒化アルミニウム回路基板の製造方法。