JPH1160343A

JPH1160343A - 接合体の製造方法

Info

Publication number: JPH1160343A
Application number: JP21621997A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Tsujimura; 好彦辻村; Yoshiyuki Nakamura; 美幸中村; Yasuto Fushii; 康人伏井
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 1997-08-11
Filing date: 1997-08-11
Publication date: 1999-03-02

Abstract

(57)【要約】【課題】ヒートサイクル等の熱衝撃、熱履歴に対する耐
久性が大きく、パワージュール基板の製作に好適なセラ
ミックスと金属板とからなる接合体を歩留りよく、しか
も生産性を高めて製造すること。【解決手段】セラミックス板と金属板とを接合材を介し
て又は介さないで積層されてなる積層体の一個又は複数
個を、スペーサーを介して又は介さないで、縦方向に積
み重ねるか又は横方向に押圧配列して炉内に配置し、上
記積層体の金属板の１又は２以上の側面を加熱部材に接
触させて加熱することを特徴とするセラミックス板と金
属板からなる接合体の製造方法。加熱部材（１０）が、
枠体（３）と押し板（４）と上記押し板の押圧手段
（５）とから構成されてなる治具であることを特徴とす
る上記接合体の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、特にパワーモジュ
ール基板の製造に好適なセラミックス板と金属板からな
る接合体の製造方法に関する。

【０００２】近年、ロボット・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パワー
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、パワー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
上に銅などの銅板を接合し、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回路面に半導体素子
が搭載されている。この場合において、回路の反対側に
は、放熱フィンを取り付けるための金属放熱板が接合さ
れている構造のものもある。

【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ってきた。し
かも、使用される環境は厳しくなる一方であり、また品
質への要求も一段と厳しくなってきており、品質の安定
したパワーモジュール基板の量産技術の開発が待たれて
いる。この要求に対しては、セラミックス板と金属板の
接合が重要なポイントとなる。

【０００４】金属とセラミックスを接合する方法には種
々あるが、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。これらのうち、銅とセラミ
ックス基板との接合については、両者の間に活性金属を
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60-177634 号公報）や、表
面を酸化処理したセラミックス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）がある。

【０００５】活性金属ろう付け法は、ＤＢＣ法に比べ
て、（イ）接合体を得るための処理温度が低いので、セ
ラミックス基板と銅の熱膨張差によって生じる残留熱応
力が小さい、（ロ）活性金属を含む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、などの利点がある。

【０００６】ＤＢＣ法においては、その独自の接合メカ
ニズム条件、特に温度管理が重要である。一方、活性金
属ろう付け法においても、現在要求されているパワーモ
ジュール基板の特性を満足させるには、活性金属のセラ
ミックス側への過度の進入によるセラミックスの脆化
と、ろう材成分の金属板への過度の拡散による金属の硬
化を防ぐ必要があり、そのためには約１０℃の温度範囲
差のもとに接合することが要求される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
活性金属ろう付け法の場合、真空中等の非酸化性雰囲気
を保つ必要から量産性を向上させるには、バッチ式の炉
に頼らざるを得ず、一度に大量のワークを仕込む形式と
なるため、温度管理については不備な点が多く、品質の
バラツキが大きくなる傾向にあった。

【０００８】本発明者らは、上記に鑑みて鋭意検討を重
ねた結果、セラミックス板と金属板とからなる積層体に
おいて、その金属板の側面を加熱部材に当接させて加熱
すれば積層体に与えられる熱量を精密にコントロールす
ることができ、その結果、接合体の品質のバラツキが少
なくなり、歩留りと生産性が向上することを見いだし、
本発明を完成させたものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、セ
ラミックス板と金属板とを接合材を介して又は介さない
で積層されてなる積層体の一個又は複数個を、スペーサ
ーを介して又は介さないで、縦方向に積み重ねるか又は
横方向に押圧配列して炉内に配置し、上記積層体の金属
板の１又は２以上の側面を加熱部材に接触させて加熱す
ることを特徴とするセラミックス板と金属板からなる接
合体の製造方法であり、特に加熱部材がヒーター機能を
有するものであることを特徴とする接合体の製造方法で
ある。

【００１０】また、本発明は、上記加熱部材（１０）
が、枠体（３）と押し板（４）と上記押し板の押圧手段
（５）とから構成されてなる治具であることを特徴とす
る接合体の製造方法であり、更には、この接合体の製造
方法において、セラミックスが窒化アルミニウム、金属
が銅又は銅合金、接合材が活性金属を含むろう材、加熱
部材がカーボン製治具であることを特徴とするものであ
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、さらに詳しく本発明につい
て説明する。

【００１２】本発明で使用されるセラミックス板として
は、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウム等があげら
れるが、熱伝導率の高い窒化アルミニウムが特に望まし
い。窒化アルミニウム板は、窒化アルミニウム粉末に希
土類酸化物（例えばイットリア）、アルカリ土類酸化物
（例えばカルシア）等の焼結助剤を内割りで２〜５重量
％程度添加し、成形後焼成することによって製造するこ
とができる。セラミックス板の厚みとしては、厚すぎる
と熱抵抗が大きくなり、薄すぎると耐久性がなくなるの
で、０．５〜１．０ｍｍ程度であることが好ましい。

【００１３】一方、金属回路及び／又は金属放熱板とな
る金属板としては、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、銅又は銅合金が一般的で
ある。金属板の厚みについては、金属回路形成用金属板
の場合は、近年、電流密度が向上していく傾向から０．
３ｍｍよりも厚い方が好ましく、また金属放熱板形成用
金属板の場合は、０．２ｍｍ以下であることが好まし
い。

【００１４】セラミックス板と金属板とを接合する方法
は、ＤＢＣ法でも活性金属ろう付け法でも良い。ＤＢＣ
法では接合材を介する必要はないが、活性金属ろう付け
法では接合材として、銀と銅を主成分とし、溶融時のセ
ラミックス板との濡れ性を確保するために活性金属を副
成分としたものが使用される。この活性金属成分は、セ
ラミックス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セラミックス板との結合を強固
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。これらの割合としては、
銀８０〜９７重量部と銅２０〜３重量部の合計量１００
重量部あたり活性金属１〜７重量部である。

【００１５】本発明においては、セラミックス板と金属
板とを接合材を介して又は介さないで積層した積層体の
一個又は複数個を縦方向に積み重ねるか、又は横方向に
押圧した状態で配列して炉内に配置し加熱する。このと
き、積層体の金属板同士が接面するような積み重ねない
しは配列の場合には、金属板の種類によっては金属板同
士が接合温度で融着する場合があるので、金属板と反応
しない材質からなるスペーサー又は金属板と反応しない
材質で表面コーティングされた金属板からなるスペーサ
ーを金属板間に配置することが望ましい。

【００１６】本発明においては、上記のように積層体は
縦方向に積み重ねるか、又は横方向に押圧した状態で配
列して炉内に配置されるが、中でも横方向の配列は温度
分布を少なくすることが容易であり、また配列した状態
が安定であるので好ましい。横方向に配列する場合は、
セラミックス板と金属板との接触を保持するため横方向
に押圧するが、縦方向に積み重ねる場合は、自重により
接触が保たれるので特に押圧は必要でない。押圧は、図
１に示した治具によることが好ましい。

【００１７】本発明で重要な点は、上記積層体を加熱す
る際、積層体の金属板の１又は２以上の側面を加熱部材
に接触させて加熱することである。これによって、熱が
加熱部材から金属板に均一かつスムーズに伝わるので、
積層体各一個当たりに与える熱量を従来よりも厳しい範
囲で調節することが可能となる。その結果、セラミック
ス板と金属板とが容易に接合し、また積層体間の温度分
布が少なくなるので歩留りが向上する。

【００１８】加熱部材はそれ自身がヒーター機能を有す
るものであることが好ましいが、そうでなくとも良い。
炉に設けられたヒーターから発生した熱を積層体の金属
板へ速やかに伝えるような材質又は熱容量を有するもの
であればよい。このような材質としてはカーボンが好都
合であるが、熱伝導率の良い銅等の金属であってもよ
い。但し、積層体の金属板と反応して融着するような材
質のものは不適当である。

【００１９】本発明で好適な加熱部材は、図１に示され
るように、枠体（３）と押し板（４）と上記押し板の押
圧手段（５）とから構成されてなる治具である。図１
は、加熱部材である治具に積層体（１）が配列している
状態を示す概略側面図である。積層体（１）は、枠体
（３）の左端板と押し板（４）との間にスペーサー
（２）を介して配列され、積層体の金属板の側面は枠体
（３）の底板と接触しており、積層体全体がネジ式の押
圧手段（５）によって押圧されていることを表してい
る。この場合において、治具全体がカーボン等のように
ヒーター機能を有するものであることが好ましい。ま
た、押圧手段は、ネジ式が望ましいが、積層体を固定で
きる程度であればバネ式等の別の方式であっても良い。

【００２０】本発明において、押圧手段を採用したこと
による別の利点は、積層体を固定する押圧力を変化させ
ることによって、金属板又はセラミックス板と活性金属
ろう材との濡れ性を調節することが可能となることであ
る。これによって、従来のように積層体を縦方向に積み
重ね、最上部に重し材を置く方法では接合することがで
きなかった温度においても接合が可能となったことであ
る。また、金属板とセラミックス板との熱膨張差によっ
て生じるズレの問題も回避することができたことであ
る。更には、積層体の熱処理個数は、従来の積み重ね法
では一単位体あたりせいぜい２０個程度であったが、こ
れを８０個程度に増加することができ、大幅に生産性が
向上したことである。

【００２１】

【実施例】以下、本発明を実施例と比較例をあげて更に
具体的に説明する。

【００２２】実施例１〜３比較例１窒化アルミニウム粉末９６重量部、焼結助剤（イットリ
ア）４重量部、表面処理剤（オレイン酸）２重量部を振
動ミルで予備混合した後、有機結合材（エチルセルロー
ス）８重量部、可塑剤（グリセリントリオレート）３重
量部及び水１２重量部を配合してミキサーで混合し、こ
れを押出成型した。次いで、押出成型体を１２０℃×５
分間の乾燥を行った後、４８０℃で１０時間空気中で脱
脂を行い、１８６０℃×２時間の焼成を行った。得られ
た焼結体を６０ｍｍ×３６ｍｍ×０．６５ｍｍのサイズ
に加工し、表面をホーニング処理して窒化アルミニウム
板を製造した。

【００２３】銀粉末９０重量部、銅粉末１０重量部、ジ
ルコニウム粉末３重量部、チタン粉末３重量部及びテル
ピネオール１５重量部と有機結合剤（ポリイソブチルメ
タアクリレートのトルエン溶液）を固形分で全体に対し
５重量％加えてよく混練し、ろう材ペーストを調製し
た。このろう材ペーストを窒化アルミニウム板の両面に
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９ｍｇ／ｃｍ²とした。

【００２４】次に、図２に示されるように、ろう材ペー
スト〔接合材（９）〕の塗布された窒化アルミニウム板
〔セラミックス板（８）〕の片面に６０ｍｍ×３６ｍｍ
×０．３ｍｍの銅板〔金属板（７）〕を、また反対面に
は６０ｍｍ×３６ｍｍ×０．１５ｍｍの銅板〔金属板
（７）〕をそれぞれ接触配置して積層体（１）を形成し
た。

【００２５】上記積層体を、実施例１では図３のように
２０個積み重ねて重し材（１１）を載せた後、積層体の
金属板（７）の側面をカーボン製の加熱部材（１０）に
接触させ、その１８単位体を、炉内が上下の二部屋に分
割された外部加熱方式炉に棚板（６）を介して均一に配
置し、真空度１×１０^-5Ｔｏｒｒ以下の真空下、表１に
示す種々の温度で３０分間保持した後、２℃／分の降温
速度で冷却して接合体を製造した。なお、加熱部材は、
炉内の棚板に支持具を介してネジ止めして固定した（図
示せず）。

【００２６】実施例２では、図４のように上記積層体の
２０個を横方向に配列し、その両端部をカーボン製支持
部材（図示せず）で支えると共に、積層体の金属板
（７）の側面をカーボン製の加熱部材（１０）に接触さ
せ、その１８単位体を炉内に配置し、加熱・冷却して接
合体を製造した。なお、加熱部材は、炉内の棚板に支持
具を介してネジ止めして固定した（図示せず）。

【００２７】実施例３では、図１のように上記積層体の
８０個を加熱部材（１０）である治具に収納し、その１
８単位体を炉内に配置し、加熱・冷却して接合体を製造
した。

【００２８】また、比較例１では、加熱部材を使用しな
いで加熱・冷却したこと以外は、実施例１と同様にして
接合体を製造した。

【００２９】上記で得られた接合体の銅板上に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。

【００３０】これら一連の処理を経て製作された、一方
の面に銅回路、反対面に放熱銅板の形成された窒化アル
ミニウム基板について、各１８単位体より１枚ずつサン
プルを抜き取り、放熱銅板側から押した場合の３点曲げ
強度を、スパン３０ｍｍ、クロスヘッドスピード０．５
ｍｍ／ｍｉｎの条件で測定した。また、耐ヒートサイク
ル試験を、気中、−４０℃×３０分保持後、２５℃×１
０分間放置、更に１２５℃×３０分保持後、２５℃×１
０分間放置を１サイクルとして行い、銅回路又は放熱銅
板が剥離開始したヒートサイクル回数を測定した。試験
体１８個の結果を表１に示す。

【００３１】

【表１】

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、ヒートサイクル等の熱
衝撃、熱履歴に対する耐久性が大きく、パワージュール
基板の製作に好適なセラミックスと金属板とからなる接
合体を歩留りよく、しかも生産性を高めて製造すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】加熱部材である治具に積層体が配列されている
状態を示す概略側面図。

【図２】積層体の概略側面図

【図３】積層体が縦方向に積み重ねられ、積層体の金属
板の側面が加熱部材と接触している状態を示す概略正面
図。

【図４】積層体が横方向に配列され、積層体の金属板の
側面が加熱部材と接触している状態を示す概略側面図。

【符号の説明】

１接合体２スペーサー３枠体４押し板５押圧手段６棚板７金属板８セラミックス板９接合材１０加熱部材１１重し材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミックス板と金属板とを接合材を介
して又は介さないで積層されてなる積層体の一個又は複
数個を、スペーサーを介して又は介さないで、縦方向に
積み重ねるか又は横方向に押圧配列して炉内に配置し、
上記積層体の金属板の１又は２以上の側面を加熱部材に
接触させて加熱することを特徴とするセラミックス板と
金属板からなる接合体の製造方法。
【請求項２】加熱部材がヒーター機能を有するもので
あることを特徴とする請求項１記載の接合体の製造方
法。
【請求項３】加熱部材（１０）が、枠体（３）と押し
板（４）と上記押し板の押圧手段（５）とから構成され
てなる治具であることを特徴とする請求項１又は２記載
の接合体の製造方法。
【請求項４】セラミックスが窒化アルミニウム、金属
が銅又は銅合金、接合材が活性金属を含むろう材、加熱
部材がカーボン製治具であることを特徴とする請求項３
記載の接合体の製造方法。