JP2006028018A - Ａｌ−セラミックス複合基板 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来のＡｌ−セラミックス複合基板においては、Ａｌとセラミックス基板との接合強度が弱く、ヒートサイクル耐量が低いという欠点があった。
【解決手段】 本発明のＡｌ−セラミックス複合基板においては、所定の表面粗さを有するセラミックス基板にアルミニウム溶融を直接接合せしめる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、セラミックス基板にアルミニウム溶湯を直接接合した接合強度の大きいＡｌ−セラミックス複合基板に関する。

従来、パワーモジュールのような大電力電子部品の実装に使用する基板として、セラミックス基板の表面に銅板を接合して作製された銅張りセラミックス複合基板が使用されている。この複合基板は更に、使用するセラミックス基板の種類やその製造法によって、銅／アルミナ直接接合基板、銅／窒化アルミニウム直接接合基板、銅／アルミナろう接基板、及び銅／窒化アルミニウムろう接基板に分けられている。

このうち、銅／アルミナ直接接合基板は、特開昭５２−３７９１４号公報に開示されるように、酸素を含有する銅板を使用するか、無酸素銅板を使用して酸化性雰囲気中で加熱することによって無酸素銅板の表面に酸化銅を発生させてから、銅板とアルミナ基板を重ねて不活性雰囲気中で加熱し、銅板とアルミナ基板との界面に銅とアルミニウムとの複合酸化物を生成させ銅板とアルミナ基板とを接合するものである。

一方、銅／窒化アルミニウム直接接合基板の場合には、予め窒化アルミニウム基板の表面に酸化物を形成する必要がある。例えば特開平３−９３６８７号公報に開示するように、予め空気中において、約１０００℃の温度で窒化アルミニウム基板を処理し、表面に酸化物を生成させてから、この酸化物層を介して上述の方法により銅板と窒化アルミニウム基板とを接合している。

また銅／アルミナろう接基板及び銅／窒化アルミニウムろう接基板は、銅板とセラミックス基板との間に低触点のろう材を用いて接合するが、この場合、使用するろう材に銅の他、融点を下げる為の合金元素及びセラミックスとの濡れを良くする為の合金元素が添加され、一例としてＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系のような活性金属ろう材はよく使用されている。

上述のように銅／セラミックス複合基板は広く使用されるにもかかわらず、製造中及び実用上幾つかの問題点がある。その中で最も重大な問題点は、電子部品の実装及び使用中にセラミックス基板の内部にクラックが形成し、基板の表裏間を電気的に導通することによる故障である。

これは銅の熱膨張係数がセラミックスの係数より約一桁大きいことに起因するが、接合の場合、セラミックス基板と銅が１０００℃近くまで加熱され、接合温度から室温に冷却する時に、熱膨張係数の違いにより複合基板の内部に多大の熱応力が発生する。

また、パワーモジュール等の電子部品を実装するときに、銅・セラミックス複合基板は４００℃近くまで加熱されるため、さらに使用環境や使用中の発熱により、同複合基板の温度が常に変化し、同複合基板に変動熱応力が掛けられる。これらの熱応力によってセラミックス基板にクラックが発生する。

近年、電気自動車用パワーモジュールの開発により、ヒートサイクル耐量の優れた複合基板への要望が特に高まっており、例えば電気自動車の様に温度変化が激しく、振動が大きい使用条件の場合、複合基板のヒートサイクル耐量が５００回以上必要であると言われているが現在使用されている銅・セラミックス複合基板では、このような要望に対応できない。

銅と同じような優れた電気と熱伝導性を有するアルミニウムを導電回路材料として使う構想は以前からあり、例えば特開昭５９−１２１８９０号にこのような構想が記述されている。アルミニウムとセラミックスとの接合に一般的にろう接法は使用され、特開平３−１２５４６３号、特開平４−１２５５４号及び特開平４−１８７４６号にろう接法で作製したアルミニウム−セラミックス基板を開示しているが、上述のように高いヒートサイクル耐量が要求される用途には、依然として充分対応できないものであった。

上述のように従来の銅／セラミックス複合基板やアルミニウム材をＡｌ−Ｓｉ系ろう材を介して接合したアルミニウム−セラミックス基板はいずれも自動車用又は電車用パワーモジュール体として使用するには問題があった。

本発明はアルミニウム溶湯を特定範囲の表面粗さを有するセラミックス基板に直接的接合せしめることによって接合強度を高め最終的にヒートサイクル耐量の高い接合基板を開発することを目的とする。

本発明者らは斯かる課題を解決するために鋭意研究したところ使用するセラミックス基板によって表面粗さ（最大表面粗さ）の範囲が異なるが、特定範囲のセラミックス基板を用いると接合強度並びにヒートサイクル耐量に富むアルミニウム−セラミックス複合基板を得ることができることを見出し本発明を提出することができた。

即ち、本発明の第１は、表面粗さ（最大表面粗さ）が１．０〜５．０μｍＲｙのセラミックス基板の片面または両面にアルミニウム溶湯を直接接合せしめ、ヒートサイクル耐性が１０００サイクル以上であることを特徴とする。

本発明の第２は、上記セラミックス基板とアルミニウム材との接合強度が５．０ｋｇ／ｃｍ² 以上であることを特徴とする。

上述のように本発明に斯かるアルミニウム−セラミックス直接接合基板は、従来の複合基板では得られなかったヒートサイクル耐性に富み、またそのためにある程度の接合強度を併せて確保し、電気自動車や電車向けのように大電力パワーモジュール基板として特に好ましいものである。

本発明において使用する基板としては、アルミナ、窒化アルミニウム、炭化硅素、ジルコニア等のセラミックス基板やガラス等であり、この場合、高純度の素材であればなおさら好ましい。そして、これらの基板のうち、表面粗さ（最大表面粗さ）が１．０〜５．０μｍＲｙの範囲にあるものが特に好ましいが、この理由として１．０μｍＲａより小さいと溶湯アルミニウムが漏れにくくなり、接着強度が弱くなり、逆に５．０μｍより大きくなるとポアーが大きくなって溶湯アルミニウムと接合する面積が小さくなるので接着強度が不充分となることによる。

また、本発明でベースとして用いる金属はアルミニウムの純金属または合金であるが、これにより導電性が向上し、且つ、軟らかさを得るものである。この場合、純度が高い程導電性が向上するが、逆に価格が高くなるため本発明では９９．９％（３Ｎ）の純アルミニウムを使用した。

この金属とセラミックス基板との接合は溶融接合法で行ない、これにより高い接合強度と未接欠陥の少ない複合基板が得られる。また、接合雰囲気として窒素雰囲気下で行なうことができるため、従来法のように真空下で行なう必要がなく製造コストが安くなり、更に、窒化アルミニウム基板や炭化硅素基板にも表面改質することなく直接に接合することができる（第１工程）。

上記溶湯接合法で得られた金属−セラミックス複合基板の一主面にエッチングレジストを加熱圧着し、遮光・現像処理を行なって所望のパターンを形成した後、塩化第２鉄溶液にてエッチングを行なって回路を形成する（第２工程）。

以下、図面を参照して本発明複合基板（以下、アルミニウム−セラミックス直接接合基板とする）について詳細に説明する。

図２は本発明のアルミニウム−セラミックス直接接合基板を製造するための設備の原理図である。純度９９．９％のアルミニウム２をヒーター７を有するルツボ６にセットしてから蓋９をしめて、ケース８の内部に窒素ガスを充填する。ルツボ６内に設けたガイド一体型ダイス１０の左側入口からセラミックス基板１（３６ｍｍ×５２ｍｍ×０．６８５ｍｍ）を順番に挿入した。

この場合、セラミックス基板１として表面粗さ（最大表面粗さ）が１．０〜５．０μｍの範囲内にあるアルミナ基板や窒化アルミニウム基板を選択して用いた。これらのセラミックス基板１はルツボ６内において、基板両面に純アルミニウム溶湯が接触し、次いで出口側において凝固されることによって、厚さ０．５ｍｍのアルミニウム板が接合されたアルミニウム−セラミックス直接接合基板を得た（第１工程）。

次いで、該接合基板上のアルミニウム部にエッチングレジストを加熱圧着し、遮光・現像処理を行なって所望のパターンを形成した後、塩化第２鉄溶液にてエッチングを行なって図１ａに示す回路４を形成した（第２工程）。

次いで、得られた上記各接合基板のヒートサイクル耐性及び接合強度（ピール強度）を調べたところ、アルミナ基板及び窒化アルミニウム基板のいずれもヒートサイクル耐性を１０００回以上でもクラックの発生は見られず、また接合強度もユーザー指定の５．０ｋｇ／ｃｍ² 以上の１０〜４０ｋｇ／ｃｍ² であった。

なお、図１ａにおいて３は電子部品搭載部、図１ｂにおいて５は放熱板である。

（ａ）は本発明におけるアルミニウム−セラミックス直接接合基板の模式平面図である。（ｂ）は本発明におけるアルミニウム−セラミックス直接接合基板の模式底面図である。 本発明接合基板の製造装置の原理図である。

符号の説明

１ セラミックス基板
２ アルミニウム
３ 電子部品搭載部
４ 回路
５ 放熱板
６ ルツボ
７ ヒーター
８ ケース
９ 蓋
１０ ガイド一体型ダイス

Claims (2)

1. 表面粗さ（最大表面粗さ）が１．０〜５．０μｍＲｙのセラミックス基板の片面または両面にアルミニウム溶湯を直接接合せしめ、ヒートサイクル耐性が１０００サイクル以上であることを特徴とするＡｌ−セラミックス複合基板。
2. 上記セラミックス基板とアルミニウム材との接合強度が５．０ｋｇ／ｃｍ² 以上であることを特徴とする請求項１記載のＡｌ−セラミックス複合基板。

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