JP3585338B2 - 窒化アルミニウム基板及びその用途 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、電子部品のパワーモジュール等に使用される窒化アルミニウム基板の改良に関するものであり、特にヒートショックやヒートサイクルに対する耐久性を一段と高めたパワー半導体モジュール基板を提供することを目的とするものである。
【０００２】
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パワー半導体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、パワー半導体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、良好な熱伝導性を有する窒化アルミニウム基板が利用できるようになったため、その上面に銅などの金属回路を、またその反対面に金属放熱板を形成後、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が実装されている。
【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、電気自動車等に使用されるようになり、より厳しい環境下の使用における耐久性と、更なる小型化の要求があり、それに伴い窒化アルミニウム基板に対しても電流密度を上げるための回路厚みの増加や、ヒートショックやヒートサイクルに対する更なる耐久性の向上が要求されてきている。
【０００４】
従来、窒化アルミニウム基板は、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）、アルカリ土類金属酸化物（例えばカルシア）等の焼結助剤を添加し成形後焼成する常圧焼結法と、前記成形体又は窒化アルミニウム単独成形体をホットプレス焼結する方法とにより、一般的に製造されている。この場合において、窒化アルミニウム焼結体表面を厚み１０〜５０μｍ削除して窒化アルミニウム基板の抗折強度を高めることも知られている（特開昭６３−０６９７６３号公報）。
【０００５】
一方、銅板と窒化アルミニウム基板の接合方法としては、両者の間に活性金属成分を含むろう材を介在させて加熱接合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窒化アルミニウム基板と銅板とを銅の融点以下、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）などがある。活性金属ろう付け法は、ＤＢＣ法に比べて次の利点がある。
（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の熱膨張差によって生じる残留熱応力が小さい。
（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きい。
【０００６】
しかしながら、活性金属ろう付け法を用いても、ろう材の融点近傍にまで温度を上げて接合するために、接合体に残留応力が生じてしまい、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なかった。そこで、金属板と窒化アルミニウム基板との接合体をアニール処理して残留応力を緩和することも提案されているが（例えば特開平５−５１２７号公報）、十分ではなかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記に鑑み、ろう材の濡れ性に対する新たな指標を設けることによって窒化アルミニウム基板を適正化し、一段とヒートショックやヒートサイクルに対する耐久性を高めたパワー半導体モジュール基板を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、窒化アルミニウム焼結体をホーニング処理した後、ろう材に対する濡れ性を向上させるために、Ｎ ₂ 雰囲気中、温度１０５０〜１３００℃で熱処理してなることを特徴とする、ろう材に対する濡れ指標が３以上である窒化アルミニウム基板の製造方法であり、該製造方法により得られる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させてな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。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明で定義される「ろう材に対する濡れ指標」とは、いずれも試薬を用い、Ａｇ粉末／Ｃｕ粉末／ＴｉＨ_２ 粉末の重量比を７２／２８／５したもの１００重量部に、テルピネオール１５重量部とポリイソブチルメタアクリレートの３０重量％トルエン溶液を固形分で５重量部加えてよく混練してろう材を調製し、１２０℃の空気中で１０分間以上保持して十分に乾燥させた後、その１ｇを用いて直径１０ｍｍ×厚み２ｍｍのペレットを成形し、次いでそれを被測定物である窒化アルミニウム基板上に置き、１×１０^−４Ｔｏｒｒの真空中、温度３００〜５００℃に保持してポリイソブチルメタアクリレートを十分に分解除去した後、８８０℃にて３０分保持してから２℃／分以上の速度で室温まで冷却して、ペレットの窒化アルミニウム基板上への濡れ広がり面積（Ｓ_１ ）を測定し、Ｗ＝Ｓ_１ ／Ｓ_０ により算出された値である。但し、Ｗ：基板表面のろう材に対する濡れ指標、Ｓ_０ ：処理前のペレットの面積（＝π×１０^２ ｍｍ^２ ）である。なお、（Ｓ_１ ）値は、ノギス等を用いて、広がりの各箇所の直径を５箇所以上にわたって測定し、その平均値を用いるものとする。
【００１０】
窒化アルミニウム基板に銅等の金属回路を形成させてなる回路基板の信頼性については、窒化アルミニウム基板自体の強度を向上させることの他に、金属の耐疲労特性を低下させないことも重要なことである。すなわち、金属の機械的特性を低下させないようにして窒化アルミニウム基板と接合させることである。そのためには、窒化アルミニウム基板と金属板とをできるだけ低温、短時間で接合することであるが、その際、ろう材と金属との反応は金属同士の反応であるので大きな問題はないが、ろう材と窒化アルミニウム基板との反応では、界面におけるろう材の濡れ性が大きく影響する。特に、ろう材の濡れ性は、ろう材自身の組成の変更等である程度改善できるが、窒化アルミニウム基板の表面状態によって大きく左右される。
【００１１】
これまで、セラミックスの表面状態を推し量る指標としては、表面粗さが一般的であったが、窒化アルミニウム基板と金属板との接合体、特に一段とヒートショックやヒートサイクルに対する耐久性を高めたパワー半導体モジュール基板を得ようとする場合においては、そのような物理量だけでは不十分であり、表面の化学的状態をも含めて、実際のろう材に対してどの程度濡れるかということが重要なことである。
【００１２】
本発明の窒化アルミニウム基板は、このような観点で規定されたものであり、上記で定義されたろう材の濡れ指標が３以上の窒化アルミニウム基板である。本発明の窒化アルミニウム基板を用いることによって、銅板等の金属板との接合条件を緩和することができ、一段とヒートショックやヒートサイクルに対する耐久性を高めたパワー半導体モジュール基板を得ることができる。濡れ指標が３未満の窒化アルミニウム基板ではろう材の濡れ性が不足し、所用の接合強度を得るために高温、長時間の接合が必要となり、接合時の残留応力が増加し、所期の目的を達成することができない。
【００１３】
本発明の窒化アルミニウム基板は、窒化アルミニウム焼結体を例えば常法によって製造し、それを先ずホーニング処理した後、次いでＮ_２ 雰囲気中、温度１０５０〜１３００℃で熱処理（アニール処理）することによって製造することができる。この処理を逆に行うと、結果は上記方法よりもよくない。
【００１４】
ホーニング処理としては、平均粒径１０〜１００μｍ程度のアルミナ粒子を研磨材とし、圧力２〜５ｋｇ／ｃｍ^２ で吹き付け、研磨量を２〜５μｍ程度とするのがよい。また、アニール処理において、その雰囲気が空気等の窒素以外の気体もしくは処理温度が１０５０℃未満では効果が小さく、また１３００℃をこえると窒化アルミニウム焼結体中の不純物、例えば焼結助剤相を形成するＹＡＧ等が再溶融し濡れ性の改善効果が認められなくなる。処理時間は２〜６時間程度である。
【００１５】
本発明のモジュール基板において、窒化アルミニウム基板の一方の面に金属回路、他方の面には金属放熱板を形成する方法としては、両者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及び／又は金属放熱板の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、これらの際における金属板又はパターンと窒化アルミニウム基板との接合方法としては、活性金属ろう付け法が使用される。
【００１６】
活性金属ろう付け法におけるろう材の金属成分は、銀と銅を主成分とし、溶融時の窒化アルミニウム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。この活性金属成分は、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。活性金属成分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合金・化合物である。これらの比率としては、銀８０〜９５重量部と銅２０〜３１重量部の合計量１００重量部あたり活性金属成分１〜７重量部である。
【００１７】
接合温度については、温度が高すぎると金属回路中へのＡｇの拡散が進み、金属回路の残留応力として残りやすくなる。また、低すぎると十分に金属と窒化アルミニウム基板とが接合しないため、８００〜８４０℃の範囲でろう付けを行う。特に、接合温度までの温度上昇を可能な限り速くすることであり、７００℃からの昇温速度は１０℃／分以上とすることが望ましい。
【００１８】
【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。
【００１９】
実施例１〜３ 比較例１〜３
重量で、酸素含有量１．１％の窒化アルミニウム粉末９６部、焼結助剤（イットリア）４部の合計１００部に対し、表面処理剤としてオレイン酸を２部を添加し、振動ミルにて予備混合を行った。更に、有機結合材としてエチルセルロース８部、可塑剤としてグリセリントリオレート３部及び水１２部を配合しミキサーで混合した後、それを成型速度１．０ｍ／分、成型圧力５５〜７０ｋｇ／ｃｍ^２ にて押出成型を行った。その後、遠赤外線にて１２０℃、５分間乾燥し、４８０℃で１０時間空気中で脱脂した後、１８５０℃×４時間の焼成を行った。得られた窒化アルミニウム焼結体をホーニング処理した後、アニール処理して窒化アルミニウム基板を製造した。
【００２０】
ホーニング処理は、平均粒径２０〜３０μｍ程度のアルミナ粒子を圧力２〜４ｋｇ／ｃｍ^２ で吹き付け、表面を３μｍ程度研磨することによって行った。また、アニール処理は表１に示す条件で行った。
【００２１】
比較例４
窒化アルミニウム焼結体を、先ずアニール処理してからホーニング処理したこと以外は、実施例１と同様にして窒化アルミニウム基板を製造した。
【００２２】
得られた窒化アルミニウム基板について、上記に従い、ろう材の濡れ指標を測定した。また、上記と同様にして製造された窒化アルミニウム基板を用い、以下に従ってパワー半導体モジュール基板を製造し、ヒートサイクルに対する耐久性を評価した。それらの結果を表１に示す。
【００２３】
重量で、銀粉末９０部、銅粉末１０部、ジルコニウム粉末３部、チタン粉末３部、テルピネオール１５部、及びポリイソブチルメタアクリレートの３０％トルエン溶液を固形分で５部配合しよく混練して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基板（６０ｍｍ×３６ｍｍ×０．６５ｍｍ）の回路面にスクリーン印刷によって両面に全面塗布した。その際の塗布量（乾燥後）は９ｍｇ／ｃｍ^２ とした。
【００２４】
次いで、一方の面には６０ｍｍ×３６ｍｍ×０．３ｍｍの銅板を、また他方の面には６０ｍｍ×３６ｍｍ×０．１５ｍｍの銅板をそれぞれ接触配置してから、真空度１×１０^−５Ｔｏｒｒ以下の真空下、温度７００℃からの速度を１５℃／分として８２０℃まで昇温し、その温度で３０分保持した後、２℃／分の降温速度で冷却して接合体を製造した。
【００２５】
次に、この接合体の銅板上の一方の面にパターン率＝０．２のＬ字型パターンに、また他方の面に放熱パターンに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した後、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。
【００２６】
このようにして得られたパワー半導体モジュール基板について、ヒートサイクル試験を行った。ヒートサイクル試験は、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サイクルとして行い、銅板が剥離開始したヒートサイクル回数を測定した。
【００２７】
【表１】

【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、一段とヒートショックやヒートサイクルに対する耐久性を高めたパワー半導体モジュール基板が得られる。

Claims (2)

1. 窒化アルミニウム焼結体をホーニング処理した後、ろう材に対する濡れ性を向上させるために、Ｎ ₂ 雰囲気中、温度１０５０〜１３００℃で熱処理してなることを特徴とする、ろう材に対する濡れ指標が３以上である窒化アルミニウム基板の製造方法。
   ここで、濡れ指標とは、以下によって定義されるものである。組成が、Ａｇ粉末／Ｃｕ粉末／ＴｉＨ ₂ 粉末＝７２／２８／５（重量比）であるろう材ペレットを窒化アルミニウム基板上に置き、８８０℃で加熱してから、加熱後のペレットの面積（ S _１ ）を加熱前のペレットの面積（ S _０ ）で除したもの（ S ₁ /S _０ ）である。
2. 請求項１記載の製造方法により得られる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させてなることを特徴とするパワー半導体モジュール基板。