JP3613759B2 - 金属−セラミックス複合基板 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーモジュール等の大電力電子部品の実装に好適な金属−セラミックス複合基板に関し、更に詳しくは特に優れた耐ヒートサイクル特性が要求される自動車用電子部品の実装に好適な複合基板を提供することを目的とする。
【0002】
【従来の技術】
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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【0005】
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。
【0006】
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。
【0007】
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。接合する場合、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。
【0008】
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。
【0009】
上記複合基板の重要な評価項目の一つに耐ヒートサイクル特性がある。これは基板を−40℃から125℃まで繰り返し、加熱・冷却する際の熱応力によって基板にクラックが発生するまでの循環回数で示しているが、直接接合法で作製した銅・セラミックス複合基板は約50回で、ろう接法で作製した同複合基板のこの特性値は50回以下である。
【0010】
しかもこのような特性を得るために、セラミックス基板の厚さを両主表面に接合された銅板の厚さの合計により厚くするという制限条件が有り、セラミックス基板の厚さを基板本来の電気絶縁性を保つために必要な厚さより倍以上に厚くしなければならないという問題があった。逆に、上記複合基板にとってもう一つ重要な特性である熱伝導性の方は犠牲にされているのが現状である。
【0011】
近年、電気自動車用パワーモジュールの開発により、耐ヒートサイクル特性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、複合基板の耐ヒートサイクル特性が3000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。
【0012】
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。これによると、作製したアルミニウム−セラミックス基板の耐ヒートサイクル特性は約200回であり、上述のように高い耐ヒートサイクル特性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。
【0013】
しかも、この方法の場合、接合は真空中で行わなければならないし、また非酸化物セラミックスの場合、あらかじめ予備処理を施し、セラミックスの表面に酸化物を形成しなければならない、製造コストおよび熱伝導性の面においても満足できないところがあった。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように従来製造された銅/セラミックス直接基板やアルミニウムろう接基板は耐ヒートサイクル特性の面からは、電気自動車向けの基板としては向かなかった。本発明は電気自動車向けの耐ヒートサイクル特性として3000回以上の性能を有する新規な基板を提供することを目的とするものである。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、ろう接に使用されるろう材は接合する金属より硬いとの事実に着眼した。硬いろう材の使用により、金属自身が持つ応力緩和機能が阻害され、基板中に比較的に大きい熱応力が発生し、耐ヒートサイクル特性などは低下する。熱応力が低く、耐ヒートサイクル特性の優れた基板を開発するために本発明者らは発明者の一人の以前の発明(特願平4−355211号)をさらに改良し、アルミニウム−セラミックス直接接合基板を作製した。これらの基板を評価する所、優れた耐ヒートサイクル特性が確認され、本発明を提出することができた。
【0016】
本発明の金属−セラミックス複合基板は、セラミックス基板の少なくとも一主面に電気導通及び電子部品搭載のための金属部分を形成した金属−セラミックス複合基板において、アルミニウム溶湯を窒素ガス雰囲気中でセラミックス基板上に直接凝固させて接合せしめた複合基板上の金属板にエッチング処理により所定の回路を形成して成り、ヒートサイクル≧3000回(クラックなし)としたことを特徴とする。また、本発明の金属−セラミックス複合基板は、セラミックス基板の少なくとも一主面に電気導通及び電子部品搭載のための金属部分を形成した金属−セラミックス複合基板において、アルミニウム溶湯を窒素ガス雰囲気中で炭化珪素基板またはジルコニア基板上に直接凝固させて接合せしめた複合基板上の金属板にエッチング処理により所定の回路を形成して成り、ヒートサイクル≧ 3000 回(クラックなし)としたことを特徴とする。
【0017】
【作用】
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、高強度の素材であればなおさらに好ましい。
【0018】
また本発明で用いる金属はアルミニウムの純金属であるが、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。
【0019】
この金属とセラミックス基板との接合は溶湯接合法で行ない、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うことができるため、従来法のように真空下で行う必要がなく製造コストが安くなり、さらに窒化アルミニウム基板にも、表面改質することなく直接に接合することができる。
【0020】
セラミックス基板の厚さとアルミニウム金属の厚さとの関係においては、従来の銅張りのセラミックス複合基板に比べ、金属の厚さをさらに厚くする一方、セラミックス基板の厚さを逆に薄くすることができるため、金属/セラミックスの厚さの比は従来品よりさらに大きくすることができる。この結果、本発明複合基板の放熱性及び流れる電流の量は増大することが容易に考えられる。
【0021】
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。
【0022】
【発明の実施の形態】
【0023】
(実施例1)
【0024】
図7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%のアルミニウムをルツボ10にセットしてから蓋13をしめて、ケース12の内部に窒素ガスを充填する。ヒーター11で750℃に加熱し、アルミニウムを溶化してから、ルツボ10内に設けたガイド一体型ダイス14の左側入口からセラミックス基板1として36mm×52mm×0.635mmのアルミナ基板を順番に挿入した。ルツボ10内に入った該アルミナ基板にアルミニウム溶湯を接触させ、次いで出口側において凝固させることによって、厚さ0.5mmのアルミニウム板が両面に接合されたアルミニウム−アルミナ直接接合基板を得た。
【0025】
次いで該複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って回路を形成した。さらに回路表面をZn置換してNiめっき処理を施して、図1に示すような形状のアルミニウム−セラミックス直接接合基板を得た。
【0026】
該複合基板の諸特性を測定したところ、以下の結果を得た。
【0027】
ピール特性>30kg/cm(アルミニウムが切れる)
【0028】
ヒートサイクル>3000回(クラックなし)
【0029】
抗折強度:69kg/mm2
【0030】
たわみ:286μm(図5参照)
【0031】
(比較例1)
【0032】
厚さ0.3mmの銅板7を36mm×52mm×0.635mmのアルミナ基板6の上下面に直接接合し、図2に示す形状の銅−アルミナ直接接合基板を得た。なお、3は酸化物(Al−Cu−Si−O)である。
【0033】
実施例1に示す諸特性を同様に求めたところ、
【0034】
ピール特性>10kg/cm(アルミナとCuとの界面で切れる)
【0035】
ヒートサイクル:50回でクラックが発生し、600回で銅板が剥離
【0036】
抗折強度:49kg/mm2
【0037】
たわみ:172μmであった。
【0038】
(実施例2)
【0039】
セラミックス基板1としてアルミナに代えて窒化アルミニウム板(36mm×52mm×0.635mm)を用いた他は、実施例1と同様の手段でアルミニウム−窒化アルミニウム直接接合基板を得た。
【0040】
この複合基板の特性は、
【0041】
ピール特性>20kg/cm
【0042】
ヒートサイクル>3000回
【0043】
抗折強度:53kg/mm2
【0044】
たわみ:230μm
【0045】
であるように耐ヒートサイクル特性が自動車向けとして好ましいものであった。
【0046】
(比較例2)
【0047】
図4に示すように金属板9として厚さ0.3mmの銅板を活性金属ろう材(Ag−Cu−Ti)5を介して窒化アルミニウム板8に接合して得た銅−窒化アルミニウムろう接基板を用いて、実施例2と同様に特性を測定したところ、
【0048】
ピール特性>30kg/cm
【0049】
ヒートサイクル:40回でクラックが発生し、500回で銅板剥離
【0050】
抗折強度:42kg/mm2
【0051】
たわみ:140μm
【0052】
であり、ピール特性は優れているものの目的とする耐ヒートサイクル特性は要求にほど遠いものであった。
【0053】
(実施例3)
【0054】
実施例1で用いた厚さ0.635mmのアルミナ基板の片面に厚さ0.5mmのアルミニウム層を形成し、360℃に加熱された連続加熱炉に通炉したもののソリ量を図5に示すように測定し、同様な操作を繰り返し行って該基板のソリ量を回数毎にまとめ図6に示した。尚、加熱炉内の雰囲気はH2 :N2 =1:4であった。
【0055】
(比較例3)
【0056】
アルミニウムに代えて厚さ0.3mmの銅板を用いて直接接合させた銅張りアルミナ基板以外は、実施例3に示す手段でソリ量を測定し、その結果を図6に併せて示した。
【0057】
この結果、比較例3の銅張りアルミナ基板に比べ、本発明に係るアルミニウム/アルミナ基板のソリ量は約1/3であった。このソリ量は基板内部の応力の増大に伴って増加するため、アルミニウム/アルミナ基板内部の応力は銅張りアルミナ基板と比べてはるかに小さいことがわかった。
【0058】
【発明の効果】
上述のように本発明に係るアルミニウム/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耐ヒートサイクル特性に富み、電気自動車向けパワーモジュール基板として好ましいものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るアルミニウム/セラミックス直接接合基板の模式図である。
【図2】従来の銅/アルミナ直接接合基板の模式図である。
【図3】従来の銅/窒化アルニウム直接接合基板の模式図である。
【図4】従来の金属/セラミックスろう接基板の模式図である。
【図5】実施例3におけるソリ量測定の模式図である。
【図6】実施例3、比較例3における通炉回数に対するソリ量を求めた線図である。
【図7】本発明複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 酸化物(Al−Cu−Si−O)
4 窒化アルミニウム表面の酸化物
5 金属ろう材
6 アルミナ基板
7 銅板
8 窒化アルミニウム板
9 金属板
10 ルツボ
11 ヒーター
12 ケース
13 蓋
14 ガイド一体型ダイス
Claims (2)
- セラミックス基板の少なくとも一主面に電気導通及び電子部品搭載のための金属部分を形成した金属−セラミックス複合基板において、アルミニウム溶湯を窒素ガス雰囲気中でセラミックス基板上に直接凝固させて接合せしめた複合基板上の金属板にエッチング処理により所定の回路を形成して成り、ヒートサイクル≧3000回(クラックなし)としたことを特徴とする金属−セラミックス複合基板。
- セラミックス基板の少なくとも一主面に電気導通及び電子部品搭載のための金属部分を形成した金属−セラミックス複合基板において、アルミニウム溶湯を窒素ガス雰囲気中で炭化珪素基板またはジルコニア基板上に直接凝固させて接合せしめた複合基板上の金属板にエッチング処理により所定の回路を形成して成り、ヒートサイクル≧ 3000 回(クラックなし)としたことを特徴とする金属−セラミックス複合基板。
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