JPH02149478A - 銅を接合した窒化アルミニウム基板の製法 - Google Patents
銅を接合した窒化アルミニウム基板の製法Info
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- JPH02149478A JPH02149478A JP30223688A JP30223688A JPH02149478A JP H02149478 A JPH02149478 A JP H02149478A JP 30223688 A JP30223688 A JP 30223688A JP 30223688 A JP30223688 A JP 30223688A JP H02149478 A JPH02149478 A JP H02149478A
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Landscapes
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- Powder Metallurgy (AREA)
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、銅を接合した窒化アルミニウム基板の製法、
とくにパワー半導体モジュール基板等に通した熱放散性
の良い基板の製法に関する。
とくにパワー半導体モジュール基板等に通した熱放散性
の良い基板の製法に関する。
従来より、窒化アルミニウムと銅板を接合する方法とし
ては、次のものが提案されている。
ては、次のものが提案されている。
（ｉ）表面を酸化した窒化アルミニウム基板に銅板を接
触配置し、銅の融点以下、Ｃｕ２０−ｏの共晶温度以上
で加熱して接合する方法いわゆるＤＢＣ法（例えば特開
昭５９−１２１１７５号公報） （ｉｉ ）窒化アルミニウム基板と銅板の間にＡｇ箔、
Ｃｕ箔さらには活性金属箔を順次積層し加熱して接合す
る方法（例えば特開昭５６−１６３０９３号公報） （ｉｉｉ ）上記金属の合金板を介在させ加熱接合する
方法（例えば特開昭５８−１４０３８１号公報） （ｉｖ）上記金属からなる合金粉末を介在させ加熱接合
する方法（例えば特開昭５６−１６３０９３号公報） しかしながら、（ｉ）の方法には、銅板のフクレが発生
しやすく基板に対する付着強度が充分でないという問題
、（ｉｉ ）の方法においては、各箔の厚みが数μｍと
薄いため積層自体が難しいという問題、（ｉｉｉ ）の
方法には、銅回路板と同様の形状にあらかじめ成形しな
くてはならないという問題があった。合金粉末を介在さ
せ加熱接合する（ ｉｖ ）の方法は、それらの合金粉
末を例えばペースト化し表面に塗布するという簡便な方
法ではあるが、あらかじめ合金粉末を調製しておかねば
ならないという欠点があった。
触配置し、銅の融点以下、Ｃｕ２０−ｏの共晶温度以上
で加熱して接合する方法いわゆるＤＢＣ法（例えば特開
昭５９−１２１１７５号公報） （ｉｉ ）窒化アルミニウム基板と銅板の間にＡｇ箔、
Ｃｕ箔さらには活性金属箔を順次積層し加熱して接合す
る方法（例えば特開昭５６−１６３０９３号公報） （ｉｉｉ ）上記金属の合金板を介在させ加熱接合する
方法（例えば特開昭５８−１４０３８１号公報） （ｉｖ）上記金属からなる合金粉末を介在させ加熱接合
する方法（例えば特開昭５６−１６３０９３号公報） しかしながら、（ｉ）の方法には、銅板のフクレが発生
しやすく基板に対する付着強度が充分でないという問題
、（ｉｉ ）の方法においては、各箔の厚みが数μｍと
薄いため積層自体が難しいという問題、（ｉｉｉ ）の
方法には、銅回路板と同様の形状にあらかじめ成形しな
くてはならないという問題があった。合金粉末を介在さ
せ加熱接合する（ ｉｖ ）の方法は、それらの合金粉
末を例えばペースト化し表面に塗布するという簡便な方
法ではあるが、あらかじめ合金粉末を調製しておかねば
ならないという欠点があった。
さらにはいずれの方法にあっても銅（１７Ｘ １０−’
／℃）と窒化アルミニウム焼結体く４〜５ ｘｌＯ−’
／℃）の熱膨張差に起因する残留応力が発生し窒化アル
ミニウム焼結体にクラックが生じやすいという欠点もあ
った。
／℃）と窒化アルミニウム焼結体く４〜５ ｘｌＯ−’
／℃）の熱膨張差に起因する残留応力が発生し窒化アル
ミニウム焼結体にクラックが生じやすいという欠点もあ
った。
本発明者らは、以上の問題点を解決することを目的とし
て種々検討した結果、特定組成からなるペーストを銅板
と窒化アルミニウム焼結体の間に介在させて特定条件化
で熱処理をすればよいことを見い出し本発明を完成した
ものである。
て種々検討した結果、特定組成からなるペーストを銅板
と窒化アルミニウム焼結体の間に介在させて特定条件化
で熱処理をすればよいことを見い出し本発明を完成した
ものである。
すなわち、本発明は、以下を要旨する銅を接合した窒化
アルミニウム基板の製法である。
アルミニウム基板の製法である。
ｌ１次の（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）の工程からなること
を特徴とする銅を接合した窒化アルミニウム基板の製法
。
を特徴とする銅を接合した窒化アルミニウム基板の製法
。
（ａｌ 銀粉、銅粉及び水素化チタン粉に、有機結合
削と有機溶剤を添加してペーストを調製した後、それを
スクリーン印刷法にて窒化アルミニウム焼結体表面に塗
布する工程 （ｂ） 上記ペースト塗布箇所に銅板を配置する工程 ＩｃＩ 上記銅板を配置した窒化アルミニウム焼結体
を不活性雰囲気下８００℃以上９５０℃以下の温度にて
熱処理した後冷却する工程２、銀粉と銅粉の混合粉末１
００重量部に対し、水素化チタン量５重量部以上２０ｕ
量部以下であることを特徴とする請求項ｌ記載の銅を接
合した窒化アルミニウム基板の製法。
削と有機溶剤を添加してペーストを調製した後、それを
スクリーン印刷法にて窒化アルミニウム焼結体表面に塗
布する工程 （ｂ） 上記ペースト塗布箇所に銅板を配置する工程 ＩｃＩ 上記銅板を配置した窒化アルミニウム焼結体
を不活性雰囲気下８００℃以上９５０℃以下の温度にて
熱処理した後冷却する工程２、銀粉と銅粉の混合粉末１
００重量部に対し、水素化チタン量５重量部以上２０ｕ
量部以下であることを特徴とする請求項ｌ記載の銅を接
合した窒化アルミニウム基板の製法。
３、冷却速度が５℃／分以下であることを特徴とする請
求項１又は２記載の銅を接合した窒化アルミニウム基板
の製法。
求項１又は２記載の銅を接合した窒化アルミニウム基板
の製法。
以下、本発明をさらに詳細に説明する。
本発明では、銅板と窒化アルミニウム焼結体との接合剤
として、銀、銅及び水素化チタンの粉末が用いられる。
として、銀、銅及び水素化チタンの粉末が用いられる。
通常、これらのロウ材では、活性タンを、しかもその添
加形態として水素化物を使用することにより、従来より
強い接合強度にしたことが大きな特徴の１つである。
加形態として水素化物を使用することにより、従来より
強い接合強度にしたことが大きな特徴の１つである。
このように強い接合強度が得られる原因について、接合
体の断面観察と接合層の組成分析を行なって検討したと
ころ、窒化アルミニウム側から窒化チタン層、銅と銀の
混合物層、銅板の順となっており、銅と銀の混合物層が
生成される窒化チタン層と銅板とを強固に結合している
ことがわかった。これは、通常の金属チタンを添加した
場合も同種の構造をとるが、本発明では、チタンが水素
化物の分解により生成するためより活性化された状態に
あること及び同時に水素化チタンが銅と銀粉表面に微量
存在する酸素の捕獲剤として作用するのを防止できた効
果と考えている。
体の断面観察と接合層の組成分析を行なって検討したと
ころ、窒化アルミニウム側から窒化チタン層、銅と銀の
混合物層、銅板の順となっており、銅と銀の混合物層が
生成される窒化チタン層と銅板とを強固に結合している
ことがわかった。これは、通常の金属チタンを添加した
場合も同種の構造をとるが、本発明では、チタンが水素
化物の分解により生成するためより活性化された状態に
あること及び同時に水素化チタンが銅と銀粉表面に微量
存在する酸素の捕獲剤として作用するのを防止できた効
果と考えている。
本発明において、銀と銅粉末の混合比は、重量割合で、
銀６０〜８０％、銅２０〜４０％が好ましく採用される
。この混合比は、後の熱処理工程における処理温度によ
り任意に選択されるが、処理温度の低下及び接合強度の
向上の点から、銀７２％、銅２８％のいわゆる共晶組成
が最も好ましい。
銀６０〜８０％、銅２０〜４０％が好ましく採用される
。この混合比は、後の熱処理工程における処理温度によ
り任意に選択されるが、処理温度の低下及び接合強度の
向上の点から、銀７２％、銅２８％のいわゆる共晶組成
が最も好ましい。
銀と銅の混合粉末１００重量部に対する水素化チタンは
５重量部以上２０重量部以下が好ましい。
５重量部以上２０重量部以下が好ましい。
５重量部未満では生成される窒化チタン層が少なくなり
、窒化アルミニウム焼結体との接合強度が充分高くなく
、一方、２０重量部を越えると生成する窒化チタン量が
増加するため窒化アルミニウム焼結体との接着強度は増
すが残留応力の緩和が困難となりクラックが発生しやす
くなる。
、窒化アルミニウム焼結体との接合強度が充分高くなく
、一方、２０重量部を越えると生成する窒化チタン量が
増加するため窒化アルミニウム焼結体との接着強度は増
すが残留応力の緩和が困難となりクラックが発生しやす
くなる。
以上の銀、銅および水素化チタンの粉末を用いてペース
トを調製するには、一般のメタライズ用ペーストに用い
られている有機結合剤例えばエチルセルローズ、ＰＭＭ
Ａと、有機溶剤例えばトルエンやテレピネオールと共に
混合すればよい。その配合の一例を示せば、有機溶剤６
０〜７０容量部、上記混合粉末１８〜３０容量部及び有
機結合剤１０〜２０容量部で三者の合計が１００容量部
である。ペーストの粘度としては３０．０００〜１００
，０００ｃｐｓ程度である。
トを調製するには、一般のメタライズ用ペーストに用い
られている有機結合剤例えばエチルセルローズ、ＰＭＭ
Ａと、有機溶剤例えばトルエンやテレピネオールと共に
混合すればよい。その配合の一例を示せば、有機溶剤６
０〜７０容量部、上記混合粉末１８〜３０容量部及び有
機結合剤１０〜２０容量部で三者の合計が１００容量部
である。ペーストの粘度としては３０．０００〜１００
，０００ｃｐｓ程度である。
本発明で使用される窒化アルミニウム焼結体としては、
公知の方法で製造されたものが使用でき、その−例を示
せば、焼結助剤を添加せずにホットプレス法で焼結した
もの、イツトリア、カルシアなどの酸化物を窒化アルミ
ニウム粉末に添加して常圧焼結したものなどである。
公知の方法で製造されたものが使用でき、その−例を示
せば、焼結助剤を添加せずにホットプレス法で焼結した
もの、イツトリア、カルシアなどの酸化物を窒化アルミ
ニウム粉末に添加して常圧焼結したものなどである。
ペーストは窒化アルミニウム焼結体の片面又は両面スク
リーン印刷法により塗布される。パワー半導体モジュー
ル用基板としては、片面に基板とほぼ同じ大きさの銅板
を接合しヒートシンク材と半田付けするため、この面に
対してはほぼ全面に上記ペーストを塗布する。また、も
う一方の面には半導体素子を搭載する銅回路板を接合す
るため、あらかじめ回路板と同じパターンにペーストを
スクリーン印刷する。印刷後、充分乾燥させたのち、こ
のぺ、−スト塗布箇所と同形状の銅板をあらかじめ放電
加工、打ち抜き法等により作製しておき、それを上記ペ
ースト塗布箇所上に配置する。
リーン印刷法により塗布される。パワー半導体モジュー
ル用基板としては、片面に基板とほぼ同じ大きさの銅板
を接合しヒートシンク材と半田付けするため、この面に
対してはほぼ全面に上記ペーストを塗布する。また、も
う一方の面には半導体素子を搭載する銅回路板を接合す
るため、あらかじめ回路板と同じパターンにペーストを
スクリーン印刷する。印刷後、充分乾燥させたのち、こ
のぺ、−スト塗布箇所と同形状の銅板をあらかじめ放電
加工、打ち抜き法等により作製しておき、それを上記ペ
ースト塗布箇所上に配置する。
以上のようにして銅板が配置された窒化アルミニウム焼
結体は、不活性雰囲気下８００℃以１９５０℃以下の温
度で熱処理される。８００ ”Ｃに満たない温度におい
てもＣｕ−八ｇは液相を生成するが、このような条件下
において作製された接合体は介在層と窒化アルミニウム
焼結体や銅板との濡れが不良となり充分な接合強度を生
じない。また、９５０℃を越える温度にて処理されたも
のは、接合層の粘性が小さいため、銅板からロウ材のは
み出しを生じ短絡の原因となってしまう。脱炭素の点か
ら、温度７００℃以下における昇温速度をｌＯ℃／分以
下好ましくは５℃／分以下とするのが望ましい。
結体は、不活性雰囲気下８００℃以１９５０℃以下の温
度で熱処理される。８００ ”Ｃに満たない温度におい
てもＣｕ−八ｇは液相を生成するが、このような条件下
において作製された接合体は介在層と窒化アルミニウム
焼結体や銅板との濡れが不良となり充分な接合強度を生
じない。また、９５０℃を越える温度にて処理されたも
のは、接合層の粘性が小さいため、銅板からロウ材のは
み出しを生じ短絡の原因となってしまう。脱炭素の点か
ら、温度７００℃以下における昇温速度をｌＯ℃／分以
下好ましくは５℃／分以下とするのが望ましい。
熱処理雰囲気としては、Ａｒ、 ｌｉｅ等の不活性ガス
雰囲気下の他、真空雰囲気が使用できる。本発明者らは
、熱処理後の接合体の強度と接合層中における炭素含有
量の関係を検討したところ、強度が弱いもの程炭素含有
量が多く、それはペースト中の有機結合剤に含まれる炭
素が残留し窒化チタンの生成を抑制したためであること
を見い出した。
雰囲気下の他、真空雰囲気が使用できる。本発明者らは
、熱処理後の接合体の強度と接合層中における炭素含有
量の関係を検討したところ、強度が弱いもの程炭素含有
量が多く、それはペースト中の有機結合剤に含まれる炭
素が残留し窒化チタンの生成を抑制したためであること
を見い出した。
従って、本発明においては、有機結合剤からの脱炭素が
より充分に行なわれるという点から真空雰囲気を使用す
ることが好ましい。
より充分に行なわれるという点から真空雰囲気を使用す
ることが好ましい。
熱処理後冷却して本発明の銅を接合した窒化アルミニウ
ム基板とする。アルミニウム焼結体と銅の熱膨張係数の
差が大きいので、その際の冷却速度を大きくすると得ら
れた基板に残留応力に起因するクラックや欠損が生じる
ことがある。そのため、本発明では、残留応力を極力少
なくするために冷却速度を５℃／分以下特に２℃／分以
下とするのが望ましい。
ム基板とする。アルミニウム焼結体と銅の熱膨張係数の
差が大きいので、その際の冷却速度を大きくすると得ら
れた基板に残留応力に起因するクラックや欠損が生じる
ことがある。そのため、本発明では、残留応力を極力少
なくするために冷却速度を５℃／分以下特に２℃／分以
下とするのが望ましい。
以下、実施例と比較例をあげてさらに具体的に本発明を
説明する。
説明する。
実施例１〜４
銀粉末７２重量％、銅粉末２８重量％からなる混合粉末
１００重量部に対し、水素化チタン粉末を各々５．１０
，１５及び２０重量部添加後、これらを十分混合し、テ
レピネオールとＰＭＭＡを加えてペーストを調整した。
１００重量部に対し、水素化チタン粉末を各々５．１０
，１５及び２０重量部添加後、これらを十分混合し、テ
レピネオールとＰＭＭＡを加えてペーストを調整した。
このペーストを５０ｍｍｘ５０ｍｍＸ０．６３５ｍｔの
窒化アルミニウム焼結体の両面にスクリーン印刷した後
乾燥した。その際、片面はほぼ全面に、もう一方の面は
半導体素子搭載のため島状に印刷した。
窒化アルミニウム焼結体の両面にスクリーン印刷した後
乾燥した。その際、片面はほぼ全面に、もう一方の面は
半導体素子搭載のため島状に印刷した。
このペースト塗布位置に、同形状の銅板を接触配置後、
真空中８５０℃で２ｈｒ熱処理後冷却速度を５℃／分と
して冷却し窒化アルミニウム焼結体と銅板の接合体を製
造した。得られた接合体の銅板をはがし、剥離した状態
を観察することにより接合性を調べた。その結果を表１
に示す。
真空中８５０℃で２ｈｒ熱処理後冷却速度を５℃／分と
して冷却し窒化アルミニウム焼結体と銅板の接合体を製
造した。得られた接合体の銅板をはがし、剥離した状態
を観察することにより接合性を調べた。その結果を表１
に示す。
比較例１〜２
水素化チタン粉末のかわりにチタン粉末を５又は１０重
量部としたこと以外は実施例１と同様にして窒化アルミ
ニウム焼結体と銅板の接合体を製造した。その接合性の
観察結果を表１に示す。
量部としたこと以外は実施例１と同様にして窒化アルミ
ニウム焼結体と銅板の接合体を製造した。その接合性の
観察結果を表１に示す。
実施例５〜８ 比較例３〜４
熱処理温度を表２に示す条件とし熱処理時間を２．５ｈ
ｒとしたこと以外は実施例３と同様にして窒化アルミニ
ウム焼結体と銅板の接合体を製造した。
ｒとしたこと以外は実施例３と同様にして窒化アルミニ
ウム焼結体と銅板の接合体を製造した。
その接合性の観察結果を表２に示す。
参考例
実施例４において冷却速度を１０℃／分としたところ、
銅板端部より窒化アルミニウム焼結体端部に走るクラッ
クが認められた。また、実施例４において水素化チタン
の添加量を３重量部としたところ、接合強度は実施例１
よりも若干劣ることがＴ０ｎ認され、また、添加量を２
３重量部としたところ、接合強度はかなり強くなるが窒
化アルミニウム焼結体にわずかのクラックが発生してい
ることが認められた。
銅板端部より窒化アルミニウム焼結体端部に走るクラッ
クが認められた。また、実施例４において水素化チタン
の添加量を３重量部としたところ、接合強度は実施例１
よりも若干劣ることがＴ０ｎ認され、また、添加量を２
３重量部としたところ、接合強度はかなり強くなるが窒
化アルミニウム焼結体にわずかのクラックが発生してい
ることが認められた。
本発明によれば、接合強度に優れクラックの発生のない
、銅を接合した窒化アルミニウム基板を簡単に製造する
ことができる。
、銅を接合した窒化アルミニウム基板を簡単に製造する
ことができる。
特許出願人 電気化学工業株式会社
Claims (3)
- １．次の（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）の工程からなること
を特徴とする銅を接合した窒化アルミニウム基板の製法
。 （ａ）銀粉、銅粉及び水素化チタン粉に、有機結合剤と
有機溶剤を添加してペーストを調製した後、それをスク
リーン印刷法にて窒化アルミニウム焼結体表面に塗布す
る工程 （ｂ）上記ペースト塗布箇所に銅板を配置する工程 （ｃ）上記銅板を配置した窒化アルミニウム焼結体を不
活性雰囲気下８００℃以上９５０℃以下の温度にて熱処
理した後冷却する工程 - ２．銀粉と銅粉の混合粉末１００重量部に対し、水素化
チタン量５重量部以上２０重量部以下であることを特徴
とする請求項１記載の銅を接合した窒化アルミニウム基
板の製法。 - ３．冷却速度が５℃／分以下であることを特徴とする請
求項１又は２記載の銅を接合した窒化アルミニウム基板
の製法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30223688A JPH02149478A (ja) | 1988-12-01 | 1988-12-01 | 銅を接合した窒化アルミニウム基板の製法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30223688A JPH02149478A (ja) | 1988-12-01 | 1988-12-01 | 銅を接合した窒化アルミニウム基板の製法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02149478A true JPH02149478A (ja) | 1990-06-08 |
Family
ID=17906590
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP30223688A Pending JPH02149478A (ja) | 1988-12-01 | 1988-12-01 | 銅を接合した窒化アルミニウム基板の製法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH02149478A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04168792A (ja) * | 1990-11-01 | 1992-06-16 | Kawasaki Steel Corp | 耐熱衝撃性に優れた高放熱性セラミックス回路基板の製造方法 |
| JPH04290462A (ja) * | 1991-03-19 | 1992-10-15 | Hitachi Ltd | 金属接合回路基板およびそれを用いた電子装置 |
-
1988
- 1988-12-01 JP JP30223688A patent/JPH02149478A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04168792A (ja) * | 1990-11-01 | 1992-06-16 | Kawasaki Steel Corp | 耐熱衝撃性に優れた高放熱性セラミックス回路基板の製造方法 |
| JPH04290462A (ja) * | 1991-03-19 | 1992-10-15 | Hitachi Ltd | 金属接合回路基板およびそれを用いた電子装置 |
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