JPH06275948A - 接合体の耐ヒートサイクル性向上方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 熱衝撃や熱履歴に対する耐久性すなわち耐ヒ
ートサイクル性と耐ヒートショック性を著しく向上させ
た銅回路を有する窒化アルミニウム基板を製造すること
ができる銅板と窒化アルミニウム基板の接合体を製造す
ること。 【構成】 窒化アルミニウム基板の両面に銅板が接合さ
れてなる接合体を、非酸化性雰囲気下、温度５００〜７
００℃で熱処理することを特徴とする銅板と窒化アルミ
ニウム基板の接合体の耐ヒートサイクル性向上方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、接合体の耐ヒートサイ
クル性向上方法、詳しくは、電子部品のパワーモジュー
ル等において好適に使用される銅回路を有する窒化アル
ミニウム基板（以下、「銅回路窒化アルミニウム基板」
という）を製造する際に使用される、銅板と窒化アルミ
ニウム基板の接合体の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】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大電
力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
放散させるため、大電力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。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、セラ
ミックス基板上に銅板等の金属板を接合し、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半導
体素子を実装する構造も採用されつつある。

【０００３】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
ズ法等がある。特に、大電力モジュール基板では、従来
のアルミナに変わって高熱伝導性の窒化アルミニウム基
板が注目されており、銅回路又は裏銅板となる銅板の接
合方法としては、銅板と窒化アルミニウム基板との間に
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窒化アルミニウム基板と
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）等が採用
されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような大電力モジ
ュール基板を使用したインバーターの用途は、ロボット
・モーター等から各種工作機械や鉄道、エレベーター、
そして将来は電気自動車にまで広がることが予想されて
いる。そのため、モジュールの小型化と軽量化が益々要
求されており、それをかなえるには銅回路窒化アルミニ
ウム基板も必然的に小型化されなければならない。しか
し、小型化を行って従来と同等の電流密度を達成するに
は銅回路の厚みを増やさなければならないという問題が
あり、しかも窒化アルミニウム基板の面積も小さくなる
結果、熱抵抗の関係から、その厚みも減らす必要があっ
た。

【０００５】従来、この種の銅回路窒化アルミニウム基
板においては、銅板と窒化アルミニウム基板との接合を
終えた後は、何の後処理をも施さないで回路を形成して
いたので、シリコンチップの半田付け時やヒートサイク
ル等の熱衝撃を受けた場合、銅と窒化アルミニウムとの
熱膨張係数の差に基づく熱応力の影響によって、反りが
１．５〜２倍程度にまで増大する結果、銅回路又は裏銅
板が剥離したり、窒化アルミニウム基板にクラックが発
生したりして耐久性に問題があった。従って、上記のよ
うにして、銅回路の厚みを増やし窒化アルミニウム基板
の厚みを減らして小型化を達成しようとすると、両者の
熱膨張係数の差による応力差が益々大きくなり、耐久性
が一段と悪化する恐れがあった。

【０００６】本発明者らは、上記問題点を解決するため
に鋭意検討を重ねた結果、銅板と窒化アルミニウム基板
との接合体を製造した後、それを速やかに非酸化性雰囲
気下で熱処理すれば、熱衝撃を受けてもその反りを１．
２倍以下に抑えることができることを見出し、本発明を
完成させたものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、窒
化アルミニウム基板の両面に銅板が接合されてなる接合
体を、非酸化性雰囲気下、温度５００〜７００℃で熱処
理することを特徴とする銅板と窒化アルミニウム基板の
接合体の耐ヒートサイクル性向上方法である。

【０００８】以下、さらに詳しく本発明について説明す
ると、通常、この種の銅回路窒化アルミニウム基板は、
回路側の銅板厚の方が裏側の銅板厚よりも厚い（例えば
特公平３−５１１１９号公報）ので、ヒートサイクル試
験を行った場合、銅と窒化アルミニウムとの熱膨張係数
の差によって回路側に引張り応力が働き回路側を凸にし
た反りが発生し、しかもヒートサイクルの増加に伴って
その反りが大きくなるので回路側の銅板が剥がれること
がしばしばあった。

【０００９】これに対し、本発明のように、銅板と窒化
アルミニウム基板との接合体を非酸化性雰囲気下、温度
５００〜７００℃で熱処理することによって、銅板の熱
収縮によって生じる窒化アルミニウム基板の熱応力を緩
和させることができるので反り量の増大を減少させるこ
とができ、耐ヒートサイクル性を向上させることができ
るものである。

【００１０】さらに具体的に説明すると、まず、窒化ア
ルミニウム基板の両面に銅板を接合し接合体を製造す
る。その方法は、活性金属ろう付け法、ＤＢＣ法のいず
れでも問題はないが、接合温度の低い活性金属ろう付け
法がより好ましい。窒化アルミニウム基板は、特殊なも
のである必要はなく、熱伝導率が８０Ｗ／ｍＫ以上のも
のが好ましく使用され、また銅回路形成用の表銅板又は
ヒートシンク取付け用の裏銅板についても、従来と同様
に、無酸素銅板、タフピッチ銅板等が好ましく採用され
る。

【００１１】活性金属ろう付け法で使用されるろう材ペ
ーストは、金属成分に有機溶剤と必要に応じて有機結合
剤を加え、混合機例えばロール、ニーダ、バンバリミキ
サー、万能混合機、らいかい機等で混合することによっ
て調整することができる。その際の金属成分としては、
銀成分及び銅成分の主成分とチタン、ジルコニウム、ハ
フニウム、ニオブ、タンタル、バナジウム等及びこれら
の化合物から選ばれた１種又は２種以上の活性金属成分
とが使用され、また、有機溶剤としては、メチルセルソ
ルブ、エチルセルソルブ、テルピネオール、イソホロ
ン、トルエン等が、さらには有機結合剤としては、エチ
ルセルロース、メチルセルロース、ポリメチルメタクリ
レート等が使用される。ろう材ペーストは、スクリーン
印刷法、ロールコーター法等により窒化アルミニウム基
板上に塗布され、銅板が配置された後、加熱接合され
る。

【００１２】本発明の熱処理行うのに特に好適な接合体
は、回路側銅板が凹となるような反りが与えられている
ものである。この反りが大きいほどヒートサイクル試験
の耐久性が向上するが、そうかといって、それをあまり
大きくしすぎると、銅回路窒化アルミニウム基板の裏銅
板をヒートシンクに半田付けする際にボイドが生じるの
で、反り値は４００μｍ以下（０は含まない）、好まし
くは３００μｍ以下特に好ましくは３０〜２００μｍで
あることが望ましい。なお、反り値は、スリットゲージ
法、ダイアルゲージ法、表面粗さ計の使用等によって測
定することができる。

【００１３】上記のような接合体を製造するには、窒化
アルミニウム基板、表銅板及び裏銅板の厚みに左右され
る。例えば、窒化アルミニウム基板の厚みが０．６３５
ｍｍで回路側の表銅板の厚みが０．３〜０．５ｍｍであ
る場合、裏銅板の厚みが０．１〜０．２５ｍｍとする。
窒化アルミニウム基板の厚みが０．６３５ｍｍよりも厚
いか又は薄い場合には、窒化アルミニウム基板の反り等
の変形や圧縮・引っ張り等の応力に対する耐久性が変化
するので、その厚みに応じて裏銅板の厚みを変えること
が望ましい。

【００１４】本発明は、上記によって製造された表銅板
及び裏銅板と窒化アルミニウム基板との接合体を炉に入
れ、窒素、水素、アルゴン等の非酸化性雰囲気下、温度
５００〜７００℃で熱処理を行うものである。５００℃
未満の温度では、熱処理による効果が不十分であり、一
方、７００℃をこえると、活性金属ろう付け法で製造さ
れた接合体の場合には、接合層を形成しているろう材の
融点に近づくので接合層が変質し、また、ＤＢＣ法で製
造された接合体の場合には、銅板と窒化アルミニウム基
板の間にわずかに存在するＣｕ₂ Ｏと窒化アルミニウム
基板の熱膨張の差によって応力が発生し、窒化アルミニ
ウム基板に悪影響を与える。熱処理時間としては、１〜
３時間程度が好ましく、熱処理後は２℃／分程度の速度
で冷却を行う。

【００１５】本発明の熱処理は、銅板と窒化アルミニウ
ム基板を接合し、それを室温に冷却するまでの途中の温
度５００〜７００℃において、１〜３時間保持すること
によっても行うことができる。

【００１６】本発明の方法によって熱処理された接合体
に銅回路を形成させるには、塩化第２鉄や塩化第２銅を
用いて表銅板をエッチングするのが望ましい。このと
き、銅板の厚みに応じて、エッチングスピード、処理温
度、塩素イオン濃度を変化させる。銅回路の形状につい
ては、窒化アルミニウム基板と銅板との熱膨張の差を可
能な限り小さくするよう、窒化アルミニウム基板の長さ
に対して連続したパターンの長さを短くするのが望まし
い。また、窒化アルミニウム基板の長さは可能な限り短
い方が望ましい。

【００１７】

【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。 実施例１〜７ 比較例１〜１０ 銀粉末75重量部、銅粉末25重量部、ジルコニウム粉末20
重量部、テルピネオール15重量部及び有機結合剤として
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1.5 重量部を加えてよく混合し、ろう材ペーストを
調整した。これを窒化アルミニウム基板（75mm×70mm×
厚み0.635mm)の両面にスクリーン印刷によって全面塗布
した。その際の塗布量（乾燥後）は 6〜8 mg/cm²とし
た。

【００１８】次いで、表１に示す種々の厚みの表銅板と
裏銅板を接触配置してから炉に投入し、高真空下、温度
900 ℃で30分間加熱した後、2 ℃／分の降温速度で室温
まで冷却して接合体を製造し、反りをダイアルゲージで
測定した。次に、それを別の炉に入れ、窒素雰囲気下、
表１に示す温度と時間で熱処理を行った後、２℃／分程
度の速度で室温まで冷却し、再び反りを測定した。

【００１９】上記によって熱処理された接合体の表銅板
上に、ＵＶ硬化タイプのエッチングレジストをスクリー
ン印刷にて回路パターンに塗布した後、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、さらにエッチングレジストを５％苛性ソーダ溶液
で剥離した。

【００２０】以上のようにして得られた銅回路窒化アル
ミニウム基板には、銅回路パターン間に残留不要ろう材
と活性金属成分と窒化アルミニウム基板の反応物がある
ので、それらを60℃、10％フッ化アンモニウム溶液に10
分間浸漬して除去した。

【００２１】これら一連の処理によって得られた銅回路
窒化アルミニウム基板について、反りを測定した後、ヒ
ートサイクル（熱衝撃）試験を行い、再び反りを測定し
た。ヒートサイクル試験は、気中、−65℃×20分保持後
150℃×20分保持を１サイクルとして行った。

【００２２】評価は、各実施例毎にサンプル数10枚を作
製し、直ちにヒートサイクル試験を行った。そして３サ
イクル毎に各サンプルの状態を観察し、その中で１枚の
サンプルでも銅板剥離を起こしているものがあればその
時のサイクル数を銅板剥離回数とした。なお、いずれの
反りもサンプル数10枚の平均で示した。それらの結果を
表２に示す。

【００２３】

【表１】

【００２４】

【表２】

【００２５】

【発明の効果】本発明によって製造された接合体を用い
れば、熱衝撃や熱履歴に対する耐久性すなわち耐ヒート
サイクル性と耐ヒートショック性を著しく向上させた銅
回路を有する窒化アルミニウム基板を製造することがで
きる。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 窒化アルミニウム基板の両面に銅板が接
   合されてなる接合体を、非酸化性雰囲気下、温度５００
   〜７００℃で熱処理することを特徴とする銅板と窒化ア
   ルミニウム基板の接合体の耐ヒートサイクル性向上方
   法。