JP3939979B2

JP3939979B2 - 窒化物セラミック銅回路基板およびパワーモジュール

Info

Publication number: JP3939979B2
Application number: JP2001394145A
Authority: JP
Inventors: 剛早水
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-12-26
Filing date: 2001-12-26
Publication date: 2007-07-04
Anticipated expiration: 2021-12-26
Also published as: JP2003192463A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーモジュール用基板やスイッチングモジュール用基板等に代表される、大きな電流の流れを許容する窒化物セラミックス銅回路基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
パワーモジュール用基板やスイッチングモジュール用基板等に代表される、大きな電流の流れを許容する窒化物セラミックス銅回路基板は、一般に窒化アルミニウムや窒化ケイ素に代表される窒化物セラミックスから成る基板の表面に銅板から成る所定パターンの金属回路板をろう付けすることにより形成されている。
【０００３】
このような窒化物セラミックス銅回路基板は、まず、窒化物セラミックスから成る基板を準備して、その表面にペースト状のＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ等の活性ろう材を介して所定の回路形状に形成した銅から成る金属回路板を位置決め載置するとともに荷重を加え、次にこれら積層した基板、活性ろう材、および金属回路板を真空炉中に投入するとともに所定の温度に昇温することにより活性ろう材を溶融させ、基板および金属回路板と活性ろう材との間に反応層を形成させて基板と金属回路板とを接合することにより製作される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来の窒化物セラミック銅回路基板においては、基板への金属回路板の接合が、基板の表面に活性ろう材ペーストを介して金属回路板を載置させた後、これを不活性雰囲気中、活性ろう材ペーストの液層線温度以上の温度である約900℃に加熱することによって行われていることから、活性ろう材の量を多くすると活性ろう材ペーストが大きく溶け広がり、この溶け広がった活性ろう材によって隣接する金属回路板間で電気的に短絡してしまうという問題点を有していた。
【０００５】
このような問題点を解決する手段として、活性ろう材ペーストの量を少なくし、ろう材層の厚みを薄くし、活性ろう材の広がりを抑制する手法がある。しかしながら、活性ろう材ペーストの厚みを薄くすると、窒化物セラミックスから成る基板の表面に金属回路板を接合する際、窒化物セラミックス固有のうねり部を埋めるための活性ろう材の量が不足し、基板と金属回路板との間にボイドが発生し、その結果、ろう付け強度の低下や金属回路板上に実装される半導体素子の発熱によって発生する熱サイクルによる金属回路板の剥がれの起点になるという問題点を有していた。
【０００６】
本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑み案出されたものであり、活性ろう材の量が十分で窒化物セラミックスから成る基板と銅からなる金属回路板との接合が強固で、かつ金属回路板間で電気的に短絡の発生しない窒化物セラミックス銅回路基板を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の窒化物セラミック銅回路基板は、窒化物セラミックスからなる基板と、前記基板上に並設された複数の金属回路板と、前記基板の表面に設けられており、前記複数の金属回路板を前記基板に接合する活性ろう材と、前記複数の金属回路板間に、表面を露出させた状態で前記基板と接するように設けられた窒化物セラミックスの酸化膜と、を備える。
【０００８】
また、本発明の窒化物セラミック銅回路基板は、前記複数の金属回路板の表面に、ニッケル層が被着されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明の窒化物セラミック銅回路基板は、前記酸化膜の厚みが０．２〜４μｍであることを特徴とする。
【００１０】
本発明のパワーモジュールは、上述のいずれかに記載の窒化物セラミックス銅回路基板と、前記銅回路基板に搭載された電子部品とを有することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を添付の図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の窒化物セラミックス銅回路基板の実施の形態の一例を示す断面図である。この図において、１は窒化物セラミックスから成る基板、２は酸化膜、３は活性ろう材、４は銅から成る金属回路板である。
【００１２】
窒化物セラミックスから成る基板１は、その形状が正方形や長方形、あるいは略正方形や略長方形であり、上面にそれぞれ活性ろう材３を介して銅から成る複数の金属回路板４がろう付けされている。窒化物セラミックスから成る基板１は、銅から成る金属回路板４を支持する支持部材として機能し、窒化ケイ素や窒化アルミニウム等の窒化物質焼結体で形成されている。
【００１３】
このような窒化物セラミックスから成る基板１は、例えば基板１が窒化ケイ素から成る場合、窒化ケイ素や酸化アルミニウム・酸化マグネシウム等の原料粉末に酸化イットリウムや酸化セシウム・酸化サマリウム・酸化エルビニウム・酸化イッテリビウム・酸化ルテニウム等の希土類元素から成る焼結助剤粉末と適当な有機バインダーや可塑剤・溶剤等とを添加混合して泥しょう物となすとともにこの泥しょう物を従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法を採用することによってセラミックグリーンシート（セラミック生シート）を形成し、次にセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施し所定形状となすとともに、必要に応じて複数枚を積層して成形体となし、しかる後、これを窒素雰囲気等の非酸化性雰囲気中、1600〜2000℃の高温で焼成することによって製作される。
【００１４】
また、窒化物セラミックスから成る基板１は、その表面に銅から成る金属回路板４が活性ろう材３を介してろう付けされている。
【００１５】
銅から成る金属回路板４は、例えば銅のインゴット（塊）に圧延加工法や打ち抜き加工法等、従来周知の金属加工法を施すことによって、厚さが500μｍ程度で所定パターン形状に製作される。
【００１６】
なお、このような銅から成る金属回路板４は無酸素銅を用いると、無酸素銅はろう付けの際に銅の表面が銅中に存在する酸素により酸化されることなく活性ろう材３との濡れ性が良好となり、窒化物セラミックスから成る基板１への活性ろう材３を介しての接合を強固とすることができる。従って、銅から成る金属回路板４はこれを無酸素銅で形成しておくことが好ましい。
【００１７】
さらに、窒化物セラミックスから成る基板１に銅から成る金属回路板４をろう付け取着する活性ろう材３は、基板１と金属回路板４とを接合する接合材としての作用をなし、例えば、銀ろう材（銀：72重量％、銅：28重量％）に活性金属であるＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂおよび／またはその水素化合物の少なくとも１種を２〜５重量％添加したものが好適に使用され、また、これに適当な有機バインダー、可塑剤、溶剤を添加混合して得た金属ペーストを基板１の表面に周知のスクリーン印刷法により所定パターンに印刷塗布しておくことによって窒化物セラミックスから成る基板１の表面に所定パターンに被着される。
【００１８】
なお、活性金属の量が２重量％未満となると活性金属の絶対量が不足して活性ろう材３を基板１に強固に接着させることができなくなる危険性があり、また５重量％を超えると活性金属と基板１との間に脆弱な反応層が厚く形成され、結果的に活性ろう材３と基板１との接着強度が低下してしまう危険性がある。従って、活性金属の添加量は２〜５重量％の範囲にしておくことが好ましい。
【００１９】
基板１への金属回路板４の接合は、基板１上に金属回路板４を間に活性ろう材３を挟んで載置し、次にこれを真空中もしくは不活性雰囲気中で所定温度（約900℃）で加熱処理し、活性ろう材３を溶融するとともに基板１の上面と金属回路板４の下面とに接合させることによって行われる。
【００２０】
なお、本発明においては、窒化物セラミックスから成る基板１に銅から成る金属回路板４を接合する前に、基板１の表面を酸化処理して、金属回路板４間に位置する基板１の表面に、基板１を構成する窒化物セラミックスを酸化してなる酸化膜２形成しておくことが重要である。
【００２１】
本発明の窒化物セラミックス銅回路基板によれば、活性ろう材３間に位置する基板１の表面に窒化物セラミックスを酸化して成る酸化膜２を形成したことから、酸化膜の活性ろう材３に対する濡れ性が窒化物セラミックスの活性ろう材３に対する濡れ性に対して悪いために、活性ろう材３が基板１表面の銅から成る金属回路板４間に大きく溶け広がることはなく、その結果、金属回路板４間で電気的に短絡することはない。また、活性ろう材３が基板１表面の金属回路板４間に大きく溶け広がることがないことから、活性ろう材３の量を多くすることができ、その結果、基板１と金属回路板４との接合を強固なものとすることができるとともに基板１と金属回路板４との間にボイドが発生することもない。
【００２２】
このような活性ろう材３間に位置する基板１の表面の酸化膜２は、次に述べる方法により形成される。まず、窒化物セラミックスが例えば窒化ケイ素である場合、あらかじめ基板１を大気中で1000〜1500℃の温度で30〜120分間加熱することによって、窒化ケイ素の成分であるケイ素と大気中の酸素とが結合してなる酸化膜２が基板１の表面全体を覆うように形成される。次に、銅から成る金属回路板４が活性ろう材３を介して接合される領域の酸化膜２を除去する。酸化膜２の除去は、ホーニング処理にて行えばよい。ホーニング処理としては、エッチング加工やプレス加工により酸化膜２を除去したい部分の形状に加工したメタルマスク等の保護マスクをあらかじめ準備し、次に、この保護マスクを酸化膜２の形成された基板１上に固定し、しかる後、アルミナ球状粉末等の研磨剤を添加した水溶液等を用いてホーニング処理を行うことにより、酸化膜２の不要な部分、すなわち基板１表面の活性ろう材３を介して金属回路板４が接合される部分の酸化膜２を除去することができる。
【００２３】
また、本発明の窒化物セラミックス銅回路基板においては、酸化膜２の厚みを0.2〜４μｍの範囲とすることが好ましい。酸化膜の厚みが0.2μｍ未満であると、活性ろう材３が酸化膜２の表面に広がってしまう危険性があり、また、４μｍを超えると窒化物セラミックスから成る基板１と酸化膜２の界面にクラック等が生じてしまう危険性がある。従って、酸化膜２はその厚みが0.2〜４μｍの範囲に特定される。
【００２４】
また、金属回路板３の表面にニッケルから成る、良導電性で、かつ耐蝕性および活性ろう材３との濡れ性が良好な金属をめっき法により被着させておくと、金属回路板３と外部電気回路との電気的接続を良好と成すとともに金属回路板３に半導体素子等の電子部品を強固に接着させることができる。
【００２５】
さらに、ニッケルめっき層は燐（Ｐ）を8〜15重量％含有させたニッケル−燐のアモルファス合金としておくとニッケル層の表面酸化を良好に防止することができる。なお、ニッケルめっき層に含有される燐が８重量％未満となるとニッケルめっき層は酸化しやすいニッケル−燐の多結晶構造と成って金属回路板３に半導体素子等の電子部品を半田等の接着材を介して強固に電気的に接続することができず、また、15重量％を超えるとニッケルめっき層を形成する際、燐が単独に、また優先的に析出してニッケル−燐のアモルファス合金を形成することができなくなる。従って、ニッケルめっき層の内部に含有される燐の量は8〜15重量％の範囲に特定され、好適には10〜15重量％の範囲がよい。
【００２６】
なお、金属回路板３の表面に被着されるニッケルめっき層は、その厚みが1.5μｍ未満の場合、金属回路板３の表面をニッケルめっき層で完全に被覆することができず、金属回路板３の酸化腐蝕を有効に防止することができなくなり、また３μｍを超えるとニッケルめっき層の内部に内在する内在応力が大きくなってセラミック基板１に反りや割れ等が発生してしまう。特にセラミック基板１の厚さが700μｍ以下の薄いものになった場合にはこのセラミック基板１の反りや割れ等が顕著となってしまう。従って、金属回路板３の表面に被着されるニッケルメッキ層は、その厚みを1.5〜3μｍの範囲としておくことが好ましい。
【００２７】
かくして、本発明の窒化物セラミックス銅回路基板によれば、活性ろう材３間に位置する基板１の表面に窒化物セラミックスを酸化して成る酸化膜２を形成したことから、活性ろう材ペーストが液相線温度以上の温度で加熱されても金属回路板４間に大きく溶け広がることがないため、隣接する金属回路板４間が電気的に短絡する事が無く、また活性ろう材３中にボイドがないため、窒化物セラミックスから成る基板１と金属回路板４との接合強度が高く、また信頼性の高い基板１とすることができる。
【００２８】
なお、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能である。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の窒化物セラミックス銅回路基板によれば、活性ろう材間に位置する基板の表面に窒化物セラミックスを酸化して成る酸化膜を形成したことから、酸化膜の活性ろう材に対する濡れ性が窒化物セラミックスの活性ろう材に対する濡れ性に対して悪いために、活性ろう材が基板表面の銅から成る金属回路間に大きく溶け広がることはなく、その結果、金属回路板間で電気的に短絡することはない。
【００３０】
また、酸化膜の厚みを0.2〜４μｍとしたことから、活性ろう材が金属回路板間に濡れ広がることはなく、また、基板に酸化膜を強固に被着させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の窒化物セラミックス銅回路基板の実施の形態の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・・・・・窒化物セラミックスから成る基板
２・・・・・・・酸化膜
３・・・・・・・活性ろう材
４・・・・・・・銅から成る金属回路板

Claims

窒化物セラミックスからなる基板と、
前記基板上に並設された複数の金属回路板と、
前記基板の表面に設けられており、前記複数の金属回路板を前記基板に接合する活性ろう材と、
前記複数の金属回路板間に、表面を露出させた状態で前記基板と接するように設けられた窒化物セラミックスの酸化膜と、
を備えた窒化物セラミックス銅回路基板。
前記複数の金属回路板の表面に、ニッケル層が被着されていることを特徴とする請求項１に記載の窒化物セラミックス銅回路基板。
前記酸化膜の厚みが０．２〜４μｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化物セラミックス銅回路基板。
請求項１〜３のいずれかに記載の窒化物セラミックス銅回路基板と、
前記銅回路基板に搭載された電子部品とを有することを特徴とするパワーモジュール。