JP3734388B2 - Ａｌ系金属用ろう材とそれを用いたセラミックス回路基板 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーモジュール等に使用されるセラミックス基板と金属板の接合用ろう材およびそれを用いた高信頼性のセラミックス回路基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、熱発生の大きい半導体素子等を搭載するためのパワーモジュール等の回路基板として、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）セラミックス等の絶縁性に優れたセラミックス基板の表面に、導電性を有する回路層を接合した回路基板が広く普及している。
【０００３】
しかし、近年、これら半導体素子は機器類の小型化、高性能化に伴って熱発生量が増加する傾向にあり、信頼性高く安定動作を得るために半導体素子の発生する熱を放散して、素子が破壊されない温度より充分低くすることが一層重要な課題となってきており、前記回路基板の特性として電気絶縁性が高いことに加え、より高い熱伝導性が要求されてきている。
【０００４】
上記の要求に伴って、高熱伝導性の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などのセラミックスを基板材料として用いた、放熱性の高い銅回路基板が開発されている。しかし、前記銅回路基板は機械的特性が不十分であり、回路基板として用いる場合には、半導体素子の作動に伴う繰り返しの熱サイクルや動作環境の温度変化等で、セラミックス部分の銅回路層の接合部付近にクラックが発生しやすく、信頼性が低いという問題点があった。
【０００５】
この問題の解決として、例えば特開平４−１２５５４号公報や特開平４−１８７４６号公報に、回路材料として銅よりも降伏耐力の小さいアルミニウム（Ａｌ）を用いたセラミックス回路基板が開示されている。
【０００６】
しかし、信頼性の指標となる−４０℃から１２５℃までの繰り返し冷却、加熱する耐ヒートサイクル性についは、前記回路基板であっても１０００回程度でアルミニウム回路材の剥離が起こったり、セラミックス基板にクラックが入る等の問題が発生し、上述のように高い信頼性の要求される用途には充分対応ができない。
【０００７】
また、特開平８−２０８３５９号公報には、Ａｌの溶湯を用いてＡｌを直接ＡｌＮ基板に接合した回路基板が開示されている。この発明によれば、Ａｌ回路基板単体で３０００回を越える耐ヒートサイクル性が達成されている。
【０００８】
しかし、Ａｌ溶湯を用いて直接接合しているために、Ａｌ回路層の厚さのバラツキが大きく、安定して信頼性の高い回路基板が得られないだけでなく、設備費や設備の維持管理がかかりコストアップになるという問題がある。
【０００９】
一方、ろう材接合による方法は、Ａｌ回路層の厚さバラツキはほとんどなく、設備コストは安価であるが、接合用ろう材としてＡｌを主成分とする場合、これまでは添加成分に重点が置かれ、Ａｌの不純物にはあまり注意が払われなかった。しかしながら、Ａｌは再生品が多く使われること、合金を溶融製造する際に、撹拌棒や治具等からの汚染があり、種々の不純物が混入してくる場合がある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記公知技術の事情に鑑みてなされたものであり、例えば、電気自動車や鉄道等の用途に適用できるパワーモジュールのような、高い信頼性が要求される用途に対応できるセラミックス回路基板を提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記目的を達成するために鋭意検討した結果、前記不純物、特にＦｅ、Ｃｒ、Ｍｎが接合用ろう材に多量に含まれると、それらが或いは主成分のＡｌ等と金属間化合物を形成し、このためにセラミックス基板と回路板との接合状態が不良となる場合があるだけでなく、得られる回路基板の信頼性が充分確保できないという知見を得て、本発明に至ったものである。そして、前記不純物量を低減し、回路材料であるアルミニウム（Ａｌ）材とセラミックス基板の接合温度を低下させることで、接合時に発生する熱応力を低減でき、金属間化合物発生に原因する接合不良を抑制でき、耐ヒートサイクル等の信頼性が著しく向上することを見出し、本発明に至ったものである。
【００１２】
即ち、本発明は、セラミックス基板とＡｌを主成分とする金属板とを接合するろう材であって、不純物としてＦｅ、Ｃｒ、Ｍｎがいずれも１．５重量％以下であり、また、Ｍｇと、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｇｅのうちの少なくとも一種以上とを含むＡｌ合金である。特に、好ましい実施態様として、Ｍｇを０．０５重量％以上３重量％以下、Ａｌが８５重量％以上含まれ、さらには、液相を生じる温度が５００℃〜６３０℃であることを特徴とするろう材である。また、本発明は、前記ろう材を用いて、Ａｌを主成分とする金属板を、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、アルミナからなる群より選ばれた一種以上からなるセラミックス基板に接合してなることを特徴とするセラミックス回路基板である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明に於いては、不純物元素としてのＦｅ、Ｃｒ、Ｍｎがいずれも１．５重量％以下であることが本質的である。ろう材中に、不純物元素としてＦｅ、Ｃｒ、Ｍｎが多い場合、金属間化合物を生成し、セラミックス基板とアルミニウムを主成分とする金属板とをろう接した際に接合状態が悪くなるとともに、得られるセラミックス回路基板の信頼性も低下する。そして、金属間化合物の生成は、接合時の昇温速度および降温速度にもよるが、前記元素についていずれかが１．５重量％を越えると顕著になり、その結果、セラミックス回路基板とした場合の信頼性の低下が著しくなり、一般的な信頼性評価であるヒートサイクル試験（−４０℃←→１２５℃）において、１０００回以下で基板にクラックやＡｌ回路剥離等が発生してしまう。前記不純物元素の好ましく許容される量はいずれもが０．５重量％以下である。
【００１４】
また、セラミックス基板とＡｌを主成分とする金属板とを接合する際、接合温度が高いと、接合後の残留応力が大きくなるため、ろう材を低融点化することが重要である。そのためには、Ｍｇと、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｇｅからなる群の少なくとも１種以上の元素とを含むことが好ましい。Ｍｇは接合の妨害となる界面に存在する酸化物を除去してくれるだけではなく、ろう材の低融点化にも寄与するものと考えられる。また、Ｍｇと組み合わせて使用した場合、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｇｅはいずれも単独であってもろう材合金の低融点化に寄与するが、これらを複数組み合わせて用いることもできる。
【００１５】
一方、Ｍｇとしては０．０５重量％〜３重量％が好ましい。Ｍｇの含有量が０．０５重量％より少ないと、酸化物除去の効果が低く、逆に３重量％を越えると理由は明らかではないが、接合性が悪化することがある。また、ろう材中のアルミニウム（Ａｌ）は８５重量％以上であることが好ましい。８５重量％未満の場合には、Ａｌを主成分とする合金と接合できても、Ａｌを主成分とする合金とろう材との熱膨張率の差異が大きくなったり、ろう材の降伏耐力が大きくなる等の理由から、回路基板とした場合に耐ヒートサイクル性が低くなることがある。ろう材中のＡｌ含有量が９０重量％以上であることが一層好ましい。上記理由から、Ｍｇが０．０５重量％〜３重量％であり、Ａｌが８５重量％以上であり、残部がＣｕ、Ｓｉ、Ｇｅからなる群の少なくとも１種以上の元素からなるＡｌ合金は、セラミックス基板とＡｌを主成分とする金属板とを接合するに好適である。
【００１６】
また、前記ろう材は５００℃〜６３０℃の温度範囲で少なくとも一部が液相を形成するものが良い。即ち、５００℃未満では接合性の面で充分でないことがあるし、６３０℃を越える温度ではアルミニウム板やセラミックス基板に残留する熱応力が大きくなるし、アルミニウム材の融点に近くなるためロウ接欠陥が生じやすくなるからである。尚、前記ろう材を用いてアルミニウムを主成分とする金属板とセラミックス基板とを接合（ろう接）する場合、接合する面に１〜５０ｋｇｆ／ｃｍ²の垂直力を付加することが望ましい。
【００１７】
本発明のろう材の作り方については、例えば、黒鉛-炭化ケイ素複合材のルツボにアルミニウムだけを溶融させ、そこに所定量の金属を添加し、充分撹拌溶解する。続いてフラックスを添加、充分撹拌して鉱滓等を除去後、溶解したろう材合金を型に流し込み冷却固化させる。その後、圧延機を通して徐々に箔化するか、粉体化すればよい。また、所望の組成となるように金属粉末を秤量し、有機溶媒に分散してスラリーとする方法でも構わない。
【００１８】
また、セラミックス基板としては、電気絶縁性で熱伝導性に富むものならばどの様なものでも構わず、例えば、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）やベリリア（ＢｅＯ）を添加した炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化珪素、窒化アルミニウム等を挙げることができる。これらの内では、電力が大きなパワーデバイスで熱の発生が大きいことを考慮すると絶縁耐圧が高く、熱伝導性の高いことから窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）が好適である。
【００１９】
本発明の回路基板は、アルミニウムを主成分とする金属板と窒化アルミニウム基板等のセラミックス基板とを前記ろう材を用いて加熱接合した後、エッチングする方法、或いは、金属板から打ち抜き法等により予め回路パターンを形成し、これをセラミックス基板に前記ろう材を用いて接合する方法等によって製造することができる。
【００２０】
【実施例】
以下、実施例と比較例とをあげて、本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００２１】
〔実施例１〜１１および比較例１〜３〕
セラミックス基板としては、５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム基板および窒化珪素基板で、レーザーフラッシュ法による熱伝導率はそれぞれ１７５Ｗ／ｍＫおよび７５Ｗ／ｍＫで、３点曲げ強さの平均値は４２０ＭＰａおよび５６０ＭＰａであるものを用意した。また、アルミニウムを主成分とする金属板としては厚さ０．４ｍｍのＪＩＳ呼称１０８５材を用いた。
【００２２】
また、ろう材の製造方法に関しては、５重量％Ｃｕ−１．５量％Ｍｇ−１．５重量％Ｆｅ−残Ａｌの箔の場合について、以下例示する。黒鉛-炭化ケイ素複合材のルツボにＡｌだけを７５０℃で溶融させ、そこに５重量％相当のＣｕを添加し、さらに１．５重量％相当のＦｅを添加し、１０００℃にして充分撹拌溶解した。次に、溶湯を７５０℃にし、合金用フラックス（例えば日本金属化学社製Ｎ４０６）を添加、充分撹拌して鉱滓等を除去後、１．５重量％相当のＭｇを添加、溶解したろう材合金を型に流し込み冷却固化させた。その後、圧延機を通して薄化と３５０℃アニールを繰り返し、最終的に２０μｍ厚さの箔にした。他のろう材も上記に準じて合金箔を作製した。作製した合金箔は、蛍光Ｘ線法（化学分析で校正した）にて分析し、目的とする組成であることを確認した。
【００２３】
前記セラミックス基板の表裏両面に、表１に示す各種組成の２０μｍろう材合金箔を介して、前記アルミニウム板を重ね、垂直方向に３５ｋｇｆ／ｃｍ²で加圧した。そして、１０^-4Ｔｏｒｒの真空中、温度５００℃〜６５０℃の条件下で加圧しながらアルミニウム板と窒化アルミニウム基板とをろう接して、接合体を得た。実施例、比較例の各々の接合条件を表２に示す。
【００２４】
【表１】

【００２５】
【表２】

【００２６】
前記接合体については、目視及び超音波探傷による接合状態の確認を行った。さらに、異常の認められなかった接合体について、アルミニウム板表面の所望部分にエッチングレジストをスクリーン印刷して、塩化第二鉄溶液にてエッチング処理し、回路パターンを形成した。次いで、レジストを剥離した後、無電解Ｎｉ−Ｐメッキを３μｍ行って回路基板とした。得られた回路基板について、以下に示すように信頼性の評価を行った。
【００２７】
信頼性評価；回路基板に−４０℃×３０分→室温×１０分→１２５℃×３０分→室温×１０分を１サイクルとするヒートサイクルを３０００回負荷した。その後、回路基板について、目視及び超音波探傷による回路の剥離やセラミックス基板におけるクラック発生状況等の異常の有無を観察した。結果を表３に示す。
【００２８】
【表３】

【００２９】
表３から、本発明の回路基板は、いずれも回路とセラミックス基板とが良好な接合状態であり、ヒートサイクル３０００回負荷後であっても回路の剥離やハンダクラック等の異常は認められず、高信頼性の回路基板であることが明らかである。
【００３０】
【発明の効果】
本発明のろう材は、不純物金属元素としてのＦｅ、Ｃｒ、Ｍｎがいずれも１．５重量％以下と制御されているので、ろう接の際に金属間化合物が生成することを抑制することができ、その結果、セラミックス基板とアルミニウムを主成分とする金属板とを良好に接合することができる特徴を有する。また、本発明のろう材は、Ａｌが８５重量％以上であり、Ｍｇと、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｇｅのうちの少なくとも一種以上を含むことから、セラミックス基板とアルミニウムを主成分とする金属板とを一層良好に接合することができる特徴を有する。加えて、本発明のろう材は、液相を生じる温度が５００℃〜６３０℃であるので、低い接合温度でセラミックス回路基板を製造できるので、得られるセラミックス回路基板に残留する熱応力を低くでき、その結果、熱サイクルにも耐久性のある高信頼性のセラミックス回路基板を容易に得ることができる。
【００３１】
本発明のセラミックス回路基板は、前記ろう材を用いて、セラミックス基板とアルミニウムを主成分とする金属板からなる回路とが良好に接合していて、残留している熱応力も低いので、繰り返しの熱サイクルに耐久性のある高信頼性のセラミックス回路基板であり、産業上非常に有用である。

Claims (1)

1. Ｍｇを０．０５〜３重量％、不純物としてＦｅ、Ｃｒ、Ｍｎをいずれも１．５重量％以下、並びに、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｇｅのうちの少なくとも一種以上を含み、且つ、Ｃｕが５．０重量％以下、Ｓｉが７．１重量％以下、Ｇｅが７．１重量％以下であって、残分がＡｌからなり、液相を生じる温度が５００℃〜６３０℃であることを特徴とするろう材を介して、Ａｌを主成分とする金属板を窒化アルミニウム基板に接合してなる耐ヒートサイクル性に優れた窒化アルミニウム回路基板。