JP4862196B2

JP4862196B2 - 金属セラミックス回路基板の製造方法

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Publication number: JP4862196B2
Application number: JP2008182447A
Authority: JP
Inventors: 英世小山内; 正博風呂
Original assignee: Dowa Metaltech Co Ltd
Current assignee: Dowa Metaltech Co Ltd
Priority date: 2008-07-14
Filing date: 2008-07-14
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2020-09-04
Also published as: JP2008283210A

Description

本発明は、優れた金属セラミックス回路基板及びその製造方法、特に、パワーモジュール等の大電力電子部品の実装に好適な耐ヒートサイクル性に優れた金属セラミックス回路基板及びその製造方法に関するものである。

近年、電気自動車、電車、工作機械などの大電流制御に、パワーモジュールが用いられている。パワーモジュールには主に複数の半導体チップが搭載され、その表面および裏面から大電流を取り出すため、半導体チップを固定する基板には高い電気的絶縁性が求められる。また、大電流を制御するために、実動時の半導体チップは発熱により温度が上昇する。このため、この半導体チップを固定している基材およびその周辺材を含む基板全体には高い放熱性が要求される。

従来のパワーモジュールの断面構造を図５に示す。従来のパワーモジュールでは、半導体チップ１が絶縁性基材としてのセラミックス基板２上の金属層３に半田４で固定され、更にこのセラミックス基板２が他方の金属層５を介して半田６により金属ベース板７に固定される。なお、８は金属層３と５及び金属ベース板７に形成したメッキ層である。また、図５においては、チップ間等の配線の表示は省略している。

アルミニウムのセラミックス基板へのろう材接合方法には先行技術として、実開平1−118588号や実開平2−68448号に示されたものがあり、これらは、窒化アルミニウム基板やアルミナ基板にアルミニウムをAl−Si系やAl−Ge系ろう材を用いて接合するものである。これには、さらに先行技術として1976年の米国特許第3994430号のアルミニウム結合助剤としてのシリコン使用がある。

しかし、このような従来のパワーモジュールにあっては、セラミックス基板２が金属層５と半田６を介して金属ベース板７に固定されているために、以下に示す問題点がある。

（１）セラミックス基板２と金属ベース板７間が、セラミックス基板２−金属層５、−メッキ層８−半田６−メッキ層８−金属ベース板７のような複雑な構造になっており、チップ１に通電、通電停止を繰り返した場合、各材料は冷熱を繰り返すことになり、このときの各材料の熱膨張収縮の差から各材料の接合面にクラックが生じる等の問題が生じやすい。

（２）セラミックス基板２と金属ベース板７間に半田６が存在することにより熱伝導率が下がり、放熱性が低下する。

（３）近年、電気メーカーが極力、使用を減少させようとしている鉛半田を使用している場合が多い。

（４）セラミックス基板２と金属ベース板７間を半田６で接着するため、半田濡れ性改善のためのメッキ等の表面処理や半田付け等の行程が多く必要でコスト高である。

（５）従来用いられている金属ベース板としての銅ベース板はセラミックスに対し熱膨張係数が大きく、冷熱を繰り返したときに銅ベース板との接合面でセラミックスにクラックが生じやすく、信頼性に欠け、銅・モリブデン合金、アルミ・炭化珪素複合材などのベース板は熱伝導率が低く、価格が高いなど問題がある。

従って、本発明の目的は、上述の問題点を解決することにあり、具体的には、本発明は直接アルミニウムあるいはアルミニウム製のベース板をセラミックス基材に接合した形状の優れた特性を有する多種多様な形状のセラミックス−金属複合部材及びこれを低コストで量産する方法を得ることを目的としている。

本発明者等は鋭意研究したところ、ベース板としての材料にアルミニウムあるいはアルミニウム合金を用い、これを鋳型内で溶湯の状態からセラミックスに接触させ冷却することで、その耐力が所定値以下であり、厚さが所定値以上のアルミニウムあるいはアルミニウム合金とセラミックスとを接合すれば、上記の課題を解決出来ることを見いだした。

即ち、ベース板にセラミックスを接合する際に接合温度の低い半田付け法を用いずに、ベース板として硬い金属を用いたり、ベース板とセラミックスの接合にろう付けをおこなうとセラミックスが割れたり、ベース板が大きく反ってしまう不具合が起きる。それに対し、本発明者等が鋭意研究したところ、特に耐力が小さいアルミニウムやアルミニウム合金をろう材を介さないでセラミックスと直接接合することによって、上記不具合を防ぐことができることを見いだした。このメカニズムの詳細は不明であるが、耐力が低いアルミニウムやアルミニウム合金が、セラミックスとの熱膨張係数の差から生じる接合時の残留応力を、自身の塑性変形等により緩和していると本発明者らは推察している。

本発明はかかる知見をもとになされたものである。

本発明の金属セラミックス回路基板の製造方法は、アルミニウムまたはアルミニウム合金をるつぼ内に配置する工程と、上記るつぼの下部にセラミックス基板を配置する工程と、上記るつぼ内を真空または不活性ガス雰囲気にする工程と、上記アルミニウムまたはアルミニウム合金を溶解して溶融体を得る工程と、上記溶融体を細管を介して上記セラミックス基板上に流し込み、上記セラミックス基板の一面と接触させる工程と、上記溶融体と上記セラミックス基板とを冷却して上記セラミックス基板の上記一面に直接接合されたアルミニウムまたはアルミニウム合金のベース板を形成する工程を有することを特徴とする。

また、本発明の金属セラミックス回路基板の製造方法は、電子回路用金属導電体を上記セラミックス基板の他面にろう材を用いて接合する工程を有することを特徴とする。

上記金属導電体は銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金のうち少なくとも一種以上から選ばれることを特徴とする。ベース板としてはアルミニウムまたはアルミニウム合金を使用することができるが、アルミは熱伝導率が高く、耐ヒートサイクル性も良好であり、さらに融点が低く、製造しやすいため特に優れている。

各金属の選択理由は、特に高い導電性を必要とする、あるいはヒートサイクル耐量が1000回以下で十分な場合には銅および銅合金が適している。

3000回以上のヒートサイクル耐量が必要な場合はアルミニウムおよびアルミニウム合金が適している。

また、これらの上に半田濡れ性や耐食性を向上させるためにAuメッキ、Niメッキ等を行うことができる。

上記セラミックス基板は、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素から選ばれる一種であることを特徴とする。

セラミックスのなかでも特にアルミナは絶縁性が高く安価であり、銅の回路を直接接合で製作できるなど汎用性が高く、窒化アルミは熱伝導率が高いことで放熱性に優れ、大電流コントロール用のチップを搭載することができ、窒化珪素は強度が高いので耐ヒートサイクル性が高くエンジンルームなどの厳しい環境での対応性に優れている。

なお、上記ベース板はモジュールの機械的強度補強と放熱を目的としたものである。また、直接接合するとはろう材等の接合助剤を介在せしめることなく必要に応じた強度を有した接合状態にすることを意味する。

本発明によれば、以下のような利点が得られる。

（１）セラミックス基板とベース板間が、セラミックス−ベース板の単純構造になり、冷熱を繰り返したときの信頼性が飛躍的に向上する。これは特にベース板の素材としてアルミニウムまたはアルミニウム合金を選択し、さらにこれを直接接合したことで、アルミニウム自身の柔らかさが冷熱時のセラミックスとの熱膨張収縮のイレギュラーをうち消し、接合界面におけるクラックの発生を防止するためである。

（２）セラミックス基板とベース板間が、セラミックス−ベース板の単純構造になり、熱伝導率の低い半田層を無くすことができるので、高い熱伝導率が得られる。

（３）セラミックス基板とベース板間が、セラミックス−ベース板の単純構造になり、半田による接合が必要なくなるため、半田付け性改善のためのメッキ等の表面処理や半田付け等の行程がなくなり、コストが低下する。

（４）ベース板として従来用いられている銅は安価であるがセラミックスに対し熱膨張係数が大きく、冷熱を繰り返したときにセラミックスとの接合面にクラックが生じやすく、信頼性に欠ける。銅・モリブデン合金，アルミ・炭化珪素複合材などは熱伝導率が低く、価格が高い。これらに対し、アルミニウムは安値であり、銅より熱膨張係数が高いが耐力が極めて小さいために冷熱を繰り返してもセラミックスとの界面にクラックが生じにくく、信頼性の高いものを製造できる。

（５）ベース板としてアルミニウムやアルミニウム合金、銅、銅・モリブデン合金、アルミ・炭化珪素複合材等をろう材を用いてセラミックスにろう接する回路基板の製造方法が考えられるが、回路側の金属の厚みに対しベース板の厚みが非常に厚いこと、ろう材により柔軟性の低い接着層がベース板とセラミックスの間に生成してしまうことなどから、接合後の金属およびセラミックスの熱収縮の差異により、基板が大きくそり、セラミックスにクラックが入りやすい。これに対し、本発明のベース板としてアルミニウムまたはアルミニウム合金を直接接合する方法では、接合部分がアルミニウムで非常に柔軟性が高く、ベース板の耐力が320（ＭＰa）以下であり、かつ厚さが1mm以上としたので従来の欠点を一掃できる。

（６）従来の基板を用いては得られにくかった信頼性に富み、製造歩留まりが高く、コストメリットも高いから、電気自動車や電車のように大電力パワーモジュール基板として特に好ましい。

（７）熱処理を真空または不活性ガス中で行なったので材料の酸化が防がれ接合が良好となる。なお、上記炉内温度は550℃〜850℃としても良い。

以下図面を参照して本発明の金属セラミックス基板及びその製造方法の実施例を詳細に説明する。

図１は本発明の金属セラミックス回路基板を製造するための設備の原理図である。本発明においては、純度99.9％のアルミニウムをるつぼ９の上部にセットし、接合する窒化アルミニウムのセラミックス基板２をるつぼ９の下部にセットする。るつぼ９にピストン１０で蓋をして、るつぼ９の内部に窒素ガスを充填する。次いで、るつぼ９をヒーター１１で750℃に加熱し、アルミニウムを溶化してから、ピストン１０によりるつぼ９の中央の細管１２を介してアルミニウム溶融体１３を押し出し、押し出したアルミニウム溶融体１３をセラミックス基板２上に流し込み、所定の高さまで充填し、これを徐冷してアルミニウム溶融体１３をセラミックス基板２に接着固化し、アルミニウム製のベース板７の一面に複数の窒化アルミニウムのセラミックス基板２を直接接合したものを得た。ここで、得たアルミニウム製のベース板の厚さは5mm、アルミニウムの耐力は40ＭＰaであった。なお、この耐力はJISのZ２２０１番で試験片を作成し、JISのZ２２４１に則って測定したものである。

次に、上記窒化アルミニウムのセラミックス基板２上に回路部を形成するため、スクリーン印刷機を用いてAl87.5wt％・Si12.5％の組成のろう材を所望のパターン形状に印刷し、80℃で乾燥後、その上に金属層３として所望のパターン形状のアルミニウム圧延板をのせ、真空炉にて575℃で加熱し、次いで無電解ニッケルメッキを施し、この金属層３上にろう材である半田４を介して半導体チップ１を固定し、図２に示すモジュールを構成せしめた。

このモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル4000回でもセラミックス−ベース板界面に何ら変化は認められなかった。

上記アルミニウム製のベース板７の厚さを5mmから1mmに変えた他は実施例１と同様の手段で図２に示す形の金属セラミックス回路基板を有するパワーモジュールを形成した。また、ヒートサイクル耐量を調べたところ、実施例１同様ヒートサイクル4000回でもセラミックス−ベース板界面に何ら変化は認められなかった。

上記アルミニウム製のベース板7の厚みを5mmから10mmに変えた他は実施例１と同様の手段で図２に示す形の金属セラミックス回路基板を有するパワーモジュールを形成した。また、ヒートサイクル耐量を調べたところ、実施例１同様ヒートサイクル3000回でもセラミックス−ベース板界面に何ら変化は認められなかった。

上記アルミニウム製のベース板7の厚みを5mmから30mmに変えた他は実施例１と同様の手段で図２に示す形の金属セラミックス回路基板を有するパワーモジュールを形成した。また、ヒートサイクル耐量を調べたところ、実施例１同様ヒートサイクル3000回でもセラミックス−ベース板界面に何ら変化は認められなかった。

上記ベース板７の材質を純度99.99％のアルミニウムからAl95.5％・Cu4.5％のアルミニウム合金に代えた他は実施例１と同様の手段で図２に示す形の金属セラミックス回路基板を有するパワーモジュールを形成した。ここで、ベース板７の厚さは5mm、耐力は95ＭＰaであった。また、ヒートサイクル耐量を調べたところ、実施例１同様ヒートサイクル3000回でもセラミックス−ベース板界面に何ら変化は認められなかった。

上記ベース板７の材質を純度99.99％のアルミニウムからAl87.5％・Si12.5％のアルミニウム合金に代えた他は実施例１と同様の手段で図２に示す形の金属セラミックス回路基板を有するパワーモジュールを形成した。ここで、ベース板７の厚さは5mm、耐力は320ＭＰaであった。また、ヒートサイクル耐量を調べたところ、実施例１同様ヒートサイクル3000回でもセラミックス−ベース板界面に何ら変化は認められなかった。

上記セラミックス基板２として窒化アルミニウムに替えて窒化珪素を用いた他は実施例１と同様の手段で図２に示す形のベース一体型セラミックス基板を有するパワーモジュールを形成した。また、ヒートサイクル耐量を調べたところ、実施例１同様ヒートサイクル4000回でもセラミックス−ベース板界面に何ら変化は認められなかった。

上記ベース板７の形状を厚さ5mmの板状から、この板に加え放熱性向上の目的でフィンを取り付けた他は実施例１と同様の手段で図２に示す形の金属セラミックス回路基板を有するパワーモジュールを形成した。また、ヒートサイクル耐量を調べたところ、実施例１同様ヒートサイクル4000回でもセラミックス−ベース板界面に何ら変化は認められなかった。

窒化アルミニウムのセラミックス基板２に回路部を形成するため、スクリーン印刷機を用いてAg90wt％・Ti5％・Cu5％の組成の活性金属ろう材を印刷し、80℃で乾燥後、その上に金属層３として銅圧延板をのせ、真空炉にて800℃で加熱し、セラミックス基板２に接合した。次に、この銅の部分にエッチングレジストをスクリーン印刷機で印刷し、UV乾燥後、塩化第二鉄溶液でエッチングを行い所望のパターン１４を形成し、次いで、これを図３に示すようにるつぼ９の下部にセラミックス基板２の下面が上になるようにセットし、純度99.9％のアルミニウムをるつぼ９の上部にセットし、るつぼ９にピストン１０で蓋をして、るつぼ９の内部に窒素ガスを充填する。次いで、るつぼ９をヒーター１１で750℃に加熱し、アルミニウムを溶化してから、ピストン１０によりるつぼ９の中央の細管１２を介してアルミニウム溶融体１３を押し出し、押し出したアルミニウム溶融体１３をセラミックス基板２上に流し込み、所定の高さまで充填し、これを徐冷してアルミニウム溶融体１３をセラミックス基板２に接着固化してベース板７を形成し、上記金属層３上に半田４を介して半導体チップ１を固定し、図２に示すモジュールを構成せしめた。ここで、得たアルミニウム製のベース板の厚さは5mm、アルミニウムの耐力は40ＭＰaであった。

このベース一体型セラミックス基板のヒートサイクル耐量を調べたところ、実施例１同様ヒートサイクル4000回でもセラミックス−ベース板界面に何ら変化は認められなかった。

実施例１と同様の手段でアルミニウム製のベース板７に複数の窒化アルミニウムのセラミックス基板２を直接接合した後、図４に示すようにるつぼ１５を用い、純度99.9％のアルミニウムをるつぼ１５の上部にセットし、上記ベース板７に直接接合した窒化アルミニウムのセラミックス基板２を上側、アルミニウム製のベース板７を下側にしてるつぼ１５の下部にセットする。さらに、窒化アルミニウムのセラミックス基板２上に所望の回路パターン形状をくり抜いた型１８を置く。るつぼ１５にピストン１０で蓋をして、るつぼ１５の内部に窒素ガスを充填する。次いで、るつぼ１５をヒーター１１で750℃に加熱し、アルミニウムを溶化してから、ピストン１０によりるつぼ１５の中央の細管１６から各パターンの型１８上に夫々細管１７a〜１７cを介してアルミニウム溶融体１３を押し出す。このとき、ベース板７を熱から守るために、ベース板７の下側にはヒートシンク１９を配置して冷却せしめる。押し出したアルミニウム溶融体１３は窒化アルミニウムのセラミックス基板２上の型１８に流し込み、所定の高さまで充填し、これを徐冷することでアルミニウム溶融体１３がセラミックス基板２に接着しつつ、固化する。以上の方法により、セラミックス基板２上に金属層３を形成し、この金属層３上に半田４を介して半導体チップ１を固定し、図２に示すパワーモジュールを構成せしめた。ここで、得たアルミニウム製のベース板の厚さは5mm、アルミニウムの耐力は40ＭＰaであった。

このパワーモジュールのヒートサイクル耐量を調べたところ、実施例１同様ヒートサイクル4000回でもセラミックス−ベース板界面に何ら変化は認められなかった。

（比較例１）

比較の目的で以下のサンプルを作成した。まず窒化アルミニウムのセラミックス基板の片側に回路部を形成するために、スクリーン印刷機を用いてAl87.5wt％・Si12.5％の組成のろう材を所望のパターン形状に印刷し、80℃で乾燥後、その上に所望のパターン形状のアルミニウム圧延板をのせ、もう一方の側に同じろう材をべた面で印刷し、同じくべた面のアルミニウム圧延板をのせ、真空炉にて575℃で加熱した。次にこの基板に無電解ニッケルメッキを施し、さらにここで得た基板３枚を無電解ニッケルメッキを施したアルミニウム製ベース板上に半田付けして固定した。更にこの上に半導体チップを設けて図５に示す形のモジュールを構成せしめた。実施例同様ヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル1000回でセラミックス−ベース板界面の半田層に一部クラックが認められた。

（比較例２）

比較の目的で以下のサンプルを作成した。アルミニウム製ベース板の替わりに厚さ5mmの銅・モリブデン合金をベース板に用い、後は比較例１と同様な方法で図５に示す形のモジュールを構成せしめた。実施例同様ヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でセラミックス−ベース板界面の半田層に一部クラックが認められた。

（比較例３）

比較の目的で以下のサンプルを作成した。窒化アルミニウムのセラミックス基板の両面に実施例１で示したようなアルミニウムの溶湯を直接接触させ、冷却固化させる方式でべた面のアルミニウム層を形成させた。次に、この片面に回路部を形成するためにエッチングレジストをスクリーン印刷機で印刷し、UV乾燥後、塩化第二鉄溶液でエッチングを行い所望のパターンの回路を形成した。次にこの基板に無電解ニッケルメッキを施し、さらにここで得た基板３枚を無電解ニッケルメッキを施した厚さ5mm、純度99.99％のアルミニウム製ベース板上に半田付けして固定した。更にこの上に半導体チップを設けて図５に示す形のモジュールを構成せしめた。実施例同様ヒートサイクル耐量を調べたところ、ヒートサイクル3000回でセラミックス−ベース板界面の半田層に一部クラックが認められた。

（比較例４）

比較の目的で以下のサンプルを作成した。厚さ5mm、純度99.99％のアルミニウム製ベース板上に３枚の窒化アルミニウムのセラミックス基板を接合するために、ベース板上にスクリーン印刷機を用いてAl87.5wt％・Si12.5％の組成のろう材を印刷し、80℃で乾燥後、その上に窒化アルミニウムのセラミックス基板をのせ、真空炉にて575℃で加熱した。さらに、この後に同様のろう接法でベース板と反対側に回路を形成させることを試みようとしたが、ベース板と接合を行った時点で、セラミック基板がそろってすべて割れてしまった。

（比較例５）

比較の目的で以下のサンプルを作成した。実施例１におけるアルミニウム製のベース板７の厚みを5mmから0.5mmに変えた他は実施例１と同様の手段で図２に示す形の金属セラミックス回路基板を有するパワーモジュールを形成することを試みた。しかし、ベース板の強度が不足しており、ベース板が容易に変形してしまった。

（比較例６）

比較の目的で以下のサンプルを作成した。実施例１におけるベース板７の材質を純度99.99%のアルミニウムから、Al88%・Cu2%・Mg3%・Zn7%のアルミニウム合金に変えた他は実施例１と同様の手段で図２に示す形の金属セラミックス回路基板を有するモジュールを形成することを試みた。ここで、ベース板７の厚さは5mm、耐力は540ＭＰaであった。しかし、ベース板と接合を行った時点で、セラミック基板がそってすべて割れてしまった。

以上の結果を表１に示す。

本発明方法を実施するために用いるベース板とセラミックス板の接合装置の原理図である。本発明方法にによって得たパワーモジュールの縦断面図である。本発明方法により、ベース板にセラミックス板の接合したものに対し、回路部分を形成させるための装置の他の実施例説明図である。本発明方法を実施するために用いるベース板とセラミックス板の接合装置の更に他の実施例説明図である。従来のパワーモジュールの縦断面図である。

符号の説明

１半導体チップ
２セラミックス基板
３金属層
４半田
５金属層
６半田
７ベース板
８メッキ層
９るつぼ
１０ピストン
１１ヒーター
１２細管
１３アルミニウム溶融体
１４パターン
１５るつぼ
１６細管
１７ａ細管
１７ｂ細管
１７ｃ細管
１８型
１９ヒートシンク

Claims

アルミニウムまたはアルミニウム合金をるつぼ内に配置する工程と、
上記るつぼの下部にセラミックス基板を配置する工程と、
上記るつぼ内を真空または不活性ガス雰囲気にする工程と、
上記アルミニウムまたはアルミニウム合金を溶解して溶融体を得る工程と、
上記溶融体を細管を介して上記セラミックス基板上に流し込み、上記セラミックス基板の一面と接触させる工程と、上記溶融体と上記セラミックス基板とを冷却して上記セラミックス基板の上記一面に直接接合されたアルミニウムまたはアルミニウム合金のベース板を形成する工程を有することを特徴とする金属セラミックス回路基板の製造方法。
電子回路用金属導電体を上記セラミックス基板の他面にろう材を用いて接合する工程を有することを特徴とする請求項１記載の金属セラミックス回路基板の製造方法。
上記セラミックス基板が、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素から選ばれる一種であることを特徴とする請求項１または２記載の金属セラミックス回路基板の製造方法。
上記金属導電体が銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金のうち少なくとも一種以上から選ばれることを特徴とする請求項２または３記載の金属セラミックス回路基板の製造方法。