JP2000119071A - 半導体装置用セラミックス基板 - Google Patents
半導体装置用セラミックス基板Info
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- JP2000119071A JP2000119071A JP29182798A JP29182798A JP2000119071A JP 2000119071 A JP2000119071 A JP 2000119071A JP 29182798 A JP29182798 A JP 29182798A JP 29182798 A JP29182798 A JP 29182798A JP 2000119071 A JP2000119071 A JP 2000119071A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】セラミックス板と銅板とを接合した半導体用セ
ラミックス基板において、反りやクラックが無く、温度
サイクルに対する信頼性の高い半導体用セラミックス基
板を提供する。 【解決手段】窒化アルミニウム薄板、窒化けい素薄板、
アルミナ薄板等のセラミックス板と銅板とを、純アルミ
ニウムまたは、Ａｌ−Ｓｉ合金、Ａｌ−Ｃｕ合金、Ａｌ
−Ｔｉ等のＡｌ合金で接合する。特に接合層の厚さを、
１０〜２００μｍの範囲にする。
ラミックス基板において、反りやクラックが無く、温度
サイクルに対する信頼性の高い半導体用セラミックス基
板を提供する。 【解決手段】窒化アルミニウム薄板、窒化けい素薄板、
アルミナ薄板等のセラミックス板と銅板とを、純アルミ
ニウムまたは、Ａｌ−Ｓｉ合金、Ａｌ−Ｃｕ合金、Ａｌ
−Ｔｉ等のＡｌ合金で接合する。特に接合層の厚さを、
１０〜２００μｍの範囲にする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電力用半導体のモ
ジュール等に主に使用されるセラミックス板と銅板とを
接合した半導体装置用セラミックス基板に関する。
ジュール等に主に使用されるセラミックス板と銅板とを
接合した半導体装置用セラミックス基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】インバータ、サーボモータ等のパワーエ
レクトロニクス分野で用いられる大容量のパワートラン
ジスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（以下ＩＧ
ＢＴと記す）等をモジュール化したパワーモジュールに
は、絶縁と放熱との機能をもつ基板としてセラミックス
板と銅板とを接合したセラミックス基板が使われてい
る。従来セラミックス板としては、絶縁性が良好であり
熱伝導率が比較的大きく、強度も高いことから、酸化ア
ルミニウム（以下Ａｌ2 Ｏ3 と記す）が広く使用されて
きた。セラミックス板に接合する金属板については、特
に大容量パワーモジュールにおいては大電流を流せるよ
う０．３ｍｍ程度の厚い金属を導体として接合する必要
があり、金属としては、電気伝導性、熱伝導性、価格の
点から銅が使用されている。
レクトロニクス分野で用いられる大容量のパワートラン
ジスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（以下ＩＧ
ＢＴと記す）等をモジュール化したパワーモジュールに
は、絶縁と放熱との機能をもつ基板としてセラミックス
板と銅板とを接合したセラミックス基板が使われてい
る。従来セラミックス板としては、絶縁性が良好であり
熱伝導率が比較的大きく、強度も高いことから、酸化ア
ルミニウム（以下Ａｌ2 Ｏ3 と記す）が広く使用されて
きた。セラミックス板に接合する金属板については、特
に大容量パワーモジュールにおいては大電流を流せるよ
う０．３ｍｍ程度の厚い金属を導体として接合する必要
があり、金属としては、電気伝導性、熱伝導性、価格の
点から銅が使用されている。
【０００３】Ａｌ2 Ｏ3 板と銅板との接合方法として
は、表面を酸化させた亜酸化銅と銅との共晶相を利用す
る直接接合法が一般におこなわれている。
は、表面を酸化させた亜酸化銅と銅との共晶相を利用す
る直接接合法が一般におこなわれている。
【０００４】図２（ａ）は、直接接合法で作製したＡｌ
2 Ｏ3 基板の断面図である。Ａｌ2Ｏ3 板１の両面に共
晶層６により銅板２が接合されている。
2 Ｏ3 基板の断面図である。Ａｌ2Ｏ3 板１の両面に共
晶層６により銅板２が接合されている。
【０００５】近年、パワーモジュールの小型化、高機能
化に向けて放熱性改善のために、さらに熱伝導率が高い
絶縁材料として窒化アルミニウム（以下ＡｌＮと記す）
や窒化けい素（以下Ｓｉ3 Ｎ4 と記す）などの窒化物セ
ラミックスが使用されてきている。
化に向けて放熱性改善のために、さらに熱伝導率が高い
絶縁材料として窒化アルミニウム（以下ＡｌＮと記す）
や窒化けい素（以下Ｓｉ3 Ｎ4 と記す）などの窒化物セ
ラミックスが使用されてきている。
【０００６】ＡｌＮ板やＳｉ3 Ｎ4 板と銅板との接合方
法としては、チタン、ジルコニウム、ハフニウムなどの
活性金属を含む銀−銅系ロウ材を使って銅板を接合する
活性金属法が最も一般的である。
法としては、チタン、ジルコニウム、ハフニウムなどの
活性金属を含む銀−銅系ロウ材を使って銅板を接合する
活性金属法が最も一般的である。
【０００７】活性化金属法による接合は、次のようにお
こなわれる。まず、平坦に製造され洗浄されたＡｌＮ薄
板の両面に活性金属ろう材のペーストをスクリーン印刷
する。乾燥した後、両面に所定厚さの銅板を置き、真空
中８５０℃程度にてろう接を行なう。最後に、エッチン
グにより片面に回路パターンを形成し、反対面は縁取り
したベタ（パターンなし）銅板とする。
こなわれる。まず、平坦に製造され洗浄されたＡｌＮ薄
板の両面に活性金属ろう材のペーストをスクリーン印刷
する。乾燥した後、両面に所定厚さの銅板を置き、真空
中８５０℃程度にてろう接を行なう。最後に、エッチン
グにより片面に回路パターンを形成し、反対面は縁取り
したベタ（パターンなし）銅板とする。
【０００８】図２は、活性化金属法で作製したＡｌＮ基
板の断面図である。ＡｌＮ薄板１の両面に活性ロウ材層
３で銅板２が接合されている。
板の断面図である。ＡｌＮ薄板１の両面に活性ロウ材層
３で銅板２が接合されている。
【０００９】活性金属法では、熱処理によりＡｌＮ表面
付近の窒素原子がロウ材のチタン、ジルコニウム、ハフ
ニウムなどの活性金属と反応して、界面に窒化チタン、
窒化ジルコニウム、窒化ハフニウムができる。そのため
ＡｌＮ板と銅板とが強固に接合される。
付近の窒素原子がロウ材のチタン、ジルコニウム、ハフ
ニウムなどの活性金属と反応して、界面に窒化チタン、
窒化ジルコニウム、窒化ハフニウムができる。そのため
ＡｌＮ板と銅板とが強固に接合される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
活性金属法により銅板を接合した絶縁放熱基板には以下
のような欠点があった。
活性金属法により銅板を接合した絶縁放熱基板には以下
のような欠点があった。
【００１１】そもそも、銅の熱膨張率は１７×１０-6／
Ｋであるのに対し、ＡｌＮやＳｉ3Ｎ4 などの窒化物セ
ラミックスでは４×１０-6／Ｋ程度であり両者に大きな
差がある。そして、直接接合法の接合温度は１０６０℃
以上、活性金属法は、約８５０℃と高い。このような高
温でセラミックス板と銅板とを接合すると、接合後の降
温時にその熱膨張差により大きな応力が接合界面に発生
して、室温付近で使用する場合には大きな残留歪みや残
留応力が残る。
Ｋであるのに対し、ＡｌＮやＳｉ3Ｎ4 などの窒化物セ
ラミックスでは４×１０-6／Ｋ程度であり両者に大きな
差がある。そして、直接接合法の接合温度は１０６０℃
以上、活性金属法は、約８５０℃と高い。このような高
温でセラミックス板と銅板とを接合すると、接合後の降
温時にその熱膨張差により大きな応力が接合界面に発生
して、室温付近で使用する場合には大きな残留歪みや残
留応力が残る。
【００１２】そのため、接合物が大きく反ったり、ま
た、低強度で破壊してしまったりして、その信頼性に問
題があった。
た、低強度で破壊してしまったりして、その信頼性に問
題があった。
【００１３】この問題点を解決するために、特開平４−
１２５５４号や特開平９−３１５８７４号には、降伏応
力が小さく塑性変形しやすいＡｌを導体金属として用い
る方法が開示されている。しかしながら、Ａｌの電気伝
導率は３．７×１０7 Ｓ（ジーメンス）／ｍであり、Ｃ
ｕの電気伝導率５．９×１０7 Ｓ／ｍよりも小さいた
め、同容量の電流を流すためには回路導体の厚さを厚く
しなければならない。また、Ａｌの熱伝導率は２４０Ｗ
／（ｍ・Ｋ）で、Ｃｕの３９０Ｗ／（ｍ・Ｋ）よりも小
さい。
１２５５４号や特開平９−３１５８７４号には、降伏応
力が小さく塑性変形しやすいＡｌを導体金属として用い
る方法が開示されている。しかしながら、Ａｌの電気伝
導率は３．７×１０7 Ｓ（ジーメンス）／ｍであり、Ｃ
ｕの電気伝導率５．９×１０7 Ｓ／ｍよりも小さいた
め、同容量の電流を流すためには回路導体の厚さを厚く
しなければならない。また、Ａｌの熱伝導率は２４０Ｗ
／（ｍ・Ｋ）で、Ｃｕの３９０Ｗ／（ｍ・Ｋ）よりも小
さい。
【００１４】よって、Ａｌを導体金属としたＡｌＮ基板
の熱伝導性はＣｕを用いた絶縁放熱基板よりも低く、絶
縁体にＡｌＮを使用した効果が十分に発揮されないとい
う欠点があった。
の熱伝導性はＣｕを用いた絶縁放熱基板よりも低く、絶
縁体にＡｌＮを使用した効果が十分に発揮されないとい
う欠点があった。
【００１５】このような状況に鑑み本発明は、セラミッ
クス板と銅板とを強固に接合し、しかも接合による残留
応力を極力抑えて、信頼性の高いセラミックス基板を提
供することを目的とする。
クス板と銅板とを強固に接合し、しかも接合による残留
応力を極力抑えて、信頼性の高いセラミックス基板を提
供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】上記の課題解決のため本
発明は、セラミックス板と銅板とが接合された半導装置
体用セラミックス基板において、セラミックス板と銅板
とがアルミニウムまたはアルミニウム合金の層を介して
接合されたものとする。
発明は、セラミックス板と銅板とが接合された半導装置
体用セラミックス基板において、セラミックス板と銅板
とがアルミニウムまたはアルミニウム合金の層を介して
接合されたものとする。
【００１７】そのようにすれば熱膨張率差に伴じて界面
に発生する熱応力は、塑性変形しやすいアルミニウム、
アルミニウム合金を界面に介在させることにより緩和さ
れる。接合温度も従来の直接接合法や活性金属法に比
べ、低温とすることができるので、この点でも応力は緩
和され、反りやクラック等が抑えられてセラミックス基
板の信頼性は向上する。
に発生する熱応力は、塑性変形しやすいアルミニウム、
アルミニウム合金を界面に介在させることにより緩和さ
れる。接合温度も従来の直接接合法や活性金属法に比
べ、低温とすることができるので、この点でも応力は緩
和され、反りやクラック等が抑えられてセラミックス基
板の信頼性は向上する。
【００１８】特に、アルミニウム合金がアルミニウム−
けい素（Ａｌ−Ｓｉ）合金、アルミニウム−銅（Ａｌ−
Ｃｕ）合金、アルミニウム−チタン（Ａｌ−Ｔｉ）合金
のいずれかであるものとする。
けい素（Ａｌ−Ｓｉ）合金、アルミニウム−銅（Ａｌ−
Ｃｕ）合金、アルミニウム−チタン（Ａｌ−Ｔｉ）合金
のいずれかであるものとする。
【００１９】そのような合金を用いれば、セラミックス
板に対する濡れ性が良く、接合が容易である。
板に対する濡れ性が良く、接合が容易である。
【００２０】そして、アルミニウムあるいはアルミニウ
ム合金の接合層の厚さが１０〜２００μｍの範囲にある
ことが重要である。
ム合金の接合層の厚さが１０〜２００μｍの範囲にある
ことが重要である。
【００２１】後の実施例の項で述べるように、接合層の
厚さが１０μｍより薄いと、応力緩和の効果が不十分で
あり、セラミックス板にクラックが発生する。逆に２０
０μｍより厚いとアルミニウムあるいはアルミニウム合
金の熱伝導性が低いため、放熱性の機能が低下する。
厚さが１０μｍより薄いと、応力緩和の効果が不十分で
あり、セラミックス板にクラックが発生する。逆に２０
０μｍより厚いとアルミニウムあるいはアルミニウム合
金の熱伝導性が低いため、放熱性の機能が低下する。
【００２２】セラミックス板が、ＡｌＮ、Ｓｉ3 Ｎ4 ま
たはＡｌ2 Ｏ3 であるものとする。
たはＡｌ2 Ｏ3 であるものとする。
【００２３】後述するように、ＡｌＮ、Ｓｉ3 Ｎ4 、Ａ
ｌ2 Ｏ3 のいずれにおいても強固に接合できることが確
かめられた。Ａｌ2 Ｏ3 は最も汎用性にすぐれており、
ＡｌＮ、Ｓｉ3 Ｎ4 であれば熱伝導率がＡｌ2 Ｏ3 より
大きいので、放熱性が向上する。
ｌ2 Ｏ3 のいずれにおいても強固に接合できることが確
かめられた。Ａｌ2 Ｏ3 は最も汎用性にすぐれており、
ＡｌＮ、Ｓｉ3 Ｎ4 であれば熱伝導率がＡｌ2 Ｏ3 より
大きいので、放熱性が向上する。
【００２４】
【発明の実施の形態】以下、本発明にいたるまでの実験
およびその結果、ならびに比較のための従来法による実
験の経過およびその結果を詳細に説明する。 ［実験１］図１は本発明の方法によりＡｌＮ板に銅板を
接合した半導体装置用ＡｌＮ基板の断面図である。
およびその結果、ならびに比較のための従来法による実
験の経過およびその結果を詳細に説明する。 ［実験１］図１は本発明の方法によりＡｌＮ板に銅板を
接合した半導体装置用ＡｌＮ基板の断面図である。
【００２５】ＡｌＮ薄板１の両面に銅板２ａ、２ｂが純
Ａｌ層４で接合されている。
Ａｌ層４で接合されている。
【００２６】図１のＡｌＮ基板は、次のような工程で作
製した。
製した。
【００２７】市販の平均粒径１μｍのＡｌＮ粉末２００
ｇに、平均粒径１μｍの酸化イットリウム（以下Ｙ2 Ｏ
3 と記す）粉末を１０ｇ加え、更にポリビニルブチラー
ル樹脂を２０ｇ加えて乾式で混合した。これに、キシレ
ン７０ｇとフタル酸ジ−ｎ−ブチル１５ｇを加え、一昼
夜ボールミル混合を行なった。 減圧脱泡後、得られたス
ラリーを用いてドクターブレード法によりシート状の成
形体を得た。この成形体を乾燥し、プレスにて打抜き
後、５００℃大気圧下で１時間脱脂を行い、その後窒素
気流下１８００℃にて５時間焼結を行なって、６０ｍｍ
×２５ｍｍで厚さ０．６４ｍｍのＡｌＮ薄板を得た。得
られたＡｌＮ薄板の熱伝導率をレーザーフラッシュ法に
て測定したところ１７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。
ｇに、平均粒径１μｍの酸化イットリウム（以下Ｙ2 Ｏ
3 と記す）粉末を１０ｇ加え、更にポリビニルブチラー
ル樹脂を２０ｇ加えて乾式で混合した。これに、キシレ
ン７０ｇとフタル酸ジ−ｎ−ブチル１５ｇを加え、一昼
夜ボールミル混合を行なった。 減圧脱泡後、得られたス
ラリーを用いてドクターブレード法によりシート状の成
形体を得た。この成形体を乾燥し、プレスにて打抜き
後、５００℃大気圧下で１時間脱脂を行い、その後窒素
気流下１８００℃にて５時間焼結を行なって、６０ｍｍ
×２５ｍｍで厚さ０．６４ｍｍのＡｌＮ薄板を得た。得
られたＡｌＮ薄板の熱伝導率をレーザーフラッシュ法に
て測定したところ１７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。
【００２８】ＡｌＮ薄板１の両面に大きさ５６ｍｍ×２
１ｍｍ、厚さ５０μｍの純Ａｌ箔３ａを挟んで片面に厚
さ０．３ｍｍの銅板２ａを、反対面に厚さ０．２ｍｍの
銅板２ｂを置き、８×１０-3Ｐａの真空中で、６８０℃
にて１５分間熱処理を行ない、接合した。銅板２ａ、２
ｂの寸法は純Ａｌ箔と同じとした。なお、銅板２ａ、２
ｂおよび純Ａｌ箔の角は、曲率半径１ｍｍ（以下Ｒ１と
記す）の面取りを施した。
１ｍｍ、厚さ５０μｍの純Ａｌ箔３ａを挟んで片面に厚
さ０．３ｍｍの銅板２ａを、反対面に厚さ０．２ｍｍの
銅板２ｂを置き、８×１０-3Ｐａの真空中で、６８０℃
にて１５分間熱処理を行ない、接合した。銅板２ａ、２
ｂの寸法は純Ａｌ箔と同じとした。なお、銅板２ａ、２
ｂおよび純Ａｌ箔の角は、曲率半径１ｍｍ（以下Ｒ１と
記す）の面取りを施した。
【００２９】同様にして、Ａｌ−７％Ｓｉ合金、Ａｌ−
１３％Ｓｉ合金、Ａｌ−５％Ｃｕ合金、Ａｌ−３％Ｔｉ
箔を用いてＡｌＮ薄板と銅板とを接合したＡｌＮ基板を
作成した。このとき合金により、熱処理温度を５７０〜
６８０℃の範囲で変化させた。なお、箔の厚さはいずれ
も５０μｍとした。合金元素の含有量は質量％である。
１３％Ｓｉ合金、Ａｌ−５％Ｃｕ合金、Ａｌ−３％Ｔｉ
箔を用いてＡｌＮ薄板と銅板とを接合したＡｌＮ基板を
作成した。このとき合金により、熱処理温度を５７０〜
６８０℃の範囲で変化させた。なお、箔の厚さはいずれ
も５０μｍとした。合金元素の含有量は質量％である。
【００３０】得られた基板はいずれもＡｌＮ薄板と銅板
とが良好に接合しており、カラーチェックや顕微鏡でク
ラックおよび剥離を観察したがＡｌＮ薄板の割れ等の不
良は認められなかった。
とが良好に接合しており、カラーチェックや顕微鏡でク
ラックおよび剥離を観察したがＡｌＮ薄板の割れ等の不
良は認められなかった。
【００３１】温度サイクルに対する安定性を評価するた
めに加速温度サイクル試験を行なった。加速温度サイク
ル試験は、３０％水素混合の窒素雰囲気下で、室温から
３０分で３５０℃まで加熱し、１０分間保持後、１時間
で室温まで戻すことを３０回繰り返し、カラーチェック
で窒化アルミニウムのクラック発生を、また顕微鏡観察
にて接合金属の剥離をチェックした。結果を表１に示
す。
めに加速温度サイクル試験を行なった。加速温度サイク
ル試験は、３０％水素混合の窒素雰囲気下で、室温から
３０分で３５０℃まで加熱し、１０分間保持後、１時間
で室温まで戻すことを３０回繰り返し、カラーチェック
で窒化アルミニウムのクラック発生を、また顕微鏡観察
にて接合金属の剥離をチェックした。結果を表１に示
す。
【００３２】
【表１】 比較のために活性金属法により接合したＡｌＮ基板も作
製した。その方法は、ＡｌＮ薄板の両面にＡｇ−２８％
Ｃｕ−２％Ｔｉ合金のろう材ペーストを１５μｍの厚さ
にスクリーン印刷し、両面に上記寸法の銅板を置き、真
空中８６０℃にて接合した。そのＡｌＮ基板についての
結果も表１に記した。
製した。その方法は、ＡｌＮ薄板の両面にＡｇ−２８％
Ｃｕ−２％Ｔｉ合金のろう材ペーストを１５μｍの厚さ
にスクリーン印刷し、両面に上記寸法の銅板を置き、真
空中８６０℃にて接合した。そのＡｌＮ基板についての
結果も表１に記した。
【００３３】従来の活性金属法によるＡｌＮ基板では１
５回で銅板コーナー部にクラックが発生したのに対し
て、本発明による基板では３０回の温度サイクル後でも
クラックは発生せず、またＣｕ板や接合層の剥離も見ら
れなかった。
５回で銅板コーナー部にクラックが発生したのに対し
て、本発明による基板では３０回の温度サイクル後でも
クラックは発生せず、またＣｕ板や接合層の剥離も見ら
れなかった。
【００３４】表１の結果から、ＡｌＮ薄板にＡｌまたは
Ａｌ合金箔で銅板を接合したＡｌＮ基板は、クラック、
剥離等の欠陥がなく、温度サイクルに対しても十分強い
セラミックス基板となる。
Ａｌ合金箔で銅板を接合したＡｌＮ基板は、クラック、
剥離等の欠陥がなく、温度サイクルに対しても十分強い
セラミックス基板となる。
【００３５】これは、ＡｌまたはＡｌ合金のろう材が軟
らかいこと、および接合温度が低いことにより、熱膨張
による差が小さく発生する応力が小さく、よって、残留
応力が小さくなるためと考えられる。 そのような合金
を用いれば、セラミックス板に対する濡れ性が良く、接
合が容易である。
らかいこと、および接合温度が低いことにより、熱膨張
による差が小さく発生する応力が小さく、よって、残留
応力が小さくなるためと考えられる。 そのような合金
を用いれば、セラミックス板に対する濡れ性が良く、接
合が容易である。
【００３６】なお、接合層の厚さが薄いため、熱伝導性
は殆ど低下しない。 ［実験２］実験１で用いたＡｌＮ薄板の両面の５６ｍｍ
×２１ｍｍの範囲に、種々の厚さのＡｌ−７％Ｓｉ合金
箔を置き、その上に合金箔と同じ寸法で厚さ０．３ｍ
ｍ、０．２ｍｍの銅板をそれぞれの面に置いて、８×１
０-3Ｐａの真空中、６３０℃にて接合した。合金箔およ
び銅板の角にはＲ１の面取りを施した。
は殆ど低下しない。 ［実験２］実験１で用いたＡｌＮ薄板の両面の５６ｍｍ
×２１ｍｍの範囲に、種々の厚さのＡｌ−７％Ｓｉ合金
箔を置き、その上に合金箔と同じ寸法で厚さ０．３ｍ
ｍ、０．２ｍｍの銅板をそれぞれの面に置いて、８×１
０-3Ｐａの真空中、６３０℃にて接合した。合金箔およ
び銅板の角にはＲ１の面取りを施した。
【００３７】得られたＡｌＮ基板について、実験１と同
様にカラーチェックでＡｌＮ薄板のクラック発生を、ま
た顕微鏡観察にて接合金属の剥離をチェックし、また加
速温度サイクル試験をおこななった。その結果を表２に
示す。
様にカラーチェックでＡｌＮ薄板のクラック発生を、ま
た顕微鏡観察にて接合金属の剥離をチェックし、また加
速温度サイクル試験をおこななった。その結果を表２に
示す。
【００３８】
【表２】 接合層の厚さが５μｍのＡｌＮ基板では１０回の温度サ
イクルで、１０μｍのＡｌＮ基板では２０回の温度サイ
クルでそれぞれ銅板コーナー部にクラックが発生した。
これは、接合層が薄いと温度サイクルに伴う界面応力の
緩和が十分でないためと考えられた。
イクルで、１０μｍのＡｌＮ基板では２０回の温度サイ
クルでそれぞれ銅板コーナー部にクラックが発生した。
これは、接合層が薄いと温度サイクルに伴う界面応力の
緩和が十分でないためと考えられた。
【００３９】一方、接合層が２０μｍ以上になると３０
回の温度サイクルに十分耐えるが、更に厚くするとろう
材層の熱伝導性が銅に比べて劣るために、基板からの放
熱性が損なわれる。従って、導体金属として銅を用いる
場合には、ろう材層の厚さは２００μｍ以下であること
が望ましい。
回の温度サイクルに十分耐えるが、更に厚くするとろう
材層の熱伝導性が銅に比べて劣るために、基板からの放
熱性が損なわれる。従って、導体金属として銅を用いる
場合には、ろう材層の厚さは２００μｍ以下であること
が望ましい。
【００４０】以上を総合すると、ろう材層の厚さは１０
〜２００μｍであることが望ましいことになる。 ［実験３］実験１で用いたＡｌＮ薄板の両面の５６ｍｍ
×２１ｍｍの範囲に、Ａｌ−７％Ｓｉ合金粉末を含むろ
う材ペーストを、厚さ５０μｍにスクリーン印刷した
後、大気中で１２０℃で１０分間乾燥した。乾燥したろ
う材ペーストの上に、同じ寸法で厚さ０．３ｍｍ、０．
２ｍｍの銅板をそれぞれの面に置き、真空炉に入れて８
×１０-3Ｐａの真空中、６３０℃にて接合した。ろう材
および銅板の角にはＲ１の面取りを施した。接合後のろ
う材層の厚さは、印刷したペーストのほぼ２／３であっ
た。
〜２００μｍであることが望ましいことになる。 ［実験３］実験１で用いたＡｌＮ薄板の両面の５６ｍｍ
×２１ｍｍの範囲に、Ａｌ−７％Ｓｉ合金粉末を含むろ
う材ペーストを、厚さ５０μｍにスクリーン印刷した
後、大気中で１２０℃で１０分間乾燥した。乾燥したろ
う材ペーストの上に、同じ寸法で厚さ０．３ｍｍ、０．
２ｍｍの銅板をそれぞれの面に置き、真空炉に入れて８
×１０-3Ｐａの真空中、６３０℃にて接合した。ろう材
および銅板の角にはＲ１の面取りを施した。接合後のろ
う材層の厚さは、印刷したペーストのほぼ２／３であっ
た。
【００４１】得られたＡｌＮ基板について、実験１と同
様にカラーチェックでＡｌＮ薄板のクラック発生を、ま
た顕微鏡観察にて接合金属の剥離をチェックし、また加
速温度サイクル試験を行なった。
様にカラーチェックでＡｌＮ薄板のクラック発生を、ま
た顕微鏡観察にて接合金属の剥離をチェックし、また加
速温度サイクル試験を行なった。
【００４２】その結果は、クラック、剥離ともに無く３
０回の温度サイクルに十分耐えた。従って、Ａｌまたは
Ａｌ合金によるろう付けの方法としては、ろう材ペース
トを使用することもできる。ろう材ペーストの印刷は、
成形した箔を使用するより、容易で、複雑な形状にも対
応できる利点がある。
０回の温度サイクルに十分耐えた。従って、Ａｌまたは
Ａｌ合金によるろう付けの方法としては、ろう材ペース
トを使用することもできる。ろう材ペーストの印刷は、
成形した箔を使用するより、容易で、複雑な形状にも対
応できる利点がある。
【００４３】なお、ろう材層の厚さはペーストの印刷、
乾燥を繰り返すことにより変えることができる。 ［実験４］これまでの実験ではセラミックス板としてＡ
ｌＮ薄板を用いたが、Ｓｉ3 Ｎ4薄板を用いて接合を試
みた。
乾燥を繰り返すことにより変えることができる。 ［実験４］これまでの実験ではセラミックス板としてＡ
ｌＮ薄板を用いたが、Ｓｉ3 Ｎ4薄板を用いて接合を試
みた。
【００４４】Ｓｉ3 Ｎ4 薄板の両面の５６ｍｍ×２１ｍ
ｍの範囲に、Ａｌ−７％Ｓｉ合金箔を置き、その上に同
じ寸法で厚さ０．３ｍｍ、０．２ｍｍの銅板をそれぞれ
の面に置いて、真空炉に入れて８×１０-3Ｐａの真空
中、６３０℃にて接合した。ろう材および銅板の角には
Ｒ１の面取りを施した。
ｍの範囲に、Ａｌ−７％Ｓｉ合金箔を置き、その上に同
じ寸法で厚さ０．３ｍｍ、０．２ｍｍの銅板をそれぞれ
の面に置いて、真空炉に入れて８×１０-3Ｐａの真空
中、６３０℃にて接合した。ろう材および銅板の角には
Ｒ１の面取りを施した。
【００４５】得られたＳｉ3 Ｎ4 基板について、実験１
と同様にカラーチェックでＳｉ3 Ｎ 4 薄板のクラック発
生を、また顕微鏡観察にて接合金属の剥離をチェック
し、また加速温度サイクル試験を行なった。
と同様にカラーチェックでＳｉ3 Ｎ 4 薄板のクラック発
生を、また顕微鏡観察にて接合金属の剥離をチェック
し、また加速温度サイクル試験を行なった。
【００４６】その結果は、クラック、剥離ともに無く３
０回の温度サイクルに十分耐えた。従って、セラミック
板としては、ＡｌＮ板だけでなく、Ｓｉ3 Ｎ4 板も使用
することができる。 ［実験５］更にＡｌ2 Ｏ3 薄板を用いて接合を試みた。
０回の温度サイクルに十分耐えた。従って、セラミック
板としては、ＡｌＮ板だけでなく、Ｓｉ3 Ｎ4 板も使用
することができる。 ［実験５］更にＡｌ2 Ｏ3 薄板を用いて接合を試みた。
【００４７】Ａｌ2 Ｏ3 薄板の両面の５６ｍｍ×２１ｍ
ｍの範囲に、Ａｌ−７％Ｓｉ合金箔を置き、その上に同
じ寸法で厚さ０．３ｍｍ、０．２ｍｍの銅板をそれぞれ
の面に置いて、真空炉に入れて８×１０-3Ｐａの真空
中、６３０℃にて接合した。ろう材および銅板の角には
Ｒ１の面取りを施した。
ｍの範囲に、Ａｌ−７％Ｓｉ合金箔を置き、その上に同
じ寸法で厚さ０．３ｍｍ、０．２ｍｍの銅板をそれぞれ
の面に置いて、真空炉に入れて８×１０-3Ｐａの真空
中、６３０℃にて接合した。ろう材および銅板の角には
Ｒ１の面取りを施した。
【００４８】得られたＡｌ2 Ｏ3 基板について、実験１
と同様にカラーチェックでＡｌＮ薄板のクラック発生
を、また顕微鏡観察にて接合金属の剥離をチェックし、
また加速温度サイクル試験を行なった。
と同様にカラーチェックでＡｌＮ薄板のクラック発生
を、また顕微鏡観察にて接合金属の剥離をチェックし、
また加速温度サイクル試験を行なった。
【００４９】その結果は、クラック、剥離ともに無く３
０回の温度サイクルに十分耐えた。従来の直接接合法よ
り接合温度が低いため、残留応力が小さくなったと考え
られる。従って、セラミック板としては、ＡｌＮ板だけ
でなく、Ａｌ2 Ｏ3 板も使用することもできる。また、
セラミック板と銅板との接合条件は上記のものに限られ
るわけではないことは勿論である。
０回の温度サイクルに十分耐えた。従来の直接接合法よ
り接合温度が低いため、残留応力が小さくなったと考え
られる。従って、セラミック板としては、ＡｌＮ板だけ
でなく、Ａｌ2 Ｏ3 板も使用することもできる。また、
セラミック板と銅板との接合条件は上記のものに限られ
るわけではないことは勿論である。
【００５０】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、セ
ラミックス板と銅板とをアルミニウムまたはアルミニウ
ム合金により接合することによって、従来の接合法では
信頼性に問題の多かったセラミックス基板の問題が解決
され、熱サイクルに対する信頼性の高いセラミックス基
板を実現できた。
ラミックス板と銅板とをアルミニウムまたはアルミニウ
ム合金により接合することによって、従来の接合法では
信頼性に問題の多かったセラミックス基板の問題が解決
され、熱サイクルに対する信頼性の高いセラミックス基
板を実現できた。
【００５１】特に、伝導率の大きい窒化アルミニウム、
窒化けい素等を用いて低い熱抵抗と共に、熱衝撃や熱履
歴に対する優れた耐久性をもつトランジスタモジュール
等の半導体装置が実現できることとなり、電力用のパワ
ーモジュール等の普及、発展に貢献するものであり、工
業的、経済的な効果は大である。
窒化けい素等を用いて低い熱抵抗と共に、熱衝撃や熱履
歴に対する優れた耐久性をもつトランジスタモジュール
等の半導体装置が実現できることとなり、電力用のパワ
ーモジュール等の普及、発展に貢献するものであり、工
業的、経済的な効果は大である。
【図１】本発明によるセラミックス基板の断面図
【図２】従来の活性金属接合によるセラミックス基板の
断面図
断面図
１ ＡｌＮ薄板 ２ａ、２ｂ Ｃｕ板 ３ 活性ろう材層 ４ 純Ａｌ層
Claims (4)
- 【請求項１】セラミックス板と銅板とが接合された半導
体装置用セラミックス基板において、セラミックス板と
銅板とがアルミニウムまたはアルミニウム合金の層を介
して接合されたことを特徴とする半導体装置用セラミッ
クス基板。 - 【請求項２】アルミニウム合金がアルミニウム−けい素
合金、アルミニウム−銅合金、アルミニウム−チタン合
金のいずれかであることを特徴とする請求項１記載の半
導体装置用セラミックス基板。 - 【請求項３】アルミニウムあるいはアルミニウム合金の
接合層の厚さが１０〜２００μｍの範囲にあることを特
徴とする請求項１または２に記載の半導体装置用セラミ
ックス基板。 - 【請求項４】セラミックス板が、窒化アルミニウム、窒
化けい素または酸化アルミニウムであることを特徴とす
る請求項１ないし３のいずれかに記載の半導体装置用セ
ラミックス基板。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29182798A JP2000119071A (ja) | 1998-10-14 | 1998-10-14 | 半導体装置用セラミックス基板 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29182798A JP2000119071A (ja) | 1998-10-14 | 1998-10-14 | 半導体装置用セラミックス基板 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000119071A true JP2000119071A (ja) | 2000-04-25 |
Family
ID=17773939
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP29182798A Withdrawn JP2000119071A (ja) | 1998-10-14 | 1998-10-14 | 半導体装置用セラミックス基板 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000119071A (ja) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004356625A (ja) * | 2003-05-06 | 2004-12-16 | Fuji Electric Device Technology Co Ltd | 半導体装置及びその製造方法 |
| JP2012004357A (ja) * | 2010-06-17 | 2012-01-05 | Mitsubishi Materials Corp | パワーモジュール用基板の製造方法 |
| JP2013227194A (ja) * | 2012-03-30 | 2013-11-07 | Dowa Metaltech Kk | 金属−セラミックス接合基板の製造方法 |
| JP2015057847A (ja) * | 2014-11-07 | 2015-03-26 | 三菱マテリアル株式会社 | パワーモジュール用基板の製造方法 |
| JP2015170785A (ja) * | 2014-03-10 | 2015-09-28 | 三菱電機株式会社 | 絶縁基板および電力用半導体装置 |
| CN109309066A (zh) * | 2017-07-27 | 2019-02-05 | 比亚迪股份有限公司 | 一种陶瓷覆铝铜板及其制备方法、散热元件和igbt模组 |
| US10199237B2 (en) | 2013-03-18 | 2019-02-05 | Mitsubishi Materials Corporation | Method for manufacturing bonded body and method for manufacturing power-module substrate |
| WO2021177030A1 (ja) * | 2020-03-03 | 2021-09-10 | 日立金属株式会社 | アルミニウム系ろう材、及びその製造方法、並びにセラミックス複合基板の製造方法 |
| JP7243888B1 (ja) | 2022-03-29 | 2023-03-22 | 株式会社プロテリアル | セラミックス基板、セラミックス分割基板、及びセラミックス基板の製造方法 |
-
1998
- 1998-10-14 JP JP29182798A patent/JP2000119071A/ja not_active Withdrawn
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JP7243888B1 (ja) | 2022-03-29 | 2023-03-22 | 株式会社プロテリアル | セラミックス基板、セラミックス分割基板、及びセラミックス基板の製造方法 |
| JP2023147093A (ja) * | 2022-03-29 | 2023-10-12 | 株式会社プロテリアル | セラミックス基板、セラミックス分割基板、及びセラミックス基板の製造方法 |
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