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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Abstract
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
板に対する濡れ性が良く、接合が容易である。
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。
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。
たはAl2 O3 であるものとする。
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。
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。
Al層4で接合されている。
製した。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
〜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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
断面図
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)
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---|---|
JP (1) | JP2000119071A (ja) |
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-
1998
- 1998-10-14 JP JP29182798A patent/JP2000119071A/ja not_active Withdrawn
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