JP2000236052A

JP2000236052A - 半導体装置用基板およびその製造方法

Info

Publication number: JP2000236052A
Application number: JP11035557A
Authority: JP
Inventors: Makoto Aoki; 信青木
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1999-02-15
Filing date: 1999-02-15
Publication date: 2000-08-29

Abstract

(57)【要約】【課題】セラミックス板と銅板とを直接接合した半導体
装置用セラミックス基板において、ボイドで生じる部分
放電を防止し、信頼性を高める。【解決手段】セラミックス薄板に銅粉末層を介して銅板
を設置し、不活性雰囲気もしくは弱酸化性雰囲気下で１
０６０〜１０８０℃で熱処理し、銅板を接合する。ボイ
ドの周囲が銅で囲まれるため、放電が防止される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、パワートランジス
タモジュールなど半導体装置の絶縁放熱用に使用され
る、セラミックス板に銅板を直接接合した半導体装置用
基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】大容量のトランジスタ、ＩＧＢＴ等のパ
ワーモジュールには、絶縁放熱基板として、一般に酸化
アルミニウム、窒化アルミニウム等を主成分とするセラ
ミックス板が使われている。これは、絶縁性が良好で、
熱伝導率が比較的高いためである。特に酸化アルミニウ
ム系のものは安価なため広く用いられている。

【０００３】セラミックス板を絶縁放熱基板として用い
る場合、セラミックス板に回路導体として金属板、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
に厚さ０．３mm程度の厚い金属板を導体として接合する
必要がある。接合する金属には、電気伝導性、熱伝導性
等の点から、一般的には銅が用いられる。

【０００４】セラミックス板に銅板を接合する方法に
は、銅と酸素の共晶反応を利用した直接接合法、チタン
（Ｔｉ）などの活性金属を含むろう材を用いて銅板とセ
ラミックスをろう接する活性金属法などがある。このう
ちセラミックス板に銅板を直接接合したＣＢＣ（Copper
Bonding Ceramic ）基板は、一般に数百ppm程度の酸
素を含む銅板をセラミックス板上に設置し、不活性雰囲
気下あるいは数十ppm程度の酸素を含む弱酸化雰囲気下
１０７０℃程度で熱処理することにより、接合するもの
で、強固な接合が比較的安価に得られるため半導体装置
基板として広く用いられている。

【０００５】図２は、従来の直接接合法によるＣＢＣ基
板の模式的な断面図である。アルミナあるいは窒化アル
ミニウムなどのセラミックス板１の表裏両面に、銅板２
が銅と微量の酸素との反応により生成する銅と亜酸化銅
との共晶層３を接合剤として接合されている。そのため
この接合法では、活性化金属法などの接合法で必要なろ
う剤が必要ない。

【０００６】接合には銅中の酸素が必須であり、一般的
にはタフピッチ銅板が用いられるが、無酸素銅の表面を
酸化したものを用いることもできる。また、熱処理時の
雰囲気を弱酸化性にすることにより無酸素銅板をそのま
ま用いることもできる。

【０００７】非酸化物系のセラミックス板と銅板とは、
一般に直接接合により接合できないが、例えば窒化アル
ミニウムの場合では、１０００℃程度の高温で予め窒化
アルミニウム表面に酸化層を形成することにより、酸化
アルミニウムの場合と同様にして接合がなされている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、直接接合法
によるＣＢＣ基板をパワートランジスタモジュールなど
の特に高耐圧の半導体装置の基板として採用する場合に
は次のような問題がある。すなわち、ＣＢＣ基板のセラ
ミックス基板と銅板とを直接接合する時に、それらの界
面に空隙（以下ボイドと称する）が生じることがある。

【０００９】図３は、従来の直接接合法によるＣＢＣ基
板の接合部の拡大模式図である。セラミックス板１と銅
板２とが銅−亜酸化銅共晶層３により接合されている。
銅板２は一定の厚さがありセラミックス板１との密着性
に欠けるため、それらの間にボイド４を生じている。

【００１０】これらのボイド４が大きい場合には、銅板
２の盛り上がりとなり、外観的に判別できるほどであ
る。代表的なボイドの形状としては、底円の直径が１m
m、高さ約５０μm の偏平な半球状である。ボイドは、
接合時の雰囲気の酸素量、温度、接合時間、接合方法な
どにより少なくすることができるが、底円の直径が２mm
以下のボイドを完全になくすことは出来なかった。

【００１１】このボイドは、通電動作に伴い半導体チッ
プからの多量の熱をＣＢＣ基板を介して、放熱金属ベー
スに伝達し、外部に放熱することを妨げるほか、主面側
の銅板に回路パターンにかかる回路電圧により、ボイド
内で放電して回路雑音を生じ、半導体装置を誤動作させ
ることがあった。

【００１２】従来、ボイドの容量が約１００pC（ピコク
ーロン）と非常に低いものであったため、この放電エネ
ルギーも小さく、ほとんど問題にされていなかったが、
半導体装置や周辺装置の高度制御化により、上記の放電
の問題の重要性が増している。

【００１３】基板に印加する電圧を上げていくと放電が
開始する。この放電が始まる電圧を部分放電開始電圧と
いう。また、放電している状態から印加電圧を下げてい
くと放電が消滅する。この放電が消滅する電圧を部分放
電消滅電圧という。部分放電消滅電圧は部分放電開始電
圧より低い。例えば、半導体装置用基板における放電開
始電圧は０．８kV以上であるが、放電消滅電圧は０．５
kVと低い。以後、部分放電消滅電圧を部分放電電圧と呼
ぶことにする。現状のＣＢＣ基板の部分放電電圧は、要
求されている半導体装置の耐圧より低い。たとえば、要
求電圧１．０kVに対し、現状の値は０．４〜０．９５kV
と低い値に留まっている。

【００１４】ボイドで放電の起きる機構は、次のように
考えられる。ボイドとセラミックス板とをコンデンサと
見なし、それらが直列接続されているものとする。
ε₁、ε ₂、ｔ₁、ｔ₂をそれぞれボイド、セラミック
ス基板の比誘電率および厚さとするとき、ボイドでの分
担電圧Ｖ₁を求めると、

【００１５】

【数１】この分担電圧Ｖ₁が、パッシェンの法則における圧力と
放電距離との関係から求められるパッシェン電圧Ｖ（Pa
schen ）を越えると放電が起きることになる。よって部
分放電電圧Ｖは式(2) のようになる。

【００１６】

【数２】ボイドは、銅−亜酸化銅共晶温度（１０６７℃）近傍で
閉じられるので、その内部は、室温では、約２×１０⁴P
a ［約１／５気圧］になっている。パッシェンの法則に
より、上の圧力では、ボイドの高さｔ₁は、３０〜５０
μm のとき最も放電が起き易く、Ｖ（Paschen ）＝３０
０V である。

【００１７】ボイドの高さｔ₁を４０μm 、ボイド内は
窒素が入っているものとして窒素の誘電率をε₁＝１、
セラミックス板はアルミナとし、アルミナの比誘電率を
ε₂＝８．５として、セラミックス板の厚さがｔ₂＝
０．５０mmの場合について、ボイドでの部分放電電圧を
求めると、約７５０V となる。

【００１８】式(2) から、セラミックス板と銅板を接合
したＣＢＣ基板の未接合部での部分放電電圧を高くする
には、ボイドの高さを小さくするか、あるいはセラミッ
クス板を厚くすれば良いことになる。しかし、セラミッ
クス板を厚くすると、熱抵抗が増大し、通電動作時の半
導体チップから放熱金属ベースへの熱の伝達を妨げるこ
ととなり、半導体装置の特性を低下させる。以上の問題
に鑑み本発明の目的は、部分放電電圧の増大を図った半
導体装置用基板を提供することにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】接合時にできるボイドを
なくす、大きさを小さくする、或いは形成されたボイド
を潰す試みがなされている。これらにより、部分放電電
圧は増大するが、安定して十分高い電圧値を得るまでに
至っていない。

【００２０】そこで上記の課題解決のため本発明は、セ
ラミッックス板と銅板とを接合した半導体装置用基板に
おいて、例えば酸化アルミニウムまたは窒化アルミニウ
ムを主成分とするセラミックス板に、銅粉末層を介して
銅板を接合したものとする。そのようにすれば、たとえ
ボイドが発生したとしても、ボイド周囲全体が同電位で
あるため、放電は起きなくなる。

【００２１】そのための製造方法としては、セラミッッ
クス板上にスクリーン印刷法等により銅粉末を含むペー
ストを塗布し、その上に銅板を配置した後、不活性雰囲
気下もしくは弱酸化性雰囲気下で、１０６０℃〜１０８
０℃の範囲で熱処理する直接接合法により銅板を接合す
るものとする。特に２００メッシュ以下の粒度の銅粉末
を含むペーストを用いれば、大きなボイドができ難いば
かりでなく、スクリーン印刷等によるパタニングが容易
である。

【００２２】

【発明の実施の形態】本発明は、銅板とセラミックス板
との接合する際に、銅粉末層を介することにより、ボイ
ド内での放電を防止するものである。以下図面を参照し
ながら本発明の実施例について説明する。［実施例］図１は、本発明による半導体装置用基板の接
合部近傍の拡大模式図である。セラミックス板１上に銅
粉末層５を介して、銅板２が銅−亜酸化銅共晶層３によ
り接合されている。

【００２３】塗布形成された銅粉末層５はセラミックス
板１にきわめて良好に密着するため、セラミックス板１
と銅粉末層５の間にはボイドは生じない。一方、銅板２
は一定の厚さがあり銅粉末５層との密着性に欠けるた
め、銅粉末５層と銅板２のと間にはボイド４が生じるこ
とがある。しかし、このようにしてできたボイド４は周
囲が全て銅で囲まれており、同電位であるために内部で
放電を生じることはない。

【００２４】以下図面を参照しながら本発明の実施例に
ついて説明する。２００メッシュ以下（２００メッシュ
より細かい）の粒度の無酸素銅粉末１００g に、エチル
セルロース７g 、エチルカルビトール５０gを加え、１
２時間ボールミル混合して銅ペーストを作製した。な
お、２００メッシュ以下の粉末では、粒径は概ね２０μ
ｍ以下であり、スクリーン印刷に適した銅ペーストを作
製できる。

【００２５】銅板２を接合するセラミックス板１として
は、微量の酸化けい素、酸化カルシウム、酸化マグネシ
ウムを含む市販の９６%アルミナ板（２５mm×５０mm、
厚さ０．５mm）を用いた。

【００２６】セラミックス板１をアセトン中で超音波洗
浄し、５０℃にて乾燥した後、上記の銅ペーストを２０
０メッシュのスクリーンを介して２１mm×４６mmの大き
さにスクリーン印刷した。片面を印刷し、１２０℃ホッ
トプレート上で５分間乾燥後、もう一方の面にも印刷
し、乾燥した。印刷・乾燥の前後の厚さの比較から、ス
クリーン印刷により形成された銅粉末層５の厚さは３０
μmであった。

【００２７】次に、上下に厚さ０．３mmで２００ppm の
酸素を含むタフピッチ銅板２を配してＭｏセッター上に
設置し、メッシュベルト炉にて接合を行なった。雰囲気
は１０ppmの酸素を含む窒素とし、また炉内の最高温度
を１０７０±１℃に制御した。また、従来法による比較
試料として、アルミナ板の上下に、直接厚さ０．３mmの
銅板を配し接合したＣＢＣ基板を作製した。こうして得
られた試料各５ヶにつき、部分放電電圧を測定した。測
定はフロリナート中で上下に接合した銅板を電極とし
て、ブリッジ法により行なった。

【００２８】従来法による比較試料では部分放電電圧が
０．６〜３kVrms であったのに対して、本発明による試
料では全て４kVrms 以上であった。従来法による比較試
料での部分放電電圧がばらついたのは、種々の大きさ
（高さ）のボイドが存在するためである。それに対し本
発明による試料では、ボイドが存在しても周囲が、銅で
囲まれているため、部分放電が起きていないことを意味
している。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、セ
ラミッックス板と銅板とを銅粉末層を介して接合したセ
ラミッックス基板とすることにより、セラミックス基板
と銅板のボイドで発生していた放電を抑え、ＣＢＣ基板
の使用電圧を高めることができる。

【００３０】すなわち、半導体装置用の基板として部分
放電電圧の高いＣＢＣ基板が得られ、半導体装置を誤動
作させるような雑音を生じることが無く、特にパワート
ランジスタモジュールなどの半導体装置の耐圧の向上や
信頼性の向上に大きく寄与できる。本発明により、直接
接合法による安価で信頼性の高い絶縁放熱基板を提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるＣＢＣ基板の断面の摸式図

【図２】本発明によるＣＢＣ基板の接合部近傍の拡大摸
式図

【図３】従来のＣＢＣ基板の接合部近傍の拡大摸式図

【符号の説明】

１セラミックス板２銅板３共晶層４ボイド５銅粉末層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミッックス板と銅板とを接合した半導
体装置用基板において、セラミックス板に、銅粉末層を
介して銅板を接合したことを特徴とする半導体装置用基
板。
【請求項２】セラミッックス板が酸化アルミニウムまた
は窒化アルミニウムを主成分とするセラミックス板であ
ることを特徴とする請求項１記載の半導体装置用基板。
【請求項３】セラミッックス板と銅板とを接合した半導
体装置用基板の製造方法において、セラミッックス板上
に銅粉末を含むペーストを塗布し、その上に銅板を配置
した後、不活性雰囲気下もしくは弱酸化性雰囲気下で、
１０６０℃〜１０８０℃の範囲で熱処理することにより
銅板を接合することを特徴とする半導体装置用基板の製
造方法。
【請求項４】２００メッシュ以下の粒度の銅粉末を含む
ペーストを用いることを特徴とする請求項３に記載の半
導体装置用基板の製造方法。