JP2001085571A - 銅貼り窒化珪素回路基板 - Google Patents

銅貼り窒化珪素回路基板

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健太 高木
Tomoo Tanaka
智雄 田中
Masaya Ito
正也 伊藤
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NGK Spark Plug Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来に比べて熱サイクル及び熱衝撃に対して
高い耐久性、信頼性を有する銅貼り窒化珪素回路基板を
提供する。 【解決手段】 本発明の銅貼り窒化珪素基板は、窒化珪
素基板の少なくとも一方の面に銅板がろう接されたもの
であり、窒化珪素/銅界面から上記銅板側に100μm
の位置におけるユニバーサル硬さが1200HU以下の
ものである。この場合、界面で発生した熱応力は銅板の
変形によってある程度緩和されるため、良好な耐熱サイ
クル性及び耐熱衝撃性が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置などに
使用される銅貼り窒化珪素回路基板に関する。
【0002】
【従来の技術】従来より、半導体用回路基板として、ア
ルミナ(Al23)、窒化アルミニウ(AIN)などの
セラミック基板の一方の面に金属回路板、もう一方の面
に金属放熱板が接合層を介して接合されたセラミック回
路基板が広く用いられている。
【0003】近年では、この金属回路板や金属放熱板と
して高い放熱性や導電性を有する銅を用いる傾向にあ
り、その一つとして銅貼り窒化アルミニウム基板が挙げ
られる。しかしながら、銅はアルミニウムより高い機械
的性質を持つため窒化アルミニウムと銅との熱応力を緩
和し難く、回路基板製造工程、はんだ接合工程および使
用時に負荷される熱サイクル、熱衝撃に対して十分な耐
久性が得られず、金属回路板の剥離やセラミック基板の
割れなどの問題があった。そこで最近、窒化アルミニウ
ムに比べ強度の高い窒化珪素に銅板がろう付けされた銅
張り窒化珪素回路基板が開発されつつある。この銅張り
窒化珪素回路基板はこれらの間題を解決し得えるものと
して期待されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、近年の
著しい半導体部品の高集積化・高電力化のため、従来よ
り更に高い耐熱サイクル・耐熱衝撃性が要求されてお
り、現状の性能を大きく上回る銅貼り窒化珪素回路基板
が必要になっている。
【0005】本発明は上記課題に鑑みなされたものであ
り、従来に比べて熱サイクル及び熱衝撃に対して高い耐
久性、信頼性を有する銅貼り窒化珪素回路基板を提供す
ることを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段、発明の実施の形態及び発
明の効果】銅板がろう接された銅貼り窒化珪素回路基板
は、実稼働時及びモジュール組立時の熱サイクルの熱応
力により少なからず接合界面付近に損傷を被る。この界
面に生じる熱応力は、回路基板形成後の銅板の硬さ・弾
性係数を低下させることにより銅板を変形可能にすれ
ば、この銅板の変形によって緩和される。特に、この熱
応力は、回路基板形成後の銅板のうち接合界面近傍の硬
さ・弾性係数が最も影響する。このような観点から、本
発明者は、銅貼り窒化珪素回路基板において窒化珪素/
銅界面から銅板側に所定距離隔てた位置におけるユニバ
ーサル硬さを規定することにより、良好な耐熱サイクル
性及び耐熱衝撃性が得られることを見い出した。
【0007】即ち、本発明は、窒化珪素基板の少なくと
も一方の面に銅板がろう接された銅貼り窒化珪素回路基
板であって、窒化珪素/銅界面から上記銅板側に100
μmの位置におけるユニバーサル硬さが1200HU以
下であることを特徴とする。また、上記界面から上記銅
板側に50μmの位置におけるユニバーサル硬さが12
00HU以下であることが好ましく、特にこの位置にお
けるユニバーサル硬さが1000HU以下であることが
好ましい。なお、このユニバーサル硬さの下限値は純銅
の固有硬さ(約780HU)である。
【0008】通常、銅板がろう接された銅貼り窒化珪素
回路基板において、窒化珪素/銅界面から銅板側に向か
って硬度が減少する傾向にある。これは、ろう材成分の
存在率に依る。即ち、ろう材成分の固溶強化・析出強化
などにより硬度は上述の傾向を示す。またここで、ろう
材により接合された回路基板においては窒化珪素/銅界
面の近傍に、ろう材に含まれる活性金属と窒化珪素基板
とが反応して生成した高硬度の層(以下、反応層とい
う)と、銅板中にろう材成分が多く固溶・析出している
層(以下、接合層という)とが存在するが、本発明にお
ける窒化珪素/銅界面とは反応層と接合層との境界面を
指す。そして、窒化珪素/銅界面から銅板側に100μ
mの位置のユニバーサル硬さが1200HU以下であれ
ば、界面で発生した熱応力は銅板の変形によってある程
度緩和され、また、界面の極近傍(界面から銅板側に1
00μm(特に50μm)までの領域)の硬度が極端に
高くなることも避けられる。それゆえに、良好な耐熱サ
イクル性及び耐熱衝撃性が得られる。
【0009】また、窒化珪素/銅界面から銅板側に50
μmの位置におけるユニバーサル硬さを1200HU以
下とすると、この位置周辺、即ち界面近傍の硬度を低く
抑えることができ、熱応力の緩和効果は増大する。それ
故に、より優れた耐熱サイクル性及び耐熱衝撃性が得ら
れる。
【0010】更に、窒化珪素/銅界面から銅板側に50
μmの位置におけるユニバーサル硬さを1000HU以
下とすると、界面近傍が高硬度とならないことはもとよ
り、界面から100μm以上離れた位置では焼き鈍した
純銅の硬度近く(約780HU)まで低くなるため、界
面で発生した熱応力の緩和効果が一層高くなる。それ故
に、非常に優れた耐熱サイクル性及び耐熱衝撃性が得ら
れる。
【0011】本発明の窒化珪素回路基板においては、窒
化珪素基板の一方の面のみに金属回路板(回路パターン
に形成されたものを含む)が設けられていてもよいし、
この金属回路板に加えてもう一方の面に金属放熱板が設
けられていてもよい。前者の場合、金属回路板は銅を主
成分とする金属(純銅又は銅合金)からなる。後者の場
合、金属回路板と金属放熱板の少なくとも一方が銅を主
成分とする金属からなるが、通常、金属回路板が銅を主
成分の金属であり、金属放熱板は銅を主成分とする金属
であってもよいし他の材質(例えばアルミニウム、ニッ
ケル、タングステン等の純金属もしくはその合金、金属
基複合材料、高分子材料)であってもよい。
【0012】本発明に使用される窒化珪素基板には特に
制限はないが、従来の窒化アルミニウム等の機能及び信
頼性を同等もしくはそれ以上にすることを考慮すると、
熱伝導率が60W/m・K以上が好ましく、また曲げ強
度が600MPa以上が好ましい。
【0013】窒化珪素回路基板を形成する方法として
は、窒化珪素基板表面を酸化させたのちに銅と酸素との
共晶反応によりろう材を介さずに直接接合するDBC法
(Direct Bonding Copper)や、
ろう材ペースト又はろう材箔を介して接合するろう接法
などが知られているが、前者は窒化珪素/銅界面に酸化
物層を生成させるため放熱性が低下する傾向にあるため
好ましくない。ろう接法としては、Ti、Zr、Hf、
Cr、Nb等の活性金属を含むろう材ペーストや、例え
ば銀ろうや銅ろう等のろう材箔を用いた活性ろう付法が
あるが、特にこれに限定されない。ろう接法の場合、以
下の点を満足することが好ましい。 (1)銅板に含まれる銅元素以外の元素の量が極力少量
のものを用いる。 (2)ろう材構成元素中で銅板中に固溶・析出して硬度
を上昇させるような元素の量を極力減ずる。 (3)使用するろう材の単位面積あたりの量を減らす。 (4)ろう付後に窒化珪素/銅界面に偏在しているろう
材構成元素を熱処理により拡散させ、銅板中に略均一に
拡散させる。
【0014】本発明では、超微小硬さ試験によって得ら
れるユニバーサル硬さの数値範囲を規定している。従来
のビッカース硬さやロックウェル硬さが被測定材料の塑
性変形挙動のみを扱っているのに対し、ユニバーサル硬
さは塑性変形に加え弾性変形も加味された物性値であ
る。ここで、前述したように熱サイクルにより負荷され
る熱応力は塑性変形能(硬さ)と弾性変形能(弾性係
数)に影響されるため、ユニバーサル硬さはビッカース
硬さなどに比べて熱応力緩和能をより包括的に評価した
ものといえる。また、ユニバーサル硬さの測定値として
は、測定目標位置について代表的な箇所を数点選んで測
定し、それらの測定値の平均値を採用することが好まし
い。なお、ユニバーサル硬さは、ドイツ規格DIN50
359−1に従って以下のように算出される。即ち、ユ
ニバーサル硬さは、向かい合う面の間の角度aが所定角
度(136°)の正角錐のダイヤモンド製貫入体を試験
片の表面に押し込んだときの試験力F、試験力作用時の
押し込み深さhから下記数1により算出される数値であ
る。数1中、A(h)は試験力作用時の押し込み深さh
から算出した面積である。
【0015】
【数1】
【0016】なお、本発明の銅貼り窒化珪素基板は、窒
化珪素基板の少なくとも一方の面に銅板がろう接された
ものであり、通常、銅層、接合層、反応層、窒化珪素層
がこの順に積層された構造を有している。銅層はろう接
による影響を受けていない銅板部分であり、窒化珪素層
はろう接による影響を受けていない窒化珪素基板部分で
ある。接合層及び反応層は既に説明した通りである。こ
れら各層のうち反応層は、例えばSEM(Scanning Ele
ctron Microscope:走査型電子顕微鏡)を用いて撮影し
た断面写真等により、他層との境界を容易に識別可能で
ある。つまり、窒化珪素/銅界面である反応層と接合層
との境界は容易に識別できる。
【0017】
【実施例】[実施例1〜13、比較例1,2] [1]窒化珪素基板の作製 窒化珪素粉末360g、焼結助剤として酸化セリウム粉
末32g及び酸化マグネシウム粉末8g、粒子分散剤と
してマレイン系高分子4g、バインダとしてポリビニル
ブチラール50gを溶剤と共にボールミルを用いて混合
した。得られたスラリーは脱泡処理後ドクターブレード
法によりシート上に成形し、溶剤を揮発させることによ
り生シートを得た。得られた生シートを所定形状に打ち
抜き、仮焼(脱脂)後、焼成することにより、長さ40
×幅20×厚さ0.32mm、室温3点曲げ強度が70
0MPaの窒化珪素基板を作製した。
【0018】[2]銅貼り窒化珪素回路基板の作製 金属回路用銅板として、JIS H3250による合金
番号がC1100(タフピッチ銅)の銅板で長さ40×
幅20×厚み0.3mmのものを準備し、これと上記
[1]で作製した窒化珪素基板とをろう接した。即ち、
図1(a)に示すようにぺースト状のろう材を窒化珪素
基板の両面にできる限り薄く塗布したのち、銅板を窒化
珪素基板両面に配置し、銅板両面に適度の圧力を掛けた
まま、真空中で所定のろう付条件のもとでろう付に供し
た。
【0019】下記表1に、実施例1〜13、比較例1,
2におけるろう材種類、ろう付条件を示す。ろう材とし
ては、ろう材種類による差異を確認するため、銅と活性
金属を主成分とする銅ろう、及び、銀、銅、活性金属を
主成分とする銀ろうの2種類を用いた。また、様々な硬
度分布の銅層をもつ窒化珪素回路基板を得るため、本実
施例ではろう材構成元素のうち活性金属であるTi元素
含有比を表1のように変化させた。ここで、表中の組成
は主組成の重量比であり、この他にろう材の液相点を降
下させるための微量元素(珪素やアルミニウムなど)が
含まれるが、表中に明記していない。各ろう材は、所定
組成比の粉末、溶剤およびバインダーを混合することに
よりペースト状とした。また、銅層の硬さ低減を目的と
して、ろう付け降温時に300℃×3時間の保持を行っ
た試料もあり、表1では熱処理の有無として表示してあ
る。この熱処理は、ろう付後に窒化珪素/銅界面に偏在
しているろう材構成元素を拡散させることにより銅層の
硬さ低減を狙ったものである。
【0020】続いて、得られた接合体(図1(b)参
照)の銅板上に所定の回路パターンとなるようにエッチ
ングレジストを印刷し、その後塩化第二鉄水溶液および
フッ酸水溶液を用い不要部分の金属層を剥離除去した。
そして、このようなエッチングの後に、洗浄・レジスト
除去を行い、窒化珪素回路基板(測定用サンプル)を得
た(図1(c)参照)。なお、この窒化珪素回路基板の
断面構造は図1(c)の拡大図の通りであり、回路パタ
ーンである銅層(ろう接による影響を受けていない銅板
部分)、接合層(銅板中にろう材成分が多く固溶・析出
している層)、反応層(ろう材に含まれる活性金属と窒
化珪素基板とが反応して生成した高硬度の層)、窒化珪
素層(ろう接による影響を受けていない窒化珪素基板部
分)がこの順に積層された構造を有し、接合層と反応層
との境界が窒化珪素/銅界面に当たる。
【0021】[3]ユニバーサル硬さの測定 ユニバーサル硬さを測定するための硬度測定用試験片に
ついては、上記で得られた窒化珪素回路基板を対角線上
にダイアモンドホイールで切断後、その切断面をエメリ
ー紙(#600、800、1000、1200、150
0)による研磨およびパフ研磨を行い鏡面とした。研磨
された断面の銅層について、超微小硬さ試験によってD
IN50359−1に基づいたユニバーサル硬度測定を
行った。ここで、圧子圧力は100mNとした。測定は
窒化珪素/銅界面から25μmおきに行い、各距離毎に
試料断面についてランダムに20箇所行い平均した(第
1桁で四捨五入)。このうち窒化珪素/銅界面から50
μm、100μmの位置におけるユニバーサル硬さを表
1に示す。
【0022】[4]熱サイクル試験 熱サイクル試験は以下の2種類を行った。 (1)実環境模擬熱サイクル試験(以下、試験(1)と
する) 実環境を模擬した熱サイクル試験として、大気中におい
て150℃×30分→室温×15分→−40℃×30分
→室温×15分を1サイクルとした試験を適用した。1
00サイクル毎に超音波探傷検査を行うことにより、窒
化珪素/銅の界面に間隙が生じていないか確認し、間隙
が確認されたサイクル数を剥離サイクルとした。また最
大サイクル数は2000サイクルとした。結果を表1に
示す。 (2)高温熟サイクル試験(以下、試験(2)とする) 回路基板は半導体チップやヒートシンクに組み付けられ
るが、その接合は通常はんだを用いて行われるため、そ
の環境を模擬する熱サイクル試験および熱衝撃試験とし
て、N2中において350℃×20分→(急冷)→室温
×10分を1サイクルとした試験を適用した。また、こ
の試験は試験(1)の加速試験とも考えられる。剥離サ
イクルの決定は試験(1)と同様で、5サイクル毎に超
音波探傷検査を行った。また、最大サイクル数は50サ
イクルとした。結果を表1に示す。
【0023】
【表1】
【0024】表1の剥離サイクルの結果を見ると、本発
明の硬度範囲外である試料(比較例1,2)は、試験
(1)のサイクル数が800サイクルであり、最低限要
求されるサイクル数(1000サイクル)を満たさなか
ったこと、また、試験(2)のサイクル数が5以下であ
り、モジュール組立時の熱履歴に対する信頼性が低いこ
とから、好ましくないと判断した。
【0025】これに対して、窒化珪素/銅界面から10
0μmのユニバーサル硬度が1200HU以下である試
料(実施例1〜10)に関しては、ろう材の種類に関わ
らず、試験(1)で1000サイクル以上の耐久性を有
しており、要求される水準を満たしている。また、試験
(2)で10サイクル以上の耐久性を有しており、組立
時の熱履歴に対して耐え得る。このことから窒化珪素/
銅界面から100μmのユニバーサル硬度を1200H
U以下とすることで、モジュール組立時に発生する回路
基板剥離の回避が容易となる上、従来より優れた耐熱サ
イクル性を持つ回路基板が得られる。この点は、銅ろう
(実施例1〜8)および銀ろう(実施例9〜13)の双
方とも同じ傾向であることから、ろう材の種類によらな
い。
【0026】また、実施例4〜6、11、12では、試
験(1)についても剥離サイクルは実用で要求されるサ
イクル数を大きく上回っている。また、試験(2)にお
いて剥離サイクルは25〜30サイクルとなりモジュー
ル組立時の熱履歴に対する信頼性は高い。故に界面から
50μmのユニバーサル硬度が1200HU以下になる
と耐熱サイクル性にさらに優れた窒化珪素回路基板を得
ることができる。
【0027】更に、実施例7、8、13では、試験
(1)では2000サイクル、試験(2)では50サイ
クルを越えても剥離は起こることない。故に、界面から
50μmのユニバーサル硬度が1000HU以下になる
と、耐熱サイクル性は非常に高く窒化珪素の高機械的特
性を十分に生かした回路基板を得ることができ、特に高
い信頼性を必要とする輸送機器などの分野への適用が可
能となる。
【0028】更にまた、実施例3、5や実施例6、8で
はろう付時の熱処理の有無のみ相違するが、いずれも熱
処理を行った場合(実施例5、8)に一層優れた結果が
得られている。尚、本発明の実施の形態は、上記実施形
態に何ら限定されるものではなく、本発明の技術的範囲
に属する限り種々の形態を採り得ることはいうまでもな
い。
【図面の簡単な説明】
【図1】 窒化珪素回路基板の製造工程図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 正也 愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日 本特殊陶業株式会社内 Fターム(参考) 4E351 AA08 BB01 BB30 CC22 DD04 EE03 GG03 4G001 BA06 BA11 BA32 BB32 BD12 BD14 4G026 BA15 BB22 BF16 BF17 BF24 BF44 BG02 BG23 BH07

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 窒化珪素基板の少なくとも一方の面に銅
    板がろう接された銅貼り窒化珪素回路基板であって、 窒化珪素/銅界面から上記銅板側に100μmの位置に
    おけるユニバーサル硬さが1200HU以下であること
    を特徴とする銅貼り窒化珪素回路基板。
  2. 【請求項2】 窒化珪素/銅界面から上記銅板側に50
    μmの位置におけるユニバーサル硬さが1200HU以
    下であることを特徴とする請求項1記載の銅貼り窒化珪
    素回路基板。
  3. 【請求項3】 窒化珪素/銅界面から上記銅板側に50
    μmの位置におけるユニバーサル硬さが1000HU以
    下であることを特徴とする請求項1又は2記載の銅貼り
    窒化珪素回路基板。
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