JP2010183096A - セラミックス銅回路基板および半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ハンダ濡れ性を改善して半導体実装性および半導体実装後の接合信頼性を向上させたセラミックス銅回路基板を得る。
【解決手段】セラミックス基板表面に銅回路板を接合した構造を有するセラミックス銅回路基板において、前記銅回路板は含有酸素量が２００ｐｐｍ〜４００ｐｐｍのタフピッチ電解銅であり、前記銅回路板のセラミックス基板との非接合面側の表面部分における含有酸素量を２次イオン質量分析法で測定したときこの含有酸素量が８ｐｐｍ〜９２ｐｐｍであることを特徴とする。
【選択図】 なし

Description

本発明は、主に高出力トランジスタおよびパワーモジュール等の実装に使用されるセラミックス銅回路基板およびこれを用いた半導体装置に関するものである。

セラミックス基板に金属回路板を接合したセラミックス回路基板は、電子部品や機械部品等に広く適用されている。

セラミックスと金属は、原子構造が異なるためセラミックス基板と金属回路板とを接合する場合には、反応性等の化学的性質、熱膨張率などの物理的性質が大きく異なる。このため種々の接合方法が開発されているが、主として直接接合法および活性金属法の二種類の方法がある。

金属回路板を銅とした銅直接接合（ＤＢＣ：Ｄｉｒｅｃｔ ＢｏｎｄｉｎｇＣｏｐｐｅｒ）法は、セラミックス基板と銅回路板とを銅（Ｃｕ）および酸素（Ｏ）の共晶反応を利用して接合する方法である。例えば、セラミックス基板として酸化アルミニウム（アルミナ：Ａｌ_２Ｏ_３）を適用した場合には、銅回路板（Ｃｕ）中の酸素（Ｏ）と、セラミックス基板（Ａｌ_２Ｏ_３）中の酸素（Ｏ）との反応を利用して接合される。

一方、活性金属法は、セラミックス基板と銅板との接合にＡｇ、ＣｕおよびＴｉ等の活性な金属の粉末に有機化合物等のバインダおよび溶媒を混合してなるＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材を用い、このろう材により接合する方法である。例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体をセラミックス基板としたセラミックス回路基板は、以下のように製造される。

まず、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材を窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板上にスクリーン印刷し、この印刷面上に銅（Ｃｕ）回路板を配置する。その後、約８５０℃の温度で加熱処理し、窒化アルミニウム基板と銅回路板とを接合し、セラミックス銅回路基板とする。

ところで、近年、高出力トランジスタ、パワーモジュール等の実装に使用されるセラミックス銅回路基板は、最終的には産業機械等に搭載されるため、高い実装信頼性が要求される。また、実装後であっても、銅回路板とこの銅回路板に接合されるボンディングワイヤとは、熱膨張係数の違いにより繰り返し応力に晒されるため高い接合強度が要求される。従って、高実装性信頼性を得るためにセラミックス銅回路基板表面のハンダ濡れ性が良好であることが要求される。

例えば、特開平３−１１４２８０号公報には、銅の酸素含有量を５０ｐｐｍ以下（特に、３０ｐｐｍ以下）とした銅回路板を有する窒化アルミニウムが掲載されている。また、特開平５−２１３６７７号公報には、酸素含有量を１５ｐｐｍ以下とした銅板とアルミナあるいはＡｌＮ基板の接合方法が掲載されている。

これらの公知例に記載された活性金属法により製造されたセラミックス銅回路基板は、ろう材として用いた活性金属のＴｉとセラミックス基板（ＡｌＮ）中のＮとが共有結合してＴｉＮとなり、このＴｉＮにより接合層を形成しているため、極めて高い接合強度が得られる。また、活性金属法では、当初より酸素含有量の少ない銅回路基板を用いているため、最終的に得られるセラミックス銅回路基板の銅回路板の酸素量をも低減でき、酸化物の残存によるハンダ濡れ低下を防止できる。

特開平３−１１４２８０号公報

しかしながら、活性金属法では高い接合強度を得られるものの、ろう材としてＴｉ、Ｃｕ、Ａｇなどの高価な金属粉末を用いているため、ＤＢＣ法に比較してコストがかかるといった問題を有していた。

そこで、ＤＢＣ法を用いて低コストを実現するとともに、ハンダ濡れ性の改善が要求されることとなった。

ＤＢＣ法で作製したセラミックス銅回路基板に高出力トランジスタ、パワーモジュール等の半導体素子を実装する場合には、銅回路板表面を還元性雰囲気中で清浄もしくはエッチング等の化学的処理を施すことにより、銅回路板表面を清浄にするとともに銅回路板表面の酸化を防止している。しかし、ＤＢＣ法ではもともと酸素を介在させて接合する方法であるため、例えば、酸素を２００ｐｐｍ以上含む銅回路板を用いる。このため、ＤＢＣ接合を行った場合に、銅回路板中の酸素が銅回路表面に析出するなどにより、銅回路表面部分のハンダ濡れ性が十分ではないという問題を有していた。従って、ＤＢＣ法により作製されたセラミックス銅回路基板は、銅回路板のセラミックス基板との非接合面である表面部分のハンダ濡れ性が悪いため各種半導体素子を実装する場合に信頼性のある接合状態を保てていないのが現状であった。従来、このような問題点を解決するために半導体素子を実装する際に、還元性雰囲気中にて実装する方法も用いられていたが、還元性雰囲気とは一般的に水素成分を含む雰囲気であり安全上の問題から必ずしも好まれるものではなかった。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、ハンダ濡れ性を改善して半導体実装性および半導体実装後の接合信頼性を向上させたセラミックス銅回路基板を得ることを目的とする。

また、ＤＢＣ法の適用により、コスト低減を図ったセラミックス銅回路基板の製造方法を得ることを目的とする。

さらに、上記セラミックス銅回路基板を用いた半導体装置を得ることを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成するために、銅回路板に含有される酸素量および適用するセラミックス基板の種類を種々変えて研究した結果、セラミックス銅回路板の接合工程において、窒素雰囲気下で１０６０℃以上の温度で２０分以上、好ましくは３０分以上の時間で接合することにより銅回路表面に還元効果が現れることを見出した。そして、この還元効果を用いて、銅回路板の表面部分における含有酸素量を１００ｐｐｍ以下（０ｐｐｍは含まず）とし、銅回路板のハンダ漏れ性を向上させることで、本願発明を完成させたものである。従来のＤＢＣ法は接合時間が２０分未満であった。確かに、ＤＢＣ法によれば２０分未満、例えば１０６０℃以上の温度で１０分程度加熱することによりセラミックス基板と銅板を接合することは可能であるが、このようなセラミックス銅回路基板では銅回路板表面の酸素量が１００ｐｐｍを超えてしまいハンダ濡れ性が十分ではなかった。これに対し、本発明では接合時間を２０分以上、さらには３０分以上と長くすることによりセラミックス基板と銅回路板を強固に接合すると共に、非接合面である銅回路板表面に実質的な還元作用を施すものである。

すなわち、請求項１記載の発明は、セラミックス基板表面に銅回路板を接合した構造を有するセラミックス銅回路基板において、前記銅回路板は含有酸素量が２００ｐｐｍ〜４００ｐｐｍのタフピッチ電解銅であり、前記銅回路板のセラミックス基板との非接合面側の表面部分における含有酸素量を２次イオン質量分析法で測定したときこの含有酸素量が８ｐｐｍ〜９２ｐｐｍであることを特徴とする。

削除
請求項２記載の発明は、請求項１に記載のセラミックス銅回路基板において、前記銅回路板の銅純度が９９．９６％以上であることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１記載のセラミックス銅回路基板において、前記セラミックス基板は、窒化アルミニウム、窒化珪素、アルミナ、ジルコニア、またはアルミナとジルコニアとの化合物からなることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１記載のセラミックス銅回路基板において、前記銅回路板の表面の含有酸素量を低減することによりハンダ濡れ性を改善したことを特徴とする。

請求項５記載の発明は、前記セラミックス銅回路基板の銅回路板上にハンダを介して半導体を実装したことを特徴とする半導体装置である。

本発明では、セラミックス基板と銅回路板とを直接接合するセラミックス銅回路基板の製造方法において、前記銅回路板として２００〜４００ｐｐｍの酸素を含む銅からなる銅回路板を用い、前記セラミックス基板と銅回路板とを、酸素含有量１００ｐｐｍ以下の窒素ガス雰囲気下、加熱温度１０６０℃以上で接合することにより、銅回路板表面の酸素量を８ｐｐｍ〜９２ｐｐｍとしたセラミックス銅回路基板を得ることが好ましい。

本発明において、接合時の温度は１０６０℃以上としているが、好ましくは１０６５〜１０８３℃である。１０６５℃未満では、接合に必要なＣｕ−Ｏ系共晶体の生成が十分ではなく、１０８３℃を超えると銅板の融点を超えてしまうので好ましくない。

本発明では、セラミックス銅回路基板の製造方法において、前記接合は、前記セラミックス基板と銅回路板とを前記窒素ガスの気流中に３０分以上保持することにより行われることが好ましい。

接合時の窒素雰囲気は酸素含有量１００ｐｐｍ以下が好ましい。酸素含有量が１００ｐｐｍを超えると銅回路板の表面を酸化してしまうため銅回路板の表面の酸素量が１００ｐｐｍを超え易くなる。

以上説明したように、本発明によれば、窒素ガスにより雰囲気制御を行い、銅板を直接接合させた回路基板を作製する際、窒素ガス量に応じて、銅回路板表面の酸素量を１００ｐｐｍ以下に制御することで、ハンダ濡れ性を改善し、半導体実装性および半導体実装後の接合信頼性を向上できる。

以下、本発明の実施形態について、実施例１ないし実施例５、比較例１ないし比較例５を用いて説明する。

実施例１（試料Ｎｏ．１〜試料Ｎｏ．３）
ＡｌＮの原料粉末に、焼結助剤を添加して原料混合体を得た。焼結助剤として、Ａｌ_２Ｏ_３およびＹ_２Ｏ_３をＡｌＮ原料粉末に対して、Ａｌ_２Ｏ_３を１ｗｔ％、Ｙ_２Ｏ_３を３ｗｔ％添加した。

次に、この原料混合体にバインダおよび溶剤を添加した後、ドクターブレード法により厚さ０．８ｍｍのシート形状に形成した。その後、脱脂工程を経た後、１７５０℃から１８００℃の温度範囲で２時間焼結を行った。

焼結後、シートを縦５０ｍｍ、横２５ｍｍの大きさの区画に切断した。

このようにして得られた厚さ０．８ｍｍのＡｌＮ基板を空気雰囲気中の加熱炉に導入して、１３００℃の温度にて１２時間加熱し、ＡｌＮ基板全表面に酸化物層（Ａｌ_２Ｏ_３皮膜）を形成した。

次に、ＡｌＮ基板に接合する銅回路板を準備した。

銅回路板は、酸素を２８０〜４００ｐｐｍ含有するタフピッチ電解銅（純度９９．９６％）からなり、厚さが０．３ｍｍである。この銅回路板を縦３０ｍｍ×横２０ｍｍの形状に切断した。

このようにして得られた銅回路板を酸化処理したＡｌＮ基板の表面側に接触配置する一方、ＡｌＮ基板の背面側に縦４５ｍｍ×横２０ｍｍ×厚さ０．１３ｍｍの銅板を裏当て材として接触配置した。

上記の形状を有する銅回路板および裏当て材を配したものを、表１に示す窒素ガス雰囲気および温度に設定した加熱炉に挿入し、表１に示す時間加熱することで、ＡｌＮ基板の上下面に銅回路板を直接接合した試料Ｎｏ．１ないしＮｏ．３のセラミックス銅回路基板を得た。各試料のセラミックス銅回路基板の銅回路板表面をＥＰＭＡ（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｐｒｏｂｅ ｆｏｒ ｍｉｃｒｏａｎａｌｙｓｉｓ）または２次イオン質量分析法（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｉｏｎ−ｍａｓｓ ｓｐｅｃｔｒｏｇｒａｐｈｙ：略称ＳＩＭＳ）により分析したところ、試料Ｎｏ．１の回路表面酸素量は８ｐｐｍ、試料Ｎｏ．２の回路表面酸素量は４３ｐｐｍ、試料Ｎｏ．３の回路表面酸素量は９２ｐｐｍであった。

実施例２（試料Ｎｏ．４、試料Ｎｏ．５）
本実施例においては、セラミックス基板として、厚さ０．８ｍｍの窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）基板を用い、試料Ｎｏ．４およびＮｏ．５のセラミックス銅回路基板を作製した。なお、製造手順は実施例１と同様である。各試料の回路表面酸素量を表１に示す。

実施例３（試料Ｎｏ．６、試料Ｎｏ．７）
本実施例においては、セラミックス基板として、厚さ０．８ｍｍのアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）基板を用いた。製造手順は実施例１とほぼ同様であるが、アルミナ基板であることから、基板表面に酸化膜を形成しなかった。各試料の回路表面酸素量を表１に示す。

実施例４（試料Ｎｏ．８、試料Ｎｏ．９）
本実施例においては、セラミックス基板として、厚さ０．８ｍｍのジルコニア（ＺｒＯ_２）基板を用いた。製造手順は実施例１とほぼ同様であるが、ジルコニア基板であることから、基板表面に酸化膜を形成しなかった。各試料の回路表面酸素量を表１に示す。

実施例５（試料Ｎｏ．１０、試料Ｎｏ．１１）
本実施例においては、セラミックス基板として、厚さ０．８ｍｍのアルミナとジルコニアの化合物（Ａｌ_２Ｏ_３を６０ｗｔ％とＺｒＯ_２を４０ｗｔ％添加した混合物）基板を用いた。製造手順は実施例１とほぼ同様であり、アルミナとジルコニアの化合物基板であることから、基板表面に酸化膜を形成しなかった。各試料の回路表面酸素量を表１に示す。

比較例１（試料Ｎｏ．１２〜試料Ｎｏ．１５）
本比較例においては、セラミックス基板として、厚さ０．８ｍｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板を用いた。製造手順は、実施例１とほぼ同様である。実施例１と異なるのは、セラミックス基板と銅回路板とを接合する際の接合条件である窒素ガスの雰囲気、接合時間および接合温度を本発明の範囲外としたものであり、試料Ｎｏ．１２およびＮｏ．１３は窒素雰囲気条件を、試料Ｎｏ．１４は接合温度を、試料Ｎｏ．１５接合時間をそれぞれ変えたものである。このような接合条件下で作製されたセラミックス銅回路基板の表面をＥＰＭＡもしくはＳＩＭＳ分析したところ、試料Ｎｏ．１２ないし試料Ｎｏ．１５は銅回路板の表面の酸素量がいずれも１００ｐｐｍを超えるものであった。なお、試料Ｎｏ．１４は接合温度が１０００℃と低いため十分な接合体を得られなかったため、銅回路板の表面の酸素量の測定は行わなかった。

比較例２（試料Ｎｏ．１６、試料Ｎｏ．１７）
本比較例においては、セラミックス基板として、厚さ０．８ｍｍの窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）基板を用いた。製造手順は実施例２とほぼ同様である。実施例２と異なるのは、表１に示す窒素ガス雰囲気を変えて、試料Ｎｏ．１６は回路表面酸素量を１４１ｐｐｍとし、試料Ｎｏ．１７は回路表面酸素量を１２５ｐｐｍとしたことである。

比較例３（試料Ｎｏ．１８、試料Ｎｏ．１９）
本比較例においては、厚さ０．８ｍｍのアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）基板を用いた。製造手順は、実施例３とほぼ同様である。実施例３と異なるのは、表１に示す窒素ガス雰囲気を変えて、試料Ｎｏ．１８は回路表面酸素量を１５３ｐｐｍとし、試料Ｎｏ．１９は回路表面酸素量を１４４ｐｐｍとしたことである。

比較例４（試料Ｎｏ．２０、試料Ｎｏ．２１）
本比較例においては、厚さ０．８ｍｍのジルコニア（ＺｒＯ_２）基板を用いた。製造手順は、実施例４とほぼ同様である。実施例４と異なるのは、表１に示す窒素ガス雰囲気を変えて、試料Ｎｏ．２０は回路表面酸素量を１３７ｐｐｍとし、試料Ｎｏ．２１は回路表面酸素量を１３７ｐｐｍとしたことである。

比較例５（試料Ｎｏ．２２、試料Ｎｏ．２３）
本比較例においては、厚さ０．８ｍｍのアルミナとジルコニアの化合物（Ａｌ_２Ｏ_３を６０ｗｔ％とＺｒＯ_２を４０ｗｔ％添加した混合物）基板を用いた。製造手順は実施例５とほぼ同様である。実施例５と異なるのは、表１に示す窒素ガス雰囲気を変えて、試料Ｎｏ．２０は回路表面酸素量を１２５ｐｐｍとし、試料Ｎｏ．２３は回路表面酸素量を１４３ｐｐｍとしたことである。

このようにして得られた実施例１ないし実施例５および比較例１ないし比較例５の各試料について、フラックスを使用し、Ｓｎ：Ｐｂ＝６：４の割合としたハンダにおける濡れ性を評価した。濡れ性の評価は、濡れ率（％）の測定により行い、この濡れ率はハンダ付けを行なった面積に対する濡れた面積の割合を算出したものである。この結果を表１に示す。

表１に示すように、銅回路板表面部分の含有酸素量が１００ｐｐｍを超える比較例の各試料と比較して、本実施例のように、銅回路板表面部分の含有酸素量を１００ｐｐｍ以下とすることにより、試料Ｎｏ．１ないし試料Ｎｏ．１１はいずれもハンダ濡れ率が９０％以上、さらには９４％以上であり、セラミックス基板の種類によらずハンダ濡れ性を向上できる。

従って、本実施形態によれば、銅回路板中の酸素含有量を１００ｐｐｍ以下とすることにより、濡れ性を大幅に改善できるため、高い半導体実装性を得られる。そのためセラミックス銅回路基板の製造後に銅回路板の表面に存在する酸素成分等を除去する必要がないため半導体実装工程を簡素化できる。特に、エッチング等の化学処理は廃液等の問題もあることから環境問題にも対応可能である。

また、ＤＢＣ法では、セラミックス基板と銅回路板との接触面を微視的に見た場合、酸素（Ｏ）の部分が空洞となった凹凸接触面となるため、活性金属法と比較して、半導体実装後の使用時の温度変化による残留応力はある程度小さい値となる。このため、使用時の温度変化による接合面の損傷を防止できることから、半導体実装性のみならず、半導体実装後のセラミックス回路基板の接合信頼性を得ることができる。

さらに、本実施形態によれば、セラミックス基板と銅回路板とを直接接合するＤＢＣ法を適用しているため、高価な金属を用いる活性金属法を用いる場合と比較してコスト低減を図ることができる。

Claims (5)

1. セラミックス基板表面に銅回路板を接合した構造を有するセラミックス銅回路基板において、前記銅回路板は含有酸素量が２００ｐｐｍ〜４００ｐｐｍのタフピッチ電解銅であり、前記銅回路板のセラミックス基板との非接合面側の表面部分における含有酸素量を２次イオン質量分析法で測定したときこの含有酸素量が８ｐｐｍ〜９２ｐｐｍであることを特徴とするセラミックス銅回路基板。
2. 請求項１に記載のセラミックス銅回路基板において、前記銅回路板の銅純度が９９．９６％以上であることを特徴とするセラミックス銅回路基板。
3. 請求項１記載のセラミックス銅回路基板において、前記セラミックス基板は、窒化アルミニウム、窒化珪素、アルミナ、ジルコニア、またはアルミナとジルコニアとの化合物からなることを特徴とするセラミックス銅回路基板。
4. 請求項１記載のセラミックス銅回路基板において、前記銅回路板の表面の含有酸素量を低減することによりハンダ濡れ性を改善したことを特徴とするセラミックス銅回路基板。
5. 請求項１記載のセラミックス銅回路基板の銅回路板上にハンダを介して半導体を実装したことを特徴とする半導体装置。