JP2014063798A - Ceramics circuit board - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、窒化珪素焼結体からなるセラミックス基板と、セラミックス基板に接合された銅を主成分とする金属板とを有するセラミックス回路基板に係る発明である。 The present invention relates to a ceramic circuit board having a ceramic substrate made of a silicon nitride sintered body and a metal plate mainly composed of copper bonded to the ceramic substrate.
上記セラミックス回路基板が組み込まれる半導体装置の側断面図を図1に示す。半導体装置11は、ろう材層10bを介してセラミックス基板10aの上面に接合された回路板(金属板)10cと、ろう材層10dを介してセラミックス基板10aの下面に接合された放熱板(金属板)10eを有するセラミックス回路基板10を備えている。そして、回路板10cの上面には、半田層11aを介しMOSFETやIGBT等の半導体素子11bが接合されている。
A side sectional view of a semiconductor device in which the ceramic circuit board is incorporated is shown in FIG. The
このように半導体素子を金属板に接合して半導体装置を形成する構成のセラミックス回路基板において、冷熱サイクル、具体的には半導体素子と金属板を接合する際の加熱・冷却に伴う熱負荷、または半導体装置の使用時の作動・停止に伴う熱負荷に起因し、金属板を構成する組織レベルにおける微小変形が生じ、金属板の表面の凹凸が大きくなる場合があった。そして、金属板の表面の凹凸は、特に、半田層11aと回路板10cとの接合界面に剥離を発生させ、半導体装置の接合信頼性を低下させるため、当該凹凸の増大が低減可能な構成のセラミックス回路基板の実現が要請されていた。
In a ceramic circuit board configured to join a semiconductor element to a metal plate in this way to form a semiconductor device, a thermal cycle, specifically, a thermal load accompanying heating / cooling when joining the semiconductor element and the metal plate, or Due to the thermal load associated with the operation / stop when the semiconductor device is used, there is a case where micro deformation occurs at the structure level constituting the metal plate, and the surface of the metal plate becomes uneven. The unevenness on the surface of the metal plate generates peeling at the bonding interface between the
かかる要請に対応したセラミックス回路基板が組み込まれた半導体装置が、下記特許文献1に開示されている。特許文献1に開示された一つの態様の半導体装置は、半導体素子を搭載する金属板を備え、当該金属板の半導体素子を搭載する部分またはその近傍に、金属板よりも熱膨張係数が低い多孔質体からなる低熱膨張部を埋設した半導体装置である。また、特許文献1に開示された別の態様の半導体装置は、半導体素子を搭載する金属板を備え、当該金属板よりも熱膨張係数が低く、金属板の半導体素子を搭載する部分を取り囲む部分またはその近傍に環状体からなる、低熱膨張部が埋設されている半導体装置である。なお、上記2つの態様の半導体装置は、いずれも、セラミックス等からなる絶縁板と、絶縁板に接合された金属板とを有する絶縁回路基板を備えており、当該絶縁回路基板が、本発明におけるセラミックス回路基板に該当する。
A semiconductor device in which a ceramic circuit board corresponding to such a request is incorporated is disclosed in
本発明は、上記特許文献1に例示された従来技術のセラミックス回路基板に対し、熱負荷が作用した場合でも金属板の表面の凹凸の増大が抑制されるセラミックス回路基板を提供することを目的としている。
An object of the present invention is to provide a ceramic circuit board in which an increase in unevenness on the surface of a metal plate is suppressed even when a thermal load is applied to the conventional ceramic circuit board exemplified in
上記目的を達成する本発明の一態様は、窒化珪素焼結体からなるセラミックス基板と、一方の面が前記セラミックス基板の一方の面に接合され、他方の面に形成された被覆層を有する銅を主成分とする金属板を備えたセラミックス回路基板であって、JIS Z2285に準拠して測定した、−40〜250℃における前記セラミックス基板の熱膨張率が、2〜4×10−6/Kであり、前記被覆層を除いた前記金属板の熱膨張率が、16〜18×10−6/Kであり、前記被覆層は、Mo、W、Crからなる群のうち少なくとも一種を含み、−40〜250℃における前記被覆層の熱伝導率は、90〜180W・m−1・K−1であり、前記被覆層の平均厚みをt1、前記金属板の平均厚みをt2としたとき、t1/t2が0.005〜0.1の範囲であるセラミックス回路基板である。 One embodiment of the present invention that achieves the above object is a copper substrate having a ceramic substrate made of a silicon nitride sintered body, a coating layer formed on one surface of the ceramic substrate and bonded to the other surface. A ceramic circuit board provided with a metal plate containing as a main component, the coefficient of thermal expansion of the ceramic substrate at −40 to 250 ° C. measured according to JIS Z2285 is 2 to 4 × 10 −6 / K. The coefficient of thermal expansion of the metal plate excluding the coating layer is 16 to 18 × 10 −6 / K, and the coating layer includes at least one of the group consisting of Mo, W, and Cr, The thermal conductivity of the coating layer at −40 to 250 ° C. is 90 to 180 W · m −1 · K −1 , where the average thickness of the coating layer is t1 and the average thickness of the metal plate is t2. t1 / t2 is 0.005 A ceramic circuit board is in the range of .1.
かかるセラミックス回路基板によれば、JIS Z2285に準拠して測定した、−40〜250℃における熱膨張率が2〜4×10−6/Kであるセラミックス基板に、熱膨張率が16〜18×10−6/Kの金属板が接合されている。このように熱膨張率の小さなセラミックス基板に金属板は接合されているので、冷熱サイクルに伴い熱負荷が作用した場合にも、金属板を構成する組織レベルの微小変形が抑制される。 According to such a ceramic circuit board, the thermal expansion coefficient is 16 to 18 × on a ceramic substrate having a thermal expansion coefficient of 2 to 4 × 10 −6 / K at −40 to 250 ° C. measured according to JIS Z2285. A metal plate of 10 −6 / K is joined. Since the metal plate is bonded to the ceramic substrate having a small coefficient of thermal expansion in this way, even when a thermal load is applied in association with the cooling / heating cycle, microdeformation at the tissue level constituting the metal plate is suppressed.
そして、上記金属板の表面には、Mo、W、Crからなる群のうち少なくとも一種を含む被覆層が形成されている。これらの元素は元来熱膨張率が低いので、金属板を構成する組織レベルの微小変形が抑制される。すなわち、本発明のセラミックス回路基板は、熱膨張率が低いセラミックス基板と被覆層との間に金属板を介在させる構成により、冷熱サイクルによる熱負荷が作用した場合における、金属板を構成する組織レベルの微小変形が抑制するものである。その結果、上記した冷熱サイクル試験に付した前後における、JIS B0601−2001に準拠して測定した被覆層の表面粗さ(Rz)の差が、20μm以下となり、もって当該金属板に接合される半導体素子との接合信頼性が確保される。さらに、このような被覆層は、周知の成膜法、例えばメッキ、スパッタリング、化学蒸着、イオンプレーティング等の手段を利用し、比較的容易に形成することができ、上記特許文献1に記載のセラミックス回路基板に対し、低コストで被覆層を形成することが可能となる。なお、上記被覆層は、Mo、W、Crからなる群のうち少なくとも一種に替え、金属を主成分とする第1相と、セラミックスを主成分とする第2相とで構成してもよい。 And the coating layer containing at least 1 type in the group which consists of Mo, W, and Cr is formed in the surface of the said metal plate. Since these elements originally have a low coefficient of thermal expansion, microdeformation at the tissue level constituting the metal plate is suppressed. That is, the ceramic circuit board of the present invention has a structure in which a metal plate is interposed between a ceramic substrate having a low coefficient of thermal expansion and a coating layer, and a structure level that constitutes the metal plate when a thermal load is applied due to a cooling cycle. Slight deformation is suppressed. As a result, the difference in the surface roughness (Rz) of the coating layer measured in accordance with JIS B0601-2001 before and after being subjected to the above-described thermal cycle test is 20 μm or less, and the semiconductor is bonded to the metal plate. Bonding reliability with the element is ensured. Furthermore, such a coating layer can be formed relatively easily by using a known film forming method such as plating, sputtering, chemical vapor deposition, ion plating, and the like. A coating layer can be formed on the ceramic circuit board at a low cost. In addition, the said coating layer may replace with at least 1 type from the group which consists of Mo, W, and Cr, and may be comprised with the 1st phase which has a metal as a main component, and the 2nd phase which has a ceramic as a main component.
さらに、半導体素子が接合されるセラミックス回路基板としては、実用上、半導体素子の作動時に発生する熱を外部に放熱する必要があり、セラミックス回路基板の熱抵抗を低減せめる必要がある。このため、本発明に係るセラミックス回路基板では、銅を主成分とする金属板の低い熱抵抗を阻害しないよう、上記のとおり被覆層の熱伝導率を90〜180W・m−1・K−1とし、さらに当該被覆層の平均厚みをt1、金属板の平均厚みをt2としたとき、t1/t2が0.005〜0.1の範囲としている。 Furthermore, as a ceramic circuit board to which a semiconductor element is bonded, it is practically necessary to dissipate heat generated during operation of the semiconductor element to the outside, and it is necessary to reduce the thermal resistance of the ceramic circuit board. For this reason, in the ceramic circuit board according to the present invention, the thermal conductivity of the coating layer is set to 90 to 180 W · m −1 · K −1 as described above so as not to inhibit the low thermal resistance of the metal plate mainly composed of copper. Furthermore, when the average thickness of the coating layer is t1 and the average thickness of the metal plate is t2, t1 / t2 is in the range of 0.005 to 0.1.
なお、上記態様のセラミックス回路基板において、−40〜250℃における前記被覆層の熱膨張率をα1、前記金属板の熱膨張率をα2としたとき、α1/α2の範囲は0.1〜0.7となる。この態様および下記する態様のセラミックス回路基板の作用・効果については、発明を実施するための形態の欄で詳細に説明する。 In the ceramic circuit board of the above aspect, when the thermal expansion coefficient of the coating layer at −40 to 250 ° C. is α1, and the thermal expansion coefficient of the metal plate is α2, the range of α1 / α2 is 0.1 to 0. .7. The operation and effect of this embodiment and the ceramic circuit board of the embodiment described below will be described in detail in the section of the embodiment for carrying out the invention.
加えて、前記金属板は、半導体素子が接合される接合部を有し、前記被覆層は、前記接合部の周囲に設けられていることが望ましい。 In addition, it is preferable that the metal plate has a joint portion to which a semiconductor element is joined, and the covering layer is provided around the joint portion.
本発明によれば、上記したように、回路基板に熱負荷が作用した場合でも、金属板を構成する組織レベルの微小変形が抑制され、金属板の表面に設けられた被覆層の表面の凹凸の増大が抑制される。その結果、熱負荷が作用した後においても、被覆層の表面粗さ(Rz)の増大が抑制され、もって半導体素子の接合信頼性が確保できるとともに、熱抵抗の低いセラミックス回路基板を低コストで提供することができる。 According to the present invention, as described above, even when a thermal load is applied to the circuit board, minute deformation at the tissue level constituting the metal plate is suppressed, and the surface irregularities of the coating layer provided on the surface of the metal plate are suppressed. Increase is suppressed. As a result, even after a thermal load is applied, an increase in the surface roughness (Rz) of the coating layer is suppressed, so that it is possible to ensure the bonding reliability of the semiconductor element and to reduce the cost of the ceramic circuit board having a low thermal resistance. Can be provided.
以下、本発明について、その第1実施形態およびその変形例、ならびに第2実施形態に基づき図面を参照しつつ具体的に説明する。なお、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の作用・効果を奏することのできる範囲で、適宜変形して実施することができる。また、第1実施形態および第2実施形態の各構成要素は、適宜組み合わせて実施することができる。 Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to the drawings based on the first embodiment, its modification, and the second embodiment. In addition, this invention is not limited to the said embodiment, In the range which can show | play the effect | action and effect of this invention, it can deform | transform suitably and can be implemented. Moreover, each component of 1st Embodiment and 2nd Embodiment can be implemented in combination as appropriate.
[第1実施形態]
本発明に係る第1実施形態のセラミックス回路基板(以下、回路基板と言う場合がある。)について、その側断面図である図2(a)を参照しつつ説明する。本態様の回路基板1は、窒化珪素焼結体からなるセラミックス基板(以下、窒化珪素基板と言う場合がある。)1aと、窒化珪素基板1aの上面(一面)にろう材層1bを介し接合された金属板である回路板1cと、下面(他面)にろう材層1dを介し接合された金属板である放熱板1eとを有している。なお、ろう材層1b・1dを構成するろう材としては、銅を主成分とする回路板1c・放熱板1eと窒化珪素基板1aとを接合する場合に常用される、例えばTi等の活性金属を含むAg−Cu系ろう材またはAg−Cu−In系ろう材を使用すればよい。
[First Embodiment]
The ceramic circuit board of the first embodiment according to the present invention (hereinafter sometimes referred to as a circuit board) will be described with reference to FIG. The
窒化珪素基板1aは、常用される製造方法で製造された、主相である窒化珪素粒子と焼結助剤を主成分とする粒界相を含む窒化珪素焼結体であり、そのJIS C0025−1988に準拠して測定した、−40〜250℃における熱膨張率は、2〜4×10−6/Kである。
The
回路板1c・放熱板1eとはいずれも銅を主成分とする厚みが0.1〜1.0mmの金属板であり、そのJIS Z2285に準拠して測定した−40〜250℃における熱膨張率は、16〜18×10−6/Kである。ここで、本態様の回路基板1では、回路板1c・放熱板1eは、ろう材層1b・1dを介し窒化珪素基板1aと接合しているが、直接接合法により窒化珪素基板1aと直接接合してもよい。また、放熱板1eは、本発明において必須の構成要素ではなく、回路基板1は、少なくとも回路板1cが設けられていればよい。さらに、回路板1cは、単一の金属板に限定されず、複数の金属板からなる回路パターンであってもよい。
The
上記回路板(金属板)1cの表面には被覆層1fが形成されている。本態様の被覆層1fは、常用される成膜法であるスパッタリング等で形成された、Mo(モリブデン)を主成分とする被覆層1fである。被覆層1fを構成する主成分は、W(タングステン)またはCr(クロム)であってもよい。また、熱負荷が作用した場合に生じる回路基板1の反りを低減するため、上記被覆層1fは、放熱板1eの表面に設けておいてもよい。ここで、「主成分」とは、当該元素を50%以上含むことを言う。そして、上記W、MoまたはCrからなる群のうち少なくとも一種を主成分として含む被覆層1fの−40〜250℃における熱膨張率をα1、回路板1cの熱膨張率をα2としたとき、α1/α2の範囲は0.1〜0.7となる。ここで、α1/α2が0.1未満の場合には、熱負荷が作用した場合に、被覆層1fと回路板1cとの接合界面、または回路板1cと窒化珪素基板1aとの接合界面に過大な応力が生じ、被覆層1fまたは回路板1cが剥離する場合がある。一方で、α1/α2が0.7を超える場合には、本発明の作用・効果を発揮することができない。
A
さらに、本態様の回路基板1では、その熱抵抗を考慮し、被覆層1fの熱伝導率は、90〜180W・m−1・K−1としている。加えて、被覆層1fの平均厚みをt1、回路板1cの平均厚みをt2としたとき、t1/t2は0.005〜0.1の範囲としている。すなわち、上記のように回路板1cの平均厚みが0.1〜1.0mmである場合には、被覆層1fの平均厚みは0.5〜100μmとする。ここで、t1/t2が0.005未満の場合には、本発明の作用・効果を発揮することができない。一方で、上記のように90〜180W・m−1・K−1の熱伝導率を有する被覆層1fであっても、t1/t2が0.1を超える場合には、回路基板1の熱抵抗が高くなる。なお、回路板1cおよび被覆層1fの平均厚みの定義は、実験例の項で説明する。
Furthermore, in the
上記した被覆層1fの熱伝導率および熱膨張率の測定方法は、実験例の項で詳細に説明する。
The method for measuring the thermal conductivity and the thermal expansion coefficient of the
上記構成の回路基板1を利用し半導体装置を形成する場合には、図2(b)に示すように、金属板1cに被覆された被覆層1fの表面に形成された半田層9aを介し半導体素子9bを接合する。なお、図2(b)中、符号9cは半田層9aと回路板1cとの接合界面である。ここで、W、MoまたはCrを主成分とする被覆層1fは、その表面に厚い酸化膜が生成され易く、接合工程において溶融した半田の濡れ性が低い。そのため、当該被覆層1fの表面に直接半田層を形成する場合には、例えば半導体素子の接合工程の前に酸化膜を除去する工程を設けたり、当該接合工程を還元雰囲気下で行うとよい。
In the case of forming a semiconductor device using the
そして、本態様の回路基板1によれば、−40℃での冷却を5分、250℃での加熱を5分とする昇温/降温サイクルを1サイクルとし、これを300回繰り返してセラミックス回路基板に付与する冷熱サイクル試験に回路基板1を付した前後における、JIS B0601−2001に準拠して測定した被覆層1fの表面粗さ(Rz)の差が、20μm以下となる。そのため、冷熱サイクルに起因した熱負荷が回路基板1に作用した場合でも、図2(b)に示す接合界面9cにおいてクラックが生じ難く、回路板1cに接合された半導体素子9bとの接合信頼性が確保される。
And according to the
[第1変形例]
第1態様の回路基板1の第1変形例に係る回路基板2について、その側断面図である図3を参照しつつ説明する。なお、図3において、上記第1態様の回路基板1と同一の構成要素については、同一符号を付しており、詳細な説明を省略する(第1態様の回路基板の第2変形例および第2態様の回路基板についても同様)。
[First Modification]
A
第1変形例の回路基板2は、図3に示すように、Wを主成分とする被覆層(以下、第1変形例の説明において第1被覆層と言う。)1fの表面に、例えばメッキ法で形成されたNiを主成分とする第2被覆層2gが積層した状態で被覆されている点で、第1態様の回路基板1と相違している。なお、第2被覆層2gはNiに限定されず、硬度・耐腐食性その他最表面に求められる特性を考慮し、例えばPb、Sn、Auを主成分とする第2被覆層2gとしてもよい。かかる第2被覆層2gは溶融した半田との濡れ性が高いので、半導体素子との接合性を高めることができる。
As shown in FIG. 3, the
[第2変形例]
第1態様の回路基板1の第2変形例に係る回路基板3について、その側断面図である図4(a)、図4(a)の平面図である図4(b)を参照しつつ説明する。なお、図4(a)・(b)は、いずれも半導体素子9bが搭載された状態を示している。第2変形例の回路基板3の回路板1cは、図4(a)・(b)に示すように、平面方向においてその表面の中央部に半導体素子9bが接合される接合部3hを有し、当該接合部3hの周囲に被覆層3fが形成されている点で、第1態様の回路基板1と相違している。なお、被覆層3fは、図4(b)に実線で示すように、接合部3hの周囲に形成されていればよいが、破線で示すように接合部3hを包囲するように略環状に形成しておくことが好ましい。また、ろう材層1bを介し回路板1cに半導体素子9bを接合してもよいが、回路板1cの表面に例えばNi等を主成分とする被覆層を形成しておき、ろう材層を介し被覆層に半導体素子9bを接合してもよい。かかる第2変形例の回路基板3によれば、接合部3hを設けることにより半導体素子9bと回路板1cとの接合性を確保できる。加えて、接合部3hの周囲に設けた被覆層3fにより、熱負荷が作用した場合でも、回路板1cを構成する組織レベルの微小変形が抑制され、その結果、半導体素子の接続信頼性を阻害する、回路板1cの表面の凹凸の形成が低減される。
[Second Modification]
The
[第2実施形態]
本発明の第2実施形態に係る回路基板4について、その側断面図である図5(a)、図5(a)を上方から見た平面図である図5(b)、図5(a)のA部拡大図である図5(C)を参照しつつ説明する。図5に示すように、第2態様の回路基板4は、第1態様のWを主成分とする被覆層1fに替え、金属を主成分とする第1相4iと、セラミックスを主成分とする第2相4jとで構成された被覆層4fを有する点で、第1態様の回路基板1と相違している。以下、第2態様の被覆層4fについて詳細に説明する。
[Second Embodiment]
5 (a), which is a side sectional view of the
本態様の被覆層4fは、図5に示すように、回路板1cの上面に規則的なパターンで配置された直径がCの略円板形状の第2相4jと、平面方向において複数の第2相4jの周囲を埋めるように配置された第1相4iとを有している。ここで、金属を主成分とする第1相4iは、被覆層4fにおいて所望の熱伝導率を確保するために配置され、セラミックスを主成分とする第2相4jは所望の熱膨張率を得るために配置される要素である。したがって、第2相4jの形状は上記に限定されず、その平面視は略矩形状、略三角形状、略楕円形状その他各種の形状とすることができ、被覆層4fの面積に対する面積比は40〜80%であることが好ましい。さらに、第2相4jは規則的なパターンで配置しなくてもよいが、回路板1cを構成する組織レベルの熱負荷による微小変形の均一化のためには、例えば平面方向において中心間距離Pが等しくなるよう規則的に配置することが望ましい。
As shown in FIG. 5, the
第1相4iを構成する金属としては、各種の金属を使用することができる。例えば、被覆層1fの低熱膨張性を重視する場合には、W、Mo、Crからなる群のうちから少なくとも一種の金属で第1相4iを構成すればよい。また、半導体素子との接合時における溶融半田との濡れ性を重視する場合には、Ni、Pb、SnおよびAuからなる群のうちから少なくとも一種の金属で第1相4iを構成すればよい。さらに、被覆層4fの高熱伝導性を重視する場合には、例えばCu、Al等の熱伝導率の高い金属で第1相4iを構成すればよい。
Various metals can be used as the metal constituting the
また、第2相4jを構成するセラミックスとしては、例えばアルミナ、ジルコニアその他酸化物系セラミックス、炭化珪素、炭化硼素その他炭化物系セラミックス、窒化珪素、サイアロン、窒化アルミニウム、窒化硼素その他窒化物系セラミックスなど各種のセラミックスを使用することができる。
Examples of the ceramic constituting the
この第2態様の被覆層4fは、常用される成膜法を利用して形成することができる。すなわち、まず、窒化珪素基板1aの上面にろう材層1bを介して接合された回路板1cの上面に、第2相4jの形状・配置に対応したマスクキングを行い、その後スパッタリングにより所定の厚みの第2相4jを形成する。次いで、NiやPb等で第1相4iを形成する場合には、第2相4jが形成された回路板1cの表面に、そのままメッキ法で第1相4iを形成すればよい。また、W、Mo等で第1相4iを形成する場合には、回路板1cの表面に形成された第2相4jを覆うようにマスキングを行い、スパッタリングにより第1相4iを形成すればよい。
The
上記のように構成された被覆層4fを有する第2態様の回路基板1でも、第1相4iおおよび第2相4jの構成を調整することにより、被覆層4fの熱伝導率は、90〜180W・m−1・K−1となる。さらに、被覆層4fの厚みをt1、回路板1cの厚みをt2としたとき、t1/t2は0.005〜0.1の範囲である。このように、被覆層4fの第1相4iおよび第2相4jの構成を調整することにより、上記冷熱サイクル試験に付した前後の、JIS B0601−2001に準拠して測定した前記被覆層の表面粗さ(Rz)の差が、20μm以下となる。その結果、冷熱サイクルに起因した熱負荷が作用した場合でも、回路板1cに接合された半導体素子の接続信頼性が確保される。
Even in the
[実験例]
以下、本発明について、その実験例1〜16に基づき具体的に説明するが、本発明は、当該実験例に限定されない。
[Experimental example]
Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely based on the experiment examples 1-16, this invention is not limited to the said experiment example.
表1に示す熱膨張率を有する窒化珪素基板ならびに回路板および放熱板を準備した。なお、窒化珪素基板の熱伝導率は80W・m−1・K−1、曲げ強度は700MPa、破壊靱性値は6.5MPa1/2のものを使用した。また、回路板および放熱板としては、JIS H3100 C1020Hで規定される熱伝導率が400W・m−1・K−1の無酸素銅を使用した。 A silicon nitride substrate having a thermal expansion coefficient shown in Table 1, a circuit board, and a heat sink were prepared. The silicon nitride substrate used had a thermal conductivity of 80 W · m −1 · K −1 , a bending strength of 700 MPa, and a fracture toughness value of 6.5 MPa ½ . Further, as the circuit board and the heat sink, oxygen-free copper having a thermal conductivity of 400 W · m −1 · K −1 stipulated by JIS H3100 C1020H was used.
各実験例ともに、窒化珪素基板の平面方向の寸法L1・L2(図2参照)は、各々37×47mmとし、その厚みt3は0.32mmとした。また、回路板および放熱板の平面方向の寸法L3・L4は、いずれも35×45mmとした。表1に示す、回路板および放熱板の平均厚みt2は、任意の10点の厚みをマイクロメータで測定した値の平均値である。なお、いずれの実験例でも、回路板および放熱板は、平面方向において窒化珪素基板の中央部に配置した。 In each experimental example, the planar dimensions L1 and L2 (see FIG. 2) of the silicon nitride substrate were each 37 × 47 mm, and the thickness t3 was 0.32 mm. Further, the dimensions L3 and L4 in the planar direction of the circuit board and the heat radiating plate were both 35 × 45 mm. The average thickness t2 of the circuit board and the heat radiating plate shown in Table 1 is an average value of values obtained by measuring thicknesses of arbitrary 10 points with a micrometer. In any experimental example, the circuit board and the heat radiating plate were arranged in the center of the silicon nitride substrate in the planar direction.
各実験例ともに、窒化珪素基板の両面の回路板および放熱板の接合される領域に、45μmの厚みとなるようスクリーン印刷でろう材ペーストで塗布した。なお、ろう材ペーストの組成は、Ag:70質量%、In:3質量%、残部Cu及び不可避不純物からなる50%累積粒子径(d50)20μmの合金粉末と、前記合金粉末100質量部に対し、50%累積粒子径(d50)10μmのAg粉末粒子を10質量部、50%累積粒子径(d50)が15μmの水素化チタン粉末を、1質量部を有するろう材粉末に対し、バインダーを5質量%、溶剤を10質量%添加し、混練したろう材ペーストである。 In each experimental example, a solder paste was applied by screen printing to a region where the circuit board and the heat radiating plate on both sides of the silicon nitride substrate were bonded to each other to a thickness of 45 μm. The composition of the brazing material paste is as follows: Ag: 70% by mass, In: 3% by mass, 50% cumulative particle diameter (d50) 20 μm composed of the balance Cu and inevitable impurities, and 100 parts by mass of the alloy powder. 10 parts by weight of Ag powder particles having a 50% cumulative particle diameter (d50) of 10 μm, and 5 parts of binder for 5 parts of titanium hydride powder having a 50% cumulative particle diameter (d50) of 15 μm. It is a brazing material paste added with 10% by mass and 10% by mass of a solvent.
上記ろう材ペーストが印刷された窒化珪素基板に回路板および放熱板を載置し、接合炉に収納し、加熱・冷却し、窒化珪素基板と回路板・放熱板を接合した。なお、接合炉は、380℃の温度で12時間保持し、10℃/分の昇温速度で昇温し、炉内圧力が1Pa以下となるよう制御しつつ580℃の温度で10時間保持し、10℃/分の昇温速度で昇温し、炉内圧力が5×10−3Pa以下となるよう制御しつつ835℃の温度で1時間保持し、その後、冷却速度3℃/分にて冷却するよう制御した。 The circuit board and the heat radiating plate were placed on the silicon nitride substrate on which the brazing paste was printed, housed in a joining furnace, heated and cooled, and the silicon nitride substrate and the circuit board / heat radiating plate were joined. The bonding furnace is held at a temperature of 380 ° C. for 12 hours, heated at a rate of temperature increase of 10 ° C./min, and maintained at a temperature of 580 ° C. for 10 hours while controlling the pressure in the furnace to be 1 Pa or less. The temperature is raised at a rate of 10 ° C./min, and the pressure inside the furnace is controlled to be 5 × 10 −3 Pa or less, and maintained at a temperature of 835 ° C. for 1 hour, and then the cooling rate is 3 ° C./min And controlled to cool.
窒化珪素基板の表面に接合された回路板・放熱板の表面を例えば化学研磨等により処理して、表面の異物等を除去した後、各実験例ごとに表1に示す組成および厚みの被覆層を有する回路基板を形成した。なお、表1において実施形態の欄には、上記説明した図2・4・5の回路基板のいずれに該当するかを示している。実験例14の回路基板は、その回路板の表面に被覆層を設けなかった。 After the surface of the circuit board / heat sink bonded to the surface of the silicon nitride substrate is treated by, for example, chemical polishing to remove foreign matters on the surface, the coating layer having the composition and thickness shown in Table 1 for each experimental example A circuit board having was formed. In Table 1, the column of the embodiment indicates which of the above-described circuit boards of FIGS. The circuit board of Experimental Example 14 did not have a coating layer on the surface of the circuit board.
ここで、実験例1〜11および実験例15・16の被覆層は、図2を参照して説明した第1態様の被覆層1fであり、回路板の表面の全てに設けた。そして、実験例1〜6、実験例8〜12および実験例15のWまたはMoからなる被覆層1fはスパッタリングで形成し、実験例7のCrおよび実験例16のニッケルリンからなる被覆層1fはメッキで形成した。また、実験例12の被覆層は、図4を参照して説明した第1態様の第2変形例の被覆層3fであり、Wを主体とする被覆層3fを回路板1cの接合部3hの周囲に設けた。そして、実験例12では、図4に示す被覆層3fの平面方向の寸法は、L7が35mm、L8が33mm、L9が2mm、L10が5mm、L11が31mmとした。
Here, the coating layers of Experimental Examples 1 to 11 and Experimental Examples 15 and 16 are the
実験例13の被覆層は、図5を参照して説明した第2態様の被覆層4fであり、回路板の表面の全てに設けた。この第1相4iおよび第2相4jを有する被覆層4fは、次のように形成した。すなわち、図5に示すように、回路板1cの表面積に対する第2相4jの面積率が50%となるよう、平面方向において中心間距離Pが0.5mmで配置された直径Cが0.4mmの第2相4jに対応する開口部が形成されたステンレス製のマスクを回路板1cの表面に載置し、次いでスパッタリングでAlNからなる第2相4jを形成した。第2相4iが形成された回路板1cの表面をPd処理し、その後無電解Auメッキを行うことにより、第2相4jの周囲を埋めるようにAuを主体とした第1相4iを形成した。なお、各実験例ともに形成された被覆層(実験例14は回路板)のJIS B0601−2001に準拠して測定した表面粗さの値は、いずれも8〜15μmの範囲であった。
The coating layer of Experimental Example 13 was the
表1に示す被覆層の平均厚みt1ならびにその熱伝導率および熱膨張率α1は、次のようにして求めた。まず、被覆層の平均厚みt1は、各実験例毎に、上記説明した条件と同一の条件で試験片を作成し、当該試験片の任意の断面について光学顕微鏡で観察し、当該断面の任意の10ヶ所の被覆層の厚みを求め、得られた値の平均値を被覆層の平均厚みとした。 The average thickness t1 of the coating layer shown in Table 1 and its thermal conductivity and thermal expansion coefficient α1 were determined as follows. First, the average thickness t1 of the coating layer is prepared for each experimental example under the same conditions as described above, and an arbitrary cross section of the test piece is observed with an optical microscope. The thicknesses of the 10 coating layers were determined, and the average value obtained was taken as the average thickness of the coating layer.
被覆層の熱伝導率は、厚さが0.2mm、幅3mm、長さが30mmのガラス基板の表面に被覆層を形成した試験片を作成し、当該試験片をスキャニングレーザー加熱法により測定することにより求めた。また、被覆層の熱膨張率は、上記試験片の被覆層に歪ゲージを設置し、−40℃〜250℃の範囲で温度を変化させつつ求めた歪値より算出した。 The thermal conductivity of the coating layer is measured by preparing a test piece in which a coating layer is formed on the surface of a glass substrate having a thickness of 0.2 mm, a width of 3 mm, and a length of 30 mm, and scanning the heating test piece. Was determined by Moreover, the thermal expansion coefficient of the coating layer was calculated from the strain value obtained by installing a strain gauge on the coating layer of the test piece and changing the temperature in the range of −40 ° C. to 250 ° C.
各実験例で作成された回路基板の厚み方向の熱伝導率を、レーザフラッシュ法で確認した。その結果を表2に示す。 The thermal conductivity in the thickness direction of the circuit board prepared in each experimental example was confirmed by a laser flash method. The results are shown in Table 2.
各実験例で作成された回路基板を、−40℃での冷却を5分、250℃での加熱を5分とする昇温/降温サイクルを1サイクルとし、これを300回繰り返して付与する冷熱サイクル試験に付した。冷熱サイクル試験前および試験後における、JIS B0601−2991に準拠して測定した前記被覆層の表面粗さ(Rz)の差の値を表2に示す。なお、被覆層を形成しなかった実験例14の数値は、回路板の表面粗さである。 Cooling heat applied to the circuit board prepared in each experimental example by repeating it 300 times, with a temperature rising / falling cycle of cooling at −40 ° C. for 5 minutes and heating at 250 ° C. for 5 minutes as one cycle. It was subjected to a cycle test. Table 2 shows values of the difference in surface roughness (Rz) of the coating layer measured in accordance with JIS B0601-2991 before and after the thermal cycle test. In addition, the numerical value of the experiment example 14 which did not form a coating layer is the surface roughness of a circuit board.
次いで、各実験例で作成された回路基板であって、上記冷熱サイクル試験に付さない回路基板の平面方向において被覆層の中央部に、200μmの厚みの半田層を介し、半導体装置に擬したシリコン片を水素雰囲気下で接合した。使用した半田は、Ag:5質量%、Cu:0.5質量%、残部Snおよび不純物からなる半田である。また、半導体装置に擬したシリコン片の熱膨張率は2.8×10−6/Kであり、その平面方向の寸法L5・L6(図2参照)は、各々25×25mm、厚みt4は0.3mmとした。なお、被覆層を形成しなかった実験例14では、回路板1cの表面に半田層を介しシリコン片を接合した。
Next, a circuit board produced in each experimental example, which was simulated in a semiconductor device through a solder layer having a thickness of 200 μm at the center of the coating layer in the plane direction of the circuit board not subjected to the above-described thermal cycle test. Silicon pieces were joined in a hydrogen atmosphere. The used solder is a solder composed of Ag: 5% by mass, Cu: 0.5% by mass, the remainder Sn and impurities. Moreover, the thermal expansion coefficient of the silicon piece mimicking the semiconductor device is 2.8 × 10 −6 / K, the plane direction dimensions L5 and L6 (see FIG. 2) are each 25 × 25 mm, and the thickness t4 is 0. 3 mm. In Experimental Example 14 in which the coating layer was not formed, a silicon piece was bonded to the surface of the
上記シリコン片が接合された回路基板に、−40℃での冷却を5分、250℃での加熱を5分とする昇温/降温サイクルを1サイクルとし、これを300回繰り返して付与する冷熱サイクル試験に付した。冷熱サイクル試験に付した各実験例の回路基板を溶媒中に浸漬し、超音波探傷装置(日立建機製、Mi−scope、周波数:50MHz)で、半田層と被覆層(実験例14では半田層と回路板)との接合界面に発生した剥離の有無を確認した。その結果を表2に示す。 Cooling heat applied to the circuit board to which the above silicon pieces are bonded by repeating the heating / cooling cycle of -40 ° C. for 5 minutes and heating at 250 ° C. for 5 minutes as one cycle. It was subjected to a cycle test. The circuit board of each experimental example subjected to the thermal cycle test was immersed in a solvent, and an ultrasonic flaw detector (manufactured by Hitachi Construction Machinery, Mi-scope, frequency: 50 MHz) was used to solder and cover layers (in the experimental example 14, the solder layer). The presence or absence of delamination that occurred at the bonding interface between the circuit board and the circuit board was confirmed. The results are shown in Table 2.
実験例1〜16によれば、以下のことが確認された。本発明の範囲である実験例1〜13の回路基板は、冷熱サイクル試験前後の被覆層の表面粗さの差が20μm以下となり、その結果、半導体装置に擬したシリコン片を接合している半田層と被覆層との接合界面の剥離は発生しなかった。また、回路基板の熱伝導率も200W・m−1・K−1以上となり、回路基板の熱抵抗も適正な範囲であった。 According to Experimental Examples 1 to 16, the following was confirmed. In the circuit boards of Experimental Examples 1 to 13, which are within the scope of the present invention, the difference in the surface roughness of the coating layer before and after the thermal cycle test is 20 μm or less, and as a result, the solder joining the simulated silicon piece to the semiconductor device Separation of the bonding interface between the layer and the coating layer did not occur. Further, the thermal conductivity of the circuit board was 200 W · m −1 · K −1 or more, and the thermal resistance of the circuit board was in an appropriate range.
一方で、回路板の表面に被覆層を形成しなかった実験例13の回路基板では、熱抵抗は低いものの、冷熱サイクル試験前後の被覆層の表面粗さの差が35μmとなり、その結果、半田層と被覆層との接合界面の剥離が生じた。また、被覆層の厚い実験例14の回路基板では、冷熱サイクル試験前後の被覆層の表面粗さの差は9μmであり、半田層と被覆層との接合界面の剥離は生じなかったものの、熱抵抗が大きかった。さらに、熱膨張率が大きいニッケルリンで形成した被覆膜を有する実験例16の回路基板では、冷熱サイクル試験前後の被覆層の表面粗さの差が25μmとなり、その結果、半田層と被覆層との接合界面の剥離が生じた。さらに、この実験例16の被覆膜は熱伝導率も低いため、熱抵抗も大きかった。 On the other hand, in the circuit board of Experimental Example 13 in which the coating layer was not formed on the surface of the circuit board, although the thermal resistance was low, the difference in the surface roughness of the coating layer before and after the thermal cycle test was 35 μm. Separation of the bonding interface between the layer and the coating layer occurred. Further, in the circuit board of Experimental Example 14 having a thick coating layer, the difference in the surface roughness of the coating layer before and after the thermal cycle test was 9 μm, and peeling of the bonding interface between the solder layer and the coating layer did not occur. The resistance was great. Furthermore, in the circuit board of Experimental Example 16 having the coating film formed of nickel phosphorus having a high coefficient of thermal expansion, the difference in surface roughness of the coating layer before and after the thermal cycle test was 25 μm, and as a result, the solder layer and the coating layer Separation of the bonding interface with. Furthermore, since the coating film of Experimental Example 16 had a low thermal conductivity, the thermal resistance was also large.
1(2〜4、10) セラミックス回路基板
1a(10a) 窒化珪素基板
1b(10b) ろう材層
1c(10c) 回路板(金属板)
1d(10d) ろう材層
1e(10e) 放熱板(金属板)
1f(3f、4f) 被覆層
4i 第1相
4j 第2相
9a(11a) 半田層
9b(11b) 半導体装置
9c 接合界面
1 (2-4, 10)
1d (10d)
1f (3f, 4f)
Claims (4)
JIS Z2285準拠して測定した、−40〜250℃における前記セラミックス基板の熱膨張率が、2〜4×10−6/Kであり、前記被覆層を除いた前記金属板の熱膨張率が、16〜18×10−6/Kであり、
前記被覆層は、Mo、W、Crからなる群のうち少なくとも一種を主体とし、
室温における前記被覆層の熱伝導率は、90〜180W・m−1・K−1であり、
前記被覆層の平均厚みをt1、前記金属板の平均厚みをt2としたとき、t1/t2が0.005〜0.1の範囲であるセラミックス回路基板。 A ceramic circuit board having a ceramic substrate made of a silicon nitride sintered body, a metal plate mainly composed of copper bonded to the ceramic substrate, and a coating layer provided on the surface of the metal plate,
The thermal expansion coefficient of the ceramic substrate at −40 to 250 ° C. measured in accordance with JIS Z2285 is 2 to 4 × 10 −6 / K, and the thermal expansion coefficient of the metal plate excluding the coating layer is 16-18 × 10 −6 / K,
The coating layer is mainly composed of at least one of the group consisting of Mo, W, and Cr,
The thermal conductivity of the coating layer at room temperature is 90 to 180 W · m −1 · K −1 ,
A ceramic circuit board in which t1 / t2 is in the range of 0.005 to 0.1, where t1 is an average thickness of the coating layer and t2 is an average thickness of the metal plate.
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