JP2014091673A - 窒化物系セラミックス回路基板 - Google Patents

Abstract

【課題】耐ヒートサイクル性に優れた高信頼性の基板（回路基板、放熱基板等）を提供すること。
【解決手段】窒化物系セラミックス基板とＣｕ部材とをろう材を介して接合した接合体において，ろう材中の含有量が、Ｃｕ２５質量％以下、Ｓｎ８〜４０質量％、Ｔｉ、Ｚｒから選ばれた少なくとも１種類の活性金属成分２〜６質量％、残部がＡｇであり、窒化物系セラミックス基板側の接合界面には活性金属窒化物層が形成されていることを特徴とするセラミックス回路基板。接合は窒化物系セラミックス基板とＣｕ部材とをろう材を介して積層し、１．０×１０^−３Ｐａ以下の真空中にて、６５０℃〜７８０℃の温度で接合され、窒化物系セラミックスが窒化アルミニウムからなることを特徴とするセラミックス回路基板。
【選択図】なし

Description

本発明は、窒化物系セラミックス基板とＣｕ部材の接合体を用いた窒化物系セラミックス回路基板に関する。

近年、ロボット・モーター等の産業機器の高性能化にともない、大電力・高効率インバーター等大電力モジュールの変遷が進み、半導体素子から発生する熱も増加の一途をたどっている。この熱を効率よく放散させるため、大電力モジュール基板では、良好な熱伝導を有する窒化アルミニウム又は窒化珪素を主体とするセラミック体とその表裏両面にＣｕ板を接合し、エッチングによって一方の面にＣｕ回路、他方の面に放熱Ｃｕ板を形成させた後、そのままあるいはメッキ等の処理を施して回路基板となし、そのＣｕ回路部分に半導体素子を実装するとともに、反対面をベースＣｕ板と半田付けしてからヒートシンクに取り付けて使用されている（特許文献１）。

従来、メタライズを施したセラミックス基板に金属材を接合する場合、ろう材として、Ａｇロウ（Ａｇ：Ｃｕ＝72質量％：28質量％）、金−シリコンロウ（金：シリコン＝94質量％：6質量％）、ハンダ（錫：鉛＝63質量：37質量％）、等が用いられている（特許文献２）。

特開２０００−５８７２３号公報 特開平６−３２６７０号公報

ＡｇとＣｕの共晶組成を示す混合物に活性金属を添加したろう材は窒化物系セラミックス基板とＣｕ板の接合に用いられている。ＡｇとＣｕの共晶組成における共晶点は約７８０℃である。ＡｇとＣｕの共晶組成に、Ｔｉ等の活性金属を添加する合金ろう材は融点がＡｇとＣｕの共晶温度よりも高く、接合温度を高めなければならない。接合温度を高めると接合時の金属とセラミックスの熱膨張差により発生する残留応力によって、基板の耐ヒートサイクル性を低下させる原因となる。この残留応力を軽減する為に、可能な限り低温で接合を行う必要がある。

本発明は、このような問題を解決するために、窒化物系セラミックス基板とＣｕ板を低温で接合し、耐ヒートサイクル性を向上させたセラミックス回路基板を提供するものである。

窒化物系セラミックス基板とＣｕ板とをろう材を介して接合した接合体において，ろう
材中の含有量が、Ｃｕ２５質量％以下、Ｓｎ８〜４０質量％、Ｔｉ、Ｚｒから選ばれた少なくとも１種類の活性金属成分２〜６質量％、残部としてＡｇであり、窒化物系セラミックス基板側の接合界面には活性金属窒化物層が形成されていることを特徴とするものである。

また、窒化物系セラミックス基板とＣｕ板を積層し、１．０×１０^−３Ｐａ以下の真空中にて、６５０℃〜７８０℃の温度で接合することで、窒化物系セラミックス基板が窒化アルミニウムからなる回路基板の耐ヒートサイクル性を向上させることが可能となる。

本発明によれば、Ａｇ-Ｃｕの共晶温度（７８０℃）以下の接合温度で、窒化物系セラミックス基板とＣｕ板を接合することが出来き、セラミックス回路基板の耐ヒートサイクル性を向上させることが出来る。

本発明で用いられる窒化物系セラミック基板は、窒化珪素基板、窒化アルミニウム基板のいずれを用いても良いが、効果が顕著に確認できる耐ヒートサイクル性の劣る窒化アルミニウム基板を使用する。また、その厚みは特に限定されないが、０．３〜３．０ｍｍのものが一般的である。

本発明のろう材は、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎ、活性金属を含むことが好ましい。本発明における活性金属とはＴｉ，Ｚｒから選ばれた少なくとも１種である。該活性金属を含むろう材を窒化物系セラミックスとＣｕ部材の間に介して接合した接合体においては、窒化物系セラミックス部材側の接合界面に該活性金属窒化物相が形成されている。前述のようにろう材成分として、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎ、活性金属を含んでいると接合後の活性金属窒化物層中にＡｇ、Ｃｕ、Ｓｎを含有させやすい。また、ろう材はペ−ストを塗布する形態で用いても良いし、各金属箔の積層体または合金箔であってもよいが、製造性の観点からペ−ストとして用いることが好ましい。また、接合前のろう材成分である、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎ、活性金属は、金属元素の単体であってもよいし、水素化物等の化合物の形態であっても良い。

活性金属を含むろう材ペ−ストにおいて、ペ−スト中のＣｕの含有量は２５質量％以下が好ましい。Ｃｕが２５質量％より多いと、Ｓｎと脆い合金層を形成し、接合強度を下げる原因となる。また、Ｓｎを含有量は８〜４０質量％が好ましい。Ｓｎを含有することで接合温度を低温化することが出来るが、含有量が８％未満であると、７８０℃以下ではろう材が溶けずの接合性が低下し、４０質量％を越えると、活性金属と窒化アルミニウムが反応する温度（６５０℃以上）に達する前にろう材が流れ出し接合が出来ない。また、Ｔｉ、Ｚｒから選ばれた少なくとも１種類の活性金属の含有量が２〜６質量％が好ましい。該活性金属の含有量が１質量％以下では活性金属窒化物層が十分できないことから接合性が低下し、６質量％を超えると活性金属窒化物層が厚くなりすぎることから耐ヒートサイクル特性が低下する。

本件における活性金属窒化物層の形成の確認はセラミックス回路基板の断面を研磨し、走査型電子顕微鏡（日本電子ＪＳＭ−６３８０）にて倍率５０００倍で観察することが出来る。

ろう材の塗布量は、乾燥基準で５〜２０ｍｇ／ｃｍ^２ が好ましい。塗布量が５ｍｇ／ｃｍ^２ 未満では未反応の部分が生じる場合があり、一方、２０ｍｇ／ｃｍ^２ を超えると、接合層を除去する時間が長くなり生産性が低下する場合がある。塗布方法は特に限定されず、スクリーン印刷法、ロールコーター法等の公知の塗布方法を採用できる。

Ｃｕ板の厚みは特に限定されないが、一般に０．１〜０．４ｍｍのものが用いられることが多い。金属板の純度は、９０％以上であることが好ましい。純度が９０％より低いと、セラミックス基板と金属板を接合する際、金属板とろう材の反応が不十分となったり、金属板が硬くなりセラミック回路基板の耐ヒートサイクル性が低下する場合がある。

窒化アルミニウム基板とＣｕ板の接合は、１．０×１０^−３Ｐａ以下の真空中にて６５０℃〜７８０℃の温度１０〜２０分の時間で接合することが好ましい。真空度が１．０×１０^−３Ｐａをこえると活性金属と窒化アルミニウムの反応が阻害され、接合性が低下する。また、接合温度が６５０℃より低くなると、窒化アルミニウムと活性金属の反応が起こらず接合性が低下する。また、接合温度が７８０℃より高くなると耐ヒートサイクル性が低下する場合がある。接合時間が１０分より短くなると、窒化アルミニウム基板とろう材の接合性が低下する場合がある。接合時間が２０分より長くなると、耐ヒートサイクル性が低下する場合がある。

以下、実施例と比較例とをあげて、本発明を詳細に説明する。
〔実施例１〜７および比較例１〜４〕
セラミックス基板として、５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム基板（熱伝導率１８０Ｗ／ｍＫ、３点曲げ強度５００ＭＰa）を用いた。

前記窒化アルミニウム基板の表面に、厚さ０．３ｍｍのＣｕ板、裏面に０．２５ｍｍのＣｕ板（いずれも無酸素銅板）を、表１に示したろう材組成１００質量部にテルピネオール２５質量部を配合し、ポリイソブチルメタアクリレートのテルピネオール溶液を加えて混練し、ペースト状にしたろう材を介して重ね、そして、１．０×１０^−３Ｐａ以下の真空中にて、接合時間は２０分で接合を行った。各々の接合条件を表１に示す。

接合した回路基板を超音波探傷装置（日立エンジニアリングＦＳ３００−３）にて測定後、回路の面積に占める接合ボイドの面積を計算し、その値が１％以下のものを○、１％を越えるものを×として接合性の評価を実施した。その結果を表１に示す。

接合後、Ｃｕ板表面の所望部分にエッチングレジストをスクリーン印刷して、塩化銅溶液にてエッチング処理し回路パターンを形成した。次いで、レジストを剥離した後、回路基板とした。得られた回路基板について、以下に示すように耐ヒートサイクル性の評価を行った。その結果を表１に示す。

耐ヒートサイクル性評価； 回路基板をホットプレー上に乗せ３５０℃×５分→室温×５分→ドライアイス中へ投入し−７８℃×５分→室温×５分を１サイクルとするヒートサイクルを５回実施した。その後、目視による回路板の剥離や窒化アルミニウム基板におけるクラック発生の有無を観察した。

表１に示す結果より、窒化アルミニウム基板とＣｕ板を６５０℃〜７８０℃で接合する、ろう材組成が決定される。そして、表１からわかるように、本発明の規定範囲内である配合量、接合温度（実施例１〜７）では、良好な耐ヒートサイクル性が得られた。

これに対し、本発明の規定範囲外である比較例１〜４では、接合性が悪く、比較例５、６では耐ヒートサイクル性が低く実用に耐えないものであった。

本発明は、６５０℃〜７８０℃でセラミックスと金属とを接合することができる。本発明は、窒化アルミニウム基板に適用でき、電子部品用基板の製造、電子部品に応用することができる。

Claims (3)

1. 窒化物系セラミックス基板とＣｕ部材とをろう材を介して接合した接合体において，ろう
   材中の含有量が、Ｃｕ２５質量％以下、Ｓｎ８〜４０質量％、Ｔｉ、Ｚｒから選ばれた少なくとも１種類の活性金属成分２〜６質量％、残部としてＡｇであり、窒化物系セラミックス基板側の接合界面には活性金属窒化物層が形成されていることを特徴とするセラミックス回路基板。
2. 窒化物系セラミックス基板が窒化アルミニウムからなることを特徴とする請求項１記載のセラミックス回路基板。
3. 窒化物系セラミックス基板とＣｕ板を積層し、１．０×１０^−３Ｐａ以下の真空中にて、６５０℃〜７８０℃の温度で接合することを特徴とする請求項１または２記載のセラミックス回路基板の製造方法。