JP2016169111A - セラミックス回路基板 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた耐熱サイクル性を有するセラッミクス回路基板を提供する。【解決手段】セラミックス基板の一方の面に銅回路、他方の面に銅放熱板がチタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブから選択される少なくとも一種の活性金属と錫とを含有するＡｇ−Ｃｕろう材を介して接合されてなるセラミックス回路基板であって、真空度１×１０−３Ｐａ以下、接合温度７８０℃〜８５０℃、保持時間１０〜６０分で接合し、ろう材中のＡｇ成分の銅板への拡散距離が１０μｍ〜８０μｍであるとともに銅回路側と銅放熱板側の拡散距離の差が１０μｍ未満であり、熱サイクル試験後の水平クラック発生率が１％未満と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、優れた耐熱サイクル性を有するセラミックス回路基板に関する。

エレベーター、車両、ハイブリッドカー等といったパワーモジュール用途には、アルミナ、ベリリア、窒化ケイ素、窒化アルミニウム等のセラミックス基板の表面に、金属回路板をろう材で接合し、更に金属回路板の所定の位置に半導体素子を搭載したセラミックス回路基板が用いられる。

近年では、半導体素子の高出力化、高集積化に伴い、半導体素子からの発熱量は増加の一途をたどっている。この発熱を効率よく放散させるため、高絶縁性、高熱伝導性を有する窒化アルミニウム焼結体や窒化ケイ素焼結体のセラミックス基板が使用されている。

しかし、セラミックス基板と金属板は熱膨張率が大きく異なるため、繰り返しの冷熱サイクルの負荷によりセラミックス基板と金属板の接合界面に熱膨張率差に起因する熱応力が発生する。特に、接合部付近のセラミックス基板側に圧縮と引張りの残留応力が作用することで、セラミックス基板にクラックが発生し、接合不良又は熱抵抗不良を招き、電子機器としての動作信頼性が低下してしまう等の問題を有する。

そこで、特許文献１には、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブから選択される少なくとも一種の活性金属をろう材に添加し、加熱処理により金属板をセラミックス基板に接合する方法（活性金属法）が記載されている。

活性金属法は、４Ａ族元素や５Ａ族元素のような活性金属を含むろう材層を介してセラミックス基板上に金属板を接合する方法である。一般的には、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材を窒化ケイ素基板の両主面にスクリーン印刷し、この印刷面上に金属回路板および金属放熱板を配置し、適当な温度で加熱処理することでセラミックス基板と金属板とを接合する。

この方法により、セラミックス基板とろう材の濡れ性が良好で、接合不良が発生しにくくなる。またこのようにして得られたセラミックス回路基板は、活性金属であるＴｉと窒化物系セラミックス基板のＮとが共有接合してＴｉＮ（窒化チタン）となり、このＴｉＮにより接合層を形成するため、ある程度の高い接合強度を得ることができる。

特願２００８−５２３６９０ 特願平１０−２０１８５９

特許文献１に記載の接合方法に従ってＡｇ−Ｃｕろう材を用い、セラミックス基板と金属板とを活性金属法により接合すると、ろう材層とセラミックス部材および金属部材との濡れ性が良好に改善し、セラミックス基板と金属板の接合強度が上がる。その一方でＡｇ−Ｃｕろう材を用いて接合する場合、金属板中にＡｇなどのろう材成分が拡散することにより金属板が固くなり、耐熱サイクル性が低下する問題が生じている。

この対策として特願平１０−２０１８５９にはセラミックス回路基板の表裏の接合層のＡｇ拡散距離に一定の差をつけることで耐熱サイクル性を改善する提案がなされているが、表裏の接合層のＡｇ拡散距離に差をつけるためには、そのろう材の材料設計も異なるものを用いる必要があり、工業的に実施するにはコストがかかるといった問題点があった。

本発明は、上記課題に鑑み、銅回路と銅放熱板の接合ろう材に同じ材料を用いても優れた耐熱サイクル性を有するセラッミクス回路基板を得ることを目的とする。

本発明者は、上記の目的を達成するために鋭意検討した結果、金属板へのろう材成分の拡散距離を制限することで、回路基板の熱サイクル特性が向上できるとの知見を得たものである。

即ち、本発明は、セラミックス基板の一方の面に銅回路、他方の面に銅放熱板がチタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブから選択される少なくとも一種の活性金属と錫とを含有するＡｇ−Ｃｕろう材を介して接合されてなるセラミックス回路基板であって、真空度１×１０^−３Ｐａ以下、接合温度７８０℃〜８５０℃、保持時間１０〜６０分で接合し、ろう材中のＡｇ成分の銅板への拡散距離が１０μｍ〜８０μｍであり、且つ銅回路側と銅放熱板側の拡散距離の差が１０μｍ未満であることを特徴とするセラミックス回路基板。

本発明では、セラミックス基板を接合温度７８０℃〜８５０℃、保持時間１０〜６０分で銅板と接合し、接合した銅板中にＡｇ成分を適切に拡散させることにより、銅板とセラミックス基板の熱膨張率差に起因する熱応力の発生を緩和させ、セラミックス基板へのクラックの発生や銅板の剥離を有効に抑制することが可能となる。

本発明のセラミックス回路基板に使用されるセラミックス基板としては、特に限定されるものではなく、窒化ケイ素、窒化アルミニウム等の窒化物系セラミックス、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム等の酸化物系セラミックス、炭化ケイ素等の炭化物系セラミックス、ほう化ランタン等のほう化物系セラミックス等で使用できる。但し、金属板を活性金属法でセラミックス基板に接合するため、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等の非酸化物系セラミックスが好適である。

本発明のセラミックス基板の厚みは特に限定されないが、０．１〜３．０ｍｍ程度のものが一般的であり、特に、回路基板全体の熱抵抗低減を考慮すると、２．０ｍｍ以下が好ましく、より好ましくは１．２ ｍｍ以下である。

本発明の金属板に使用する金属は、銅、アルミニウム、鉄、ニッケル、クロム、銀、モリブテン、コバルトの単体又はその合金等、活性金属法を適用できる金属であれば特に限定は無いが、特に導電性、放熱性の観点から銅が好ましい。

本発明の銅板の純度は、９０％以上であることが好ましい。純度が９０％より低い場合、セラミックス基板と銅板を接合する際、銅板とろう材の反応が不十分となり、銅板が硬くなり回路基板の信頼性が低下する場合がある。

本発明のろう材は、ろう材層中にチタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブから選択される少なくとも一種の活性金属を含有する銀−銅系ろう材で構成される。銀−銅系ろう材の組成比は、共晶組成を生成し易い組成比に設定することが好ましく、特に回路銅板および放熱銅板からの銅の溶け込みを考慮した組成（銀粉末と銅粉末の合計１００質量部において、銀粉末が７５〜９８質量部、銅粉末が２〜２５質量部）が好適である。銀粉末の量が７５〜９８質量部以外の場合、ろう材の融解温度が上昇するため、接合時の熱膨張率差に由来する熱ストレスが増加し、耐熱サイクル性が低下し易い。

本発明のろう材層中に含有する活性金属の量は、銀粉末と銅粉末の合計１００質量部に対して、０．５〜１０質量部が好ましい。活性金属の含有量が０．５質量部未満の場合は、セラミックス基板とろう材の濡れ性が良好でなく、接合不良が発生し易い。一方、活性金属の含有量が１０質量部を超えると、接合界面に形成される脆弱な活性金属の窒化物層が過剰となり、耐熱サイクル性が低下する。なお、活性金属はチタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブの金属から選択できるが、これらの中でもチタンが好適である。

本発明のろう材層には接合時のろう材の溶融温度を調整する為に錫を０．１〜２０質量部添加することが好ましい。０．１質量部未満ではその効果がなく、２０質量部を超えると溶融温度が低くなり過ぎ、接合時にろう材が流れ出すなどの不具合が生じてしまう。

本発明のろう材の厚みは、乾燥基準で５〜４０μｍが好ましい。ろう材厚みが５μｍ未満では未反応の部分が生じる場合があり、一方、４０μｍ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、基板表面に均一に塗布できるスクリーン印刷法、ロールコーター法等の公知の塗布方法を採用することができる。

本発明のＡｇ成分の銅板への拡散距離は、１０〜８０μｍであり、且つ銅回路側と銅放熱板側の拡散距離の差が１０μｍ未満であることが好ましく、更に好ましくは拡散距離が１０〜６０μｍである。Ａｇ成分の拡散距離が１０μｍより短い場合、銅板とセラミックス基板との接合が不十分となる。一方、８０μｍより長い場合、銅板の硬度が増加するため熱サイクル試験の際にクラックの発生をし易い傾向に進行し、銅板の剥離が発生する可能性が高くなるためである。また、銅回路側と銅放熱板側の拡散距離の差が１０μｍ以上であると回路形成時のエッチング速度に差が生じやすくなり、回路パターンの精度が悪化してしまう可能性がある。

セラミックス基板と金属板の接合は、真空度１×１０^−３Ｐａ以下、７８０℃〜８５０℃の温度且つ１０〜６０分の時間で接合することが好ましい。接合温度がこれより低くかったり、保持時間を短くした場合、Ｔｉ化合物の生成が十分にできないために部分的に接合できない場合があるためであり、逆に高温であったり保持時間が長すぎる場合には、接合時の熱膨張率差に由来する熱ストレスも増加するため、耐熱サイクル性が低下し易い。

回路基板に回路パターンを形成するため、金属板にエッチングレジストを塗布してエッチングする。エッチングレジストに関して特に制限は無く、例えば、一般に使用されている紫外線硬化型や熱硬化型のものが使用できる。エッチングレジストの塗布方法に関しては特に制限はなく、例えばスクリーン印刷法等の公知の塗布方法が採用できる。

エッチング液に関しても特に制限はなく、一般に使用されている塩化第二鉄溶液や塩化第二銅溶液、硫酸、過酸化水素水等が使用できるが、好ましいものとして、塩化第二鉄溶液や塩化第二銅溶液が挙げられる。セラミックス基板として窒化物を用いる場合には、エッチングによって不要な金属部分を除去したセラミックス回路基板には、塗布したろう材、その合金層、窒化物層等が残っており、ハロゲン化アンモニウム水溶液、硫酸、硝酸等の無機酸、過酸化水素水を含む溶液を用いて、それらを除去するのが一般である。回路形成後エッチングレジストの剥離を行うが、剥離方法は特に限定されずアルカリ水溶液に浸漬させる方法などが一般的である。

［実施例１］
厚み０．３２ｍｍの窒化ケイ素からなるセラミックス基板に、銀粉末（福田金属箔粉工業（株）製：ＡｇＣ−ＢＯ）９０質量部および銅粉末（福田金属箔粉工業（株）製：ＳＲＣ−Ｃｕ−２０）１０質量部の合計１００質量部に対して、チタン（（株）大阪チタニウムテクノロジーズ製：ＴＳＨ−３５０）を３．５質量部及び錫（三津和薬品化学：すず(粉末)<-325mesh>）を３質量部含む活性金属ろう材を塗布し、回路面に厚み０．３ｍｍ、裏面に０．３ｍｍの無酸素銅板を１．０×１０^−３Ｐａ以下の真空中にて８３０℃且つ６０分の条件で接合した。

接合した銅板に、スクリーン印刷によりＵＶ硬化型エッチングレジストを回路パターンに印刷し、ＵＶ硬化させた後、さらに放熱面形状を印刷しＵＶ硬化させた。これをエッチャントとして塩化第二銅水溶液にてエッチングをおこない、続いて６０℃のチオ硫酸アンモニウム水溶液とフッ化アンモニウム水溶液で随時処理し、回路パターンと放熱板パターンを形成し、ろう材の金属成分やろう材厚の異なった回路基板の中間体を種々製造した。

ろう材中Ａｇ成分の銅板への拡散距離および回路基板の耐ヒートサイクル評価は下記の方法にて評価した。
＜ろう材中Ａｇ成分の銅板への拡散距離＞
ろう材中Ａｇ成分の銅板への移動はＥＰＭＡ（電子プローブマイクロアナライザ）を用いて観察した。またその拡散距離は積層方向において、接合層と銅板との接合面からＡｇ成分が最も拡散した部分までの距離のことである。測定法は次の通りである。接合面付近の銅板断面から任意の３個所を選び、各個所について接合面に水平方向に５０μｍの範囲をＥＰＭＡで観察し、最もＡｇの移動距離が長かったものをろう材中Ａｇ成分の銅板への拡散距離とする。結果を表１に示す。

＜耐ヒートサイクル性の評価＞
作製したセラミックス回路基板を、−４０℃にて３０分、２５℃にて１０分、１５０℃にて３０分、２５℃にて１０分を１サイクルとする耐ヒートサイクル試験にて、２０００サイクル繰り返し試験を行った後、塩化銅液およびフッ化アンモニウム／過酸化水素エッチングで銅板およびろう材層を剥離し、セラミックス基板の表面の画像をスキャナーにより0.0002mm²/pixelの解像度で取り込み、画像解析ソフトＧＩＭＰ２（閾値１４０）にて二値化し算出した後、水平クラック面積／回路パターンの面積よりクラック率を算出した。結果を表１に示す。

［実施例２〜７、比較例１〜４］
表１に示す条件を変えたこと以外は、実施例１と同様に行った。

［比較例５］
放熱銅板の接合に使用するろう材の銀粉末と銅粉末の比率を８５質量部：１５質量部とした以外は実施例１と同様に行った。

表１に示す通り、真空度１×１０^−３Ｐａ以下、接合温度７８０℃〜８５０℃且つ保持時間１０〜６０分で接合した回路基板については、Ａｇ成分の銅板への拡散距離が１０〜８０μｍであり、かつ銅回路側と銅放熱板側の拡散距離の差が１０μｍ未満であり、熱サイクル試験後の水平クラック発生率が１％未満となることを確認した。更に接合温度が７８０℃〜８３０℃、保持時間１０〜６０分で接合された回路基板は、Ａｇ成分の銅板への拡散距離が１０〜６０μｍ範囲内であり、熱サイクル試験後の水平クラック発生率が０．５％未満となることが認められた。

一方、接合温度が７８０℃より小さい場合、または、接合時間が１０分より短い場合は、Ａｇ成分の銅板への拡散距離が１０μｍ未満となり、銅板とセラミックス基板との接合が不十分となることが確認された。また接合温度が８５０℃より高い場合、または、接合時間が６０分より長い場合は、Ａｇ成分の銅板への拡散距離が長くなる結果、銅板硬度が高くなり熱サイクル性が低下することを確認した。

また、比較例５については特性については問題なかったが、回路パターンの精度がその他の基板に対して悪化してしまった。

Claims (2)

1. セラミックス基板の一方の面に銅回路、他方の面に銅放熱板がチタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブから選択される少なくとも一種の活性金属と錫とを含有するＡｇ−Ｃｕろう材を介して接合されてなるセラミックス回路基板であって、ろう材中のＡｇ成分の銅板への拡散距離が１０μｍ〜８０μｍであり、且つ銅回路側と銅放熱板側の拡散距離の差が１０μｍ未満であることを特徴とするセラミックス回路基板。
2. セラミックス基板が窒化アルミニウムまたは窒化ケイ素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。