JP2022056203A

JP2022056203A - 接合基板および接合方法

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Publication number: JP2022056203A
Application number: JP2020164088A
Authority: JP
Inventors: 拓也佐々木; Takuya Sasaki
Original assignee: Ferrotec Holdings Corp
Current assignee: Ferrotec Holdings Corp
Priority date: 2020-09-29
Filing date: 2020-09-29
Publication date: 2022-04-08
Anticipated expiration: 2040-09-29
Also published as: JP7107591B2

Abstract

【課題】セラミック基板への銅材の接合にあたって、銀を用いることなく充分な強度を実現するための技術を提供する。【解決手段】窒素（Ｎ）を含む材料からなるセラミック基板の表面に銅材が接合されてなる接合基板であって、チタン（Ｔｉ）を主成分とする第１層、前記銅材に含まれる銅（Ｃｕ）を主成分とする第２層、および、前記セラミック基板に含まれる一部の成分とチタン（Ｔｉ）との化合物からなる第３層が、前記セラミック基板から前記銅材に向けて前記第１層～前記第３層の順に積層されている。【選択図】図３

Description

本発明は、セラミック基板の表面に銅材が接合されてなる接合基板に関する。

セラミック基板の表面に銅材が接合されてなる接合基板では、銀を含む活性金属ろう材により接合されることが一般的である（特許文献１参照）。

特許第３２１１８５６号公報

ただ、銀を含む活性金属ろう材は、充分な強度で接合できる一方、銀を含むためにろう材としてのコストが高くなり、また、銀と周辺に存在する他の物質との化学反応に起因するマイグレーションを起こしやすいという課題がある。そのため、セラミック基板への銅材の接合にあたって、銀を用いることなく、充分な強度を実現できる別の接合方法が求められていた。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、セラミック基板への銅材の接合にあたって、銀を用いることなく充分な強度を実現するための技術を提供することである。

上記課題を解決するため第１局面は、窒素（Ｎ）を含む材料からなるセラミック基板の表面に銅材が接合されてなる接合基板であって、チタン（Ｔｉ）を主成分とする第１層、前記銅材に含まれる銅（Ｃｕ）を主成分とする第２層、および、前記セラミック基板に含まれる一部の成分とチタン（Ｔｉ）との化合物からなる第３層が、前記セラミック基板から前記銅材に向けて前記第１層～前記第３層の順に積層されている、接合基板である。

また、上記局面は、以下に示す第２局面のようにしてもよい。

第２局面において、前記第２層は、最大厚さが０．１μｍ以上で形成されている。

また、上記各局面は、以下に示す第３局面のようにしてもよい。

第３局面において、前記接合層は、前記第１層の厚さをｔ１、前記第２層の最大厚さをｔ２、前記第３層の厚さをｔ３とした場合に、前記第３層およびそれ以外の層との比（ｔ３／（ｔ１＋ｔ２））が７未満となるように形成されている。

また、上記各局面は、以下に示す第４局面のようにしてもよい。

第４局面において、前記接合層は、５Ｎ／ｍｍ以上で前記セラミック基板に接合されている。

また、上記各局面は、以下に示す第５局面のようにしてもよい。

第５局面において、前記セラミック基板は、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）からなる基板である。

この局面は、以下に示す第６局面のようにしてもよい。

第６局面において、前記第３層は、珪素（Ｓｉ）からなる成分とチタン（Ｔｉ）からなる成分との化合物が全体の５０重量％以上を占めている。

また、上記各局面は、以下に示す第７局面のようにしてもよい。

第７局面において、前記接合層は、ヤング率２００ＧＰａ以上の弾性率を有している。

これら局面の接合基板であれば、後述のように、銀を用いることなくセラミック基板の表面に銅材が充分な強度で接合されたものとすることができる。そのため、この接合基板では、銀に起因するコストの増加が抑えられ、銀と周辺に存在する他の物質との化学反応に起因するマイグレーションが起こることはない。

また、上記課題を解決するため第８局面は、窒素（Ｎ）を含む材料からなるセラミック基板の表面に銅材を接合する接合方法であって、前記セラミック基板と板状の前記銅材との間に、シート状のチタン材を挟んで加圧した状態で、８７５℃以上の温度環境下において焼成することにより、前記セラミック基板と前記銅材との間に形成された接合層として、チタン（Ｔｉ）を主成分とする第１層、前記銅材に含まれる銅（Ｃｕ）を主成分とする第２層、および、前記セラミック基板に含まれる一部の成分とチタン（Ｔｉ）との化合物からなる第３層が、前記セラミック基板から前記銅材に向けて前記第１層～前記第３層の順に積層されたものとする、接合方法である。

この局面は、以下に示す第９局面のようにしてもよい。

第９局面において、前記セラミック基板と板状の前記銅材との間に前記チタン材を挟んだ材料は、加圧した状態で、８７５℃以上の温度環境下において３時間以上焼成する。

また、第８、第９局面は、以下に示す第１０局面のようにしてもよい。

第１０局面において、前記チタン材は、１μｍ以上の厚さを有するものが用いられる。

この局面は、以下に示す第１１局面のようにしてもよい。

第１１局面において、前記チタン材は、３μｍ以上の厚さを有するものが用いられる。

これら第８～１１局面であれば、第１～７局面の接合基板を製造するのに好適である。

本発明における接合基板を示す斜視図本発明における接合基板を示す正面図本発明の接合基板においてその拡がる方向と交差する断面を電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察した断面図セラミック基板と銅材との間にチタン材が挟まれた構造体を示す正面図接合基板の製造に係る治具および炉を示す正面図

以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
（１）全体構成
接合基板１は、図１、図２に示すように、窒素（Ｎ）を含む材料からなるセラミック基板１００の表面に、銅材２００が接合されたものであって、セラミック基板１００と銅材２００との間に両者を接合する接合層３００が形成されている。本実施形態において、セラミック基板１００は、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を主成分としている。

この接合層３００は、図３に示すように、第１層１０、第２層２０および第３層３０の３つの層が、セラミック基板１００から銅材２００に向けて第１層１０～第３層３０の順に積層されたものである。

これら接合層３００のうち、第１層１０は、チタン（Ｔｉ）を主成分とする層である。本実施形態において、第１層１０は、チタン（Ｔｉ）またはセラミック基板１００に含まれる窒素（Ｎ）とチタン（Ｔｉ）との化合物からなる層であり、０．５～１．０μｍの範囲における特定の値を平均とする厚さで形成されている。

また、第２層２０は、銅材２００に含まれる銅（Ｃｕ）を主成分とする層である。本実施形態において、第２層２０は、０．１μｍ以上における特定の値を最大の厚さとする層として形成されている。

また、第３層３０は、セラミック基板１００に含まれる一部の成分とチタン（Ｔｉ）との化合物からなる層である。

また、本実施形態において、第３層３０は、セラミック基板１００における珪素（Ｓｉ）とチタン（Ｔｉ）との化合物からなり、この化合物の成分が第３層３０全体の成分のうちの５０重量％以上を占めている。そして、この第３層３０は、２～８μｍの範囲における特定の値を平均とする厚さで形成されている。

また、接合層３００は、第１層１０の平均厚さをｔ１、第２層２０の最大厚さをｔ２、第３層３０の平均厚さをｔ３とした場合に、第３層３０およびそれ以外の層との比（ｔ３／（ｔ１＋ｔ２））が７未満となるように形成されている。

また、接合層３００は、５Ｎ／ｍｍ以上でセラミック基板１００に接合されている。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態をとり得ることはいうまでもない。
（２）接合基板１の製造方法
上述した接合基板１は、窒素（Ｎ）を含む材料からなるセラミック基板１００の表面に銅材２００を接合することにより製造される。

具体的には、図４、図５に示すように、セラミック基板１００と板状の銅材２００との間にシート状のチタン材４００を挟んだ状態で、このように挟まれた構造体２を上下から治具５００で加圧した状態で炉６００内に設置して焼成する。こうして、セラミック基板１００の表面に銅材２００が接合された接合基板１が製造される。

ここで、セラミック基板１００は、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を主成分とし、０．２ｍｍ以上（本実施形態では０．２５ｍｍまたは０．３２ｍｍ）の厚さを有する基板である。また、銅材２００は、０．１ｍｍ以上（本実施形態では０．２ｍｍ）の厚さを有する基板である。また、チタン材４００は、３～１０μｍの範囲における特定の値を平均とする厚さで形成されている。

また、上述した構造体２の焼成は、８７５℃以上（より具体的には９００℃）の温度環境下で実施される。そして、焼成に要する時間は３時間以上（本実施形態では、３時間または６時間）である。

こうして製造された接合基板１は、セラミック基板１００と銅材２００との間に形成された接合層３００として、セラミック基板１００から銅材２００に向けて第１層１０～第３層３０が順に積層されたものとなる。
（３）接合基板１の評価
本願出願人は、同じ材料で接合条件を異ならせて製造した接合基板のサンプルを複数（本実施形態では７種類）作成し、そのうち、接合層３００が形成されているものについて、セラミック基板１００と銅材２００との接合強度を測定した。

まず、接合基板のサンプルとしては、焼成時間（３時間、６時間）、焼成温度（８００℃、９００℃）、チタン材４００の厚さ（３μｍ、５μｍ、１０μｍ）を異ならせた７種類を製造し、それぞれについてその断面（接合基板の拡がる方向と交差する断面）を電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察するとともに、接合層３００となる各層の厚さを計測したところ、所定の条件のもとで第１層１０～第３層３０の３層が形成されることが判明した。

ここでは、第１層１０および第３層３０は平均となる厚さを計測し、第２層２０は最大の厚さを計測した。なお、第２層２０については、上記断面に対して機械研磨およびイオンミリングを実施し、計測に適した領域を形成したうえで、厚さを計測している。

上記所定の条件とは、チタン（Ｔｉ）と銅（Ｃｕ）との共晶温度（８７５℃）以上の温度（今回の評価では９００℃）により、チタン材４００の厚さに応じた十分な時間だけ焼成を行う、というものである。つまり、チタン材４００が薄ければ短時間の焼成時間で足りる一方（具体的には３μｍまたは５μｍの場合は３時間以上）、チタン材４００が厚くなればその分だけ焼成時間を長くする必要がある（具体的には１０μｍの場合に６時間以上）。

こうして、接合層３００が形成された接合基板のサンプルにつき、それぞれのセラミック基板１００と銅材２００との接合強度を測定したところ、８．５Ｎ／ｍｍのものを含めいずれも５Ｎ／ｍｍ以上となっており、パワー半導体用回路基板などで要求される接合強度５Ｎ／ｍｍを満たしていることが確認された。

ここで、本発明および従前それぞれにおけるサンプルの接合強度は、９０度剥離試験（ピールテスト）によって測定している。なお、この試験では、いずれのサンプルについても、セラミック基板１００から銅材２００が剥離する前に、銅材２００と接合層３００との剥離が発生することはなく、銅材２００と接合層３００とがより強固に接合していることがわかる。

さらに、接合層３００が形成された接合基板については、各層における厚さが特定の関係となっていることも判明した。それは、第１層１０の厚さをｔ１、第２層２０の最大厚さをｔ２、第３層３０の厚さをｔ３とした場合に、第３層３０およびそれ以外の層との比（ｔ３／（ｔ１＋ｔ２））が７未満となるというものである。つまり、このような関係で各層が形成されている場合に、接合層３００が形成され、充分な接合強度が実現されるということがいえる。

なお、ここでは、接合層３００が形成された接合基板のサンプルにつき、それぞれにおける接合層３００の弾性率も測定しており、いずれもヤング率２００ＧＰａ以上となっていることが確認されている。この弾性率は、従前のような銀を含む活性金属ろう材で接合したサンプルの場合（１００ＧＰａ前後）よりも十分に大きい。また、この弾性率は、接合基板においてその板状に拡がる方向と交差する方向に切断した断面に対し、微小押し込み硬さ試験機（ナノインデンテーション試験装置；株式会社エリオニクス製ＥＮＴ－２１００）の圧子を所定の荷重で接合層３００に押し込んだことによる塑性変形の深さに基づいて測定した結果である。このようなヤング率の高さは、接合基板としての反り量を抑制するなどの効果を奏するものである。
（４）作用効果
上記実施形態の接合基板１であれば、上述したように、銀を用いることなくセラミック基板１００の表面に銅材２００が充分な強度で接合されたものとすることができる。そのため、この接合基板１では、銀に起因するコストの増加が抑えられ、銀と周辺に存在する他の物質との化学反応に起因するマイグレーションが起こることはない。

１…接合基板、２…構造体、１０…第１層、２０…第２層、３０…第３層、１００…セラミック基板、２００…銅材、３００…接合層、４００…チタン材、５００…治具、６００…炉。

Claims

窒素（Ｎ）を含む材料からなるセラミック基板の表面に銅材が接合されてなる接合基板であって、
前記セラミック基板と前記銅材との間に形成された接合層として、チタン（Ｔｉ）を主成分とする第１層、前記銅材に含まれる銅（Ｃｕ）を主成分とする第２層、および、前記セラミック基板に含まれる一部の成分とチタン（Ｔｉ）との化合物からなる第３層が、前記セラミック基板から前記銅材に向けて前記第１層～前記第３層の順に積層されている、
接合基板。
前記第２層は、最大厚さが０．１μｍ以上で形成されている、
請求項１に記載の接合基板。
前記接合層は、前記第１層の厚さをｔ１、前記第２層の最大厚さをｔ２、前記第３層の厚さをｔ３とした場合に、前記第３層およびそれ以外の層との比（ｔ３／（ｔ１＋ｔ３））が７未満となるように形成されている、
請求項１または請求項２に記載の接合基板。
前記接合層は、５Ｎ／ｍｍ以上で前記セラミック基板に接合されている、
請求項１から４のいずれか一項に記載の接合基板。
前記セラミック基板は、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）からなる基板である、
請求項１から４のいずれか一項に記載の接合基板。
前記第３層は、珪素（Ｓｉ）からなる成分とチタン（Ｔｉ）からなる成分との化合物が全体の５０重量％以上を占めている、
請求項５に記載の接合基板。
前記接合層は、ヤング率２００ＧＰａ以上の弾性率を有している、
請求項１から６のいずれか一項に記載の接合基板。
窒素（Ｎ）を含む材料からなるセラミック基板の表面に銅材を接合する接合方法であって、
前記セラミック基板と板状の前記銅材との間に、シート状のチタン材を挟んで加圧した状態で、８７５℃以上の温度環境下において焼成することにより、
前記セラミック基板と前記銅材との間に形成された接合層として、チタン（Ｔｉ）を主成分とする第１層、前記銅材に含まれる銅（Ｃｕ）を主成分とする第２層、および、前記セラミック基板に含まれる一部の成分とチタン（Ｔｉ）との化合物からなる第３層が、前記セラミック基板から前記銅材に向けて前記第１層～前記第３層の順に積層されたものとする、
接合方法。
前記セラミック基板と板状の前記銅材との間に前記チタン材を挟んだ材料は、加圧した状態で、８７５℃以上の温度環境下において３時間以上焼成する、
請求項８に記載の接合方法。
前記チタン材は、１μｍ以上の厚さを有するものが用いられる、
請求項８または請求項９に記載の接合方法。
前記チタン材は、３μｍ以上の厚さを有するものが用いられる、
請求項１０に記載の接合方法。