JP2736949B2 - 高強度窒化アルミニウム回路基板およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高強度ＡｌＮセラミッ
クス／金属複合体からなる回路基板およびその製造方法
に関し、さらに詳しくは、集積回路や半導体部品の実装
に好適な高熱伝導率および高強度を有する窒化アルミニ
ウム回路基板およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ハイブリッドＩＣや大電力パ
ワーモジュールなど熱が大量に発生する電子部品の実装
基板としては、導電回路を有するセラミック回路基板が
広く用いられており、特に近年では、高熱伝導率を有す
るＡｌＮセラミック回路基板の応用に注目が集められ、
良質なＡｌＮセラミック回路基板を製造するために、セ
ラミック基板の製造、導電回路の形成などに様々な工夫
がなされている。

【０００３】ＡｌＮにおいては、Ａｌ₂ Ｏ₃ がアルミニ
ウム空格子Ｖ_Alの形成に伴って、Ａｌ₂ Ｏ₃ ＝２Ａｌ＋
３Ｏ＋Ｖ_Alの形で存在することが知られている。また、
高温でＹ₂ Ｏ₃ がＡｌＮ中のＡｌ₂ Ｏ₃ と反応し、アル
ミニウムとイットリウムの複合酸化物の液体を形成して
焼結を促進し、焼成した基板にはＡｌＮセラミック結晶
粒の粒界にＡｌ₂ Ｙ₄ Ｏ₉ （ＹＡＭ）、ＡｌＹＯ₃ （Ｙ
ＡＬ）、Ａｌ₅ Ｙ₃ Ｏ₁₂（ＹＡＧ）のようなアルミニウ
ムとイットッリウムの複合酸化物が存在することが知ら
れている。

【０００４】そのため、ＡｌＮセラミック基板の製造に
おいては、緻密な基板を得るために、一般に数％のイッ
トリア（Ｙ₂ Ｏ₃ ）に代表される希土類酸化物、および
カルシアに代表されるアルカリ土類酸化物が焼結助剤と
して添加されている。例えば、現在市販されている高熱
伝導率を有するＡｌＮセラミック基板には、一般に２〜
８wt％程度のＹ₂ Ｏ₃ が添加されている。

【０００５】また、ＡｌＮセラミック基板を量産する場
合、数枚または数十枚の基板を重ねて一度に焼結が行わ
れるが、その際、基板と基板との間の接着を防止するた
め、分離剤として窒化ホウ素（ＢＮ）などが広く用いら
れてきた。

【０００６】一方、セラミック基板の表面への導電回路
の形成においては、基板の表面に導電性ペーストを印刷
し、高温での焼成によって導電回路を形成するメタライ
ズ法（特開平2-149485、特開平2-258686）、あらかじめ
空気中において、約1000℃の温度でＡｌＮセラミック基
板を処理し、基板の表面にアルミナを生成させた後、酸
素を含有する銅板を使用して不活性雰囲気中で加熱する
か、あるいは無酸素銅を使用して酸化性雰囲気中で加熱
することにより、界面でＣｕ₂ ＯとＣｕとの共晶溶液を
発生させ、表面にアルミナが形成されているＡｌＮセラ
ミック基板と銅板とを接合し、導電回路を形成する直接
接合法（特開平3-93687 ）、および基板表面にろう材を
回路形状に塗布し、このろう材の上に銅パーツを載置
し、これを加熱することによって基板と銅パーツとを接
合して導電回路を形成するろう接法などといった方法が
一般的に用いられてきた。なお、特に大電力回路基板の
製造時における導電回路の形成の場合には、主に直接接
合法やろう接法が用いられていた。

【０００７】また、ＡｌＮセラミック基板の表面には、
粒界構成相成分のしみだしによって形成された粒界構成
相成分の高い表面層が存在し、その表面には離型剤など
の不純物が残留して窒化アルミニウムと導電回路との接
合を阻害するため、メタライズ法で導電回路を形成する
ときには、ラッピングおよびホーニンングなどの方法で
粒界構成相成分を除去する必要があるといった発明が特
開平2-258686に開示されている。

【０００８】さらに、特開平2-149485には、ＡｌＮセラ
ミック基板の表面に析出した粒界構成相成分は接合表面
を粗くし、セラミック基板と導電体との接合強度を低下
させると共に、熱伝導性を損ねるため、液体溶媒による
表面の粒界構成相成分を除去する方法について開示され
ている。

【０００９】さらにまた、特開平3-93687 には、ＡｌＮ
セラミック基板の表面に析出した粒界構成相成分が酸化
処理の影響をほとんど受けずにＡｌＮセラミック基板の
表面に残留し、表面被覆層（直接接合法においては酸化
アルミニウム層）とセラミック基板との接着力低下を招
くため、酸性溶液を用いて化学的な表面処理を施して粒
界構成相成分を除去した後、表面被覆層を形成する方法
について開示されている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】大電力パワーモジュー
ル用セラミック回路基板においては、基板の上には半導
体や集積回路の他、粗大な電極も接続され、セラミック
回路基板に大きな力が加えられる。また、集積回路用基
板においては、導電回路パターンの微細化が促進されて
いる。そのため、近年では導電回路とセラミック基板と
の高強度接合が求められているにもかかわらず、上述従
来の直接接合法で回路基板を製造した場合、基板の導電
回路部分とセラミック基板との間のピール強度は10kg／
cm前後しか得ることができなかった。また、ろう接法で
回路基板を製造した場合、接合強度の平均値は高くなる
ものの、ばらつきが大きく、ピール強度が10kg／cm以下
になってしまうこともあった。

【００１１】そのため、このような低接合強度基板をパ
ワーモジュール用回路基板として使用した場合、導電回
路とセラミック基板との接合部において剥離が生じてや
すくなってしまうという問題点があった。

【００１２】そこで本発明は、上述従来の技術の問題点
を解決し、安定かつ十分な接合強度を有する高強度窒化
アルミニウム回路基板およびその製造方法を提供するこ
とを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために鋭意研究した結果、セラミック基板の抗折強
度、セラミック基板中の酸素とイットリウムとの重量
比、セラミック基板の表面粗さ、セラミック基板の表面
に残存する窒化ホウ素の量、および接合温度が接合強度
に強い影響を及ぼすことを見い出し、本発明を提供する
ことができた。

【００１４】すなわち、本発明は、抗折強度が30kg／mm
² 以上、含有酸素重量（Ｏwt）と含有イットリウム重量
（Ｙwt）との比（Ｏwt／Ｙwt）が0.71以上、表面粗さ
（Ｒａ）と平均結晶粒径（Ｄ）との比（Ｒａ／Ｄ）が11
×10^-2以下、および表面層に残存する窒化ホウ素のＸ線
回析強度（ＩＢＮ）と窒化アルミニウムのＸ線回析強度
（ＩＡｌＮ）との比（ＩＢＮ／ＩＡｌＮ）が 6×10^-2以
下である窒化アルミニウムを主成分とするセラミック基
板の少なくとも一方の主面に、Ｔｉ、ＺｒおよびＨｆか
らなる群より選ばれる少なくとも１種の元素の単体、ま
たはその水素化合物を含むろう材を介して導電回路が形
成されてなり、ピール強度が30kg／cm以上であることを
特徴とする高強度窒化アルミニウム回路基板；および窒
化アルミニウムを主成分とするセラミック基板の少なく
とも一方の主面に導電回路を有してなる窒化アルミニウ
ム回路基板の製造方法であって、抗折強度が30kg／mm²
以上、含有酸素重量（Ｏwt）と含有イットリウム重量
（Ｙwt）との比（Ｏwt／Ｙwt）が0.71以上、表面粗さ
（Ｒａ）と平均結晶粒径（Ｄ）との比（Ｒａ／Ｄ）が11
×10^-2以下、および表面層に残存する窒化ホウ素のＸ線
回析強度（ＩＢＮ）と窒化アルミニウムのＸ線回析強度
（ＩＡｌＮ）との比（ＩＢＮ／ＩＡｌＮ）が 6×10^-2以
下である窒化アルミニウムセラミック基板の少なくとも
一方の主面に、Ｔｉ、ＺｒおよびＨｆからなる群より選
ばれる少なくとも１種の元素の単体、またはその水素化
合物を含むろう材を介在させて導電回路を形成し、これ
を真空および不活性気体雰囲気中において加熱すること
により、導電回路を構成する金属とセラミック基板とを
接合することを特徴とする高強度窒化アルミニウム回路
基板の製造方法を提供するものである。

【００１５】

【作用】ろう接法で回路基板を作製する場合、ろう材の
組成、温度、時間、雰囲気などのろう接条件を制御する
と、健全な接合体が得られる。このようにろう接条件を
制御して作製した回路基板は、金属−ろう材間、および
ろう材−セラミックス間の接合強度がセラミックス自体
の強度より大きくなる。

【００１６】そのため、基板に機械的な応力を加えて金
属とセラミックとの剥離を試みたり、またはセラミック
スと金属との熱膨脹係数の違いを利用し、基板を繰り返
して加熱、冷却することによって、物理的に基板の界面
に応力を発生させ、金属とセラミックスとの剥離を試み
たりした場合、剥離はセラミック基板自体の破壊により
生じる。したがって、高接合強度を得るためには基板の
強度が大きい方がよいのである。

【００１７】また、本発明者等の研究によると、ＡｌＮ
セラミック基板の曲げ強度とピール強度との間には曲げ
強度が30kg／mm² までは相関関係が認められ、曲げ強度
の増加と共にピール強度が増加することが確認された。
そのため、ＡｌＮセラミック基板の曲げ強度としては30
kg／mm² 以上であることが必要である。

【００１８】曲げ強度が30kg／mm² を超えた場合の破壊
モードは、クラック進展の様子によって主に図３および
図４に示す２種類の態様に分けられる。すなわち、両主
面に銅パーツ２が形成されたＡｌＮセラミック基板１に
おいて、ピール強度の高いものはクラックがＡｌＮセラ
ミック基板１の内部へ深く侵入して剥離が起こり（図
３）、ピール強度の低いものは、ＡｌＮセラミック基板
１の表面層（表面から10μｍ程度）のところで剥離が起
こる（図４）。

【００１９】また、ＡｌＮセラミック基板中の平均結晶
粒径および粒度分布を一定にした場合、セラミック基板
の表面が粗いほど、ピール強度が小さく、表面層で剥離
するものが多い。これは表面が粗くなるほど基板表面の
結晶粒子と周囲および内部粒子との接触面積が小さくな
り、基板表面の結晶粒子が剥離しやすくなるためであ
る。

【００２０】また、図２に示すように、ろう材３は必ず
しもＡｌＮセラミック基板の表面に十分に濡れることが
できないため、セラミック基板の表面の凹部にろう材が
浸透できず凸部のところだけが金属導体と接合し、ろう
材３と基板との間に未接部７が生じてしまう。したがっ
て、十分な接合強度を得るためには基板表面を平滑にす
る必要があり、具体的にはＪＩＳ標準に準じて測定した
表面粗さＲａとセラミック基板の平均結晶粒径Ｄとの比
（Ｒａ／Ｄ）が、11×10^-2以下であることが好ましい。

【００２１】さらに、図２に示すように、ＡｌＮセラミ
ック基板を焼成するときに分離剤として使用する窒化ホ
ウ素６は、ＡｌＮセラミック基板の表面層のＡｌＮ結晶
粒５の粒界に残存することが多く、窒化ホウ素の残存量
が多いと、上記の表面粗さの条件を満足しても十分な接
合強度を得ることができない。

【００２２】これは、窒化アルミニウムと窒化ホウ素と
は反応性が乏しいため粒子同士の接合強度が低く、しか
も窒化ホウ素自体がへき開性の強い物質であり、窒化ホ
ウ素自体の強度が低いためである。したがって、高接合
強度を得るためには、基板表面の窒化ホウ素の残存量を
少なくした方がよく、具体的な窒化ホウ素の残存量とし
ては、理学電機製Ｘ線回析装置を用いて、ターゲットを
Ｃｕ、加速電圧および加速電流をそれぞれ50ｋＶおよび
30ｍＡにした条件でセラミック基板の表面を回析した場
合、窒化ホウ素の（ 002）面の回析強度ＩＢＮと窒化ア
ルミニウムの（100）、（ 002）、（ 101）面の平均回
析強度ＩＡｌＮとの比（ＩＢＮ／ＩＡｌＮ）が 6×10^-2
以下であることが必要である。

【００２３】なお、セラミック基板の表面粗さおよび窒
化ホウ素残留量は基板の作製工程の違いにより異なるも
のであって、もし焼結した時点で上述の条件が満たされ
ている場合には、さらに表面加工処理を行う必要はな
く、上述の条件を満たしていない場合に、ホーニング、
ラッピング、研削、化学薬品によるエッチングなど機械
または化学的な方法で表面処理を行えばよい。

【００２４】また、焼結助剤としてＹ₂ Ｏ₃ を使用した
場合、焼成した基板結晶粒界にはＡｌ₂ Ｙ₄ Ｏ₉ （ＹＡ
Ｍ）、ＡｌＹＯ₃ （ＹＡＬ）、Ａｌ₅ Ｙ₃ Ｏ₁₂（ＹＡ
Ｇ）のようなアルミニウムとイットリウムの複合酸化物
が存在するが、粒界にＹＡＧ相を有するＡｌＮセラミッ
ク基板の接合強度は、ＹＡＬおよびＹＡＭからなる粒界
相を有する基板よりも高ことが確認されている。すなわ
ち、ＡｌＮセラミック基板の粒界相はＡｌＮ原料粉末中
の酸素量、Ｙ₂ Ｏ₃ 添加量、焼結前の成形体中の残留炭
素量、雰囲気等によって変わるが、ＹＡＧ、ＹＡＬ、Ｙ
ＡＭ中の酸素とイットリウムの重量比Ｏ／Ｙはそれぞれ
0.71、0.54および0.41であるので、ＡｌＮセラミック基
板のＯ／Ｙが0.71以上であれば、粒界相ＹＡＧが形成で
きるのである。

【００２５】しかしながら、粒界相にＹＡＧを多く含む
場合、十分な熱伝導率が達成されないため、ＹＡＧの量
を適切にコントロールする必要がある。そこで本発明で
は、ＡｌＮセラミック基板中のＹＡＧ相の量として、Ｘ
線回析によるＹＡＧの（ 640）結晶面の回析強度と、Ａ
ｌＮの（ 100）結晶面の回析強度との比（ＩＹＡＧ／Ｉ
ＡｌＮ）を 0.001〜 0.030の範囲、好ましくは 0.005〜
0.025とした。このようにＩＹＡＧ／ＩＡｌＮを上記の
ような範囲とすることにより、ピール強度が30kg／cm以
上で、熱伝導率が 150Ｗ／ｍ・ｋ以上のＡｌＮセラミッ
ク基板を提供することが可能となる。

【００２６】また、接合温度が回路基板の品質に影響を
及ぼすことも確認されており、接合温度が低いと接合界
面での反応が不十分となり、高い接合強度が得られなく
なる。逆に接合温度が高いと、ろう材と金属導体とが激
しく反応するため、金属導体表面にろう材が回り込み、
色むらが生じてしまう。そのため、ろう材に適した接合
温度で接合する必要があり、例えばＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系
ろう材を使う場合には、 780〜 900℃の接合温度で１分
以上、好ましくは 790〜 850℃の接合温度で 5〜60分間
保持することにより、接合強度が高く、色むらのない回
路基板を製造することができる。

【００２７】なお、前述従来の技術で示した特開平2-25
8686、特開平2-149485および特開平3-93687 に開示され
ている発明によると、ＡｌＮセラミック基板の表面に析
出した粒界構成相成分は、メタライズ用のペースト、お
よび粒界で発生するＣｕ₂ Ｏ−Ｃｕ共晶液（直接接合法
の場合）と反応しにくいため、導電回路とセラミック基
板との接合強度に不良影響を与えてしまうとしている。

【００２８】しかしながら、熱伝導性が200W/m.K以上の
高い熱伝導率を有する高純度ＡｌＮセラミック基板に対
しては、表面に析出した粒界構成相成分の不良影響は特
に強いが、本発明のように熱伝導率が200W/m.K以下のよ
うな基板の場合、焼結体の表面にしみ出してくる粒界構
成相成分の量は少ないため、その影響は極めて小さいも
のである。また、ろう接法で導電回路を形成するときに
使う活性金属を含むろう材は、粒界構成相成分と反応で
きるため、表面に析出した粒界構成相成分は接合に不良
影響を与えないことが確認されている。

【００２９】以下、実施例により本発明をさらに詳細に
説明する。しかし本発明の範囲は以下の実施例により制
限されるものではない。

【００３０】

【実施例１〜５】表１に示すような分離剤窒化ホウ素
（ＢＮ）の使用方法、およびホーニング条件で、ＩＢＮ
／ＩＡｌＮが６×10^-2以下、かつＲａ／Ｄが11×10^-2以
下である５種類の基板を用意した。なお、これらの基板
は酸素とイットリウムとの重量比Ｏ／Ｙが1.29であり、
粒界相はＹＡＧからなるものである。

【００３１】

【表１】 まず、上記用意したＡｌＮセラミック基板１の両主面の
所定の位置に、チタン、銀および銅の混合粉末に各種添
加物を加えてペースト化したろう材３を印刷法によって
印刷し、印刷したペーストの上に銅パーツ２を置き、10
^-5torr真空中において、 810℃で20分間加熱して銅パー
ツとセラミック基板を接合し、図１に示すような回路基
板を製造した。

【００３２】次に、上記のようにして得たそれぞれの回
路基板のピール強度を測定し（ピール強度は、図１のピ
ール強度測定箇所４の部分において測定した）、その結
果を表１に示した。表１からも分かるように、ピール強
度はいずれの回路基板基板においても30kg／cm以上であ
った。

【００３３】

【実施例６〜１２】接合温度を 780〜 910℃の範囲内で
変えたこと以外は実施例２と同様にして回路基板の製
造、およびピール強度の測定を行い、その結果を表１お
よび表２に示した。

【００３４】

【表２】 表１および表２からも分かるように、ピール強度はいず
れの回路基板基板においても30kg／cm以上であった。

【００３５】

【実施例１３】酸素とイットリウムとの重量比（Ｏ／
Ｙ）が0.77であり、粒界相がＹＡＧとＹＡＬからなり、
表面のＩＢＮ／ＩＡｌＮが 0.7×10^-2以下、かつＲａ／
Ｄが 8.4×10^-2であるＡｌＮセラミック基板を使用した
こと以外は実施例１〜５と同様にして回路基板の製造、
およびピール強度の測定を行い、その結果を表２に併記
した。表２からも分かるように、ピール強度は40kg／cm
以上であった。

【００３６】

【比較例１〜２】酸素とイットリウムとの重量比（Ｏ／
Ｙ）が0.59と0.52であり、粒界相がＹＡＬとＹＡＭから
なるＡｌＮセラミック基板を使用したこと以外は実施例
１３と同様にして回路基板の製造、およびピール強度の
測定を行い、その結果を表２に併記した。表２からも分
かるように、ピール強度はいずれの回路基板基板におい
ても30kg／cmよりも小さかった。

【００３７】

【比較例３〜５】分離剤（ＢＮ）の使用法を液状塗布と
し、小さいホーニング圧力で製造したセラミック基板を
使用したこと以外は実施例１〜５と同様にして回路基板
の製造、およびピール強度の測定を行い、その結果を表
２に併記した。表２からも分かるようにピール強度はい
ずれの回路基板基板においても20kg／cm以下であった。

【００３８】これらの結果から、ＩＢＮ／ＩＡｌＮが 6
×10^-2以上、Ｒａ／Ｄが11×10^-2以上の場合は勿論のこ
と、ＩＢＮ／ＩＡｌＮおよびＲａ／Ｄのうちどちらか一
方が上記値である場合であっても、十分な接合強度を得
ることができなかった。

【００３９】

【発明の効果】上述のように、セラミック中の酸素とイ
ットリウムの重量比、セラミック基板の抗折強度、セラ
ミック基板の表面に残存する窒化ホウ素の量、表面粗さ
を制御することにより、ろう接法で高強度窒化アルミニ
ウム回路基板を製造することができるようになった。そ
のため、ピール強度が30kg／cm以上の高強度回路基板を
市場に提供することが可能となった。また、本発明は高
強度窒化アルミニウム回路基板の製造だけではなく、高
接合強度が要求されるＡｌＮセラミックスと金属との複
合体の製造においても広く応用され得るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の高強度窒化アルミニウム回路基板の一
例を示す斜視図である。

【図２】ＡｌＮセラミック基板の表面層の状態、および
ろう材とＡｌＮセラミック基板との接合界面を示す模式
断面図である。

【図３】ピール強度測定試料の破壊模式の一例を示す図
であって、破壊が生じたセラミック回路基板の断面図で
ある。

【図４】ピール強度測定試料の破壊模式の別の一例を示
す図であって、破壊が生じたセラミック回路基板の断面
図である。

【符号の説明】

１‥‥‥ＡｌＮセラミック基板 ２‥‥‥銅パーツ ３‥‥‥ろう材 ４‥‥‥ピール強度測定箇所 ５‥‥‥ＡｌＮ結晶粒 ６‥‥‥窒化ホウ素 ７‥‥‥未接部

フロントページの続き (72)発明者 名村 優 東京都千代田区丸の内１丁目８番２号 同和鉱業株式会社内 (72)発明者 木村 正美 東京都千代田区丸の内１丁目８番２号 同和鉱業株式会社内

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 抗折強度が30kg／mm² 以上、含有酸素重
   量（Ｏwt）と含有イットリウム重量（Ｙwt）との比（Ｏ
   wt／Ｙwt）が0.71以上、表面粗さ（Ｒａ）と平均結晶粒
   径（Ｄ）との比（Ｒａ／Ｄ）が11×10^-2以下、および表
   面層に残存する窒化ホウ素のＸ線回析強度（ＩＢＮ）と
   窒化アルミニウムのＸ線回析強度（ＩＡｌＮ）との比
   （ＩＢＮ／ＩＡｌＮ）が 6×10^-2以下である窒化アルミ
   ニウムを主成分とするセラミック基板の少なくとも一方
   の主面に、Ｔｉ、ＺｒおよびＨｆからなる群より選ばれ
   る少なくとも１種の元素の単体、またはその水素化合物
   を含むろう材を介して導電回路が形成されてなり、ピー
   ル強度が30kg／cm以上であることを特徴とする高強度窒
   化アルミニウム回路基板。
2. 【請求項２】 窒化アルミニウムを主成分とするセラミ
   ック基板の少なくとも一方の主面に導電回路を有してな
   る窒化アルミニウム回路基板の製造方法であって、抗折
   強度が30kg／mm² 以上、含有酸素重量（Ｏwt）と含有イ
   ットリウム重量（Ｙwt）との比（Ｏwt／Ｙwt）が0.71以
   上、表面粗さ（Ｒａ）と平均結晶粒径（Ｄ）との比（Ｒ
   ａ／Ｄ）が11×10^-2以下、および表面層に残存する窒化
   ホウ素のＸ線回析強度（ＩＢＮ）と窒化アルミニウムの
   Ｘ線回析強度（ＩＡｌＮ）との比（ＩＢＮ／ＩＡｌＮ）
   が 6×10^-2以下である窒化アルミニウムセラミック基板
   の少なくとも一方の主面に、Ｔｉ、ＺｒおよびＨｆから
   なる群より選ばれる少なくとも１種の元素の単体、また
   はその水素化合物を含むろう材を介在させて導電回路を
   形成し、これを真空および不活性気体雰囲気中において
   加熱することにより、導電回路を構成する金属とセラミ
   ック基板とを接合することを特徴とする高強度窒化アル
   ミニウム回路基板の製造方法。