JP2867693B2 - 回路基板 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は回路基板に関し、特に活性金属を含む化合
物層を介して基板の上に銅部材が接合された回路基板に
関するものである。

［従来の技術］ 近年、半導体装置の高速動作化、高集積化等の大きな
変化が見られ、特にLSIなどでは集積度の向上が著しく
なっている。このため、半導体素子がその上に搭載され
る基板材料の放熱性が重要視されるようになってきた。

このようなIC基板用セラミックスとしては、従来から
アルミナ（Al₂O₃）が用いられてきた。しかし、従来の
アルミナ焼結体の熱伝導率は低いために放熱性が不十分
である。そのため、ICチップの発熱量の増大に十分対応
可能な基板用セラミックスとしてアルミナ焼結体を用い
ることは困難になってきている。

そこで、このようなアルミナ基板に代わるものとし
て、高い熱伝導率を有する窒化アルミニウムを用いた基
板あるいはヒートシンクなどが注目されており、その実
用化のために多数の研究がなされている。

この窒化アルミニウムは、本来、材質的に高い熱伝導
性、高い絶縁性を有し、同様に高い熱伝導率を有するベ
リリアと異なり毒性がないので、半導体装置用の絶縁材
料やパッケージ材料として有望視されている。しかしな
がら、このような特性を有する窒化アルミニウム焼結体
は金属またはガラス質等の材料との接合強度において問
題を有する。この窒化アルミニウム焼結体は、その表面
に金属化層を付与した状態で用いられることが一般的で
ある。この金属化層の形成は、窒化アルミニウム焼結体
の表面に直接、市販されているメタライズペーストを塗
布する厚膜法、あるいは活性金属または金属の薄膜を蒸
着などの手法を用いて形成する薄膜法等によって行なわ
れる。しかしながら、このような方法によって形成され
た金属化層は、窒化アルミニウム焼結体との間で実用に
十分耐え得る接合強度を得ることができない。そのた
め、実際には金属化前または金属化操作中に何らかの手
法を用いて窒化アルミニウム焼結体の表面を改質し、他
のたとえば、金属等との接合性を改善する必要がある。

このような窒化アルミニウム焼結体の表面を改質する
ための従来の方法としては、窒化アルミニウム焼結体の
表面に酸化処理等を施して酸化物層を形成する方法が知
られている。

たとえば窒化アルミニウム焼結体の表面にSiO₂、Al₂O
₃、ムライト、Fe₂O₃、CuO等の酸化物層を形成する方法
が提案されている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記の例示のような酸化物層はガラス
層、アルミナ層などに対しては良好な親和性を有し、強
固な結合を生ずるが、窒化アルミニウム焼結体自体とは
親和性が小さく、信頼性に問題があるものと考えられ
る。ここで、信頼性とは、酸化物層と窒化アルミニウム
焼結体との間の接合強度にばらつきが存在しないこと、
所定のヒートサイクル試験においても一定の接合強度が
維持され得ること等が挙げられる。

また、窒化アルミニウム基板上に銅板を直接張合わせ
る方法が、たとえば特開昭59−40404号公報において提
案されている。しかしながら、この方法に対しても、ヒ
ートサイクル試験等における信頼性、接合強度が低いこ
と等の問題が指摘されている。

そのため、窒化アルミニウム基板と銅部材との接合強
度を向上させるための方法が、特開昭60−32343号公
報、社団法人溶接学会の第24回マイクロ接合研究委員会
資料（電子部品および医用材料におけるセラミックスと
の金属の接合）において提案されている。この方法によ
れば、窒化アルミニウム基板と銅部材とがTi、Zrなどの
活性金属を含む金属層を介して接合される。ところが、
この方法を用いれば、窒化アルミニウム基板と銅部材と
が比較的安価に接合可能であるが、その接合の信頼性が
低いという問題がある。また、所定のヒートサイクル試
験においても一定の接合強度が維持されない等の問題が
ある。したがって、このように活性金属を含む金属層を
介して窒化アルミニウム基板と銅部材とを接合する場合
においても、信頼性の高い接合を得ることは困難であっ
た。

そこで、この発明の目的は、窒化アルミニウム基板と
銅部材とを活性金属を含む化合物層を介して接合する場
合において、高い接合強度と信頼性とを備えた回路基板
を提供することである。

［課題を解決するための手段］ この発明に従った回路基板は、基板と銅部材とを備え
る。基板は窒化アルミニウム焼結体からなる。銅部材
は、Ti、ZrおよびHfからなる群より選ばれた少なくとも
１種の金属元素を含む化合物層を介して基板の上に接合
されている。窒化アルミニウム焼結体は、Ti、Zr、Hf、
Ｖ、Nb、Ta、Cr、Mo、Ｗ、Mn、Fe、Co、Ni、NdおよびHo
からなる群より選ばれた少なくとも１種の金属元素およ
び／またはその化合物を金属元素換算で0.01重量％以上
1.0重量％以下含有する。

好ましくは、窒化アルミニウム焼結体は、150W/mK以
上の熱伝導率を有し、アルカリ土類元素および希土類元
素のうち少なくともいずれかの元素の化合物をその元素
換算で0.01重量％以上3.0重量％以下含む。

［作用］ 本願発明者らは窒化アルミニウム焼結体からなる基板
と銅部材とを高い信頼性で接合するために、窒化アルミ
ニウム焼結体の組成の検討を行なった。その結果、窒化
アルミニウム焼結体が上述の元素の群より選ばれた少な
くとも１種の金属元素および／またはその化合物を0.01
重量％以上1.0重量％以下含有している場合、Ti、Zr、H
fの少なくとも１種の金属元素を含む化合物層を介した
銅部材との接続において信頼性の高い接合が得られるこ
とを本願発明者らは見出した。

この発明において用いられる窒化アルミニウム焼結体
は高純度のAlNを主成分とし、上述の群より選ばれた１
種以上の金属元素および／またはその化合物を金属元素
換算で0.01〜1.0重量％含有する。この組成により、窒
化アルミニウム焼結体は紫外線〜遠赤外線にわたって光
の透過率が小さく、その直線透過率は10％以下である。
また、窒化アルミニウム焼結体の曲げ強度は30kg/mm²以
上である。好ましくは、窒化アルミニウム焼結体の空孔
率が２％以下で熱伝導率は100W/mK以上である。さらに
好ましくは、窒化アルミニウム焼結体は焼結助剤として
アルカリ土類元素および希土類元素のうち少なくともい
ずれかの元素の化合物をその元素換算で0.01〜3.0重量
％含み、熱伝導率が150W/mK以上である。

窒化アルミニウム焼結体に含まれる上述の金属元素は
窒化アルミニウム焼結体に遮光性を付与するとともに、
曲げ強度の向上に寄与し、銅部材との接合の信頼性を高
めているものと考えられる。特に、Ti、Zr、Hfの少なく
とも１種の金属元素を含む化合物層を介して窒化アルミ
ニウム焼結体と銅部材とを接合する場合に上述の効果が
大きい。窒化アルミニウム焼結体に含まれる上述の金属
元素の量が0.01重量％未満では、銅部材との接合の信頼
性を向上させる効果が不十分である。その金属元素の含
有量が1.0重量％を超えると、窒化アルミニウム焼結体
の熱伝導率の低下が著しくなる。また、本発明の回路基
板には主として大電力のパワートランジスタが搭載され
るため、絶縁の信頼性が必要であるが、その金属元素の
含有量が1.0重量％を越えるとその信頼性が著しく低下
する。

この発明の回路基板において、窒化アルミニウム焼結
体からなる基板に接合される銅部材は、銅または銅合
金、銅複合材が用いられる。たとえば無酸素銅、タフピ
ッチ銅、Cu−Sn合金、Cu−Ｗ複合材、Cu−Mo複合材、Cu
−インバ複合材等が挙げられる。この中で特に好ましい
のは無酸素銅である。また、銅部材は板状、箔状の形態
で用いられる。窒化アルミニウム焼結体からなる基板に
予め回路パターンが形成された後、銅部材が接合されて
もよい。あるいは、銅部材が窒化アルミニウム焼結体か
らなる基板に接合された後基板の上に回路パターンが形
成されてもよい。さらに、窒化アルミニウム焼結体から
なる基板の表面を金属化し、その表面上に回路パターン
を形成せず、他の材料との接合界面にその金属化された
表面を用いてもよい。

窒化アルミニウム焼結体からなる基板と銅部材との接
合においてはTi、Zr、Hfの活性金属を含む化合物層が介
在層として用いられる。この金属層は活性金属単独、ま
たは活性金属とAg、Cu等との複合化された金属層であっ
てもよい。特に、Cu−Ag合金の共晶組成に１〜５重量％
のTiを添加した組成を有する金属層を用いる場合、信頼
性の高い接合が得られる。

窒化アルミニウム焼結体からなる基板と銅部材との接
合箇所として、基板の表面と裏面とに等量の接合箇所を
設けるのが好ましい。銅部材と基板とが接合された後、
150℃と−55℃との間のヒートサイクル試験が50サイク
ル以上行なわれても、接合部にクラックが発生しないこ
とが必要である。この発明によればこの要求を満たすこ
とができるのは、この発明の窒化アルミニウム焼結体の
曲げ強度が30kg/mm²以上であり、従来の窒化アルミニウ
ム焼結体に比べてその破壊靭性値が高くなっていること
に起因すると考えられる。

［実施例］ 実施例１ 高純度の窒化アルミニウム粉末（酸素含有量1.2重量
％、炭素含有量0.05重量％、平均粒径1.0μｍ）に第１
表に示される化合物を配合し、PVBを10重量％添加し、
トルエン系溶剤を用いて十分混合した。この混合粉末を
用いて、厚み0.8mmのシートを成形した。得られたシー
トは、温度800℃の窒素気流中において脱バインダ処理
された後、温度1850℃の窒素気流中において３時間、焼
結処理が施された。得られた窒化アルミニウム焼結体の
元素組成（分析値）は第１表に示されている。窒化アル
ミニウム焼結体には5mm角の部分に69.9Ag−27.2Cu−2.9
Ti（重量％）の組成の活性金属ペーストが塗布された。
乾燥処理が施された後、厚み0.2mmの幅5mm、長さ20mmの
無酸素銅等からなる銅部材がその5mm角の部分に配置さ
れた。その後、温度850℃で３分間真空中で加熱するこ
とにより、銅部材と窒化アルミニウム焼結体とが接合さ
れた。得られた接合体の銅部材を基板に対して90゜の角
度をなす方向に引上げることによりピール強度（引き剥
し強度）が測定された。このピール強度の測定結果は第
１表に示されている。なお、絶縁強度は試料No.5が5kV/
mmでそれ以外がいずれも20kV/mmであった。また、窒化
アルミニウム焼結体の熱伝導率、曲げ強度、可視光の透
過率、150℃〜−55℃のヒートサイクル試験の結果も第
１表に示されている。なお、測定方法は以下のとおりで
ある。

窒化アルミニウム焼結体の組成分析：誘導結合プラズ
マ発光分析 ピール強度の測定：ピール強度の測定方法は第１図に
示されている。窒化アルミニウム焼結体基板１の上に活
性金属を含む金属層２が形成されている。この金属層２
の上には銅部材３が接合されている。図において、Ｌは
5mm、Ｈは15mm、ｔは0.2mmである。銅部材３の接合面積
は5mm×5mmである。ピール強度の測定は、銅部材３を矢
印で示される方向に引張り、銅部材３が引き剥されると
きの荷重を測定することによって行なわれた。

曲げ強度：幅4mm、厚み0.635mm、長さ25mmの窒化アル
ミニウム焼結体の試片を20mmのスパンで曲げることによ
り、曲げ強度が測定された。

熱伝導率：レーザフラッシュ法 可視光の透過率：光分光強度計により直線透過率を測
定することにより可視光の透過率が測定された。

ヒートサイクル試験：温度150℃、−55℃の気相雰囲
気中にそれぞれ30分間保持し、途中室温において３分間
保持することにより、150℃と−55℃の間を50サイクル
往復させた後、銅部材を硝酸を用いて除去して、接合部
におけるクラックの発生の有無を調べた。

第１表中、＊印の付けられた試料は比較例を示す。

実施例２ 実施例１の試料No.3で得られた窒化アルミニウム焼結
体に以下の第２表に示される組成の活性金属を用いて、
銅部材を実施例１と同様の条件で温度800〜930℃の真空
中、アルゴンガス中等で接合した。得られた接合体のピ
ール強度、ヒートサイクル試験の結果は第２表に示され
ている。なお、第２表中、接合金属として用いられる無
酸素銅の厚みは0.2mmであり、Cu/Mo/Cuのクラッド材の
厚みは0.3mmであった。

［発明の効果］ 以上のように、この発明によれば、窒化アルミニウム
焼結体からなる基板と銅部材との間で信頼性の高い接合
が得られる。したがって、高い熱伝導率を有する回路基
板を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、窒化アルミニウム焼結体基板の上に活性金属
層を介して接合された銅部材のピール強度の測定方法を
示す側面図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 23/12 - 23/14

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】窒化アルミニウム焼結体からなる基板と、 Ti、ZrおよびHfからなる群より選ばれた少なくとも１種
   の金属元素を含む化合物層を介して前記基板の上に接合
   された銅部材とを備え、 前記窒化アルミニウム焼結体は、Ti、Zr、Hf、Ｖ、Nb、
   Ta、Cr、Mo、Ｗ、Mn、Fe、Co、Ni、NdおよびHoからなる
   群より選ばれた少なくとも１種の金属元素および／また
   はその化合物を金属元素換算で0.01重量％以上1.0重量
   ％以下含有している、回路基板。
2. 【請求項２】前記窒化アルミニウム焼結体は、150W/mK
   以上の熱伝導率を有し、アルカリ土類元素および希土類
   元素のうち少なくともいずれかの元素の化合物をその元
   素換算で0.01重量％以上3.0重量％以下含む、請求項１
   に記載の回路基板。