JP3059117B2

JP3059117B2 - セラミックス回路基板

Info

Publication number: JP3059117B2
Application number: JP9143918A
Authority: JP
Inventors: 裕小森田; 孔俊佐藤; 高志日野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-05-31
Filing date: 1997-06-02
Publication date: 2000-07-04
Anticipated expiration: 2017-06-02
Also published as: JPH1075025A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置等に使用
されるセラミックス回路基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来からアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）焼結体
などのように絶縁性に優れたセラミックス基板の表面
に、導電性を有する金属回路板をろう材や接着剤やメタ
ライズ金属層で一体に接合したセラミックス回路基板が
パワートランジスターモジュール用基板やスイッチング
電源モジュール用基板として広く普及している。

【０００３】しかしながら上記セラミックス回路基板に
おいては、金属回路板とセラミックス基板との間に、ろ
う材や接着剤やメタライズ層のような介在物が存在する
ため、両者間の熱抵抗が大きくなり、金属回路板上に設
けられた半導体素子の発熱を系外に迅速に放熱させるこ
とが困難であるという問題点があった。

【０００４】このような問題点を解消するため、近年、
上記ろう材や接着剤やメタライズ層を使用せずに、所定
形状に打ち抜いた金属回路板をセラミックス基板上に接
触配置させて加熱するだけで直接接合する方法が検討さ
れている。すなわち、直接接合法は、セラミックスと金
属とを、ろう材層や接着剤層やメタライズ層などの接合
層を介在させずに直接的に接合する方法である。この直
接接合法では金属中あるいは金属表面に存在する結合剤
（銅の場合は酸素）と金属との共晶液相が生成されて両
部材が直接的に接合される。

【０００５】図４〜図６はそれぞれ従来のセラミックス
回路基板の例を示す断面図である。セラミックス基板の
材質としては、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃），ジルコニア
（ＺｒＯ₂），ムライト等の酸化物系セラミックス焼結
体や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの窒化物系焼結
体が使用される。図４は結合剤としての酸素を含有しな
い銅回路板４をＡｌ₂Ｏ₃基板２表面に直接接合したセ
ラミックス回路基板１を示す。なお接合時に共晶液相を
生成するために、銅回路板４表面には所定厚さの表面酸
化層（酸化銅層）７が予め形成されている。なお、図４
には説明図として表面酸化層を拡大して示しており、表
面酸化層の実際の厚さ、寸法は実際とは異なる。

【０００６】このセラミックス回路基板１は、例えば図
４に示すようにＡｌ₂Ｏ₃基板２の表面側に金属回路板
としての銅回路板４が直接接合される一方、背面側に裏
銅板としての銅板５も同様に直接接合され、さらに表面
側の銅回路板４の所定位置に図示しない半田層を介して
半導体素子６が一体に接合された構造を有している。

【０００７】また図５に示す従来のセラミックス回路基
板１ａは、結合剤としての酸素を１００〜１０００ｐｐ
ｍ含有する銅回路基板４ａおよび裏銅板５ａをＡｌ₂Ｏ
₃基板２のそれぞれ表面側および裏面側に直接接合して
形成されている。この場合でも、銅（回路）板中に含有
された酸素が加熱時に接合界面において酸化銅を形成
し、直接接合が行われる。

【０００８】なお、上記直接接合法は、Ａｌ₂Ｏ₃など
の酸化物系セラミックスについてのみ直接適用可能であ
り、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板や窒化けい素（Ｓ
ｉ₃Ｎ₄）基板などの非酸化物系セラミックス基板にそ
のまま適用しても、基板に対する濡れ性が低いため、金
属回路板の充分な接合強度が得られない。

【０００９】そこで、非酸化物系セラミックス基板を使
用する場合には、予めセラミックス基板表面に酸化物層
を形成し、基板に対する濡れ性を高める必要がある。図
６はセラミックス基板としてＡｌＮ基板２ａを使用した
セラミックス回路基板１ｂの構成例を示す断面図であ
る。この場合、金属回路板４ａ，５ａの接合操作前に、
予めＡｌＮ基板２ａを酸化性雰囲気中で加熱処理するこ
とにより、ＡｌＮ基板２ａの全表面に酸化物層（Ａｌ₂
Ｏ₃皮膜）３が形成される。

【００１０】上記直接接合法により金属回路板をセラミ
ックス基板に接合したセラミックス回路基板によれば、
接合界面部にろう材や接着剤層が介在しないため、両部
材間の熱抵抗が小さく放熱姓に優れた回路基板が得られ
る。また、セラミックスと金属との間にＭｏ板等を介在
させないような単純構造であるため、小型高実装化が可
能であり、さらに作業工程も短縮できる等の長所を有し
ている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ように直接接合法によって形成した従来の各セラミック
ス回路基板においては、たとえ酸素を含有した金属回路
板を使用しても、または、表面酸化層を形成した金属回
路板を使用しても、十分な接合強度を有するセラミック
ス回路基板を容易に製造することは困難であり、より十
分な接合強度と製品特性の安定化が求められていた。

【００１２】本発明は上記問題点を解決するためになさ
れたものであり、特に金属回路板あるいは金属板とセラ
ミックス基板との接合強度を高め回路基板全体としての
機械的強度を改善し、金属回路板の剥離や膨れなどの欠
陥の発生が少ないセラミックス回路基板を提供すること
を目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明者らは上記目的を
達成するために、従来のセラミックス回路基板における
金属回路板の剥離や膨れの発生原因および金属回路板に
未接合部が発生する原因について調査研究を行なった。
その結果、まず接合操作後に金属回路板のピール強度を
測定する際に接合面を観察した結果、未接合部が大きな
面積割合で存在していることを発見した。そして、この
ためにピール強度が低下していることを確認した。ま
た、さらに得られたセラミックス回路基板は上記未接合
部を起点として金属回路板の剥離や膨れが発生し易いこ
とも同時に確認した。さらに、金属回路板の剥離や膨れ
の発生原因としては、金属回路板などの直接接合時に加
熱操作によって生成する共晶液相の生成量が少ないこ
と、および共晶液相とセラミックス基板との濡れ性が悪
いことが大きな原因であると推定した。

【００１４】この原因を解消するために、本発明者らは
上記共晶液相の生成量を増大させ、セラミックス基板に
対する共晶液相の濡れ性を改善する方策を種々検討し
た。その結果、金属回路板に所定量の酸素を含有させる
とともに、さらに金属回路板表面に所定厚さの酸化物層
を形成したときに、セラミックス基板と金属回路板との
接合強度（ピール強度）が大幅に改善され、回路基板の
耐久性が向上することが判明した。

【００１５】また、セラミックス基板の表面が平滑であ
るよりも、ホーニング処理等を実施して中心線平均粗さ
（Ｒａ）が５．０〜１０．０μｍの範囲となるように粗
面化加工した場合の方が、基板と金属回路板との接合強
度が増加し、耐久性が優れた回路基板が得られることも
判明した。

【００１６】さらに、セラミックス基板を調製する際
に、特に金属回路板との接合面となるセラミックス基板
の表面部に、液相成分となるイットリアとアルミナとの
化合物を所定量分布させることにより、セラミックス基
板と金属回路板との接合強度をより高めることが可能に
なるという知見を得た。

【００１７】本発明は上記知見に基づいて完成されたも
のである。すなわち本発明に係る第１のセラミックス回
路基板は、少なくともセラミックス基板との接合面側の
表面に酸化物層を有するとともに内部に酸素を１００〜
１０００ｐｐｍ含有する金属回路板が、前記セラミック
ス基板に直接接合されていることを特徴とする。

【００１８】また金属回路板の表面の酸化物層の厚さが
１．０μｍ以上であることを特徴とする。さらに金属回
路板はタフピッチ電解銅から構成するとよい。

【００１９】すなわち、金属回路板は、たとえ酸素を１
００〜１０００ｐｐｍ含有するタフピッチ電解銅であっ
ても表面に予め厚さ１．０μｍ以上の酸化銅層を有する
銅回路板であることが接合強度を向上させるために好ま
しい。

【００２０】またセラミックス基板が、アルミナ（Ａｌ
₂Ｏ₃）から成ることを特徴とする。さらにセラミック
ス基板が、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から成り、少な
くとも金属回路板との接合面側の表面に、厚さが０．５
〜１０μｍの酸化物層を有することを特徴とする。また
セラミックス基板が、窒化けい素（Ｓｉ₃Ｎ₄）から成
り、少なくとも金属回路板との接合面側の表面に、厚さ
が０．５〜１０μｍの酸化物層を有することを特徴とす
る。

【００２１】さらに金属回路板は粗面化加工された表面
を有するように形成するとよい。

【００２２】また、本発明に係る第２のセラミックス回
路基板は、セラミックス基板に金属回路板を直接接合し
てなるセラミックス回路基板において、前記セラミック
ス基板の接合面側の表面から深さ１００μｍまでの断面
領域についてＥＰＭＡ断面面分析した場合に、液相成分
となるイットリア（Ｙ₂Ｏ₃）とアルミナ（Ａｌ
₂Ｏ₃）との化合物の分布割合が面積率換算で１０〜８
０％であることを特徴とする。さらに、上記セラミック
ス基板が窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板で構成すると
よい。また、液相成分となるイットリアとアルミナとの
化合物は、ＹＡＧ，ＹＡＬ，ＹＡＭの少なくとも１種で
あることが望ましい。

【００２３】ここで、金属回路板が銅回路板である場
合、直接接合法における結合剤は酸素であるので、この
銅回路板はＣｕ−Ｏ共晶化合物によりセラミックス基板
に接合されることになる。さらに金属回路板がアルミニ
ウム回路板である場合、直接接合法における結合剤はＳ
ｉが好ましいので、このアルミニウム回路板はＡｌ−Ｓ
ｉ共晶化合物によりセラミックス基板に接合されている
ことが好ましい。

【００２４】本発明に係る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、酸化アルミニウム（アルミナ：Ａｌ₂Ｏ₃）
等の酸化物系セラミックス基板の他に、窒化アルミニウ
ム（ＡｌＮ），窒化けい素（Ｓｉ₃Ｎ₄），窒化チタン
（ＴｉＮ）等の窒化物、炭化けい素（ＳｉＣ），炭化チ
タン（ＴｉＣ）等の炭化物、またはほう化ランタン等の
ほう化物等の非酸化物系セラミックス基板でもよい。こ
れらのセラミックス基板には酸化イットリウムなどの焼
結助剤等が含有されていてもよい。

【００２５】また上記金属回路板を構成する金属として
は、銅，アルミニウム，鉄，ニッケル，クロム，銀，モ
リブデン，コバルトの単体またはその合金など、基板成
分との共晶化合物を生成し、直接接合法を適用できる金
属であれば特に限定されないが、特に導電性および価格
の観点から銅，アルミニウムまたはその合金が好まし
い。

【００２６】金属回路板の厚さは、通電容量等を勘案し
て決定されるが、セラミックス基板の厚さを０．２５〜
１．２mmの範囲とする一方、金属回路板の厚さを０．１
〜０．５mmの範囲に設定して両者を組み合せると熱膨張
差による変形などの影響を受けにくくなる。

【００２７】特に金属回路板として銅回路板を使用する
場合には、酸素を１００〜１０００ｐｐｍ含有するタフ
ピッチ電解銅から成る銅回路板を使用し、さらに後述す
るように銅回路板表面に所定厚さの酸化銅層を予め形成
することにより、直接接合時に、発生するＣｕ−Ｏ共晶
の量を増加させ、基板と銅回路板との接合強度を、より
向上させることができる。

【００２８】上記酸化銅層などの酸化物層は、例えば金
属回路板を大気中において温度１５０〜３６０℃の範囲
にて２０〜１２０秒間加熱する表面酸化処理を実施する
ことによって形成される。ここで、酸化銅層の厚さが１
μｍ未満の場合は、Ｃｕ−Ｏ共晶の発生量が少なくなる
ため、基板と銅回路板との未接合部分が多く、接合強度
を向上させる効果は少ない。一方、酸化銅層の厚さが１
０μｍを超えるように過大にしても、接合強度の改善効
果が少なく、却って銅回路板の導電特性を阻害すること
になる。したがって、銅回路板表面に形成する酸化銅層
の厚さは１〜１０μｍの範囲が好ましい。そして同様の
理由により２〜５μｍの範囲がより望ましい。

【００２９】また、セラミックス基板の表面が平滑であ
る場合よりも、粗面である方が接合強度が高くなる傾向
がある。なお、上記酸化処理において、加熱温度を高め
たり、処理時間を長くすることにより、セラミックス基
板の表面粗さを増加させることができる。上記表面酸化
処理後におけるセラミックス基板の表面粗さは、中心線
平均粗さ（Ｒａ）が５〜１０μｍの範囲にするとよい。
さらに必要に応じてセラミックス基板表面をホーニング
処理することによって、その表面粗さを調整してもよ
い。

【００３０】なお、直接接合法はＡｌ₂Ｏ₃などの酸化
物系セラミックス基板のみについては直ちに適用可能で
あり、窒化アルミニウムや窒化けい素などの非酸化物系
セラミックス基板にそのまま適用しても基板に対する濡
れ性が低いため、金属回路板の充分な接合強度が得られ
ない。

【００３１】そこでセラミックス基板として非酸化物系
セラミックスを使用する場合には、その非酸化物系セラ
ミックス基板の表面に予め酸化物層を形成し、基板に対
する濡れ性を高める必要がある。この酸化物層は上記非
酸化物系セラミックス基板を、空気中などの酸化雰囲気
中で温度１０００〜１４００℃程度で２〜１５時間加熱
して形成される。この酸化物層の厚さが０．５μｍ未満
の場合には、上記濡れ性の改善効果が少ない一方、１０
μｍを超えるように厚く形成しても改善効果が飽和する
ため、酸化物層の厚さは０．５〜１０μｍの範囲が必要
であり、より好ましくは１〜５μｍの範囲が望ましい。

【００３２】一方、さらにセラミックス基板として窒化
アルミニウム（ＡｌＮ）基板を使用する場合には、上記
セラミックス基板の接合面側の表面から深さ１００μｍ
までの断面領域についてＥＰＭＡ断面面分析した場合
に、液相成分となるイットリア（Ｙ₂Ｏ₃）とアルミナ
（Ａｌ₂Ｏ₃）との化合物の分布割合が面積率換算で１
０〜８０％の範囲となるように調整する必要がある。す
なわち、酸化物層以外にＹ₂Ｏ₃とＡｌ₂Ｏ₃との化合
物を前記所定量分布させる必要がある。

【００３３】上記セラミックス基板の接合面側の表面か
ら深さ１００μｍまでの断面領域は、金属回路板との接
合性に大きく影響を及ぼす領域であり、この断面領域、
すなわちセラミックス基板の接合表面部における上記化
合物の分布割合が１０％未満の場合には、上記接合強度
の改善効果が少ない。一方、上記分布割合が８０％を超
えた場合においても、接合強度は低下する。したがっ
て、上記化合物の分布割合は１０〜８０％の範囲とされ
るが２０〜６０％の範囲がより好ましい。

【００３４】ここで、液相成分となるイットリアとアル
ミナとの化合物としては、ＹＡＧ（イットリウム・アル
ミニウム・ガーネット：３Ｙ_２Ｏ_３・５Ａｌ_２Ｏ_３），
ＹＡＬ（イットリウム・アルミニウム：１Ｙ_２Ｏ_３・１
Ａｌ_２Ｏ_３），ＹＡＭ（イットリウム・アルミニウム：
２Ｙ_２Ｏ_３・１Ａｌ_２Ｏ_３）があり、これらの化合物は
金属回路板との濡れ性を向上させる作用を有し、金属回
路板とセラミックス基板との接合強度を、より高めるこ
とができる。

【００３５】上記のようなイットリアとアルミナとの化
合物のセラミックス基板表面部における分布割合は、基
板原料となるセラミックス原料粉末に対して焼結助剤と
して添加するＹ₂Ｏ₃およびＡｌ₂Ｏ₃の添加量，焼結
温度や焼結時間を適正に制御することにより調整でき
る。例えば、セラミックス基板としてのＡｌＮ基板を製
造する場合は、ＡｌＮ原料粉末に対して１〜１０重量％
のＹ₂Ｏ₃と０．１〜５重量％のＡｌ₂Ｏ₃とを添加
し、得られた原料混合体の成形体表面に窒化ほう素（Ｂ
Ｎ）などから成る敷粉を配置した状態で、非酸化性雰囲
気中で温度１７５０〜１９５０℃で２〜１０時間焼結し
て得られる。

【００３６】特にＡｌＮ成形体表面にＢＮなどの敷粉を
配置することにより、生成したＹＡＧ，ＹＡＬ，ＹＡＭ
などの液相成分が成形体表面部から揮散することが防止
でき、ＡｌＮ基板表面部に液相成分となる化合物が所定
量だけ分布したＡｌＮ基板が得られる。上記化合物の分
布割合は、ＡｌＮ基板の接合表面部の断面領域をＸ線マ
イクロアナライザ（ＥＰＭＡ）による面分析し、特にイ
ットリウム（Ｙ）の集合部の面積割合を定量することに
より容易に測定できる。

【００３７】本発明に係るセラミックス回路基板は、上
記のように製造したセラミックス基板の表面に、前記金
属回路板を直接接合して製造される。

【００３８】ここで上記金属回路板は、ろう材などの接
合剤を使用せずにセラミックス基板表面に直接的に一体
に接合される。すなわち、金属回路板の成分と基板成分
との共晶化合物（共晶融体）を加熱により発生せしめ、
この共晶化合物を接合剤として両部材を接合する、いわ
ゆる直接接合法を使用して接合される。

【００３９】そして、セラミックス基板が非酸化物系セ
ラミックスから成り、また金属回路板が銅回路板である
場合には、以下のように接合操作が実施される。すなわ
ち酸化物層を形成したセラミックス基板の表面の所定位
置に、表面酸化層としての酸化銅層を形成した銅回路板
を接触配置して基板方向に押圧した状態で、銅の融点
（１０８３℃）未満で銅−酸化銅の共晶温度（１０６５
℃）以上に加熱し、生成したＣｕ−Ｏ共晶化合物液相
（共晶融体）を接合剤として銅回路板がセラミックス基
板表面に直接的に接合される。この直接接合法は、いわ
ゆる銅直接接合法（ＤＢＣ：Direct Bonding Copper
法）である。

【００４０】一方、金属回路板がアルミニウム回路板で
ある場合には、結合剤としてはＳｉが選択されセラミッ
クス基板表面にＡｌ回路板を押圧した状態でアルミニウ
ム−けい素の共晶温度以上に加熱し、生成したＡｌ−Ｓ
ｉ共晶化合物液相（共晶融体）を接合剤としてＡｌ回路
板がセラミックス基板表面に直接的に接合され、本発明
のセラミックス回路基板が製造される。

【００４１】このように直接接合法を使用して金属回路
板をセラミックス基板表面に直接接合して形成した本発
明に係るセラミックス回路基板によれば、金属回路板と
セラミックス基板との間に、接着剤やろう材のような介
在物が存在しないため、両者間の熱抵抗が小さく、金属
回路板上に設けられた半導体素子の発熱を系外に迅速に
放散させることが可能である。

【００４２】本発明に係るセラミックス回路基板によれ
ば、金属回路板に所定量の酸素が含有されており、また
金属回路板表面に表面酸化層が形成されているため、直
接接合時に必要な共晶融体の生成量を大幅に増加させる
ことができ、またセラミックス基板に対する共晶融体の
濡れ性を大幅に高めることができる。したがって、セラ
ミックス基板と金属回路板との未接合部が減少し、両部
材の接合強度を大幅に高めることができる。また未接合
部に起因する金属回路板の剥離や膨れが効果的に防止で
き、この回路基板を用いた半導体装置を高い製造歩留り
で量産することが可能になる。

【００４３】また、金属回路板の接合強度が高いため、
熱サイクルによって回路層が剥離したり、基板に割れが
発生することが少なく、耐熱サイクル特性が著しく向上
し、耐久性および信頼性に優れた半導体装置を提供する
ことができる。

【００４４】さらに、金属回路板との接合面となるセラ
ミックス基板の表面部に、液相成分となるイットリアと
アルミナとの化合物を所定量だけ分布させることによ
り、セラミックス基板と金属回路板との接合強度を、よ
り高めることができる。

【００４５】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施形態について以
下に示す実施例を参照して具体的に説明する。

【００４６】実施例１〜５セラミックス基板として、熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・Ｋで
あり、縦５５mm×横３７mm×厚さ０．８mmの窒化アルミ
ニウム（ＡｌＮ）基板を多数用意し、各ＡｌＮ基板を空
気雰囲気の加熱炉中で１３００℃で１２時間加熱するこ
とにより、基板全表面を酸化し厚さ２μｍの酸化物層
（Ａｌ₂Ｏ₃皮膜）を形成した。

【００４７】一方、酸素を４０７ｐｐｍ含有し、厚さ
０．３mmおよび０．２５mmのタフピッチ電解銅から成る
銅回路板を多数用意し、各銅回路板を大気に接するホッ
トプレート上に載置した状態で表１に示す酸化条件（温
度，時間）でそれぞれ加熱して表面酸化処理を行ない、
表１に示すような厚さを有する表面酸化層（酸化銅層）
を一体に形成した。

【００４８】次に酸化物層を形成した各ＡｌＮ基板表面
側に、厚さ０．３mmのタフピッチ電解銅から成る銅回路
板を接触配置する一方、背面側に厚さ０．２５mmのタフ
ピッチ銅から成る銅回路板を裏当て材として接触配置さ
せて積層体とし、この積層体を窒素ガス雰囲気に調整し
た温度１０７５℃に設定した加熱炉に挿入して１分間加
熱することにより、各ＡｌＮ基板の両面に銅回路板を直
接接合した実施例１〜５に係るセラミックス回路基板を
それぞれ調製した。

【００４９】各セラミックス回路基板１は、図１に示す
ようにＡｌＮ基板２ａの全表面に酸化物層３が形成され
ており、ＡｌＮ基板２ａの表面側に金属回路板としての
銅回路板４ａが直接接合される一方、背面側に裏銅板と
しての銅回路板５ａが同様に直接接合され、さらに表面
側の銅回路板４ａの所定位置に図示しない半田層を介し
て半導体素子６が一体に接合された構造を有する。なお
ＡｌＮ基板２ａの両面に銅回路板４ａ，５ａを接合した
場合、裏銅板としての銅回路板５ａは放熱促進および反
り防止に寄与するので有効である。

【００５０】比較例１一方、各銅回路板について表面酸化処理を実施せず、表
面酸化層（酸化銅層）を形成しない銅回路板を使用した
点以外は実施例１と同一条件で直接接合処理することに
より、比較例１に係るセラミックス回路基板を調製し
た。

【００５１】実施例６〜１０セラミックス基板として、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍ・Ｋ
であり、縦５０mm×横２５mm×厚さ０．６３５mmの窒化
アルミニウム（ＡｌＮ）基板を多数用意し、各ＡｌＮ基
板を空気雰囲気の加熱炉中で１３００℃で１２時間加熱
することにより、基板全表面を酸化し厚さ２μｍの酸化
物層（Ａｌ₂Ｏ₃皮膜）を形成した。

【００５２】一方、酸素を４０７ｐｐｍ含有し、厚さ
０．３mmおよび０．２５mmのタフピッチ電解銅から成る
銅回路板を多数用意し、各銅回路板を大気に接するホッ
トプレート上に載置した状態で表１に示す酸化条件（温
度，時間）でそれぞれ加熱して表面酸化処理を行ない、
表１に示すような厚さを有する表面酸化層（酸化銅層）
を一体に形成した。

【００５３】次に酸化物層を形成した各ＡｌＮ基板表面
側に、厚さ０．３mmのタフピッチ電解銅から成る銅回路
板を接触配置する一方、背面側に厚さ０．２５mmのタフ
ピッチ銅から成る銅回路板を裏当て材として接触配置さ
せて積層体とし、この積層体を窒素ガス雰囲気に調整し
た温度１０７５℃に設定した加熱炉に挿入して１分間加
熱することにより、各ＡｌＮ基板の両面に銅回路板を直
接接合して、図１に示すような実施例６〜１０に係るセ
ラミックス回路基板をそれぞれ調製した。

【００５４】比較例２一方、各銅回路板について表面酸化処理を実施せず、表
面酸化層（酸化銅層）を形成しない銅回路板を使用した
点以外は実施例６と同一条件で直接接合処理することに
より、比較例２に係るセラミックス回路基板を調製し
た。

【００５５】上記のように調製した各実施例および比較
例に係る各回路基板について、表面酸化処理後における
銅回路板の酸素含有量を測定して、表１に示す結果を得
た。また各回路基板の強度特性を評価するために、各銅
回路板のピール強度の平均値を測定するとともに、この
ピール強度測定後における銅回路板の剥離面を写真撮影
し、写真上に白色部として残る未接合部の面積率を画像
解析により測定した。各測定結果を下記表１に示す。

【００５６】

【００５７】上記表１に示す結果から明らかなように、
結合剤として所定量の酸素を含有する銅回路板であり、
かつ、その接合面に表面酸化層（酸化銅層）を一体に形
成した銅回路板をセラミックス基板表面に直接接合して
成る各実施例に係るセラミックス回路基板によれば、上
記酸化銅層を形成していない比較例１，２の回路基板と
比較して、銅回路板とセラミックス基板との未接合部の
面積率が小さく、またピール強度は１０〜２７％上昇す
ることが確認できた。

【００５８】実施例１１実施例１において使用したセラミックス基板であり、酸
化物層（Ａｌ₂Ｏ₃皮膜）を形成したＡｌＮ基板２ａに
代えて、同一厚さを有するアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）基板
２を使用した点以外は、実施例１と同様にして銅回路板
をＡｌ₂Ｏ₃基板２表面に直接接合することにより、図
２に示すような実施例１１に係るセラミックス回路基板
１ｄを調製した。なお、銅回路板としては実施例１〜５
用に調製した各銅回路板４ａ，５ａを使用した。各銅回
路板４ａ，５ａの表面には所定厚さの酸化銅層７が形成
されている。

【００５９】一方、比較例として上記酸化銅層を形成し
ていない銅回路板をＡｌ₂Ｏ₃基板に直接接合して比較
例のセラミックス回路基板を調製した。

【００６０】上記酸化銅層７を形成した銅回路板４ａ，
５ａを使用した実施例１１に係るセラミックス回路基板
１ｄのピール強度は、酸化銅層を形成しない比較例のセ
ラミックス回路基板と比較して２２〜３１％増加してお
り、優れた接合強度を有していることが確認できた。

【００６１】実施例１２実施例１において使用したセラミックス基板であり、酸
化物層（Ａｌ₂Ｏ₃皮膜）を形成したＡｌＮ基板２ａに
代えて、表面に厚さ２μｍの酸化物層（ＳｉＯ₂皮膜）
３ａを形成した窒化けい素（Ｓｉ₃Ｎ₄）基板２ｂを使
用した点以外は、実施例１と同様にして銅回路板をＳｉ
₃Ｎ₄基板２ｂ表面に直接接合することにより、図３に
示すような実施例１２に係るセラミックス回路基板１ｅ
を調製した。なお、銅回路板としては実施例１〜５用に
調製した各銅回路板４ａ，５ａを使用した。各銅回路板
４ａ，５ａの表面には所定厚さの酸化銅層７が形成され
ている。

【００６２】一方、比較例として上記酸化銅層を形成し
ていない銅回路板をＳｉ₃Ｎ₄基板に直接接合して比較
例のセラミックス回路基板を調製した。

【００６３】上記酸化銅層７を形成した銅回路板４ａ，
５ａを使用した実施例１２に係るセラミックス回路基板
１ｅのピール強度は、酸化銅層を形成しない比較例のセ
ラミックス回路基板と比較して１８〜２８％増加してお
り、優れた接合強度を有していることが確認できた。

【００６４】次に金属回路板との接合面となるセラミッ
クス基板表面部における液相成分量を調整したＡｌＮ基
板を用いた実施例について以下に説明する。

【００６５】実施例１３〜１５平均粒径３μｍのＡｌＮ原料粉末に対して焼結助剤とし
てのイットリア（Ｙ₂Ｏ₃）とアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）
とを表２に示す割合で添加し、エチルアルコール中で３
０時間湿式混合した。乾燥した原料混合物を金型成形機
の型内に充填して１２００kg／cm²の成形圧力にて圧縮
成形して板状の各ＡｌＮ成形体を調製した。

【００６６】次に得られた各ＡｌＮ成形体を、Ｎ₂ガス
を封入した耐圧加熱炉内に配置し、さらに各ＡｌＮ成形
体の表面上に窒化ほう素から成る敷粉を配置した状態で
焼結を実施した。焼結条件は表２に示す通りである。

【００６７】そして得られた各ＡｌＮ焼結体の表面をホ
ーニング加工して厚さ１０μｍ相当量を削り取った。し
かる後に各ＡｌＮ焼結体を実施例１と同様に空気雰囲気
の加熱炉内で１３００°で１２時間加熱することによ
り、基板全表面を酸化し、厚さ２μｍの酸化物層（Ａｌ
₂Ｏ₃皮膜）を形成することにより、各実施例用のＡｌ
Ｎ基板とした。

【００６８】一方、実施例３で使用したところの厚さ３
μｍの表面酸化層（酸化銅層）を有し、酸素を４０７pp
m 含有する厚さ０．３mmおよび０．２５mmのタフピッチ
電解銅からなる銅回路板を用意した。

【００６９】次に酸化物層を形成した各ＡｌＮ基板表面
側に、厚さ０．３mmのタフピッチ電解銅から成る銅回路
板を接触配置する一方、背面側に厚さ０．２５mmのタフ
ピッチ銅から成る銅回路板を裏当て材として接触配置さ
せて積層体とし、この積層体を窒素ガス雰囲気に調整し
た温度１０７５℃に設定した加熱炉に挿入して１分間加
熱することにより、各ＡｌＮ基板の両面に銅回路板を直
接接合した実施例１３〜２０に係るセラミックス回路基
板をそれぞれ調製した。

【００７０】比較例３〜４一方、表２に示すようにＡｌＮ原料粉末に添加する焼結
助剤の添加量を過量に設定したり（比較例３，４）し、
さらに、表２に示す条件で焼成を実施した点以外は、前
記実施例１３〜１５と同一の条件で銅回路板の直接接合
を行うことにより、それぞれ比較例３〜４に係るＡｌＮ
回路基板をそれぞれ製造した。

【００７１】上記のように製造した各実施例１３〜１５
および比較例３〜４に係る各ＡｌＮ回路基板について、
銅回路板のピール強度の平均値を測定するとともに、こ
のピール強度測定後におけるＡｌＮ基板の表面断面部に
おける液相成分（ＹＡＧ，ＹＡＬ，ＹＡＭ）の分布割合
をＥＰＭＡ面分析によって定量し、下記表２に示す結果
を得た。

【００７２】

【表２】

【００７３】上記表２に示す結果から明らかなように、
ＡｌＮ基板の表面部に、液相成分となるＹＡＧ，ＹＡ
Ｌ，ＹＡＭなどのイットリアとアルミナとの化合物を所
定量だけ分布させた各実施例のＡｌＮ回路基板において
は、過剰量の化合物を分布させた各比較例の回路基板と
比較して、ＡｌＮ基板と銅回路板との接合強度が、より
高くなることが判明した。

【００７４】上記各実施例のＡｌＮ回路基板において
は、ＡｌＮ基板表面に形成した酸化物層（α−Ａｌ₂Ｏ
₃皮膜）と銅回路板との接合強度を、上記ＹＡＧ，ＹＡ
Ｌ，ＹＡＭなどの液相成分が増強する効果が得られ、さ
らに上記液相成分により銅回路板との濡れ性が向上し、
未接合領域が減少し、ＡｌＮ基板と銅回路板との接合強
度が向上すると考えられる。

【００７５】すなわち、ＡｌＮ基板表面の酸化物層は、
通常はポーラス（多孔質）な状態で生成されており、結
晶サイズレベルで観察した場合には、銅回路板に対して
酸化物層が当接しない部分も生じている。しかしなが
ら、本実施例によれば、上記酸化物層が存在しない部分
には液相成分が分布することになり、この液相成分がＡ
ｌＮ基板と銅回路板との接合作用の一部を担うことにな
る。したがって、両部材間の未接合部分が減少し、さら
に液相成分の結合強度はＡｌＮ基板の酸化物層の膜強度
より強い。そのため、ＡｌＮ基板と銅回路板との接合強
度は、液相成分を分布させない従来構造と比較して、大
幅に向上するものと考えられる。

【００７６】

【発明の効果】以上説明の通り、本発明に係るセラミッ
クス回路基板によれば、金属回路板に所定量の酸素が含
有されており、またさらに金属回路板表面に表面酸化層
が形成されているため、直接接合時に必要な共晶融体の
生成量を増加させることができ、またセラミックス基板
に対する共晶融体の濡れ性を高めることができる。した
がって、セラミックス基板と金属回路板との未接合部が
減少し、両部材の接合強度を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るセラミックス回路基板の構成例を
示す断面図。

【図２】本発明に係るセラミックス回路基板の他の構成
例を示す断面図。

【図３】本発明に係るセラミックス回路基板のその他の
構成例を示す断面図。

【図４】従来のセラミックス回路基板の構成例を示す断
面図。

【図５】従来のセラミックス回路基板の他の構成例を示
す断面図。

【図６】従来のセラミックス回路基板のその他の構成例
を示す断面図。

【符号の説明】

１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅセラミックス回路
基板（Ａｌ₂Ｏ₃回路基板，ＡｌＮ回路基板，Ｓｉ₃Ｎ
₄回路基板）２，２ａ，２ｂセラミックス基板（Ａｌ₂Ｏ₃基板，
ＡｌＮ基板，Ｓｉ₃Ｎ₄基板）３酸化物層（Ａｌ₂Ｏ₃皮膜）３ａ酸化物層（ＳｉＯ₂皮膜）４，４ａ金属回路板（Ｃｕ回路板）５，５ａ金属板（裏銅板）６半導体素子（チップ）７表面酸化層（酸化銅層）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平４−29390（ＪＰ，Ａ) 特公平３−14795（ＪＰ，Ｂ２) 特公平４−60946（ＪＰ，Ｂ２) 特公平５−72353（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H05K 1/03 610 H05K 3/38

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも非酸化物系セラミックス基板
との接合面側の表面に酸化物層を有するとともに内部に
酸素を１００〜１０００ｐｐｍ含有する金属回路板が、
前記セラミックス基板に直接接合されているセラミック
ス回路基板において、上記金属回路板の表面に厚さが
１．０μｍ以上の酸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。
【請求項２】セラミックス基板の厚さが０．２５〜
１．２ｍｍであり、金属回路板の厚さが０．１〜０．５
ｍｍであ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。
【請求項３】金属回路板がタフピッチ電解銅で構成さ
れ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。
【請求項４】セラミックス基板が、窒化アルミニウム
（ＡｌＮ）で構成され、少なくとも金属回路板との接合
面側の表面に、厚さが０．５〜１０μｍの酸化物層を有
す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。
【請求項５】セラミックス基板が、窒化けい素（Ｓｉ
_３Ｎ_４）で構成され、少なくとも金属回路板との接合面
側の表面に、厚さが０．５〜１０μｍの酸化物層を有す
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。
【請求項６】セラミックス基板の少なくとも金属回路
板との接合面側の表面は粗面化加工されていることを特
徴とする請求項１記載のセラミックス回路基板。
【請求項７】セラミックス基板に金属回路板を直接接
合してなるセラミックス回路基板において、前記セラミ
ックス基板の接合面側の表面から深さ１００μｍまでの
断面領域についてＥＰＭＡ断面面分析した場合に、液相
成分となるイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）とアルミナ（Ａｌ_２
Ｏ_３）との化合物の分布割合が面積率換算で１０〜８０
％であることを特徴とするセラミックス回路基板。
【請求項８】セラミックス基板が窒化アルミニウム
（ＡｌＮ）基板であることを特徴とする請求項７記載の
セラミックス回路基板。
【請求項９】液相成分となるイットリアとアルミナと
の化合物が、ＹＡＧ，ＹＡＬ，ＹＡＭの少なくとも１種
であることを特徴する請求項７記載のセラミックス回路
基板。