JP3887645B2 - セラミックス回路基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は窒化物系セラミックス基板に金属回路板をろう材によって接合したセラミックス回路基板の製造方法に係り、特に耐熱サイクル特性に優れ、信頼性が高いセラミックス回路基板の製造方法に関する。

従来からアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）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一体に接合したセラミックス回路基板が広く普及し、半導体装置の構成部品として使用されている。

従来からセラミックス基板と金属回路板とを一体に接合形成する方法として、高融点金属法（メタライズ法），直接接合法，活性金属法などが採用されている。高融点金属法は、ＭｏやＷなどの高融点金属をセラミックス基板表面に焼き付ける方法であり、直接接合法は、金属回路板成分と酸素との共晶液相を接合剤とし、ろう材などを使用せずに直接金属回路板をセラミックス基板表面に加熱接合する方法であり、活性金属法はＴｉなどの活性金属を含有するろう材を介して金属回路板と非酸化物系セラミックス基板とを一体に接合する方法である。特に高強度で良好な封着性，信頼性を必要とするセラミックス回路基板を得るためには、上記接合法のうち、活性金属法が一般に使用されている。

上記セラミックス回路基板には、構造強度の基本となる高い接合強度が求められる一方、搭載された発熱部品としての半導体素子の運転条件下で繰り返して作用する熱サイクルに充分耐える構造を保持するため、冷熱サイクル試験（ＴＣＴ）において、セラミックス基板と金属回路板との線膨張係数差に起因するクラックの発生を抑制する必要がある。

しかしながら、従来技術において、セラミックス基板にＴｉなどの活性金属を含有するろう材により金属回路板を一体に接合して成るセラミックス回路基板では、脆弱な反応相が接合界面に生成され易いため、十分な接合強度が得られず、セラミックス基板の接合部にクラックが発生し易く、高い信頼性を有する回路基板が得られないという問題点があった。

また、一旦は高い接合強度で接合された場合においても、その後に付加される熱サイクルが低い段階において、微小なクラックが発生し、そのクラックが経時的に進展することにより、接合強度も低下し、最終的にはセラミックス基板の割れや欠けを生じてしまうなど長期にわたる信頼性の維持が困難となる問題点もあった。

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、繰り返しの冷熱サイクルを長時間付加した後においてもクラックの発生が効果的に抑制される、いわゆる耐熱サイクル性に優れた信頼性が高いセラミックス回路基板の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本願発明者は、セラミックス基板と金属回路板とを接合するろう材に含有させる元素の種類および量を種々変えてセラミックス回路基板を調製し、ろう材に含有させる元素の種類が回路基板の接合強度、および耐熱サイクル特性や接合部の強度特性に及ぼす影響を比較検討した。

その結果、ある種の活性金属を複合的に含有するろう材や活性金属とＩｎなどの元素とを複合的に含有するろう材を使用して基板と回路板とを接合しセラミックス回路基板を調製したときに、接合部に形成される反応生成層の硬度が増加することが判明した。そして硬度の増加に比例して回路基板の耐熱サイクル特性が向上することが判明した。本発明はこれらの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セラミックス回路基板の製造方法は、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，ＮｂおよびＴａから選択される少なくとも１種の活性金属を含有する銀−銅系ろう材層を形成し、このろう材層を介して窒化物系セラミックス基板と金属回路板とを接合し、上記銀−銅系ろう材層と窒化物系セラミックス基板とが反応して生成される反応生成層のビッカース硬度を１１００以上とすることを特徴とする。また前記銀−銅系ろう材層に、さらにＩｎ，Ｚｎ，ＣｄおよびＳｎから選択される少なくとも１種の元素を含有させるように構成するとよい。

さらに前記Ｉｎ，Ｚｎ，ＣｄおよびＳｎから選択される少なくとも１種の元素を５〜２０重量％含有させることが好ましい。また前記銀−銅系ろう材層はＡｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｔｉ系ろう材層で構成するとよい。

さらに前記金属回路板を接合した側と反対側の窒化物系セラミックス基板表面に、上記銀−銅系ろう材層を介して金属板を接合するとよい。

また、前記窒化物系セラミックス基板が、ビッカース硬度が１２００〜１５００の窒化アルミニウム基板であることが好ましい。

さらに、前記窒化物系セラミックス基板が窒化アルミニウム基板であり、前記ろう材層と窒化アルミニウム基板との界面に、ＴｉＮあるいは（Ｔｉ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ａｌ）Ｎである金属間化合物から成る反応生成層を形成することが好ましい。

上記回路基板を構成するセラミックス基板としては、活性金属などのろう材成分と反応して高硬度の反応生成層を形成する窒化アルミニウム（ＡｌＮ），窒化けい素（Ｓｉ_３Ｎ_４），サイアロン（ＳｉＡｌＯＮ）などの窒化物系セラミックス基板が好適である。

また金属回路板としては導電性を有する金属であれば特に限定されないが、電気抵抗率や材料コストの観点から銅またはアルミニウムから成るものが好適である。

本発明において銀−銅系ろう材層を形成するためのろう材としては、重量％でＣｕを１５〜３５％，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，ＮｂおよびＴａから選択される少なくとも１種の活性金属を０．５〜１０％，残部が実質的にＡｇから成る組成物のペーストが使用される。ペーストは上記組成物を有機溶媒中に分散して調製される。

上記ろう材組成物において、Ａｇ−Ｃｕ成分は、セラミックス焼結体製基板とＴｉなどの活性金属との接合層の形成を促進する成分として有効であり、Ｔｉなどの活性金属を接合層（ろう材層）中に拡散させ強固な接合体を形成するのに寄与する。上記Ａｇ−Ｃｕ成分比は、共晶組成物（７２重量％Ａｇ−２８％Ｃｕ）を生成し易い組成比に設定して液相の生成量を低減してもよいが、他の組成範囲でも構わない。

上記ろう材中に含有される活性金属は、さらにセラミックス基板に対するろう材の濡れ性を改善するための成分であり、それらの配合量は組成物全体に対して０．５〜１０重量％に設定される。活性金属の含有量が０．５重量％未満の場合には、濡れ性の改善効果が得られない一方、含有量が多いほどセラミックス基板と濡れ易くなる作用を有するが、含有量が１０重量％を超える過量となると、接合界面に脆弱な反応相（反応生成相）が生成され易くなり、接合強度の低下とともに接合体全体としての構造強度の低下を招く。

上記ろう材中に、さらにＩｎ，Ｚｎ，ＣｄおよびＳｎから選択された少なくとも１種の成分を５〜２０重量％の割合で添加してもよい。Ｉｎ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｓｎは、上記活性金属，ろう材成分およびセラミックス基板成分とともに、硬度が比較的に大きな金属間化合物を接合界面に形成し、セラミックス基板の見掛け上の強度を高め、ＴＣＴにおいてセラミックス基板に発生する熱応力が大きくなった場合においても、クラックが発生しにくくなり、回路基板の耐熱サイクル特性を大幅に改善する効果がある。

またＩｎ，Ｚｎ，ＣｄおよびＳｎは、ろう材による接合温度を低下させ、熱応力の発生量を低減し接合後における残留応力を低下するために有効である。添加含有量が５重量％未満では、上記硬度を高める効果および接合温度の低減効果が少ない。一方、２０重量％を超えると、ろう材組成の変化が大きくなり、信頼性を高めるに十分な接合強度が得られない。

銀−銅系ろう材層の厚さは接合体の接合強度に大きな影響を及ぼすものであり、本発明では１５〜３５μｍの範囲に設定される。ろう材層の厚さが１５μｍ未満の場合には、接合強度が充分に得られず、またセラミックス基板と金属回路板との密着性が低下し、回路基板全体としての熱抵抗が増大し、放熱性が低下してしまう。一方、ろう材層の厚さが３５μｍを超えると、接合界面に脆弱な反応相が生成され易くなるとともにセラミックス基板に生じる応力が大きくなるため、いずれにしろ充分な接合強度が得られない。

さらに金属回路板を接合した側と反対側の窒化物系セラミックス基板表面に、上記銀−銅系ろう材層を介して上記金属回路板よりやや薄い金属板を接合することにより、接合操作によって発生するセラミックス回路基板の反りを効果的に防止できる。すなわち、セラミックス基板の表裏両面に配置する金属量を等しくすることによってセラミックス基板の各面における熱膨張量を等しくすることができ、両面における熱膨張差に起因する回路基板の反りを防止することができる。

本発明に係るセラミックス回路基板の製造方法は、例えば以下のような手順で実施される。すなわち、ＡｌＮ，Ｓｉ_３Ｎ_４，ＳｉＡｌＯＮなどの窒化物系セラミックス基板とＣｕなどで形成された金属回路板等との接合面に、Ｔｉなどの活性金属を０．５〜１０重量％含有するペースト状のＡｇ−Ｃｕ系ろう材組成物を塗布した状態で金属回路板を押圧し、１０−４Ｔｏｒｒ以下の真空状態にした加熱炉中で、またはアルゴン（Ａｒ）ガスなどの不活性ガス雰囲気に調整した加熱炉中で、あるいは窒素（Ｎ_２）ガス雰囲気の加熱炉中で、温度８００〜９００℃で１０〜１５分保持して一体に接合して製造される。上記活性金属法による接合操作においては、セラミックス基板とＡｇ−Ｃｕ系ろう材とのメタライズ界面を強固にするため、および活性金属元素とセラミックス成分とが反応して形成される反応生成層の形成を促進するために、Ａｇ：Ｃｕの重量比率を７２：２８の共晶組成比にすることが望ましい。この共晶組成比を有するろう材の融点は約７８０℃であるため実際の接合温度は８００〜９００℃に設定される。

上記製法において、接合温度が８００℃未満と低い場合にはろう材が充分に溶融しないため、セラミックス基板と金属回路板との密着性が低下してしまう。一方、接合温度が９００℃を超えると接合面に脆弱な反応相が生成され易く、いずれにしても接合強度が低下してしまう。

ここで上記Ａｇ−Ｃｕ系ろう材中に、さらにＩｎ，Ｚｎ，ＣｄおよびＳｎから選択された少なくとも１種の成分が５〜２０重量％含有される場合には、ろう材の溶融温度が、６８０℃程度までに下がる結果、７００〜８００℃の低温度範囲で接合を行うことができる。

上記加熱接合操作により、ろう材を構成する活性金属等の成分とセラミックス基板成分とが反応する結果、厚さが２〜３μｍ程度でビッカース硬度が１１００以上の高硬度を有する反応生成層が形成される。例えば、Ｉｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材を使用してＡｌＮ基板とＣｕ回路板とを接合して回路基板を製造した場合には、ろう材層とＡｌＮ基板との界面に、ＴｉＮあるいは各成分が混在した（Ｔｉ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ａｌ）Ｎなどの金属間化合物から成る反応生成層が形成される。またろう材中に２〜７重量％のＮｂあるいはＴａを含ませると、これらの元素が反応生成層側に拡散して反応生成層の硬度を増加させる。特にＩｎを含有する金属間化合物の硬度値は他の化合物と比較して大きいため、反応生成層のビッカース硬度は、１１００〜１２００程度にまで増加する。

上記反応生成層の硬度はセラミックス回路基板の耐熱サイクル特性に大きな影響を及ぼし、本願発明ではビッカース硬度（Ｈｖ）で１１００以上に設定される。硬度が１１００未満の場合には、接合部におけるセラミックス基板の強度が不十分であり、熱サイクルが付加された時に生ずる応力によってクラックが容易に発生するため、回路基板の耐熱サイクル性を改善することは困難である。

本発明に係るセラミックス回路基板の製造方法によれば、ろう材成分とセラミックス基板成分とが反応して生成される反応生成層のビッカース硬度が１１００以上に設定されているため、接合部におけるセラミックス基板の強度を実質的に高めることができ、熱サイクルが付加された際に大きな熱応力が発生した場合においてもクラックを生じることが少ない。したがって耐熱サイクル特性が優れ、信頼性が高いセラミックス回路基板を提供することができる。

以上説明の通り、本発明に係るセラミックス回路基板の製造方法によれば、ろう材成分とセラミックス基板成分とが反応して生成される反応生成層のビッカース硬度を１１００以上に設定しているため、接合部におけるセラミックス基板の強度を実質的に高めることができ、熱サイクルが付加された際に大きな熱応力が発生した場合においてもクラックを生じることが少ない。したがって耐熱サイクル特性が優れ、信頼性が高いセラミックス回路基板を提供することができる。

次に本発明の実施の形態について、以下の実施例および添付図面を参照して説明する。

［実施例１〜９］
熱伝導率が１７０Ｗ／ｍ・Ｋであり、常圧焼結法によって製造した窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体を加工して、縦２９ｍｍ×横６３ｍｍ×厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮ基板と、厚さ０．３ｍｍのリン脱酸銅から成るＣｕ回路板（金属回路板）およびＣｕ板（金属板）とを多数調製した。さらに表１に示すような組成を有する各実施例用のペースト状のＡｇ−Ｃｕ系ろう材を調製し、このろう材をＡｌＮ基板の両面に印刷してＡｇ−Ｃｕ系ろう材層を形成し、このろう材層を介して、Ｃｕ回路板およびＣｕ板をそれぞれＡｌＮ基板表面に圧着した。この状態で各圧着体を加熱炉に収容し、１×１０^−４Ｔｏｒｒ以下の高真空中で、表１に示す接合温度に加熱し１０分間保持することにより、一体に接合し、図１に示すような実施例１〜９に係るセラミックス回路基板１をそれぞれ多数製造した。

図１に示すように、各実施例に係るセラミックス回路基板１は、ＡｌＮ基板２とＣｕ回路板３との間およびＡｌＮ基板２とＣｕ板（裏銅板）４との間に、Ａｇ−Ｃｕ系ろう材層５と反応生成層６とを介して一体に接合されて形成されている。上記反応生成層６はろう材に含有される成分とＡｌＮ基板２の成分とが反応して形成されたものである。上記回路基板１のＣｕ回路板３の所定位置に半田接合によって半導体素子（Ｓｉチップ）７が接合されて、半導体装置構成用のセラミックス回路基板が形成される。

［比較例１］
一方、比較例として表１に示す組成を有する従来のＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材ペーストを使用した点以外は実施例３と同一条件で各部材を一体に接合して比較例１に係るセラミックス回路基板を多数調製した。

［評価］
上記のように調製した各実施例および比較例に係る各セラミックス回路基板の耐久性および信頼性を評価するために下記のような熱衝撃試験（ヒートサイクル試験：ＴＣＴ）を実施し、回路基板におけるクラック発生状況を調査した。ヒートサイクル試験は、各回路基板を−４０℃で３０分間保持した後に室温（ＲＴ）まで昇温して１０分間保持し、しかる後に＋１２５℃に昇温して３０分間保持し、次に冷却して室温で１０分間保持するという昇温−降温サイクルを５００回繰り返して付加する条件で実施した。そして１００回毎のサイクル数終了後において試験試料を５個ずつ取り出しＦｅＣｌ_３溶液にてエッチング処理してＣｕ回路板およびろう材のＡｇ−Ｃｕ成分を除去することによってＡｌＮ基板上に生成されている反応生成層のビッカース硬度Ｈｖを測定した。また１００サイクル毎のＴＣＴ実施後に、ＥＤＴＡ（エチレンジアミン４酢酸）とＨ_２Ｏ_２とＮＨ_４ＯＨとから成るエッチング液を使用して上記反応生成層を除去し、各ＡｌＮ基板表面についてＰＴ（蛍光探傷試験）を実施してファインクラックの発生の有無を検査し、５個の試料のうちの少なくとも１個にクラックが発生したときのＴＣＴサイクル数を調査した。測定調査結果を下記表１に示す。

表１に示す結果から明らかなように、各実施例に係るセラミックス回路基板においては、反応生成層のビッカース硬度Ｈｖが１１００以上と高く、実質的にこの高硬度の反応生成層によってＡｌＮ基板強度が高まる結果、ＴＣＴにおいて少なくとも３００サイクルまではクラックが発生せず、耐熱サイクル特性に優れていることが確認できた。

ここで本実施例において使用したＡｌＮ基板（熱伝導率：１７０Ｗ／ｍ・Ｋ）自体のビッカース硬度は１２００〜１５００程度であり、各実施例の回路基板の反応生成層のビッカース硬度もほぼＡｌＮ基板本体の硬度と同等になっている。なお、加熱接合によって生じるＴｉＮのビッカース硬度Ｈｖは２０００以上となるはずであるが、実際にはＣｕあるいはＡｌを含有している影響でかなり低下するものと考えられる。

一方、比較例１に係るセラミックス回路基板においても、ＴｉＮから成る高硬度の反応生成層が形成されているはずであるが、実際には活性金属Ｔｉの拡散が十分ではないため、またＣｕまたはＡｌの混在により反応生成層の高硬度化が不十分であり、十分な耐熱サイクル特性が得られないことが判明した。

本発明に係るセラミックス回路基板の一実施例を示す断面図。

符号の説明

１ セラミックス回路基板（ＡｌＮ回路基板）
２ セラミックス基板（ＡｌＮ基板）
３ 金属回路板（Ｃｕ回路板）
４ 金属板（Ｃｕ板，裏銅板）
５ 銀−銅系ろう材層
６ 反応生成層
７ 半導体素子（Ｓｉチップ）

Claims (8)

1. Ｃｕを１５〜３５重量％含有すると共に、Ｉｎ，Ｚｎ，ＣｄおよびＳｎから選択される少なくとも１種の元素を５〜２０重量％含有し、さらにＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，ＮｂおよびＴａから選択される少なくとも１種の活性金属を０．５〜１０重量％含有する銀−銅系ろう材層を形成し、このろう材層を介して窒化物系セラミックス基板と金属回路板とを接合し、上記銀−銅系ろう材層と窒化物系セラミックス基板とが反応して生成される反応生成層のビッカース硬度を１１００以上とすることを特徴とするセラミックス回路基板の製造方法。
2. 前記銀−銅系ろう材層はＡｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｔｉ系ろう材層と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の製造方法。
3. 前記金属回路板を接合した側と反対側の窒化物系セラミックス基板表面に、上記銀−銅系ろう材層を介して金属板を接合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の製造方法。
4. 前記窒化物系セラミックス基板が、ビッカース硬度が１２００〜１５００の窒化アルミニウム基板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の製造方法。
5. 前記窒化物系セラミックス基板が窒化アルミニウム基板であり、前記ろう材層と窒化アルミニウム基板との界面に、ＴｉＮあるいは（Ｔｉ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ａｌ）Ｎである金属間化合物から成る反応生成層を形成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の製造方法。
6. 前記ろう材層を介して窒化物系セラミックス基板と金属回路板とを接合する際の加熱条件として、温度８００〜９００℃で１０〜１５分間保持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の製造方法。
7. 前記ろう材層を介して窒化物系セラミックス基板と金属回路板とを接合する際の加熱条件として、温度７００〜８００℃で１０〜１５分間保持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の製造方法。
8. 前記ろう材層の厚さを１５〜３５μｍに設定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の製造方法。

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