JP4467659B2

JP4467659B2 - Ceramic circuit board

Info

Publication number: JP4467659B2
Application number: JP08299899A
Authority: JP
Inventors: 隆之那波
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Materials Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Materials Co Ltd
Priority date: 1999-03-26
Filing date: 1999-03-26
Publication date: 2010-05-26
Anticipated expiration: 2019-03-26
Also published as: JP2000272977A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はセラミックス回路基板に係り、特に金属回路板の接合強度が高く、セラミックス基板の割れの発生が少なく、優れた耐熱サイクル特性を有するセラミックス回路基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パワートランジスタ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等の回路基板として、セラミックス基板上に銅板等の金属板を接合したセラミックス回路基板が広く使用されている。また、上記セラミックス基板としては、電気絶縁性を有すると共に、熱伝導性に優れた窒化アルミニウム基板や窒化けい素基板等が一般的に使用されている。
【０００３】
上述したような銅板で回路を構成したセラミックス回路基板１１は、例えば図４〜図６に示すようにセラミックス基板１２の一方の表面に金属回路板１３としての銅板を接合する一方、他方の表面に裏金属板１４としての銅板を接合して形成される。上記セラミックス基板１２表面に各種金属板や回路層を一体に形成する手法としては、下記のような直接接合法，高融点金属メタライズ法，活性金属法などが使用されている。直接接合法は、例えばセラミックス基板１２上に銅板を、Ｃｕ−Ｏ等の共晶液相を利用して直接接合する、いわゆる銅直接接合法（ＤＢＣ法：ＤｉｒｅｃｔＢｏｎｄｉｎｇＣｏｐｐｅｒ法）であり、高融点金属メタライズ法は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て回路層を一体に形成する方法である。また、活性金属法は、４Ａ族元素や５Ａ族元素のような活性金属を含むろう材層を介してセラミックス基板１２上に金属板を一体に接合する方法である。
【０００４】
また、具体的な回路の形成方法としては、予めプレス加工やエッチング加工によりパターニングした銅板を用いたり、接合後にエッチング等の手法によりパターニングする等の方法が知られている。これらＤＢＣ法や活性金属ろう付け法により得られるセラミックス回路基板は、いずれも単純構造で熱抵抗が小さく、大電流型や高集積型の半導体チップに対応できる等の利点を有している。
【０００５】
近年、セラミックス回路基板を使用した半導体装置の高出力化，半導体素子の高集積化が急速に進行し、セラミックス回路基板に繰り返して作用する熱応力や熱負荷も増加する傾向にあり、セラミックス回路基板に対しても上記熱応力や熱サイクルに対して十分な接合強度と耐久性や放熱性とが要求されている。
【０００６】
上記技術的要求に対応するため、最近では各種電子機器の構成部品として、７０Ｗ／ｍ・Ｋクラスの高熱伝導率を有する窒化けい素（Ｓｉ_３Ｎ_４）基板や１００〜１７０Ｗ／ｍ・Ｋクラスの高熱伝導率を有する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板に銅などの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使用され始めている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のセラミックス回路基板においては、セラミックス基板の種類や金属板の接合方法を改良することにより、ある程度の接合強度は得られていたが、耐熱サイクル性および抗折強度が十分に得られず、セラミックス回路基板を用いた半導体装置の信頼性や製品歩留りが低くなるという問題点があった。
【０００８】
すなわち、セラミックス回路基板に搭載する半導体素子の高集積化および高出力化に対応して熱サイクル負荷も大幅に上昇し、熱応力によって基板に割れが発生して回路基板の機能が喪失されてしまう問題点があった。また、上記窒化けい素基板を使用した車載用半導体モジュールなどにおいて、より過酷な熱負荷が作用した場合には、回路基板の接合強度および抗折強度（曲げ強度）が低下し、電子機器としての動作信頼性が低下する問題点があった。
【０００９】
一方、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板を使用した回路基板においては、ＡｌＮ材料自体が窒化けい素などと比較して曲げ強度および破壊靭性値が大幅に劣っているため、回路基板に大きな熱負荷が作用した場合、接合強度が低下するとともに銅回路板が剥離して放熱性が急減し、電子機器の動作信頼性が低下する問題点もあった。
【００１０】
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、高い接合強度および優れた耐熱サイクル特性に加えて、高い曲げ強度（抗折強度）を有し、大きな熱負荷が作用した場合においても割れや破壊を招くことなく、耐久性が優れたセラミックス回路基板を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本願発明者らは、特にセラミックス回路基板の接合強度を高め、使用時に発生する割れを防止するための構造を種々検討した。その結果、特にセラミックス基板の表面に酸化物層を形成しておき、その表面に活性金属を含有するろう材層を介して金属回路板を一体に接合したときに、金属回路板の剥離が少なく接合強度が高く、またセラミックス回路基板全体の曲げ強度を大きくすることができ、割れの発生が少ないセラミックス回路基板が得られるという知見を得た。
【００１２】
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、本発明に係るセラミックス回路基板は、表面全体に酸化物層を形成した窒化物セラミックス基板表面に、Ｔｉ，Ｚｒ，ＨｆおよびＮｂから選択される少なくとも１種の活性金属を含有するろう材層を介して金属回路板が一体に接合されており、上記酸化物層の厚さが１〜４μｍであり、上記窒化物セラミックス基板が窒化けい素焼結体または窒化アルミニウム焼結体から成ると共に、上記窒化物セラミックス基板の裏面に裏金属板が接合されていることを特徴とする。
【００１３】
また、窒化物セラミックス基板が窒化けい素（Ｓｉ_３Ｎ_４）焼結体から成り、上記酸化物層が酸化けい素（ＳｉＯ_２）および／または酸窒化けい素（ＳｉＯＮ）から成ることを特徴とする。さらに、窒化物セラミックス基板が窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体から成り、上記酸化物層を酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）および／または酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）から構成してもよい。
【００１４】
また、酸化物層の厚さは、１〜４μｍ、より好ましくは１〜３μｍの範囲であることが望ましい。さらに金属回路板は、銅回路板，またはニッケル回路板であることが好ましい。
【００１５】
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、窒化アルミニウム（ＡｌＮ），窒化けい素（Ｓｉ_３Ｎ_４），窒化チタン（ＴｉＮ）等の窒化物焼結体から成る窒化物系セラミックス基板が使用される。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。
【００１６】
また上記金属回路板を構成する金属としては、銅，ニッケル，アルミニウム，鉄，クロム，銀，モリブデン，コバルトの単体またはその合金，コバール合金など、活性金属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，ニッケル，アルミニウムまたはその合金が好ましい。
【００１７】
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。
【００１８】
上記のような金属回路板を、ろう材層を介してセラミックス基板表面に接合する場合、窒化アルミニウムや窒化けい素などの窒化物系セラミックス基板にそのままろう材を塗布してもろう材の基板に対する濡れ性や反応性が低いため、金属回路板の充分な接合強度が得られない。
【００１９】
そこで本発明に係るセラミックス回路基板においては、窒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および反応性を高めている。この酸化物層は上記窒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。
【００２０】
したがって、上記窒化物セラミックス基板が窒化けい素（Ｓｉ_３Ｎ_４）焼結体から成る場合には、酸化物層は窒化けい素（ＳｉＯ_２：シリカ）から構成される。このシリカから成る酸化物層は、Ｓｉ_３Ｎ_４基板本体と比較して曲げ強度は、かなり劣る反面、耐熱衝撃性は優れている。そのため、シリカから成る酸化物層を形成したＳｉ_３Ｎ_４基板自体の耐熱衝撃性が向上し、セラミックス基板自体に熱応力によるクラック（割れ）が生じにくくなる。また、ろう材中の活性金属成分は、窒化物セラミックス基板自体のＮ成分よりも酸化物層の酸素（Ｏ）成分と、より反応し易い性質があるため、金属回路板の接合強度も、より増加させることができる。
【００２１】
一方、上記窒化物セラミックス基板が窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体から成る場合には、酸化物層は窒化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３：アルミナ）から構成される。このアルミナから成る酸化物層は、ＡｌＮ基板本体と比較して曲げ強度はやや劣る反面、ビッカース硬度および破壊靭性値には優れている。またアルミナの線膨張係数は、ＡｌＮ基板と金属回路板とのほぼ中間に位置している。そのため、ＡｌＮ基板表面が酸化されてアルミナから成る酸化物層を形成すると、基板の硬度および靭性値が向上し、セラミックス基板自体にクラック（割れ）が生じにくくなると同時に、金属回路板とＡｌＮ基板との線膨張係数差に起因してＡｌＮ基板に発生する熱応力が緩和される。その結果、金属回路板の接合強度が増加し、熱負荷に対する耐クラック性（耐熱サイクル性）も大幅に向上させることができる。
【００２２】
上記酸化物層の厚さが０．５μｍ未満の場合には、上記濡れ性，耐熱衝撃性，機械的強度の改善効果が少ない一方、１０μｍ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１〜３μｍの範囲が望ましい。
【００２３】
本発明に係るセラミックス回路基板において、活性金属法によって金属回路板を接合する際に形成される活性金属ろう材層は、Ｔｉ，Ｚｒ，ＨｆおよびＮｂから選択される少なくとも１種の活性金属を含有し適切な組成比を有するＡｇ−Ｃｕ系ろう材等で構成され、このろう材組成物を有機溶媒中に分散して調製した接合用組成物ペーストをセラミックス基板表面にスクリーン印刷する等の方法で形成される。
【００２４】
上記接合用組成物ペーストの具体例としては、下記のようなものがある。すなわち重量％でＣｕを１５〜３５％，Ｔｉ，Ｚｒ，ＨｆおよびＮｂから選択される少なくとも１種の活性金属を１〜１０％、残部が実質的にＡｇから成る組成物を有機溶媒中に分散して調製した接合用組成物ペーストを使用するとよい。
【００２５】
上記活性金属はセラミックス基板に対するろう材の濡れ性および反応性を改善し接合強度を高めるための成分であり、特に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板に対して有効である。上記の活性金属の配合量は、接合用組成物全体に対して１〜１０重量％が適量である。
【００２６】
上記構成に係るセラミックス回路基板によれば、窒化物セラミックス基板の表面に所定の酸化物層を形成し、活性金属を含有するろう材層を介して金属回路板をセラミックス基板表面に一体に接合しているため、酸化物層によってセラミックス基板の硬度，耐熱衝撃性および靭性値が向上し、セラミックス基板自体にクラック（割れ）が生じにくくなると同時に、金属回路板とセラミックス基板との熱膨張係数差に起因してセラミックス基板に発生する応力が緩和される。その結果、金属回路板の接合強度が増加し、熱負荷に対する耐クラック性（耐熱サイクル性）も大幅に向上させることができる。そして、このセラミックス回路基板を使用することにより、割れの発生が少なく耐久性および動作信頼性に優れ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。
【００２７】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施形態について添付図面を参照して以下の実施例に基づいて、より具体的に説明する。
【００２８】
窒化物セラミックス基板として、図１〜図２に示す寸法を有し、熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・Ｋであり、厚さが０．６３５ｍｍである窒化けい素（Ｓｉ_３Ｎ_４）基板素材と、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍ・Ｋであり、厚さが０．６３５ｍｍである窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板素材とを同一焼成ロットから多数用意した。
【００２９】
一方、金属板として図１〜図３に示す形状および厚さを有し、Ｃｕ（無酸素銅），Ｎｉ，コバール合金（２８％Ｎｉ−１８Ｃｏ−Ｆｅ）の各金属材から成る金属回路板（厚さ０．３ｍｍ）および裏金属板（厚さ０．２５ｍｍ）をそれぞれ調製した。なお上記金属材は窒素ガス（Ｎ２）雰囲気中において温度４００℃でアニール処理を実施したものを使用した。
【００３０】
一方、重量比でＴｉ粉末を３％、Ｉｎ粉末を１０％、Ａｇ粉末を６２％、Ｃｕ粉末を２５％含有する粉末混合体１００重量部に対して、溶媒としてのテレピネオールにバインダーとしてのエチルセルロースを溶解したバインダー溶液を２０重量部添加して、擂回機で混合後、三段ロールで混練してペースト状の接合用組成物を調製した。
【００３１】
［実施例１〜６および実施例７〜１２］
表１および表２に示すように窒化けい素（Ｓｉ_３Ｎ_４）基板素材（実施例１〜６用）および窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板素材（実施例７〜１２用）を空気雰囲気の加熱炉内で温度１１００〜１３００℃で１２時間加熱することにより、基板全表面を酸化し、ＳｉＯ_２皮膜またはＡｌ_２Ｏ_３皮膜から成る厚さ１〜４μｍの酸化物層を形成した。酸化物層を形成したＳｉ_３Ｎ_４基板単体およびＡｌＮ基板単体の抗折強度を測定して、表１および表２に示す結果を得た。
【００３２】
次に上記のように酸化物層を形成した各Ｓｉ_３Ｎ_４基板およびＡｌＮ基板の両面に前記ペースト状接合用組成物を介在させて、それぞれ表１〜表２に示す金属回路板および裏金属板を接触配置して３層構造の積層体とし、この各積層体を加熱炉内に配置し、炉内を１．３×１０^−８ＭＰａの真空度に調整した後に温度８００℃にて１５分間加熱して図１〜図３に示すように、各セラミックス基板２に酸化物層５およびろう材層６を介して金属回路板３および裏金属板４を一体に接合して、多数の接合体を得た。そして各接合体についてエッチング処理を実施して所定の回路パターンを有する実施例１〜１２に係るセラミックス回路基板を調製した。
【００３３】
比較例１〜２
一方、Ｓｉ_３Ｎ_４基板素材に酸化処理を実施せず、酸化物層（ＳｉＯ_２皮膜）を形成しない点以外は、実施例１および実施例６と同様に活性金属法にてＳｉ_３Ｎ_４基板表面にＣｕ回路板（比較例１）またはＮｉ回路板（比較例２）を一体に接合して、それぞれそ比較例１〜２に係るセラミック回路基板を調製した。
【００３４】
比較例３〜４
一方、ＡｌＮ基板素材に酸化処理を実施せず、酸化物層（Ａｉ_２Ｏ_３皮膜）を形成しない点以外は、実施例７および実施例１２と同様に活性金属法にてＡｌＮ基板表面にＣｕ回路板（比較例３）またはＮｉ回路板（比較例４）を一体に接合して、それぞれそ比較例３〜４に係るセラミック回路基板を調製した。
【００３５】
こうして調製した各セラミックス回路基板１は、図１〜図３に模式的に示すようにセラミックス基板２の表面側に形成された酸化物層５およびろう材層６を介して金属回路板３が一体に接合される一方、背面側にも酸化物層５およびろう材層６を介して裏金属板４が一体に接合した構造を有する。
【００３６】
上記のように調製した各実施例および比較例に係るセラミックス回路基板について、金属回路板の接合強度をピール強度として測定するとともにセラミックス基板全体の抗折強度を測定して下記表１および表２に示す結果を得た。
【００３７】
【表１】

【００３８】
【表２】

【００３９】
上記表１および表２に示す結果から明らかなように、酸化物層を表面に形成したＳｉ_３Ｎ_４基板またはＡｌＮ基板に、活性金属を含有する銀ろう材を用いて金属回路板等を接合した各実施例に係るセラミックス回路基板においては、酸化物層を形成していないセラミックス基板を用いた比較例１〜４に係るセラミックス回路基板と比較して、金属回路板の接合強度（ピール強度）および抗折強度が大幅に増加し、割れに対して優れた耐性が発揮されることが判明した。
【００４０】
また各実施例および比較例に係る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、各回路基板を−４０℃で３０分間保持し、次に室温（ＲＴ：２５℃）で１０分間保持し、さらに１２５℃で３０分間保持し、さらに室温で１０分間保持するという加熱・冷却操作を１サイクルとするヒートサイクル試験（熱衝撃試験）を繰り返して実施し、回路基板の耐クラック性を測定した。その結果を表１，２に健全率η（％）として併記した。ここで健全率ηとは、ファインクラックが発生し得る基板上の金属回路板の周辺長の合計をＬｏ，ヒートサイクル試験により実際に発生したファインクラックの長さの合計をＬとした際に、
【数１】

で表わされる。すなわち、健全率ηが１００％ではファインクラックは全く発生しておらず、ηが１００％より小さくなるに従ってファインクラックが増加することを示す指数である。
【００４１】
表１，２に示す結果から、同一材料から成るセラミックス回路基板同士を比較すると、明らかに実施例は比較例よりファインクラックの発生量が少ないことを示している。
【００４２】
このように、表面に酸化物層を形成したセラミックス基板を用いた各実施例に係るセラミックス回路基板においては、酸化物層によって熱衝撃が緩和され、またセラミックス基板と金属回路板との熱膨張差が緩和されるため、セラミックス基板と金属回路板等との接合端の角部における集中残留応力が小さくなり、熱負荷に対する耐クラック性（耐熱サイクル特性）が大幅に向上することが判明した。
【００４３】
【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、窒化物セラミックス基板の表面に所定の酸化物層を形成し、活性金属を含有するろう材層を介して金属回路板をセラミックス基板表面に一体に接合しているため、酸化物層によってセラミックス基板の硬度，耐熱衝撃性および靭性値が向上し、セラミックス基板自体にクラック（割れ）が生じにくくなると同時に、金属回路板とセラミックス基板との熱膨張係数差に起因してセラミックス基板に発生する応力が緩和される。その結果、金属回路板の接合強度が増加し、熱負荷に対する耐クラック性（耐熱サイクル性）も大幅に向上させることができる。そして、このセラミックス回路基板を使用することにより、割れの発生が少なく耐久性および動作信頼性に優れ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。
【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一実施例を模式的に示す平面図。
【図２】図１に示すセラミックス回路基板の断面図。
【図３】図１に示すセラミックス回路基板の底面図。
【図４】従来のセラミックス回路基板の平面図。
【図５】図４に示す従来のセラミックス回路基板の断面図。
【図６】図４に示す従来のセラミックス回路基板の底面図。
【符号の説明】
１，１１セラミックス回路基板
２，１２セラミックス基板
３，１３金属回路板（銅回路板）
４，１４裏金属板（裏銅板）
５酸化物層（ＳｉＯ_２皮膜，Ａｌ_２Ｏ_３皮膜）
６ろう材層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a ceramic circuit board, in particular a high bonding strength of the metal circuits plate, less cracking of the ceramic substrate, to a ceramic circuit board having an excellent heat cycle properties.
[0002]
[Prior art]
In recent years, ceramic circuit boards obtained by bonding a metal plate such as a copper plate on a ceramic substrate have been widely used as circuit boards such as a power transistor module substrate and a switching power supply module substrate. Further, as the ceramic substrate, an aluminum nitride substrate, a silicon nitride substrate, or the like that has electrical insulation and excellent thermal conductivity is generally used.
[0003]
The ceramic circuit board 11 having a circuit formed of a copper plate as described above, for example, joins a copper plate as the metal circuit board 13 to one surface of the ceramic substrate 12 as shown in FIGS. It is formed by bonding a copper plate as the back metal plate 14. As a method for integrally forming various metal plates and circuit layers on the surface of the ceramic substrate 12, the following direct bonding method, refractory metal metallization method, active metal method and the like are used. The direct bonding method is a so-called copper direct bonding method (DBC method: Direct Bonding Copper method) in which, for example, a copper plate is directly bonded onto the ceramic substrate 12 using a eutectic liquid phase such as Cu-O, and has a high melting point. The metal metallization method is a method in which a circuit layer is integrally formed by baking a refractory metal such as Mo or W onto the surface of a ceramic substrate. The active metal method is a method in which a metal plate is integrally joined to the ceramic substrate 12 through a brazing material layer containing an active metal such as a group 4A element or a group 5A element.
[0004]
Further, as a specific circuit forming method, there are known methods such as using a copper plate previously patterned by pressing or etching, or patterning by a method such as etching after bonding. These ceramic circuit boards obtained by the DBC method and the active metal brazing method all have advantages such as a simple structure, low thermal resistance, and compatibility with large-current and highly integrated semiconductor chips.
[0005]
In recent years, high output of semiconductor devices using ceramic circuit boards and high integration of semiconductor elements have progressed rapidly, and thermal stress and thermal load that repeatedly act on ceramic circuit boards tend to increase. Ceramic circuit boards However, sufficient bonding strength, durability, and heat dissipation are required for the thermal stress and thermal cycle.
[0006]
In order to meet the above technical requirements, recently, silicon nitride (Si ₃ N ₄ ) substrates having a high thermal conductivity of 70 W / m · K class and 100 to 170 W / m · K class are used as components of various electronic devices. ceramics circuit board joined together metal circuitry plate such as is beginning to be widely used in the high thermal conductivity of aluminum nitride having a (AlN) copper substrate.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in conventional ceramic circuit boards, a certain degree of bonding strength has been obtained by improving the type of ceramic substrate and the method of bonding metal plates, but sufficient heat cycle resistance and bending strength cannot be obtained. However, there is a problem in that the reliability and product yield of a semiconductor device using a ceramic circuit board are lowered.
[0008]
That is, the thermal cycle load also increases significantly in response to the higher integration and higher output of the semiconductor elements mounted on the ceramic circuit board, and the circuit board functions are lost due to cracks generated by the thermal stress. There was a problem. In addition, in a vehicle-mounted semiconductor module using the above silicon nitride substrate, when a severer thermal load is applied, the bonding strength and bending strength (bending strength) of the circuit substrate are reduced, and the electronic device There was a problem that operation reliability was lowered.
[0009]
On the other hand, in a circuit board using an aluminum nitride (AlN) substrate, since the AlN material itself is significantly inferior in bending strength and fracture toughness compared to silicon nitride or the like, a large thermal load acts on the circuit board. In such a case, there is a problem in that the bonding strength is lowered and the copper circuit board is peeled off to rapidly reduce the heat dissipation property, and the operation reliability of the electronic device is lowered.
[0010]
The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems. In addition to high bonding strength and excellent heat cycle characteristics, the present invention has high bending strength (bending strength) and a large heat load acts. Another object of the present invention is to provide a ceramic circuit board having excellent durability without causing cracks or destruction.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the inventors of the present application have studied various structures for increasing the bonding strength of the ceramic circuit board and preventing cracks occurring during use. As a result, particularly when an oxide layer is formed on the surface of the ceramic substrate and the metal circuit board is integrally bonded to the surface via the brazing filler metal layer containing the active metal, the metal circuit board is hardly peeled off. It has been found that a ceramic circuit board can be obtained that has high bonding strength, can increase the bending strength of the entire ceramic circuit board, and is less susceptible to cracking.
[0012]
The present invention has been completed based on the above findings. That is, the ceramic circuit board according to the present invention has a brazing filler metal layer containing at least one active metal selected from Ti, Zr, Hf and Nb on the surface of a nitride ceramic substrate having an oxide layer formed on the entire surface. A metal circuit board is integrally joined through the oxide layer, the oxide layer has a thickness of 1 to 4 μm, and the nitride ceramic substrate is made of a silicon nitride sintered body or an aluminum nitride sintered body, A back metal plate is bonded to the back surface of the nitride ceramic substrate.
[0013]
Further, the nitride ceramic substrate is made of a silicon nitride (Si ₃ N ₄ ) sintered body, and the oxide layer is made of silicon oxide (SiO ₂ ) and / or silicon oxynitride (SiON). To do. Further, a nitride ceramic substrate made of aluminum nitride (AlN) sintered body, may constitute the oxide layer of aluminum oxide _(Al 2 _{O 3)} and / or aluminum oxynitride (AlON).
[0014]
The thickness of the oxide layer is desirably in the range of 1 to 4 μm, more preferably 1 to 3 μm. Furthermore, the metal circuit board is preferably a copper circuit board or a nickel circuit board.
[0015]
As the ceramic substrate used for the ceramic circuit board according to the present invention, nitride ceramics comprising a nitride sintered body such as aluminum nitride (AlN), silicon nitride (Si ₃ N ₄ ), titanium nitride (TiN), etc. A substrate is used. These ceramic substrates may contain a sintering aid such as yttrium oxide.
[0016]
The metal constituting the metal circuit board is not particularly limited as long as it is a metal to which the active metal method can be applied, such as a simple substance of copper, nickel, aluminum, iron, chromium, silver, molybdenum, cobalt, an alloy thereof, or Kovar alloy. However, copper, nickel, aluminum, or an alloy thereof is particularly preferable from the viewpoint of conductivity and cost.
[0017]
The thickness of the metal circuit board is determined in consideration of the current-carrying capacity and the like. The thickness of the ceramic circuit board is in the range of 0.25 to 1.2 mm, while the thickness of the metal circuit board is 0.1 to 1.2 mm. When both are set in the range of 0.5 mm, they are less susceptible to deformation due to thermal expansion differences.
[0018]
When a metal circuit board as described above is bonded to the surface of a ceramic substrate through a brazing material layer, the brazing material can be applied to the brazing material substrate even if the brazing material is directly applied to a nitride ceramic substrate such as aluminum nitride or silicon nitride. Since the wettability and reactivity are low, sufficient bonding strength of the metal circuit board cannot be obtained.
[0019]
Therefore, in the ceramic circuit board according to the present invention, an oxide layer is formed in advance on the surface of the nitride-based ceramic substrate to enhance wettability and reactivity with the substrate. This oxide layer is formed by heating the nitride-based ceramic substrate at a temperature of about 1000 to 1400 ° C. for 2 to 15 hours in an oxidizing atmosphere such as air.
[0020]
Therefore, when the nitride ceramic substrate is made of a silicon nitride (Si ₃ N ₄ ) sintered body, the oxide layer is made of silicon nitride (SiO ₂ : silica). The oxide layer made of silica is considerably inferior in bending strength to the Si ₃ N ₄ substrate body, but has excellent thermal shock resistance. Therefore, the thermal shock resistance of the Si ₃ N ₄ substrate itself on which the oxide layer made of silica is formed is improved, and cracks due to thermal stress are less likely to occur in the ceramic substrate itself. In addition, since the active metal component in the brazing material has a property of being more easily reacted with the oxygen (O) component of the oxide layer than the N component of the nitride ceramic substrate itself, the bonding strength of the metal circuit board is also improved. Can be increased.
[0021]
On the other hand, when the nitride ceramic substrate is made of an aluminum nitride (AlN) sintered body, the oxide layer is made of aluminum nitride (Al ₂ O ₃ : alumina). The oxide layer made of alumina is slightly inferior in bending strength to the AlN substrate body, but has excellent Vickers hardness and fracture toughness values. Further, the linear expansion coefficient of alumina is located approximately in the middle between the AlN substrate and the metal circuit board. Therefore, when the surface of the AlN substrate is oxidized to form an oxide layer made of alumina, the hardness and toughness value of the substrate is improved, and the ceramic substrate itself is less likely to be cracked. At the same time, the metal circuit board and the AlN substrate The thermal stress generated in the AlN substrate due to the difference in linear expansion coefficient is relaxed. As a result, the bonding strength of the metal circuit board is increased, and the crack resistance against heat load (heat cycle resistance) can be greatly improved.
[0022]
When the thickness of the oxide layer is less than 0.5 μm, the effect of improving the wettability, thermal shock resistance, and mechanical strength is small, but the improvement effect is saturated even when the thickness is increased to exceed 10 μm. Therefore, the thickness of the oxide layer needs to be in the range of 0.5 to 10 μm, and more preferably in the range of 1 to 3 μm.
[0023]
In the ceramic circuit board according to the present invention, the active metal brazing material layer formed when the metal circuit boards are joined by the active metal method contains at least one active metal selected from Ti, Zr, Hf and Nb. It is composed of an Ag—Cu brazing material or the like having an appropriate composition ratio, and a bonding composition paste prepared by dispersing the brazing material composition in an organic solvent is screen-printed on the surface of the ceramic substrate. It is formed.
[0024]
Specific examples of the bonding composition paste include the following. That is, a composition consisting of 15 to 35% by weight of Cu, 1 to 10% of at least one active metal selected from Ti, Zr, Hf and Nb and the balance substantially consisting of Ag is dispersed in an organic solvent. A bonding composition paste prepared in this manner may be used.
[0025]
The active metal is a component for improving the wettability and reactivity of the brazing material to the ceramic substrate and increasing the bonding strength, and is particularly effective for an aluminum nitride (AlN) substrate. An appropriate amount of the active metal is 1 to 10% by weight based on the entire bonding composition.
[0026]
According to the ceramic circuit board according to the above configuration, a predetermined oxide layer is formed on the surface of the nitride ceramic substrate, and the metal circuit board is integrally bonded to the surface of the ceramic substrate via the brazing filler metal layer containing the active metal. Therefore, the oxide layer improves the hardness, thermal shock resistance and toughness of the ceramic substrate, making it difficult for cracks to occur in the ceramic substrate itself, and at the same time increasing the difference in thermal expansion coefficient between the metal circuit board and the ceramic substrate. As a result, the stress generated in the ceramic substrate is relieved. As a result, the bonding strength of the metal circuit board is increased, and the crack resistance against heat load (heat cycle resistance) can be greatly improved. By using this ceramic circuit board, it becomes possible to mass-produce semiconductor devices with less cracking and excellent durability and operational reliability at a high production yield.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described more specifically based on the following examples with reference to the accompanying drawings.
[0028]
As a nitride ceramic substrate, a silicon nitride (Si ₃ N ₄ ) substrate material having the dimensions shown in FIGS. 1 to 2, a thermal conductivity of 70 W / m · K, and a thickness of 0.635 mm; Many aluminum nitride (AlN) substrate materials having a thermal conductivity of 170 W / m · K and a thickness of 0.635 mm were prepared from the same firing lot.
[0029]
On the other hand, it has a shape and thickness 1 to 3 as a metal plate, Cu (oxygen-free copper), Ni, metal circuitry plate made from each metallic material Kovar alloy (28% Ni-18Co-Fe ) (Thickness 0.3 mm) and back metal plate (thickness 0.25 mm) were prepared. In addition, the said metal material used what annealed at 400 degreeC in nitrogen gas (N2) atmosphere.
[0030]
On the other hand, with respect to 100 parts by weight of a powder mixture containing 3% of Ti powder, 10% of In powder, 62% of Ag powder and 25% of Cu powder, ethyl cellulose as a binder is added to terpineol as a solvent. 20 parts by weight of the dissolved binder solution was added, mixed with a winding machine, and then kneaded with a three-stage roll to prepare a paste-like bonding composition.
[0031]
[Examples 1 to 6 and Examples 7 to 12]
As shown in Tables 1 and 2, a silicon nitride (Si ₃ N ₄ ) substrate material (for Examples 1 to 6) and an aluminum nitride (AlN) substrate material (for Examples 7 to 12) are heated in an air atmosphere. by heating at a temperature 1100 to 1300 ° C. 12 hours at an internal oxidizes the substrate entire surface to form an oxide layer having a thickness of. 1 to 4 [mu] m made of SiO ₂ film or _Al 2 _{O 3} film. The bending strength of the Si ₃ N ₄ substrate alone and the AlN substrate alone on which the oxide layer was formed was measured, and the results shown in Table 1 and Table 2 were obtained.
[0032]
Next, the metal circuit board and the back metal shown in Tables 1 and 2 are respectively provided by interposing the paste-like bonding composition on both surfaces of each Si ₃ N ₄ substrate and AlN substrate on which the oxide layer is formed as described above. The plates were placed in contact with each other to form a laminate having a three-layer structure. Each laminate was placed in a heating furnace, and the inside of the furnace was adjusted to a vacuum of 1.3 × 10 ⁻⁸ MPa. 1 to 3, the metal circuit board 3 and the back metal board 4 are integrally joined to each ceramic substrate 2 via the oxide layer 5 and the brazing material layer 6 as shown in FIGS. Got the body. And the ceramic circuit board which concerns on Examples 1-12 which performed the etching process about each joined body and has a predetermined | prescribed circuit pattern was prepared.
[0033]
Comparative Examples 1-2
On the other hand, _Si 3 _{N 4} does not carry out the oxidation process on a substrate material, except that it does not form an oxide layer (SiO ₂ film), _Si 3 _{N 4} by the same active metal method as in Example 1 and Example 6 A Cu circuit board (Comparative Example 1) or an Ni circuit board (Comparative Example 2) was integrally joined to the substrate surface to prepare ceramic circuit boards according to Comparative Examples 1 and 2, respectively.
[0034]
Comparative Examples 3-4
On the other hand, the AlN substrate material is not oxidized and the oxide layer (Ai ₂ O ₃ film) is not formed. A circuit board (Comparative Example 3) or a Ni circuit board (Comparative Example 4) was joined together to prepare ceramic circuit boards according to Comparative Examples 3 to 4, respectively.
[0035]
Each ceramic circuit board 1 prepared in this way is integrated with the metal circuit board 3 through an oxide layer 5 and a brazing material layer 6 formed on the surface side of the ceramic substrate 2 as schematically shown in FIGS. On the other hand, the back metal plate 4 is integrally bonded to the back side through the oxide layer 5 and the brazing material layer 6.
[0036]
For the ceramic circuit boards according to the examples and comparative examples prepared as described above, the bonding strength of the metal circuit board was measured as the peel strength, and the bending strength of the entire ceramic substrate was measured. The results shown are obtained.
[0037]
[Table 1]

[0038]
[Table 2]

[0039]
As is clear from the results shown in Tables 1 and 2, a metal circuit board or the like is bonded to a Si ₃ N ₄ substrate or AlN substrate having an oxide layer formed on the surface using a silver brazing material containing an active metal. In the ceramic circuit board according to each of the examples, the bonding strength (peel strength) of the metal circuit board compared to the ceramic circuit boards according to Comparative Examples 1 to 4 using the ceramic substrate in which the oxide layer is not formed. It was also found that the bending strength is greatly increased and excellent resistance to cracking is exhibited.
[0040]
In order to evaluate the durability and reliability of the ceramic circuit boards according to the examples and comparative examples, each circuit board is held at −40 ° C. for 30 minutes, and then held at room temperature (RT: 25 ° C.) for 10 minutes. Repeated heat cycle test (thermal shock test) with one cycle of heating and cooling operations of holding at 125 ° C for 30 minutes and further holding at room temperature for 10 minutes to measure crack resistance of circuit boards did. The results are shown in Tables 1 and 2 as the soundness rate η (%). Here, the soundness ratio η is Lo when the total peripheral length of the metal circuit board on the substrate where fine cracks can occur, and when the total length of fine cracks actually generated by the heat cycle test is L.
[Expression 1]

It is represented by That is, it is an index indicating that fine cracks are not generated at all when the soundness rate η is 100%, and that fine cracks increase as η becomes smaller than 100%.
[0041]
From the results shown in Tables 1 and 2, when ceramic circuit boards made of the same material are compared with each other, the example clearly shows that the amount of fine cracks generated is smaller than that of the comparative example.
[0042]
As described above, in the ceramic circuit board according to each example using the ceramic substrate having the oxide layer formed on the surface, the thermal shock is mitigated by the oxide layer, and the thermal expansion difference between the ceramic substrate and the metal circuit board is reduced. Therefore, it has been found that the concentrated residual stress at the corner of the joint end between the ceramic substrate and the metal circuit board is reduced, and the crack resistance (heat cycle characteristics) against heat load is greatly improved.
[0043]
【The invention's effect】
As described above, according to the ceramic circuit board according to the present invention, a predetermined oxide layer is formed on the surface of the nitride ceramic substrate, and the metal circuit board is placed on the surface of the ceramic substrate through the brazing filler metal layer containing the active metal. Since the oxide layer improves the hardness, thermal shock resistance and toughness of the ceramic substrate, the ceramic substrate itself is less likely to crack, and at the same time, the metal circuit board and the ceramic substrate Stress generated in the ceramic substrate due to the difference in thermal expansion coefficient is relieved. As a result, the bonding strength of the metal circuit board is increased, and the crack resistance against heat load (heat cycle resistance) can be greatly improved. By using this ceramic circuit board, it becomes possible to mass-produce semiconductor devices with less cracking and excellent durability and operational reliability at a high production yield.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view schematically showing one embodiment of a ceramic circuit board according to the present invention.
2 is a cross-sectional view of the ceramic circuit board shown in FIG.
3 is a bottom view of the ceramic circuit board shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 4 is a plan view of a conventional ceramic circuit board.
5 is a cross-sectional view of the conventional ceramic circuit board shown in FIG.
6 is a bottom view of the conventional ceramic circuit board shown in FIG. 4. FIG.
[Explanation of symbols]
1,11

Ceramic circuit board

2,12

Ceramic substrate

3,13 Metal circuit board (copper circuit board)
4,14 Back metal plate (back copper plate)
5 Oxide layer (SiO ₂ film, Al ₂ O ₃ film)
6 Brazing material layer

Claims

A metal circuit board is integrally bonded to the surface of a nitride ceramic substrate having an oxide layer formed on the entire surface via a brazing material layer containing at least one active metal selected from Ti, Zr, Hf and Nb. The oxide layer has a thickness of 1 to 4 μm, the nitride ceramic substrate is made of a silicon nitride sintered body or an aluminum nitride sintered body, and a back metal plate is formed on the back surface of the nitride ceramic substrate. Ceramic circuit board, characterized in that is bonded.

_2. The ceramic circuit board according to claim 1, wherein the nitride ceramic substrate is made of a sintered silicon nitride (Si ₃ N ₄ ), and the oxide layer is made of silicon oxide (SiO ₂ ).

_2. The ceramic circuit board according to claim 1, wherein the nitride ceramic substrate is made of an aluminum nitride (AlN) sintered body, and the oxide layer is made of aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ).

The ceramic circuit board according to claim 1, wherein the oxide layer has a thickness of 1 to 3 μm.

2. The ceramic circuit board according to claim 1, wherein the metal circuit board is a copper circuit board.

2. The ceramic circuit board according to claim 1, wherein the metal circuit board is a nickel circuit board.

2. The ceramic circuit board according to claim 1, wherein the oxide layer is formed by heating the nitride ceramic substrate in an oxidizing atmosphere.

2. The ceramic circuit board according to claim 1, wherein the nitride ceramic substrate has a thickness of 0.25 to 1.2 mm, and the metal circuit board has a thickness of 0.1 to 0.5 mm. .