JP4584764B2 - セラミックス−金属複合回路基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は回路上の半導体素子からの発熱量を回路から効率よく除去できる
セラミックス−金属複合回路基板の製造方法を提供することを目的とする。

従来、セラミックス部材と金属部材とを接合する方法として、これらの両部材を直接接触させて接合する直接接合法やセラミックス部材と金属部材との間に中間層を介在させて接合する中間材法が実用化されている。このうち直接接合法としては、例えばアルミナ基板と銅板とを不活性雰囲気中において直接接触させ、これを加熱・冷却することにより接合体を得る方法（ＵＳＰ４８１１８９３号等）が知られている。

一方、中間材法としては、活性金属法やメタライズ法等があり、この内活性金属法は、ＴｉやＺｒ等の第ＩＶ族元素または第ＩＶ族元素を含む合金を中間材とし、この中間材をセラミックス部材と金属部材との間に挟んで接合する方法である。例えば、窒化ケイ素とステンレスとの接合においてはＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系合金をアルミナと銅との接合にはＣｕ−Ｔｉ系合金を中間材として用いていた。

然しながら、近年、半導体装置を含む電子機器のより小型化に伴い内部に設置される半導体素子自体の高集積化及び高出力化が求められ、この結果、動作時における半導体素子からの発熱量も増大するという問題が発生してきた。

本発明は上述のような従来の技術上の問題点を解決し、放熱性の劣化や重量の増大がなく、パターンサイズの変更や基板面積の増大を行なわなくとも熱抵抗を小さくする為回路用金属板とセラミックス基板との接合界面のボイド（空洞）を極力小さく抑え、半導体素子からの発熱量を効率よく逃し得る新規なセラミックス−金属複合回路基板の製造方法を開発することを目的とするものである。

本発明者等は斯かる課題を解決するために鋭意研究したところ、セラミックス基板と金属板との接合界面のボイド（空洞）率を制御することによって半導体素子からの発生熱を問題なく逃し得ることを見い出し、本発明を提供することができた。

即ち、本発明は、Ａｌ₂ Ｏ₃ ，ＡｌＮ，ＢｅＯ，ＳｉＣ，Ｓｉ₃ Ｎ₄ ，ＺｒＯ₂ から選択されるセラミックス基体の少なくとも一主面にＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂから選択される少なくとも１種以上の活性金属を含有するろう材ペーストを介して金属板を６００℃以上で少なくとも４時間加熱して、バインダー中のカーボンを除去し、半導体形成部における上記金属板の少なくとも接合界面における単位面積当りのボイド率を１．５％以下とする工程を有し、その後接合温度迄加熱し、該接合温度において上記基体と金属板とを接合することを特徴とするセラミックス−金属複合回路基板の製造方法である。

また、本発明は、Ａｌ ₂ Ｏ ₃ ，ＡｌＮ，ＢｅＯ，ＳｉＣ，Ｓｉ ₃ Ｎ ₄ ，ＺｒＯ ₂ から選択されるセラミックス基体の少なくとも一主面にＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂから選択される少なくとも１種以上の活性金属を含有するろう材ペーストを介して金属板を６５０℃以上で少なくとも２時間加熱して、バインダー中のカーボンを除去し、半導体形成部における上記金属板の少なくとも接合界面における単位面積当りのボイド率を１．５％以下とする工程を有し、その後接合温度迄加熱し、該接合温度において上記基体と金属板とを接合することを特徴とするセラミックス−金属複合回路基板の製造方法である。

本発明のセラミックス−金属複合回路基板の製造方法の開発により、同一の素材を用いて接合する場合においても、接合界面のボイド率を１．５％以下に制御することができた。これにより熱抵抗に優れた回路基板を低コストで製造でき、商業的価値の極めて高いものである。

本発明で用いられるセラミックス−金属複合回路基板は、セラミックス部材としてＡｌ₂ Ｏ₃ ，ＡｌＮ，ＢｅＯ，ＳｉＣ，Ｓｉ₃ Ｎ₄ ，ＺｒＯ₂ から選ばれる少なくとも１種の部材であり、一方、金属板としては銅、アルミニウム等の導電特性に優れた部材である。

本発明においては、活性金属としてＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂから選ばれる少なくとも１種を含有するＡｇ−Ｃｕ系ろう材を介して接合する。この場合、ろう材をペースト化して塗布する方法で行なわれる。

上記ろう材をペースト化するには、ろう材の混合粉末に有機溶剤（テルピネオール、ＢＣＡ、ＤＢＰ、メチルセルソルブ等）や有機結合剤（エチルセルソーズ等）を所定量配合してペーストとしている。このペーストをセラミックス基板上にスクリーン印刷してその上に金属板を接合するが、この場合、加熱炉中で加熱すると温度や時間によってバインダーの除去、特にバインダー中に含有されるカーボンの除去量に変化があることを発見した。

加熱炉中の温度域を５５０℃，６００℃，６５０℃と３段階に分けて夫々保持時間を変えたもののボイドを調べたところ、５５０℃での脱バインダー温度ではボイド径の大きいものが見られるのに対し、脱バインダー温度が上昇するに従ってこの径が小さくなり、更に同一温度でも保持時間を長くして脱バインダー処理を行なって、バインダー中のカーボンを除去すると同様にボイド径が小さくなり、結果として面積当たりのボイド率が低下することが測定できた。

以下実施例により本発明を更に詳細に説明するが、本発明の範囲は以下の実施例により制限されものではない。

金属部材として厚さ０．３ｍｍの回路側用の銅板と、厚さ０．２５ｍｍのヒートシンク側用の銅板とを用意し、セラミックス部材として３０×５０×０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム基板に予めＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系のペーストろう材をスクリーン印刷して乾燥したものを９枚用意した。

次いで、上記窒化アルミニウム基板を加熱炉中で加熱温度、保持時間を夫々変えて脱バインダー処理を行ない、バインダー中に含まれるカーボンを除去した後、更に８５０℃一定にして銅板を基板の上下面に接合した接合体を得、所定の回路形状にエッチング処理して目的とする金属−セラミックス複合回路基板を得た。

これらの金属−セラミックス複合回路基板のうち、Ｓｉチップ等の半導体素子を搭載する部分の回路用銅板と窒化アルミニウム基板とのろう材接合による接合界面を日立建機製の超音波探傷装置（ｍｉ−ｓｃｏｐｅ−ｉ）を用いてボイド最大径、１５ｃｍ² 当たりの径１００μｍ以上のボイド数及びボイド率を夫々測定し、これらの結果を表１に併せて示した。

測定後の複合基板の回路面に半導体素子としてＳｉチップを搭載して電力を通す試験を行なったところ、少なくとも６００℃以上で、２時間以上加熱処理してバインダー中のカーボンを除去したものがボイド率が１．５％以下であった。

Claims (2)

1. Ａｌ₂ Ｏ₃ ，ＡｌＮ，ＢｅＯ，ＳｉＣ，Ｓｉ₃ Ｎ₄ ，ＺｒＯ₂ から選択されるセラミックス基体の少なくとも一主面にＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂから選択される少なくとも１種以上の活性金属を含有するろう材ペーストを介して金属板を６００℃以上で少なくとも４時間加熱して、バインダー中のカーボンを除去し、半導体形成部における上記金属板の少なくとも接合界面における単位面積当りのボイド率を１．５％以下とする工程を有し、その後接合温度迄加熱し、該接合温度において上記基体と金属板とを接合することを特徴とするセラミックス−金属複合回路基板の製造方法。
2. Ａｌ ₂ Ｏ ₃ ，ＡｌＮ，ＢｅＯ，ＳｉＣ，Ｓｉ ₃ Ｎ ₄ ，ＺｒＯ ₂ から選択されるセラミックス基体の少なくとも一主面にＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂから選択される少なくとも１種以上の活性金属を含有するろう材ペーストを介して金属板を６５０℃以上で少なくとも２時間加熱して、バインダー中のカーボンを除去し、半導体形成部における上記金属板の少なくとも接合界面における単位面積当りのボイド率を１．５％以下とする工程を有し、その後接合温度迄加熱し、該接合温度において上記基体と金属板とを接合することを特徴とするセラミックス−金属複合回路基板の製造方法。