JP4688706B2

JP4688706B2 - 放熱基板およびこれを用いた半導体装置

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Publication number: JP4688706B2
Application number: JP2006069474A
Authority: JP
Inventors: 裕一阿部; 清隆中村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2006-01-27
Filing date: 2006-03-14
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2026-03-14
Also published as: JP2007227867A

Description

本発明は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）素子等の半導体素子、昇華型サーマルプリンターヘッド用基板、面型発熱ヒーター支持基板、サーマルインクジェットプリンターヘッドのヒーター支持基板等の放熱効率を高める目的に用いられる放熱基板と、これを用いた半導体装置に関する。

近年、パワートランジスタモジュールやスイッチング電源モジュール等のパワーモジュールに代表される半導体装置の放熱基板として、例えば図６（ａ）〜（ｃ）にその平面図および断面図を示すように、セラミック基板６２の一方の主面上に回路基板である銅板６３を接合し、他方の表面に放熱性の良好な銅板６４を接合して構成された放熱基板６１が広く用いられており、この銅板６４には、セラミック基板６２と反対側に熱をさらに拡散させるためのヒートシンク（不図示）が取り付けられる。

最近では、このような放熱基板におけるセラミック基板として特許文献１〜３で示されているように電気絶縁性を有するとともに熱伝導性に優れた窒化珪素基板が一般的に使用されるようになっている。窒化珪素基板６２に銅板６３，６４を接合する手法としては、直接接合法、高融点金属メタライズ法、活性金属法等が用いられる。

直接接合法とは、予め１０００℃以上に加熱して表面を酸化させた窒化珪素基板６２上に、所定形状に打ち抜いて回路を形成した銅板６３を配置して加熱し、銅板６３が窒化珪素基板６２と接触する界面に、窒化珪素基板６２との濡れ性が高いＣｕ−Ｃｕ_２Ｏ、Ｃｕ−Ｏ等の共晶液相を生成させた後、共晶液相を冷却固化させることにより、窒化珪素基板６２と銅板６３とを直接接合する、いわゆる銅直接接合法（ＤＢＣ法：ＤｉｒｅｃｔＢｏｎｄｉｎｇＣｏｐｐｅｒ法）である。また、高融点金属メタライズ法は、モリブデン（Ｍｏ）やタングステン（Ｗ）等の高融点金属を窒化珪素基板６２の表面に１４００〜１６００℃で焼き付けて銅板６３，６４を一体に形成する方法である。さらに、活性金属法は、図６（ｂ）のＢ部を拡大した断面図である図６（ｃ）に示すように、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）などの４族元素のような活性を有する金属を含むＡｇ−Ｃｕロウ材層（以下、単にロウ材層と称す。）６５を介して窒化珪素基板６２に銅板６３，６４を８００〜９００℃に加熱して接合する方法である。この活性金属法によれば、ロウ材層６５は銅（Ｃｕ）および銀（Ａｇ）の主成分により銅板６３，６４との接合強度を高められるとともに、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）成分により窒化珪素基板６２との接合強度も高められる。

なお、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て回路を形成した銅板を用いたり、接合後にエッチング、レーザー等によりパターニングしたりする方法が知られている。

これら直接接合法や活性金属法により得られる放熱基板６１は、いずれも窒化珪素基板６２と銅板６３，６４との接合強度が高く、単純な構造を有するため、高実装化が可能であり、また製造工程も短縮できるといった効果が得られ、大電流型や高集積型の半導体素子に対応できるといった利点を有している。
特開平６−２１６４８１号公報特開２００１−９４０１６号公報特開２００２−２０１０７６号公報

しかしながら、特許文献１〜３で提案された放熱基板６１は、どれも８００℃以上の高温で加熱して窒化珪素基板６２に銅板６３，６４を接合しているため、接合時に熱応力が発生し、冷却の過程で放熱基板６１が反りやすいという問題を有していた。

また、放熱基板６１の放熱特性を向上させるために銅板６３，６４の厚みを大きくしようとした場合、上述の熱応力がより大きくなり、反りが大きくなりやすく、放熱特性の高い放熱基板６１を得ることができないという問題があった。

さらに、近年、上述のような放熱基板６１を使用した半導体装置の高出力化に伴って半導体素子の高集積化は急速に進行し、放熱基板６１に繰り返し与えられる熱応力は増加する傾向にあるが、このような熱応力に対して十分な耐久性を備えた放熱基板とは言えなかった。

本発明は、上述のような課題を解決するためのものであって、放熱特性が良好であるとともに、クラックの発生がない耐久性を備えた放熱基板を提供するものである。

本発明の放熱基板は、窒化珪素質焼結体から成る窒化珪素基板と、該窒化珪素基板の両
主面上に活性金属層を介して銅または銅合金を主成分とする銅板を接合してなる放熱基板であって、前記活性金属層および前記銅板との間に、活性金属層側より、銅を主成分とする結合層と、Ａｕ，Ｐｔ，Ａｇ，ＩｎおよびＳｎのいずれかの金属よりなる第１の薄層および第２の薄層とを備えたことを特徴とするものである。

さらに、前記第１の薄層を形成する金属と、第２の薄層を形成する金属とが同じ金属であることを特徴とする。

またさらに、前記第１の薄層および第２の薄層の互いに対向する面は、算術平均高さＲａが０．０５μｍ以下であることを特徴とする。

また、銅板を平面透視した際の前記銅板の端部が結合層の端部より内側に位置することを特徴とするものである。

さらに、銅板を平面透視した際の一方の銅板の端部が他方の銅板の端部より内側に位置することを特徴とするものである。

またさらに、前記結合層は、そのビッカース硬度がＨｖ０．５ＧＰａ以下であることを特徴とするものである。

さらにまた、前記一方の銅板は、回路が形成された回路基板であることを特徴とするものである。

また、本発明の半導体装置は、放熱基板における回路基板に半導体素子を接続したことを特徴とするものである。

本発明の放熱基板は、窒化珪素質焼結体から成る窒化珪素基板と、該窒化珪素基板の両主面上に活性金属層を介して銅または銅合金を主成分とする銅板を接合してなる放熱基板であって、前記活性金属層および銅板との間に銅を主成分とする結合層を備えたことから、結合層の主成分である銅または銅合金の拡散作用により３００〜５００℃の低温で接合することができるため、銅直接接合法、高融点金属メタライズ法、活性金属法等で接合した場合より、接合時に銅板に生じる反りが小さくなるので、銅板の厚みを大きくすることができる。銅板の厚みの大きな放熱基板は、放熱特性を高くすることができ、場合によってはヒートシンクの取り付けも不要にすることができる。

また、前記活性金属層および前記銅板との間に、活性金属層側より、銅を主成分とする結合層と、Ａｕ，Ｐｔ，ＡｇおよびＩｎのいずれかの金属よりなる第１の薄層および第２の薄層とを備えているので、これら金属の銅板および結合層に対する拡散作用と、銅板の主成分である銅または銅合金の第１の薄層および第２の薄層に対する拡散作用により１８０〜３００℃の低温で接合することができる。

また、前記第１の薄層および第２の薄層がＳｎからなる場合、Ｓｎは柔らかく、変形しやすいため、結合層および銅板となじみやすい上、銅または銅合金の第１の薄層および第２の薄層に対する拡散作用により１８０〜３００℃の低温で接合することができる。

以上のことから、銅直接接合法、高融点金属メタライズ法、活性金属法等で接合した場合より、接合時に銅板に生じる反りが小さくなるので、銅板の厚みを大きくすることができる。銅板の厚みの大きな放熱基板は、放熱特性を高くすることができ、場合によってはヒートシンクの取り付けも不要にすることができる。

また、第１の薄層を形成する金属と、第２の薄層を形成する金属とが同じ金属である場合、第１の薄層を形成する金属は第２の薄層に、第２の薄層を形成する金属は第１の薄層に拡散しやすくなるため、より低温で接合できるので、反りが小さく、しかも接合強度の高い放熱基板とすることができる。

さらに、第１の薄層および第２の薄層の互いに対向する面は、その算術平均高さＲａを０．０５μｍ以下にすることで、対向する面同士が互いになじみ、これら薄層を形成する金属はより容易に拡散するため、放熱基板の反りを小さくできるとともに、接合強度を高くすることができる。

また、銅板を平面透視した際の前記銅板の端部が結合層の端部より内側に位置することから、銅板の端面に加熱接合後の冷却工程で発生する応力が結合層内で分散されるように作用するため、窒化珪素基板に発生する応力は減少し、反りの小さい放熱基板とすることができる。

さらに、銅板を平面透視した際の一方の銅板の端部が他方の銅板の端部より内側に位置することから、外側に位置する銅板の端部には引張り応力が作用しないため、両方の銅板の厚みが大きい場合でも、クラックが生じるのを有効に防止でき、厚みの大きな銅板を窒化珪素基板の両主面上に接合強度を高く接合することができる。

さらにまた、結合層は、そのビッカース硬度Ｈｖを０．５ＧＰａ以下とすることにより、接合時に印加する力に対して変形しやすいため、冷却時に発生する熱応力を十分に逃がすことができ、結果的に発生する熱応力が低くなり、より厚みの大きな銅板を接合することができる。

また、前記一方の銅板を回路が形成された回路基板とすることで、回路基板に半導体素子を接続した半導体装置とすることができ、半導体装置を使用時にも半導体素子に蓄熱することがなく、放熱性の高い半導体装置とすることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を用いて説明する。

図１は、放熱基板の一実施形態を示し、（ａ）は一方の銅板を平面視したときの平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線における断面図、（ｃ）は同図（ｂ）のＢ部の拡大図である。

放熱基板１は、窒化珪素質焼結体から成る窒化珪素基板２と、該窒化珪素基板２の両主面上に活性金属層３１，３２を介して銅または銅合金を主成分とする銅板４１，４２を接合してなるものである。

放熱基板１を構成する窒化珪素基板２は、窒化珪素を主成分とする基板であり、窒化珪素はその熱伝導率が４０Ｗ／（ｍ・ｋ）以上と高く、放熱特性に優れる。窒化珪素基板２は、その長さが３０〜８０ｍｍ、幅が１０〜８０ｍｍ、厚みは用途によって異なるが、厚すぎると熱抵抗が高くなり、薄すぎると耐久性が低下するため、０．１３〜０．４ｍｍとすることが適切である。窒化珪素を主成分とする基板とは、窒化珪素基板２の全質量を１００％とした場合、主成分となる窒化珪素が少なくとも５０質量％以上含まれている基板をいう。

また、この窒化珪素基板２の両主面上に形成される活性金属層３１，３２は、例えば、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）などの４Ａ族元素のような活性金属を含むＡｇ−Ｃｕ合金からなり、その長さは５〜６０ｍｍ、幅は5〜６０ｍｍ、厚みは５〜２０μｍである。

銅板４１は半導体素子の回路基板として機能し、長さは５〜６０ｍｍ、幅は5〜６０ｍｍ、厚みは回路を流れる電流の大きさや銅板４１に搭載される半導体素子の発熱量等に応じて０．５〜５ｍｍが選択される。銅板４２は発熱した半導体素子により熱を逃がすという機能を有し、長さは5〜６５ｍｍ、幅は5〜６５ｍｍ、厚みは０．５〜５ｍｍである。銅または銅合金を主成分とする銅板とは、銅板に対して、主成分である銅または銅合金が９９．９６質量％以上である銅板をいい、無酸素銅、タフピッチ銅、りん脱酸銅等の銅を用いるのがよい。特に、無酸素銅のうち、銅の含有率が９９．９９５％以上の線形結晶無酸素銅、単結晶状高純度無酸素銅および真空溶解銅のいずれかを用いることが好ましい。

ここで、放熱基板１は、前記活性金属層３１，３２および銅板４１，４２との間に銅を主成分とする結合層５１，５２を備えたことが重要である。

図１に示すように、銅を主成分とする結合層５１，５２を備えることにより、結合層５１，５２の主成分である銅または銅合金の拡散作用により３００〜５００℃の低温で銅板４１，４２を接合することができる。また、結合層５１，５２は変形しやすいため、低い荷重でも接合でき、冷却時に発生する熱応力に対しても変形で緩和することができるため、結果的に発生する熱応力が低くなり、より厚みの大きな銅板４１，４２を接合しても反りが発生することなく、より放熱特性に優れた放熱基板を得ることができ、ヒートシンクの取り付けも不要にすることができる。

銅を主成分とする結合層５１，５２とは、結合層５１，５２に対して、主成分である銅が９０質量％以上含有することをいい、活性金属層３１，３２と銅板４１，４２とを強固に結合する機能を成し、無酸素銅、タフピッチ銅、りん脱酸銅、等の銅を用いるのがよい。特に、無酸素銅のうち、銅の含有率が９９．９９５％以上の線形結晶無酸素銅、単結晶状高純度無酸素銅および真空溶解銅のいずれかを用いることが好ましい。

また、このように結合層５１，５２を有する放熱基板１において、図２、３に示すように放熱基板１を平面透視した際の前記銅板４１，４２の端部４１ａ，４２ａが結合層５１，５２の端部５１ａ，５２ａより内側にあることが好ましい。

ここで、図２および図３は、それぞれ（ａ）は一方の銅板を平面視したときの平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線における断面図、（ｃ）は同図（ｂ）のＢ部の拡大図である。

図２に示すように、銅板４１，４２の端部４１ａ，４２ａは、それぞれ結合層５１，５２の端部５１ａ，５２ａより内側にすることにより、銅板４１，４２の端部４１ａ，４２ａに加熱接合後の冷却工程で発生する応力は結合層５１，５２内で分散されるように作用するため、窒化珪素基板２に発生する応力は減少し、より反りの小さい放熱基板１とすることができる。特に、銅板４１の端部４１ａ、結合層５１の端部５１ａ間の距離は０．２〜１ｍｍ，銅板４２の端部４２ａ、結合層５２の端部５２ａ間の距離は０．２〜１ｍｍであることが好ましい。

なお、銅板４１，４２を平面透視したとは、銅板４１，４２の下方または上方に位置する結合層５１，５２の端部５１ａ，５２ａを確認できるように銅板４１，４２を透視した場合を示す。

また、図３に示すように、放熱基板１は、銅板４２を平面透視した際の一方の銅板４１の端部４１ａを他方の銅板４２の端部４２ａより内側に位置させることが好ましい。なお、平面透視する銅板４１，４２は何れでもよい。

これは、平面透視した際の銅板４１，４２同士の端部４１ａ，４２ａが同一平面上にあり、しかもどちらの銅板４１，４２の厚みも大きくした放熱基板１では、窒化珪素基板２がその平面上で両方の銅板４１，４２より引張り応力を受けて、クラックが入るおそれがある。しかしながら、一方の銅板４１の端部４１ａを他方の銅板４２の端部４２ａより内側にすることにより、外側に位置する銅板４２の端部４２ａには引張り応力が作用することがなくなるため、両方の銅板４１，４２の厚みが大きくても、クラックが生じることはなく、放熱特性のより高い放熱基板１とすることができる。

特に、回路として機能する銅板４１の端部４１ａを放熱特性の観点より、放熱機能を有する銅板４２の端部４２ａより内側にすることが好ましい。

また、結合層５１，５２は、そのビッカース硬度Ｈｖが０．５ＧＰａ以下であることが好ましく、結合層５１，５２のビッカース硬度Ｈｖを０．５ＧＰａ以下とすることで、予めビッカース硬度Ｈｖの低いものを準備しなければならず、このような結合層５１，５２は容易に弾性変形して、銅板４１，４２との接合強度を高くすることができるからであり、特にビッカース硬度Ｈｖは０．２〜０．５ＧＰａであることがより好ましい。

なお、結合層５１，５２のビッカース硬度Ｈｖは、ＪＩＳＺ２２４４−２００３に準拠して測定すればよく、測定に用いる試験荷重は、結合層５１，５２の厚みに依存し、例えば９８．０７ｍＮ（ミリニュートン）あるいは１９６ｍＮとする。

次いで、本発明の放熱基板の実施形態を示す。

図４（ａ）は一方の銅板を平面視したときの平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線における断面図、（ｃ）は同図（ｂ）のＢ部の拡大図である。

図４に示す放熱基板１は、活性金属層３１，３２および銅板４１，４２との間に、活性金属層３１，３２側より、銅を主成分とする結合層５１，５２，Ａｕ，Ｐｔ，Ａｇ，ＩｎおよびＳｎのいずれかの金属よりなる第１の薄層５３，５４および第２の薄層５５，５６を備えている。

第１の薄層５３，５４および第２の薄層５５，５６がＡｕ，Ｐｔ，ＡｇおよびＩｎのいずれかによりなる場合、これら金属の銅板４１，４２および結合層５１，５２に対する拡散作用と、銅板４１，４２の主成分である銅または銅合金の第１の薄層５３，５４および第２の薄層５５，５６に対する拡散作用により１８０〜３００℃の低温で接合することができる。

また、第１の薄層５３，５４および第２の薄層５５，５６がＳｎからなる場合、Ｓｎは柔らかく、変形しやすいため、結合層５１，５２および銅板４１，４２となじみやすい上、銅または銅合金の第１の薄層５３，５４および第２の薄層５５，５６に対する拡散作用により１８０〜３００℃の低温で接合することができる。

これら第１の薄層５３，５４および第２の薄層５５，５６を形成する金属としては、Ａｕ，Ｐｔ，ＡｇおよびＩｎを用いることにより、これら金属は、酸化して酸化皮膜を形成しにくく、しかも柔らかく、容易に変形するため、接合する面同士がより密接に接触して、薄層を形成する原子が容易に拡散することができる。

また、これら金属のうち、Ａｕ，Ｐｔ，ＡｇおよびＩｎのいずれかによりなる薄層は、加熱されると凝集しやすいため、薄層１層のみを結合層５１，５２、銅板４１，４２のいずれかに形成しても部分的に凝集に伴う空隙が生じ、接合強度の向上はあまり望めないが、薄層を２層とすることで、凝集してもその影響が相殺され、薄層１層のみの場合より接合強度を高くすることができる。

以上のことから、銅直接接合法、高融点金属メタライズ法、活性金属法等で接合した場合より、接合時に銅板４１，４２に生じる反りが小さくなるので、銅板の厚みを大きくすることができる。銅板４１，４２の厚みの大きな放熱基板１は、放熱特性を高くすることができ、場合によってはヒートシンクの取り付けも不要にすることができる。

また、第１の薄層５３，５４を形成する金属と、第２の薄層５５，５６を形成する金属とが同じ金属であることが好適である。この場合、第１の薄層５３，５４を形成する金属は第２の薄層５５，５６に、第２の薄層５５，５６を形成する金属は第１の薄層５３，５４に拡散しやすくなるため、より低温で接合できるので、反りが小さく、しかも接合強度の高い放熱基板とすることができる。

さらに、第１の薄層５３，５４および第２の薄層５５，５６を形成する金属は、特に酸化皮膜を形成しにくいＡｕが好ましく、Ｐｔ，ＡｇおよびＩｎのいずれかを用い、同じ温度で形成した場合より、接合強度を高くすることができる。

またさらに、第１の薄層５３，５４および第２の薄層５５，５６の互いに対向する面は、その算術平均高さＲａを０．０５μｍ以下にすることで、対向する面同士が互いになじみ、これら薄層を形成する金属はより容易に拡散するため、放熱基板の反りを小さくできるとともに、接合強度を高くすることができる。

次に、本発明の放熱基板の製造方法について説明する。

本発明の放熱基板１は、先ず、長さ３０〜８０ｍｍ、幅１０〜８０ｍｍ、厚み０．１３〜０．４ｍｍの窒化珪素基板２の両主面上に、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）などの４族元素のような活性金属を含むＡｇ−Ｃｕ合金のペーストをスクリーン印刷、ロールコーター法、刷毛塗り等で塗布し、このペースト上に銅が主成分であって、厚みが０．１〜０．６μｍである銅箔を積層した後、８００〜９００℃で加熱溶融して、活性金属層３１，３２および銅を主成分とする結合層５１，５２を形成する。

次に、結合層５１，５２の銅板４１，４２と接する面を研磨した後、水素、窒素およびネオン、アルゴン等の不活性ガスのいずれかから選ばれる雰囲気中、３００〜５００℃に加熱し、３０ＭＰａ以上の圧力で銅または銅合金を主成分とする、結合層５１，５２と接合する面が平坦な銅板４１，４２を接合して放熱基板１を得る。そして、銅および銅合金が酸化しない温度（５０℃）まで加圧したまま冷却し、この温度に到達した後、加圧を終了し、放熱基板１を取り出す。

活性金属層３１，３２および銅板４１，４２との間に活性金属層３１，３２側より銅を主成分とする結合層４１，４２、Ａｕ，Ｐｔ，Ａｇ，ＩｎおよびＳｎのいずれかによりなる第１の薄層５３，５４および前記金属のいずれかよりなる第２の薄層５５，５６を備える場合、先ず、結合層５１，５２の銅板４１，４２に対向する面を研磨した後、Ａｕ，Ｐｔ，Ａｇ，ＩｎおよびＳｎのいずれかをスパッタまたは蒸着により、研磨した面に成膜して第１の薄層５３，５４とすればよい。

一方、第２の薄層５５，５６については、予め銅板４１，４２の結合層５１，５２に対向する面を研磨した後、Ａｕ，Ｐｔ，Ａｇ，ＩｎおよびＳｎのいずれかをスパッタまたは蒸着により、研磨した面に成膜して第２の薄層５５，５６とすればよい。いずれの研磨面も算術平均高さＲａは０．０５μｍ以下にすることが好適である。

これら金属の銅板および結合層に対する拡散は、これら金属の表面活性を高くするほど
進行しやすくなるので、第１の薄層５３，５４および第２の薄層５５，５６の各厚みは、１０ｎｍ以下とすることが好適である。

次に、第１の薄層５３および第２の薄層５５、第１の薄層５４および第２の薄層５６をそれぞれ対向させた状態で、水素、窒素およびネオン、アルゴン等の不活性ガスのいずれかから選ばれる雰囲気中、１８０〜３００℃に加熱し、３０ＭＰａ以上の圧力で接合して放熱基板１を得る。そして、銅および銅合金が酸化しない温度（５０℃）まで加圧したまま冷却し、この温度に到達した後、加圧を終了し、放熱基板１を取り出す。

さらに、結合層５１，５２は、そのビッカース硬度Ｈｖが０．５ＧＰａ以下である放熱基板１を形成する場合、銅を主成分とする銅箔は、接合後の硬度低下を考慮して、ビッカース硬度Ｈｖ０．７ＧＰａ以下の銅箔を準備して接合するのがよい。

また、図５は、それぞれ（ａ）は一方の銅板を平面視したときの平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線における断面図、（ｃ）は同図（ｂ）にＢ部の拡大図である。

図５に示すように、結合層５１を介して窒化硅素基板２の主面上に銅板４１が２個接合された放熱基板１であって、このように銅板４１が複数接合されたものであってもよい。

上述の図１〜図５で示したような放熱基板１は、銅板４１を回路が形成された回路基板とすることで放熱基板として好適に用いることができる。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て回路を形成した銅板を用いたり、接合後にエッチング、レーザー等によりパターニングしたりすればよい。

また、厚み方向から見たときの銅板４１，４２の形状がＮ角形（Ｎは５以上の整数）であることで、形状が四角形である銅板４１，４２に比べ、銅板４１，４２の角部で発生する応力は分散されるため、放熱基板１が繰り返し高温下に曝されても、放熱基板１へのクラックの発生を防止することができる。

また、前記放熱基板１における回路基板に半導体素子を接続することで、半導体装置を使用しているときにも半導体素子に蓄熱することがないので、半導体装置として好適に用いることができる。

以上、本発明の放熱基板１は、上述の通り放熱特性が良好であるため、昇華型サーマルプリンターヘッド用基板、面型発熱ヒーター支持基板、サーマルインクジェットプリンターヘッドのヒーター支持基板等にも適用させることができる。

以下、本発明の実施例を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。

（実施例１）
窒化珪素を９５質量％含有する窒化珪素質焼結体から成る窒化珪素基板２の両主面に、チタン（Ｔｉ）を含むＡｇ−Ｃｕ合金のペーストをスクリーン印刷で塗布し、このペースト上に無酸素銅からなる銅箔を積層した。次に、８５０℃で加熱溶融して、活性金属層３１，３２および無酸素銅からなる結合層５１，５２を形成した。そして、結合層５１，５２の銅板４１，４２と接する面をラップ盤を用いて算術平均高さＲａ０．０５０μｍ以下まで研磨した後、水素雰囲気中にて加熱し、圧力３０ＭＰａで無酸素銅からなる結合層５１，５２と接合する面が平坦な銅板４１，４２を接合することにより本発明の放熱基板である試料Ｎｏ．１，２，５，６，９，１０を作製した。また比較例として、活性金属層３１、銅板４１間には結合層５１を介さない放熱基板である試料Ｎｏ．３，４，７，８，１１，１２を作製した。各試料を構成する部材の寸法および銅板４１，４２を接合するときの温度は表１、表２に示す通りである。なお、試料Ｎｏ．３，７，１１では、結合層５２、銅板４２間に半田層を挿入することで結合層５２、銅板４２を接合した。

次に、ＪＩＳＢ０６０１−２００１に準拠して触針式の表面粗さ計を用い、窒化珪素基板２の長手方向の最大高さＲ_ｍａｘを測定し、この測定値を反りとして表２に示した。なお、測定長さ、カットオフ値、触針先端半径、触針の走査速度はそれぞれ４５ｍｍ，０．８ｍｍ，２μｍ，０．５ｍｍ／秒とした。

また、窒化珪素基板２のクラックの有無は超音波探傷法を用いて検出し、クラックが検出されたものを×、クラックが検出されなかったものを○で表２に示した。

なお、超音波探傷法で用いる探触子は焦点深度２５ｍｍのものを用い、パルス発信器より探触子を介して放熱基板に発振される超音波の周波数は１０ＭＨｚとした。

表２からわかるように本発明の範囲外である試料Ｎｏ．３，７，１１は、銅板４１，４２の厚みを０．５ｍｍと薄くしたにも拘らず、反りが０．４３ｍｍ以上と大きなものであった。

また、本発明の範囲外である試料Ｎｏ．４，８，１２は、高い放熱特性を得ようとして銅板４１，４２の厚みを２ｍｍと大きくしたものの、活性金属層３１、銅板４１間および活性金属層３２、銅板４２間にはそれぞれ結合層５１，５２がないために、窒化珪素基板２にはクラックが検出された。

一方、本発明の試料Ｎｏ．１，２，５，６，９，１０は、銅板４１，４２の厚みを２ｍｍと大きくしても窒化珪素基板２にはクラックは検出されず、反りも０．４１ｍｍ以下と小さいことがわかった。

（実施例２）
実施例１と同様な方法にて本発明の放熱基板である試料Ｎｏ．１３〜２２を作製した。各試料を構成する部材の寸法および銅板４１，４２を接合するときの温度は表３、表４に示す通りである。なお、銅板４１、４２の端面間の距離は、長さ方向、幅方向とも均等になるように配置した。銅板４２，結合層５２の端面間の距離についても同様で、表４では、銅板４１、結合層５１の端面間の距離を端面間距離ａ、銅板４２，結合層５２の端面間の距離を端面間距離ｂとし、銅板の端面が結合層の端面より内側にあるものをプラス、銅板の端面が結合層の端面より外側にあるものをマイナスで表した。

次に、実施例１と同様に窒化珪素基板２の長手方向の最大高さＲ_ｍａｘを測定し、この測定値を反りとして表４に示した。

表４からわかるように、長さ５０ｍｍ、幅２０ｍｍの銅板４２を構成部材とする試料Ｎｏ．１３〜１７では、端面距離ａおよび端面距離ｂが長くなる。即ち、銅板４１，４２の端部４１ａ、４１ｂがそれぞれ結合層５１，５２の端部５１ａ，５１ｂより内側に行くほど、窒化珪素基板２の反りは０．２９ｍｍ以下と小さくなったことがわかった。

また、長さ４０ｍｍ、幅４０ｍｍの銅板４２を構成部材とする試料Ｎｏ．１８〜２２についても同様である。

（実施例３）
実施例１、２と同様な方法にて本発明の放熱基板である試料Ｎｏ．Ｎｏ．２３〜２６を作製した。各試料を構成する部材の寸法および銅板４１，４２を接合するときの温度は表５、表６に示す通りである。なお、銅板４１、４２の端面間の距離は、長さ方向、幅方向とも均等になるように配置し、この距離を端面間距離ｃとして表６に示した。

そして、試料Ｎｏ．２３〜２６の銅板４１に半導体素子（不図示）を実装し、この半導体素子に３０Ａの電流を流し、電流を流してから５分後に半導体素子の表面温度をサーモグラフィーで測定し、その表面温度を表６に示した。

表６からわかるように、銅板４２の厚みが同一である試料Ｎｏ．２３，２４を比べると、銅板４１，４２の端面が同一平面上にある試料Ｎｏ．２４より銅板４１の端面が銅板４２の端面より内側にある試料Ｎｏ．２３のほうが半導体素子の表面温度は低く成ることがわかった。これにより放熱基板の放熱特性が良好であることがわかった。銅板４２の厚みが同一である試料Ｎｏ．２５，２６についても同様である。

（実施例４）
実施例１〜３と同様な方法にて本発明の放熱基板である試料Ｎｏ．Ｎｏ．２７〜３０を作製した。各試料を構成する部材の寸法および銅板４１，４２を接合するときの温度は表７、表８に示す通りである。そして、試料Ｎｏ．２７〜３０を固定し、窒化珪素基板２の長手方向から銅板４１ａに荷重を与え、銅板４１ａが結合層５１から剥離するときの荷重をロードセルで読みとった。このときの荷重より算出した、銅板４１aと結合層５１との接合強度を表８に示した。

表８からわかるように、結合層のビッカース硬度がＨｖ０．５ＧＰａ以下である試料Ｎｏ．２８〜３１は、ビッカース硬度がＨｖ０．５ＧＰａを超える試料Ｎｏ．２７より、接合強度が高いことがわかった。

（実施例５）
窒化珪素を９５質量％含有する窒化珪素質焼結体から成る窒化珪素基板２の両主面に、チタン（Ｔｉ）を含むＡｇ−Ｃｕ合金のペーストをスクリーン印刷で塗布し、このペースト上に無酸素銅からなる銅箔を積層した。次に、８５０℃で加熱溶融して、活性金属層３１，３２および無酸素銅からなる結合層５１，５２を形成した。そして、結合層５１，５２の銅板４１，４２と対向する面をラップ加工により、鏡面とした後、この鏡面に表９に示す材質の金属をスパッタにより成膜して第１の薄層５３，５４とした。表９に第１の薄層５３，５４の各厚みを示す。

また、結合層５１，５２に対向する面を、予めラップ加工により鏡面とした銅板４１，４２を準備し、この鏡面に表９に示す材質の金属をスパッタにより成膜して第２の薄層５５，５６とした。表９に第２の薄層５５，５６の各厚みを示すが、横線を記入した欄は、比較のために第２の薄層５５，５６を形成しなかったものである。

次に、第１の薄層５３および第２の薄層５５、第１の薄層５４および第２の薄層５６をそれぞれ対向させた状態で、水素雰囲気中、圧力３０ＭＰａ、表９に示す温度で接合して図４に示す放熱基板１からなる試料Ｎｏ．３２〜４３を得た。

そして、試料Ｎｏ．３２〜４３を固定し、窒化珪素基板２の長手方向から銅板４１ａに荷重を与え、銅板４１ａが結合層５１から剥離するときの荷重をロードセルで読みとった。このときの荷重より算出した銅板４１ａと結合層５１との接合強度を表９に示した。

表９からわかるように、第１の薄層５３，５４および第２の薄層５５，５６を備えた試料Ｎｏ．３２は３００℃以下の低温で接合することができ、第１の薄層５３，５４のみを備え、試料Ｎｏ．３２と同温度（１８０℃）で接合した試料Ｎｏ．３３より接合強度が高いことがわかる。このことは、試料Ｎｏ．３５と試料Ｎｏ．３６、試料Ｎｏ．３８と試料Ｎｏ．３９、試料Ｎｏ．４１と試料Ｎｏ．４２をそれぞれ比べても同様である。

また、第１の薄層５３，５４および第２の薄層５５，５６をＡｕで形成した試料Ｎｏ．３２は第１の薄層５３，５４および第２の薄層５５，５６をＡｇで形成した試料Ｎｏ．３４より接合強度が高いことがわかる。このことは、試料Ｎｏ．３５と試料Ｎｏ．３７、試料Ｎｏ．３８と試料Ｎｏ．４０、試料Ｎｏ．４１と試料Ｎｏ．４３を比べても同様である。

（実施例６）
窒化珪素を９５質量％含有する窒化珪素質焼結体から成る窒化珪素基板２の両主面に、チタン（Ｔｉ）を含むＡｇ−Ｃｕ合金のペーストをスクリーン印刷で塗布し、このペースト上に無酸素銅からなる銅箔を積層した。次に、８５０℃で加熱溶融して、活性金属層３１，３２および無酸素銅からなる結合層５１，５２を形成した。そして、結合層５１，５２の銅板４１，４２と対向する面をラップ加工により、鏡面とした後、この鏡面に表１０に示す金属をスパッタにより成膜して第１の薄層５３，５４とした。なお、第１の薄層５３，５４の各厚みは１０ｎｍとした。

また、結合層５１，５２に対向する面を予め、ラップ加工により、鏡面とした銅板４１，４２を準備し、この鏡面に表１０に示す金属をスパッタにより成膜して第２の薄層５５，５６とした。第２の薄層５５，５６の各厚みは１０ｎｍである。

次に、第１の薄層５３および第２の薄層５５、第１の薄層５４および第２の薄層５６をそれぞれ対向させた状態で、水素雰囲気中、圧力３０ＭＰａ、表１０に示す温度で接合して図４に示す放熱基板１からなる試料Ｎｏ．４４〜５５を得た。

そして、試料Ｎｏ．４４〜５５を固定し、窒化珪素基板２の長手方向から銅板４１ａに荷重を与え、銅板４１ａが結合層５１から剥離するときの荷重をロードセルで読みとった。このときの荷重より算出した、銅板４１ａと結合層５１との接合強度を表１０に示した。

表１０からわかるように、第１の薄層５３，５４および第２の薄層５５，５６が同じ金属である試料Ｎｏ．４４は３００℃以下の低温で接合することができ、第１の薄層５３，５４と第２の薄層５５，５６とが異なる試料Ｎｏ．４５，４６より接合強度が高いことがわかる。このことは、試料Ｎｏ．４７と試料Ｎｏ．４８，４９、試料Ｎｏ．５０と試料Ｎｏ．５１，５２、試料Ｎｏ．５３と試料Ｎｏ．５４，５５を比べても同様である。

（実施例７）
窒化珪素を９５質量％含有する窒化珪素質焼結体から成る窒化珪素基板２の両主面に、チタン（Ｔｉ）を含むＡｇ−Ｃｕ合金のペーストをスクリーン印刷で塗布し、このペースト上に無酸素銅からなる銅箔を積層した。次に、８５０℃で加熱溶融して、活性金属層３１，３２および無酸素銅からなる結合層５１，５２を形成した。そして、結合層５１，５２の銅板４１，４２と対向する面をラップ加工により、鏡面とした後、この鏡面に表１１に示す金属をスパッタにより成膜して第１の薄層５３，５４とした。第１の薄層５３，５４の厚みは２００ｎｍとした。

また、結合層５１，５２に対向する面を予め、ラップ加工により、鏡面とした銅板４１，４２を準備し、この鏡面に表１１に示す金属をスパッタにより成膜して第２の薄層５５，５６とした。第２の薄層５５，５６の各厚みを２００ｎｍとした。

ここで、ＪＩＳＢ０６０１−２００１に準拠して触針式の表面粗さ計を用いて、第１の薄層５３，５４および第２の薄層５５，５６がそれぞれ対向する面の長手方向の算術平均高さＲａを測定した。なお、測定長さ、カットオフ値、触針先端半径、触針の走査速度はそれぞれ４５ｍｍ，０．８ｍｍ，２μｍ，０．５ｍｍ／秒とした。

次に、第１の薄層５３および第２の薄層５５、第１の薄層５４および第２の薄層５６をそれぞれ対向させた状態で、水素雰囲気中、圧力３０ＭＰａ、表１１に示す温度で接合して図４に示す放熱基板１からなる試料Ｎｏ．５６〜６３を得た。

次に、ＪＩＳＢ０６０１−２００１に準拠して触針式の表面粗さ計を用い、窒化珪素基板２の長手方向の最大高さＲ_ｍａｘを測定し、この測定値を反りとして表１１に示した。なお、測定長さ、カットオフ値、触針先端半径、触針の走査速度はそれぞれ４５ｍｍ，０．８ｍｍ，２μｍ，０．５ｍｍ／秒とした。

そして、試料Ｎｏ．５６〜６３を固定し、窒化珪素基板２の長手方向から銅板４１ａに荷重を与え、銅板４１ａが結合層５１から剥離するときの荷重をロードセルで読みとった。このときの荷重より算出した、銅板４１ａと結合層５１との接合強度を表１１に示した。

表１１からわかるように、第１の薄層５３，５４および第２の薄層５５，５６の互いに対向する面の算術平均高さＲａがいずれも０．０５μｍ以下であり、温度３００℃で接合した試料Ｎｏ．５６，５７は、算術平均高さＲａが０．０５μｍを超える試料Ｎｏ．５８，５９より接合強度が高く、好適である。

同様に、第１の薄層５３，５４および第２の薄層５５，５６の互いに対向する面の算術平均高さＲａがいずれも０．０５μｍ以下であり、温度２００℃で接合した試料Ｎｏ．６０，６１は、算術平均高さＲａが０．０５μｍを超える試料Ｎｏ．６２，６３より接合強度が高く、好適である。

放熱基板の一実施形態を示し、（ａ）は銅板を平面視したときの平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線における断面図、（ｃ）は同図（ｂ）のＢ部拡大図である。放熱基板の他の実施形態を示し、（ａ）は銅板を平面視したときの平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線における断面図、（ｃ）は同図（ｂ）のＢ部拡大図である。放熱基板の他の実施形態を示し、（ａ）は銅板を平面視したときの平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線における断面図、（ｃ）は同図（ｂ）のＢ部拡大図である。本発明の放熱基板の実施形態を示し、（ａ）は銅板を平面視したときの平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線における断面図、（ｃ）は同図（ｂ）のＢ部拡大図である。本発明の放熱基板の他の実施形態を示し、（ａ）は銅板を平面視したときの平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線における断面図、（ｃ）は同図（ｂ）のＢ部拡大図である。従来の放熱基板を示し、（ａ）は銅板を平面視したときの平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線における断面図、（ｃ）は同図（ｂ）のＢ部拡大図である。

符号の説明

１：放熱基板
２：窒化珪素基板
３１，３２：活性金属層
４１，４２：銅板
５１，５２：結合層
５３，５４：第１の薄層
５５，５６：第２の薄層

Claims

窒化珪素質焼結体から成る窒化珪素基板と、該窒化珪素基板の両主面上に活性金属層を介して銅または銅合金を主成分とする銅板を接合してなる放熱基板であって、前記活性金属層および前記銅板との間に、活性金属層側より、銅を主成分とする結合層と、Ａｕ，Ｐｔ，Ａｇ，ＩｎおよびＳｎのいずれかの金属よりなる第１の薄層および第２の薄層とを備えたことを特徴とする放熱基板。
前記第１の薄層を形成する金属と、第２の薄層を形成する金属とが同じ金属であることを特徴とする請求項１に記載の放熱基板。
前記第１の薄層および第２の薄層の互いに対向する面は、算術平均高さＲａが０．０５μｍ以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の放熱基板。
前記銅板を平面透視した際の前記銅板の端部が結合層の端部より内側に位置することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の放熱基板。
前記銅板を平面透視した際の一方の銅板の端部が他方の銅板の端部より内側に位置することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の放熱基板。
前記結合層は、そのビッカース硬度がＨｖ０．５ＧＰａ以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の放熱基板。
前記一方の銅板は、主面上に回路が形成された回路基板であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の放熱基板。
請求項７に記載の前記回路基板に半導体素子を搭載したことを特徴とする半導体装置。