JP6430382B2 - 回路基板および半導体装置 - Google Patents

Description

実施形態は、概ね、回路基板および半導体装置に関する。

近年、産業機器の高性能化または地球環境問題等の観点から、電気自動車または電車等には、大電流・高電圧を制御するためのパワーモジュールが使用されている。また、半導体素子として、高出力を有するＳｉＣ素子等の半導体素子の開発が進められている。さらに、半導体素子の高出力化に伴い、半導体素子を実装する回路基板として、優れた耐久性を有する回路基板が求められている。

回路基板としては、セラミック基板および金属回路板を具備する絶縁回路基板等が挙げられる。回路基板の信頼性は、ＴＣＴ（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｙｃｌｅ Ｔｅｓｔ：ＴＣＴ）により評価される。ＴＣＴとは、低温保持→室温保持→高温保持→室温保持の処理を一定サイクル繰り返した後、回路基板において、金属回路板の剥離の有無、セラミック基板のクラックの有無等を調べる検査方法である。ＴＣＴにより評価される信頼性をＴＣＴ信頼性ともいう。

高いＴＣＴ信頼性を有する回路基板としては、富士山の裾野のような裾野形状の端面を有する銅回路板を具備する回路基板が知られている。裾野形状の端面を有する銅回路板は、例えば端面をなだらかに傾斜させるように加工することで形成される。

裾野形状の端面を有する銅回路板では、厚さを０．８ｍｍ以下にする必要がある。裾野形状の端面は、例えば銅回路板をエッチングすることにより形成される。銅回路板をエッチングするためには、塩化第二鉄や塩化第二銅等の薬液を使う必要がある。厚い銅回路板のエッチングが可能なエッチング技術の開発が進められているが、上記薬液を使う場合、銅回路板の厚さが０．８ｍｍよりも厚いと銅回路板をエッチングすることが困難になる。上記エッチングでは、コストがかかることだけでなく、廃液処理により環境に影響を及ぼす問題がある。

半導体素子の高出力化が進むと半導体素子に大きな電流または高い電圧を与える必要がある。このため、銅回路板を厚くして回路基板の冷却効果を高めることが望まれている。しかしながら、銅回路板の厚さを０．７ｍｍよりも厚くすると、銅回路板の高い熱膨張率により、ＴＣＴ信頼性が低下する場合がある。

また、裾野形状の端面を有する銅回路板では、端部に半導体素子を搭載することが困難である。半導体素子を搭載するスペースを確保しつつ、銅回路板の回路パターン間の寸法を確保するためには、裾野形状を考慮して銅回路板を大きくする必要がある。このため、回路設計の自由度が低下する。

国際公開第２０１１／０３４０７５号

実施形態では、銅回路板を厚くしても高いＴＣＴ信頼性を有し、かつ回路設計において高い自由度を有する回路基板を提供する。

実施形態に係る回路基板は、第１の面と、第１の面に対向する第２の面とを有するセラミック基板と、第１の面の上に設けられ、０．７ｍｍ以上の厚さＴ（ｍｍ）と、８５°以上９５°以下の断面の内角の角度θと、表面に設けられた２５ｍｍ^２以上の半導体素子搭載部とを有する第１の銅回路板と、第２の面の上に設けられ、０．７ｍｍ以上の厚さＴ（ｍｍ）と、断面において８５°以上９５°以下の角度θの内角と、を有する第２の銅回路板と、Ａｇ、ＣｕおよびＴｉを含有し、第１の面と第１の銅回路板とを接合する第１の接合層と、Ａｇ、ＣｕおよびＴｉを含有し、第２の面と第２の銅回路板とを接合する第２の接合層と、を具備する。第１の接合層は、第１の銅回路板の外側にはみ出し、かつ第１の銅回路板の側面に沿ってはい上がるように設けられ、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下のはみ出し量Ｗ１と、０．０５Ｔ（ｍｍ）以上０．６Ｔ（ｍｍ）以下のはい上がり量Ｗ２とを有する第１のはみ出し部を備える。第２の接合層は、第２の銅回路板の外側にはみ出し、かつ第２の銅回路板の側面に沿ってはい上がるように設けられ、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下のはみ出し量Ｗ１と、０．０５Ｔ（ｍｍ）以上０．６Ｔ（ｍｍ）以下のはい上がり量Ｗ２とを有する第２のはみ出し部を備える。

回路基板の一例を示す図である。 回路基板の一例を示す図である。 回路基板の一例を示す図である。 回路基板の一例を示す図である。 半導体装置の一例を示す図である。

図１は、回路基板の構造例を示す図である。図１に示す回路基板１は、セラミック基板２と、銅回路板３と、接合層４と、を具備する。

セラミック基板２は、例えば第１の面と、第１の面に対向する第２の面とを有する。セラミック基板２としては、例えば窒化珪素基板、窒化アルミニウム基板、または酸化アルミニウム基板等を用いることができる。

窒化珪素基板としては、例えば７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有し、かつ６００ＭＰａ以上の３点曲げ試験による曲げ強度（３点曲げ強度）を有する窒化珪素基板を用いることができる。窒化珪素基板は、例えば７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上１１０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導率を有する場合であっても、高い強度を有する。このため、厚さを０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下、好ましくは０．１ｍｍ以上０．４ｍｍ以下にすることができる。セラミック基板を薄くすることにより、熱伝導率を高くすることができる。窒化珪素基板の３点曲げ強度は、６５０ＭＰａ以上であることがより好ましい。

窒化アルミニウム基板としては、例えば１６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有し、かつ３００ＭＰａ以上の３点曲げ強度を有する窒化アルミニウム基板を用いることができる。窒化アルミニウム基板の強度は、３００ＭＰａ以上５５０ＭＰａ以下と低い。よって、窒化アルミニウム基板の厚さは、０．５ｍｍ以上１．２ｍｍ以下であることが好ましい。また、窒化アルミニウム基板では、熱伝導率を１６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、さらには２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上にすることができる。

酸化アルミニウム基板としては、例えば２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上４０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導率を有し、かつ４００ＭＰａ以上の３点曲げ強度を有する酸化アルミニウム基板を用いることができる。酸化アルミニウム基板は、窒化珪素基板や窒化アルミニウム基板よりも安価である。

銅回路板３は、セラミック基板２の片面（第１の面）上に設けられている。銅回路板３は、接合層４を挟んでセラミック基板２の第１の面に接合されている。

銅回路板３は、表面に設けられた半導体素子搭載部を有する。このとき、銅回路板３は、断面において８５°以上９５°以下の角度θ（端部の断面角度θともいう）の内角を有することが好ましい。

銅回路板３の断面において銅回路板３の内角を略直角にすることにより、銅回路板３端部を半導体素子搭載部として用いることができる。また、ＣＣＤカメラ等の位置検出器により銅回路板３端部が検出しやすくなる。銅回路板３端部の検出精度を向上させるためには、角度θを８９°以上９１°以下、さらには９０°にすることが好ましい。

半導体素子搭載部の面積は、２５ｍｍ^２以上であることが好ましい。半導体素子搭載部の面積を大きくすることで回路設計の自由度を高めることができる。半導体素子搭載部の面積は、１ｃｍ^２以上（１００ｍｍ^２以上）であることがより好ましい。

ここで、半導体素子搭載部の面積とは、半導体素子の搭載領域として使用可能な銅回路板３の表面積である。例えば、図１に示す回路基板１において、半導体素子搭載部は、銅回路板３の上面に設けられる。

半導体素子搭載部の表面形状としては、例えば正方形状、長方形状等の四角形状が挙げられる。断面において銅回路板３の内角の角度θを８５°以上９５°以下に調整するためには、銅回路板３に対してプレス加工を行う方法が有効である。プレス加工を行うために半導体素子搭載部の形状は、四角形状のような単純形状であることが好ましい。半導体素子搭載部の表面形状が四角形状の場合、少なくとも一辺を波線状、Ｓ字状にしてもよい。さらに、半導体素子搭載部の表面形状を円形状、楕円形状、多角形状等にしてもよい。

銅回路板３の厚さＴは、０．７ｍｍ以上であることが好ましい。銅回路板３の厚さの上限は、特に限定されないが、例えば７ｍｍ以下であることが好ましい。厚さが７ｍｍを超えると、断面において銅回路板３の内角の角度θを８５°以上９５°以下に調整しにくくなる。銅回路板３の厚さＴは、１ｍｍ以上７ｍｍ以下、さらには２ｍｍ以上５ｍｍ以下であることがより好ましい。

接合層４は、セラミック基板２と、銅回路板３とを接合する。接合層４は、例えばＡｇ、ＣｕおよびＴｉを含有することが好ましい。接合層４のＡｇ濃度は５０質量％以上８０質量％以下、Ｃｕ濃度は２０質量％以上５０質量％以下、Ｔｉ濃度は１質量％以上７質量％以下であることが好ましい。接合層４は、例えば、Ａｇ、ＣｕおよびＴｉを含む活性金属ろう材ペーストを塗布した後に加熱してセラミック基板２および銅回路板３に固着することで形成される。

活性金属ろう材として、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉ以外に、ＳｎおよびＩｎの一方または両方を５質量％以上２５質量％以下添加してもよい。ＳｎおよびＩｎの少なくとも一方を添加することにより、接合層４の柔軟性が向上しＴＣＴ信頼性を向上させることができる。また、接合温度が低下するためＴＣＴ信頼性を向上させることができる。接合層４は、例えば活性金属ろう材に含まれる金属成分と銅回路板３との反応層であってもよい。

接合層４の厚さは、２０μｍ以上２００μｍ以下であることが好ましい。接合層４の厚さが２０μｍ未満の場合、セラミック基板２と銅回路板３との未接合部が形成されやすい。また、２００μｍを超えると接合強度等の特性が向上しにくい。なお、接合層４のセラミック基板２と銅回路板３とに挟まれた部分の厚さを接合層４の厚さとみなしてもよい。セラミック基板２に対する銅回路板３の接合強度（ピール強度）は、１０ｋＮ／ｍ以上であることが好ましい。

接合層４は、銅回路板３の外側にはみ出したはみ出し部を有する。はみ出し部は、銅回路板３の側面に沿ってはい上がるように設けられる。すなわち、銅回路板３の一部は、厚さ方向において接合層４に埋め込まれている。図１に示すように、はみ出し部の幅を接合層４のはみ出し量Ｗ１という。銅回路板３の厚さ方向において、接合層４のはい上がりにより銅回路板の側面に接する部分の長さ（銅回路板３の接合層４に埋め込まれた部分の深さ）を接合層４のはい上がり量Ｗ２という。はみ出し量Ｗ１とはい上がり量Ｗ２の値は、例えば活性金属ろう材ペーストの組成や接合時の熱処理条件により制御することができる。

はみ出し量Ｗ１は、例えば０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下であることが好ましい。はみ出し量Ｗ１が０．１ｍｍ未満であると、応力の緩和が不十分になりやすい。応力の緩和が不十分であるとＴＣＴ信頼性が低下しやすくなる。はみ出し量Ｗ１が２ｍｍを超えると接合強度等の特性が向上しにくい。また、セラミック基板２上に銅回路板３を配置するスペースが少なくなり、回路基板１のサイズが大きくなりやすい。はみ出し量Ｗ１は、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下、さらには０．２ｍｍ以上０．７ｍｍ以下であることがより好ましい。

はい上がり量Ｗ２は、例えば銅回路板３の厚さＴ（ｍｍ）に対して０．０５Ｔ（ｍｍ）以上０．６Ｔ（ｍｍ）以下であることが好ましい。はい上がり量Ｗ２が０．０５Ｔ（ｍｍ）未満、すなわち銅回路板３の厚さＴの１０％未満の場合、応力の緩和が不十分になりやすい。はい上がり量Ｗ２が０．６Ｔ（ｍｍ）を超えると接合強度等の特性が向上しにくい。また、接合層４が流れ落ちてはみ出し量Ｗ１を２ｍｍ以下に調整することが困難になる。はい上がり量Ｗ２は、０．１Ｔ（ｍｍ）以上０．４Ｔ（ｍｍ）以下であることがより好ましい。

はみ出し量Ｗ１およびはい上がり量Ｗ２を上記範囲に制御することにより、０．７ｍｍ以上の厚さＴ（ｍｍ）を有し、かつ２５ｍｍ^２以上の半導体素子搭載部の表面積を有する大型の銅回路板をセラミック基板に接合したとしても、応力が緩和され、ＴＣＴ信頼性を高めることができる。

実施形態に係る回路基板では、断面において８５°以上９５°以下の角度θの内角を有する銅回路板により、端部に半導体素子搭載部を設けることができるため、回路基板の面積の増大が抑制され、回路基板を小型にすることができる。よって、実施形態に係る回路基板を使った半導体装置は、高い冷却効果を有し、高出力の半導体素子を搭載することができる。また、設計自由度が高くなり、製品を小型にすることができ、ＴＣＴ信頼性を向上させることができる。

さらに、銅回路板３は、接合層４の成分の少なくとも一部が拡散した拡散領域を有していてもよい。拡散領域は、少なくともＴｉを含み、例えば、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉを含む。拡散領域を形成することにより、例えばセラミック基板２に対する銅回路板３の接合強度を向上させることができる。また、接合層４にＳｎおよびＩｎの少なくとも一方を添加することにより、拡散領域の柔軟性が向上するためＴＣＴ信頼性を向上させることができる。

拡散領域の厚さは０．０１ｍｍ（１０μｍ）以上であることが好ましい。例えば、拡散領域の厚さを１０μｍ以上とすることにより、接合強度が向上し、例えばセラミック基板２に対する銅回路板３の接合強度（ピール強度）を１５ｋＮ／ｍ以上にすることができる。拡散領域の厚さは、０．２ｍｍ（２００μｍ）以下であることが好ましい。拡散領域の厚さが０．２ｍｍを超えると、加熱時間が長くなり銅回路板３に応力がかかり過ぎてしまう。拡散領域の厚さは、１０μｍ以上１２０μｍ以下、さらには２０μｍ以上１００μｍ以下であることがより好ましい。

所望の範囲内に拡散領域を形成するためには、例えば接合の際の熱処理条件を制御することが好ましい。また、所望の範囲内に拡散領域を形成するためには、接合層４の厚さを３０μｍ以上１００μｍ以下にすることが好ましい。

図２は、拡散領域の一例を示す図である。図２に示す回路基板１は、図１に示す構成に加え、拡散領域５と、拡散領域６と、拡散領域７と、を有する。拡散領域５は、銅回路板３の幅方向において、接合層４との接合面（銅回路板３の側面）に沿って形成される幅方向拡散領域である。拡散領域６は、銅回路板３の厚さ方向において、接合層４との接合面（銅回路板３の底面）に沿って形成される厚さ方向拡散領域である。なお、拡散領域６の厚さは、銅回路板３の幅方向の長さとなる。また、拡散領域５ないし拡散領域７を連続する一つの拡散領域とみなしてもよい。

拡散領域７は、銅回路板３の幅方向および厚さ方向において、接合層４との接合面の端部に設けられる。すなわち、拡散領域７は、拡散領域５と拡散領域６との重畳部に設けられる。拡散領域７のＴｉ濃度は、拡散領域５、拡散領域６のそれぞれのＴｉ濃度よりも高い。よって、拡散領域７は、Ｔｉリッチ領域ともいう。Ｔｉリッチ領域である拡散領域７を設けることにより、応力がかかりやすい銅回路板３端部の熱膨張を抑制することができる。

拡散領域７のＴｉ濃度は、拡散領域のＴｉ濃度の平均値よりも当該平均値の３０％以上高い。ここで、拡散領域のＴｉ濃度の平均値とは、拡散領域５および拡散領域６のそれぞれのＴｉ濃度を測定した値の平均値である。Ｔｉ濃度が平均値の３０％よりも低いとき、拡散領域５または拡散領域６とのＴｉ濃度差が小さいため、十分な熱膨張抑制効果を得ることができない。拡散領域７のＴｉ濃度は、拡散領域のＴｉ濃度の平均値よりも当該平均値の３０％以上７０％以下高いことが好ましい。

常温（２５℃）での各元素の線膨張係数は、Ｔｉでは８．４×１０^−６／Ｋ、Ｃｕでは１６．６×１０^−６／Ｋ、Ａｇでは１９．０×１０^−６／Ｋである。セラミック基板２の線膨張係数（２５℃）は、酸化アルミニウム基板では６．７×１０^−６／Ｋ以上７．４×１０^−６／Ｋ以下、窒化アルミニウム基板では４．５×１０^−６／Ｋ以上５．５×１０^−６／Ｋ以下、窒化珪素基板では２．５×１０^−６／Ｋ以上３．５×１０^−６／Ｋ以下である。

拡散領域７の面積は、４００μｍ^２以上（＝２０μｍ×２０μｍ）、さらには１００００μｍ^２（＝１００μｍ×１００μｍ）以上であることが好ましい。拡散領域７の面積の上限は特に限定されないが、５０００００μｍ^２以下であることが好ましい。拡散領域７の範囲が大きいと加熱時間を長くする必要がある。このため、銅回路板３に不要な応力が発生するおそれがある。

拡散領域５、拡散領域６および拡散領域７におけるＡｇ、Ｃｕ、Ｔｉの拡散領域の範囲は、例えばＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ ＭｉｃｒｏＡｎａｌｙｓｅｒ：ＥＰＭＡ）により測定することができる。例えばＡｇおよびＴｉの面分析においてカラーマッピングを行うことにより、銅回路板中の拡散領域の範囲を調べることができる。

例えば、拡散領域５の検出では、銅回路板３の幅方向において、幅５００μｍ以上の範囲でカラーマッピングを行う。拡散領域６の検出では、銅回路板３の厚さ方向において、幅５００μｍ以上の範囲でカラーマッピングを行う。拡散領域７の検出では、銅回路板３の幅方向および厚さ方向において、５００μｍ×５００μｍ以上の範囲でカラーマッピングを行う。さらに、銅回路板３から切り出した、拡散領域５、拡散領域６および拡散領域７のそれぞれを含む各試料に対して、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：ＩＣＰ）質量分析（ＩＣＰ−ＭＳ）を行うことにより元素濃度を測定する。

接合層４にＳｎおよびＩｎの少なくとも一方を添加した場合、拡散領域５、拡散領域６および拡散領域７にもＳｎ、Ｉｎが拡散する。よって、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉと同様に銅回路板３の断面をＥＰＭＡで分析することにより、ＳｎまたはＩｎの分散状態を分析することができる。

図３は、セラミック基板の両面に銅回路板を具備する回路基板の一例を示す図である。図３に示す回路基板１は、セラミック基板２と、銅回路板３（表銅回路板）と、銅回路板８（裏銅回路板）と、を具備する。図３に示す回路基板１において、図１および図２に示す回路基板１と同じ構成要素については、図１および図２に示す回路基板１の説明を適宜援用することができる。

銅回路板８は、接合層４ｂを挟んでセラミック基板２の片面（第２の面）に接合される。銅回路板８としては、銅回路板３と同様の材料を用いることができる。接合層４ｂとしては、接合層４と同様の機能を有し、同様の材料を用いることができる。接合層４ｂのはみ出し量Ｗ１およびはい上がり量Ｗ２は、接合層４と同様の値であってもよい。例えば、接合層４ｂのはみ出し量Ｗ１は、０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下であることが好ましい。接合層４ｂのはい上がり量Ｗ２は、０．０５Ｔ（ｍｍ）以上０．６Ｔ（ｍｍ）以下であることが好ましい。また、銅回路板３と同様に、銅回路板８は、拡散領域５、拡散領域６、および拡散領域７を有していてもよい。

図４は、セラミック基板の片面に複数の銅回路板を具備する回路基板の一例を示す図である。図４に示す回路基板１は、セラミック基板２と、２つの銅回路板３と、銅回路板８と、を具備する。図４に示す回路基板１において、図１ないし図３に示す回路基板１と同じ構成要素については、図１ないし図３に示す回路基板１の説明を適宜援用することができる。

２つの銅回路板３のそれぞれは、接合層４を挟んでセラミック基板２に接合される。図４に示すように２つの銅回路板３を使う場合、図１ないし図３に示す銅回路板３と同様に、それぞれの銅回路板３の厚さＴは０．７ｍｍ以上、はみ出し量Ｗ１は０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下、はい上がり量Ｗ２は０．０５Ｔ（ｍｍ）以上０．６Ｔ（ｍｍ）以下であることが好ましい。また、図４では銅回路板３を２つ配置した例を図示しているが、３つ以上の銅回路板３を配置してもよい。なお、図４に示す銅回路板３および銅回路板８に図２および図３に示す拡散領域５ないし拡散領域７を形成してもよい。

図３および図４のように銅回路板８を設ける場合、銅回路板８の厚さは０．７ｍｍ以上、さらには１ｍｍ以上であることが好ましい。また、銅回路板８の体積は、銅回路板３の体積と同じにしてもよい。銅回路板８は、回路基板１の反りを防ぐ機能を有する。銅回路板３の体積とほぼ同等の体積の銅回路板８を接合することにより、反りを防止することができる。また、図４に示すように、複数の銅回路板３を配置する場合、銅回路板３の合計の体積と銅回路板８の体積をほぼ同等にすることが好ましい。

上記回路基板では、ＴＣＴ信頼性を高めることができる。また、厚さ０．７ｍｍ以上の銅回路板をセラミック基板に接合していることから大電流・高電圧を付与することもできる。さらに、ＳｉＣ素子のように、高い動作温度を有する半導体素子を回路基板に搭載しても、ＴＣＴ信頼性を高めることができる。

上記回路基板では、例えば−５０℃×３０分保持→室温（２５℃）×１０分保持→１７５℃×３０分保持→室温（２５℃）×１０分保持を１サイクルとした、１０００サイクルのＴＣＴにおいて、銅回路板のはがれ、セラミック基板のクラックの発生を防ぐことができる。また、１０００サイクルのＴＣＴ後において、セラミック基板に対する銅回路板の接合強度（ピール強度）の低下率を１０％以下にすることができる。また、６００ＭＰａ以上の３点曲げ強度を有する窒化珪素基板を使うことにより、３０００サイクル、さらには５０００サイクルのＴＣＴ後であっても接合強度（ピール強度）の低下率を１０％以下にすることができる。

上記回路基板を具備する半導体装置では、優れたＴＣＴ信頼性を得ることができる。図５は、半導体装置の一例を示す図である。図５に示す半導体装置１０は、セラミック基板２と、セラミック基板２の第１の面上に設けられた銅回路板３と、セラミック基板の第１の面と銅回路板３とを接合する接合層４と、セラミック基板２の第２の面上に設けられた銅回路板８と、セラミック基板２の第２の面と銅回路板８とを接合する接合層４ｂと、半導体素子９と、を具備する。銅回路板３および銅回路板８のそれぞれに拡散領域５ないし拡散領域７を形成してもよい。図５に示す半導体装置１０において、図１ないし図４に示す回路基板１と同じ構成要素については、各図面の回路基板１の説明を適宜援用することができる。なお、図５に示す銅回路板３および銅回路板８に図２および図３に示す拡散領域５ないし拡散領域７を形成してもよい。

半導体素子９は、接合ろう材を挟んで銅回路板３上に接合される。断面において、銅回路板３は、８５°以上９５°以下の角度θの内角を有するため、銅回路板３端部から０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下の位置を含むように半導体素子搭載部を設けることができる。すなわち、銅回路板３端部から０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下の位置に半導体素子９を搭載することができる。さらに、銅回路板３端部から０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の位置に半導体素子９を搭載することもできる。

断面において、銅回路板３は、８５°以上９５°以下の角度θの内角を有するため、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ：ＣＣＤ）カメラ等で半導体素子搭載部の位置が検出しやすい。そのため、半導体装置に使用する回路基板として使いやすくなる。

次に、回路基板の製造方法について説明する。回路基板の製造方法は、上記回路基板の構成を満足することができれば、特に限定されないが、効率的な回路基板の製造方法としては、例えば次のような方法が挙げられる。

まず、セラミック基板２を用意する。セラミック基板２としては、前述のとおり窒化珪素基板、窒化アルミニウム基板、または酸化アルミニウム基板等を用いることができる。

次に、接合層４を形成するためのろう材ペーストを用意する。ろう材は、活性金属ろう材であることが好ましい。活性金属ろう材において、Ａｇ濃度は５０質量％以上８０質量％以下、Ｃｕ濃度は２０質量％以上５０質量％以下、Ｔｉ濃度は１質量％以上７質量％以下の範囲であることが好ましい。活性金属ろう材には、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉ以外に、ＳｎおよびＩｎの一方または両方を５質量％以上２５質量％以下添加してもよい。例えば、各金属粉末と、有機溶媒とを混合することにより、活性金属ろう材ペーストを調製することができる。なお、各金属粉末の平均粒径は、１μｍ以上７μｍ以下であることが好ましい。

次に、活性金属ろう材ペーストをセラミック基板上に塗布する。活性金属ろう材ペーストの塗布層の厚さは、１０μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。塗布層の厚さが１０μｍ未満であると、銅回路板に拡散領域を形成しにくくなる。また、塗布層の厚さが５０μｍを超えると、接合強度等の特性が向上しにくく、また、コストアップの要因となる。塗布層の厚さは、２０μｍ以上４０μｍ以下であることがより好ましい。

次に、塗布層の一部の上に銅回路板を配置する。銅回路板を配置する際、応力を付加して銅回路板を配置することが好ましい。銅回路板に応力を付加して配置することにより、塗布したろう材ペーストがわずかに広がる。これにより、接合層のはみ出し部を形成することができる。また、厚さ方向に銅回路板の一部を塗布層に埋め込むことが好ましい。これにより、銅回路板の側面に沿ってはい上がるように接合層のはみ出し部を形成しやすくすることができる。なお、応力を付加せずに銅回路板を配置する場合は、活性金属ろう材ペーストを追加してもよい。裏銅回路板を設ける場合や複数の表銅回路板を配置する場合も上記と同様の工程を行うことが好ましい。

銅回路板として、プレス加工または切断加工により、目的のサイズに加工された銅回路板を用いてもよい。プレス加工や切断加工を利用することにより、断面において、内角の角度θを８５°以上９５°以下に調整しやすくなる。

次に、加熱接合を行う。加熱接合では、真空中（１×１０^−２Ｐａ以下）または窒素雰囲気中のような不活性雰囲気中で、７００℃以上９００℃以下で１０分以上１５０分以下加熱する。拡散領域を形成するためには１０分以上加熱することが好ましい。また、Ｔｉリッチ領域を形成するためには３０分以上加熱することが好ましい。

加熱接合工程において、５００℃未満までは窒素雰囲気中（１０Ｐａ以上）、５００℃以上は真空中（１×１０^−２Ｐａ以下）で加熱接合工程を行うことも有効である。窒素雰囲気中で熱処理を行うことにより、接合層中のＴｉＮ（窒化チタン）の生成を促進させることができる。また、真空中で加熱することにより、活性金属ろう材ペーストにより発生するガス成分を外に逃がしやすくすることができる。この結果、セラミック基板に対する銅回路板のピール強度が高くなる。

加熱接合工程において、真空中（１×１０^−２Ｐａ以下）と窒素雰囲気中（１０Ｐａ以上）とを交互に切り替えて加熱接合を行うことも有効である。真空中と窒素雰囲気中とを交互に切り替えることにより、ＴｉＮ（窒化チタン）の生成とガス成分の排出を効果的に行うことができる。

なお、加熱接合時に活性金属ろう材ペーストが銅回路板の側面をはい上がり、加熱前後ではい上がり量Ｗ２が変化する場合がある。このため、活性金属ろう材ペースト上に銅回路板を配置する工程において、はい上がり量Ｗ２を０．１Ｔ（ｍｍ）以上０．４Ｔ（ｍｍ）以下にしておくことが好ましい。

以上の工程により回路基板を製造することができる。活性金属ろう材ペーストの組成および接合の際に熱処理条件を上記のとおり制御することにより、接合層のはみ出し量Ｗ１、はい上がり量Ｗ２、拡散領域の範囲等を制御することができる。

上記回路基板の製造方法では、裾野形状の端面を有する銅回路板を形成するためのエッチングを行う必要がない。そのため、コストアップを抑制することができる。また、上記銅回路板を形成する際に、塩化第二鉄液や塩化第二銅液、およびＴｉＮのエッチングで使用するフッ化水素酸系のエッチング液の処理も不要である。そのため、環境負荷を低減することができる。

（実施例１〜６、比較例１〜３）
まず、セラミック基板を用意した。実施例１〜６、比較例１〜３のそれぞれにおけるセラミック基板の種類を表１に示す。なお、窒化珪素基板としては、熱伝導率９０Ｗ／ｍ・Ｋ、３点曲げ強度７００ＭＰａ、縦５０ｍｍ×横３５ｍｍ×厚さ０．３２ｍｍの窒化珪素基板を用意した。窒化アルミニウム基板としては、熱伝導率１９０Ｗ／ｍ・Ｋ、３点曲げ強度３６０ＭＰａ、縦５０ｍｍ×横３５ｍｍ×厚さ０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム基板を用意した。酸化アルミニウム基板としては、熱伝導率２０Ｗ／ｍ・Ｋ、３点曲げ強度５００ＭＰａ、縦５０ｍｍ×横３５ｍｍ×厚さ１．０ｍｍの酸化アルミニウム基板を用意した。

次に、６５質量％のＡｇ粉末と、３０質量％のＣｕ粉末と、５質量％のＴｉ粉末と、有機溶媒とを混合して、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉの合計が１００質量％である活性金属ろう材ペーストを調製した。なお、Ａｇ粉末、Ｃｕ粉末、Ｔｉ粉末のそれぞれの平均粒径は、２μｍであった。

次に、銅回路板を用意した。実施例１〜６、比較例１〜３のそれぞれにおける銅回路板の寸法（縦（ｍｍ）×横（ｍｍ）×厚さ（ｍｍ））および断面の内角の角度θを表１に示す。なお、金型プレス加工または切断加工により、銅回路板を目的のサイズに加工した。

次に、セラミック基板の第１の面上に活性金属ろう材ペーストを塗布し、活性金属ろう材ペーストの塗布層の一部の上に表銅回路板となる銅回路板を配置した。その際、表銅回路板に応力を付加して、厚さ方向において、銅回路板の一部を活性金属ろう材ペーストに埋め込むように配置した。同様に、セラミック基板の第２の面上に、活性金属ろう材ペーストを塗布し、活性金属ろう材ペーストの塗布層の一部の上に裏銅回路板となる銅回路板を配置した。

次に、真空中（１×１０^−３Ｐａ）、８００℃以上８５０℃以下、７０分以上９０分以下、の条件で加熱接合を行うことで実施例１〜６、比較例１〜３に係る回路基板を作製した。実施例１〜６、比較例１〜３における、接合層の厚さ、はみ出し量Ｗ１、はい上がり量Ｗ２を表１に示す。なお、比較例１は、Ｗ１＝０Ｔ、Ｗ２＝０Ｔである。比較例２では、応力を付加せずに銅回路板を配置し、Ｗ２＝０Ｔである。比較例３では、応力を付加しながら銅回路板を配置し、Ｗ２＝０．８Ｔである。

実施例１〜６、比較例１〜３に係る回路基板において、ＥＰＭＡにより断面のＴｉの分散状態を測定することにより、幅方向拡散領域の厚さ、厚さ方向拡散領域の厚さ、およびＴｉリッチ領域の面積を算出した。結果を表２に示す。

（実施例７〜１０）
まず、セラミック基板として、縦５０ｍｍ×横３５ｍｍ×厚さ０．３２ｍｍの窒化珪素基板を用意した。実施例７〜１０の窒化珪素基板の熱伝導率と３点曲げ強度とを表３に示す。

次に、６０質量％のＡｇ粉末、２６質量％のＣｕ粉末、１０質量％のＳｎ粉末、４質量％のＴｉ粉末と、有機溶媒とを混合して、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｔｉの合計が１００質量％である活性金属ろう材ペーストを調製した。なお、Ａｇ粉末、Ｃｕ粉末、Ｓｎ粉末、Ｔｉ粉末のそれぞれの平均粒径は２μｍであった。

次に、銅回路板を用意した。実施例７〜１０の銅回路板の寸法（縦（ｍｍ）×横（ｍｍ）×厚さ（ｍｍ））および断面の内角の角度θを表４に示す。なお、金型プレス加工または切断加工により、銅回路板を目的のサイズに加工した。

次に、セラミック基板の第１の面上に活性金属ろう材ペーストを塗布し、活性金属ろう材ペーストの塗布層の一部の上に表銅回路板となる銅回路板を配置した。このとき、表銅回路板に応力を付加して、表銅回路板の一部を活性金属ろう材ペースト層に埋め込むように表銅回路板を配置した。同様に、セラミック基板の第２の面上に、活性金属ろう材ペーストを塗布し、活性金属ろう材ペーストの塗布層の一部の上に裏銅回路板となる銅回路板を配置した。

次に、表４に示す条件で加熱接合工程を行うことにより、実施例７〜１０に係る回路基板を作製した。実施例７〜１０における、接合層の厚さ、はみ出し量Ｗ１、はい上がり量Ｗ２を表４に示す。

次に、実施例７〜１０に係る回路基板において、ＥＰＭＡにより断面のＴｉの分散状態を測定することにより、幅方向の拡散領域および厚さ方向の拡散領域の厚さ、ならびにＴｉリッチ領域の面積を算出した。結果を表５に示す。

実施例７〜９では、窒素雰囲気と真空雰囲気を組合せて加熱接合を行っており、接合層の窒化珪素基板側にＴｉＮ（窒化チタン）が多く生成し、拡散領域が小さかった。一方、実施例１０では、熱処理時間が短いことからＴｉリッチ領域の面積が小さかった。このことから、熱処理条件によりＴｉリッチ領域等の拡散領域の範囲を制御することができることがわかる。

実施例および比較例に係る回路基板に対し、銅回路板の接合強度、ＴＣＴ信頼性を評価した。銅回路板の接合強度としてセラミック基板に対する銅回路板のピール強度を求めた。また、−４０℃×３０分保持→室温（２５℃）×１０分保持→１７５℃×３０分保持→室温（２５℃）×１０分保持を１サイクルとしたＴＣＴを１０００サイクル繰り返した。ＴＣＴの後、銅回路板のはがれ、セラミック基板のクラックの発生等の不具合の有無を確認することでＴＣＴ信頼性を評価した。また、不具合が発生しなかった回路基板に対して、セラミック基板に対する銅回路板のピール強度を測定し、ＴＣＴ前のピール強度からの低下率を算出した。結果を表６に示す。

表６からわかるとおり、実施例１〜１０に係る回路基板では、ピール強度が高いまたはピール強度の低下率が低い。よって、０．７ｍｍ以上、さらには１ｍｍ以上の厚さを有する銅回路板をセラミック基板に接合させた回路基板であっても、ＴＣＴ特性を高めることができることがわかる。

実施例１〜１０にかかる回路基板に対し、−４０℃×３０分保持→室温（２５℃）×１０分保持→１７５℃×３０分保持→室温（２５℃）×１０分保持を１サイクルとしたＴＣＴを３０００サイクルおよび５０００サイクル繰り返し行った。３０００サイクルまたは５０００サイクルのＴＣＴ後に、銅回路板のはがれ、セラミック基板のクラックの発生などの不具合の有無を確認した。５０００サイクルのＴＣＴの後のセラミック基板に対する銅回路板のピール強度を測定した。結果を表７に示す。

表７に示すとおり、６００ＭＰａ以上の３点曲げ強度を有する窒化珪素基板を用いた実施例１〜３および実施例６〜１０に係る窒化珪素回路基板は、優れたＴＣＴ特性を示す。活性金属ろう材にＳｎを添加した実施例７〜９に係る窒化珪素基板の接合強度は高く、５０００サイクルのＴＣＴ後における、窒化珪素基板に対する銅回路板のピール強度が高く、かつピール強度の低下率が低かった。

実施例１〜１０に係る回路基板の銅回路板上に半導体素子を搭載するために、ＣＣＤカメラにより位置検出を行い、検出可能な銅回路板端部からの最短位置を測定した。また、比較例４として、断面の内角の角度θが８０°の銅回路板を用意し、同様に検出可能な銅回路板端部からの最短位置を測定した。結果を表８に示す。

表８からわかるとおり、実施例１〜１０に係る回路基板では、検出可能な銅回路板端部からの最短位置が０．１ｍｍであった。このように、実施例１〜１０に係る回路基板では、ＣＣＤカメラ等により端部から０．１ｍｍの位置を検出することができる。よって、実施例１〜１０に係る回路基板では、銅回路板の端部から０．１ｍｍの位置を含む領域を半導体素子搭載部として用いることができる。これに対し、比較例４に係る銅回路板のように、断面の内角の角度θが８０°の場合、銅回路板の端部から１．２ｍｍ以上離れた位置でなければ検出できなかった。

上記実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。上記実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

Claims (15)

1. 第１の面と、前記第１の面に対向する第２の面とを有するセラミック基板と、
   前記第１の面の上に設けられ、０．７ｍｍ以上の厚さＴ（ｍｍ）と、断面において８５°以上９５°以下の角度θの内角と、表面に設けられた２５ｍｍ^２以上の半導体素子搭載部とを有する第１の銅回路板と、
   前記第２の面の上に設けられ、０．７ｍｍ以上の厚さＴ（ｍｍ）と、断面において８５°以上９５°以下の角度θの内角と、を有する第２の銅回路板と、
   Ａｇ、ＣｕおよびＴｉを含有し、前記第１の面と前記第１の銅回路板とを接合する第１の接合層と、
   Ａｇ、ＣｕおよびＴｉを含有し、前記第２の面と前記第２の銅回路板とを接合する第２の接合層と、を具備し、
   前記第１の接合層は、
   前記第１の銅回路板の外側にはみ出し、かつ前記第１の銅回路板の側面に沿ってはい上がるように設けられ、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下のはみ出し量Ｗ１と、０．０５Ｔ（ｍｍ）以上０．６Ｔ（ｍｍ）以下のはい上がり量Ｗ２とを有する第１のはみ出し部を備え、
   前記第２の接合層は、
   前記第２の銅回路板の外側にはみ出し、かつ前記第２の銅回路板の側面に沿ってはい上がるように設けられ、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下のはみ出し量Ｗ１と、０．０５Ｔ（ｍｍ）以上０．６Ｔ（ｍｍ）以下のはい上がり量Ｗ２とを有する第２のはみ出し部を備える、回路基板。
2. 前記セラミック基板は、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の厚さを有する窒化珪素基板である、請求項１に記載の回路基板。
3. 前記セラミック基板は、６００ＭＰａ以上の３点曲げ強度を有する窒化珪素基板である、請求項１または請求項２に記載の回路基板。
4. 前記第１の銅回路板および前記第２の銅回路板のそれぞれは、１ｍｍ以上の前記厚さＴ（ｍｍ）を有する、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の回路基板。
5. 前記第１の銅回路板および前記第２の銅回路板のそれぞれは、断面において８９°以上９１°以下の角度θの前記内角を有する、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の回路基板。
6. 前記第１の銅回路板および前記第２の銅回路板のそれぞれは、７ｍｍ以下の前記厚さＴ（ｍｍ）を有する、請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の回路基板。
7. 前記第１の銅回路板は、１００ｍｍ^２以上の前記半導体素子搭載部を有する、請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の回路基板。
8. 前記第１の接合層および前記第２の接合層のそれぞれは、ＳｎおよびＩｎの少なくとも一方をさらに含有する、請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の回路基板。
9. 前記第１の銅回路板は、
   前記第１の接合層との接合面に沿って設けられ、少なくともＴｉを含む、０．０１ｍｍ以上の厚さの第１の拡散領域を有し、
   前記第２の銅回路板は、
   前記第２の接合層との接合面に沿って設けられ、少なくともＴｉを含む、０．０１ｍｍ以上の厚さの第２の拡散領域を有し、
   前記第１の拡散領域は、
   前記第１の銅回路板の幅方向において、前記第１の接合層との接合面に沿って設けられた第１の拡散領域と、
   前記第１の銅回路板の厚さ方向において、前記第１の接合層との接合面に沿って設けられた第２の拡散領域と、
   前記第１の拡散領域と前記第２の拡散領域との重畳部に設けられ、前記第１の拡散領域および第２の拡散領域のＴｉ濃度の平均値よりも前記平均値の３０％以上高い濃度のＴｉを含む第３の拡散領域と、を有し、
   前記第２の拡散領域は、
   前記第２の銅回路板の幅方向において、前記第２の接合層との接合面に沿って設けられた第４の拡散領域と、
   前記第２の銅回路板の厚さ方向において、前記第２の接合層との接合面に沿って設けられた第５の拡散領域と、
   前記第４の拡散領域と前記第５の拡散領域との重畳部に設けられ、前記第４の拡散領域および第５の拡散領域のＴｉ濃度の平均値よりも前記平均値の３０％以上高い濃度のＴｉを含む第６の拡散領域と、を有する、請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の回路基板。
10. 前記第３の拡散領域および前記第６の拡散領域のそれぞれの面積は、４００μｍ^２以上である、請求項９に記載の回路基板。
11. 前記セラミック基板に対する前記第１の銅回路板のピール強度は、１０ｋＮ／ｍ以上であり、
    前記セラミック基板に対する前記第２の銅回路板のピール強度は、１０ｋＮ／ｍ以上である、請求項１ないし請求項１０のいずれか一項に記載の回路基板。
12. 前記セラミック基板に対する前記第１の銅回路板のピール強度は、１５ｋＮ／ｍ以上であり、
    前記セラミック基板に対する前記第２の銅回路板のピール強度は、１５ｋＮ／ｍ以上である、請求項１ないし請求項１０のいずれか一項に記載の回路基板。
13. １０００サイクルのＴＣＴ後において、前記セラミック基板に対する前記第１の銅回路板のピール強度の低下率は、１０％以下であり、
    前記ＴＣＴ後において、前記セラミック基板に対する前記第２の銅回路板のピール強度の低下率は、１０％以下である、請求項１ないし請求項１２のいずれか一項に記載の回路基板。
14. 前記半導体素子搭載部は、前記第１の銅回路板の端部から０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下の位置を含むように設けられる、請求項１ないし請求項１３のいずれか一項に記載の回路基板。
15. 請求項１ないし請求項１４のいずれか一項に記載の回路基板と、
    前記半導体素子搭載部に搭載された半導体素子と、を具備する、半導体装置。

Images