JP6487901B2 - セラミックス回路基板 - Google Patents

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Description

本発明は、高い接合強度および優れた耐熱サイクル特性を兼ね備えたセラミックス回路基板に関する。
パワーモジュール等に利用される回路用基板として、熱伝導率やコスト、安全性等の点から、アルミナ、ベリリア、窒化ケイ素、窒化アルミニウム等のセラミックス基板が利用されている。これらのセラミックス基板は、銅やアルミニウム等の金属回路板や放熱板を接合し回路基板として用いられる。これらは、樹脂基板や樹脂層を絶縁材とする金属基板に対し、優れた絶縁性および放熱性等を有することから、高放熱性電子部品を搭載するための基板として使用されている。
エレベーター、車両、ハイブリッドカー等といったパワーモジュール用途には、セラミックス基板の表面に、金属回路板をろう材で接合し、更に金属回路板の所定の位置に半導体素子を搭載したセラミック回路基板が用いられている。近年では、半導体素子の高集積化、高周波化、高出力化等に伴う半導体素子からの発熱量の増加に対し、高い熱伝導率を有する窒化アルミニウム焼結体や窒化ケイ素焼結体のセラミックス基板が使用されている。特に、窒化アルミニウム基板は、窒化ケイ素基板と比較して熱伝導率が高いため、高放熱性電子部品を搭載するためのセラミックス回路基板として好適である。
しかし、窒化アルミニウム基板は、高い熱伝導率を有する反面、機械的強度や靭性等が低いことから、アセンブリ工程での締付により割れが発生したり、熱サイクルが付加された際にクラックが発生し易い等の難点を有している。特に、自動車や電気鉄道、工作機械やロボット等の苛酷な荷重、熱的条件下で適用されるパワーモジュールに使用する場合には、この難点が顕著となってきている。
このため、電子部品搭載用のセラミックス基板としては、機械的な信頼性の向上が求められ、窒化アルミニウム基板より熱伝導率は劣るものの、機械的強度や靭性に優れる窒化ケイ素基板が注目されている。
窒化ケイ素基板を使用したセラミックス回路基板は、例えば、以下に示す活性金属法により作製される。
活性金属法は、４Ａ族元素や５Ａ族元素の様な活性金属を含むろう材層を介してセラミックス基板上に金属板を接合する方法であり、一般的に、銀−銅−チタン系ろう材を窒化ケイ素基板の両主面にスクリーン印刷し、この印刷面上に金属回路板および金属放熱板を配置し、適当な温度で加熱処理することでセラミックス基板と金属板とを接合する。
このようにして得られたセラミックス回路基板は、活性金属であるＴｉと窒化物系セラミックス基板のＮとが共有結合してＴｉＮ（窒化チタン）となり、このＴｉＮにより接合層を形成するため、ある程度の高い接合強度を得ることができる。
一方、車載用半導体モジュール等においては、高出力化、高集積化が進行し、セラミックス回路基板に繰り返し掛かる熱ストレスが、より増大する傾向にある。この熱ストレスに耐え切れなくなるとセラミックス基板に微小クラックが発生する。この微小クラックが発生したまま熱負荷サイクルがかかり続けた場合、金属板がセラミックス基板から剥がれてしまい、接合強度不良または熱抵抗不良を招く。その結果、電子機器としての動作信頼性が低下してしまう等の問題を有する。このようなことから、熱ストレスに耐えられるセラミックス回路基板のろう材構成に関して、以下のような提案がなされている。
特許文献１には、セラミックス回路基板の耐熱サイクル特性向上を目的とし、セラミックス基板と金属板とを接合するろう材にカーボン粉末を含有させることが効果的であると記載されている。
特開平９−２８３６５６
しかしながら、近年の車載用半導体モジュール等においては、更なる高出力化、高集積化が急速に進み、セラミックス回路基板には、放熱性向上を目的とした厚い金属板と熱抵抗低減を目的とした薄いセラミックス基板から成る構成が求められている。金属板が厚い場合、セラミックス基板と金属板の接合界面に発生する熱膨張率差起因の熱ストレスが一層厳しくなるため、熱サイクルが付加された際に、セラミックス基板に微小クラックが発生し易くなる。
更に、熱サイクル特性を評価するヒートサイクル評価は、一般的に−４０℃から１２５℃の温度幅であるが、今後、次世代パワーデバイスとして期待されるＳｉＣやＧａＮといったワイドバンドギャップ半導体を搭載したデバイスでは、動作温度が高くなるため、熱ストレスは高くなる一方である。
このような問題は、セラミックス基板を窒化ケイ素基板とした場合や、特許文献１に開示されたろう材層中にカーボン粉末を含有させたセラミックス回路基板においても、満足といえない状態である。
更に、ろう材中に含有する非繊維状カーボン粉末は、同じ炭素原子から成る炭素成分間である黒鉛（グラファイト）粉末やダイヤモンド粉末など中でも低い熱伝導率を有することから、セラミックス回路基板の放熱性を阻害する可能性があり好ましくない。
本発明は、上記課題に鑑み、高い接合強度と優れた耐熱サイクル性を有し、電子機器としての動作信頼性を向上させるとともに、放熱性に優れたセラミックス回路基板を得ることを目的とする。
本発明者は、上記の目的を達成するために鋭意検討した結果、セラミックス基板と金属板とを接合するろう材の熱膨張率をセラミックス基板に近づけることで、回路基板の熱サイクル特性が向上できるとの知見を得たものである。更に、ろう材中に含有する炭素成分をカーボンファイバー（炭素繊維）とすることで放熱性に優れるセラミックス回路基板を得るとの知見を得て本発明を完成した。
即ち、本発明は、セラミックス基板の両主面と金属板が、銀−銅系ろう材層を介して接合されたセラミックス回路基板であって、銀−銅系ろう材層が銀粉末７５〜９８質量部及び銅粉末２〜２５質量部の合計１００質量部に対して、カーボンファイバー（炭素繊維）０．３〜７．５質量部と、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、バナジウム、及び錫から選択される少なくとも一種の活性金属１．０〜９．０質量部とを含む銀−銅系ろう材で構成され、上記カーボンファイバーが平均長さ１５〜４００μｍ、平均直径５〜２５μｍ以下、平均アスペクト比３〜２８であることを特徴とするセラミックス回路基板である。
「セラミックス基板の両主面と金属板が銀−銅系ろう材層を介して接合された」とは、セラミックス基板の両主面に、それぞれ、金属板が銀−銅系ろう材層を介して接合されていることを意味している。
本発明によれば、高い接合性を有し、更に、−４０℃から１５０℃のヒートサイクル試験２０００サイクルにおいてクラック率１％未満の窒化ケイ素回路基板を製造することが可能である。
本発明の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、特に限定されるものではなく、窒化ケイ素、窒化アルミニウムなどの窒化物系セラミックス、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムなどの酸化物系セラミックス、炭化ケイ素等の炭化物系セラミックス、ほう化ランタン等のほう化物系セラミックス等で使用できる。但し、金属板を活性金属法でセラミックス基板に接合するため、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等の非酸化物系セラミックスが好適であり、更に、優れた機械強度、破壊靱性の観点より、窒化ケイ素基板が好ましい。
本発明のセラミックス基板の厚みは特に限定されないが、０．１〜３．０ｍｍ程度のものが一般的であり、特に、回路基板全体の熱抵抗率低減を考慮すると、１．０ｍｍ以下が好ましく、より好ましくは０．４ｍｍ以下である。
本発明の金属板に使用する金属は、銅、アルミニウム、鉄、ニッケル、クロム、銀、モリブテン、コバルトの単体またはその合金など、活性金属法を適用できる金属であれば特に限定は無いが、特に導電性、放熱性の観点から銅板が好ましい。
本発明の銅板の純度は、９０％以上であることが好ましく、純度が９０％より低い場合、セラミックス基板と銅板を接合する際、銅板とろう材の反応が不十分となったり、銅板が硬くなり回路基板の信頼性が低下する場合がある。
本発明の銅板の厚みは特に限定されないが、０．１〜１．５ｍｍのもの一般的であり、特に、放熱性の観点から、０．３ｍｍ以上が好ましく、より好ましくは０．５ｍｍ以上である。
本発明のろう材層は、カーボンファイバー（炭素繊維）と、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、バナジウム、錫から選択される少なくとも一種の活性金属とを含有する銀−銅系ろう材で構成される。銀−銅系ろう材の組成比は、共晶組成を生成し易い組成比に設定することが好ましく、特に、回路銅板および放熱銅板からの銅の溶け込みを考慮した組成が好ましい。銀粉末と銅粉末の合計１００質量部において、銀粉末が７５〜９８質量部、銅粉末が２〜２５質量部が好適である。銀粉末の量が７５〜９８質量部以外の場合、ろう材の融解温度が上昇するため、接合時の熱膨張率差に由来する熱ストレスが増加し、耐熱サイクル性が低下し易い。
本発明のろう材層を構成するろう材中に含有するカーボンファイバー（炭素繊維）の量は、銀粉末が７５〜９８質量部及び銅粉末が２〜２５質量部の合計１００質量部に対して、０．３〜７．５質量部が好ましく、０．５〜３．５がより好ましい。カーボンファイバー（炭素繊維）の配合量が０．３質量部未満の場合は、ろう材の熱膨張率の低下が小さく、回路基板の熱サイクル特性改善への寄与が小さい。一方、７．５質量部より大きい場合は、セラミックス基板と金属板の接合強度が低下し好ましくない。
カーボンファイバー（炭素繊維）が１５〜４００μｍの平均長さ、且つ５〜２５μｍの平均直径、且つ３〜２８の平均アスペクト比であることが好ましく、より好ましくは２２〜１６０μｍの平均長さ、７．５〜１０μｍの平均直径、平均アスペクト比４〜１０である。平均長さが４００μｍより大きい場合、且つ平均直径が２５μｍより大きい場合、且つ平均アスペクト比が２８より大きい場合、ろう材ペースト中に均一に分散させることが困難となる。また、平均長さが１５μｍより小さい場合、且つ平均直径が５μｍより小さい場合、且つ平均アスペクト比が４より小さい場合、セラミックス基板と金属板の接合強度が低下し好ましくない。
本発明において、「平均長さ」とは、走査型電子顕微鏡を利用して２０本以上のカーボンファイバーを観測し、各繊維の長さを画像解析にて計測して得られる値の平均値を意味する。「平均直径」とは、走査型電子顕微鏡を利用して２０本以上のカーボンファイバーを観測し、各繊維の直径を画像解析にて計測して得られる値の平均値を意味する。「平均アスペクト比」とは、上記「平均長さ」を上記「平均直径」で除した値を意味する。
カーボンファイバー（炭素繊維）の種類は、ピッチ系カーボンファイバーまたはポリアクリロニトリル系カーボンファイバーであれば良い。また、カーボンファイバー（炭素繊維）、有機結合剤や有機溶媒中に含有される炭素成分、カーボン粉末、ダイヤモンドなど同じ炭素原子から成る炭素成分間においても、その物理化学的挙動や機械的性質は全く異なることは周知の事実である。しかし、例えば、非繊維状カーボン粉末は熱伝導率が低いため、セラミックス回路基板の放熱性を阻害する可能性があり好ましくない。更には耐熱サイクル特性が低下することがあり好ましくない。また、ダイヤモンド粉末においては、熱伝導率は優れるもののコスト高となり好ましくない。
ろう材層を構成するろう材中に含有する活性金属の量は、銀粉末が７２質量部以上及び銅粉末が２８質量部以下の合計１００質量部に対して、１．０〜９．０質量部が好ましく、より好ましくは３．０〜５．５質量部である。活性金属の配合量が１．０質量部未満の場合は、セラミックス基板とろう材の濡れ性が良好でなく、接合不良が発生し易い。一方、活性金属の配合量が９質量部を超えると、接合界面に形成される脆弱な活性金属の窒化物層が過剰となり、耐熱サイクル性が低下する。なお、活性金属は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、バナジウム、及び錫などの金属から選択できるが、これらの中でもチタンが好適である。
ろう材層を構成するために塗布するろう材の厚みは、乾燥基準で５〜４０μｍが好ましい。ろう材の厚みが５μｍ未満では未反応の部分が生じる場合があり、一方、４０μｍを超えると、接合層を除去する時間が長くなり生産性が低下する場合がある。塗布方法は特に限定されず、基板表面に均一に塗布できるスクリーン印刷法、ロールコーター法等の公知の塗布方法を採用することができる。
セラミックス基板と金属板の接合は、真空中にて７８０℃〜８７５℃の温度且つ１０〜６０分の時間で接合することが好ましい。接合温度が７８０℃より小さい場合、または、接合時間が１０分より短い場合、セラミックス基板とろう材の接合性が低下する。一方、接合温度が８７５℃より高い場合、または、接合時間が６０分より長い場合、接合時の熱膨張率差に由来する熱ストレスが増加し、耐熱サイクル性が低下し易い。
回路基板に回路パターンを形成するため、金属板にエッチングレジストを塗布してエッチングする。エッチングレジストに関して特に制限はなく、例えば、一般に使用されている紫外線硬化型や熱硬化型のものが使用できる。エッチングレジストの塗布方法に関しては特に制限はなく、例えばスクリーン印刷法等の公知の塗布方法が採用できる。
回路パターンを形成するために銅板のエッチング処理を行う。エッチング液に関しても特に制限はなく、一般に使用されている塩化第二鉄溶液や塩化第二銅溶液、硫酸、過酸化水素水等が使用できるが、好ましいものとして、塩化第二鉄溶液や塩化第二銅溶液が挙げられる。エッチングによって不要な金属部分を除去した窒化物セラミックス回路基板には、塗布したろう材、その合金層、窒化物層等が残っており、ハロゲン化アンモニウム水溶液、硫酸、硝酸等の無機酸、過酸化水素水を含む溶液を用いて、それらを除去するのが一般的である。回路形成後エッチングレジストの剥離を行うが、剥離方法は特に限定されずアルカリ水溶液に浸漬させる方法などが一般的である。
［実施例１］
厚み０．２５ｍｍの窒化ケイ素基板の両主面に、銀粉末（福田金属箔粉工業（株）製：ＡｇＣ−ＢＯ）９０質量部および銅粉末（福田金属箔粉工業（株）製：ＳＲＣ−Ｃｕ−２０）１０質量部の合計１００質量部に対して、平均長さが１２０μｍ、平均直径が１５μｍ、平均アスペクト比が８のカーボンファイバー（炭素繊維）（日本グラファイトファイバー（株）製：ＸＮ‐１００‐１５Ｍ）を１．５質量部、チタン（（株）大阪チタニウムテクノロジーズ製：ＴＳＨ−３５０）を３．５質量部含む活性金属ろう材を塗布し、回路面に厚み１．０ｍｍ、裏面に１．０ｍｍの無酸素銅板を真空条件にて８３０℃且つ２０分の条件で接合した。
接合した回路基板を塩化銅を含むエッチング液でエッチングして回路を形成した。さらに、ろう材層をフッ化アンモニウム／過酸化水素エッチング液でエッチングし、窒化ケイ素回路基板を作製した。
銅板と窒化ケイ素基板の接合性および回路基板の耐ヒートサイクル評価は下記の方法にて評価した。
＜銅板と窒化ケイ素基板の接合性＞
銅板と窒化ケイ素基板の接合性は、ピール強度測定により評価した。測定法は次の通りである。窒化ケイ素基板に接合された銅回路パターンの一部である幅５ｍｍのパターンの端をペンチで引き剥がし、この接合基板を引張試験機の台に固定し、前記パターンの端をプル試験機のチャックに取り付けた。この時、窒化ケイ素基板の表面と引き剥がされた前記銅回路パターンの角度が９０°（鉛直方向）になるように設置する。その後、引張試験機を作動させ、チャックを介して引き剥がされた前記パターンを上方に引っ張って移動させ、その時の最大引き剥がし荷重を測定した。その最大引き剥がし荷重を幅（０．５ｃｍ）で除して接合強度を算出した。結果を表３に示す。
＜耐ヒートサイクル性の評価＞
作製した窒化ケイ素回路基板を、−４０℃にて３０分、２５℃にて１０分、１５０℃にて３０分、２５℃にて１０分を１サイクルとする耐ヒートサイクル試験を、２０００サイクル繰り返し試験を行った。その後、塩化銅液、および、フッ化アンモニウム／過酸化水素エッチング液を用いて窒化ケイ素回路基板から銅板およびろう材層を剥離し、窒化ケイ素基板表面の水平クラック面積を画像解析ソフトＧＩＭＰ２（閾値１４０）にて二値化し算出した後、水平クラック面積／回路パターンの面積（つまり、水平クラック面積の、回路パターン面積に対する割合）よりクラック率（％）を算出した。結果を表３に示す。
表３に示すように、窒化ケイ素板に銅板を接合する際に、実施例１のように、銀粉末９０質量部および銅粉末１０質量部の合計１００質量部に対して、カーボンファイバーの平均長さ１２０μｍ、平均直径１５μｍ以下、平均アスペクト比８のカーボンファイバー（炭素繊維）を１．５質量部、チタンを３．５質量部含む配合にて、７８０℃〜８７５℃の温度且つ１０〜６０分の時間で接合することで、接合性を低下させることなく耐ヒートサイクルの評価がクラック率０．０１％の回路基板が得られ、クラック率１％以の回路基板が得られることが実証された。
［実施例２〜２４、比較例１〜１３］
表１，２に示す条件を変えたこと以外は、実施例１と同様に行った。なお、比較例１３では、カーボンファイバーに替えて非繊維状カーボン粒子を用いた。銅板と窒化ケイ素基板の接合性、及び耐ヒートサイクル性の評価を、実施例１と同様に行った。結果を表３，４に示す。
Figure 0006487901
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表３，４より、窒化ケイ素板に銅板を接合する際に、銀粉末７５〜９８質量部および銅粉末２〜２５質量部の合計１００質量部に対して、カーボンファイバーの平均長さ１５〜４００μｍ、平均直径５〜２５μｍ、平均アスペクト比３〜２８のカーボンファイバー（炭素繊維）を０．３〜７．５質量部、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、バナジウム、及び錫から選択される少なくとも一種の活性金属を１．０〜９．０質量部含む配合にて、７８０℃〜８７５℃の温度且つ１０〜６０分の時間で接合することで、接合性を低下させることなく耐ヒートサイクルの評価でクラック率１％以下の回路基板が得られた。

Claims (1)

  1. セラミックス基板の両主面と金属板が、銀−銅系ろう材層を介して接合されたセラミックス回路基板であって、前記銀−銅系ろう材層が、銀粉末７５〜９８質量部及び銅粉末２〜２５質量部の合計１００質量部に対して、カーボンファイバー（炭素繊維）０．３〜７．５質量部と、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、バナジウム、及び錫から選択される少なくとも一種の活性金属１．０〜９．０質量部とを含む銀−銅系ろう材で構成され、前記カーボンファイバーが平均長さ１５〜４００μｍ、平均直径５〜２５μｍ、平均アスペクト比３〜２８であることを特徴とするセラミックス回路基板。
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