JP6499545B2 - 金属セラミック接合基板及び、その製造方法 - Google Patents
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Description
この発明は、窒化珪素基板の少なくとも一方の表面側に、銅又は銅合金からなる導体層を積層してなる金属セラミック接合基板及び、その製造方法に関するものであり、特には、微細な回路パターンの形成を可能にするとともに、パワーモジュール用基板として用いる場合に導体層上に搭載され得る半導体素子から生じる熱を有効に放散させることのできる技術を提案するものである。
民生機器用や、ガソリン自動車、電気自動車その他の車載用等として採用されることのあるパワーモジュール用基板は、セラミック基板をベース板上に固定配置するとともに、導体層上にパワートランジスタ等の半導体素子が搭載されて使用に供されるものであり、使用に際し、半導体素子が発する高熱をベース板に伝導させて、その熱を速やかに放散することが求められる。
この種の金属セラミック接合基板は通常、銅等からなる導体層を、セラミック基板としてのアルミナ基板上に直接接合させたものが用いられているが、近年は、半導体素子やＬＥＤ素子の発熱量が増加する傾向にあることから、セラミック基板として、アルミナ基板よりも熱伝導性に優れ、かつ高い機械的強度を有する窒化珪素基板が使用されるようになってきている。
ここで、導体層を構成する銅等の窒化物の形成は力学的に不安定であるので、窒化珪素基板と導体層との直接接合は困難である。
そのため、金属セラミック接合基板のセラミック基板として、窒化珪素基板を用いる場合は、窒化珪素基板と導体層との間に、銀等の活性金属を含むろう材を介在させることで、それらの接合を実現している。
そのため、金属セラミック接合基板のセラミック基板として、窒化珪素基板を用いる場合は、窒化珪素基板と導体層との間に、銀等の活性金属を含むろう材を介在させることで、それらの接合を実現している。
たとえば、特許文献１には、セラミックス基板の材質が窒化アルミニウム又は窒化ケイ素で、金属回路及び／又は金属放熱板の材質が銅、銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金であり、それらが活性金属を含むろう材により接合されてなるセラミックス回路基板が記載されている。このろう材は具体的には、銀を主成分とし、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、バナジウム等の活性金属を副成分とした銀ろうで、ろう材ペーストを調整し、これを活性金属ろう付け法により、ロールコーター等で塗布して形成することが記載されている。
また、特許文献２には、セラミックス基板と、前記セラミックス基板の少なくとも一方の面に、Ａｇ、Ｃｕ及びＴｉを含むろう材層を介して接合された銅回路板と、前記銅回路板の側面から外側にはみ出した前記ろう材層で形成されたろう材はみ出し部とを備えるセラミックス回路基板であって、前記ろう材はみ出し部中のＴｉ相およびＴｉＮ相の合計は３質量％以上で、かつ前記セラミックス基板と前記銅回路板の間に介在された前記ろう材層中のＴｉ相およびＴｉＮ相の合計量と異なり、前記ろう材はみ出し部における１個当たりの面積が２００μｍ2以下の空隙が１つ以下（０を含む）であるものが記載されている。ここで、ろう材層は、Ａｇ：９０〜５０重量％、Ｓｎおよび／またはＩｎからなる元素：５〜１５重量％、Ｔｉ：０．１〜６重量％、残部Ｃｕおよび不可避不純物からなる組成のろう材を塗布・印刷することにより形成されることが開示されている。
ところで、上述したように、窒化珪素基板と導体層との間に、銀を含むろう材を介在させることにより、それらをろう付け法で接合させて、金属セラミック接合基板を製造した場合は、窒化珪素基板と導体層とを強固に接合させるために、ろう材の厚みを比較的厚くせざるを得ないが、銀ろう材の厚みが厚くなると、たとえばピッチ１００μｍ以下の微細な回路パターンの形成が困難になるという問題があった。
また、このようにろう材の厚みを厚くすると、使用に際し、厚みのあるろう材が、半導体素子で生じる熱の放散を阻害し、金属セラミック接合基板による所要の放熱性能を確保できないことがあった。
また、このようにろう材の厚みを厚くすると、使用に際し、厚みのあるろう材が、半導体素子で生じる熱の放散を阻害し、金属セラミック接合基板による所要の放熱性能を確保できないことがあった。
この発明は、従来技術が抱えるこのような問題を解決することを課題とするものであり、それの目的とするところは、窒化珪素基板と導体層とを、比較的薄い厚みの接合層によって有効に接合させることにより、微細な回路パターンを形成可能とし、また所要の放熱性能を発揮することのできる金属セラミック接合基板及び、その製造方法を提供することにある。
発明者は、窒化珪素と銅又は銅合金とを強固に接合することのできる材料を鋭意検討し、チタン、ジルコニウム、バナジウム、アルミニウムが珪素よりも窒化物として安定すること、及び、チタン、ジルコニウム、バナジウム、アルミニウムが銅ないし銅合金と少量固溶することに着目して、これらの材料が、窒化珪素基板と導体層との接合層として極めて有効であることを見出した。
そして、窒化珪素基板と導体層とを、チタン、ジルコニウム、バナジウム及び／又はアルミニウムの薄膜層の介在下でホットプレスやＨＩＰ（熱間等方圧加圧）等することで、製造された金属セラミック接合基板では、窒化珪素基板に含まれる窒素及び、導体層に含まれる銅のそれぞれが、上記の薄膜層側に拡散するとともに化合物となって接合層を形成することにより、比較的薄い接合層で、窒化珪素基板と導体層とが強固に接合されるとの知見を得た。
このような知見に基き、この発明の金属セラミック接合基板は、窒化珪素基板の少なくとも一方の表面側に、銅又は銅合金からなる導体層を積層してなる金属セラミック接合基板であって、前記窒化珪素基板と導体層との間に、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化バナジウム及び窒化アルミニウムからなる群から選択される少なくとも一種の化合物を含み且つ銀を含まない接合層が介在し、該接合層の介在下で、前記窒化珪素基板と導体層とが接合されてなり、前記接合層中の酸素濃度が３×１０ 19 ａｔｏｍｓ／ｃｍ 3 以上であるものである。尚、本発明における窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化バナジウム、窒化アルミニウムとは、窒素と、チタン、及び／又は、ジルコニウム、及び／又は、バナジウム、及び／又は、アルミニウムとの化合物を意味しており、必ずしも、窒素と上記金属との組成（モル比）が１：１である化合物のみを意味するものではない。
ここで、この発明の金属セラミック接合基板では、前記接合層の厚みが、好ましくは５００ｎｍ以上かつ５０００ｎｍ以下であり、より好ましくは２０００ｎｍ以上かつ４０００ｎｍ以下である。尚、本発明における「接合層の厚み」とは、上記、ホットプレスやＨＩＰ等の加圧力作用により製造された、チタン、ジルコニウム、バナジウム及び／又はアルミニウムの薄膜層の厚さを言い、具体的には金属セラミック基板を厚さ方向の断面をＥＰＭＡで測定して導出される当該薄膜層の厚さを言う。
またここでは、前記導体層から接合層への銅の拡散距離が、該導体層と接合層との界面から厚み方向に沿って測って５００ｎｍ以上であることが好ましい。
またここでは、前記導体層から接合層への銅の拡散距離が、該導体層と接合層との界面から厚み方向に沿って測って５００ｎｍ以上であることが好ましい。
また、この発明の金属セラミック接合基板では、前記窒化珪素基板と導体層とのピール強度は、０．４ｋＮ／ｍ以上であることが好ましい。さらに、窒化珪素基板と導体層とのピール強度は、１．０ｋＮ／ｍ以上であることがより好ましい。
そしてまた、前記窒化珪素基板を、曲げ強度が４００ＭＰａ以上であり、表面粗さＲａが０．１μｍ以上かつ１．０μｍ以下であるものとすることが好ましい。
そしてまた、前記窒化珪素基板を、曲げ強度が４００ＭＰａ以上であり、表面粗さＲａが０．１μｍ以上かつ１．０μｍ以下であるものとすることが好ましい。
またここでは、前記導体層を構成する銅または銅合金の導電率がＩＡＣＳ８０％以上であること、及び、該導体層の厚みが１０μｍ以上かつ２００μｍ以下であることが好適である。
この金属セラミック接合基板では、接合層の厚み方向で、窒化珪素基板と接合層との界面から導体層側に向かって、５００ｎｍ離れた位置における窒素の濃度が、５×１０21ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上であることが好ましい。
さらに、前記接合層中の、チタン、ジルコニウム、バナジウム、及び／又は、アルミニウムの含有量は、該接合層の厚み方向の中間領域にピークを有し、該中間領域から厚み方向で導体層側及び窒化珪素基板側のそれぞれに向かうに従い減少していることが好ましい。
以上に述べたような金属セラミック接合基板は、車載用又は民生機器搭載用のパワー半導体素子が搭載されるパワーモジュール用基板であること、前記導体層に回路パターンが形成された金属回路基板であること、ＬＥＤ用基板であること、ＭＥＭＳ用基板であることが好適である。また、この発明の金属セラミック接合基板は、マルチコアＭＣＵに用いられるものであることが好ましい。
またこの発明の金属セラミック接合基板の製造方法は、窒化珪素基板の少なくとも一方の表面側に、銅又は銅合金からなる導体層を積層してなる金属セラミック接合基板を製造する方法であって、窒化珪素基板又は導体層の、少なくとも一方の表面上に、チタン、ジルコニウム、バナジウム、及びアルミニウムからなる群から選択される少なくとも一種を、スパッタリング法又は蒸着法により、膜厚が３００ｎｍ以上になるまで成膜し、その後、成膜した薄膜層上に、導体層又は窒化珪素基板を、真空又は不活性ガス雰囲気の下、所定の温度条件で、５ＭＰａ以上かつ１５０ＭＰａ以下の加圧力の作用により圧着させて、前記窒化珪素基板と導体層とを接合し、前記スパッタリング法又は蒸着法により成膜される材料が、チタン、ジルコニウム、及び、バナジウムからなる群から選択される少なくとも一種である場合、前記窒化珪素基板と導体層とを接合する際の温度を、７５０℃以上かつ９５０℃以下とし、または、前記スパッタリング法又は蒸着法により成膜される材料が、アルミニウムである場合、前記窒化珪素基板と導体層とを接合する際の温度を、４００℃以上かつ６００℃以下とするものである。
また、この製造方法で好ましくは、前記スパッタリング法又は蒸着法による成膜の際に用いられるチタン、ジルコニウムおよびバナジウム及びアルミニウム原料中の酸素濃度が、１００ｗｔｐｐｍ以上である。
また、この製造方法で好ましくは、前記スパッタリング法又は蒸着法による成膜の際に用いられるチタン、ジルコニウムおよびバナジウム及びアルミニウム原料中の酸素濃度が、１００ｗｔｐｐｍ以上である。
この発明の金属セラミック接合基板によれば、窒化珪素基板と導体層との間に、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化バナジウム及び／又は窒化アルミニウムを含む接合層が介在することより、従来技術の銀ろう材に比して薄い厚みの接合層で構成でき、該接合層により、半導体素子から発生する熱を、有効に放散することができ、その結果として、放熱性能を大きく高めることができる。さらに、窒化珪素基板と導体層とを強固に接合することができるので、微細な回路のパターニングが可能になる。
以下に、この発明の実施の形態について詳細に例示して説明する。
この発明の金属セラミック接合基板１は、図１に概略的に示すように、窒化珪素基板２の少なくとも一方の表面側に、銅又は銅合金からなる導体層３を積層して構成されるものであって、前記窒化珪素基板２と導体層３との間に、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化バナジウム及び窒化アルミニウムからなる群から選択される少なくとも一種の化合物を含む接合層４が介在し、かかる接合層４の介在下で、前記窒化珪素基板２と導体層３とが接合されたものである。
なお、図示の実施形態では、窒化珪素基板２の一方の表面だけに、導体層３を積層させているが、図示は省略するが、窒化珪素基板の両面のそれぞれに導体層を積層させたものとすることも可能である。
この発明の金属セラミック接合基板１は、図１に概略的に示すように、窒化珪素基板２の少なくとも一方の表面側に、銅又は銅合金からなる導体層３を積層して構成されるものであって、前記窒化珪素基板２と導体層３との間に、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化バナジウム及び窒化アルミニウムからなる群から選択される少なくとも一種の化合物を含む接合層４が介在し、かかる接合層４の介在下で、前記窒化珪素基板２と導体層３とが接合されたものである。
なお、図示の実施形態では、窒化珪素基板２の一方の表面だけに、導体層３を積層させているが、図示は省略するが、窒化珪素基板の両面のそれぞれに導体層を積層させたものとすることも可能である。
ここで、上記の導体層３は、回路パターンが形成され得るものであって、純銅又は銅合金からなるものである。
導体層３を純銅で構成する場合、タフピッチ銅、脱酸銅又は、無酸素銅等を用いることができる。
一方、導体層３を銅合金からなるものとする場合、この銅合金は、銅の他、銀、錫及びジルコニウムから選択される少なくとも一種を、二種以上の場合は合計で０．０５重量％以上かつ０．３重量％以下で含有するものとすることができる。好ましくは、上記の銅合金はＣｕ−０．１重量％Ｚｒ合金またはＣｕ−０．１２重量％Ｓｎ合金とする。
導体層３を純銅で構成する場合、タフピッチ銅、脱酸銅又は、無酸素銅等を用いることができる。
一方、導体層３を銅合金からなるものとする場合、この銅合金は、銅の他、銀、錫及びジルコニウムから選択される少なくとも一種を、二種以上の場合は合計で０．０５重量％以上かつ０．３重量％以下で含有するものとすることができる。好ましくは、上記の銅合金はＣｕ−０．１重量％Ｚｒ合金またはＣｕ−０．１２重量％Ｓｎ合金とする。
またここで、窒化珪素基板２は、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）を主成分とするセラミック基板であり、この窒化珪素基板２中の窒化珪素の濃度は、たとえば、９０重量％〜９９．５重量％とすることができる。窒化珪素２は、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）等に比して熱伝導性に優れ、しかも熱膨張率が低いことから、この種の金属セラミック接合基板のセラミック基板として用いることが有効である。
このような窒化珪素基板２に含まれる窒素は、導体層３に含まれる銅と結びついて窒化物を形成した場合に熱力学的に不安定であることから、窒化珪素基板２と導体層３とを直接的に接合することは困難である。
それ故に、この発明の金属セラミック接合基板１では、窒化珪素基板２と導体層３との間に、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化バナジウム及び窒化アルミニウムからなる群から選択される少なくとも一種の化合物を含む接合層４を介在させることとし、この接合層４が、窒化珪素基板２と導体層３とを強固に接合するべく機能する。
それ故に、この発明の金属セラミック接合基板１では、窒化珪素基板２と導体層３との間に、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化バナジウム及び窒化アルミニウムからなる群から選択される少なくとも一種の化合物を含む接合層４を介在させることとし、この接合層４が、窒化珪素基板２と導体層３とを強固に接合するべく機能する。
図２に、この発明の金属セラミック接合基板の一例の各元素の含有量の、厚み方向の分布を例示する。
この図２は、厚み０．３２ｍｍの窒化珪素基板２と、タフピッチ銅からなる厚み３０μｍの導体層３との間に、窒化チタンを含む厚み２２００ｎｍの接合層４を介在させた金属セラミック接合基板１で、その厚み方向に沿う断面で、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ：Electron Probe Micro Analyser）を用いて、各元素の厚み方向の相対的な量の大小を調べ、厚み方向に沿う各元素の存在プロファイルを示したものであり、ここでは、横軸に厚み方向の位置を示し、縦軸に各元素のＥＰＭＡでのカウント数を示している。
またここでは、製造された金属セラミック接合基板中の不純物濃度の定量分析は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Secondary Ion Mass Spectrometry）を用いた。ＳＩＭＳ分析用のサンプルは、窒化珪素基板側から窒化珪素基板の厚みが１０μｍ程度の薄さになるまで研削加工し、その後、研磨で数ミクロンになるまで加工した。ＳＩＭＳ分析は、その窒化珪素基板側から接合層側への深さ方向として酸素と窒素の含有量を定量した。
この図２は、厚み０．３２ｍｍの窒化珪素基板２と、タフピッチ銅からなる厚み３０μｍの導体層３との間に、窒化チタンを含む厚み２２００ｎｍの接合層４を介在させた金属セラミック接合基板１で、その厚み方向に沿う断面で、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ：Electron Probe Micro Analyser）を用いて、各元素の厚み方向の相対的な量の大小を調べ、厚み方向に沿う各元素の存在プロファイルを示したものであり、ここでは、横軸に厚み方向の位置を示し、縦軸に各元素のＥＰＭＡでのカウント数を示している。
またここでは、製造された金属セラミック接合基板中の不純物濃度の定量分析は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Secondary Ion Mass Spectrometry）を用いた。ＳＩＭＳ分析用のサンプルは、窒化珪素基板側から窒化珪素基板の厚みが１０μｍ程度の薄さになるまで研削加工し、その後、研磨で数ミクロンになるまで加工した。ＳＩＭＳ分析は、その窒化珪素基板側から接合層側への深さ方向として酸素と窒素の含有量を定量した。
この発明では、後述するような製造方法等によって金属セラミック接合基板１を製造することで、図２に示す金属セラミック接合基板１のように、導体層３に含まれる銅が、図２の二本の破線の間に挟まれる接合層４の領域に拡散していることが好ましい。
この場合、接合層４の銅が存在する領域では、チタン等と銅との化合物が形成されていると解され、これが、窒化珪素基板２と導体層３との接合に有効に寄与すると考えられる。
この場合、接合層４の銅が存在する領域では、チタン等と銅との化合物が形成されていると解され、これが、窒化珪素基板２と導体層３との接合に有効に寄与すると考えられる。
なおここで、接合層４の厚みとは、金属セラミック接合基板１の厚み方向で、チタン、ジルコニウム、バナジウム及び／又はアルミニウムの窒化物が存在する領域の長さを意味する。従って、接合層４の界面は、金属セラミック接合基板１の厚み方向で、チタン、ジルコニウム、バナジウム及び／又はアルミニウムの窒化物が存在する最も導体層３側及び最も窒化珪素基板２側の位置を意味する。
またこの発明では、図２に示す一例のように、窒化珪素基板２に含まれる窒素が拡散して、窒素が接合層４の領域に存在すること等により、接合層４には、当該窒素とチタン、ジルコニウム、バナジウム及び／又はアルミニウムとの化合物である窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化バナジウム及び／又は窒化アルミニウムが含まれる。
より詳細には、窒素は、金属セラミック接合基板１の厚み方向で、窒化珪素基板２と接合層４との界面から導体層側に向かって、５００ｎｍ離れた位置における窒素の濃度が５×１０21ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上であることが好ましい。
より詳細には、窒素は、金属セラミック接合基板１の厚み方向で、窒化珪素基板２と接合層４との界面から導体層側に向かって、５００ｎｍ離れた位置における窒素の濃度が５×１０21ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上であることが好ましい。
窒化珪素基板２に含まれる窒素が接合層４に拡散することで、接合層４の窒素が存在する領域では、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化バナジウム及び窒化アルミニウムのうちの少なくとも一種の化合物が形成されて、窒化珪素基板２と導体層３とを強固に接合することができる。
また図２に示すところでは、接合層４中のチタンは、窒化珪素基板２側及び導体層３側のそれぞれに拡散したことによって、接合層４の厚み方向の中間領域、この場合は略中央付近に含有量のピークを有するとともに、窒化珪素基板２側及び導体層３側のそれぞれに向かうに従って、含有量が次第に減少している。これは、接合層４の、導体層３に隣接する領域では、接合層４側に拡散した銅とチタンとの化合物が形成されており、また、接合層４の、窒化珪素基板２に隣接する領域では、接合層４側に拡散した窒素とチタンとの化合物である窒化チタンが形成されていることによるものと考えられ、それにより、窒化珪素基板２と導体層３との接合が強固になると解される。
そのため、この発明の金属セラミック接合基板１では、接合層４中の、チタン、ジルコニウム、バナジウム及び／又はアルミニウムの含有量は、接合層４の厚み方向の中間領域にピークを有し、該中間領域から厚み方向で導体層側及び窒化珪素基板側のそれぞれに向かうに従い減少していることが好ましい。
ここでいう中間領域は、窒化珪素基板２と接合層４との界面および、導体層３と接合層４との界面を含まない接合層４の厚み方向の領域であり、たとえば、窒化珪素基板２側のチタン濃度が５×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上となる位置と、導体層３側のチタン濃度が５×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上となる位置との間の領域を意味するものとすることができる。ジルコニウム、バナジウム、アルミニウムも同様の値で中間領域を決定できる。
そのため、この発明の金属セラミック接合基板１では、接合層４中の、チタン、ジルコニウム、バナジウム及び／又はアルミニウムの含有量は、接合層４の厚み方向の中間領域にピークを有し、該中間領域から厚み方向で導体層側及び窒化珪素基板側のそれぞれに向かうに従い減少していることが好ましい。
ここでいう中間領域は、窒化珪素基板２と接合層４との界面および、導体層３と接合層４との界面を含まない接合層４の厚み方向の領域であり、たとえば、窒化珪素基板２側のチタン濃度が５×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上となる位置と、導体層３側のチタン濃度が５×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上となる位置との間の領域を意味するものとすることができる。ジルコニウム、バナジウム、アルミニウムも同様の値で中間領域を決定できる。
以上に述べたような接合層４では、従来の銀ろう材に比して薄い厚みで、窒化珪素基板２と導体層３とを有効に接合させることができ、且つ、窒化珪素基板２と導体層３とのピール強度を、回路基板として要求される十分な強度で確保するため、チタン、ジルコニウム、バナジウム及び／又はアルミニウムの窒化物が存在する領域の厚み方向の長さである接合層４の厚みが、５００ｎｍ以上かつ５０００ｎｍ以下であることが好ましい。同様の観点から、さらに、この接合層４の厚みは、２０００ｎｍ以上かつ４０００ｎｍ以下であることがより好ましい。またこの場合、導体層３から接合層４への銅の拡散距離は、該導体層３と接合層４との界面から窒化珪素基板２に向けて測って２００ｎｍ以上であることが好ましい。
言い換えれば、接合層４の厚みが５００ｎｍより薄く、銅の拡散距離が２００ｎｍより小さい場合は、回路基板として要求される所要のピール強度が得られない可能性があり、使用時の熱サイクルによって導体層３が剥離することが懸念される。
言い換えれば、接合層４の厚みが５００ｎｍより薄く、銅の拡散距離が２００ｎｍより小さい場合は、回路基板として要求される所要のピール強度が得られない可能性があり、使用時の熱サイクルによって導体層３が剥離することが懸念される。
なお、微細な回路パターンの形成を可能にするとの観点からは、接合層４の厚みは、５０００ｎｍ以下とすることが好ましい。より好ましくは、接合層４の厚みを、２０００ｎｍ〜４０００ｎｍとする。
接合層４中の酸素濃度が低いと上記のピール強度が低下することがあるので、この酸素濃度は、３×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上とすることが好ましい。一方、酸素の上限は１×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3とすることが好適である。
接合層４中の酸素濃度が低いと上記のピール強度が低下することがあるので、この酸素濃度は、３×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上とすることが好ましい。一方、酸素の上限は１×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3とすることが好適である。
また、窒化珪素基板２の少なくとも導体層３が積層される表面の表面粗さＲａ（算術平均粗さＲａ）は、ＪＩＳ Ｂ０６０１に準拠して測定して、０．１μｍ以上かつ１．０μｍ以下とすることが好ましい。これはすなわち、窒化珪素基板２の当該表面の表面粗さＲａが小さすぎると、ピール強度が小さくなって所要の接合力を確保し得ない可能性があり、また、当該表面の表面粗さＲａが大きすぎると、該表面が粗くなって回路をパターニングする際の精度低下のおそれがあるからである。
このようにして、窒化珪素基板２と導体層３とを強固に接合することができるが、具体的には、窒化珪素基板２と導体層３とのピール強度は、０．４ｋＮ／ｍ以上であることが好ましい。さらに、窒化珪素基板２と導体層３とのピール強度は、１．０ｋＮ／ｍ以上であることがより好ましい。
このピール強度は、ＪＩＳ Ｃ６４８１に定義される引き剥がし強さを意味する。
このピール強度は、ＪＩＳ Ｃ６４８１に定義される引き剥がし強さを意味する。
ところで、この種の金属セラミック接合基板１は、後述する製造方法のように、チタン、ジルコニウム、バナジウム及び／又はアルミニウムを介して、窒化珪素基板２と導体層３とを接合する際にホットプレスもしくはＨＩＰ（熱間等方圧加圧）等を行った場合、窒化珪素基板２と導体層３との熱膨張差に起因して、その接合時に基板が反ったり、割れたりすることがある。
また、金属セラミック接合基板１は、その使用時に、導体層３上に搭載される図示しない半導体素子から繰り返し熱が伝導することによる熱サイクルの影響を受けることになり、この際に剥離が生じる場合もある。
また、金属セラミック接合基板１は、その使用時に、導体層３上に搭載される図示しない半導体素子から繰り返し熱が伝導することによる熱サイクルの影響を受けることになり、この際に剥離が生じる場合もある。
このことに対処するため、窒化珪素基板２の曲げ強度は、ＪＩＳ Ｒ１６９２に準拠して測定して、４００ＭＰａ以上とすることが好ましい。それにより、熱膨張差に起因する基板の割れや剥離を有効に防止することができる。
また、このような熱膨張差による基板の反りや割れを防止するため、導体層３の厚みは、２００μｍ以下とすることが好適である。
一方、導体層３の厚みが薄すぎると、接合層４の影響によって配線の導電率が低下する可能性がある。このため、導体層３の厚みは、１０μｍ以上とすることが好ましい。なお、導体層３を構成する銅または銅合金の導電率は、ＩＡＣＳ８０％以上であれば導体層として有効に機能することができる。この導電率は、ＪＩＳ Ｈ０５０５に基いて測定することができる。
一方、導体層３の厚みが薄すぎると、接合層４の影響によって配線の導電率が低下する可能性がある。このため、導体層３の厚みは、１０μｍ以上とすることが好ましい。なお、導体層３を構成する銅または銅合金の導電率は、ＩＡＣＳ８０％以上であれば導体層として有効に機能することができる。この導電率は、ＪＩＳ Ｈ０５０５に基いて測定することができる。
なおここで、窒化珪素基板２の表面に１μｍ以上の欠陥が多数存在すると、微細パターニングで配線欠陥が生じるおそれがある。
そのため、窒化珪素基板２の表面における１μｍ以上の欠陥は、１０個／ｍｍ2以下であることが好ましい。ここで、欠陥とは、ポア（pore）またはボイド（void）、脱粒のことをいい、形状は、鏡面研磨した窒化珪素基板の表面上に、大きさが長辺１μｍ以上であり、微小な凹み形状をした空隙である。また欠陥密度は、１０００倍の視野でＳＥＭ観察して、欠陥の個数をカウントし、ＳＥＭの視野面積から、１ｍｍ2当たりの欠陥数に換算して求めることができる。
そのため、窒化珪素基板２の表面における１μｍ以上の欠陥は、１０個／ｍｍ2以下であることが好ましい。ここで、欠陥とは、ポア（pore）またはボイド（void）、脱粒のことをいい、形状は、鏡面研磨した窒化珪素基板の表面上に、大きさが長辺１μｍ以上であり、微小な凹み形状をした空隙である。また欠陥密度は、１０００倍の視野でＳＥＭ観察して、欠陥の個数をカウントし、ＳＥＭの視野面積から、１ｍｍ2当たりの欠陥数に換算して求めることができる。
図３に、この発明の金属セラミック接合基板の他の例の各元素の含有量の、厚み方向の分布を参考までに示す。図３に示すものは、接合層として窒化バナジウムを用いたことを除いて、図２に示すものと同様である。
以上に述べたような金属セラミック接合基板１を製造するに当っては、はじめに、窒化珪素基板の少なくとも一方の表面上に、チタン、ジルコニウム、バナジウム及びアルミニウムからなる群から選択される少なくとも一種の単体元素を、スパッタリング法又は蒸着法により成膜させる。
ここでは、スパッタリング、イオンプレーティング又は真空蒸着等の公知の方法を用いて、窒化珪素基板の表面上に、チタン、ジルコニウム、バナジウム及び／又はアルミニウムの薄膜層を生成することができる。
スパッタリング法又は蒸着法は、窒化珪素基板の表面上のこの薄膜層の膜厚が３００ｎｍ以上となるまで実施する。
ここでは、スパッタリング、イオンプレーティング又は真空蒸着等の公知の方法を用いて、窒化珪素基板の表面上に、チタン、ジルコニウム、バナジウム及び／又はアルミニウムの薄膜層を生成することができる。
スパッタリング法又は蒸着法は、窒化珪素基板の表面上のこの薄膜層の膜厚が３００ｎｍ以上となるまで実施する。
ここで、上記のスパッタリング法又は蒸着法では、窒化珪素基板の表面への成膜に用いるチタン、ジルコニウム、バナジウムおよびアルミニウム原料中の酸素濃度を、１００ｗｔｐｐｍ以上とすることが、ピール強度の向上の観点から好ましい。これはすなわち、酸素が存在すると窒化珪素基板中の窒素との置換反応が促進されて、Ｓｉ3Ｎ4がＳｉＯ3となり、吐き出された窒素がＴｉＮを形成する。従って、ここでの酸素が少ないと、製造された金属セラミック接合基板で窒素の接合層への拡散が不十分となり十分なピール強度が得られないことが懸念される。一方、酸素が多すぎると窒素と酸素の反応によりＮＯｘが生成し境界部にガス溜りができ、剥離が生じる可能性がある。そのため、チタン、ジルコニウム、バナジウムおよびアルミニウム原料中の酸素濃度は、２０００ｗｔｐｐｍ以下とすることが好ましい。
しかる後は、窒化珪素基板の表面上に成膜した上記の薄膜層上に、銅又は銅合金からなる導体層を押圧して圧着させる。
この圧着は、真空又は不活性ガスの雰囲気の下、薄膜層がチタン、ジルコニウム、バナジウムの場合は７５０℃〜９５０℃の温度で、または薄膜層がアルミニウムの場合は４００℃〜６００℃の温度で行うものとして、５ＭＰａ〜１５０ＭＰａの加圧力を作用させる。特にここでは、重ね合せた窒化珪素基板と導体層に対し、全方向から均等圧を作用させて加圧する熱間等方圧加圧法（Hot Isostatic Pressing）を用いることが好ましい。それにより、セラミック基板全体が等しく加圧されるからである。
この圧着は、真空又は不活性ガスの雰囲気の下、薄膜層がチタン、ジルコニウム、バナジウムの場合は７５０℃〜９５０℃の温度で、または薄膜層がアルミニウムの場合は４００℃〜６００℃の温度で行うものとして、５ＭＰａ〜１５０ＭＰａの加圧力を作用させる。特にここでは、重ね合せた窒化珪素基板と導体層に対し、全方向から均等圧を作用させて加圧する熱間等方圧加圧法（Hot Isostatic Pressing）を用いることが好ましい。それにより、セラミック基板全体が等しく加圧されるからである。
ここで、窒化珪素基板の表面上に成膜した上記の薄膜層上に、銅又は銅合金からなる導体層を押圧して接合させるに当り、成膜された材料が、チタン、ジルコニウム及びバナジウムからなる群から選択される少なくとも一種である場合は、前記窒化珪素基板と導体層とを接合する際の温度を、７５０℃〜９５０℃とする。これは、接合層材料が十分にセラミック基板側へ熱拡散するためである。言い換えれば、この接合時の温度が７５０℃未満とすると、接合層材料の熱拡散が不十分となり、密着性が十分に得られないという不都合があり、この一方で、９５０℃より高くすると、銅体層材料である銅もしくは銅合金の融点に近づき、リメルトの危険性があり、接合層材料金属が導体層中に溶解して合金化して電気抵抗が高くなる可能性がある。このような観点から、成膜材料がチタン、ジルコニウム及び／又はバナジウムである場合の接合温度は、７５０〜９５０℃とする。
あるいは、成膜された材料がアルミニウムである場合は、前記窒化珪素基板と導体層とを接合する際の温度を、４００℃以上かつ６００℃以下とする。これは、接合層材料が十分にセラミック基板側へ熱拡散するためからである。言い換えれば、この接合時の温度が４００℃未満とすると、接合層材料の熱拡散が不十分となり、密着性が十分に得られないという不都合があり、この一方で、６００℃より高くすると、アルミニウムの融点に近い温度となり、リメルトして積層体構造を壊す可能性がある。このため、成膜材料がアルミニウムである場合の接合温度は、４００〜６００℃とする。
あるいは、成膜された材料がアルミニウムである場合は、前記窒化珪素基板と導体層とを接合する際の温度を、４００℃以上かつ６００℃以下とする。これは、接合層材料が十分にセラミック基板側へ熱拡散するためからである。言い換えれば、この接合時の温度が４００℃未満とすると、接合層材料の熱拡散が不十分となり、密着性が十分に得られないという不都合があり、この一方で、６００℃より高くすると、アルミニウムの融点に近い温度となり、リメルトして積層体構造を壊す可能性がある。このため、成膜材料がアルミニウムである場合の接合温度は、４００〜６００℃とする。
これにより、図２、３に例示する金属セラミック接合基板のように、導体層に含まれる銅が、チタン、ジルコニウム、バナジウム及び／又はアルミニウムの薄膜層側に拡散するとともに、窒化珪素基板に含まれる窒素が、当該薄膜層側に拡散し、さらに、薄膜層のチタン、ジルコニウム、バナジウム及び／又はアルミニウムが窒化珪素基板側及び導体層側のそれぞれに拡散することになる。
それにより、導体層側では銅とチタン、ジルコニウム、バナジウム及び／又はアルミニウムとの化合物が、また窒化珪素基板側では窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化バナジウム及び／又は窒化アルミニウムがそれぞれ存在する接合層が形成される。
それにより、導体層側では銅とチタン、ジルコニウム、バナジウム及び／又はアルミニウムとの化合物が、また窒化珪素基板側では窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化バナジウム及び／又は窒化アルミニウムがそれぞれ存在する接合層が形成される。
その結果として、それぞれの界面での拡散作用に起因する化合物の形成により、接合層の厚みがそれほど厚くなくとも、導体層と窒化珪素基板とが強固に接合された金属セラミック接合基板を製造することができ、微細な回路パターンの形成が可能になる。
それ故に、この発明の金属セラミック接合基板は、セラミック基板をベース板上に固定配置するとともに、導体層上にパワートランジスタ等の半導体素子が搭載されて使用されるパワーモジュール用基板として用いることが好適である。
なお、回路パターンの形成方法は特に限定されるものではないが、たとえば、フォトレジスト工程を利用し、マスクパターンを形成して、不要金属箔部分をエッチングで除去して作製すること等により、回路パターンを形成することが可能である。
それ故に、この発明の金属セラミック接合基板は、セラミック基板をベース板上に固定配置するとともに、導体層上にパワートランジスタ等の半導体素子が搭載されて使用されるパワーモジュール用基板として用いることが好適である。
なお、回路パターンの形成方法は特に限定されるものではないが、たとえば、フォトレジスト工程を利用し、マスクパターンを形成して、不要金属箔部分をエッチングで除去して作製すること等により、回路パターンを形成することが可能である。
この発明の金属セラミック接合基板は、車載用又は民生機器ないし工作機械搭載用のパワー半導体素子が搭載されるパワーモジュール用基板とすることの他、たとえば液晶のバックライト向けのＬＥＤ（Light Emitting Diode）や、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）、モバイル機器のＲＦ（Radio Frequency）モジュール、スイッチングモジュール、アンテナスイッチモジュール、ＰＡ（Power Amplifier）モジュール、フィルタモジュール用の基板とすることができる。
このパワー半導体モジュールとしては、たとえば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳ−ＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）モジュール等を挙げることができる。
また、この発明の金属セラミック接合基板は、複数の演算装置（ＣＰＵ）を搭載し、たとえばパワートレイン・システムその他の車両システム等で使用され得るマルチコアＭＣＵ（Micro Control Unit）に用いることもできる。
このパワー半導体モジュールとしては、たとえば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳ−ＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）モジュール等を挙げることができる。
また、この発明の金属セラミック接合基板は、複数の演算装置（ＣＰＵ）を搭載し、たとえばパワートレイン・システムその他の車両システム等で使用され得るマルチコアＭＣＵ（Micro Control Unit）に用いることもできる。
次に、金属セラミック接合基板を試作し、その性能を確認したので以下に説明する。但し、ここでの説明は、単なる例示を目的としたものであり、それに限定されることを意図するものではない。
この発明の製造方法に従う実施例１〜２０の方法により、窒化珪素基板と導体層とを、それらの間に窒化チタン等を含む接合層を介在させて接合させ、表１に示す各金属セラミック接合基板を得た。実施例１〜２０の製造方法の条件を表２に示す。また、この発明の製造方法の条件から外れる比較例１〜１１の方法により、表３に示す各金属セラミック接合基板を得た。比較例１〜１１の製造方法の条件を表４に示す。
なおここで、表１〜４から、接合層中の銅の拡散距離は、熱間等方圧加圧（ＨＩＰ）時の温度によって変化することが解かる。
なおここで、表１〜４から、接合層中の銅の拡散距離は、熱間等方圧加圧（ＨＩＰ）時の温度によって変化することが解かる。
実施例１〜２０の及び比較例１〜１１の方法により製造した各金属セラミック基板に対し、ＪＩＳ Ｂ０６０１に従ってピール強度試験を行い、それらのピール強度を測定した。このピ−ル強度試験は具体的には、銅板の一端部が基板の外部に５ｍｍ程度突出するように、また、接合面積を１０ｍｍ×１０ｍｍとして接合し、これを５０ｍｍ／ｍｉｎの速度で９０度上方に引っ張り上げるのに要する単位幅当りの力（剥離強度）を算出し、評価した。
また、実施例１〜２０及び比較例１〜１１の方法により製造した各金属セラミック基板に対し、インターバル５秒で、−４０℃〜１２０℃の低温および高温による熱サイクルを、３００回繰り返し与えた後、蛍光探傷検査を行って、実施例１〜２０及び比較例１〜１１の方法により製造した各基板の反りおよび割れもしくは剥がれを調査した。
これらの試験結果も表２及び表４に示す。表２及び表４中、熱サイクル後の基板の反りおよび割れもしくは剥がれの項目における「○」は、上述した熱サイクル後に基板の反りないし割れ、剥がれが生じなかったことを示し、また、同項目における「×」は、熱サイクル後に反りないし割れ、剥がれが生じたことを示す。
これらの試験結果も表２及び表４に示す。表２及び表４中、熱サイクル後の基板の反りおよび割れもしくは剥がれの項目における「○」は、上述した熱サイクル後に基板の反りないし割れ、剥がれが生じなかったことを示し、また、同項目における「×」は、熱サイクル後に反りないし割れ、剥がれが生じたことを示す。
表２及び４に示す結果から、実施例１〜２０の方法により製造した金属セラミック接合基板はいずれも、接合層に窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウム又は窒化アルミニウムが含まれることから、接合層に銀が含まれる比較例９〜１１の方法により製造した金属セラミック接合基板よりも大きなピール強度が発揮されていることが解かる。
比較例１は、薄膜形成にチタンを用いた場合であって、ホットプレス時の温度が７００℃と低すぎたことに起因して、ピール強度を十分に高めることができず、また、ホットプレス時に基板が割れて、金属セラミック接合基板を製造することができなかった。
比較例２は、ホットプレス時の加圧力が低く、接合界面の密着が不十分となって、ピール強度が低くなった。
比較例２は、ホットプレス時の加圧力が低く、接合界面の密着が不十分となって、ピール強度が低くなった。
比較例３〜５は、薄膜層の厚みが薄かったことにより、十分な厚みの接合層が形成されず、それにより、ピール強度が低くなった。
比較例６〜８は、ホットプレス時の温度が高すぎたことにより、銅体層がリメルトしてピール強度が低くなったと考えられ、またホットプレス時に基板の割れ又は剥がれが生じたものもあった。
比較例６〜８は、ホットプレス時の温度が高すぎたことにより、銅体層がリメルトしてピール強度が低くなったと考えられ、またホットプレス時に基板の割れ又は剥がれが生じたものもあった。
以上の結果より、この実施例１〜２０の製造方法によれば、熱サイクル後の基板の状態が良好で、接合層厚みを薄くしても十分大きなピール強度を有する金属セラミック接合基板を製造できることが解かった。従って、これらの金属セラミック接合基板では、接合層の厚みを減少させることによって、放熱性能を有効に高め、また微細な回路パターンを形成することが可能になる。
１ 金属セラミック接合基板
２ 窒化珪素基板
３ 導体層
４ 接合層
２ 窒化珪素基板
３ 導体層
４ 接合層
Claims (16)
- 窒化珪素基板の少なくとも一方の表面側に、銅又は銅合金からなる導体層を積層してなる金属セラミック接合基板であって、
前記窒化珪素基板と導体層との間に、窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化バナジウム、及び、窒化アルミニウムからなる群から選択される少なくとも一種の化合物を含み且つ銀を含まない接合層が介在し、該接合層の介在下で、前記窒化珪素基板と導体層とが接合されてなり、
前記接合層中の酸素濃度が３×１０ 19 ａｔｏｍｓ／ｃｍ 3 以上である金属セラミック接合基板。 - 前記接合層の厚みが、５００ｎｍ以上かつ５０００ｎｍ以下である請求項１に記載の金属セラミック接合基板。
- 前記接合層の厚みが、２０００ｎｍ以上かつ４０００ｎｍ以下である請求項２に記載の金属セラミック接合基板。
- 前記導体層から接合層への銅の拡散距離が、該導体層と接合層との界面から厚み方向に沿って測って５００ｎｍ以上である請求項１〜３のいずれか一項に記載の金属セラミック接合基板。
- 前記窒化珪素基板と導体層とのピール強度が、０．４ｋＮ／ｍ以上である請求項１〜４のいずれか一項に記載の金属セラミック接合基板。
- 前記窒化珪素基板を、曲げ強度が４００ＭＰａ以上であり、表面粗さＲａが０．１μｍ以上かつ１．０μｍ以下であるものとしてなる請求項１〜５のいずれか一項に記載の金属セラミック接合基板。
- 前記導体層を構成する銅又は銅合金の導電率がＩＡＣＳ８０％以上であり、該導体層の厚みが１０μｍ以上かつ２００μｍ以下である請求項１〜６のいずれか一項に記載の金属セラミック接合基板。
- 厚み方向で、窒化珪素基板と接合層との界面から導体層側に向かって、５００ｎｍ離れた位置における窒素の濃度が、５×１０21ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上である請求項１〜７のいずれか一項に記載の金属セラミック接合基板。
- 前記接合層中のチタン、ジルコニウム、バナジウム、及び／又は、アルミニウムの含有量が、該接合層の厚み方向の中間領域にピークを有するとともに、該中間領域から、厚み方向で導体層側及び窒化珪素基板側のそれぞれに向かうに従い減少してなる請求項１〜８のいずれか一項に記載の金属セラミック接合基板。
- 車載用又は民生機器搭載用のパワー半導体素子が搭載されるパワーモジュール用基板としてなる請求項１〜９のいずれか一項に記載の金属セラミック接合基板。
- 前記導体層に回路パターンが形成された金属回路基板としてなる請求項１〜９のいずれか一項に記載の金属セラミック接合基板。
- ＬＥＤ用基板としてなる請求項１〜９のいずれか一項に記載の金属セラミック接合基板。
- ＭＥＭＳ用基板としてなる請求項１〜９のいずれか一項に記載の金属セラミック接合基板。
- マルチコアＭＣＵに用いられる請求項１〜９のいずれか一項に記載の金属セラミック接合基板。
- 窒化珪素基板の少なくとも一方の表面側に、銅又は銅合金からなる導体層を積層してなる金属セラミック接合基板を製造する方法であって、
窒化珪素基板又は導体層の、少なくとも一方の表面上に、チタン、ジルコニウム、バナジウム、及びアルミニウムからなる群から選択される少なくとも一種を、スパッタリング法又は蒸着法により、膜厚が３００ｎｍ以上になるまで成膜し、その後、成膜した薄膜層上に、導体層又は窒化珪素基板を、真空又は不活性ガス雰囲気の下、所定の温度条件で、５ＭＰａ以上かつ１５０ＭＰａ以下の加圧力の作用により圧着させて、前記窒化珪素基板と導体層とを接合し、
前記スパッタリング法又は蒸着法により成膜される材料が、チタン、ジルコニウム、及び、バナジウムからなる群から選択される少なくとも一種である場合、前記窒化珪素基板と導体層とを接合する際の温度を、７５０℃以上かつ９５０℃以下とし、または、前記スパッタリング法又は蒸着法により成膜される材料が、アルミニウムである場合、前記窒化珪素基板と導体層とを接合する際の温度を、４００℃以上かつ６００℃以下とする金属セラミック接合基板の製造方法。 - 前記スパッタリング法又は蒸着法による成膜の際に用いられるチタン、ジルコニウム、バナジウムおよびアルミニウム原料中の酸素濃度が、１００ｗｔｐｐｍ以上である請求項１５に記載の金属セラミック接合基板の製造方法。
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