JP6602450B2 - Cu/セラミック基板 - Google Patents

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Description

本発明は、銅を主成分とする金属板と、アルミナを主成分とするセラミック板とが接合された基板(Cu/セラミック基板)に関する。
近年、パワーモジュール用基板として、銅を主成分とする金属板と、アルミナを主成分とするセラミック板とを接合した基板が採用されている(例えば、特開2011−77087号公報参照)。
金属板とセラミック板とを接合する方法として、直接接合法が知られている。直接接合法では、金属板の表面に酸化層を形成する。当該金属板をセラミック板に重ね合わせる。金属板とセラミック板とを接触させながら加熱する。このとき、セラミック板と金属板との接触界面には、Cu等の金属板を構成する元素及びO(酸素)を含む液相が生成される。これにより、セラミック板と金属板との濡れ性が向上する。上記液相を冷却して固化する。これにより、セラミック板と金属板とが接合される。
特開2011−77087号公報
本発明の目的は、Cu/セラミック基板において、接合不良を発生し難くすることである。
本発明の実施の形態によるCu/セラミック基板は、セラミック板と、金属板と、化合物層とを備える。セラミック板は、Alを主成分とする。金属板は、Cuを主成分とする。金属板は、セラミック板の少なくとも一方の面に重ね合わされる。金属板は、セラミック板と接合される。化合物層は、セラミック板と金属板との接合界面に形成される。化合物層は、金属酸化物を含む。金属酸化物は、Alと、Al以外の金属と、Oとからなる。Al以外の金属は、酸素原子の酸化数が−2の場合、酸化数が+2以下である二元系酸化物を形成できる。二元系酸化物のバンドギャップは、CuOのバンドギャップよりも大きい。
本発明の実施の形態によるCu/セラミック基板においては、金属板とセラミック板との接合不良が発生し難い。
本発明の実施の形態によるCu/セラミック基板を示す断面図である。 Cu−O二元系平衡状態図である。 Alの濃度が0.06at%である場合におけるCu−O−Al三元系の計算状態図である。 Alの濃度が0.20at%である場合におけるCu−O−Al三元系の計算状態図である。 Alの濃度が0.40at%である場合におけるCu−O−Al三元系の計算状態図である。 Cu−O−Al三元系の計算状態図のT=1075℃における等温断面計算状態図を示す。 Cu−O−M三元系の計算状態図のT=1075℃における等温断面計算状態図であって、MがMgの場合を示す。 Cu−O−Zr三元系の計算状態図のT=1075℃における等温断面計算状態図を示す。 Zrの濃度が0.06at%である場合におけるCu−O−Zr三元系の計算状態図である。 Zrの濃度が0.20at%である場合におけるCu−O−Zr三元系の計算状態図である。 Zrの濃度が0.40at%である場合におけるCu−O−Zr三元系の計算状態図である。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。図中同一又は相当部分には、同一符号を付して、その説明は繰り返さない。
[実施の形態]
図1は、本発明の実施の形態によるCu/セラミック基板10を示す。Cu/セラミック基板10は、セラミック板12と、金属板14と、金属板16と、化合物層18と、化合物層20とを備える。
セラミック板12は、焼成されている。セラミック板12は、Alを主成分とする。セラミック板12は、Alの一部に代えて、ZrOを含んでいてもよい。ZrOは、Alの機械的強度を増大させる効果を有する。ZrOの含有量は、好ましくは、1〜30wt%である。セラミック板12は、さらに、Alの一部に代えて、MgOやYを含んでもよい。MgO及びYは、前記のZrO添加によるAl強化効果を発現させやすくする効果を有する。MgOの含有量は、好ましくは、0.05〜0.50wt%である。Yの含有量は、好ましくは、0.05〜3.00wt%である。また、セラミック板12は、例えば、Alの一部に代えて、SiOを網目形成酸化物とするガラス成分を0.1〜10.0wt%含んでいてもよい。ガラス成分はAlの焼結助剤として作用する。
金属板14は、複数の金属板14Aを含む。複数の金属板14Aは、回路パターンを形成する。各金属板14Aは、銅を主成分とし、例えば、酸化物を含まない99.95%以上の高純度銅(いわゆる無酸素銅)や、酸素をごく微量含むタフピッチ銅などからなる。各金属板14Aは、セラミック板12の一方の面に重ね合わされて、セラミック板12に接合されている。
金属板16は、銅を主成分とし、例えば、酸化物を含まない99.95%以上の高純度銅(いわゆる無酸素銅)や、酸素をごく微量含むタフピッチ銅などからなる。金属板16は、セラミック板12の他方の面に重ね合わされて、セラミック板12に接合されている。
化合物層18は、金属板14Aとセラミック板12との接触界面に形成されている。化合物層20は、金属板16とセラミック板12との接触界面に形成されている。
化合物層18及び化合物層20は、金属酸化物を含む。金属酸化物は、Alと、Al以外の金属(以下、特定金属と称する)と、Oとからなる。
特定金属は、酸素原子の酸化数が−2の場合、酸化数が+2以下である二元系酸化物を形成できる。ここで、二元系酸化物とは、特定金属と、酸素とからなる酸化物である。当該二元系酸化物のバンドギャップは、CuOのバンドギャップよりも大きい。
当該二元系酸化物は、例えば、後述するセラミック板を準備する工程において、特定金属の酸化物層をセラミック板12の表面に形成するときに形成できればよい。つまり、後述するセラミック板を準備する工程でセラミック板12の表面に形成される特定金属の酸化物層が上記二元系酸化物からなるものであればよい。
特定金属は、Be、Mg、Ca、Mn、Fe、Co、Ni、Zn、Sr、Cd、Ba、Li、Na及びKからなる群から選択される少なくとも1種である。ここで、特定金属をMとする。特定金属が1価の金属である場合、上記金属酸化物は、MAlOで表される。特定金属が2価の金属である場合、上記金属酸化物は、MAlで表される。
続いて、Cu/セラミック基板10の製造方法について説明する。なお、Cu/セラミック基板10の製造方法は、以下に説明する製造方法に限定されない。
Cu/セラミック基板10の製造方法は、セラミック板12を準備する工程と、金属板14及び金属板16を準備する工程と、金属板14及び金属板16をセラミック板12に接合する工程とを含む。以下、各工程について説明する。
[セラミック板を準備する工程]
先ず、セラミック板12を準備する。セラミック板12は、従来から公知の方法で製造される。
続いて、セラミック板12の表面に対して、特定金属の酸化物層を形成する。当該酸化物層の形成方法は、例えば、以下のとおりである。
先ず、特定金属を有機溶媒と混ぜ合わせ、懸濁液を形成する。有機溶媒と混ぜ合わされる段階において、特定金属は、酸化物として存在していてもよい。上記懸濁液において、特定金属の含有量は、例えば、1〜5wt%である。
次に、セラミック板12の表面のうち、金属板14と接合されるべき面上、及び、金属板16と接合されるべき面上に、懸濁液を付着させる。懸濁液をセラミック板12に付着させる方法としては、例えば、以下の方法が採用される。
先ず、懸濁液を収容する浸漬槽を準備する。続いて、浸漬槽に収容された懸濁液に対して、セラミック板12を浸漬する。これにより、懸濁液をセラミック板12に付着させることができる。
続いて、懸濁液が付着されたセラミック板12を、大気中で自然乾燥させる。乾燥時間は、例えば、5〜120分である。
続いて、自然乾燥させたセラミック板12を、例えば、加熱炉により、加熱する。加熱温度は、例えば、500〜600℃である。加熱時間は、例えば、10〜60分である。このような加熱条件で加熱することにより、特定金属の酸化物層がセラミック板12の表面に形成される。
[金属板を準備する工程]
先ず、金属板14及び金属板16を準備する。続いて、金属板14及び金属板16の表面、具体的には、セラミック板12と接合されるべき面に、Cuの酸化物層を形成する。酸化物層を形成する方法としては、従来から公知の方法が採用される。酸化物層を形成する方法は、乾式であってもよいし、湿式であってもよい。
[金属板とセラミック板とを接合する工程]
先ず、金属板16を加熱炉内に配置する。続いて、金属板16にセラミック板12を重ねる。続いて、セラミック板12に金属板14を重ねる。その後、加熱炉により、金属板14、金属板16及びセラミック板12を加熱する。加熱温度は、1065〜1084℃である。ここで、加熱温度の下限は、Cu−O共晶点であり、加熱温度の上限は、Cuの融点である。加熱時間は、例えば、1〜60分である。加熱するときの雰囲気は、窒素雰囲気である。上記加熱条件で加熱することにより、金属板14とセラミック板12との接触界面に化合物層18が形成され、金属板16とセラミック板12との接触界面に化合物層20が形成される。加熱後の冷却は、例えば、自然冷却等でよい。
このようにして得られたCu/セラミック基板10においては、セラミック板12と金属板14,16との接合不良が発生し難くなる。以下、その理由について説明する。なお、以下の説明に用いる計算状態図は、CALPHAD法で求めた。
セラミック板12と金属板14,16との接合プロセスは、図2に示すCu−O二元系状態図におけるL+fcc(α)の二相領域(図2における斜線部分)を利用する。つまり、当該接合プロセスでは、セラミック板12と金属板14,16との接合界面に液相を形成した後、当該液相を冷却して固化することにより、セラミック板12と金属板14、16とを接合する。したがって、上記接合プロセスでは、セラミック板12と金属板14,16との接合界面において液相を広げることが好ましい。
上記接合プロセスでは、金属板14、16においてセラミック板12と接合されるべき面に形成された酸化層(Cuの酸化物層)を溶融させる。そのため、セラミック板12と金属板14,16との接合界面及びその近傍では、セラミック板12と金属板14,16との接合界面及びその近傍に含まれる元素が酸素を奪い合うと推定される。
Figure 0006602450
元素の酸素親和性は、当該元素の酸化物のバンドギャップから推定できる。化学結合の強い系では、固体結晶形成による電子準位の分裂幅が大きくなる。そのため、一般的にバンドギャップは増大する。表1に、Al、Mg及びCuの酸化物のバンドギャップを示す。Alは、セラミック板12の主成分であるアルミナを構成する。Mgは、特定金属の一例である。Cuは、金属板14、16の主成分である。表1を参照して、AlはMgよりも酸素親和性が高く、MgはCuよりも酸素親和性が高いと推定される。
図3A、図3B及び図3Cは、Cu−O−Al三元系の計算状態図のAl濃度依存性を
示す。Cuよりも酸素親和性が高いAlが存在すると、上記接合プロセスで重要な二相領域(当該三元系では、厳密にはL+fcc+Alの三相領域)が、高酸素濃度側に移動することがわかる。これは、上記接合プロセスの温度領域において、酸素親和性の高い元素が存在すると、酸素濃度が低い反応場では、酸素親和性の高い元素が酸化物を形成し、接合界面において液相が局所的に消失するおそれがあることを示唆している。
図4Aは、Cu−O−Al三元系の計算状態図のT=1075℃における等温断面計算状態図である。図4Bは、Cu−O−Mg三元系の計算状態図のT=1075℃における等温断面計算状態図である。反応場の組成変動により、Al又はMgが高濃度側に揺らぐと、状態図中では固相領域(液相消失領域)に突入する。状態図上では、Mgの液相領域はAlの液相領域よりも広い。
状態図中の液相領域の広さは、当該温度で存在する酸化物(具体的には、二元系酸化物)の金属価数に大きく依存すると推定される。例えば、3価の酸化物(Al)を形成するAlでは、Al原子1個当たりに1.5個の酸素原子が結合する。2価の酸化物(MgO)を形成するMgでは、Mg原子1個当たりに1個の酸素原子が結合する。つまり、Mgでは、Alよりも原子1個当たりに結合する酸素原子の数が少ない。そのため、M
gの液相領域は、Alの液相領域よりも広くなると推定される。つまり、二元系酸化物として2価の酸化物を形成できる元素の液相領域は、Alの液相領域よりも広くなると推定される。なお、図4Bに記載のHaliteとは、MgOを化学組成とし、NaCl構造を有する2価の酸化物を示す。
上記説明から、二元系酸化物を構成する金属元素の価数が少なくなると、液相領域が広くなることが推定できる。ここで、二元系酸化物として2価の酸化物を形成できる元素の液相領域は、Alの液相領域よりも広くなると推定される。したがって、二元系酸化物として1価の酸化物を形成できる元素の液相領域も、Alの液相領域よりも広くなると推定される。
また、上記接合プロセスにおいて、セラミック板12と金属板14,16との接合界面及びその近傍では、セラミック板12と金属板14,16との接合界面及びその近傍に含まれる元素が酸素を奪い合うと推定される。液相領域を広げるためには、接合プロセスにおいて、セラミック板12と金属板14,16との接合界面及びその近傍に含まれる元素が酸素を奪うのを抑制できることが好ましい。そのためには、特定金属の元素において、ある程度の酸素親和性が必要になる。表1、図4A及び図4Bを参照して、二元系酸化物のバンドギャップは、CuOのバンドギャップよりも大きいことが好ましいと推定される。
ここで、Cu/セラミック基板10において、セラミック板12と金属板14,16との接合界面に形成される化合物層18、20は、金属酸化物を含む。金属酸化物は、Alと、特定金属と、Oとからなる。特定金属は、酸素原子の酸化数が−2の場合、酸化数が+2以下である二元系酸化物を形成できる。当該二元系酸化物のバンドギャップは、CuOのバンドギャップよりも大きい。特定金属は、Be、Mg、Ca、Mn、Fe、Co、Ni、Zn、Sr、Cd、Ba、Li、Na及びKからなる群から選択される少なくとも1種である。ここで、特定金属をMとする。特定金属が1価の金属である場合、上記金属酸化物は、MAlOで表される。特定金属が2価の金属である場合、上記金属酸化物は、MAlで表される。
化合物層18、20が上記の金属酸化物を含む場合、セラミック板12と金属板14,16との接合プロセスにおいて、セラミック板12と金属板14,16との接合界面及びその近傍に含まれる元素が酸素を奪うのを抑制したことを示す。つまり、当該接合プロセ
スにおいて、液相領域が広くなったことを示す。したがって、Cu/セラミック基板10においては、接合不良が発生し難い。
セラミック板12がジルコニアを含有する場合には、Zrの酸化物のバンドギャップ、Cu−O−Zr三元系のZr濃度依存性、及び、Zrの液相領域についても検討する必要がある。
Zrの酸化物のバンドギャップを、表1に示す。表1を参照して、Zrは、Mgよりも酸素親和性が低く、Cuよりも酸素親和性が高いと推定される。
図5A、図5B及び図5Cは、Cu−O−Zr三元系の計算状態図のZr濃度依存性を示す。Cuよりも酸素親和性が高いZrが存在すると、Alが存在する場合と同様に、上記接合プロセスで重要な二相領域(当該三元系では、厳密にはL+fcc+ZrOの三相領域)が、高酸素濃度側に移動することがわかる。
図4Cは、Cu−O−Zr三元系の計算状態図のT=1075℃における等温断面計算状態図を示す。反応場の組成変動により、Zrが高濃度側に揺らぐと、状態図中では固相領域(液相消失領域)に突入する。図4A〜図4Cを参照して、状態図上では、Zrの液相領域は、Alの液相領域及びMgの液相領域よりも狭い。Mgの液相領域は、Zrの液相領域及びAlの液相領域よりも広い。
状態図中の液相領域の広さは、当該温度で存在する酸化物(具体的には、二元系酸化物)の金属価数に大きく依存すると推定される。例えば、4価の酸化物(ZrO)を形成するZrでは、Zr原子1個当たりに2個の酸素原子が結合する。つまり、Zrでは、Al及びMgよりも原子1個当たりに結合する酸素の数が多い。そのため、Zrの液相領域は、Alの液相領域及びMgの液相領域よりも狭くなると推定される。つまり、二元系酸化物として2価の酸化物を形成できる元素の液相領域は、Zrの液相領域よりも広くなると推定される。二元系酸化物として1価の酸化物を形成できる元素の液相領域についても、同様に推定される。
特定金属が1価の金属である場合にMZrで表される金属化合物を化合物層18、20が含む場合、及び、特定金属が2価の金属である場合にMZrOで表される金属化合物を化合物層18、20が含む場合には、セラミック板12がジルコニアを含有しない場合と同様に、セラミック板12と金属板14,16との接合プロセスにおいて、液相領域が広くなったことを示す。したがって、セラミック板12がジルコニアを含有する場合であっても、接合不良が発生し難くなる。
表2に示す元素が特定金属である場合について、接合性、接合強度及び通炉耐量を調査した。なお、表2において、バンドギャップが「0」は、半導体のようなバンド構造を有するが、バンドギャップがないことを示す。バンドギャップが「金属(0)」は、金属と同じであると見做せることを示す。
Figure 0006602450
接合性は、セラミック板と金属板とを接合したときの接合面積を示す。接合性については、接合面積が金属板の接合面の95%以上である場合を良好とし、接合面積が金属板の接合面の95%未満である場合を不良とした。
接合強度は、セラミック板と金属板との密着性を示す。接合強度が弱いと、金属板に実装された半導体集積回路やワイヤーボンディングが金属板ごと剥がれるおそれがある。接合強度については、5kg/cm以上である場合を良好とし、5kg/cm未満である場合を不良とした。
通炉耐量は、アセンブリ条件下での加熱炉による熱処理に何回まで耐えられるかを示す。通炉耐量については、3回以上の場合を良好とし、3回未満の場合を不良とした。
表2から明らかなように、酸化数が+2以下である二元系酸化物を形成でき、且つ、当
該二元系酸化物のバンドギャップがCuOのバンドギャップよりも大きい場合(実施例1〜14)には、全ての評価項目で良好と判断された。一方、酸化数が+3以上である二元系酸化物を形成する場合(比較例11〜15)や、酸化数が+2以下である二元系酸化物を形成できるが、当該二元系酸化物のバンドギャップがCuOのバンドギャップよりも小さい場合(比較例1〜10)には、何れかの評価項目で不良と判断された。
以上、本発明の実施の形態について、詳述してきたが、これらはあくまでも例示であって、本発明は、上述の実施の形態によって、何等、限定されない。
例えば、金属板とセラミック板とを接合する前において、セラミック板の接合面にCuの酸化物層が形成されていてもよい。この場合、金属板とセラミック板とを接合するときに、酸素与奪の範囲を限定させることができる。
例えば、上記実施の形態において、金属板14は回路パターンを形成していなくてもよい。金属板16はなくてもよい。
10:Cu/セラミック基板、12:セラミック板、14:金属板、14A:金属板、16:金属板、18:化合物層、20:化合物層

Claims (4)

  1. Alを主成分とするセラミック板と、
    Cuを主成分とし、前記セラミック板の少なくとも一方の面に重ね合わされて、前記セラミック板と接合される金属板と、
    前記セラミック板と前記金属板との接合界面に形成され、Alと、Al以外の金属と、Oとからなる金属酸化物を含む化合物層とを備え、
    前記Al以外の金属は、酸素原子の酸化数が−2の場合、酸化数が+2以下である二元系酸化物を形成でき、且つ、前記二元系酸化物のバンドギャップは、CuOのバンドギャップよりも大きく、
    前記Al以外の金属は、Be、Mg、Ca、Mn、Co、Ni、Zn、Sr、Cd、Ba、Li、Na及びKからなる群から選択される少なくとも1種であり、
    前記金属板は、回路パターンを形成する複数の分割金属板を含む、Cu/セラミック基板。
  2. 請求項1に記載のCu/セラミック基板であって、
    前記Al以外の金属がMの場合、前記金属酸化物は、MAlO又はMAlで表される、Cu/セラミック基板。
  3. 請求項1に記載のCu/セラミック基板であって、
    前記セラミック板は、Alの一部に代えて、ZrOを含み、
    前記Al以外の金属がMの場合、前記金属酸化物は、MZr又はMZrOで表される、Cu/セラミック基板。
  4. 請求項1〜の何れか1項に記載のCu/セラミック基板の製造方法であって、
    前記セラミック板のうち、前記金属板と接合されるべき面上に、前記Al以外の金属の酸化物層を形成する工程と、
    前記金属板のうち、前記セラミック板と接合されるべき面上に、Cuの酸化物層を形成する工程と、
    前記セラミック板と前記金属板とを重ね合わせ、前記Al以外の金属の酸化物層とCuの酸化物層とを接触させながら加熱することにより、前記セラミック板と前記金属板とを接合し、且つ、前記セラミック板と前記金属板との接合界面に前記化合物層を形成する工程とを含む、製造方法。
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