JP7080881B2 - セラミックス回路基板及びそれを用いたモジュール - Google Patents

セラミックス回路基板及びそれを用いたモジュール Download PDF

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Description

本発明は、セラミックス回路基板及びそれを用いたモジュールに関する。
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、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉを含む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、車載用パワーモジュールではより高い放熱性が求められており、セラミックス基板の薄板化、金属板の厚板化が検討されている。しかしこのような構造になると、セラミックス基板と金属板の熱膨張率差により生じる熱サイクル時の応力負荷がますます大きくなるため、セラミックス基板にクラックが発生して絶縁不良を起こしたり、金属板が剥離して伝熱不良を招き、電子機器としての動作信頼性が低下してしまう。このようなことから、熱応力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によると、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉを含むろう材層にＩｎを５％以上添加することでろう材層と窒化アルミニウム基板とが反応して生成されるＴｉＮあるいは（Ｔｉ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ａｌ）Ｎである反応生成層のビッカース硬度が増加すると記載されている。そして、反応生成層のビッカース硬度の増加に比例してセラミックス回路基板の耐熱サイクルが向上すると記載されている。
しかし、この方法によるとセラミックス基板界面の接合強度は高まるものの、Ｉｎの添加量が多くなるほどＡｇを主成分とするろう材層の連続性が低下するとともにビッカース硬度も増加してしまう。ろう材層の連続性が低下するとともにビッカース硬度が増加すると、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応力を緩和するための緩衝機能が低下し、例えば０．８ｍｍといった厚い銅板を接合するセラミックス回路基板に求められる耐熱サイクル特性を満足することはできなかった。
特開平９-３６５４０号公報
本発明は、上記課題に鑑み、高い接合性と優れた耐熱サイクル性を有するセラミックス回路基板を得ることを目的とする。
上記目的を達成するため本発明者は、セラミックス基板と金属回路板とを接合するろう材に含有させる元素の量および原料粉の充填率を種々変えてセラミックス回路基板を調整し、ろう材に含有させる元素の量および原料粉の充填率が回路基板の耐熱サイクル特性に及ぼす影響を比較検討した。その結果、ろう材層の連続性の増加およびビッカース硬度の低下に伴い回路基板の耐熱サイクル特性が向上することが判明した。本発明はこれらの知見に基づいて完成されたものである。
即ち、本発明は、セラミックス基板と銅板が、ＡｇおよびＣｕと、Ｔｉ，Ｚｒから選ばれた少なくとも１種類の活性金属成分と、Ｉｎ、Ｚｎ、ＣｄおよびＳｎから選択される少なくとも１種の元素とを含むろう材を介して接合され、接合後のろう材層の連続率が８０％以上且つろう材層のビッカース硬度が６０～８５Ｈｖであることを特徴とするセラミックス回路基板である。
本発明によれば、高い接合性と優れた耐熱サイクル性を有するセラミックス回路基板を提供することができる。より詳細には、接合後のろう材層の連続率が８０％以上且つろう材層のビッカース硬度が６０～８５Ｈｖであり、更に、－５５℃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％未満のセラミックス回路基板を提供することが可能である。
ろう材層の連続率が９９．５％であるセラミックス回路基板の断面写真の一例 ろう材層の連続率が７２．９％であるセラミックス回路基板の断面写真の一例
１ セラミックス基板
２ セラミックス回路基板接合界面（ＴｉＮ接合層）
３ ろう材層
４ 銅板
ａ 全体長さ
ｂ ろう材不連続長さ
［セラミックス回路基板］
本発明のセラミックス回路基板は、セラミックス基板と銅板が、ＡｇおよびＣｕと、ＴｉおよびＺｒから選ばれた少なくとも１種類の活性金属成分と、Ｉｎ、Ｚｎ、ＣｄおよびＳｎから選択される少なくとも１種の元素を含むろう材を介して接合され、接合後のろう材層の連続率が８０％以上且つろう材層のビッカース硬度が６０～８５Ｈｖであることを特徴とするセラミックス回路基板である。
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、窒化アルミニウム等の窒化物系セラミックス、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム等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を使用できる。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る。
本発明の一実施形態において、セラミックス基板の厚みは特に限定されないが、０．１～３．０ ｍｍ程度のものが一般的であり、特に、回路基板全体の熱抵抗低減を考慮すると、１．０ ｍｍ以下が好ましく、より好ましくは０．４ ｍｍ以下である。
本発明の一実施形態において、銅板の純度は、９０％以上であることが好ましい。純度を９０％以上とすることで、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り、銅板が硬くなり回路基板の信頼性が低下するのを抑制することができる。
本発明の一実施形態において、銅板の厚みは特に限定されないが、０．１～２．０ｍｍ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。
本発明者は、放熱性向上を目的とした厚い金属板と薄いセラミックス基板から成るセラミックス回路基板においても優れた耐熱サイクル性を達成するために鋭意検討を行ったところ、ろう材層の連続率の増加およびビッカース硬度の低下により耐熱サイクル特性が向上することを見出した。さらに、ろう材の主成分であるＡｇ粉末の充填率を高めることでろう材層の連続率を増加させるとともに、ろう材に含有させる活性金属およびＳｎなどの元素の添加量を少なくすることでろう材層のビッカース硬度を低下できることが判明した。
本発明のセラミックス回路基板は、接合後のろう材層の連続率が８０％以上であることを特徴とする。ここでろう材層の連続率とは、Ａｇを主成分とする合金の連続性である。ろう材層の連続率は作製したセラミックス回路基板の断面調整を行い、走査型電子顕微鏡にて倍率５００倍の視野で無作為に３箇所観察し、計測することで求められる。連続率は３箇所の視野で計測した値の平均値とする。ろう材層の構造は、Ａｇを主成分とする合金とそれ以外の合金で検出強度が異なるためにコントラストが異なっており、その厚みと割合を観察することができる。ろう材層の連続率は、以下の式（Ｉ）に従って、倍率５００倍の視野においてＡｇを主成分とする合金の厚みが１μｍ以下である長さ（ろう材不連続長さ）を計測し、全体長さとの差を全体長さで除することで求めた。
ろう材層の連続率（％）＝（全体長さ－ろう材不連続長さ）／全体長さ×１００・・・（Ｉ）
ろう材層の連続率は耐熱サイクル性の観点から、８０％以上が好ましく、より好ましくは９０％以上である。８０％未満の場合には熱ストレスが局所的に集中し易くなり、耐熱サイクル性が低下し易い。
本発明のセラミックス回路基板は、ろう材層のビッカース硬度が６０～８５Ｈｖであることを特徴とする。ビッカース硬度は作製したセラミックス回路基板の断面調整を行い、セラミックス回路基板接合界面から銅板側へ垂直方向に３３μｍ離れた箇所に荷重０．０２５ｋｇｆで圧子を押し付け、生じた窪みの面積から算出することができる。ろう材層のビッカース硬度は、６５～８５Ｈｖであることが好ましく、より好ましくは６５～７５Ｈｖである。ろう材層のビッカース硬度を８５Ｈｖ以下とすることで、ろう材層の緩衝効果が低下し、耐熱サイクル性が低下するのを抑制することができる。
また、本発明の一実施形態において、セラミックス回路基板の接合ボイド率は、１.０％以下が好ましく、０．５％以下がより好ましく、０．２％以下がさらに好ましい。
さらに、本発明の一実施形態のセラミックス回路基板の、－５５℃にて１５分、１５０℃にて１５分を１サイクルとする耐ヒートサイクル試験にて、２０００サイクル繰り返し試験におけるクラック率は、１．０％未満であることが好ましく、０．８％未満であることがより好ましく、０．２％未満であることがさらに好ましい。
本発明の一実施形態において、セラミックス回路基板の接合には、Ａｇ、Ｃｕ、活性金属を含むろう材が使用される。ＡｇとＣｕ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Ｃｕの溶け込みを考慮した組成が好適である。Ａｇ粉末とＣｕ粉末の合計１００質量部において、Ａｇ粉末が７５～１００質量部、Ｃｕ粉末が０～２５質量部が好ましく、７５～９９質量部がより好ましく、８０～９５質量部がさらに好ましい。Ａｇ粉末の量を７５～１００質量部とすることで、ろう材の融解温度が上昇し、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するのを抑制することができる。
活性金属には、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブなどから少なくとも一種が選択される。本発明のろう材層中に含有する活性金属の量は、Ａｇ粉末、Ｃｕ粉末の合計１００質量部に対して、０．５～６．０質量部が好ましく、１～５質量部がより好ましく、２～４質量部がさらに好ましい。活性金属の含有量を０．５質量部以上とすることで、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くなるのを抑制することができる。一方、活性金属の含有量を６．０質量部以下とすることで、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のを抑制することができる。なお、活性金属はＴｉ、Ｚｒが好適である。
本発明のろう材層にはＩｎ、Ｚｎ、ＣｄおよびＳｎから選択される少なくとも１種の元素を含有させることができる。ろう材層中に含有させる量は、Ａｇ粉末、Ｃｕ粉末の合計１００質量部に対して、０．４～５質量部が好ましく、０．４～５質量部がより好ましく、１～４質量部がさらに好ましい。含有量を０．４質量部以上とすることで、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くなるのを抑制することができる。一方、含有量を５．０質量部以下とすることで、ＣｕとＳｎの金属間化合物の生成量が増大してろう材層のビッカース硬度が高くなり、耐熱サイクル特性が低下し易くなるのを抑制することができる。
本発明の一実施形態において、ろう材層中に含有するＡｇ粉末のタップ密度は３ｇ／ｃｍ３以上が好ましい。タップ密度はＪＩＳ Ｚ ２５１２に準じて、タップ密度測定機により算出した。タップ密度を３ｇ／ｃｍ３以上とすることで、ろう材金属粉同士の接触面積が低下し、分散状態が不均一になり、接合時にろう材の拡散が不均一になり、ろう材層の連続率が低下することにより耐熱サイクル性が低下するのを抑制することができる。
本発明の一実施形態において、ろう材の厚みは、乾燥基準で５～４０μｍが好ましい。ろう材厚みを５μｍ以上とすることで、未反応の部分が生じるのを抑制でき、一方、４０μｍ以下とすることで、接合層を除去する時間が長くなり、生産性が低下するのを抑制することができる。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。
［セラミックス回路基板の製造方法］
本発明のセラミックス回路基板の製造方法は、Ａｇを７５～９９質量部、Ｃｕを１～２５質量部、ＴｉおよびＺｒから選択される少なくとも１種類の活性金属成分を０．５～６質量部、Ｉｎ、Ｚｎ、ＣｄおよびＳｎから選択される少なくとも１種の元素を０．４～５質量部含有するろう材を用い、真空度１．０×１０－３Ｐａ以下、接合温度７００℃～８２０℃、保持時間１０～６０分で接合することを含み、ろう材に用いられるＡｇ粉末粒子のタップ密度が３ｇ／ｃｍ３以上である、製造方法である。本発明の一実施形態において、セラミックス基板と金属板の接合は、真空中にて７００℃～８２０℃の温度かつ１０～６０分の時間で接合することが好ましい。接合温度としては、７２０～８１０℃がより好ましく、７４０～８００℃がさらに好ましい。保持時間としては、２０～６０分がより好ましく、３０～５０分がさらに好ましい。接合温度を７００℃以上とし、保持時間を１０分以上とすることで、ＴｉやＺｒの化合物の生成が十分にできないために部分的に接合できなくなるのを抑制する頃ができ、接合温度を８２０℃以下とし、保持時間を６０分以下とすることで、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するのを抑制することができる。
本発明の一実施形態において、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無く、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。
本発明の一実施形態において、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。
以下、実施例により本発明を詳細に説明する。しかし、本発明の範囲は以下の実施例に限定されるものではない。
［実施例１］
厚み０．３２ｍｍの窒化ケイ素基板に、Ａｇ粉末（福田金属箔粉工業（株）製：Ａｇ－ＨＷＱ ２．５μｍ）９０質量部およびＣｕ粉末（福田金属箔粉工業（株）製：Ｃｕ－ＨＷＱ ３μｍ）１０質量部の合計１００質量部に対して、ＴｉＨ２粉末（（株）大阪チタニウムテクノロジーズ製：ＴＳＨ－３５０）を３．５質量部およびＳｎ粉末（福田金属箔粉工業（株）製：Ｓｎ－ＨＰＮ ３μｍ）を３質量部含む活性金属ろう材を塗布し、回路面に厚み０．８ｍｍ、裏面に０．８ｍｍの無酸素銅板を１．０×１０－３Ｐａ以下の真空中にて８００℃かつ３０分の条件で接合した。
接合した回路基板に、スクリーン印刷によりＵＶ硬化型エッチングレジストを回路パターンに印刷し、ＵＶ硬化させた後、さらに放熱面形状を印刷しＵＶ硬化させた。これをエッチャントとして塩化第２銅水溶液にてエッチングをおこない、続いて６０℃のチオ硫酸アンモニウム水溶液とフッ化アンモニウム水溶液で随時処理し、回路パターンと放熱板パターンを形成した。
セラミックス回路基板の接合性および耐熱サイクル評価は下記の方法にて評価した。
＜接合性の評価＞
接合した回路基板を超音波探傷装置（（株）日立パワーソリューション製：ＦＳ－Ｌｉｎｅ）にて測定後、回路の面積に占める接合ボイドの面積を計算した。
＜耐熱サイクル性の評価＞
作製した窒化ケイ素回路基板を、－５５℃にて１５分、１５０℃にて１５分を１サイクルとする耐ヒートサイクル試験にて、２０００サイクル繰り返し試験を行った後、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で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よりクラック率を算出した。
＜総合判定の基準＞
接合ボイド率が１．０％以下でかつクラック率が０．２％未満のものを◎、接合ボイド率が１．０％以下でかつクラック率が１．０％以下のものを○、接合ボイド率が１．０％より大きいもしくはクラック率が１．０％より大きいものを×として判定した。
［実施例２～１０、比較例１～７］
表１に示す条件としたこと以外は、実施例１と同様に行った。評価結果を表２に示す。
Figure 0007080881000001
Figure 0007080881000002
表２に示す通り、タップ密度が３ｇ/ｃｍ３以上であるＡｇ粉末を使用し、ＩｎまたはＳｎの添加量が５質量部以下で接合温度が８２０℃以下で作製したセラミックス回路基板については、ろう材層のビッカース硬度が６０～８５Ｈｖの範囲内であり、熱サイクル試験後の水平クラック発生率が１％未満となることを確認した。Ｓｎの添加量が３質量部以下で接合温度が８００℃以下で作製した回路基板については、ビッカース硬度は６０～７５Ｈｖの範囲内であり、ろう材層の連続率も９０％以上であり、熱サイクル試験後の水平クラック発生率が０．２％未満となることを確認した。
一方、Ｓｎ添加量が５質量部より大きい場合、または接合温度が８２０℃より高い場合にはろう材のビッカース硬度が８５Ｈｖを超え、耐熱サイクル試験後の水平クラック発生率が１％以上であることを確認した。また、Ａｇ粉末のタップ密度が３ｇ／ｃｍ３未満であるろう材粉を使用し、８２０℃以下で接合した場合には銅板とセラミックス基板との接合が不十分となることが確認された。８２０℃を超える温度で接合した場合には接合性は改善されたが、ろう材層のビッカース硬度が８５Ｈｖを超え、連続率も８０％未満となり耐熱サイクル性が低下することを確認した。

Claims (4)

  1. セラミックス基板と銅板が、ＡｇおよびＣｕと、ＴｉおよびＺｒから選択される少なくとも１種類の活性金属成分と、Ｉｎ、Ｚｎ、ＣｄおよびＳｎから選択される少なくとも１種の元素とを含むろう材を介して接合され、接合後のろう材層の連続率が８０％以上且つろう材層のビッカース硬度が６０～８５Ｈｖであることを特徴とするセラミックス回路基板。
  2. セラミックス基板が窒化アルミニウム基板または窒化ケイ素基板であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックス回路基板。
  3. 銅板の厚さが０．２～２．０ｍｍであることを特徴とする請求項１または２に記載のセラミックス回路基板。
  4. Ａｇを７５～９９質量部、Ｃｕを１～２５質量部、ＴｉおよびＺｒから選択される少なくとも１種類の活性金属成分を０．５～６質量部、Ｉｎ、Ｚｎ、ＣｄおよびＳｎから選択される少なくとも１種の元素を０．４～５質量部含有するろう材を用い、真空度１．０×１０－３Ｐａ以下、接合温度７００℃～８２０℃、保持時間１０～６０分で接合することを含み、ろう材に用いられるＡｇ粉末粒子のタップ密度が３ｇ／ｃｍ３以上である、請求項１～３のいずれかに一項に記載のセラミックス回路基板の製造方法。
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