JP7289910B2 - 接合基板及び接合基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、接合基板及び接合基板の製造方法に関する。

窒化ケイ素セラミックスは、高い熱伝導性及び高い絶縁性を有する。このため、銅板が接合層を介して窒化ケイ素セラミックス基板に接合された接合基板は、パワー半導体素子が実装される絶縁放熱基板として好適に用いられる。

当該接合基板は、多くの場合は、ろう材層が銅板と窒化ケイ素セラミックス基板との間にある中間品を作製し、作製した中間品を熱処理してろう材層を接合層に変化させ、銅板及び接合層をパターニングすることにより製造される。

銅板の端部への応力の集中に起因する接合基板の不良を抑制するために、接合層に、窒化ケイ素セラミックス基板と銅板との間からはみ出すはみ出し部を形成することが提案されている。

例えば、特許文献１に記載されたセラミックス回路基板においては、銅回路板が、ろう材層を介して、窒化珪素から形成されたセラミックス基板の少なくとも一方の面に接合される（段落００１３及び００２０）。セラミックス回路基板は、銅回路板とセラミックス基板との間に介在されたろう材層、及び銅回路板の側面から外側にはみ出したろう材はみ出し部を備える（段落００１３）。ろう材層は、Ａｇ、Ｃｕ及びＴｉを含むろう材から形成される（段落００１３）。

特許第６１５８１４４号公報

特許文献１に記載されたセラミックス回路基板に代表される従来の技術においては、イオンマイグレーション現象により窒化ケイ素セラミックス基板と銅板との間からはみ出すはみ出し部から銀が移動し、はみ出し部からの銀の移動に起因する接合基板の不良が発生する場合がある。例えば、８５℃８５％ＲＨの環境下で数ｋＶ／ｍｍの直流電界又は交流電界が印加された場合に、はみ出し部からの銀の移動に起因する接合基板の不良が発生する場合がある。

本発明は、この問題を考慮してなされた。本発明が解決しようとする課題は、銅板の端部への応力の集中に起因する接合基板の不良を抑制しながら、イオンマイグレーション現象によりはみ出し部から銀が移動することを抑制し、はみ出し部からの銀の移動に起因する接合基板の不良を抑制することである。

本発明は、接合基板に向けられる。

接合基板は、窒化ケイ素セラミックス基板、銅板及び接合層を備える。接合層は、銅板を窒化ケイ素セラミックス基板に接合する。

銅板及び接合層は、窒化ケイ素セラミックス基板上に配置される。接合層は、窒化ケイ素セラミックス基板と銅板との間にある板間部、及び窒化ケイ素セラミックス基板と銅板との間からはみ出し外部に露出するはみ出し部を備える単一層である。

銅板が銀を含む一方、はみ出し部は、銀を含まない。

本発明は、接合基板の製造方法にも向けられる。

接合基板の製造方法においては、窒化ケイ素セラミックス基板上に、ろう材層が形成される。ろう材層は、銀を含む金属粉末、並びに水素化チタン粉末及び水素化ジルコニウム粉末からなる群より選択される少なくとも１種の水素化金属粉末を含む活性金属ろう材を含む。

続いて、ろう材層上に銅板が配置される。これにより、窒化ケイ素セラミックス基板、銅板及びろう材層を備える中間品が得られる。

続いて、中間品に対してホットプレスが行われる。これにより、金属粉末に含まれる銀が、銅板に拡散する。また、ろう材層が、銅板を窒化ケイ素セラミックス基板に接合する単一層であり銀を含まない接合層に変化する。

続いて、銅板及び接合層がパターニングされる。これにより、銅板が、パターニングされた銅板に変化する。また、接合層が、パターニングされた接合層に変化する。パターニングされた接合層は、窒化ケイ素セラミックス基板とパターニングされた銅板との間にある板間部、及び窒化ケイ素セラミックス基板とパターニングされた銅板との間からはみ出し外部に露出するはみ出し部を備える。

本発明によれば、銅板の端部への応力の集中がはみ出し部により緩和される。これにより、銅板の端部への応力の集中に起因する接合基板の不良を抑制することができる。

また、本発明によれば、はみ出し部が、銀を含まない。このため、イオンマイグレーション現象によりはみ出し部から銀が移動することを抑制することができる。これにより、はみ出し部からの銀の移動に起因する接合基板の不良を抑制することができる。

この発明の目的、特徴、局面及び利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。

接合基板を模式的に示す断面図である。 接合基板の一部を模式的に示す拡大断面図である。 接合基板の製造の流れを示すフローチャートである。 接合基板の製造の途上で得られる中間品を模式的に示す断面図である。 接合基板の製造の途上で得られる中間品を模式的に示す断面図である。 接合基板の製造の途上で得られる中間品を模式的に示す断面図である。 接合基板の製造における銅板及び接合層のパターニングの流れを示すフローチャートである。 接合基板の製造における銅板及び接合層のパターニングの途上で得られる中間品を模式的に示す断面図である。 接合基板の製造における銅板及び接合層のパターニングの途上で得られる中間品を模式的に示す断面図である。 実施形態に係る接合基板と対比される接合基板を模式的に示す断面図である。

１ 接合基板
図１は、本実施形態に係る接合基板１００を模式的に示す断面図である。図２は、接合基板１００の一部を模式的に示す拡大断面図である。図２は、図１の一部Ａの拡大図である。

接合基板１００は、図１及び図２に図示されるように、窒化ケイ素セラミックス基板１１０、銅板１１１、接合層１１２、銅板１１３及び接合層１１４を備える。接合基板１００がこれらの要素以外の要素を備えてもよい。銅板１１１及び接合層１１２の組、並びに銅板１１３及び接合層１１４の組の片方の組が省略されてもよい。

銅板１１１及び１１３は、それぞれ接合層１１２及び１１４を介して窒化ケイ素セラミックス基板１１０に接合されている。銅板１１１及び１１３は、それぞれ接合層１１２及び１１４により窒化ケイ素セラミックス基板１１０の主面１１０１及び１１０２に活性金属ろう付け法によりろう付けされている。

接合基板１００は、どのように用いられてもよいが、例えばパワー半導体素子が実装される絶縁放熱基板として用いられる。

２ 銅板の端部への応力の集中の緩和
銅板１１１及び接合層１１２は、図１及び図２に図示されるように、窒化ケイ素セラミックス基板１１０の主面１１０１上に配置される。銅板１１３及び接合層１１４は、図１に図示されるように、窒化ケイ素セラミックス基板１１０の主面１１０２上に配置される。

接合層１１２及び１１４は、それぞれ銅板１１１及び１１３を窒化ケイ素セラミックス基板１１０の主面１１０１及び１１０２に接合する。

接合層１１２は、板間部１２０及びはみ出し部１２１を備える。板間部１２０は、窒化ケイ素セラミックス基板１１０と銅板１１１との間にある。はみ出し部１２１は、窒化ケイ素セラミックス基板１１０と銅板１１１との間からはみ出す。接合層１１４は、板間部１２２及びはみ出し部１２３を備える。板間部１２２は、窒化ケイ素セラミックス基板１１０と銅板１１３との間にある。はみ出し部１２３は、窒化ケイ素セラミックス基板１１０と銅板１１３との間からはみ出す。接合基板１００においては、銅板１１１及び１１３の端部への応力の集中が、それぞれはみ出し部１２１及び１２３により緩和される。これにより、銅板１１１及び１１３の端部への応力の集中に起因する接合基板１００の不良を抑制することができる。

接合層１１２及び１１４は、望ましくは０．１μｍ以上３μｍ以下の厚さを有する。接合層１１２及び１１４がこのようにわずかな厚さしか有しないことにより、銅板１１１及び１１３の端部への応力の集中がそれぞれはみ出し部１２１及び１２３により効果的に緩和される。

３ はみ出し部からの銀の移動の抑制
図１及び図２に図示される接合層１１２及び１１４は、チタン（Ｔｉ）及びジルコニウム（Ｚｒ）からなる群（第１の群）より選択される少なくとも１種の元素と窒素（Ｎ）及びケイ素（Ｓｉ）からなる群（第２の群）より選択される少なくとも１種の元素との化合物を含むが、銀（Ａｇ）を含まない。このため、はみ出し部１２１及び１２３も、第１の群より選択される少なくとも１種の元素と第２の群より選択される少なくとも１種の元素との化合物を含むが、銀を含まない。このため、イオンマイグレーション現象によりはみ出し部１２１及び１２３から銀が移動することを抑制することができる。これにより、はみ出し部１２１及び１２３からの銀の移動に起因する接合基板１００の不良を抑制することができる。ここでいうはみ出し部１２１及び１２３が銀を含まないことは、はみ出し部１２１及び１２３がイオンマイグレーション現象を発生させる濃度を有する銀を含まないことを意味し、痕跡量の銀を含むことを除外しない。接合層１１２及び１１４は、望ましくは第１の群より選択される少なくとも１種の元素と第２の群より選択される少なくとも１種の元素との化合物のみからなる。このため、はみ出し部１２１及び１２３も、望ましくは第１の群より選択される少なくとも１種の元素と第２の群より選択される少なくとも１種の元素との化合物のみからなる。また、接合層１１２及び１１４は、スズ（Ｓｎ）、リン（Ｐ）等の上述したイオンマイグレーション現象を促進する元素を含まない。

４ はみ出し部による空隙の防止
図１０は、本実施形態に係る接合基板１００と対比される接合基板９００を模式的に図示する断面図である。

図１０に図示される接合基板９００は、はみ出し部１２１及び１２３を備えない。これに起因して、接合基板９００は、窒化ケイ素セラミックス基板１１０と銅板１１１との間に形成される空隙９２１を有し、窒化ケイ素セラミックス基板１１０と銅板１１３との間に形成される空隙９２３を有する。

はみ出し部１２１を設けることは、空隙９２１が形成されることを防止する。また、はみ出し部１２３を設けることは、空隙９２３が形成されることを防止する。これにより、パワー半導体素子、及びボンディングワイヤー等の配線が接合基板１００に実装され、パワー半導体素子、配線及び接合基板１００からなる複合体が耐湿性を有するゲルにより封止された場合に当該ゲルが侵入しにくい空隙９２１及び９２３が形成されることを防止することができ、絶縁不良の原因となるボイドが空隙９２１及び９２３に起因して残ることを防止することができる。また、当該複合体が樹脂でモールドされた場合に当該樹脂が侵入しにくい空隙９２１及び９２３が形成されることを防止することができ、絶縁不良の原因となるボイドが空隙９２１及び９２３に起因して残ることを防止することができる。

５ 接合基板の製造方法
図３は、接合基板１００の製造の流れを示すフローチャートである。図４、図５及び図６は、接合基板１００の製造の途上で得られる中間品を模式的に示す断面図である。

接合基板１００の製造においては、図３に示される工程Ｓ１０１からＳ１０４までが順次に実行される。

工程Ｓ１０１においては、図４に図示されるように、窒化ケイ素セラミックス基板１１０の主面１１０１及び１１０２上に、それぞれろう材層１３２及び１３４が形成される。接合基板１００から銅板１１１及び接合層１１２が省略される場合は、ろう材層１３２を形成することが省略される。接合基板１００から銅板１１３及び接合層１１４が省略される場合は、ろう材層１３４を形成することが省略される。

ろう材層１３２及び１３４が形成される際には、活性金属ろう材及び溶剤を含むペーストが調製される。ペーストがバインダ、分散剤、消泡剤等をさらに含んでもよい。続いて、調製されたペーストが窒化ケイ素セラミックス基板１１０の主面１１０１及び１１０２上にスクリーン印刷され、窒化ケイ素セラミックス基板１１０の主面１１０１及び１１０２上にそれぞれ第１及び第２のスクリーン印刷膜が形成される。続いて、形成された第１及び第２のスクリーン印刷膜に含まれる溶剤が揮発させられる。これにより、第１及び第２のスクリーン印刷膜が、それぞれろう材層１３２及び１３４に変化する。ろう材層１３２及び１３４は、活性金属ろう材を含む。ろう材層１３２及び１３４がこの方法とは異なる方法により形成されてもよい。

活性金属ろう材は、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）及びインジウム（Ｉｎ）を含む金属粉末、並びに水素化チタン（ＴｉＨ_２）粉末及び水素化ジルコニウム（ＺｒＨ_２）粉末からなる群より選択される少なくとも１種の水素化金属粉末を含む。活性金属ろう材の組成が変更されてもよい。例えば、銅及びインジウムの両方又は片方が金属粉末に含まれなくてもよく、銅及びインジウム以外の金属元素が金属粉末に含まれてもよい。

活性金属ろう材は、望ましくは４０重量％以上８０重量％以下の銀を含む。係る場合、下述する工程Ｓ１０３において銀を銅板１１１Ａ及び１１３Ａに拡散させ接合層１１２Ｂ及び１１４Ｂが銀を含まないようにすることが容易になる。

活性金属ろう材は、望ましくは０．１μｍ以上１０μｍ以下の平均粒子径を有する粉末からなる。平均粒子径は、市販のレーザー回折式の粒度分布測定装置により粒度分布を測定し、測定した粒度分布からＤ５０を算出することにより得ることができる。活性金属ろう材がこのように小さい平均粒子径を有する粉末からなることにより、ろう材層１３２及び１３４を薄くすることができる。

ろう材層１３２及び１３４は、望ましくは０．１μｍ以上５μｍ以下の厚さを有する。ろう材層１３２及び１３４がこのようにわずかな厚さしか有しないことにより、ろう材層１３２及び１３４に含まれる銀が少なくなり、下述する工程Ｓ１０３において銀を銅板１１１Ａ及び１１３Ａに拡散させ接合層１１２Ｂ及び１１４Ｂが銀を含まないようにすることが容易になる。

工程Ｓ１０２においては、図５に図示されるように、形成されたろう材層１３２及び１３４上にそれぞれ銅板１１１Ａ及び１１３Ａが配置される。これにより、窒化ケイ素セラミックス基板１１０、銅板１１１Ａ、ろう材層１３２、銅板１１３Ａ及びろう材層１３４を備える中間品１００Ａが得られる。接合基板１００から銅板１１１及び接合層１１２が省略される場合は、銅板１１１Ａを配置することが省略される。接合基板１００から銅板１１３及び接合層１１４が省略される場合は、銅板１１３Ａを配置することが省略される。

工程Ｓ１０３においては、得られた中間品１００Ａに対してホットプレスが行われる。これにより、ろう材層１３２及び１３４が、図６に図示されるように、それぞれ接合層１１２Ｂ及び１１４Ｂに変化する。接合層１１２Ｂ及び１１４Ｂは、それぞれ銅板１１１Ａ及び１１３Ａを窒化ケイ素セラミックス基板１１０に接合する。ろう材層１３２及び１３４に含まれる銀及びインジウムはそれぞれ、ろう材層１３２及び１３４がそれぞれ接合層１１２Ｂ及び１１４Ｂに変化する過程で銅板１１１Ａ及び１１３Ａに拡散する。これにより、最終的に得られる接合層１１２Ｂ及び１１４Ｂは銀及びインジウムを含まなくなる。すなわち、熱処理後に得られる中間体１００Ｂの接合層１１２Ｂ及び１１４Ｂは、第１の群より選択される少なくとも１種の元素と第２の群より選択される少なくとも１種の元素との化合物を含むが、銀を含まない。第２の群より選択される少なくとも１種の元素は、窒化ケイ素セラミックス基板１１０から供給される。

工程Ｓ１０３においては、望ましくは、中間品１００Ａが、真空中又は不活性ガス中で、最高面圧が５ＭＰａ以上２５ＭＰａ以下となる面圧プロファイルにしたがって窒化ケイ素セラミックス基板１１０の厚さ方向に加圧され、最高温度が８００℃以上９００℃以下となる温度プロファイルにしたがって加熱される。係る場合、ろう材層１３２及び１３４の厚さが０．１μｍ以上５μｍ以下と小さい場合においても、ボイドの形成なしに銅板１１１Ａ及び１１３Ａを窒化ケイ素セラミックス基板１１０に接合することができる。また、当該範囲のようなボイドが形成されない範囲でろう材層１３２及び１３４を薄くすることによってろう材層１３２及び１３４に含まれる銀を少なくした場合には、熱処理によって銀を銅板１１１Ａ及び１１３Ａに拡散させ、接合層１１２Ｂ及び１１４Ｂが銀を含まないようにすることが容易になる。また、活性金属ろう材を構成する粒子の形状が層状の形状に変化すること、並びに銅板１１１Ａ及び１１３Ａに銀等が拡散することにより、接合層１１２Ｂ及び１１４Ｂが実質的に０．１μｍ以上３μｍ以下の厚さを有するようになる。

工程Ｓ１０４においては、銅板１１１Ａ、接合層１１２Ｂ、銅板１１３Ａ及び接合層１１４Ｂがパターニングされる。これにより、銅板１１１Ａ及び１１３Ａが、それぞれ図１に図示されるパターニングされた銅板１１１及び１１３に変化する。また、接合層１１２Ｂ及び１１４Ｂが、それぞれ図１に図示されるパターニングされた接合層１１２及び１１４に変化する。

６ 銅板及び接合層のパターニング
図７は、接合基板１００の製造における銅板及び接合層のパターニングの流れを示すフローチャートである。図８及び図９は、接合基板１００の製造における銅板及び接合層のパターニングの途上で得られる中間品を模式的に図示する断面図である。

接合基板１００の製造における銅板１１１Ａ、接合層１１２Ｂ、銅板１１３Ａ及び接合層１１４Ｂのパターニングにおいては、図７に図示される工程Ｓ１１１からＳ１１３までが順次に実行される。

工程Ｓ１１１においては、銅板１１１Ａ及び１１３Ａがエッチングされる。これにより、銅板１１１Ａ及び１１３Ａの一部が除去されることで、銅板１１１Ａ及び１１３Ａが、図８に図示される銅板１１１Ｃ及び１１３Ｃ（エッチング済み銅板１１１Ｃ及び１１３Ｃ）に変化する。これに伴い、接合層１１２Ｂが、窒化ケイ素セラミックス基板１１０とエッチング済み銅板１１１Ｃとの間にある第１の部分１４０と、窒化ケイ素セラミックス基板１１０とエッチング済み銅板１１１Ｃとの間以外にある第２の部分１４１とを、有するようになる。また、接合層１１４Ｂが、窒化ケイ素セラミックス基板１１０とエッチング済み銅板１１３Ｃとの間にある第１の部分１４２と、窒化ケイ素セラミックス基板１１０とエッチング済み銅板１１３Ｃとの間以外にある第２の部分１４３とを、有するようになる。銅板１１１Ａ及び１１３Ａのエッチングには、塩化鉄水溶液系、塩化銅水溶液系等のエッチング液を用いることができる。

工程Ｓ１１２においては、接合層１１２Ｂおよび１１４Ｂの第２の部分１４１及び１４３がエッチングされる。これにより、図９に図示されるように、第２の部分１４１及び１４３が除去され、第１の部分１４０及び１４２が残る。残った第１の部分１４０及び１４２がそれぞれ、図１に示す接合基板１００における接合層１１２及び１１４に該当する。第２の部分１４１及び１４３のエッチングには、フッ化アンモニウム水溶液系等のエッチング液を用いることができる。工程Ｓ１１２において、第１の部分１４０及び１４２の両端部がエッチングにより除去される場合もある。

工程Ｓ１１３においては、エッチング済み銅板１１１Ｃ及び１１３Ｃがさらにソフトエッチングされる。これにより、エッチング済み銅板１１１Ｃ及び１１３Ｃの端部が除去されることで、エッチングされた銅板１１１Ｃ及び１１３Ｃが、それぞれ、図１に図示される銅板（パターニング済み銅板）１１１及び１１３に変化する。これに伴い、接合層１１２及び１１４（第１の部分１４０及び１４２）に、それぞれ図１に図示される板間部１２０及び１２２と、それぞれ図１に図示されるはみ出し部１２１及び１２３とが、形成される。エッチング済み銅板１１１Ｃ及び１１３Ｃのソフトエッチングには、塩化鉄水溶液系、塩化銅水溶液系等のエッチング液を用いることができる。工程Ｓ１１３により、工程Ｓ１１２において第１の部分１４０及び１４２の両端部がエッチングにより除去された場合であっても、はみ出し部１２１及び１２３を確実に形成することができる。

この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。

１００ 接合基板
１１０ 窒化ケイ素セラミックス基板
１１１，１１３，１１１Ａ，１１３Ａ 銅板
１１２，１１４，１１２Ｂ，１１４Ｂ 接合層
１２０，１２２ 板間部
１２１，１２３ はみ出し部
１３２，１３４ ろう材層
１００Ａ 中間品
１４０ 第１の部分
１４１ 第２の部分

Claims (9)

1. 窒化ケイ素セラミックス基板と、
   前記窒化ケイ素セラミックス基板上に配置される銅板と、
   前記窒化ケイ素セラミックス基板上に配置され、前記銅板を前記窒化ケイ素セラミックス基板に接合する唯一の層であり、前記窒化ケイ素セラミックス基板と前記銅板との間にある板間部、及び前記窒化ケイ素セラミックス基板と前記銅板との間からはみ出し外部に露出するはみ出し部を備える、単一層である接合層とを備え、
   前記銅板が銀を含み、前記はみ出し部が銀を含まない、
   接合基板。
2. 前記接合層は、０．１μｍ以上３μｍ以下の厚さを有する
   請求項１の接合基板。
3. 前記はみ出し部は、チタン及びジルコニウムからなる群より選択される少なくとも１種の元素と窒素及びケイ素からなる群より選択される少なくとも１種の元素との化合物のみからなる
   請求項１又は２の接合基板。
4. a) 窒化ケイ素セラミックス基板上に、銀を含む金属粉末、並びに水素化チタン粉末及び水素化ジルコニウム粉末からなる群より選択される少なくとも１種の水素化金属粉末を含む活性金属ろう材を含むろう材層を形成する工程と、
   b) 前記ろう材層上に銅板を配置し、前記窒化ケイ素セラミックス基板、前記銅板及び前記ろう材層を備える中間品を得る工程と、
   c) 前記中間品に対してホットプレスを行い、前記金属粉末に含まれる銀を、前記銅板に拡散させ、前記ろう材層を、前記銅板を前記窒化ケイ素セラミックス基板に接合する単一層であり銀を含まない接合層のみに変化させる工程と、
   d) 前記銅板及び前記接合層をパターニングし、前記銅板を、パターニングされた銅板に変化させ、前記接合層を、前記窒化ケイ素セラミックス基板と前記パターニングされた銅板との間にある板間部、及び前記窒化ケイ素セラミックス基板と前記パターニングされた銅板との間からはみ出し外部に露出するはみ出し部を備えるパターニングされた接合層に変化させる工程と、
   を備える接合基板の製造方法。
5. 工程d)は、
   d-1) 前記銅板をエッチングし、前記銅板を、エッチングされた銅板に変化させ、前記接合層に、前記窒化ケイ素セラミックス基板と前記エッチングされた銅板との間にある第１の部分、及び前記窒化ケイ素セラミックス基板と前記エッチングされた銅板との間にない第２の部分を形成する工程と、
   d-2) 前記第２の部分をエッチングし、前記第２の部分を除去する工程と、
   d-3) 前記エッチングされた銅板をソフトエッチングし、前記エッチングされた銅板を、前記パターニングされた銅板に変化させ、前記第１の部分を、前記パターニングされた接合層にする工程と、
   を備える請求項４の接合基板の製造方法。
6. 前記活性金属ろう材は、４０重量％以上８０重量％以下の銀を含む
   請求項４又は５の接合基板の製造方法。
7. 前記活性金属ろう材は、０．１μｍ以上１０μｍ以下の平均粒子径を有する粉末からなる
   請求項４から６までのいずれかの接合基板の製造方法。
8. 前記ろう材層は、０．１μｍ以上５μｍ以下の厚さを有する
   請求項４から７までのいずれかの接合基板の製造方法。
9. 前記はみ出し部は、チタン及びジルコニウムからなる群より選択される少なくとも１種の元素と窒素及びケイ素からなる群より選択される少なくとも１種の元素との化合物のみからなる
   請求項４から８までのいずれかの接合基板の製造方法。

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