JPH0982843A - セラミックス回路基板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 窒化ケイ素基板等の非酸化物系セラミックス
基板上に、ＤＢＣ法を適用する際に必須の安定な酸化物
層を形成することを可能にする。これによって、接合不
良や膨れ等を解消する。 【解決手段】 非晶質相を主体とするSi-O系酸化物層２
を有する窒化ケイ素基板１等の非酸化物系セラミックス
基板と、窒化ケイ素基板１上にSi-O系酸化物層２を介し
てＤＢＣ法で直接接合された銅系回路板３、４とを具備
するセラミックス回路基板５である。Si-O系酸化物層２
は、ポリシラザン等の主骨格にSiを含む無機高分子溶液
の塗布、焼成により形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、非酸化物系セラミ
ックス基板に銅直接接合法を適用して銅系回路板を接合
したセラミックス回路基板およびその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来から、半導体素子等の電子部品を搭
載するための基板としては、セラミックス基板や樹脂基
板等の種々の基板が用いられているが、優れた絶縁性や
放熱性等を有することから、高放熱性電子部品を搭載す
る回路基板等としてはセラミックス基板が多用されてい
る。

【０００３】上述したようなセラミックス基板には、従
来、アルミナ焼結体が主として用いられてきたが、最近
の半導体素子の高集積化、高周波化、高出力化等に伴っ
て、半導体素子からの発生熱量は年々増加する傾向にあ
るため、アルミナ基板では放熱性の点で限界が生じてい
る。そこで、アルミナに比べて熱伝導率が約10倍程度高
く、さらに熱膨張率がSiに近似する窒化アルミニウム焼
結体からなるセラミックス基板の使用が検討され、一部
実用化されている。

【０００４】ところで、窒化アルミニウム基板は熱伝導
性に優れると共に、Siに近似する熱膨張率を有する等の
特徴を有する反面、機械的強度や靭性等が低いことか
ら、アッセンブリ工程での締め付けによって割れが発生
したり、また熱サイクルが付加された際にクラックが発
生しやすい等、電子部品搭載用セラミックス基板として
の信頼性に劣るという材料特性に基く難点を有してい
る。

【０００５】そこで、窒化アルミニウム基板より熱伝導
率は劣るものの、熱膨張率がSiに近似すると共に、機械
的強度や靭性に優れる窒化ケイ素焼結体からなるセラミ
ックス基板が注目されている。窒化ケイ素基板において
も、焼結体原料となる窒化ケイ素粉末の粒径や焼結助剤
組成等を制御することによって、40W/m K 以上の熱伝導
率が実現されるようになってきている。

【０００６】上述したような窒化ケイ素基板を回路基板
等として利用する場合には、通常のセラミックス基板と
同様に、表面に金属回路板を接合することが不可欠であ
り、銅直接接合法（ＤＢＣ法）や活性金属法により銅系
回路板を接合することが検討されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、窒化ケイ素
基板等の非酸化物系セラミックス基板上にＤＢＣ法で銅
系回路板を接合する場合、ＤＢＣ法は銅−酸素系の共晶
化合物を利用した接合方法であるため、まず非酸化物系
セラミックス基板の表面に酸化物層を形成する必要があ
る。ここで、非酸化物系セラミックス基板表面の酸化に
は、通常熱酸化法が用いられているが、窒化ケイ素焼結
体は微細構造が複雑で、また熱酸化法により形成される
Si-O系酸化物(SiO₂ 等）は種々の結晶構造をとり得るた
め、熱酸化法ではＤＢＣ法に要求される安定な酸化物層
を形成することが困難であった。

【０００８】すなわち、ＤＢＣ法で銅系回路板を接合す
るためには、少なくとも 3μm 程度の厚さを有する酸化
物層が必要となる。このような厚さを有する酸化物層を
窒化ケイ素基板等の表面に熱酸化法で形成すると、微細
なクラックや大径のポアの発生が避けられない。ＤＢＣ
法は高温で生成する銅−酸素系の共晶化合物(Cu-Cu₂O
共晶化合物等）が接合に利用されるため、酸化物層にク
ラックやポアが存在すると、液化した共晶化合物が酸化
物層を通り抜けて窒化ケイ素基板等に到達し、そこで反
応して窒素ガスを生成する。このガスが窒化ケイ素基板
等と銅系回路板との接合不良や膨れの発生原因となって
いる。

【０００９】このようなことから、従来の窒化ケイ素基
板等の非酸化物系セラミックス基板を用いたＤＢＣ基板
においては、窒化ケイ素基板等の非酸化物系セラミック
ス基板上にＤＢＣ法を適用する際に必須の安定な酸化物
層を容易に形成することを可能にすることが課題とされ
ており、これによって銅系回路板の接合不良や膨れ等を
解消することが望まれていた。

【００１０】本発明は、このような課題に対処してなさ
れたもので、窒化ケイ素基板等の非酸化物系セラミック
ス基板を用いたＤＢＣ基板において、非酸化物系セラミ
ックス基板上に安定な酸化物層を再現性よく形成するこ
とを可能にすることによって、酸化物層のポアやクラッ
ク等の微小欠陥に由来する接合不良や膨れ等の発生を抑
制したセラミックス回路基板およびその製造方法を提供
することを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明のセラミックス回
路基板は、表面に酸化物層を有する非酸化物系セラミッ
クス基板と、前記非酸化物系セラミックス基板上に前記
酸化物層を介して直接接合された銅系回路板とを具備す
るセラミックス回路基板において、前記非酸化物系セラ
ミックス基板表面に設けられ酸化物層は、非晶質相を主
体とするSi-O系酸化物層であることを特徴としている。

【００１２】また、本発明のセラミックス回路基板の製
造方法は、非酸化物系セラミックス基板の表面に、主骨
格にSiを含む無機高分子溶液を塗布した後、大気中で熱
処理して前記無機高分子を熱分解させ、非晶質相を主体
とするSi-O系酸化物層を形成する工程と、前記非酸化物
系セラミックス基板上に、前記Si-O系酸化物層を介して
銅系回路板を接触配置し、熱処理を施して前記銅系回路
板を接合する工程とを具備することを特徴としている。

【００１３】主骨格にSiを含む無機高分子溶液の塗布、
焼成により形成されるSi-O系酸化物層は、非晶質相を主
体としており、ポアやクラック等の微小欠陥がほとんど
ない健全で安定な酸化物層が容易に得られる。従って、
このような非晶質相を主体とするSi-O系酸化物層を非酸
化物系セラミックス基板の表面に形成し、このSi-O系酸
化物層を介して銅直接接合法（ＤＢＣ法）で銅系回路板
を接合することによって、酸化物層のポアやクラック等
の微小欠陥に由来する、接合不良や膨れ等の発生を抑制
することが可能となる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施するための形
態について説明する。

【００１５】図１は、本発明のセラミックス回路基板の
一実施形態を示す断面図である。同図において、１は窒
化ケイ素基板等の非酸化物系セラミックス基板である。
ここで、窒化ケイ素基板１としては、特に50W/m K 以上
の熱伝導率を有するものが好ましい。窒化ケイ素基板１
を構成する窒化ケイ素焼結体は、高強度・高靭性のセラ
ミックス焼結体としてよく知られているが、例えば焼結
体原料となる窒化ケイ素粉末の微粒子化、焼結助剤組成
等の組成制御、高純度化等を行うことによって、本来の
高強度・高靭性という機械的特性を損うことなく、熱伝
導率が50W/m K以上というように、比較的熱伝導性に優
れた窒化ケイ素焼結体を得ることができる。本発明で
は、このような比較的熱伝導性に優れた窒化ケイ素基板
１を用いることが好ましい。

【００１６】なお、本発明における非酸化物系セラミッ
クス基板は窒化ケイ素基板に限られるものではなく、窒
化アルミニウム基板や炭化ケイ素基板等を適用すること
も可能であるが、特に安定な酸化物層を形成することが
困難な窒化ケイ素基板に対して、本発明は有効である。

【００１７】窒化ケイ素基板１の表面には、それぞれ非
晶質相を主体とするSi-O系酸化物層２、２が形成されて
いる。この非晶質相を主体とするSi-O系酸化物層２は、
クラックのような微小欠陥をほとんど含まない緻密で表
面平滑性に優れた層であり、さらにポアが含まれるとし
ても大きさが 100nm以下と極めて微細で、ほとんど接合
に対して悪影響を及ぼさないものである。このような非
晶質相を主体とするSi-O系酸化物層２は、後に詳述する
ように、ポリシラザン等の主骨格にSiを含む無機高分子
溶液の塗布、焼成（大気中熱処理）により得ることがで
きる。なお、Si-O系酸化物層２は非晶質相を主体とする
ものであればよく、一部結晶質相を含んでいてもよい。

【００１８】上述したようなSi-O系酸化物層２の厚さ
は、 1〜 5μm の範囲とすることが好ましい。Si-O系酸
化物層２の厚さが 1μm 未満であると、銅系回路板３、
４を銅直接接合法（ＤＢＣ法）で接合する際に、接合が
不安定となるおそれがあり、一方 5μm を超えると、Si
-O系酸化物層２自体の剥離等が生じやすくなるおそれが
ある。

【００１９】Si-O系酸化物層２は、Siおよび Oのみを構
成元素とする層であってもよいが、さらにMg-O系酸化物
やAl-O系酸化物等を少量含有させることによって、熱膨
張係数を10〜4ppm/K程度の範囲に調整したものであって
もよい。このように、Si-O系酸化物層２の熱膨張係数を
制御することによって、銅系回路板３、４との熱膨張差
が低減され、その結果として加熱接合後の冷却過程等で
発生する熱応力を緩和することができる。従って、銅系
回路板３、４の接合強度や接合信頼性をさらに高めるこ
とが可能となる。Mg-O系酸化物やAl-O系酸化物の添加量
は、目的とする熱膨張係数に応じて設定するものとする
が、具体的には 5〜50重量% 程度とすることが好まし
い。

【００２０】上述したようなSi-O系酸化物層２を表面酸
化物層として有する窒化ケイ素基板１上には、Si-O系酸
化物層２を介して銅系回路板３、４がそれぞれＤＢＣ法
により直接接合されており、これらによって本発明のセ
ラミックス回路基板５が構成されている。銅系回路板
３、４としては、通常のＤＢＣ基板と同様に、銅板や銅
合金板を用いることができる。また、銅板で他の金属板
をクラッドした銅クラッド板等を用いることも可能であ
る。

【００２１】銅系回路板３、４は、予め所望の回路形状
にエッチングやプレス加工等でパターニングしたものを
接合してもよいし、また単板状の銅系板を接合した後に
エッチング等で回路形状にパターニングしてもよい。銅
系回路板３、４の厚さは 0.5mm以下であることが好まし
い。銅系回路板３、４の厚さが 0.5mmを超えると、加熱
接合後の冷却過程等で発生する熱応力が増大して、接合
不良が発生するおそれがある。

【００２２】上述したようなセラミックス回路基板５に
おいては、クラックのような微小欠陥をほとんど含まな
い緻密な非晶質相を主体とするSi-O系酸化物層２を介し
て、銅系回路板３、４をＤＢＣ法で接合しているため、
接合のための熱処理時に生じるCu-O系共晶化合物がSi-O
系酸化物層２を通り抜けて、窒化ケイ素基板１に到達す
ることが防止できる。従って、Cu-O系共晶化合物が窒化
ケイ素基板１に到達することに起因するガス発生が防止
でき、これによって窒化ケイ素基１と銅系回路板３、４
とを安定して高強度で接合することが可能となると共
に、接合不良や膨れの発生を防止することができる。ま
た、非晶質相を主体とするSi-O系酸化物層２の表面は平
滑であるため、接合熱処理時に生じるCu-O系共晶化合物
液相が良好に濡れ、これによっても窒化ケイ素基１と銅
系回路板３、４との接合強度を高めることができる。

【００２３】上記実施形態のセラミックス回路基板５
は、例えば以下のようにして製造することができる。図
２を参照して、本発明のセラミックス回路基板５の製造
工程について説明する。

【００２４】まず、非晶質相を主体とするSi-O系酸化物
層２の形成源となる主骨格にSiを含む無機高分子の溶液
を用意する。主骨格にSiを含む無機高分子としては、ポ
リシラザン、ポリボロシロキサン、ポリカルボシラン、
ポリシラン等が例示される。これらはいずれもセラミッ
クスの前駆体ポリマーとして知られているものであり、
焼成条件の制御等によりSi-O系酸化物層２を得ることが
できると共に、焼成温度の制御等により非晶質相を主体
とする層とすることができる。特に、 1473K以下の大気
中焼成によって、容易に非晶質相を主体とするSi-O系酸
化物層２を得ることができるポリシラザンを用いること
が好ましい。

【００２５】上述したポリシラザン等の主骨格にSiを含
む無機高分子は、N-メチル -2-ピロリドン、ジメチルホ
ルムアミド等の極性有機溶剤やトルエン、キシレン等の
非極性有機溶剤に溶解あるいは分散させることができ、
このような無機高分子溶液として、容易に窒化ケイ素基
板１等の非酸化物系セラミックス基板の表面に塗布する
ことができる。具体的には、ディップコート法、スプレ
ーコート法、ロールコート法等の常法によって、ポリシ
ラザン溶液等を窒化ケイ素基板１の表面に塗布する。塗
布厚は焼成後のSi-O系酸化物層２の必要膜厚に応じて設
定する。このようにして、ポリシラザン溶液等の塗膜
２′を窒化ケイ素基板１の表面に形成する（図２−
ａ）。

【００２６】主骨格にSiを含む無機高分子溶液には、前
述したように、Si-O系酸化物層２の熱膨張係数を制御す
るためにMg-O系酸化物やAl-O系酸化物を添加してもよ
い。これらは直接酸化物粉末として添加してもよいし、
MgやAlのアルコキシド溶液等として添加してもよい。

【００２７】次に、塗膜２′を形成した窒化ケイ素基板
１を、用いた無機高分子の種類に応じた条件で大気中に
て熱処理（焼成）する。この大気中熱処理によって、主
骨格にSiを含む無機高分子は大気中のO(酸素）を取り入
れてSi-O系酸化物となる。また、熱処理温度を制御する
ことによって、非晶質相を主体とする層とすることがで
きる。具体的には、ポリシラザン溶液を用いた場合には
1473K以下の温度にて大気中で熱処理すれば、容易に非
晶質相を主体とするSi-O系酸化物層２を得ることができ
る。このようにして、非晶質相を主体とするSi-O系酸化
物層２、２を窒化ケイ素基板１の表面に形成する（図２
−ｂ）。

【００２８】この後、通常のＤＢＣ法に従って、銅系回
路板３、４を上記した非晶質相を主体とするSi-O系酸化
物層２、２を介して窒化ケイ素基板１に接合して、目的
とするセラミックス回路基板５を得る（図２−ｃ）。具
体的には、まず窒化ケイ素基板１表面の非晶質相を主体
とするSi-O系酸化物層２、２上に、それぞれ銅系回路板
３、４を接触配置する。次いで、窒素雰囲気等の不活性
雰囲気中や真空中にて、銅の融点(1356K) 以下で銅−酸
素系共晶化合物の融点(1338K) 以上の温度で熱処理を施
して、銅−酸素系共晶化合物液相で窒化ケイ素基板１表
面を濡らし、この液相を冷却固化することによって、窒
化ケイ素基板１と銅系回路板３、４とを接合する。

【００２９】上述したような工程を経ることによって、
前述したように高接合強度を有すると共に、接合不良や
膨れの発生を防止したセラミックス回路基板５を再現性
よく得ることができる。

【００３０】

【実施例】次に、本発明のセラミックス回路基板の具体
的な実施例について説明する。

【００３１】実施例１ まず、ポリシラザンを濃度 20%となるようにキシレンに
溶解してポリシラザン溶液を調製した。このポリシラザ
ン溶液に、熱伝導率が70W/m K で厚さ 0.5mmの窒化ケイ
素基板１をディッピングした。ディッピング回数は、熱
処理後の酸化物層２の厚さが 2μm となるように設定し
た。

【００３２】上記ポリシラザン溶液へのディッピングに
よって、両面にポリシラザン溶液の塗膜２′を形成した
窒化ケイ素基板１を、大気中にて 1373Kで熱処理した。
この大気中熱処理で、窒化ケイ素基板１表面にそれぞれ
厚さ約 2μm のSi-O系酸化物層２、２を形成した。

【００３３】得られたSi-O系酸化物層２の相構成をＸ線
回折で評価したところ、非晶質相を主体とすることが確
認された。また、Si-O系酸化物層２の微構造を走査型電
子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察したところ、クラックがほと
んど存在しない緻密な微構造を有しており、また粗大な
ポアは存在しておらず、大きさ 100nm以下の微小なポア
が点在するだけであった。さらに、Si-O系酸化物層２の
表面は平滑性に優れるものであった。

【００３４】次に、上記非晶質相を主体とするSi-O系酸
化物層２上に、それぞれ厚さ 0.3mmの銅板３、４を接触
配置し、窒素ガス中にて 1443Kで熱処理を施して、銅板
３、４をそれぞれ窒化ケイ素基板１に接合した。このよ
うにして得た窒化ケイ素回路基板を後述する特性評価に
供した。

【００３５】実施例２ 上記実施例１において、濃度 20%のポリシラザン溶液に
MgO粉末を25重量% 添加し、この MgOを含有するポリシ
ラザン溶液を用いてSi-O系酸化物層２を形成する以外
は、実施例１と同様にして窒化ケイ素回路基板を作製
し、後述する特性評価に供した。なお、この実施例で形
成したSi-O系酸化物層は、実施例１と同様に、クラック
等がほとんど存在しない緻密で表面平滑性に優れる非晶
質相を主体とする層であった。また、このSi-O系酸化物
層は、Mgを含む層(Si-Mg-O系酸化物層）であり、熱膨張
係数は 5ppm/K であった。

【００３６】比較例１ 上記実施例１において、窒化ケイ素基板１の表面に熱酸
化処理(1473K）で酸化物層を形成する以外は、実施例１
同様にして窒化ケイ素回路基板を作製し、後述する特性
評価に供した。

【００３７】上記実施例１、２および比較例１で得た各
窒化ケイ素回路基板における銅板の接合状態を検査し
た。その結果、実施例１、２による窒化ケイ素回路基板
では、いずれも接合不良や膨れはほとんど認められなか
ったのに対して、比較例１による窒化ケイ素回路基板で
は所々に膨れが発生していた。また、各窒化ケイ素回路
基板における銅板の接合強度を測定した。その結果を表
１に示す。

【００３８】

【表１】 上述した測定結果からも明らかなように、本発明のセラ
ミックス回路基板においては、窒化ケイ素基板等の非酸
化物系セラミックス基板に対して、銅板をＤＢＣ法によ
って良好かつ高接合強度で接合することが可能となる。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のセラミッ
クス回路基板によれば、窒化ケイ素基板等の非酸化物系
セラミックス基板に対して安定な酸化物層を再現性よく
形成することが可能になるため、酸化物層のポアやクラ
ック等の微小欠陥に由来する接合不良や膨れ等の発生、
さらには接合強度の低下等を抑制することができる。従
って、窒化ケイ素基板等の非酸化物系セラミックス基板
を用いて、健全なＤＢＣ基板を安定して提供することが
可能となる。また、本発明のセラミックス回路基板の製
造方法によれば、上述したような健全なセラミックス回
路基板を再現性よく作製することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施形態によるセラミックス回路
基板の構成を示す断面図である。

【図２】 図１に示すセラミックス回路基板の製造工程
を示す断面図である。

【符号の説明】

１……窒化ケイ素基板 ２……非晶質相を主体とするSi-O系酸化物層 ３、４……銅系回路板 ５……セラミックス回路基板

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表面に酸化物層を有する非酸化物系セラ
   ミックス基板と、前記非酸化物系セラミックス基板上に
   前記酸化物層を介して直接接合された銅系回路板とを具
   備するセラミックス回路基板において、 前記非酸化物系セラミックス基板表面に設けられ酸化物
   層は、非晶質相を主体とするSi-O系酸化物層であること
   を特徴とするセラミックス回路基板。
2. 【請求項２】 請求項１記載のセラミックス回路基板に
   おいて、 前記非酸化物系セラミックス基板は、窒化ケイ素焼結体
   からなることを特徴とするセラミックス回路基板。
3. 【請求項３】 非酸化物系セラミックス基板の表面に、
   主骨格にSiを含む無機高分子溶液を塗布した後、大気中
   で熱処理して前記無機高分子を熱分解させ、非晶質相を
   主体とするSi-O系酸化物層を形成する工程と、 前記非酸化物系セラミックス基板上に、前記Si-O系酸化
   物層を介して銅系回路板を接触配置し、熱処理を施して
   前記銅系回路板を接合する工程とを具備することを特徴
   とするセラミックス回路基板の製造方法。