WO2013094213A1 - セラミックス銅回路基板とそれを用いた半導体装置 - Google Patents

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Abstract

 実施形態のセラミックス銅回路基板1は、セラミックス基板2と、活性金属元素を含む接合層を介してセラミックス基板2の両面に接合された第1および第2の銅板とを具備する。第1および第2の銅板の端部の断面において、銅板とセラミックス基板との接合端から銅板の上面内側方向に向けて界面と45°となる方向に引いた直線ABより銅板の外側方向に向けてはみ出す断面の面積Cの、直線ABを斜辺とする直角三角形に相当する断面の面積Dに対する割合(C/D)が0.2以上0.6以下の範囲である。第1および第2の銅板の上面端部にはそれぞれR部が設けられており、かつR部の第1および第2の銅板の上方から見た長さFが100μm以下である。

Description

セラミックス銅回路基板とそれを用いた半導体装置
 本発明の実施形態は、セラミックス銅回路基板とそれを用いた半導体装置に関する。
 従来、パワーモジュール用回路基板には、安価な酸化アルミニウム基板、高熱伝導性の窒化アルミニウム基板、高強度の窒化珪素基板等のセラミックス基板と、熱伝導率が大きい銅板等の金属板とを、モリブデン(Mo)やタングステン(W)を用いる高融点金属法、銅と酸素との共晶反応を利用したDBC(Direct Bonding Copper)法、チタン(Ti)のような活性金属を使用した活性金属接合法等で接合した接合基板が用いられている。セラミックス基板に接合された金属板を、例えばエッチングでパターニンすることにより回路基板が構成される。種々の接合方法の中では、接合強度を高くできることから、活性金属接合法が一般的に用いられている。
 セラミックス回路基板を用いて半導体装置を構成する場合、銅板等の金属板上に半田層を介して半導体チップが搭載される。セラミックス回路基板への要求特性の1つとして熱サイクル試験(Thermal Cycle Test:TCT)特性が挙げられる。TCTは、低温、室温、高温の環境下にそれぞれ一定時間保持し、このような温度変化に対してセラミックス回路基板がどの程度の耐久性を有しているかを調べる試験である。
 セラミックス回路基板のTCT特性を向上させるために、銅板の端部からろう材層をはみ出させた構造が提案されている。そのような構造を有するセラミックス銅回路基板において、-40℃×30分→室温×10分→125℃×30分→室温×10分を1サイクルとしたTCTを実施した際に、300サイクル後においてもセラミックス基板にクラックが発生しないことが報告されている。しかしながら、半導体チップのハイパワー化に伴って、TCT特性として1000サイクルレベルでセラミックス基板にクラックが発生しないセラミックス銅回路基板が求められている。
 さらに、セラミックス基板として窒化珪素基板を使用すると共に、銅板の端部からはみ出したろう材の組成を制御することによって、TCT特性を向上させたセラミックス銅回路基板が提案されている。このようなセラミックス銅回路基板において、-50℃×30分→室温×10分→155℃×30分→室温×10分を1サイクルとすることで、条件をより厳しくしたTCTを実施した際に、5000サイクルレベルでセラミックス基板にクラックが発生しないことが報告されている。
 ところで、半導体チップはさらにハイパワー化が進められている。それに伴って、Si素子の動作温度はこれまで100~130℃程度であったのに対し、160~190℃程度にまで上昇することが予測されている。さらに、SiC素子では動作温度が200~250℃まで高温化が進むことが予測されている。このような半導体チップのハイパワー化と動作温度の高温化に対応させるために、セラミックス銅回路基板にはより厳しい条件下によるTCT特性を向上させることが求められている。
 上述したように、セラミックス基板として窒化珪素基板を使用することでTCT特性が向上する。一方で、窒化アルミニウム基板や酸化アルミニウム基板では300~400サイクル程度の耐久性しか得られていない。窒化珪素基板は3点曲げ強度を600MPa以上にまで高強度化することができる。このような窒化珪素基板を使用することでTCT特性を向上させることができる反面、窒化珪素基板は一般的に窒化アルミニウム基板や酸化アルミニウム基板と比べて高価であるため、セラミックス銅回路基板の製造コストが増加する。このため、窒化アルミニウム基板や酸化アルミニウム基板を用いた場合であっても、TCT特性を向上させることが可能なセラミックス銅回路基板が求められている。
 セラミックス銅回路基板上に半導体チップを搭載する場合、一般的にボンダー・マウンター装置が使用される。このような装置においては、銅板の表面を画像認識して位置を検出し、位置検出された銅板に対して半導体チップを位置決めした後に、半導体チップを銅板上に搭載する。銅板の位置検出は、CCDカメラ等の検出器を使用して銅板の端部の位置を検出することにより実施される。TCT特性を向上させるために、銅板の端部からはみ出したろう材の組成を制御した場合、銅板の端部が緩やかな傾斜面となる。このような緩やかな傾斜面では、検出器による銅板端部の検出精度が低下するといった不具合が生じる。さらに、銅板端部に緩やかな傾斜面を形成した場合、銅板の面積に対して半導体チップを搭載できる面積が小さくなる。このため、半導体装置の設計上の制約が大きくなる。
特開平11-340598号公報 国際公開第2011/034075号 特許第4346151号公報
 本発明が解決しようとする課題は、TCT特性を向上させた上で、銅板の位置検出精度とそれに基づく半導体チップの位置決め精度を高めることを可能にしたセラミックス銅回路基板とそれを用いた半導体装置を提供することにある。
 実施形態のセラミックス銅回路基板は、第1の面と第2の面とを有するセラミックス基板と、Ti、Zr、Hf、AlおよびNbから選ばれる少なくとも1種の活性金属元素とAg、Cu、Sn、InおよびCから選ばれる少なくとも1種の元素とを含む第1の接合層を介して、前記セラミックス基板の第1の面に接合された第1の銅板と、Ti、Zr、Hf、AlおよびNbから選ばれる少なくとも1種の活性金属元素とAg、Cu、Sn、InおよびCから選ばれる少なくとも1種の元素とを含む第2の接合層を介して、前記セラミックス基板の第2の面に接合された第2の銅板とを具備する。第1および第2の銅板の端部の断面において、銅板とセラミックス基板との接合端を点A、点Aから銅板の上面の内側に向けて銅板とセラミックス基板との界面と45°となる方向に引いた直線と銅板上面とが交わる点を点B、点Aと点Bとを結ぶ直線ABより銅板の外側方向に向けてはみ出す断面の面積を面積C、直線ABを斜辺とする直角三角形に相当する断面の面積を面積Dとしたとき、第1および第2の銅板の端部は面積Dに対する面積Cの割合(C/D)が0.2以上0.6以下の範囲である形状を有する。さらに、面積Cの角部に相当する第1および第2の銅板の上面の端部にはそれぞれR部が設けられており、かつR部の第1および第2の銅板の上方から見た長さFが100μm以下である。
実施形態のセラミックス銅回路基板を示す断面図である。 実施形態のセラミックス銅回路基板における銅板の端部の構造を示す断面図である。 実施形態のセラミックス銅回路基板における銅板の端部の形状を説明するための図である。 実施形態のセラミックス銅回路基板を第1の銅板側から見た平面図である。 実施形態のセラミックス銅回路基板を第2の銅板側から見た裏面図である。
 以下、実施形態のセラミックス銅回路基板とそれを用いた半導体装置について、図面を参照して説明する。図1は実施形態のセラミックス銅回路基板の構成を示す断面図である。図1において、1はセラミックス銅回路基板、2はセラミックス基板、3は銅回路板(第1の銅板)、4は裏側銅板(第2の銅板)である。図1は銅回路板3として2枚の銅板をセラミックス基板2に接合した例を示めしているが、実施形態のセラミックス銅回路基板の構成はこれに限られるものではない。銅回路板3の枚数は、適宜増減させることができる。図1はセラミックス基板2に1枚の銅板を裏側銅板5として接合した例を示めしているが、実施形態のセラミックス銅回路基板の構成はこれに限られるものではない。第2の銅板は実装や放熱等に使用される裏側銅板4に限らず、銅回路板であってもよい。
 実施形態のセラミックス銅回路基板1において、セラミックス基板2の第1の面2aには銅回路板(第1の銅板)3が第1の接合層5を介して接合されている。セラミックス基板2の第2の面2bには、裏側銅板(第2の銅板)4が第2の接合層6を介して接合されている。第1および第2の接合層5、6は、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ハフニウム(Hf)、アルミニウム(Al)、およびニオブ(Nb)から選ばれる少なくとも1種の活性金属元素と、銀(Ag)、銅(Cu)、錫(Sn)、インジウム(In)、および炭素(C)から選ばれる少なくとも1種の元素とを含んでいる。実施形態のセラミックス銅回路基板1は、セラミックス基板2の両面2a、2bに銅板3、4を活性金属接合法で接合することにより構成されたものである。
 活性金属接合法は、Ti、Zr、Hf、AlおよびNbから選ばれる少なくとも1種の活性金属元素と、Ag、Cu、Sn、InおよびCから選ばれる少なくとも1種の元素とを含む活性金属ろう材を用いて、セラミックス基板2と銅板3、4とを接合する方法である。活性金属ろう材は、活性金属元素、Ag、Cu、Sn、InおよびCの合計を100質量%としたとき、1~6質量%の活性金属元素、50~80質量%のAg、15~30質量%のCu、15質量%以下(零を含む)のSn、15質量%以下(零を含む)のIn、および2質量%以下(零を含む)炭素の含有することが好ましい。このような組成を有する活性金属ろう材を用いることで、接合層5、6の成分を制御することができる。
 活性金属ろう材は、さらに活性金属元素と、Agと、Cuと、Sn、InおよびCから選ばれる少なくとも1種とを含有することが好ましい。Sn、InおよびCから選ばれる少なくとも1種の元素の含有量は1~15質量%の範囲とすることが好ましい。活性金属元素は、セラミックス基板2と反応して反応相を形成することで、セラミックス基板2と銅板3、4との接合強度を向上させる成分である。活性金属元素としてTiを用いた場合、セラミックス基板2が酸化アルミニウム基板であればTi酸化物相が形成される。セラミックス基板2として窒化珪素基板や窒化アルミニウム基板を用いた場合には、Ti窒化物相が形成される。活性金属元素のうち、TiやZrはセラミックス基板2と反応相を形成しやすいので好ましく用いられる。特に、Tiを用いることが好ましい。
 AgとCuは共晶を生成する組合せである。AgとCuの共晶が形成されることによって、接合層5、6が強化される。さらに、Sn、InおよびCから選ばれる少なくとも1種を含有させることによって、接合層5、6の熱膨張係数や柔軟性を制御することができる。セラミックス銅回路基板1のTCTを実施した際に、セラミックス基板2に生じるクラックは、セラミックス基板2と銅板3、4との熱膨張差による応力に起因する。熱膨張差を緩和するために、接合層5、6の熱膨張係数はセラミックス基板2と銅板3、4との間の値となるように調整することが好ましい。Sn、InおよびCは、Ag-Cu共晶の生成を阻害することなく、熱膨張係数の調整に有効な成分である。さらに、Sn、InおよびCから選ばれる少なくとも1種を含有させることで、接合層5、6の柔軟性を高めることができる。接合層5、6の柔軟性を高めることによって、TCT時に銅板3、4が熱膨張したときの変形応力を吸収することができる。
 実施形態のセラミックス銅回路基板1は、銅板3、4の端部を断面観察したときに、以下に示す端部形状を有している。すなわち、銅板3、4の端部の断面において、銅板とセラミックス基板との接合端を点A、点Aから銅板の上面の内側に向けて銅板とセラミックス基板との界面と45°となる方向に引いた直線と銅板上面とが交わる点を点B、点Aと点Bとを結ぶ直線ABより銅板の外側方向に向けてはみ出す断面の面積を面積C、直線ABを斜辺とする直角三角形に相当する断面の面積を面積Dとしたとき、第1および第2の銅板3、4は面積Dに対する面積Cの割合(C/D)が0.2以上0.6以下の範囲である端部形状を有する。さらに、面積Cの角部に相当する第1および第2の銅板3、4の上面の端部にはそれぞれR部が設けられており、かつR部の第1および第2の銅板3、4の上方から見た長さFが100μm以下である。
 図2および図3に実施形態のセラミックス銅回路基板1における銅板3、4の端部形状を示す。図2および図3を参照して、点A、点B、直線AB、面積C、面積D、長さE、および長さFについて説明する。まず、任意の銅板の端部の断面を観察する。この観察断面は銅板の厚さ方向の断面とする。図2および図3は主に銅回路板(第1の銅板)3の端部を示している。裏側銅板(第2の銅板)4の端部も、銅回路板(第1の銅板)3と同様な形状を有している。以下に示す端部形状は、銅回路板(第1の銅板)3および裏側銅板(第2の銅板)4の端部の形状を示すものである。
 図3に示すように、点Aは銅板3とセラミックス基板2との接合端である。なお、図3では接合層5の図示を省略している。点Aから銅板3の上面の内側に向けて銅板3とセラミックス基板2との界面と45°となる方向に直線を引き、この直線と銅板3の上面とが交わる点を点Bとする。点Aと点Bとを結ぶ直線ABより銅板2の外側方向に向けてはみ出す断面の面積を面積C、直線ABを斜辺とする直角三角形に相当する断面の面積を面積Dとする。実施形態における銅板3(4)は、面積Dに対する面積Cの割合(C/D)が0.2~0.6の範囲である端部形状を有する。
 面積割合C/Dが0.2~0.6の範囲であるとき、銅板3(4)の端部には適度な傾斜面が形成されることになる。銅板3(4)の端部に適度な傾斜面を形成することによって、セラミックス銅回路基板1のTCT時に銅板3(4)の端部に発生する応力(熱膨張差に起因する応力)が緩和される。従って、セラミックス銅回路基板1のTCT特性を向上させることができる。面積割合(C/D)が0.2未満であると、銅板3(4)の半導体チップの搭載面積が小さくなる。面積割合(C/D)が0.6を超えると、熱膨張差に起因する応力の緩和効果が得られない。面積割合(C/D)は0.3~0.5の範囲であることがより好ましい。面積Dの基準として界面に対して45°の直線を採用した理由は、セラミックス銅回路基板の45°放熱シミュレーションを前提とするためである。
 図2に示すように、銅板3(4)の上面の端部にはそれぞれR部が設けられている。銅板3(4)の上面の端部は面積Cの角部に相当する。R部は銅板3(4)の上方から見たR部の長さFが100μm以下である形状を有する。長さFが100μm以下であるということは、曲率半径Rが小さい形状をR部が有することを意味する。長さFが100μm以下であると、画像認識を適用した銅板3(4)の位置検出精度が向上する。長さFが100μmを超えるとR形状が緩くなり、画像認識を適用して銅板3(4)の端部を検出するときの精度にばらつきが生じる。ボンダー・マウンター装置等における位置決めは、CCDカメラ等の検出器を用いて銅板3(4)を画像認識することにより実施される。銅板3(4)の端部を正確に画像認識することができないと、銅板3(4)の位置決め精度が低下し、それに基づいて半導体チップの搭載場所の位置決め精度が悪くなる。
 セラミックス銅回路基板1に半導体チップを搭載して半導体装置を作製するにあたって、半導体チップの搭載位置にずれが生じると、半導体チップに対する電気的な接続を正確に行えないおそれがある。さらに、場合によっては半導体装置自体が不良となる。半導体チップの搭載工程は、ボンダー・マウンター装置等により機械化されている。このため、機械により半導体チップの搭載位置を正確に認識できないと不良品となる。上述したようなR部を銅板3(4)の上面端部に設けることによって、画像認識を使用して銅板3の端部を精度よく検出することができる。長さFは50μm以下であることが好ましい。ただし、長さFが短すぎると応力集中が生じやすくなるため、長さFは10μm以上であることが好ましく、さらに20μm以上であることがより好ましい。
 図4はセラミックス銅回路基板1を銅回路板3側から見た平面図、図5はセラミックス銅回路基板1を裏側銅板4側から見た裏面図である。図4に示す銅回路板3の一部に半導体チップ(図示せず)が搭載される。半導体チップの搭載位置は、画像認識により銅回路板3の端部を検出し、そこからの距離に基づいて認識される。このため、銅回路板3の端部が画像認識しやすい形状であることが必要である。この実施形態における銅回路板3は、端部が画像認識しやすい形状として長さFが100μm以下のR形状を有している。なお、図4では半導体チップの図示を省略している。この実施形態の半導体装置は、銅回路板3の一部に半導体チップを搭載することにより構成される。
 第1および第2の接合層5、6において、接合層の10mmの形成面積当たりにおける活性金属元素の含有量は0.5mg以上0.8m以下の範囲であることが好ましい。前述したように、活性金属元素はセラミックス基板2と反応して反応相を形成する。接合層5、6の10mmの形成面積当たりにおける活性金属元素の含有量が0.5mg(ミリグラム)未満であると、活性金属元素の量が不足して接合強度が低下する。一方、活性金属元素の含有量が0.8mgを超えても、それ以上の効果が得られないだけでなく、セラミックス銅回路基板1の製造コストを増加させる要因となる。接合層5、6の10mmの形成面積当たりにおける活性金属元素の含有量は、例えば活性金属ろう材中の活性金属元素の含有量と活性金属ろう材の塗布層の厚さにより調整することができる。
 さらに、接合層5、6は銅板3、4の端部からはみ出していることが好ましい。接合層5、6の銅板3、4の端部からのはみ出し長さEは10μm以上150μm以下の範囲であることが好ましい。接合層5、6のはみ出し長さEは、図2に示すように、点Aから外側にはみ出した接合層5、6の幅である。はみ出し長さEが10μm以上の接合層5、6によれば、銅板3、4の端部に生じる応力を緩和することができる。ただし、はみ出し長さEが150μmを超えると、それ以上の効果が得られないだけでなく、隣接する銅板との間で絶縁性を確保することができず、銅板間の短絡の原因となるおそれがある。はみ出し長さEは10~100μmの範囲であることがより好ましい。ただし、場合によっては接合層5、6を銅板3、4の端部からはみ出させなくてもよい。
 セラミックス基板2は、窒化珪素焼結体からなる窒化珪素基板、窒化アルミニウム焼結体からなる窒化アルミニウム基板、または酸化アルミニウム焼結体からなる酸化アルミニウム基板であることが好ましい。窒化珪素基板は素材として3点曲げ強度が600MPa以上というような高強度を有している。窒化アルミニウム基板は熱伝導率が170W/m・K以上というような高熱伝導性を有している。酸化アルミニウム基板は安価である。これら基板の優位性に基づいて、目的に応じてセラミックス基板2を選定する。窒化珪素基板は、特許第4346151号公報に記載されているように、3点曲げ強度が700MPa以上で、熱伝導率が80W/m・K以上のものが開発されている。高強度で高熱伝導性の窒化珪素基板であれば、放熱性を高めた上でTCT特性も向上させることができる。
 セラミックス基板2の厚さは0.2~1mmの範囲であることが好ましい。銅板3、4の厚さは0.1~1mmの範囲であることが好ましい。セラミックス基板2の厚さが0.2mm未満とであると強度が低下し、TCT特性も低下するおそれがある。セラミックス基板2が薄いと絶縁性が確保できず、リーク電流が発生するおそれもある。セラミックス基板2の厚さが1mmを超えると熱抵抗体となり、放熱性が低下するおそれがある。銅板3、4の厚さが0.1mm未満であると、回路としての電流密度が低下する。銅板3、4としての強度も低下する。銅板3、4の厚さが1mmを超えると、電流密度は向上するものの、熱膨張による変形量が大きくなるためにTCT特性が低下するおそれがある。銅板3、4の厚さは0.2~0.6mmの範囲であることがより好ましい。
 この実施形態によれば、セラミックス銅回路基板1のTCT特性を大幅に向上させることができる。TCTは、低温領域→室温→高温領域→室温を1サイクルとし、このようなサイクルをセラミックス銅回路基板1に繰り返し加えることによって、セラミックス基板2のクラックや銅板3、4の剥がれ等の不具合が発生するサイクル数を調べる耐久性試験である。セラミックス銅回路基板1は、-40℃×30分→室温(25℃)×10分→175℃×30分→室温(25℃)×10分を1サイクルとするTCTにおいて、1000サイクル後でもセラミックス基板2にクラックが生じないという特性を有するものである。さらに、-50℃×30分→室温(25℃)×10分→250℃×30分→室温(25℃)×10分を1サイクルとするTCTにおいても同様である。
 従来のTCTは、例えば最大温度(高温領域)が125℃であったり、また最大温度(高温領域)が150℃であったりする。それに対して、実施形態のセラミックス銅回路基板1は最大温度(高温領域)が170℃以上のTCTを1000サイクル実施したときにおいても、セラミックス基板にクラックが生じないという優れた特性を示すものである。具体的なTCT条件は上記した通りである。つまり、低温領域と高温領域との温度差が210℃以上のTCT、さらには温度差が300℃のTCTというように、より厳しい条件下においても、実施形態のセラミックス銅回路基板1は優れた特性を示す。
 このようなセラミックス銅回路基板1によれば、銅回路板3上に半導体チップを搭載して構成した半導体装置の信頼性を大幅に向上させることができる。そのため、Si素子のハイパワー化により動作温度が170℃になったとしても、セラミックス銅回路基板1の信頼性を維持することができる。同様に、SiC素子のように動作温度が200~250℃の半導体チップを搭載する場合においても、セラミックス銅回路基板1のTCT特性を維持することができる。言い換えると、セラミックス銅回路基板1は動作温度が170℃以上の半導体チップを搭載する回路基板として有効なものである。
 次に、セラミックス銅回路基板1の製造方法について説明する。実施形態のセラミックス銅回路基板1は、前述した構造を有していればよく、その製造方法は特に限定されるものではない。実施形態のセラミックス銅回路基板1を効率よく得るための方法として、以下に示すような製造方法が挙げられる。
 まず、セラミックス基板2を用意する。活性金属ろう材ペーストを調製する。活性金属ろう材における活性金属元素、Ag、Cu、Sn、In、Cの割合は前述した通りである。活性金属ろう材ペーストをセラミックス基板2上に塗布する。活性金属ろう材ペーストの塗布厚は10~40μmの範囲とすることが好ましい。塗布厚が10μm未満では接合強度が低下するおそれがある。接合層5、6の熱応力緩和層としての機能も低下する。塗布厚が40μmを超えるとそれ以上の効果が得られないだけでなく、セラミックス銅回路基板1の製造コストを増加させる要因となる。
 次に、活性金属ろう材ペーストの塗付領域上に銅板3を配置する。このとき、セラミックス基板2の裏面にも活性金属ろう材ペーストを塗布し、両面に銅板3、4を配置する。銅板3、4は無酸素銅板であることが好ましい。銅板3、4は予め回路パターン形状に加工したものであってもよいし、セラミックス基板2と同じ縦横サイズのものであってもよい。次いで、加熱してセラミックス基板2と銅板3、4とを接合する。加熱は真空中や窒素ガス等の不活性ガス雰囲気中で行うことが好ましい。加熱条件は700~900℃×10~120分であることが好ましい。加熱温度が700℃未満、または加熱時間が10分未満である場合、活性金属元素とセラミックス基板2との反応相が十分に形成されず、接合強度が低下するおそれがある。加熱温度が900℃を超える、または加熱時間が120分を超えると、銅板3、4に熱変形が加わりすぎて不良の発生原因となる。
 銅板3、4は、例えば回路パターンを形成するために、必要に応じてエッチングされる。銅板3、4の端部形状は、予め目的とする形状に端部を加工した銅板3、4をセラミックス基板2に接合することにより得てもよいし、接合後に目的とする形状となるように銅板3、4をエッチングして得てもよい。エッチングを適用する場合、銅板3、4の端部形状はエッチング条件の強弱等により調整することができる。接合層5、6のはみ出し長さEの調整には、例えば国際公開第2011/034075号パンフレットに示されるようなマスキング等を使用することが有効である。
 次に、具体的な実施例とその評価結果について述べる。
(実施例1~11、比較例1~9)
 セラミックス基板として、板厚が0.635mmの窒化珪素基板(熱伝導率:90W/m・K、3点曲げ強度:730MPa)と、板厚が0.635mmの窒化アルミニウム基板(熱伝導率:180W/m・K、3点曲げ強度:400MPa)と、板厚が0.635mmの酸化アルミニウム基板(熱伝導率:15W/m・K、3点曲げ強度:500MPa)とを用意した。セラミックス基板の形状は縦50mm×横30mmで統一した。
 次に、表1に組成を示す活性金属ろう材を調製し、ペースト化してセラミックス基板上に塗布した。活性金属ろう材ペーストの塗布厚は表1に示す通りである。次いで、板厚が0.3mmの銅板(無酸素銅板)を用意した。銅板の形状は縦45mm×横25mmで統一した。実施例1~9では板厚が0.3mmの銅板を、実施例10~11では板厚が0.5mmの銅板を使用した。印刷された活性金属ろう材ペースト上に銅板を配置した。
 銅板を配置したセラミックス基板を、真空中にて800~840℃×20~40分の条件で加熱することによって、セラミックス基板の両面に銅板を接合した。FeClエッチング液を用いて表面側の銅板をエッチングすることによって、図4に示す2つの回路パターンを形成した。回路パターンは、縦20mm×横20mmのパターンを、2mmの間隔を開けて2つ形成した構造とした。さらに、エッチング条件を種々変えることによって、銅板の端部を表2に示す条件を満足する形状に加工した。表2に示す銅板の端部形状は、銅回路板および裏側銅板の両方に設けた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 実施例1~11および比較例1~8のセラミックス銅回路基板について、銅板の接合強度、耐電圧不良率、TCT特性、画像認識による位置決め精度を調べた。接合強度はピール強度により測定した。耐電圧不良率は、N=20で表裏銅板間に10kV×1分間の電圧を印加したときの貫通不良の発生率(%)により評価した。耐電圧不良率は、それが低いほど不良が発生しないことを意味する。
 TCT特性は、以下に示す3つの条件により評価した。条件1は-40℃×30分→室温(25℃)×10分→125℃×30分→室温(25℃)×10分を1サイクルとした。条件2は-40℃×30分→室温(25℃)×10分→175℃×30分→室温(25℃)×10分を1サイクルとした。条件3は-50℃×30分→室温(25℃)×10分→250℃×30分→室温(25℃)×10分を1サイクルとした。それぞれ1000サイクル後におけるセラミックス基板のクラックの有無を健全率η(%)にて調べた。健全率η(%)とは、セラミックス銅回路基板の銅板の接合端周囲に形成されるクラックの割合を調べたものである。銅板の接合端の周囲長を100%としたとき、クラックが発生しなかった割合を測定する。健全率η(%)が100%であるということは、クラックが発生したものが無かったことを意味する。健全率η(%)が0%であるということは、全ての銅板の接合端の周囲長にクラックが発生したことを意味する。TCTは試料数をN=20とし、健全率η(%)が最も大きな試料の値を示す。
 画像認識による位置決め精度については、ボンダー・マウンター装置により目的とする位置に半導体チップが搭載できたか否かで調べた。位置ずれが発生しなかったものを「A」、位置ずれが発生したものを「B」とした。それらの結果を表3に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
 表3から分かる通り、実施例のセラミックス銅回路基板は、いずれも優れたTCT特性を有していた。ボンダー・マウンター装置(CCDカメラによる画像認識タイプ)による位置ずれも発生しなかった。さらに、銅板の端部形状を改良していることから、銅回路板上の半導体チップの搭載面積を広く確保することができる。
(実施例12~13)
 実施例9のセラミックス銅回路基板を実施例12、実施例9のセラミックス銅回路基板の銅板厚さを0.5mmに変えたものを実施例13とした。実施例12および実施例13のセラミックス銅回路基板について、条件2(1サイクル:-40℃×30分→室温(25℃)×10分→175℃×30分→室温(25℃)×10分)でTCTを実施し、セラミックス基板にクラックが発生するサイクル数を調べた。その結果を表4に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
 表4から分かる通り、実施例のセラミックス銅回路基板は、最大温度が170℃を超えるTCTに対しても、6000サイクル以上の耐久性を有している。
(実施例14~18)
 セラミックス基板として以下のものを用意した。セラミックス基板1は板厚が0.320mmの窒化珪素基板(熱伝導率:93W/m・K、3点曲げ強度:700MPa)である。セラミックス基板2は板厚が0.320mmの窒化珪素基板(熱伝導率:100W/m・K、3点曲げ強度:600MPa)である。セラミックス基板3は板厚が0.635mmの窒化アルミニウム基板(熱伝導率:200W/m・K、3点曲げ強度:320MPa)である。セラミックス基板4は板厚が0.635mmの酸化アルミニウム基板(熱伝導率:12W/m・K、3点曲げ強度:400MPa)である。なお、セラミックス基板の形状は縦50mm×横30mmで統一した。
 次に、表5に組成を示す活性金属ろう材を調製し、ペースト化してセラミックス基板上に印刷して塗布した。縦45mm×横20mm×厚さ0.3mmの銅板を用意した。活性金属ろう材ペーストの塗布層上に銅板を配置した。銅板を配置したセラミックス基板を、真空中にて800~840℃×20~40分の条件で加熱することによって、セラミックス基板の両面に銅板を接合した。FeClエッチング液を用いて表面側の銅板をエッチングして、図4に示す2つの回路パターンを形成した。回路パターンは、縦20mm×横20mmのパターンを、2mmの間隔を開けて2つ形成した構造とした。次いで、エッチング条件を種々変えることによって、銅板の端部を表6に示す条件を満足する形状に加工した。表6に示す銅板の端部形状は、銅回路板および裏側銅板の両方に設けた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
 実施例14~18のセラミックス銅回路基板について、実施例1と同様の方法により、接合強度、耐電圧不良率、TCT特性(条件1、条件2、条件3)、位置決め精度を測定した。それらの結果を表7に示す。表7から分かるように、実施例のセラミックス銅回路基板はいずれも優れた特性を有していることが確認された。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
 次に、条件2(1サイクル:-40℃×30分→室温(25℃)×10分→175℃×30分→室温(25℃)×10分)のTCTを実施し、セラミックス基板にクラックが発生するサイクル数を調べた。その結果を表8に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
 表8から分かる通り、窒化珪素基板を使用した実施例14~16はいずれも5000サイクル以上の耐久性を有していた。窒化アルミニウム基板を使用した実施例17と酸化アルミニウム基板を使用した実施例18の耐久性は1400~1500サイクル程度であり、実施例14~16に比べて劣っていたものの、従来の窒化アルミニウム基板や酸化アルミニウム基板を使用したセラミックス銅回路基板に比べて、優れたTCT特性を有することが確認された。実施例14~18の結果から、窒化珪素基板を使用することによって、セラミックス銅回路基板のTCT特性がより一層向上することが分かる。
 なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施し得るものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Claims (12)

  1.  第1の面と第2の面とを有するセラミックス基板と、
     Ti、Zr、Hf、AlおよびNbから選ばれる少なくとも1種の活性金属元素とAg、Cu、Sn、InおよびCから選ばれる少なくとも1種の元素とを含む第1の接合層を介して、前記セラミックス基板の第1の面に接合された第1の銅板と、
     Ti、Zr、Hf、AlおよびNbから選ばれる少なくとも1種の活性金属元素とAg、Cu、Sn、InおよびCから選ばれる少なくとも1種の元素とを含む第2の接合層を介して、前記セラミックス基板の第2の面に接合された第2の銅板とを具備し、
     前記第1および第2の銅板の端部の断面において、前記銅板と前記セラミックス基板との接合端を点A、前記点Aから前記銅板の上面の内側に向けて前記銅板と前記セラミックス基板との界面と45°となる方向に引いた直線と前記銅板上面とが交わる点を点B、前記点Aと前記点Bとを結ぶ直線ABより前記銅板の外側方向に向けてはみ出す断面の面積を面積C、前記直線ABを斜辺とする直角三角形に相当する断面の面積を面積Dとしたとき、前記第1および第2の銅板の端部は前記面積Dに対する前記面積Cの割合(C/D)が0.2以上0.6以下の範囲である形状を有し、
     前記面積Cの角部に相当する前記第1および第2の銅板の前記上面の端部には、それぞれR部が設けられており、かつ前記R部の前記第1および第2の銅板の上方から見た長さFが100μm以下であることを特徴とするセラミックス銅回路基板。
  2.  前記第1および第2の接合層の10mmの形成面積当たりにおける前記活性金属元素の含有量が0.5mg以上0.8mg以下の範囲である、請求項1に記載のセラミックス銅回路基板。
  3.  前記第1および第2の接合層の端部は、それぞれ前記第1および第2の銅板の端部からはみ出しており、前記第1および第2の接合層の端部の前記第1および第2の銅板の端部からのはみ出し長さEが10μm以上150μm以下の範囲である、請求項1に記載のセラミックス銅回路基板。
  4.  前記第1および第2の接合層は、前記活性金属元素と、Agと、Cuと、Sn、InおよびCから選ばれる少なくとも1種の元素とを含有する、請求項1に記載のセラミックス銅回路基板。
  5.  前記第1および第2の接合層は、前記活性金属元素、Ag、Cu、Sn、InおよびCを含有する、請求項1に記載のセラミックス銅回路基板。
  6.  前記セラミックス基板は、窒化珪素基板、窒化アルミニウム基板、または酸化アルミニウム基板である、請求項1に記載のセラミックス銅回路基板。
  7.  前記セラミックス基板の厚さが0.2mm以上1mm以下の範囲である、請求項1に記載のセラミックス銅回路基板。
  8.  前記第1および第2の銅板の厚さがそれぞれ0.1mm以上1mm以下の範囲である、請求項1に記載のセラミックス銅回路基板。
  9.  前記セラミックス銅回路基板に対して最大温度が170℃以上の熱サイクル試験を1000サイクル実施したときに、前記セラミックス基板にクラックが生じない、請求項1に記載のセラミックス銅回路基板。
  10.  前記熱サイクル試験は、-40℃×30分→室温(25℃)×10分→175℃×30分→室温(25℃)×10分を1サイクルとして実施される、請求項9に記載のセラミックス銅回路基板。
  11.  請求項1に記載のセラミックス銅回路基板と、
     前記セラミックス銅回路基板の前記第1の銅板上に搭載された半導体チップと
     を具備することを特徴とする半導体装置。
  12.  前記半導体チップはSiC素子を備える、請求項11に記載の半導体装置。
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