WO2020183701A1 - 接合基板 - Google Patents

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WO2020183701A1
WO2020183701A1 PCT/JP2019/010545 JP2019010545W WO2020183701A1 WO 2020183701 A1 WO2020183701 A1 WO 2020183701A1 JP 2019010545 W JP2019010545 W JP 2019010545W WO 2020183701 A1 WO2020183701 A1 WO 2020183701A1
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silicon nitride
substrate
copper plate
nitride ceramic
ceramic substrate
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隆 海老ヶ瀬
いづみ 増田
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日本碍子株式会社
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    • H05K3/1291—Firing or sintering at relative high temperatures for patterns on inorganic boards, e.g. co-firing of circuits on green ceramic sheets

Definitions

  • the present invention relates to a bonded substrate.
  • Silicon nitride ceramics have high thermal conductivity and high insulation. Therefore, a bonded substrate in which a copper plate is bonded to a silicon nitride ceramic substrate via a bonding layer is suitably used as an insulating heat-dissipating substrate on which a power semiconductor element is mounted.
  • the bonded substrate is produced by producing an intermediate product in which the brazing material layer is between the copper plate and the silicon nitride ceramic substrate, and the produced intermediate product is heat-treated to change the brazing material layer into a bonded layer, and the copper plate And manufactured by patterning the bonding layer.
  • the copper circuit board is joined to at least one surface of the ceramic substrate formed of silicon nitride via a brazing material layer (paragraphs 0013 and 0020). ..
  • the ceramic circuit board includes a brazing material layer interposed between the copper circuit board and the ceramics circuit board, and a brazing material protruding portion protruding outward from the side surface of the copper circuit board (paragraph 0013).
  • the brazing filler metal layer is formed from a brazing filler metal containing Ag, Cu and Ti (paragraph 0013).
  • the protruding portion of the brazing material does not have high flatness and has holes for exposing the ceramic substrate (FIG. 7).
  • the electrical insulation between adjacent copper plates may not be good.
  • a DC electric field or an AC electric field of several kV / mm is applied in an environment of 85 ° C. and 85% RH, the electrical insulation between adjacent copper plates may deteriorate.
  • the present invention has been made in consideration of this problem.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a bonded substrate capable of improving electrical insulation between adjacent copper plates while suppressing defects of the bonded substrate due to concentration of stress on the end portion of the copper plate. It is to be.
  • the bonding substrate includes a silicon nitride ceramic substrate, a copper plate, and a bonding layer.
  • the copper plate and the bonding layer are arranged on the silicon nitride ceramic substrate.
  • a copper plate is bonded to a silicon nitride ceramic substrate.
  • the bonding layer includes an inter-plate portion between the silicon nitride ceramic substrate and the copper plate, and a protruding portion protruding from between the silicon nitride ceramic substrate and the copper plate. The protruding portion covers the silicon nitride ceramic substrate so as not to expose the silicon nitride ceramic substrate.
  • the concentration of stress on the end portion of the copper plate is relaxed by the protruding portion. As a result, it is possible to suppress defects in the bonded substrate due to stress concentration on the ends of the copper plate.
  • the electrical insulation property of the bonded substrate can be improved.
  • FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view schematically showing a part of the bonded substrate of the first embodiment. It is a flowchart which shows the manufacturing flow of the bonded substrate of 1st Embodiment. It is sectional drawing which shows typically the intermediate product obtained in the process of manufacturing the bonded substrate of 1st Embodiment. It is sectional drawing which shows typically the intermediate product obtained in the process of manufacturing the bonded substrate of 1st Embodiment. It is sectional drawing which shows typically the intermediate product obtained in the process of manufacturing the bonded substrate of 1st Embodiment. It is sectional drawing which shows typically the intermediate product obtained in the process of manufacturing the bonded substrate of 1st Embodiment.
  • the protruding portion provided in the conventional bonded substrate represented by the ceramic circuit board described in Patent Document 1 contains silver and copper. Further, silver and copper contained in the protruding portion are likely to be removed during the process of manufacturing the bonded substrate, particularly during the etching performed during the process of manufacturing the bonded substrate. Therefore, the protruding portion does not have high flatness. If the protruding portion does not have high flatness, a chemical residue that causes a decrease in electrical insulation tends to remain on the protruding portion. This is a major cause of deterioration in electrical insulation in conventional bonded substrates.
  • the chemical solution that causes the chemical solution residue is a chemical solution used for etching the copper plate and the bonding layer, a chemical solution used for cleaning the surface of the copper plate by acid cleaning, and the like.
  • the chemical residue is composed of hydrochloric acid, sulfuric acid, etc. contained in the chemical solution. If a chemical residue remains on the protruding portion, silver, copper, etc. contained in the protruding portion, or an alloy containing silver, copper, etc. contained in the protruding portion may cause ion migration. In particular, when a DC electric field or an AC electric field of several kV / mm is applied between adjacent protruding portions in a high temperature and high humidity environment such as 85 ° C. and 85% RH, this problem becomes remarkable.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the bonded substrate of the first embodiment.
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view schematically showing a part of the bonded substrate of the first embodiment.
  • FIG. 2 is an enlarged view of a part A of FIG.
  • the bonding substrate 100 of the first embodiment includes a silicon nitride ceramic substrate 110, a copper plate 111, a bonding layer 112, a copper plate 113, and a bonding layer 114.
  • the bonded substrate 100 may include elements other than these elements.
  • One of the set of the copper plate 111 and the bonding layer 112 and the set of the copper plate 113 and the bonding layer 114 may be omitted.
  • the copper plates 111 and 113 are bonded to the silicon nitride ceramic substrate 110 via the bonding layers 112 and 114, respectively.
  • the copper plates 111 and 113 are brazed to the main surfaces 1101 and 1102 of the silicon nitride ceramic substrate 110 by the active metal brazing method by the bonding layers 112 and 114, respectively.
  • the bonded substrate 100 may be used in any way, and is used, for example, as an insulated heat-dissipating substrate on which a power semiconductor element is mounted.
  • the copper plate 111 and the bonding layer 112 are arranged on the main surface 1101 of the silicon nitride ceramic substrate 110 as shown in FIGS. 1 and 2.
  • the copper plate 113 and the bonding layer 114 are arranged on the main surface 1102 of the silicon nitride ceramic substrate 110 as shown in FIG.
  • the bonding layers 112 and 114 join the copper plates 111 and 113 to the main surfaces 1101 and 1102 of the silicon nitride ceramic substrate 110, respectively.
  • the joint layer 112 includes an inter-plate portion 120 and a protruding portion 121.
  • the inter-plate portion 120 is located between the silicon nitride ceramic substrate 110 and the copper plate 111.
  • the protruding portion 121 protrudes from between the silicon nitride ceramic substrate 110 and the copper plate 111.
  • the bonding layer 114 includes an inter-plate portion 122 and a protruding portion 123.
  • the inter-plate portion 122 is located between the silicon nitride ceramic substrate 110 and the copper plate 113.
  • the protruding portion 123 protrudes from between the silicon nitride ceramic substrate 110 and the copper plate 113.
  • the concentration of stress on the ends of the copper plates 111 and 113 is relaxed by the protruding portions 121 and 123, respectively. As a result, it is possible to suppress defects in the bonded substrate 100 due to stress concentration on the ends of the copper plates 111 and 113.
  • the bonding layers 112 and 114 preferably have a thickness of 0.1 ⁇ m or more and 3 ⁇ m or less. Since the bonding layers 112 and 114 have such a small thickness, the concentration of stress on the ends of the copper plates 111 and 113 is effectively alleviated by the protruding portions 121 and 123, respectively.
  • the protruding portions 121 and 123 cover the main surfaces 1101 and 1102 of the silicon nitride ceramic substrate 110 so as not to expose the main surfaces 1101 and 1102, respectively. Therefore, unlike the brazing material protrusions provided in the ceramic circuit board described in Japanese Patent No. 6158144, the protruding portions 121 and 123 do not have holes for exposing the silicon nitride ceramic substrate 110.
  • the upper surface 121U of the protruding portion 121 and the upper surface 123U of the protruding portion 123 preferably have an arithmetic mean roughness Ra of 0.7 ⁇ m or less and a maximum height Rz of 5 ⁇ m or less.
  • the protruding portions 121 and 123 have such high flatness. Therefore, chemical residue that causes a decrease in electrical insulation is unlikely to remain on the protruding portions 121 and 123. Thereby, the electrical insulation property of the bonded substrate 100 can be improved.
  • the bonding layers 112 and 114 are at least one element selected from the group consisting of titanium (Ti) and zirconium (Zr) and at least one element selected from the group consisting of nitrogen (N) and silicon (Si). However, it does not contain silver (Ag) and copper (Cu), which are generally contained in the bonding layer. For this reason, the protruding portions 121 and 123 also contain a compound of at least one element selected from the group consisting of titanium and zirconium and at least one element selected from the group consisting of nitrogen and silicon, but the bonding layer. Does not contain silver and copper commonly found in.
  • FIG. 3 is a flowchart showing a flow of manufacturing a bonded substrate according to the first embodiment.
  • 4, 5 and 6 are cross-sectional views schematically illustrating an intermediate product obtained in the process of manufacturing the bonded substrate of the first embodiment.
  • steps S101 to S104 shown in FIG. 3 are sequentially executed.
  • step S101 as shown in FIG. 4, brazing material layers 132 and 134 are formed on the main surfaces 1101 and 1102 of the silicon nitride ceramic substrate 110, respectively.
  • the formation of the brazing material layer 132 is omitted.
  • the formation of the brazing material layer 134 is omitted.
  • a paste containing an active metal brazing filler metal and a solvent is prepared.
  • the paste may further contain binders, dispersants, defoamers and the like.
  • the prepared paste is screen-printed on the main surfaces 1101 and 1102 of the silicon nitride ceramic substrate 110, and the first and second screen-printed films are formed on the main surfaces 1101 and 1102 of the silicon nitride ceramic substrate 110, respectively. Will be done.
  • the solvent contained in the formed first and second screen printing films is volatilized. As a result, the first and second screen printing films are changed to the brazing filler metal layers 132 and 134, respectively.
  • the brazing filler metal layers 132 and 134 include an active metal brazing filler metal.
  • the brazing filler metal layers 132 and 134 may be formed by a method different from this method.
  • the active metal brazing material includes silver (Ag) powder and at least one hydrogenated metal powder selected from the group consisting of titanium hydride (TiH 2 ) powder and zirconium hydride (ZrH 2 ) powder.
  • the active metal brazing material preferably contains 40% by weight or more and 80% by weight or less of silver powder. Since the active metal brazing material contains only a small amount of silver powder in this way, the silver constituting the silver powder can be diffused to the copper plates 111A and 113A in the step S103 described below to eliminate the silver from the bonding layers 112B and 114B. It will be easier.
  • the active metal brazing material preferably consists of a powder having an average particle size of 0.1 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less.
  • the average particle size can be obtained by measuring the particle size distribution with a commercially available laser diffraction type particle size distribution measuring device and calculating D50 from the measured particle size distribution. Since the active metal brazing material is composed of a powder having such a small average particle size, the brazing material layers 132 and 134 can be thinned.
  • the brazing filler metal layers 132 and 134 preferably have a thickness of 0.1 ⁇ m or more and 5 ⁇ m or less. Since the brazing filler metal layers 132 and 134 have such a small thickness, the amount of silver powder contained in the brazing filler metal layers 132 and 134 is reduced, and the silver constituting the silver powder in the step S103 described below is formed on the copper plate 111A. And 113A makes it easy to eliminate silver from the bonding layers 112B and 114B.
  • step S102 as shown in FIG. 5, copper plates 111A and 113A are arranged on the brazing material layers 132 and 134 formed, respectively.
  • an intermediate product 100A including the silicon nitride ceramic substrate 110, the copper plate 111A, the brazing material layer 132, the copper plate 113A, and the brazing material layer 134 can be obtained.
  • the arrangement of the copper plate 111A is omitted.
  • the arrangement of the copper plate 113A is omitted.
  • step S103 the obtained intermediate product 100A is heat-treated.
  • the brazing filler metal layers 132 and 134 are changed to the bonding layers 112B and 114B, respectively, as shown in FIG.
  • an intermediate product 100B including a silicon nitride ceramic substrate 110, a copper plate 111A, and bonding layers 112B and 114B can be obtained.
  • the bonding layers 112B and 114B bond the copper plates 111A and 113A to the silicon nitride ceramic substrate 110, respectively.
  • the bonding layers 112B and 114B are composed of a compound of at least one element selected from the group consisting of titanium and zirconium and at least one element selected from the group consisting of nitrogen and silicon, and contain silver. Absent. At least one element selected from the group consisting of nitrogen and silicon is supplied from the silicon nitride ceramic substrate 110.
  • step S103 preferably, hot pressing is performed on the intermediate product 100A.
  • hot pressing it is desirable that the intermediate product 100A is in the thickness direction of the silicon nitride ceramic substrate 110 according to the surface pressure profile in which the maximum surface pressure is 5 MPa or more and 25 MPa or less in vacuum or an inert gas. Is pressurized and heated according to a temperature profile with a maximum temperature of 800 ° C. or higher and 900 ° C. or lower.
  • the copper plates 111A and 113A are made of silicon nitride without forming voids. It can be bonded to the ceramic substrate 110. Further, since the brazing filler metal layers 132 and 134 can be thinned without forming voids, the amount of silver contained in the brazing filler metal layers 132 and 134 can be reduced, and silver is diffused to the copper plates 111A and 113A to form a bonding layer. It becomes easy to eliminate silver from 112B and 114B.
  • the shape of the particles constituting the active metal brazing material is changed to a layered shape, and silver or the like is diffused into the copper plates 111A and 113A, so that the bonding layers 112B and 114B are substantially 0.1 ⁇ m or more and 3 ⁇ m or less. Will have a uniform thickness of.
  • step S104 the copper plate 111A, the bonding layer 112B, the copper plate 113A, and the bonding layer 114B are patterned.
  • the copper plates 111A and 113A are changed to the patterned copper plates 111 and 113 shown in FIG. 1, respectively.
  • the bonding layers 112B and 114B are changed to the patterned bonding layers 112 and 114 shown in FIG. 1, respectively.
  • FIG. 7 is a flowchart showing the flow of patterning of the copper plate and the bonding layer in the production of the bonding substrate of the first embodiment.
  • 8 and 9 are cross-sectional views schematically illustrating an intermediate product obtained in the process of patterning a copper plate and a bonding layer in the production of the bonding substrate of the first embodiment.
  • the steps S111 to S113 shown in FIG. 7 are sequentially executed.
  • step S111 the copper plates 111A and 113A are etched. As a result, a part of the copper plates 111A and 113A is removed, and as shown in FIG. 8, the copper plates 111A and 113A are changed to the etched copper plates 111C and 113C, respectively. Further, in the bonding layer 112B, a first portion 140 between the silicon nitride ceramic substrate 110 and the etched copper plate 111C and a second portion not between the silicon nitride ceramic substrate 110 and the etched copper plate 111C are formed. 141 is formed.
  • a first portion 142 between the silicon nitride ceramics substrate 110 and the etched copper plate 113C and a second portion not between the silicon nitride ceramics substrate 110 and the etched copper plate 113C are formed.
  • An etching solution such as an iron chloride aqueous solution system or a copper chloride aqueous solution system can be used for etching the copper plates 111A and 113A.
  • step S112 as shown in FIG. 9, the formed second portions 141 and 143 are etched. As a result, the second portions 141 and 143 are removed, leaving the first portions 140 and 142. The remaining first portions 140 and 142 become the bonding layers 120 and 122, respectively.
  • An etching solution such as an aqueous ammonium fluoride solution can be used for etching the second portions 141 and 143.
  • step S113 the etched copper plates 111C and 113C are soft-etched. As a result, the vicinity of the end portions of the etched copper plates 111C and 113C is removed. Further, the etched copper plates 111C and 113C are changed to the patterned copper plates 111 and 113 shown in FIG. 1, respectively. Further, the interplate portions 120 and 122 shown in FIG. 1 are formed on the etched joint layers 140 and 142, respectively, and the protruding portions 121 and 123 shown in FIG. 1 are formed, respectively.
  • an etching solution such as an iron chloride aqueous solution system or a copper chloride aqueous solution system can be used.
  • the bonding layer 112B and the bonding layer 114B do not contain silver and copper which are easily removed by the etching solution. Therefore, in the steps S111, S112, and S113 described above, the decrease in flatness caused by the removal of silver or copper is unlikely to occur.
  • the bonded substrate 100 was produced by the method for manufacturing the bonded substrate 100 described above. Further, in Comparative Example 1, an active metal brazing material containing a large amount of silver and copper was used, the thicknesses of the brazing material layers 132 and 134 were set to 15 ⁇ m, and the surface pressure at which the maximum surface pressure was 0.2 MPa.
  • the bonded substrate 100 was manufactured by the same manufacturing method as the bonded substrate 100 described above except that the intermediate product 100A was pressed in the thickness direction of the silicon nitride ceramic substrate 110 according to the profile. .. In Examples 1, 2 and 3, and Comparative Example 1, the width of the gap between the adjacent protruding portions 121 was set to 1 mm.
  • the cross section of the intermediate product 100B obtained in the process of producing the bonded substrate 100 in Example 1 was observed with an electron microscope (SEM).
  • SEM electron microscope
  • Example 1 Further, the cross section of the bonded substrate 100 produced in Example 1 was observed by SEM.
  • the SEM image obtained by observation is shown in FIG. From the SEM image, it can be understood that the flatness of the upper surface 121U of the protruding portion 121 caused by the removal of silver or copper is unlikely to decrease.
  • the surface roughness of the upper surface 121U of the protruding portion 121 of the produced bonded substrate 100 and the main surface 1101 of the silicon nitride ceramic substrate 110 was evaluated.
  • the surface profiles of the upper surface 121U and the main surface 1101 were measured by the surface roughness meter Surfcom 480A manufactured by Tokyo Seimitsu Co., Ltd., and the arithmetic average roughness Ra and the maximum height of the upper surface 121U and the main surface 1101 were measured. Rz was obtained. The results are shown in Table 1.
  • the electrical insulation of the produced bonded substrate 100 was evaluated.
  • a test was conducted in which the produced bonded substrate 100 was applied between adjacent copper plates 111 at a voltage of 1 kV for 1000 hours in an environment of 85 ° C. and 85% RH, and the electrical insulation after the test was improved. It was confirmed whether or not it was deteriorated from that before the test. The results are shown in Table 1.
  • the surface roughness of the upper surface 121U of the protruding portion 121 of the bonded substrate 100 of Examples 1, 2 and 3 is significantly smaller than that of Comparative Example 1. Further, the surface roughness of the upper surface 121U of the protruding portion 121 of the bonding substrate 100 of Examples 1, 2 and 3 is the surface roughness of the main surface 1101 of the silicon nitride ceramic substrate 110 of the bonding substrate 100 of Examples 1, 2 and 3, respectively. Close to roughness. This means that since the protruding portion 121 has a uniform thickness, the flatness of the main surface 1101 of the silicon nitride ceramic substrate 110 is reflected in the flatness of the upper surface 121U of the protruding portion 121 almost as it is.
  • the electrical insulation after the test is deteriorated as compared with that before the test, but in the bonded substrate 100 of Examples 1, 2 and 3, the electrical insulation after the test is performed.
  • the sex is not worse than that before the test. From these facts, it can be understood that according to the bonding substrate 100 of Examples 1, 2 and 3, the electrical insulation between adjacent copper plates 111 is improved.

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Abstract

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、隣接する銅板の間の電気絶縁性を向上する。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。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、銅板を窒化ケイ素セラミックス基板に接合する。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すはみ出し部を備える。はみ出し部は、窒化ケイ素セラミックス基板を露出させないように窒化ケイ素セラミックス基板を覆う。

Description

接合基板
　本発明は、接合基板に関する。
　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）。ろう材はみ出し部は、高い平坦性を有さず、セラミックス基板が露出する孔を有する（図７）。
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、接合層のはみ出し部を備える従来の接合基板においては、隣接する銅板の間の電気絶縁性が良好ではない場合がある。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、隣接する銅板の間の電気絶縁性が劣化する場合がある。
　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、隣接する銅板の間の電気絶縁性を向上することができる接合基板を提供することである。
　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。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、銅板を窒化ケイ素セラミックス基板に接合する。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すはみ出し部を備える。はみ出し部は、窒化ケイ素セラミックス基板を露出させないように窒化ケイ素セラミックス基板を覆う。
　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、はみ出し部上に電気絶縁性の低下の原因となる薬液残渣が残りにくい。これにより、接合基板の電気絶縁性を向上することができる。
　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。
第１実施形態の接合基板を模式的に図示する断面図である。 第１実施形態の接合基板の一部を模式的に図示する拡大断面図である。 第１実施形態の接合基板の製造の流れを示すフローチャートである。 第１実施形態の接合基板の製造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。 第１実施形態の接合基板の製造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。 第１実施形態の接合基板の製造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。 第１実施形態の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。 第１実施形態の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図示する断面図である。 第１実施形態の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図示する断面図である。 実施例１において接合基板を作製する途上で得られた中間品の断面の電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を図示する図である。 実施例１において作製された接合基板の断面のＳＥＭ画像を図示する図である。
　１　電気絶縁性の低下の原因
　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接合基板に備えられるはみ出し部は、銀及び銅を含む。また、当該はみ出し部に含まれる銀及び銅は、接合基板を製造する途上で、特に接合基板を製造する途上で行われるエッチング中に除去されやすい。このため、当該はみ出し部は、高い平坦性を有しない。そして、当該はみ出し部が高い平坦性を有しない場合は、当該はみ出し部上に電気絶縁性の低下の原因となる薬液残渣が残りやすい。これが、従来の接合基板において電気絶縁性が低下する大きな原因である。薬液残渣の原因となる薬液は、銅板及び接合層をエッチングするために使用される薬液、銅板の表面を酸洗浄によりクリーニングするために使用される薬液等である。薬液残渣は、薬液に含まれる塩酸、硫酸等からなる。はみ出し部上に薬液残渣が残った場合は、はみ出し部に含まれる銀、銅等、又ははみ出し部に含まれる銀、銅等を含む合金がイオンマイグレーションを引き起こすことがある。特に、８５℃８５％ＲＨ等の高温高湿環境下で隣接するはみ出し部の間に数ｋＶ／ｍｍの直流電界又は交流電界が印加された場合は、この問題が顕著にあらわれる。
　２　接合基板
　図１は、第１実施形態の接合基板を模式的に図示する断面図である。図２は、第１実施形態の接合基板の一部を模式的に図示する拡大断面図である。図２は、図１の一部Ａを拡大して図示する。
　第１実施形態の接合基板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。
　３　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。
　４　はみ出し部の平坦性
　はみ出し部１２１及び１２３は、それぞれ、窒化ケイ素セラミックス基板１１０の主面１１０１及び１１０２を露出させないように主面１１０１及び１１０２を覆う。このため、はみ出し部１２１及び１２３は、特許第６１５８１４４号公報に記載されたセラミックス回路基板に備えられるろう材はみ出し部と異なり、窒化ケイ素セラミックス基板１１０が露出する孔を有しない。
　はみ出し部１２１の上面１２１Ｕ及びはみ出し部１２３の上面１２３Ｕは、望ましくは０．７μｍ以下の算術平均粗さＲａを有し、５μｍ以下の最大高さＲｚを有する。
　はみ出し部１２１及び１２３は、このように高い平坦性を有する。このため、はみ出し部１２１及び１２３上には、電気絶縁性の低下の原因となる薬液残渣が残りにくい。これにより、接合基板１００の電気絶縁性を向上することができる。
　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、接合層に一般的に含まれる銀（Ａｇ）及び銅（Ｃｕ）を含まない。このため、はみ出し部１２１及び１２３も、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を含むが、接合層に一般的に含まれる銀及び銅を含まない。これにより、接合基板１００を製造する途上で、特に接合基板１００を製造する途上で行われるエッチング中に除去されやすい銀及び銅が接合層１１２及び１１４に含まれず、接合基板１００を製造する途上で接合層１１２及び１１４の平坦性が低下することを抑制することができる。
　５　接合基板の製造方法
　図３は、第１実施形態の接合基板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、第１実施形態の接合基板の製造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。
　第１実施形態の接合基板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）粉末、並びに水素化チタン（ＴｉＨ２）粉末及び水素化ジルコニウム（ＺｒＨ２）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。
　活性金属ろう材は、望ましくは４０重量％以上８０重量％以下の銀粉末を含む。活性金属ろう材がこのようにわずかな銀粉末しか含まないことにより、下述する工程Ｓ１０３において銀粉末を構成する銀を銅板１１１Ａ及び１１３Ａに拡散させ接合層１１２Ｂ及び１１４Ｂから銀を消失させ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に含まれる銀粉末が少なくなり、下述する工程Ｓ１０３において銀粉末を構成する銀を銅板１１１Ａ及び１１３Ａに拡散させ接合層１１２Ｂ及び１１４Ｂから銀を消失させ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が熱処理される。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。これにより、窒化ケイ素セラミックス基板１１０、銅板１１１Ａ、接合層１１２Ｂ及び１１４Ｂを備える中間品１００Ｂが得られる。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がそれぞれ接合層１１２Ｂ及び１１４Ｂに変化する間には、ろう材層１３２及び１３４に含まれる銀粉末を構成する銀がそれぞれ銅板１１１Ａ及び１１３Ａに拡散し、接合層１１２Ｂ及び１１４Ｂから銀が消失する。このため、接合層１１２Ｂ及び１１４Ｂ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からなり、銀を含まない。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に対してホットプレスが行われる。ホットプレスが行われる際には、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。これにより、ろう材層１３２及び１３４が０．１μｍ以上５μｍ以下の厚さを有する場合のようなろう材層１３２及び１３４が薄い場合においても、ボイドを形成することなく銅板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、ボイドを形成することなくろう材層１３２及び１３４を薄くすることができるため、ろう材層１３２及び１３４に含まれる銀を少なくすることができ、銀を銅板１１１Ａ及び１１３Ａに拡散させ接合層１１２Ｂ及び１１４Ｂから銀を消失させ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以下の均一な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、第１実施形態の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。図８及び図９は、第１実施形態の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図示する断面図である。
　第１実施形態の接合基板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、図８に図示されるように、銅板１１１Ａ及び１１３Ａが、それぞれエッチングされた銅板１１１Ｃ及び１１３Ｃに変化する。また、接合層１１２Ｂに、窒化ケイ素セラミックス基板１１０とエッチングされた銅板１１１Ｃとの間にある第１の部分１４０、及び窒化ケイ素セラミックス基板１１０とエッチングされた銅板１１１Ｃとの間にない第２の部分１４１が形成される。また、接合層１１４Ｂに、窒化ケイ素セラミックス基板１１０とエッチングされた銅板１１３Ｃとの間にある第１の部分１４２、及び窒化ケイ素セラミックス基板１１０とエッチングされた銅板１１３Ｃとの間にない第２の部分１４３が形成される。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、図９に図示されるように、形成された第２の部分１４１及び１４３がエッチングされる。これにより、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は、それぞれ接合層１２０及び１２２となる。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Ｓ１１３においては、エッチングされた銅板１１１Ｃ及び１１３Ｃが、ソフトエッチングされる。これにより、エッチングされた銅板１１１Ｃ及び１１３Ｃの端部の付近が除去される。また、エッチングされた銅板１１１Ｃ及び１１３Ｃが、それぞれ図１に図示されるパターニングされた銅板１１１及び１１３に変化する。また、エッチングされた接合層１４０及び１４２に、それぞれ図１に図示される板間部１２０及び１２２が形成され、それぞれ図１に図示されるはみ出し部１２１及び１２３が形成される。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。
　上述したように、接合層１１２Ｂ及び接合層１１４Ｂは、エッチング液により容易に除去される銀及び銅を含まない。このため、上述した工程Ｓ１１１、Ｓ１１２及びＳ１１３においては、銀又は銅が除去されることにより生じる平坦性の低下が起こりにくい。
　７　実施例
　実施例１、２及び３においては、上述した接合基板１００の製造方法により、接合基板１００を作製した。また、比較例１においては、銀及び銅を多く含む活性金属ろう材を用いた点、ろう材層１３２及び１３４の厚さを１５μｍとした点、並びに最高面圧が０．２ＭＰａ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の厚さ方向に中間品１００Ａが加圧された点を除いて上述した接合基板１００の製造方法と同様の接合基板１００の製造方法により、接合基板１００を作製した。実施例１、２及び３、並びに比較例１においては、隣接するはみ出し部１２１の間の間隙の幅を１ｍｍとした。
　また、実施例１において接合基板１００を作製する途上で得られた中間品１００Ｂの断面を電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した。観察により得られたＳＥＭ画像を図１０に示す。当該ＳＥＭ画像からは、接合層１１２Ｂが均一な厚さを有し、接合層１１２Ｂに含まれる銀が少なくなっていることを理解することができる。
　また、実施例１において作製された接合基板１００の断面をＳＥＭで観察した。観察により得られたＳＥＭ画像を図１１に示す。当該ＳＥＭ画像からは、銀又は銅が除去されることにより生じるはみ出し部１２１の上面１２１Ｕの平坦性の低下が起こりにくいことを理解することができる。
　また、作製した接合基板１００のはみ出し部１２１の上面１２１Ｕ及び窒化ケイ素セラミックス基板１１０の主面１１０１の表面粗さを評価した。表面粗さの評価においては、上面１２１Ｕ及び主面１１０１の表面プロファイルを株式会社東京精密製の表面粗さ計サーフコム 480Aで測定し、上面１２１Ｕ及び主面１１０１の算術平均粗さＲａ及び最大高さＲｚを得た。その結果を表１に示す。
　また、作製した接合基板１００の電気絶縁性を評価した。電気絶縁性の評価においては、作製した接合基板１００を８５℃８５％ＲＨの環境下において１０００時間にわたって１ｋＶの電圧を隣接する銅板１１１の間に印加する試験を行い、試験後の電気絶縁性が試験前のそれよりも劣化しているか否かを確認した。その結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１から理解されるように、実施例１、２及び３の接合基板１００のはみ出し部１２１の上面１２１Ｕの表面粗さは、比較例１のそれより著しく小さい。また、実施例１、２及び３の接合基板１００のはみ出し部１２１の上面１２１Ｕの表面粗さは、それぞれ実施例１、２及び３の接合基板１００の窒化ケイ素セラミックス基板１１０の主面１１０１の表面粗さに近い。このことは、はみ出し部１２１が均一な厚さを有するため、窒化ケイ素セラミックス基板１１０の主面１１０１の平坦性がほぼそのままはみ出し部１２１の上面１２１Ｕの平坦性に反映されていることを意味する。また、比較例１の接合基板１００においては、試験後の電気絶縁性が試験前のそれよりも劣化しているが、実施例１、２及び３の接合基板１００においては、試験後の電気絶縁性が試験前のそれよりも劣化していない。これらのことから、実施例１、２及び３の接合基板１００によれば、隣接する銅板１１１の間の電気絶縁性が向上することを理解することができる。
　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 (3)

  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し、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すはみ出し部を備え、前記はみ出し部が前記窒化ケイ素セラミックス基板を露出させないように前記窒化ケイ素セラミックス基板を覆う接合層と、
    を備える接合基板。
  2. 　前記接合層の上面は、０．７μｍ以下の算術平均粗さＲａを有し、５μｍ以下の最大高さＲｚを有する
    請求項１の接合基板。
  3. 　前記はみ出し部は、銀及び銅を含まない
    請求項１又は２の接合基板。
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