特許 6307386 セラミックス回路基板

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6307386

(24)【登録日】2018年3月16日

(45)【発行日】2018年4月4日

(54)【発明の名称】セラミックス回路基板

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/13 20060101AFI20180326BHJP

   H01L 23/12 20060101ALI20180326BHJP

   H01L 23/36 20060101ALI20180326BHJP

   C04B 37/02 20060101ALI20180326BHJP

   B23K 1/00 20060101ALI20180326BHJP

   B23K 1/19 20060101ALI20180326BHJP

   H05K 3/00 20060101ALI20180326BHJP

   B23K 35/30 20060101ALI20180326BHJP

   C22C 5/08 20060101ALI20180326BHJP

   B23K 101/42 20060101ALN20180326BHJP

【ＦＩ】

   H01L23/12 C

   H01L23/12 J

   H01L23/36 C

   C04B37/02 B

   B23K1/00 330E

   B23K1/19 B

   H05K3/00 R

   B23K35/30 310B

   C22C5/08

   B23K101:42

【請求項の数】1

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2014-167329(P2014-167329)

(22)【出願日】2014年8月20日

(65)【公開番号】特開2016-46289(P2016-46289A)

(43)【公開日】2016年4月4日

【審査請求日】2017年6月5日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003296

【氏名又は名称】デンカ株式会社

(72)【発明者】

【氏名】宮田 浩司

(72)【発明者】

【氏名】青野 良太

(72)【発明者】

【氏名】宮川 健志

【審査官】 多賀 和宏

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０９−２８３６５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１１８３１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２０８０１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−２５１０７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−１２８６５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１３／０９４２１３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２００８／００４５５２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平１０−１９４８６０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ １／００−３／０８

Ｂ２３Ｋ ３１／０２

Ｂ２３Ｋ ３３／００

Ｂ２３Ｋ ３５／１４

Ｂ２３Ｋ ３５／２２

Ｂ２３Ｋ ３５／２６

Ｂ２３Ｋ ３５／２８

Ｂ２３Ｋ ３５／３０

Ｂ２３Ｋ ３５／３２

Ｂ２３Ｋ ３５／３４

Ｂ２３Ｋ ３５／３６３

Ｂ２３Ｋ ３５／４０

Ｃ０４Ｂ ３７／００−３７／０４

Ｃ２２Ｃ ５／００−２５／００

Ｃ２２Ｃ ２７／００−２８／００

Ｃ２２Ｃ ３０／００−３０／０６

Ｃ２２Ｃ ３５／００−４５／１０

Ｈ０１Ｌ ２３／１２−２３／１５

Ｈ０１Ｌ ２３／２９

Ｈ０１Ｌ ２３／３４−２３／３６

Ｈ０１Ｌ ２３／３７３−２３／４２７

Ｈ０１Ｌ ２３／４４

Ｈ０１Ｌ ２３／４６７−２３／４７３

Ｈ０５Ｋ ３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

窒化アルミニウム基板の両主面と金属板が、銀−銅系ろう材層を介して接合されたセラミックス回路基板であって、銀−銅系ろう材層の構成が銀粉末７５〜９８質量部、銅粉末２５〜２質量部の合計１００質量部に対して、黒鉛（グラファイト）粉末の含有量が６．０〜１２．０質量部、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、バナジウム、錫から選択される少なくとも一種の活性金属の含有量が０．５〜１０質量部であり、上記黒鉛粉末の比表面積が、５〜１００ｍ^２／ｇであることを特徴とするセラミックス回路基板。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、高熱伝導を有する窒化アルミニウム基板について、超音波接合時に発生する力学的応力に耐え、接合強度および優れた耐熱サイクル特性を兼ね備えたセラミックス回路基板に関する。

【背景技術】

【0002】

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、窒化アルミニウム、アルミナ、ベリリア、窒化ケイ素、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。

【0003】

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回路基板として好適である。

【0004】

ここで、窒化アルミニウム基板は、高い熱伝導率を有していることから、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されている。また、昨今の窒化アルミニウム基板と端子との接続については、半田を用いないことから熱抵抗の減少、また環境負荷の改善が期待される。

【0005】

このため、電子部品搭載用のセラミックス基板としては、高い熱伝導率を有している窒化アルミニウム基板が注目されている。

【0006】

窒化アルミニウム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。

【0007】

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、銀−銅−チタン系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。

【0008】

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。

【0009】

一方、車載用半導体モジュール等においては、高出力化、高集積化が進行し、セラミックス回路基板に繰り返し掛かる熱ストレスが、より増大する傾向にある。さらに、回路上に端子を接合する技術については、超音波接合が使用されており、超音波接合時の力学的応力により、窒化アルミニウム基板にクラックが発生する問題も懸念される。この熱ストレスおよび力学的ストレスより、セラミックス基板に微小クラックが発生する。この微小クラックが発生したまま熱負荷サイクルがかかり続けた場合、金属板がセラミックス基板から剥がれてしまい、接合強度不良または熱抵抗不良を招き、電子機器としての動作信頼性が低下してしまう等の問題を有する。このようなことから、熱ストレス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。

【0010】

特許文献１には、セラミックス回路基板の耐熱サイクル特性向上を目的とし、セラミックス基板と金属板とを接合するろう材にカーボン粉末を含有させることが効果的であると記載されている。また、特許文献２については、具体的に窒化珪素の基板について、具体的な効果が確認されている。しかし、これらのセラミックス回路基板については、熱伝導率が窒化アルミニウム基板に及ばないため、放熱性向上に向けた窒化アルミニウム基板への応用が必要となる。しかし、窒化アルミニウム基板については、上記の窒化珪素基板と比較すると、強度面で劣る傾向がある。そこで、窒化アルミニウムと回路との接合について黒鉛粉末をろう材に添加することで、超音波接合時の対クラック性向上に顕著な効果が見られることが確認できた。よって、窒化アルミニウム基板について、黒鉛粉末をろう材に添加することで、熱サイクル性のみならず回路化後の機械特性についても効果を発現するこが確認できた。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【特許文献1】特開平９−２８３６５６

【特許文献2】特開２０１４−１１８３１０

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

しかしながら、近年の車載用半導体モジュール等においては、更なる高出力化、高集積化が急速に進み、セラミックス回路基板には、放熱性向上を目的とした厚い金属板と熱抵抗低減を目的とした薄いセラミックス基板から成る構成が求められている。金属板が厚い場合、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ストレスが一層厳しくなるため、熱サイクルが付加された際に、セラミックス基板に微小クラックが発生し易くなる。

【0013】

更に、熱サイクル特性を評価するヒートサイクル評価は、一般的に−４０℃から１２５℃の温度幅であるが、今後、次世代パワーデバイスとして期待されるＳｉＣやＧａＮといったワイドバンドギャップ半導体を搭載したデバイスでは、動作温度が高くなるため、熱ストレスは高くなる一方である。

【0014】

このような問題は、セラミックス基板を窒化ケイ素基板とした場合や、特許文献１に開示されたろう材層中にカーボン粉末を含有させたセラミックス回路基板においても、満足といえない状態である。

【0015】

更に、ろう材中に含有するカーボン粉末は、同じ炭素原子から成る炭素成分間である黒鉛（グラファイト）粉末やダイヤモンド粉末などの中でも低い熱伝導率を有することから、セラミックス回路基板の放熱性を阻害する可能性があり好ましくない。

【0016】

本発明は、上記課題に鑑み、高い接合強度と優れた耐熱サイクル性を有し、電子機器としての動作信頼性を向上させるとともに、放熱性に優れたセラミックス回路基板を得ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0017】

本発明者は、上記の目的を達成するために鋭意検討した結果、セラミックス基板と金属板とを接合するろう材の熱膨張率をセラミックス基板に近づけることで、セラミックス回路基板の機械特性として、超音波接合時の対クラック性および熱サイクル特性が向上できるとの知見を得たものである。更に、ろう材中に含有する炭素成分を黒鉛（グラファイト）粉末とすることで放熱性に優れるセラミックス回路基板を得るとの知見を得て本発明を完成した。

【0018】

即ち、本発明は、窒化アルミニウム基板の両主面と金属板が、銀−銅系ろう材層を介して接合されたセラミックス回路基板であって、銀−銅系ろう材層の構成が銀粉末７５〜９８質量部、銅粉末２〜２５質量部の合計１００質量部に対して、黒鉛（グラファイト）粉末の含有量が６．０〜１２．０質量部、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、バナジウム、錫から選択される少なくとも一種の活性金属の含有量が０．５〜１０質量部であり、上記黒鉛粉末の比表面積が、５〜１００ｍ^２／ｇであることを特徴とするセラミックス回路基板。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、高い接合性を有し、更に、−４０℃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％未満の窒化アルミニウム回路基板を製造することが可能である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

本発明の窒化アルミニウム基板の厚みは特に限定されないが、０．１〜３．０ｍｍ程度のものが一般的であり、特に、回路基板全体の熱抵抗率低減を考慮すると、１．２ｍｍ以下が好ましく、より好ましくは０．４ｍｍ以下である。

【0021】

本発明の金属板に使用する金属は、銅、アルミニウム、鉄、ニッケル、クロム、銀、モリブテン、コバルトの単体またはその合金など、活性金属法を適用できる金属であれば特に限定は無いが、特に導電性、放熱性の観点から銅が好ましい。

【0022】

本発明の銅板の純度は、９０％以上であることが好ましく、純度が９０％より低い場合、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ったり、銅板が硬くなり回路基板の信頼性が低下する場合がある。

【0023】

本発明の銅板の厚みは特に限定されないが、０．１〜１．５ｍｍ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。

【0024】

本発明のろう材は、ろう材層中に黒鉛（グラファイト）粉末と、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、バナジウム、錫から選択される少なくとも一種の活性金属を含有する銀−銅系ろう材で構成される。銀−銅系ろう材の組成比は、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銅の溶け込みを考慮した組成（銀粉末と銅粉末の合計１００質量部において、銀粉末が７５〜９８質量部、銅粉末が２〜２５質量部）が好適である。銀粉末の量が７５〜９８質量部以外の場合、ろう材の融解温度が上昇するため、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し易い。

【0025】

本発明のろう材層中に含有する黒鉛（グラファイト）粉末の量は、銀粉末が７５〜９８質量部、銅粉末が２〜２５質量部の合計１００質量部に対して、６．０〜１２．０質量部が好ましい。黒鉛（グラファイト）粉末の含有量が６．０質量部未満の場合は、ろう材の熱膨張率の低下が小さく、回路基板の熱サイクル特性改善への寄与が小さい。一方、１２．０質量部より大きい場合は、セラミックス基板と金属板の接合強度が低下し好ましくない。

【0026】

また、使用する黒鉛（グラファイト）粉末の比表面積は、５〜１００ｍ^２／ｇであることが好ましい。黒鉛（グラファイト）粉末の比表面積が５ｍ^２／ｇ未満の場合は、ろう材ペースト中に均一に分散させることが困難となる。一方、比表面積が１００ｍ^２／ｇを超える場合は、活性金属との反応性が高くなり、炭化物を形成し易くなるため、接合強度が低下する可能性がある。

【0027】

本発明の黒鉛粉末の種類は、コークス系炭素を黒鉛化した人造黒鉛粉末または天然黒鉛粉末であれば良い。また、黒鉛（グラファイト）粉末、有機結合剤や有機溶媒中に含有される炭素成分、カーボン粉末、ダイヤモンドなど同じ炭素原子から成る炭素成分間においても、その物理化学的挙動や機械的性質は全く異なることは周知の事実であるが、例えば、カーボン粉末は熱伝導率が低いため、セラミックス回路基板の放熱性を阻害する可能性があり好ましくない。更には耐熱サイクル特性が低下することがあり好ましくない。また、ダイヤモンド粉末においては、熱伝導率は優れるもののコスト高となり好ましくない。

【0028】

本発明のろう材層中に含有する活性金属の量は、銀粉末が７２質量部以上、銅粉末が２８質量部以下の合計１００質量部に対して、０．５〜１０質量部が好ましい。活性金属の含有量が０．５質量部未満の場合は、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い。一方、活性金属の含有量が１０質量部を超えると、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。なお、活性金属は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、バナジウム、錫などの金属から選択できるが、これらの中でもチタンが好適である。

【0029】

本発明のろう材の厚みは、乾燥基準で５〜４０μｍ が好ましい。ろう材厚みが５μｍ未満では未反応の部分が生じる場合があり、一方、４０μｍを超えると、接合層を除去する時間が長くなり生産性が低下する場合がある。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。

【0030】

セラミックス基板と金属板の接合は、真空中にて８００℃〜８５０℃の温度且つ１０〜６０分の時間で接合することが好ましい。接合温度が８００℃より低い場合、または、接合時間が１０分より短い場合、セラミックス基板とろう材の接合性が低下する。一方、接合温度が８５０℃より高い場合、または、接合時間が６０分より長い場合、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し易い。

【0031】

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なく、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。

【0032】

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的である。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。

【実施例】

【0033】

［実施例１］
厚み１．００ｍｍの窒化アルミニウム基板に、銀粉末（福田金属箔粉工業（株）製：ＡｇＣ−ＢＯ）９０質量部および銅粉末（福田金属箔粉工業（株）製：ＳＲＣ−Ｃｕ−２０）１０質量部の合計１００質量部に対して、比表面積が２０ｍ^２／ｇの黒鉛（グラファイト）粉末（ＳＥＣカーボン（株）製：ＳＧＰ−５）を７．０質量部、チタン（（株）大阪チタニウムテクノロジーズ製：ＴＳＨ−３５０）を３．５質量部含む活性金属ろう材を１３ｍｇ／ｃｍ^２塗布し、回路面に厚み０．４０ｍｍ、裏面に０．４０ｍｍの無酸素銅板を真空条件にて８３０℃且つ２０分の条件で接合した。

【0034】

接合した回路基板を塩化銅を含むエッチング液でエッチングして回路を形成した。さらに、ろう材層をフッ化アンモニウム／過酸化水素エッチング液でエッチングし、窒化アルミニウム回路基板を作製した。

【0035】

銅板と窒化アルミニウム基板の接合性および回路基板の耐ヒートサイクル評価は下記の方法にて評価した。
＜銅板と窒化アルミニウム基板の接合性＞
銅板と窒化アルミニウム基板の接合性は、ピール強度測定により評価した。測定法は次の通りである。窒化アルミニウム基板に接合された銅回路パターンの一部である幅５ｍｍのパターンの端をペンチで引き剥がし、この接合基板を引張試験機の台に固定し、前記パターンの端をプル試験機のチャックに取り付けた。この時、窒化アルミニウム基板の表面と引き剥がされた前記銅回路パターンの角度が９０°（鉛直方向）になるように設置する。その後、引張試験機を作動させ、チャックを介して引き剥がされた前記パターンを上方に引っ張って移動させ、その時の最大引き剥がし荷重を測定した。その最大引き剥がし荷重を幅（０．５ｃｍ）で除して接合強度を算出した。結果を表１に示す。

【0036】

＜耐ヒートサイクル性の評価＞
作製した窒化アルミニウム回路基板を、−４０℃にて３０分、２５℃にて１０分、１５０℃にて３０分、２５℃にて１０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、窒化アルミニウム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。結果を表１に示す。
＜超音波接合時の対クラック性の評価＞
作製した窒化アルミニウム回路基板をモジュールと同様な構造とするため、窒化アルミニウム回路基板をヒートシンクに半田を用いて接合し、窒化アルミニウム回路基板に銅端子を振幅２５μｍ、荷重を０．３５ＭＰａにて設定し、過剰な接合評価を実施した。
接合した窒化アルミニウム回路基板のクラックの状態を確認するため、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、窒化アルミニウム基板に見られるクラックを目視にて確認した。

【0037】

［実施例２〜１７、比較例１〜１０］
表１、２に示す条件を変えたこと以外は、実施例１と同様に行った。また、表２の「接合不可」は、セラミックスと金属板が接着しない状態、「測定不可」はセラミックスと金属板の接合状態が非常に強く測定中に金属板が切れてしまう状態、「回路剥離」はヒートサイクル試験時に、金属とセラミックス熱膨張の相違から、回路の一部が剥離する状態を意味する。

【0038】

【表1】

【0039】

【表2】

【0040】

以上より、窒化アルミニウム板に銅板を接合する際に、銀粉末７５〜９８質量部および銅粉末２５〜２質量部の合計１００質量部に対して、比表面積が５〜１００ｍ^２／ｇの黒鉛粉末を６〜１２質量部、チタンを０．５〜１０質量部含む配合にて、８００℃〜８５０℃の温度且つ１０〜６０分の時間で接合することで、接合性を低下させることなく耐ヒートサイクルの評価でクラック率１％以下の回路基板が得られた。