特許 6883596 接合基板および接合基板の製造方法

(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】6883596

(24)【登録日】2021年5月12日

(45)【発行日】2021年6月9日

(54)【発明の名称】接合基板および接合基板の製造方法

(51)【国際特許分類】

   C04B 37/02 20060101AFI20210531BHJP

   H01L 23/36 20060101ALI20210531BHJP

   H05K 1/03 20060101ALI20210531BHJP

   H01L 23/12 20060101ALI20210531BHJP

   H05K 3/38 20060101ALI20210531BHJP

   B23K 1/00 20060101ALI20210531BHJP

   B23K 1/19 20060101ALI20210531BHJP

【ＦＩ】

   C04B37/02 B

   H01L23/36 C

   H05K1/03 610D

   H01L23/12 D

   H05K3/38 E

   B23K1/00 J

   B23K1/19 B

【請求項の数】4

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2019-20642(P2019-20642)

(22)【出願日】2019年2月7日

(62)【分割の表示】特願2017-535855(P2017-535855)の分割

【原出願日】2016年12月22日

(65)【公開番号】特開2019-104680(P2019-104680A)

(43)【公開日】2019年6月27日

【審査請求日】2019年12月3日

(31)【優先権主張番号】PCT/JP2015/086477

(32)【優先日】2015年12月28日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000004064

【氏名又は名称】日本碍子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088672

【弁理士】

【氏名又は名称】吉竹 英俊

(74)【代理人】

【識別番号】100088845

【弁理士】

【氏名又は名称】有田 貴弘

(72)【発明者】

【氏名】谷 信

(72)【発明者】

【氏名】粟倉 康崇

(72)【発明者】

【氏名】賀來 健

(72)【発明者】

【氏名】海老ヶ瀬 隆

【審査官】 小川 武

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０５−２０１７７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−１４５０３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−０６９７５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１９２４６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１１／１０８４９８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特許第５６３７９９２（ＪＰ，Ｂ２）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ０４Ｂ ３７／００−３７／０４

Ｂ２３Ｋ １／００，１／１９

Ｈ０１Ｌ ２３／１２，２３／３６

Ｈ０５Ｋ １／０３，３／３８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

窒化物セラミックス基板の一方もしくは両方の主面に銅板が接合されてなる接合基板を製造する方法であって、
前記窒化物セラミックス基板の一方もしくは両方の主面に、ＡｇとＴｉとを含むろう材を塗布する塗布工程と、
前記窒化物セラミックス基板の前記ろう材の被塗布面に対して前記銅板を重ね合わせた状態で、前記窒化物セラミックス基板と前記銅板とを真空もしくはＡｒ雰囲気下で８５０℃〜１０００℃の接合温度かつ５ＭＰａ〜２５ＭＰａの接合圧力で加熱加圧し、０．１μｍ〜５μｍの範囲で場所により厚みが異なる接合層を形成する接合工程と、
を備えることを特徴とする、接合基板の製造方法。

【請求項2】

窒化物セラミックス基板の一方もしくは両方の主面に銅板が接合されてなる接合基板であって、
ＴｉＮを主成分としかつＡｇ−Ｃｕ層を含まない接合層が前記窒化物セラミックス基板と前記銅板との間に介在するとともに少なくとも前記銅板と直接に接しており、
前記銅板内に、Ａｇ原子が拡散してなり、前記Ａｇ原子の存在比率が１５ａｔ％以下であるＡｇ拡散領域が存在する、
ことを特徴とする接合基板。

【請求項3】

請求項２に記載の接合基板であって、
前記接合層と前記銅板との界面に、Ａｇの存在比率が６０ａｔ％を超え１００ａｔ％以下である、ＡｇリッチなＡｇ−Ｃｕ合金相またはＡｇ金属相であるＡｇリッチ相が、離散的に存在する、
ことを特徴とする接合基板。

【請求項4】

請求項２または請求項３に記載の接合基板であって、
前記Ａｇ拡散領域が、前記銅板内において少なくとも前記接合層との界面近傍に存在する、
ことを特徴とする接合基板。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、パワー半導体が実装される基板に関し、特に、ろう材を用いて銅板がセラミックス基板に接合される接合基板に関する。

【背景技術】

【0002】

ＨＥＶ／ＥＶや電車等の電力制御にパワー半導体モジュールが使用されている。パワー半導体モジュールは、例えばスイッチング素子、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴなどのパワー半導体を実装するための電気回路及び絶縁放熱基板、冷却部材、筺体で構成される。パワー半導体モジュールは、大電力制御を行うため高発熱であり、また、冷熱サイクル環境下で使用される。それゆえ、パワー半導体を実装する絶縁放熱基板には、電気絶縁性、放熱性に加え、冷熱サイクルに対する信頼性（耐久性）が要求される。

【0003】

従来、絶縁放熱基板としては、アルミナ基板、窒化アルミニウム基板、窒化珪素基板などに薄銅板を直接接合したＤＣＢ基板が広く知られている。また、拡散接合法によって窒化珪素基板と銅板とを接合する態様も、すでに公知である（例えば、非特許文献１参照）。

【0004】

また、アルミナ基板、窒化アルミニウム基板、あるいは窒化珪素基板などのセラミックス基板と薄銅板とを、活性金属を含むロウ材（接合材）を用いて形成される接合層を介して接合してなるＡＭＢ基板も、絶縁放熱基板として広く知られている。ＡＭＢ基板としては、接合層の形成に際しＡｇを含むろう材を用いるもの（例えば、特許文献１および特許文献２参照）、および、Ａｇを含まないろう材を用いるもの（例えば、特許文献３および特許文献４参照）が、いずれも公知である。

【0005】

また、ろう材による絶縁基板と金属板（回路基板）との接合の手法として、加熱加圧接合がすでに公知である（例えば、特許文献５ないし特許文献９参照）。

【0006】

近年、パワー半導体モジュールに対しては、出力密度の向上や小型化が要求されるようになってきている。係る要求を受けて、パワー半導体モジュールに用いる絶縁放熱基板については、放熱性と小型化とを両立させる目的で、銅板を厚板化することが検討されている。

【0007】

しかし、厚銅板を用いる場合、銅とセラミックスとの熱膨張差に起因して銅板とセラミックス基板との接合端部に発生する熱応力が大きくなり、セラミックス基板と銅板とを接合する際の熱処理で発生する残留熱応力と実使用時の温度変化により生じる繰り返し熱応力とによって、セラミックス基板にクラックが発生する問題が生じる。

【0008】

本発明の発明者は、鋭意検討の結果、Ａｇを含むろう材を用いて接合層を形成してなるＡＭＢ基板においては、銅板と接合層との界面近傍におけるＡｇの存在形態が冷熱サイクルに対する信頼性に影響を及ぼすことを、見出した。

【0009】

特許文献１、特許文献２、および、特許文献５ないし特許文献９のいずれにも、ＡＭＢ基板における銅板と接合層との界面近傍におけるＡｇの存在形態と、冷熱サイクルとの関係について、何らの開示も示唆もなされてはいない。

【0010】

例えば、特許文献１は、空隙等の欠陥の少ないろう材はみ出し部を設けることによって耐熱サイクルの向上を図る技術を開示するに過ぎない。

【0011】

また、特許文献２は、窒化珪素基板自体の組成および粒界の数を調整することで耐熱サイクル性を向上させる技術を開示するに過ぎない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0012】

【特許文献1】特開２０１４−２０７４８２号公報

【特許文献2】特許第３６２９７８３号公報

【特許文献3】特開２００３−２８３０６４号公報

【特許文献4】特開平５−３２４６３号公報

【特許文献5】特開２００２−４３４８２号公報

【特許文献6】特開２００２−３５９４５３号公報

【特許文献7】特開２００４−２５３７３６号公報

【特許文献8】特許第４０１５０２３号公報

【特許文献9】特許第４０１４５２８号公報

【非特許文献】

【0013】

【非特許文献1】「拡散接合法によるＳｉＣ素子用高信頼性冷却（放熱）基板の開発」、戦略的基盤技術高度化支援事業 研究開発成果事例集 平成24年度〜平成25年度採択事業、関東経済産業局産業部製造産業課、2015年3月発行、p.28-29。

【発明の概要】

【0014】

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、従来よりも冷熱サイクルに対する信頼性を高めた、主としてパワー半導体実装用の接合基板を提供することを目的とする。

【0015】

上記課題を解決するため、本発明の第１の態様では、窒化物セラミックス基板の一方もしくは両方の主面に銅板が接合されてなる接合基板を製造する方法が、前記窒化物セラミックス基板の一方もしくは両方の主面に、ＡｇとＴｉとを含むろう材を塗布する塗布工程と、前記窒化物セラミックス基板の前記ろう材の被塗布面に対して前記銅板を重ね合わせた状態で、前記窒化物セラミックス基板と前記銅板とを真空もしくはＡｒ雰囲気下で８５０℃〜１０００℃の接合温度かつ５ＭＰａ〜２５ＭＰａの接合圧力で加熱加圧し、０．１μｍ〜５μｍの範囲で場所により厚みが異なる接合層を形成する接合工程とを備える、ようにした。
また、本発明の第２の態様では、窒化物セラミックス基板の一方もしくは両方の主面に銅板が接合されてなる接合基板において、ＴｉＮを主成分としかつＡｇ−Ｃｕ層を含まない接合層が前記窒化物セラミックス基板と前記銅板との間に介在するとともに少なくとも前記銅板と直接に接しており、前記銅板内に、Ａｇ原子が拡散してなり、前記Ａｇ原子の存在比率が１５ａｔ％以下であるＡｇ拡散領域が存在する、ようにした。

【0016】

また、本発明の第３の態様では、第２の態様に係る接合基板において、前記接合層と前記銅板との界面に、Ａｇの存在比率が６０ａｔ％を超え１００ａｔ％以下である、ＡｇリッチなＡｇ−Ｃｕ合金相またはＡｇ金属相であるＡｇリッチ相が、離散的に存在するようにした。

【0017】

また、本発明の第４の態様では、第２または第３の態様に係る接合基板において、前記Ａｇ拡散領域が、前記銅板内において少なくとも前記接合層との界面近傍に存在するようにした。

【0020】

本発明の第１ないし第４の態様によれば、冷熱サイクルに対する信頼性が高く、かつ、放熱性の優れた接合基板を得ることができる。

【0021】

特に、第３の態様によれば、冷熱サイクルのみならず電気的な絶縁破壊に対しても信頼性が高い接合基板を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本発明の実施の形態に係る接合基板１０（１０Ａ、１０Ｂ）の断面構成を模式的に示す図である。

【図2】接合基板１０Ａの接合層２と銅板３との界面領域における微細構造を模式的に示す断面図である。

【図3】接合基板１０Ｂの接合層２と銅板３との界面領域における微細構造を模式的に示す断面図である。

【図4】接合基板２０の断面構成を、模式的に示す図である。

【図5】接合基板２０の接合層２から銅板３に至る界面領域における微細構造を模式的に示す断面図である。

【図6】接合基板３０の接合層７と銅板３との界面領域における微細構造を模式的に示す断面図である。

【図7】実施例９の界面近傍についてのＳＥＭ像とＴｉ、Ａｇ、ＣｕについてのＥＰＭＡ元素マッピング像とを併せて示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

＜接合基板の概要＞
図１は、本発明の実施の形態に係る接合基板１０（１０Ａ、１０Ｂ）の断面構成を模式的に示す図である。接合基板１０は、例えばスイッチング素子、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴなどの図示しないパワー半導体を含むパワー半導体モジュールにおいて、該パワー半導体が実装される基板である。

【0024】

接合基板１０は、概略、セラミックス基板１の一方主面に接合層２を介して銅板３が接合された構成を有する。係る接合基板１０は、セラミックス基板１の一方主面上に少なくともＡｇ、Ｔｉを含むペースト状のろう材を塗布した後、該ろう材の塗布面に銅板３を重ね合わせ、真空下もしくはＡｒ雰囲気下で加熱および加圧することによって（真空下もしくはＡｒ雰囲気下での加熱加圧接合によって）得られる。換言すれば、接合基板１０は、接合層２が相異なる界面においてセラミックス基板１と銅板３との双方に隣接する構成を有する。図１においては、セラミックス基板１と接合層２とが界面Ｉ１をなし、接合層２と銅板３とが界面Ｉ２をなすものとしている。

【0025】

セラミックス基板１としては、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）基板や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板などの窒化物セラミックス基板が例示される。本発明を実現するうえにおいては、セラミックス基板１の平面形状やサイズに特段の制限はないが、パワー半導体モジュールの小型化を図るという観点からは、一辺が２０ｍｍ〜７０ｍｍ程度で厚みが０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの平面視矩形状のセラミックス基板１が例示される。

【0026】

銅板３は、セラミックス基板１の平面サイズと同じ平面サイズを有していてもよく、あるいは、セラミックス基板１よりもわずかに小さい平面サイズを有していてもよい。図１に示す構成は、前者の場合に相当する。後者の場合、セラミックス基板１の外縁部は銅板３が接合されずに露出することになる。一方、厚みについては、パワー半導体モジュールの小型化を図るという観点からは、０．５ｍｍ〜２．０ｍｍ程度であることが好ましい。

【0027】

より詳細には、パワー半導体は接合基板１０を構成する銅板３の非接合面（接合層２が存在する側とは反対側の主面）上に実装される。係る場合において、銅板３はそれ自体に電気回路パターンが形成されてなる回路基板として用意され、該電気回路パターン上にパワー半導体が実装される態様であってよい。ただし、以降の説明においては、このような電気回路パターンが形成されてなる回路基板も含め、単に銅板３と総称する。

【0028】

接合層２は、ＴｉＮを主成分とする層である。係る接合層２のＴｉＮは、上述した加熱加圧接合の過程において、ろう材中に活性金属として含まれるＴｉと、セラミックス基板１を構成するＮとから生成される。接合層２は、概ねサブミクロンオーダーから数μｍ程度の厚みを有して形成されるが、セラミックス基板１と銅板３の表面凹凸に比して厚みが小さい等の理由から必ずしも一様な厚みに形成されるものではなく、場所によるばらつき（層内ばらつき）があってもよい。

【0029】

＜接合部分の詳細と接合基板の特性＞
図２および図３は、本実施の形態に係る接合基板１０（１０Ａ、１０Ｂ）の接合層２と銅板３との界面領域における微細構造を模式的に示す断面図である。

【0030】

一方、図４は、対比のために示す、本実施の形態に係る接合基板１０とは異なる構成を有する接合基板２０の断面構成を、模式的に示す図である。そして、図５は、接合基板２０の接合層２から銅板３に至る界面領域における微細構造を模式的に示す断面図である。

【0031】

接合基板１０と接合基板２０はいずれも、セラミックス基板１と銅板３とを、Ｔｉに加えてＡｇを含むろう材を用いて加熱加圧接合することで得られるものであるが、その際の接合条件を違えることで、作り分けられるものである。

【0032】

なお、ろう材としては、低融点化のためにＣｕやＳｎ、Ｉｎ等が添加されたもの、また、それらの合金粉末に、Ｔｉを加えたものを用いることができる。例えば、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系のろう材としては、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉをそれぞれ組成重量比で３０〜７０％、０〜４０％、０．１〜２０％なる範囲で含有するものが例示され、これらの組成範囲を充足する市販のものを用いることも可能である。

【0033】

接合基板１０においては、図１に示すように接合層２と銅板３とが直接に接するものとなっている。

【0034】

加えて、図１の概略図においては省略しているが、接合基板１０においては、図２および図３においてドットにて模式的に示すように、銅板３内の、少なくとも接合層２との界面Ｉ２近傍に、Ａｇ原子が分布している。Ａｇ原子は、界面Ｉ２から遠くなるほど（銅板３の非接合面に近づくほど）濃度が小さくなる態様にて分布している。なお、図２および図３においては、Ａｇ原子の存在比率が大きい領域ほどドットが密であるように表している。

【0035】

セラミックス基板１と銅板３とをろう材を用いて接合するという接合基板１０の作製過程と、銅板３におけるＡｇ原子の分布態様とを鑑みれば、銅板３内に存在するＡｇ原子は、そもそもはろう材に含有されていたものが、加熱加圧接合の過程において固体状態の銅板３へと拡散した（固溶した）ものに他ならない。

【0036】

これはすなわち、本実施の形態に係る接合基板１０を得るための加熱加圧接合が、セラミックス基板１と銅板３との間にＴｉＮを含む接合層２が形成されるとともに、銅板３の少なくとも接合層２との界面Ｉ２近傍にＡｇ分布領域３ｄが形成される条件でなされることを意味する。ただし、Ａｇ分布領域３ｄにおけるＡｇ原子の存在比率（固溶比）は最大でも１５ａｔ％に留まる。

【0037】

Ａｇの方がＣｕよりも熱伝導率が高いことから、銅板３におけるＡｇ分布領域３ｄの形成は、接合基板１０の熱抵抗を低減し、放熱性を向上させる効果がある。

【0038】

一方、接合基板２０は、銅板３にＡｇ分布領域３ｄが形成される点では接合基板１０と共通するが、接合層２と銅板３とが直接に界面を構成せず、両者の間に副接合層ともいうべきＡｇ−Ｃｕ層（Ａｇ−Ｃｕ合金からなる層）６が介在している点で接合基板１０と相違している。Ａｇ−Ｃｕ層６は、接合層２の略全面に形成されてなる。Ａｇ−Ｃｕ層６は、Ａｇリッチ相とＣｕリッチ相の両方、もしくはどちらか１つから成る。Ａｇリッチ相はＡｇが８０％以上で残部がＣｕというＡｇ−Ｃｕ合金であり、Ｃｕリッチ相はＣｕが８０〜９６％で残部がＡｇというＡｇ−Ｃｕ合金である。Ａｇリッチ相とＣｕリッチ相の組成はともに、ろう材添加剤（ＳｎやＩｎなど）を含む場合は前述の組成比から変わり得る。

【0039】

なお、Ａｇ原子の分布状態、すなわち銅板３におけるＡｇの拡散やＡｇ−Ｃｕ層６の存在の有無などは、例えばＥＰＭＡにて接合基板１０および２０の断面を対象に組成分布を分析することなどによって、確認することができる。

【0040】

確認的にいえば、銅板３におけるＡｇ分布領域３ｄは、加熱加圧接合の過程においても固体状態を保っている銅板３に対しろう材中のＡｇが拡散することによって形成される領域であるので、結晶格子のマトリックスはあくまでＣｕ原子によって構成され、Ａｇの含有率は微量である。これに対し、Ａｇ−Ｃｕ層６は、加熱加圧接合の過程においてＡｇ原子とＣｕ原子とが合金化することによって生じるものであって、上述のように、Ａｇリッチ相とＣｕリッチ相の両方、もしくはどちらか１つから成る。それゆえ、Ａｇ−Ｃｕ層６の結晶格子（Ａｇ原子とＣｕ原子の配置）は、合金組成に応じたものとなる。すなわち、Ａｇ−Ｃｕ層６と銅板３におけるＡｇ分布領域３ｄとは、形成過程及びその組成比が異なる。

【0041】

上述のような接合基板１０と接合基板２０の構成上の相違は、接合基板２０が形成される接合条件が、接合基板１０が形成される接合条件とは異なることを意味する。

【0042】

そして、係る接合基板１０と接合基板２０の構成上の相違は、両者の冷熱サイクルに対する信頼性に対し、差異を与えるものとなる。

【0043】

一般に、セラミックス基板と他の部材とを接合してなる接合基板において、セラミックス板とセラミックス板に沿って存在する他の部材との熱膨張率に差がある場合、接合基板に温度変化を与えると、セラミックス板と他の部材との熱膨張に差が生じて熱応力が発生する。このような接合基板に対し冷熱サイクルを印加し続けると、この熱応力が繰り返し発生し、どこかの時点でセラミックス基板に材料破壊が生じてクラックが発生することになる。

【0044】

接合基板１０と接合基板２０についてみれば、両者はまず接合層２とセラミックス基板１とが隣接する構成において共通するが、接合層２はセラミックス基板１とほぼ同程度の熱膨張率を有するために、接合基板１０と接合基板２０のいずれにおいても、接合層２とセラミックス基板１との間には熱応力はほぼ発生しない。接合層２の厚みはセラミックス基板１に比べて十分に小さいことも踏まえると、熱応力を考察するうえにおいては、接合基板１０と接合基板２０の双方ともに、接合層２はセラミックス基板１と同一視することができる。

【0045】

一方、接合基板１０において接合層２と隣接するのは銅板３であるのに対し、接合基板２０において接合層２と隣接するのはＡｇ−Ｃｕ層６である。そして、銅板３とＡｇ−Ｃｕ層６とはいずれも、セラミックス基板１とは異なる熱膨張率を有している。それゆえ、接合基板１０においては銅板３とセラミックス基板１との間に熱応力が発生し、接合基板２０においてはＡｇ−Ｃｕ層６とセラミックス基板１との間に熱応力が発生すると捉えることができる。

【0046】

この点から接合基板１０と接合基板２０とを対比すると、銅板３の方がＡｇ−Ｃｕ層６よりも機械変形的な耐力低い（降伏応力が小さい）ため、接合基板１０においてセラミックス基板１と銅板３との熱膨張差に起因して生じる熱応力は、接合基板２０においてセラミックス基板１とＡｇ−Ｃｕ層６の熱膨張差に起因して生じる熱応力よりも、小さくなる。これにより、同じように冷熱サイクルを印加した場合、本実施の形態に係る接合基板１０の方が、接合基板２０よりも、セラミックス基板１においてクラックが発生しにくい、ということができる。

【0047】

このことは、Ａｇ、Ｔｉを含むろう材を用いつつもＡｇ−Ｃｕ層を介在させない態様にてセラミックス基板１と銅板３とを接合してなる本実施の形態に係る接合基板１０は、Ａｇ−Ｃｕ層６が介在するように構成された接合基板２０よりも、冷熱サイクルに対する信頼性が高いものである、ということを意味する。

【0048】

係る接合基板１０についてさらにいえば、接合基板１０を構成するセラミックス基板１および銅板３の表面には通常、微細な凹凸がランダムに存在することから、ろう材による接合の結果として両者と接合層２との間に形成される界面Ｉ１、Ｉ２も微視的にはランダムな凹凸を有するものとなっている。

【0049】

加えて、より詳細には、図２に示すように、接合層２と銅板３との界面Ｉ２にボイド４が離散的に存在する場合がある。以下、係る態様にてボイド４が存在する接合基板１０を特に接合基板１０Ａと称する。

【0050】

あるいは、図３においてハッチングにて示すように、界面Ｉ２にＡｇリッチ相５が離散的に存在する場合もある。以下、係る態様にてＡｇリッチ相５が存在する接合基板１０を特に接合基板１０Ｂと称する。ここで、Ａｇリッチ相５とは、Ａｇの存在比率が６０ａｔ％を超え１００ａｔ％以下であるＡｇリッチなＡｇ−Ｃｕ合金の偏在領域である。

【0051】

ただし、Ａｇリッチ相５は、あくまで接合層２と銅板３との界面Ｉ２にあくまで離散的に存在するという点で、接合基板２０において接合層２の全面に隣接する態様にて備わるＡｇ−Ｃｕ層６とは構造的に区別される。前者と違って、後者の場合、接合層２と銅板３とが直接に界面を構成することはない。

【0052】

接合基板１０Ａと接合基板１０Ｂの構成上の相違は、両者を得るための接合条件が、Ａｇ−Ｃｕ層６が形成されない前提のもとで異なっていることを意味する。なお、接合基板１０ＢにおけるＡｇリッチ相５の形成は、異なる接合条件のもとではボイド４となり得る箇所がＡｇリッチ相５にて埋設されたものとも捉えることができる。

【0053】

また、係る構成上の相違は、接合基板１０Ａと接合基板１０Ｂの絶縁耐圧に対し、差異を与えるものである。

【0054】

一般に、接合基板に空隙部が存在する場合、該空隙部に電界が集中し絶縁破壊の起点となるリスクが高い。それゆえ、ボイド４を内包する接合基板１０Ａよりも、ボイド４となり得る位置にＡｇリッチ相５が存在することでボイドレスな構造を有してなる接合基板１０Ｂの方が、絶縁耐圧（絶縁破壊電圧）が大きくなる傾向がある。すなわち、接合基板１０Ｂの方が接合基板１０Ａよりも、電気的な絶縁破壊に対する信頼性が高いといえる。

【0055】

このことは、Ａｇ、Ｔｉを含むろう材を用いつつもＡｇ−Ｃｕ層を介在させない態様にてセラミックス基板１と銅板３とを接合することによって接合基板を得るにあたって、接合層２と銅板３との界面にＡｇリッチ相５を離散的に存在させることによって当該界面をボイドレスな構造とした場合には、冷熱サイクルに対する信頼性が高く電気的な絶縁破壊に対する信頼性が高い接合基板１０が実現される、ということを意味する。

【0056】

なお、係る場合において、Ａｇリッチ相５のサイズ（最大サイズ）は、接合基板１０の厚み方向においては例えば０．１μｍ〜３μｍ程度であり、厚み方向に垂直な面内においては例えば０．１μｍ〜５μｍ程度である。また、厚み方向に垂直な面内におけるＡｇリッチ相５の面積比率は１％〜２０％程度であればよく、Ａｇリッチ相５同士の間隔は１μｍ〜１００μｍ程度であればよい。

【0057】

＜接合条件と基板構成との関係＞
上述のように、本実施の形態に係る接合基板１０（１０Ａ、１０Ｂ）は、セラミックス基板１と銅板３とをＡｇ、Ｔｉを含むろう材を用いて加熱加圧接合することによって得られる。加熱加圧接合については公知の技術を適用することが可能であるが、少なくともＡｇ−Ｃｕ層６が形成されない接合条件（接合雰囲気、接合温度、接合圧力、ろう材の塗布量）にて接合を行う必要がある。加えて、接合層２と銅板３との界面Ｉ２がボイドレスな構造と接合条件にて接合を行うことが好ましい。

【0058】

まず、接合雰囲気は、活性金属であるＴｉが酸化もしくは窒化すると、そもそも接合ができないために、真空もしくはＡｒ雰囲気とする必要がある。

【0059】

接合圧力は５ＭＰa以上が望ましい。接合圧力が低いほどＡｇ−Ｃｕ層６およびボイド４が形成されやすい傾向があるからである。また、接合圧力は２５ＭＰa以下が望ましい。接合圧力が高いほどＡｇ−Ｃｕ層６およびボイド４が形成され難い傾向にあるが、接合圧力が高すぎると接合の際にセラミックス基板１を破壊してしまうおそれがあるからである。

【0060】

接合温度は、Ａｇ、Ｔｉを含むろう材を用いるという点から８００℃〜１０００℃程度とするのが好適であるが、８００℃〜１０００℃の温度範囲において、接合温度は高いほどＡｇ−Ｃｕ層６が形成され難く、低いほどＡｇ−Ｃｕ層６が形成されやすい傾向にある。

【0061】

ろう材の塗布量（塗布厚）は、接合後に得られる接合層の厚みが０．１μｍ〜５μｍとなるように定めるのが望ましい。塗布量（塗布厚）が多いほどＡｇ-Ｃｕ層６が形成されやすく、塗布量（塗布厚）が小さいほどＡｇ-Ｃｕ層６が形成され難い傾向にある。

【0062】

例えば、接合圧力を５ＭＰａ〜２５ＭＰａとし、接合温度を８５０℃とし、ろう材の塗布量（塗布厚）を、接合後に得られる接合層の厚みが０．１μｍ〜５μｍとなるように定めた場合には、Ａｇ−Ｃｕ層６が形成されない一方でＡｇリッチ相５が離散的に存在するボイドレスな接合基板１０Ｂが得られる。

【0063】

これに対し、接合圧力を１ＭＰａ〜１．５ＭＰａとし、接合温度を８００℃とし、ろう材の塗布量（塗布厚）を接合後に得られる接合層の厚みが１０μｍ〜２０μｍとなるように定めた場合には、Ａｇ−Ｃｕ層６が形成されてしまう（接合基板２０が得られてしまう）ことになる。

【0064】

一方、接合圧力を５ＭＰａ〜２５ＭＰａとし、接合温度を９５０℃とし、ろう材の塗布量（塗布厚）を接合後に得られる接合層の厚みが０．１μｍ〜５μｍとなるように定めた場合には、Ａｇ−Ｃｕ層６およびＡｇリッチ相５ともに形成されないもののボイド４が存在する接合基板１０Ａが得られる。これは、係る接合条件の場合、Ａｇ原子が接合層２と銅板３の間に留まらず銅板３の中に拡散してしまうことによるものと考えられる。

【0065】

以上、説明したように、本実施の形態によれば、セラミックス基板と銅板とをＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系のろう材を用いて加熱加圧接合することによって得られる接合基板を、ＴｉＮを含む接合層と銅板との間にＡｇ−Ｃｕ層が介在しない一方で、銅板にＡｇが拡散させた構成とすることで、冷熱サイクルに対する信頼性が高く、かつ、放熱性の優れた接合基板を得ることができる。

【0066】

加えて、係るＡｇ−Ｃｕ層が介在しない接合基板において、接合層と銅板との界面を、ボイドが存在せず、Ａｇリッチ相が離散的に存在する構成とすることで、冷熱サイクルのみならず電気的な絶縁破壊に対しても信頼性が高い接合基板を得ることができる。

【0067】

＜変形例＞
上述の実施の形態においてはセラミックス基板１の一方主面側に銅板３が接合されることで接合基板が構成されていたが、他方主面側にも上述の実施の形態と同様の態様にて銅板３が接合されることで接合基板が構成されてもよい。つまりはセラミックス基板１の両方の主面に銅板３が接合されることで接合基板が構成されてもよい。

【実施例】

【0068】

（接合基板の作製とその構造評価）
実施例１〜実施例６として、セラミックス基板１の材質および厚みと銅板（Ｃｕ板）３の厚みとの組み合わせを種々に違えた６水準の接合基板１０Ａを、加熱加圧接合により作製した。

【0069】

セラミックス基板１の材質は窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）とした。窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）基板については厚みを０．３２ｍｍとし、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）については厚みを０．６３ｍｍとした。また、銅板３の厚みは、セラミックス基板１が窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）基板であるものについては０．３ｍｍ、０．６ｍｍ、１ｍｍ、１．５ｍｍ、２．０ｍｍの５水準に違え、セラミックス基板１が窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板であるものについては０．３ｍｍとした。

【0070】

実施例７〜実施例１２として、セラミックス基板１の材質および厚みと銅板３の厚みとの組み合わせを実施例１〜実施例６と同様にした６水準の接合基板１０Ｂを、加熱加圧接合により作製した。

【0071】

比較例１〜比較例６として、セラミックス基板１の材質および厚みと銅板３の厚みとの組み合わせを実施例１〜実施例６と同様にした６水準の接合基板２０を、加熱加圧接合により作製した。

【0072】

実施例１〜実施例１２および比較例１〜比較例６のいずれの場合も、加熱加圧接合に用いるろう材としては、組成重量比がＡｇ：５１％、Ｃｕ：２４％、Ｉｎ：１１％、Ｔｉ：１４％であるものを用い、接合雰囲気は真空とした。

【0073】

一方、ろう材の塗布量は、実施例１〜実施例６については接合後に得られる接合層の厚みが層内ばらつき０．１μｍ〜３μｍの範囲内に収まるように定め、実施例７〜実施例１２については０．１μｍ〜３μｍの範囲内に収まるように定め、比較例１〜比較例６については係る層内ばらつきが１３μｍ〜２０μｍの範囲内に収まるように定めた。

【0074】

また、接合圧力については、実施例１〜実施例１２については２０ＭＰａとし、比較例１〜比較例６については実施例１〜実施例１２よりも軽荷重の１ＭＰａとした。

【0075】

さらに、比較例７〜比較例１２として、セラミックス基板１の材質および厚みと、銅板３の厚みとの組み合わせを実施例１〜実施例６と同様にする一方で、ろう材を用いる代わりに、セラミックス基板１の上にＴｉ膜を１０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲の値にて形成し、該Ｔｉ膜と銅板３とを重ね合わせて加熱加圧接合することにより、６水準の接合基板３０を得た。接合雰囲気は真空とし、また、接合温度は１０００℃とし、接合圧力は２０ＭＰａとした。

【0076】

図６は、係る接合基板３０の接合層７と銅板３との界面領域における微細構造を模式的に示す断面図である。図６に示すように、接合基板３０においては、セラミックス基板１と銅板３とが接合層７によって接合されてなる。また、接合基板１０Ａと同様、銅板３と接合層７の界面部分にはボイド４が存在する。

【0077】

実施例１〜実施例１２および比較例１〜比較例１２に係る接合基板のそれぞれについて、接合面に垂直に切断して得られる切断面を電子顕微鏡で観察して、接合層と銅板との間における接合層に連続するＡｇ−Ｃｕ層の有無、およびＡｇリッチ相の有無を確認した。観察は、切断面の基板面内方向における左右端部と中央部との３箇所を対象に行い、観察倍率は１０００倍とし、各箇所での基板面内方向における観察幅は０．１ｍｍとした。係る場合においては、０．５μｍ〜３μｍの厚みかつ０．５μｍ〜５μｍの幅でＡｇが偏在する領域を、Ａｇリッチ相と判定した。

【0078】

加えて、銅板３中へのＡｇの拡散の有無を確認するべく、切断面の各観察箇所において、接合層２との接合界面から銅板３の厚み方向１０μｍのエリアについてＥＤＳで組成マッピングを実施した。

【0079】

表１に、実施例１〜実施例１２および比較例１〜比較例１２に係る接合基板におけるセラミックス基板および銅板（Ｃｕ板）の条件と、接合層に連続するＡｇ−Ｃｕ層の有無と、銅板（Ｃｕ板）へのＡｇの拡散の有無と、Ａｇリッチ相を、一覧にして示す。

【0080】

【表1】

【0081】

表１に示すように、実施例１〜実施例１２においては接合層に連続するＡｇ−Ｃｕ層は存在せず、銅板３にＡｇが拡散している点で共通したが、実施例１〜実施例６ではＡｇリッチ相が存在しないのに対して、実施例７〜実施例１２ではＡｇリッチ相が存在した。

【0082】

なお、実施例１〜実施例６においては接合層と銅板との界面にボイドが存在していた。また、実施例７〜実施例１２におけるＡｇリッチ相の分布態様は、実施例１〜実施例６におけるボイドの分布態様と類似していた。図７は、実施例９の界面近傍についてのＳＥＭ像（上段）とＴｉ、Ａｇ、ＣｕについてのＥＰＭＡ元素マッピング像（下段）とを併せて示す図である。図７からは、銅板内にＡｇが厚み方向に拡散しており、接合層と銅板との界面から離れるほど濃度が小さくなるように分布していることに加え、接合層と銅板との界面に局所的に偏在していること、つまりはＡｇリッチ相が存在していることが、確認される（Ａｇのマッピング像で白く見える微小領域がＡｇリッチ相である）。係る結果は、Ａｇリッチ相の形成が、異なる接合条件のもとではボイドとなり得る箇所において生じることを示唆するものと考えられる。

【0083】

また、比較例１〜比較例６については、接合層に連続するＡｇ−Ｃｕ層が存在したため、Ａｇリッチ相については判定を行わなかった。

【0084】

一方、比較例７〜比較例１２については、実施例１〜実施例１２と同様、接合層に連続するＡｇ−Ｃｕ層は存在しなかったが、銅板へのＡｇの拡散が確認されなかった点で実施例１〜実施例１２とは相違した。

【0085】

（冷熱サイクル試験）
実施例１〜実施例１２および比較例１〜比較例１２に係る接合基板のそれぞれについて、冷熱サイクル試験を行った。それぞれの実施例及び比較例において、試験サンプル数は５とした。試験は、各サンプルに対し−５５℃（１５分）／１５０℃（１５分）の冷熱サイクルを３０００ｃｙｃ（サイクル）与えることにより行い、途中１００ｃｙｃ毎に（つまりは全３０回）、実体顕微鏡による外観確認と超音波探傷とによって、接合部の剥がれおよびセラミックス基板におけるクラックの有無（以下、これらをまとめて「破壊」と総称する）について確認した。

【0086】

表２に、実施例１〜実施例１２および比較例１〜比較例１２に係る接合基板の全てのサンプルについての、冷熱サイクル試験において破壊が確認された評価回（何回目の評価で破壊が確認されたか）と、５つのサンプルについての平均値とを、一覧にして示す。例えば破壊が確認された評価回が２９回目ということであれば、２８００ｃｙｃ〜２９００ｃｙｃの間に破壊が生じたことを意味する。また、冷熱サイクルを３０００ｃｙｃ与えた後の３０回目の評価においても破壊は確認されなかったサンプルについては、「確認されず」と記している。

【0087】

【表2】

【0088】

表２に示すように、セラミックス基板に窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を用いた実施例１〜実施例５および実施例７〜実施例１１では、破壊が確認されたのは概ね２５回目以降の評価回であり、特に、銅板３の厚みが小さい実施例１〜実施例４および実施例７〜実施例１０においては、全てのサンプルにおいて、冷熱サイクルを３０００ｃｙｃ与えた後の３０回目の評価においても破壊は確認されなかった。

【0089】

一方、セラミックス基板に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いた実施例６および実施例１２では、平均して１６回〜１７回の評価回で破壊が確認された。

【0090】

これに対し、Ａｇ−Ｃｕ層が形成された比較例１〜比較例６では、最も遅くとも１４回目の評価回までには破壊が確認され、銅板へのＡｇの拡散が確認されなかった比較例７〜比較例１２については、遅くとも６回目の評価回までに破壊が確認された。

【0091】

以上の結果は、Ａｇ−Ｃｕ層が介在せず、かつ銅板にＡｇが拡散するように構成された実施例１〜実施例１２に係る接合基板１０Ａおよび１０Ｂは、Ａｇ−Ｃｕ層が介在する比較例１〜比較例６に係る接合基板２０、および、銅板にＡｇが拡散していない比較例７〜比較例１２に係る接合基板３０に比して、冷熱サイクルに対する信頼性が高いことを指し示している。特に、比較例１〜比較例６との対比に関していえば、Ａｇ−Ｃｕ層が介在しないことでセラミックス基板に発生する熱応力が低減されることの効果が、現れているといえる。

【0092】

（モジュール熱抵抗測定）
実施例１〜実施例１２および比較例１〜比較例１２に係る接合基板のそれぞれを対象に、熱抵抗測定を行った。評価用のサンプルとして、平面サイズが２１ｍｍ×２１ｍｍのセラミックス基板の両面に平面サイズが２０ｍｍ×２０ｍｍの銅板を各実施例もしくは比較例に係る条件で接合した接合基板を用意した。

【0093】

さらに、接合基板の片側中央へ８ｍｍ×８ｍｍサイズの半導体チップをハンダ実装した。そして、半導体チップ実装面とセラミックス基板を挟んで対向するもう一方の銅板表面を、平面サイズが５０ｍｍ×５０ｍｍで厚みが４ｍｍの銅ベース板にハンダ接合し、銅ベース板を冷却板にサーマルグリスを介して設置することで、評価用モジュールを得た。

【0094】

測定はＪＥＤＥＣの規格ＪＥＳＤ５１−１４に準拠して行った。それぞれの実施例及び比較例において、試験サンプル数は５とした。

【0095】

表３に、実施例１〜実施例１２および比較例１〜比較例１２に係る接合基板の全てのサンプルについての熱抵抗測定の結果と、５つのサンプルについての平均値とを、一覧にして示す。

【0096】

【表3】

【0097】

表３に示すように、セラミックス基板に窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）を用いた接合基板のうち、銅板へのＡｇの拡散が生じた実施例１〜実施例５、実施例７〜実施例１１、および、比較例１〜比較例５では、熱抵抗の値はおおよそ０．１３５Ｋ／Ｗ〜０．１５Ｋ／Ｗ程度であるのに対し、銅板へのＡｇの拡散が生じていない比較例７〜比較例１１では、熱抵抗の値はおおよそ０．２５Ｋ／Ｗ〜０．２８Ｋ／Ｗ程度と高い傾向がある。また、係る傾向は、絶対値こそ異なるものの、セラミックス基板に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いた実施例６、実施例１２および比較例６（熱抵抗の値はおおよそ０．２０Ｋ／Ｗ〜０．２１Ｋ／Ｗ程度）と比較例１２と（同０．３３４Ｋ／Ｗ〜０．３４１Ｋ／Ｗ）の間でも同様である。

【0098】

以上の結果は、銅板にＣｕよりも熱伝導率の高いＡｇを拡散させることが、接合基板の熱抵抗を低減させる効果があることを指し示している。

【0099】

（絶縁耐圧測定）
実施例１〜実施例１２に係る接合基板のそれぞれを対象に、絶縁耐圧（絶縁破壊電圧）の測定を行った。それぞれの実施例において、試験サンプル数は１０とした。測定は、絶縁油中において接合基板の回路面である銅板の非接合面と、放熱面であるセラミックス基板の非接合面との間に、交流電圧を印加することにより行った。

【0100】

表４に、実施例１〜実施例１２に係る接合基板の全てのサンプルについての絶縁耐圧の測定結果と、１０個のサンプルについての平均値および標準偏差σを、一覧にして示す。

【0101】

【表4】

【0102】

表４に示すように、接合層と銅板との界面にボイドが確認される一方でＡｇリッチ相が確認されなかった実施例１〜実施例６については、絶縁耐圧の平均値は最大でも８．３ｋＶ／ｍｍであってσの値が最小で１．６ｋＶ／ｍｍであるのに対して、接合層と銅板との界面にボイドが確認されない一方でＡｇリッチ相が確認された実施例７〜実施例１２については、絶縁耐圧の平均値は最小でも８．８ｋＶ／ｍｍである一方σの値は最大でも１．３ｋＶ／ｍｍであった。

【0103】

以上の結果は、接合層と銅板との界面においてボイドを生じさせず、代わってＡｇリッチ相を介在させることが、電気的な絶縁破壊に対する信頼性を高める効果があることを指し示している。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】