特許 7155372 接合体の製造方法および回路基板の製造方法

(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】

(24)【登録日】2022-10-07

(45)【発行日】2022-10-18

(54)【発明の名称】接合体の製造方法および回路基板の製造方法

(51)【国際特許分類】

   C04B 37/02 20060101AFI20221011BHJP

   H05K 1/03 20060101ALI20221011BHJP

【ＦＩ】

C04B37/02 B

H05K1/03 610D

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2021153047

(22)【出願日】2021-09-21

(62)【分割の表示】P 2018530386の分割

【原出願日】2017-07-27

(65)【公開番号】P2022003010

(43)【公開日】2022-01-11

【審査請求日】2021-09-21

(31)【優先権主張番号】P 2016148105

(32)【優先日】2016-07-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】303058328

【氏名又は名称】東芝マテリアル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001092

【氏名又は名称】弁理士法人サクラ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】梅原 政司

(72)【発明者】

【氏名】加藤 寛正

(72)【発明者】

【氏名】那波 隆之

【審査官】田中 永一

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１０／１３７６５１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１１／０３４０７５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００３－１８８３１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／０５６３６０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１３／０９４２１３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１４／０５４６０９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００３－０５５０５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－２７４９６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－２２６２７２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ０４Ｂ ３７／００ － ３７／０４

Ｈ０１Ｌ ２３／１３

Ｈ０１Ｌ ２３／３６

Ｈ０５Ｋ １／０３

Ｈ０５Ｋ ３／３４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

セラミックス部材と銅板とを接合する接合層を形成する工程を具備し、
前記接合層を形成する工程は、
前記セラミックス部材上に接合ろう材ペーストを塗布し、前記接合ろう材ペースト上に前記銅板を配置する工程と、
非酸化性雰囲気中、７００℃以上９００℃以下の温度および１×１０^－３Ｐａ以下の圧力下で、前記接合ろう材ペーストを介して前記セラミックス部材と前記銅板とを加熱接合する工程と、
を含み、
前記接合ろう材ペーストは、Ａｇと、Ｃｕと、Ｔｉと、を含有するとともに、Ｓｎ、Ｉｎ、およびＣからなる群から選ばれる少なくとも一つの元素をさらに含有し、
前記接合ろう材ペーストの前記Ｃｕに対する前記Ａｇの質量比Ａｇ／Ｃｕは、２．１以下であり、
前記接合ろう材ペーストのＳｎおよびＩｎからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素の含有量は、５質量％以上２０質量％以下であり、
前記接合ろう材ペーストのＴｉの含有量は、５質量％以上である、接合体の製造方法。

【請求項2】

前記接合層のナノインデンテーション硬さＨ_ＩＴは、１．０ＧＰａ以上２．５ＧＰａ以下である、請求項１に記載の接合体の製造方法。

【請求項3】

前記接合ろう材ペーストの塗布厚さは、１０μｍ以上４０μｍ以下である、請求項１または請求項２に記載の接合体の製造方法。

【請求項4】

前記接合層を形成する工程は、前記加熱接合する工程の後に、５℃／分以上の冷却速度で前記接合層を急冷する工程をさらに具備する、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の接合体の製造方法。

【請求項5】

前記接合層は、Ａｇ－Ｔｉ結晶を有し、
前記接合層のＸ線回折パターンの３７．５度以上３８．５度以下の範囲において、Ａｇ結晶に起因する最大ピークに対する前記Ａｇ－Ｔｉ結晶に起因する最大ピークの比は、０．５以上１．２以下である、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の接合体の製造方法。

【請求項6】

前記セラミックス部材は、厚さ０．４ｍｍ以下の窒化珪素基板である、請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の接合体の製造方法。

【請求項7】

前記銅板の厚さは、０．７ｍｍ以上である、請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の接合体の製造方法。

【請求項8】

請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の製造方法により前記接合体を製造する工程と、
前記接合体にエッチング工程を行うことにより、前記銅板をパターニングする工程と、
を具備する、回路基板の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

実施形態は、接合体の製造方法および回路基板の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、産業機器の高性能化に伴い、それに搭載されるパワーモジュールの高出力化が進んでいる。これに伴い半導体素子の高出力化が進んでいる。半導体素子の動作保証温度は、１２５℃～１５０℃であるが、今後は１７５℃以上に上昇することが見込まれている。

【0003】

半導体素子の動作保証温度の上昇に伴いセラミックス金属回路基板に対して高いサーマルサイクルテスト（ＴＣＴ）特性が要求される。ＴＣＴは、低温→室温→高温→室温を１サイクルとし、セラミックス金属回路基板の耐久性を測定する試験である。

【0004】

従来のセラミックス金属回路基板の一例は、空隙が無いろう材はみ出し部を有する。窒化珪素基板を使用した例は５０００サイクルの耐久性を有する。ろう材はみ出し部の空隙を無くすことにより、ＴＣＴ特性を改善することができる。しかしながら、半導体素子の高性能化に伴い動作保証温度が１７５℃に上昇することが見込まれている。

【0005】

動作保証温度が１７５℃以上の場合、はみ出し部の空隙を無くすだけでは十分にＴＣＴ特性を向上させることは困難である。このことは、接合層の硬さに起因すると考えられる。

【0006】

従来のろう材の例は、接合層に６７質量％Ａｇ－２０質量％Ｃｕ－１０質量％Ｓｎ－３質量％Ｔｉからなるろう材を含む。Ａｇ－Ｃｕ系ろう材はＡｇＣｕ共晶を利用した例であるため、質量比でＡｇ：Ｃｕ＝７：３になるように混合されている。ＡｇＣｕ共晶は比較的硬い結晶であるため、接合層の硬度が高い。接合層が硬いと、セラミックス基板と銅板との間に生じる応力を十分に緩和できない。このことは、高温環境下でＴＣＴを行うと顕著である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】国際公開第２０１１／０３４０７５号公報

【発明の概要】

【0008】

実施形態に係る接合体の製造方法は、セラミックス部材と銅板とを接合する接合層を形成する工程を具備する。接合層を形成する工程は、セラミックス部材上に接合ろう材ペーストを塗布し、接合ろう材ペースト上に銅板を配置する工程と、非酸化性雰囲気中、７００℃以上９００℃以下の温度および１×１０^－３Ｐａ以下の圧力下で、接合ろう材ペーストを介してセラミックス部材と銅板とを加熱接合する工程と、を含む。接合ろう材ペーストは、Ａｇと、Ｃｕと、Ｔｉと、を含有するとともに、Ｓｎ、Ｉｎ、およびＣからなる群から選ばれる少なくとも一つの元素をさらに含有する。接合ろう材ペーストのＣｕに対するＡｇの質量比Ａｇ／Ｃｕは、２．１以下である。接合ろう材ペーストのＳｎおよびＩｎからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素の含有量は、５質量％以上２０質量％以下である。接合ろう材ペーストのＴｉの含有量は、５質量％以上である。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】セラミックス－銅接合体の一例を示す図。

【図2】セラミックス－銅接合体の一例を示す図。

【図3】セラミックス基板と銅板との接合端部の一例を示す図。

【図4】ナノインデンタを用いた荷重条件を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0010】

図１、図２は、セラミックス－銅接合体の一例を示す図である。図１、図２は、接合体１と、セラミックス基板２と、銅板３（表銅板３１、裏銅板３２）と、接合層４（表面側接合層４１、裏面側接合層４２）と、接合層４の中心部５と、銅板３と接合層４との界面から銅板３の厚さ方向に１００μｍの位置の領域６と、を図示している。

【0011】

図１に示す接合体１はセラミックス基板２の片面に接合された銅板３を有する。図２に示す接合体１はセラミックス基板２の両面に接合された表銅板３１、裏銅板３２を有する。表銅板３１は、表面側接合層４１を介してセラミックス基板２の一面に接合され、裏銅板３２は、裏面側接合層４２を介してセラミックス基板２の他の一面に接合されている。図１、図２は、接合体１が片面に接合された一つの銅板を有する例を示しているが、片面に接合された複数の銅板を有していてもよい。

【0012】

セラミックス基板２の３点曲げ強度は５００ＭＰａ以上であることが好ましい。上記強度が５００ＭＰａ以上であるセラミックス基板を使うことにより、基板厚さを０．４ｍｍ以下に薄くすることができる。３点曲げ強度が５００ＭＰａ以上のセラミックス基板としては、窒化珪素基板、高強度化した窒化アルミニウム基板、アルミナ基板、ジルコニア含有アルミナ基板等が挙げられる。

【0013】

これらのセラミックス基板の中では窒化珪素基板が好ましい。通常の窒化アルミニウム基板、アルミナ基板は３点曲げ強度が３００～４５０ＭＰａ程度である。５００ＭＰａ未満の強度では基板厚さを０．４ｍｍ以下に薄くするとＴＣＴ特性が低下する。特に、ＴＣＴの高温側が１７５℃以上と高いときに耐久性が低下する。

【0014】

窒化珪素基板は、３点曲げ強度５００ＭＰａ以上、さらには６００ＭＰａ以上と高強度を実現することができる。熱伝導率は５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、さらには８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上を実現することができる。近年は高強度と高熱伝導の両方を実現することができる窒化珪素基板もある。３点曲げ強度５００ＭＰａ以上、熱伝導率８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の窒化珪素基板であれば、基板厚さを０．３０ｍｍ以下と薄くすることもできる。３点曲げ強度はＪＩＳ－Ｒ－１６０１、熱伝導率はＪＩＳ－Ｒ－１６１１に準じて測定される。

【0015】

銅板３の厚さは０．３ｍｍ以上、さらには０．７ｍｍ以上であることが好ましい。銅板３を厚くすることにより、放熱性を向上させることができる。回路基板に用いる場合に通電容量を増やすことができる。

【0016】

熱抵抗（Ｒｔｈ）は、式：Ｒｔｈ＝Ｈ／（ｋ×Ａ）により求められる。Ｈは熱伝達経路を表し、ｋは熱伝導率を表し、Ａは放熱面積を表す。熱抵抗（Ｒｔｈ）を小さくするためには、熱伝達経路（Ｈ）を短くすること、熱伝導率（ｋ）を大きくすること、放熱面積（Ａ）を大きくすることが挙げられる。実施形態にかかる接合体はセラミックス基板２を薄型化することにより、熱伝導率が低い部分の熱伝達経路を短くすることができる。また、銅板３を厚くすることにより、接合体の熱伝導率（ｋ）および放熱面積（Ａ）を大きくすることができる。この結果、熱抵抗（Ｒｔｈ）を小さくすることができる。

【0017】

接合層４のナノインデンテーション硬さＨ_ＩＴは、１．０～２．５ＧＰａの範囲内であることが好ましい。ナノインデンテーション硬さＨ_ＩＴが１．０ＧＰａ未満では接合層４が柔らかすぎるため接合強度が不足する。一方、２．５ＧＰａを超えて大きいと接合層４が硬いため、高温環境下でのＴＣＴ特性が不足する。このため、接合層のナノインデンテーション硬さＨ_ＩＴが１．０～２．５ＧＰａ、さらには１．１～２．１ＧＰａの範囲内が好ましい。

【0018】

ナノインデンテーション硬さＨ_ＩＴは、ナノインデンタ（Ｎａｎｏｉｎｄｅｎｔｅｒ）を用いて測定される。ナノインデンタを用いた測定では、微細な力で試料表面に圧子を押し込み、その際の押し込み深さと押し込み力を測定することで硬さを求めることができる。ナノインデンタの圧痕は１μｍ程度と小さい。このため微小領域の硬さを測定することができる。ナノインデンタを用いれば、銅板を除去しなくても測定できる。ナノインデンテーション硬さＨ_ＩＴは、例えばＨｙｓｉｔｒｏｎ社製のナノインデンタを用い、バーコビッチ型ダイヤモンドの三角錐圧子を用いて測定される。最大荷重は１５００μＮ（マイクロニュートン）であり、５０秒かけて徐々に荷重を上げていく。荷重のかけ方は図４に示す通りである。このときの押込み深さを測定し、ナノインデンテーション硬さＨ_ＩＴが求められる。

【0019】

ナノインデンタによる測定は、接合体の任意の断面にて行われる。断面を表面粗さＲａが５μｍ以下になるように研磨する。接合層４の中心部５に沿って測定する。接合層４の中心部５に沿った箇所を任意に３ヶ所測定し、その平均値をナノインデンテーション硬さＨ_ＩＴとする。

【0020】

実施形態に係る接合体は、柔らかい接合層を有する。そのため、ＴＣＴの高温側が１７５℃以上であっても、優れた耐久性を示す。よって、半導体回路基板に上記接合体を用いたとき、優れた信頼性を得ることができる。

【0021】

銅板３のビッカース硬さＨ_Ｖは１００以下であることが好ましい。銅板３のビッカース硬さＨ_Ｖは４０～８０の範囲内であることがより好ましい。ビッカース硬さＨ_Ｖは、ＪＩＳ－Ｒ－１６１０に準じて測定される。柔らかい銅板３を用いることにより、熱応力を低減することができる。銅板３は、再結晶構造を有するため、硬さを下げることができる。銅板３は、２次再結晶させて粒径を大きくして形成されることが好ましい。銅版３の硬さは、銅板表面に荷重５０ｇｆ、荷重保持時間１０秒、にて圧子により荷重を加え、圧痕の２方向の対角線長さから求められる。

【0022】

銅板３における、銅板３と接合層４の接合界面から銅板３の厚さ方向に１００μｍ離れた箇所６のナノインデンテーション硬さＨ_ＩＴと接合層のナノインデンテーション硬さＨ_ＩＴの差が０．５ＧＰａ以下であることが好ましい。図１は、銅板３における、銅板３と接合層４の接合界面から１００μｍ離れた箇所６を例示している。箇所６に沿ってナノインデンテーション硬さＨ_ＩＴを測定する。ナノインデンタを用いて前述と同様の方法にて任意の３箇所を測定する。その平均値を箇所６のナノインデンテーション硬さＨ_ＩＴとする。箇所６のナノインデンテーション硬さＨ_ＩＴと接合層４のナノインデンテーション硬さＨ_ＩＴの差が０．５ＧＰａ以下であるということは、銅板３中に接合層４成分が拡散していることを示す。これにより、接合強度を向上させると共に、熱応力に強い接合体とすることができる。

【0023】

銅板３と接合層４の境界は、銅リッチ状態になっているので区別可能である。必要に応じ、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）により元素マッピングすることも有効である。銅板３に接合層４中のＡｇが拡散したとしても、銅板３中のＡｇ量は、接合層４中のＡｇ量よりも少ないため、銅板３と接合層４の境界は区別できる。

【0024】

接合層４は、Ａｇ－Ｔｉ化合物を有することが好ましい。接合層４は、ＴｉＣを有することが好ましい。Ａｇ－Ｔｉ化合物またはＴｉＣを存在させることにより、接合層４のナノインデンテーション硬さＨ_ＩＴを制御することができる。Ａｇ－Ｔｉ結晶、ＴｉＣの有無はＸ線回折（ＸＲＤ）分析によるピークの有無で測定することができる。

【0025】

接合層４のナノインデンテーション硬さＨ_ＩＴを制御するためには、接合ろう材を調整することが好ましい。接合ろう材としては、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、およびＴｉ（チタン）を含むろう材が好ましい。接合層４は、Ｉｎ（インジウム）、Ｓｎ（錫）、およびＣ（炭素）から選ばれる少なくとも一つの元素を含むことが好ましい。

【0026】

Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉからなるろう材の場合、Ａｇが４０～８０質量％、Ｃｕが１５～４５質量％、Ｔｉが１～１２質量％、Ａｇ＋Ｃｕ＋Ｔｉ＝１００質量％、の範囲であることが好ましい。Ｉｎ、Ｓｎを添加する場合は、ＩｎおよびＳｎから選ばれる少なくとも一つの元素の添加量が５～２０質量％であることが好ましい。Ｃを添加する場合は、０．１～２質量％の範囲内であることが好ましい。Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｓｎ（またはＩｎ）、Ｃの５種類からなる場合、Ａｇを４０～８０質量％、Ｃｕを１５～４５質量％、Ｔｉを１～１２質量％、Ｓｎ（またはＩｎ）を５～２０質量％、Ｃを０．１～２質量％、Ａｇ＋Ｃｕ＋Ｔｉ＋Ｓｎ（またはＩｎ）＋Ｃ＝１００質量％、の範囲に調整することが好ましい。

【0027】

接合層４のナノインデンテーション硬さＨ_ＩＴを１．０～２．５ＧＰａの範囲に制御するには、Ｃｕに対するＡｇの質量比Ａｇ／Ｃｕを２．４以下、さらには２．１以下にすることが好ましい。質量比Ａｇ／Ｃｕを１．２以上１．７以下にすることが好ましい。この範囲に制御すると、ナノインデンテーション硬さＨ_ＩＴを１．０～２．５ＧＰａ、さらには１．１～２．１ＧＰａの範囲に制御し易くなる。

【0028】

Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉろう材は、Ａｇ－Ｃｕの共晶を利用して接合する。Ａｇ－Ｃｕ共晶はＡｇ７２質量％、Ｃｕ２８質量％である。このため質量比Ａｇ／Ｃｕは２．５７となる。通常のＡｇ－Ｃｕ－Ｔｉろう材では質量比Ａｇ／Ｃｕは２．５７前後となる。一方でＡｇ－Ｃｕ共晶は硬い結晶である。Ａｇ－Ｃｕ共晶結晶が増えると接合層が硬くなる。そのため、接合層の硬度も高くなる。Ａｇ－Ｃｕ共晶結晶が均一に形成されないと、ビッカース硬度のバラツキも大きくなる。

【0029】

Ａｇ－Ｃｕ共晶結晶の割合が減ると接合層４が軟らかくなる。軟らかくなりすぎてもＴＣＴ特性が低下する。そのため、Ａｇ／Ｃｕを制御することが好ましい。銅板／接合層／セラミックス基板の積層構造を有する場合、弱い部分から熱応力で破壊される。３点曲げ強度５００ＭＰａ以上のセラミックス基板を使うことにより、セラミックス基板に割れが発生することを防ぐことができる。セラミックス基板の強度が低いと、熱応力でセラミックス基板に割れが発生し易くなる。このため、３点曲げ強度５００ＭＰａ以上の高強度セラミックス基板を用いる場合に有効な技術である。

【0030】

高強度セラミックス基板を用いても、熱応力により接合層自体に割れが発生する現象が起きる。接合層のナノインデンテーション硬さを低くすることにより、接合層で熱応力を緩和することができる。しかしながら、接合層が軟らかすぎても、熱応力で接合層に割れが発生し易くなる。

【0031】

接合層のナノインデンテーション硬さＨ_ＩＴを１．０～２．５ＧＰａの範囲内にするためには、Ａｇ／Ｃｕ質量比の制御、Ａｇ－Ｔｉ結晶の生成、ＴｉＣ結晶の生成のいずれか１種または２種以上を組み合わせることが有効である。

【0032】

接合後の接合層の厚さを５μｍ以上３５μｍ以下の範囲内にすることも有効である。接合層が５μｍ未満と薄いと、熱応力を緩和機能が不足するおそれがある。接合強度が低下する恐れがある。一方、接合層の厚さが３５μｍを超えると、コストアップの要因となる。このため、接合層の厚さは１５～２５μｍが好ましい。なお、接合層の厚さには加熱接合工程により形成されたＴｉＮ層の厚さも含む。

【0033】

Ａｇ／Ｃｕの質量比を２．４以下にすることにより、共晶組成よりもＣｕ量を増やすことができる。Ｃｕ量を増やすことにより、接合層の硬度を下げることができる。ろう材がＩｎ、Ｓｎ、およびＣから選ばれる少なくとも一つの元素を含むことも有効である。ＩｎまたはＳｎは低温での接合を可能にし（ろう材の溶融点を下げる）、接合体の残留応力を減少させることができる。残留応力の低減は接合体の熱サイクル信頼性向上に有効である。ＩｎまたはＳｎの１種または２種の含有量が５質量％未満では添加による効果を十分に得ることができない。一方、２０質量％を超えると接合層が硬すぎるおそれがある。

【0034】

Ｃは接合層の硬度のバラツキを低減するのに有効である。Ｃ（炭素）はろう材の流動性を制御することができる。Ｃを０．１～２質量％添加することにより、流動性を抑制できる。そのため、接合層の硬さのバラツキを小さくすることができる。Ｃの添加量が０．１質量％未満では添加の効果が不十分である。一方、Ｃの添加量が２質量％を超えて多いと接合層が硬くなりすぎるおそれがある。

【0035】

Ｔｉは１～１２質量％、さらには５～１１質量％の範囲であることが好ましい。Ｔｉは窒化珪素基板の窒素と反応してＴｉＮ（窒化チタン）相を形成する。ＴｉＮ相の形成は、接合強度を向上させることができる。金属板の接合強度（ピール強度）を１７ｋＮ／ｍ以上、さらには２０ｋＮ／ｍ以上と高くすることができる。Ａｇ／Ｃｕの質量比を２．４以下にしたときは、Ｔｉ量を５質量％以上にすることが好ましい。Ｃｕ量の増加によりＡｇ－Ｃｕ共晶結晶の量が減り、ろう材はみ出し部が硬くなりすぎて熱応力の緩和効果が不十分になることを抑制できる。一方、Ｔｉ量を増やすことにより、ろう材を加熱した際に、Ａｇ－Ｔｉ結晶、ＴｉＣ結晶が形成され易くなる。Ａｇ－Ｔｉ結晶、ＴｉＣ結晶は、ＴｉＮ（窒化チタン）にならなかったＴｉがＡｇ（銀）またはＣ（炭素）と反応して形成される。反応により形成されるため微小な結晶化合物とすることができる。

【0036】

接合層４中のＡｇ－Ｔｉ結晶、ＴｉＣ結晶の有無はＸＲＤにより確認できる。接合層断面を表面粗さ１μｍ以下になるように研磨した研磨面を測定する。ＸＲＤ分析は、Ｃｕターゲット（Ｃｕ－Ｋα）、管電圧４０ｋＶ、管電流４０ｍＡ、スキャンスピート２．０度／ｍｉｎ、スリット（ＲＳ）０．１５ｍｍ、走査範囲（２θ）１０度～６０度の測定条件で実施される。

【0037】

３７．５度～３８．５度の範囲に、Ａｇのピーク（Ｉ_Ａｇ）とＡｇＴｉのピーク（Ｉ_ＡｇＴｉ）が検出されることが好ましい。Ｉ_ＡｇとＩ_ＡｇＴｉのピーク比（Ｉ_ＡｇＴｉ／Ｉ_Ａｇ）は０．５以上１．２以下の範囲であることが好ましい。ＸＲＤピーク比は、接合層中のＡｇ結晶とＡｇＴｉ結晶の存在割合を示す。所定のピーク比の範囲内であることは、ＡｇＴｉ結晶が存在することを示す。

【0038】

接合工程では、上記接合ろう材ペーストを調製し、セラミックス部材上に接合ろう材ペーストを塗布し、その上に銅板３を配置する。接合ろう材ペーストの塗布厚さは１０～４０μｍの範囲であることが好ましい。塗布厚さが１０μｍ未満では接合ろう材が不足するために接合強度が低下する恐れがある。塗布厚さが４０μｍを超えて厚いと、接合強度の改善が見られないだけでなく、コストアップの要因となる。銅板３を両面に接合する場合は、セラミックス部材の両面に接合ろう材ペーストを塗布する。

【0039】

次に、加熱接合を行う。加熱温度は７００～９００℃の範囲である。非酸化雰囲気中、１×１０^－３Ｐａ以下の圧力下で加熱接合を行うことが好ましい。加熱接合工程は加熱温度７００～９００℃の範囲内で１０分以上保持することが好ましい。保持時間は３０分以上がより好ましい。保持時間を設けることにより、ろう材中のＡｇが銅板３に拡散する。これにより、箇所６のナノインデンテーション硬さＨ_ＩＴと接合層４のナノインデンテーション硬さＨ_ＩＴの差を０．５ＧＰａ以下に制御し易くなる。

【0040】

加熱工程後に冷却速度を５℃／分以上で急冷することが好ましい。急冷工程は接合層４の凝固点温度まで行うことが好ましい。急冷工程を行うと、接合層４を早期に固めることができる。加熱工程により溶けたろう材が早期に固まって接合層が形成されることにより、ナノインデンテーション硬さＨ_ＩＴのバラツキを低減することができる。

【0041】

次に、必要に応じ、エッチング工程を行う。エッチング工程により銅板３のパターニングを行う。特に、接合体を半導体回路基板として使う場合は、パターン形状に加工する。エッチング加工を用いて、銅板側面に傾斜構造を設けることが好ましい。図３にセラミックス基板と銅板の接合端部の一例を示す。図３は、セラミックス基板２と、銅板３と、接合層はみ出し部７と、接合層はみ出し部７の長さＷと、銅板３の側面と接合層はみ出し部７との接触角度θと、を図示している。

【0042】

銅板側面に傾斜構造を設け、接合層はみ出し部を設けることにより、銅板とセラミックス基板の応力を緩和できる。これにより、さらにＴＣＴ特性を向上させることができる。

【0043】

接合層はみ出し部７は接合層が銅板側面からはみ出している。接合層はみ出し部７の長さＷは１０～１５０μｍが好ましい。接合層はみ出し部７の長さＷ／接合層はみ出し部７の厚さが０．５～３．０の範囲であることが好ましい。接合層はみ出し部７の長さＷ／接合層はみ出し部７の厚さが１．０～２．０の範囲内であることがより好ましい。

【0044】

接合層はみ出し部７の長さと厚さを制御することにより、熱応力（収縮および膨張）の方向性を均一化することができる。これにより、セラミックス基板中および接合層中のクラック発生を抑制できる。

【0045】

銅板側面の傾斜角度θは、銅板３の断面を観察したときの、側面の角度である。角度θは４０～８４度の範囲が好ましい。傾斜構造を設けた方が熱応力の緩和効果が向上する。接合層はみ出し部７と接触する銅板３の側面は傾斜していることが好ましい。銅板３の上端部の角度（銅板３の上面に対する側面の角度）は８５～９５度と略垂直であることが好ましい。特に、金属板の厚さが０．６ｍｍ以上、さらには０．８ｍｍ以上であるときにこのような構造が有効である。接合層はみ出し部と接触する銅板側面の傾斜角度θを４０～８４度、銅板の上端部の角度を８５～９５度とすると応力緩和効果を得た上で、銅板の平坦面を増やすことができる。銅板の平坦面が増えると、半導体素子の搭載可能面積を広くすることができる。半導体素子の搭載可能面積を広くできると回路設計の自由度を高めることができる。このためには、図３に示すように、銅板を厚さ方向に二分したとき、接合層はみ出し部と接触する角度が４０～８４度の範囲であることが好ましい。

【0046】

以上のように接合層のナノインデンテーション硬さＨ_ＩＴを制御することにより、ＴＣＴの高温側が１７５℃以上と高くなったとしても、優れた耐久性を示す。銅板側面傾斜形状および接合層はみ出し部を設けることにより、さらにＴＣＴ特性を向上させることができる。

【0047】

このため、接合体を半導体回路基板に用いたとき、優れた信頼性を得ることができる。言い換えると、実施形態に係る接合体は、半導体回路基板に適している。半導体回路基板の少なくとも一つの銅板３に半導体素子を搭載することにより半導体装置となる。

【0048】

実施形態に係る半導体回路基板は、ＴＣＴの高温側が１７５℃以上であるとしても、優れた耐久性を示す。このため、動作保証温度が１７０℃以上の半導体素子を搭載したとしても、優れた信頼性を得ることができる。

【実施例】

【0049】

（実施例１～６、比較例１）
セラミックス基板として、表１に示す窒化珪素基板を用意した。

【0050】

【表1】

【0051】

接合ろう材として表２に示すろう材を用意した。

【0052】

【表2】

【0053】

窒化珪素基板上に接合ろう材ペーストを塗布して、銅板を配置した。なお、接合ろう材ペーストの塗布厚さは２０～３０μｍの範囲内とした。

【0054】

次に、接合工程として、７８０～８５０℃、非酸化性雰囲気、１×１０^－３Ｐａ以下の条件銅板を窒化珪素板に接合した。接合工程は上記温度の範囲で３０分以上保持した。実施例では加熱接合後の冷却速度を５℃／分以上とした。比較例では冷却速度を２℃／分以下とした。

【0055】

次にエッチング工程を行い、表銅板をパターン形状に加工した。表銅板として縦２０ｍｍ×横３０ｍｍ×厚さ０．８ｍｍの２つの銅板を用意し、銅板間の距離を１．２ｍｍとした。裏銅板として縦４０ｍｍ×横３２ｍｍ×厚さ０．８ｍｍの１つの銅板を用意した。

【0056】

エッチング加工により銅板側面形状、接合層はみ出し部の長さを調整した。その結果を表３に示す。これにより実施例および比較例に係るセラミックス－銅接合体を作製した。銅板のビッカース硬さＨ_Ｖは４０～８０の範囲内であった。

【0057】

【表3】

【0058】

実施例および比較例にかかるセラミックス回路基板は接合層が１５～２５μｍの範囲内であった。接合ろう材中のＡｇが銅部材に拡散していることが確認された。実施例および比較例にセラミックス回路基板に対し、接合層のナノインデンテーション硬さＨ_ＩＴを測定した。接合体を切断し、切断面を表面粗さＲａが５μｍ以下になるように研磨した。接合層の中心線に沿った箇所を任意に３箇所選び測定した。その平均値を算出した。接合層のナノインデンテーション硬さＨ_ＩＴをＨ_ＩＴ（Ａ）と表記する。

【0059】

銅板における銅板と接合層の接合界面から銅板の厚さ方向に１００μｍ離れた箇所のナノインデンテーション硬さＨ_ＩＴについても測定した。銅板における接合層と銅板との界面から銅板の厚さ方向に１００μｍ離れた箇所を任意に３箇所選び測定した。その平均値と、前述の接合層のナノインデンテーション硬さＨ_ＩＴとの差を示した。銅板における銅板と接合層の接合界面から銅板の厚さ方向に１００μｍ離れた箇所のナノインデンテーション硬さＨ_ＩＴをＨ_ＩＴ（Ｂ）と表記する。

【0060】

ナノインデンタとしてＨｙｓｉｔｒｏｎ社製「ＴＩ９５０トライボンデンタ」を用いた。圧子としてバーコビッチ型ダイヤモンドの三角錐圧子を用いた。荷重条件は、最大荷重１５００μＮ（マイクロニュートン）とし、図４に示すように５０秒かけて徐々に荷重を上げていく方法とした。なお、図４は横軸が秒（ｓ）、縦軸が荷重（μＮ）である。このときの押込み深さを測定し、ナノインデンテーション硬さＨ_ＩＴを求めた。

【0061】

接合層中にＡｇ－Ｔｉ化合物結晶、ＴｉＣ結晶の有無を測定した。ピーク比（Ｉ_ＡｇＴｉ／Ｉ_Ａｇ）についても調べた。これらはＸＲＤ分析によるピークの有無にて調べた。ＸＲＤ分析は、Ｃｕターゲット（Ｃｕ－Ｋα）、管電圧４０ｋＶ、管電流４０ｍＡ、スキャンスピート２．０度／ｍｉｎ、スリット（ＲＳ）０．１５ｍｍ、走査範囲（２θ）１０～６０度の測定条件で実施した。ピーク比（Ｉ_ＡｇＴｉ／Ｉ_Ａｇ）については３７．５～３８．５度の範囲において、Ａｇ結晶の最大ピークをＩ_Ａｇ、ＡｇＴｉ結晶の最大ピークをＩ_ＡｇＴｉとして求めた。その結果を表４に示す。

【0062】

【表4】

【0063】

表から分かる通り、実施例に係るセラミックス－銅接合体は、ナノインデンテーション硬さＨ_ＩＴ（Ａ）が１．０～２．５ＧＰａの範囲内であった。ナノインデンテーション硬さＨ_ＩＴ（Ａ）と、銅板における銅板と接合層の接合界面から銅板の厚さ方向に１００μｍ離れた箇所のナノインデンテーション硬さＨ_ＩＴ（Ｂ）と、の差は０．５ＧＰａ以下であった。接合層中に、Ａｇ－Ｔｉ化合物結晶が確認された。接合ろう材にＣを添加したろう材に、ＴｉＣ結晶が確認された。これに対し、比較例は、いずれも好ましい範囲を外れていた。

【0064】

次に、実施例および比較例に係るセラミックス－銅接合体に対し、銅板の接合強度を測定し、ＴＣＴを行った。銅板の接合強度は、ピール強度で求めた。具体的には、金属回路板に１ｍｍ幅の金属端子を接合し、垂直方向に引張ってピール強度を測定した。

【0065】

ＴＣＴは、２種類の条件で行った。試験１は－４０℃×３０分保持→室温×１０分保持→１７５℃×３０分保持→室温×１０分保持を１サイクルとし、３０００サイクル後のセラミックス金属回路基板の不具合の有無を測定した。試験２は－４０℃×３０分保持→室温×１０分保持→２５０℃×３０分保持→室温×１０分保持を１サイクルとし、３０００サイクル後のセラミックス金属回路基板の不具合の有無を測定した。セラミックス金属回路基板の不具合の有無は超音波探傷装置（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈ：ＳＡＴ）によりセラミックス基板と金属板の間のクラック発生面積を求めた。クラック発生面積は指数ηとして評価した。ηが１００％の場合を「クラックなし」、０％の場合を「全面的にクラック発生」として示した。その結果を表５に示す。

【0066】

【表5】

【0067】

表から分かる通り、実施例に係るセラミックス－銅接合体はピール強度、ＴＣＴ特性も優れていた。これに対し、比較例では低下した。特に、ＴＣＴは悪い結果であった。銅板が０．６ｍｍ以上と厚いときに、１７０℃以上の高温条件下で熱応力を十分に緩和できていないことが分かった。この結果から、実施例に係るセラミックス－銅接合体は高温環境下でのＴＣＴ特性に優れていることが分かる。このため、動作保証温度が１７０℃以上の半導体素子を搭載するための半導体回路基板に好適である。

【0068】

以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、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されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】