JP2001284796A - Ceramic circuit board and method of manufacturing it and method for controlling quality of ceramic circuit board - Google Patents
Ceramic circuit board and method of manufacturing it and method for controlling quality of ceramic circuit boardInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、セラミック絶縁基板上
に金属回路や金属放熱板を形成したセラミック回路基板
およびその製造方法に関し、更に詳しくは、優れた耐熱
サイクル性を要求される半導体実装型のモジュール基板
用途に好適なセラミック回路基板およびその製造方法に
関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a ceramic circuit board having a metal circuit and a metal radiating plate formed on a ceramic insulating substrate and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a semiconductor mounting type requiring excellent heat cycle resistance. And a method of manufacturing the same.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来より、半導体用途のセラミック回路
基板として、アルミナ（Ａｌ２Ｏ3）、窒化アルミニウ
ム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）等からなる絶縁基
板上に、銅やアルミニウム等の金属層からなる金属回路
や放熱板を活性金属ロー付け法等を用いて接合したもの
が種々検討されている。2. Description of the Related Art Conventionally, as a ceramic circuit board for semiconductor use, an insulating substrate made of alumina (Al 2 O 3 ), aluminum nitride (AlN), silicon nitride (Si 3 N 4 ), etc. Various studies have been made on joining a metal circuit or a heat sink made of the above metal layer using an active metal brazing method or the like.
【０００３】用いる絶縁基板の表面粗度Ｒmax及び熱伝
導率を規定した窒化珪素質放熱部材が特開平１１−３１
０４６４号公報に開示されている。金属板と絶縁基板と
の接合界面におけるボイドの面積率を規定したセラミッ
クス−金属複合回路基板が特開平９−２８３６７１号公
報に開示されている。所定の反りを有するセラミックス
基板を金属板に接合した回路基板が特開平１０−１６７
８０４号公報に開示されている。熱伝導率、三点曲げ強
度、各種厚みを同時に規定した窒化けい素回路基板が特
開平９−６９６７２号公報に開示されている。A silicon nitride radiating member which defines the surface roughness Rmax and thermal conductivity of an insulating substrate to be used is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 11-31.
No. 0464. Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-283671 discloses a ceramic-metal composite circuit board in which the area ratio of voids at a bonding interface between a metal plate and an insulating substrate is specified. A circuit board in which a ceramic substrate having a predetermined warp is joined to a metal plate is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-167.
No. 804. Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-69672 discloses a silicon nitride circuit board in which thermal conductivity, three-point bending strength, and various thicknesses are simultaneously specified.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】セラミック回路基板に
は半導体素子が搭載される。そのため、セラミック回路
基板には半導体素子の発熱及び放冷による熱サイクルが
かかる。絶縁基板と金属層の接合界面に熱応力が繰返し
かかるため、その結果、金属層の部分的な剥離を引き起
こす問題がある。このような剥離があると、放熱特性の
低下や不要な放電が発生しやすくなり、半導体素子の働
きが低下することになる。A semiconductor element is mounted on a ceramic circuit board. Therefore, the ceramic circuit board is subjected to a heat cycle due to heat generation and cooling of the semiconductor element. Since thermal stress is repeatedly applied to the bonding interface between the insulating substrate and the metal layer, there is a problem that the metal layer is partially separated. If such peeling occurs, heat radiation characteristics are reduced and unnecessary discharge is likely to occur, and the function of the semiconductor element is reduced.
【０００５】この金属層の剥離を抑制して信頼性を上げ
るには、回路基板の耐熱サイクル性を向上させる必要が
ある。耐熱サイクル性を向上する方法としては、金属回
路の角部を曲線状にしたり、金属回路端面の形状を台形
状に鈍角化して応力集中を緩和する方法や、金属層の接
合強度を向上する方法が一般的である。In order to increase the reliability by suppressing the peeling of the metal layer, it is necessary to improve the heat cycle resistance of the circuit board. As a method of improving the heat cycle resistance, a method of curving a corner portion of a metal circuit, a method of making a shape of a metal circuit end face obtuse into a trapezoidal shape to relieve stress concentration, and a method of improving bonding strength of a metal layer Is common.
【０００６】また、半導体回路基板を自動車、鉄道等の
輸送機器に用いる場合、優れた耐熱サイクルと搭載部品
の省スペース化とをいかに両立させるかが課題である。
特に、輸送機器分野においては、通常の基板分野と比較
して極めて高い信頼性が要求される。また、搭載部品の
小型化、集約化のため、従来は別体であった部品を一体
化するモジュール化の要請がある。モジュール化によ
り、搭載部品全体としては小型化されたが、回路基板自
体はむしろ大面積化が進んでいる。この大型化のため、
従来の方法では、輸送機器分野において要求される充分
な耐熱サイクル性を確保することは困難である。特に、
エッチング等により形成された金属回路側では、金属回
路形成面とセラミック露出面との接合部周辺に応力集中
しやすく、金属回路が剥離しやすい問題がある。Further, when the semiconductor circuit board is used in transportation equipment such as automobiles and railways, there is a problem how to achieve both excellent heat resistance cycle and space saving of mounted components.
In particular, in the field of transportation equipment, extremely high reliability is required as compared with the field of ordinary substrates. In addition, there has been a demand for modularization in which conventionally separate components are integrated to reduce the size and consolidation of mounted components. As a result of the modularization, the whole mounted components have been reduced in size, but the circuit board itself has been rather increased in area. For this large size,
With the conventional method, it is difficult to secure sufficient heat cycle resistance required in the field of transportation equipment. In particular,
On the metal circuit side formed by etching or the like, there is a problem that stress is likely to be concentrated around the joint between the metal circuit formation surface and the exposed ceramic surface, and the metal circuit is easily peeled.
【０００７】本発明は、自動車、鉄道等の輸送機器に用
いる場合においても、優れた耐熱サイクル性と搭載部品
の省スペース化とを両立可能なセラミック回路基板およ
びその製造方法を提供することを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a ceramic circuit board and a method for manufacturing the same, which can achieve both excellent heat cycle resistance and space saving of mounted components even when used for transportation equipment such as automobiles and railways. And
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】本発明の一態様である請
求項１に記載のセラミック回路基板は、セラミック回路
基板の鏡面研磨された切断面において観察されるセラミ
ック絶縁基板と金属回路との接合界面の凹凸形状から算
出される１０点平均表面粗度Ｒｚ（ＪＩＳ Ｂ０６０１
に準拠）が４μｍ以上なるように形成されている点を要
旨とする。かかる構成を採ることで、金属回路と絶縁基
板の接合部周辺に発生するクラックの伸展を効果的に防
止して、耐熱サイクル性を向上したセラミック回路基板
を提供することができる。１０点平均表面粗度Ｒｚの好
ましい範囲は６μｍ以上、より好ましくは７μｍ以上、
更には１０μｍ以上である。耐熱サイクル性を効果的に
向上できるからである。上限値としては、金属回路の接
合方法にもよるが、１００μｍ以下である。好ましくは
５０μｍ以下、更には３０μｍ以下、特には２０μｍ以
下である。According to the first aspect of the present invention, there is provided a ceramic circuit board comprising a ceramic circuit board and a metal circuit which are observed on a mirror-polished cut surface of the ceramic circuit board. 10-point average surface roughness Rz (JIS B0601) calculated from the uneven shape of the interface
(According to the above) is formed to be 4 μm or more. By adopting such a configuration, it is possible to provide a ceramic circuit board that effectively prevents cracks generated around the joint between the metal circuit and the insulating substrate and has improved heat cycle resistance. A preferable range of the 10-point average surface roughness Rz is 6 μm or more, more preferably 7 μm or more,
Furthermore, it is 10 μm or more. This is because the heat cycle resistance can be effectively improved. The upper limit is 100 μm or less, though it depends on the joining method of the metal circuit. It is preferably at most 50 μm, more preferably at most 30 μm, especially at most 20 μm.
【０００９】１０点平均表面粗度Ｒｚを用いて規定した
理由は、セラミック回路基板の鏡面研磨された切断面に
おいて観察される絶縁基板と金属回路との接合界面の凹
凸形状から容易に算出することができるため、製品を抜
き取り検査で管理する際に再現性が優れるからである。
また、他のＲａ（中心線平均粗度）やＲmax（最大高
さ）といったパラメータではそれらの定義上（ＪＩＳ
Ｂ ０６０１を参照。）、切断面の画像から接合後の凹
凸を測定して正確な中心線を求めて評価することが困難
だからである。The reason for using the 10-point average surface roughness Rz is that it can be easily calculated from the uneven shape of the joint interface between the insulating substrate and the metal circuit observed on the mirror-polished cut surface of the ceramic circuit substrate. This is because reproducibility is excellent when products are managed by sampling inspection.
Further, other parameters such as Ra (center line average roughness) and R max (maximum height) are defined in accordance with (JIS).
See B0601. This is because it is difficult to measure the unevenness after bonding from the image of the cut surface to obtain an accurate center line for evaluation.
【００１０】１０点平均表面粗度Ｒｚの求め方として
は、以下の方法が容易でよいが、画像解析装置を併用し
て求めてもよい。まず、セラミック回路基板の金属回路
の接合部の垂直方向の切断面を出して、ラップ鏡面研磨
を施す。続いて、切断面を光学顕微鏡や走査電子顕微鏡
（ＳＥＭ）等を用いて切断面を撮影する。得られたＳＥ
Ｍ像写真に表わされた凹凸形状を接合界面の凹凸を示す
曲線とみなして、ＪＩＳＢ ０６０１に準拠した方法で
Ｒｚを求める。The following method may be easily used to determine the 10-point average surface roughness Rz, but it may also be determined by using an image analyzer together. First, a vertical cut surface of a joint portion of a metal circuit of a ceramic circuit board is taken out, and lap mirror polishing is performed. Subsequently, the cut surface is photographed using an optical microscope, a scanning electron microscope (SEM), or the like. SE obtained
Rz is determined by a method in accordance with JISB0601 by regarding the uneven shape shown in the M image photograph as a curve indicating the unevenness of the bonding interface.
【００１１】一般に、熱サイクルに起因する金属とセラ
ミックとの接合部の疲労破壊は、熱サイクルによる接合
部の塑性歪みの繰り返しによることが知られている。そ
の塑性歪みの繰り返しにより、接合界面に微細なクラッ
クが発生してくるのである。このクラックは、熱サイク
ル数の増加とともに、接合界面を伸展していく。In general, it is known that fatigue fracture of a joint between a metal and a ceramic due to a thermal cycle is caused by repetition of plastic strain of the joint due to the thermal cycle. Due to the repetition of the plastic strain, fine cracks occur at the joint interface. These cracks extend along the bonding interface as the number of thermal cycles increases.
【００１２】しかし、接合界面に所定の凹凸形状を持た
せることで、クラックがその凹凸に衝突して進展が止め
られることになる。クラックがこれ以上に伸展しようと
するには、凹凸の山に沿って偏向しながら伸展していく
か、セラミック絶縁基板側へ伸展していくことになる。
クラックを更に伸展させるには、より高いエネルギーが
必要である。クラックを更に伸展させる過程でエネルギ
ーを消耗することでクラックの伸展速度は減少していく
ため、耐熱サイクル性が向上するのである。However, by providing a predetermined uneven shape at the bonding interface, the crack collides with the unevenness and the progress is stopped. In order to extend the crack more than this, the crack will extend while deflecting along the peaks and depressions, or will extend toward the ceramic insulating substrate.
Higher energy is needed to further extend the crack. As the energy is consumed in the process of further extending the crack, the rate of extension of the crack decreases, so that the heat cycle resistance is improved.
【００１３】接合界面の凹凸形状を所定の範囲にするに
は、金属回路を接合する前の絶縁基板の表面状態を事前
に凹凸にするのがよい。凹凸にする方法としては、機械
的加工による方法、化学的に溶解する方法、物理的に除
去する方法のみならず、焼結体の表面に焼成により凹凸
が形成されるように添加物や焼成雰囲気を制御する方法
等を用いることができる。金属回路を接合する前の絶縁
基板の表面状態を事前に凹凸にすることができる方法で
あれば、特には限定されない。例えば、サンドブラスト
加工、ドライエッチング加工といった物理的な乾式エッ
チング方法が好適である。また、レーザ加工も好適であ
る。In order to make the uneven shape of the bonding interface within a predetermined range, it is preferable to make the surface state of the insulating substrate uneven before the metal circuit is bonded. As a method of forming unevenness, not only a method by mechanical processing, a method of chemically dissolving, and a method of physically removing, but also an additive or a firing atmosphere so that unevenness is formed by firing on the surface of the sintered body. Can be used. The method is not particularly limited as long as the surface state of the insulating substrate before bonding the metal circuit can be made uneven in advance. For example, a physical dry etching method such as sandblasting or dry etching is suitable. Laser processing is also suitable.
【００１４】注意する必要があるのは、ここにいう金属
回路を接合する前に事前に調整された絶縁基板の表面状
態である凹凸の形状は、請求項１にいう「凹凸形状」と
はイコールではないことである。請求項１にいう「凹凸
形状」とは、あくまで絶縁基板と金属回路との接合界面
が構成する「みなされた曲線」を示すものである。接合
信頼性は、絶縁体表面の凹凸のみで決まるものではな
く、接合された金属回路と絶縁基板とがかみ合った状態
の界面のみなし曲線の凹凸形状で決まるからである。絶
縁基板の凹凸に対する金属回路のかみ込みの程度（みな
し曲線の凹凸形状）がアンカー効果としても影響する。
したがって、評価は接合後の切断面において観察される
金属回路と絶縁基板とがかみ合った状態の界面のみなし
曲線の凹凸形状で評価する。It should be noted that the irregular shape, which is the surface state of the insulating substrate adjusted before joining the metal circuit, is equal to the "irregular shape" in claim 1. It is not. The “concavo-convex shape” described in claim 1 indicates a “considered curve” formed by the bonding interface between the insulating substrate and the metal circuit. This is because the bonding reliability is determined not only by the irregularities on the surface of the insulator, but also by the concave and convex shape of the interface where the joined metal circuit and the insulating substrate are engaged. The degree of engagement of the metal circuit with respect to the unevenness of the insulating substrate (the uneven shape of the deemed curve) also affects the anchor effect.
Therefore, the evaluation is made based on the uneven shape of the curve having only the interface in which the metal circuit and the insulating substrate observed on the cut surface after bonding are engaged.
【００１５】金属回路の形成面の反対側の面には、半導
体素子から発生する熱を逃がすための放熱用の金属板を
接合するのがよい。放熱用の金属板の材質は、熱膨張係
数を合わせる観点から、金属回路の材質と同じ又は同等
の熱膨張係数の材質がよい。[0015] A metal plate for heat dissipation for releasing heat generated from the semiconductor element is preferably joined to the surface opposite to the surface on which the metal circuit is formed. From the viewpoint of adjusting the coefficient of thermal expansion, the material of the metal plate for heat dissipation is preferably a material having the same or equivalent thermal expansion coefficient as the material of the metal circuit.
【００１６】熱膨張率の差が信頼性に影響しない程度で
あれば、熱放散性を優先して、熱伝導率が金属回路のそ
れよりも低い材質を放熱用の金属板に用いるのがよい。
放熱用の金属板は、絶縁基板の全面に接合するのが熱放
散性の点でよい。尚、絶縁基板自体の熱放散性が良好あ
るいは半導体素子からの発熱量が少ないものであれば、
金属回路の形成面の反対側の面に放熱用の金属板を接合
する必要はない。If the difference in the coefficient of thermal expansion does not affect the reliability, it is better to use a material having a lower thermal conductivity than that of the metal circuit for the metal plate for heat radiation, giving priority to heat dissipation. .
The metal plate for heat dissipation may be joined to the entire surface of the insulating substrate in terms of heat dissipation. In addition, if the heat dissipation of the insulating substrate itself is good or the amount of heat generated from the semiconductor element is small,
It is not necessary to join a metal plate for heat dissipation to the surface opposite to the surface on which the metal circuit is formed.
【００１７】用いる絶縁基板の材質は特には制限はない
が、請求項２に記載のセラミック回路基板と同様に、Ｓ
ｉ3Ｎ4、Ａｌ2Ｏ3、Ａｌ６Ｓｉ２Ｏ１３（ムライト）、
ＡｌＮ、ＢｅＯ、ＳｉＣ、ＺｒＯ2、ＬａＧａＯ3から選
択される少なくとも１種を主体とするセラミックを用い
るのがよい。これらは、配線基板、センサ素子、セラミ
ック製部材等の種々の分野で実績のある材料である。セ
ラミック回路基板に要求される高い絶縁性、機械的強
度、熱放散性の観点から、Ｓｉ3Ｎ4、Ａｌ2Ｏ3、ＡｌＮ
が特に好ましい。Although the material of the insulating substrate to be used is not particularly limited, the material of the insulating substrate is the same as that of the ceramic circuit substrate according to the second aspect.
i 3 N 4 , Al 2 O 3 , Al 6 Si 2 O 13 (mullite),
It is preferable to use a ceramic mainly composed of at least one selected from AlN, BeO, SiC, ZrO 2 and LaGaO 3 . These are materials that have been proven in various fields such as wiring boards, sensor elements, and ceramic members. From the viewpoint of high insulation, mechanical strength, and heat dissipation required for ceramic circuit boards, Si 3 N 4 , Al 2 O 3 , AlN
Is particularly preferred.
【００１８】絶縁基板の材質に窒化珪素を用いた場合
は、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、１０００℃以下に
おける三点曲げ強度が６００ＭＰａ以上のものがよい。
優れた熱放散性と耐熱衝撃性を有するセラミック回路基
板を得ることができる。添加物としては、Ｓｒ、Ｃａ、
Ｍｇ等のアルカリ土類金属や、Ｙ、Ｌａ、Ｎｄ、Ｓｃ、
Ｐｒ、Ｃｅ、Ｓｍ、Ｄｙ、Ｇｄ等の希土類元素を含有し
ているとよい。When silicon nitride is used as the material of the insulating substrate, it is preferable that the thermal conductivity is 50 W / m · K or more and the three-point bending strength at 1000 ° C. or less is 600 MPa or more.
A ceramic circuit board having excellent heat dissipation and thermal shock resistance can be obtained. As additives, Sr, Ca,
Alkaline earth metals such as Mg, Y, La, Nd, Sc,
It is preferable to contain a rare earth element such as Pr, Ce, Sm, Dy, and Gd.
【００１９】絶縁基板の材質にＺｒＯ2を用いた場合
は、ＹやＳｃを含有しているとよい。ＬａＧａＯ3を用
いた場合は、Ｓｒ、Ｍｇ等のアルカリ土類金属や、Ｆ
ｅ、Ｎｉ、Ｃｏ等の鉄族元素を含んでいるのがよい。絶
縁基板は単独のセラミックで形成してもよいが、異なる
材質を用いた積層構造であってもよい。例えば、Ａｌ2
Ｏ3とＺｒＯ2を積層したり、ＬａＧａＯ3とＺｒＯ2を積
層したものを用いてもよい。酸素イオン伝導性を有する
絶縁基板を用いた半導体モジュール基板を形成できる。When ZrO 2 is used as the material of the insulating substrate, it is preferable that Y and Sc are contained. When LaGaO 3 is used, alkaline earth metals such as Sr and Mg, and F
It preferably contains an iron group element such as e, Ni, and Co. The insulating substrate may be formed of a single ceramic, or may have a laminated structure using different materials. For example, Al 2
A stack of O 3 and ZrO 2 or a stack of LaGaO 3 and ZrO 2 may be used. A semiconductor module substrate using an insulating substrate having oxygen ion conductivity can be formed.
【００２０】金属回路に用いる材質は特には制限はない
が、銅、アルミニウム、ニッケル、クロム、鉄、コバル
ト、モリブデン、タングステン、金、銀、白金の単体、
合金を用いることができる。薄膜技術を用いてこれらの
金属を多層化した金属回路を形成してもよい。その場
合、下地層としてチタン、ジルコニウム、ハフニウムを
用いるのがよい。金属回路と絶縁基板との密着性を向上
することができるからである。低抵抗、高熱伝導率、易
加工性、低コストの観点から、銅、銅合金、アルミニウ
ム、アルミニウム合金が好ましい。The material used for the metal circuit is not particularly limited, but a simple substance of copper, aluminum, nickel, chromium, iron, cobalt, molybdenum, tungsten, gold, silver, platinum,
Alloys can be used. A metal circuit in which these metals are multilayered may be formed by using a thin film technique. In that case, it is preferable to use titanium, zirconium, or hafnium as the underlayer. This is because the adhesion between the metal circuit and the insulating substrate can be improved. Copper, copper alloys, aluminum, and aluminum alloys are preferred from the viewpoints of low resistance, high thermal conductivity, easy workability, and low cost.
【００２１】金属回路と絶縁基板との接合方法として
は、公知の接合方法を用いることができる。回路基板に
好適な方法としては、セラミックとの接合に関して活性
な金属種（例えば、チタン、ジルコニウム、ハフニウ
ム）を含有するペースト状又は箔状のロウ材を介して金
属層をロウ付けする活性金属ロウ付け法、表面が酸化処
理されたＡｌＮ基板に銅板を用いて銅の融点以下でＣｕ
−Ｏの共晶温度以上で加熱して接合するＤＢＣ法（Dire
ct Bonding Copper法）、アルミナ製ＩＣパッケージ
で一般に用いられているＭｏ−Ｍｎ法、厚膜銅メタライ
ズ法等を挙げることができる。活性金属ロウ付け法は、
絶縁基板に窒化珪素を用いた場合に好適である。ＤＢＣ
法は、方法である。絶縁基板にＡｌＮを用いた場合に好
適である。As a joining method of the metal circuit and the insulating substrate, a known joining method can be used. A preferred method for a circuit board is an active metal brazing in which a metal layer is brazed through a paste or foil brazing material containing a metal species (for example, titanium, zirconium, hafnium) active for bonding with a ceramic. Attachment method, using a copper plate on an AlN substrate whose surface is oxidized
-Combination by heating above the eutectic temperature of -O
ct Bonding Copper method), Mo-Mn method, and thick-film copper metallization method generally used for alumina IC packages. The active metal brazing method is
It is suitable when silicon nitride is used for the insulating substrate. DBC
The law is the method. It is suitable when AlN is used for the insulating substrate.
【００２２】Ｍｏ−Ｍｎ法や厚膜銅メタライズ法の場
合、金属回路や放熱用の金属板をメタライズ層にロウ付
け接合する構成となる。この場合、凹凸形状を評価する
接合面は、メタライズ層と絶縁基板の界面の「みなし曲
線の凹凸形状」である。メタライズ層の表面には、酸化
防止のためにＮｉ、Ｎｉ−Ａｕ等のメッキ層を施すのが
よい。この厚膜形成法以外にも、ガラス成分を添付して
絶縁基板と同時焼成する同時焼成法（コファイヤ法）と
してもよい。In the case of the Mo-Mn method or the thick-film copper metallizing method, a metal circuit or a metal plate for heat radiation is brazed to the metallized layer. In this case, the bonding surface for evaluating the uneven shape is the “deemed curve unevenness” at the interface between the metallized layer and the insulating substrate. On the surface of the metallized layer, a plating layer of Ni, Ni-Au or the like is preferably applied to prevent oxidation. In addition to this thick film forming method, a simultaneous firing method (cofire method) in which a glass component is attached and fired simultaneously with the insulating substrate may be employed.
【００２３】請求項３は、絶縁基板に窒化珪素を用いた
場合の一態様を示すものである。２ａ族元素から選ばれ
る少なくとも１種の元素成分及び３ａ族元素から選ばれ
る少なくとも１種の元素成分を酸化物換算にて所定量含
有させることで、焼成後の絶縁基板の表面に適度な凹凸
を形成することができる。これら元素成分の酸化靴換算
における含有量を焼結体１００質量％中、１０質量％以
上に規定した理由は、１０質量％未満では、緻密質で焼
成ムラの少ない焼結体が得難くなるからである。A third aspect of the present invention is an embodiment in which silicon nitride is used for an insulating substrate. By adding a predetermined amount of at least one element component selected from the group 2a element and at least one element component selected from the group 3a element in terms of oxide, a suitable unevenness is formed on the surface of the insulating substrate after firing. Can be formed. The reason why the content of these elemental components in terms of oxidized shoes is specified to be 10% by mass or more in 100% by mass of the sintered body is that if it is less than 10% by mass, it is difficult to obtain a dense sintered body with less firing unevenness. It is.
【００２４】絶縁基板の室温における熱伝導率は、７０
Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高熱伝導にすることで、半導体素子か
ら発生した熱をすばやく逃すことが可能となる。しか
し、単に放熱特性に優れる絶縁基板を用いるだけでは、
必ずしも金属回路の接合信頼性を高めることはできな
い。優れた放熱特性を有する絶縁基板に、凹凸形状がも
たらす優れたクラック伸展を抑制する効果とを組み合せ
ることで、はじめて耐熱サイクル性に優れたセラミック
回路基板が得られるからである。The thermal conductivity of the insulating substrate at room temperature is 70
With high thermal conductivity of W / m · K or more, heat generated from the semiconductor element can be quickly released. However, simply using an insulating substrate with excellent heat dissipation characteristics
The joining reliability of the metal circuit cannot always be improved. This is because a ceramic circuit board excellent in heat cycle resistance can be obtained for the first time by combining an insulating substrate having excellent heat radiation characteristics with an excellent effect of suppressing crack extension caused by the uneven shape.
【００２５】請求項４は、セラミック回路基板の品質管
理方法の一態様を示すものである。本管理方法は破壊を
伴う検査であるから、製造ロットからの抜き取り検査が
前提となる。抜き取り数は、製造ロットの全数と製品に
要求される品質の水準によって適宜設定される。A fourth aspect of the present invention is an embodiment of a quality control method for a ceramic circuit board. Since this management method is an inspection accompanied by destruction, it is premised that a sampling inspection is performed from a production lot. The number of samples is set as appropriate depending on the total number of production lots and the level of quality required for products.
【００２６】ＪＩＳ Ｂ ０６０１に準拠した１０点平
均表面粗度Ｒzの値に基づいて品質管理を行うことで、
再現性と信頼性の高い抜き取り検査を行うことができ
る。ＪＩＳ Ｂ ０６０１に準拠した１０点平均表面粗
度Ｒzの測定方法については既に説明したため、ここで
は省略する。By performing quality control based on the value of the 10-point average surface roughness Rz according to JIS B0601,
Sampling inspection with high reproducibility and reliability can be performed. The method for measuring the ten-point average surface roughness Rz based on JIS B 0601 has already been described, and thus will not be described here.
【００２７】金属回路の接合後の状態で評価を行うた
め、接合前の焼結体の状態で表面粗度を評価する方法よ
りも確実に完成品としての品質状態を把握、管理できる
利点がある。接合工程自体に不具合があった場合にも検
出が容易である。Since the evaluation is performed in the state after the joining of the metal circuit, there is an advantage that the quality state as a finished product can be grasped and managed more reliably than the method of evaluating the surface roughness in the state of the sintered body before the joining. . It is easy to detect even if there is a defect in the joining process itself.
【００２８】[0028]
【実施例】本発明のセラミック回路基板の一態様を実施
例を用いて説明する。 （１）セラミック回路基板の作製 セラミック絶縁基板として、厚み０．４ｍｍの窒化珪素
製の絶縁基板（室温における三点曲げ強度が６００ＭＰ
ａ）を用意する。窒化珪素製の絶縁基板は、以下の手順
により作製する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of the ceramic circuit board of the present invention will be described with reference to embodiments. (1) Production of ceramic circuit board As a ceramic insulating board, an insulating board made of silicon nitride having a thickness of 0.4 mm (three-point bending strength at room temperature is 600 MPa)
Prepare a). An insulating substrate made of silicon nitride is manufactured by the following procedure.
【００２９】この窒化珪素原料粉末９０．５質量％と、
平均粒径３．０μｍの酸化セリウム粉末６．０質量％
と、平均粒径１．０μｍの炭酸ストロンチウム１０．９
７質量％（酸化ストロンチウム換算にて７．７質量％）
と混合して、混合粉末とする。この混合粉末と有機溶剤
と分散剤を窒化珪素球石を入れた樹脂ポット中に投入し
て、１６時間混合粉砕した後、バインダーを適量添加し
て更に４時間混合して、シート成形用のスラリを得る。90.5 mass% of the silicon nitride raw material powder,
Cerium oxide powder having an average particle size of 3.0 μm 6.0% by mass
And 10.9 strontium carbonate having an average particle size of 1.0 μm.
7% by mass (7.7% by mass in terms of strontium oxide)
To obtain a mixed powder. The mixed powder, the organic solvent, and the dispersant are put into a resin pot containing silicon nitride spheres, mixed and pulverized for 16 hours, then an appropriate amount of a binder is added and mixed for another 4 hours to form a slurry for sheet forming. Get.
【００３０】このスラリを真空脱泡した後、公知のドク
ターブレード法にてセラミックグリーンシートを作製す
る。得られたグリーンシートは、所定の大きさに裁断
し、その表面に焼結時の固着防止のための離型剤として
ボロンナイトライド（ＢＮ）を塗布した後に積層して脱
脂、焼成を行う。焼成は、２回に分けて行う。After degassing the slurry, a ceramic green sheet is prepared by a known doctor blade method. The obtained green sheet is cut into a predetermined size, and a surface thereof is coated with boron nitride (BN) as a release agent for preventing sticking during sintering, then laminated, degreased and fired. The firing is performed in two steps.
【００３１】１回目の焼成は、常圧の窒素雰囲気下にて
１７００℃で４時間保持して行う。２回目の焼成は、窒
素圧力７．５ＭＰａ下にて１９００℃で４時間保持して
行い、窒化珪素製の基板を得る。得られた基板は６０×
３０ｍｍの大きさに切断加工する。窒化珪素製の絶縁基
板の表面状態は、凹凸の多い粗い状態であり、これにサ
ンドブラストやバレル研磨、平面研削を行って粗さを低
減させて、様々の表面状態の窒化珪素製の絶縁基板を得
る。また、焼成したままの表面の絶縁基板も試験に用い
る。The first firing is carried out at 1700 ° C. for 4 hours in a nitrogen atmosphere at normal pressure. The second baking is performed at 1900 ° C. for 4 hours under a nitrogen pressure of 7.5 MPa to obtain a silicon nitride substrate. The obtained substrate is 60 ×
Cut to a size of 30 mm. The surface state of an insulating substrate made of silicon nitride is a rough state with many irregularities, and sandblasting, barrel polishing, and surface grinding are performed on the surface to reduce the roughness. obtain. Further, the insulating substrate on the as-fired surface is also used for the test.
【００３２】金属回路層としては、純銅板（Ｃ１１００
ＪＩＳ）を用いる。次に、上記絶縁基板および銅板を
６０ｍｍ×３０ｍｍの大きさに加工し、絶縁基板の両面
に銅板を接合する。接合は以下の活性金属法で行う。ろ
う材はＣｕ９０質量％Ｔｉ１０質量％の組成となるよう
に各元素粉末を秤量し、溶剤およびバインダーと混合す
ることにより得たペースト状ろう材である。このろう材
には、その液相点を降下させるために微量元素(珪素や
アルミニウムなど)も含んでいる。As the metal circuit layer, a pure copper plate (C1100
JIS) is used. Next, the insulating substrate and the copper plate are processed into a size of 60 mm × 30 mm, and the copper plates are bonded to both surfaces of the insulating substrate. Joining is performed by the following active metal method. The brazing material is a paste-like brazing material obtained by weighing each elemental powder so as to have a composition of 90% by mass of Cu and 10% by mass of Ti and mixing with a solvent and a binder. This brazing material also contains trace elements (such as silicon and aluminum) to lower its liquidus point.
【００３３】続いて、ペースト状のロウ材を窒化珪素製
の基板の両面にできる限り薄く塗布した後、銅板をセラ
ミック基板両面に配置する。銅板の両面に適度の圧力を
掛けたまま、真空中で１０００℃で１時間熱処理する。
室温まで冷却し、接合体を得る。Subsequently, after the paste brazing material is applied as thinly as possible on both sides of the silicon nitride substrate, copper plates are arranged on both sides of the ceramic substrate. While applying an appropriate pressure to both surfaces of the copper plate, heat treatment is performed at 1000 ° C. for 1 hour in a vacuum.
Cool to room temperature to obtain a joined body.
【００３４】次に、得られた接合体の一方の銅表面上
に、所定の回路パターンとなるようにエッチングレジス
トを形成し、塩化第二鉄水溶液を用いて不要部分の銅層
を剥離除去する。すべての試料について同じ回路パター
ンとした。続いて、フッ酸系水溶液によってセラミック
表面に残るろう材反応層を除去した後、エッチングレジ
ストを取り去り、熱サイクル試験に供するセラミック回
路基板を得る。Next, an etching resist is formed on one copper surface of the obtained joined body so as to have a predetermined circuit pattern, and an unnecessary portion of the copper layer is peeled off using an aqueous ferric chloride solution. . The same circuit pattern was used for all samples. Subsequently, after removing the brazing material reaction layer remaining on the ceramic surface with a hydrofluoric acid-based aqueous solution, the etching resist is removed, and a ceramic circuit board to be subjected to a thermal cycle test is obtained.
【００３５】（２）熱サイクル試験 熱サイクル試験は、以下の（ａ）及び（ｂ）の２種類を
行う。(2) Thermal cycle test The thermal cycle test includes the following two types (a) and (b).
【００３６】（ａ）実環境模擬熱サイクル試験（以下
「熱サイクル試験１」と称する。） 熱サイクル試験１は、実環境を模擬した条件である。１
サイクルは、大気中１５０℃×３０分→室温１５分→−
４０℃×３０分→室温１５分の条件とする。また、２０
０サイクル毎に試料を取り出し、金属回路と絶縁基板の
接合界面周辺に顕著なクラックや剥離の発生の有無を、
蛍光探傷法によって検査する。ここで、最大サイクル数
は３０００サイクルとする。(A) Real Environment Simulated Thermal Cycle Test (hereinafter referred to as “Thermal Cycle Test 1”) The thermal cycle test 1 is a condition simulating the real environment. 1
The cycle is 150 ° C x 30 minutes in the atmosphere → room temperature 15 minutes →-
40 ° C. × 30 minutes → room temperature 15 minutes Also, 20
Take out the sample every 0 cycles, and check for noticeable cracks and peeling around the interface between the metal circuit and the insulating substrate.
Inspect by fluorescence flaw detection. Here, the maximum cycle number is 3000 cycles.
【００３７】（ｂ）高温熱サイクル試験(以下「熱サイ
クル試験２」と称する。） 熱サイクル試験２は、半田リフローの条件を模擬した条
件である。１サイクルは、窒素中３５０℃×１０分→室
温の条件とする。また、１サイクル毎に試料を取り出
し、金属回路と絶縁基板の接合界面周辺に顕著なクラッ
クや剥離の発生の有無を、蛍光探傷法によって検査す
る。ここで、最大サイクル数は２０サイクルとする。(B) High-temperature heat cycle test (hereinafter referred to as “heat cycle test 2”) The heat cycle test 2 is a condition simulating the condition of solder reflow. One cycle is performed under the condition of 350 ° C. × 10 minutes → room temperature in nitrogen. Further, a sample is taken out every cycle, and the presence or absence of remarkable cracks or peeling around the bonding interface between the metal circuit and the insulating substrate is inspected by a fluorescent flaw detection method. Here, the maximum cycle number is 20 cycles.
【００３８】熱サイクル後にはすべての試料を面に直角
方向で切断し、その切断面はエメリー紙研磨、およびバ
フ研磨の過程を経て鏡面とする。そして得られた断面か
らＪＩＳ Ｂ ０６０１に従い１０点平均表面粗度Ｒz
を求める。ここで、測定の基準長さは０．８ｍｍとし、
評価長さは４ｍｍとする。After the heat cycle, all the samples are cut in a direction perpendicular to the surface, and the cut surface is made a mirror surface through a process of emery paper polishing and buffing. Then, a 10-point average surface roughness Rz is obtained from the obtained cross section according to JIS B0601.
Ask for. Here, the reference length of the measurement is 0.8 mm,
The evaluation length is 4 mm.
【００３９】[0039]
【表１】 [Table 1]
【００４０】１０点平均表面粗度Ｒzが４．０μm以上の
実施例である試料番号１〜試料番号３においては、熱サ
イクル試験１では３０００サイクルでも金属回路の剥離
が起こらず、また熱サイクル試験２でも１０サイクル以
上でも金属回路の剥離が起こらず、極めて信頼性に優れ
る結果である。特には、１０点平均表面粗度Ｒzが７．
０μm以上の実施例である試料番号１および試料番号２
では、熱サイクル試験１でも熱サイクル試験２でも極め
て良好な結果が得られているのがわかる。In Sample Nos. 1 to 3 which are Examples having a 10-point average surface roughness Rz of 4.0 μm or more, the thermal cycle test 1 did not cause peeling of the metal circuit even after 3000 cycles. Even if the number of cycles is 2 or 10 or more, the metal circuit does not peel off, which is an extremely excellent result. In particular, the 10-point average surface roughness Rz is 7.
Sample No. 1 and Sample No. 2 which are examples of 0 μm or more
It can be seen that in both the heat cycle test 1 and the heat cycle test 2, extremely good results were obtained.
【００４１】一方、１０点平均表面粗度Ｒzが４．０μm
以下の比較例である試料番号４および試料番号５におい
ては、熱サイクル試験1では２０００サイクル弱で金属
回路が剥離しており、信頼性に極めて優れるとは言い切
れない結果である。On the other hand, the ten-point average surface roughness Rz is 4.0 μm.
In Sample Nos. 4 and 5, which are comparative examples below, the metal circuit was peeled off in less than 2000 cycles in the thermal cycle test 1, which is a result that cannot be said to be extremely excellent in reliability.
【００４２】[0042]
【発明の効果】本発明によれば、絶縁基板と金属回路と
の接合信頼性が良好で、優れた耐熱サイクル性を確保で
きるセラミック回路基板およびその製造方法を提供する
ことができる。According to the present invention, it is possible to provide a ceramic circuit board which has good bonding reliability between an insulating substrate and a metal circuit and can ensure excellent heat cycle resistance, and a method of manufacturing the same.
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０５Ｋ 3/00 Ｈ０１Ｌ 23/14 Ｃ // Ｃ０４Ｂ 35/584 Ｃ０４Ｂ 35/58 １０２Ｃ (72)発明者 伊藤 正也 愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日 本特殊陶業株式会社内 Ｆターム(参考） 4G001 BA05 BA11 BA32 BA81 BB05 BB11 BB32 BC73 BD23 BE32 BE35 5E343 AA02 AA24 AA36 BB15 BB24 BB67 DD52 ER35 GG04 Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat II (Reference) H05K 3/00 H01L 23/14 C // C04B 35/584 C04B 35/58 102C (72) Inventor Masaya Ito Aichi 14-18 Takatsuji-cho, Mizuho-ku, Nagoya-shi F-term (reference) 4G001 BA05 BA11 BA32 BA81 BB05 BB11 BB32 BC73 BD23 BE32 BE35 5E343 AA02 AA24 AA36 BB15 BB24 BB67 DD52 ER35 GG04
Claims (4)
金属回路が形成されたセラミック回路基板であって、 該セラミック回路基板の鏡面研磨された切断面において
観察される該セラミック絶縁基板と該金属回路との接合
界面の凹凸形状から算出される１０点平均表面粗度Ｒｚ
（ＪＩＳ Ｂ ０６０１に準拠）が４μｍ以上であるこ
とを特徴とするセラミック回路基板。1. A ceramic circuit board having a metal circuit formed on at least one surface of a ceramic insulating substrate, wherein the ceramic circuit board and the metal circuit are observed on a mirror-polished cut surface of the ceramic circuit board. 10-point average surface roughness Rz calculated from the uneven shape of the bonding interface
A ceramic circuit board according to (JIS B 0601) of 4 μm or more.
Ａｌ2Ｏ3、Ａｌ６Ｓｉ２Ｏ１３（ムライト）、ＡｌＮ、
ＢｅＯ、ＳｉＣ、ＺｒＯ2、ＬａＧａＯ3から選択される
少なくとも１種を主体とするセラミックからなることを
特徴とする請求項１に記載のセラミック回路基板。2. The method according to claim 1, wherein the ceramic insulating substrate is made of Si 3 N 4 ,
Al 2 O 3 , Al 6 Si 2 O 13 (mullite), AlN,
BeO, SiC, ceramic circuit board according to claim 1, characterized in that a ceramic mainly composed of at least one selected from ZrO 2, LaGaO 3.
−Ｓｉ3Ｎ4結晶粒子と粒界のガラス相とからなる窒化珪
素質焼結体からなり、かつ、以下の構成要件を具備する
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のセラミ
ック回路基板。 （ａ） 該窒化珪素質焼結体１００質量％に対して、２
ａ族元素から選ばれる少なくとも１種の元素成分及び３
ａ族元素から選ばれる少なくとも１種の元素成分を、酸
化物換算にて１０質量％以上含有する。 （ｂ） 該窒化珪素質焼結体の室温における熱伝導率が
７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。3. The method according to claim 1, wherein the ceramic insulating substrate is substantially β
3. The ceramic according to claim 1, comprising a silicon nitride sintered body composed of —Si 3 N 4 crystal particles and a glass phase at a grain boundary, and having the following components. Circuit board. (A) 100% by mass of the silicon nitride sintered body
at least one element component selected from group a elements and 3
At least one element component selected from Group a elements is contained in an amount of 10% by mass or more in terms of oxide. (B) The silicon nitride-based sintered body has a thermal conductivity at room temperature of 70 W / m · K or more.
金属回路が形成されたセラミック回路基板の品質管理方
法であって、 製造ロットから抜き取り検査のために選ばれた所定数の
セラミック回路基板の鏡面研磨された切断面において観
察される該セラミック絶縁基板と該金属回路との接合界
面の凹凸形状から算出される１０点平均表面粗度Ｒｚ
（ＪＩＳ Ｂ ０６０１に準拠）が４μｍ以上である製
造ロットを合格と判断することを特徴とするセラミック
回路基板の品質管理方法。4. A quality control method for a ceramic circuit board in which a metal circuit is formed on at least one surface of a ceramic insulating substrate, wherein a predetermined number of ceramic circuit boards selected for a sampling inspection from a production lot are mirror-polished. 10-point average surface roughness Rz calculated from the uneven shape of the joint interface between the ceramic insulating substrate and the metal circuit observed on the cut surface
A quality control method for a ceramic circuit board, wherein a production lot having a JIS (based on JIS B0601) of 4 μm or more is judged to be acceptable.
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Cited By (5)
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| JP2007088196A (en) * | 2005-09-22 | 2007-04-05 | Hitachi Metals Ltd | Silicon nitride wiring board and its production method |
| JP2011014924A (en) * | 2010-09-22 | 2011-01-20 | Hitachi Metals Ltd | Silicon nitride substrate |
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| WO2013008651A1 (en) * | 2011-07-14 | 2013-01-17 | 京セラ株式会社 | Circuit board and electronic device |
-
2000
- 2000-03-29 JP JP2000091715A patent/JP2001284796A/en active Pending
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