JP2554210B2

JP2554210B2 - 金属接合回路基板およびそれを用いた電子装置

Info

Publication number: JP2554210B2
Application number: JP3054777A
Authority: JP
Inventors: 保敏栗原; 茂高橋; 正昭高橋; 覚荻原; 俊樹黒須
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-03-19
Filing date: 1991-03-19
Publication date: 1996-11-13
Anticipated expiration: 2011-11-13
Also published as: JPH04290462A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属接合回路基板、そ
れを用いた電子装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＡｌＮ、ＳｉＣ等を始めとする非酸化物
系セラミックスは、高熱伝導性で熱膨張率がＳｉのそれ
に近似し、電気抵抗率が高い等の優れた物性を有する。
また、常圧焼結や多層化が可能である等の製造上の利点
も有しており、半導体実装用として優れた材料である。
このような特長を活かして、電子装置用の絶縁部材、配
線基板、外周器等として広く使用されつゝある。例え
ば、電力用半導体素子を搭載した半導体装置は、上記非
酸化物系セラミックスの有力な応用分野の１つである。
該分野におけるＡｌＮセラミックスの応用として、以下
の先行技術が公知である。

【０００３】（１）“窒化アルミニウム基板実装応用製
品”：東芝レビューＶｏｌ．４４，Ｎｏ．８，６２
６〜６２９頁（１９８９年）には、両面に銅板が接合さ
れた窒化アルミニウム基板上にチップサイズ１０〜２０
ｍｍ²のＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒ
Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（ＩＧＢＴ）を搭載したパワー
モジュール装置が示されている。

【０００４】（２）“ＴｈｉｃｋＦｉｌｍａｎｄ
ＤｉｒｅｃｔＢｏｎｄＣｏｐｐｅｒＦｏｒｍｉｎｇ
ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｆｏｒＡｌｕｍｉｎｕ
ｍＮｉｔｒｉｄｅＳｕｂｓｔｒａｔｅｓ”：ＩＥＥＥ
ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｏｎＣ．Ｈ．Ｍ．Ｔ．，Ｖ
ｏｌ．ＣＨＭＴー８，Ｎｏ．２，２５３〜２５８頁
（１９８５年）には、表面にＡｌ₂Ｏ₃を生成したＡｌＮ
基板と銅板とをＣｕ₂Ｏ層を介して接合したパワーモジ
ュール用絶縁基板（ＤｉｒｅｃｔＢｏｎｄＣｏｐｐｅ
ｒ、ＤＢＣ）が示されている。

【０００５】（３）“ＡｌＮ／Ｃｕ系ハイパワー・モジ
ュール基板用活性金属接合技術”：第３回マイクロエレ
クトロニクスシンポジウム論文集、１１〜１４頁（１９
８９年）には、活性金属のＴｉを添加した銀ろうにより
ＡｌＮと銅板を接合したパワーモジュール用絶縁基板が
示されている。

【０００６】（４）“活性金属法による窒化物セラミッ
クスと金属の接合機構”：日本金属学会誌，Ｖｏｌ．５
３，Ｎｏ．１１，１１５３〜１１６０頁（１９８９
年）には、Ｔｉ−Ａｇ−ＣｕろうによりＡｌＮと銅板を
接合した基板が示されている。

【０００７】前記先行技術において、ＡｌＮと銅板を接
合した複合基板は、ＡｌＮの持つ高熱伝導性、低熱膨張
率、高絶縁性等の特長と、銅の持つ高熱伝導性、高電気
伝導性等の特長とを組み合わせたもので、電流密度が高
く、発熱の著しい電力用半導体素子を直接はんだ付け搭
載し、優れた放熱性を備えたパワーモジュール装置を提
供するに有効な基板である。

【０００８】一般に複合基板は、銅板等の金属支持板上
にはんだ付け搭載された半導体素子またはＡｌＮ基板上
に形成された電気回路を前記支持板から電気的に絶縁す
るとともに、前記半導体素子の発熱を冷却フィン等に至
る熱流路を形成し、その放熱効果を高める役割を担う。
また、前記複合基板は、熱膨張率も小さく半導体素子を
特別な熱膨張緩和材（例えば、ＭｏやＷ板）を用いずに
搭載できるため、パワーモジュールの部品点数を削減で
きる。

【０００９】前記複合基板と同様の機能を持つものとし
て、アルミナ基板の両面に銅板を接合した複合基板が知
られている。しかし、アルミナ複合基板は放熱性が劣る
だけでなく、熱膨張率が大きいため半導体素子の搭載に
当たっては熱膨張緩和材を設けることが必要である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】前記（１）および
（２）における銅張り基板は、接合界面にＣｕーＣｕ₂
Ｏ共晶の生成を基本とするもので、銅板とＡｌＮ基板を
接合するに当たり銅板の接合面を酸化する必用がある。
この酸化は酸素存在下で加圧熱処理によりなされるた
め、ＡｌＮ基板表面が酸化しＡｌ₂Ｏ₃の生成を伴う。し
かも、該Ａｌ₂Ｏ₃は、ＡｌＮの熱酸化によりミクロな気
泡を有し、それ自体の緻密さに欠け機械的強度を低下さ
せ、かつ、その熱膨張率（７．５×１０~⁶／℃）がＡｌ
Ｎのそれ(４．３×１０~⁶／℃）とマッチングしないた
めに、該半導体装置の製造時や使用時の熱応力に耐える
強固な接合が得られないと云う問題があった。

【００１１】一方、前記(３)および(４)の銅張り基板
は、活性金属としてのＴｉを添加したＡｇーＣｕろうに
より銅板とＡｌＮ基板を接合するもので、接合時の熱処
理により生成されるＴｉＮ層を上記ろう材とＡｌＮ基板
間に形成し、該ＴｉＮ層が接合の良否を決めている。該
ＡｇーＣｕろう接合銅張り基板は、前記（１）および
（２）における銅張り基板に比べて、変形性能に優れた
ＴｉＮ層およびろう材層で接合界面を形成しているた
め、これが半導体装置の製造時や使用時の熱応力を吸収
し強固な接合を保持する。

【００１２】しかし、上記の銅張り基板でもパワー半導
体装置の使用時のヒートサイクルによって、前記銅板−
ＡｌＮ基板間の剥離を防ぐことは困難である。本発明者
らの検討によれば、前記銅張り基板の銅板−ＡｌＮ基板
間の剥離強度は、−３σの水準で１ｋｇ／ｍｍ以下と小
さく、半導体装置、特にパワーモジュール装置の銅張り
基板のはんだ付け面積が広く外周器部材とも連結してい
る同基板が受ける熱的、外的応力に耐えることができな
い。こうした応力は、はんだ付け面あるいは接合面に平
行または垂直な方向にのみ作用するものだけではなく、
前記両応力が合成されて作用する。従って、銅張り基板
を曲げたり、銅板とＡｌＮ基板を引剥がす方向に作用す
る。前記の１ｋｇ／ｍｍ程度の耐剥離強度ではこうした
曲げや引剥がしに対して十分でない。例えば３５ｍｍ×
４５ｍｍ×０.６５ｍｍ厚さの銅張り基板を、厚さ約３
ｍｍのＡｌＮ支持板上にはんだ付けし、−５５〜＋１５
０℃のヒートサイクル試験を３００回行ったところ、前
記銅板−ＡｌＮ基板間は完全に剥離することを確認して
いる。

【００１３】こうした接合部が熱流路にあると、半導体
素子の正常な動作が阻害され、また、銅板が電気回路の
一部を形成している場合は、該回路の短絡，切断等が生
じる。

【００１４】以上は、ＡｌＮセラミックスと銅との複合
基板を例に述べが、前記課題は窒化ホウ素、窒化ケイ
素、炭化ケイ素等においても共通した課題であった。

【００１５】本発明の目的は、前記非酸化物系セラミッ
クスと金属板との接合強度が優れた金属接合回路基板を
提供することにある。

【００１６】また、本発明の他の目的は、非酸化物系セ
ラミックスと金属板との接合強度が優れた金属接合回路
基板を用いた電子装置を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明の金属接合回路基
板（以下、単に回路基板と云う）およびそれを用いた電
子装置の要旨は次のとおりである。

【００１８】（１）非酸化物系セラミックスと金属板と
をろう材により接合して一体化した金属接合回路基板で
あって、前記非酸化物系セラミックスの接合界面にガー
ネット相が占有面積率で５×１０~³％以上形成されてい
ることを特徴とする金属接合回路基板。

【００１９】（２）非酸化物系セラミックスと金属板
とをろう材により接合して一体化された金属接合回路基
板の前記金属板によって回路が形成され、該回路上に半
導体素子が搭載された電子装置であって、前記回路基板
の非酸化物系セラミックスの接合面にガーネット相が占
有面積率で５×１０~³％以上形成されており、該回路基
板の半導体素子が搭載されていない面に金属支持板がろ
う材により接合されていることを特徴とする電子装置。

【００２０】本発明で云うガーネット相とは、Ｙ，Ａ
ｌ，Ｓｉ，Ｂ，Ｍｎ，Ｖ，Ｎｂ，Ｆｅ，Ｎｉ，希土類元
素（Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｂ，Ｓｍ，Ｇｄ，Ｄｙ等），
アルカリ土類元素（Ｂｅ，Ｍｇ，Ｓｒ，Ｂａ等），アル
カリ金属（Ｌｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｒｂ，Ｃｓ等），第ＩＢ族
（Ｃｕ，Ａｇ），第IIＢ族（Ｚｎ，Ｃｄ，Ｈｇ），活性
金属元素（Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ）の群から選択された少な
くとも１種の物質の酸化物又は炭化物を云う。これらの
物質は、焼結助材として非酸化物系セラミックスの原料
粉末と共に焼結される。例えば、ＡｌＮセラミックスを
得る際には、出発原料としてのＡｌＮ（一般的には、表
面にＡｌ₂Ｏ₃を有する）と焼結助材としてのＹ₂Ｏ₃との
混合粉末成形体を焼成すると、次式〔１〕，〔２〕の反
応によりりアルミン酸イットリウム液相をＡｌＮ粒界に
生ずる。

【００２１】

【化１】

【００２２】更に焼結が進むと、アルミン酸イットリウ
ムの一部はＡｌＮ結晶の３重点に微小な結晶として、ま
たはＡｌＮ結晶と同等のサイズを持つ結晶として焼結体
内にわずかに残留するか、または焼結体の外部に流出す
る。外部に流出したアルミン酸イットリウムの一部はＹ
ＮまたはＹ₂Ｏ₃に変化して、そして他の一部はアルミン
酸イットリウムのまま焼結体の表面に残留する。ＹＮは
極めて加水分解し易い物質で容易に焼結体から剥離する
が、Ｙ₂Ｏ₃やアルミン酸イットリウムはそのまゝ焼結体
表面に残留する。この表面残留物を本発明ではガ−ネッ
ト相と云う。

【００２３】ガ−ネット相は、それ自体機械的に強固で
ありＡｌＮ焼結体とも極めて強固に接合している。ま
た、表面ガーネット相は、焼結条件によっては焼結体表
面の全面にあるいは表面の一部に分散して存在する。後
者の場合は、直径約５μｍから数ｍｍにも及ぶ場合があ
る。直径が約１５０μｍの場合には、その厚さは２μｍ
程度である。

【００２４】上記のＡｌＮ焼結体を、Ｔｉ（活性金属）
とＡｇ−Ｃｕ合金（ろう材）を介して金属板に銅板を用
い、これらを積層して、非酸化性雰囲気中でろう材の溶
融温度に加熱すると、ＡｌＮ焼結体とろう材との界面に
遊離したＴｉ，Ａｌを含むＴｉＮ層からなる界面層が形
成される。この界面層はＡｌＮやガーネット相と拡散的
に接合されると共に、ろう材領域に糸状に延びて多数の
ミクロな機械的結合を生じ、ＡｌＮ焼結体とろう材間の
接合に寄与する。特に、ガーネット相と界面層間の拡散
接合は、極めて強固である。また、ろう材と金属板は、
公知の冶金的接合により接合されている。

【００２５】本発明はＡｌＮ以外に、窒化ケイ素、窒化
ホウ素、炭化ケイ素またはこれらの複合体であっても同
様の効果を得ることができる。

【００２６】より強固な接合を得るためには、焼結体表
面の残留ガーネット相が多いことが望ましい。図１はそ
の一例で焼結体表面の残留ガーネット相の占有面積率と
金属板のピール強度との関係を示すグラフである。

【００２７】図の曲線Ａは、ＡｌＮ（焼結後の表面加工
はせず）上に厚さ２００μｍの銅板をＴｉ２重量％含有
のＡｇ−２８重量％銅合金ろう材により接合した銅張り
基板である。ガーネット相占有面積率の小さい領域での
ピール強度は低く実用的には不十分である。しかし、５
×１０~³％以上になると２０ｋｇ／ｃｍ以上になり実用
的な強度を示すようになる。更に、占有面積率が１０~²
％以上になると、ピール強度は４０ｋｇ／ｃｍ台となり
飽和する傾向がある。

【００２８】占有面積率１０~²％までのピール強度は、
極めて強固なガーネット相と界面層間の接合面の増加に
伴い増加している。ピール試験による破壊モードは５×
１０~³％あたりまでは、主にＡｌＮ−界面層間の剥離が
支配的であるが、これを越えて１０~²％に至る領域で
は、ＡｌＮ−界面層間の剥離にＡｌＮ自体の破壊による
剥離を伴う。更に占有面積率が１０~²％以上になるとＡ
ｌＮ−界面層間の剥離が、その周辺に存在する強固なガ
ーネット相により抑制され、非酸化物系セラミックスの
粒界破断による剥離が支配的になる。したがって、破壊
が焼結体の強度によって支配されるため、ピール強度は
ガーネット相占有面積率が大幅に増しても４５ｋｇ／ｃ
ｍ前後の間で落ち着くものと考える。

【００２９】従って、実用的な接合強度を得るには、ガ
ーネット相の占有面積率が少なくとも５×１０~³％以
上、より好ましくは１０~²％以上が望ましい。上述した
ガーネット相の占有面積率は、銅張り基板の被接合面積
即ち焼結体と金属板とが接合される面積に対するガーネ
ット相の占有面積の割合と置き換えることができる。

【００３０】本発明における残留ガーネット相、即ち非
酸化物系セラミックス表面のガーネット相は、実用的な
ピール強度を得るためにはそのサイズ（直径）が１５μ
ｍ以上である必要がある。剥離応力を残留ガーネット相
に対応する多数のセラミックス結晶粒で分担して受ける
ためである。しかし、ガーネット相サイズが１５μｍに
満たない場合には、剥離応力を少ない数ののセラミック
ス結晶粒でしか分担できないため、実用的なピール強度
が得られない。従って、同じ占有面積率を有する場合で
も、本発明における単一のガーネット相のサイズは、セ
ラミックスのバルク内に存在する（または三重点に存在
する）ガーネット相よりも大きい必要がある。

【００３１】上述のように、ガーネット相は焼結体内部
にも存在する。しかし、一般に焼結体内部のガーネット
相の割合（例えば、熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のＡ
ｌＮ焼結体では、研磨表面での占有面積率は２×１０~³
％は、焼結体表面に比べて少ない。

【００３２】強固な接合を実現するためには、ろう付け
する非酸化物系セラミックス接合表面は、焼結後に機械
的あるいは化学的加工を施さない方がよい。また、機械
的加工を施した該セラミックス表面は、加工によるミク
ロなクラックを残しているため、ピール強度は加工を施
さないセラミックスの場合より著しく低いことが図１の
曲線Ｂから分かる。なお、このＡｌＮ板は、焼結後に表
面を研磨したものである。研磨面におけるガーネット相
の占有面積率が１０~²％あたりまでは、ピール強度が増
す傾向を示すが、それも高々１０ｋｇ／ｍｍ程度であ
る。これは、ガーネット相の占有面積率が低いことに加
えて、上記セラミックス表面の研磨加工による低下とが
複合して作用するためである。サンドブラスト法、化学
エッチング法，スパッタリング等により表面ガーネット
相を除去した場合にも生ずる。なお、ろう付けに供され
る非酸化物系セラミックスの表面（未加工表面および加
工表面を含めて）には、出発原料に焼結助材を多量に添
加することにより、多量のガーネット相を残留させるこ
とが可能である。しかし、セラミックス自体の熱伝導率
の低下を伴うので実用的には好ましくない。

【００３３】前記ろう材としては、複合基板の機能を損
なわない範囲で種々の合金を用いることができる。こう
した合金はＡｌ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ｐ，
Ｐｄ，Ｔｉ，Ｍｎの少なくとも１つを含むものが用いら
れる。代表的な合金の例として、Ａｇ−２８重量％Ｃｕ
（固相点：７８０℃、液相点：７８０℃）、Ｃｕ−６６
重量％Ｚｎ（固相点：８００℃、液相点：８２０℃）、
Ａｌ−１２重量％Ｓｉ（固相点：５７５℃、液相点：５
８０℃）、Ｎｉ−１１重量％Ｐ（固相点：８７５℃、液
相点：８７５℃）、Ａｇ−２７重量％Ｃｕ−５重量％Ｐ
ｄ（固相点：８０７℃、液相点：８１０℃）、Ｃｕ−９
３重量％Ｔｉ（固相点：７９８℃、液相点：７９８
℃）、Ｃｕ−３３重量％Ｍｎ（固相点：８７０℃、液相
点：８７０℃）、Ａｌ−７０重量％Ａｇ（固相点：５６
６℃、液相点：５６６℃）を挙げることができる。ろう
材の物性を調整するために、Ｉｎ，Ｂ，Ｃｒ，Ｇｅ，Ａ
ｕ，Ｂｉ，Ｐｂ，Ｂｅ，Ｓｎ等の添加は好ましい。

【００３４】また、活性金属としては、Ｔｉに代えて、
ＺｒやＨｆを用いることができる。この際、予め前記ろ
う材と合金化させたものを用いることができるが、ろう
材の粉末に単体金属あるいは水素化物粉末の状態で添加
すること、ろう材の板と単体金属あるいは水素化物の板
とを積層し用いることもできる。その結果、生成される
界面層は、非酸化物系セラミックスの接合面が窒化アル
ミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素の場合は、上述した
ガーネット相は構成する金属成分とＮの化合物を主体に
したものであり、炭化ケイ素の場合は構成する金属成分
とＣの化合物を主体にしたものである。

【００３５】上記接合は、金属板とろう材との冶金的接
合並びにガーネット相の拡散接合を促進させるため、前
記ろう材の融点以上に加熱する。また、本発明では、緻
密な接合を実現させるに加圧を特に必要としない。な
お、ろう付け時の雰囲気は、被接合部材、活性金属、ろ
う材等の酸化を防ぐため非酸化性雰囲気中で行う。該非
酸化性雰囲気としては、真空をはじめ、Ｈ₂，Ｎ₂，Ｈ
ｅ，Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅ，ＣＯ，ＣＯ₂，ＣＨ₃，Ｃ
₂Ｈ₅，Ｃ₃Ｈ₇から選ばれる少なくとも１種の気体を挙げ
ることができる。

【００３６】また、本発明において、セラミックスと接
合する金属板としては、熱伝導率，電気伝導率が高いと
云う観点から銅板が一般的であるが、Ａｌ，Ａｇ，Ｆ
ｅ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ｗまたはこれらの合金あるいは積層体
を用いることもできる。例えばＦｅ−Ｎｉ系、Ｃｕ−Ｓ
ｎ系等の合金、銅板とＦｅ−Ｎｉ合金板とを積層した板
を挙げることができる。これらの金属板の表面にはＰｂ
−Ｓｎ系はんだ等のろう材に対するぬれ性を付与するた
め、またはＡｌ，Ａｇ，Ａｕ等のワイヤに対するボンデ
ィング性を付与するためにＮｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ａ
ｌ等の金属膜を被覆するのが好ましい。

【００３７】本発明において、金属支持板は熱伝導率、
機械的加工性等からＣｕやＡｌが最も望ましいが必要に
応じてＦｅ−Ｎｉ系合金、Ｃｕ−Ｓｎ系合金等を使用で
きる。これらの金属支持板の表面にもろう材に対するぬ
れ性を付与するため、Ｎｉ，Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ等の皮膜
の形成は好ましい。

【００３８】

【作用】本発明の複合回路基板の接着強度が優れている
理由は、既述のように非酸化物系セラミックスの金属と
接合表面に形成されたガーネット相が、非酸化物系セラ
ミックスおよびろう材中の活性金属含有層と拡散的に結
合して、強固に一体化されるからと考える。

【００３９】

【実施例】本発明を実施例により詳細に説明する。

【００４０】〔実施例１〕半導体素子として、ＩＧＢ
Ｔ素子を搭載するための回路基板の製法および該回路基
板を用いた半導体装置について説明する。

【００４１】ＡｌＮ粉末とＹ₂Ｏ₃粉末（ＡｌＮに対し５
重量％）とをＮ₂雰囲気中１７００℃で常圧焼結して得
たＡｌＮ焼結体基板（３５ｍｍ×４５ｍｍ×０.８ｍｍ
厚さ、熱伝導率１７０Ｗ／ｍ・Ｋ、抵抗率１０¹³Ω・ｃ
ｍ以上）１０の面１１，１２に印刷し、加熱することに
より有機成分を揮散除去したＴｉ５重量％添加のＡｇ−
２８重量％Ｃｕのろう材層１５を形成し、０.２ｍｍ厚
さのＣｕ板１３，１４を積層した。該積層体を約１０ｋ
ｇで加圧しながらＮ₂雰囲気中で加熱焼成し、図２の模
式断面図に示す回路基板１００を得た。

【００４２】なお、前記ＡｌＮ焼結体（結晶の平均粒径
５μｍ）は、焼結後水中（室温）で超音波振動を与えて
表面のＹＮを加水分解して除いたものである。該焼結体
の表面をＥＰＭＡ分析およびＸ線回折で調べたところ、
ＡｌＮ表面には、直径１００〜５００μｍサイズで、班
点状にＡｌＹＯ₃、Ａｌ₅Ｙ₃Ｏ₁₂、Ａｌ₂Ｙ₄Ｏ₉およびＹ
₂Ｏ₃から構成され、表面占有率が約５.７％のガ−ネツ
ト相が形成された。また、焼結体内部のガーネツト相の
占有率を調べるため、該焼結体の表面を深さ約５０μｍ
ラッピング除去した。この面で観察されるガーネツト相
はＡｌＮの粒径とほぼ同等のサイズで、ＡｌＮ結晶のマ
トリックス中に均一分散しており、その占有率は約０.
００２％であった。なお、前記ＡｌＮ表面の平均粗さ
（山と谷の高低差）０.２４μｍ、最大粗さは３.１８μ
ｍであり、同じくラッピング後の表面は平均粗さ０.３
８μｍ、最大粗さ３.９２μｍである。ラッピングしな
い方が表面は平滑である。また、表面の形状は、ほぼＡ
ｌＮ結晶のサイズと同等で、凸形の半球状の粒子で構成
されている。これは、ＡｌＮ結晶の脱落によって形成さ
れた破面で、前記ラッピング面の表面状態とは著しく異
なっている。

【００４３】なお、図２は搭載する半導体素子のコレク
タ１３ａ、エミッタ１３ｂ、ベース１３ｃに対応する導
電領域に分割され形成されている。また、金属支持板に
はんだ付けされる表面１２のＣｕ板１４は、基板１０と
ほぼ同寸法の３３ｍｍ×４３ｍｍである。上記の金属
（Ｃｕ）板１３，１４の表面には、後述のＰｂ−Ｓｎ系
はんだのぬれ性とＡｌワイヤのボンディング性を向上す
るため、厚さ約３μｍのＮｉめっき（図示を省略）を設
けた。

【００４４】図３は接合界面の模式断面図である。Ｃｕ
板１３（または１４）がろう材１５によってＡｌＮ基板
１０に接合されているが、ろう材とＡｌＮ基板との間に
はＴｉＮ層１５ａが形成されている。また、基板１０と
ＴｉＮ層１５ａの間にはガーネット相１０ａが形成され
ている。

【００４５】図４は、Ｘ線光電子分光分析（ＸＰＳ）に
よる接合界面のスペクトルである。Ａ１２ｐのピーク分
割スペクトルからＡｌ₂Ｏ₃，ＡｌＮおよびＡｌが認めら
れる。Ｙ３ｄスペクトルはＹ３ｄ３／２とＹ３ｄ５／２
に分割されるが、これらの束縛エネルギは両者ともＹ₂
Ｏ₃に対応する。Ｔｉ２ｐスペクトルはＴｉＯ₂、Ｔｉ
Ｏ、ＴｉＮおよびＴｉとに分割される。ここで、Ａｌ₂
Ｏ₃とＹ₂Ｏ₃はガーネット相１０ａを構成しており、Ｔ
ｉＮはろう材中のＴｉとＡｌＮとの反応で生成されたも
のである。また、Ａｌはろう材との反応でＡｌＮから、
ＴｉはＴｉＮの生成に消費されずに遊離したものであ
り、ＴｉＮに固溶したものである。Ｔｉ酸化物は、分析
の際の試料の湿式処理により新たに生成されたものであ
る。

【００４６】ＴｉＮ層１５ａはＡｌＮ基板１０やガーネ
ット相１０ａと互いに接して存在しているが、図４のＸ
ＰＳ分析や界面部のＸ線回折の結果からは、これらが相
互に反応した様子は認められない。従って、ＴｉＮ層１
５ａはＡｌＮ基板またはガーネット相１０ａと拡散的接
合を形成していると考えられる。なお、Ｃｕ板１３，１
４は予めパターン化しておいてもよいが、必要ならば、
先ずパターン化しないＣｕ平板を接合し、その後化学エ
ッチング等の手段により所定の形状にパターン化しても
よい。

【００４７】本実施例で得られた回路基板のＡｌＮ基板
１０とＣｕ板１３、１４の接合強度をピーリング試験に
より測定した。試料数５０個の平均強度は４６ｋｇ／ｃ
ｍ（最大値：４９ｋｇ／ｃｍ、最少値：３９ｋｇ／ｃ
ｍ）であった。なお、比較のため表面を深さ約５０μｍ
ラッピング除去したＡｌＮ焼結体を用いた回路基板の試
料数５０個の平均強度は６ｋｇ／ｃｍ（最大値：１０ｋ
ｇ／ｃｍ、最少値：３ｋｇ／ｃｍ）で、本実施例のもの
に比べて大幅に下回った。

【００４８】上記ピーリング試験後のＥＰＭＡ分析結果
によれば、Ｃｕ板の剥離面には、多くのＡｌＮ結晶が付
着していた。表１にＸ線回折による（ガーネット相／Ａ
ｌＮ）Ｘ線強度比を示す。

【００４９】

【表１】

【００５０】ガーネット相のＸ線強度は表１中の２Θで
カウントした値の和で、ＡｌＮのＸ線強度２Θ＝３８.
０３°の時のカウント値とし、これらの商を（ガーネッ
ト相／ＡｌＮ）Ｘ線強度比として表す。同表中で（Ａ）
は剥離したＣｕ板１３、１４の被接合面側、（Ｂ）はＣ
ｕ板を接合する前のＡｌＮ基板表面のそれぞれＸ線強度
比を表す。（Ａ）から剥離面に存在するガーネット相の
濃度は、ラッピング基板を用いた場合に比べ、本実施例
のものが著しく高い。（Ｂ）からは、Ｃｕ板接合前のＡ
ｌＮ表面のガーネット相濃度も、本実施例のものが極め
て高い。表中の（Ａ／Ｂ）は、ＡｌＮ基板表面に存在し
ているガーネット相が、剥離後にＡｌＮ結晶とともにど
の程度Ｃｕ板側に接着したかを示す。これも、本実施例
の合回路基板が極めて高い値を示している。

【００５１】上記から、ガーネット相がＡｌＮ結晶と極
めて強固に接合していることを証明するものである。ま
た、これらの回路基板を−５５〜＋１５０℃のヒートサ
イクル試験を１０００回行った後、前記と同様にピーリ
ング試験を実施した。この結果、本実施例の回路基板の
試料数５０個の平均強度は３７ｋｇ／ｃｍ（最大値：４
１ｋｇ／ｃｍ、最少値：３２ｋｇ／ｃｍ）と、初期値よ
りはいくぶん下回る値を示したが、実用上支障がないと
判断される２０ｋｇ／ｃｍを大幅に上回っていた。な
お、ラッピングＡｌＮ基板を用いたものは、試料数５０
個のうち４５個がＡｌＮ基板とＣｕ板間で剥離してい
た。

【００５２】なお、本実施例では、Ｃｕ板をろう材によ
って基板に接合するに当たり、ＡｌＮ基板１０上に厚さ
３μｍのＴｉ箔、厚さ４０μｍのＡｇ−２８重量％Ｃｕ
合金箔、Ｃｕ板を順次積層した後、前記と同様にして回
路基板を作成した。該回路基板も前記と同等の性能が得
られた。

【００５３】次に、前記の回路基板にＩＧＢＴ素子を搭
載した１２００Ｖ、４００Ａ級の半導体装置９００を作
製した。図５は該半導体装置の要部模式斜視図である。

【００５４】図５において、Ｃｕ製支持板（Ｎｉめっ
き：３μｍ）２００上に、２枚の前記Ｃｕ回路基板１０
０が厚さ２００μｍＰｂ−５０重量％Ｓｎはんだ（図示
省略）により接着され、回路基板１００のコレクタ領域
１３ａには、ＩＧＢＴ素子４００（１５ｍｍ×１５ｍ
ｍ）がダイオード素子４１０（１０ｍｍ×１０ｍｍ）と
共に厚さ２００μｍのＰｂ−５重量％Ｓｎ−１.５重量
％Ａｇはんだ（図示省略)により接着されている。各素
子４００，４１０は直径５００μｍのＡｌ線４２０によ
ってワイヤボンディングされ、エミッタ領域１３ｂ、ベ
ース領域１３ｃに電気的に接続されている。コレクタ領
域１３ａ、エミッタ領域１３ｂ、ベース領域１３ｃに
は、それぞれ外部端子８００，中継端子８１０がはんだ
付けされ、更に各素子４００，４１０と回路基板１００
等は外気を完全遮断するために、エポキシ系樹脂製ケー
ス（図示省略）中に格納し、エポキシ樹脂を充填，硬化
させた。

【００５５】該半導体装置９００は、図６に示す回路を
構成し、電動機の回転数制御用インバータ装置に搭載さ
れる。

【００５６】前記ＩＧＢＴ素子４００−Ｃｕ製支持板２
００間の熱抵抗は、０.４５Ｗ／℃であり、従来の装置
の設計仕様である１Ｗ／℃を大幅に改善された。また、
同装置に間欠通電し、支持板２００の温度が４０〜１０
０℃間で繰返し変化するヒートサイクル試験を施した。
該ヒートサイクルを１０,０００回施した後の熱抵抗
は、０.５５Ｗ／℃と初期値の約２０％上昇したが、設
計仕様の１Ｗ／℃に対しては十分なる余裕を残してい
た。

【００５７】これに対し、ラッピングＡｌＮ基板を適用
した回路基板を用いたものでは、同試験を６００回施し
た時点で２.５Ｗ／℃と、初期値の約５倍となった。試
験後の半導体装置を分解して調べたところ、本実施例の
半導体装置では、コレクタ領域１３ａのＣｕ板１３およ
び支持板２００に対向する側のＣｕ板１４の周辺部が僅
かに剥離していたが、実用上ほとんど問題ない程度であ
った。これに対し、ラッピングＡｌＮ基板を用いた半導
体装置は、Ｃｕ板１３、１４のほぼ全面が剥離してい
た。

【００５８】本実施例が極めて優れた信頼性を示す理由
は、ＡｌＮ基板とＣｕ板が強固に接合されていることに
よる。また、Ｐｂ−５０重量％Ｓｎはんだを用いて接着
したことも、複合効果を示したものと考える。上記のは
んだ材が、一般的なＰｂベース系（例えば、Ｐｂ−５重
量％Ｓｎはんだ）あるいは共晶系（Ｐｂ−６０重量％Ｓ
ｎはんだ）のはんだに比べて剛性が大きく、はんだ自体
の塑性変形も抑制されたことによるものと考える。な
お、本実施例では前記特定組成のはんだを用いたが、必
ずしもこうしたはんだでなくともよい。例えば、Ｓｎを
３５〜８０重量％（ただし、６０〜６５重量％を除く）
含むＰｂ合金、またはこれに必要に応じてＡｇ，Ｃｕ，
Ｎｉ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ａｕ，Ｂｉ，Ｉｎ，Ｓｂ，Ｆｅ，Ｔ
ｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ａｌの少なくとも１種を添加したはん
だを用いることができる。

【００５９】また、本実施例の半導体装置９００に前記
の間欠通電試験を１０,０００回施した後、コレクタ領
域１３ａと支持板２００間に交流電圧（２５００Ｖ、６
０Ｈｚ）を１分間印加したが絶縁破壊等の電気的欠陥は
全く認められなかった。

【００６０】なお、前記半導体装置９００を組込んだイ
ンバータ装置を用いて、モータの回転数制御を試みた。
図７は、該インバータ装置のスイッチング周波数とＩＧ
ＢＴ素子の発熱温度の関係をグラフである。

【００６１】発熱温度はスイッチング周波数の増加に伴
って増す傾向を示しているが、商用周波数の５０Ｈｚ〜
３０ｋＨｚ間では、当該素子の安定動作に必要な温度
（１２５℃以下）を越えることはなかった。

【００６２】〔実施例２〕セラミックス基板として窒
化ケイ素、炭化ケイ素、窒化ホウ素を用いた回路基板と
それを用いた半導体装置について説明する。

【００６３】回路基板として、焼結助材粉末を添加した
窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化ホウ素の各圧粉成形体
を、それぞれ所定の条件で焼成した。表２に各セラミッ
クスの焼成条件と焼結体から検出されたガーネット相を
示す。

【００６４】

【表２】

【００６５】得られた焼結体の熱伝導率は窒化ケイ素焼
結体が１０Ｗ／ｍ・Ｋ、炭化ケイ素焼結体が２７０Ｗ／
ｍ・Ｋ、窒化ホウ素焼結体が２７０Ｗ／ｍ・Ｋであり、
抵抗率はいずれも１０¹³Ω・ｃｍ以上であった。これら
の焼結体の厚さは０.８ｍｍであり、１５ｍｍ×１５ｍ
ｍの所要形状に切断して基板１０とした。該基板１０の
面１１，１２に所定の形状の厚さ０.２ｍｍのＣｕ板１
３，１４を、実施例１と同様にＴｉを添加したＡｇー２
８重量％Ｃｕろう材１５を介して積層し、Ｎ₂雰囲気中
で８５０℃に加熱してＣｕ板を接着した回路基板１００
を得た。

【００６６】各焼結体の表面に存在しているガーネット
相は直径５０〜５００μｍのサイズで班点状に存在して
いた。なお、各焼結体１０の表面は、平均粗さ０.３０
μｍ程度であり、各セラミックス結晶のサイズと同等の
凸形の半球状粒子面で構成されていた。

【００６７】得られた回路基板１００の断面を分析した
ところ、基板１０とろう材１５間にはＴｉＮ層（窒化ケ
イ素、窒化ホウ素の場合）またはＴｉＣ層（炭化ケイ素
の場合）１５ａが形成されている。ＴｉＮ層（またはＴ
ｉＣ層）１５ａは、窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化ホウ
素の各結晶と、表２に示すガーネット相とが拡散接合さ
れ、特にガーネット相との間で最も強固に接合されてい
た。また、Ｃｕ板１３，１４の表面には、Ｎｉめっきを
施した。

【００６８】本実施例で得た回路基板とＣｕ板との接合
強度をピーリング試験により求めた。試料数５０個の平
均強度は、窒化ケイ素基板が４５ｋｇ／ｃｍ、炭化ケイ
素基板が４７ｋｇ／ｃｍ、窒化ホウ素基板が２５ｋｇ／
ｃｍであった。また、これらの回路基板に−５５〜＋１
５０℃のヒートサイクル試験を１０００回施した後、ピ
ーリング試験を実施した。この結果、試料数５０個の平
均強度は、初期値よりは下回るものゝ、いずれも２０ｋ
ｇ／ｃｍを越えており実用上支障のない値であった。

【００６９】次に、前記回路基板１００にトランジスタ
素子を搭載した５０Ｖ，１５Ａ級の半導体装置９００を
作製した。Ｃｕ支持板（Ｎｉめっき：３μｍ）２００上
に、回路基板１００が厚さ２００μｍのＰｂ−５０重量
％Ｓｎはんだにより接着され、回路基板１００のコレク
タ領域１３ａにはトランジスタ素子４００（６ｍｍ×６
ｍｍ）が、厚さ２００μｍのＰｂ−５重量％Ｓｎ−１.
５重量％Ａｇはんだにより接着されている。素子４００
は直径１００μｍのＡｌ線によるワイヤボンディングが
施され、エミッタ領域１３ｂ、ベース領域１３ｃに電気
的に接続されている。コレクタ領域１３ａ、エミッタ領
域１３ｂ、ベース領域１３ｃには、それぞれ外部端子８
００がはんだ付けされ、更に、外気を完全遮断するため
エポキシ樹脂封止（図示省略）した。

【００７０】該半導体装置のトランジスタ素子４００と
Ｃｕ支持板２００間の熱抵抗は、０.８５Ｗ／℃であ
り、本装置の設計仕様１.５Ｗ／℃を大幅に下回った。
また、同装置を間欠通電し支持板２００の温度が４０〜
１００℃間で変化するヒートサイクル試験を１０,００
０回実施後の熱抵抗は、１.２Ｗ／℃と上昇したが、設
計仕様の１.５Ｗ／℃に対しては十分な余裕を残してい
た。試験後に半導体装置を分解したところ、コレクタ領
域１３ａのＣｕ板１３および支持板２００に対向する側
のＣｕ板１４の周辺部が僅かに剥離しているのみで、実
用上問題となる剥離は認められなかった。

【００７１】〔実施例３〕前記実施例１で得たＡｌＮ
セラミックスを用いた回路基板およびこれを用いた半導
体装置について説明する。

【００７２】ＡｌＮ基板１０にＣｕ板１３，１４をＺｒ
（またはＨｆ）を添加したＡｇ−２８重量％Ｃｕろう材
１５により接着した。該Ｃｕ板の表面には、厚さ約３μ
ｍのＮｉめっきを施した。前記ろう材１５と基板１０の
間にはＺｒＮ層（またはＨｆＮ層）１５ａが形成されて
いる。また、基板１０とＴｉＮ層１５ａの間にはガーネ
ツト相１０ａが形成されている。ＸＰＳ分析の結果、Ｔ
ｉＮ層１５ａはＡｌＮやガーネツト相１０ａと拡散接合
界面を形成していることが確認された。特に、ＴｉＮ層
（またはＨｆＮ層）１５ａとガーネツト相１０ａ間が最
も強固に接合されていた。

【００７３】本実施例の回路基板のＡｌＮとＣｕ板との
接合強度をピーリング試験により測定した。その結果、
初期強度は実施例１とほぼ同等であり、実施例１と同じ
く−５５〜＋１５０℃のヒートサイクルを１０００回行
ったがいずれも約３０ｋｇ／ｃｍと実用上支障のないこ
とが分かった。

【００７４】次に、ＩＧＢＴ素子を搭載した半導体装置
９００のＩＧＢＴ素子とＣｕ支持板２００間の初期熱抵
抗ならびに間欠通電試験後の熱抵抗は、実施例１とほぼ
同等であった。更に、間欠通電試験後、コレクタ領域１
３ａと支持板２００間の交流電圧印加試験を施したが絶
縁破壊は認められなかった。

【００７５】なお、本実施例のろう材に添加した活性金
属は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆまたはこれらの金属の水素化物
等の混合物であってもよい。

【００７６】〔実施例４〕ＡｌＮ基板の全面がガーネ
ット相で覆われた回路基板およびこれを用いた半導体装
置について説明する。

【００７７】Ｙ₂Ｏ₃粉末をＡｌＮ粉末に対して１５重量
％添加した粉末成形体を、Ｎ₂雰囲気中１７００℃で常
圧焼結した。該焼結体は実施例１と同じく、熱伝導率１
２０Ｗ／ｍ・Ｋ、抵抗率１０¹³Ω・ｃｍ以上である。焼
結体の表面は厚さ約４μｍのガーネット相１０ａで覆わ
れ、実施例１と同様の物質で構成されていた。

【００７８】この基板１０を用い、実施例１と同様の方
法で回路基板１００並びにそれを用いた半導体装置９０
０を作製した。これらは、実施例１と遜色のない特性を
示した。なお、本実施例のＴｉＮ層１５ａは基板１０の
ＡｌＮとは直接接しておらず、接合部全てがガーネット
相と接触していた。このＴｉＮ層とガーネット相間が拡
散接合されている点は前記実施例と同様である。

【００７９】〔実施例５〕セラミックス基板として窒
化ケイ素、炭化ケイ素、窒化ホウ素を用いた回路基板の
表面のガーネット相占有面積率が異なる場合について説
明する。

【００８０】窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化ホウ素の各
粉末に、第２実施例と同じ焼結助材粉末０.５〜２０重
量％をそれぞれ添加した圧粉成形体を焼成し、基板１０
を得た。各基板１０の表面には、それぞれ表２に示した
物質から構成されるガーネット相が存在していた。これ
らの焼結体基板は１５ｍｍ×１５ｍｍ×０.８ｍｍ厚さ
の寸法を有する。該基板を用い、実施例２と同様にして
回路基板１００を得た。図８は基板１０の表面のガーネ
ット相１０ａの占有面積率とＣｕ板１３，１４間のピー
ル強度の関係を示すグラフである。

【００８１】図８において、曲線Ｃは基板が窒化ケイ素
の場合、曲線Ｄは炭化ケイ素の場合、曲線Ｅは窒化ホウ
素の場合を示す。いずれも、ピール強度は占有面積率の
小さい領域では低い。しかし、占有面積率が増加するに
伴いピール強度も高くなり、５×１０~³％を以上になる
と実用可能な強度２０ｋｇ／ｃｍを上回る。しかし、そ
れ以上占有面積率を増してもピール強度は飽和してそれ
以上は向上しない。

【００８２】なお、占有面積率５×１０~³％以上の基板
１０を用いた回路基板１００は、実施例２と同等の性能
を示した。また、この回路基板１００を用いて得た半導
体装置９００も、実施例２のものと遜色ない特性を有し
ていた。

【００８３】以上のように、基板として窒化ケイ素、炭
化ケイ素、窒化ホウ素を用いた場合でも、ガーネット相
の占有面積率が５×１０~³％以上、好ましくは１０~²％
以上では実用可能な回路基板および半導体装置を得るこ
とができる。

【００８４】

【発明の効果】本発明によれば、接合強度の高い、非酸
化物系セラミックスと金属板とが一体化された回路基板
を安定に提供することができる。また、ヒートサイクル
寿命が長く、放熱性並びに信頼性に優れた半導体装置を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】焼結体表面のガーネット相の占有面積率と金属
板のピール強度の関係を示すグラフである。

【図２】本発明の一実施例による回路基板の断面模式図
である。

【図３】本発明の一実施例による回路基板と金属板との
接合界面の模式断面図である。

【図４】Ｘ線光電子分光分析（ＸＰＳ）による接合界面
のスペクトル図である。

【図５】本発明の半導体装置の要部模式斜視図である。

【図６】図５に示す半導体装置の回路構成図である。

【図７】スイッチング周波数と半導体素子の発熱温度と
の関係を示すグラフである。

【図８】ガーネット相の占有面積率とピール強度の関係
を示すグラフである。

【符号の説明】

１０…基板、１０ａ…ガーネット相、１３,１４…金属
板、１３ａ…コレクタ領域１３ｂ…エミッタ領域、１３
ｃ…ベース領域、１５…ろう材、１５ａ…境界層、１０
０…回路基板、２００…金属支持板、４００,４１０…
半導体素子、８００…外部端子、８１０…中継端子、９
００…半導体装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者荻原覚茨城県日立市久慈町4026番地株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者黒須俊樹茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (56)参考文献特開昭62−254450（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】非酸化物系セラミックスと金属板とをろう
材により接合して一体化した金属接合回路基板であっ
て、前記非酸化物系セラミックスの接合界面にガーネッ
ト相が占有面積率で５×１０~³％以上形成されているこ
とを特徴とする金属接合回路基板。
【請求項２】非酸化物系セラミックスと金属板とをろう
材により接合して一体化した金属接合回路基板であっ
て、前記非酸化物系セラミックスの表面が非加工面から
成り、該非加工面から成る接合面にガーネット相が占有
面積率で１０~²％以上形成されていることを特徴とする
金属接合回路基板。
【請求項３】前記ガ−ネット相がＹ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｂ，
Ｍｎ，Ｖ，Ｎｂ，Ｆｅ，Ｎｉ，希土類元素，アルカリ土
類元素，アルカリ金属，第ＩＢ族，第IIＢ族および活性
金属元素から選ばれる少なくとも１種の酸化物または炭
化物を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の
金属接合回路基板。
【請求項４】前記ガ−ネット相がＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆから
選ばれる金属の窒素または酸素の金属間化合物を含むこ
とを特徴とする請求項１または２に記載の金属接合回路
基板。
【請求項５】非酸化物系セラミックスと金属板とをろう
材により接合して一体化した金属接合回路基板であっ
て、前記非酸化物系セラミックスの接合界面にガーネッ
ト相が占有面積率で５×１０~³％以上形成され、金属板
のペール強度が２０ｋｇ／ｃｍ以上であることを特徴と
する金属接合回路基板。
【請求項６】非酸化物系セラミックスと金属板とをろう
材により接合して一体化した金属接合回路基板であっ
て、前記非酸化物系セラミックスの接合界面にガーネッ
ト相が占有面積率で５×１０~³％以上形成され、かつ、
該ガーネット相の１個の大きさの直径の平均が１５μｍ
以上であることを特徴とする金属接合回路基板。
【請求項７】非酸化物系セラミックスと金属板とをろう
材により接合して一体化された金属接合回路基板の前記
金属板によって回路が形成され、該回路上に半導体素子
が搭載された電子装置であって、前記非酸化物系セラミ
ックスの接合面にガーネット相が占有面積率で５×１０
~³％以上形成されていることを特徴とする電子装置。
【請求項８】非酸化物系セラミックスと金属板とをろう
材により接合して一体化された金属接合回路基板の前記
金属板によって回路が形成され、該回路上に半導体素子
が搭載された電子装置であって、前記回路基板の非酸化
物系セラミックスの接合面にガーネット相が占有面積率
で５×１０~³％以上形成されており、該回路基板の半導
体素子が搭載されていない面に金属支持板がろう材によ
り接合されていることを特徴とする電子装置。