JP3890539B2 - セラミックス−金属複合回路基板 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は回路上の半導体素子からの発熱量を回路から効率よく除去できるセラミックス−金属複合回路基板を提供することを目的とする。
【０００２】
【従来の技術】
従来、セラミックス部材と金属部材とを接合する方法として、これらの両部材を直接接触させて接合する直接接合法やセラミックス部材と金属部材との間に中間層を介在させて接合する中間材法が実用化されている。このうち直接接合法としては、例えばアルミナ基板と銅板とを不活性雰囲気中において直接接触させ、これを加熱・冷却することにより接合体を得る方法（ＵＳＰ４８１１８９３号等）が知られている。
【０００３】
一方、中間材法としては、活性金属法やメタライズ法等があり、この内活性金属法は、ＴｉやＺｒ等の第ＩＶ族元素または第ＩＶ族元素を含む合金を中間材とし、この中間材をセラミックス部材と金属部材との間に挟んで接合する方法である。例えば、窒化ケイ素とステンレスとの接合においてはＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系合金をアルミナと銅との接合にはＣｕ−Ｔｉ系合金を中間材として用いていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
然しながら、近年、半導体装置を含む電子機器のより小型化に伴い内部に設置される半導体素子自体の高集積化及び高出力化が求められ、この結果、動作時における半導体素子からの発熱量も増大するという問題が発生してきた。
【０００５】
本発明は上述のような従来の技術上の問題点を解決し、放熱性の劣化や重量の増大がなく、パターンサイズの変更や基板面積の増大を行なわなくとも熱抵抗を小さくする為回路用金属板とセラミックス基板との接合界面のボイド（空洞）を極力小さく抑え、半導体素子からの発熱量を効率よく逃し得る新規なセラミックス−金属複合回路基板を開発することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は斯かる課題を解決するために鋭意研究したところ、セラミックス基板と金属板との接合界面のボイド（空洞）率を制御することによって半導体素子からの発生熱を問題なく逃し得ることを見い出し、本発明を提供することができた。
【０００７】
即ち、本発明は、アルミナ基板とその少なくとも一方の主面上に直接接合された金属板とからなり、少なくとも該金属板上の半導体搭載部分の接合界面において超音波探傷装置による測定で、単位面積当りのボイドの率が１．５％以下であり、上記アルミナ基板表面のうねりが表面粗さ計で１５μｍ／２０ｍｍ以下であることを特徴とする。
【０００８】
本発明の第２は、上記接合がセラミックス基板と金属板の直接接合である場合においては、セラミックス基板表面のうねりが表面粗さ計で１５μｍ／２０ｍｍ以下であるセラミックス基板を用いることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明の第３は、上記接合がセラミックス基板と金属板の活性金属ろう接合である場合において、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂから選択される少なくとも１種以上の活性金属を含有するろう材を介して接合することを特徴とするものである。
【００１１】
（作用）
【００１２】
本発明で用いられるセラミックス−金属複合回路基板は、セラミックス部材としてＡｌ2 Ｏ3 ，ＡｌＮ，ＢｅＯ，ＳｉＣ，Ｓｉ3 Ｎ4 ，ＺｒＯ2 から選ばれる少なくとも１種の部材であり、一方、金属板としては銅、アルミニウム等の導電特性に優れた部材である。
【００１３】
本発明において、セラミックス部材としてアルミナ基板を用いる場合においては、基板表面のうねりを表面粗さ計で測定して１５μｍ／２０ｍｍ以下であることを要する。逆にこの数値より多い場合には、ボイド（空洞）の最大径が大きくなると共に、径１００μｍ以上のボイド数も増え、結果として面積当たりのボイド率が比例して増えるためである。
【００１４】
また、セラミックス部材として上記のアルミナ基板に代え窒化アルミニウム基板や炭化珪素基板等を用いる場合には、活性金属としてＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂから選ばれる少なくとも１種を含有するＡｇ−Ｃｕ系ろう材を介して接合するが、この場合、ろう材をペースト化して塗布する方法で行なわれる。
【００１５】
上記ろう材をペースト化するには、ろう材の混合粉末に有機溶剤（テルピネオール、ＢＣＡ、ＤＢＰ、メチルセルソルブ等）や有機結合剤（エチルセルソーズ等）を所定量配合してペーストとしている。このペーストをセラミックス基板上にスクリーン印刷してその上に金属板を接合するが、この場合、加熱炉中で加熱すると温度や時間によってバインダーの除去、特にバインダー中に含有されるカーボンの除去量に変化があることを発見した。
【００１６】
加熱炉中の温度域を５５０℃，６００℃，６５０℃と３段階に分けて夫々保持時間を変えたもののボイドを調べたところ、５５０℃での脱バインダー温度ではボイド径の大きいものが見られるのに対し、脱バインダー温度が上昇するに従ってこの径が小さくなり、更に同一温度でも保持時間を長くして脱バインダー処理を行なって、バインダー中のカーボンを除去すると同様にボイド径が小さくなり、結果として面積当たりのボイド率が低下することが測定できた。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下実施例により本発明法を更に詳細に説明するが、本発明の範囲は以下の実施例により制限されものではない。
【００１８】
（実施例１）
【００１９】
先ず、金属部材として厚さ０．３ｍｍの回路側用の銅板と、厚さ０．２５ｍｍのヒートシンク側用の銅板とを用意し、セラミックス部材として３０×５０×０．６３５ｍｍの大きさである表面のうねり幅の異なるアルミナ基板を用意した。次いで、用意したアルミナ基板の両主面に銅板を接触配置し、これを不活性ガス雰囲気中において加熱及び冷却して接合体を得た後、所定の回路形状にエッチング処理して目的とする金属−セラミックス複合回路基板を得た。
【００２０】
これらの金属−セラミックス複合回路基板のうち、Ｓｉチップ等の半導体素子を搭載する部分の回路用銅板とアルミナ基板との接合界面を日立建機製の超音波探傷装置（ｍｉ−ｓｃｏｐｅ−ｉ）を用いてボイド最大径、１５ｃｍ2 当たりの径１００μｍ以上のボイド数及びボイド率を夫々測定し、これらの結果を表１に併せて示した。なお、超音波探傷装置で得られたボイドの画像は、実際のボイド箇所の切断面観察で得られたボイド径と一致するように超音波探傷条件を設定した。
【００２１】
【表１】
【００２２】
（実施例２）
【００２３】
金属部材として厚さ０．３ｍｍの回路側用の銅板と、厚さ０．２５ｍｍのヒートシンク側用の銅板とを用意し、セラミックス部材として３０×５０×０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム基板に予めＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系のペーストろう材をスクリーン印刷して乾燥したものを９枚用意した。
【００２４】
次いで、上記窒化アルミニウム基板を加熱炉中で加熱温度、保持時間を夫々変えて脱バインダー処理を行ない、バインダー中に含まれるカーボンを除去した後、更に８５０℃一定にして銅板を基板の上下面に接合した接合体を得、所定の回路形状にエッチング処理して目的とする金属−セラミックス複合回路基板を得た。
【００２５】
これらの金属−セラミックス複合回路基板のうち、Ｓｉチップ等の半導体素子を搭載する部分の回路用銅板と窒化アルミニウム基板とのろう材接合による接合界面を実施例１に示す超音波探傷装置を用いてボイド最大径、１５ｃｍ2 当たりの径１００μｍ以上のボイド数及びボイド率を夫々測定し、これらの結果を表２に併せて示した。
【００２６】
【表２】
【００２７】
測定後の複合基板の回路面に半導体素子としてＳｉチップを搭載して電力を通す試験を行なったところ、少なくとも６００℃以上で、２時間以上加熱処理してバインダー中のカーボンを除去したものが実施例１同様にボイド率が１．５％以下であった。
【００２８】
【発明の効果】
本発明のセラミックス−金属複合回路基板の開発により、同一の素材を用いて接合する場合においても、接合界面のボイド率を１．５％以下に制御することができた。これにより熱抵抗に優れた回路基板を低コストで製造でき、商業的価値の極めて高いものである。
【発明の属する技術分野】
本発明は回路上の半導体素子からの発熱量を回路から効率よく除去できるセラミックス−金属複合回路基板を提供することを目的とする。
【０００２】
【従来の技術】
従来、セラミックス部材と金属部材とを接合する方法として、これらの両部材を直接接触させて接合する直接接合法やセラミックス部材と金属部材との間に中間層を介在させて接合する中間材法が実用化されている。このうち直接接合法としては、例えばアルミナ基板と銅板とを不活性雰囲気中において直接接触させ、これを加熱・冷却することにより接合体を得る方法（ＵＳＰ４８１１８９３号等）が知られている。
【０００３】
一方、中間材法としては、活性金属法やメタライズ法等があり、この内活性金属法は、ＴｉやＺｒ等の第ＩＶ族元素または第ＩＶ族元素を含む合金を中間材とし、この中間材をセラミックス部材と金属部材との間に挟んで接合する方法である。例えば、窒化ケイ素とステンレスとの接合においてはＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系合金をアルミナと銅との接合にはＣｕ−Ｔｉ系合金を中間材として用いていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
然しながら、近年、半導体装置を含む電子機器のより小型化に伴い内部に設置される半導体素子自体の高集積化及び高出力化が求められ、この結果、動作時における半導体素子からの発熱量も増大するという問題が発生してきた。
【０００５】
本発明は上述のような従来の技術上の問題点を解決し、放熱性の劣化や重量の増大がなく、パターンサイズの変更や基板面積の増大を行なわなくとも熱抵抗を小さくする為回路用金属板とセラミックス基板との接合界面のボイド（空洞）を極力小さく抑え、半導体素子からの発熱量を効率よく逃し得る新規なセラミックス−金属複合回路基板を開発することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は斯かる課題を解決するために鋭意研究したところ、セラミックス基板と金属板との接合界面のボイド（空洞）率を制御することによって半導体素子からの発生熱を問題なく逃し得ることを見い出し、本発明を提供することができた。
【０００７】
即ち、本発明は、アルミナ基板とその少なくとも一方の主面上に直接接合された金属板とからなり、少なくとも該金属板上の半導体搭載部分の接合界面において超音波探傷装置による測定で、単位面積当りのボイドの率が１．５％以下であり、上記アルミナ基板表面のうねりが表面粗さ計で１５μｍ／２０ｍｍ以下であることを特徴とする。
【０００８】
本発明の第２は、上記接合がセラミックス基板と金属板の直接接合である場合においては、セラミックス基板表面のうねりが表面粗さ計で１５μｍ／２０ｍｍ以下であるセラミックス基板を用いることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明の第３は、上記接合がセラミックス基板と金属板の活性金属ろう接合である場合において、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂから選択される少なくとも１種以上の活性金属を含有するろう材を介して接合することを特徴とするものである。
【００１１】
（作用）
【００１２】
本発明で用いられるセラミックス−金属複合回路基板は、セラミックス部材としてＡｌ2 Ｏ3 ，ＡｌＮ，ＢｅＯ，ＳｉＣ，Ｓｉ3 Ｎ4 ，ＺｒＯ2 から選ばれる少なくとも１種の部材であり、一方、金属板としては銅、アルミニウム等の導電特性に優れた部材である。
【００１３】
本発明において、セラミックス部材としてアルミナ基板を用いる場合においては、基板表面のうねりを表面粗さ計で測定して１５μｍ／２０ｍｍ以下であることを要する。逆にこの数値より多い場合には、ボイド（空洞）の最大径が大きくなると共に、径１００μｍ以上のボイド数も増え、結果として面積当たりのボイド率が比例して増えるためである。
【００１４】
また、セラミックス部材として上記のアルミナ基板に代え窒化アルミニウム基板や炭化珪素基板等を用いる場合には、活性金属としてＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂから選ばれる少なくとも１種を含有するＡｇ−Ｃｕ系ろう材を介して接合するが、この場合、ろう材をペースト化して塗布する方法で行なわれる。
【００１５】
上記ろう材をペースト化するには、ろう材の混合粉末に有機溶剤（テルピネオール、ＢＣＡ、ＤＢＰ、メチルセルソルブ等）や有機結合剤（エチルセルソーズ等）を所定量配合してペーストとしている。このペーストをセラミックス基板上にスクリーン印刷してその上に金属板を接合するが、この場合、加熱炉中で加熱すると温度や時間によってバインダーの除去、特にバインダー中に含有されるカーボンの除去量に変化があることを発見した。
【００１６】
加熱炉中の温度域を５５０℃，６００℃，６５０℃と３段階に分けて夫々保持時間を変えたもののボイドを調べたところ、５５０℃での脱バインダー温度ではボイド径の大きいものが見られるのに対し、脱バインダー温度が上昇するに従ってこの径が小さくなり、更に同一温度でも保持時間を長くして脱バインダー処理を行なって、バインダー中のカーボンを除去すると同様にボイド径が小さくなり、結果として面積当たりのボイド率が低下することが測定できた。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下実施例により本発明法を更に詳細に説明するが、本発明の範囲は以下の実施例により制限されものではない。
【００１８】
（実施例１）
【００１９】
先ず、金属部材として厚さ０．３ｍｍの回路側用の銅板と、厚さ０．２５ｍｍのヒートシンク側用の銅板とを用意し、セラミックス部材として３０×５０×０．６３５ｍｍの大きさである表面のうねり幅の異なるアルミナ基板を用意した。次いで、用意したアルミナ基板の両主面に銅板を接触配置し、これを不活性ガス雰囲気中において加熱及び冷却して接合体を得た後、所定の回路形状にエッチング処理して目的とする金属−セラミックス複合回路基板を得た。
【００２０】
これらの金属−セラミックス複合回路基板のうち、Ｓｉチップ等の半導体素子を搭載する部分の回路用銅板とアルミナ基板との接合界面を日立建機製の超音波探傷装置（ｍｉ−ｓｃｏｐｅ−ｉ）を用いてボイド最大径、１５ｃｍ2 当たりの径１００μｍ以上のボイド数及びボイド率を夫々測定し、これらの結果を表１に併せて示した。なお、超音波探傷装置で得られたボイドの画像は、実際のボイド箇所の切断面観察で得られたボイド径と一致するように超音波探傷条件を設定した。
【００２１】
【表１】
（実施例２）
【００２３】
金属部材として厚さ０．３ｍｍの回路側用の銅板と、厚さ０．２５ｍｍのヒートシンク側用の銅板とを用意し、セラミックス部材として３０×５０×０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム基板に予めＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系のペーストろう材をスクリーン印刷して乾燥したものを９枚用意した。
【００２４】
次いで、上記窒化アルミニウム基板を加熱炉中で加熱温度、保持時間を夫々変えて脱バインダー処理を行ない、バインダー中に含まれるカーボンを除去した後、更に８５０℃一定にして銅板を基板の上下面に接合した接合体を得、所定の回路形状にエッチング処理して目的とする金属−セラミックス複合回路基板を得た。
【００２５】
これらの金属−セラミックス複合回路基板のうち、Ｓｉチップ等の半導体素子を搭載する部分の回路用銅板と窒化アルミニウム基板とのろう材接合による接合界面を実施例１に示す超音波探傷装置を用いてボイド最大径、１５ｃｍ2 当たりの径１００μｍ以上のボイド数及びボイド率を夫々測定し、これらの結果を表２に併せて示した。
【００２６】
【表２】
測定後の複合基板の回路面に半導体素子としてＳｉチップを搭載して電力を通す試験を行なったところ、少なくとも６００℃以上で、２時間以上加熱処理してバインダー中のカーボンを除去したものが実施例１同様にボイド率が１．５％以下であった。
【００２８】
【発明の効果】
本発明のセラミックス−金属複合回路基板の開発により、同一の素材を用いて接合する場合においても、接合界面のボイド率を１．５％以下に制御することができた。これにより熱抵抗に優れた回路基板を低コストで製造でき、商業的価値の極めて高いものである。
Claims (1)
- アルミナ基板とその少なくとも一方の主面上に直接接合された金属板とからなり、少なくとも該金属板上の半導体搭載部分の接合界面において超音波探傷装置による測定で、単位面積当りのボイドの率が１．５％以下であり、上記アルミナ基板表面のうねりが表面粗さ計で１５μｍ／２０ｍｍ以下であることを特徴とするセラミックス−金属複合回路基板。
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