JP3932343B2

JP3932343B2 - 半導体用基板およびその製造方法

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Publication number: JP3932343B2
Application number: JP2003401987A
Authority: JP
Inventors: 正美桜庭; 正美木村; 潤二中村; 昌也高原
Original assignee: Dowa Metaltech Co Ltd
Current assignee: Dowa Metaltech Co Ltd
Priority date: 1996-08-27
Filing date: 2003-12-01
Publication date: 2007-06-20
Anticipated expiration: 2017-03-18
Also published as: JP2004080063A

Description

本発明は、高強度セラミック金属複合体からなる回路基板に関し、更に詳しくは自動車や電車等の基板として好適な高ヒートサイクル特性を有する高信頼性半導体用基板である。

従来より、パワーハイブリットＩＣや大電力パワーモジュール等熱が大量に発生する電子部品の実装基板としては、導電回路を有するセラミック回路基板が広く用いられており、特に近年では、高熱電導率を有するＡｌＮセラミック回路基板を製造するために、セラミック基板の製造・通電回路の形成などに様々な工夫がなされている。

このうちヒートサイクル特性を上げるための工夫として、特公平７−９３３２６号公報、特開平１−５９９８６号公報のように、回路基板を構成する金属板の端部が２段あるいは薄肉部を有する形状であったり、また本出願人による特公平７−７７９８９号公報「セラミックスと金属の接合体の製造法」に開示するように、フィレット部を設けて端部の熱応力を緩和する方法は公知である。

これらの方法によって製造された基板は、従来の端部の段差がない基板に比較してヒートサイクル特性は向上し、数百サイクルまでクラックが発生していないことが報告されている。しかしながら近年、大電力用基板や自動車用基板としてはヒートサイクル特性が１５００サイクル以上の高信頼性のものが要求されており、上記の方式ではこれらの要求を満たす基板の開発はなされていなかった。
特公平７−９３３２６号公報特開平１−５９９８６号公報特公平７−７７９８９号公報

上述のように従来法においては、ヒートサイクル特性としてはせいぜい５０〜数１００サイクルが常識であったため、自動車や電車等の大電力パワーモジュール基板の実用化が難しかった。

本発明は、新規な製造手段を開発することによって、ヒートサイクル特性が１５００サイクル以上の自動車や電車向けの大電力パワーモジュール基板を提供することを目的とする。

本発明者は、斯かる課題を解決するために鋭意研究したところ、回路基板の端部を３段以上とし、特定の背厚みや幅を設けることによって、ヒートサイクル特性が飛躍的に向上することを見いだし、本発明を提供することができた。

すなわち本発明は、第１に、セラミック基板と金属板とが活性金属ろう材で接合されてなる回路基板において、少なくとも回路側の導体回路端部が３段以上の段差を有する半導体用基板の導体回路端部において、最下段の厚さｔ₁が導体総厚みの１５％以下であることを特徴とする半導体用基板；第２に、セラミック基板と金属板とが直接接合されてなる回路基板において、少なくとも回路側の導体回路端部が３段以上の段差を有する半導体用基板の導体回路端部において、最下段の厚さｔ₁が導体総厚みの１５％以下であることを特徴とする半導体用基板；第３に、セラミック基板と金属板とが活性金属ろう材で接合されてなる回路基板において、少なくとも回路側の導体回路端部が３段以上の段差を有する半導体用基板の導体回路端部において、最下段の厚さと中段の厚さの合計（ｔ₁＋ｔ₂）が導体総厚みの７０％以下であることを特徴とする半導体用基板；第４に、セラミック基板と金属板とが直接接合されてなる回路基板において、少なくとも回路側の導体回路端部が３段以上の段差を有する半導体用基板の導体回路端部において、最下段の厚さと中段の厚さの合計（ｔ₁＋ｔ₂）が導体総厚みの７０％以下であることを特徴とする半導体用基板；第５に、セラミック基板と金属板とが活性金属ろう材で接合されてなる回路基板において、少なくとも回路側の導体回路端部が３段以上の段差を有し、最下段の厚さｔ₁が導体総厚みの１５％以下であり、最下段の厚さと中段の厚さの合計（ｔ₁＋ｔ₂）が導体総厚みの７０％以下であることを特徴とする半導体用基板；第６に、セラミック基板と金属板とが直接接合されてなる回路基板において、少なくとも回路側の導体回路端部が３段以上の段差を有し、最下段の厚さｔ₁が導体総厚みの１５％以下であり、最下段の厚さと中段の厚さの合計（ｔ₁＋ｔ₂）が導体総厚みの７０％以下であることを特徴とする半導体用基板；第７に、セラミック基板と金属板とが活性金属ろう材で接合されてなる回路基板において、少なくとも回路側の導体回路端部が３段以上の段差を有し、最下段の厚さｔ₁が導体総厚みの１５％以下であり、最下段の厚さと中段の厚さの合計（ｔ₁＋ｔ₂）が導体総厚みの７０％以下であり、且つ最下段の幅ｌ₁が５〜５００μｍであることを特徴とする半導体用基板；第８に、セラミック基板と金属板とが直接接合されてなる回路基板において、少なくとも回路側の導体回路端部が３段以上の段差を有し、最下段の厚さｔ₁が導体総厚みの１５％以下であり、最下段の厚さと中段の厚さの合計（ｔ₁＋ｔ₂）が導体総厚みの７０％以下であり、且つ最下段の幅ｌ₁が５〜５００μｍであることを特徴とする半導体用基板；第９に、最下段の幅と中段の幅の合計（ｌ₁＋ｌ₂）が１ｍｍ以下であることを特徴とする上記第１〜８のいずれかに記載の半導体用基板；第１０に、上記導体回路端部において、最下段が活性金属ろう材からなり、他の段が金属よりなることを特徴とする、上記第１、３、５、７または９に記載の半導体用基板；第１１に、上記導体回路端部において、その全ての段が金属よりなることを特徴とする、上記第２、４、６、８または９に記載の半導体用基板；第１２に、回路形成面の反対側の金属板端部が２段以上であることを特徴とする、上記第１〜１１のいずれかに記載の半導体用基板；第１３に、金属板を活性金属ろう材を用いてセラミック基板に接合した後、金属板上にエッチングレジストを塗布し、エッチング処理をして回路パターンを形成し、次に２回目のレジストを塗布してエッチング処理を施して銅回路板端部を２段とし、次に３回目のレジストを塗布してエッチング処理を施して銅回路板端部を３段とする工程を有することを特徴とする、回路側の導体回路端部が３段以上の段差を有する半導体用基板の製造方法；第１４に、金属板をセラミック基板に直接接合した後、金属板上にエッチングレジストを塗布し、エッチング処理をして回路パターンを形成し、次に２回目のレジストを塗布してエッチング処理を施して銅回路板端部を２段とし、次に３回目のレジストを塗布してエッチング処理を施して銅回路板端部を３段とする工程を有することを特徴とする、回路側の導体回路端部が３段以上の段差を有する半導体用基板の製造方法；第１５に、金属板を活性金属ろう材を用いてセラミック基板に接合した後、金属板上にエッチングレジストを塗布し、エッチング処理をして回路パターンを形成し、次に２回目のレジストを塗布してエッチング処理を施して銅回路板端部を２段とし、次に化学研磨液を用いて金属板部分のみを化学研磨し最下段（３段目）がろう材からなる段とする工程を有することを特徴とする、回路側の導体回路端部が３段以上の段差を有する半導体用基板の製造方法を提供するものである。

上述のように本発明に係る回路基板は、従来公知の段差を有する基板に比べ、その段差を少なくとも３段以上に形成することによってヒートサイクル特性を大幅に向上できるものであり、これにより従来は使用不可能だった自動車や電車等の大電力パワーモジュール基板として用いることができるものである。

本発明で使用するセラミック基板は、アルミナ基板や窒化アルミニウム・窒化ケイ素からなる窒化物セラミック基板であり、回路を形成する金属としては銅板を用いる。

本発明において３段以上の段差は次のような手段で作製した。すなわち活性金属ろう材を用いて銅板をセラミック基板に接合する方法（活性金属法）においては、セラミック基板としての窒化アルミニウムやアルミナ基板の両面に活性金属ろう材ペーストを全面塗布した上に、回路用銅板として厚さ０．３ｍｍの銅板を、反対側には厚さ０．２５ｍｍの放熱用銅板を接触させ、真空炉内で８５０℃に加熱して接合させて接合体を得た。次いでこの接合体の銅板上にエッチングレジストを塗布し、塩化鉄溶液でエッチング処理をして回路パターンを形成した後不要なろう材を除去する。次に段差を形成するために２回目のレジストを塗布して、塩化鉄溶液でエッチング処理を施して銅回路板を２段とした。更に、端部を３段とするために、上記と同様に３回目のレジストを塗布して、塩化鉄溶液でエッチング処理を施して最下段にろう材が端部となる回路を形成した。この場合、エッチング条件によって１回目の端部としてはろう材のみを、あるいはろう材と銅板の２段からなる端部でそれぞれ任意の厚みを有する基板を得ることができる。

銅板をセラミック基板に直接接合する方法（直接接合法）においては、アルミナ基板の両面に回路用銅板としての厚さ０．３ｍｍの銅板を、反対面には厚さ０．２５ｍｍの銅板を接触させて加熱炉中で１０６３℃に加熱して接合体を得た。次いで上記と同様にエッチングレジストを塗布し、塩化鉄溶液でエッチング処理をして回路パターンを形成した。次に段差を形成するために２回目のレジストを塗布して、塩化物溶液でエッチング処理を施して２段とした。更に、端部を３段とするために、上記と同様に３回目のレジストを塗布して、塩化鉄溶液でエッチング処理を施して回路用銅板に３段の端部を形成した。

上記のような方法で得た３段の端部を有する回路用基板のヒートサイクル特性を、＋１２５℃で３０分、−４０℃で３０分となるヒートサイクル条件下で調べたところ、従来品では得られなかった１５００サイクル以上の結果を得ることができた。

本発明では、更にヒートサイクル特性を向上させるために回路用銅板ばかりでなく、反対面に接合した放熱板用の銅板の端部にも段差を設けたところ、上記ろう接合基板及び直接接合基板のいずれについても、ヒートサイクルが２０００サイクル以上になってもクラックの発生が見られなかった。

以下、実施例をもって本発明の詳細を説明するが、本発明の範囲はこれらに限定されるものではない。

セラミック基板１として５３×２９×０．６３５ｍｍのアルミナ基板を４枚用意し、この基板両面に厚さ０．３ｍｍの回路用銅板３と厚さ０．２５ｍｍの放熱板４用の銅板とを接触させ、加熱炉内で１０６３℃にて加熱して直接接合した。

次いで回路状にエッチングレジストを塗布し、塩化鉄溶液でエッチング処理を行い、回路パターンを形成すると共に不要なろう材を除去した。

次いで回路面の端部に段差を形成するために、２回目のレジストを塗布しエッチング処理を行って２段目の段差を形成した。

更に端部を３段とするために、３回目のレジストを塗布し塩化鉄溶液でエッチング処理し、図１（Ａ）（Ｂ）に示すように３段目の最下段部を有する回路基板としてそれぞれ２枚ずつ２組の基板を得た。

得られた２枚の（Ａ）の３段からなる基板の厚さや幅については、最下段のｔ_１＝２０μｍｌ_１＝０．３ｍｍであり、中段のｔ_２＝０．１ｍｍｌ_２＝０．３ｍｍであり、最上段のｔ_３＝０．１８ｍｍであった。

他の形態として（Ｂ）に示すような３段からなる２枚の基板の厚さや幅については、最下段のｔ_１＝４０μｍｌ_１＝０．３ｍｍであり、中段のｔ_２＝０．１３ｍｍｌ_２＝０．３ｍｍであり、最上段のｔ_３＝０．１３ｍｍであった。

得られた（Ａ）（Ｂ）のうち各１枚ずつを選んで、＋１２５℃で３０分、−４０℃で３０分を１サイクルとするヒートサイクル試験を行ったところ、表１に示すように１５００サイクルではクラックの発生が見られず、２０００サイクルで微細なクラックが発生していた。

上記実施例１で得た残りの（Ａ）（Ｂ）各１枚ずつを用意し、回路形成面の反対側の放熱面が２段となるようにレジストを塗布し、エッチング処理を施して図２（Ａ）（Ｂ）に示すように回路面が３段、放熱部が２段からなる２組の基板を得た。これらのヒートサイクル特性を実施例１と同様の方法で試験したところ、表１に併せて示したように２０００サイクルでもクラックの発生が見られず、従来品に比較して格段のヒートサイクル特性を有することが分かった。

セラミック基板１として５３×２９×０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム基板を２枚用意し、この基板両面にＡｇ７１．０％、Ｃｕ１６．５％、Ｔｉ２．０％、ＴｉＯ_２０．５％からなるろう材２のペーストを全面塗布し、その両面に厚さ０．３ｍｍの回路用銅板３と厚さ０．２５ｍｍの放熱板４用の銅板とを接触させ、真空炉内で８５０℃にて加熱接合した。

更に端部を３段とするために、化学研磨液を用いてＣｕ部分のみを化学研磨し、図３（Ａ）に示すように最下段の全部または一部がろう材からなる段を有する回路基板として２枚の基板を得た。

得られた２枚の（Ａ）の３段からなる基板の厚さや幅については、最下段のｔ_１＝２０μｍ、ｌ_１＝０．３ｍｍ、中段のｔ_２＝０．０９５ｍｍ、ｌ_２＝０．３ｍｍであり、最上段のｔ_３＝０．１７５ｍｍであった。

得られた基板の１枚を、＋１２５℃で３０分、−４０℃で３０分を１サイクルとするヒートサイクル試験を行ったところ、表１に示すように１５００サイクルではクラックの発生が見られず、２０００サイクルで微細なクラックが発生していた。

次いで回路面、放熱面に２回目のレジストを塗布し、エッチング処理を行って表・裏両面とも２段目の段差を形成した。

更に表側の回路面を３段とするために、化学研磨液を用いてＣｕ部分のみを化学研磨し、図４に示すような回路面３段、放熱部２段からなる基板を得た。

これらのヒートサイクル特性を実施例３と同様の方法で試験したところ、表１に併せて示したように２０００サイクルでもクラックの発生が見られず、従来品に比較して格段のヒートサイクル特性を有することがわかった。

比較例１

セラミック基板１として５３×２９×０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム基板と同じ大きさのアルミナ基板とを用意し、活性金属法では、窒化アルミニウム基板に実施例１において用いた活性金属ろう材２のペーストを全面塗布し、その両面に厚さ０．３ｍｍの銅板と放熱板４としての厚さ０．２５ｍｍの銅板とを接触させて、真空炉内で８５０℃にて加熱接合し、一方、直接接合法では、セラミック基板１としてのアルミナ基板の両面に回路用基板３および放熱板４として同じ厚みの銅板を接触させたものを、加熱炉内で１０６３℃で加熱接合させた。

得られた接合基板の回路用銅板３にエッチングレジストを塗布し、塩化鉄溶液でエッチング処理を行い、図５（Ａ）（Ｂ）に示すような従来の通常タイプの回路基板を得た。これらのヒートサイクル特性を実施例１と同様に試験したところ約５０サイクルで微細なクラックが発生していることを確認した。

比較例２

セラミック基板１として５３×２９×０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム基板を２枚用意し、この基板両面にＡｇ７１．０％、Ｃｕ１６．５％、Ｔｉ２．５％からなるろう材２のペーストを全面塗布し、その両面に厚さ０．３ｍｍの回路用基板３としての銅板と厚さ０．２５ｍｍの放熱板４用の銅板とを接触させ、真空炉内で８５０℃にて加熱接合した。

次いで回路基板の端部に段差を付けるために、２回目のエッチングレジストを銅パターンより小さく塗布し、１回目と同様に塩化鉄溶液でエッチング処理を行い図６に示す形状の回路基板を得た。この場合の下段の端部におけるｔ_１＝０．１ｍｍｌ_１＝０．３ｍｍであり、上段の段差厚みをｔ_２＝０．２ｍｍとした。

このようにして得た回路基板の２組を、図６（Ａ）（Ｂ）に示されるように放熱部に段差がないものと段差があるものとに分けてヒートサイクル試験を行ったところ、表１に併せて示したように段差のない基板では、３００サイクルまでクラックの発生は見られなかったが、４００サイクルで微細なクラックが発生していることを確認した。一方、段差のある回路基板の場合は、４００サイクルまでクラックの発生は見られなかったが、５００サイクルで微細なクラックが発生していることを確認した。

比較例３

セラミック基板１として５３×２９×０．６３５ｍｍのアルミナ基板を２枚用意し、該アルミナ基板上に銅板を接触配置し、窒素ガス雰囲気中１０６３℃で加熱して接合基板を得た。次いでエッチングレジストを塗布し、塩化鉄溶液でエッチング処理を行い、パターンを形成した。

次いで回路基板の端部に段差を付けるために、２回目のエッチングレジストを銅パターンより小さく塗布し、１回目と同様に塩化鉄溶液でエッチング処理を行い図７（Ａ）に示す形状の回路基板を得た。この場合の下段の端部におけるｔ_１＝０．１ｍｍｌ_１＝０．３ｍｍであり、上段の段差厚みをｔ_２＝０．２ｍｍとした。

このようにして得た回路基板の２組を、図７（Ａ）（Ｂ）に示されるように放熱部に段差がないものと段差があるものとに分けてヒートサイクル試験を行ったところ、表１に併せて示したように段差のない基板では、３００サイクルまでクラックの発生は見られなかったが、４００サイクルで微細なクラックが発生していることを確認した。一方、段差のある回路基板の場合は、４００サイクルまでクラックの発生は見られなかったが、５００サイクルで微細なクラックが発生していることを確認した。

本発明実施例１によって得られた回路基板の一部断面図である。本発明実施例２によって得られた回路基板の一部断面図である。本発明実施例３によって得られた回路基板の一部断面図である。本発明実施例４によって得られた回路基板の一部断面図である。本発明比較例１によって得られた回路基板の一部断面図である。本発明比較例２によって得られた回路基板の一部断面図である。本発明比較例３によって得られた回路基板の一部断面図である。

符号の説明

１セラミック基板
２ろう材
３回路用基板
４放熱板

Claims

セラミック基板と金属板とが活性金属ろう材で接合されてなる回路基板において、少なくとも回路側の導体回路端部が３段以上の段差を有する半導体用基板の導体回路端部において、最下段の厚さｔ₁が導体総厚みの１５％以下であることを特徴とする半導体用基板。
セラミック基板と金属板とが直接接合されてなる回路基板において、少なくとも回路側の導体回路端部が３段以上の段差を有する半導体用基板の導体回路端部において、最下段の厚さｔ₁が導体総厚みの１５％以下であることを特徴とする半導体用基板。
セラミック基板と金属板とが活性金属ろう材で接合されてなる回路基板において、少なくとも回路側の導体回路端部が３段以上の段差を有する半導体用基板の導体回路端部において、最下段の厚さと中段の厚さの合計（ｔ₁＋ｔ₂）が導体総厚みの７０％以下であることを特徴とする半導体用基板。
セラミック基板と金属板とが直接接合されてなる回路基板において、少なくとも回路側の導体回路端部が３段以上の段差を有する半導体用基板の導体回路端部において、最下段の厚さと中段の厚さの合計（ｔ₁＋ｔ₂）が導体総厚みの７０％以下であることを特徴とする半導体用基板。
セラミック基板と金属板とが活性金属ろう材で接合されてなる回路基板において、少なくとも回路側の導体回路端部が３段以上の段差を有し、最下段の厚さｔ₁が導体総厚みの１５％以下であり、最下段の厚さと中段の厚さの合計（ｔ₁＋ｔ₂）が導体総厚みの７０％以下であることを特徴とする半導体用基板。
セラミック基板と金属板とが直接接合されてなる回路基板において、少なくとも回路側の導体回路端部が３段以上の段差を有し、最下段の厚さｔ₁が導体総厚みの１５％以下であり、最下段の厚さと中段の厚さの合計（ｔ₁＋ｔ₂）が導体総厚みの７０％以下であることを特徴とする半導体用基板。
セラミック基板と金属板とが活性金属ろう材で接合されてなる回路基板において、少なくとも回路側の導体回路端部が３段以上の段差を有し、最下段の厚さｔ₁が導体総厚みの１５％以下であり、最下段の厚さと中段の厚さの合計（ｔ₁＋ｔ₂）が導体総厚みの７０％以下であり、且つ最下段の幅ｌ₁が５〜５００μｍであることを特徴とする半導体用基板。
セラミック基板と金属板とが直接接合されてなる回路基板において、少なくとも回路側の導体回路端部が３段以上の段差を有し、最下段の厚さｔ₁が導体総厚みの１５％以下であり、最下段の厚さと中段の厚さの合計（ｔ₁＋ｔ₂）が導体総厚みの７０％以下であり、且つ最下段の幅ｌ₁が５〜５００μｍであることを特徴とする半導体用基板。
最下段の幅と中段の幅の合計（ｌ₁＋ｌ₂）が１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の半導体用基板。
上記導体回路端部において、最下段が活性金属ろう材からなり、他の段が金属よりなることを特徴とする、請求項１、３、５、７または９に記載の半導体用基板。
上記導体回路端部において、その全ての段が金属よりなることを特徴とする、請求項２、４、６、８または９に記載の半導体用基板。
回路形成面の反対側の金属板端部が２段以上であることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれかに記載の半導体用基板。
金属板を活性金属ろう材を用いてセラミック基板に接合した後、金属板上にエッチングレジストを塗布し、エッチング処理をして回路パターンを形成し、次に２回目のレジストを塗布してエッチング処理を施して銅回路板端部を２段とし、次に３回目のレジストを塗布してエッチング処理を施して銅回路板端部を３段とする工程を有することを特徴とする、回路側の導体回路端部が３段以上の段差を有する半導体用基板の製造方法。
金属板をセラミック基板に直接接合した後、金属板上にエッチングレジストを塗布し、エッチング処理をして回路パターンを形成し、次に２回目のレジストを塗布してエッチング処理を施して銅回路板端部を２段とし、次に３回目のレジストを塗布してエッチング処理を施して銅回路板端部を３段とする工程を有することを特徴とする、回路側の導体回路端部が３段以上の段差を有する半導体用基板の製造方法。
金属板を活性金属ろう材を用いてセラミック基板に接合した後、金属板上にエッチングレジストを塗布し、エッチング処理をして回路パターンを形成し、次に２回目のレジストを塗布してエッチング処理を施して銅回路板端部を２段とし、次に化学研磨液を用いて金属板部分のみを化学研磨し最下段（３段目）がろう材からなる段とする工程を有することを特徴とする、回路側の導体回路端部が３段以上の段差を有する半導体用基板の製造方法。