JP4249316B2 - 複合基板およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はセラミックス基板に回路板を一体に接合した複合基板に係り、特に回路板の接合強度を高め、膨れや剥れを防止でき、接合強度の劣化による強度低下を防止して耐熱サイクル特性および信頼性に優れた複合基板に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、パワートランジスタモジュール用基板やスイッチング電源モジュール用基板用の複合基板として、セラミックス基板上に銅板等の金属回路板を接合した複合基板が広く使用されている。また、上記金属回路板に代えて、金属回路層を貼付した樹脂基板をセラミックス基板表面に一体に接合した複合基板も使用されている。特に薄型化と配線の狭ピッチ化へ対応するために、フォトリソグラフィ技術を使って配線層パターン等が形成できる樹脂基板が有望視されている。この樹脂基板は液晶ポリマーなどの樹脂フィルムの両側に回路用の銅箔を貼り合わせ、この銅箔に対して、フォトリソグラフィ技術を用いて狭ピッチ配線を可能にしている。
【0003】
上記複合基板に用いるセラミックス基板としては、アルミナ(Al2O3)基板の他に、電気絶縁性を有すると共に熱伝導性に優れた窒化アルミニウム基板や窒化けい素基板等が一般的に使用されている。
【0004】
上述したような銅板で回路板を構成した複合基板1は、例えば図2に示すようにセラミックス基板2の一方の表面に金属回路板3としての銅板を接合する一方、他方の表面に裏金属板4としての銅板を接合して形成される。上記セラミックス基板2表面に各種回路板を一体に形成する手法としては、下記のような直接接合法,高融点金属メタライズ法,活性金属法などが使用されている。直接接合法は、例えばセラミックス基板2上に銅板を、Cu−O等の共晶液相を利用して直接接合する、いわゆる銅直接接合法(DBC法:Direct BondingCopper法)であり、高融点金属メタライズ法はMoやWなどの高融点金属をセラミックス基板表面に焼き付けて回路層を一体に形成する方法である。また、活性金属法は、Ti,Zr,Hfなどの4A族元素のような活性金属を含むろう材層を介してセラミックス基板2上に回路板を一体に接合する方法である。
【0005】
また、具体的な回路の形成方法としては、予めプレス加工やエッチング加工によりパターニングした銅板を用いたり、接合後にエッチング等の手法によりパターニングする等の方法が知られている。これらDBC法や活性金属ろう付け法により得られる複合基板は、いずれも単純構造で熱抵抗が小さく、大電流型や高集積型の半導体チップに対応できる等の利点を有している。
【0006】
近年、複合基板を使用した半導体装置の高出力化,半導体素子の高集積化が急速に進行し、複合基板に繰り返して作用する熱応力や熱負荷も増加する傾向にあり、複合基板に対しても上記熱応力や熱サイクルに対して十分な接合強度と耐久性が要求されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の複合基板においては、セラミックス基板の種類や回路板の接合方法を改良することにより高い接合強度は得られていたが、耐熱サイクル性および曲げ強度が十分に得られず、複合基板を用いた半導体装置の信頼性や製品歩留りが低くなるという問題点があった。
【0008】
すなわち、複合基板に搭載する半導体素子の高集積化および高出力化に対応して熱サイクル負荷も大幅に上昇し、熱応力によって基板に割れが発生して複合基板の機能が喪失されてしまう問題点があった。また、上記AlNやSi3N4等の窒化物セラミックス基板と樹脂基板とを、接着剤を介して接合した複合基板においては、冷熱サイクル試験に対してその接着強度が経時的に劣化してしまうという問題があった。すなわち、窒化物セラミックス基板と接着剤との接着強度が冷熱サイクル試験によって劣化し、窒化物セラミックス基板と接着剤との界面で剥れが生じ易い難点があった。
【0009】
具体的に回路板のピール強度を測定すると下記のような値が得られている。例えばセラミックス基板と樹脂基板とを接合した複合基板においては、当初の規格値である1kg/cmを満足していたとしても、冷熱サイクルを繰り返した後には、ピール強度が0.3〜0.7kg/cmに低下するものが存在することも判明した。また、セラミックス基板と銅回路板とを前記直接接合法(DBC法)によって一体に接合した複合基板においては、当初の規格値である6kg/cmを満足していたとしても、冷熱サイクル試験後にはピール強度が3〜5kg/cm程度に低下し、膨れや剥離を生じるものが存在することも判明した。さらに、使用時に発生する熱応力によってセラミックス基板に割れが発生する場合も多く、複合基板を使用した半導体装置の信頼性が低下する難点もあった。
【0010】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、高い接合強度および優れた耐熱サイクル特性を有し、長期間使用した場合においても回路板の膨れや剥離を招くことなく、信頼性および耐久性に優れた複合基板を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本願発明者らは、特に冷熱サイクル試験に対するセラミックス基板と回路板との接着強度の劣化を防止することを目的として、鋭意検討を重ねた。その結果、セラミックス基板の表面に炭化水素層などの形で炭素成分が存在すると、銅回路板や樹脂基板とセラミックス基板との接合性が低下するという知見を得た。また、セラミックス基板表面に、酸化物や水酸化物吸着層などの形態で一定量の酸素原子が存在すると、セラミックス基板と接着剤との接合強度が冷熱サイクル試験後においても劣化しないという知見を得た。
【0012】
すなわち、直接接合法(DBC法)によって銅回路板とセラミックス基板との接合する場合には、銅中に含有される酸素が1065〜1083℃に加熱されてCu−O共晶液相を形成し、この液相がセラミックス基板中の酸素と接合することにより、接合がなされる。しかしながら、反応に必要な酸素が炭化水素(CHx)によって消費されたり、接合時の反応阻害要因となる炭素成分がセラミックス基板表面に付着したりすることにより、回路板とセラミックス基板との接合強度が低くなることが判明した。そして、セラミックス基板表面におけるO/C比を0.9以上としたときに接合強度が大幅に増加することが判明した。
【0013】
さらに、上記O/C比を所定の範囲に調整する処理として、セラミックス基板のアルカリ洗浄や酸素プラズマ処理が極めて有効であり、さらに酸素プラズマ処理を行えば、基板表面における酸素濃度が増加し、接合反応に寄与する酸素量の増大によって複合基板の接合強度を大幅に増加できることも判明した。
【0014】
さらに上記セラミックス基板を粗面化するアルカリ処理や酸素プラズマ処理によってセラミックス基板の表面の凹凸が増加し、接合に関与する表面積が増加し、良好な接合状態が得られる。また、粗面化することにより、接合時に混入したガスが効果的に抜け、未接合部が減少する。さらに、粗面化したセラミックス基板表面のアンカー効果によって複合基板の接合強度を向上させることも可能になるという知見が得られた。この傾向は金属回路板に代えて、樹脂基板を一体に接合した場合にも、同様に観察された。
【0015】
また、セラミックス基板表面に所定量のふっ素(F)原子を存在させた場合においても、セラミックス基板と回路板との接合強度が高くなることが判明した。本発明は上記知見に基づいて完成されたものである。
【0016】
すなわち、本発明に係る複合基板は、酸化物層を形成した窒化物セラミックス基板表面に回路板を一体に接合して構成した複合基板において、上記回路板の接合面となる窒化物セラミックス基板の表面部における酸素原子数に対する炭素原子数の比(O/C比)がアルカリ洗浄および酸素プラズマ処理の少なくとも一方の処理により0.9以上7.8以下に調整されていることを特徴とする。
【0017】
また、回路板は、金属回路板で構成してもよいし、または、金属回路層を貼付した樹脂基板で構成してもよい。
【0018】
さらに、セラミックス基板の表面部におけるふっ素原子の存在割合が1at%以上であることが望ましい。また、金属回路板は直接接合法によりセラミックス基板に接合してもよい。さらに、金属回路板が銅回路板であり、この銅回路板がCu−O共晶化合物によりセラミックス基板に接合されるように構成してもよい。一方、回路板が、Ti,Zr,Hfから選択される少なくとも1種を含有する活性金属層を介してセラミックス基板と接合されるように構成してもよい。また、セラミックス基板はアルミナ(Al2O3),窒化アルミニウム(AlN),窒化けい素(Si3N4)の少なくとも1種から構成される。
【0019】
本発明に係る複合基板の製造方法は、酸化物層を形成した窒化物セラミックス基板の表面部をアルカリ洗浄および酸素プラズマ処理の少なくとも一方で処理することにより表面粗さを高めると同時に窒化物セラミックス基板の表面部における酸素原子数に対する炭素原子数の比(O/C比)を0.9以上7.8以下となるように調整し、しかる後に窒化物セラミックス基板表面に回路板を一体に接合することを特徴とする。
【0020】
上記製造方法において、セラミックス基板の表面部をアルカリ洗浄した後に、さらに酸素プラズマ処理を行なうことが好ましい。
【0021】
すなわち、本発明に係る複合基板は、セラミックス基板表面におけるO/C比を0.9以上に調整するように表面処理を実施した後に、金属や樹脂から成る回路板を一体に接合したものである。
【0022】
本発明に係る複合基板に使用されるセラミックス基板としては、特に限定されるものではなく、酸化アルミニウム(アルミナ:Al2O3)等の酸化物系セラミックス基板の他に、窒化アルミニウム(AlN),窒化けい素(Si3N4),窒化チタン(TiN)等の窒化物、炭化けい素(SiC),炭化チタン(TiC)等の炭化物、またはほう化ランタン等のほう化物等の非酸化物系セラミックス基板でもよい。これらのセラミックス基板には酸化イットリウムなどの焼結助剤等が含有されていてもよい。
【0023】
本発明において、セラミックス基板と回路板との接合強度を高め、その劣化を防止するために、セラミックス基板表面または表層における酸素原子数に対する炭素原子数の比(O/C比)は、0.9以上とされるが、好ましくは2.0以上とする。このセラミックス基板表面部におけるO/C比を0.9以上にする方法としては、例えば、アルカリ溶液中にセラミックス基板を浸漬するアルカリ洗浄法やセラミックス基板表面を酸素プラズマに晒す酸素プラズマ処理法やセラミックス基板を高温蒸気に晒す方法などがある。特に、最初にセラミックス基板をアルカリ洗浄した後に、酸素プラズマ処理することがさらに望ましい。なお、上記セラミックス基板表面部のO/C比は、X線光電子分光法(XPS法)等によって測定することができる。
【0024】
上記アルカリ洗浄処理や酸素プラズマ処理は、その処理時間の増減によってセラミックス基板表面部のO/C比を所定の範囲に調整することが容易となる上に、セラミックス基板表面を目荒しして表面粗さをより高め、セラミックス基板と回路板との接合強度を高める上でも有効である。なお、基板表面の目荒しは、単に凹凸の較差を大きくするのではなく、平滑であった各凹凸部の表面粗さを±1μm程度の微小レベルにおいて目荒しする操作である。このアルカリ洗浄処理または酸素プラズマ処理によって生じる微小な目荒し状態(粗面)によって、ガス抜き効果を生じ未接合部分が減少するとともに、粗面によるアンカー効果によって接合強度がより一層改善される。
【0025】
また、上記酸素プラズマ処理に際して、雰囲気ガスとしてふっ素ガスを微量混入した酸素ガスを用いることにより、セラミックス基板表面にふっ素を析出させることができる。セラミックス基板の表面部に1atm%以上の割合でふっ素原子が存在すると、セラミックス基板と回路板との接合強度をより改善することができる。
【0026】
また本発明の複合基板の回路板を構成する金属としては、銅,アルミニウム,鉄,ニッケル,クロム,銀,モリブデン,コバルトの単体またはその合金など、基板成分との共晶化合物を生成し、直接接合法や活性金属法を適用できる金属であれば特に限定されないが、特に導電性および価格の観点から銅,アルミニウムまたはその合金が好ましい。上記金属製の回路板に代えて、上記材料から成る金属回路層を貼付した樹脂基板をセラミックス基板に一体に接合してもよい。
【0027】
上記回路板の厚さは、通電容量等を勘案して決定されるが、セラミックス基板の厚さを0.25〜1.2mmの範囲とする一方、回路板の厚さを0.1〜0.5mmの範囲に設定して両者を組み合せると熱膨張差による変形などの影響を受けにくくなる。
【0028】
特に回路板として銅回路板を使用し直接接合法によってセラミックス基板に接合する場合には、酸素を100〜1000ppm含有するタフピッチ電解銅から成る銅回路板を使用し、さらに銅回路板表面に所定厚さの酸化銅層を予め形成することにより、直接接合時に、発生するCu−O共晶の量を増加させ、基板と銅回路板との接合強度を、より向上させることができる。
【0029】
なお、直接接合法はAl2O3などの酸化物系セラミックス基板のみについては直ちに適用可能であり、窒化アルミニウムや窒化けい素などの非酸化物系セラミックス基板にそのまま適用しても基板に対する濡れ性が低いため、金属回路板の充分な接合強度が得られない。
【0030】
そこでセラミックス基板として非酸化物系セラミックスを使用する場合には、その非酸化物系セラミックス基板の表面に予め酸化物層を形成し、基板に対する濡れ性を高める必要がある。例えば、AlN基板またはSi3N4基板に対してはAl2O3やSiO2から成る酸化物層を予め形成しておく。この酸化物層は上記非酸化物系セラミックス基板を、空気中などの酸化雰囲気中で温度1000〜1400℃程度で2〜15時間加熱して形成される。この酸化物層の厚さが0.5μm未満の場合には、上記濡れ性の改善効果が少ない一方、10μmを超えるように厚く形成しても改善効果が飽和するため、酸化物層の厚さは0.5〜10μmの範囲が必要であり、より好ましくは1〜5μmの範囲が望ましい。
【0031】
本発明に係る複合基板において、活性金属法によって回路板を接合する際に形成される活性金属層は、Ti,Zr,Hfから選択される少なくとも1種の活性金属を含有し適切な組成比を有するAg−Cu系ろう材等で構成され、このろう材組成物を有機溶媒中に分散して調製した接合用組成物ペーストをセラミックス基板表面にスクリーン印刷する等の方法で形成される。
【0032】
上記接合用組成物ペーストの具体例としては、下記のようなものがある。すなわち重量%でCuを15〜35%、Ti、Zr、Hfから選択される少くとも1種の活性金属を1〜10%、残部が実質的にAgから成る組成物を有機溶媒中に分散して調製した接合用組成物ペーストを使用するとよい。
【0033】
上記活性金属はセラミックス基板に対するろう材の濡れ性を改善するための成分であり、特に窒化アルミニウム(AlN)基板に対して有効である。上記の活性金属の配合量は、接合用組成物全体に対して1〜10重量%が適量である。
【0034】
上記構成に係る複合基板およびその製造方法によれば、セラミックス基板の表面部における酸素原子数に対する炭素原子数の比(O/C比)が0.9以上であるため、セラミックス基板と回路板との接合強度が高くなり、しかもこの接合強度は冷熱サイクル試験後においても劣化せず、回路板の膨れや剥離の発生も少なく、信頼性および耐久性に優れた複合基板が得られる。
【0035】
また、セラミックス基板をアルカリ洗浄したり、酸素プラズマ処理することにより、上記O/C比が所定範囲に調整されるとともに、セラミックス基板表面が粗面化されるため、アンカー効果によって回路板の接合強度をより高めることができる。さらに、粗面化することにより、接合時に発生するガスの抜けが良好になり、ガスの滞留による未接合部の発生が少なくなる。また、セラミックス基板表面に1at%以上のふっ素原子を存在させることにより、セラミックス基板と回路板との接合強度を、より高めることが可能になる。
【0036】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施形態について添付図面を参照し以下の実施例に基づいて、より具体的に説明する。
【0037】
図1は直接接合法(DBC法)により回路板を接合した本発明に係る複合基板の構造を示す断面図である。この複合基板1aは、セラミックス基板2aとしてのAlN基板の表面に酸化物層(Al2O3皮膜)5を形成した後に、AlN基板2aの表面側に銅回路板3を接合する一方、背面側に裏銅板4を接合した構造を有する。
【0038】
上記複合基板1aの詳細な製造工程は以下の通りである。すなわち、窒化アルミニウム粉末に対して焼結助剤としてのY2O3粉末を5重量%とAl2O3粉末を3重量%とを添加混合して原料混合体を調製した。この原料混合体にバインダーおよび溶剤を添加して原料スラリーを調製した。さらに、原料スラリーをドクターブレード法により厚さ0.8mmのシート状に成形し、焼結後における寸法が縦50mm×横25mmとなるように切断して多数のシート状成形体を調製した。次に成形体表面に窒化ほう素(BN)から成る敷粉を配置した状態で温度500℃に加熱して脱脂した。次に、非酸化性雰囲気中で各脱脂体を温度1750℃で4時間焼結してAlN基板を調製した。次に、各AlN基板表面を清浄化し、基板表面に液相成分となる化合物が所定量だけ分布するAlN基板を得た。
【0039】
次に、得られた各AlN基板を空気雰囲気に調整した加熱炉中に収容し、温度1300℃で12時間加熱することにより、AlN基板の全表面を酸化し、図1に示すような厚さ2μmの酸化物層(Al2O3皮膜)5を形成した。
【0040】
次に上記のように酸化物層5を形成した各AlN基板2aに対して、次のような表面処理を実施して各実施例用のAlN基板を調製した。
【0041】
実施例1
温度20〜40℃に加熱した25%カ性ソーダ溶液中にAlN基板を浸漬し50分間の超音波洗浄を行うアルカリ洗浄処理を施して実施例1用のAlN基板とした。
【0042】
実施例2
圧力を30Pa,酸素流量を100SCCM,投入電力を400Wに調整した酸素アッシング装置内にAlN基板を配置してAlN基板表面を120秒間酸素プラズマに晒す酸素プラズマ処理を施して実施例2用のAlN基板とした。
【0043】
実施例3
温度20〜40℃に加熱した25%カ性ソーダ溶液中にAlN基板を浸漬し50分間の超音波洗浄を行うアルカリ洗浄処理を施した後に、さらに圧力を30Pa,酸素流量を100SCCM,投入電力を400Wに調整した酸素アッシング装置内にAlN基板を配置してAlN基板表面を60秒間酸素プラズマに晒す酸素プラズマ処理を施して実施例3用のAlN基板とした。
【0044】
比較例1
酸化物層(Al2O3皮膜)5を形成しただけで、上記アルカリ洗浄処理および酸素プラズマ処理を実施せずに、そのまま比較例1用のAlN基板とした。
【0045】
上記のように得られた実施例1〜3および比較例1用の各AlN基板表面のO/C比をXPS法(X線光電子分光法)により測定して表1に示す結果を得た。
【0046】
次に酸化物層を形成した各AlN基板の表面側に、酸素を含有する厚さ0.25mmのタフピッチ電解銅から成る金属回路板としての銅回路板を接触配置する一方、背面側に厚さ0.25mmのタフピッチ銅から成る裏金属板としての銅板を接触配置して積層体とし、この積層体を窒素ガス雰囲気に調整し、温度1075℃に設定した加熱炉に挿入して1分間加熱することにより、各AlN基板の両面に金属回路板(Cu板)または裏銅板を直接接合法(DBC法)によって接合した接合体をそれぞれ調製した。さらに各接合体をエッチング処理することにより、図1に示すような所定の回路パターンを有する各実施例および比較例に係る複合基板をそれぞれ10個ずつ調製した。
【0047】
こうして調製した各実施例および比較例に係るDBC複合基板について、回路板の接合強度を評価するために各回路板を基板に対して垂直方向に引き剥してピール強度を測定して下記表1に示す結果を得た。
【0048】
【表1】
【0049】
上記表1に示す結果から明らかなように、予めセラミックス基板表面をアルカリ洗浄したり酸素プラズマ処理してO/C比を所定値以上にした各実施例の複合基板においては、上記処理を実施しない比較例1と比較して、いずれもピール強度が高く、接合強度および耐久性に優れた複合基板が得られた。
【0050】
なお、上記実施例においては、セラミックス基板としてAlN基板を使用した例で示しているが、Al2O3基板およびSi3N4基板についても同様にアルカリ洗浄や酸素プラズマ処理を実施することにより、ピール強度が高い複合基板が得られることが確認されている。
【0051】
次に、回路板として樹脂基板を使用した複合基板(樹脂複合基板)の実施例について説明する。
【0052】
表面粗さ(Rmax)が10μmで表面部のO/C比が0.5である窒化けい素(Si3N4)基板素材を多数用意し、各Si3N4基板に下記のような表面処理を実施して各実施例用のSi3N4基板を調製した。
【0053】
実施例4
上記Si3N4基板素材に対して実施例1で示すアルカリ洗浄処理を50分間実施して実施例4用のSi3N4基板を調製した。
【0054】
実施例5
上記Si3N4基板素材に対して実施例2で示す酸素プラズマ処理を120秒間実施して実施例5用のSi3N4基板を調製した。
【0055】
実施例6
上記Si3N4基板素材に対して実施例1で示すアルカリ洗浄処理を50分間実施した後に、さらに実施例2で示す酸素プラズマ処理を60秒間実施することにより実施例6用のSi3N4基板を調製した。
【0056】
実施例7
上記Si3N4基板素材に対して実施例1で示すアルカリ洗浄処理を50分間実施した後に、さらに実施例2で示す酸素プラズマ処理を120秒間実施することにより実施例7用のSi3N4基板を調製した。
【0057】
比較例2
アルカリ洗浄処理および酸素プラズマ処理を全く実施せずに、前記Si3N4基板素材をそのまま比較例2用のSi3N4基板とした。
【0058】
比較例3
上記Si3N4基板素材に対して実施例2で示す酸素プラズマ処理を15秒間実施して比較例3用のSi3N4基板を調製した。
【0059】
上記のように調製した各実施例および比較例用のSi3N4基板の表面粗さを測定するとともに、XPS法によって基板表面のO/C比を測定して表2に示す結果を得た。
【0060】
一方、上記各Si3N4基板に接合するための樹脂基板を下記のように調製した。すなわち、液晶ポリマーから成る樹脂フィルムの両側に銅箔を貼り合わせ、この銅箔に対してフォトリソグラフィ技術によってチップ実装部,引き回し配線部などの配線層パターンを形成して多数の樹脂基板を調製した。
【0061】
そして前記のように調製した各Si3N4基板の表面に、エポキシ樹脂系接着剤を用いて上記樹脂基板をそれぞれ一体に接合することにより、それぞれ実施例4〜7および比較例2〜3に係る複合基板(樹脂複合基板)を10個ずつ調製した。
【0062】
こうして調製した実施例および比較例に係る各樹脂複合基板について、ピール試験による測定値から接合強度を算出した。具体的には樹脂基板の銅箔を垂直方向に折り曲げ、垂直方向に牽引する90度ピール試験に準拠して実施した。なお、このピール試験は、各複合基板について高温側125℃および低温側−40℃の冷熱サイクルを800サイクルまで繰り返す冷熱サイクル試験(TCT)の前後において実施した。その測定結果を下記表2に示す。なお、表2には各複合基板のセラミックス基板表面のO/C比および表面粗さ(Rmax)も併示する。
【0063】
【表2】
【0064】
上記表2に示す結果から明らかなように、各比較例では、初期状態(冷熱サイクル試験前)においてはその接着強度は1.3〜1.4kgf/cmという十分な値であるものの、800サイクルの冷熱サイクル試験後では0.2kgf/cmにまで劣化してしまうことがわかる。一方、各実施例では、すべての条件でほとんど接着強度の劣化が少ないことが判明した。したがって、この結果から、窒化物セラミックス基板に対して上述したようなアルカリ洗浄処理等を施すことで、基板表面または表層における酸素の窒素に対する原子数比が0.9より大きくなり、それにより冷熱サイクル試験前後における接着強度の劣化が抑制されることが実証された。
【0065】
表面粗さ(Rmax)が10μmで表面部に酸化物層(Al2O3皮膜)を有し、表面部のO/C比が0.5である比較例1に係る窒化アルミニウム(AlN)基板素材を多数用意し、各AlN基板に下記のような表面処理を実施して各実施例用のAlN基板を調製した。
【0066】
実施例8
上記AlN基板素材に対して実施例1で示すアルカリ洗浄処理を30〜120分間実施して、表3に示すO/Cを有する実施例8用のAlN基板をそれぞれ調製した。
【0067】
実施例9
AlN基板素材に対して実施例2で示す酸素プラズマ処理を150〜300秒間実施して、表3に示すO/Cを有する実施例9用のAlN基板を、それぞれ調製した。
【0068】
実施例10
AlN基板素材に対して実施例1で示すアルカリ洗浄処理を50〜90分間実施した後に、さらに実施例2で示す酸素プラズマ処理を60〜150秒間実施することにより、表3に示すO/Cを有する実施例10用のAlN基板をそれぞれ調製した。
【0069】
次に各AlN基板の表面側に、酸素を含有する厚さ0.25mmのタフピッチ電解銅から成る金属回路板としての銅回路板を接触配置する一方、背面側に厚さ0.25mmのタフピッチ銅から成る裏金属板としての銅板を接触配置して積層体とし、この積層体を窒素ガス雰囲気に調整し、温度1070℃に設定したベルト炉に挿入して1分間加熱することにより、各AlN基板の両面に金属回路板(Cu板)または裏銅板を直接接合法(DBC法)によって接合した接合体をそれぞれ調製した。さらに各接合体をエッチング処理することにより、図1に示すような所定の回路パターンを有する各実施例および比較例に係る複合基板をそれぞれ10個ずつ調製した。
【0070】
こうして調製した各実施例および比較例に係るDBC複合基板について、回路板の接合強度を評価するために各回路板を基板に対して垂直方向に引き剥してピール強度を測定して下記表3に示す結果を得た。
【0071】
【表3】
【0072】
上記表3に示す結果から明らかなように、予めセラミックス基板表面をアルカリ洗浄したり酸素プラズマ処理してO/C比を所定値以上にした各実施例においては、上記処理を実施しない比較例1と比較して、いずれもピール強度が高く、接合強度および耐久性に優れた複合基板が得られた。
【0073】
次にセラミックス基板の表面部におけるふっ素の存在量が接合強度に及ぼす影響について、下記の実施例に基づいて説明する。
【0074】
比較例4および実施例12〜14
基板表面のO/C比が0.7であるAlN基板を比較例4用のセラミックス基板として用意した。一方、比較例1で用意したAlN基板について、ふっ素ガスを微量(150ppm)混入した酸素ガスを用いた点以外は実施例2に示すプロセスと同一の条件で酸素プラズマ処理をそれぞれ120秒間および180秒間実施することにより、表4に示すように基板表面におけるO/C比が0.9および2.0である実施例12,14用のAlN基板を調製した。さらに、比較例1で用意したAlN基板について、実施例1に示すプロセスと同一条件でアルカリ洗浄処理を、70分間実施することにより、表4に示すように基板表面におけるO/C比が2.0である実施例13用のAlN基板を調製した。
【0075】
こうして調製した各AlN基板について表面のふっ素(F)原子存在量をXPS法により測定し、表4に示す結果を得た。また各AlN基板に対して実施例1と同様にして銅回路板および裏銅板を直接接合法(DBC法)によって一体に接合して比較例4および実施例12〜14に係る複合基板をそれぞれ10個ずつ調製した。各複合基板について銅回路板の接合強度をピール試験によって測定して下記表4に示す結果を得た。
【0076】
【表4】
【0077】
上記表4に示す結果から明らかなように、セラミックス基板表面のO/C比が同一である実施例13〜14の複合基板であっても基板表面上に析出したふっ素(F)量の多少によって回路板の接合強度が大きく変化することが判明し、ふっ素量が1at%以上では接合強度が大幅に改善されることが確認できた。
【0078】
なお、上記ふっ素(F)原子の存在量は、上記実施例12〜14のように、回路板を直接接合法(DBC法)によってセラミックス基板に接合する場合には、接合強度を改善する方向に作用したが、樹脂基板とセラミックス基板とを接着剤で接合する場合には却って接合強度が低下してしまうことが確認されている。
【0079】
次に、金属回路板の接合方法(DBC法,活性金属法)の相違が接合強度等の基板特性に及ぼす影響について下記の実施例に基づいて説明する。
【0080】
実施例15〜17
基板表面のO/C比が0.5であるAlN基板素材に対して、表5に示すように実施例1で行ったアルカリ洗浄処理および実施例2で行った酸素プラズマ処理の少なくとも一方の処理を実施することにより、基板表面のO/C比が2.0であり、かつF量が3.4atm%の実施例15〜17用のAlN基板をそれぞれ調製した。
【0081】
実施例15〜16用のAlN基板に対しては、実施例1と同様に銅回路板をDBC法により一体に接合して、それぞれ実施例15〜16に係る複合基板を調製した。
【0082】
一方、重量比でTi粉末を3%、Ag粉末を27%、Cu粉末を70%含有する粉末混合体100重量部に対して、溶媒としてのテレピネオールにバインダーとしてのエチルセルロースを溶解したバインダー溶液を20重量部添加して、擂回機で混合後、三段ロールで混練してペースト状の接合用組成物を調製した。
【0083】
そして、実施例17用の窒化アルミニウム(AlN)基板の両面に前記ペースト状接合用組成物を介在させて、それぞれ金属回路板および裏金属板を接触配置して3層構造の積層体とし、この各積層体を加熱炉内に配置し、炉内を1.3×10-8MPaの真空度に調整した後に温度850℃にて15分間加熱して図1に示すように、AlN基板2aに金属回路板3および裏金属板4を一体に接合して、多数の接合体を得た。そして各接合体についてエッチング処理を実施して所定の回路パターンを有する実施例17に係る複合基板とした。
【0084】
上記のように調製した実施例15〜17に係る複合基板について、ピール試験によって回路板の接合強度を測定するとともに、複合後における複合基板のうねり(反り量)を測定して下記表5に示す結果を得た。
【0085】
【表5】
【0086】
上記表5に示す結果から明らかなように、回路板をDBC法または活性金属法によって基板に接合した場合においても、両者に大きな差異は生じなかった。
【0087】
【発明の効果】
以上説明の通り本発明に係る複合基板およびその製造方法によれば、セラミックス基板の表面部にける酸素原子数に対する炭素原子数の比(O/C比)が0.9以上であるため、セラミックス基板と回路板との接合強度が高くなり、しかもこの接合強度は冷熱サイクル試験後においても劣化せず、回路板の膨れや剥離の発生も少なく、信頼性および耐久性に優れた複合基板が得られる。
【0088】
また、セラミックス基板をアルカリ洗浄したり、酸素プラズマ処理することにより、上記O/C比が所定範囲に調整されるとともに、セラミックス基板表面が粗面化されるため、アンカー効果によって回路板の接合強度をより高めることができる。さらに、粗面化することにより、接合時に発生するガスの抜けが良好になり、ガスの滞留による未接合部の発生が少なくなる。また、セラミックス基板表面に1at%以上のふっ素原子を存在させることにより、セラミックス基板と回路板との接合強度を、より高めることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る複合基板の一実施例を示す断面図。
【図2】複合基板の構造例を示す断面図。
【符号の説明】
1,1a 複合基板
2,2a セラミックス基板(AlN基板,Si3N4基板)
3 回路板(金属回路板,銅回路板,樹脂基板)
4 裏金属板(裏銅板)
5 酸化物層(Al2O3層)
Claims (10)
- 酸化物層を形成した窒化物セラミックス基板表面に回路板を一体に接合して構成した複合基板において、上記回路板の接合面となる窒化物セラミックス基板の表面部における酸素原子数に対する炭素原子数の比(O/C比)がアルカリ洗浄および酸素プラズマ処理の少なくとも一方の処理により0.9以上7.8以下に調整されていることを特徴とする複合基板。
- 回路板は、金属回路板であることを特徴とする請求項1記載の複合基板。
- 回路板は、金属回路層を貼付した樹脂基板であることを特徴とする請求項1記載の複合基板。
- 金属回路板が銅回路板であり、この銅回路板がCu−O共晶化合物により窒化物セラミックス基板に接合されていることを特徴とする請求項2記載の複合基板。
- 金属回路板は直接接合法により窒化物セラミックス基板に接合されていることを特徴とする請求項2記載の複合基板。
- 窒化物セラミックス基板の表面部におけるふっ素原子の存在割合が1at%以上であることを特徴とする請求項5記載の複合基板。
- 回路板が、Ti,Zr,Hfから選択される少なくとも1種を含有する活性金属層を介して窒化物セラミックス基板と接合されていることを特徴とする請求項1記載の複合基板。
- 窒化物セラミックス基板が窒化アルミニウム(AlN),窒化けい素(Si3N4)の少なくとも1種から成ることを特徴とする請求項1記載の複合基板。
- 酸化物層を形成した窒化物セラミックス基板の表面部をアルカリ洗浄および酸素プラズマ処理の少なくとも一方で処理することにより表面粗さを高めると同時に窒化物セラミックス基板の表面部における酸素原子数に対する炭素原子数の比(O/C比)を0.9以上7.8以下となるように調整し、しかる後に窒化物セラミックス基板表面に回路板を一体に接合することを特徴とする複合基板の製造方法。
- 窒化物セラミックス基板の表面部をアルカリ洗浄した後に、さらに酸素プラズマ処理を行なうことを特徴とする請求項9記載の複合基板の製造方法。
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