JP6100501B2 - セラミック回路基板および製造方法 - Google Patents

Description

本発明は半導体素子を搭載し、微細なクラックを生じることなく超音波接合により銅電極を直接接合できるセラミック回路基板とその製造方法に関する。

近年、ロボットやモーター等の産業機器の高性能化に伴う、大電力・高能率インバーターであるパワーモジュールの変遷が進んでおり、セラミック回路基板に搭載される複数の半導体素子から発生する熱の増大に加え、高電流密度化により通電時のアルミワイヤやはんだ等、導電部材の電気抵抗により発生する熱も加わるためにモジュールを構成する部材の耐高熱材料が求められており、その解決手段の一つとして従来セラミック回路基板にはんだ接続された銅電極を超音波により直接回路基板に接合する手法が採用されつつある。銅電極の超音波接合は、銅電極をセラミック基板に対し垂直方向に加重を掛けながら、水平方向に超音波振動を付与することにより回路基板の銅板と銅電極を一体化する手法であるが、このとき、セラミック基板と金属回路の界面には強い引張応力が付与されるため、場合によってはセラミック基板の表面に軽微なクラックを生じ、モジュールの信頼性を損なってしまうという課題があった。

従来、上記セラミック回路基板の問題点を解消するため、電極を接合する回路基板の該当箇所にスリットを形成する（特許文献１）、銅厚を厚くする（特許文献２）等の提案がなされ、耐クラック性は幾分高められているものの、製造するにあたり特殊な設定が必要となる等、量産性や製造コストに十分な配慮がなされたものとはいえなかった。

特開２０１０−０１０５３７号公報 特開２００３−１９８０７７号公報

本発明は半導体素子を搭載し、超音波接合により銅電極を直接接合しても、微細なクラックを生じることのないセラミック回路基板とその製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明のセラミック回路基板にあっては、セラミック基板の一方の面に銅回路、他方の面に銅放熱板が、活性金属としてＴｉを含有するろう材により接合されてなるセラミック回路基板において、セラミック基板の鏡面光沢度が５．０以上、セラミック回路基板の接合ボイドが１０％以下であって、セラミック回路基板のろう材層がＡｇを含有する合金中にＣｕを含有する合金が分散した構造を有し、その厚みが１１〜２４μｍであり、Ｔｉ化合物の厚みが０．４〜０．６μｍで、その占有面積が１２〜８５％であることを特徴とするものである。

さらに本発明にあっては、セラミック基板が基板表面の鏡面光沢度５．０以上である窒化アルミニウム基板または窒化けい素基板であり、使用するろう材金属成分の酸素量が０．１５質量％以下（０を含まず）であることを特徴とするセラミック回路基板の製造方法である。

本発明によれば、セラミック回路基板に銅電極を超音波接合にて接合する際、セラミック基板に微小なクラックを生じることなく接合でき、モジュールの信頼性を向上することができるセラミック回路基板とその製造方法が提供される。

本発明の回路基板の一例を示す断面図 本発明の回路基板の一例を示す走査型電子顕微鏡写真

以下、本発明について詳細に説明する。

まず、本発明に関わるセラミック基板は、放熱性に優れた窒化アルミニウム基板、窒化けい素基板が好ましく、そのセラミック基板の厚みとしては、１．５ｍｍを越えると熱抵抗が大きくなり、０．２ｍｍ未満では耐久性がなくなるため、０．２〜１．５ｍｍが好ましい。

このとき、セラミック基板の表面に存在する微少な欠陥や窪み等は、回路、放熱板あるいはそれらの前駆体である銅板をセラミック基板に接合する際に影響を及ぼすため、平滑であることが好ましい。従って、セラミック基板は、ホーニング処理や機械加工等による研磨処理が施すことが好ましく、上記機械加工による表面加工をおこなった場合には、セラミック基板の表面に生じた微小なクラックをなくすために焼結助材の溶融温度まで再加熱処理をおこなうことがより好ましい。

本発明に関わるセラミック基板は、基板表面の鏡面光沢度が５．０以上であることが好ましく、９．０以上であることがより好ましい。詳細を説明すると、本発明に関わるろう材は、ろう材中のＴｉが窒化アルミニウム基板または、窒化けい素基板の表面と反応したＴｉ化合物を形成し、それを介して溶融したろう材が基板表面および銅板表面に濡れ広がることにより接合されるものであるが、このとき、セラミック基板の表面に微小な凹凸が多数あると基板表面とＴｉの反応が阻害されたり、ろう材の濡れ広がりが不十分で接合できない場合がある。従来から基板表面の性状を評価する手法として、ＪＩＳ Ｂ ０６０１記載の表面粗さ計による算術平均粗さ（Ｒａ）や最大高さ（Ｒｙ）を用いられているが、計測される箇所は、微小な範囲であるために基板表面の状態を把握するには十分ではなかった。本発明者らは、鋭意検討をおこなった結果、ＪＩＳ Ｚ ８７４１に規定される鏡面光沢度（堀場製作所製グロスチェッカＩＧ−３２０、入射角６０°受光角６０°）を用いることで基板表面の微小な凹凸を広範囲にわたってより的確に把握できることを見出し、さらに、その値が５．０以上であれば、ろう材の濡れ広がりの影響が小さくなることを見出した。鏡面光沢度が５．０を下回る場合、ろう材の濡れ広がり影響するため、部分的に接合できない場合があり、接合ボイドを生じ易くなるためである。

本発明に関わるセラミック回路基板に使用される銅回路及び銅放熱板の材質は、電気特性の観点から、電気抵抗の低い純度は９９．９％以上の無酸素銅であることが好ましく、その厚みは、熱拡散の観点から０．２〜０．５ｍｍである。セラミック基板に回路パターン及び放熱板を接合し、回路を形成する方法としては、セラミック基板とその両主面に金属板とを活性金属を含有するろう材を介して接合した前駆体を作成し、所望の回路と放熱板の形状をエッチングレジストでマスキングした後、不要な部分をエッチングして得る方法やあらかじめ銅板から打ち抜かれた回路及び放熱板のパターンを含有するろう材を介してセラミック基板に接合する方法等によって行うことができる。

本発明に関わるセラミック基板と銅板の間に形成されるろう材層は、Ａｇを主成分とする合金中にＣｕを主成分とする合金が分散した構造を有し、かつその厚みが１１〜２４μｍであることを特徴とするものである。
既に記載したが、超音波接合はセラミック回路基板の所望の位置に銅電極を配置し、回路基板と接合する電極端子の上部から荷重を負荷した後、基板の水平方向に超音波の振動を付与する手法である。そのため、セラミック基板と銅回路の界面に強い応力が発生し、セラミック基板の表面に微小なクラックを生じたり、場合によってはセラミック基板が割れ、絶縁性を確保できなくなる等、信頼性に影響することがあった。本発明者らは、鋭意検討をおこない、上記したろう材層の構造と厚みとすることにより、基板と銅回路の界面に負荷される応力を緩和することができ、セラミック基板に微小なクラックを生じることなく銅電極を超音波にて接合できることを見出した。

ここで、本発明に関わるセラミック回路基板のろう材層の構造とその厚みを観察する方法を以下に説明する。まず、ろう材層の厚みは、セラミック回路基板の断面を研磨し、走査型電子顕微鏡（日本電子ＪＳＭ−６３８０）にて倍率２００倍で観察することにより計測することができる。また、ろう材層の構造は、Ａｇを主成分とする合金とＣｕを主成分とする合金は検出強度が異なるためにコントラストが異なっており、その形状と割合を観察することができる（図２）。さらには、電子顕微鏡に併設したエネルギー分散型Ｘ線分析装置を用い、ろう材層中の比率を簡易的に計測することによってもできる。例えば倍率１５００倍にてろう材層内のＡｇとＣｕの比率を簡易的に計測すると、Ａｇ／Ｃｕのピーク強度は１．２〜１．７となり、Ａｇ合金中にＣｕ合金が分散された形態であることがわかる。

以下に本発明に関わる応力緩和の効果について詳細を説明すると、銅電極の超音波接合により生じる応力は、一部は銅回路や銅電極の変形にて緩和されるが、その大半は、銅回路とセラミック基板の界面に集中することが考えられる。このとき負荷された応力は、ろう材層を形成するＡｇ合金中にＣｕ合金が分散した構造、言い換えると延性や展性に富むＡｇを主成分とする構造にすることによって、セラミック基板に対し水平方向の応力が、さらに、ろう材層の厚みを１１μｍ以上となるように配置することで垂直方向の応力が緩和できることを見出した。したがって、ろう材層の厚みが１０μｍ以下である場合には、超音波接合による応力を緩和できず、基板に微小なクラックを生じる場合があるためであり、ろう材層の厚みが２４μｍ以下であるのは、接合時にろう材の浸みだしにより、厚みを維持できなかったり、浸みだしたろう材がセラミック基板と対面する銅板の側面、反対の主面に銅板より硬い合金を生じるためにセラミック回路基板の熱サイクル特性に影響する場合があるためである。

さらに本発明に関わるセラミック回路基板は、活性金属であるＴｉとセラミック基板表面と反応したＴｉ化合物の厚みが０．４μｍ〜０．６μｍであり、Ｔｉ化合物の占める面積がセラミック基板の１２〜８５％であることを特徴とするものである。これらの計測手法としては、上記記載した走査型電子顕微鏡による回路基板の断面において、セラミック基板の表面近傍を倍率５０００倍で観察することによってＴｉ化合物の厚みを計測することができる。また、Ｔｉ化合物の占める面積の計測は、まず、セラミック回路基板を塩化第二銅にて銅板を溶解し、チオ硫酸アンモニウム水溶液に浸漬することにより、Ｔｉ化合物が残留した基板を得ることができ、その表面を走査型電子顕微鏡にて倍率２００倍で観察した画像を画像解析（ＭｅｄｉａＣｙｂｅｒｎｅｔｉｃｓ解析ソフトＩｍａｇｅＰｒｏ）することによってＴｉ化合物の占める面積を求めることができる。

ここで接合時のＴｉ化合物の役割を簡単に説明すると、基板表面に形成するＴｉ化合物は、ろう材とセラミック基板とを結合する化合物であって、セラミック基板と強く結合している。しかしながら、Ｔｉ化合物が厚くなるとセラミック基板との熱特性の差（線膨張率）により基板表面に微小なクラックが発生し易くなり、セラミック回路基板の信頼性が損なわれるため、Ｔｉ化合物の厚みは極力薄くすることが好ましく、Ｔｉ化合物の占める面積がセラミック基板の８５％を越えると部分的にＴｉ化合物の厚みが厚くなるためであり、１２％未満であると部分的に接合していない接合ボイドを生じる場合があるためである。

本発明に関わるセラミック回路基板の製造は、ろう材金属成分であるＡｇ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｓｎであるが、上記金属成分に含有される酸素量は、０．１５質量％以下（０を含まず）であることを特徴とするものである。ろう材の金属成分に含有する酸素量が０．１５質量％以下であるのは、ろう材中のＴｉが酸化により消費され、セラミック基板との反応が不足するために部分的に接合されないために接合ボイドを生じる場合があるためである。

さらに上記したろう材は、上記組成からなる均一な厚みの合金箔であったり、各組成の粉末、若しくは一部合金化された粉末に残りの粉末を添加し用いたり、すべてを合金化した粉体を用いることによって樹脂分を混合時に混ぜることによって作成するペースト法を採用することができる。このとき用いる材料の粉末は、均一なろう材塗布膜を形成することができるように２０μｍ以上の粗粉を含まない分級された材料を用いることがより好ましく、既に述べたろう材層の厚みを調整するには、例えば合金箔であれば１１〜２４μｍの厚みに圧延したものを用いたり、ペースト法である場合にはスクリーン印刷やロールコーター等を用い、ペーストの粘度調整によりセラミック基板若しくは銅板に一定の厚みに塗布することにより調整することができる。

本発明に関わるセラミック回路基板の接合温度は、真空度１０^−３Ｐａ以下の真空炉で７８０〜８１０℃であることが好ましく、その保持時間は、いずれも１０〜３０分であることが望ましい。接合温度がこれより低くかったり、保持時間を短かくした場合、Ｔｉ化合物の生成が十分にできないために部分的に接合できない場合があるためであり、逆に高温であったり、保持時間が長すぎる場合には、銅板へのろう材成分の拡散が進行し、ろう材層の厚みが薄くなり、応力緩和の効果が減ぜられ、セラミック基板にクラックを生じる場合があるためである。

回路形成方法に関しては既に述べているが、本発明のセラミック回路基板には、従来提案されている金属回路の端部に薄肉部分を設けることや回路パターン周辺にセラミック基板に達する貫通孔や未貫通孔、溝状のスリット等の応力緩和部を設けることによって、さらに熱サイクル特性を向上することができる。

さらに本発明のセラミック回路基板の回路及び放熱面の表面には、各種めっきやめっきのない処理を必要に応じて施すことができる。具体的な一例を挙げると、膜厚が２〜８μｍ程度の無電解Ｎｉめっきや、はんだ濡れの良い金フラッシュめっき、置換型銀めっきであり、さらにはめっきを施さないめっきレス処理の場合には、研削、物理研磨、化学研磨等によって金属表面の傷をＲａ≦０．５μｍに平滑化した後、防錆剤が塗布する処理が施される。

実施例１〜１０ 比較例１〜１０
Ａｇ粉末（比表面積０．６ｍ^２／ｇ、酸素量０．１６質量％)、Ｃｕ粉末（比表面積０．７ｍ^２／ｇ、酸素量０．０５質量％）、ＴｉＨ_２粉末（特級試薬）、Ｓｎ粉末（特級試薬）を、表１に示す各種比率にて混合した。この粉末１００質量部に、テレピネオール１５質量部、ポリイソブチルメタクリレートのトルエン溶液を固形分として１．３質量部を三本ロールにて混合し、目開き２０μｍのナイロンメッシュを通過させ、ろう材ペーストを調整した。これを、厚み０．６３５ｍｍ×５２ｍｍ×４５ｍｍの窒化アルミニウム基板（熱伝導率１８０Ｗ／ｍＫ、３点曲げ強度５００ＭＰａ、鏡面光沢度１５．２）の表面及び裏面に、ろう材層の厚み（乾燥後の厚み）が所望の厚みとなるようロールコーターを用いて塗布した。その後、表面に回路形成用銅板を、裏面に放熱板形成用銅板（いずれも無酸素銅板）を重ね、６．５×１０^−４Ｐａの真空炉中、４００℃まで昇温し、真空度が５．０×１０^−３Ｐａになるまで保持した後、８００℃まで昇温し２０分保持した後、冷却速度５℃／ｍｉｎにて６００℃まで冷却し、４時間保持した後、１℃／ｍｉｎにて冷却し、銅板と窒化アルミニウム基板の接合体を製造した。

接合体の回路形成用銅板に、スクリーン印刷によりＵＶ硬化型エッチングレジストを回路パターンに印刷し、ＵＶ硬化させた後、さらに放熱面形状を印刷しＵＶ硬化させた。これをエッチャントとして塩化第２銅水溶液にてエッチングをおこない、続いて６０℃のチオ硫酸アンモニウム水溶液とフッ化アンモニウム水溶液で随時処理し、回路パターンと放熱板パターンを形成し、ろう材の金属成分やろう材厚の異なった回路基板の中間体を種々製造した。

尚、比較例９では銅粉(比表面積２．１ｍ^２／ｇ、酸素量０．３質量％)に、実施例７，８及び比較例８では鏡面光沢度の異なる窒化アルミニウム基板に、また、実施例９、１０及び比較例１０ではセラミック基板を鏡面光沢度の異なる窒化けい素(熱伝導率９０Ｗ／ｍ・Ｋ、抗折強度７１０ＭＰａ)に変更した以外は実施例１と同様の処理をし、回路基板の中間体を製造した。

ついで、無電解Ｎｉ−Ｐめっきを施した回路基板を製造し、以下の評価をおこなった。

接合ボイド：超音波探傷検査装置（日立エンジニアリングＦＳ３００−３）にて回路基板内の接合ボイドを１条件あたり２０枚計測し、回路の面積に占める比率を計算し、その２０枚計測した中で最大値を用いて以下の３つにランク分けをおこなった。
Ａ：１％以下、Ｂ；１％を越え１０％以下、Ｃ：１０％を越え実用に耐え得られない

超音波接合評価：１．５ｍｍ厚の銅電極材を超音波接合試験機（アドウェルズＵＰ−Ｌｉｔｅ３０００）にて、荷重１２００Ｎ、周波数２０ｋＨｚ、振幅５０μｍ、接合時間０．４秒で接合した。接合後、銅電極および回路基板の銅板をエッチングにて除去し、セラミック基板の表面の観察を光学顕微鏡（倍率５０倍）で観察をおこなった。試験数は１条件あたり５０枚を使用し、目視で観察できる軽微なクラックが発生した枚数を以下の３つにランク分けをおこなった。
Ａ：０枚、Ｂ：１〜５枚、Ｃ：６枚以上

熱サイクル試験評価：作成したセラミック回路基板を熱衝撃試験に投入し、−４０℃×３０分、１２５℃×３０分を１サイクルとする熱衝撃試験を５００サイクルおこなった後、銅板をエッチングにて除去し、セラミック基板の表面に発生するクラックの発生状態を光学実体顕微鏡（倍率５０倍）にて観察し、その２０枚計測した中で最大値を用いて以下の３つにランク分けをおこなった。
Ａ：クラックが観察されない、Ｂ：クラック長１００μｍ未満が観察されるもの、Ｃ：クラック長１００μｍ以上が観察されるもの

各評価を勘案し、総合評価として以下の３段階で評価した。
◎：すべての評価においてＡランクであったもの
○：超音波接合評価がＡランクであるが、その他の評価がＢであるもの
×：超音波接合評価がＢ若しくはＣランクまたはその他の評価がＣであるもの

各試験評価結果を表１に示す。

上記に示すとおり、本発明によれば、セラミック回路基板に銅電極を超音波接合にて接合する際、セラミック基板に微小なクラックを生じることなく接合でき、モジュールの信頼性を向上することができるセラミック回路基板とその製造方法が提供される。

本発明の回路基板は、半導体を搭載するセラミック回路基板として使用され、具体的には、例えば電鉄、電気自動車、一般産業用のインバーター用モジュール等に用いられる。

１ セラミック基板
２ 銅回路パターン
３ 銅放熱板
４ ろう材層
５ Ｔｉ化合物
Ｈ ろう材層の厚み
ｈ Ｔｉ化合物の厚み

Claims (3)

1. セラミック基板の一方の面に銅回路、他方の面に銅放熱板が活性金属としてＴｉを含有するろう材により接合されてなるセラミック回路基板において、セラミック基板の鏡面光沢度が５．０以上、セラミック回路基板の接合ボイドが１０％以下であって、セラミック回路基板のろう材層がＡｇを含有する合金中にＣｕを含有する合金が分散した構造を有し、その厚みが１１〜２４μｍであり、Ｔｉ化合物の厚みが０．４〜０．６μｍで、その占有面積が１２〜８５％であることを特徴とするセラミック回路基板。
2. セラミック基板が窒化アルミニウム基板または窒化けい素基板である請求項１記載のセラミック回路基板。
3. 基板表面の鏡面光沢度５．０以上のセラミック基板を用い、ろう材金属成分がＡｇ及びＣｕを含有し、活性金属と成分としてＴｉＨ_２の含有量が１〜４質量％で、ろう材金属に含まれる酸素量が０．１５質量％以下（０を含まず）であるろう材を用いて、真空度１０^−３Ｐａ以下、接合温度７８０〜８１０℃、保持時間１０〜３０分で接合することを特徴とする請求項１または２記載のセラミック回路基板の製造方法。