JP6456676B2 - Metal-ceramic bonding substrate and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
この発明は、窒化アルミニウム基板の少なくとも一方の表面側に、銅又は銅合金からなる導体層を積層してなる金属セラミック接合基板及び、その製造方法に関するものであり、特には、微細な回路パターンの形成を可能にするとともに、パワーモジュール用基板として用いる場合に導体層上に搭載され得る半導体素子から生じる熱を有効に放散させることのできる技術を提案するものである。 The present invention relates to a metal-ceramic bonding substrate in which a conductor layer made of copper or a copper alloy is laminated on at least one surface side of an aluminum nitride substrate, and a method for manufacturing the same, and in particular, a fine circuit pattern. The present invention proposes a technique that enables formation of heat and effectively dissipates heat generated from a semiconductor element that can be mounted on a conductor layer when used as a power module substrate.
民生機器用や、ガソリン自動車、電気自動車その他の車載用等として採用されることのあるパワーモジュール用基板は、セラミック基板をベース板上に固定配置するとともに、導体層上にパワートランジスタ等の半導体素子が搭載されて使用に供されるものであり、使用に際し、半導体素子が発する高熱をベース板に伝導させて、その熱を速やかに放散することが求められる。 Power module substrates that may be used for consumer equipment, gasoline vehicles, electric vehicles, and other in-vehicle devices, have a ceramic substrate fixed on the base plate and a semiconductor element such as a power transistor on the conductor layer. Is used for use, and in use, it is required to conduct high heat generated by the semiconductor element to the base plate and dissipate the heat quickly.
この種の金属セラミック接合基板は通常、銅等からなる導体層を、セラミック基板としてのアルミナ基板上に直接接合させたものが用いられているが、近年は、半導体素子やＬＥＤ素子の発熱量が増加する傾向にあることから、セラミック基板として、アルミナ基板よりも熱伝導性に優れた窒化アルミニウム基板が使用されるようになってきている。 This type of metal-ceramic bonding substrate is usually used in which a conductor layer made of copper or the like is bonded directly onto an alumina substrate as a ceramic substrate. Due to the increasing tendency, an aluminum nitride substrate having higher thermal conductivity than an alumina substrate has been used as a ceramic substrate.
ここで、導体層を構成する銅等の窒化物の形成は力学的に不安定であるので、窒化アルミニウム基板と導体層との直接接合は困難である。
そのため、金属セラミック接合基板のセラミック基板として、窒化アルミニウム基板を用いる場合は、窒化アルミニウム基板と導体層との間に、銀等の活性金属を含むろう材を介在させることで、それらの接合を実現している。
Here, since formation of nitrides, such as copper which comprises a conductor layer, is mechanically unstable, the direct joining of an aluminum nitride board | substrate and a conductor layer is difficult.
Therefore, when an aluminum nitride substrate is used as the ceramic substrate of the metal ceramic bonding substrate, the bonding is realized by interposing a brazing material containing an active metal such as silver between the aluminum nitride substrate and the conductor layer. doing.
ところで、上述したように、窒化アルミニウム基板と導体層との間に、銀を含むろう材を介在させることにより、それらを接合させて、金属セラミック接合基板を製造した場合は、窒化アルミニウム基板と導体層とを強固に接合させるために、銀ろう材の厚みを比較的厚くせざるを得ないが、銀ろう材の厚みが厚くなると、たとえばピッチ１００μｍ以下の微細な回路パターンの形成が困難になるという問題があった。
また、このようにろう材の厚みを厚くすると、使用に際し、厚みのあるろう材が、半導体素子で生じる熱の放散を阻害し、金属セラミック接合基板による所要の放熱性能を確保できないことがあった。
By the way, as described above, when a metal-ceramic bonding substrate is manufactured by interposing a brazing material containing silver between the aluminum nitride substrate and the conductor layer, the aluminum nitride substrate and the conductor are manufactured. In order to firmly bond the layers, the thickness of the silver brazing material has to be relatively thick. However, when the thickness of the silver brazing material increases, it becomes difficult to form a fine circuit pattern with a pitch of 100 μm or less, for example. There was a problem.
In addition, when the thickness of the brazing material is increased in this way, in use, the thick brazing material may inhibit the heat dissipation generated in the semiconductor element, and the required heat dissipation performance by the metal ceramic bonded substrate may not be ensured. .
この発明は、従来技術が抱えるこのような問題を解決することを課題とするものであり、それの目的とするところは、窒化アルミニウム基板と導体層とを、比較的薄い厚みの接合層によって有効に接合させることにより、微細な回路パターンを形成可能とし、また所要の放熱性能を発揮することのできる金属セラミック接合基板及び、その製造方法を提供することにある。 The object of the present invention is to solve such problems of the prior art, and the object of the present invention is to make the aluminum nitride substrate and the conductor layer effective by a relatively thin bonding layer. It is an object of the present invention to provide a metal-ceramic bonding substrate capable of forming a fine circuit pattern and exhibiting a required heat dissipation performance, and a method for manufacturing the same.
発明者は、窒化アルミニウムと銅又は銅合金とを強固に接合することのできる材料を鋭意検討し、チタン、ジルコニウム、ハフニウムがアルミニウムよりも窒化物として安定すること、及び、チタン、ジルコニウム、ハフニウムが銅ないし銅合金と少量固溶することに着目して、これらの材料が、窒化アルミニウム基板と導体層との接合層として極めて有効であることを見出した。 The inventor has intensively studied a material capable of firmly joining aluminum nitride and copper or copper alloy, and that titanium, zirconium, and hafnium are more stable as nitrides than aluminum, and that titanium, zirconium, and hafnium are Focusing on a small amount of solid solution with copper or copper alloy, it was found that these materials are extremely effective as a bonding layer between the aluminum nitride substrate and the conductor layer.
そして、窒化アルミニウム基板と導体層とを、チタン、ジルコニウム及び／又はハフニウムの薄膜層の介在下でホットプレス等することで、製造された金属セラミック接合基板では、窒化アルミニウム基板に含まれる窒素及び、導体層に含まれる銅のそれぞれが、上記の薄膜層側に拡散するとともに化合物となって接合層を形成することにより、比較的薄い接合層で、窒化アルミニウム基板と導体層とが強固に接合されるとの知見を得た。 And in the metal-ceramic bonding substrate manufactured by hot pressing or the like under the intervention of the thin film layer of titanium, zirconium and / or hafnium, the aluminum nitride substrate and the conductor layer, nitrogen contained in the aluminum nitride substrate, and Each of the copper contained in the conductor layer diffuses to the thin film layer side and becomes a compound to form a bonding layer, so that the aluminum nitride substrate and the conductor layer are firmly bonded with a relatively thin bonding layer. I got the knowledge that.
このような知見に基き、この発明の金属セラミック接合基板は、窒化アルミニウム基板の少なくとも一方の表面側に、銅又は銅合金からなる導体層を積層してなる金属セラミック接合基板であって、前記窒化アルミニウム基板と導体層との間に、窒化チタン、窒化ジルコニウム及び窒化ハフニウムからなる群から選択される少なくとも一種の化合物を含む接合層が介在し、該接合層の介在下で、前記窒化アルミニウム基板と導体層とが接合されてなり、厚み方向で、導体層と接合層との界面から窒化アルミニウム基板側に向かって、２００ｎｍ離れた位置における銅の濃度が、８×１０ 20 ａｔｏｍｓ／ｃｍ 3 以上であるものである。尚、本発明における窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウムとは、窒素と、チタン、及び又は、ジルコニウム、及び又は、ハフニウム、との化合物を意味しており、必ずしも、窒素と上記金属との組成が１：１である化合物のみを意味するものではない。 Based on such knowledge, the metal ceramic bonded substrate of the present invention is a metal ceramic bonded substrate in which a conductor layer made of copper or a copper alloy is laminated on at least one surface side of an aluminum nitride substrate, A bonding layer including at least one compound selected from the group consisting of titanium nitride, zirconium nitride, and hafnium nitride is interposed between the aluminum substrate and the conductor layer, and the aluminum nitride substrate is interposed under the bonding layer. Ri name and the conductor layer is bonded, in the thickness direction, toward the aluminum nitride substrate from the interface between the conductor layer and the bonding layer, the concentration of copper in the 200nm away, 8 × 10 20 atoms / cm 3 or more der is a shall. In the present invention, titanium nitride, zirconium nitride, and hafnium nitride mean a compound of nitrogen, titanium, and / or zirconium, and / or hafnium, and the composition of nitrogen and the metal is not necessarily limited. It does not mean only compounds that are 1: 1.
ここで、この発明の金属セラミック接合基板では、前記接合層の厚みが５００ｎｍ以上かつ５０００ｎｍ以下であること、前記導体層から接合層側への銅の拡散距離が、該導体層と接合層との界面から厚み方向に沿って測って２００ｎｍ以上であること、及び、前記接合層中の酸素濃度が３×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上であることがそれぞれ好ましい。 Here, in the metal-ceramic bonding substrate of the present invention, the bonding layer has a thickness of 500 nm or more and 5000 nm or less, and the diffusion distance of copper from the conductor layer to the bonding layer side is determined between the conductor layer and the bonding layer. It is preferable that it is 200 nm or more when measured along the thickness direction from the interface, and that the oxygen concentration in the bonding layer is 3 × 10 19 atoms / cm 3 or more .
またここで、この発明の金属セラミック接合基板では、前記窒化アルミニウム基板と導体層とのピール強度は、０．４ｋＮ／ｍ以上であることが好ましい。さらに、窒化アルミニウム基板と導体層とのピール強度は、０．６ｋＮ／ｍ以上であることがより好ましい。
そしてまた、前記窒化アルミニウム基板を、曲げ強度が３００ＭＰａ以上であり、表面粗さＲａが０．１μｍ以上かつ５μｍ以下であり、表面における１μｍ以上の欠陥が１０個／ｍｍ2以下であるものとすることが好ましい。
Here, in the metal-ceramic bonding substrate of the present invention, it is preferable that the peel strength between the aluminum nitride substrate and the conductor layer is 0.4 kN / m or more. Furthermore, the peel strength between the aluminum nitride substrate and the conductor layer is more preferably 0.6 kN / m or more.
In addition, the aluminum nitride substrate has a bending strength of 300 MPa or more, a surface roughness Ra of 0.1 μm or more and 5 μm or less, and defects of 1 μm or more on the surface are 10 pieces / mm 2 or less. It is preferable.
またここでは、前記導体層を構成する銅または銅合金の導電率がＩＡＣＳ８０％以上であること、及び、該導体層の厚みが１０μｍ以上かつ２００μｍ以下であることが好適である。 Here, it is preferable that the conductivity of copper or copper alloy constituting the conductor layer is IACS 80% or more, and the thickness of the conductor layer is 10 μm or more and 200 μm or less.
この金属セラミック接合基板では、接合層の厚み方向で、窒化アルミニウム基板と接合層との界面から導体層側に向かって、４００ｎｍ離れた位置における窒素の濃度が、２×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上であることが好ましい。 In this metal ceramic bonded substrate, the concentration of nitrogen at a position 400 nm away from the interface between the aluminum nitride substrate and the bonded layer toward the conductor layer in the thickness direction of the bonded layer is 2 × 10 22 atoms / cm 3 or more. It is preferable that
そしてまた、前記接合層中の、チタン、ジルコニウム及び／又はハフニウムの含有量は、該接合層の厚み方向の中間領域にピークを有し、該中間領域から厚み方向で導体層側及び窒化アルミニウム基板側のそれぞれに向かうに従い減少していることが好ましい。 The content of titanium, zirconium and / or hafnium in the bonding layer has a peak in the intermediate region in the thickness direction of the bonding layer, and the conductor layer side and the aluminum nitride substrate in the thickness direction from the intermediate region. It is preferable that it decreases as it goes to each of the sides.
以上に述べたような金属セラミック接合基板は、車載用又は民生機器搭載用のパワー半導体素子が搭載されるパワーモジュール用基板であること、前記導体層に回路パターンが形成された金属回路基板であること、ＬＥＤ用基板であること、ＭＥＭＳ用基板であることが好適である。また、この発明の金属セラミック接合基板は、マルチコアＭＣＵに用いられるものであることが好ましい。 The metal-ceramic bonding substrate as described above is a power module substrate on which a power semiconductor element for mounting on a vehicle or a consumer device is mounted, and a metal circuit substrate having a circuit pattern formed on the conductor layer. That is, it is suitable that it is a board | substrate for LED, and it is a board | substrate for MEMS. Moreover, it is preferable that the metal ceramic joining board | substrate of this invention is what is used for multi-core MCU.
またこの発明の金属セラミック接合基板の製造方法は、窒化アルミニウム基板の少なくとも一方の表面側に、銅又は銅合金からなる導体層を積層してなる金属セラミック接合基板を製造する方法であって、窒化アルミニウム基板又は導体層の、少なくとも一方の表面上に、チタン、ジルコニウム及びハフニウムからなる群から選択される少なくとも一種を、スパッタリング法又は蒸着法により、膜厚が３００ｎｍ以上になるまで成膜し、その後、成膜した薄膜層上に、導体層又は窒化アルミニウム基板を、真空又は不活性ガス雰囲気の下、６００℃以上かつ１０００℃以下の温度条件で、０．１ＭＰａ以上かつ１０ＭＰａ以下の加圧力の作用により圧着させて、前記窒化アルミニウム基板と導体層とを接合し、厚み方向で、導体層と接合層との界面から窒化アルミニウム基板側に向かって、２００ｎｍ離れた位置における銅の濃度が、８×１０ 20 ａｔｏｍｓ／ｃｍ 3 以上である金属セラミック接合基板を製造することにある。 The method for producing a metal-ceramic bonding substrate of the present invention is a method for producing a metal-ceramic bonding substrate in which a conductor layer made of copper or a copper alloy is laminated on at least one surface side of an aluminum nitride substrate. At least one selected from the group consisting of titanium, zirconium and hafnium is formed on at least one surface of the aluminum substrate or conductor layer by sputtering or vapor deposition until the film thickness reaches 300 nm or more, and then The action of a pressure of 0.1 MPa or more and 10 MPa or less on the thin film layer formed on the thin film layer under a temperature condition of 600 ° C. or more and 1000 ° C. or less in a vacuum or an inert gas atmosphere. by crimping by, and bonding the aluminum nitride substrate and the conductor layer, in the thickness direction, the conductor layer and the bonding layer From the interface toward the aluminum nitride substrate, the concentration of copper in the 200nm away, is to produce a metal ceramic bonding substrate is 8 × 10 20 atoms / cm 3 or more.
この製造方法で好ましくは、前記窒化アルミニウム基板と導体層とを接合する際の温度を、６００℃以上かつ９５０℃以下とする。
また、この製造方法で好ましくは、前記スパッタリング法又は蒸着法による成膜の際に用いられるチタン、ジルコニウムおよびハフニウム原料中の酸素濃度が、１５０ｗｔｐｐｍ以上である。
Preferably in this manufacturing method, the temperature at the time of joining the aluminum nitride substrate and the conductor layer is set to 600 ° C. or more and 950 ° C. or less.
Preferably, in this production method, the oxygen concentration in the titanium, zirconium and hafnium raw materials used in the film formation by the sputtering method or the vapor deposition method is 150 wtppm or more.
この発明の金属セラミック接合基板によれば、窒化アルミニウム基板と導体層との間に、窒化チタン、窒化ジルコニウム及び／又は窒化ハフニウムを含む接合層が介在することより、従来技術の銀ろう材に比して薄い厚みの接合層で構成でき、該接合層により、半導体素子から発生する熱を、有効に放散することができ、その結果として、放熱性能を大きく高めることができる。さらに、窒化アルミニウム基板と導体層とを強固に接合することができるので、微細な回路のパターニングが可能になる。 According to the metal-ceramic bonding substrate of the present invention, the bonding layer containing titanium nitride, zirconium nitride and / or hafnium nitride is interposed between the aluminum nitride substrate and the conductor layer, so that it is compared with the silver brazing material of the prior art. Thus, the bonding layer can be formed with a thin thickness, and the bonding layer can effectively dissipate heat generated from the semiconductor element, and as a result, the heat dissipation performance can be greatly enhanced. Furthermore, since the aluminum nitride substrate and the conductor layer can be firmly bonded, fine circuit patterning is possible.
以下に、この発明の実施の形態について詳細に例示して説明する。
この発明の金属セラミック接合基板１は、図１に概略的に示すように、窒化アルミニウム基板２の少なくとも一方の表面側に、銅又は銅合金からなる導体層３を積層して構成されるものであって、前記窒化アルミニウム基板２と導体層３との間に、窒化チタン、窒化ジルコニウム及び窒化ハフニウムからなる群から選択される少なくとも一種の化合物を含む接合層４が介在し、かかる接合層４の介在下で、前記窒化アルミニウム基板２と導体層３とが接合されたものである。
なお、図示の実施形態では、窒化アルミニウム基板２の一方の表面だけに、導体層３を積層させているが、図示は省略するが、窒化アルミニウム基板の両面のそれぞれに導体層を積層させたものとすることも可能である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail by way of example.
As schematically shown in FIG. 1, a metal ceramic bonded substrate 1 of the present invention is formed by laminating a conductor layer 3 made of copper or a copper alloy on at least one surface side of an aluminum nitride substrate 2. A bonding layer 4 containing at least one compound selected from the group consisting of titanium nitride, zirconium nitride, and hafnium nitride is interposed between the aluminum nitride substrate 2 and the conductor layer 3. The aluminum nitride substrate 2 and the conductor layer 3 are joined under the interposition.
In the illustrated embodiment, the conductor layer 3 is laminated on only one surface of the aluminum nitride substrate 2, but the conductor layer is laminated on each of both surfaces of the aluminum nitride substrate, although not shown. It is also possible.
ここで、上記の導体層３は、回路パターンが形成され得るものであって、純銅又は銅合金からなるものである。
導体層３を純銅で構成する場合、タフピッチ銅、脱酸銅又は、無酸素銅等を用いることができる。
一方、導体層３を銅合金からなるものとする場合、この銅合金は、銅の他、銀、錫及びジルコニウムから選択される少なくとも一種を、二種以上の場合は合計で０．０５重量％以上かつ０．３重量％以下で含有するものとすることができる。好ましくは、上記の銅合金はＣｕ−０．１重量％Ｚｒ合金またはＣｕ−０．１２重量％Ｓｎ合金とする。
Here, the conductor layer 3 can be formed with a circuit pattern and is made of pure copper or a copper alloy.
When the conductor layer 3 is made of pure copper, tough pitch copper, deoxidized copper, oxygen-free copper, or the like can be used.
On the other hand, when the conductor layer 3 is made of a copper alloy, the copper alloy is made of at least one selected from silver, tin, and zirconium in addition to copper. It can be contained in an amount of 0.3% by weight or less. Preferably, the copper alloy is a Cu-0.1 wt% Zr alloy or a Cu-0.12 wt% Sn alloy.
またここで、窒化アルミニウム基板２は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を主成分とするセラミック基板であり、この窒化アルミニウム基板２中の窒化アルミニウムの濃度は、たとえば、９０重量％〜９９．５重量％とすることができる。窒化アルミニウム２は、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）等に比して熱伝導性に優れ、しかも熱膨張率が低いことから、この種の金属セラミック接合基板のセラミック基板として用いることが有効である。
窒化アルミニウム基板２は、窒化アルミニウムの他、Ｃａ、Ｙ及びОからなる群から選択される一種以上の元素を含有することができ、この場合、Ｃａ、Ｙ及びОの濃度は合計で、０．５重量％〜１０重量％とすることができる。
Here, the aluminum nitride substrate 2 is a ceramic substrate mainly composed of aluminum nitride (AlN), and the concentration of aluminum nitride in the aluminum nitride substrate 2 is, for example, 90 wt% to 99.5 wt%. can do. Aluminum nitride 2 is effective for use as a ceramic substrate of this type of metal-ceramic bonding substrate because aluminum nitride 2 is excellent in thermal conductivity as compared with alumina (Al 2 O 3 ) and the like and has a low coefficient of thermal expansion.
The aluminum nitride substrate 2 can contain one or more elements selected from the group consisting of Ca, Y and O in addition to aluminum nitride. In this case, the concentration of Ca, Y and O is 0. It can be 5 to 10% by weight.
このような窒化アルミニウム基板２に含まれる窒素は、導体層３に含まれる銅と結びついて窒化物を形成した場合に熱力学的に不安定であることから、窒化アルミニウム基板２と導体層３とを直接的に接合することは困難である。
それ故に、この発明の金属セラミック接合基板１では、窒化アルミニウム基板２と導体層３との間に、窒化チタン、窒化ジルコニウム及び窒化ハフニウムからなる群から選択される少なくとも一種の化合物を含む接合層４を介在させることとし、この接合層４が、窒化アルミニウム基板２と導体層３とを強固に接合するべく機能する。
Since the nitrogen contained in the aluminum nitride substrate 2 is thermodynamically unstable when it is combined with copper contained in the conductor layer 3 to form a nitride, the aluminum nitride substrate 2 and the conductor layer 3 It is difficult to join the two directly.
Therefore, in the metal-ceramic bonding substrate 1 of the present invention, the bonding layer 4 containing at least one compound selected from the group consisting of titanium nitride, zirconium nitride, and hafnium nitride between the aluminum nitride substrate 2 and the conductor layer 3. The bonding layer 4 functions to firmly bond the aluminum nitride substrate 2 and the conductor layer 3 to each other.
図２に、この発明の金属セラミック接合基板の一例の各元素の含有量の、厚み方向の分布を例示する。
この図２は、厚み０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム基板２と、タフピッチ銅からなる厚み３３μｍの導体層３との間に、窒化チタンを含む厚み５００ｎｍの接合層４を介在させた金属セラミック接合基板１で、その厚み方向に沿う断面で、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ：Electron Probe Micro Analyser）を用いて、各元素の厚み方向の相対的な量の大小を調べ、厚み方向に沿う各元素の存在プロファイルを示したものであり、ここでは、横軸に厚み方向の位置を示し、縦軸に各元素のＥＰＭＡでのカウント数を示している。
FIG. 2 illustrates the distribution in the thickness direction of the content of each element of an example of the metal-ceramic bonding substrate of the present invention.
FIG. 2 shows a metal-ceramic bonding substrate 1 in which a bonding layer 4 having a thickness of 500 nm containing titanium nitride is interposed between an aluminum nitride substrate 2 having a thickness of 0.635 mm and a conductor layer 3 having a thickness of 33 μm made of tough pitch copper. Then, in the cross section along the thickness direction, using an electron probe microanalyzer (EPMA), the relative amount of each element in the thickness direction is examined, and the existence profile of each element along the thickness direction. Here, the horizontal axis indicates the position in the thickness direction, and the vertical axis indicates the count number of each element in EPMA.
また、本発明において、製造された金属セラミック接合基板中の不純物濃度の定量分析は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Secondary Ion Mass Spectrometry）を用いて行われた。 In the present invention, the quantitative analysis of the impurity concentration in the produced metal-ceramic bonding substrate was performed using secondary ion mass spectrometry (SIMS).
この発明では、後述するような製造方法等によって金属セラミック接合基板１を製造することで、図２に示す金属セラミック接合基板１のように、導体層３に含まれる銅が、図２の二本の破線の間に挟まれる接合層４の領域に拡散していることが好ましい。
この場合、接合層４の銅が存在する領域では、チタン等と銅との化合物が形成されていると解され、これが、窒化アルミニウム基板２と導体層３との接合に有効に寄与すると考えられる。
In the present invention, the metal ceramic bonding substrate 1 is manufactured by a manufacturing method or the like as will be described later, so that the copper contained in the conductor layer 3 is two in FIG. 2 as in the metal ceramic bonding substrate 1 shown in FIG. It is preferable to diffuse into the region of the bonding layer 4 sandwiched between the broken lines.
In this case, it is understood that a compound of titanium or the like and copper is formed in the region of the bonding layer 4 where copper exists, and this is considered to contribute to the bonding between the aluminum nitride substrate 2 and the conductor layer 3 effectively. .
なおここで、接合層４の厚みとは、金属セラミック接合基板１の厚み方向で、チタン、ジルコニウム及び／又はハフニウムが存在する領域の長さを意味する。従って、接合層４の界面は、金属セラミック接合基板１の厚み方向で、チタン、ジルコニウム及び／又はハフニウムが存在する最も導体層３側及び最も窒化アルミニウム基板２側の位置を意味する。 Here, the thickness of the bonding layer 4 means the length of a region where titanium, zirconium and / or hafnium exists in the thickness direction of the metal ceramic bonding substrate 1. Therefore, the interface of the bonding layer 4 means the position on the most conductive layer 3 side and the most aluminum nitride substrate 2 side where titanium, zirconium and / or hafnium is present in the thickness direction of the metal ceramic bonding substrate 1.
またこの発明では、図２に示す一例のように、窒化アルミニウム基板２に含まれる窒素が拡散して、窒素が接合層４の領域に存在すること等により、接合層４には、当該窒素とチタン、ジルコニウム及び／又はハフニウムとの化合物である窒化チタン、窒化ジルコニウム及び／又は窒化ハフニウムが含まれる。
より詳細には、窒素は、金属セラミック接合基板１の厚み方向で、窒化アルミニウム基板２と接合層４との界面から導体層側に向かって、４００ｎｍ離れた位置における窒素の濃度が２×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上であることが好ましい。なお、窒化アルミニウム基板２と接合層４との界面から４００ｎｍ離れた位置における窒素の濃度は、たとえば、５×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3とすることができる。
Further, according to the present invention, as shown in the example shown in FIG. 2, the nitrogen contained in the aluminum nitride substrate 2 diffuses and nitrogen exists in the region of the bonding layer 4. Titanium nitride, zirconium nitride and / or hafnium nitride which are compounds with titanium, zirconium and / or hafnium are included.
More specifically, nitrogen has a nitrogen concentration of 2 × 10 22 at a position 400 nm away from the interface between the aluminum nitride substrate 2 and the bonding layer 4 toward the conductor layer in the thickness direction of the metal ceramic bonding substrate 1. It is preferably at least atoms / cm 3 . Note that the concentration of nitrogen at a position 400 nm away from the interface between the aluminum nitride substrate 2 and the bonding layer 4 can be set to 5 × 10 22 atoms / cm 3 , for example.
窒化アルミニウム基板２に含まれる窒素が接合層４に拡散することで、接合層４の窒素が存在する領域では、窒化チタン、窒化ジルコニウム及び窒化ハフニウムのうちの少なくとも一種の化合物が形成されて、窒化アルミニウム基板２と導体層３とを強固に接合することができる。 Nitrogen contained in the aluminum nitride substrate 2 diffuses into the bonding layer 4, so that at least one compound of titanium nitride, zirconium nitride, and hafnium nitride is formed in the region of the bonding layer 4 where nitrogen is present, and nitrided The aluminum substrate 2 and the conductor layer 3 can be firmly bonded.
また図２に示すところでは、接合層４中のチタンは、窒化アルミニウム基板２側及び導体層３側のそれぞれに拡散したことによって、接合層２の厚み方向の中間領域、この場合は略中央付近に含有量のピークを有するとともに、窒化アルミニウム基板２側及び導体層３側のそれぞれに向かうに従って、含有量が次第に減少している。これは、接合層４の、導体層３に隣接する領域では、接合層４側に拡散した銅とチタンとの化合物が形成されており、また、接合層４の、窒化アルミニウム基板２に隣接する領域では、接合層４側に拡散した窒素と窒化チタンが形成されていることによるものと考えられ、それにより、窒化アルミニウム基板２と導体層３との接合が強固になると解される。
そのため、この発明の金属セラミック接合基板１では、接合層４中の、チタン、ジルコニウム及び／又はハフニウムの含有量は、接合層４の厚み方向の中間領域にピークを有し、該中間領域から厚み方向で導体層側及び窒化アルミニウム基板側のそれぞれに向かうに従い減少していることが好ましい。
ここでいう中間領域は、窒化アルミニウム基板２と接合層４との界面および、導体層３と接合層４との界面を含まない接合層４の厚み方向の領域であり、たとえば、窒化アルミニウム基板２側のチタン濃度が２×１０21ａｔｏｍｓ／ｃｍ3となる位置と、導体層側のチタン濃度が５×１０21ａｔｏｍｓ／ｃｍ3となる位置との間の領域を意味するものとすることができる。
In addition, as shown in FIG. 2, the titanium in the bonding layer 4 diffuses to the aluminum nitride substrate 2 side and the conductor layer 3 side, so that an intermediate region in the thickness direction of the bonding layer 2, in this case, near the center. And the content gradually decreases toward the aluminum nitride substrate 2 side and the conductor layer 3 side. This is because the compound of copper and titanium diffused toward the bonding layer 4 is formed in the bonding layer 4 in the region adjacent to the conductor layer 3, and the bonding layer 4 is adjacent to the aluminum nitride substrate 2. In the region, it is considered that nitrogen and titanium nitride diffused on the bonding layer 4 side are formed, and it is understood that the bonding between the aluminum nitride substrate 2 and the conductor layer 3 becomes strong.
Therefore, in the metal-ceramic bonding substrate 1 of the present invention, the content of titanium, zirconium and / or hafnium in the bonding layer 4 has a peak in the middle region in the thickness direction of the bonding layer 4, and the thickness from the middle region. It is preferable that the direction decreases in the direction toward the conductor layer side and the aluminum nitride substrate side.
The intermediate region here is a region in the thickness direction of the bonding layer 4 that does not include the interface between the aluminum nitride substrate 2 and the bonding layer 4 and the interface between the conductor layer 3 and the bonding layer 4. It can mean a region between a position where the titanium concentration on the side becomes 2 × 10 21 atoms / cm 3 and a position where the titanium concentration on the conductor layer side becomes 5 × 10 21 atoms / cm 3. .
以上に述べたような接合層４では、従来の銀ろう材に比して薄い厚みで、窒化アルミニウム基板２と導体層３とを有効に接合させることができ、且つ、窒化アルミニウム基板２と導体層３とのピール強度を、回路基板として要求される十分な強度を確保するため、チタン、ジルコニウム及び／又はハフニウムが存在する領域の厚み方向の長さである接合層４の厚みが、５００ｎｍ以上かつ５０００ｎｍ以下であることが好ましく、またこの場合、導体層３から接合層４への銅の拡散距離は、該導体層３と接合層４との界面から窒化アルミニウム基板２に向けて測って２００ｎｍ以上であることが好ましい。
言い換えれば、接合層４の厚みが５００ｎｍより薄く、銅の拡散距離が２００ｎｍより小さい場合は、回路基板として要求される所要のピール強度が得られない可能性があり、使用時の熱サイクルによって導体層３が剥離することが懸念される。
In the bonding layer 4 as described above, the aluminum nitride substrate 2 and the conductor layer 3 can be effectively bonded with a thickness thinner than that of the conventional silver brazing material, and the aluminum nitride substrate 2 and the conductor are bonded. In order to ensure sufficient peel strength with respect to the layer 3 as a circuit board, the thickness of the bonding layer 4 which is the length in the thickness direction of the region where titanium, zirconium and / or hafnium is present is 500 nm or more. In this case, the copper diffusion distance from the conductor layer 3 to the bonding layer 4 is 200 nm as measured from the interface between the conductor layer 3 and the bonding layer 4 toward the aluminum nitride substrate 2. The above is preferable.
In other words, if the thickness of the bonding layer 4 is less than 500 nm and the diffusion distance of copper is less than 200 nm, the required peel strength required as a circuit board may not be obtained. There is a concern that the layer 3 may peel off.
このように、銅が、導体層３と接合層４との界面から、窒化アルミニウム基板２側に向けて２００ｎｍ以上離れて拡散している場合、導体層３と接合層４との界面から窒化アルミニウム基板２側に向かって、２００ｎｍ離れた位置における接合層４中の銅の濃度は、８×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上であることが好適である。 Thus, when copper diffuses away from the interface between the conductor layer 3 and the bonding layer 4 by 200 nm or more toward the aluminum nitride substrate 2 side, the aluminum nitride is formed from the interface between the conductor layer 3 and the bonding layer 4. The copper concentration in the bonding layer 4 at a position 200 nm away from the substrate 2 side is preferably 8 × 10 20 atoms / cm 3 or more.
それにより、導体層３から接合層４へと拡散した銅が、接合層４のチタン、ジルコニウム及び／又はハフニウムとの化合物を形成して、窒化アルミニウム基板２と導体層３との十分強固な接合を実現することができる。なお、接合層４の厚みは、５０００ｎｍ以下とすることが、微細な回路パターンの形成を可能にするとの観点から好ましい。より好ましくは、接合層４の厚みを、５００ｎｍ〜３０００ｎｍ、特に、８００ｎｍ〜２０００ｎｍとする。
接合層４中の酸素濃度が低いと上記のピール強度が低下することがあるので、この酸素濃度は、３×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上とすることが好ましい。一方、酸素の上限は１×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3とすることが好適である。
As a result, the copper diffused from the conductor layer 3 to the bonding layer 4 forms a compound of titanium, zirconium and / or hafnium in the bonding layer 4, and the aluminum nitride substrate 2 and the conductor layer 3 are sufficiently bonded to each other. Can be realized. The thickness of the bonding layer 4 is preferably 5000 nm or less from the viewpoint of enabling formation of a fine circuit pattern. More preferably, the thickness of the bonding layer 4 is 500 nm to 3000 nm, particularly 800 nm to 2000 nm.
If the oxygen concentration in the bonding layer 4 is low, the peel strength may be lowered. Therefore, the oxygen concentration is preferably 3 × 10 19 atoms / cm 3 or more. On the other hand, the upper limit of oxygen is preferably 1 × 10 22 atoms / cm 3 .
また、窒化アルミニウム基板２の少なくとも導体層３が積層される表面の表面粗さＲａ（算術平均粗さＲａ）は、ＪＩＳ Ｂ０６０１に準拠して測定して、０．１μｍ以上かつ５μｍ以下とすることが好ましい。これはすなわち、窒化アルミニウム基板２の当該表面の表面粗さＲａが小さすぎると、ピール強度が小さくなって所要の接合力を確保し得ない可能性があり、また、当該表面の表面粗さＲａが大きすぎると、該表面が粗くなって回路をパターニングする際の精度低下のおそれがあるからである。 Further, the surface roughness Ra (arithmetic mean roughness Ra) of at least the conductor layer 3 of the aluminum nitride substrate 2 is measured in accordance with JIS B0601, and is 0.1 μm or more and 5 μm or less. Is preferred. That is, if the surface roughness Ra of the surface of the aluminum nitride substrate 2 is too small, there is a possibility that the peel strength is reduced and the required bonding force cannot be ensured, and the surface roughness Ra of the surface. This is because if the thickness is too large, the surface becomes rough and the accuracy in patterning the circuit may be reduced.
このようにして、窒化アルミニウム基板２と導体層３とを強固に接合することができるが、具体的には、窒化アルミニウム基板２と導体層３とのピール強度は、０．４ｋＮ／ｍ以上であることが好ましい。さらに、窒化アルミニウム基板２と導体層３とのこのピール強度は、０．６ｋＮ／ｍ以上であることがより好ましい。
このピール強度は、ＪＩＳ Ｃ６４８１に定義される引き剥がし強さを意味する。
In this way, the aluminum nitride substrate 2 and the conductor layer 3 can be firmly bonded. Specifically, the peel strength between the aluminum nitride substrate 2 and the conductor layer 3 is 0.4 kN / m or more. Preferably there is. Furthermore, the peel strength between the aluminum nitride substrate 2 and the conductor layer 3 is more preferably 0.6 kN / m or more.
This peel strength means the peel strength defined in JIS C6481.
ところで、この種の金属セラミック接合基板１は、後述する製造方法のように、チタン、ジルコニウム及び／又はハフニウムを介して、窒化アルミニウム基板２と導体層３とを接合する際にホットプレスした場合、窒化アルミニウム基板２と導体層３との熱膨張差に起因して、その接合時に基板が反ったり、割れたりすることがある。
また、金属セラミック接合基板１は、その使用時に、導体層３上に搭載される図示しない半導体素子から繰り返し熱が伝導することによる熱サイクルの影響を受けることになり、この際に剥離が生じる場合もある。
By the way, when this kind of metal ceramic bonded substrate 1 is hot-pressed when bonding the aluminum nitride substrate 2 and the conductor layer 3 through titanium, zirconium and / or hafnium as in the manufacturing method described later, Due to the difference in thermal expansion between the aluminum nitride substrate 2 and the conductor layer 3, the substrate may be warped or cracked at the time of bonding.
Further, when the metal-ceramic bonding substrate 1 is used, the metal-ceramic bonding substrate 1 is affected by a thermal cycle caused by repeated conduction of heat from a semiconductor element (not shown) mounted on the conductor layer 3, and peeling occurs at this time. There is also.
このことに対処するため、窒化アルミニウム基板２の曲げ強度は、ＪＩＳ Ｒ１６９２に準拠して測定して、３００ＭＰａ以上とすることが好ましい。それにより、熱膨張差に起因する基板の割れや剥離を有効に防止することができる。 In order to cope with this, the bending strength of the aluminum nitride substrate 2 is preferably 300 MPa or more as measured according to JIS R1692. Thereby, the cracking and peeling of the substrate due to the difference in thermal expansion can be effectively prevented.
また、このような熱膨張差による基板の反りや割れを防止するため、導体層３の厚みは、２００μｍ以下とすることが好適である。
一方、導体層３の厚みが薄すぎると、接合層４の影響によって配線の導電率が低下する可能性がある。このため、導体層３の厚みは、１０μｍ以上とすることが好ましい。なお、導体層３を構成する銅または銅合金の導電率は、ＩＡＣＳ８０％以上であれば導体層として有効に機能することができる。この導電率は、ＪＩＳ Ｈ０５０５に基いて測定することができる。
Moreover, in order to prevent the board | substrate curvature and a crack by such a thermal expansion difference, it is suitable for the thickness of the conductor layer 3 to be 200 micrometers or less.
On the other hand, if the thickness of the conductor layer 3 is too thin, the electrical conductivity of the wiring may be lowered due to the influence of the bonding layer 4. For this reason, it is preferable that the thickness of the conductor layer 3 be 10 μm or more. In addition, if the electrical conductivity of the copper or copper alloy which comprises the conductor layer 3 is IACS80% or more, it can function effectively as a conductor layer. This conductivity can be measured based on JIS H0505.
なおここで、窒化アルミニウム基板２の表面に１μｍ以上の欠陥が多数存在すると、微細パターニングで配線欠陥が生じるおそれがある。
そのため、窒化アルミニウム基板２の表面における１μｍ以上の欠陥は、１０個／ｍｍ2以下であることが好ましい。ここで、欠陥とは、ポア（pore）またはボイド（void）、脱粒のことをいい、形状は、鏡面研磨した窒化アルミニウム基板の表面上に、大きさが長辺１μｍ以上であり、微小な凹み形状をした空隙である。また欠陥密度は、１０００倍の視野でＳＥＭ観察して、欠陥の個数をカウントし、ＳＥＭの視野面積から、１ｍｍ2当たりの欠陥数に換算して求めることができる。
Here, if there are many defects of 1 μm or more on the surface of the aluminum nitride substrate 2, there is a possibility that a wiring defect is caused by fine patterning.
Therefore, the number of defects of 1 μm or more on the surface of the aluminum nitride substrate 2 is preferably 10 / mm 2 or less. Here, the defect means pore, void, or degranulation, and the shape is a mirror-polished aluminum nitride substrate surface with a long side of 1 μm or more and a minute dent. It is a void with a shape. Further, the defect density can be obtained by SEM observation with a 1000 × field of view, counting the number of defects, and converting the number of defects to the number of defects per 1 mm 2 from the field of view of the SEM.
以上に述べたような金属セラミック接合基板１を製造するに当っては、はじめに、窒化アルミニウム基板の少なくとも一方の表面上に、チタン、ジルコニウム及びハフニウムからなる群から選択される少なくとも一種の単体元素を、スパッタリング法又は蒸着法により成膜させる。
ここでは、スパッタリング、イオンプレーティング又は真空蒸着等の公知の方法を用いて、窒化アルミニウム基板の表面上に、チタン、ジルコニウム及び／又はハフニウムの薄膜層を生成することができる。
スパッタリング法又は蒸着法は、窒化アルミニウム基板の表面上のこの薄膜層の膜厚が３００ｎｍ以上となるまで実施する。
ここで、上記のスパッタリング法又は蒸着法では、窒化アルミニウム基板の表面への成膜に用いるチタン、ジルコニウムおよびハフニウム原料中の酸素濃度を、１５０ｗｔｐｐｍ以上とすることが、ピール強度の向上の観点から好ましい。これはすなわち、酸素が存在すると窒化アルミニウム基板中の窒素との置換反応が促進されて、ＡｌＮがＡｌ2Ｏ3となり、吐き出された窒素がＴｉＮを形成する。従って、ここでの酸素が少ないと、製造された金属セラミック接合基板で窒素の接合層への拡散が不十分となり十分なピール強度が得られないことが懸念される。一方、酸素が多すぎると窒素と酸素の反応によりＮＯｘが生成し境界部にガス溜りができ、剥離が生じる可能性がある。
In producing the metal ceramic bonded substrate 1 as described above, first, at least one element selected from the group consisting of titanium, zirconium and hafnium is formed on at least one surface of the aluminum nitride substrate. The film is formed by sputtering or vapor deposition.
Here, a thin film layer of titanium, zirconium and / or hafnium can be formed on the surface of the aluminum nitride substrate using a known method such as sputtering, ion plating, or vacuum deposition.
The sputtering method or the vapor deposition method is performed until the film thickness of the thin film layer on the surface of the aluminum nitride substrate becomes 300 nm or more.
Here, in the above sputtering method or vapor deposition method, the oxygen concentration in the titanium, zirconium, and hafnium raw materials used for film formation on the surface of the aluminum nitride substrate is preferably 150 wtppm or more from the viewpoint of improving peel strength. . That is, in the presence of oxygen, substitution reaction with nitrogen in the aluminum nitride substrate is promoted, AlN becomes Al 2 O 3 , and the discharged nitrogen forms TiN. Therefore, if the amount of oxygen here is small, there is a concern that the diffusion of nitrogen into the bonding layer becomes insufficient in the manufactured metal ceramic bonding substrate, and sufficient peel strength cannot be obtained. On the other hand, if there is too much oxygen, NOx is generated by the reaction between nitrogen and oxygen, gas can be accumulated at the boundary, and separation may occur.
しかる後は、窒化アルミニウム基板の表面上に成膜した上記の薄膜層上に、銅又は銅合金からなる導体層を押圧して圧着させる。
この圧着は、真空又は不活性ガスの雰囲気の下、温度６００℃〜１０００℃、好ましくは６００℃〜９５０℃で行うものとし、重ね合せた窒化アルミニウム基板と導体層の両側から、０．１ＭＰａ〜１０ＭＰａの加圧力を作用させる。
Thereafter, a conductor layer made of copper or a copper alloy is pressed and bonded onto the thin film layer formed on the surface of the aluminum nitride substrate.
This pressure bonding is performed at a temperature of 600 ° C. to 1000 ° C., preferably 600 ° C. to 950 ° C. in an atmosphere of vacuum or an inert gas, and 0.1 MPa or more from both sides of the laminated aluminum nitride substrate and the conductor layer. A pressure of 10 MPa is applied.
このようなホットプレスにより、図２に例示する金属セラミック接合基板のように、導体層に含まれる銅が、チタン、ジルコニウム及び／又はハフニウムの薄膜層側に拡散するとともに、窒化アルミニウム基板に含まれる窒素が、当該薄膜層側に拡散し、さらに、薄膜層のチタン、ジルコニウム及び／又はハフニウムが窒化アルミニウム基板側及び導体層側のそれぞれに拡散することになる。
それにより、導体層側では銅とチタン、ジルコニウム及び／又はハフニウムとの化合物が、また窒化アルミニウム基板側では窒化チタン、窒化ジルコニウム及び／又は窒化ハフニウムがそれぞれ存在する接合層が形成される。
By such hot pressing, copper contained in the conductor layer diffuses to the thin film layer side of titanium, zirconium and / or hafnium, and is contained in the aluminum nitride substrate as in the metal-ceramic bonding substrate illustrated in FIG. Nitrogen diffuses to the thin film layer side, and titanium, zirconium and / or hafnium in the thin film layer diffuses to the aluminum nitride substrate side and the conductor layer side, respectively.
As a result, a bonding layer in which a compound of copper and titanium, zirconium and / or hafnium is present on the conductor layer side and titanium nitride, zirconium nitride and / or hafnium nitride is present on the aluminum nitride substrate side is formed.
その結果として、それぞれの界面での拡散作用に起因する化合物の形成により、接合層の厚みがそれほど厚くなくとも、導体層と窒化アルミニウム基板とが強固に接合された金属セラミック接合基板を製造することができ、微細な回路パターンの形成が可能になる。
それ故に、この発明の金属セラミック接合基板は、セラミック基板をベース板上に固定配置するとともに、導体層上にパワートランジスタ等の半導体素子が搭載されて使用されるパワーモジュール用基板として用いることが好適である。
なお、回路パターンの形成方法は特に限定されるものではないが、たとえば、フォトレジスト工程を利用し、マスクパターンを形成して、不要金属箔部分をエッチングで除去して作製すること等により、回路パターンを形成することが可能である。
As a result, a metal-ceramic bonding substrate in which the conductor layer and the aluminum nitride substrate are firmly bonded is produced by forming a compound resulting from the diffusion action at each interface, even if the bonding layer is not so thick. And a fine circuit pattern can be formed.
Therefore, the metal-ceramic bonding substrate of the present invention is preferably used as a power module substrate in which a ceramic substrate is fixedly disposed on a base plate and a semiconductor element such as a power transistor is mounted on a conductor layer. It is.
The method of forming the circuit pattern is not particularly limited. For example, the circuit pattern is formed by forming a mask pattern using a photoresist process and removing unnecessary metal foil portions by etching. A pattern can be formed.
この発明の金属セラミック接合基板は、車載用又は民生機器ないし工作機械搭載用のパワー半導体素子が搭載されるパワーモジュール用基板とすることの他、たとえば液晶のバックライト向けのＬＥＤ（Light Emitting Diode）や、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）、モバイル機器のＲＦ（Radio Frequency）モジュール、スイッチングモジュール、アンテナスイッチモジュール、ＰＡ（Power Amplifier）モジュール、フィルタモジュール用の基板とすることができる。
このパワー半導体モジュールとしては、たとえば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳ−ＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）モジュール等を挙げることができる。
また、この発明の金属セラミック接合基板は、複数の演算装置（ＣＰＵ）を搭載し、たとえばパワートレイン・システムその他の車両システム等で使用され得るマルチコアＭＣＵ（Micro Control Unit）に用いることもできる。
The metal-ceramic bonding substrate according to the present invention is a power module substrate on which a power semiconductor element for in-vehicle use or consumer equipment or machine tool is mounted, for example, an LED (Light Emitting Diode) for a liquid crystal backlight. Alternatively, it can be a substrate for MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), RF (Radio Frequency) modules of mobile devices, switching modules, antenna switch modules, PA (Power Amplifier) modules, and filter modules.
Examples of the power semiconductor module include an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), a MOS-FET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) module, and the like.
In addition, the metal-ceramic bonding substrate of the present invention can be used for a multi-core MCU (Micro Control Unit) that can be used in, for example, a powertrain system or other vehicle systems, which includes a plurality of arithmetic units (CPUs).
次に、金属セラミック接合基板を試作し、その性能を確認したので以下に説明する。但し、ここでの説明は、単なる例示を目的としたものであり、それに限定されることを意図するものではない。 Next, a metal-ceramic bonding substrate was prototyped and its performance was confirmed, which will be described below. However, the description here is for illustrative purposes only and is not intended to be limiting.
この発明の製造方法に従う実施例１〜３、６、７、１０、１１、２０〜２５、２７、２８の方法により、窒化アルミニウム基板と導体層とを、それらの間に窒化チタンを含む接合層を介在させて接合させ、表１に示す各金属セラミック接合基板を得た。実施例１〜３、６、７、１０、１１、２０〜２５、２７、２８の製造方法の条件を表２に示す。また、この発明の製造方法の条件から外れる比較例１〜３８の方法により、表３及び表１に示す各金属セラミック接合基板を得た。比較例１〜２５の製造方法の条件を表４及び表２に示す。
なおここで、表１〜４から、接合層中の銅の拡散距離は、ホットプレス時の温度によって変化することが解かる。
According to the method of Examples 1 to 3, 6, 7, 10, 11, 20 to 25, 27, 28 according to the manufacturing method of the present invention, an aluminum nitride substrate and a conductor layer are bonded to each other, and a bonding layer containing titanium nitride therebetween. The metal ceramic bonded substrates shown in Table 1 were obtained. Table 2 shows the conditions of the production methods of Examples 1 to 3, 6, 7, 10, 11, 20 to 25, 27, and 28. Further, by the method of Comparative Example 1 to 38 out of the conditions of the production method of the present invention, to obtain each metal ceramic bonding substrate as shown in Table 3 and Table 1. The conditions of the production methods of Comparative Examples 1 to 25 are shown in Table 4 and Table 2 .
Here, it can be seen from Tables 1 to 4 that the diffusion distance of copper in the bonding layer varies depending on the temperature during hot pressing.
実施例１〜３、６、７、１０、１１、２０〜２５、２７、２８の及び比較例１〜３８の方法により製造した上記の各金属セラミック基板に対し、ＪＩＳ Ｂ０６０１に従ってピール強度試験を行い、それらのピール強度を測定した。このピ−ル強度試験は具体的には、銅板の一端部が基板の外部に５ｍｍ程度突出するように、また、接合面積を１０ｍｍ×１０ｍｍとして接合し、これを５０ｍｍ／ｍｉｎの速度で９０度上方に引っ張り上げるのに要する単位幅当りの力（剥離強度）を算出し、評価した。 A peel strength test was performed in accordance with JIS B0601 on each of the metal ceramic substrates manufactured by the methods of Examples 1 to 3, 6, 7, 10, 11, 20 to 25, 27, 28 and Comparative Examples 1 to 38. Their peel strength was measured. Specifically, the peel strength test was performed such that one end of the copper plate protrudes to the outside of the substrate by about 5 mm and the bonding area is 10 mm × 10 mm, and this is 90 degrees at a speed of 50 mm / min. The force per unit width (peel strength) required for pulling upward was calculated and evaluated.
また、実施例１〜３、６、７、１０、１１、２０〜２５、２７、２８及び比較例１〜３８の方法により製造した各金属セラミック基板に対し、インターバル５秒で、−４０℃〜１２０℃の低温および高温による熱サイクルを、３００回繰り返し与えた後、蛍光探傷検査を行って、実施例１〜３、６、７、１０、１１、２０〜２５、２７、２８及び比較例１〜３８の方法により製造した各基板の反りおよび割れもしくは剥がれを調査した。
これらの試験結果も表２及び表４に示す。表２及び表４中、熱サイクル後の基板の反りおよび割れもしくは剥がれの項目における「○」は、上述した熱サイクル後に基板の反りないし割れ、剥がれが生じなかったことを示し、また、同項目における「×」は、熱サイクル後に反りないし割れ、剥がれが生じたことを示す。この項目における「−」は評価不能であったことを示す。
Moreover, with respect to each metal ceramic substrate manufactured by the methods of Examples 1 to 3, 6, 7, 10, 11, 20 to 25, 27 and 28 and Comparative Examples 1 to 38 , an interval of 5 seconds, −40 ° C. to After repeatedly applying a thermal cycle at a low temperature of 120 ° C. and a high temperature of 300 times, a fluorescent flaw detection inspection was performed, and Examples 1 to 3, 6, 7, 10, 11, 20 to 25, 27, 28 and Comparative Example 1 were performed. The warpage and cracking or peeling of each substrate manufactured by the method of ~ 38 were investigated.
These test results are also shown in Tables 2 and 4. In Table 2 and Table 4, “◯” in the item of warping and cracking or peeling of the substrate after the thermal cycle indicates that no warping, cracking or peeling of the substrate occurred after the above-described thermal cycle. “X” in indicates that warping, cracking or peeling occurred after the thermal cycle. “-” In this item indicates that evaluation was impossible.
表２及び４に示す結果から、実施例１〜３、６、７、１０、１１、２０〜２５、２７、２８の方法及び比較例１〜１０、２６〜３８の方法により製造した金属セラミック接合基板はいずれも、接合層に窒化チタン、窒化ジルコニウム又は窒化ハフニウムが含まれることから、接合層に銀が含まれる比較例１３〜２５の方法により製造した金属セラミック接合基板よりも大きなピール強度が発揮されていることが解かる。また、実施例１〜３、２０〜２４、２８の方法及び比較例２６、２７、３０〜３８の方法による金属セラミック接合基板は、接合層厚みが５００ｎｍないし４５０ｎｍと薄いものの、比較例１３〜２５の方法による金属セラミック接合基板よりも十分大きなピール強度が発揮されている。 From the results shown in Tables 2 and 4, metal ceramic joints produced by the methods of Examples 1-3, 6, 7 , 10 , 11, 20-25 , 27, 28 and Comparative Examples 1-10 , 26-38. Since all the substrates include titanium nitride, zirconium nitride, or hafnium nitride in the bonding layer, they exhibit a higher peel strength than the metal ceramic bonding substrates manufactured by the methods of Comparative Examples 13 to 25 in which silver is included in the bonding layer. It is understood that it is done. In Example 1-3, 20-24, metal ceramic bonding substrate according to 2 8 method and the method of Comparative Example 26,27,30～38, although the bonding layer thickness to no 500 nm 450 nm and thin, Comparative Example 13 The peel strength sufficiently higher than that of the metal ceramic bonded substrate by the method 25 is exhibited.
なお、比較例１１及び１２は、ホットプレス時の温度が１０３０℃を超えていて当該温度が高すぎるか、又は、ホットプレス時の加圧力が１５ＭＰａと大きすぎたことに起因して、ホットプレス時に基板が割れて、金属セラミック接合基板を製造することができず、ピール強度の測定及び、熱サイクル後の基板の反り、割れ及び剥がれの評価が不可能であった。 In Comparative Examples 11 and 12, the temperature during hot pressing exceeded 1030 ° C. and the temperature was too high, or the pressing force during hot pressing was too high at 15 MPa. At times, the substrate was cracked, making it impossible to produce a metal-ceramic bonded substrate, and it was impossible to measure peel strength and evaluate the warpage, cracking and peeling of the substrate after thermal cycling.
また、実施例１〜３、６、７、１０、１１、２０〜２５、２７、２８の方法及び比較例２６〜３８の方法による金属セラミック接合基板はいずれも、熱サイクル後の反り、割れ及び剥がれが生じなかったが、接合層に銀が含まれる比較例１３〜２５の方法による金属セラミック接合基板は、熱サイクル後の基板の状態が良好ではなかった。
比較例５〜９、１１、１２の方法による金属セラミック接合基板は、窒化アルミニウム基板の曲げ強度が小さく、又は導体層厚みが厚いことに起因して、熱サイクル後に基板の反り、割れないし剥がれが発生した。
Moreover, as for the metal ceramic joining board | substrate by the method of Examples 1-3, 6, 7, 10, 11, 20-25, 27, 28, and the method of Comparative Examples 26-38, all are the curvature after a thermal cycle, a crack, and Although peeling did not occur, the state of the substrate after the thermal cycle was not good in the metal ceramic bonded substrates according to the methods of Comparative Examples 13 to 25 in which silver was included in the bonding layer.
The metal ceramic bonded substrates obtained by the methods of Comparative Examples 5 to 9, 11, and 12 are warped, cracked or peeled off after the thermal cycle due to the low bending strength of the aluminum nitride substrate or the thick conductor layer. Occurred.
以上の結果より、この実施例１〜３、６、７、１０、１１、２０〜２５、２７、２８の製造方法によれば、熱サイクル後の基板の状態が良好で、接合層厚みを薄くしても十分大きなピール強度を有する金属セラミック接合基板を製造できることが解かった。従って、これらの金属セラミック接合基板では、接合層の厚みを減少させることによって、放熱性能を有効に高め、また微細な回路パターンを形成することが可能になる。 From the above results, according to the manufacturing methods of Examples 1 to 3, 6, 7, 10, 11, 20 to 25, 27, and 28, the state of the substrate after the thermal cycle is good, and the bonding layer thickness is thin. Even so, it was found that a metal ceramic bonded substrate having a sufficiently large peel strength can be produced. Therefore, in these metal ceramic bonded substrates, by reducing the thickness of the bonding layer, it is possible to effectively improve the heat dissipation performance and form a fine circuit pattern.
１ 金属セラミック接合基板
２ 窒化アルミニウム基板
３ 導体層
４ 接合層
1 Metal ceramic bonding substrate 2 Aluminum nitride substrate 3 Conductor layer 4 Bonding layer
Claims (17)
前記窒化アルミニウム基板と導体層との間に、窒化チタン、窒化ジルコニウム及び窒化ハフニウムからなる群から選択される少なくとも一種の化合物を含む接合層が介在し、該接合層の介在下で、前記窒化アルミニウム基板と導体層とが接合されてなり、
厚み方向で、導体層と接合層との界面から窒化アルミニウム基板側に向かって、２００ｎｍ離れた位置における銅の濃度が、８×１０ 20 ａｔｏｍｓ／ｃｍ 3 以上である金属セラミック接合基板。 A metal ceramic bonding substrate formed by laminating a conductor layer made of copper or a copper alloy on at least one surface side of an aluminum nitride substrate,
A bonding layer containing at least one compound selected from the group consisting of titanium nitride, zirconium nitride, and hafnium nitride is interposed between the aluminum nitride substrate and the conductor layer, and the aluminum nitride is interposed under the bonding layer. Ri name and the substrate and the conductor layer is bonded,
In the thickness direction, toward the aluminum nitride substrate from the interface between the conductor layer and the bonding layer, the concentration of copper in the 200nm away, 8 × 10 20 atoms / cm 3 or more der Ru metal ceramic bonding substrate.
窒化アルミニウム基板又は導体層の、少なくとも一方の表面上に、チタン、ジルコニウム及びハフニウムからなる群から選択される少なくとも一種を、スパッタリング法又は蒸着法により、膜厚が３００ｎｍ以上になるまで成膜し、その後、成膜した薄膜層上に、導体層又は窒化アルミニウム基板を、真空又は不活性ガス雰囲気の下、６００℃以上かつ１０００℃以下の温度条件で、０．１ＭＰａ以上かつ１０ＭＰａ以下の加圧力の作用により圧着させて、前記窒化アルミニウム基板と導体層とを接合し、
厚み方向で、導体層と接合層との界面から窒化アルミニウム基板側に向かって、２００ｎｍ離れた位置における銅の濃度が、８×１０ 20 ａｔｏｍｓ／ｃｍ 3 以上である金属セラミック接合基板を製造する、金属セラミック接合基板の製造方法。 A method of manufacturing a metal ceramic bonded substrate formed by laminating a conductor layer made of copper or a copper alloy on at least one surface side of an aluminum nitride substrate,
At least one selected from the group consisting of titanium, zirconium and hafnium is formed on at least one surface of the aluminum nitride substrate or conductor layer by sputtering or vapor deposition until the film thickness is 300 nm or more, Thereafter, a conductor layer or an aluminum nitride substrate is applied on the formed thin film layer at a pressure of 0.1 MPa or more and 10 MPa or less under a temperature condition of 600 ° C. or more and 1000 ° C. or less in a vacuum or an inert gas atmosphere. Bonded by the action, the aluminum nitride substrate and the conductor layer are joined ,
Producing a metal-ceramic bonding substrate having a copper concentration of 8 × 10 20 atoms / cm 3 or more at a position 200 nm away from the interface between the conductor layer and the bonding layer toward the aluminum nitride substrate in the thickness direction ; A method for manufacturing a metal-ceramic bonding substrate.
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