JP7301740B2 - セラミックス回路基板及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、セラミックス回路基板とその製造方法に関する。
エレベーター、車両、ハイブリッドカー等といったパワーモジュール用途には、アルミナ、ベリリア、窒化ケイ素、窒化アルミニウム等のセラミックス基板の表面に、金属回路板をろう材で接合し、更に金属回路板の所定の位置に半導体素子を搭載したセラミックス回路基板が用いられる。
近年では、半導体素子の高出力化、高集積化に伴い、半導体素子からの発熱量は増加の一途をたどっている。この発熱を効率よく放散させるため、高絶縁性、高熱伝導性を有する窒化アルミニウム焼結体や窒化ケイ素焼結体のセラミックス基板が使用されている。
しかし、セラミックス基板と金属板は熱膨張率が大きく異なるため、繰り返しの冷熱サイクルの負荷によりセラミックス基板と金属板の接合界面に熱膨張率差に起因する熱応力が発生する。特に、接合部付近のセラミックス基板側に圧縮と引張りの残留応力が作用することで、セラミックス基板にクラックが発生し、接合不良又は熱抵抗不良を招き、電子機器としての動作信頼性が低下してしまう等の問題を有する。
そこで、特許文献１、２、３には、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｃｄ、ＳｎをＡｇ－Ｃｕ系ろう材に添加し、接合温度を低下させることにより熱応力の発生を低減し、接合後の残留応力を低減することで、セラミックス回路基板の信頼性を高める方法が提案されている。
特開平９―２８３６５６号公報 特開２０１４－１１８３１０号公報 特開２０１５－６５３１３号公報
しかし、従来技術においては、より残留応力を低減させるために、Ａｇ－Ｃｕろう材に５％以上の低融点金属を配合することにより、ろう材層の融点が低下し、Ａｇ－Ｃｕ―低融点金属系組織を形成する時間が長くなり、不均一なＡｇ－Ｃｕ―低融点金属ろう材層組織になる。その結果、耐熱サイクルテストにおいて、セラミックス回路基板に発生する熱応力を緩和する効果が低下し、セラミックス回路基板の信頼性を低下させるという問題がある。本発明の課題は、信頼性の高いセラミックス回路基板を提供することである。
上記目的を達成するため本発明者は、セラミックス基板と金属回路板とを接合するろう材に含有させる元素の量を種々変えてセラミックス回路基板を調整し、ろう材に含有させる元素の量がセラミックス回路基板の耐熱サイクル特性に及ぼす影響を比較検討した。その結果、Ａｇ―Ｃｕ―Ｓｎろう材層組織のＣｕリッチ相の平均サイズを小さくすることおよびＣｕリッチ相の個数密度を増加させることで、セラミックス回路基板の耐熱サイクル特性が向上することが判明した。本発明はこれらの知見に基づいて完成されたものである。
即ち、本発明は、セラミックス回路基板の少なくとも一方の主面と金属板がＡｇ－Ｃｕ－Ｓｎろう材を介して接合されたセラミックス回路基板の断面の接合界面のＳＥＭによる反射電子像の３０００倍の倍率の視野において、接合界面に連続的に形成された前記Ａｇ－Ｃｕ―Ｓｎろう材層組織中のＣｕリッチ相の平均サイズが３．５μｍ以下であり、Ｃｕリッチ相の個数密度が０．０１５個／μｍ２以上であることを特徴とするセラミックス回路基板である。
言い換えると、本発明は、セラミックス基板の少なくとも一方の主面に、接合ろう材を介して金属板が接合されており、前記接合ろう材は金属成分として、Ａｇ９３．０～９９．４質量部、Ｃｕ０．１～５．０質量部、Ｓｎ０．５～２．０質量部の合計１００質量部に対して、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブから選択される少なくとも１種の活性金属を０．５～４．０質量部含有し、セラミックス基板と金属板との間の接合ろう材層組織中のＣｕリッチ相の平均サイズが３．５μｍ以下であり、個数密度が０．０１５個／μｍ２以上であることを特徴とするセラミックス回路基板である。
本発明によれば、信頼性の高いセラミックス回路基板が提供される。より詳細には、１.０％以下の接合ボイド率を有し、更に、－５５℃から１５０℃のヒートサイクル試験２０００サイクルにおいてクラック率１．０％未満のセラミックス回路基板が提供される。
Ｃｕリッチ相の平均サイズが３．０μｍであり、Ｃｕリッチ相の個数密度が０．０１６個／μｍ２であるＡｇ－Ｃｕ―Ｓｎろう材層組織のセラミックス回路基板の一例
［セラミックス回路基板］
本発明のセラミックス回路基板は、セラミックス基板の少なくとも一方の主面に、接合ろう材を介して金属板が接合されており、前記接合ろう材は金属成分として、Ａｇ９３．０～９９．４質量部、Ｃｕ０．１～５．０質量部、Ｓｎ０．５～２．０質量部の合計１００質量部に対して、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブから選択される少なくとも１種の活性金属を０．５～４．０質量部含有し、セラミックス基板と金属板との間の接合ろう材層組織中のＣｕリッチ相の平均サイズが３．５μｍ以下であり、個数密度が０．０１５個／μｍ２以上であることを特徴とするセラミックス回路基板である。
本発明のセラミックス回路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、窒化珪素、窒化アルミニウムなどの窒化物系セラミックス、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムなどの酸化物系セラミックス、炭化ケイ素等の炭化物系セラミックス、ほう化ランタン等のほう化物系セラミックス等を使用できる。但し、金属板を活性金属法でセラミックス基板に接合するため、窒化アルミニウム、窒化珪素素等の非酸化物系セラミックスが好適であり、更に、優れた機械強度、破壊靱性の観点より、窒化珪素基板が好ましい。
本発明の一実施形態において、セラミックス基板の厚みは特に限定されないが、０．１～３．０ｍｍ程度のものが一般的であり、特に、回路基板全体の熱抵抗率低減を考慮すると、２．０ｍｍ以下が好ましく、より好ましくは１．２ｍｍ以下である。
本発明の一実施形態において、金属板はセラミックス基板の両主面又は一方の主面に接合され、金属板に使用する金属は、銅、もしくは銅合金が好ましい。
本発明の一実施形態において、金属板の厚みは特に限定されないが、０．１～１．５ｍｍのものが一般的であり、特に、放熱性の観点から、０．３ｍｍ以上が好ましく、より好ましくは０．５ｍｍ以上である。
本発明者は、セラミックス回路基板における優れた耐熱サイクル特性を達成するために鋭意検討を行ったところ、Ａｇ―Ｃｕ―Ｓｎろう材層組織のＣｕリッチ相の平均サイズを小さくすること及びＣｕリッチ相の個数密度を増加させることで、セラミックス回路基板の耐熱サイクル特性が向上することを見出した。さらに、ろう材の主成分であるＡｇ粉末の配合量を高め、Ｃｕ、Ｓｎなどの元素の添加量を少なくすることでＡｇ－Ｃｕ―Ｓｎろう材層組織のＣｕリッチ相の平均サイズが小さくなること及びＣｕリッチ相の個数密度が増加することを見出だし、微細且つ均一なＣｕリッチ相を有するＡｇ－Ｃｕ―Ｓｎろう材層組織を形成できることが判明した。
本実施形態において、セラミックス回路基板の断面を走査型電子顕微鏡で反射電子像を観察した場合に、Ａｇ－Ｃｕ－Ｓｎろう材層組織中に組成を反映して黒色で観察される相をＣｕリッチ相として定義した。また、観察されたＣｕリッチ相の重心直径を測定し、その平均値をＣｕリッチ相の平均サイズと定義した。
また、本実施形態において、上記のＡｇ－Ｃｕ―Ｓｎろう材層組織の微細さ及び均一さの程度を表す指標として、セラミックス回路基板の任意の断面におけるＡｇ－Ｃｕ―Ｓｎろう材層中のＣｕリッチ相の個数をＡｇ－Ｃｕ―Ｓｎろう材層組織の面積で除した値をＣｕリッチ相の個数密度として定義した。
本発明のセラミックス回路基板のＡｇ－Ｃｕ―Ｓｎろう材層組織中のＣｕリッチ相の平均サイズは３．５μｍ以下が好ましく、３．０μｍ以下がより好ましく、２．８μｍ以下がさらに好ましい。本発明のセラミックス回路基板のＡｇ－Ｃｕ―Ｓｎろう材層組織中のＣｕリッチ相の個数密度は０．０１５個／μｍ２以上であることが好ましく、０．０１８個／μｍ２以上であることがより好ましく、０．０２５個／μｍ２以上であることがさらに好ましい。Ｃｕリッチ相の平均サイズを３．５μｍ以下、及びＣｕリッチ相の個数密度を０．０１５個／μｍ２以下とすることで、Ａｇ－Ｃｕ―Ｓｎろう材層組織が不均一になり、耐熱サイクル特性評価において、セラミックス回路基板に発生する熱応力を緩和する効果が低下し、セラミックス回路基板の耐熱サイクル特性が低下するのを抑制することができる。
また、本発明の一実施形態において、セラミックス回路基板の接合ボイド率は、１.０％以下が好ましく、０．８％以下がより好ましく、０．５％以下がさらに好ましい。
さらに、本発明の一実施形態のセラミックス回路基板の、－５５℃から１５０℃のヒートサイクル試験２０００サイクルにおけるクラック率は１．０％未満であることが好ましく、０．８％以下であることがより好ましく、０．５％以下であることがさらに好ましい。
本発明の一実施形態において、ろう材は、ろう材層中にチタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブから選択される少なくとも一種の活性金属を含有するＡｇ－Ｃｕ－Ｓｎ系ろう材で構成される。Ａｇ－Ｃｕ―Ｓｎろう材層組織におけるＣｕリッチ相の形成を、金属板からろう材へ銅の溶け込みを主にして制御することで、微細且つ均一なＡｇ－Ｃｕ―Ｓｎろう材層組織を作ることができる。Ａｇ－Ｃｕ－Ｓｎ系ろう材の配合比は、微細なＣｕリッチ相を形成しやすい配合比に設定することが望ましく、特に金属板からの銅の溶け込みを考慮した配合（Ａｇ粉末とＣｕ粉末とＳｎ粉末の合計１００質量部において、Ａｇ粉末が９３．０～９９．４質量部、Ｃｕ粉末が０．１～５．０質量部、Ｓｎ粉末が０．５～２．０質量部）であることが好ましい。
前記Ａｇ粉末としては、比表面積０．１～０．５ｍ２／ｇのＡｇ粉末を使用するとよい。０．５ｍ２／ｇより比表面積の大きいＡｇ粉末を使用すると凝集しやすかったり、酸素濃度が高かったりして、接合不良につながる可能性がある。また、０．１ｍ２／ｇ以上の比表面積を有するＡｇ粉末を使用することで、Ａｇ－Ｃｕ―Ｓｎろう材層組織が不均一になり、セラミックス回路基板の信頼性が低下するのを抑制することができる。また、比表面積の測定はガス吸着法を用いることで、測定することができる。
本発明の一実施形態において、ろう材粉末中に含有するＣｕ粉末は、Ａｇ－Ｃｕ－Ｓｎ系ろう材の融解性を向上するための成分であり、それらの配合量は０．１～５．０質量部が好ましい。Ｃｕ粉末の配合量を０．１質量部以上とすることで、ろう材の融解性が低下し、接合不良につながる可能性が抑制される。また、Ｃｕ粉末の配合量を５．０質量部以下とすることで、Ａｇ－Ｃｕ－Ｓｎろう材層組織中のＣｕリッチ相の平均サイズが大きくなり、耐熱サイクル評価において、セラミックス回路基板に発生する熱応力を緩和する効果が低下し、セラミックス回路基板の信頼性が低下するのを抑制することができる。
本発明の一実施形態において、ろう材粉末中に含有するＳｎ粉末は、セラミックス基板に対するろう材の接触角を小さくし、ろう材の濡れ性を改善するための成分であり、それらの配合量は０．５～２．０質量部が好ましい。Ｓｎ粉末の配合量を０．５質量部以上とすることで、セラミックス基板との濡れ性が低下し、接合不良につながる可能性が抑制される。Ｓｎ粉末の配合量を２．０質量部以下とすることで、Ａｇ－Ｃｕ－Ｓｎろう材層組織中のＣｕリッチ相の平均サイズが大きくなり、耐熱サイクル評価において、セラミックス回路基板に発生する熱応力を緩和する効果が低下し、セラミックス回路基板の信頼性が低下するのを抑制することができる。
本発明の一実施形態において、ろう材中に含有される活性金属は、Ａｇ粉末とＣｕ粉末及びＳｎ粉末の合計１００質量部に対して、０．５～４．０質量部が好ましい。活性金属の含有量を０．５質量部以上とすることで、セラミックス基板とろう材の濡れ性が良好でなく、接合不良が発生し易くなるのを抑制することができる。一方、活性金属の含有量を４．０質量部以下とすることで、低融点金属と接合界面に脆弱な合金層を形成し、耐熱サイクル性が低下するのを抑制することができる。なお、活性金属は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブなどの金属及びこれらの水素化物から選択できるが、これらの中でもチタン、水素化チタンが好適である。
本発明の一実施形態において、ろう材の厚みは、乾燥基準で５～４０μｍ が好ましい。ろう材厚みを５μｍ以上とすることで、液相の形成が不十分になり、接合ボイドが多く生じるのを抑制でき、一方、４０μｍ以下とすることで、接合層を除去する時間が長くなり生産性が低下するのを抑制することができる。塗布方法は特に限定されず、基板表面に均一に塗布できるスクリーン印刷法、ロールコーター法等の公知の塗布方法を採用することができる。
［セラミックス回路基板の製造方法］
本発明のセラミックス回路基板の製造方法は、接合温度８５５～９００℃、保持時間１０～６０分で接合することを含む。本発明の一実施形態において、セラミックス基板と金属板の接合は、真空中にて８５５℃～９００℃の温度且つ１０～６０分の時間で接合することが好ましい。接合温度を８５５℃以上且つ保持時間を１０分以上とすることで、金属板からのＣｕの溶け込みが不足し、セラミックス基板と金属板の接合性が低下するのを抑制することができる。一方、接合温度を９００℃以下且つ保持時間を６０分以下とすることで、接合時の熱膨張率差に由来する熱ストレスが増加し、セラミックス回路基板の信頼性が低下するのを抑制することができる。
本発明の一実施形態において、回路基板に回路パターンを形成するため、金属板にエッチングレジストを塗布してエッチングする。エッチングレジストに関して特に制限はなく、例えば、一般に使用されている紫外線硬化型や熱硬化型のものが使用できる。エッチングレジストの塗布方法に関しては特に制限はなく、例えばスクリーン印刷法等の公知の塗布方法が採用できる。
本発明の一実施形態において、回路パターンを形成するために金属板のエッチング処理を行う。エッチング液に関しても特に制限はなく、一般に使用されている塩化第二鉄溶液や塩化第二銅溶液、硫酸、過酸化水素水等が使用できるが、好ましいものとして、塩化第二鉄溶液や塩化第二銅溶液が挙げられる。エッチングによって不要な金属部分を除去した窒化物セラミックス回路基板には、塗布したろう材、その合金層、窒化物層等が残っており、ハロゲン化アンモニウム水溶液、硫酸、硝酸等の無機酸、過酸化水素水を含む溶液を用いて、それらを除去するのが一般的である。回路形成後エッチングレジストの剥離を行うが、剥離方法は特に限定されずアルカリ水溶液に浸漬させる方法などが一般的である。
以下、実施例により本発明を詳細に説明する。しかし、本発明の範囲は以下の実施例に限定されるものではない。
［実施例１］
厚み０．３２ｍｍの窒化珪素基板に、Ａｇ粉末（福田金属箔粉工業（株）製：Ａｇ－ＨＷＱ ２．５μｍ）９９．０質量部、Ｃｕ粉末（福田金属箔粉工業（株）製：Ｃｕ－ＨＷＱ ３μｍ）０．５質量部、Ｓｎ粉末（福田金属箔粉工業（株）製：Ｓｎ－ＨＰＮ ３μｍ）０．５質量部の合計１００質量部に対して、水素化チタン粉末（トーホーテック（株）製：ＴＣＨ－１００）を３．５質量部含む活性金属ろう材を塗布量８ｍｇ／ｃｍ２となるようにスクリーン印刷法で塗布した。その後、窒化ケイ素基板の一方の面に回路形成用金属板を、他方の面に放熱板形成用金属板（いずれも厚さ０．８ｍｍ、純度９９．６０％のＣ１０２０無酸素銅板）を重ね、８９０℃且つ２０分の条件で接合した。接合した銅板にエッチングレジストを印刷し、塩化第二銅溶液でエッチングして回路パターンを形成した。さらにフッ化アンモニウム／過酸化水素溶液でろう材層、窒化物層を除去した。
＜接合ボイド率＞
超音波探傷装置（（株）日立パワーソリューション製：ＥＳ５０００）で観察されるセラミックス回路基板の接合ボイド率は、接合ボイドの面積を計測し、銅回路パターンの面積で除して算出した。
＜Ａｇ－Ｃｕ―Ｓｎろう材層組織中のＣｕリッチ相の観察＞
Ａｇ－Ｃｕ―Ｓｎろう材層組織中のＣｕリッチ相は、走査型電子顕微鏡（日本電子ＪＳＭ－６３８０）を用いて、セラミックス回路基板の断面の接合界面の任意の位置において反射電子像により、縦６０μｍ×横８０μｍの視野を、３０００倍の倍率で３視野分観察することで評価した。この方法により、粒径０．１μｍ以上のＣｕリッチ相が観察できる。観察倍率を、高倍率にしすぎると視野が狭くなり充分な数のＣｕリッチ相が観察できなくなり、逆に低倍率にしすぎると１μｍ未満のＣｕリッチ相を観察できなくなるため、３０００倍とした。
＜Ａｇ－Ｃｕ―Ｓｎろう材層組織中のＣｕリッチ相の評価＞
前述の方法で得られたＳＥＭ像を解析して測定した。画像解析のためのソフトは、ＭｅｄｉａＣｙｂｅｒｎｅｔｉｃｓ社製画像処理ソフトＩｍａｇｅ－Ｐｒｏ Ｐｌｕｓを使用した。本発明のＡｇ－Ｃｕ―Ｓｎろう材層組織中のＣｕリッチ相は、粒径が０．３μｍから数μｍまでさまざまであり、走査型電子顕微鏡で観察可能な粒径０．１μｍ以上のＣｕリッチ相を対象として、解析を行った。Ｃｕリッチ相の平均サイズは、３視野分観察し、観察された全てのＣｕリッチ相の重心直径を測定し、その平均値とした。また、Ｃｕリッチ相の個数密度については、画像解析ソフトＩｍａｇｅ－ｐｒo ｐｌｕｓを用いてＡｇ－Ｃｕ―Ｓｎろう材層組織の面積を計測し、以下の式（Ｉ）にてＣｕリッチ相の個数密度を求めた。
Ｃｕリッチ相の個数密度（個／μｍ２）＝Ｃｕリッチ相の個数／Ａｇ－Ｃｕ―Ｓｎろう材層組織の面積・・・（Ｉ）
＜耐ヒートサイクル性の評価＞
作製したセラミックス回路基板を－５５℃にて１５分、２５℃にて１５分、１５０℃にて１５分、２５℃にて１５分を１サイクルとする耐ヒートサイクル試験にて、２０００サイクル繰り返し試験を行った後、塩化鉄及びフッ化アンモニウム／過酸化水素エッチングで金属板及びろう材層を剥離し、セラミックス基板の表面に発生した水平クラック面積をスキャナーにより６００ｄｐｉ×６００ｄｐｉの解像度で取り込み、画像解析ソフトＧＩＭＰ２（閾値１４０）にて二値化し算出した後、水平クラック面積を算出し、銅回路パターン面積で除して、水平クラック率を求めた。
［実施例２～１２］
表１に示す条件としたこと以外は、実施例１と同様に行った。
［比較例１］
接合に使用するろう材に、Ｃｕ粉末及びＳｎ粉末をしないこと以外、実施例１と同様にしてセラミックス回路基板を得た。
［比較例２～６］
表１に示す条件としたこと以外は、実施例１と同様に行った。
Figure 0007301740000001
窒化珪素基板に金属板を接合する際に、Ａｇ粉末９３．０～９９．４質量部とＣｕ粉末０．１～５．０質量部及びＳｎ粉末０．５～２．０質量部の合計１００質量部に対して、水素化チタンを０．５～４．０質量部配合し、８５５～９００℃の温度且つ１０～６０分の保持時間で接合することで、耐熱サイクル評価で水平クラック率１．０％以下のセラミックス回路基板が得られた。
１ セラミックス基板
２ 金属板
３ Ａｇ－Ｃｕ―Ｓｎろう材層組織
４ Ｃｕリッチ相
５ 接合界面

Claims (2)

  1. セラミックス基板の少なくとも一方の主面に、接合ろう材を介して金属板が接合されており、前記接合ろう材は金属成分として、Ａｇ９３．０～９９．４質量部、Ｃｕ０．１～５．０質量部、Ｓｎ０．５～２．０質量部の合計１００質量部に対して、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブから選択される少なくとも１種の活性金属を０．５～４．０質量部含有し、セラミックス基板と金属板との間の接合ろう材層組織中のＣｕリッチ相の平均サイズが３．５μｍ以下であり、個数密度が０．０１５個／μｍ２以上であることを特徴とするセラミックス回路基板。
  2. 接合温度８５５～９００℃、保持時間１０～６０分で接合することを含む、請求項１記載のセラミックス回路基板の製造方法。
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