JPH0936540A - セラミックス回路基板 - Google Patents
セラミックス回路基板Info
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Abstract
おいてもクラックの発生が効果的に抑制される、いわゆ
る耐熱サイクル性に優れた信頼性が高いセラミックス回
路基板を提供する。 【解決手段】Ti,Zr,Hf,V,NbおよびTaか
ら選択される少なくとも1種の活性金属を含有する銀−
銅系ろう材層5を介して窒化物系セラミックス基板2と
金属回路板3とを接合して成り、銀−銅系ろう材層5と
窒化物系セラミックス基板2とが反応して生成される反
応生成層6のビッカース硬度が1100以上であること
を特徴とする。また銀−銅系ろう材層5に、さらにI
n,Zn,CdおよびSnから選択される少なくとも1
種の元素を含有させるとよい。
Description
ス基板に金属回路板をろう材によって接合したセラミッ
クス回路基板に係り、特に耐熱サイクル特性に優れ、信
頼性が高いセラミックス回路基板に関する。
などのように絶縁性に優れたセラミックス基板の表面
に、導電性を有する金属回路板を一体に接合したセラミ
ックス回路基板が広く普及し、半導体装置の構成部品と
して使用されている。
を一体に接合形成する方法として、高融点金属法(メタ
ライズ法),直接接合法,活性金属法などが採用されて
いる。高融点金属法は、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る方法であり、直接接合
法は、金属回路板成分と酸素との共晶液相を接合剤と
し、ろう材などを使用せずに直接金属回路板をセラミッ
クス基板表面に加熱接合する方法であり、活性金属法は
Tiなどの活性金属を含有するろう材を介して金属回路
板と非酸化物系セラミックス基板とを一体に接合する方
法である。特に高強度で良好な封着性,信頼性を必要と
するセラミックス回路基板を得るためには、上記接合法
のうち、活性金属法が一般に使用されている。
の基本となる高い接合強度が求められる一方、搭載され
た発熱部品としての半導体素子の運転条件下で繰り返し
て作用する熱サイクルに充分耐える構造を保持するた
め、冷熱サイクル試験(TCT)において、セラミック
ス基板と金属回路板との線膨張係数差に起因するクラッ
クの発生を抑制する必要がある。
術において、セラミックス基板にTiなどの活性金属を
含有するろう材により金属回路板を一体に接合して成る
セラミックス回路基板では、脆弱な反応相が接合界面に
生成され易いため、十分な接合強度が得られず、セラミ
ックス基板の接合部にクラックが発生し易く、高い信頼
性を有する回路基板が得られないという問題点があっ
た。
合においても、その後に付加される熱サイクルが低い段
階において、微小なクラックが発生し、そのクラックが
経時的に進展することにより、接合強度も低下し、最終
的にはセラミックス基板の割れや欠けを生じてしまうな
ど長期にわたる信頼性の維持が困難となる問題点もあっ
た。
れたものであり、繰り返しの冷熱サイクルを長時間付加
した後においてもクラックの発生が効果的に抑制され
る、いわゆる耐熱サイクル性に優れた信頼性が高いセラ
ミックス回路基板を提供することを目的とする。
本願発明者は、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種類および量を種々変え
てセラミックス回路基板を調製し、ろう材に含有させる
元素の種類が回路基板の接合強度、および耐熱サイクル
特性や接合部の強度特性に及ぼす影響を比較検討した。
有するろう材や活性金属とInなどの元素とを複合的に
含有するろう材を使用して基板と回路板とを接合しセラ
ミックス回路基板を調製したときに、接合部に形成され
る反応生成層の硬度が増加することが判明した。そして
硬度の増加に比例して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。
板は、Ti,Zr,Hf,V,NbおよびTaから選択
される少なくとも1種の活性金属を含有する銀−銅系ろ
う材層を介して窒化物系セラミックス基板と金属回路板
とを接合して成り、上記銀−銅系ろう材層と窒化物系セ
ラミックス基板とが反応して生成される反応生成層のビ
ッカース硬度が1100以上であることを特徴とする。
また銀−銅系ろう材層が、さらにIn,Zn,Cdおよ
びSnから選択される少なくとも1種の元素を含有する
ように構成するとよい。
ら選択される少なくとも1種の元素は5〜20重量%含
有される。また銀−銅系ろう材層はAg−Cu−In−
Ti系ろう材層で構成するとよい。
窒化物系セラミックス基板表面に、上記銀−銅系ろう材
層を介して金属板を接合するとよい。
としては、活性金属などのろう材成分と反応して高硬度
の反応生成層を形成する窒化アルミニウム(AlN),
窒化けい素(Si3 N4 ),サイアロン(SiAlO
N)などの窒化物系セラミックス基板が好適である。
属であれば特に限定されないが、電気抵抗率や材料コス
トの観点から銅またはアルミニウムから成るものが好適
である。
るためのろう材としては、重量%でCuを15〜35
%,Ti,Zr,Hf,V,NbおよびTaから選択さ
れる少なくとも1種の活性金属を0.5〜10%,残部
が実質的にAgから成る組成物のペーストが使用され
る。ペーストは上記組成物を有機溶媒中に分散して調製
される。
分は、セラミックス焼結体製基板とTiなどの活性金属
との接合層の形成を促進する成分として有効であり、T
iなどの活性金属を接合層(ろう材層)中に拡散させ強
固な接合体を形成するのに寄与する。上記Ag−Cu成
分比は、共晶組成物(72重量%Ag−28%Cu)を
生成し易い組成比に設定して液相の生成量を低減しても
よいが、他の組成範囲でも構わない。
らに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、それらの配合量は組成物全体に対
して0.5〜10重量%に設定される。活性金属の含有
量が0.5重量%未満の場合には、濡れ性の改善効果が
得られない一方、含有量が多いほどセラミックス基板と
濡れ易くなる作用を有するが、含有量が10重量%を超
える過量となると、接合界面に脆弱な反応相(反応生成
相)が生成され易くなり、接合強度の低下とともに接合
体全体としての構造強度の低下を招く。
およびSnから選択された少なくとも1種の成分を5〜
20重量%の割合で添加してもよい。In,Zn,C
d,Snは、上記活性金属,ろう材成分およびセラミッ
クス基板成分とともに、硬度が比較的に大きな金属間化
合物を接合界面に形成し、セラミックス基板の見掛け上
の強度を高め、TCTにおいてセラミックス基板に発生
する熱応力が大きくなった場合においても、クラックが
発生しにくくなり、回路基板の耐熱サイクル特性を大幅
に改善する効果がある。
材による接合温度を低下させ、熱応力の発生量を低減し
接合後における残留応力を低下するために有効である。
添加含有量が5重量%未満では、上記硬度を高める効果
および接合温度の低減効果が少ない。一方、20重量%
を超えると、ろう材組成の変化が大きくなり、信頼性を
高めるに十分な接合強度が得られない。
度に大きな影響を及ぼすものであり、本発明では15〜
35μmの範囲に設定される。ろう材層の厚さが15μ
m未満の場合には、接合強度が充分に得られず、またセ
ラミックス基板と金属回路板との密着性が低下し、回路
基板全体としての熱抵抗が増大し、放熱性が低下してし
まう。一方、ろう材層の厚さが35μmを超えると、接
合界面に脆弱な反応相が生成され易くなるとともにセラ
ミックス基板に生じる応力が大きくなるため、いずれに
しろ充分な接合強度が得られない。
窒化物系セラミックス基板表面に、上記銀−銅系ろう材
層を介して上記金属回路板よりやや薄い金属板を接合す
ることにより、接合操作によって発生するセラミックス
回路基板の反りを効果的に防止できる。すなわち、セラ
ミックス基板の表裏両面に配置する金属量を等しくする
ことによってセラミックス基板の各面における熱膨張量
を等しくすることができ、両面における熱膨張差に起因
する回路基板の反りを防止することができる。
えば以下のような手順で製造される。すなわち、Al
N,Si3 N4 ,SiAlONなどの窒化物系セラミッ
クス基板とCuなどで形成された金属回路板等との接合
面に、Tiなどの活性金属を0.5〜10重量%含有す
るペースト状のAg−Cu系ろう材組成物を塗布した状
態で金属回路板を押圧し、10-4Torr以下の真空状態に
した加熱炉中で、またはアルゴン(Ar)ガスなどの不
活性ガス雰囲気に調整した加熱炉中で、あるいは窒素
(N2 )ガス雰囲気の加熱炉中で、温度800〜900
℃で10〜15分保持して一体に接合して製造される。
上記活性金属法による接合操作においては、セラミック
ス基板とAg−Cu系ろう材とのメタライズ界面を強固
にするため、および活性金属元素とセラミックス成分と
が反応して形成される反応生成層の形成を促進するため
に、Ag:Cuの重量比率を72:28の共晶組成比に
することが望ましい。この共晶組成比を有するろう材の
融点は約780℃であるため実際の接合温度は800〜
900℃に設定される。
満と低い場合にはろう材が充分に溶融しないため、セラ
ミックス基板と金属回路板との密着性が低下してしま
う。一方、接合温度が900℃を超えると接合面に脆弱
な反応相が生成され易く、いずれにしても接合強度が低
下してしまう。
にIn,Zn,CdおよびSnから選択された少なくと
も1種の成分が5〜20重量%含有される場合には、ろ
う材の溶融温度が、680℃程度までに下がる結果、7
00〜800℃の低温度範囲で接合を行うことができ
る。
る活性金属等の成分とセラミックス基板成分とが反応す
る結果、厚さが2〜3μm程度でビッカース硬度が11
00以上の高硬度を有する反応生成層が形成される。例
えば、In−Ag−Cu−Ti系ろう材を使用してAl
N基板とCu回路板とを接合して回路基板を製造した場
合には、ろう材層とAlN基板との界面に、TiNある
いは各成分が混在した(Ti,Cu,In,Al)Nな
どの金属間化合物から成る反応生成層が形成される。ま
たろう材中に2〜7重量%のNbあるいはTaを含ませ
ると、これらの元素が反応生成層側に拡散して反応生成
層の硬度を増加させる。特にInを含有する金属間化合
物の硬度値は他の化合物と比較して大きいため、反応生
成層のビッカース硬度は、1100〜1200程度にま
で増加する。
基板の耐熱サイクル特性に大きな影響を及ぼし、本願発
明ではビッカース硬度(Hv)で1100以上に設定さ
れる。硬度が1100未満の場合には、接合部における
セラミックス基板の強度が不十分であり、熱サイクルが
付加された時に生ずる応力によってクラックが容易に発
生するため、回路基板の耐熱サイクル性を改善すること
は困難である。
ば、ろう材成分とセラミックス基板成分とが反応して生
成される反応生成層のビッカース硬度を1100以上に
設定しているため、接合部におけるセラミックス基板の
強度を実質的に高めることができ、熱サイクルが付加さ
れた際に大きな熱応力が発生した場合においてもクラッ
クを生じることが少ない。したがって耐熱サイクル特性
が優れ、信頼性が高いセラミックス回路基板を提供する
ことができる。
て、以下の実施例および添付図面を参照して説明する。
て製造した窒化アルミニウム(AlN)焼結体を加工し
て、縦29mm×横63mm×厚さ0.635mmのAlN基
板と、厚さ0.3mmのリン脱酸銅から成るCu回路板
(金属回路板)およびCu板(金属板)とを多数調製し
た。さらに表1に示すような組成を有する各実施例用の
ペースト状のAg−Cu系ろう材を調製し、このろう材
をAlN基板の両面に印刷してAg−Cu系ろう材層を
形成し、このろう材層を介して、Cu回路板およびCu
板をそれぞれAlN基板表面に圧着した。この状態で各
圧着体を加熱炉に収容し、1×10-4Torr以下の高真空
中で、表1に示す接合温度に加熱し10分間保持するこ
とにより、一体に接合し、図1に示すような実施例1〜
9に係るセラミックス回路基板1をそれぞれ多数製造し
た。
ックス回路基板1は、AlN基板2とCu回路板3との
間およびAlN基板2とCu板(裏銅板)4との間に、
Ag−Cu系ろう材層5と反応生成層6とを介して一体
に接合されて形成されている。上記反応生成層6はろう
材に含有される成分とAlN基板2の成分とが反応して
形成されたものである。上記回路基板1のCu回路板3
の所定位置に半田接合によって半導体素子(Siチッ
プ)7が接合されて、半導体装置構成用のセラミックス
回路基板が形成される。
−Cu−Ti系ろう材ペーストを使用した点以外は実施
例3と同一条件で各部材を一体に接合して比較例1に係
るセラミックス回路基板を多数調製した。
ラミックス回路基板の耐久性および信頼性を評価するた
めに下記のような熱衝撃試験(ヒートサイクル試験:T
CT)を実施し、回路基板におけるクラック発生状況を
調査した。ヒートサイクル試験は、各回路基板を−40
℃で30分間保持した後に室温(RT)まで昇温して1
0分間保持し、しかる後に+125℃に昇温して30分
間保持し、次に冷却して室温で10分間保持するという
昇温−降温サイクルを500回繰り返して付加する条件
で実施した。そして100回毎のサイクル数終了後にお
いて試験試料を5個ずつ取り出しFeCl3 溶液にてエ
ッチング処理してCu回路板およびろう材のAg−Cu
成分を除去することによってAlN基板上に生成されて
いる反応生成層のビッカース硬度Hvを測定した。また
100サイクル毎のTCT実施後に、EDTA(エチレ
ンジアミン4酢酸)とH2 O2 とNH4 OHとから成る
エッチング液を使用して上記反応生成層を除去し、各A
lN基板表面についてPT(蛍光探傷試験)を実施して
ファインクラックの発生の有無を検査し、5個の試料の
うちの少なくとも1個にクラックが発生したときのTC
Tサイクル数を調査した。測定調査結果を下記表1に示
す。
施例に係るセラミックス回路基板においては、反応生成
層のビッカース硬度Hvが1100以上と高く、実質的
にこの高硬度の反応生成層によってAlN基板強度が高
まる結果、TCTにおいて少なくとも300サイクルま
ではクラックが発生せず、耐熱サイクル特性に優れてい
ることが確認できた。
伝導率:170W/m・K)自体のビッカース硬度は1
200〜1500程度であり、各実施例の回路基板の反
応生成層のビッカース硬度もほぼAlN基板本体の硬度
と同等になっている。なお、加熱接合によって生じるT
iNのビッカース硬度Hvは2000以上となるはずで
あるが、実際にはCuあるいはAlを含有している影響
でかなり低下するものと考えられる。
板においても、TiNから成る高硬度の反応生成層が形
成されているはずであるが、実際には活性金属Tiの拡
散が十分ではないため、またCuまたはAlの混在によ
り反応生成層の高硬度化が不十分であり、十分な耐熱サ
イクル特性が得られないことが判明した。
クス回路基板によれば、ろう材成分とセラミックス基板
成分とが反応して生成される反応生成層のビッカース硬
度を1100以上に設定しているため、接合部における
セラミックス基板の強度を実質的に高めることができ、
熱サイクルが付加された際に大きな熱応力が発生した場
合においてもクラックを生じることが少ない。したがっ
て耐熱サイクル特性が優れ、信頼性が高いセラミックス
回路基板を提供することができる。
を示す断面図。
Claims (5)
- 【請求項1】 Ti,Zr,Hf,V,NbおよびTa
から選択される少なくとも1種の活性金属を含有する銀
−銅系ろう材層を介して窒化物系セラミックス基板と金
属回路板とを接合して成り、上記銀−銅系ろう材層と窒
化物系セラミックス基板とが反応して生成される反応生
成層のビッカース硬度が1100以上であることを特徴
とするセラミックス回路基板。 - 【請求項2】 銀−銅系ろう材層は、さらにIn,Z
n,CdおよびSnから選択される少なくとも1種の元
素を含有することを特徴とする請求項1記載のセラミッ
クス回路基板。 - 【請求項3】 In,Zn,CdおよびSnから選択さ
れる少なくとも1種の元素は5〜20重量%含有されて
いることを特徴とする請求項2記載のセラミックス回路
基板。 - 【請求項4】 銀−銅系ろう材層はAg−Cu−In−
Ti系ろう材層であることを特徴とする請求項2記載の
セラミックス回路基板。 - 【請求項5】 金属回路板を接合した側と反対側の窒化
物系セラミックス基板表面に、上記銀−銅系ろう材層を
介して金属板を接合したことを特徴とする請求項1記載
のセラミックス回路基板。
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