WO2005032225A1

WO2005032225A1 - セラミック回路基板、その製造方法およびパワーモジュール

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Publication number: WO2005032225A1
Application number: PCT/JP2004/014528
Authority: WO
Inventors: Yoshiyuki Fukuda; Hiromasa Kato
Original assignee: Kabushiki Kaisha Toshiba; Toshiba Materials Co., Ltd.
Priority date: 2003-09-25
Filing date: 2004-09-27
Publication date: 2005-04-07
Also published as: JPWO2005032225A1; EP1667508A1; JP4664816B2; US7482685B2; EP1667508B1; CN1857043A; EP1667508A4; CN100508698C; US20070160858A1

Abstract

　Ａｌ板から成る回路板２とＡｌ−Ｓｉろう材層３とのクラッド材から成る回路層４とセラミックス基板６とを一体に接合したセラミックス回路基板１において、上記クラッド材のＡｌ−Ｓｉろう材層３側の表面が、セラミックス基板６表面に形成した厚さ１μｍ未満のＡｌ合金膜５を介して上記セラミックス基板６に接合されていることを特徴とするセラミックス回路基板１である。上記構成によれば、接合界面でのボイドの発生を効果的に抑制でき回路層としての金属材の接合強度を高くすることが可能であり、耐熱サイクル特性を大幅に改善することが可能なセラミックス回路基板およびその製造方法を提供することができる。

Description

明細書セラミック回路基板、その製造方法およびパヮ一モジュール技術分野

本発明は、セラミックス部材と金属材回路層との接合体であるセラミック回路基板、その製造方法、およびその回路基板を用いたパワーモジュールに係り、特に接合界面でのボイドの発生を効果的に抑制でき回路層としての金属材の接合強度を高くすることが可能であり、耐熱サイクル特性を大幅に改善することが可能なセラミックス回路基板、その製造方法およびパワーモジュールに関する。背景技術

セラミックス材と金属回路材との接合方法としては、従来から M oまたは W等の高融点金属ペース卜をセラミックスのシート状成形体表面に印刷して焼結する同時焼成法、回路構成材としての銅と酸素の共晶反応を利用して回路層をセラミックス基板表面に一体に接合する直接接合法（D B C法）、および T i等の活性金属を含有するろぅ材を金属回路層の接合材として用いた活性金属法などが広く使用されている。

上記のような接合方法を用いて形成されたセラミックス材と金属材との接合体は、様々な分野に用いられており、その代表例として半導体素子等を搭載接合するセラミックス回路基板が挙げられる。このセラミックス回路基板に要求される特性としては、放熱性が良好であること、セラミツクス回路基板全体としての構造強度が高いこと、セラミックス基板と金属回路板との接合強度が高いこと、回路基板としての耐熱サイクル特性が良好であることなど力 S挙げられる。

また、セラミックス回路基板を構成するセラミックス基板としては、従来から窒化アルミニウム（A 1 N ) 、酸化アルミニウム（A 1 ₂〇₃ ) 、窒化珪素（S i ₃ N 4 ) などの焼結体が使用されている。

例えば、窒化アルミニウム基板は熱伝導率が 1 6 0 W/m · K以上であり、他のセラミックス基板と比べて高い熱伝導率を具備していることから特に放熱性に優れている。また、窒化珪素基板は三点曲げ強度（室温）が 6 0 O M P a以上であるため、セラミックス基板構成材として使用した場合には回路基板の強度を向上させることができる。それに対し、酸化アルミニウム基板は熱伝導率が 2 O WZm . K程度であり、また三点曲げ強度も 3 6 OMP a程度である。そのため、特に高い放熱性や構造強度を得るためには、酸化物系セラミックス基板より窒化物系セラミックス基板を使用する方が回路基板としては好ましいと言える。

一方、セラミックス基板と金属回路板との接合強度に着目すると前述の接合方法の中では活性金属法が好ましい。活性金属法は、 T i , H f , Z r , Nb等の活性金属の少なくとも 1種を含む金属箔、またはこれら活性金属を A g— C uろう材に添加したペーストをセラミックス基板と金属回路板との間に塗布した後に、熱処理することにより両部材を一体に接合する方法である。窒化物系セラミックス基板を用いた活性金属法による接合を行う場合には、熱処理後に前記活性金属の窒化物から成る接合層が形成され、より強固な接合状態が形成される。このように活性金属法による窒化物系セラミックスと金属部材との接合体は回路基板として求められる特性を満たしており、パワー半導体素子を搭載した半導体モジュール（パワーモジユール）用基板等の電子回路用基板として広く活用されている。

また、従来の半導体実装用絶縁回路基板として、例えばセラミックス基板の両面のいずれか一方または双方に A 1 — S i系または A 1 -G e系の金属層用ろう材を介して金属回路層を積層接着した構造を有し、上記金属層のビッカース硬度および厚さと、上記セラミックス基板の厚さおよび抗折強度を所定値に調整することにより、回路基板の耐熱サイクル寿命を延ばした回路基板も提案されている（例えば、特許文献 1参照。）。

さらに従来のセラミックス配線基板として、ろう材との濡れ性に優れた A 1や N iなどの金属層をセラミックス基板表面に 1〜 1 0 μπιの厚さで形成した配線基板も提案されている（例えば、特許文献 2参照。）。

[特許文献 1] 特開 200 1— 1 44 2 34号公報

[特許文献 2] 特開 200 2— 1 1 1 2 1 1号公報

しかしながら、上記従来の回路基板においては、構造強度についてはある程度の改善が達成されているものの、耐熱サイクル特性については必ずしも現在の技術的要求を満たしているとは言えなかった。その理由として、近年の半導体素子は高容量化、高出力化、高集積化に伴いその発熱量が増大する傾向にあり、発熱量が増大すると、金属回路板とセラミックス基板との熱膨張差によりセラミックス基板やろぅ材層にクラックが発生しやすく、その結果、セラミックス基板の絶縁耐圧の低下や、金属回路層の剥離発生という問題が生じていた。特に、活性金属法により金属回路層を接合する場合、窒化物系セラミックス側に活性金属の窒化物相が形成される。この活性金属窒化物相は接合強度の向上には有効に働くが、上記熱膨張差による応力に対し、応力緩和機能を具備しているとは言えず、セラミックス基板にクラックが発生し易く、回路基板の耐久性が低くなる難点があつた。

上記のような問題点を解決するために、回路層としての銅板の代わりに、アルミ二ゥム板を用い、 A 1合金ろう材を用いて、セラミックス基板と接合する方式も採用されている。上記アルミニウムは、銅に次ぐ導電性と高い放熱性を有するだけでなく、熱応力により塑性変形し易い性質を有し、セラミックス基板及びはんだ等のクラックを防止できる。一方、 A 1— S i合金はセラミックス基板表面に存在する酸素と結合して接合するが、特に窒化アルミニウム、窒化けい素などの窒化物系セラミックス基板の場合には、アルミナに代表される酸化物系セラミックス基板と異なり、基板組織の単位面積あたりの酸素が少ないため、接合性（A l—S i合金とセラミックス界面の濡れ性）が低い。それを補うために、接合時に荷重を掛けながら接合しているが、窒化アルミニウム、特に窒化けい素とは、接合性に起因する問題があり、耐熱サイクル特性のばらつきがあり十分対応できているとは言えなかつた。

また、ろう材の濡れ性を向上させるために前記のように、 A 1金属膜を予めセラミックス基板表面に形成しておき、しかる後に接合する方式も採用されていたが、 A 1金属膜中の A 1元素の拡散によって組織表面が部分的に盛り上がる、いわゆるヒロック現象（H i 1 1 r o c k現象）が起こり、 A 1金属膜と A 1— S iろう材との間にポイド（空隙部）が形成され易く、金属回路層の接合強度が低下して回路基板全体としての耐熱サイクル特性が低下し易い難点があった。また、 A 1金属膜の厚さが 1〜1 0 m程度に厚く形成されていたために、 A 1金属の蒸着時間が長くなり、製造コストが増大化する欠点もあった。

また、半導体分野において、 L S Iの集積化や高速化が進展していることに加え、 GTOや I GBT ( I n s u l a t e d Ga t e B i o l a r T r a n s i s t o r ) 等のパワーデバイスの用途が拡大しているなどの事情から、シリコンチップ（半導体素子）の発熱量が増加の一途をたどっている。そして、前記パワーモジュールが電気鉄道車両や電気自動車などの長期の信頼性が要求される分野に採用されるに及んで、シリコンチップが搭載されている回路基板、あるいは回路基板が搭載されているモジユールの放熱特性およぴ耐久性が一層重大な関心事となっている。しかしながら、従来のパワーモジュールにおいては接合部の耐久性が不十分であり十分な信頼性が確保できない問題点があった。本発明は、上記従来の問題点を解決するためになされたものであり、特に接合界面でのボイドの発生を効果的に抑制でき回路層としての金属材の接合強度を高くすることが可能であり、耐熱サイクル特性を大幅に改善することが可能なセラミツクス回路基板、その製造方法およびその回路基板を使用したパワーモジュールを提供することを目的とする。発明の開示

本発明者らは上記目的を達成するために、前記ヒロック現象による A 1元素の散を効果的に防止抑制する方法について種々検討を行った。その結果、特に従来の A 1金属膜に代えてセラミックス基板表面に所定厚さの A 1合金膜を形成することにより、 A 1合金膜の厚さが 1 m未満と薄い場合であっても、上記ヒロック現象を十分に抑制でき、接合面におけるポイドの発生を効果的に防止でき、また回路基板の接合組立てが容易になり製造コストも大幅に低減できるとの知見を得た。本発明は上記知見に基づいて完成されたものである。

すなわち、本発明に係るセラミックス回路基板は、 A 1板と A 1— S iろう材とのクラッド材から成る回路層とセラミックス基板とを一体に接合したセラミックス回路基板において、上記クラッド材の A 1— S iろう材側の表面が、セラミックス基板表面に形成した厚さ 1 i m未満の A 1合金膜を介して上記セラミックス基板に接合されていることを特徴とする。

本発明において、回路層は A 1板と A 1— S iろう材とのクラッド材から構成され、回路層の厚さは通電容量を勘案して 0 . 1 5〜0 . 5 mmの範囲が好ましい。また、上記セラミックス回路基板において、前記セラミックス基板が窒化アルミニゥム焼結体または窒化けい素焼結体により形成されていることが好ましい。

本発明に係るセラミックス回路基板を構成するセラミックス基板としては、所定の放熱性および構造強度を有する限り、特に限定されるものではなく、窒化アルミ二ゥム，窒化けい素，サイアロン（S i - A 1 - O - N ) 等の窒化物系セラミックスの焼結体、炭化けい素（S i C ) 等の炭化物系セラミックスの焼結体、酸化アルミニゥム（A 1 ₂〇₃ ) ，ジルコニァ（Z r 0 ₂ ) 等の酸化物系セラミックスの焼結体からなる基板が好適に使用できる。しかしながら、基板組織表面における酸素濃度が低い窒化物系セラミックス基板であっても接合性の改善効果が高いため、特にセラミックス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場合に特に優れた作用効果が得られる。また、セラミックス基板表面に形成した A 1合金膜は、 A 1— S iろう材の濡れ性を改善し回路層としてのクラッド材のセラミックス基板に対する接合強度を高めるものであり、スパッタリング法や蒸着法などで形成される。また A 1合金膜によれば、加熱接合時においても、 A 1元素の拡散移動は起こらず、 A 1の拡散によつてポイドが発生することもない。この A 1合金膜の厚さは 1 未満とされる。 A 1合金膜の厚さが 0. 1 m未満と過小になると上記濡れ性の改善効果が不 ~ 分となる一方、 1 im以上となるように形成しても、上記効果は飽和してしまうと共に A 1合金膜の形成に長時間を要することに成り、製造効率が低下する。した力 Sつて、 A 1合金膜の厚さは 1 μπι未満とされるが、 0. 1〜0. 5 /xmの範囲がより好ましい。

また、上記セラミックス回路基板において、前記 A 1合金膜は、 Y, S c , L a, C e , Nd, Sm, Gd， Tb, D y, E r， T hおよび S rから選択される少なくとも 1種の希土類元素を 1〜5 a t %含有することが好ましい。このように、所定の希土類元素を所定量含有する合金で A 1合金膜を形成した場合には、特にろう材の濡れ性を更に適度に調整することが可能となり、濡れ性の過度の亢進にるろぅ材の流失を防止することが可能となり、回路層の接合強度をさらに高めることができる上に、接合面におけるボイドの発生を効果的に防止することができる。

さらに、上記セラミックス回路基板において、前記 A 1— S iろう材の A 1 含有量が 8 5質量％以上であり、かつ S i含有量が 6〜 1 5質量％の範囲であることが好ましい。この A 1— S iろう材の A 1含有量および S i含有量が上記範囲 |¾であると、 A 1より融点が 50〜100°C低くなり、回路層としての A 1 - S i 金層の接合が容易である一方、 A l— S iろう材による接合も容易になる。

上記のような本発明に係るセラミックス回路基板の製造方法は、 A 1板と 1一 S iろう材とのクラッド材から成る回路層と A 1合金膜とを一体に接合したセラミックス回路基板の製造方法において、 A 1板と A 1— S iろう材とのクラッド材から成る回路層と、表面に A 1合金膜を形成したセラミックス基板とを重ね、圧力が 0. 2 MP a以上となるように荷重を加えた状態で、真空度が 10— ²P a以上である雰囲気中で、温度 580〜630でで加熱して上記回路層とセラミックス基板とを接合することを特徴とする。

上記製造方法において、接合時の押圧力が 0. 2MP a未満の場合には、グラッド材から成る回路層とセラミックス基板との密着性が不完全になる。また、記真空度の範囲の雰囲気において、 A 1— S iの酸化が進行し、濡れ性が低下して接合性も低下する。さらに上記接合温度範囲（ 5 8 0 ~ 6 3 0 °C ) で加熱することにより、上記クラッド材からなる回路層を、 A 1合金膜を形成したセラミックス基板に短時間に一体に接合することが可能である。

また、本発明に係るパワーモジュールは、八 1板と八 1 ー 3 iろう材とのクラッド材から成る回路層とセラミックス基板とを一体に接合したセラミックス回路基板であり、上記クラッド材の A 1—S iろう材側の表面が、セラミックス基板表面に形成した厚さ 1 /x m未満の A 1合金膜を介して上記セラミックス基板に接合されているセラミックス回路基板と、上記回路層に搭載された半導 #：素子と、この半導体素子から発生した熱を上記セラミックス回路基板を経由して放出するヒートシンクとを備えることを特徴とする。図面の簡単な説明

第 1図は、本発明に係るセラミックス回路基板の一実施例の構成を示す断面図である。

第 2図は、本発明に係るセラミックス回路基板を使用したパワーモジュールの構成例を示す断面図である。発明を実施するための最良の形態

次に本発明に係るセラミックス回路基板の実施例について添付図面を参照して具体的に説明する。

[実施例 1〜； 1 1 6および比較例 1 ~ 4 5 ]

各実施例用および比較例用のセラミックス基板として、表 1〜表 6に示すように、厚さが 0 . 6 2 5〜 1 . 2 mmの窒化けい素（S i ₃ N ₄ ) 基板，窒化アルミニウム (A 1 N ) 基板，サイアロン（S i— A 1 —〇— N ) 基板，炭化けい素（S i C ) 基板および酸化アルミニウム（A 1 ₂ 0 ₃ ) 基板を多数用意し、回路層としてのクラッド材を接合するセラミックス基板表面に対してブラスト処理と研摩加工とを実施して表面粗さ（R a ) が 1 mとなるように調整した。

次に、表面粗さを調整したセラミックス基板の回路層接合箇所に、表 1〜表 6に示すような組成および厚さを有する A 1合金膜を蒸着法により形成した。

一方、表 1〜表 6に示すような組成を有する A 1回路板と A 1— S iろう材とを 7 5 ： 2 5の厚さ比で圧延加工して両者を一体に接合した回路層としてのクラッド材をそれぞれ調製した。調製した各クラッド材の厚さは表 1〜表 6に示す値に設定した。

次に、上記のように調製した回路板としての A 1板と A 1— S iろう材とのクラッド材から成る回路層と、表面に A 1合金膜（実施例）や A 1金属膜（比較例 1 ) を形成したセラミックス基板とを重ね、表 1〜表 6に示す押圧力となるように荷重を加えた状態で、表 1〜表 6に示す真空度の雰囲気中で、表 1〜表 6に示す温度まで加熱処理して上記回路層とセラミックス基板とを接合することにより、各実施例および比較例に係るセラミックス回路基板を製造しこ。

上記製造されたセラミックス回路基板 1は、第 1図に示すように A 1板から成る回路板 2と A 1— S iろう材層 3とのクラッド材から成る回路層 4が、表面に A 1 合金膜 5 (実施例）や A 1金属膜（比較例 1 ) を形成したセラミックス基板 6の表面に一体に接合された構造を有する。

上記のように製造された各実施例および比較例に係るセラミックス回路基板の特性を評価するために、次のような測定試験を実施した。まず、超音波探傷装置により各セラミックス回路基板の回路層下部の接合面におけるボイド率を測定した。このボイド率は超音波探傷装置により撮影された 2 O mm四方の接合面に存在するポィドの影像を画像解析して求め、接合面積 2 0 mm口当りのボイド面積率として測定した。

また、各実施例および比較例に係るセラミックス回路基板 1の回路層 4を、第 1 図において垂直上方に引張り上げ回路層 4がセラミックス基板 6から剥離した時の引張り荷重を接合面積で除した値を接合強度として御 j定した。各測定値およびセラミックス回路基板の仕様、接合条件等を下記表 1〜麦 6にまとめて示す。

[表 1 ]

セラミックスクラッド ^; (ΐ (回路層)構成セラミックス基板表面の Al合金嚆接合処理温度

試料 Mo 接合強度ボイド面基板種穎回路板の Al含有量 Al— Siろ ; fel" 全 1¥ 医 Τ J s= Ιχ·

(質量⁰ /。） (mm) (o %) ( a (NZ20mm d) (%) 実施例 1 Si₃N₄ 98AI 15Si— Al 0.2 5Y— Al 0.5 0.2 600 45 9 実施例 2 Si₃N₄ 97AI .5Si— Al 0.5 4Gd— Al 0.1 1 υ 580 47.3 5.6 実施例 3 AIN 98AI 10Si— Al 0.3 3Er— Al 0.8 0,3 1Γ UΓ² 600 55.8 2.3 実施例 4 AIN 95AI 10^i— Al 1 0 I U 61.9 0.3 実施例 5 Si-Ai -0-N 98AI U.o O U 48.2 7.8 実施例 6 Si— Al— 0— 96A1 D l Al U. 10 一 U. I β

10 O ηU 8.9 旆例 7 SiC 95AI ― Λ Ι

ool Al U. o r I La Al U. 10 41？ 3 丰施侧 SjC QQAI I

/.Ool Al u.o Uy Ί I A I U.O U.O 一 2

10 ι υ t . J ■a 1 実施例 9 98AI ■1 2

I 0― A I U. U.o 10 l U 03 2 "7.5 実施例 10 97AI cc; n

U.O Y Al νΛ . 10 DUU 60.4 2.8 実施例 1 1 Si₃N₄ 99AI 15Si— Al 0.2 3Y-AI 0.3 1 10一² 620 58.2 0.7 実施例 12 Si₃N₄ 99AI 15Si-Ai 0.5 1Y-A] 0.1 0.5 ² 600 50.3 4.5 実施例 13 Si₃N₄ 97AI 15Si— Al 0.2 3Nd-AI 0.8 0.2 10一² 630 53.6 2.4 実施例 14 Si₃N₄ 96AI 15Si-AI 0.2 3Er-AI 0.5 1.5 10—² 590 61.9 1.4 実施例 15 Si_{3 4} 99AI 12Si-Ai 0.15 3Y-AI 0.1 1 10—² 580 63.3 0 実施例 16 Si₃N₄ 99AI 12Si-AI 0.2 3Y-AI 0.8 2.5 10"² 580 64.5 0 実施例 17 Si₃N₄ 98AI 12Si-AI 0.2 4Sm-AI 0.1 0.5 10—² 580 53.7 2 実施例 18 Si₃N₄ 98AI 12Si-At 0.2 5Gd-Al 0.8 2 10一² 580 64.6 0 実施例 19 Si₃N₄ 95AI 12Si-AI 0.3 4Sc-AI 0.8 1 10—² 580 56.3 0.8 実施例 20 Si₃N₄ 99AI 10Si-AI 0.5 1Y-AI 0.5 0.5 10—² 600 47.8 5.5 実施例 21 Si₃N₄ 98AI 10Si— Al 0.5 1 Er-AI 0.5 2 605 59.2 0.2 実施例 22 Si₃N₄ 97AI 10Si— Al 0.2 2Sr-AI 0.3 1.5 605 61.5 0.4 実施例 23 Si₃N₄ 99AI 10Si— Al 0.15 2Ce-AI 0.3 0.5 10—² 610 55.9 1.6 実施例 24 Si₃N₄ 95A1 10Si-Al 0.5 2Dy - Al 0.8 0.2 10—² 600 48.4 2.2 実施例 25 Si₃N₄ 99AI 7.5Si~AI 0.1 4Th-AI 0.1 1 10—² 605 45.5 6 実施例 26 Si₃N₄ 99AI 7.5Si-AI 0.3 3Y-AI 0.5 2 10"² 600 62.7 0 実施例 27 S13N4 98AI 7.5Si-AI 0.5 5Tb - Al 0.3 1 10—² 615 51.8 3.6 実施例 28 S13 4 98AI 7.5Si-AI 0.3 4La- Al 0.5 1.5 10"² 620 58.9 0.2 実施例 29 S13N4 99AI 7.5Si-AI 0.2 1 Gd-AI 0.2 0.2 10—² 620 51.2 3.3 実施例 30 Si₃N₄ 99AI 7.5Si~A! 0.4 5Er-AI 0.1 0.5 10ー² 615 55.6 1.5

國

スクラッド; （回路層）構成セラミックス基板表面の Al合金膜接合処理温度

" ι 接合強度ポイド面試料 No 问路 ffi Al 有醫 Al— ; 組成 - 全 i -e ϊ J 力具度

\ ) st% " n_ \Pa) \ ) CM / flmm n l 、¾Ό 施例' J 31 ' 98AI .

7.5S|— A! 0.3 4Ce-AI 0.2 1 10 615 η 1 'J g y j .O i ~ Al oUy-AI U.o U.o 10 51.6

実施 <5il33 99AI e> r

O l Al U. U U.O 10 57 9 0.9 ま fiMil^ U.O oNd-AI U.o 1 10 630 1 ft 施伢 I35 97/ j ； yj. I Nd^— Al U.O υ.ζ c n

10 50.9 4. a 卖 /施j ff r ll36 SUN, 95AI β Oθίl Al u. Ud-U.OY-AI U.O 10 ² 57 6 1.6

95AI /.O cbi:― Al 0,10 e r— Al U.t) 1 10 58.1 0.8 卖 ½ϊ例 38 97AI 【 U.O u u.oy Ai U. I U.O 10： OiJU 55 8 1.8 実施例 39 Si₃N₄ 95AI U.o oNd La^_A! U 1 10 59.6 0.3 実施例 40 98AI 7.5Si— Al 0.5 3 d— a— Al 0.8 0.5 10— ² 615 54.1 1.6 実施例 41 AIN 99AI 15Si -AI 0.2 3Y-AI 0.3 0.5 10 615 58.3 1 実施例 42 AIM 97AI 15Si— Al 0.2 3Nd-AI 0.5 0.5 10—² 615 56.6 1.9 実施例 43 AIN 99AI 12Si-AI 0.15 3Y-AI 0.3 0.5 I t)-² 580 65.7 0 実施例 44 AIN 98AI 12Si— Al 0.2 5Gd-AI 0.6 0.2 10-2 580 56.9 1.8 実施例 45 AIN 99AI !OSi-AI 0.5 3Y-AI 0.3 1.5 10一² 600 63.8 0 実施例 46 AIN 97AI 10Si-AI 0.2 2Sr-AI 0,8 1 10一² 590 59.1 0.5 実施例 47 AIN 99AI 10Si— Al 0.15 2Ce-AI 0.5 0.5 600 57 1.8 実施例 48 AIN 95AI IGSi— 0.5 2Dy-AI 0.2 0.2 U 605 58.6 1.5 実施例 49 AIN 99AI 7.5Si— Al 0.1 4Th-AI 0.2 0.2 605 51.3 4.6 実施例 50 AIN 99AI ■7 5Si— 0.3 3Y-AI 0,3 1 U 610 62.8 0.1 実施例 51 AIN 98AI ■7 5Si— J 0.5 5Tb-AI 0.1 0,2 510 53.6 2.3 実施例 52 AIN 99AI 7 KQi— Al 5Fr-AI 1 5 U 55.5 2 実施例 53 AIN 95AI n 0 ί. I U 64 0 実施例 54 AIN 99AI 6S1 -AI 0.3 3Y-AI 0.3 0.5 10— ² 630 60.3 1 実施例 55 AIN 95AI 6S1 -AI 0.2 3Ce-1.5Sr-AI 0.5 0.5 10— ² 630 59.1 0.2 実施例 56 AIN 95AI 15Sト Al 0.3 3La-2Gd-AI 0.8 1 10—² 620 58.3 0.9 実施例 57 AIN 97AI 12Si— Al 0.5 3.5Er - 0.5Y-AI 0.3 1 10-² 580 62.5 0 実施例 58 AIN 98AI 7.5Si-AI 0.5 2Sr-2Dy-AI 0.6 0.5 10"² 615 58.4 1.2 実施例 59 AIN 95AI 7.5Si-AI 0.15 2Sm - - Al 0.5 0.2 10"² 620 54.9 2.4 実施例 60 Si-AI -0- N 99A! 15Si— Al 0.2 3Y-AI 0.3 0.5 10"² 625 53.4 2

上記表 1〜表 6に示す結果から明らかなように、セラミックス基板表面に所定厚さの A 1合金膜を形成した各実施例に係るセラミックス回路基板によれば、 A 1合金膜の厚さが 1 m未満と薄い場合であっても、比較例と較べてボイド面積率が小さく、加熱接合時における A 1元素の拡散および接合面での噴出し（ヒロック現象）が効'果的に抑制されていることが判明した。そのため、接合面におけるポイドの発生を効果的に防止でき、接合強度が大幅に増大する方向に改善されることが確忍できた。また、 A 1合金膜の厚さが 1 μπι未満と薄くできるため、蒸着等による A 1合金膜の成膜時間が短縮でき、かつ接合操作も簡略化できるために、回路基板の接合組立てが容易になり製造コストも大幅に低減できることが判明した。

一方、セラミックス基板表面に予め A 1金属膜を形成した比較例 1に係るセラミックス回路基板によれば、加熱接合時における A 1元素の拡散が顕著であり、接合面での A 1元素の噴出し（ヒロック現象）が抑制されておらず、ポイド面積率の急増に比例して接合強度も大幅に低下してしまうことが再確認された。

また、比較例 2〜 7に示すように、 A 1合金膜の組成（比較例 1および比較例 7 ) 、接合温度（比較例 1および比較例 5) 、 A 1— S iろう材組成（比較例 2および比較例 4) 、 A 1合金膜の厚さ（比較例 3) 、接合時の押圧力（比較例 6) などが、本発明で規定される好ましい範囲を外れる場合には回路層の接合強度およびボイド面積特性が低下することが判明した。

図 2は本発明に係るセラミックス回路基板を使用した一実施例に係るパワーモジユールの構成例を示す断面図である。すなわち、本実施例に係るパワーモジュール 1 0の内部に配置されたセラミックス回路基板 1の A 1回路板 2の表面には、パヮ一素子として I GBT ( I n s u l a t e d Ga t e B i o l a r T r an s i s t o r ) が形成された半導体チップ（半導体素子） 1 1が半田 1 2で固定されている。

A 1回路板 2はコレクタ用電極端子（図示せず）に接続されており、半導体チップ 1 1にコレクタ電圧を供給する。 A 1や Au等の金属細線で構成されるボンディングワイア 1 3の両端は、半導体チップ 1 1上のゲート電極 14とセラミックス基板 6上の金属膜 1 5に超音波溶接で接合されている。金属膜 1 5はゲート用電極端子（図示せず）に接続されているため、ボンディングワイア 1 3とゲート用電極端子とは電気的に接続され、ゲート用電極端子からボンディングワイア 1 3を介してゲート電圧が供給される。また、ボンディングワイア 16の両端は、半導体素子 1 1上のエミッタ電極 1 7とセラミックス基板 6上の金属膜 1 8に超音波溶接で接合されている。エミッタ用電極端子 1 9は半田 2 0で金属膜 1 8に取り付けられているので、ボンディングワイア 1 6とエミッタ用電極端子 1 9とは電気的に接続され、エミッタ用電極端子 1 9からボンディングワイア 1 6を介してエミッタ電圧が供給される。

セラミックス基板 6の下面は、金属膜 2 2および半田 2 6を介して金属基板（ヒートシンク） 2 4上に接合されている。プラスチック等の材質で形成された外殻ケース 2 8と金属基板 2 4とでパッケージ 2 9が構成され、半導体チップ 1 1、セラミックス基板 6、 A 1回路層 2、金属膜 1 5、 1 8、ボンディングワイア 1 3、 1 6とェミッタ用電極端子 1 9—部分は、パッケージ 2 9に封止されており、一つのパワーモジュール 1 0を構成している。金属基板 2 4はヒートシンクを兼ねるものとして形成できるが、金属基板 2 4とは別に放熱フィン (ヒートシンク) を設置しても良い。半導体チップ 1 1で発生した熱は金属基板 2 4を介して半導体チップ 1 1の下面側に放熱されることにより、半導体チップ 1 1が冷却されるため、その動作機能が良好に維持される。

上記構成を有する実施例に係るパワーモジュールによれば、セラミックス基板の接合界面でのボイドの発生を効果的に抑制でき回路層としての金属材の接合強度を高くすることが可能となるため、耐熱サイクル特性を大幅に改善することが可能なパワーモジユールが得られ、十分な信頼性を確保することが可能になる。産業上の利用可能性

本発明に係るセラミックス回路基板、その製造方法およびパワーモジュールによれば、セラミックス基板表面に所定厚さの A 1合金膜を形成しているため、この A 1合金膜の厚さが 1 m未満と薄い場合であっても、加熱接合時における A 1元素の拡散および接合面での噴出し（ヒロック現象）が効果的に抑制でき、接合面におけるボイドの発生を効果的に防止でき、また回路基板の接合組立てが容易になり製造コストも大幅に低減できる。

Claims

請求の範囲

1. A 1板と A 1 - S iろう材とのクラッド材から成る回路層とセラミックス基板とを一体に接合したセラミックス回路基板において、上記クラッド材の A 1 - S iろう材側の表面が、セラミックス基板表面に形成した厚さ 1 m未満の A 1合金膜を介して上記セラミックス基板に接合されていることを特徴とするセラミツクス回路基板。

2. 前記セラミックス基板が窒化アルミニウム焼結体，窒化けい素焼結体，炭化けい素焼結体およびサイァ口ン焼結体のいずれかにより形成されていることを特徴とする請求の範囲第 1項記載のセラミックス回路基板。

3. 前記 A 1 - S iろう材の A 1含有量が 8 5質量％以上であり、かつ S i含有量が 6〜 1 5質量％の範囲であることを特徴とする請求の範囲第 1項記載のセラミックス回路基板。

4. 前記 A 1合金膜は、 Y, S c , L a, C e, Nd, Sm, Gd, Tb， Dy， E r , Thおよび S rから選択される少なくとも 1種の希土類元素を 1〜5 a t %含有することを特徴とする請求の範囲第 1項記載のセラミックス回路基板。

5. A 1板と A 1 - S iろう材とのクラッド材から成る回路層と A 1合金膜とを一体に接合したセラミックス回路基板の製造方法において、上記 A 1板と A 1一 S iろう材とのクラッド材から成る回路層と、表面に A 1合金膜を形成したセラミックス基板とを重ね、押圧力が 2 k g/cm²以上となるように荷重を加えた状態で、真空度が 10—²P a以上である雰囲気中で、温度 580〜630°Cで加熱して上記回路層とセラミックス基板とを接合することを特徴とするセラミック回路基板の製造方法。

6. A 1板と A 1— S iろう材とのクラッド材から成る回路層とセラミックス基板とを一体に接合したセラミックス回路基板であり、上記クラッド材の A 1— S i ろう材側の表面が、セラミックス基板表面に形成した厚さ 1； m未満の A 1合金膜を介して上記セラミックス基板に接合されているセラミックス回路基板と、上記回路層に搭載された半導体素子と、この半導体素子から発生した熱を上記セラミックス回路基板を経由して放出するヒートシンクとを備えることを特徴とするノヮ一モジュ一ノレ„