JPH08255973A

JPH08255973A - セラミックス回路基板

Info

Publication number: JPH08255973A
Application number: JP5863895A
Authority: JP
Inventors: Takashi Takahashi; 孝高橋; Yasuaki Yasumoto; 恭章安本
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-03-17
Filing date: 1995-03-17
Publication date: 1996-10-01

Abstract

(57)【要約】【目的】熱サイクルの付加等に対して高い接合信頼性
が得られると共に、部分的な接合不良等の発生を防止し
得るセラミックス回路基板を提供する。【構成】窒化アルミニウム基板１の主面上に、Al、N
i、 Ni-Cr、Ti、Cu等からなる金属薄膜２、３を形成す
る。これら金属薄膜２、３を介して、窒化アルミニウム
基板１の主面にアルミニウムまたはアルミニウム合金か
らなる回路板（アルミニウム回路板）４、５が固相接合
されたセラミックス回路基板６である。アルミニウム回
路板４、５の表面には、Niまたは Ni-Cuメッキ７等が施
される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、セラミックス回路基板
に係り、特にパワーデバイスの搭載用として好適なセラ
ミックス回路基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、パワートランジスタモジュールや
スイッチング電源モジュール等の比較的高電力を扱う半
導体部品（パワーデバイス）の搭載用基板等として、セ
ラミックス基板上に銅板等の金属板を接合したセラミッ
クス回路基板、特に熱伝導性に優れる窒化アルミニウム
基板を用いたセラミックス回路基板が用いられている。
上述したようなセラミックス回路基板の製造方法として
は、Ti、Zr、Hf、Nb等の活性金属を Ag-Cuろう材等に数
% 程度添加した活性金属ろう材を用いる方法（活性金属
法）や、金属板として銅を用いてセラミックス基板と銅
板とを直接接合させる、いわゆるＤＢＣ法（ダイレクト
・ボンディング・カッパー法）等が知られている。

【０００３】例えば、ＤＢＣ法においては、まず所定形
状に打ち抜かれた厚さ 0.3mm〜 0.5mm程度の銅回路板
を、窒化アルミニウム基板上に接触配置させて加熱し、
接合界面にCu- Cu₂O の共晶液相を生成させ、この液相
で窒化アルミニウム基板の表面を濡らした後、液相を冷
却固化することによって、窒化アルミニウム基板と銅回
路板とが接合される。また、活性金属法においては、窒
化アルミニウム基板上に上述したような活性金属ろう材
と銅回路板とを順に配置し、活性金属ろう材が溶融する
温度に加熱して、活性金属ろう材の液相で窒化アルミニ
ウム基板表面を濡らすことによって、窒化アルミニウム
基板と銅回路板とが接合される。

【０００４】上述したようなＤＢＣ法や活性金属法で作
製した窒化アルミニウム−銅系の回路基板は、窒化アル
ミニウム基板および銅板の熱伝導率がそれぞれ170W/m
K、320W/m Kと大きいことから、優れた熱特性を得るこ
とができる。また、銅板の熱膨張係数は17×10^-6/Kと大
きいものの、窒化アルミニウム基板のヤング率が銅板の
それより大きいために、窒化アルミニウム基板に接合さ
れた状態では、窒化アルミニウム基板の熱膨張係数に拘
束され、回路基板全体としては窒化アルミニウム基板の
熱膨張係数に近い値となる。その結果、回路基板とSiチ
ップとの熱膨張係数が近似することになるため、大型の
パワーデバイスを半田材料等で接合搭載しても、比較的
良好な信頼性が得られるという利点がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たＤＢＣ法や活性金属法は、接合に伴う熱処理が1073〜
1473K程度の高温プロセスであるため、窒化アルミニウ
ム基板と銅回路板との接合部に比較的大きな残留応力が
残りやすく、特に高信頼性が要求される用途においては
課題を残していた。すなわち、上述した残留応力は、熱
サイクルが印加された際に生じる熱応力と相乗して、窒
化アルミニウム基板にクラックを生じさせたり、あるい
は銅板剥離の発生原因等となる。また、窒化アルミニウ
ム基板にクラックが生じないまでも、窒化アルミニウム
基板の強度を低下させるという悪影響を及ぼす。

【０００６】さらに、上述したＤＢＣ法や活性金属法等
は、液相を利用して窒化アルミニウム基板と銅回路板と
を接合させる方法であり、条件によっては窒化アルミニ
ウム基板が液相に濡れにくいというような現象が起こる
ため、部分的に接合不良が発生しやすいという問題があ
った。この部分的な接合不良は、熱抵抗の増加等を招く
と共に、エッチング等で微細回路を形成した際に配線の
浮き等を生じさせる。本発明は、このような課題に対処
するためになされたもので、熱サイクルの付加等に対し
て高い接合信頼性が得られると共に、部分的な接合不良
等の発生を防止し得るセラミックス回路基板を提供する
ことを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明のセラミックス回
路基板は、窒化アルミニウム基板と、前記窒化アルミニ
ウム基板の主面上に形成された接合層と、前記接合層を
介して前記窒化アルミニウム基板の主面に固相接合され
たアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる回路板
とを具備することを特徴としている。

【０００８】

【作用】本発明のセラミックス回路基板においては、ま
ず窒化アルミニウム基板上に接合層として例えば金属薄
膜を形成し、この金属薄膜を介してアルミニウムまたは
アルミニウム合金からなる回路板を固相接合している。
この際、固相接合を利用していることに加えて、アルミ
ニウムの融点は930Kと銅の融点より低いことから、接合
を 573〜920K程度の低温で実施することができる。さら
に、アルミニウムは銅より柔らかいことから、接合時の
熱処理に伴う残留応力の低減を図ることが可能となる。

【０００９】ここで、熱サイクルが付加された際に問題
となる応力は、接合等に伴う材料応力と熱サイクルが付
加された際に生じる熱応力とであり、上述したように接
合に伴う残留応力を低減することができるため、耐熱特
性が向上する。さらに、アルミニウムのヤング率は銅の
約 60%であるため、熱サイクルの付加により生じる熱応
力自体も小さくすることができる。これらによって、本
発明のセラミックス回路基板は、従来の銅板を用いた回
路基板より耐ＴＣＴ特性等の耐熱サイクル特性の向上を
図ることができ、接合部の信頼性を大幅に高めることが
可能となる。

【００１０】また、本発明のセラミックス回路基板は、
液相を利用しない固相接合であるため、製造プロセスの
ばらつき等が少なく、部分的な接合不良の発生を抑制す
ることができ、より完全性の高い接合部を得ることがで
きる。

【００１１】

【実施例】次に、本発明の実施例について説明する。

【００１２】図１は、本発明の一実施例によるセラミッ
クス回路基板の構造を示す断面図である。同図におい
て、１は窒化アルミニウム基板であり、この窒化アルミ
ニウム基板１は窒化アルミニウムを主成分とし、これに
酸化イットリウムや酸化アルミニウム等の焼結助剤を添
加、混合したセラミックス粉末を成形、焼結してなるも
のである。

【００１３】上述した窒化アルミニウム基板１の両面に
は、それぞれ接合層として金属薄膜２、３が形成されて
いる。これら金属薄膜２、３は、窒化アルミニウム基板
１と後述するアルミニウムやアルミニウム合金からなる
回路板との接合中間層となるものであるため、窒化アル
ミニウム基板１との接合強度が大きく、かつアルミニウ
ムと固相拡散しやすい金属材料で形成することが好まし
く、具体的にはAl、Ni、 Ni-Cr、Ti、Cu等から選ばれる
少なくとも 1種が例示される。

【００１４】また、上記金属薄膜２、３の膜厚は、 0.1
〜10μm 程度とすることが好ましい。金属薄膜２、３の
膜厚が 0.1μm 未満であると、窒化アルミニウム基板１
と後述するアルミニウムやアルミニウム合金からなる回
路板との接合が不十分となるおそれがあり、一方10μm
を超えると金属薄膜２、３自体の接合不良等を招くおそ
れがある。

【００１５】上記したような金属薄膜２、３は、蒸着
法、スパッタ法、無電界メッキ法等の各種薄膜形成法に
より形成される。また、このような薄膜形成法で金属薄
膜２、３を形成することから、窒化アルミニウム基板の
表面は予め平滑化しておくことが好ましく、具体的には
表面粗さＲ_aを 0.4μm 以下としておくことが好まし
く、望ましくは 0.1μm 以下である。窒化アルミニウム
基板１の表面粗さＲ_aが0.4μm を超えると、金属薄膜
２、３の接合不良、さらにはその後のアルミニウムやア
ルミニウム合金からなる回路板の接合時に部分的な接合
不良等を招くおそれがある。

【００１６】上述した金属薄膜２、３上には、これらと
固相拡散接合されたアルミニウムやアルミニウム合金か
らなる回路板４、５（以下、アルミニウム回路板と記
す）がそれぞれ配置されており、これらによってセラミ
ックス回路基板６が構成されている。アルミニウム回路
板４、５は、銅に比べて融点が低く、かつヤング率が低
く柔らかいアルミニウム、またはアルミニウムを主成分
とする合金からなるものであり、その厚さは使用用途等
に応じて適宜設定されるものであるが、0.05〜 1mm程度
とすることが好ましい。アルミニウム回路板４、５の厚
さが0.05mm以下であると流せる電流の値が小さくなり、
また 1mmを超えると接合の信頼性が損われるおそれがあ
る。

【００１７】上記アルミニウム回路板４、５のうち、一
方のアルミニウム回路板４はパワーデバイス等の半導体
部品が搭載される実装部となるものであり、所望の回路
形状にパターニングされている。また、他方のアルミニ
ウム回路板５は、接合時における窒化アルミニウム基板
１の反り等を防止するものであり、窒化アルミニウム基
板１の裏面全面に形成されている。なお、裏面側のアル
ミニウム回路板５は、必要に応じて形成するものであ
り、条件によっては省くことができる。

【００１８】また、アルミニウム回路板４、５の表面に
は、Niや Ni-Cu等のメッキ層７が形成されている。この
ようなメッキ層７を形成することによって、パワーデバ
イス等の半導体部品（Siチップ）をアルミニウム回路板
４上に接合搭載することが可能となる。

【００１９】上述したような構成を有するセラミックス
回路基板６は、例えば以下のようにして製造される。セ
ラミックス回路基板６の製造工程について、図２を参照
して説明する。

【００２０】すなわち、まず窒化アルミニウム基板１の
両面に、図２（ａ）に示すように、Al、Ni、 Ni-Cr、T
i、Cu等から金属薄膜２、３を蒸着法、スパッタ法、無
電界メッキ法等の各種薄膜形成法で形成する。この際、
半導体部品等の実装部側の金属薄膜２は、レジスト等を
用いて予め回路形状にパターンニングしておく。

【００２１】次に、所望形状に加工したアルミニウム回
路板４、５となるアルミニウム板やアルミニウム合金板
を、図２（ｂ）に示すように、上記金属薄膜２、３上に
配置する。半導体部品等の実装部側のアルミニウム回路
板４としては、所望の回路形状にパターンニングしたも
のを用いる。この後、アルミニウムの融点(930K)または
アルミニウム合金の融点以下で、アルミニウム板または
アルミニウム合金板と金属薄膜２、３とが十分に固相拡
散反応を起し得る温度以上で熱処理して、アルミニウム
回路板４、５を窒化アルミニウム基板１に固相接合す
る。

【００２２】上記固相接合に要する熱処理温度は、具体
的には 573〜920K程度とすることが好ましい。熱処理温
度が573K未満であると、アルミニウム板またはアルミニ
ウム合金板と金属薄膜２、３とを十分に固相拡散反応さ
せることができないおそれがあり、一方920Kを超えると
アルミニウム板またはアルミニウム合金板と金属薄膜
２、３との固相拡散反応は良好であるものの、熱処理後
の残留応力が増大して接合部の信頼性を低下させるおそ
れがある。

【００２３】また、上記熱処理の際の雰囲気は、真空ま
たは不活性ガス雰囲気とすることが好ましい。さらに、
熱処理時間は熱処理温度にもよるが、0.05〜 2時間程度
とすることが好ましい。上述した熱処理に際しては、重
し等を利用してアルミニウム回路板４、５を加圧するこ
とが好ましく、この際の加圧力は 0.1〜10kPa の範囲と
することが好ましい。加圧力が0.1kPa未満であると、ア
ルミニウム板またはアルミニウム合金板と金属薄膜２、
３との固相拡散反応を十分に補助できないおそれがあ
り、一方10kPa を超えるとアルミニウム板またはアルミ
ニウム合金板の変形等を招くおそれがある。

【００２４】なお、上述した製造工程においては、金属
薄膜２およびアルミニウム回路板４を予めパターニング
した状態で形成もしくは配置する例について説明した
が、アルミニウム板またはアルミニウム合金板を接合し
た後にエッチング等でパターニングすることによって、
アルミニウム回路板４を形成することも可能である。

【００２５】そして、アルミニウム回路板４、５の表面
に、Niや Ni-Cu等のメッキ層７を形成して、パワーデバ
イス等のSiチップの接合搭載を可能にする。

【００２６】上述したような構成のセラミックス回路基
板６においては、接合を 573〜920K程度の低温で行うこ
とができ、さらにアルミニウムは銅より柔らかいため、
接合時の熱処理に伴う残留応力の低減を図ることができ
る。またさらに、アルミニウムはヤング率が銅の約 60%
であるため、例えば熱サイクル試験（ＴＣＴ）を実施し
た際に生じる熱応力を小さくすることができる。これら
によって、従来の銅板を用いた回路基板より耐ＴＣＴ特
性の向上を図ることができる。具体的には、窒化アルミ
ニウム基板１のクラック発生や強度低下等を有効に防止
することができる。従って、接合部の信頼性を大幅に高
めることが可能となる。また、液相を利用しない固相拡
散接合であるため、製造プロセスのばらつき等による濡
れ不良等を生じることがなく、よって部分的な接合不良
の発生を抑制することができ、より完全性の高い接合部
を得ることができる。

【００２７】次に、上記実施例の具体例およびその評価
結果について述べる。

【００２８】実施例１〜７まず、表面粗さＲ_aが0.06μm の窒化アルミニウム基板
（50×20×0.08mm）と、幅 5mm×厚さ 0.3mmのアルミニ
ウム板（箔）とを用意した。上記窒化アルミニウム基板
の両面に、表１に材料、厚さ、形成法等の条件を示す金
属薄膜をそれぞれ形成した。この後、それら金属薄膜上
に上記アルミニウム板を配置し、その上に250gの重しを
載せた状態で、表１に示す条件で N₂ガス中にて熱処理
を施し、窒化アルミニウム基板とアルミニウム板とを接
合することによって、セラミックス回路基板をそれぞれ
作製した。

【００２９】また、本発明との比較例として、ＤＢＣ法
により銅板を窒化アルミニウム基板に接合したセラミッ
クス回路基板を作製した。

【００３０】このようにして得た各実施例および比較例
によるセラミックス回路基板の特性を以下のようにして
測定した。すなわち、まずアルミニウム板または銅板の
接合強度を、インストロン社製強度試験装置で垂直方向
に引張って剥離強度を測定することにより評価した。剥
離強度測定の際のクロスヘッドスピードは 5mm/minとし
た。また、耐熱サイクル信頼性を評価するために、各セ
ラミックス回路基板を208Kで30分間保持した後に398Kで
30分間保持することを 200サイクル繰り返し行い、その
後のアルミニウム板または銅板周辺における窒化アルミ
ニウム基板の亀裂の有無を観察した。さらに、アルミニ
ウム板または銅板のふくれ数を測定した。これらの結果
を表１に併せて示す。

【００３１】

【表１】表１から明らかなように、各実施例によるセラミックス
回路基板は、いずれも良好な接合強度を有している上
に、優れた耐ＴＣＴ特性と接合性が得られていることが
分かる。従って、比較的高電力を扱うパワーデバイスの
搭載用基板等として、高信頼性を有するセラミックス回
路基板を提供することが可能となる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のセラミッ
クス回路基板によれば、冷熱サイクルの付加等に対して
高い接合信頼性が得られると共に、部分的な接合不良等
の発生を防止した完全性の高い接合部を得ることができ
る。従って、パワーデバイスの搭載用基板等として好適
な信頼性に優れたセラミックス回路基板を提供すること
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるセラミックス回路基
板の構造を示す断面図である。

【図２】図１に示すセラミックス回路基板の製造工程
の要部を示す断面図である。

【符号の説明】

１……窒化アルミニウム基板２、３……金属薄膜４、５……アルミニウム回路板６……セラミックス回路基板７……メッキ層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】窒化アルミニウム基板と、前記窒化アル
ミニウム基板の主面上に形成された接合層と、前記接合
層を介して前記窒化アルミニウム基板の主面に固相接合
されたアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる回
路板とを具備することを特徴とするセラミックス回路基
板。
【請求項２】請求項１記載のセラミックス回路基板に
おいて、前記接合層は、Al、Ni、 Ni-Cr、TiおよびCuから選ばれ
る少なくとも 1種からなる金属薄膜であることを特徴と
するセラミックス回路基板。
【請求項３】請求項１記載のセラミックス回路基板に
おいて、前記回路板の表面には、Niまたは Ni-Cuメッキが施され
ていることを特徴とするセラミックス回路基板。