(57)【要約】  実施形態にかかるセラミックス銅回路基板は、セラミックス基板と、セラミックス基板の一方の面に設けられた銅回路板と、を有する。セラミックス基板の厚さに対する銅回路板の厚さの比は１．２５以上であり、銅回路板の表面に引いたいずれの直線１０ｍｍ上においても粒界の数が５以上２５０以下であることを特徴とする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板と、
前記セラミックス基板の一方の面に設けられた銅回路板と、
を備えたセラミックス銅回路基板において、
前記セラミックス基板の厚さに対する前記銅回路板の厚さの比が１．２５以上であり、
前記銅回路板の表面に引いたいずれの直線１０ｍｍ上においても粒界の数が５以上２５０以下であることを特徴とするセラミックス銅回路基板。
【請求項２】
前記銅回路板の表面に引いたいずれの直線１０ｍｍ上においても粒界の数が２０以上１５０以下であることを特徴とする請求項１記載のセラミックス銅回路基板。
【請求項３】
前記銅回路板の表面に引いたいずれの直線１０ｍｍ上においても粒界の数が８０以上１５０以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のセラミックス銅回路基板。
【請求項４】
前記銅回路板の表面の算術平均粗さＲａは、０．４μｍ以下、
前記表面の十点平均粗さＲｚｊｉｓは、４μｍ以下、
前記表面の最大高さＲｚは、５μｍ以下、であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のセラミックス銅回路基板。
【請求項５】
前記銅回路板の表面の算術平均粗さＲａは、０．１μｍ以上０．４μｍ以下、
前記表面の十点平均粗さＲｚｊｉｓは、１．５μｍ以上４μｍ以下、
前記表面の最大高さＲｚは、１μｍ以上５μｍ以下、であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のセラミックス銅回路基板。
【請求項６】
前記銅回路板の表面の粗さ曲線のスキューネスＲｓｋは０未満であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のセラミックス銅回路基板。
【請求項７】
前記セラミックス基板は、酸化アルミニウム基板、窒化アルミニウム基板、及び窒化珪素基板のいずれかであることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のセラミックス銅回路基板。
【請求項８】
前記セラミックス基板と前記銅回路板との間に設けられた接合層をさらに備え、
前記接合層は、ＡｇおよびＴｉを含むことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のセラミックス銅回路基板。
【請求項９】
前記銅回路板を厚さ方向に３等分したときに、前記銅回路板の前記接合層側の領域におけるＡｇが存在する面積の割合は、２０％以上８０％以下であることを特徴とする請求項８記載のセラミックス銅回路基板。
【請求項１０】
前記銅回路板の厚さは０．６ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載のセラミックス銅回路基板。
【請求項１１】
前記セラミックス基板の反り量は０．１ｍｍ未満であることを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載のセラミックス銅回路基板。
【請求項１２】
前記セラミックス基板の他方の面に設けられた銅板をさらに備え、
前記セラミックス基板には貫通孔が設けられ、
前記貫通孔を介して前記銅回路板と前記銅板が導通されていることを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載のセラミックス導回路基板。
【請求項１３】
前記銅板の表面に引いたいずれの直線１０ｍｍ上においても粒界の数が５以上２５０以下であることを特徴とする請求項１２記載のセラミックス銅回路基板。
【請求項１４】
請求項１ないし請求項１３のいずれか１項に記載の前記セラミックス銅回路基板と、
前記銅回路板に接合層を介して実装された半導体素子と、
を備えたことを特徴とする半導体装置。
【請求項１５】
前記銅回路板に接合されたワイヤボンディング又は金属端子をさらに備えたことを特徴とする請求項１４記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
実施形態は、おおむね、セラミックス銅回路基板およびそれを用いた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
セラミックス銅回路基板は、パワー素子などの半導体素子を搭載した半導体装置に用いられている。セラミックス基板と銅回路板は、接合層を介して接合されている。接合層として、Ｔｉなどの活性金属を含有するＡｇろう材が用いられる。これにより、接合強度及びやヒートサイクル特性を向上させている。セラミックス銅回路基板の信頼性が向上することにより、自動車（電気自動車も含む）、電鉄車両、太陽光発電設備、及び産業機械のインバータに好適に使用されている。
パワーモジュールなどの半導体装置では、銅回路板上に半導体素子が実装されている。半導体素子の導通ためにワイヤボンディングや金属端子を銅回路板に接合することもある。半導体装置を完成させるには、半導体素子、ワイヤボンディング、金属端子などを銅回路板に接合していく。
信頼性を向上させたセラミックス銅回路基板として、国際公開ＷＯ２０１３−０９４２１３号公報（特許文献１）がある。特許文献１は、銅回路板の側面形状を最適化することにより信頼性を向上させている。特許文献１のセラミックス銅回路基板は、接合強度およびヒートサイクル性が向上している。
その一方で、半導体素子、ワイヤボンディング、金属端子などを銅回路板に接合していく組立て工程に対する信頼性の向上については、未だ改善の余地がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１３−０９４２１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、半導体素子の高性能化に伴い、半導体装置動作時のジャンクション温度は１７０℃以上になっている。放熱性を向上させるために、銅回路板を厚くすることも検討されている。セラミックス基板を薄くし、銅回路板を厚くすることにより、放熱性が向上する。一方で銅板の熱膨張により、半導体素子などの接合の信頼性に影響がでていた。
実施形態は、このような問題を解決するためのものであり、信頼性と、半導体素子などの接合性を両立させたセラミックス銅回路基板に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態にかかるセラミックス銅回路基板は、セラミックス基板と、セラミックス基板の一方の面に設けられた銅回路板と、を有する。セラミックス基板の厚さに対する銅回路板の厚さの比は１．２５以上であり、銅回路板の表面に引いたいずれの直線１０ｍｍ上においても粒界の数が５以上２５０以下であることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】実施形態にかかるセラミックス銅回路基板の一例を示す図。
【図２】銅回路板の表面の一例を示す図。
【図３】実施形態にかかるセラミックス銅回路基板の別の一例を示す図。
【図４】実施形態にかかる半導体装置の一例を示す図。
【図５】実施形態にかかるセラミックス銅回路基板の他の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
実施形態にかかるセラミックス銅回路基板は、セラミックス基板の少なくとも一方の面に銅回路板を設けたセラミックス銅回路基板において、セラミックス基板の厚さに対する銅回路板の厚さの比が１．２５以上であり、銅回路板表面に引いたいずれの直線１０ｍｍ上においても粒界の数が５以上２５０以下であることを特徴とするものである。
図１にセラミックス銅回路基板の一例を示した。１はセラミックス銅回路基板である。２はセラミックス基板である。３は銅回路板（表銅板）である。４は接合層である。５は裏銅板である。Ｔ１はセラミックス基板の厚さである。Ｔ２は銅回路板の厚さである。図１は、２つの銅回路板３をセラミックス基板２に接合した例を示している。実施形態は、このような形に限定されるものではなく、１つ又は３つ以上の銅回路板３をセラミックス基板２に接合しても良い。図１の例では、さらに、裏銅板５をセラミックス基板２に接合している。裏銅板５は、回路ではなく放熱板として機能する。裏銅板５は必要に応じ設けることができる。
【０００８】
セラミックス基板２の厚さＴ１と銅回路板３の厚さＴ２の比（Ｔ２／Ｔ１）は、１．２５以上である。銅回路板３の厚さＴ２は、セラミックス銅回路基板１において回路板として使用される銅板の中で最も厚い銅板の厚さとする。このため、裏銅板５の厚さは、Ｔ２として扱わない。
Ｔ２／Ｔ１≧１．２５、であることは、銅回路板３の方がセラミックス基板２よりも厚いことを示す。銅回路板３を厚くし、セラミックス基板２を薄くすることにより、セラミックス銅回路基板１の熱抵抗を下げることができる。このため、Ｔ２／Ｔ１は１．２５以上であることが好ましい。より好ましくは、Ｔ２／Ｔ１は、２．４０以上である。
【０００９】
セラミックス基板２は、酸化アルミニウム基板、窒化アルミニウム基板、窒化珪素基板のいずれか１種であることが好ましい。これ以外に、セラミックス基板２は、アルジル基板でも良い。アルジル基板は、酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムを混合した焼結体からなる。
窒化アルミニウム基板又は酸化アルミニウム基板の３点曲げ強度は、３００〜４５０ＭＰａ程度である。アルジル基板の強度は、５５０ＭＰａ前後である。５５０ＭＰａ以下の強度を有するセラミックス基板については、基板厚さを薄くして０．４ｍｍ以下にすると、ヒートサイクル試験（ＴＣＴ試験）を行ったときにセラミックス基板が割れる恐れがある。
窒化珪素基板の３点曲げ強度は、例えば６００ＭＰａ以上である。より強度を向上させ、３点曲げ強度を、７００ＭＰａ以上にもできる。窒化珪素基板の熱伝導率は、例えば５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。熱伝導率を８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上にもできる。特に、近年は高強度と高熱伝導の両方を併せ持つ窒化珪素基板がある。窒化珪素基板の３点曲げ強度が６００ＭＰａ以上、熱伝導率が８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であれば、その基板の厚さを例えば０．４０ｍｍ以下にできる。より薄く、厚さを０．３０ｍｍ以下にすることも可能である。セラミックス基板を薄くすることにより、Ｔ２／Ｔ１を１．２５以上、さらには２．４０以上とすることができる。
また、セラミックス基板は単板であってもよいし、多層構造などの立体構造を有していても良い。
【００１０】
銅回路板表面引いたいずれの直線１０ｍｍ上においても、粒界の数は５以上２５０以下である。図２は、銅板表面の一例を示す。図２において、３は銅回路板である。６は銅結晶粒子である。７は粒界である。銅回路板は、銅の多結晶体からなっている。銅回路板表面の拡大写真を撮影する。拡大写真は、粒界が確認できる程度に拡大する。一視野で直線１０ｍｍ分撮影できないときは、複数に分割して撮影する。銅回路板がパターン形状に加工されている場合は、いずれかの方向において１０ｍｍ以上の長さを有する部分を撮影する。
実施形態では、拡大写真にいずれの１０ｍｍの直線を引いても、その直線上における粒界の数は、５以上２５０以下である。
銅回路板３は、半導体素子、ワイヤボンディング、金属端子などが接合される。このとき、これらは、ハンダなどの接合層を介して互いに接合される。銅回路板３の表面に粒界があると、接合層に対してアンカー効果が得られる。接合層とのぬれ性も改善される。直線１０ｍｍでの粒界の数が５未満では、粒界の数が少なく十分では無い。粒界の数が少ないと、銅結晶粒子が大きく、接合層と銅結晶粒子表面との接触割合が多い。半導体素子のジャンクション温度が高くなると、銅板の熱膨張が大きくなる。粒界が少ないと、アンカー効果が不足するため、銅回路板表面と接合層のはがれが起き易くなる。直線１０ｍｍでの粒界の数が２５０を超えると、粒界の数が多すぎる。粒界の数が増えると、アンカー効果は得られるものの、粒界が多くなりすぎて放熱性が低下する。このため、いずれの直線１０ｍｍ上においても、粒界の数は５以上２５０以下、さらには２０以上１５０以下であることが好ましい。より好ましくは、いずれの直線１０ｍｍ上においても、粒界の数は８０以上１５０以下である。銅回路板３表面のどこに直線１０ｍｍを引いても粒界の数が上記範囲内にあることで、銅回路板３のどこに半導体素子などを接合しても、優れた信頼性を得ることができる。言い換えれば、半導体装置の組立性の優れた回路基板となる。
【００１１】
銅板の厚さを調整する圧延工程で結晶サイズを調整することで、粒界の数を調整しても良い。セラミックス銅回路基板の製造工程中の熱処理工程を利用して、粒界の数を調整しても良い。銅の再結晶温度は約２２０℃である。後述するように、セラミックス基板と銅板は、例えば活性金属接合法を用いて接合される。活性金属接合法では、セラミックス基板と銅板が７００〜９００℃で加熱される。この工程で銅板が再結晶化される。再結晶化されると銅結晶粒子が大きくなる。この現象を利用して、粒界の数を調整することもできる。
【００１２】
銅回路板表面では、算術平均粗さＲａが０．４μｍ以下、十点平均粗さＲｚｊｉｓが４μｍ以下、最大高さＲｚが５μｍ以下であることが好ましい。表面粗さのパラメータであるＲａ、Ｒｚｊｉｓ、Ｒｚは、ＪＩＳ−Ｂ−０６０１（２００１）の規程に基づく。
ＪＩＳ−Ｂ−０６０１（２００１）は、ＩＳＯ４２８７（１９９７、Ａｍｄ．１：２００９）に対応する。Ｒａ、Ｒｚｊｉｓ、Ｒｚは、ＩＳＯ４２８７を用いて測定してもよい。ＪＩＳ−Ｂ−０６０１とＩＳＯ４２８７で異なる部分は、ＪＩＳを優先する。
算術平均粗さＲａは、粗さ曲線の平均値である。最大高さＲｚは、粗さ曲線の山頂線と谷底線の縦方向の最大値である。十点平均粗さＲｚｊｉｓは、粗さ曲線の中で上位５つの山頂部の平均値と、上位５つの谷底部の平均値の合計である。
Ｒａ、Ｒｚｊｉｓ、及びＲｚをそれぞれ前述の値にすることにより、表面凹凸が小さい銅回路板表面が得られる。銅回路板のハンダ等の接合層に対するアンカー効果を考慮すると、表面が粗い方がよいと考えられる。一方、銅回路板の厚さが大きくなり、半導体素子のジャンクション温度が高くなると、銅回路板の熱膨張が大きくなる。銅回路板の熱膨張が大きくなると、表面凹凸が大きい方が接合層に応力がかかりやすく、割れなどの不具合が発生し易い。
このため、銅回路板表面の算術平均粗さＲａは０．４μｍ以下、十点平均粗さＲｚｊｉｓは４μｍ以下、最大高さＲｚは５μｍ以下、であることが好ましい。表面凹凸を低減したとしても、粒界の数を制御することにより、銅回路板の信頼性を向上させることができる。
銅回路板表面の算術平均粗さＲａは、０．１μｍ以上０．４μｍ以下が好ましい。銅回路板表面の十点平均粗さＲｚｊｉｓは、１．５μｍ以上４μｍ以下が好ましい。銅回路板表面最大高さＲｚは、１μｍ以上５μｍ以下が好ましい。これ以上の表面の平坦化は、製造コストの増大を招く恐れがある。
銅回路板表面における粗さ曲線のスキューネスＲｓｋは、０未満であることが好ましい。Ｒｓｋが０未満であるということは、Ｒｓｋがマイナスであることを示す。Ｒｓｋがマイナスであると、粗さ曲線において谷の部分が多いことを示す。銅回路板の粒界部分が谷になる。粒界部分を谷部とすることにより、半導体素子を接合する際に、銅回路板のはんだ（またはろう材）に対するアンカー効果を向上できる。このため、銅回路板表面の粗さ曲線のスキューネスＲｓｋは０未満であることが好ましい。より好ましくは、粗さ曲線のスキューネスＲｓｋは、−０．０１以下−０．１０以上である。スキューネスＲｓｋをその範囲内にすることで、半導体素子以外のリードフレームやワイヤボンディングの接合に対しても、アンカー効果を向上できる。
粗さ曲線のスキューネスＲｓｋは、ＩＳＯ４２８７（１９９７、Ａｍｄ．１：２００９）を用いて測定する。
【００１３】
裏銅板５が設けられる場合、裏銅板５は、以下の構成を有することが好ましい。
セラミックス基板２の厚さＴ１と裏銅板５の厚さＴ３の比（Ｔ３／Ｔ１）は、１．２５以上である。より好ましくは、Ｔ３／Ｔ１は、２．４０以上である。
裏銅板表面に引いたいずれの直線１０ｍｍ上においても、粒界の数は５以上２５０以下である。好ましくは、粒界の数は２０以上１５０以下である。より好ましくは、粒界の数は、８０以上１５０以下である。粒界の数の数え方は、銅回路板の表面における粒界の数の数え方と同様である。裏銅板の表面とは、裏銅板５のセラミックス基板２と反対側の面を指す。
裏銅板表面では、算術平均粗さＲａが０．４μｍ以下、十点平均粗さＲｚｊｉｓが４μｍ以下、最大高さＲｚが５μｍ以下であることが好ましい。裏銅板表面の算術平均粗さＲａは、０．１μｍ以上０．４μｍ以下が好ましい。裏銅板表面の十点平均粗さＲｚｊｉｓは、１．５μｍ以上４μｍ以下が好ましい。裏銅板表面最大高さＲｚは、１μｍ以上５μｍ以下が好ましい。裏銅板表面における粗さ曲線のスキューネスＲｓｋは、０未満であることが好ましい。より好ましくは、粗さ曲線のスキューネスＲｓｋは、−０．０１以下−０．１０以上である。
【００１４】
セラミックス基板２と銅回路板３は接合層４を介して接合されていることが好ましい。裏銅板５をセラミックス基板２に接合する場合も、裏銅板５とセラミックス基板２を接合層を介して接合することが好ましい。セラミックス基板２と銅回路板３の間に、ＡｇおよびＴｉを含む接合層４を設けることが好ましい。Ａｇ（銀）およびＴｉ（チタン）を含む接合層４は、活性金属ろう材を用いたものである。Ｔｉは活性金属である。活性金属は、Ｔｉ以外にも、Ｚｒ、Ｈｆが挙げられる。活性金属ろう材としては、Ｔｉ、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）の混合物が挙げられる。活性金属ろう材において、Ｔｉの含有量は０．１ｗｔ％以上１０ｗｔ％以下、Ｃｕの含有量は１０ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下、残部はＡｇである。必要に応じ、Ｉｎ（インジウム）またはＳｎ（錫）から選ばれる１種または２種を、１ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下、活性金属ろう材に添加してもよい。活性金属ろう材を用いた活性金属接合法では、セラミックス基板表面に活性金属ろう材ペーストを塗布し、その上に銅板を配置する。これを７００〜９００℃で加熱して接合する。活性金属接合法によれば、セラミックス基板と銅回路板の接合強度を１６ｋＮ／ｍ以上とすることができる。
【００１５】
銅回路板の厚さは、０．６ｍｍ以上であることが好ましい。前述のように、銅回路板の厚さＴ２とセラミックス基板の厚さＴ１の比（Ｔ２／Ｔ１）を１．２５以上にするためには、セラミックス基板を薄くすることと、銅回路板を厚くすること、が有効である。銅回路板を厚くすることにより、放熱性が向上する。前述のように、銅回路板の表面粗さを制御しておけば、熱膨張により、半導体素子と銅回路板の接合不良が発生することを低減できる。放熱性を考慮すると、銅回路板の厚さは０．６ｍｍ以上であることが好ましい。より好ましくは、銅回路板の厚さは０．８ｍｍ以上である。銅回路板の厚さの上限は特に限定されるものではないが５ｍｍ以下が好ましい。銅回路板の厚さが５ｍｍを超えると、活性金属接合法で接合したときに反りが大きくなる恐れがある。
銅回路板を厚さ方向に３等分したとき、銅回路板の接合層側の領域には、銅回路板の面積の１５％以上６０％以下でＡｇが存在していることが好ましい。図５は。銅回路板の断面の一例を示す。図５中、２はセラミックス基板である。３は銅回路板である。４は接合層である。Ｔ２は銅回路板３の厚さである。銅回路板３を厚さ方向に３等分する。これは銅回路板３の厚さＴ２を３等分することである。銅回路板３を３等分したとき、接合層４側の領域を領域３ａ、真ん中の領域を領域３ｂ、表面側の領域を領域３ｃ、とする。
銅回路板３の任意の断面におけるＡｇの分散状態を、ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分光法）によりカラーマッピングする。領域３ａの断面において、ランダムに抽出した単位面積１００μｍ×１００μｍを観察したとき、単位面積に対するＡｇが分散した面積の割合は、１５％以上６０％以下となる。観察する断面は、表面粗さＲａが１μｍ以下になるように研磨加工される。観察には、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）−ＥＤＸが用いられる。
銅回路板３と接合層４の境界は、ＳＥＭ像で判別できる。ＳＥＭ像で判別し難いときは、銅回路板３の接合層４側の面の一端から反対側の他端まで直線を引く。その直線を、銅回路板３と接合層４の境界とみなす方法を用いても良い。例えば、図１に示したように、接合層４が銅回路板３の端部からはみ出ている形状であると、直線を引く方法を適用し易い。
銅回路板の厚さＴ２が０．６ｍｍ以上、さらには０．８ｍｍ以上と厚くなると銅板の応力が大きくなる。熱応力をかけたとき、セラミックス基板と銅板の熱膨張差により、セラミックス基板及び接合層に割れが生じやすくなる。Ａｇを多く拡散させることにより、銅回路板の熱膨張量をセラミックス基板の熱膨張量に近づけることができる。Ａｇは、主に、粒界に沿って拡散する。粒界に沿って拡散することにより、Ａｇが銅板の奥側まで拡散し易くなる。実施形態では、銅回路板の粒界の数を制御しているため、Ａｇの拡散し易さも制御できる。
領域３ａの単位面積１００μｍ×１００μｍを観察したとき、観察した面積に対するＡｇが分散した面積の割合が、１５％以上６０％以下であることが好ましい。より好ましくは、当該割合は、２５％以上５０％以下である。実施形態では、領域３ａのいずれの単位面積１００μｍ×１００μｍを観察しても、観察した面積に対するＡｇが分散した面積の割合が、１５％以上６０％以下である。
領域３ｂの単位面積１００μｍ×１００μｍを観察したとき、観察した面積に対してＡｇが分散した面積の割合が、０％以上４０％以下であることが好ましい。割合が０％であるということは、ＥＤＸでＡｇが検出されないことを示す。また、領域３ｂにおけるＡｇの分散面積は、領域３ａのＡｇ分散面積よりも小さい。
領域３ｃの単位面積１００μｍ×１００μｍを観察したとき、観察した面積に対してＡｇが分散した面積の割合が、０であることが好ましい。領域３ｂ中のＡｇの割合を４０％以下（０％を含む）、かつ、領域３ｃ中のＡｇの割合を０％とすることが好ましい。
銅回路板３の表面側領域である領域３ａにＡｇを拡散させないことにより、銅回路板表面の表面粗さ及び粒界の数を制御し易くなる。このため、半導体素子を実装する際、半導体素子とはんだ（またはろう材）との密着性を維持することができる。つまり、熱応力への耐久性と、はんだとの密着性と、を両立することができる。
裏銅板５または裏銅回路板８へのＡｇの拡散状態も銅回路板３と同様であることが好ましい。
すなわち、裏銅板５を３等分したとき、接合層４側の領域を第１の領域、真ん中の領域を第２の領域、表面側の領域を第３の領域、とする。それぞれの領域の単位面積１００μｍ×１００μｍを観察する。第１の領域では、観察した面積に対するＡｇが分散した面積の割合が、１５％以上６０％以下であることが好ましい。より好ましくは、当該割合は、２５％以上５０％以下である。第２の領域では、観察した面積に対するＡｇが分散した面積の割合が、０％以上４０％以下であることが好ましい。第３の領域では、観察した面積に対するＡｇが分散した面積の割合が、０％であることが好ましい。
セラミックス銅回路基板１において、セラミックス基板２の反り量は０．１ｍｍ未満であることが好ましい。セラミックス基板２の反り量は、以下の方法で測定される。セラミックス基板２の長辺において一端からもう一方の他端に仮想の直線を引く。子の直線と、この直線に対してセラミックス基板２が最も離れている点と、の間の距離を反り量とする。前述のようにＡｇの拡散状態を制御することにより、セラミックス基板２の反り量を０．１ｍｍ未満にすることができる。
特に、３点曲げ強度６００ＭＰａ以上の窒化珪素基板を用いて、厚さ０．６ｍｍ以上の銅板を接合した場合でも、反り直し工程なしで窒化珪素基板の反り量を０．１ｍｍ未満にできる。反り直し工程とは、セラミックス銅回路基板に圧力を負荷しながら加熱する工程である。銅板を厚くしたり、セラミックス基板の強度が低いと、接合時に反りが大きくなり易い。反り直し工程を行うことにより、セラミックス基板の反り量を小さくすることができる。一方、反り直し工程は熱を負荷するため銅板の結晶粒子が粒成長する。粒成長すると銅板表面の１０ｍｍあたりの粒界の数が５未満になる恐れがある。反り直し工程を行わないと、銅板表面の１０ｍｍあたりの粒界の数を８０以上に制御し易い。
銅板表面の１０ｍｍあたりの粒界の数を８０以上１５０以下にすることにより、表裏の銅板の体積比が異なっていても窒化珪素基板の反り量を０．１ｍｍ未満にすることができる。銅回路板３の合計体積をＡ（ｍｍ３）、裏銅板５の合計体積をＢ（ｍｍ３）とする。０．５≦Ａ／Ｂ≦０．８の範囲内であっても、窒化珪素基板の反り量を０．１ｍｍ未満にすることができる。銅回路板３の合計体積Ａ（ｍｍ３）は、表面側に接合された１つ以上の銅回路板３のそれぞれの体積の合計である。裏銅板５の合計体積をＢ（ｍｍ３）は、裏面側に接合された１つ以上の裏銅板５のそれぞれの体積の合計である。後述するようにセラミックス基板２に１つ以上の裏銅回路板が接合されている場合は、それぞれの裏銅回路板の体積の合計を、合計体積Ｂ（ｍｍ３）とする。
３点曲げ強度６００ＭＰａ以上の窒化珪素基板と、厚さ０．６ｍｍ以上の銅板と、を接合したセラミックス銅回路板において、銅板表面の１０ｍｍあたりの粒界の数を８０以上１５０以下に制御し、かつＡｇの拡散状態を制御することが好ましい。これにより、０．５≦Ａ／Ｂ≦０．８の範囲内であっても、反り直し工程なしで窒化珪素基板の反り量を０．１ｍｍ未満、さらには０．０５ｍｍ以下にすることができる。
【００１６】
セラミックス基板に貫通孔が設けられていても良い。セラミックス銅回路基板は、表の銅回路板と裏の銅回路板が貫通孔を介して導通した構造を有することが好ましい。図３に貫通孔を有するセラミックス回路基板の一例を示した。図３は貫通孔を有する部分の断面図である。図３中、１はセラミックス銅回路基板である。２はセラミックス基板である。３は銅回路板（表銅板）である。４は接合層である。８は裏銅回路板である。９は貫通孔である。図３では、貫通孔９を介して、銅回路板３（表銅板）と裏銅回路板８の導通を図っている。図３では、貫通孔９をそれぞれの銅回路板３に設けている。実施形態は、このような構造に限定されない。セラミックス銅回路基板１において、複数の銅回路板３の一部に対してのみ貫通孔９が設けられていても良い。銅回路板の厚さＴ２は、銅回路板３の厚さと裏銅回路板８の厚さの中で、最も厚いものとする。
貫通孔９の内部には、接合層４と同じ材料が充填されることが好ましい。貫通孔９の内部の構造は、表の銅板と裏の銅板を導通できれば、特に限定されない。このため、貫通孔９内壁にのみ金属薄膜が設けられていても良い。一方、接合層４と同じ材料を充填することにより、接合強度を向上させることができる。裏銅回路板８は、上述した裏銅板５と同様の構成を有することが好ましい。
【００１７】
銅回路板表面には、金属薄膜が設けられていても良い。この金属薄膜の主成分は、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｇ（銀）、及びＡｕ（金）から選ばれる１つである。金属薄膜は、例えば、メッキ膜またはスパッタ膜などである。金属薄膜を設けることにより、耐食性を向上させることができる。
【００１８】
このようなセラミックス銅回路基板は、半導体装置に好適である。半導体装置では、セラミックス銅回路基板の銅回路板に、接合層を介して半導体素子が実装される。
図４に半導体装置の一例を示した。図４中、１はセラミックス銅回路基板である。１０は半導体装置である。１１は半導体素子である。１２は接合層である。１３はワイヤボンディングである。１４は金属端子である。図４では、セラミックス銅回路基板１の銅回路板上に接合層１２を介して半導体素子１１を接合している。同様に、接合層１２を介して金属端子１４を接合している。隣り合う銅回路板同士をワイヤボンディング１３で導通している。図４では、半導体素子１１の他にワイヤボンディング１３と金属端子１４を接合している。実施形態にかかる半導体装置は、このような構造に限定されない。例えば、ワイヤボンディング１３と金属端子１４はどちらか一方のみが設けられていても良い。半導体素子１１、ワイヤボンディング１３、および金属端子１４は、銅回路板３にそれぞれ複数個設けても良い。裏銅回路板８には、半導体素子１１、ワイヤボンディング１３、および金属端子１４は必要に応じ接合される。金属端子１４には、リードフレーム形状、凸型形状など様々な形状が適用できる。
半導体素子１１又は金属端子１４を接合する接合層１２としては、ハンダ、ろう材などが挙げられる。ハンダは鉛フリーハンダが好ましい。ハンダの融点は、４５０℃以下であることが好ましい。ろう材の融点は、４５０℃以下であることが好ましい。融点が５００℃以上のろう材を、高温ろう材を呼ぶ。高温ろう材はＡｇを主成分とするものが挙げられる。
【００１９】
実施形態にかかるセラミックス銅回路基板では、Ｔ２／Ｔ１が１．２５以上であるため放熱性に優れている。銅回路板表面の粒界の数を制御しているので、半導体素子などを接合する接合層の信頼性を向上させることができる。特に、半導体素子のジャンクション温度が１７０℃以上と高温になったとしても、半導体素子と銅回路板の接合の信頼性を維持することができる。銅回路板表面に引いたいずれの直線１０ｍｍにおいても粒界の数が所定の範囲内となるよう制御されている。このため、半導体素子、ワイヤボンディング、又は金属端子を銅回路板表面のどこに接合しても高い信頼性を得ることができる。半導体素子、ワイヤボンディング、金属端子の接合の信頼性が向上することで、組立性のよい半導体装置を提供することができる。
銅回路板上における半導体素子などの搭載位置は、ＣＣＤカメラなどを使った画像解析により検出される。銅板が厚くなるほど、セラミックス基板を基準とした位置検出が困難となる。このため、銅回路板表面の粒界の数を所定の範囲内にしておくことにより、銅板表面の位置検出が行い易くなる。すなわち、実施形態によれば、組立性のよいセラミックス銅回路基板を提供できる。
【００２０】
近年、半導体素子は高性能化及び小型化が進み、チップからの発熱量は増加している。そのため、半導体素子を搭載するセラミックス銅回路基板においては、放熱性の向上が重要になっている。半導体装置（半導体モジュール）の高性能化のためには、セラミックス銅回路基板上に複数の半導体素子が実装されることが好ましい。いずれかの半導体素子が真性温度を超えると、抵抗が負となり、温度係数がマイナス側に変化する。これに伴い、電力がその半導体素子に集中的に流れる熱暴走が起こり、当該半導体素子が瞬時に破壊されてしまう現象がおきる。よって、半導体素子と銅回路板の接合の信頼性を向上させることは非常に有効である。実施形態にかかる半導体装置は、ＰＣＵ、ＩＧＢＴ、又はＩＰＭモジュールとして用いることができる。ＰＣＵ、ＩＧＢＴ、又はＩＰＭモジュールは、自動車（電気自動車も含む）、電鉄車両、産業機械、又はエアコン等の機器のインバータに用いられる。自動車については、電気自動車化が精力的に研究されている。半導体装置の信頼性が向上するほど、自動車の安全性も向上する。電鉄、産業機器などについても同様である。
【００２１】
実施形態にかかるセラミックス銅回路基板の製造方法について説明する。セラミックス銅回路基板は前述の構成を有していれば、その製造方法は特に限定されない。歩留まりが良い製造方法として、次のものが挙げられる。
まず、セラミックス基板と銅板を用意する。セラミックス基板の厚さＴ１と銅板の厚さＴ２の関係は、Ｔ２／Ｔ１≧１．２５である。
セラミックス基板は、酸化アルミニウム基板、窒化アルミニウム基板、窒化珪素基板、及びアルジル基板から選ばれる１種であることが好ましい。特に、セラミックス基板は、熱伝導率５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上かつ３点曲げ強度６００ＭＰａ以上の窒化珪素基板であることが好ましい。このような窒化珪素基板であれば、基板厚さを０．４０ｍｍ以下にすることができる。銅板については、厚さが０．６ｍｍ以上のものが用いられる。
貫通孔により表側の銅板と裏側の銅板を導通させるときは、貫通孔を有するセラミックス基板を用意する。セラミックス基板に貫通孔を設ける場合は、予め成形体の段階で貫通孔を設けても良い。セラミックス基板（セラミックス焼結体）に貫通孔を設ける工程を行っても良い。貫通孔を設ける工程としては、レーザ加工または切削加工などが挙げられる。切削加工としては、ドリルなどによる穴あけ加工が挙げられる。
【００２２】
銅板の表面では、いずれの直線１０ｍｍにおいても、粒界の数が１０以上３００以下であることが好ましい。より好ましくは、銅板の表面では、いずれの直線１０ｍｍにおいても、粒界の数が５０以上１２０以下である。セラミックス基板と銅板の接合を活性金属接合法で行う場合、接合温度は７００〜９００℃程度である。銅板をこの温度にさらすと、銅が再結晶化する。これにより、結晶粒子が大きくなり、粒界の数が減少する。それを踏まえて、粒界の数が上述した所定の範囲内にある銅板を使うことが好ましい。
【００２３】
セラミックス基板と銅板は、活性金属接合法で接合されることが好ましい。活性金属接合法には、Ｔｉなどの活性金属とＡｇを混合した活性金属ろう材が用いられる。活性金属ろう材としては、Ｔｉ、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）の混合物が挙げられる。活性金属ろう材におけるＴｉの含有量は０．１ｗｔ％以上１０ｗｔ％以下である。Ｃｕの含有量は１０ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下である。残部はＡｇである。必要に応じて、活性金属ろう材に、Ｉｎ（インジウム）またはＳｎ（錫）から選ばれる１種または２種を、１ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下添加しても良い。
活性金属ろう材をペースト化する。ペーストは、ろう材成分と有機物を混合してえられる。活性金属ろう材ペーストをセラミックス基板に塗布する。その上に銅板を配置する。次に、７００〜９００℃で加熱してセラミックス基板と銅板を接合する。加熱工程は、必要に応じ、真空中や非酸化性雰囲気で行う。真空中で行う場合、圧力は１×１０−２Ｐａ以下であることが好ましい。非酸化性雰囲気としては、窒素雰囲気又はアルゴン雰囲気が挙げられる。真空中または非酸化性雰囲気とすることにより、接合層が酸化されるのを抑制できる。これにより、接合強度を向上できる。接合温度や時間を調整して、銅板表面の粒界の数を調整することができる。
銅板の粒界の数を制御しておくことにより、粒界に沿ってＡｇが拡散していく。Ａｇの拡散状態を制御するためには、加熱接合工程が、活性金属ろう材ペーストの脱脂工程を含むことが好ましい。加熱接合工程では、接合のために７００〜９００℃の温度範囲に保たれる。この温度になる前に、ペースト中の有機物を脱脂する。これにより、Ａｇの拡散量を制御することができる。接合温度にろう材ペースト中の有機物を脱脂しておくと、銅板に接するろう材を均質化できるためである。
ろう材ペーストの脱脂工程では、温度が２５０〜４５０℃の範囲に保持される。この温度範囲が保持される時間は、５〜６０分の範囲であることが好ましい。別の方法として、昇温速度を１０℃／分以下にすることも有効である。
【００２４】
接合する銅板は、予めパターン形状に加工されていても良いし、加工されていなくても良い。加工されていない銅板を用いた場合は、接合後にその銅板をエッチングし、パターン形状に加工しても良い。エッチング加工を施す際は、特許文献１に示された銅板の側面形状、及び特許文献１に示されたろう材のはみだし部分を設けることが好ましい。
上記の工程により、セラミックス銅回路板が製造される。得られたセラミックス銅回路基板の銅回路板の表面粗さを調整するには、化学研磨処理を施すことが有効である。化学研磨処理では、酸系液体またはアルカリ系液体が用いられる。化学研磨処理によれば、銅回路板表面を均一に研磨できる。このため、算術平均粗さＲａを０．４μｍ以下、十点平均粗さＲｚｊｉｓを４μｍ以下、最大高さＲｚを５μｍ以下に制御し易い。化学研磨時間を調整することにより、Ｒａを０．１μｍ以上０．４μｍ以下、Ｒｚｊｉｓを１．５μｍ以上４μｍ以下、Ｒｚを１μｍ以上５μｍ以下にできる。化学研磨処理を施さなくても上記表面粗さが得られている場合は、化学研磨処理は行わなくても良い。化学研磨処理は、回路として用いる銅板の表面だけ行えばよい。化学研磨処理を行わない箇所は、マスクしておく。
【００２５】
次に、半導体素子などを接合する工程を行う。半導体素子を接合する箇所に接合層を設ける。接合層は、ハンダまたはろう材であることが好ましい。接合層を設けて、その上に半導体素子を設ける。必要に応じて、接合層を介して金属端子を接合する。必要に応じて、ワイヤボンディングを設ける。半導体素子、金属端子、及びワイヤボンディングのそれぞれの数は適宜調整される。
実施形態にかかるセラミックス銅回路基板では、銅回路板表面の粒界の数が制御されている。これにより、半導体素子、金属端子、ワイヤボンディングを銅回路板表面のどこに接合したとしても、優れた信頼性を得ることができる。そのため、銅回路板表面上で半導体素子などを搭載する箇所の制限を受けない。半導体装置を製造する際の組立性を向上させることができる。
銅回路板表面を基準とした位置検出も容易である。このため、半導体素子、金属端子、ワイヤボンディングなどを複数設けたときでも、これらの位置ずれが起き難い。言い換えると、実施形態にかかるセラミックス銅回路基板は、半導体素子、金属端子、ワイヤボンディングを複数設ける半導体装置に好適である。
位置合わせのための視認性を上げるために認識表示を行っても良い。認識表示の方法として、銅回路板表面のレーザー加工またはエッチング加工、銅回路板表面に樹脂層を設ける、などが挙げられる。樹脂層を設ける場合は、バーコード表示がなされても良い。
【００２６】
（実施例）
（実施例１〜７、比較例１〜２）
セラミックス基板として、表１に示した第１〜第３の窒化珪素基板を用意した。各セラミックス基板のサイズは、縦５０ｍｍ×横４０ｍｍである。第３の窒化珪素基板は、直径２ｍｍの貫通孔が２つ設けられている。
【００２７】
【表１】
2018180965.tif 000003
【００２８】
次に、銅板を用意した。銅板の厚さは０．６ｍｍ、０．８ｍｍの２種類を用意した。セラミックス基板と銅板を活性金属接合法により接合した。活性金属接合法に用いた活性金属ろう材については、Ｔｉの含有量が２ｗｔ％、Ｉｎの含有量が１０ｗｔ％、Ｃｕの含有量が３０ｗｔ％、残部がＡｇである。セラミックス基板の両面に活性金属ペーストを塗布し、銅板を配置して加熱接合工程を行った。接合温度は７８０〜８５０℃の範囲に保持し、圧力は１×１０−２Ｐａ以下とした。接合時間を変えることにより、銅板表面の粒界の数を調整した。実施例にかかるものは、温度を２５０〜４５０℃の範囲に保持するろう材ペースト脱脂工程を行った。セラミックス基板として第３の窒化珪素基板を使ったものは、貫通孔内に活性金属ろう材を充填して銅板を接合した。
表銅板は、エッチング加工して回路形状にした。表銅板は２〜４つの回路形状とした。第３の窒化珪素基板を使ったものは、裏銅板もエッチング加工して回路形状にした。銅回路板（表銅板）の合計体積をＡ（ｍｍ３）、裏銅板の合計体積をＢ（ｍｍ３）とした。
得られたセラミックス銅回路基板を表２に示した。
【００２９】
【表２】
2018180965.tif 000004
【００３０】
次に、実施例１〜７は銅回路板表面を化学研磨処理して表面粗さを調整した。比較例１および比較例２は、化学研磨処理を施さなかった。各セラミックス銅回路基板の銅回路板表面の粒界の数および表面粗さを測定した。
粒界の数のカウントでは、銅板表面の拡大写真を撮影した。拡大写真において、無作為に直線１０ｍｍを引き、その直線上にある粒界の数を調べた。この作業を５箇所分（無作為の直線１０ｍｍを５本分）測定し、その最大値と最小値を示した。また、表面粗さＲａ、Ｒｚｊｉｓ、ＲｚはＪＩＳ−Ｂ−０６０１（２００１）の規程に基づいて測定した。その結果を表３に示す。
【００３１】
【表３】
2018180965.tif 000005
【００３２】
表３から分かる通り、実施例にかかるセラミックス銅回路基板の銅回路板の表面は好ましい実施形態の範囲内であった。一方、比較例１は粒界の数が小さすぎる。比較例２は、粒界の数が多すぎる。
次に、実施例および比較例にかかるセラミックス銅回路基板に関して、反り量およびＡｇの拡散状態を調べた。反り量の測定は、窒化珪素基板の長辺において一端からもう一方の他端に直線を引き、この直線と窒化珪素基板が最も離れている距離を反り量とした。
Ａｇの拡散状態の測定は、銅回路板の任意の断面をＥＤＸで測定した。銅回路板中のＡｇの分散状態をカラーマッピングする。銅回路板の厚さＴ２を３等分し、接合層に近い側から領域３ａ、領域３ｂ、領域３ｃとする。領域毎に、単位面積１００μｍ×１００μｍを測定し、単位面積におけるＡｇの割合（拡散面積率）を測定した。この作業を各領域３回ずつ行い、Ａｇの拡散面積率を求めた。その結果を表４に示す。
【００３３】
【表４】
2018180965.tif 000006
【００３４】
実施例にかかるセラミックス銅回路基板の反り量は、０．１ｍｍ未満であった。いずれも反り直し工程を行っていないにも関わらず、反り量が小さかった。
実施形態にかかるセラミックス銅回路基板において、接合層に近い領域３ａでは、Ａｇの拡散面積率が２０％以上８０％以下であった。真ん中の領域となる領域３ｂでは、Ａｇの拡散面積率が２０％以下（０含む）であった。表面側領域である領域３ｃでは、Ａｇの拡散面積率が０％であった。
それに対し、比較例１のセラミックス銅回路基板は反り量が大きかった。比較例２のセラミックス銅回路基板では、Ａｇの拡散面積率が大きかった。銅板の粒界の数がＡｇの拡散状態に影響を与えていることが分かる。
次に、実施例および比較例にかかるセラミックス銅回路基板に対し、組立性を評価した。組立性の評価として、半導体素子の接合性、位置合わせ性能を評価した。
まず、鉛フリーハンダを使って半導体素子および金属端子を接合した。さらにワイヤボンディングを設けて導通を図った。これにより、半導体装置を作製した。次に半導体装置に対し、接合性の試験としてＴＣＴ試験を行い、導通不良の発生率を調べた。２種類のＴＣＴ（Temperature Cycle Testing）試験を行った。第１の条件では、−３０℃×３０分→室温×１０分→１２５℃×３０分→室温×１０分を１サイクルとして、２０００サイクル後の導通不良の発生率を調べた。第２の条件では、−４０℃×３０分→室温×１０分→１７５℃×３０分→室温×１０分を１サイクルとして、２０００サイクル後の導通不良の発生率を調べた。
位置合わせ性能は、ＣＣＤカメラで位置検出を行い、銅回路板表面の目的とする箇所に鉛フリーハンダを塗布した。このとき、０．５ｍｍ以上位置ずれが発生したものの割合を調べた。
その結果を表５に示した。
【００３５】
【表５】
2018180965.tif 000007
【００３６】
表から分かる通り、第１の条件（高温側が１２５℃）では実施例および比較例ともに導通不良は発生しなかった。これに対し、第２の条件（高温側が１７５℃）では、導通不良の発生率に差が生じた。これは、銅板表面の粒界の数を制御することにより、ハンダのぬれ性や接合強度が向上したためである。実施例は、位置合わせ性能も向上した。この結果は、銅板表面の粒界の数がＣＣＤカメラでの位置検出性に影響を与えることを示す。実施例４のように、粒界の数が直線１０ｍｍあたり２０未満では、位置ずれが生じていた。ＣＣＤカメラによる位置検出を行う場合、所定数の粒界があった方が効果的であることが分かった。
これに対し、比較例１のように、粒界が少ないと、第２の条件では導通不良が多かった。これは熱膨張により銅板表面のゆがむ量が大きくなったためである。比較例２のように粒界の数が多すぎること、放熱性が低下する。放熱性が低下すると、熱が放出され難くなる。第２の条件において比較例２の導通不良率が実施例よりも高いのは、熱が放出され難くなり、半導体素子と銅回路板の間の接合層に熱応力が発生したためである。
【００３７】
以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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