(57)【要約】  【課題】  セラミックス基板に金属板を接合するに際し、比較的低温で接合することでセラミックス基板への熱応力を緩和し、厚い金属板を接合できるようにして、放熱効果に優れた半導体モジュール用セラミックス回路基板及びその製造方法を提供する。  【解決手段】  セラミックス基板１と金属板７，８との間に金属ナノ粒子を含有する層６，６を介在させて、加熱処理して接合する。加熱処理温度は２００〜３００℃であり、少なくとも一方の前記金属板の厚さは１ｍｍ以上であることが好ましい。そして、前記金属ナノ粒子を、揮発性有機溶剤と混合し、ペーストとして、前記セラミックス基板又は前記金属板に塗布することが好ましい。  【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板と、該セラミックス基板の両側に接合された金属板とを有する半導体モジュール用セラミックス回路基板において、
前記セラミックス基板と前記金属板とが金属ナノ粒子を含有する焼結層を介して接合されていることを特徴とする半導体モジュール用セラミックス回路基板。
【請求項２】
少なくとも一方の金属板の厚さが１ｍｍ以上である請求項１に記載の半導体モジュール用セラミックス回路基板。
【請求項３】
セラミックス基板の両面に金属板を接合したセラミックス回路基板の製造方法において、
前記セラミックス基板と前記金属板との間に金属ナノ粒子を含有する層を介在させて、加熱処理して接合することを特徴とする半導体モジュール用セラミックス回路基板の製造方法。
【請求項４】
前記加熱処理温度は２００〜３００℃であり、少なくとも一方の前記金属板の厚さは１ｍｍ以上である請求項３に記載の半導体モジュール用セラミックス回路基板の製造方法。
【請求項５】
前記金属ナノ粒子を、揮発性有機溶剤と混合してペーストとし、前記セラミックス基板又は前記金属板に塗布する請求項３又は４に記載の半導体モジュール用セラミックス回路基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば電気自動車等のパワー半導体モジュール等に好適な半導体モジュール用セラミックス回路基板及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体モジュール用のセラミックス回路基板としては、例えば、図２（ａ）に示すように、放熱性、電気絶縁性、高周波数特性の優れたアルミナや窒化珪素等のセラミックス基板１の表面に導体パターンとなる銅板２を接合し、同じく裏面に銅板３を接合してなるものが広く採用されている。そして、このようなセラミックス回路基板上にパワー半導体素子等の半導体素子を搭載して半導体モジュールとして用いている。
【０００３】
セラミックス基板１に銅板２，３を接合するには種々の方法があり、例えば、銅と酸化銅の溶融温度の差を利用し、溶融温度の低い酸化銅だけを１０５０℃程度の温度で溶融させ、セラミックス基板の表面の凹凸部内に浸透させて、アンカー効果により接合させるＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ  ｂｏｎｄ  Ｃｏｐｐｅｒ）法等がある。
【０００４】
ところで、半導体モジュールとして用いた際、半導体素子の動作／休止による周期的な温度変化（ヒートサイクル）によって、銅板２，３とセラミックス基板１との膨張係数の差に起因する熱応力が生じるが、この熱応力が過大である場合、セラミックス基板１と銅板２，３との接合部、あるいは銅板２とパワー半導体素子との接合部にクラック等が生じてしまう。特にパワー半導体素子は大電流の通電によって大量の熱を発するため熱応力が大きく、接合の信頼性が損なわれやすい。
【０００５】
そこで、半導体素子およびセラミックス回路基板自体が過度に高温になるのを防止するため、セラミックス回路基板には優れた放熱特性が必要とされており、図２（ｂ）に示すように、銅板等の放熱基板（ヒートシンク）５を半田等の結合材４を介してセラミックス回路基板の片面に接合し、熱伝導率を上げることで放熱効率を向上させている。
【０００６】
一方、下記特許文献１には、Ｃｕ、Ａｌ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｕ−Ｍｏ、Ｃｕ−Ｗ等からなるヒートシンク上に、該ヒートシンクの金属材料と、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３等の絶縁体材料との混合物からなる層を介して、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３等のセラミックス粉末の絶縁層を形成した半導体モジュール用基板において、前記混合層としてヒートシンクに近づくにつれ金属材料の比率を高くし、セラミックス基板に近づくにつれ絶縁体材料の比率を高くしたものを用いることにより熱応力に起因するクラック等の発生を防止することが記載されている。
【０００７】
また、下記特許文献２には、銀、銅等のロウ成分と、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、バナジウム及びそれらの水酸化物等からなる活性金属成分とからなる金属粉末で、酸素含有率が０．５質量％以下の金属粉末と分散溶媒とからなる接合材を用いて、セラミックス基板と銅板等の金属板とを接合することで、ヒートサイクル時に銅板とセラミックス基板との界面に加わる熱応力を抑制することが記載されている。
【特許文献１】特開２００１−１３５７５３号公報
【特許文献２】特開平６−９７３１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の方法では、厚さ数ｍｍの銅プレートからなる放熱基板を、半田などで２５０〜３００℃の温度で接合しているため、接合時の加熱で膨張した放熱基板が、冷却されたときにセラミックス基板よりも大きく縮むことになり、その結果、図２（ｃ）に示すように、放熱基板５側が凹状に湾曲する傾向があった。すなわち、セラミックス基板１の両面にほぼ同厚さの銅板２，３を貼り付けた構造では、バランスが取れていたのに対し、放熱基板５を片面にだけ接合することにより、接合の際の応力が残留して反りが生じるのである。
【０００９】
また、上記特許文献１、２のように特定の接合材を介して銅板等の放熱基板とセラミックス基板とを接合することで、ヒートサイクル時に放熱基板とセラミックス基板との界面に加わる熱応力を抑制する試みがなされているが、上記特許文献１、２においても、放熱基板をセラッミク基板上に接合するに際しては、約１０００℃まで温度を上げて接合しているため、上記と同様な問題が発生すると考えられる。
【００１０】
また、従来のセラミックス回路基板では、放熱効率を向上させるために、放熱効率の悪いセラミックス基板を薄膜とし、放熱効率の良い放熱基板を厚くしようとすると、熱膨張率の大きな放熱基板と、熱膨張率の小さいセラミックス基板との熱膨張差によって、セラミックス基板に大きな応力がかかり、セラミックス基板が破損しかねないため、放熱基板を厚くすることが困難であった。
【００１１】
よって、本発明の目的は、セラミックス基板に金属板を接合するに際し、比較的低温で接合することでセラミックス基板への熱応力を緩和し、厚い金属板を接合できるようにして、放熱効果に優れた半導体モジュール用セラミックス回路基板及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、本発明の半導体モジュール用セラミックス回路基板は、セラミックス基板と、該セラミックス基板の両側に接合された金属板とを有する半導体モジュール用セラミックス回路基板において、前記セラミックス基板と前記金属板とが金属ナノ粒子を含有する焼結層を介して接合されていることを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、金属ナノ粒子を含有する層を加熱焼成すると、金属ナノ粒子同士が焼結すると共に、金属板と金属ナノ粒子とは金属結合により接合し、セラミックス基板とは、その表面の凹凸内部に金属ナノ粒子が侵入した状態で焼結体となり、アンカー効果により接合する。
【００１４】
また、一般に粒子径がナノ（ｎｍ）スケールの金属粒子は、そのサイズ効果により金属の融点よりも格段に低い温度で焼結することが知られている。これは、金属の超微粒子においては、十分にその粒子径を小さくすると、粒子表面に存在するエネルギー状態の高い原子の全体に占める割合が大きくなり、金属原子の表面拡散が無視し得ないほど大きくなる結果、この表面拡散に起因して、粒子相互の界面の延伸がなされ焼結が行われるためである。
【００１５】
したがって、セラミックス基板と金属板とを接合するに際し、金属ナノ粒子を含有する層を接着層として介在させることで比較的低温での接合が可能となり、その結果、比較的厚い金属板をセラミックス基板に接合することが可能となる。このため、金属板が放熱基板として作用し、放熱効果に優れた半導体モジュール用セラミックス回路基板を得ることができる。
【００１６】
本発明の半導体モジュール用セラミックス回路基板は、少なくとも一方の金属板の厚さが１ｍｍ以上であることが好ましい。これにより、放熱効果をより高めることができる。
【００１７】
一方、本発明の半導体モジュール用セラミックス回路基板の製造方法は、セラミックス基板の両面に金属板を接合したセラミックス回路基板の製造方法において、前記セラミックス基板と前記金属板との間に金属ナノ粒子を含有する層を介在させて、加熱処理して接合することを特徴とする。
【００１８】
本発明の半導体モジュール用セラミックス回路基板の製造方法においては、金属ナノ粒子を含有する層を介在させて金属板と接合するので、前述した理由により、加熱処理温度を比較的低温にできる。このため、比較的厚い金属板をセラミックス基板に接合することが可能となり、この金属板が放熱基板として作用するので、放熱効果に優れた半導体モジュール用セラミックス回路基板を得ることができる。
【００１９】
また、本発明において前記加熱処理温度は２００〜３００℃であり、少なくとも一方の前記金属板の厚さは１ｍｍ以上であることが好ましい。これにより、放熱効果をより高めることができる。
【００２０】
更には、前記金属ナノ粒子を、揮発性有機溶剤と混合してペーストとし、前記セラミックス基板又は前記金属板に塗布することが好ましい。これによれば、金属ナノ粒子を含有する層を均一にかつ容易に形成することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の半導体モジュール用セラミックス回路基板及びその製造方法によれば、セラミックス基板と金属板とを比較的低い温度で接合することが可能となり、金属板を接合する際にセラミックス基板へ加わる熱応力を低減でき、セラミックス基板を薄膜にし、かつ、金属板を１ｍｍ以上の厚さとしてもセラミックス基板の破損が生じることがない。
【００２２】
したがって、放熱効率のよい半導体モジュール用のセラミックス回路基板が得られ、特にパワー半導体モジュール用として好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の半導体モジュール用セラミックス回路基板は、セラミックス基板と金属板との間に金属ナノ粒子を含有する焼結層を介して接合されていることを特徴とする。以下「半導体モジュール用セラミックス基板」を「セラミックス回路基板」ともいう。
【００２４】
一般にナノスケールの金属粒子は、そのサイズ効果により、表面が極めて活性状態であり、融点以下であっても焼結することが知られている。
【００２５】
そして、金属ナノ粒子を含有する層を、セラミックス基板と金属板との間に介在させて加熱焼成すると、金属ナノ粒子が焼結すると同時に、金属板とは金属結合で焼結により接合し、セラミックス基板とはアンカー効果により接合する。
【００２６】
したがって、セラミックス基板と金属板とを比較的低温で接合することが可能となる。そのため、セラミックス基板を薄くし、金属板を厚くしても、セラミックス基板に大きな応力がかかることがないので、セラミックス基板が破損することなく、放熱効率の高いセラミック回路基板を得ることができる。
【００２７】
本発明のセラミックス回路基板に使用できる金属板とは、銅、銀、金、アルミニウム及びその合金などが挙げられ、熱伝導率、導電性及びコスト的な点から銅が好ましい。また、金属板の厚さは１ｍｍ以上が好ましく、より好ましくは２〜４ｍｍである。
【００２８】
本発明で使用できるセラミックス基板とは、従来公知のセラミックス基板であればよく特に限定されないが、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）等からなるセラミックス基板が挙げられ、特には酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）からなるセラミックス基板が好ましい。また、セラミックス基板の厚さは０．１〜１ｍｍであることが好ましく、より好ましくは０．２〜０．６ｍｍである。
【００２９】
本発明で使用できる金属ナノ粒子とは、平均粒子径がナノ（ｎｍ）スケールの微細な金属粒子であり、金属材料としては、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｃｏ、Ｗ、Ｍｏ等が挙げられ、好ましくはＡｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔであり、より好ましくはＡｇ、Ｃｕである。上記金属材料は熱伝導性及び電気伝導性に優れており、安定した熱伝導性及び電気伝導性を確保することができる。
【００３０】
金属ナノ粒子の平均粒子径は、１〜１００ｎｍが好ましく、より好ましくは１〜５０ｎｍであり、更に好ましくは５〜１０ｎｍである。平均粒子径が５ｎｍ未満では製造が困難となり、５０ｎｍを超えると、焼結温度の低下効果が乏しくなる。
【００３１】
また、本発明では、前記金属ナノ粒子は、平均粒子径が１〜５μｍの通常の金属粉（以下単に金属粉という）と混合して混合物として用いてもよい。この場合でも金属ナノ粒子が先に焼結して通常の金属粉を囲むマトリックスを形成するため、低温での焼結が可能となる。
【００３２】
金属粉の金属材料としては金属ナノ粒子と同様のものが挙げられ、Ａｇ、Ａｕ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｃｏ、Ｗ、Ｍｏ等である。そして、金属ナノ粒子と金属粉との混合比は、金属ナノ粒子１００質量部に対し１０〜１０００質量部とすることが好ましい。
【００３３】
次に本発明の半導体モジュール用セラミックス回路基板の製造方法について説明する。本発明の半導体モジュール用セラミックス回路基板は、例えば以下のようにして製造することができる。すなわち、図１に示すように、まずセラミックス基板１の表面に溶剤等に分散させた上記金属ナノ粒子を塗布し、金属ナノ粒子を含有する層６を形成させる。
【００３４】
本発明において、金属ナノ粒子は、金属ナノ粒子を独立して分散させるための有機物質と化学的に結合した状態で用いることが好ましい。ここで、金属ナノ粒子を独立して分散させるための有機物質は、金属ナノ粒子から有機物質を解離させる有機物質と加熱により反応し、燃焼により金属成分だけが残存する。この反応に必要な温度は１００℃〜３００℃であり、より好ましくは２００℃〜３００℃である。
【００３５】
また金属ナノ粒子には、必要に応じて揮発性有機溶剤、揮発性のバインダーなどを更に添加して、ペーストとして用いることが好ましい。
【００３６】
金属ナノ粒子の塗布方法としては、スクリーン印刷、インクジェット法等が挙げられ特に限定はない。
【００３７】
金属ナノ粒子を含有する層の厚みは、０．１〜１００μｍとすることが好ましく、より好ましくは０．５〜１０μｍである。
【００３８】
そして、セラミックス基板１の両面の上記金属ナノ粒子を含有する層６，６上に、それぞれ金属板７，８を積層させた後、所定温度で加熱処理を行い、金属ナノ粒子を含有する層６，６を焼結させて、セラミックス基板１と金属板７，８とを接合する。
【００３９】
加熱処理温度は、使用した有機物質の燃焼温度よりも１０〜１００℃ほど高い温度とすることが好ましく、より好ましくは１００〜３００℃であり、更に好ましくは２００〜３００℃である。また、加熱処理時間は、１〜１００分とすることが好ましく、１０〜６０分とすることがより好ましい。なお、加熱処理は、１〜１０ＭＰａの高圧下、あるいは０．０１〜１Ｐａの低圧下で行ってもよい。加熱処理を前記高圧下あるいは低圧下にて行うことにより比較的低温かつ短時間での接合が可能となる。
【００４０】
そして、セラミックス基板上で、半導体素子等を搭載させる側は、各半導体素子同士を絶縁する必要があるため、金属ナノ粒子を塗布する前あるいは塗布後にマスク等でパターンニングを施す。
【００４１】
このようにして得られたセラミックス回路基板は、金属板７，８の厚みを１ｍｍ以上とし、かつ、セラミックス基板１の厚みを０．６ｍｍ以下としてもクラックや反りが生じることがない。また、金属板７，８を厚膜とすることができるので、従来のセラミックス回路基板のように放熱基板を必要としない。更には、パワー半導体モジュール等の熱容量の大きい大電流タイプの半導体モジュールの場合、アルミ等でできた冷却用フィンに設置する必要があるが、反りがないため、冷却用フィンに密着して固定することができ、放熱効果が極めて良好である。なお、半導体素子を実装する回路パターンとはならない方の金属板８のみを厚くしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、例えば、パワー半導体モジュールに好適に利用できるセラミックス回路基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の半導体モジュール用セラミック回路基板の製造方法を示す一例である。
【図２】従来の半導体モジュール用セラミック回路基板の一例である。
【図１】
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【図２】
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