(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板の両面に銅板を接合してなるセラミックス回路基板において、セラミックス基板と銅板を接合した後の銅板断面８００×３００μｍの視野における銅の結晶配向率が８０％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】
接合後の銅平均粒子径が１００μｍ以下且つ、結晶配向率が９５％以上であ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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐熱性に優れるセラミックス回路基板に関する。
【０００２】
パワーモジュール等に利用される回路用基板として、熱伝導率やコスト、安全性等の点から、アルミナ、窒化ケイ素、窒化アルミニウム等のセラミックス基板が利用されている。これらのセラミックス基板は、両主面にＣｕやＡｌ等の金属回路や放熱板を接合しセラミックス回路基板として用いられる。
【０００３】
近年、省エネルギー化への需要の高まりやエレクトロニクス技術の発展に伴い、パワーモジュールの小型化、高出力化が求められており、従来のＳｉ半導体に変わる材料としてＳｉＣ半導体の開発が進められている。
【０００４】
ＳｉＣ半導体を搭載したパワーモジュールでは、Ｓｉデバイスより高温での動作が可能であり、モジュールを構成する材料には−４０℃〜２５０℃での耐熱サイクル性を要求される。
【０００５】
−４０℃〜２５０℃の熱サイクルにおいて、セラミックス基板と銅板の熱膨張差に起因する応力歪みが粒界に蓄積し、銅板表面では粒界ずれが発生するため熱サイクルの経過に伴い表面粗さが増加する。
【０００６】
セラミックス回路基板の銅板の表面粗さが増加すると、ＳｉＣを接合するための半田との接合性が低下し、モジュールが正常に動作しなくなることが懸念されている。
【０００７】
この課題に対し、銅板の厚みを薄くすることで熱サイクルの経過に伴う表面粗さの増加率を抑制することが可能であるが、長期の熱サイクルにおいて表面粗さは増加するため十分に解決されたとは言えない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、「低炭素社会を実現する新材料パワー半導体プロジェクト」事業原簿（公開）、ｐ．III―５７２（平成２７年７月１３日）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、上記課題に鑑み、−４０℃〜２５０℃の長期熱サイクルにおいても銅板表面の平滑性に優れたセラミックス回路基板を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
セラミックス基板の両面に銅板を接合してなるセラミックス回路基板において、特定の銅板を選択することにより、セラミックス基板と銅板を接合した後の銅の結晶配向率を８０％以上であることを特徴とするセラミックス回路基板である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、長期的な−４０℃〜２５０℃の熱サイクルにおいても、銅板表面の平滑性に優れたセラミックス回路基板が提供される。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明に係るセラミックス回路基板の製造方法は特に限定されるものではなく、例えば次の方法で作製することができる。
【００１３】
セラミックス回路基板を構成する各セラミックス基板の厚さは特に限定されないが、０．２ｍｍ〜１．０ｍｍのものを用いるのが一般的である。
【００１４】
セラミックス基板の材質は、熱伝導性及び熱サイクルに対する信頼性から、窒化アルミニウム又は窒化ケイ素の焼結体であることが好ましい。
【００１５】
金属板には、圧延後の平均粒子サイズ１５μｍ以下であり、結晶配向率が５０％以上の銅板を用いるのが好ましい。銅板の厚みは、放熱性の観点から０．３ｍｍ〜１．０ｍｍのものを用いるのが好ましい。
【００１６】
セラミックス基板に回路パターン及び放熱面を形成させるには、セラミックス基板と金属板とを接合した後にエッチングする方法、金属板から打ち抜かれた回路及び放熱面のパターンをセラミックス基板に接合する方法等によって行うことができる。
【００１７】
セラミックス基板と金属板の接合には、接合材を用いない溶湯法、活性金属ろう付け法などのいずれも採用することができるが、生産性が良く、しかも比較的低温で接合ができる活性金属ろう付け法が好ましい。Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｍｇなどの金属合金がろう材として好適である。ろう材はペースト又は箔として用いられる。ろう材はセラミックス基板、または、金属板のどちらに塗布、或いは配置してもよく、箔を用いる場合は予め金属板と箔をクラッド化しておくこともできる。ろう材ペーストの塗布方法は特に限定されないが、例えばスクリーン印刷法、ロールコーター法等を採用することができる。ろう材ペーストの塗布されたセラミックス基板に金属板を配置し、真空中で熱処理することで接合できる。
【００１８】
接合体から回路パターン及び放熱面を形成するには、接合体の最上層及び最下層の金属板にエッチングレジストを塗布しエッチングする。エッチングレジストとしては、一般に使用されている紫外線硬化型や熱硬化型のものが挙げられる。また、エッチング液としては、金属板の材質が銅であるときには、塩化第２鉄溶液、塩化第２銅液、硫酸、過酸化水素水等の溶液が使用できる。エッチングによって不要な金属部分を除去したセラミックス回路基板には、塗布したろう材やその合金層・窒化物層等が残っており、ハロゲン化アンモニウム水溶液、硫酸、硝酸等の無機酸、過酸化水素水を含む溶液を用いて除去するのが一般的である。その後に、全てのエッチングレジストをアルカリ溶液によって除去する。必要に応じニッケル等のめっき処理を施すことも可能である。
【実施例】
【００１９】
［実施例１］
両面に銀、銅、チタンを含む活性金属ろう材を塗布した厚さ０．３２ｍｍの窒化ケイ素基板と、厚さ０．３０ｍｍの銅板を両面に配置し、８４０℃で１時間加熱して接合した。両面の銅板にエッチングレジストを印刷してから、塩化銅水溶液、次いで過酸化水素と酸性フッ化アンモニウムの混合液を用いてエッチングを行い、回路パターンと放熱面を形成した。次いで、エッチングレジストをアルカリ剥離液で剥離し、銅板表面にはＮｉＰメッキおよびＡｕメッキ処理を施すことでセラミックス回路基板を得た。得られたセラミックス回路基板はエスペック社製ＴＳＥ−１１−Ａ−Ｓ装置を用いて、２５０℃気槽での保持時間１８分、−４０℃気槽での保持時間１８分を１回とする熱サイクル試験を１０００回繰り返し実施した。
【００２０】
＜使用材料＞
窒化ケイ素基板：デンカ社製。寸法２８×２４ｍｍ。
銅板１：株式会社ＳＨカッパープロダクツ製無酸素銅ＯＦＣ−ＨＣ材
銅板２：ＡＵＲＵＢＩＳ社製ＤＣｕＢ１／ＰＮＡ４０１材
銅板３：三菱伸銅株式会社製無酸素銅ＯＦＣ材
【００２１】
＜評価方法＞
銅の結晶配向率：セラミックス基板と銅板を接合した後に任意の位置でセラミックス回路基板の銅板部分の断面を作製し、８００×３００μｍの視野にて加速電圧１５ｋＶの条件で電子線後方散乱分析（日立ハイテク社製ＳＵ６６００形電界放出形走査顕微鏡、ＴＳＬ社製ＥＢＳＤ）を行い、視野内の銅板部分にて結晶方位マップを作成した後、銅の結晶方位を（００１）面、（１１１面）、（１０１）面に３値化し、各方位の面積比から最も高い値を示した面の割合を結晶配向率として評価した。
銅平均粒子径：セラミックス基板と銅板を接合した後の断面ＳＥＭ画像８００×３００μｍ視野（日立ハイテク社製ＳＵ６６００形電界放出形走査顕微鏡）から、銅の粒子サイズのヒストグラムを５μｍ幅で作成し、ヒストグラムの累積５０％の値を銅平均粒子径として評価した。
表面粗さ（Ｒａ）：２５０℃での保持時間１８分、−４０℃での保持時間１８分の条件にて熱サイクル試験を１０００回実施した後の銅板メッキ後のメッキ表面粗さＲａを接触式の表面粗さ計（ミツトヨ社製２０１Ｐ）を用いて評価した。
【００２２】
【表１】
0006621353.tif 000002
【００２３】
実施例２〜３、比較例１〜２
銅板および接合温度を表１に示す条件でセラミックス基板と銅板の接合を行うことにより、結晶配向率と平均粒子径の異なるセラミックス回路基板を作製した。
【００２４】
表１よりセラミックス基板と銅板を接合した後の銅板断面において結晶の配向率が８０％以上である際に、熱サイクル１０００回後においても表面平滑性に優れたセラミックス回路基板が得られた。また、結晶の配向率の向上により熱サイクル後のＲａが低下し、結晶配向率９５％、銅平均粒子径９０μｍにて最も改善効果が高かった。