(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化アルミニウム基板の少なくとも一方の表面側に、銅又は銅合金からなる導体層を積層してなる金属セラミック接合基板であって、
前記窒化アルミニウム基板と導体層との間に、窒化チタン、窒化ジルコニウム及び窒化ハフニウムからなる群から選択される少なくとも一種の化合物を含む接合層が介在し、該接合層の介在下で、前記窒化アルミニウム基板と導体層とが接合されてなり、
厚み方向で、導体層と接合層との界面から窒化アルミニウム基板側に向かって、２００ｎｍ離れた位置における銅の濃度が、８×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上である金属セラミック接合基板。
【請求項２】
前記接合層の厚みが５００ｎｍ以上かつ５０００ｎｍ以下である請求項１に記載の金属セラミック接合基板。
【請求項３】
前記導体層から接合層側への銅の拡散距離が、該導体層と接合層との界面から厚み方向に沿って測って２００ｎｍ以上である請求項１または２に記載の金属セラミック接合基板。
【請求項４】
前記接合層中の酸素濃度が３×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上である請求項１〜３のいずれか一項に記載の金属セラミック接合基板。
【請求項５】
前記窒化アルミニウム基板と導体層とのピール強度が、０．４ｋＮ／ｍ以上である請求項１〜４のいずれか一項に記載の金属セラミック接合基板。
【請求項６】
前記窒化アルミニウム基板を、曲げ強度が３００ＭＰａ以上であり、表面粗さＲａが０．１μｍ以上かつ５μｍ以下であり、表面における１μｍ以上の欠陥が１０個／ｍｍ2以下であるものとしてなる請求項１〜５のいずれか一項に記載の金属セラミック接合基板。
【請求項７】
前記導体層を構成する銅又は銅合金の導電率がＩＡＣＳ８０％以上であり、該導体層の厚みが１０μｍ以上かつ２００μｍ以下である請求項１〜６のいずれか一項に記載の金属セラミック接合基板。
【請求項８】
厚み方向で、窒化アルミニウム基板と接合層との界面から導体層側に向かって、４００ｎｍ離れた位置における窒素の濃度が、２×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上である請求項１〜７のいずれか一項に記載の金属セラミック接合基板。
【請求項９】
前記接合層中の、チタン、ジルコニウム及び／又はハフニウムの含有量が、該接合層の厚み方向の中間領域にピークを有するとともに、該中間領域から、厚み方向で導体層側及び窒化アルミニウム基板側のそれぞれに向かうに従い減少してなる請求項１〜８のいずれか一項に記載の金属セラミック接合基板。
【請求項１０】
車載用又は民生機器搭載用のパワー半導体素子が搭載されるパワーモジュール用基板としてなる請求項１〜９のいずれか一項に記載の金属セラミック接合基板。
【請求項１１】
前記導体層に回路パターンが形成された金属回路基板としてなる請求項１〜９のいずれか一項に記載の金属セラミック接合基板。
【請求項１２】
ＬＥＤ用基板としてなる請求項１〜９のいずれか一項に記載の金属セラミック接合基板。
【請求項１３】
ＭＥＭＳ用基板としてなる請求項１〜９のいずれか一項に記載の金属セラミック接合基板。
【請求項１４】
マルチコアＭＣＵに用いられる請求項１〜９のいずれか一項に記載の金属セラミック接合基板。
【請求項１５】
窒化アルミニウム基板の少なくとも一方の表面側に、銅又は銅合金からなる導体層を積層してなる金属セラミック接合基板を製造する方法であって、
窒化アルミニウム基板又は導体層の、少なくとも一方の表面上に、チタン、ジルコニウム及びハフニウムからなる群から選択される少なくとも一種を、スパッタリング法又は蒸着法により、膜厚が３００ｎｍ以上になるまで成膜し、その後、成膜した薄膜層上に、導体層又は窒化アルミニウム基板を、真空又は不活性ガス雰囲気の下、６００℃以上かつ１０００℃以下の温度条件で、０．１ＭＰａ以上かつ１０ＭＰａ以下の加圧力の作用により圧着させて、前記窒化アルミニウム基板と導体層とを接合し、
厚み方向で、導体層と接合層との界面から窒化アルミニウム基板側に向かって、２００ｎｍ離れた位置における銅の濃度が、８×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上である金属セラミック接合基板を製造する、金属セラミック接合基板の製造方法。
【請求項１６】
前記窒化アルミニウム基板と導体層とを接合する際の温度を、６００℃以上かつ９５０℃以下とする請求項１５に記載の金属セラミック接合基板の製造方法。
【請求項１７】
前記スパッタリング法又は蒸着法による成膜の際に用いられるチタン、ジルコニウムおよびハフニウム原料中の酸素濃度が、１５０ｗｔｐｐｍ以上であることを特徴とする請求項１５または１６に記載の金属セラミック接合基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、窒化アルミニウム基板の少なくとも一方の表面側に、銅又は銅合金からなる導体層を積層してなる金属セラミック接合基板及び、その製造方法に関するものであり、特には、微細な回路パターンの形成を可能にするとともに、パワーモジュール用基板として用いる場合に導体層上に搭載され得る半導体素子から生じる熱を有効に放散させることのできる技術を提案するものである。
【背景技術】
【０００２】
民生機器用や、ガソリン自動車、電気自動車その他の車載用等として採用されることのあるパワーモジュール用基板は、セラミック基板をベース板上に固定配置するとともに、導体層上にパワートランジスタ等の半導体素子が搭載されて使用に供されるものであり、使用に際し、半導体素子が発する高熱をベース板に伝導させて、その熱を速やかに放散することが求められる。
【０００３】
この種の金属セラミック接合基板は通常、銅等からなる導体層を、セラミック基板としてのアルミナ基板上に直接接合させたものが用いられているが、近年は、半導体素子やＬＥＤ素子の発熱量が増加する傾向にあることから、セラミック基板として、アルミナ基板よりも熱伝導性に優れた窒化アルミニウム基板が使用されるようになってきている。
【０００４】
ここで、導体層を構成する銅等の窒化物の形成は力学的に不安定であるので、窒化アルミニウム基板と導体層との直接接合は困難である。
そのため、金属セラミック接合基板のセラミック基板として、窒化アルミニウム基板を用いる場合は、窒化アルミニウム基板と導体層との間に、銀等の活性金属を含むろう材を介在させることで、それらの接合を実現している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述したように、窒化アルミニウム基板と導体層との間に、銀を含むろう材を介在させることにより、それらを接合させて、金属セラミック接合基板を製造した場合は、窒化アルミニウム基板と導体層とを強固に接合させるために、銀ろう材の厚みを比較的厚くせざるを得ないが、銀ろう材の厚みが厚くなると、たとえばピッチ１００μｍ以下の微細な回路パターンの形成が困難になるという問題があった。
また、このようにろう材の厚みを厚くすると、使用に際し、厚みのあるろう材が、半導体素子で生じる熱の放散を阻害し、金属セラミック接合基板による所要の放熱性能を確保できないことがあった。
【０００６】
この発明は、従来技術が抱えるこのような問題を解決することを課題とするものであり、それの目的とするところは、窒化アルミニウム基板と導体層とを、比較的薄い厚みの接合層によって有効に接合させることにより、微細な回路パターンを形成可能とし、また所要の放熱性能を発揮することのできる金属セラミック接合基板及び、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】
【０００７】
発明者は、窒化アルミニウムと銅又は銅合金とを強固に接合することのできる材料を鋭意検討し、チタン、ジルコニウム、ハフニウムがアルミニウムよりも窒化物として安定すること、及び、チタン、ジルコニウム、ハフニウムが銅ないし銅合金と少量固溶することに着目して、これらの材料が、窒化アルミニウム基板と導体層との接合層として極めて有効であることを見出した。
【０００８】
そして、窒化アルミニウム基板と導体層とを、チタン、ジルコニウム及び／又はハフニウムの薄膜層の介在下でホットプレス等することで、製造された金属セラミック接合基板では、窒化アルミニウム基板に含まれる窒素及び、導体層に含まれる銅のそれぞれが、上記の薄膜層側に拡散するとともに化合物となって接合層を形成することにより、比較的薄い接合層で、窒化アルミニウム基板と導体層とが強固に接合されるとの知見を得た。
【０００９】
このような知見に基き、この発明の金属セラミック接合基板は、窒化アルミニウム基板の少なくとも一方の表面側に、銅又は銅合金からなる導体層を積層してなる金属セラミック接合基板であって、前記窒化アルミニウム基板と導体層との間に、窒化チタン、窒化ジルコニウム及び窒化ハフニウムからなる群から選択される少なくとも一種の化合物を含む接合層が介在し、該接合層の介在下で、前記窒化アルミニウム基板と導体層とが接合されてなり、厚み方向で、導体層と接合層との界面から窒化アルミニウム基板側に向かって、２００ｎｍ離れた位置における銅の濃度が、８×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上であるものである。尚、本発明における窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウムとは、窒素と、チタン、及び又は、ジルコニウム、及び又は、ハフニウム、との化合物を意味しており、必ずしも、窒素と上記金属との組成が１：１である化合物のみを意味するものではない。
【００１０】
ここで、この発明の金属セラミック接合基板では、前記接合層の厚みが５００ｎｍ以上かつ５０００ｎｍ以下であること、前記導体層から接合層側への銅の拡散距離が、該導体層と接合層との界面から厚み方向に沿って測って２００ｎｍ以上であること、及び、前記接合層中の酸素濃度が３×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上であることがそれぞれ好ましい。
【００１１】
またここで、この発明の金属セラミック接合基板では、前記窒化アルミニウム基板と導体層とのピール強度は、０．４ｋＮ／ｍ以上であることが好ましい。さらに、窒化アルミニウム基板と導体層とのピール強度は、０．６ｋＮ／ｍ以上であることがより好ましい。
そしてまた、前記窒化アルミニウム基板を、曲げ強度が３００ＭＰａ以上であり、表面粗さＲａが０．１μｍ以上かつ５μｍ以下であり、表面における１μｍ以上の欠陥が１０個／ｍｍ2以下であるものとすることが好ましい。
【００１２】
またここでは、前記導体層を構成する銅または銅合金の導電率がＩＡＣＳ８０％以上であること、及び、該導体層の厚みが１０μｍ以上かつ２００μｍ以下であることが好適である。
【００１３】
この金属セラミック接合基板では、接合層の厚み方向で、窒化アルミニウム基板と接合層との界面から導体層側に向かって、４００ｎｍ離れた位置における窒素の濃度が、２×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上であることが好ましい。
【００１４】
そしてまた、前記接合層中の、チタン、ジルコニウム及び／又はハフニウムの含有量は、該接合層の厚み方向の中間領域にピークを有し、該中間領域から厚み方向で導体層側及び窒化アルミニウム基板側のそれぞれに向かうに従い減少していることが好ましい。
【００１５】
以上に述べたような金属セラミック接合基板は、車載用又は民生機器搭載用のパワー半導体素子が搭載されるパワーモジュール用基板であること、前記導体層に回路パターンが形成された金属回路基板であること、ＬＥＤ用基板であること、ＭＥＭＳ用基板であることが好適である。また、この発明の金属セラミック接合基板は、マルチコアＭＣＵに用いられるものであることが好ましい。
【００１６】
またこの発明の金属セラミック接合基板の製造方法は、窒化アルミニウム基板の少なくとも一方の表面側に、銅又は銅合金からなる導体層を積層してなる金属セラミック接合基板を製造する方法であって、窒化アルミニウム基板又は導体層の、少なくとも一方の表面上に、チタン、ジルコニウム及びハフニウムからなる群から選択される少なくとも一種を、スパッタリング法又は蒸着法により、膜厚が３００ｎｍ以上になるまで成膜し、その後、成膜した薄膜層上に、導体層又は窒化アルミニウム基板を、真空又は不活性ガス雰囲気の下、６００℃以上かつ１０００℃以下の温度条件で、０．１ＭＰａ以上かつ１０ＭＰａ以下の加圧力の作用により圧着させて、前記窒化アルミニウム基板と導体層とを接合し、厚み方向で、導体層と接合層との界面から窒化アルミニウム基板側に向かって、２００ｎｍ離れた位置における銅の濃度が、８×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上である金属セラミック接合基板を製造することにある。
【００１７】
この製造方法で好ましくは、前記窒化アルミニウム基板と導体層とを接合する際の温度を、６００℃以上かつ９５０℃以下とする。
また、この製造方法で好ましくは、前記スパッタリング法又は蒸着法による成膜の際に用いられるチタン、ジルコニウムおよびハフニウム原料中の酸素濃度が、１５０ｗｔｐｐｍ以上である。
【発明の効果】
【００１８】
この発明の金属セラミック接合基板によれば、窒化アルミニウム基板と導体層との間に、窒化チタン、窒化ジルコニウム及び／又は窒化ハフニウムを含む接合層が介在することより、従来技術の銀ろう材に比して薄い厚みの接合層で構成でき、該接合層により、半導体素子から発生する熱を、有効に放散することができ、その結果として、放熱性能を大きく高めることができる。さらに、窒化アルミニウム基板と導体層とを強固に接合することができるので、微細な回路のパターニングが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】この発明の金属セラミック接合基板の一実施形態を示す概略断面図である。
【図２】この発明の金属セラミック接合基板の一例における各元素の含有量の、厚み方向の分布を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、この発明の実施の形態について詳細に例示して説明する。
この発明の金属セラミック接合基板１は、図１に概略的に示すように、窒化アルミニウム基板２の少なくとも一方の表面側に、銅又は銅合金からなる導体層３を積層して構成されるものであって、前記窒化アルミニウム基板２と導体層３との間に、窒化チタン、窒化ジルコニウム及び窒化ハフニウムからなる群から選択される少なくとも一種の化合物を含む接合層４が介在し、かかる接合層４の介在下で、前記窒化アルミニウム基板２と導体層３とが接合されたものである。
なお、図示の実施形態では、窒化アルミニウム基板２の一方の表面だけに、導体層３を積層させているが、図示は省略するが、窒化アルミニウム基板の両面のそれぞれに導体層を積層させたものとすることも可能である。
【００２１】
ここで、上記の導体層３は、回路パターンが形成され得るものであって、純銅又は銅合金からなるものである。
導体層３を純銅で構成する場合、タフピッチ銅、脱酸銅又は、無酸素銅等を用いることができる。
一方、導体層３を銅合金からなるものとする場合、この銅合金は、銅の他、銀、錫及びジルコニウムから選択される少なくとも一種を、二種以上の場合は合計で０．０５重量％以上かつ０．３重量％以下で含有するものとすることができる。好ましくは、上記の銅合金はＣｕ−０．１重量％Ｚｒ合金またはＣｕ−０．１２重量％Ｓｎ合金とする。
【００２２】
またここで、窒化アルミニウム基板２は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を主成分とするセラミック基板であり、この窒化アルミニウム基板２中の窒化アルミニウムの濃度は、たとえば、９０重量％〜９９．５重量％とすることができる。窒化アルミニウム２は、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）等に比して熱伝導性に優れ、しかも熱膨張率が低いことから、この種の金属セラミック接合基板のセラミック基板として用いることが有効である。
窒化アルミニウム基板２は、窒化アルミニウムの他、Ｃａ、Ｙ及びОからなる群から選択される一種以上の元素を含有することができ、この場合、Ｃａ、Ｙ及びОの濃度は合計で、０．５重量％〜１０重量％とすることができる。
【００２３】
このような窒化アルミニウム基板２に含まれる窒素は、導体層３に含まれる銅と結びついて窒化物を形成した場合に熱力学的に不安定であることから、窒化アルミニウム基板２と導体層３とを直接的に接合することは困難である。
それ故に、この発明の金属セラミック接合基板１では、窒化アルミニウム基板２と導体層３との間に、窒化チタン、窒化ジルコニウム及び窒化ハフニウムからなる群から選択される少なくとも一種の化合物を含む接合層４を介在させることとし、この接合層４が、窒化アルミニウム基板２と導体層３とを強固に接合するべく機能する。
【００２４】
図２に、この発明の金属セラミック接合基板の一例の各元素の含有量の、厚み方向の分布を例示する。
この図２は、厚み０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム基板２と、タフピッチ銅からなる厚み３３μｍの導体層３との間に、窒化チタンを含む厚み５００ｎｍの接合層４を介在させた金属セラミック接合基板１で、その厚み方向に沿う断面で、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ：Electron Probe Micro Analyser）を用いて、各元素の厚み方向の相対的な量の大小を調べ、厚み方向に沿う各元素の存在プロファイルを示したものであり、ここでは、横軸に厚み方向の位置を示し、縦軸に各元素のＥＰＭＡでのカウント数を示している。
【００２５】
また、本発明において、製造された金属セラミック接合基板中の不純物濃度の定量分析は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ：Secondary Ion Mass Spectrometry）を用いて行われた。
【００２６】
この発明では、後述するような製造方法等によって金属セラミック接合基板１を製造することで、図２に示す金属セラミック接合基板１のように、導体層３に含まれる銅が、図２の二本の破線の間に挟まれる接合層４の領域に拡散していることが好ましい。
この場合、接合層４の銅が存在する領域では、チタン等と銅との化合物が形成されていると解され、これが、窒化アルミニウム基板２と導体層３との接合に有効に寄与すると考えられる。
【００２７】
なおここで、接合層４の厚みとは、金属セラミック接合基板１の厚み方向で、チタン、ジルコニウム及び／又はハフニウムが存在する領域の長さを意味する。従って、接合層４の界面は、金属セラミック接合基板１の厚み方向で、チタン、ジルコニウム及び／又はハフニウムが存在する最も導体層３側及び最も窒化アルミニウム基板２側の位置を意味する。
【００２８】
またこの発明では、図２に示す一例のように、窒化アルミニウム基板２に含まれる窒素が拡散して、窒素が接合層４の領域に存在すること等により、接合層４には、当該窒素とチタン、ジルコニウム及び／又はハフニウムとの化合物である窒化チタン、窒化ジルコニウム及び／又は窒化ハフニウムが含まれる。
より詳細には、窒素は、金属セラミック接合基板１の厚み方向で、窒化アルミニウム基板２と接合層４との界面から導体層側に向かって、４００ｎｍ離れた位置における窒素の濃度が２×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上であることが好ましい。なお、窒化アルミニウム基板２と接合層４との界面から４００ｎｍ離れた位置における窒素の濃度は、たとえば、５×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3とすることができる。
【００２９】
窒化アルミニウム基板２に含まれる窒素が接合層４に拡散することで、接合層４の窒素が存在する領域では、窒化チタン、窒化ジルコニウム及び窒化ハフニウムのうちの少なくとも一種の化合物が形成されて、窒化アルミニウム基板２と導体層３とを強固に接合することができる。
【００３０】
また図２に示すところでは、接合層４中のチタンは、窒化アルミニウム基板２側及び導体層３側のそれぞれに拡散したことによって、接合層２の厚み方向の中間領域、この場合は略中央付近に含有量のピークを有するとともに、窒化アルミニウム基板２側及び導体層３側のそれぞれに向かうに従って、含有量が次第に減少している。これは、接合層４の、導体層３に隣接する領域では、接合層４側に拡散した銅とチタンとの化合物が形成されており、また、接合層４の、窒化アルミニウム基板２に隣接する領域では、接合層４側に拡散した窒素と窒化チタンが形成されていることによるものと考えられ、それにより、窒化アルミニウム基板２と導体層３との接合が強固になると解される。
そのため、この発明の金属セラミック接合基板１では、接合層４中の、チタン、ジルコニウム及び／又はハフニウムの含有量は、接合層４の厚み方向の中間領域にピークを有し、該中間領域から厚み方向で導体層側及び窒化アルミニウム基板側のそれぞれに向かうに従い減少していることが好ましい。
ここでいう中間領域は、窒化アルミニウム基板２と接合層４との界面および、導体層３と接合層４との界面を含まない接合層４の厚み方向の領域であり、たとえば、窒化アルミニウム基板２側のチタン濃度が２×１０21ａｔｏｍｓ／ｃｍ3となる位置と、導体層側のチタン濃度が５×１０21ａｔｏｍｓ／ｃｍ3となる位置との間の領域を意味するものとすることができる。
【００３１】
以上に述べたような接合層４では、従来の銀ろう材に比して薄い厚みで、窒化アルミニウム基板２と導体層３とを有効に接合させることができ、且つ、窒化アルミニウム基板２と導体層３とのピール強度を、回路基板として要求される十分な強度を確保するため、チタン、ジルコニウム及び／又はハフニウムが存在する領域の厚み方向の長さである接合層４の厚みが、５００ｎｍ以上かつ５０００ｎｍ以下であることが好ましく、またこの場合、導体層３から接合層４への銅の拡散距離は、該導体層３と接合層４との界面から窒化アルミニウム基板２に向けて測って２００ｎｍ以上であることが好ましい。
言い換えれば、接合層４の厚みが５００ｎｍより薄く、銅の拡散距離が２００ｎｍより小さい場合は、回路基板として要求される所要のピール強度が得られない可能性があり、使用時の熱サイクルによって導体層３が剥離することが懸念される。
【００３２】
このように、銅が、導体層３と接合層４との界面から、窒化アルミニウム基板２側に向けて２００ｎｍ以上離れて拡散している場合、導体層３と接合層４との界面から窒化アルミニウム基板２側に向かって、２００ｎｍ離れた位置における接合層４中の銅の濃度は、８×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上であることが好適である。
【００３３】
それにより、導体層３から接合層４へと拡散した銅が、接合層４のチタン、ジルコニウム及び／又はハフニウムとの化合物を形成して、窒化アルミニウム基板２と導体層３との十分強固な接合を実現することができる。なお、接合層４の厚みは、５０００ｎｍ以下とすることが、微細な回路パターンの形成を可能にするとの観点から好ましい。より好ましくは、接合層４の厚みを、５００ｎｍ〜３０００ｎｍ、特に、８００ｎｍ〜２０００ｎｍとする。
接合層４中の酸素濃度が低いと上記のピール強度が低下することがあるので、この酸素濃度は、３×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3以上とすることが好ましい。一方、酸素の上限は１×１０22ａｔｏｍｓ／ｃｍ3とすることが好適である。
【００３４】
また、窒化アルミニウム基板２の少なくとも導体層３が積層される表面の表面粗さＲａ（算術平均粗さＲａ）は、ＪＩＳ  Ｂ０６０１に準拠して測定して、０．１μｍ以上かつ５μｍ以下とすることが好ましい。これはすなわち、窒化アルミニウム基板２の当該表面の表面粗さＲａが小さすぎると、ピール強度が小さくなって所要の接合力を確保し得ない可能性があり、また、当該表面の表面粗さＲａが大きすぎると、該表面が粗くなって回路をパターニングする際の精度低下のおそれがあるからである。
【００３５】
このようにして、窒化アルミニウム基板２と導体層３とを強固に接合することができるが、具体的には、窒化アルミニウム基板２と導体層３とのピール強度は、０．４ｋＮ／ｍ以上であることが好ましい。さらに、窒化アルミニウム基板２と導体層３とのこのピール強度は、０．６ｋＮ／ｍ以上であることがより好ましい。
このピール強度は、ＪＩＳ  Ｃ６４８１に定義される引き剥がし強さを意味する。
【００３６】
ところで、この種の金属セラミック接合基板１は、後述する製造方法のように、チタン、ジルコニウム及び／又はハフニウムを介して、窒化アルミニウム基板２と導体層３とを接合する際にホットプレスした場合、窒化アルミニウム基板２と導体層３との熱膨張差に起因して、その接合時に基板が反ったり、割れたりすることがある。
また、金属セラミック接合基板１は、その使用時に、導体層３上に搭載される図示しない半導体素子から繰り返し熱が伝導することによる熱サイクルの影響を受けることになり、この際に剥離が生じる場合もある。
【００３７】
このことに対処するため、窒化アルミニウム基板２の曲げ強度は、ＪＩＳ  Ｒ１６９２に準拠して測定して、３００ＭＰａ以上とすることが好ましい。それにより、熱膨張差に起因する基板の割れや剥離を有効に防止することができる。
【００３８】
また、このような熱膨張差による基板の反りや割れを防止するため、導体層３の厚みは、２００μｍ以下とすることが好適である。
一方、導体層３の厚みが薄すぎると、接合層４の影響によって配線の導電率が低下する可能性がある。このため、導体層３の厚みは、１０μｍ以上とすることが好ましい。なお、導体層３を構成する銅または銅合金の導電率は、ＩＡＣＳ８０％以上であれば導体層として有効に機能することができる。この導電率は、ＪＩＳ  Ｈ０５０５に基いて測定することができる。
【００３９】
なおここで、窒化アルミニウム基板２の表面に１μｍ以上の欠陥が多数存在すると、微細パターニングで配線欠陥が生じるおそれがある。
そのため、窒化アルミニウム基板２の表面における１μｍ以上の欠陥は、１０個／ｍｍ2以下であることが好ましい。ここで、欠陥とは、ポア（pore）またはボイド（void）、脱粒のことをいい、形状は、鏡面研磨した窒化アルミニウム基板の表面上に、大きさが長辺１μｍ以上であり、微小な凹み形状をした空隙である。また欠陥密度は、１０００倍の視野でＳＥＭ観察して、欠陥の個数をカウントし、ＳＥＭの視野面積から、１ｍｍ2当たりの欠陥数に換算して求めることができる。
【００４０】
以上に述べたような金属セラミック接合基板１を製造するに当っては、はじめに、窒化アルミニウム基板の少なくとも一方の表面上に、チタン、ジルコニウム及びハフニウムからなる群から選択される少なくとも一種の単体元素を、スパッタリング法又は蒸着法により成膜させる。
ここでは、スパッタリング、イオンプレーティング又は真空蒸着等の公知の方法を用いて、窒化アルミニウム基板の表面上に、チタン、ジルコニウム及び／又はハフニウムの薄膜層を生成することができる。
スパッタリング法又は蒸着法は、窒化アルミニウム基板の表面上のこの薄膜層の膜厚が３００ｎｍ以上となるまで実施する。
ここで、上記のスパッタリング法又は蒸着法では、窒化アルミニウム基板の表面への成膜に用いるチタン、ジルコニウムおよびハフニウム原料中の酸素濃度を、１５０ｗｔｐｐｍ以上とすることが、ピール強度の向上の観点から好ましい。これはすなわち、酸素が存在すると窒化アルミニウム基板中の窒素との置換反応が促進されて、ＡｌＮがＡｌ2Ｏ3となり、吐き出された窒素がＴｉＮを形成する。従って、ここでの酸素が少ないと、製造された金属セラミック接合基板で窒素の接合層への拡散が不十分となり十分なピール強度が得られないことが懸念される。一方、酸素が多すぎると窒素と酸素の反応によりＮＯｘが生成し境界部にガス溜りができ、剥離が生じる可能性がある。
【００４１】
しかる後は、窒化アルミニウム基板の表面上に成膜した上記の薄膜層上に、銅又は銅合金からなる導体層を押圧して圧着させる。
この圧着は、真空又は不活性ガスの雰囲気の下、温度６００℃〜１０００℃、好ましくは６００℃〜９５０℃で行うものとし、重ね合せた窒化アルミニウム基板と導体層の両側から、０．１ＭＰａ〜１０ＭＰａの加圧力を作用させる。
【００４２】
このようなホットプレスにより、図２に例示する金属セラミック接合基板のように、導体層に含まれる銅が、チタン、ジルコニウム及び／又はハフニウムの薄膜層側に拡散するとともに、窒化アルミニウム基板に含まれる窒素が、当該薄膜層側に拡散し、さらに、薄膜層のチタン、ジルコニウム及び／又はハフニウムが窒化アルミニウム基板側及び導体層側のそれぞれに拡散することになる。
それにより、導体層側では銅とチタン、ジルコニウム及び／又はハフニウムとの化合物が、また窒化アルミニウム基板側では窒化チタン、窒化ジルコニウム及び／又は窒化ハフニウムがそれぞれ存在する接合層が形成される。
【００４３】
その結果として、それぞれの界面での拡散作用に起因する化合物の形成により、接合層の厚みがそれほど厚くなくとも、導体層と窒化アルミニウム基板とが強固に接合された金属セラミック接合基板を製造することができ、微細な回路パターンの形成が可能になる。
それ故に、この発明の金属セラミック接合基板は、セラミック基板をベース板上に固定配置するとともに、導体層上にパワートランジスタ等の半導体素子が搭載されて使用されるパワーモジュール用基板として用いることが好適である。
なお、回路パターンの形成方法は特に限定されるものではないが、たとえば、フォトレジスト工程を利用し、マスクパターンを形成して、不要金属箔部分をエッチングで除去して作製すること等により、回路パターンを形成することが可能である。
【００４４】
この発明の金属セラミック接合基板は、車載用又は民生機器ないし工作機械搭載用のパワー半導体素子が搭載されるパワーモジュール用基板とすることの他、たとえば液晶のバックライト向けのＬＥＤ（Light Emitting Diode）や、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）、モバイル機器のＲＦ（Radio Frequency）モジュール、スイッチングモジュール、アンテナスイッチモジュール、ＰＡ（Power Amplifier）モジュール、フィルタモジュール用の基板とすることができる。
このパワー半導体モジュールとしては、たとえば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳ−ＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）モジュール等を挙げることができる。
また、この発明の金属セラミック接合基板は、複数の演算装置（ＣＰＵ）を搭載し、たとえばパワートレイン・システムその他の車両システム等で使用され得るマルチコアＭＣＵ（Micro Control Unit）に用いることもできる。
【実施例】
【００４５】
次に、金属セラミック接合基板を試作し、その性能を確認したので以下に説明する。但し、ここでの説明は、単なる例示を目的としたものであり、それに限定されることを意図するものではない。
【００４６】
この発明の製造方法に従う実施例１〜３、６、７、１０、１１、２０〜２５、２７、２８の方法により、窒化アルミニウム基板と導体層とを、それらの間に窒化チタンを含む接合層を介在させて接合させ、表１に示す各金属セラミック接合基板を得た。実施例１〜３、６、７、１０、１１、２０〜２５、２７、２８の製造方法の条件を表２に示す。また、この発明の製造方法の条件から外れる比較例１〜３８の方法により、表３及び表１に示す各金属セラミック接合基板を得た。比較例１〜２５の製造方法の条件を表４及び表２に示す。
なおここで、表１〜４から、接合層中の銅の拡散距離は、ホットプレス時の温度によって変化することが解かる。
【００４７】
実施例１〜３、６、７、１０、１１、２０〜２５、２７、２８の及び比較例１〜３８の方法により製造した上記の各金属セラミック基板に対し、ＪＩＳ  Ｂ０６０１に従ってピール強度試験を行い、それらのピール強度を測定した。このピ−ル強度試験は具体的には、銅板の一端部が基板の外部に５ｍｍ程度突出するように、また、接合面積を１０ｍｍ×１０ｍｍとして接合し、これを５０ｍｍ／ｍｉｎの速度で９０度上方に引っ張り上げるのに要する単位幅当りの力（剥離強度）を算出し、評価した。
【００４８】
また、実施例１〜３、６、７、１０、１１、２０〜２５、２７、２８及び比較例１〜３８の方法により製造した各金属セラミック基板に対し、インターバル５秒で、−４０℃〜１２０℃の低温および高温による熱サイクルを、３００回繰り返し与えた後、蛍光探傷検査を行って、実施例１〜３、６、７、１０、１１、２０〜２５、２７、２８及び比較例１〜３８の方法により製造した各基板の反りおよび割れもしくは剥がれを調査した。
これらの試験結果も表２及び表４に示す。表２及び表４中、熱サイクル後の基板の反りおよび割れもしくは剥がれの項目における「○」は、上述した熱サイクル後に基板の反りないし割れ、剥がれが生じなかったことを示し、また、同項目における「×」は、熱サイクル後に反りないし割れ、剥がれが生じたことを示す。この項目における「−」は評価不能であったことを示す。
【００４９】
【表１】
0006456676.tif 000002
【００５０】
【表２】
0006456676.tif 000003
【００５１】
【表３】
0006456676.tif 000004
【００５２】
【表４】
0006456676.tif 000005
【００５３】
表２及び４に示す結果から、実施例１〜３、６、７、１０、１１、２０〜２５、２７、２８の方法及び比較例１〜１０、２６〜３８の方法により製造した金属セラミック接合基板はいずれも、接合層に窒化チタン、窒化ジルコニウム又は窒化ハフニウムが含まれることから、接合層に銀が含まれる比較例１３〜２５の方法により製造した金属セラミック接合基板よりも大きなピール強度が発揮されていることが解かる。また、実施例１〜３、２０〜２４、２８の方法及び比較例２６、２７、３０〜３８の方法による金属セラミック接合基板は、接合層厚みが５００ｎｍないし４５０ｎｍと薄いものの、比較例１３〜２５の方法による金属セラミック接合基板よりも十分大きなピール強度が発揮されている。
【００５４】
なお、比較例１１及び１２は、ホットプレス時の温度が１０３０℃を超えていて当該温度が高すぎるか、又は、ホットプレス時の加圧力が１５ＭＰａと大きすぎたことに起因して、ホットプレス時に基板が割れて、金属セラミック接合基板を製造することができず、ピール強度の測定及び、熱サイクル後の基板の反り、割れ及び剥がれの評価が不可能であった。
【００５５】
また、実施例１〜３、６、７、１０、１１、２０〜２５、２７、２８の方法及び比較例２６〜３８の方法による金属セラミック接合基板はいずれも、熱サイクル後の反り、割れ及び剥がれが生じなかったが、接合層に銀が含まれる比較例１３〜２５の方法による金属セラミック接合基板は、熱サイクル後の基板の状態が良好ではなかった。
比較例５〜９、１１、１２の方法による金属セラミック接合基板は、窒化アルミニウム基板の曲げ強度が小さく、又は導体層厚みが厚いことに起因して、熱サイクル後に基板の反り、割れないし剥がれが発生した。
【００５６】
以上の結果より、この実施例１〜３、６、７、１０、１１、２０〜２５、２７、２８の製造方法によれば、熱サイクル後の基板の状態が良好で、接合層厚みを薄くしても十分大きなピール強度を有する金属セラミック接合基板を製造できることが解かった。従って、これらの金属セラミック接合基板では、接合層の厚みを減少させることによって、放熱性能を有効に高め、また微細な回路パターンを形成することが可能になる。
【符号の説明】
【００５７】
１  金属セラミック接合基板
２  窒化アルミニウム基板
３  導体層
４  接合層
【図１】
0006456676.tif 000006
【図２】
0006456676.tif 000007