(57)【要約】【課題】超音波接合に対して優れた耐クラック性を有するセラミックス回路基板を得ること。【解決手段】セラミックス基板の一方の面に金属回路板、他方の面に金属放熱板が接合されたセラミックス回路基板であって、金属回路板の結晶粒子径が２０μｍ以上７０μｍ以下であることを特徴とするセラミックス回路基板によって上記課題を解決する。このセラミックス回路基板は、セラミックス基板の一方の面に金属回路板を、他方の面に金属放熱板をそれぞれ配置し、真空度１×１０−３Ｐａ以下、接合温度７８０℃以上８５０℃以下、保持時間１０分以上６０分以下で接合することで製造することができる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板の一方の面に金属回路板、他方の面に金属放熱板が接合されたセラミックス回路基板であって、前記金属回路板の結晶粒子径が２０μｍ以上７０μｍ以下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】
セラミックス基板が窒化アルミニウムからなる、請求項１記載のセラミックス回路基板。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のセラミックス回路基板の製造方法であって、
セラミックス基板の一方の面に金属回路板を、他方の面に金属放熱板をそれぞれ配置し、真空度１×１０−３Ｐａ以下、接合温度７８０℃以上８５０℃以下、保持時間１０分以上６０分以下で、セラミックス基板に前記金属回路板及び前記金属放熱板を接合することを特徴とする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、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】
電鉄、車両、産業機械向けといった高電圧、大電流動作を必要とするパワーモジュールには、セラミックス回路基板上に半導体素子が接合されたものが搭載されている。セラミックス回路基板から外部に出力を取り出すには、銅電極を設け、これをセラミックス回路基板の外側にはみ出した形態で設置するのが一般的である。【０００３】
従来、セラミックス回路基板と銅電極の接合は半田が使用されてきたが、パワーモジュールとして使用する際に発生する熱や振動により半田クラックが発生し、信頼性が低下する問題があった。このため、金属回路板と銅電極とを直接接合する超音波接合が用いられるようになってきた。超音波接合は、銅電極をセラミックス基板に対し垂直方向に荷重を掛けながら、水平方向に超音波振動を付与することにより回路基板の銅板と銅電極を一体化する手法である。【０００４】
セラミックス回路基板に使用されるセラミックス基板は、半導体素子の高出力化、高集積化に伴う発熱量の増加に対し、高い熱伝導率を有する窒化アルミニウム焼結体や窒化ケイ素焼結体が使用されている。特に、窒化アルミニウム基板は、窒化ケイ素基板と比較して熱伝導率が高いため、高放熱性電子部品を搭載するためのセラミックス回路基板として好適である。【０００５】
しかし、窒化アルミニウム基板は高い熱伝導率を有する反面、機械的強度や靭性等が低いことから、超音波接合時の振動により接合部直下の窒化アルミニウム板表面にクラックが発生し、モジュールの信頼性を損なってしまうという問題があった。このようなことからセラミックス基板へのクラック発生を防止するため、以下のような提案がなされている。【０００６】
特許文献１には、銅電極を超音波接合する位置および銅電極と金属回路板の接合強度の適正化により、セラミックス基板へのクラックの発生を防止することができると提案されている。
【特許文献１】特開２００２−１６４４６１号公報
【発明の概要】
【０００７】
しかしながら、特許文献１はセラミックス回路基板そのものを改良したものでは無く、クラック発生を防止する根本的な解決策には至っていない。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑み、超音波接合に対して優れた耐クラック性を有するセラミックス回路基板を得ることを目的とする。
【０００９】
本発明者は、上記の目的を達成するために鋭意検討した結果、セラミックス回路基板の金属回路板の結晶粒子径を微細とすることで超音波接合時の耐クラック性を向上できるとの知見を得たものである。
【００１０】
即ち、本発明は、セラミックス基板の一方の面に金属回路板、他方の面に金属放熱板が接合されたセラミックス回路基板であって、金属回路板の結晶粒子径が２０μｍ以上７０μｍ以下であることを特徴とするセラミックス回路基板である。
【００１１】
また、本発明は、上記したセラミックス回路基板の製造方法であって、セラミックス基板の一方の面に金属回路板を、他方の面に金属放熱板をそれぞれ配置し、真空度１×１０−３Ｐａ以下、接合温度７８０℃以上８５０℃以下、保持時間１０分以上６０分以下で、セラミックス基板に金属回路板及び金属放熱板を接合することを特徴とするセラミックス回路基板の製造方法である。
【００１２】
本発明によれば、超音波接合に対して優れた耐クラック性を有するセラミックス回路基板を得ることが可能である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（セラミックス回路基板）
本発明に係るセラミックス回路基板は、セラミックス基板の一方の面に金属回路板、他方の面に金属放熱板が接合されたセラミックス回路基板であって、接合後の金属回路板の粒子径が２０μｍ以上７０μｍ以下であることを特徴とする。
【００１４】
接合後の金属回路板の結晶粒子径を２０μｍ以上７０μｍ以下とすることで、超音波接合時の耐クラック性を向上させることができる。金属回路板の結晶粒子径は、好ましくは、２０μｍ以上６５μｍ以下であり、さらに好ましくは、２０μｍ以上６２μｍ以下である。
【００１５】
本発明のセラミックス回路基板に使用されるセラミックス基板としては、特に限定されるものではなく、窒化ケイ素、窒化アルミニウムなどの窒化物系セラミックス、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムなどの酸化物系セラミックス、炭化ケイ素等の炭化物系セラミックス、ほう化ランタン等のほう化物系セラミックス等で使用できる。但し、金属板を活性金属法でセラミックス基板に接合するため、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等の非酸化物系セラミックスが好適であり、更に、優れた熱伝導性の観点より窒化アルミニウム基板が好ましい。
【００１６】
セラミックス基板の厚みは特に限定されないが、０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下が好ましい。１．５ｍｍ以下とすることで熱抵抗が大きくなることを抑制することができ、０．２ｍｍ以上とすることで耐久性が低くなることを抑制することができる。
【００１７】
金属回路板及び金属放熱板に使用する金属は、銅、アルミニウム、鉄、ニッケル、クロム、銀、モリブテン、コバルトの単体またはその合金など、活性金属法を適用できる金属であれば特に限定は無いが、特に導電性、放熱性の観点から銅板が好ましい。なお、金属回路板及び金属放熱板は、同じ種類の金属で構成されていてもよく、異なる種類で構成されていてもよい。
【００１８】
銅板の純度は、９０％以上であることが好ましい。純度を９０％以上とすることで、セラミックス基板と銅板を接合する際、銅板とろう材の反応が不十分となったり、銅板が硬くなり回路基板の信頼性が低下したりすることを防ぐことができる。
【００１９】
銅板の厚みは特に限定されないが、０．１ｍｍ以上１．５ｍｍ以下のものが一般的であり、特に、放熱性の観点から０．２ｍｍ以上が好ましく、耐熱サイクル特性の観点から０．５ｍｍ以下が好ましい。
【００２０】
銅板の種類は、圧延銅箔や電解銅箔等、特に限定されないが、セラミックス基板と接合した後の再結晶粒子径を微細とするため、電解銅箔がより好ましい。また、セラミックス基板の回路側を電解銅箔とし、放熱面側を圧延銅箔としても良い。また、回路面側に圧延銅箔を使用した場合においても、接合時の昇温速度，冷却速度等の温度条件の適正化により微細化可能である。
【００２１】
本発明で用いられる金属回路、金属放熱板とセラミックス基板との接合は、ろう材層を介して行われる。よって、セラミックス基板は、金属放熱板、ろう材層、セラミックス基板、ろう材層、金属回路板、をこの順で積層した構造を有している。このろう材層は、Ａｇ、Ｃｕ又はＡｇ−Ｃｕ合金とＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等の活性金属成分とを含む。
【００２２】
ろう材層中のＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等の活性金属成分の含有割合は、Ａｇ、Ｃｕ又はＡｇ−Ｃｕ合金の総量１００質量部に対して、０．５質量部以上、好ましくは２．０質量部以上であり、１０質量部以下、好ましくは６．０質量部以下である。
【００２３】
また、本発明の他の態様では、セラミックス基板の一方の面に金属回路、他方の面に金属放熱板が接合されたセラミックス回路基板であって、真空度１×１０−３Ｐａ以下、接合温度７８０℃〜８５０℃、保持時間１０〜６０分で接合し、接合後の金属回路板の再結晶粒子径が１００μｍより小さいことを特徴とするセラミックス回路基板とすることもできる。
【００２４】
さらに別の態様では、セラミックス基板の一方の面に金属回路、他方の面に金属放熱板がＡｇ−Ｃｕ系ろう材層を介して接合されたセラミックス回路基板であって、接合時の真空度が１×１０−３Ｐａ以下、接合温度が７８０℃〜８５０℃、保持時間が１０〜６０分で接合し、接合後の金属回路板の再結晶粒子径が１００μｍより小さいことを特徴とするセラミックス回路基板であり、セラミックス基板が窒化アルミニウムからなることを特徴とするセラミックス回路基板とすることもできる。
【００２５】
（製造方法）
セラミックス基板は、セラミックス基板の一方の面に金属回路形成用金属板を、他方の面に放熱板形成用金属板をそれぞれ配置し、真空度１×１０−３Ｐａ以下、接合温度７８０℃以上８５０℃以下、保持時間１０分以上６０分以下で、セラミックス基板に金属回路板及び金属放熱板を接合することで製造することができる。
【００２６】
セラミックス回路基板の接合温度は、真空度１×１０−３Ｐａ以下の真空炉で７８０℃以上８５０℃以下の温度であることが好ましく、その保持時間は１０分以上６０分以下であることが望ましい。接合温度を７８０℃以上とし、保持時間を１０分以上とすることで、Ｔｉ化合物の生成が十分にできないために部分的に接合できない等の問題を回避することができる。接合温度を８５０℃以下とし、保持時間を６０分以下とすることで、高温であったり保持時間が長すぎたりする場合に生じ得る、接合時の熱膨張率差に由来する熱ストレスの増加を抑制し、耐熱サイクル性の低下を防ぐことができる。
【００２７】
本発明で用いられる金属回路及び金属放熱板とセラミックス基板との接合は、ろう材を用いた活性金属ろう付け法によって行うことができる。このろう材は、Ａｇ、Ｃｕ又はＡｇ−Ｃｕ合金とＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等の活性金属成分とを含むろう材を用いることができる。例えば、ろう材としては、Ａｇ、Ｃｕ及びＴｉ等の活性金属を含む合金箔を用いたり、これらの単体金属か合金粉末をポリイソブタンメタクリレート等のバインダー及びテルピネオール等で分散させたペーストを用いたりすることが可能である。調整したペーストは、スクリーン印刷法、ロールコーター法等によって、セラミックス基板の表面及び裏面に塗布することで施し、その表面に金属回路形成用金属板を、裏面に放熱板形成用金属板を配置する。
【００２８】
接合したセラミックス回路基板に回路パターンを形成するため、金属板にエッチングレジストを塗布してエッチングする。エッチングレジストに関して特に制限はなく、例えば、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使用できる。エッチングレジストの塗布方法に関しては特に制限はなく、例えばスクリーン印刷法等の公知の塗布方法が採用できる。
【００２９】
回路パターンを形成するために銅板のエッチング処理を行う。エッチング液に関しても特に制限はなく、一般に使用されている塩化第二鉄溶液や塩化第二銅溶液、硫酸、過酸化水素水等が使用できるが、好ましいものとして、塩化第二鉄溶液や塩化第二銅溶液が挙げられる。エッチングによって不要な金属部分を除去した窒化物セラミックス回路基板には、塗布したろう材、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、それらを除去するのが一般的である。回路形成後エッチングレジストの剥離を行うが、剥離方法は特に限定されずアルカリ水溶液に浸漬させる方法などが一般的である。
【実施例】
【００３０】
［実施例１］
厚み０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム基板の両面に、銀粉末（福田金属箔粉工業（株）製：ＡｇＣ−ＢＯ）９０質量部および銅粉末（福田金属箔粉工業（株）製：ＳＲＣ−Ｃｕ−２０）１０質量部の合計１００質量部に対して、チタン（（株）大阪チタニウムテクノロジーズ製：ＴＳＨ−３５０）を３．５質量部含む活性金属ろう材を塗布した。その後、表面に回路形成用銅板を、裏面に放熱板形成用銅板（いずれも電解銅箔）を重ね、真空雰囲気下（６．５×１０−４Ｐａ）、８００℃で２０分保持させることで、銅板と窒化アルミニウム基板の接合体を製造した。【００３１】
接合した回路基板を塩化銅を含むエッチング液でエッチングして回路を形成した。さらに、ろう材層をフッ化アンモニウム／過酸化水素エッチング液でエッチングし、窒化アルミニウム回路基板を作製した。【００３２】
得られた窒化アルミニウム回路基板の金属回路板の結晶粒子径の測定、超音波接合評価および熱サイクル試験は、以下の通り実施した。
＜結晶粒子径＞
セラミックス回路基板の金属回路板表面を、光学顕微鏡（５０倍）を用いて観察した。任意の１０区画の１ｍｍ×１ｍｍの領域にある結晶の最長距離を確認し、その平均値を求め、結晶粒子径とした。結果を表１に示す。【００３３】
＜超音波接合評価＞
１．５ｍｍ厚の銅電極材を（アドウェルズ社製ＵＰ−Ｌｉｔｅ３０００）にて、荷重１２００Ｎ、周波数２０ｋＨｚ、振幅５０μｍ、接合時間０．４秒で接合した。接合後、銅電極および回路基板の銅板をエッチングにて除去し、セラミックス基板の表面の観察を光学顕微鏡で実施した。超音波接合は１条件あたり１６箇所で実施し、クラックの発生箇所を以下の３つにランク分けした。
Ａ：０箇所、Ｂ：１〜８箇所、Ｃ：９〜１６箇所  【００３４】
＜熱サイクル試験評価＞
作製したセラミックス回路基板を熱衝撃試験に投入し、−４０℃×３０分、１２５℃×３０分を１サイクルとする熱衝撃試験を５００サイクルおこなった後、銅板をエッチングにて除去し、セラミック基板の表面に発生するクラックの発生状態を光学顕微鏡（５０倍）にて観察した。熱サイクル試験は１０枚実施し、クラック長を計測した中で最大値を用いて以下の３つにランク分けをおこなった。
Ａ：クラックが観察されない
Ｂ：クラック長１００μｍ未満が観察されるもの
Ｃ：クラック長１００μｍ以上が観察されるもの【００３５】
各評価を勘案し、総合評価として以下の３段階で評価した。
○：超音波接合評価および熱サイクル試験評価でともにＡランクのもの
△：超音波接合評価若しくは熱サイクル試験評価のいずれかがＢランクのもの
×：超音波接合評価若しくは熱サイクル試験評価のいずれかがＣランクのもの【００３６】
［実施例２〜５、比較例１〜５］
表１に示す条件を変えたこと以外は、実施例１と同様に行った。【００３７】
【表１】
2016017679.tif 000002
【００３８】
上記に示すとおり、本発明によれば、セラミックス回路基板に銅電極を超音波接合にて接合する際、セラミックス基板にクラックを生じることなく接合でき、モジュールの信頼性を向上することができるセラミックス回路基板が提供される。
【手続補正書】
【提出日】平成29年3月6日(2017.3.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
（セラミックス回路基板）
本発明に係るセラミックス回路基板は、セラミックス基板の一方の面に金属回路板、他方の面に金属放熱板が接合されたセラミックス回路基板であって、接合後の金属回路板の結晶粒子径が２０μｍ以上７０μｍ以下であることを特徴とする。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
銅板の種類は、圧延銅箔や電解銅箔等、特に限定されないが、セラミックス基板と接合した後の結晶粒子径を微細とするため、電解銅箔がより好ましい。また、セラミックス基板の回路側を電解銅箔とし、放熱面側を圧延銅箔としても良い。また、回路面側に圧延銅箔を使用した場合においても、接合時の昇温速度，冷却速度等の温度条件の適正化により微細化可能である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
また、本発明の他の態様では、セラミックス基板の一方の面に金属回路、他方の面に金属放熱板が接合されたセラミックス回路基板であって、真空度１×１０−３Ｐａ以下、接合温度７８０℃〜８５０℃、保持時間１０〜６０分で接合し、接合後の金属回路板の結晶粒子径が１００μｍより小さいことを特徴とするセラミックス回路基板とすることもできる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
さらに別の態様では、セラミックス基板の一方の面に金属回路、他方の面に金属放熱板がＡｇ−Ｃｕ系ろう材層を介して接合されたセラミックス回路基板であって、接合時の真空度が１×１０−３Ｐａ以下、接合温度が７８０℃〜８５０℃、保持時間が１０〜６０分で接合し、接合後の金属回路板の結晶粒子径が１００μｍより小さいことを特徴とするセラミックス回路基板であり、セラミックス基板が窒化アルミニウムからなることを特徴とするセラミックス回路基板とすることもできる。
【国際調査報告】
2016017679.tif 000003
2016017679.tif 000004
2016017679.tif 000005
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