(57)【要約】【課題】セラミックス基板に金属回路層が設けられたセラミックス回路基板においては、金属回路層上にはんだを用いてＳｉチップを接合した場合、大電力で使用することによりＳｉチップとセラミックス回路基板との間のはんだ層にクラックが発生することがあった。【解決手段】主として窒化物系セラミックスからなるセラミックス基板と、前記セラミックス基板の少なくとも一方の主面上に配置され、モリブデンおよびタングステンの中から選ばれる少なくとも一方と銅とを含む金属回路層とを具備する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主として窒化物系セラミックスからなるセラミックス基板と、
前記セラミックス基板の少なくとも一方の主面上に配置され、モリブデンおよびタングステンの中から選ばれる少なくとも一方と銅とを含む金属回路層と
を具備することを特徴とするセラミックス回路基板。
【請求項２】
前記金属回路層におけるモリブデンおよびタングステンの含有量が、前記金属回路層のセラミックス基板側の主面から他方の主面にかけて連続的に増加してい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。
【請求項３】
主として窒化物系セラミックスからなるセラミックス基板と、
前記セラミックス基板の少なくとも一方の主面上に配置され、主として銅からなる層ならびに主としてモリブデンおよびタングステンの中から選ばれる少なくとも一方からなる層を具備する層状の金属回路層と
を具備することを特徴とするセラミックス回路基板。
【請求項４】
前記セラミックス基板が主として窒化珪素からなるものであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のセラミックス回路基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はセラミックス基板上に金属回路層を具備するセラミックス回路基板に係り、特に前記金属回路層上にはんだ層を介してＳｉチップを接合した場合に、前記はんだ層にクラックが発生しにくいセラミックス回路基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
パワーデバイス用セラミックス回路基板として、セラミックス基板の表面に回路材としてＣｕまたはＣｕ合金を接合したものが用いられている。このようなＣｕ回路付セラミックス基板のＣｕ回路面には、一般的にＳｉチップ等がはんだにより接合されて用いられる。
【０００３】
パワーデバイス用セラミックス回路基板として上述したようなＣｕ回路付セラミックス基板を用い、そのＣｕ回路面にＳｉチップをはんだにより接合した場合、Ｓｉチップの作動に伴う繰り返しの熱サイクルや動作環境の温度変化等により、これらに挟まれたはんだ層には熱膨張差によりクラックが発生することがある。
【０００４】
はんだ層へのクラック発生を抑制し高い信頼性を得るために、上述したＣｕまたはＣｕ合金の代わりに他の金属または合金を回路材として用いることが行われている。例えば、降伏耐力の低いＡｌまたはＡｌ合金を回路材として用いたり、Ｃｕ回路とＳｉチップとを接合するはんだ層の組成を適切なものとすることが行われている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】
特開２０００−１１０８７５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、低熱膨張係数の金属は一般的に電気伝導性が低く、大電力を流すことができないため、大電力で使用されるパワーデバイス用セラミックス回路基板の回路材として用いることは困難である。また、Ｃｕ回路とＳｉチップとを接合するはんだ層の組成を制御するだけでは、はんだ層におけるクラック発生を十分に抑制することは困難である。
【０００６】
本発明は上述したような課題を解決するためになされたものであって、十分な電気伝導性を有し、大電力で使用してもＳｉチップ等とセラミックス回路基板との間のはんだ層にクラックが発生しにくい信頼性に優れたセラミックス回路基板を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のセラミックス回路基板は、主として窒化物系セラミックスからなるセラミックス基板と、前記セラミックス基板の少なくとも一方の主面上に配置され、モリブデンおよびタングステンの中から選ばれる少なくとも一方と銅とを含む金属回路層とを具備することを特徴とする。
【０００８】
前記金属回路層におけるモリブデンおよびタングステンの含有量は、前記金属回路層のセラミックス基板側の主面から他方の主面にかけて連続的に増加しているものであってもよい。
【０００９】
また、本発明の他のセラミックス回路基板は、主として窒化物系セラミックスからなるセラミックス基板と、前記セラミックス基板の少なくとも一方の主面上に配置され、主として銅からなる層ならびに主としてモリブデンおよびタングステンの中から選ばれる少なくとも一方からなる層を具備する層状の金属回路層とを具備することを特徴とする。
【００１０】
本発明のセラミックス回路基板においては、前記セラミックス基板が主として窒化珪素からなるものであることが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００１２】
図１に示すように、本発明のセラミックス回路基板１は、セラミックス基板２の少なくとも一方の主面上に金属回路層３が形成されているものである。そして、例えば図２に示すように、この金属回路層３の両主面のうちセラミックス基板が接合されていない側の面には、はんだ層４を介してＳｉチップ５が接合されて用いられる。
【００１３】
本発明のセラミックス回路基板に用いられるセラミックス基板は、主として窒化物系セラミックスからなるものであれば特に限定されるものではなく、例えば窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等を用いることができる。
【００１４】
特に窒化珪素は他の窒化物系セラミックスに比べて一般的に高い曲げ強度を有し、熱抵抗を減少させるために薄く形成することが可能であるため、本発明におけるセラミックス基板として好適である。
【００１５】
セラミックス基板の厚さは０．７ｍｍ以下であることが好ましい。厚さが０．７ｍｍを超えると熱抵抗値が増大するため好ましくない。セラミックス基板が窒化珪素からなる場合には、上述したように窒化珪素が高い曲げ強度を有することおよび熱抵抗値の低減等の理由から、その厚さを０．４ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００１６】
セラミックス基板が窒化珪素からなる場合には、セラミックス基板の熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものを用いることが好ましい。このような熱伝導率の窒化珪素基板を用いることで、例えば熱伝導率が１７０Ｗ／ｍ・Ｋ、厚さが０．８ｍｍの従来の窒化アルミニウム基板と同等の熱抵抗値とすることができる。熱伝導率が８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の窒化珪素基板を用いればより好ましい。
【００１７】
本発明における金属回路層は（１）モリブデンおよびタングステンの中から選ばれる少なくとも一方と銅とを含む合金からなるもの、または、（２）主として銅からなる層ならびに主としてモリブデンおよびタングステンの中から選ばれる少なくとも一方からなる層を具備する層状の金属回路層である。
【００１８】
（１）モリブデンおよびタングステンの中から選ばれる少なくとも一方と銅とを含む合金からなる金属回路層は、具体的にはモリブデンと銅との合金、タングステンと銅との合金、または、モリブデンおよびタングステンならびに銅を含む合金からなる金属回路層である。
【００１９】
モリブデンおよびタングステンは銅の熱膨張率を低下させ、Ｓｉチップの熱膨張率に金属回路層の熱膨張率を近づけるために加えられるものである。金属回路層を構成する合金中のモリブデンおよびタングステンの含有量は１０〜９０質量％、さらには３０〜７０質量％であることが好ましい。モリブデンおよびタングステンを除いた残部は銅および不可避的不純物である。
【００２０】
モリブデンおよびタングステンの含有量が１０質量％未満の場合、金属回路層の熱膨張率を低減する効果が低く、金属回路層上にはんだ層を介してＳｉチップを接合したとき、金属回路層とＳｉチップとの熱膨張差により、これらに挟まれたはんだ層にクラックが発生するおそれがあるため好ましくない。また、９０質量％を超えると、金属回路層の電気損失が大きくなるため好ましくない。
【００２１】
金属回路層を構成する合金の熱膨張率はＳｉチップの熱膨張率に近いものであることが好ましく、具体的には金属回路層を構成する合金の熱膨張率が５〜１０［１０−６／Ｋ］となっていれば好ましい。
【００２２】
金属回路層の熱膨張率をこのようなものとすることで、金属回路層とＳｉチップとの熱膨張差によりこれらに挟まれるはんだ層にクラックが発生することを抑制することができる。このような熱膨張率は、モリブデンおよびタングステンの含有量を上述した範囲内で調整することにより得ることができる。
【００２３】
また、金属回路層を構成する合金の抵抗率は１．７〜４．０μΩ・ｃｍ（２０℃）となっていることが好ましい。このような抵抗率は、上述した熱膨張率と同様に、モリブデンおよびタングステンの含有量を上述した範囲内で調整することにより得ることができる。
【００２４】
本発明では、必ずしも上述したような均一な合金組成の金属回路層でなくともよく、例えば金属回路層におけるモリブデンおよびタングステンの含有量を、金属回路層のセラミックス基板側の主面から他方の主面（Ｓｉチップ側）にかけて連続的に増加させたものであってもよい。
【００２５】
金属回路層の少なくともＳｉチップを接合する側のモリブデンおよびタングステンの含有量が一定値以上であれば、金属回路層の熱膨張率をＳｉチップの熱膨張率に近くすることができ、例えば金属回路層上にはんだ層を介してＳｉチップを接合したとき、金属回路層とＳｉチップとの熱膨張差により、これらに挟まれたはんだ層にクラックが発生することを抑制することができる。
【００２６】
また、金属回路層におけるモリブデンおよびタングステンの含有量を、金属回路層のセラミックス基板側の主面から他方の主面にかけて連続的に増加させることにより、さらに上述したようなはんだ層へのクラックの発生を抑制することができる。
【００２７】
このようにモリブデン、タングステンの含有量を傾斜させた金属回路層においては、Ｓｉチップが接合される主面側のモリブデン、タングステンの含有量が５０〜１００質量％であることが好ましく、７０〜１００質量％であればさらに好ましい。このようなものとすることで、金属回路層のＳｉチップが接合される主面側の熱膨張率をＳｉチップの熱膨張率に近い値、例えば４．５〜８［１０−６／℃］とすることができる。
【００２８】
また、セラミックス基板側のモリブデン、タングステンの含有量は、Ｓｉチップが接合される主面側のモリブデン、タングステンの含有量よりも低くなっていれば特に制限されるものではないが、１０〜７０質量％であれば好ましい。より好ましくは３０〜７０質量％である。このようなものとすることで、セラミックス基板との接合の信頼性に優れかつ抵抗率の低い金属回路層とすることができる。
【００２９】
このようにモリブデン、タングステンの含有量を傾斜させた金属回路層は、例えば銅板と、モリブデン板またはタングステン板とを接触させた状態で、１０００〜１２００℃で１〜２時間熱処理を行い、相互に拡散させることにより得ることができる。
【００３０】
（２）主として銅からなる層ならびに主としてモリブデンおよびタングステンの中から選ばれる少なくとも一方からなる層を具備する層状の金属回路層は、例えば２層構造とした場合、銅層およびモリブデン層、または、銅層およびタングステン層からなるものであり、いずれも銅層がセラミックス基板側となるようにする。
【００３１】
金属回路層が上述したような銅層およびモリブデン層、または、銅層およびタングステン層の２層構造からなる場合、銅層の厚さ（Ｔ１）と、モリブデン層またはタングステン層の厚さ（Ｔ２）との比（Ｔ１／Ｔ２）が、０．１〜１０の範囲内であることが好ましい。比（Ｔ１／Ｔ２）が、０．５〜２の範囲内であればなお好ましい。
【００３２】
上記比（Ｔ１／Ｔ２）が０．１未満であると、モリブデン層またはタングステン層が厚すぎるためにセラミックス回路基板における電気損失が大きくなるため好ましくない。また、上記比（Ｔ１／Ｔ２）が１０を超えるときは、モリブデン層が薄くなりすぎ、例えば金属回路層上にはんだ層を介してＳｉチップを接合したとき、金属回路層とＳｉチップとの熱膨張差を十分に緩和できず、これらに挟まれたはんだ層にクラックが発生するおそれがあるため好ましくない。
【００３３】
上述した例では銅層およびモリブデン層、または、銅層およびタングステン層の２層構造の金属回路層について説明したが、本発明においては３層以上の金属回路層としてもよい。
【００３４】
このような場合、例えば銅層と、モリブデン層またはタングステン層とを交互に積層する。このように金属回路層を構成する層数を増やし、かつ交互に積層することで、金属回路層の熱膨張率を全体として均一なものへと近づけることが可能となる。
【００３５】
また、金属回路層を３層以上の多層とし、金属回路層のセラミックス基板側に配置される層を銅層とし、Ｓｉチップが接合される側に向かって徐々に銅の含有量を減らすと共に、モリブデンおよびタングステンのうち少なくとも一方の含有量を増やした層を配置していき、最終的にモリブデン層またはタングステン層を配置したような構成としてもよい。
【００３６】
このように金属回路層の構成を段階的に組成を変えた積層構造とすることで、Ｓｉチップが接合される側の熱膨張率をＳｉチップの熱膨張率に近くすることができると共に、各層間の熱膨張率の差も小さくすることができる。
【００３７】
上述したような合金からなる金属回路層および層状の金属回路層においては、その全体の厚さが０．１〜０．５ｍｍであれば好ましい。
【００３８】
セラミックス基板への金属回路層の形成は、例えば上述したような金属回路層と同様の構成を有する合金板または積層板を予め作製した後、これをセラミックス基板上に直接配置した状態で加熱して接合する方法（ＤＢＣ、ダイレクトボンディングカッパー法）を用いてもよいし、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ペースト等の活性金属を含有した接合用ろう材を用いてセラミックス基板と合金板または積層板とを接合する方法（活性金属法）等を用いてもよい。
【００３９】
本発明では上述したようにセラミックス基板に金属回路層を形成した後、この金属回路層表面にメッキ処理を施すことが好ましい。これは金属回路層表面にモリブデンやタングステンが露出している場合、はんだ濡れ性が低下するためであり、金属回路層表面にメッキ処理を施すことではんだとの濡れ性を向上させることができる。メッキ処理としては、例えばＮｉなどのメッキを施すことが挙げられ、具体的には無電解Ｎｉ−Ｐｂメッキ等を施すことが挙げられる。
【００４０】
このようにして作製された本発明のセラミックス回路基板には、その金属回路層上にＳｎ−Ｐｂ共晶はんだ等によりＳｉチップを接合して用いることができる。
【００４１】
本発明のセラミックス回路基板では、金属回路層を上述したような構成とすることにより、この上にはんだによりＳｉチップを接合した場合であっても、大電力を流すことができるとともに、はんだ層へのクラックの発生も抑制し、信頼性に優れたものとすることが可能となる。
【００４２】
【実施例】
以下、実施例と比較例に基づき本発明を更に詳細に説明する。
【００４３】
（実施例１〜１０）
熱伝導率９０Ｗ／ｍ・Ｋ、縦５０ｍｍ×横３０ｍｍ×厚さ０．３２ｍｍの窒化珪素基板の両主面上に、活性金属法により縦４８ｍｍ×横２８ｍｍ×厚さ０．３ｍｍ、銅およびモリブデン、タングステンの含有量を表１に示すように変化させた合金板を接合し、さらにその表面に無電解Ｎｉ−Ｐｂめっきを施し、セラミックス回路基板を作製した。
【００４４】
（比較例１、２）
熱伝導率９０Ｗ／ｍ・Ｋ、縦５０ｍｍ×横３０ｍｍ×厚さ０．３２ｍｍの窒化珪素基板の両主面上に、活性金属法により縦４８ｍｍ×横２８ｍｍ×厚さ０．３ｍｍの銅板またはモリブデン板を接合し、さらにその表面に無電解Ｎｉ−Ｐｂめっきを施し、セラミックス回路基板を作製した。
【００４５】
次に、上記実施例１〜１０および比較例１、２のセラミックス回路基板上にＳｎを６３質量％、Ｐｂを３７質量％含むＳｎ−Ｐｂ系共晶はんだにより１０ｍｍ角のＳｉチップをはんだ付けしてパワーモジュールを作製した。
【００４６】
これらのものについて、−４０℃（３０分）→室温（１０分）→１２５℃（３０分）→室温（１０分）を１サイクルとする熱サイクル試験を３０００サイクル行い、その後実施例および比較例のパワーモジュールを切断し、Ｓｉチップ下のはんだ層におけるクラックの有無を観察した。結果を表１に示す。
【００４７】
【表１】
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【００４８】
表１から明らかなように、比較例１のセラミックス回路基板を用いたパワーモジュールについては、Ｓｉチップ下のはんだ層にクラックの発生が見られた。これに対し、実施例１、６のセラミックス回路基板を用いたパワーモジュールについてはＳｉチップ下のはんだ層にクラックの発生が若干見られたが、実施例２〜５、７〜１０および比較例２のセラミックス回路基板を用いたパワーモジュールについてはクラックの発生は見られなかった。
【００４９】
また、同様のパワーモジュールを用いて電気損失を測定したところ、実施例１〜１０のセラミックス回路基板を用いたものについては１０％以下の電気損失に抑えられていたが、比較例２のセラミックス回路基板を用いたものについては２０％以上の電気損失となった。
【００５０】
（実施例１１〜１４）
熱伝導率９０Ｗ／ｍ・Ｋ、縦５０ｍｍ×横３０ｍｍ×厚さ０．３２ｍｍの窒化珪素基板の両主面上に、活性金属法により、銅およびモリブデン、タングステンの含有量を表２に示すように厚さ方向に組成を連続的に傾斜させた合金板を接合し、さらにそれらの表面に無電解めっきを施し、セラミックス回路基板を作製した。なお、合金板はいずれも縦４８ｍｍ×横２８ｍｍ×厚さ０．３ｍｍとなるようにした。
【００５１】
次に、上記実施例１１〜１４のセラミックス回路基板上にＳｎを６３質量％、Ｐｂを３７質量％含むＳｎ−Ｐｂ系共晶はんだにより１０ｍｍ角のＳｉチップをはんだ付けしてパワーモジュールを作製した。
【００５２】
これらのものについて、実施例１と同様に熱サイクル試験および電気損失の測定を行った。結果を表２に示す。
【００５３】
【表２】
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【００５４】
表２から明らかなように、実施例１１〜１４のセラミックス回路基板を用いたパワーモジュールについては、Ｓｉチップ下のはんだ層にクラックの発生は見られず、電気損失についても抑制されていることが認められた。
【００５５】
（実施例１５〜２４）
熱伝導率９０Ｗ／ｍ・Ｋ、縦５０ｍｍ×横３０ｍｍ×厚さ０．３２ｍｍの窒化珪素基板の両主面上に、活性金属法により、銅板とモリブデン板または銅板とタングステン板からなり、それぞれの層の厚さの比を変えた２層構造の積層板を接合した。なお、いずれも銅板が窒化珪素基板側となるようにした。
【００５６】
さらに、それらの表面に無電解めっきを施し、セラミックス回路基板を作製した。なお、積層板はいずれも縦４８ｍｍ×横２８ｍｍ×厚さ０．３ｍｍとなるようにした。
【００５７】
次に、上記実施例１５〜２４のセラミックス回路基板上にＳｎを６３質量％、Ｐｂを３７質量％含むＳｎ−Ｐｂ系共晶はんだにより１０ｍｍ角のＳｉチップをはんだ付けしてパワーモジュールを作製した。
【００５８】
これらのものについて、実施例１と同様に熱サイクル試験および電気損失の測定を行った。結果を表３に示す。
【００５９】
【表３】
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【００６０】
表３から明らかなように、実施例１５〜２４のセラミックス回路基板を用いたパワーモジュールについては、Ｓｉチップ下のはんだ層にクラックの発生は見られず、電気損失についても抑制されていることが認められた。
【００６１】
【発明の効果】
本発明では主として窒化物系セラミックスからなるセラミックス基板上に、モリブデンまたはタングステンと銅との合金からなる金属回路層、または、モリブデンまたはタングステンと銅とを層状にした金属回路層を配置することで、この金属回路層上にＳｉチップ等をはんだにより接合した場合に、Ｓｉチップ等と金属回路層との間に設けられるはんだ層にクラックが発生しにくく、信頼性に優れたセラミックス回路基板とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミックス回路基板を示した断面図
【図２】本発明のセラミックス回路基板にＳｉチップを接合した例を示した断面図
【符号の説明】
１…セラミックス回路基板  ２…セラミックス基板  ３…金属回路層  ４…はんだ層  ５…Ｓｉチップ
【図１】
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【図２】
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