(57)【要約】【課題】  非接合部の面積を小さくすることによりボイド率を低くして接合強度を高くすることができる、銅−セラミックス接合基板およびその製造方法を提供する。【解決手段】  スパッタリング法または蒸着法、あるいはスパッタリング法または蒸着法とめっき法との組み合わせによって、アルミナ基板などのセラミックス基板上に厚さが０．０２〜１．０μｍ、好ましくは０．０２〜０．７０μｍ、さらに好ましくは０．０４〜０．１８μｍの銅膜を形成した後、銅膜上にタフピッチ銅からなる銅板を配置させ、窒素ガス雰囲気中で加熱することによって、セラミックス基板と銅板を接合する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板上に厚さ０．０２〜１．０μｍの銅膜を形成した後、銅膜上に銅板を配置させ、加熱することによってセラミックス基板と銅板を接合することを特徴とする、銅−セラミックス接合基板の製造方法。
【請求項２】
前記銅膜の厚さが０．０２〜０．７０μｍであることを特徴とする、請求項１に記載の銅−セラミックス接合基板の製造方法。
【請求項３】
前記銅膜の厚さが０．０４〜０．１８μｍであることを特徴とする、請求項１に記載の銅−セラミックス接合基板の製造方法。
【請求項４】
前記銅膜がスパッタリング法または蒸着法によって形成されることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の銅−セラミックス接合基板の製造方法。
【請求項５】
前記銅膜がスパッタリング法または蒸着法とめっき法との組み合わせによって形成されることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の銅−セラミックス接合基板の製造方法。
【請求項６】
セラミックス基板と、このセラミックス基板上に銅膜を介して接合した銅板とからなり、銅膜の厚さが０．０２〜１．０μｍであることを特徴とする、銅−セラミックス接合基板。
【請求項７】
前記銅膜の厚さが０．０２〜０．７０μｍであることを特徴とする、請求項６に記載の銅−セラミックス接合基板。
【請求項８】
前記銅膜の厚さが０．０４〜０．１８μｍであることを特徴とする、請求項６に記載の銅−セラミックス接合基板。
【請求項９】
前記銅−セラミックス接合基板を１００ｍｍ×５０ｍｍ×３ｍｍの銅ベース板の一方の面の中央部に半田付けし、銅−セラミックス接合基板を下側にし、銅ベース板の長手方向の両端部から５ｍｍの所を下部支点として、負荷速度０．５ｍｍ／ｍｉｎ、スパン間距離９０ｍｍの測定条件で３点曲げ試験を行った場合に、銅−セラミックス接合基板の破壊時の銅ベース板のたわみ量が２５０μｍ以上であることを特徴とする、請求項６乃至８のいずれかに記載の銅−セラミックス接合基板。
【請求項１０】
銅−セラミックス接合基板を１００ｍｍ×５０ｍｍ×３ｍｍの銅ベース板の一方の面の中央部に半田付けし、銅−セラミックス接合基板を下側にし、銅ベース板の長手方向の両端部から５ｍｍの所を下部支点として、負荷速度０．５ｍｍ／ｍｉｎ、スパン間距離９０ｍｍの測定条件で３点曲げ試験を行った場合に、銅−セラミックス接合基板の破壊時の銅ベース板のたわみ量が２５０μｍ以上であることを特徴とする、銅−セラミックス接合基板。
【請求項１１】
前記セラミックス基板がジルコニアを含むアルミナ基板であることを特徴とする、請求項６乃至１０のいずれかに記載の銅−セラミックス接合基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、銅−セラミックス接合基板およびその製造方法に関し、特に、セラミックス基板上に銅膜を介して銅板を接合した銅−セラミックス接合基板およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パワーモジュールなどに使用する回路基板として、セラミックス基板上に銅回路板を直接接合したセラミックス回路基板が使用されている。このような金属−セラミックス接合を製造する方法として、セラミックス基板上にろう材を介して銅回路板を接合する方法や、セラミックス基板上に銅回路板を接触配置させて加熱し、接合界面に銅−酸化銅の共晶液相を形成させ、この液相によりセラミックス基板を濡らして、セラミックス基板と銅回路板を直接接合するいわゆるＣｕ−Ｏ共晶接合法が知られている。
【０００３】
しかし、このＣｕ−Ｏ共晶接合法により製造したセラミックス回路基板では、接合時にセラミックス基板の接合面にほこり、ごみ、うねり、窪みなどのセラミックス基板の表面の濡れ性を阻害するものが存在すると、加熱により形成した銅−酸化銅の共晶液相によるセラミックス基板の表面の濡れが不十分な部分が生じて、部分的に非接合部が生じ、銅回路板の剥がれの原因になったり、放熱性が低下するという問題がある。また、この非接合部に加熱炉中の雰囲気ガスが巻き込まれてボイドが生じ易くなるという問題もある。
【０００４】
このような問題を解決する方法として、予めセラミックス基板の表面に０．０１〜１０μｍの厚さの銅の薄膜層を形成し、この銅の薄膜層上に加熱により銅回路板を直接接合する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開昭６３−３１８７５９号公報（第２頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に開示されたように、予めセラミックス基板の表面に０．０１〜１０μｍの厚さの銅の薄膜層を形成しても、非接合部の面積が大きいためにボイド率（ボイドの面積占有率）が高く、上述した従来の問題を解決することができない場合がある。
【０００７】
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、非接合部の面積を小さくすることによりボイド率を低くして接合強度を高くすることができる、銅−セラミックス接合基板およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、セラミックス基板上に厚さが０．０２〜１．０μｍ、好ましくは０．０２〜０．７０μｍ、さらに好ましくは０．０４〜０．１８μｍの銅膜を形成した後、銅膜上に銅板を配置させ、加熱することによってセラミックス基板と銅板を接合することにより、ボイド率が低い銅−セラミックス接合基板を製造することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
すなわち、本発明による銅−セラミックス接合基板の製造方法は、セラミックス基板上に厚さが０．０２〜１．０μｍ、好ましくは０．０２〜０．７０μｍ、さらに好ましくは０．０４〜０．１８μｍの銅膜を形成した後、銅膜上に銅板を配置させ、加熱することによってセラミックス基板と銅板を接合することを特徴とする。この銅−セラミックス接合基板の製造方法において、銅膜をスパッタリング法または蒸着法、あるいはスパッタリング法または蒸着法とめっき法との組み合わせによって形成するのが好ましい。
【００１０】
また、本発明による銅−セラミックス接合基板は、セラミックス基板と、このセラミックス基板上に銅膜を介して接合した銅板とからなり、銅膜の厚さが０．０２〜１．０μｍ、好ましくは０．０２〜０．７０μｍ、さらに好ましくは０．０４〜０．１８μｍであることを特徴とする。
【００１１】
この銅−セラミックス接合基板を１００ｍｍ×５０ｍｍ×３ｍｍの銅ベース板の一方の面の中央部に半田付けし、銅−セラミックス接合基板を下側にし、銅ベース板の長手方向の両端部から５ｍｍの所を下部支点として、負荷速度０．５ｍｍ／ｍｉｎ、スパン間距離９０ｍｍの測定条件で３点曲げ試験を行った場合に、銅−セラミックス接合基板の破壊時の銅ベース板のたわみ量が２５０μｍ以上であるのが好ましい。また、セラミックス基板がジルコニアを含むアルミナ基板であるのが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、非接合部の面積を小さくすることによりボイド率を低くして接合強度を高くすることができるとともに、銅板に半田付けをしたときに高い信頼性を有する、銅−セラミックス接合基板を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明による銅−セラミックス接合基板およびその製造方法の実施の形態では、スパッタリング法または蒸着法、あるいはスパッタリング法または蒸着法とめっき法との組み合わせによって、セラミックス基板上に厚さ０．０２〜１．０μｍ、好ましくは０．０２〜０．７０μｍ、さらに好ましくは０．０４〜０．１８μｍの銅膜を形成した後、銅膜上にタフピッチ銅からなる銅板を配置させ、窒素ガス雰囲気中で加熱してＣｕ−Ｏの共晶液相を生じさせることによって、Ｃｕ−Ｏ共晶接合によりセラミックス基板と銅板を接合する。あるいは、接合メカニズムは明確ではないが、銅膜と銅板におけるＣｕの相互拡散や焼結助剤との反応などにより、Ｃｕ−Ｏの共晶温度以下の温度に加熱することによっても、セラミックス基板と銅板を接合することができる。このようにセラミックス基板上に形成する銅膜の厚さを０．０２〜１．０μｍにすることにより銅−セラミックス接合基板のボイド率を低くすることができ、銅膜の厚さを０．０２〜０．７０μｍにすることによりボイド率をさらに低くすることができ、銅膜の厚さを０．０４〜０．１８μｍにすることによりボイド率を極めて低くすることができる。
【００１４】
なお、銅膜は、めっき法よりもスパッタリング法または蒸着法によって形成するのが好ましい。めっき法で形成された銅膜はめっき液成分が含有している場合があり、スパッタリング法または蒸着法で形成した銅膜と比べてボイド率が高くなり易いと考えられるからである。銅膜をスパッタリング法または蒸着法によって形成する場合、銅膜の厚さを０．０２〜０．３０μｍにするのが好ましく、０．０２〜０．１５μｍにするのがさらに好ましい。
【００１５】
また、公知の方法により、例えば、銅板上にエッチングレジストを回路形状に形成した後にエッチングすることにより回路基板を形成することができる。
【００１６】
なお、本発明による銅−セラミックス接合基板をベース板に半田付けした場合のたわみ量（変位量）が約０．２ｍｍのときにセラミックス基板にクラックが生じる場合があるので、本発明による銅−セラミックス接合基板をベース板に半田付けした場合のたわみ量は、好ましくは０．２５０ｍｍ以上、さらに好しくは０．３００ｍｍ以上である。
【実施例】
【００１７】
以下、本発明による銅−セラミックス接合基板およびその製造方法の実施例について詳細に説明する。
【００１８】
［実施例１］
セラミックス基板として８１ｍｍ×６８ｍｍ×０．２５ｍｍの（ジルコニアを含む）アルミナ基板を用意し、このアルミナ基板の両面にスパッタリング法によって厚さ０．０４μｍの銅膜を形成した。なお、銅膜の厚さは、蛍光Ｘ線膜厚計により測定した。
【００１９】
次に、このセラミックス基板の両面に形成された銅膜上に、それぞれ厚さ０．２５ｍｍおよび０．２０ｍｍのタフピッチ銅板を配置し、窒素ガス雰囲気中で１０７０℃で６０分間加熱してセラミックス基板と銅板を接合し、銅−セラミックス接合基板を作製した。
【００２０】
このようにして得られた銅−セラミックス接合基板について、超音波探傷機によってボイド率（ボイドの面積占有率）を測定したところ、ボイド率は０．３２％であり、ボイドの直径は１ｍｍ以下であった。また、銅−セラミックス接合基板の厚さ０．２５μｍの銅板側を下にして、負荷速度０．５ｍｍ／ｍｉｎ、スパン間距離３０ｍｍの測定条件下でセラミックス基板の長手方向に垂直に上部の支点が当たるように負荷することによって測定した３点曲げ抗折強度は７５０ＭＰａであった。なお、３点曲げ抗折強度は、被測定物の厚さをセラミックス基板の厚さとして計算した。
【００２１】
［実施例２］
銅膜の厚さを０．０８μｍとした以外は実施例１と同様の方法により、銅−セラミックス接合基板を作製した。このようにして得られた銅−セラミックス接合基板について、超音波探傷機によってボイド率を測定したところ、ボイド率は０．２２％であり、ボイドの直径は１ｍｍ以下であった。また、実施例１と同様の方法により３点曲げ抗折強度を測定したところ、３点曲げ抗折強度は７５５ＭＰａであった。
【００２２】
［実施例３］
銅膜の厚さを０．１２μｍとした以外は実施例１と同様の方法により、銅−セラミックス接合基板を作製した。このようにして得られた銅−セラミックス接合基板について、超音波探傷機によってボイド率を測定したところ、ボイド率は０．１２％であり、ボイドの直径は１ｍｍ以下であった。また、実施例１と同様の方法により３点曲げ抗折強度を測定したところ、３点曲げ抗折強度は７５０ＭＰａであった。
【００２３】
［実施例４］
スパッタリング法および電解めっき法により厚さ０．１８μｍの銅膜を形成した以外は実施例１と同様の方法により、銅−セラミックス接合基板を作製した。このようにして得られた銅−セラミックス接合基板について、超音波探傷機によってボイド率を測定したところ、ボイド率は０．５０％であり、ボイドの直径は１ｍｍ以下であった。また、実施例１と同様の方法により３点曲げ抗折強度を測定したところ、３点曲げ抗折強度は７４０ＭＰａであった。
【００２４】
［実施例５］
銅膜の厚さを０．３μｍとした以外は実施例１と同様の方法により、銅−セラミックス接合基板を作製した。このようにして得られた銅−セラミックス接合基板について、超音波探傷機によってボイド率を測定したところ、ボイド率は０．７％であり、ボイドの直径は１ｍｍ以下であった。また、実施例１と同様の方法により３点曲げ抗折強度を測定したところ、３点曲げ抗折強度は７５０ＭＰａであった。
【００２５】
［実施例６］
無電解めっき法により厚さ０．７μｍの銅膜を形成した以外は実施例１と同様の方法により、銅−セラミックス接合基板を作製した。このようにして得られた銅−セラミックス接合基板について、超音波探傷機によってボイド率を測定したところ、ボイド率は１．５％であり、ボイドの直径は１ｍｍ以下であった。また、実施例１と同様の方法により３点曲げ抗折強度を測定したところ、３点曲げ抗折強度は７４０ＭＰａであった。
【００２６】
［実施例７］
無電解めっき法により厚さ１．０μｍの銅膜を形成した以外は実施例１と同様の方法により、銅−セラミックス接合基板を作製した。このようにして得られた銅−セラミックス接合基板について、超音波探傷機によってボイド率を測定したところ、ボイド率は２．０％であり、ボイドの直径は１ｍｍ以下であった。また、実施例１と同様の方法により３点曲げ抗折強度を測定したところ、３点曲げ抗折強度は７４０ＭＰａであった。
【００２７】
［実施例８］
銅膜の厚さを０．０２μｍとした以外は実施例１と同様の方法により、銅−セラミックス接合基板を作製した。このようにして得られた銅−セラミックス接合基板について、超音波探傷機によってボイド率を測定したところ、ボイド率は１．４％であり、ボイドの直径は１ｍｍ以下であった。また、実施例１と同様の方法により３点曲げ抗折強度を測定したところ、３点曲げ抗折強度は７５０ＭＰａであった。
【００２８】
［比較例１］
スパッタリング法および電解めっき法により厚さ１．８μｍの銅膜を形成した以外は実施例１と同様の方法により、銅−セラミックス接合基板を作製した。このようにして得られた銅−セラミックス接合基板について、超音波探傷機によってボイド率を測定したところ、ボイド率は４．０％であり、直径が２ｍｍを超えるボイドがあった。また、実施例１と同様の方法により３点曲げ抗折強度を測定したところ、３点曲げ抗折強度は７３５ＭＰａであった。
【００２９】
上記の実施例１〜８および比較例１における銅膜の厚さとボイド率の関係を図１に示す。図１からわかるように、銅膜の厚さが実施例１〜８の０．０２〜１．０μｍの範囲ではボイド率が低くなり、実施例１〜６および８の０．０２〜０．７０μｍの範囲ではボイド率がさらに低くなり、実施例１〜４の０．０４〜０．１８μｍの範囲ではボイド率が極めて低くなることがわかる。
【００３０】
［実施例９］
１０６０℃で２４０分間加熱してセラミック基板と銅板を接合した以外は、実施例１と同様の方法により、銅−セラミックス接合基板を作製した。このようにして得られた銅−セラミックス接合基板について、超音波探傷機によってボイド率を測定したところ、ボイド率は０．３５％であり、ボイドの直径は１ｍｍ以下であった。また、実施例１と同様の方法により３点曲げ抗折強度を測定したところ、３点曲げ抗折強度は７５０Ｍａであった。
【００３１】
［実施例１０］
セラミックス基板として６２ｍｍ×３７ｍｍ×０．２５ｍｍの（ジルコニアを含む）アルミナ基板を用意し、このアルミナ基板の両面に厚さ０．０８μｍの銅膜を形成した以外は、実施例１と同様の方法により、銅−セラミックス接合基板を作製した。このようにして得られた銅−セラミックス接合基板について、超音波探傷機によってボイド率を測定したところ、ボイド率は０．２５％であり、ボイドの直径は１ｍｍ以下であった。また、実施例１と同様の方法により３点曲げ抗折強度を測定したところ、３点曲げ抗折強度は７５０ＭＰａであり、たわみ量は０．４６ｍｍであった。なお、セラミックス基板の３点曲げ抗折強度は５２０ＭＰａであり、たわみ量は０．９３ｍｍであった。
【００３２】
さらに、図１に示すように、この実施例で得られた銅−セラミックス接合基板１０の厚さ０．２０ｍｍのタフピッチ銅板側を１００ｍｍ×５０ｍｍ×３ｍｍの銅ベース板１２の一方の面の中央部に半田付けした後、銅ベース板１２の長手方向の両端部から５ｍｍの所で長手方向に垂直な方向に延びるように配置した下部支点１４（スパン間距離９０ｍｍ）上に、銅−セラミックス接合基板１０を下側にして銅ベース板１２を載せ、この銅ベース板１２上の長手方向中央に下部支点１４と平行になるように上部支点１６を配置し、負荷速度０．５ｍｍ／ｍｉｎの測定条件下で負荷することによって３点曲げ試験を行ったところ、銅−セラミックス接合基板１０の破壊時の銅ベース板１２のたわみ量（変位量）は０．３０５ｍｍであった。
【００３３】
［比較例２］
アルミナ基板上に銅膜を形成しないでＣｕ−Ｏ共晶接合法により直接銅板を接合した以外は、実施例１と同様の方法により、銅−セラミックス接合基板を作製した。このようにして得られた銅−セラミックス接合基板について、超音波探傷機によってボイド率を測定したところ、ボイド率は５．０％であり、直径が２ｍｍを超えるボイドがあった。また、実施例１と同様の方法により３点曲げ抗折強度を測定したところ、３点曲げ抗折強度は７４０ＭＰａであり、たわみ量は０．４６ｍｍであった。
【００３４】
また、この比較例で得られた銅−セラミックス接合基板を実施例１０と同様の銅ベース板に半田付けした後、実施例１０と同様の測定条件下で３点曲げ試験を行ったところ、銅−セラミックス接合基板の破壊時の銅ベース板のたわみ量（変位量）は０．２１０ｍｍであった。この結果を実施例１０と比較すると、実施例１０のようにスパッタリング法によりセラミックス基板に銅膜を形成した後に銅板を接合することによって、ベース板に半田付けしたときのたわみ量が約１．５倍になり、パワーモジュールに組み込んだ場合の信頼性が向上することわかる。
【００３５】
［比較例３］
セラミックス基板として（ＭｇＯ，ＣａＯ，ＳｉＯ２を含む）９６％アルミナ基板を使用した以外は、比較例２と同様の方法により、銅−セラミックス接合基板を作製した。このようにして得られた銅−セラミックス接合基板について、超音波探傷機によってボイド率を測定したところ、ボイド率は５．０％であり、直径が２ｍｍを超えるボイドがあった。また、実施例１と同様の方法により３点曲げ抗折強度を測定したところ、３点曲げ抗折強度は５４０ＭＰａであり、たわみ量は０．４ｍｍであった。なお、この比較例で使用したセラミックス基板の３点曲げ抗折強度は５３５ＭＰａであり、たわみ量は０．８３ｍｍであった。
【００３６】
また、この比較例で得られた銅−セラミックス接合基板を実施例１０と同様の銅ベース板に半田付けした後、実施例１０と同様の測定条件下で３点曲げ試験を行ったところ、銅−セラミックス接合基板の破壊銅ベース板のたわみ量（変位量）は０．１３０ｍｍであった。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】実施例１〜８および比較例１における銅膜の厚さとボイド率の関係を示す図。
【図２】実施例１０、比較例２および３において銅−セラミックス接合基板を銅ベース板に半田付けしたときの銅ベース板のたわみ量（変位量）の測定方法を説明する図。
【符号の説明】
【００３８】
１０  銅−セラミックス接合基板
１２  銅ベース板
１４  下部支点
１６  上部支点
【図１】
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【図２】
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