(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板と金属板とを活性金属ろう材層を介して接合したセラミックス−金属接合体において、８族元素から選択される少なくとも１種の遷移金属が上記活性金属ろう材層中に含有されており、上記遷移金属がコバルトまたはパラジウムであり、上記
金属板が銅板であり、この銅板中にコバルトまたはパラジウムが分散している一方、上記活性金属ろう材層に含有されるコバルトまたはパラジウムの含有量が０．０２質量％以上０．５質量％以下であり、上記活性金属ろう材層はＡｇ，Ｃｕおよび活性金属を含有し、この活性金属はＴｉおよびＺｒから選択される少なくとも１種であることを特徴とするセラミックス−金属接合体。
【請求項２】
前記活性金属ろう材層が、Ａｇ、ＣｕおよびＴｉを含有することを特徴とする請求項１に記載のセラミックス−金属接合体。
【請求項３】
前記活性金属ろう材層がＳｎおよびＩｎの少なくとも一方を含有していることを特徴とする請求項２記載のセラミックス−金属接合体。
【請求項４】
前記活性金属ろう材層に炭素が含有されていることを特徴とする請求項２または請求項３のいずれか１項に記載のセラミックス−金属接合体。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のセラミックス−金属接合体をセラミックス回路基板として用いたことを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
セラミックス基板と金属板としての銅板とを活性金属ろう材層を介して接合したセラミックス−金属接合体の製造方法において、
８族元素から選択される少なくとも１種の遷移金属としてのコバルトまたはパラジウムを０．０５質量％以上０．５質量％と、Ａｇと，Ｃｕと，活性金属としてのＴｉおよびＺｒの少なくとも１種とを含有した活性金属ろう材をセラミックス基板および金属板としての銅板の少なくとも一方に塗布した後、セラミックス基板および金属板を重ね合わせて一体に加熱接合することにより上記銅板中にコバルトまたはパラジウムを分散させることを特徴とするセラミックス−金属接合体の製造方法。
【請求項７】
前記活性金属ろう材中に含有される遷移金属がコバルトであり、そのコバルト含有量が０．０２質量％以上０．５質量％以下であることを特徴とする請求項６記載のセラミックス−金属接合体の製造方法。
【請求項８】
前記活性金属ろう材に、Ａｇ、ＣｕおよびＴｉを含有させることを特徴とする請求項６ないし請求項７のいずれか１項に記載のセラミックス−金属接合体の製造方法。
【請求項９】
前記活性金属ろう材にＳｎまたはＩｎの少なくとも１種を含有させることを特徴とする請求項８記載のセラミックス−金属接合体の製造方法。
【請求項１０】
前記活性金属ろう材に炭素が含有されていることを特徴とする請求項６ないし請求項９のいずれか１項に記載のセラミックス−金属接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーモジュールに供されるセラミックス−金属接合体、その製造方法およびそれを用いた半導体装置に係り、特にセラミックス回路基板として使用した場合にセラミックス基板と金属回路板との接合部おいて高い接合性と、優れた耐熱サイクル特性を発揮し得るセラミックス−金属接合体、その製造方法およびそれを用いた半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パワートランジスタモジュール用基板やスイッチング電源モジュール用基板等の回路基板として、セラミックス基板上に銅板等の金属板を接合したセラミックス−金属接合体が広く使用されている。また、上記セラミックス基板としては、電気絶縁性を有すると共に、熱伝導性に優れた窒化アルミニウム基板や窒化けい素基板等が一般的に使用されている。【０００３】
従来より、パワーモジュール用セラミックス回路基板などのセラミックス−金属接合体は、高熱伝導性を有する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や高強度かつ高熱伝導性を有する窒化けい素（Ｓｉ３Ｎ４）などから成るセラミックス基板と、同じく熱伝導率が大きい銅などの金属板を、Ｍｏ、Ｗを用いる高融点金属法、銅と酸素の共晶反応を利用して接合するＤＢＣ法、および活性金属法などの方法によって接合し、エッチングにより金属部をパターニングすることによって回路基板としていた。【０００４】
具体的には、上述したような銅板で回路を構成したセラミックス−金属接合体（セラミックス回路基板）１１は、例えば図１〜図３に示すようにセラミックス基板１２の一方の表面に金属回路板１３としての銅板を接合する一方、他方の表面に裏金属板１４としての銅板を接合して形成される。上記セラミックス基板１２表面に各種金属板を一体に形成する手法としては、下記のような直接接合法，高融点金属メタライズ法，活性金属法などが使用されている。【０００５】
すなわち、直接接合法は、例えばセラミックス基板１２上に銅板を、Ｃｕ−Ｃｕ２Ｏ等の共晶液相を利用して直接接合する、いわゆる銅直接接合法（ＤＢＣ法：Ｄｉｒｅｃｔ  Ｂｏｎｄｉｎｇ  Ｃｏｐｐｅｒ法）であり、高融点金属メタライズ法はＭｏやＷなどの高融点金属をセラミックス基板表面に焼き付けて形成する方法である。また、活性金属法は、４Ａ族元素や５Ａ族元素のような活性金属を含むろう材層１５を介してセラミックス基板１２上に金属板を一体に接合する方法である。一般的には、高強度・高封着性等が得られる観点から、ＣｕとＡｇとの共晶組成（７２重量％Ａｇ−２８重量％Ｃｕ）を有する共晶ろう材にＴｉ等の活性金属を添加したろう材ペーストをセラミックス基板と金属部材との間に介在させ、適当な温度で熱処理して接合する活性金属法が広く使用されている。【０００６】
セラミックス基板と金属部材との具体的な接合構造としては、例えば特許文献１に開示されているように、ろう材層が金属回路板の側面の一部を覆うように設けた構造がある。このような接合構造により、接合強度の向上を図ることができ、よって冷熱サイクルに対して高い信頼性を得ることが可能であるとされている。【０００７】
また、他の接合構造として、例えば特許文献２に開示されるように、金属回路板とセラミックス基板との接合面の面積を表面側の面積より小さくし、かつ活性金属を含むろう材層の面積を金属回路板の接合面の面積より大きくした構造もある。この接合構造によれば、金属回路板の接合面側はろう材層に固定されているが、表面側は特に制約がないため、線膨張係数差に応じて膨張した状態となる。したがって、残留応力を低減でき、耐熱サイクル特性の向上が図れるものとされている。【０００８】
また、具体的な回路の形成方法としては、予めプレス加工やエッチング加工によりパターニングした銅板を用いたり、接合後にエッチング等の手法により金属部をパターニングしたりする等の方法が知られている。これらＤＢＣ法や活性金属ろう付け法により得られるセラミックス回路基板は、いずれも単純構造で熱抵抗が小さく、大電流型や高集積型の半導体チップに対応できる等の利点を有している。
【特許文献１】特開平５−３４７４６９号公報
【特許文献２】特開平６−２６３５５４号公報
【０００９】
近年、セラミックス−金属接合体を回路基板として使用した半導体装置の高出力化，半導体素子の高集積化が急速に進行し、セラミックス−金属接合体に繰り返して作用する熱応力や熱負荷も増加する傾向にあり、セラミックス−金属接合体に対しても上記熱応力や熱サイクルに対して十分な接合強度と耐久性が要求されている。特にセラミックス−金属接合体に搭載する半導体素子の高集積化に対応してより高精細な回路パターンを有するセラミックス−金属接合体が必要とされている。特に、セラミックス回路基板としてのセラミックス−金属接合体には、従来から接合部にボイドが発生しない高接合性（ボイドレス接合）の実現要求に加え、近年では熱的耐久性を高めるために高耐熱サイクル特性も同時に求められている。【００１０】
しかしながら、従来のセラミックス−金属接合体技術では、量産時における接合雰囲気の変化や基板ロットにより接合性のばらつきが大きくなる欠点があり、また高い接合性が得られても、耐熱サイクル性が十分に要求を満たすとは言えない状態であった。したがって、セラミックス−金属接合体を回路基板として用いた半導体装置の信頼性や製品歩留りが低くなるという問題点があった。【００１１】
また、従来のセラミックス−金属接合体では、溶融液化したろう材が塗布面から広がりすぎることが有り、隣接する金属回路板間に短絡を発生させることがあり、セラミックス−金属接合体の動作信頼性が低下し易い問題点もあった。【００１２】
発明の開示
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、パワーモジュールに供した場合においても、高い接合強度および優れた耐熱サイクル特性を共に備え、耐久性および信頼性に優れたセラミックス−金属接合体、その製造方法およびそれを用いた半導体装置を提供することを目的とする。【００１３】
上記目的を達成するため、本発明者らは、特にセラミックス基板と金属回路板との接合強度と接合体の耐熱サイクル特性を共に改善できるろう材層の成分組成を種々検討し、成分組成が接合強度および耐熱サイクル特性に及ぼす影響を比較評価した。その結果、特にろう材層にコバルトなどの８族元素に属する遷移金属成分を所定量含有させたときに、セラミックス−金属接合体としての回路基板全体の接合強度および耐熱サイクル特性を共に大きく向上させることができ、割れの発生が少なく耐久性に優れたセラミックス―金属接合体が得られるという知見を得た。【００１４】
本発明は上記知見に基づいて完成されたものである。すなわち、本発明に係るセラミックス―金属接合体は、セラミックス基板と金属板とを活性金属ろう材層を介して接合したセラミックス−金属接合体において、８族元素から選択される少なくとも１種の遷移金属が上記活性金属ろう材層中に含有されており、上記遷移金属がコバルトまたはパラジウムであり、上記金属板が銅板であり、この銅板中にコバルトまたはパラジウムが分散している一方、上記活性金属ろう材層に含有されるコバルトまたはパラジウムの含有量が０．０２質量％以上０．５質量％以下であり、上記活性金属ろう材層はＡｇ，Ｃｕおよび活性金属を含有し、この活性金属はＴｉおよびＺｒから選択される少なくとも１種であることを特徴とする。
【００１５】
上記セラミックス−金属接合体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、窒化けい素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの窒化物系セラミックス、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）などの酸化物系セラミックス、炭化けい素（ＳｉＣ）等の炭化物系セラミックス、またはほう化ランタン等のほう化物等の非酸化物系セラミックスが好適に使用できる。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，窒化けい素のような非酸化物系セラミックス基板が、特に好適である。これらのセラミックス基板には酸化イットリウムなどの焼結助剤等が含有されていてもよい。【００１６】
なお、特にセラミックス―金属接合体全体の放熱性を高めるためには、熱伝導率が６０Ｗ／ｍＫ以上の窒化けい素基板や熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫ以上の窒化アルミニウム基板を使用することが好ましい。【００１７】
また、金属回路板，裏金属板等の金属板を構成する金属としては、銅，アルミニウム，鉄，ニッケル，クロム，銀，モリブデン，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されないが、特に導電性および価格の観点から銅，アルミニウムまたはその合金、特にコバール合金等が好ましい。【００１８】
上記金属回路板等の厚さは、通電容量等を勘案して決定されるが、セラミックス基板の厚さを０．２５〜１．２ｍｍの範囲とする一方、金属回路板等の厚さを０．１〜０．５ｍｍの範囲に設定して両者を組み合せると熱膨張差による変形などの影響を受けにくくなる。【００１９】
本発明に係るセラミックス−金属接合体において、活性金属法によって金属回路板等を接合する際に形成される活性金属ろう材層は、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，ＡｌおよびＮｂから選択される少なくとも１種の活性金属を含有し適切な組成比を有するＡｇ−Ｃｕ系ろう材等で構成される。【００２０】
上記活性金属ろう材層を構成する材料はペースト状に調製して使用することが好ましい。活性金属ろう材層は、ろう材組成物をバインダーと共に有機溶媒中に分散して調製した接合用組成物ペーストをセラミックス基板表面にスクリーン印刷する等の方法で形成される。接合用組成物ペースト中の各成分の質量比は金属成分（炭素粒子含む）同士の合計を１００質量％とする。つまり、結合材や分散媒を構成するバインダーや溶媒等の有機成分は含めずに計量する。【００２１】
上記接合用組成物ペーストの具体例としては、下記のようなものがある。すなわち質量％でＣｕを１５〜３５％、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、ＡｌおよびＮｂから選択される少くとも１種の活性金属を５％以下、残部が実質的にＡｇから成る組成物を有機溶媒中に分散して調製した接合用組成物ペーストを使用するとよい。上記組成物はＡｇとＣｕとの共晶組成付近の組成となり、低温度接合性および安定性に優れている。【００２２】
上記活性金属はセラミックス基板に対するろう材の濡れ性を改善するための成分であり、特に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板に対して有効である。上記の活性金属の配合量は、接合用組成物全体に対して５質量％以下が適量である。上記Ｔｉ等の活性金属のろう材層中における、より好ましい含有量は０．１〜２質量％の範囲である。【００２３】
また、本発明に係るセラミックス−金属接合体の活性金属ろう材層には、長周期型周期律表で規定する８族元素から選択される少なくとも１種の遷移金属が所定量含有される。活性金属ろう材層に所定量の８族遷移金属を含有させることにより、遷移金属の金属板成分との高反応性により遷移金属が金属板側に偏析し、金属板との濡れ性（接合性）を阻害する反応生成物の過剰な生成が抑制されるため、金属板とろう材とが良好な接合状態を保つことができる。加えて偏析した遷移金属層が液化したろう材成分など余分なろう材の濡れ幅を規制するために、ろう材が広がりすぎることも抑制可能であり、隣接する金属回路板の短絡を発生させることなく、セラミックス基板と金属板との接合強度を大幅に高めることができ、セラミックス−金属接合体の耐熱サイクル特性および耐久性を改善できる。【００２４】
例えばＡｇ−Ｃｕ−Ｓｎ−Ｔｉ―Ｃ系ろう材層中にＣｏを微量含有させることにより、Ｃｏの銅板（Ｃｕ）との高反応性によりＣｏが一様に銅板側に偏析し、Ｃｕ板との濡れ性（接合性）を阻害する、Ｃｕ板中Ｃｕ成分とろう材中のＳｎ成分との反応生成物であるＣｕ−Ｓｎ合金の過剰な生成を抑制するため、Ｃｕ板とろう材との良好な接合状態を保つことができる。加えて偏析したＣｏ層が液化したＡｇ−Ｃｕ−Ｓｎ成分などの余分なろう材の濡れ幅を規制するため、ろう材が広がりすぎることも抑制可能であり、回路の短絡を効果的に防止できる。【００２５】
また、上記活性金属ろう材層に含有される８族遷移金属の含有量は０．０２質量％以上０．５質量％以下であることが好ましい。８族遷移金属の含有量が、０．０２質量％未満となるように過少となると、遷移金属の偏析効果が薄れ、セラミックス基板と金属板との接合強度の改善効果が減少する。一方、遷移金属の含有量が０．５質量％を超えるように過大になると、遷移金属自体が高融点金属であるために、ろう材融点の上昇を招き、接合処理時の加熱温度を高める必要があり、接合体への熱影響が大きくなる。したがって、上記活性金属ろう材層に含有される８族遷移金属の含有量は、接合後の状態で０．０２質量％以上０．５質量％以下の範囲に規定される。さらに、好ましくは０．０５〜０．１５質量％の範囲がより効果的である。【００２６】
また、本発明に係るセラミックス−金属接合体の製造方法は、セラミックス基板と金属板としての銅板とを活性金属ろう材層を介して接合したセラミックス−金属接合体の製造方法において、８族元素から選択される少なくとも１種の遷移金属としてのコバルトまたはパラジウムを０．０５質量％以上０．５質量％と、Ａｇと，Ｃｕと，活性金属としてのＴｉおよびＺｒの少なくとも１種とを含有した活性金属ろう材をセラミックス基板および金属板としての銅板の少なくとも一方に塗布した後、セラミックス基板および金属板を重ね合わせて一体に加熱接合することにより上記銅板中にコバルトまたはパラジウムを分散させることを特徴とする。
【００２７】
上記接合時の加熱温度は７００〜９００℃の範囲に設定することが好ましい。加熱温度が７００℃未満では、ろう材の溶融が不十分であり、均一な活性金属ろう材層が形成しにくい。一方、加熱温度が９００℃を超えるように過大になると、接合体に対する熱影響が大きくなり好ましくない。【００２８】
上記セラミックス−金属接合体およびその製造方法において、前記８族遷移金属がコバルト（Ｃｏ）またはパラジウム（Ｐｄ）であることが好ましい。８族遷移金属としてコバルト（Ｃｏ）またはパラジウム（Ｐｄ）を含有させることにより、ろう材層の金属板側に偏析する効果がより高く、金属板との濡れ性（接合性）を阻害する反応生成物の生成がより効果的に抑制される。【００２９】
さらに、上記セラミックス−金属接合体およびその製造方法において、前記金属板が銅板（Ｃｕ板）であることが好ましい。銅板から成る金属回路板によれば通電容量が高く活性金属ろう材との接合性にも優れている。【００３０】
また、上記セラミックス−金属接合体およびその製造方法において、前記銅板中にコバルトまたはパラジウムが分散していることが好ましい。金属回路板としての銅板中にコバルトまたはパラジウムを分散させることにより、銅板のろう材に対する濡れ性を高めることができ、銅板の接合強度をより向上させることができる。【００３１】
さらに、上記セラミックス−金属接合体およびその製造方法において、前記活性金属ろう材層が、Ａｇ、ＣｕおよびＴｉを含有することが好ましい。特にＡｇとＣｕとの組成比は共晶組成（７２質量％Ａｇ−２８％Ｃｕ）付近が好ましい。この共晶組成付近の組成であれば、ろう材の液化温度（溶融温度）が低く融け易いために、接合温度を低くでき接合体への熱影響を低減できる。【００３２】
また、ろう材中にＴｉ等の活性金属を含有させることにより、特にセラミックス基板とろう材層との接合強度を大幅に高めることが可能になる。上記ろう材中に占めるＴｉ等の活性金属の含有量は、５質量％以下が望ましく、さらに好ましくは０．１〜２質量％の範囲が好適である。【００３３】
さらに、上記セラミックス−金属接合体およびその製造方法において、前記活性金属ろう材層がスズ（Ｓｎ）およびインジウム（Ｉｎ）の少なくとも一方を含有していることが好ましい。これらのＳｎおよびＩｎは、ろう材の融点を下げる効果があり、セラミックス基板と金属板との接合温度を低くでき、接合体への熱影響を軽減することができる。上記ＳｎおよびＩｎの少なくとも一方のろう材層中における含有量は、５〜１５質量％の範囲が好ましい。【００３４】
また、上記セラミックス−金属接合体およびその製造方法において、前記活性金属ろう材層に炭素が含有されていることが好ましい。ろう材層に含有された炭素はろう材層の線膨張係数を調整する働きがあり、具体的には、炭素の含有量に応じてろう材層の線膨張係数をセラミックス基板と金属板との中間の線膨張係数に調整することができるので、接合体の構成部材間の熱膨張差を緩和することができる結果、接合体の耐熱サイクル特性を向上させることができる。【００３５】
上記炭素は平均粒径２μｍ以下、好ましくは１μｍ以下の微細炭素粒子として、０．１〜２質量％の割合でろう材層に含有されることが好ましい。ろう材層における炭素含有量が０．１質量％未満の場合には、上記ろう材層の線膨張係数を調整する働きが不十分である一方、２質量％を越えるように過量に含有させても上記調整効果は飽和してしまう。【００３６】
本発明に係るセラミックス−金属接合体は、例えば以下のような手順で製造される。すなわち、まずセラミックス基板と金属板とを用意し、前記のような活性金属を含有する接合用組成物ペースト（ろう材ペースト）をセラミックス基板の表面に塗布する。この際、ろう材ペーストは接合しようとする金属回路板や裏金属板などの金属板の面積より若干大面積となるように塗布しても、それ以上外側に流れ出すことは無い。また、ろう材ペーストの塗布厚さは、金属板の厚さにより異なるが、例えば２０〜５０μｍ程度とすることが望ましい。【００３７】
次にろう材ペーストの塗布層上に金属板等を押し付けた状態で乾燥させた後に、真空中や窒素雰囲気のような不活性雰囲気中にて、用いたろう材の接合温度で熱処理し、セラミックス基板と金属板とを一体に接合する。しかる後に、接合体をエッチング処理して所定の金属回路パターンを有するセラミックス−金属接合体が製造される。【００３８】
また本発明に係る半導体装置は、上記のように構成したセラミックス−金属接合体をセラミックス回路基板として用いたことを特徴とする。【００３９】
本発明に係るセラミックス−金属接合体およびその製造方法によれば、活性金属ろう材層に周期律表で規定する８族元素から選択された少なくとも１種の遷移金属が所定量含有されているため、加熱接合時に遷移金属の金属板成分との高反応性により遷移金属が金属板側に偏析し、金属板との濡れ性（接合性）を阻害する反応生成物の過剰な生成が抑制される。そのため、金属板とろう材とが良好な接合状態を保つことができる。加えて偏析した遷移金属層が液化したろう材成分など余分なろう材の濡れ幅を規制するために、ろう材が広がりすぎることも抑制でき、金属回路板の短絡を発生させることなく、セラミックス基板と金属板との接合強度を大幅に高めることができ、セラミックス−金属接合体の耐熱サイクル特性および耐久性を改善できる。したがって、このセラミックス−金属接合体を回路基板として使用することにより、割れの発生が少なく耐久性および信頼性に優れた半導体装置を高い製造歩留りで量産することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に係るセラミックス―金属接合体の一実施例を示す平面図である。
【図２】図１に示すセラミックス―金属接合体の断面図である。
【図３】図１に示すセラミックス―金属接合体の底面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
次に本発明の実施形態について添付図面を参照して以下の実施例に基づいて、より具体的に説明する。【００４２】
［実施例１〜２８］
セラミックス基板１２として、図１〜図３に示す形状および厚さを有し、３点曲げ強度が６００ＭＰａ，たわみ量が１．６０ｍｍである窒化けい素（Ｓｉ３Ｎ４）基板と、３点曲げ強度が３００ＭＰａ，たわみ量が０．５０ｍｍである窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板と、３点曲げ強度が４００ＭＰａ，たわみ量が１．２０ｍｍである酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）基板とを多数用意した。【００４３】
一方、金属板として図１〜図３に示す形状および厚さを有し、Ｃｕ（無酸素銅）から成る金属回路板（厚さ０．３ｍｍ）１３および裏金属板（厚さ０．２５ｍｍ）１４をそれぞれ調製した。【００４４】
一方、表１〜表２に示す質量比でＡｇ粉末、Ｃｕ粉末、Ｓｎ粉末、Ｉｎ粉末、Ｔｉ粉末、Ｚｒ粉末などの活性金属粉末、Ｃ粉末、およびＣｏ、Ｐｄなどの遷移金属粉末をそれぞれ含有する粉末混合体１００重量部に対して、溶媒としてのテレピネオールにバインダーとしてのエチルセルロースを溶解したバインダー溶液を２０重量部添加して、擂回機で混合後、三段ロールで混練してペースト状の接合用組成物を調製した。なお、Ｃ粉末は平均粒径０．７μｍのものを使用した。【００４５】
次に前記のように用意した窒化けい素（Ｓｉ３Ｎ４）基板、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板および酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）基板の両面に表１〜表２に示す組成を有するペースト状接合用組成物を３０μｍの塗布厚さで印刷した。この際、接合用組成物ペーストは、最終的に形成されるべき金属回路パターン間の絶縁性に支障がない程度に、具体的には、金属回路パターンの側面からの張り出し量が０．０２〜０．１ｍｍ程度になるように、金属回路パターンの面積より若干広く印刷した。【００４６】
次に、各セラミックス基板に、上記ペーストを介してそれぞれ金属回路板および裏金属板を接触配置して３層構造の積層体とし、この各積層体を加熱炉内に配置し、炉内を１×１０−４Ｔｏｒｒの真空度に調整した後に、表１〜表２に示す接合温度にて２０分間加熱して図１〜図３に示すように、各セラミックス基板１２に活性金属ろう材層１５を介して金属回路板１３および裏金属板１４を一体に接合して、多数のセラミックス―金属接合体を得た。そして各接合体について塩化第二鉄によるエッチング処理を実施して所定の金属回路パターン１３、１３を有する実施例１〜２８に係るセラミックス―金属接合体１１をそれぞれ調製した。【００４７】
［比較例１〜６］
一方、活性金属ろう材層に８族遷移金属としてのＣｏまたはＰｄを含有させない点以外は、それぞれ表１および表２に示すろう材組成物を使用し、実施例１〜２８と同一条件でろう材ペーストの印刷塗布を実施し，さらに所定の接合温度Ｔで加熱接合処理およびエッチング処理を実施することにより、それぞれ対応する比較例１〜６に係るセラミックス―金属接合体をそれぞれ調製した。【００４８】
上記のように調製した各実施例および比較例に係るセラミックス―金属接合体について、接合処理後におけるセラミックス基板と金属板との接合部の未接合率（ボイド率）を測定すると共に、ヒートサイクル試験（熱衝撃試験）を実施して各接合体の耐熱サイクル特性を評価した。【００４９】
上記未接合率（ボイド率）は、超音波装置によって接合体の未接合部の画像を取得し、その画像から未接合部の面積率を画像解析により測定した。一方、ヒートサイクル試験は、各接合体を−４０℃で３０分間保持し、次に室温（ＲＴ：２５℃）で１０分間保持し、さらに１２５℃で３０分間保持し、さらに室温で１０分間保持するという加熱−冷却する操作を１サイクルとするヒートサイクルを３００サイクルに渡り繰り返して実施した。そして、３００サイクルの熱衝撃試験によって発生したクラックの長さから健全率η（％）を算出し下記表１および表２に示す結果を得た。【００５０】
ここで健全率ηとは、ファインクラックが発生し得るセラミックス基板上の金属板の周縁長の合計をＬｏとし、ヒートサイクル試験（ＴＣＴ）により実際に発生したファインクラックの長さの合計をＬとした場合に、算式：η（％）＝（Ｌｏ−Ｌ）／Ｌｏ×１００で与えられる指数である。すなわち、健全率ηが１００％では、ファインクラックは全く発生していない健全な状態を示す一方、健全率ηが減少するにつれてファインクラックが増加する不健全な状態を示す指標である。また、健全率０％は基板にクラックが全面的に発生したことを示す。
【表１】
0005226511.tif 000002
【表２】
0005226511.tif 000003
【００５１】
さらに、各実施例および比較例に係るセラミックス−金属接合体の接合性を評価するために、耐熱サイクル試験前後における金属板の接合強度（ピール強度）の変化を測定した。また、併せて金属回路板としての銅板中へのＣｏまたはＰｄの拡散の有無をＥＰＭＡで観察すると共に、基板表面側に接合した金属回路板（表パターン）間における短絡（ショート）の発生の有無を検証し、下記表３に示す結果を得た。
【表３】
0005226511.tif 000004
【００５２】
上記表１および表２に示す結果から明らかなように、活性金属ろう材層中に所定量のＣｏやＰｄなどの遷移金属成分を含有させた各実施例に係るセラミックス−金属接合体においては、セラミックス基板と金属板（回路パターン）との接合部における未接合部の割合（ボイド率）がいずれも小さく良好な接合状態が得られており、接合性および耐熱サイクル特性に優れたセラミックス回路基板が得られることが判明した。【００５３】
一方、活性金属ろう材層中にＣｏやＰｄなどの８族遷移金属成分を含有していない従来のろう材組成を有する比較例１〜６に係るセラミックス−金属接合体では、耐熱サイクル試験後における健全率ηに優れるものもあるが、概して未接合部の割合（ボイド率）がいずれも大きく良好な接合状態が得られていないために、表３に示すように、耐熱サイクル試験前後における金属回路板の接合強度が低下し易い傾向があり、耐久性が低いことが確認された。【００５４】
また、各実施例の接合体では３００サイクル経過後においても、概してクラック，割れ，剥離の発生割合は少なく、十分な冷熱サイクル特性が得られることが確認できた。一方、比較例においては健全率を１２〜６６％も低下させる高い割合でファインクラックが発生していた。【００５５】
また、表３に示す結果から明らかなように、活性金属ろう材層中に所定量のＣｏやＰｄなどの遷移金属成分のうちの８族元素を含有させた各実施例に係るセラミックス−金属接合体においては、加熱接合時に金属回路板（銅板）中にも８族元素が拡散していることが観察され、この８族元素の拡散により、ろう材の金属板に対する濡れ性が改善され接合強度が高くなり、優れた耐熱サイクル性が得られることが判明した。なお、上記８族元素は接合界面から金属回路板中の深さ１〜２μｍ程度の領域まで拡散していることが顕微鏡観察により確認された。【００５６】
さらに、ＣｏやＰｄの添加による銅板の接合性向上は、同時に接合時におけるろう材の溶融により、ろう材が過度に広がる現象を防止し、初期に印刷したろう材形状のまま接合させることが可能なることも判明した。すなわち、例えばろう材をペースト化し回路パターン状にスクリーン印刷後に、図１〜図３に示すような長方形状の銅板（銅回路板）を接合する際に、Ｃｏが添加されていない場合には、溶融したろう材が回路パターン間にはみ出しパターンショート（短絡）することが多い。このため、ろう材のエッチング処理時にろう材層を過度にエッチングしてしまう箇所が発生して、ここから熱サイクルによるクラックが発生しやすい傾向が見られた。【００５７】
これに対して、本実施例のようにＣｏやＰｄをろう材に添加した場合は、溶融したろう材がパターン間にはみ出さず、パターン印刷したままの位置状態を保持することができるため、熱サイクルによるクラックが生じにくい０．０２〜０．１ｍｍ程度の任意のはみ出し幅を有する形状のろう材層を形成することが可能となり、接合体の耐熱サイクル特性を効果的に向上させることができた。本実施例に係るセラミックス−金属接合体を使用することにより、割れの発生が少なく耐久性および信頼性に優れた半導体装置を高い製造歩留りで量産することが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明に係るセラミックス−金属接合体およびその製造方法によれば、活性金属ろう材層に周期律表で規定する８族元素から選択された少なくとも１種の遷移金属が所定量含有されているため、加熱接合時に遷移金属の金属板成分との高反応性により遷移金属が金属板側に偏析し、金属板との濡れ性（接合性）を阻害する反応生成物の過剰な生成が抑制される。そのため、金属板とろう材とが良好な接合状態を保つことができる。加えて偏析した遷移金属層が液化したろう材成分など余分なろう材の濡れ幅を規制するために、ろう材が広がりすぎることも抑制でき、金属回路板の短絡を発生させることなく、セラミックス基板と金属板との接合強度を大幅に高めることができ、セラミックス−金属接合体の耐熱サイクル特性および耐久性を改善できる。したがって、このセラミックス−金属接合体を回路基板として使用することにより、割れの発生が少なく耐久性および信頼性に優れた半導体装置を高い製造歩留りで量産することが可能になる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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