(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基板(11)の両面のいずれか一方又は双方にＡｌ−Ｓｉ系又はＡｌ−Ｇｅ系の金属層用ろう材(12,32)を介して金属層(13,33)が積層接着された半導体実装用絶縁回路基板の製造方法において、
前記金属層(13,33)を純度９９．５％以上のＡｌにより形成し、
前記金属層(13,33)のマイクロビッカース硬度Ｈｖがダイヤモンド四角錐の圧子を前記金属層(13,33)表面に所定荷重Ｆ(N)で所定時間ｔ(秒)押付けたときに生じる窪みの表面上の平均圧力で表され、前記窪みの対角線長さをｄ(mm)とするとき、Ｈｖ＝０．１８９０９×Ｆ／ｄ2で表され、
Ｆ＝０．１(N)かつｔ＝１５(秒)であるときの前記金属層(13,33)のマイクロビッカース硬度Ｈｖを１０〜１６とし、前記金属層(13,33)の厚さＴ1(mm)を０．３〜０．５とし、前記セラミック基板(11)の厚さ及び抗折強度をそれぞれＴ2(mm)及びＳ(MPa)とするとき、Ａ＝［Ｈｖ×Ｔ1／（Ｔ2×Ｓ）］＜０．０８という関係が成立する前記金属層(13,33)及び前記セラミック基板(11)を用いたことを特徴とする半導体実装用絶縁回路基板の製造方法。
【請求項２】
−４０℃から１２５℃までの温度サイクルを３０００回繰返したときの金属層(13,33)のマイクロビッカース硬度の増加量δが０＜δ≦３５である請求項１記載の半導体実装用絶縁回路基板の製造方法。
【請求項３】
セラミック基板(11)がＳｉ3Ｎ4，ＡｌＮ，ＳｉＣ又はＡｌ2Ｏ3により形成された請求項１記載の半導体実装用絶縁回路基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気自動車や電気車両等の大電圧・大電流を制御する半導体を実装するための絶縁回路基板の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は、Ａｌ又はＡｌ合金からなるヒートシンク及び金属層により、窒化アルミニウム系焼結体からなるセラミック基板を挟んだ状態で、Ａｌ−Ｓｉ系又はＡｌ−Ｇｅ系の金属層用ろう材を用いて積層接着し、かつ上記金属層の表面の所定部分又は全面にＣｕ又はＮｉめっき層を形成した半導体装置用軽量基板を実用新案登録出願した（実開平３−５７９４５号）。
このように構成された半導体装置用軽量基板では、軽量であるため、半導体装置の高集積化及び大電力化に十分対応することができ、かつ温度サイクルを数百回繰返しても、セラミック基板に割れなどの欠陥が発生せず、信頼性の高い基板を得ることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
近年、更に高い絶縁回路基板の耐久性が要求され、温度サイクルを数千回繰返しても、セラミック基板に割れ等の発生しないことが要求されるようになってきた。
しかし、上記従来の実開平３−５７９４５号公報に示された半導体装置用軽量基板では、温度サイクルを数千回繰返す前に、金属層及びセラミック基板の界面や半導体実装用のはんだ層に割れや亀裂等が発生する問題点があった。
本発明の目的は、温度サイクル寿命を延すことができる半導体実装用絶縁回路基板の製造方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、図１に示すように、セラミック基板１１の両面のいずれか一方又は双方にＡｌ−Ｓｉ系又はＡｌ−Ｇｅ系の金属層用ろう材１２を介して金属層１３が積層接着された半導体実装用絶縁回路基板の製造方法の改良である。
その特徴ある構成は、金属層１３を純度９９．５％以上のＡｌにより形成し、金属層１３のマイクロビッカース硬度Ｈｖがダイヤモンド四角錐の圧子を金属層１３表面に所定荷重Ｆ（Ｎ）で所定時間ｔ（秒）押付けたときに生じる窪みの表面上の平均圧力で表され、この窪みの対角線長さをｄ（ｍｍ）とするとき、Ｈｖ＝０．１８９０９×Ｆ／ｄ2で表され、Ｆ＝０．１（Ｎ）かつｔ＝１５（秒）であるときの金属層１３のマイクロビッカース硬度Ｈｖを１０〜１６とし、金属層１３の厚さＴ1（ｍｍ）を０．３〜０．５とし、セラミック基板１１の厚さ及び抗折強度をそれぞれＴ2(mm)及びＳ(MPa)とするとき、Ａ＝［Ｈｖ×Ｔ1／（Ｔ2×Ｓ）］＜０．０８という関係が成立する金属層１３及びセラミック基板１１を用いたところにある。
この請求項１に記載された半導体実装用絶縁回路基板の製造方法では、金属層１３の変形抵抗及び厚さがともに小さく、セラミック基板１１の強度及び厚さがともに大きければ、即ち上記Ａ値が０．０８未満であれば、金属層１３がセラミック基板１１との熱膨張係数の相違に基づく熱変形の相違を柔軟に吸収し、かつセラミック基板１１が金属層１３との熱変形の相違により発生した内部応力に耐え得る靱性を有するため、セラミック基板１１及び金属層１２の界面に割れや亀裂が発生せず、この界面の温度サイクル寿命を延すことができる。
【０００５】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明であって、更に図１に示すように、−４０℃から１２５℃までの温度サイクルを３０００回繰返したときの金属層１３のマイクロビッカース硬度の増加量δが０＜δ≦３５であることを特徴とする。
この請求項２に記載された半導体実装用絶縁回路基板の製造方法では、金属層１３の温度サイクルによる加工硬化率が小さければ、即ち上記マイクロビッカース硬度の増加量δが３５以下であれば、金属層１３が半導体用はんだ層１９との熱膨張係数の相違に基づく熱変形の相違を柔軟に吸収するため、半導体用はんだ層１９に割れや亀裂等が発生せず、半導体用はんだ層１９の温度サイクル寿命を延すことができる。
またセラミック基板１１はＳｉ3Ｎ4，ＡｌＮ，ＳｉＣ又はＡｌ2Ｏ3により形成され、金属層１３はＡｌ又はＡｌ合金により形成されることが好ましい。
【０００６】
【発明の実施の形態】
次に本発明の第１の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、絶縁回路基板１０はセラミック基板１１と、このセラミック基板１１の上面に金属層用ろう材１２を介して積層接着された金属層１３とを備える。セラミック基板１１はＳｉ3Ｎ4，ＡｌＮ，ＳｉＣ又はＡｌ2Ｏ3等により形成されることが好ましい。また金属層１３は、純度が９９．５重量％以上のＡｌにより形成される。金属層用ろう材１２としては、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材又はＡｌ−Ｇｅ系ろう材を用いることが好ましい。Ａｌ−Ｓｉ系ろう材は８７．０〜９６．０重量％のＡｌと４．０〜１３．０重量％のＳｉとの合金であり、Ａｌより融点が５０〜１００℃低い。Ａｌ−Ｇｅ系ろう材は８５．０〜９０．０重量％のＡｌと１０．０〜１５．０重量％のＧｅとの合金であり、Ａｌより融点が２０〜５０℃低い。なお、図１中の符号１４はシンク用ろう材１６により積層接着されたヒートシンクである。ヒートシンク１４はＡｌ又はＡｌ合金により形成され、シンク用ろう材１６としては上記と同様にＡｌ−Ｓｉ系ろう材又はＡｌ−Ｇｅ系ろう材が用いられる。
【０００７】
一方、金属層１３のマイクロビッカース硬度及び厚さをそれぞれＨｖ及びＴ1(mm)とし、セラミック基板１１の厚さ及び抗折強度をそれぞれＴ2(mm)及びＳ(MPa)とするとき、Ａ＝［Ｈｖ×Ｔ1／（Ｔ2×Ｓ）］＜０．０８、好ましくはＡ＜０．０３という関係が成立するように構成される。即ち、金属層１３の硬度は小さく、金属層１３の厚さは薄く、セラミック基板１１の厚さは厚く、かつセラミック基板１１の抗折強度は大きく構成される。上記Ａ値を０．０８未満に限定したのは、Ａ値が０．０８以上では温度サイクルを数千回繰返す前にセラミック基板１１及び金属層１３の界面に割れや亀裂を発生するからである。
【０００８】
また−４０℃から１２５℃までの温度サイクルを３０００回繰返したときの金属層１３のマイクロビッカース硬度の増加量δは０＜δ≦３５、好ましくは０＜δ≦２８である。増加量δを０＜δ≦３５に限定したのは、δが３５を越えると温度サイクルを数千回繰返す前に半導体実装用のはんだ層１９に割れや亀裂を発生するからである。なお、マイクロビッカース硬度とは、マイクロビッカース硬度試験機で測定された硬度であり、ダイヤモンド四角錐の圧子を金属層表面に所定荷重Ｆ（Ｎ）で所定時間ｔ（秒）押付けたときに生じる窪みの表面上の平均圧力で表される。即ち、上記窪みの対角線長さをｄ（ｍｍ）とすると、Ｈｖ＝０．１８９０９×Ｆ／ｄ2で表される。
【０００９】
このように構成された絶縁回路基板の製造方法を説明する。
金属層１３として純度が９９．９９重量％以上で、マイクロビッカース硬度が１０〜１６かつ厚さが０．３〜０．５ｍｍのＡｌを用い、セラミック基板１１として厚さが０．５〜１．０ｍｍで抗折強度が７００〜９００ＭＰａのＳｉ3Ｎ4を用い、更に金属層用ろう材１２としてＡｌ−Ｓｉ系ろう材を用いる。先ず上面に金属層用ろう材１２及び金属層１３を重ねたセラミック基板１１を、シンク用ろう材１６（Ａｌ−Ｓｉ系ろう材）を介してＡｌ製のヒートシンク１４上に載せた状態で、これらに荷重０．１〜１．０ＭＰａを加え、真空中で６００〜６５０℃に加熱することにより、金属層１３，セラミック基板１１及びヒートシンク１４を積層接着する。積層接着後、金属層１３はエッチング法により所定のパターン回路となる。これにより絶縁回路基板１０が作製される。次に上記パターン回路１３上に半導体素子１７を半導体用はんだ層１９を介して搭載した後に、この半導体素子１７をパターン回路１３の所定の位置にワイヤ１８にて電気的に接続する。ここでパターン回路１３とワイヤ１８とは超音波接合される。なお、上記Ａ値が０．０８未満となるように、金属層１３のマイクロビッカース硬度及び厚さと、セラミック基板１１の厚さ及び抗折強度は設定される。
【００１０】
このように製造された絶縁回路基板１０では、Ａ値が０．０８未満であるため、金属層１３の変形抵抗及び厚さがともに小さく、セラミック基板１１の強度及び厚さがともに大きい。このため、金属層１３がセラミック基板１１との熱膨張係数の相違に基づく熱変形の相違を柔軟に吸収し、かつセラミック基板１１が金属層１３との熱変形の相違により発生した内部応力に耐え得る靱性を有する。この結果、セラミック基板１１及び金属層１３の界面に割れや亀裂が発生しないので、この界面の温度サイクル寿命を延すことができる。
また−４０℃から１２５℃までの温度サイクルを３０００回繰返しても金属層１３のマイクロビッカース硬度の増加量δは３５以下であるため、金属層１３の温度サイクルによる加工硬化率が小さい。この結果、金属層１３が半導体用はんだ層１９との熱膨張係数の相違に基づく熱変形の相違を柔軟に吸収するので、半導体用はんだ層１９に割れや亀裂等が発生せず、半導体用はんだ層１９の温度サイクル寿命を延すことができる。
【００１１】
図２は本発明の第２の実施の形態を示す。図２において図１と同一符号は同一部品を示す。
この実施の形態では、セラミック基板１１の上面のみならず、下面にも金属層用ろう材３２を介して金属層３３を積層接着することにより絶縁回路基板３０が形成される。この場合、Ａ値における金属層１３，３３の厚さＴ1及びマクロビッカース硬度Ｈｖはセラミック基板１１の上下の金属層１３，３３のそれぞれの厚さ及びそれぞれのマイクロビッカース硬度を用いる。即ち、この実施の形態では、金属層１３，３３の厚さ及びマイクロビッカース硬度より求めた２つのＡ値がともに０．０８未満となるように設定される。なお、この絶縁回路基板３０は放熱板を有せず、図示しないがねじ止めにより或いは枠を用いて、直接ヒートシンクに固定される。上記以外は第１の実施の形態と同一に構成される。
【００１２】
図３は本発明の第３の実施の形態を示す。図３において図２と同一符号は同一部品を示す。
この実施の形態では、セラミック基板１１の下面に金属層用ろう材３２を介して金属層３３が積層接着され、更にこの金属層３３の下面にシンク用ろう材１６（Ａｌ−Ｓｉ系ろう材又はＡｌ−Ｇｅ系ろう材）を介してＡｌ又はＡｌ合金製のヒートシンク１４が積層接着される。上記以外は第２の実施の形態と同一に構成される。
【００１３】
図４は本発明の第４の実施の形態を示す。図４において図３と同一符号は同一部品を示す。
この実施の形態では、金属層３３の下面に放熱用はんだ層５９又は放熱用ろう材（Ａｌ−Ｓｉ系ろう材，Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系ろう材等）を介してＡｌＳｉＣ製の放熱板５４（低熱膨張係数を有する。）が積層接着される。また放熱板５４の下面には図示しないがねじ止めによりＡｌ又はＡｌ合金製の水冷ヒートシンクが固定される。上記以外は第３の実施の形態と同一に構成される。
【００１４】
図５は本発明の第５の実施の形態を示す。図５において図３と同一符号は同一部品を示す。
この実施の形態では、第３の実施の形態の金属層３３とＡｌ又はＡｌ合金製のヒートシンク１４との間にＡｌＳｉＣにより形成された緩衝層７１が緩衝用ろう材７２（Ａｌ−Ｓｉ系ろう材，Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系ろう材等）を介して積層接着される。上記以外は第３の実施の形態と同一に構成される。
【００１５】
【実施例】
次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。
＜実施例１＞
図４に示すように、金属層１３，３３として純度が９９．９９重量％，マイクロビッカース硬度が１０．５かつ厚さが０．５ｍｍのＡｌを用い、セラミック基板１１として厚さが０．６３５ｍｍで抗折強度が９００ＭＰａのＳｉ3Ｎ4を用い、更に金属層用ろう材１２としてＡｌ−Ｓｉ系ろう材を用いた。先ず上面にＡｌ−Ｓｉ系の金属層用ろう材１２を介して金属層１３を重ねたセラミック基板１１を、Ａｌ−Ｓｉ系の金属層用ろう材３２を介して金属層３３に載せた状態で、これらに荷重０．５ＭＰａを加え、真空中で６５０℃に加熱することにより、金属層１３，３３及びセラミック基板１１を積層接着した。次に金属層１３をエッチング法により所定のパターン回路に形成し、金属層３３の下面に放熱用はんだ層５９を介してＡｌＳｉＣ製の放熱板５４（低熱膨張係数を有する。）を接合した。この絶縁回路基板１０を実施例１とした。なお、上記パターン回路１３上には半導体素子１７を半導体用はんだ層１９を介して搭載した後に、この半導体素子１７をパターン回路１３の所定の位置にワイヤ１８にて電気的に接続した。ここでパターン回路１３とワイヤ１８とは超音波接合した。
＜実施例２＞
金属層として純度が９９．９９重量％，マイクロビッカース硬度が１６．３かつ厚さが０．３ｍｍのＡｌを用い、セラミック基板として厚さが０．６３５ｍｍで抗折強度が３５０ＭＰａのＡｌＮを用いたことを除いて、実施例１と同様にして絶縁回路基板を作製した。この絶縁回路基板を実施例２とした。
【００１６】
＜実施例３＞
金属層として純度が９９．９９重量％，マイクロビッカース硬度が２０．５かつ厚さが０．２ｍｍのＡｌを用い、セラミック基板として厚さが０．６３５ｍｍで抗折強度が４５０ＭＰａのＳｉＣを用いたことを除いて、実施例１と同様にして絶縁回路基板を作製した。この絶縁回路基板を実施例３とした。
＜実施例４＞
金属層として純度が９９．５重量％，マイクロビッカース硬度が２２．５かつ厚さが０．３ｍｍのＡｌを用い、セラミック基板として厚さが１．０ｍｍで抗折強度が３００ＭＰａのＡｌ2Ｏ3を用いたことを除いて、実施例１と同様にして絶縁回路基板を作製した。この絶縁回路基板を実施例４とした。
【００１７】
＜比較例１＞
金属層として純度が９９．０重量％，マイクロビッカース硬度が２４．１かつ厚さが１．０ｍｍのＡｌを用い、セラミック基板として厚さが０．６３５ｍｍで抗折強度が３００ＭＰａのＡｌ2Ｏ3を用いたことを除いて、実施例１と同様にして絶縁回路基板を作製した。この絶縁回路基板を比較例１とした。
＜比較例２＞
金属層として純度が９９．９重量％，マイクロビッカース硬度が２１．３かつ厚さが１．０ｍｍのＡｌを用い、セラミック基板として厚さが０．６３５ｍｍで抗折強度が３５０ＭＰａのＡｌＮを用いたことを除いて、実施例１と同様にして絶縁回路基板を作製した。この絶縁回路基板を比較例２とした。
【００１８】
＜比較例３＞
金属層として純度が９９．９９重量％，マイクロビッカース硬度が６３．２かつ厚さが０．３ｍｍのＣｕを用い、セラミック基板として厚さが０．６３５ｍｍで抗折強度が３５０ＭＰａのＡｌＮを用い、更に金属層用ろう材としてＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材を用いた。先ず上面にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系の金属層用ろう材を介して金属層を重ねたセラミック基板を、別のＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系の金属層用ろう材を介して別の金属層に載せた状態で、これらに荷重０．５ＭＰａを加え、真空中で９００℃に加熱することにより、金属層及びセラミック基板を積層接着した。次に実施例１と同様に上側の金属層をエッチング法により所定のパターン回路に形成し、下側の金属層の下面に放熱用はんだ層を介してＡｌＳｉＣ製の放熱板（低熱膨張係数を有する。）を接合した。この絶縁回路基板を比較例３とした。
＜比較例４＞
金属層として純度が９９．９９重量％，マイクロビッカース硬度が７０．５かつ厚さが０．４ｍｍのＣｕを用い、セラミック基板として厚さが０．６３５ｍｍで抗折強度が９００ＭＰａのＳｉ3Ｎ4を用いたことを除いて比較例３と同様にして絶縁回路基板を作製した。この絶縁回路基板を比較例４とした。
【００１９】
＜比較試験及び評価＞
実施例１〜４及び比較例１〜４の絶縁回路基板に温度サイクル寿命試験を行い、金属層の硬度の増加量を求めた。
温度サイクル寿命試験は上記基板を炉に入れて、この炉内を−４０℃から１２５℃までの温度サイクルを繰返し、セラミック基板又は半導体用はんだ層に割れ又は亀裂が発生するまでの温度サイクルの回数を測定することにより行った。なお、上記割れ又は亀裂は光学顕微鏡により観察した。
また金属層の硬度の増加量は次のようにして求めた。先ず温度サイクル寿命試験開始前の金属層の硬度Ｈｖ1をマイクロビッカース硬度試験機を用いて測定し、次に−４０℃から１２５℃までの温度サイクルを３０００回繰返した時点で金属層の硬度Ｈｖ2をマイクロビッカース硬度試験機を用いて測定し、更に硬度の増加量δを［Ｈｖ2−Ｈｖ1］から求めた。これらの結果を表１に示す。
【００２０】
なお、表１におけるＡ値は［Ｈｖ×Ｔ1／（Ｔ2×Ｓ）］から求めた。
また、マイクロビッカース硬度試験機とは、顕微鏡と組合せて極めて微少部分の硬さを測定する試験機であり、マイクロビッカース硬度はダイヤモンド四角錐の圧子を金属層表面に所定荷重Ｆ（Ｎ）で所定時間ｔ（秒）押付けたときに生じる窪みの表面上の平均圧力で表される。即ち、上記窪みの対角線長さをｄ（ｍｍ）とすると、Ｈｖ＝０．１８９０９×Ｆ／ｄ2で表される。ここでは上記所定荷重Ｆを０．１Ｎとし、所定時間ｔを１５秒として硬度を測定した。
【００２１】
【表１】
0003932744.tif 000002
【００２２】
表１から明らかなように、比較例１〜４では温度サイクル寿命が５２０〜１５００回と少なかったのに対し、実施例１〜４では温度サイクル寿命が３６６０〜５０２０回と多く、実施例の温度サイクル寿命は比較例より２．４倍以上延びた。
また比較例１〜４ではＡ値が０．０４９３〜０．１２６５大きかったのに対し、実施例１〜４では０．００９２〜０．０２２５と小さく、更に比較例１〜４では金属層の硬度の増加量δが２５．６〜４４．０と大きかったのに対し、実施例１〜４では１３．６〜２７．０と小さかった。この結果、Ａ値が０．０８未満であり、金属層の硬度の増加量が３５以下であれば、温度サイクル寿命が飛躍的に延びることが判った。なお、比較例３及び４の金属層（Ｃｕ）の硬度の増加量δが実施例１〜４並びに比較例１及び２の金属層（Ａｌ）の硬度の増加量δより大きかったのは、Ｃｕの方がＡｌより硬度変化が大きく、これにより半導体用はんだ層の寿命を低下させたためであると考えられる。
【００２３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、セラミック基板の両面のいずれか一方又は双方にＡｌ−Ｓｉ系又はＡｌ−Ｇｅ系の金属層用ろう材を介して金属層を積層接着し、金属層を純度９９．５％以上のＡｌにより形成し、金属層のマイクロビッカース硬度Ｈｖを１０〜１６とし、金属層の厚さＴ1(mm)を０．３〜０．５とし、セラミック基板の厚さ及び抗折強度をそれぞれＴ2(mm)及びＳ(MPa)とするとき、Ａ＝［Ｈｖ×Ｔ1／（Ｔ2×Ｓ）］＜０．０８という関係が成立する金属層及びセラミック基板を用いたので、金属層の変形抵抗及び厚さがともに小さく、セラミック基板の強度及び厚さがともに大きい。このため、金属層がセラミック基板との熱膨張係数の相違に基づく熱変形の相違を柔軟に吸収し、かつセラミック基板が金属層との熱変形の相違により発生した内部応力に耐え得る靱性を有する。この結果、セラミック基板及び金属層の界面に割れや亀裂が発生しないので、この界面の温度サイクル寿命を延すことができる。
【００２４】
また−４０℃から１２５℃までの温度サイクルを３０００回繰返したときの金属層のマイクロビッカース硬度の増加量δが０＜δ≦３５であれば、金属層の温度サイクルによる加工硬化の度合が小さいため、金属層が半導体用はんだ層との熱膨張係数の相違に基づく熱変形の相違を柔軟に吸収する。この結果、半導体用はんだ層に割れや亀裂等が発生しないので、半導体用はんだ層の温度サイクル寿命を延すことができる。
更にセラミック基板をＳｉ3Ｎ4，ＡｌＮ，ＳｉＣ又はＡｌ2Ｏ3により形成すれば、上記効果を顕著に奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明第１実施形態の絶縁回路基板の縦断面図。
【図２】本発明の第２実施形態を示す図１に対応する縦断面図。
【図３】本発明の第３実施形態を示す図１に対応する縦断面図。
【図４】本発明の第４実施形態を示す図１に対応する縦断面図。
【図５】本発明の第５実施形態を示す図１に対応する縦断面図。
【符号の説明】
１０，３０  絶縁回路基板
１１  セラミック基板
１２，３２  金属層用ろう材
１３，３３  金属層
【図１】
0003932744.tif 000003
【図２】
0003932744.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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