(57)【要約】  【課題】  繰り返される温度サイクルによっても、基体から回路層が剥離しにくく、熱的信頼性に優れた回路基板を提供する。  【解決手段】  本開示の回路基板は、窒化珪素質セラミックスからなる基体と、該基体上に位置する第１層と、該第１層上に位置するチタンを主成分とする第２層と、該第２層上に位置する回路層とを備え、前記第１層における主成分が酸化アルミニウムである。本開示の回路基板は、繰り返される温度サイクルによっても、基体から回路層が剥離しにくく、熱的信頼性に優れる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化珪素質セラミックスからなる基体と、
該基体上に位置する第１層と、
該第１層上に位置するチタンを主成分とする第２層と、
該第２層上に位置する回路層とを備え、
前記第１層における主成分が酸化アルミニウムである回路基板。
【請求項２】
前記回路層は、前記回路層を構成する全成分１００質量％のうち、銅を８０質量％以上含有する請求項１に記載の回路基板。
【請求項３】
前記第１層は、前記基体との界面側にあたる第１領域に珪素の窒化物を含有している請求項１または請求項２に記載の回路基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、回路基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子等の電子部品の搭載に、セラミックスからなる基体上に金属からなる回路層が形成された回路基板が用いられている。使用にあたって電子部品から生じる熱は回路層を介して基体に伝わるものであり、使用前後と使用中とでは温度差があるため、回路基板は繰り返し温度サイクルを受ける。そのため、このような回路基板では、基体と回路層との接合強度を高めるため、基体を構成するセラミックスおよび回路層を構成する金属の両方と高い密着性を有するチタンを主成分とする層が、基体と回路層との間に設けられている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１０９８５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、回路基板の薄型化・小型化が進んでおり、優れた機械的強度および放熱性を有する基体が必要であることから、セラミックスの中でも、高い機械的強度および高い熱伝導率を有する窒化珪素質セラミックス採用されてきている。しかしながら、窒化珪素質セラミックスとチタンとは密着性が高くないため、窒化珪素質セラミックスを基体として用いる構成において、回路層が剥離しにくく、熱的信頼性に優れた回路基板が求められている。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みて案出されたものであり、繰り返される温度サイクルによっても、基体から回路層が剥離しにくく、熱的信頼性に優れた回路基板を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の回路基板は、窒化珪素質セラミックスからなる基体と、該基体上に位置する第１層と、該第１層上に位置するチタンを主成分とする第２層と、該第２層上に位置する回路層とを備え、前記第１層は、酸化アルミニウムを主成分とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
本開示の回路基板は、繰り返される温度サイクルによっても、基体から回路層が剥離しにくく、熱的信頼性に優れる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本実施形態の回路基板の一例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本実施形態の一態様の回路基板について、図１を参照しながら説明する。
【００１０】
本実施形態の一態様の回路基板１０は、窒化珪素質セラミックスからなる基体１と、基体１上に位置する第１層２と、第１層２上に位置するチタンを主成分とする第２層３と、第２層３上に位置する回路層４とを備えている。
【００１１】
ここで、窒化珪素質セラミックスとは、窒化珪素質セラミックスを構成する全成分１００質量％のうち、窒化珪素が８０質量％以上を占めるものである。そして、窒化珪素質セラミックスであるか否かは、以下の方法により確認することができる。まず、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）を用いて測定し、得られた２θ（２θは、回折角度である。）の値よりＪＣＰＤＳカードを用いて同定することにより、窒化珪素の存在を確認する。次に、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）発光分光分析装置（ＩＣＰ）を用いて、珪素（Ｓｉ）の定量分析を行なう。そして、ＩＣＰで測定して得られた珪素の含有量を窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）に換算し、窒化珪素の含有量が８０質量％以上であれば、窒化珪素質セラミックスである。
【００１２】
また、第２層３における主成分とは、第２層３を構成する全成分１００質量％のうち、５０質量％を超える成分のことである。
【００１３】
また、第１層２は、酸化アルミニウムを主成分とする層である。ここで、第１層２における主成分とは、第１層２を構成する全成分１００質量％のうち、５０質量％を超える成分のことである。
【００１４】
本実施形態の回路基板１０は、窒化珪素質セラミックスからなる基体１とチタンを主成分とする第２層３との間に第１層２が位置している。第１層２は、酸化アルミニウムを主成分とし、窒化珪素およびチタンの両方と密着性がよいことから、基体１と第２層３とは強固に接合される。よって、本実施形態の回路基板１０は、繰り返される温度サイクルによっても、基板１から回路層４が剥離しにくく、熱的信頼性に優れている。
【００１５】
そして、酸化アルミニウムを主成分とする第１層２およびチタンを主成分とする第２層３の存在の確認は、以下の方法で行なえばよい。
【００１６】
まず、図１に示すような断面形状となるように、回路基板１０を切断する。そして、この切断面を、クロスセクションポリッシャー（ＣＰ）を用いて研磨するか、または集束イオンビーム（ＦＩＢ）を用いて加工することで観察面を得る。次に、この観察面を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）または透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）に付設の電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）を用いて線分析を行なう。なお、ＥＰＭＡの線分析とは、２次元分析法と言われるものであり、直線状に測定位置を変化させることにより、含有成分の含有量の分布の相対的変化を確認することができるものである。
【００１７】
基体１上の構成において主成分が異なる場合には、ＳＥＭまたはＴＥＭの観察における色調差により主成分が異なる領域の存在を確認することができる。例えば、主成分が酸化アルミニウムである領域と、主成分がチタンである領域とが層状に存在するときには、ＳＥＭまたはＴＥＭの観察により層の存在を確認することができる。このように、層の存在が確認できた場合には、回路層４側から基体１側に、若しくは基体側から回路層４側に向かって線分析を行ない、アルミニウムと酸素とが同時に検出され、アルミニウムの含有量から酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）に換算した値が５０質量％を超える領域が第１層２である。また、線分析により、チタンが検出され、チタンの含有量が５０質量％を超える領域が第２層３である。
【００１８】
なお、上記方法以外に、ＳＥＭまたはＴＥＭに付設のエネルギー分散型Ｘ線分光器（ＥＤＳ）を用いて、第１層２および第２層３の存在の確認を行なってもよい。まず、ＥＤＳにより、観察面における基体１側から回路層４側にかけて、一定間隔（例えば、１０ｎｍ）毎にスポット（φ１０ｎｍ）を当て、そのスポットにおける組成を確認することにより、第１層２および第２層３の存在の確認を行なってもよい。ここで、アルミニウムと酸素
とが同時に検出され、アルミニウムの含有量から酸化アルミニウムに換算した値が５０質量％を超えているスポットが、基体１との界面に沿って３カ所以上存在するときには、その領域を第１層２とみなしてよい。また、チタンが検出され、チタンの含有量が５０質量％を超えているスポットが、基体１との界面に沿って３カ所以上存在するときには、その領域を第２層３とみなしてよい。
【００１９】
また、第１層２の厚みは、例えば、５０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下である。第１層２の厚みが５０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下であるときには、回路層４と基体１との間の熱伝達の阻害を抑制しつつ、基体１および第２層３との密着性を高くできる。
【００２０】
また、第２層３の厚みは、例えば、５０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下である。第２層３の厚みが５０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下であるときには、第１層２および回路層４との密着性を高くできる。
【００２１】
また、回路層４は、例えば、回路層４を構成する全成分１００質量％のうち、銅を８０質量％以上含有する金属層である。このように、回路層４が、低い電気抵抗率および高い熱伝導率を有する銅を８０質量％以上含有していれば、回路層４に大電流を流しても、回路層４の温度が過度に上昇することを抑制することできる。なお、回路層４を構成する成分は、ＩＣＰを用いて分析すればよい。
【００２２】
また、回路層４の厚みは、例えば、１００μｍ以上である。特に、回路層４の放熱性を高める観点によれば、回路層４の厚みは３００μｍ以上である。
【００２３】
また、第１層２が、基体１との界面側にあたる第１領域に珪素の窒化物を含有しているときには、基体１と第１領域との熱膨張係数が近似し、熱膨張係数の差に起因するクラックの発生が抑制されるため、繰り返される温度サイクルによっても、基体１から第１層２がより剥離しにくくなる。ここで、第１領域とは、第１層２において、基体１との界面から第２層３側にかけて１５ｎｍまでの領域のことである。
【００２４】
なお、第１領域における珪素の窒化物の存在の確認は、以下の方法で行なえばよい。まず、上述した観察面を準備し、ＳＥＭまたはＴＥＭを用いて、基体１との界面から第２層３側にかけて１５ｎｍまでの領域（第１領域）を観察する。そして、この第１領域にスポット（φ１０ｎｍ）を当て、そのスポットにおける組成を確認する。そして、珪素および窒素が同時に検出されるか否かで珪素の窒化物の存在を確認できる。
【００２５】
また、第１層２は、第２層３との界面側にあたる第２領域にチタンを含有していてもよい。一方、第２層３は、第１層２との界面側にあたる第３領域に酸化アルミニウムを含有していてもよい。ここで、第２領域とは、第１層２において、第２層３との界面から基体１側にかけて１５ｎｍまでの領域のことである。また、第３領域とは、第２層３において、第１層２との界面から回路層４側にかけて１５ｎｍまでの領域のことである。このような構成を満たせば、第２領域と第３領域との熱膨張係数が近似し、熱膨張係数の差に起因するクラックの発生が抑制されるため、繰り返される温度サイクルによって、第１層２から第２層３がより剥離しにくくなる。
【００２６】
ここで、第２領域におけるチタンおよび第３領域における酸化アルミニウムの存在の確認は、以下の方法で行なえばよい。まず、上述した観察面を準備し、ＳＥＭまたはＴＥＭに付随のＥＤＳによって、第２領域および第３領域にスポット（φ１０ｎｍ）を当て、そのスポットにおける組成を確認する。そして、第２領域においてチタンが検出されるか否かで第２領域におけるチタンの存在を確認できる。また、第３領域においてアルミニウムおよび酸素が同時に検出されたら、酸化アルミニウムが第３領域に存在するとみなしてよ
い。
【００２７】
また、本実施形態の一態様の回路基板１０は、基体１の内部に流路を備えていてもよい。このような構成ならば、流路に気体や液体等の流体を流すことで、回路基板１０の温度調整を容易に行なうことが可能となる。
【００２８】
次に、本実施形態の一態様の回路基板１０の製造方法の一例について説明する。
【００２９】
まず、主成分である窒化珪素粉末を用意し、これに焼結助剤、溶媒および有機バインダを所定量添加して、ボールミルやビーズミル等を用いて所定の粒径となるまで粉砕することで、スラリーを作製する。
【００３０】
次に、このスラリーを用いて、公知のドクターブレード法によってグリーンシートとし、加圧プレス法で成形することにより成形体を得る。または、スラリーを噴霧乾燥した顆粒を用いて、ロールコンパクション法によってグリーンシートとし、加圧プレス法で成形することにより成形体を得る。さらには、冷間等方圧成型（ＣＩＰ）法で成形した後、切削加工により成形体を得たり、上述した原料を用いて作製した坏土を用いて押し出し成形することで、成形体を得ればよい。
【００３１】
そして、得られた成形体を、窒化珪素の含有量に応じた温度および焼成雰囲気で焼成することによって、窒化珪素質セラミックスからなる基体１を得る。なお、基体１は、必要に応じて研磨および研削を行なっても構わない。
【００３２】
次に、第１層２を基体１上に形成する。第１層２は、酸化アルミニウムのターゲットを用い、スパッタ法で形成すればよい。または、アルミニウムのターゲットを用い、成膜中に酸素を流すことで第１層２を形成してもよい。このように、スパッタ法を用いることで、所望の膜厚に対し均質な組成の層を形成することができる。
【００３３】
ここで、第１層２をスパッタ法で形成する際に、基体１を１５０℃以上に加熱することによって、基体１から窒素および珪素を第１層２内に拡散させ、第１層２の第１領域に珪素の窒化物を含有させることができる。
【００３４】
次に、第２層３を第１層２上に形成する。第２層３は、チタンのターゲットを用い、スパッタ法で形成すればよい。
【００３５】
次に、第２層３上に回路層４を形成することで、本実施形態の一態様の回路基板１０を得る。回路層４は、湿式めっき法、スパッタ法、金属ペーストを用いた印刷法等により、任意の金属を選択し形成すればよい。特に、湿式めっき法で回路層４を形成すれば、回路層４の形成時に基体１に対し高温負荷を与えることが無いことから、基体１に生じるひずみ等の残留応力の発生を抑えることができる。
【００３６】
なお、第１層２、第２層３および回路層４を回路パターン状に形成する場合は、基体１に第１層２、第２層３および回路層４を形成した後に、回路層４上に任意形状のマスクを形成し、レーザーやブラストを用いたドライエッチング処理を行うか、薬液を用いたウェットエッチングを行ない、マスクが形成されていない箇所の第１層２、第２層３および回路層４を除去すればよい。
【符号の説明】
【００３７】
１：基体
２：第１層
３：第２層
４：回路層
１０：回路基板
【図１】
2017135197.tif 000003