(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板とＡｌ又はＡｌ合金からなるＡｌ回路とが、Ａｌ８６重量％以上、Ｃｕ１〜６重量％、Ｍｇ３重量％以下（０を含まず）を含む合金箔を用いて接合されてなり、放熱板に対するＡｌ回路の体積比（回路体積／放熱板体積）が０．８０〜１．２となるように、Ａｌ回路を形成させたセラミックス基板の反対面（裏面）にＡｌ又はＡｌ合金からなる放熱板を形成させ、かつ、Ａｌ回路のビッカース硬度が１６ｋｇｆ／ｍｍ2（１５７ＭＰａ、但し１ｋｇｆ／ｍｍ2＝９．８ＭＰａである）以下、放熱板のビッカース硬度が１９〜３０ｋｇｆ／ｍｍ2であることを特徴とする回路基板。
【請求項２】
セラミックス基板が窒化アルミニウム基板又は窒化ケイ素基板であることを特徴とする請求項１記載の回路基板。
【請求項３】
セラミックス基板の熱伝導率が７０Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする請求項２記載の回路基板。
【請求項４】
Ａｌ又はＡｌ合金からなるＡｌ回路が、純度９９．８５％以上のＡｌを用いて形成されたものであることを特徴とする請求項１記載の回路基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーモジュール等に使用される高信頼性回路基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、パワーモジュール等に利用される半導体装置においては、アルミナ、ベリリア、窒化ケイ素、窒化アルミニウム等のセラミックス基板の表裏面に、Ｃｕ、Ａｌ、それらの金属を成分とする合金等の回路と放熱板とがそれぞれ形成されてなる回路基板が開発され（例えば米国特許第５，３５４，４１５号）、実用化されている。このような回路基板は、樹脂基板と金属基板複合基板ないしは樹脂基板よりも、高絶縁性が安定して得られることが特徴である。
【０００３】
セラミックス基板と回路又は放熱板の接合方法としては、大別してろう材を用いるろう付け法とろう材を用いない方法がある。後者の代表的な方法として、タフピッチ銅板とアルミナをＣｕ−Ｏの共晶点を利用して接合するＤＢＣ法が知られている。
【０００４】
しかし、回路の材質がＣｕの場合は、セラミックス基板や半田との熱膨張差に起因する熱応力の発生は避けられず、繰り返しの熱履歴によってセラミックス基板や半田にクラックを発生し、高信頼性が十分ではない。これに対して、熱伝導性や電気伝導性ではややＣｕに劣るものの、Ａｌを回路材質に選定すれば、熱応力を受けても容易に塑性変形するのでセラミックス基板や半田へかかる応力は緩和され、信頼性が飛躍的に改善される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Ａｌ回路の問題点は、高価であることである。その理由は、Ａｌ回路を形成するには、(１)溶融アルミニウムをセラミックス基板に接触・冷却して両者の接合体を製造した後、機械研削してＡｌ板の厚みを整え、その後エッチングする溶湯法（例えば特開平７−１９３３５８号公報、特開平７−２７２６２号公報）、(２)Ａｌ箔又はＡｌ合金箔をろう付けしてからエッチングする方法（例えば特開平３−１２５４６３号公報）があるが、両者ともにＣｕ回路を形成する場合と比較して２〜５倍程度のコストが必要となるので、特殊用途以外には広く普及する可能性が少ない。
【０００６】
生産効率の悪い溶湯法は別としても、ろう付け法のＡｌ回路がＣｕ回路よりもコストアップする主な原因は、接合条件が非常に狭いことである。すなわち、Ａｌの溶融温度(６６０℃)と接合温度(最も一般的なろう材であるＡｌ−Ｓｉ系の場合は、６５０℃程度)とが近いため、局部的にＡｌが溶融してろう接欠陥（Ａｌ回路に生じた虫食い現象）が生じ易いので、それを防いで接合するにはかなりの熟練と労力が必要となることである。
【０００７】
また、Ａｌは塑性変形するが、その大きさは、熱応力の大きさ、熱応力を受ける部分によって左右され、一部に集中して発生すると半田の塑性変形量を超えてしまい、半田クラックを生じることもある。従って、セラミックス板への応力緩和効果を十分維持し、かつ半田クラックを抑制する二律背反を達成する必要がある。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、これまで省みられなかったＡｌ−Ｃｕ系の安価な合金を接合材として用い、特定の条件で接合すれば、Ａｌ回路をセラミックス基板に容易に形成できること、また裏面に放熱板が形成される回路基板においては、Ａｌ回路と放熱板の体積比を適正化すればよいことを見出し、本発明を完成させたものである。
【０００９】
本発明の目的は、セラミックス基板にＡｌ又はＡｌ合金の回路が形成されてなる回路基板、又はセラミックス基板のＡｌ回路の反対面に更に放熱板の形成された回路基板を、その高信頼性を保持しつつ安価に提供することである。特に、半田やセラミックス基板へのクラックの発生のみならず、ボンディングワイヤやメッキの剥離をも著しく防止した高信頼性の回路基板を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、以下の回路基板である。
（請求項１）セラミックス基板とＡｌ又はＡｌ合金からなるＡｌ回路とが、ＡｌとＣｕを主成分とする層を経て接合されてなることを特徴とする回路基板。
（請求項２）ＡｌとＣｕを主成分とする層のＣｕの割合が、１〜６重量％であることを特徴とする請求項１記載の回路基板。
（請求項３）ＡｌとＣｕを主成分とする層が、Ｍｇを含有してなることを特徴とする請求項１記載の回路基板。
（請求項４）セラミックス基板とＡｌ又はＡｌ合金からなるＡｌ回路とが、Ａｌ−Ｃｕ系合金及び／又はＡｌとＣｕを含む混合物からなる接合材を用いて接合されてなることを特徴とする回路基板。
（請求項５）接合材がＡｌ−Ｃｕ系合金箔であることを特徴とする請求項４記載の回路基板。
（請求項６）接合材の組成が、Ａｌ８６重量％以上、Ｃｕ１〜６重量％、Ｍｇ３重量％以下（０を含まず）を含むものであることを特徴とする請求項５記載の回路基板。
（請求項７）Ａｌ回路を形成させたセラミックス基板の反対面（裏面）に、Ａｌ又はＡｌ合金からなる放熱板を形成させたものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の回路基板。
（請求項８）放熱板に対するＡｌ回路の体積比（回路体積／放熱板体積）が０．８０〜１．２であることを特徴とする請求項７記載の回路基板。
（請求項９）Ａｌ回路のビッカース硬度が１６ｋｇｆ／ｍｍ2（１５７ＭＰａ、１ｋｇｆ／ｍｍ2）以下、放熱板のビッカース硬度が１９〜３０ｋｇｆ／ｍｍ2であることを特徴とする請求項７又は８記載の回路基板。
（請求項１０）セラミックス基板が窒化アルミニウム基板又は窒化ケイ素基板であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の回路基板。
（請求項１１）セラミックス基板の熱伝導率が７０Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする請求項１０記載の回路基板。
（請求項１２）Ａｌ又はＡｌ合金からなるＡｌ回路が、純度９９．８５％以上のＡｌを用いて形成されたものであることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の回路基板。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、更に詳しく本発明について説明する。
【００１２】
本発明の大きな特徴は、ＡｌとＣｕを含む層が介在して、Ａｌ回路又はＡｌ合金回路(以下、両者をまとめて「Ａｌ回路」という。)がセラミックス基板の少なくとも一方の面に形成されていることである。言葉を換えれば、セラミックス基板の少なくとも一方の面にＡｌ回路が、Ａｌ−Ｃｕ系合金、又はＡｌとＣｕを含む混合物を用いて接合されていることである。本発明の回路基板は、Ａｌ回路を形成させたセラミックス基板の反対面（裏面）が、放熱板を接合させた構造であってもよい。
【００１３】
これまでは、Ａｌ回路を接合させるために、Ａｌ−Ｓｉ系合金が最も多く用いらており、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｇｅ系等についても検討はされてきた。しかし、Ａｌ−Ｃｕ系合金を用いて接合させる先行技術は見あたらなかった。その理由は、Ｃｕを多量に含むＡｌ−Ｃｕ系合金は、比較的硬くて脆いことから、回路基板の熱応力を解放する塑性変形に対して不利であるとの先入観にとらわれ、省みられなかったのではないかと推察される。
【００１４】
しかしながら、Ａｌ−Ｃｕ系合金は、Ａｌ−Ｓｉ系やＡｌ−Ｇｅ系あるいはこれらにＭｇを加えた系と比較すると、ＣｕがＳｉやＧｅに比べてＡｌ中に均一に拡散し易いため、局部的な溶融が生じたり、余分な接合材のはみ出しが起こり難く、比較的短時間でＡｌ回路の安定した接合が可能となる点で有利である。
また、Ａｌ−Ｓｉ系やＡｌ−Ｇｅ系では、融点を低下させるためにはＳｉやＧｅを比較的多量に添加する必要があるが、多量に添加すると硬くて脆くなるので、共晶組成よりＡｌリッチな組成を選ぶこととなる。その結果として、融点がＡｌに近くなり、６２０℃以下では接合が難しい。一方、Ａｌ−Ｃｕ系合金では、例えばＣｕの添加量が４重量％程度であっても、加圧等の手段を講じることにより６００℃程度の低温でも接合が可能であり、 接合条件の許容幅においても、Ａｌ−Ｓｉ系やＡｌ−Ｇｅ系に比べて有利である。
【００１５】
Ａｌ−Ｃｕ系合金は、ＡＡ記号の２０００番台の合金として、高力Ａｌ合金や耐熱Ａｌ合金として広く普及しており、箔化も容易であることからコスト的にも有利となる。
【００１６】
本発明の回路基板においては、セラミックス基板とＡｌ回路とが、ＡｌとＣｕを主成分とする層が介在して接合されているものであるが、このような層は、Ａｌ、Ｃｕの二成分はもとより、他に第三成分を含んでいてもよい。第三成分としては、これらに限定されるものではないが、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｂｉ等が挙げられ、中でもＭｇが含まれているものが特に好ましい。
【００１７】
上記のＡｌとＣｕを主成分とする層は、セラミックス基板に、Ａｌ−Ｃｕ系合金、Ａｌ又はＡｌ合金の板、パターン又はその両方を、順に配置した後、加圧しながら加熱接合することによって、形成させることができる。
【００１８】
ＡｌとＣｕを主成分とする層は、セラミックス基板に接しており、その表面から１００μｍまでの厚み部分にあることが望ましい。ＡｌとＣｕを主成分とする層とＡｌ回路の間に他の層があってもよい。
【００１９】
高信頼性回路基板とするため、接合材の好ましい組成は、Ａｌ８６重量％以上、Ｃｕ１〜６重量％、Ｍｇ３重量％以下（０を含まず）を含むものである。Ｃｕの含有率が１重量％未満では、接合温度が高くなってＡｌの融点に近くなり、また６重量％を超えると、接合後にＡｌ回路にＣｕが拡散して回路基板の熱履歴に対して不利となるので、Ｃｕの含量は好ましくは１．５〜５重量％である。
【００２０】
ＡｌとＣｕを主成分とする層のＣｕの含有率は、接合に用いられる接合材中のＣｕ含有率によってほぼ決められる。
【００２１】
Ｍｇにより、Ａｌ−Ｃｕ系の特徴を活かし、かつセラミックス基板とＡｌ回路の密着性が改善される。Ｍｇの効果発現の詳細なメカニズムは明確ではないが、ＭｇがＡｌ表面の酸化被膜と反応してＭｇＯを形成することで被膜除去を行い、セラミックス基板表面にＭｇＮ2が形成され、濡れ性を改善するためと推察される。
Ｍｇの含有率が３重量％を超えると、Ｍｇが接合操作中に多量に揮発してＡｌ回路等を破損したり、Ａｌ回路中に多量に拡散してＡｌの硬化が著しくなる等の問題がある。Ｍｇが少なすぎると密着性の改善効果が顕著でなくなる。Ｍｇの含有率は好ましくは０．２〜２．０重量％である。
【００２２】
更には、接合材はＺｎ、Ｉｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｂｉ、Ｂ、Ｆｅ等の第四の成分を合計で５重量％程度以下を含んでいてもよい。このような組成を有する接合材を用いることによって、回路基板をより安定かつ安価に供給することができる。
【００２３】
接合材としては、Ａｌ−Ｃｕ系合金、又はＡｌとＣｕを含む混合物が用いられる。中でも、Ａｌ−Ｃｕ系合金箔が好ましい。
【００２４】
特に、Ａｌ−Ｃｕ系合金箔はＡｌ回路の厚みに対し１／１０〜１／５０の厚みを持つものが好ましい。１／５０未満の厚みでは、十分な接合が難しくなり、また１／１０超では合金成分がＡｌに拡散し、Ａｌ回路が硬くなり回路基板の熱履歴に対して信頼性が低下する原因となる。特に好ましくは、１００μｍ以下の厚みであって、しかもＡｌ回路の厚みに対して１／１２〜１／４０の厚みである。通常、厚み０．４〜０．６ｍｍのＡｌ回路が使用されるので、接合材の厚みは１０〜５０μｍ、特に１５〜３０μｍ程度となる。
【００２５】
また、この合金ないしは、合金と同様の組成を有する金属混合物の粉末を、有機バインダーと溶剤でペースト化したものを使用することもできる。この場合は、酸化に十分な注意が必要であり、粉末中の酸素量は１重量％以下、特に０．８重量％以下に調整して使用される。また、上記したようなＡｌ回路との厚み関係を保持するには、合金箔相当の厚みに換算して使用される。すなわち、充填密度５０重量％のペースト層１００μmの場合には、合金箔５０μm相当となる。
【００２６】
接合材の具体例（市販品合金）を示すと、Ｃｕ含有量１〜６重量％のＡｌ−Ｃｕ合金、４重量％程度のＣｕと０．５重量％程度のＭｇとが含まれる２０１８合金、更に０．５重量％程度のＭｎが含まれる２０１７合金等であり、更には、ＪＩＳ合金の２００１、２００３、２００５、２００７、２０１１、２０１４、２０２４、２０２５、２０３０、２０３４、２０３６、２０４８、２０９０、２１１７、２１２４、２２１８、２２２４、２３２４、７０５０等の合金である。
【００２７】
次に、Ａｌ回路について説明する。
【００２８】
Ａｌ回路の材質は、１０００系の純Ａｌは勿論のこと、接合が容易な４０００系のＡｌ−Ｓｉ系合金や、６０００系のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金等が使用さできる。なかでも、降伏耐力の低い高純度Ａｌ（純度９９．８５％以上）が好ましい。このようなＡｌ板は、１０８５、１Ｎ８５材として市販されている。また、９９．９％（３Ｎ）品、９９．９９％（４Ｎ）品、９９．９９９％（５Ｎ）品でもそれ程高価ではないので使用することができる。
【００２９】
Ａｌ回路は単体でもよく、二種又は三種以上のクラッド等の積層体であってもよい。積層体の例をあげれば、Ａｌ−Ｎｉ、Ａｌ−Ｎｉ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｍｏ、Ａｌ−Ｗ、Ａｌ−Ｃｕ等である。これらは、使用目的や接合方法により適宜選択される。これらのなかにあっても、純度９９．９９％以上のＡｌ単体の圧延板、特に圧延率１０％以上の圧延板を用いることが好ましい。圧延Ａｌ板が好適である理由は、上記溶融アルミニウム法に比べて、ロールで均一な圧延が繰り返し行われているので、均一な塑性変形が生じやすいことである。
【００３０】
Ａｌ回路の厚みは、通常０．３〜０．５ｍｍである。この範囲を著しく逸脱すると、上記の好適な接合材厚みとの関係を維持することができなくなる。例えば、３ｍｍ厚みのＡｌ回路に対して、１/１５の厚さである２００μｍの合金箔は適切な厚みとはならず、熱履歴に対して不利な硬い層が形成される。
【００３１】
Ａｌ回路を形成させたセラミックス基板の反対面（裏面）に、放熱板を形成させた構造において、放熱板はセラミックス基板に固定させるためにほぼ全面に半田付けされるので、半田への熱応力も大きくなり、半田クラックの発生、進行が放熱性を支配することとなる。セラミックス基板への熱応力は回路パターン端部に集中して発生する。回路端部で発生して、パターン内部へと進行する「水平クラック」が放熱性を支配する一因となる場合が多い。
【００３２】
本発明の回路基板では、これらの点から、放熱板に対するＡｌ回路の体積比（回路体積／放熱板体積）を１に近づけることが望ましく、該比を０．８〜１．２、特に０．８５〜１．１５、更には０．９〜１．１とすることが好ましい。この場合において、放熱板の厚みは、回路の厚みよりも同等以下であることが望ましい。該体積比に著しい差異があると、発生する熱応力に偏りが生じて、反りやうねりが発生し、半田クラック等の損傷、ボンディングワイヤやメッキの剥離を十分に防止することができなくなる。
【００３３】
Ａｌ回路の体積は、（回路面積×回路厚み）によって、また放熱板の体積は(放熱板面積×放熱板厚み)によってそれぞれ算出される。
【００３４】
また、Ａｌ回路のビッカース硬度を１６ｋｇｆ／ｍｍ2（１５７ＭＰａ、但し１ｋｇｆ／ｍｍ2＝９．８ＭＰａ）以下で、放熱板のビッカース硬度を１９〜３０ｋｇｆ／ｍｍ2とすることが好ましく、特に上記体積比関係を満たし、かつこのビッカース硬度関係を満たしていることが好ましい。
【００３５】
ここで規定するビッカース硬度は、Ａｌ回路又は放熱板の硬度であり、接合前のＡｌ板の硬度とは異なる。Ａｌ板は接合材を用いて、５００〜６４０℃の範囲で加熱してセラミックス基板に接合されるため、熱処理により微構造が変化し、又接合材が拡散することによってＡｌの純度が低下するためである。更に、接合後に熱処理することにより、Ａｌ特性が変化する。従って、接合前のＡｌ板の硬度を規定しても意味をなさない。
【００３６】
ビッカース硬度は、金属やセラミックスの高度の測定方法として広範に用いられている。荷重をかけて微細な圧子を打ち込んで測定するため、測定条件によってはやや異なる値を示すこともある。本発明では、荷重１ｋｇｆ、保持時間１５秒の条件で測定を行った。
【００３７】
Ａｌ回路のビッカース硬度が１６ｋｇｆ／ｍｍ2を超えると、熱応力による塑性変形が不均一となり、部分的な変形が大きくなるため、ボンディングワイヤやメッキの剥離が生じる恐れがある。硬度は小さいほど好ましいが、軟らかとすぎると傷つきやすくなるので、好ましくは１１〜１５ｋｇｆ／ｍｍ2である。
一方、放熱板のビッカース硬度が３０ｋｇｆ／ｍｍ2を超えると、塑性変形が困難となり、セラミックス基板、半田共にクラックが発生しやすくなる。また１９ｋｇｆ／ｍｍ2未満では塑性変形が容易ではあるが、繰り返しの熱履歴により大きな変形が生じることで、半田クラックが発生しやすくなる。従って、特に好ましい放熱板のビッカース硬度は２０〜２８ｋｇｆ／ｍｍ2である。
【００３８】
Ａｌ回路及び放熱板の硬度は、材料の選択とその熱処理条件によって調整可能である。材料については、接合後のＡｌ板は高純度であるほど柔らかくなるので、純度を基準にして選択すればよい。通常、純Ａｌとして市販されているもので、９９．０％〜９９．９９９％とかなりの幅があり、硬度に大きな差が生じる。９９．５％以下のＡｌでは接合後にビッカース硬度を１６ｋｇｆ／ｍｍ2以下とするのは困難であり、９９．５％以上では接合後に１９ｋｇｆ／ｍｍ2以上とするのは難しい。すなわち、本発明においては、Ａｌ回路には高純度のＡｌ材を、放熱板には比較的低純度のＡｌ又はＡｌ合金が用いられる。Ａｌ合金の例としては、ＡＡ記号で３００３を始めとするＡｌ−Ｍｎ系合金、５０５２を始めとするＡｌ−Ｍｇ系合金が挙げられる。
【００３９】
次に、熱処理条件については、本発明の回路基板を製造する際に、Ａｌ板とセラミックス基板との接合温度は、Ａｌの焼鈍温度３００〜３５０℃よりも高くなるので、接合後の冷却条件が重要である。Ａｌの焼鈍温度より高い温度域での冷却を２℃／分以下で行えば硬度が低下し、５℃／分以上で行えば硬度が比較的高くなる。
【００４０】
次に、セラミックス基板について説明する。
【００４１】
セラミックス基板の材質については、高信頼性が求められるパワーモジュールに使用されることを考えれば、少なくとも７０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する窒化アルミニウムや窒化ケイ素が好適に使用される。炭化珪素、酸化ベリリウム等の材質でもよいが、絶縁性と安全性の点で劣る。
【００４２】
このようなセラミックス基板は、窒化アルミニウム粉末に、イットリア、アルミナ、マグネシア、希土類元素酸化物等の焼結助剤を０．５〜１０重量％程度の内割で配合し、ブチラールやメチルセルロース等の有機バインダーを用いて成形した後、脱バインダーし、窒素、アルゴン等の非酸化性雰囲気中、温度１７００〜１９００℃で１〜１２時間程度保持することによって製造することができる。このような製造法は公知であり、また市販品もある。
【００４３】
セラミックス基板の厚みは、通常０．６３５mmであるが、要求特性によって変えることができる。例えば、高電圧での絶縁性があまり重要でなく熱抵抗が重要である場合は、０．５〜０．３mmの薄い基板を用いることができ、逆に高電圧での絶縁耐圧や部分放電特性が重要である場合には、１〜３mmの厚いものが用いられる。
【００４４】
次に、本発明の回路基板の製造方法について説明する。
【００４５】
本発明の回路基板は、例えば、Ａｌ板又はＡｌ合金板とセラミックス基板とを上記Ａｌ−Ｃｕ系合金を用いて加熱接合した後エッチングする方法、Ａｌ板又はＡｌ合金板から打ち抜かれたＡｌ回路又は放熱板のパターンをセラミックス基板に上記Ａｌ−Ｃｕ系合金を用いて接合する方法等、によって製造することができる。
【００４６】
いずれの方法においても、セラミックス基板、Ａｌ回路、及び必要に応じて放熱板を接合する必要がある。接合方法には溶湯法のように接合材を用いない方法もあるが、本発明ではＡｌ−Ｃｕ系合金、又はＡｌとＣｕを含む混合物を用いて接合する方法が好ましい。
【００４７】
接合材は、セラミックス側、金属板又は回路パターン側のどちらに配置してもよく、また合金箔を用いる場合は、予め金属板又は回路パターンとクラッド化しておくこともできる。
【００４８】
接合温度は、５４０〜６４０℃の範囲にあるが、接合材の組成によって適正範囲は異なる。ＺｎやＩｎを始めとした比較的低融点成分が添加されていたり、ＣｕやＭｇ等の含有量が比較的多い場合には、６００℃以下でも十分に接合できる。一方、接合温度が６４０℃を超えると、接合時にろう接欠陥（Ａｌ回路に生じた虫食い現象）が生じ易くなるので、好ましくない。
【００４９】
従来、回路路基板の製造においては、金属板とセラミックス基板の接合時に重しを載せて加圧することが行われているが、その圧力はせいぜい０．１ｋｇｆ／ｃｍ2（９８００Ｐａ）程度である。この程度の圧力では、セラミックス基板の比較的緩やかな反りやうねりにしか金属板は追随できない。これに対し、本発明においては、１〜１００ｋｇｆ／ｃｍ2と従来技術では非常識な高い圧力をかける。そのため、セラミックス基板に厳しい平滑度や平面度を求めることなく、通常のレベルのものでもそのまま使用することができるので、生産性が向上する。セラミックス基板は、圧縮強度が高いので、この程度に加圧されても損傷を受けることはない。しかし、通常、セラミックス基板には、多少の反りやうねりがあるので、５０ｋｇｆ／cm2超、特に１００ｋｇｆ／cm2超の圧力をかけるとワレ等を生じる危険性があるので注意が必要である。
【００５０】
Ａｌ又はＡｌ合金自体は、３００〜３５０℃で焼鈍をすることからもわかるように、５００℃以上では非常に柔らかい金属となる。従って、接合時にろう接欠陥が生じても、１〜１００kgf／cm2で加圧することによってそれが押しつぶされてなくなる。従って、ろう接欠陥を排除することを重要視する場合には、接合後に４００℃以上の温度で加圧しながら再加熱をするか、又は接合後の冷却過程において、少なくとも４００℃以上の温度範囲において加圧を行う。
【００５１】
本発明において、特に好ましい接合条件は、厚み１５〜３５μｍのＡｌ−Ｃｕ系合金箔を用い、５９０℃以上で８〜５０kgf／cm2で加圧し、加熱・加圧状態を少なくとも２０分間保持することである。これによって、Ａｌ回路のビッカース硬度を１６kgf／ｍｍ2以下に容易に実現させることができる。更に好ましくは、５９５〜６３５℃に加熱し、２０〜９０分間保持することである。
【００５２】
本発明におけるビッカース硬度低減効果のメカニズムの詳細は明らかではないが、本発明では、通常の焼鈍温度３００〜３５０℃よりも非常識な高温領域で接合を行っているので、Ａｌは非常にソフトな状態となっており、圧力が均一に伝わることで粒成長が抑制されているためではないかと考えている。
【００５３】
本発明において、例えば、セラミックス基板の両面に合金箔、Ａｌ等の板、パターン等を配置し、セラミックス基板と垂直方向に加圧することが好ましい。加圧方向は、セラミックス基板に垂直な方向であり、その方法等は特に限定するものではない。重しを載せる方法、治具等を用いて機械的に挟み込む方法等が採用される。
【００５４】
次いで、接合体は必要に応じてエッチングされる。Ａｌ回路又は放熱板のパターンを接合したときには、エッチングは特に必要でない。エッチングは、通常のレジスト、エッチング工程によって行うことができる。また、メッキ等の表面処理も必要に応じて行われる。
【００５５】
【実施例】
以下、実施例と比較例をあげて更に具体的に本発明を説明する。
【００５６】
実施例１〜６  比較例１〜３
窒化アルミニウム基板は、表面研削や反り直し等の後加工のない焼成されたままのものであり、厚みは０．６３５mmで、大きさは２インチ角、熱伝導率１７０Ｗ／ｍＫ、曲げ強さ４００ＭＰａであるものを用いた。また、Ａｌ回路形成用のＡｌ板は、ＪＩＳ１０９０（厚み０．５mm、Ａｌ純度９９．９％）を用いた。
【００５７】
まず、窒化アルミニウム基板の表裏面に接合材を介してＡｌ板を重ね、Ｃ−Ｃコンポジット板(厚さ２mm)に挟んで、ホットプレス装置により、セラミックス基板に垂直方向に均等に加圧しながら５５０〜６２０℃に真空中又はＮ2中で加熱した。
【００５８】
接合材は、（ａ）Ａｌ−９．５重量％Ｓｉ−１重量％Ｍｇ合金箔、（ｂ）Ａｌ−１５重量％Ｇｅ合金箔、（ｃ）Ａｌ−４．１重量％Ｃｕ−０．５重量％Ｍｎ合金箔、（ｄ）Ａｌ−２．８重量％Ｃｕ合金箔、（ｅ）上記（ｃ）をＮ2中で平均径１０μｍにアトマイズした粉末を有機バインダー(ＰＩＢＭＡ)と溶剤(テレピネオール)によりペースト化したものを使用した。
【００５９】
接合体は、各条件で１００枚ずつ作製し、軟Ｘ線を用い、３倍に拡大して接合不良やろう接欠陥を検査した。検出下限は直径０．３mmφ程度である。また、各試料を１０枚抜き取って、Ａｌ板の周囲２ｍｍをＦｅＣｌ3液でエッチングし、無電解Ｎｉ−Ｐメッキを３μｍ施した後、１２．５mm角のシリコンチップを中央に２ケずつ共晶半田で半田付けし、その反対面をＡｌ／ＳｉＣヒートシンクに半田付けした。半田厚みは両者とも１５０μｍである。
【００６０】
その後、−４０℃、３０分→室温、１０分→１２５℃、３０分→室温、１０分を１サイクルとして３０００サイクル及び５０００サイクルの熱履歴試験を実施し、膨れ、剥がれ等の外観チェック、３枚の断面観察による半田クラックの発生の有無を調べ、更に７枚の回路基板の回路部分を溶解し、インクテスト法(レッドチェック)によりクラックの発生の有無を測定した。それらの結果を表１に示す。
【００６１】
実施例７  比較例４
実施例２又は比較例２において、窒化アルミニウム基板の代わりに窒化ケイ素基板（厚み０．６３５mm、大きさは２インチ角、熱伝導率７０Ｗ／ｍＫ、曲げ強さ８００ＭＰａ）を用いたこと以外は、同様にして回路基板を製造した。その結果を表１に示す。
【００６２】
【表１】
0004293406.tif 000002
【００６３】
表１から明らかなように、本発明の実施例１〜７は、いずれも良好な接合状態を示し、Ｎ2中でも安定して回路基板を製造できたのに対して、比較例１〜４では、不良が多発し、生産性の悪いものであった。しかも、驚くべきことに、特性的には、本発明の実施例はいずれも比較例に比べて何ら遜色ないものであった。
【００６４】
また、比較例で用いた（ａ）、（ｂ）の合金箔は、特開平３−１２５４６３号公報で示された組成であるが、合金箔としてはいずれも特注品で一般には市販されておらず入手が容易でなかったのに対して、実施例の（ｃ）合金箔は、２０１７合金を箔化した市販品で、容易かつ安価に入手できたものである。
【００６５】
実施例８〜１２
窒化アルミニウム基板（厚み０．６３５ｍｍ、大きさ２インチ角、熱伝導率１７５Ｗ／ｍＫ、３点曲げ強度が４２０ＭＰａ）の表裏面に、接合材、Ａｌ板（純度９９．９９％以上、表２に示した厚み）の順に重ね、カーボン板をねじ込んで基板に押しつける治具を用いて窒化アルミニウム基板に対して垂直方向に均等に加圧した。接合条件を表２に示す。接合材は、（ｆ）Ａｌ−３．９重量％Ｃｕ合金箔、又は（ｇ）、（ｆ）をＮ２中で平均径９μｍにアトマイズ後、４５μｍ以下のものを集めて有機バインダーと溶剤を加えてペースト化したものを使用した。それらの結果を表３に示す。
【００６６】
【表２】
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【００６７】
【表３】
0004293406.tif 000004
【００６８】
表２、表３から明らかなように、Ａｌ回路の厚みが１００μｍ以上で、ビッカース硬度を１５ｋｇｆ／ｍｍ2以下とすることによって、ヒートサイクル試験５０００サイクル後においてもボンディングワイヤやメッキの損傷がなく、半田や窒化アルミニウム基板へのクラック発生も少なくすることができた。特に実施例８、１０、１１と実施例９、１２の対比から、Ａｌ回路の厚みが１５０〜３００μｍで、放熱板に対するＡｌ回路の体積比（回路体積／放熱板体積）を０．８０〜１．２とすることによって、この効果が顕著となった。
【００６９】
実施例１３〜１８
実施例１で用いた窒化アルミニウム基板を用い、表４に示すＡｌ板（市販品）、接合材及び接合条件以外は、実施例１と同様にして回路基板を製造した。それらの結果を表５に示す。
【００７０】
【表４】
0004293406.tif 000005
【００７１】
【表５】
0004293406.tif 000006
【００７２】
表４、５と表１との対比から明らかなように、接合材として、Ａｌ８６重量％以上、Ｃｕ１〜６重量％、Ｍｇ３重量％以下（０を含まず）のものを用いることによって、ボイドのない良好な接合状態を示し、ヒートサイクル試験５０００サイクル後においても、半田クラックと窒化アルミニウム基板クラックの発生が殆どない、熱履歴に対する耐久性が大きい回路基板を製造することができた。
【００７３】
また、実施例１３、１８と実施例１４〜１７との対比から明らかなように、Ａｌ板のＡｌ純度が高くなると、ヒートサイクル試験５０００サイクル後においても、基板クラック発生による不良数が減少する傾向が認められた。特に、実施例１４と実施例１５等との対比からわかるように、純度９９．９９％以上の圧延Ａｌ板を用いると、この効果が顕著となった。
【００７４】
実施例１５が最良の効果を示している理由は、接合材厚みが適正化されているためである。実施例１６と１７との対比からいえることは、実施例１７では接合材の厚みが厚く、基板クラックに対しては不利な条件でありながら、Ａｌ板純度が高いために、基板クラックは実施例１６を凌いでいることである。
【００７５】
実施例１９〜２２
Ａｌ回路用Ａｌ板／接合材／実施例８で用いた窒化アルミニウム基板／接合材／放熱板用Ａｌ板のように重ね、表７に示す接合条件で接合した。接合材は表６に示すものを用いた。
【００７６】
接合後、エッチングレジストをスクリーン印刷してＦｅＣｌ3液でエッチングした。Ａｌ回路面、放熱板面のパターンは正方形（コーナーＲは２ｍｍ）とし、それをセラミックス基板中央に形成させ、その大きさを変えて、放熱板に対するＡｌ回路の体積比を表６に示す比率で調整した。次いで、レジストを剥離した後、無電解Ｎｉ−Ｐメッキを３μｍ施して回路基板とした。
【００７７】
得られた回路基板の一部を用い、Ａｌ回路と放熱板を剥離してそれらのビッカース硬度を測定した。その結果を表７に示す。
【００７８】
また、別の一部の回路基板の中央部に１３ｍｍ角のＳｉチップを半田付けした後、ヒートサイクル試験を行った。ヒートサイクル試験は、−４０℃、３０分→室温、１０分→１２５℃、３０分→室温、１０分を１サイクルとし、３０００サイクル及び５０００サイクルのヒートサイクル試験を行った後、外観観察により基板の不良数を数え、更に超音波深傷装置（ＳＡＴ）によりチップ半田と基板下半田の接合状態を調べた。直径１ｍｍ以上の非接合部分又は１％以上の非接合面積部分が確認できたものを接合不良とした。それらの結果を表８に示す。
【００７９】
【表６】
0004293406.tif 000007
【００８０】
【表７】
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【００８１】
【表８】
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【００８２】
実施例１９〜２１と実施例２２との対比から明らかなように、Ａｌ回路のビッカース硬度が１６ｋｇｆ／ｍｍ2 以下で、放熱板のビッカース硬度を１９〜３０ｋｇｆ／ｍｍ2とすることによって、５０００サイクル後においても半田クラックや基板クラックの発生を著しく抑制することができた。この効果は、放熱板に対するＡｌ回路の体積比が０．８０〜１．２である回路基板において、特に顕著であった。
【００８３】
なお、実施例１３〜２２において、各接合層中のＡｌとＣｕを主成分とする層のＣｕ含有割合が１〜６重量％となっていることを、断面観察による元素分析のピーク比を定量化することにより確認した。
【００８４】
【発明の効果】
本発明によれば、安価かつ安定して、パワーモジュール用として好適な高信頼性の回路基板が提供される。
【００８５】
本発明によれば、半田クラックとセラミックス基板へのクラックの発生を著しく少なくすることができ、しかもボンディングワイヤやメッキの剥離も著しく防止した高信頼性の回路基板が提供される。