(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物セラミックス板と、下地銅板とを直接接合法により接合し、その下地銅板と下地銅板より厚い銅板とをはんだにより接合するとともに、下地銅板の厚さが０．０３〜０．１５ｍｍの範囲にあることを特徴とする窒化物セラミックス基板。
【請求項２】
窒化物セラミックス板が窒化アルミニウムまたは窒化けい素を主成分とする焼結体であることを特徴とする請求項１に記載の窒化物セラミックス基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワートランジスタモジュールなどの半導体装置用として主に使用される、セラミックス板と銅板とを接合したセラミックス基板、特にそのセラミックス板が窒化物焼結体である窒化物セラミックス基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大容量のパワートランジスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（以下ＩＧＢＴと記す）等をモジュール化したパワーモジュールには、絶縁と放熱との機能をもつ基板としてセラミックス基板が使われている。セラミックスとしては、絶縁性が良好であり熱伝導率が比較的大きく、強度も高いことから、従来は酸化アルミニウム（以下Ａｌ2 Ｏ3 と記す）が広く使用されてきた。近年、パワーモジュールの小型化、高機能化に向けて放熱性改善のために、さらに熱伝導率が高い絶縁材料として窒化アルミニウム（以下ＡｌＮと記す）や窒化けい素（以下Ｓｉ3 Ｎ4 と記す）などの窒化物セラミックスが使用されてきている。
【０００３】
セラミックス板を半導体用の基板として用いる場合、セラミックス板に回路導体や冷却体としての金属板を接合する必要がある。接合する金属材料としては電気伝導性、熱伝導性、価格の点から一般に銅が使用されている。
ＡｌＮ板と金属板との接合方法としては、▲１▼チタン、ジルコニウム、ハフニウムなどの活性金属を含む銀−銅系ロウ材を使って銅板を接合する活性金属法、▲２▼あらかじめＡｌＮ表面を酸化させ銅と酸素の共晶反応を利用して直接銅板を接合する直接接合法、▲３▼銀、銀―パラジウム、銀―白金、銅などの粉末を含むペーストを印刷し加熱して付ける厚膜法、▲４▼高融点金属であるタングステンやモリブデンとＡｌＮとを同時焼結して接合する同時焼結法などが知られている。
【０００４】
一般には、窒化物セラミックス板と銅板とを接合する時には、▲１▼の活性金属法、▲２▼の直接接合法が多く用いられている。
▲１▼の活性金属法では、熱処理によりＡｌＮ表面付近の窒素原子がロウ材のチタン、ジルコニウム、ハフニウムなどの活性金属と反応して、界面に窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウムができる。そのためＡｌＮ板と銅板とが強固に接合される。
【０００５】
図４は、活性化金属法で作製した銅貼りＡｌＮ基板の断面図である。ＡｌＮ板１の上に活性ロウ材層４で銅板２が接合されている。
▲２▼の直接接合法においては、あらかじめ表面を熱酸化させたＡｌＮ板を用いる。そして、銅板との界面に銅と亜酸化銅との共晶相の溶融層が形成されてＡｌＮ板と銅板とが強固に接合されるものである。
【０００６】
図５は、直接接合法で作製したＡｌＮ基板の断面図である。ＡｌＮ板１の上に銅板２が共晶層６により直接接合されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来の接合方法による窒化物セラミックス板と銅板との接合方法にはそれぞれ欠点があった。
そもそも、銅の熱膨張率は１７×１０-6／Ｋであるのに対し、ＡｌＮやＳｉ3 Ｎ4 などの窒化物セラミックスでは４×１０-6／Ｋであり両者に大きな差がある。そして、▲１▼の活性金属法の接合温度は、７８０℃以上、▲２▼の直接接合法では１０５０℃以上の高温が必要である。このような高温で窒化物セラミックス板と銅板とを接合すると、その熱膨張差により大きな接合応力が発生して、室温付近で使用する場合には大きな残留歪みや残留応力が残る。
【０００８】
そのため、接合物が大きく反ったり、また、低強度で破壊してしまったりして、その信頼性に問題があった。詳細は、発明の実施の形態の項の比較実験で記載したのでそちらを参照されたい。
▲３▼の厚膜法で接合した場合には、窒化物セラミックス板と厚膜導体との接合力が弱く、厚膜導体に半導体をはんだ接合した時に窒化物セラミックスと厚膜導体間で剥離してしまうという問題があった。
【０００９】
▲４▼の同時焼結法は、窒化物セラミックスと高融点金属との熱膨張係数の差による残留応力、また、それによるセラミックスの割れや接合体の反りがあり、その信頼性に問題があった。
このような状況に鑑み本発明は、窒化物セラミックス板と銅板とを強固に接合し、しかも接合による残留応力を極力抑えて、信頼性の高い窒化物セラミックス基板を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の参考例は、窒化物セラミックス板と銅板とを接合した窒化物セラミックス基板において、窒化物セラミックス板と銅板との間にはんだ層を有するものとする。
具体的には、窒化物セラミックス板に活性金属を含む銅系、銀系、または銅―銀系のろう材層を形成し、ろう材層と銅板とをはんだにより接合するものとする。
【００１１】
本発明の参考例によれば、窒化物セラミックス板と下地銅板とを、活性金属を含む銅系、銀系、または銅―銀系のろう材層により接合し、その下地銅板と下地銅板より厚い銅板とをはんだにより接合する。窒化物セラミックス板と銅板とを活性金属を含む銅系、銀系、または銅―銀系のろう材により接合すると、両者の熱膨張の差により大きな残留応力を生じたが、間にはんだを挟み、あるいは薄い下地銅板とはんだを挟むことにより、応力が緩和されたと考えられる。回路導体として必要な厚さの銅は、はんだにより例えば３５℃以下の低温で接合するので、熱膨張による差が小さく、発生する応力は小さい。
【００１２】
特に、下地銅板の厚さが０．０３〜０．１５ｍｍの範囲にあることが重要である。
そのような範囲であれば、クラックの発生が見られなかった。
また、ろう材層中の活性金属が  チタン、ジルコニウム、ハフニウムのいずれかであるものとする。
【００１３】
そのような金属であれば、窒化物セラミックスと反応して窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウムを生じて、強固な接合が得られる。
本発明によれば、窒化物セラミックス板と下地銅板とを、直接接合法により接合し、その下地銅板と下地銅板より厚い銅板とをはんだにより接合する。この場合も、薄い下地銅板を挟むことにより、応力が緩和される。
【００１４】
特に、下地銅板の厚さが０．０３〜０．１５ｍｍの範囲にあれば、クラックの発生が抑えられる。
窒化物セラミックス板が窒化アルミニウムまたは窒化けい素を主成分とする焼結体であるものとする。
窒化アルミニウムまたは窒化けい素を主成分とする焼結体は、熱伝導率が大きく、入手も容易であり、窒化物セラミックス基板の材料として適当である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にいたるまでの実験およびその結果、ならびに比較のための従来法による実験の経過およびその結果を詳細に説明する。
［実験１］
図１は本発明の参考例である第１の方法によりＡｌＮ板に銅板を接合したＡｌＮ基板の断面図である。
【００１６】
ＡｌＮ板１の上に活性ロウ材層４が設けられ、その上に銅板２がはんだ層３で接合されている。
図１のＡｌＮ基板は、次のような工程で作製した。
まず、寸法が３０ｍｍ×６０ｍｍで厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮ板１の表面に、チタンを２重量％含み銀が７０重量％、銅が２８重量％である銀−銅−チタン系ロウ材のペーストをＡｌＮ板１の周囲１ｍｍを除く２８ｍｍ×５８ｍｍの範囲にスクリーン印刷により、厚さ３０μｍ塗布した。それを大気中で１２０℃で１０分間乾燥し、１×１０-2Ｐａより低圧の真空中で４５０℃で３０分間加熱脱脂し、さらにそのまま１×１０-2Ｐａより低圧の真空中で８５０℃で１０分間熱処理した。そうしてＡｌＮ板１の上に強固に接合したロウ材層４を形成した。なお、この時点でロウ材層４の厚さは約１０μｍ、反りは１０μｍ以下であった。
【００１７】
このロウ材層４の上に、寸法が２８ｍｍ×５８ｍｍで厚さ０．１ｍｍの鉛／錫（Ｐｂ９５％、Ｓｎ５％）はんだシートを周囲１ｍｍを除く所定の位置に設置し、さらに寸法が２８ｍｍ×５８ｍｍで厚さが０．２〜５．０ｍｍである銅板２をその上に積層した。そして、窒素対水素が１：１の雰囲気中で３５０℃で５分間熱処理して接合し、ＡｌＮ基板を作製した。
【００１８】
こうして得られたＡｌＮ基板をカラーチェックし、また顕微鏡でクラックおよび剥離を観察した。次に、接触式の反り測定装置で表面の反りを測定した。さらに、剥離強度を調べるためにエッチングで２ｍｍ×２ｍｍのパッドを作製し、各パッドに直径０．６ｍｍのはんだめっき銅線を２００℃ではんだ付けし、９０度ピールテストをおこなった。その結果を表１に示す。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
厚さが０．２〜５．０ｍｍの銅板２をはんだ接合したいずれのサンプルにおいても、クラック、剥離ともに観察されなかった。
また反りは、銅板２の厚さが０．２ｍｍから５．０ｍｍまで増すに従って１２μｍから４０μｍまで増大したが、半導体の接合に差し支える程大きくはならなかった。  剥離強度は、いずれのサンプルについても４０Ｎ／ｍｍ2 以上であり、はんだめっき銅線の接合部で剥がれた。
【００２１】
表１の結果から、ＡｌＮ板に活性金属を含んだ銅−銀系のろう材層を形成した窒化物板と銅板とをはんだで接合したＡｌＮ基板は、クラック、剥離等の欠陥がなく、接合強度も大きい窒化物セラミックス基板となると考えられる。
この場合、活性金属を含むロウ材は窒化物系セラミックスと強固な接合をするが、銅板２を接合しないため、７８０℃以上の高温を経ても発生する応力は小さい。一方、回路導体／冷却体として必要な銅板２は、はんだ付けにより３５０℃以下の低温で接合する。そのために熱膨張による差が小さく発生する応力は小さい。よって、残留応力が小さくなるのである。
【００２２】
［実験２］
図２は本発明の参考例である第２の方法による窒化物セラミックス基板の部分断面図である。
ＡｌＮ板１の上に活性ロウ材層４で下地銅板５が接合され、その上に銅板２がはんだ層３で接合されている。
【００２３】
図２のＡｌＮ基板は、次のような工程で作製した。
実験１と同様にして、ＡｌＮ板１に銀−銅−チタン系ロウ材のペーストを塗布し、大気中で１２０℃で１０分間乾燥した後、ロウ材層４の上に寸法が２８ｍｍ×５８ｍｍで厚さが０．０５、０．１、０．２ｍｍの下地銅板５を積み重ねた。次に、実施例１と同じ条件すなわち、１×１０-2Ｐａより低圧の真空中で４５０℃で３０分間加熱脱脂し、さらにそのまま１×１０-2Ｐａより低圧の真空中で８５０℃で１０分間熱処理した。そうしてＡｌＮ板１の上に強固に薄い下地銅板５を接合した。なお、この時点での反りは、厚さ０．０５ｍｍの下地銅板で７μｍ、厚さ０．１ｍｍのもので１２μｍ、厚さ０．２ｍｍのもので６５μｍであった。
【００２４】
この下地銅板５の上に、実験１と同様に鉛／錫はんだシートを所定の位置に置き、さらに厚さが０．２〜５．０ｍｍである銅板２をその上に積み重ねた。そして、窒素対水素が１：１の雰囲気中で３５０℃で５分間熱処理しサンプルを作製した。
こうして得られた厚さ０．０５ｍｍと０．１ｍｍの下地銅板５を持つサンプルを実験１と同様にクラック・剥離観察、反り測定、剥離強度測定を行った。その結果を表２に示す。
【００２５】
なお、厚さ０．２ｍｍの下地銅板５を用いたサンプルにおいては、下地銅板５をろう付けした段階では、クラックの発生が見られなかったが、銅板２をはんだづけしたところ全てのサンプルでＡｌＮ板１にクラックが発生し、接合することができなかったので、表２には記載しなかった。
【００２６】
【表２】
0003794454.tif 000003
【００２７】
厚さが０．２〜５．０ｍｍの銅板２をはんだ接合したいずれのサンプルにおいても、クラック、剥離ともに観察されなかった。
また反りは、０．２ｍｍから５．０ｍｍまで厚さを増すに従って下地銅板が０．０５ｍｍのものでは１４μｍから４４μｍまで、下地銅板が０．１ｍｍのものでは１６μｍから４５μｍまで増大したが、半導体の接合に差し支える程大きくはならなかった。
【００２８】
剥離強度は、いずれのサンプルについても４０Ｎ／ｍｍ2 以上であり、はんだめっき銅線の接合部で剥がれた。
活性金属を含むロウ材は窒化物系セラミックスと強固な接合をするが、下地銅板５の厚さが薄いため、７８０℃以上の高温で接合しても発生する応力は小さく、下地銅板５で吸収される。一方回路導体／冷却体として必要な銅板２は、はんだ付けにより３５０℃以下の低温で接合する。そのために熱膨張による差が小さく発生する応力は小さい。よって、残留応力が小さくなるのである。
【００２９】
厚さ０．２ｍｍの下地銅板５を用いると、７８０℃以上の高温で接合したときの応力が大きくて下地銅板５で吸収しきれず、ＡｌＮ板１にクラックが発生すると考えられる。
［実験３］
図３は本発明である第３の方法による銅貼り窒化物セラミックス基板に銅板をはんだ接合した半導体装置の部分断面図である。
【００３０】
ＡｌＮ板１の上に下地銅板５が直接接合され、その上に銅板２がはんだ層３で接合されている。６は銅と亜酸化銅との共晶層である。
図３のＡｌＮ基板は、次のような工程で作製した。
寸法が３０ｍｍ×６０ｍｍで厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮ板１を大気中で１２００℃で１０分間熱処理した。これにより、ＡｌＮ板１の表面に約５μｍの厚さの酸化物層が生成した。
【００３１】
この表面酸化させたＡｌＮ板１の上の周囲１ｍｍを除く所定の位置に寸法が２８ｍｍ×５８ｍｍで厚さが０．０５、０．１、０．２ｍｍの２００〜３００ｐｐｍの酸素を含有するタフピッチ銅からなる下地銅板５を積層し、窒素雰囲気中で１０７０℃で１０分間熱処理した。そうしてＡｌＮ板１の上に薄い下地銅板５を接合した。なお、この時点での反りは、厚さ０．０５の下地銅板で５μｍ、厚さ０．１ｍｍのもので１０μｍ、厚さ０．２ｍｍのもので６０μｍであった。
【００３２】
この薄い下地銅板５上に、実験１、２と同様にして鉛／錫はんだシートを用いて厚さが０．２〜５．０ｍｍの銅板２を積層し、窒素対水素の流量比が１：１の雰囲気中で３５０℃で５分間熱処理し、実験３のサンプルを作製した。
こうして得られたサンプルについて、実験１と同様にクラック・剥離観察、反り測定、剥離強度測定をおこなった。厚さ０．０５ｍｍと０．１ｍｍの下地銅板を持つサンプルについての結果を表３に示す。
【００３３】
なお、この実験３においても厚さ０．２ｍｍの下地銅板をもつサンプルでは、はんだ付け後の全てのサンプルでＡｌＮ板にクラックが発生し、接合することができなかったので、表３には記載していない。
【００３４】
【表３】
0003794454.tif 000004
【００３５】
厚さが０．２〜５．０ｍｍの銅板２をはんだ接合したいずれのサンプルにおいても、クラック、剥離ともに観察されなかった。
また反りは、０．２ｍｍから５．０ｍｍまで厚さを増すに従って下地銅板が０．０５ｍｍのものでは１０μｍから４２μｍまで、下地銅板が０．１ｍｍのものでは１５μｍから４２μｍまで増大したが、半導体の接合に差し支える程大きくはならなかった。
【００３６】
剥離強度は、いずれのサンプルについても４０Ｎ／ｍｍ2 以上であり、はんだめっき銅線の接合部で剥がれた。
直接接合法においてＡｌＮ板１と下地銅板５とは強固に接合される。また下地銅板５が薄いため、直接接合法で１０５０℃以上の高温で接合しても発生する応力は小さく、下地銅板５で吸収される。そして、回路導体／冷却体となる厚い銅板２は下地銅板５にはんだ付けにより低温で接合される。そのために熱膨張による差が小さく発生する応力は小さい。よって、本発明の方法により残留応力が小さくなるのである。
【００３７】
直接接合法によって厚さ０．２ｍｍの下地銅板５を用いたときも、１０５０℃の高温で接合したときの応力が大きくて下地銅板５で吸収しきれず、銅板２のハンダ付け時にＡｌＮ板１にクラックが発生したと考えられる。
［比較実験１］
比較実験１として従来の活性化金属法でＡｌＮ板に銅板を接合した。
【００３８】
実験１と同様にして寸法が３０ｍｍ×６０ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮ板１の表面に、銀−銅−チタン系ロウ材のペーストをスクリーン印刷により厚さ３０μｍ塗布し、大気中で乾燥した。その上に寸法が２８ｍｍ×５８ｍｍ、厚さが０．２〜５．０ｍｍである銅板２を積層した。そして、実験１と同様の条件で、真空加熱脱脂し、さらにそのまま真空中で８５０℃１０分間熱処理してＡｌＮ板１と銅板２とを接合した。接合したＡｌＮ基板の断面は、図４に示すようになる。
【００３９】
こうして得られた比較実験サンプルを実験１〜３のサンプルと同様にクラック・剥離観察、反り測定、剥離強度測定をおこなった。その結果を表４に示す。
【００４０】
【表４】
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【００４１】
厚さ０．２ｍｍと０．５ｍｍの銅板の場合は、クラック、剥離とも認められなかったが、厚さ０．２ｍｍのもので反りが７０μｍ、０．５ｍｍのもので２００μｍあり、シリコンチップなどを接合することが困難であった。剥離強度試験においても、０．２ｍｍのものでは２０Ｎ／ｍｍ2 、０．５ｍｍの銅板のものでは１０Ｎ／ｍｍ2 でＡｌＮ板１にクラックが発生し、ＡｌＮ基板としては使えない。この原因は、接合時の残留応力のためと考えられる。
【００４２】
厚さ１ｍｍの銅板の場合は、接合後にクラックの発生があったし、厚さ２ｍｍの銅板の場合は、クラックと剥離が認められた。そのためこれらでは、剥離強度試験をおこなえなかった。反りも２５０μｍ以上と大きかった。
［比較実験２］
比較実験２として従来の直接接合法でＡｌＮ板１に銅板２を接合した。
【００４３】
実験３と同様にして寸法が３０ｍｍ×６０ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍのＡｌＮ板１を大気中で熱処理し、表面酸化させたＡｌＮ板１の上に寸法が２８ｍｍ×５８ｍｍ、厚さが０．２〜５．０ｍｍで、２００〜３００ｐｐｍの酸素を含有するタフピッチ銅板２を積層し、窒素雰囲気中で１０７０℃で１０分間熱処理して直接接合した。接合したＡｌＮ基板の断面は、図５に示すようになる。
【００４４】
こうして得られたサンプルを実験１〜３のサンプルと同様にクラック・剥離観察、反り測定、剥離強度測定をおこなった。その結果を表５に示す。
【００４５】
【表５】
0003794454.tif 000006
【００４６】
厚さ０．２ｍｍと０．５ｍｍの銅板の場合は、クラック、剥離とも認められなかったが、反りが厚さ０．２ｍｍのもので６０μｍ、０．５ｍｍのものでは１７０μｍあり、シリコンチップなどを接合することが困難であった。剥離強度試験においても、０．２ｍｍのものでは２０Ｎ／ｍｍ2 、０．５ｍｍの銅板のものでは１０Ｎ／ｍｍ2 でＡｌＮ板１にクラックが発生し、半導体用基板としては使えない。この原因は、接合時の残留応力のためと考えられる。
【００４７】
厚さ１ｍｍの銅板の場合は、接合後にクラックの発生があったし、厚さ２ｍｍの銅板の場合は、クラックと剥離が認められた。そのためこれらでは、剥離強度試験をおこなえなかった。反りも２５０μｍ以上と大きかった。
以上の実験を総合すると、本発明の参考例ならびに実施例のいずれの例でも、厚い銅板を接合したＡｌＮ板にクラックの発生がなく、また銅板の剥離がないのものが得られた。反り量も４５μｍ以下と小さく、半導体チップの搭載に支障となることは無かった。これらは、はんだ層または下地銅板で応力が緩和され、接合による残留応力が小さくなったためと考えられる。さらに、剥離強度も４０Ｎ／ｍｍ2 以上と高く、半導体装置用基板として適当な、信頼性の高いセラミックス基板ができたと考えられる。
【００４８】
特に、５ｍｍと厚い銅板に対しても信頼性があることは驚異的であり、反り量もほぼ飽和する傾向にあることから、更に厚い銅板にも適用できると考えられ、特に大電力用のパワーデバイスにとって極めて有望な基板となると思われる。
上記の実験では、窒化物セラミックスとしてＡｌＮを例示したが、ＡｌＮに限ることはなく窒化けい素、或いはＡｌＮと窒化ほう素との混合物などの窒化物セラミックスで同様の効果が得られた。また、活性金属ロウ材としてチタンを２重量％含み銀が７０質量％、銅が２８質量％である銀−銅−チタン系ロウ材を例示したが、チタンの代わりにジルコニウムやハフニウムなどの活性金属でもよく、また、重量比もこれに限ることはなくチタンであれば０．５〜５質量％でほぼ同様の効果が得られる。銅板２をＡｌＮ板１の片側だけに接合した例だけを示したが、両側に接合しても良い。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の参考例によれば、窒化物セラミックス板に活性金属を含むろう材層を形成し、そのろう材層と銅板とをはんだにより接合し、または、窒化物セラミックス板と、薄い下地銅板とを活性金属を含む銅系、銀系、または銅―銀系のろう材層により接合し、その下地銅板と下地銅板より厚い銅板とをはんだにより接合することによって、従来銅板との接合が困難で問題の多かった、窒化物セラミックスを用いた窒化物セラミックス基板の問題が解決され、高信頼性の基板を実現できた。本発明によれば、窒化物セラミックス板と薄い下地銅板とを直接接合法により接合し、その下地銅板と下地銅板より厚い銅板とをはんだにより接合する。
【００５０】
よって、伝導率の大きい窒化アルミニウム、窒化けい素等を用いて低い熱抵抗と共に、熱衝撃や熱履歴に対する優れた耐久性をもつトランジスタモジュール等の半導体装置が実現できることとなった。
厚い銅板に対しても適用できるため、特に電力用のパワーモジュール等の普及、発展に貢献するものであり、工業的、経済的な効果は大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実験１の方法により銅板を接合したＡｌＮ基板の断面図
【図２】実験２の方法により銅板を接合したＡｌＮ基板の断面図
【図３】実験３の方法により銅板を接合したＡｌＮ基板の断面図
【図４】活性金属法により銅板を接合したＡｌＮ基板の断面図
【図５】直接接合法により銅板を接合したＡｌＮ基板の断面図
【符号の説明】
１            ＡｌＮ板
２            銅板
３            はんだ層
４            ロウ材層
５            下地銅板
６            共晶層
【図１】
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【図２】
0003794454.tif 000008
【図３】
0003794454.tif 000009
【図４】
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【図５】
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