(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱伝導率１００Ｗ／ｍＫ以上であり、その表面のＸ線回折ピーク強度比が、２≦Ｙ2Ｏ3・Ａｌ2Ｏ3×１００／ＡｌＮ≦１７、かつ２Ｙ2Ｏ3・Ａｌ2Ｏ3×１００／ＡｌＮ≦２である窒化アルミニウム基板の一方の面にＡｌ又はＡｌ合金からなるヒートシンクを、他方の反対面にはＡｌ回路を、それぞれＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金を用い、窒化アルミニウム基板に表面処理を施さず、且つ、真空炉を使用しないで接合することを特徴とする、窒化アルミニウムの表面を除去しなくても耐ヒートサイクル性に優れた回路基板複合体の製造方法。
（優れた耐ヒートサイクル性の定義）
−４０℃、３０分→室温、１０分→１２５℃、３０分→室温、１０分を１サイクルとして３０００サイクルのヒートサイクルテストを行った後、外観観察、並びにＳＡＴによる接合状態の調査において、不良の割合が１０％以内であること。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軽量にして放熱性に優れ、高信頼性を有する半導体装置用回路基板複合体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、パワーモジュールと呼ばれる各種の半導体装置には、セラミックス基板の一方の面にＣｕ回路、他方の面に放熱Ｃｕ板を接合したものが、回路基板として利用されてきた。特に高集積化及び大電力化により、高い放熱性を必要とする場合には、セラミックスとして窒化アルミニウムが使用されている。
【０００３】
このような回路基板では、Ｃｕ板と窒化アルミニウムの熱膨張係数の差に起因する熱応力の繰り返しによって、窒化アルミニウムに微細なクラックが発生することがあるため、高い信頼性を必要とする場合には降伏耐力の低いＡｌ板を接合する技術がある。
【０００４】
また、回路基板は、通常、その放熱板をベースＣｕ板に半田付けして使用されるが、熱応力の繰り返しに対してベースＣｕ板と回路基板間に発生する半田クラックを避けるため、ベース板に熱膨張係数が小さい材質(Ａｌ/ＳｉＣ等)を用いることも行われている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年の半導体装置の高集積化、大電力化に伴って、軽量コンパクトで益々高い放熱性が求められるようになり、▲１▼セラミックス基板の放熱板とベース板の間の半田を省いて放熱板を直接ベース板に接合する。▲２▼放熱板を省略してセラミックス基板を直接ベース板に接合する。▲３▼ベース板まで省略して、セラミックス基板を水冷板や放熱フィン等のヒートシンクに直接搭載する等の試みが進められている。
【０００６】
▲１▼は、セラミックス基板と放熱板、放熱板とベース板の２回の接合が必要となるので、半田付けよりもコストアップになることから、▲２▼のセラミックス基板とベース板の直接接合、又は▲３▼のヒートシンクへの直接接合が注目されている。
【０００７】
更には、半田の鉛フリー化が進みつつある状況下、現在のＰｂ−Ｓｎ系に比べて半田濡れ性に劣る代用半田を用いる方向にあることを考えると、回路基板のセラミックス基板とヒートシンクの密着性に優れた直接接合がますます必要になってくる。
【０００８】
Ａｌ/ＳｉＣベース板を用いる技術においては、ＡｌをＳｉＣに含浸させると同時にセラミックス基板と接合させることも検討されているが、ベース板の製造自体が非常に高度な技術であるうえ、セラミックス基板がＡｌ層に埋もれてしまう等、未解決な課題がある。しかも、ベース板やセラミックス基板の形状が変わると、ベース板の製造から変えなくてはならなくなり、不都合である。
【０００９】
一方、上記のように、ベース板とセラミックス基板を接合材で接着する技術については、多くの提案がある（例えば特開平３−１２５４６３号公報等）。この技術では、Ａｌ−Ｓｉ系又はＡｌ−Ｇｅ系の合金箔を接合材とし、バッチ式真空炉を用いて接合が行われているが、バッチ式真空炉に大きなベース板を投入すると容積効率が悪くなるので、生産性が低下する。また、大型の連続真空炉は、高価であり厳密な温度制御も難しいので、このような接合には不向きである。
【００１０】
このように、ベース板とセラミックス基板とを直接接合すると、効率的な放熱性を有するモジュールが得られるにも拘わらず、工業的な接合技術がないために、実現していない。
【００１１】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、窒化アルミニウム基板の一方の面にＡｌ回路を形成させてなる回路基板の、反対側の窒化アルミニウム基板面を、直接、Ａｌ製又はＡｌ合金製のヒートシンクに接合させてなる構造からなり、軽量にして放熱性に優れた高信頼性の回路基板複合体を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、熱伝導率１００Ｗ／ｍＫ以上であり、その表面のＸ線回折ピーク強度比が、２≦Ｙ2Ｏ3・Ａｌ2Ｏ3×１００／ＡｌＮ≦１７、かつ２Ｙ2Ｏ3・Ａｌ2Ｏ3×１００／ＡｌＮ≦２である窒化アルミニウム基板の一方の面にＡｌ又はＡｌ合金からなるヒートシンクを、他方の反対面にはＡｌ回路を、それぞれＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金を用い、窒化アルミニウム基板に表面処理を施さず、且つ、真空炉を使用しないで接合することを特徴とする、窒化アルミニウムの表面を除去しなくても耐ヒートサイクル性に優れた回路基板複合体の製造方法である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、更に詳しく本発明を説明する。
【００１４】
本発明で使用される窒化セラミックス基板は、Ｙ2Ｏ3を焼結助剤として焼成されたものであり、熱伝導率が１００Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。また、その表面のＣuＫαによるＸ線回折ピーク強度比が、２≦Ｙ2Ｏ3・Ａｌ2Ｏ3×１００／ＡｌＮ≦１７、かつ２Ｙ2Ｏ3・Ａｌ2Ｏ3×１００／ＡｌＮ≦２であるものが特に好ましい。このような表面特性を有する窒化アルミニウム基板は、酸化処理等の煩雑な表面処理を施さなくとも、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金を用いて、Ａｌ又はＡｌ合金と十分に強い強度で接合させることができる。
【００１５】
窒化アルミニウム基板の表面特性の調整は、原料窒化アルミニウム粉中のＡｌ2Ｏ3分とＹ2Ｏ3分組成比、（ｂ）脱脂後焼成前までの増加酸素量、（ｃ）焼成温度等によって行うことができる。
【００１６】
例えば、２Ｙ2Ｏ3・Ａｌ2Ｏ3が多い場合には、相対的にＡｌ2Ｏ3分を増やせば良いので、酸素量の多い窒化アルミニウム粉末原料を用いるか、Ａｌ2Ｏ3を添加して、Ｙ2Ｏ3分を減らす。一方、Ｙ2Ｏ3・Ａｌ2Ｏ3が多い場合には、Ｙ2Ｏ3の添加量を減らすか、焼成温度を下げる。その他、脱脂を空気中で行えばＡｌ2Ｏ3分を増加させることができる。
【００１７】
窒化アルミニウム基板にＡｌ回路を形成させるには、Ａｌ板を接合してからエッチングする、Ａｌ板から打ち抜かれたパターンを接合する、等によって行うことができるが、生産性向上のため、ヒートシンクの接合と同時にＡｌ板又はパターンを接合することが好ましい。接合材には、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金を用いるが、これを含めた接合条件については後述する。
【００１８】
本発明で使用されるＡｌ又はＡｌ合金からなるヒートシンクは、単体Ａｌ製、又はＡｌ−Ｓｉ合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ合金、Ａｌ−Ｍｇ−Ｍｎ等の単体Ａｌ合金製でもよいが、軽量化及び窒化アルミニウム基板との熱膨張係数を調整するため、ＳｉＣマトリックスにＡｌ及び／又はＡｌ合金を含浸させた複合体であることが好ましい。このような複合体は、例えば、ＳｉＣのプリフォームにＡｌ合金を含浸させることによって製造することができる（例えば、セラミックデータブック‘９５、山口雄三、堀三郎、pp．９５〜１０１（１９９５））。
【００１９】
本発明において、ヒートシンクは、回路基板の窒化アルミニウム基板面に直接接合される。その際の接合材は、Ａｌ回路の形成と同様、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金が用いられる。その理由は、以下のとおりである。
【００２０】
まず、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金は、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｇｅ系あるいはこれらにＭｇを加えた系に比べて、窒化アルミニウム基板との接合条件の許容幅が広く、真空中でなくとも接合できるので、生産性に優れた接合が可能となるからである。すなわち、Ａｌ−Ｓｉ系やＡｌ−Ｇｅ系では、比較的多量にＳｉやＧｅを添加しないと融点が低下しないが、多量に添加すると硬くて脆くなる問題が生じる。このような問題を起こさせないように、例えばＡｌ−Ｓｉ系合金において、Ｓｉの割合を５％まで下げると融点が６１５℃となり、加圧を行っても６２０℃以下の温度での接合は困難となる。これに対し、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金では、Ｃｕの割合を４％程度まで下げても適切に加圧等の手段を講じることによって、６００℃程度での接合も可能となり、接合条件の許容幅が広がる。
【００２１】
次に、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金は、ＳｉやＧｅに比べてＣｕやＭｇがＡｌ中に均一に拡散し易いため、局部的な溶融が生じたり、余分な接合材が押し出されてハミダシが生じ難く、比較的短時間で安定した接合が可能となることによる。
【００２２】
本発明で使用されるＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金は、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｇの三成分合金はもとより、それ以外の成分を含んでいてもよい。例えばＡｌ、Ｃｕ、Ｍｇ以外に、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｂｉ、Ｂ、Ｆｅ等の成分を合計で５重量％程度以下を含んでいてもよい。
【００２３】
Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金中のＣｕの割合は、２〜６重量％であることが好ましい。２重量％未満では、接合温度が高くなってＡｌの融点に近くなってしまい、また６重量％超では、接合後のろう材の拡散部が特に硬くなって回路基板の信頼性が低下する恐れがある。好ましくは１．５〜５重量％である。一方、Ｍｇについては、少量添加することによって、接合状態が良好になる。これはＡｌ表面の酸化物層の除去効果や窒化アルミニウム基板表面と接合材の濡れ性改善効果によると推察される。Ｍｇの割合は、０．１〜２重量％が好ましい。０．１重量％未満では添加効果が顕著でなくなり、２重量％超ではＡｌ又はＡｌ合金の硬度に悪影響を与えるうえ、接合時に多量に揮発して炉操業に支障をきたすことがある。特に好ましくは、０．３〜１．５重量％である。
【００２４】
本発明で使用される接合材の市販品の一例をあげれば、４重量％程度のＣｕと０．５重量％程度のＭｇが含まれる２０１８合金、更に０．５重量％程度のＭｎ等が含まれる２０１７合金を始め、２００１、２００５、２００７、２０１４、２０２４、２０３０、２０３４、２０３６、２０４８、２０９０、２１１７、２１２４、２２１４、２２１８、２２２４、２３２４、７０５０等である。
【００２５】
接合温度は、５６０〜６３０℃とかなり広範囲が適用できるが、接合材の組成によって適正範囲は異なる。ＺｎやＩｎ等の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。接合温度が６３０℃超では、接合時にろう接欠陥（回路に生じる虫食い現象）が生じやすくなるので好ましくない。
【００２６】
本発明において、加熱接合時に、窒化アルミニウム基板と垂直な方向に１０〜１００ｋｇｆ／ｃｍ2、特に１５〜８０ｋｇｆ／ｃｍ2で加圧することは好ましいことである。加圧方法としては、重しを載せる、治具を用いて機械的に加えることによって行うことができる。加圧は、少なくとも接合が始まる温度、例えば、Ａｌ−４％Ｃｕ−０．３％Ｍｇ合金箔を用いて６１０℃で接合する場合は、５８０℃まではこの圧力内に保たれていることが望ましい。
【００２７】
本発明の回路基板複合体においては、窒化アルミニウム基板の一方の面にＡｌ回路が形成され、他方の反対面にはヒートシンクが直接接合される。これらは別々に接合してもよいが、上記のように、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金を用いると、接合温度範囲を広めることができるので、Ａｌ回路パターン又はＡｌ回路用Ａｌ板と、Ａｌ又はＡｌ合金からなるヒートシンクとを、同時に窒化アルミニウム基板の表裏面に接合することが好ましい。この場合、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金の接合材は、窒化アルミニウム基板とＡｌ回路パターン、Ａｌ回路形成用Ａｌ板又はヒートシンクとの間に積層して介在させるが、あらかじめこれらとクラッド化しておくと使用しやすい。
【００２８】
本発明の回路基板複合体は、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金を用いることによって、その生産性を著しく高めることができる。その理由の一つは、接合が真空炉に限定されないことである。真空炉は元来高価なうえ、連続化が難しく、またバッチ炉では容積効率が悪い。大型炉にすると温度分布が生じ易く、高収率での生産は望めない。これに対し、従来のＡｌ−Ｓｉ系やＡｌ−Ｇｅ系合金の接合材のかわりに、Ａｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金を用いると、真空下でなくとも、Ｎ2、Ｈ2、不活性ガス及びこれらの混合ガスの低酸素雰囲気下で接合することができるので、炉構造が簡単になり、連続化も容易となる。連続化によって、温度分布等の製品のバラツキ要因を低減させることができ、歩留まりよく、品質の安定した製品を製造することができる。
【００２９】
本発明の回路基板複合体を製造する際、ヒートシンク同士と窒化アルミニウム基板同士が隣り合うように積層して加熱することが好ましい。何故ならば、ヒートシンクは、窒化アルミニウム基板よりも熱膨張係数が大きいので、接合後の冷却によって、窒化アルミニウム基板側が凸形となる変形を軽減させるためである。これは、Ａｌが塑性変形の容易な材料である点を利用したものであり、Ａｌ材同士の接着を避けるため、必要に応じてスペーサー材を介在させても良い。
【００３０】
本発明の回路基板複合体は、２００℃以上、好ましくは３００〜３５０℃程度の温度で焼鈍することによって、窒化アルミニウム基板への熱応力を緩和することができる。
【００３１】
【実施例】
以下、実施例と比較例をあげて本発明を更に具体的に説明する。
【００３２】
実施例１〜４  比較例１〜４
表２に示される接合材と、以下の窒化アルミニウム基板、ヒートシンク及びＡｌ回路とを、図１又は図２のように積層した。これを炉外から油圧式の一軸加圧装置でカーボン製の押し棒を介して窒化アルミニウム基板面と垂直方向に加圧しながら加熱を行い、接合した。接合条件は、表３に示すとおりであり、４×１０-3Ｐａの真空中（バッチ炉）又はＮ2ガス中（連続炉）で行った。なお、比較例１では、窒化アルミニウム基板の表裏面にＡｌ板（厚み０．４ｍｍ）を接合した後、共晶半田でヒートシンクに接合した。
【００３３】
（１）窒化アルミニウム基板
市販の窒化アルミニウム粉にＹ2Ｏ3を表１に示す割合で混合し、有機バインダーと有機溶剤を加えて混練した後、ロール成形機によってシート状に成形した。これを裁断して離型材（ＢＮ粉）を塗布し、積層して約１Ｐａの減圧下、４５０℃で脱脂、更に大気中で脱炭素した。各試料はＮ2雰囲気下で表１に示す焼成条件で焼成して、縦４０ｍｍ×横４０ｍｍ×厚み０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム基板を製造した。得られた窒化アルミニウム基板について、Ｘ線回折により助剤相の生成を調べ、レーザーフラッシュ法により熱伝導率を求めた。それらの結果を表１に示す。
【００３４】
（２）ヒートシンク及びＡｌ回路
市販の縦５０ｍｍ×横５０ｍｍ×厚み３ｍｍのＡｌ/ＳｉＣ複合体、又は縦５０ｍｍ×横５０ｍｍ×厚み１０ｍｍのＡｌブロックを用いた。また、Ａｌ回路は市販のＡｌ材（純度≧９９．９９％）から、回路パターンを打ち抜いた用いた。
【００３５】
【表１】
0003797823.tif 000002
【００３６】
【表２】
0003797823.tif 000003
【００３７】
【表３】
0003797823.tif 000004
【００３８】
得られた回路基板複合体について、その接合状態を超音波探傷装置(ＳＡＴ)で観察し、直径１ｍｍ以上の未接合部又は１％以上の未接合面積部が確認できたものを接合不良とした。次に、各試料は、−４０℃、３０分→室温、１０分→１２５℃、３０分→室温、１０分を１サイクルとして３０００サイクルのヒートサイクルテストを行った後、外観観察して異常の有無を確認し、再びＳＡＴで接合状態を調べた。それらの結果を表４に示す。
【００３９】
【表４】
0003797823.tif 000005
【００４０】
表１〜４から明らかなように、本発明の実施例はいずれも良好な接合状態を示した。特に、実施例１、２、４では、簡易的な連続炉を用いたにも拘わらず接合不良のない回路基板複合体を製造することができた。これに対して、放熱側にもＡｌ板を接合した比較例１では、ヒートサイクル後に半田クラックが進行しており、ＳＡＴ観察では半数以上が不良であった。更に、本発明と異なる接合材を用いた比較例２〜４でも、やはりヒートサイクル後には不良品が多発した。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、軽量にして放熱性に優れた高信頼性の回路基板複合体が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】積層方法の説明図
【図２】別の積層方法の説明図
【符号の説明】
１  カーボン製スペーサー
２  Ａｌ回路
３  接合材
４  窒化アルミニウム基板
５  接合材
６  ヒートシンク
【図１】
0003797823.tif 000006
【図２】
0003797823.tif 000007