(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボン粉末と、Ｔｉ，Ｚｒ，ＨｆおよびＮｂから選択される少なくとも１種の活性金属とを含有する銀−銅系ろう材層を介してセラミックス基板に金属回路板を接合して成り、上記カーボン粉末の平均粒径が１０μｍ以下であり、上記銀−銅系ろう材層におけるカーボン粉末の含有量が０．１〜５．０重量％であることを特徴とするセラミックス回路基板。
【請求項２】
銀−銅系ろう材層における活性金属の含有量が０．５〜１０重量％であることを特徴とする請求項１記載のセラミックス回路基板。
【請求項３】
銀−銅系ろう材層は、さらにＩｎ，Ｚｎ，ＣｄおよびＳｎから選択される少なくとも１種の元素を含有することを特徴とする請求項１記載のセラミックス回路基板。
【請求項４】
Ｉｎ，Ｚｎ，ＣｄおよびＳｎから選択される少なくとも１種の元素は５〜２０重量％含有されていることを特徴とする請求項３記載のセラミックス回路基板。
【請求項５】
銀−銅系ろう材層はＡｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｔｉ系ろう材層であることを特徴とする請求項３記載のセラミックス回路基板。
【請求項６】
金属回路板を接合した側と反対側のセラミックス基板表面に、上記銀−銅系ろう材層を介して金属板を接合したことを特徴とする請求項１記載のセラミックス回路基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はセラミックス基板に金属回路板をろう材によって接合したセラミックス回路基板に係り、特に金属回路板の接合強度が大きく、また耐熱サイクル特性に優れ、信頼性が高いセラミックス回路基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来からアルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）焼結体などのように絶縁性に優れたセラミックス基板の表面に、導電性を有する金属回路板を一体に接合したセラミックス回路基板が広く普及し、半導体装置の構成部品として使用されている。
【０００３】
従来からセラミックス基板と金属回路板とを一体に接合形成する方法として、高融点金属法（メタライズ法），直接接合法，活性金属法などが採用されている。高融点金属法は、ＭｏやＷなどの高融点金属をセラミックス基板表面に焼き付ける方法であり、直接接合法は、金属回路板成分と酸素との共晶液相を接合剤とし、ろう材などを使用せずに直接金属回路板をセラミックス基板表面に加熱接合する方法であり、活性金属法はＴｉなどの活性金属を含有するろう材を介して金属回路板と非酸化物系セラミックス基板とを一体に接合する方法である。特に高強度で良好な封着性，信頼性を必要とするセラミックス回路基板を得るためには、上記接合法のうち、活性金属法が一般に使用されている。
【０００４】
上記セラミックス回路基板には、構造強度の基本となる高い接合強度が求められる一方、搭載された発熱部品としての半導体素子の運転条件下で繰り返して作用する熱サイクルに十分耐える構造を保持するため、冷熱サイクル試験（ＴＣＴ）において、セラミックス基板と金属回路板との線膨張係数差に起因するクラックの発生を抑制する必要がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術において、セラミックス基板にＴｉなどの活性金属を含有するろう材により金属回路板を一体に接合して成るセラミックス回路基板では、脆弱な反応相が接合界面に生成され易いため、十分な接合強度が得られず、セラミックス基板の接合部にクラックが発生し易く、高い信頼性を有する回路基板が得られないという問題点があった。
【０００６】
また、一旦は高い接合強度で接合された場合においても、その後に付加される熱サイクルが低い段階において、微小なクラックが発生し、そのクラックが経時的に進展することにより、接合強度も低下し、最終的にはセラミックス基板の割れや欠けを生じてしまうなど長期にわたる信頼性の維持が困難となる問題点もあった。
【０００７】
さらに上記活性金属法による金属回路板の接合操作は一般に真空中で実施されるため、製造工程が複雑化し、回路基板の量産性が劣るという問題点もあった。
【０００８】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、繰り返しの冷熱サイクルを長時間付加した後においてもクラックの発生が効果的に抑制される、いわゆる耐熱サイクル性に優れた信頼性が高いセラミックス回路基板を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本願発明者は、セラミックス基板と金属回路板とを接合するろう材に含有させる元素の種類および量を種々変えてセラミックス回路基板を調製し、ろう材に含有させる元素の種類が回路基板の接合強度、および耐熱サイクル特性や接合部の強度特性に及ぼす影響を比較検討した。
【００１０】
その結果、カーボン粉末と、ある種の活性金属を複合的に含有するろう材や活性金属と、Ｉｎなどの元素とを複合的に含有するろう材を使用して基板と回路板とを接合しセラミックス回路基板を調製したときに、回路基板の耐熱サイクル特性が向上することが判明した。本発明はこれらの知見に基づいて完成されたものである。
【００１１】
すなわち本発明に係るセラミックス回路基板は、カーボン粉末と、Ｔｉ，Ｚｒ，ＨｆおよびＮｂから選択される少なくとも１種の活性金属とを含有する銀−銅系ろう材層を介してセラミックス基板に金属回路板を接合して成ることを特徴とする。
【００１２】
また、銀−銅系ろう材層におけるカーボン粉末の含有量は０．１〜５．０重量％とする。さらに銀−銅系ろう材層における活性金属の含有量は０．５〜１０重量％の範囲が好ましい。
【００１３】
また銀−銅系ろう材層が、さらにＩｎ，Ｚｎ，ＣｄおよびＳｎから選択される少なくとも１種の元素を含有するように構成するとよい。
【００１４】
さらに上記Ｉｎ，Ｚｎ，ＣｄおよびＳｎから選択される少なくとも１種の元素は５〜２０重量％含有される。また銀−銅系ろう材層はＡｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｔｉ系ろう材層で構成するとよい。
【００１５】
さらに金属回路板を接合した側と反対側のセラミックス基板表面に、上記銀−銅系ろう材層を介して金属板を接合するとよい。
【００１６】
上記回路基板を構成するセラミックス基板としては、活性金属などのろう材成分と反応して高硬度の反応生成層を形成する窒化アルミニウム（ＡｌＮ），窒化けい素（Ｓｉ3 Ｎ4 ），サイアロン（ＳｉＡｌＯＮ）などの窒化物系セラミックス基板が好適である。
【００１７】
また金属回路板としては導電性を有する金属であれば特に限定されないが、電気抵抗率や材料コストの観点から銅またはアルミニウムから成る回路板が好適である。
【００１８】
本発明において銀−銅系ろう材層を形成するためのろう材としては、重量％でカーボン（Ｃ）粉末を０．１〜５．０％、Ｃｕを１５〜３５％、Ｔｉ，Ｚｒ，ＨｆおよびＮｂから選択される少なくとも１種の活性金属を０．５〜１０％，残部が実質的にＡｇから成る組成物のペーストが使用される。ペーストは上記組成物を有機溶媒中に分散して調製される。
【００１９】
上記ろう材組成物において、カーボン（Ｃ）粉末は接合部の残留応力を低減し、回路基板の耐熱サイクル性の向上に寄与する成分である。すなわち、カーボン粉末の線膨張係数は約４×１０-6／Ｋであり、このカーボン粉末をろう材組成物中に含有させることにより、ろう材層自体の線膨張係数がセラミックス基板の線膨張係数に近くなる。そのため接合操作後における回路基板の残留応力の低減が図られ、回路基板の耐熱サイクル性を向上させることができる。
【００２０】
上記カーボン粉末の含有量が０．１重量％未満の場合には、上記残留応力の緩和による耐熱サイクル性の改善効果が不十分である。一方、カーボン粉末の含有量が５重量％を超えると、ろう材組成物をペースト化することが困難となり、例えばスクリーン印刷法によってろう材層を形成することが困難になる。また、ろう材層を形成できた場合でも金属回路板の接合強度が低下してしまう。したがってカーボン粉末の含有量は０．１〜５重量％の範囲とされるが、０．５〜１．５重量％の範囲がより好ましい。
【００２１】
なお、上記カーボン粉末としては、平均粒径が１０μｍ以下のＣ粉末を使用するとよい。平均粒径が１０μｍを超えるような粗大なカーボン粉末を使用するとろう材組成物ペーストを均一に調製することが困難であり、またペーストをスクリーン印刷することが困難になる。カーボン粉末の平均粒径は５μｍ以下がさらに好ましい。
【００２２】
また、Ａｇ−Ｃｕ成分は、セラミックス焼結体製基板とＴｉなどの活性金属との接合層の形成を促進する成分として有効であり、Ｔｉなどの活性金属を接合層（ろう材層）中に拡散させ強固な接合体を形成するのに寄与する。上記Ａｇ−Ｃｕ成分比は、共晶組成物（７２重量％Ａｇ−２８％Ｃｕ）を生成し易い組成比に設定して液相の生成量を低減してもよいが、他の組成範囲でも構わない。
【００２３】
上記ろう材中に含有される活性金属は、さらにセラミックス基板に対するろう材の濡れ性を改善するための成分であり、それらの配合量はろう材層全体に対して０．５〜１０重量％に設定される。活性金属の含有量が０．５重量％未満の場合には、濡れ性の改善効果が得られない一方、含有量が多いほどセラミックス基板と濡れ易くなる作用を有するが、含有量が１０重量％を超える過量となると、接合界面に脆弱な反応相（反応生成相）が生成され易くなり、接合強度の低下とともに接合体全体としての構造強度の低下を招く。
【００２４】
上記ろう材中に、さらにＩｎ，Ｚｎ，ＣｄおよびＳｎから選択された少なくとも１種の成分を５〜２０重量％の割合で添加してもよい。Ｉｎ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｓｎは、上記活性金属，ろう材成分およびセラミックス基板成分とともに、硬度が比較的に大きな金属間化合物を接合界面に形成し、セラミックス基板の見掛け上の強度を高め、ＴＣＴにおいてセラミックス基板に発生する熱応力が大きくなった場合においても、クラックが発生しにくくなり、回路基板の耐熱サイクル特性を大幅に改善する効果がある。
【００２５】
またＩｎ，Ｚｎ，ＣｄおよびＳｎは、ろう材による接合温度を低下させ、熱応力の発生量を低減し接合後における残留応力を低下するためにも有効である。添加含有量が５重量％未満では、上記硬度を高める効果および接合温度の低減効果が少ない。一方、２０重量％を超えると、ろう材組成の変化が大きくなり、回路基板の信頼性を高めるに十分な接合強度が得られない。
【００２６】
銀−銅系ろう材層の厚さは接合体の接合強度に大きな影響を及ぼすものであり、本発明では１５〜３５μｍの範囲に設定される。ろう材層の厚さが１５μｍ未満の場合には、接合強度が十分に得られず、またセラミックス基板と金属回路板との密着性が低下し、回路基板全体としての熱抵抗が増大し、放熱性が低下してしまう。一方、ろう材層の厚さが３５μｍを超えると、接合界面に脆弱な反応相が生成され易くなるとともにセラミックス基板に生じる応力が大きくなるため、いずれにしろ十分な接合強度が得られない。
【００２７】
さらに金属回路板を接合した側と反対側の窒化物系セラミックス基板表面に、上記銀−銅系ろう材層を介して上記金属回路板よりやや薄い金属板を接合することにより、接合操作によって発生するセラミックス回路基板の反りを効果的に防止できる。すなわち、セラミックス基板の表裏両面に配置する金属量を等しくすることによってセラミックス基板の各面における熱膨張量を等しくすることができ、両面における熱膨張差に起因する回路基板の反りを防止することができる。
【００２８】
本発明に係るセラミックス回路基板は、例えば以下のような手順で製造される。すなわち、ＡｌＮ，Ｓｉ3 Ｎ4 ，ＳｉＡｌＯＮなどのセラミックス基板とＣｕなどで形成された金属回路板等との接合面に、カーボン粉末を０．１〜５重量％，Ｔｉなどの活性金属を０．５〜１０重量％含有するペースト状のＡｇ−Ｃｕ系ろう材組成物を塗布した状態で金属回路板を押圧し、１０-4Torr以下の真空状態にした加熱炉中で、またはアルゴン（Ａｒ）ガスなどの不活性ガス雰囲気に調整した加熱炉中で、あるいは窒素（Ｎ2 ）ガス雰囲気の加熱炉中で、温度８００〜９００℃で１０〜１５分保持して一体に接合して製造される。
【００２９】
上記活性金属法による接合操作においては、セラミックス基板とＡｇ−Ｃｕ系ろう材とのメタライズ界面を強固にするため、および活性金属元素とセラミックス成分とが反応して形成される反応生成層の形成を促進するために、Ａｇ：Ｃｕの重量比率を７２：２８の共晶組成比にすることが望ましい。この共晶組成比を有するろう材の融点は約７８０℃であるため実際の接合温度は８００〜９００℃に設定される。
【００３０】
上記製法において、接合温度が８００℃未満と低い場合にはろう材が十分に溶融しないため、セラミックス基板と金属回路板との密着性が低下してしまう。一方、接合温度が９００℃を超えると接合面に脆弱な反応相が生成され易く、いずれにしても接合強度が低下してしまう。
【００３１】
ここで上記Ａｇ−Ｃｕ系ろう材中に、さらにＩｎ，Ｚｎ，ＣｄおよびＳｎから選択された少なくとも１種の成分が５〜２０重量％含有される場合には、ろう材の溶融温度が、６８０℃程度までに下がる結果、７００〜８００℃の低温度範囲で接合を行うことができる。この接合温度の低下により接合操作後における回路基板の残留応力は小さくなる。その結果、回路基板の耐熱サイクル性を、より向上させることが可能となる。
【００３２】
なお、ろう材組成物中に、ＩｎやＳｎ等を添加した場合には、ろう材組成物の基板に対する漏れ性やろう材自体の流動性が大幅に向上する。そのため、基板上にろう材組成物をパターン印刷した後に金属回路板素材を押圧して接合すると、金属回路板素材の外周縁からろう材がはみ出る現象が起き易い。このはみ出たろう材は、専用のエッチング剤（エッチャント）を使用した後エッチング処理によって除去されるが、所定形状の回路基板を形成する他に数回の後エッチングが必要になるため、回路基板の製造工程が煩雑になる問題を生じる。特に後エッチングで使用されるエッチング剤は強アルカリであるため、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板をセラミックス基板として使用した場合には、ＡｌＮ基板がエッチング剤によって腐食し、回路基板の耐熱サイクル特性が低下する場合もある。
【００３３】
ところが、本発明のようにろう材組成物中にカーボン粉末を所定量含有させることにより、ろう材組成物の流動性を適度に調整することが可能であり、ろう材のはみ出し現象を効果的に防止することができる。したがって、はみ出したろう材を除去するための後エッチング処理が不要となり、回路基板の製造工程を大幅に簡略化することができる。またカーボン粉末を添加することにより、上記はみ出し現象を防止でき、少量のろう材で金属回路板をセラミックス基板表面に接合することができる。すなわち高硬度のろう材層を薄く形成することが可能となるため、回路基板の耐熱サイクル特性を、より向上させることができる。
【００３４】
本発明に係るセラミックス回路基板によれば、銀−銅系ろう材層中にカーボン粉末と活性金属とを含有しており、カーボン粉末によってろう材層の線膨張率がセラミックス基板の線膨張係数に近くなる。そのため、金属回路板の接合後における残留応力が低減される。また活性金属成分の添加により、接合面に強固なメタライズ界面が形成され、接合部におけるセラミックス基板の強度を実質的に高めることができ、熱サイクルが付加された際に大きな熱応力が発生した場合においてもクラックを生じることが少ない。またろう材相中にＩｎ等を含有させることにより、ろう材の融点が低下し金属回路板の接合温度を低下させることができ、接合操作後における回路基板の残留応力を低減することができる。したがって耐熱サイクル特性が優れ、信頼性が高いセラミックス回路基板を提供することができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態について、以下の実施例および添付図面を参照して説明する。
【００３６】
実施例１〜１０
熱伝導率が１７０Ｗ／ｍ・Ｋであり、常圧焼結法によって製造した窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体を加工して、縦２９mm×横６３mm×厚さ０．６３５mmのＡｌＮ基板と、厚さ０．３mmのリン脱酸銅から成るＣｕ回路板（金属回路板）およびＣｕ板（金属板）とを多数調製した。
【００３７】
一方、平均粒径５μｍのカーボン（Ｃ）粉末，活性金属粉末，Ｉｎ等の第３成分粉末，Ｃｕ粉末およびＡｇ粉末を用意し、表１に示すような組成を有する各実施例用のペースト状のＡｇ−Ｃｕ系ろう材を調製し、このろう材をＡｌＮ基板の両面に印刷してＡｇ−Ｃｕ系ろう材層を形成し、このろう材層を介して、Ｃｕ回路板およびＣｕ板をそれぞれＡｌＮ基板表面に圧着した。
【００３８】
この状態で各圧着体を加熱炉に収容し、１×１０-4Torr以下の高真空中で、表１に示す接合温度に加熱し１０分間保持することにより、一体に接合し、図１に示すような実施例１〜１０に係るセラミックス回路基板１をそれぞれ多数製造した。
【００３９】
図１に示すように、各実施例に係るセラミックス回路基板１は、ＡｌＮ基板２とＣｕ回路板３との間およびＡｌＮ基板２とＣｕ板（裏銅板）４との間に、Ａｇ−Ｃｕ系ろう材層５を介して一体に接合されて形成されている。上記回路基板１のＣｕ回路板３の所定位置に半田接合によって半導体素子（Ｓｉチップ）７が接合されて、半導体装置構成用のセラミックス回路基板が形成される。
【００４０】
比較例１〜４
一方、比較例として表１に示す組成を有する従来のＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材ペーストを使用した点および表１に示す接合温度でＣｕ回路板およびＣｕ板を接合した点、またはカーボン粉末量を過少または過大に設定したＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｉｎ系ろう材ペーストを使用した点以外は実施例１と同一条件で各部材を一体に接合して比較例１〜４に係るセラミックス回路基板を多数調製した。
【００４１】
評価
上記のように調製した各実施例および比較例に係る各セラミックス回路基板の耐久性および信頼性を評価するために、金属回路板の接合強度（ピール強度）を測定するとともに、下記のような熱衝撃試験（ヒートサイクル試験：ＴＣＴ）を実施し、回路基板におけるクラック発生状況を調査した。ヒートサイクル試験は、各回路基板を−４０℃で３０分間保持した後に室温（ＲＴ）まで昇温して１０分間保持し、しかる後に＋１２５℃に昇温して３０分間保持し、次に冷却して室温で１０分間保持するという昇温−降温サイクルを３００回繰り返して付加する条件で実施した。
【００４２】
そして３０回，１００回および３００回のサイクル数終了後において試験試料を５個ずつ取り出し、ＦｅＣｌ3 溶液にてエッチング処理してＣｕ回路板およびろう材のＡｇ−Ｃｕ成分を除去することによってＡｌＮ基板上に生成されている反応生成層を露出させた。さらに、エッチング液により上記反応生成層を除去し、各ＡｌＮ基板表面についてＰＴ（蛍光探傷試験）を実施してファインクラックの発生の有無を検査した。そして各サイクル終了後における回路基板の健全率ηを下記（１）式に従って算出し、各回路基板の耐熱サイクル性を評価した。
【００４３】
【数１】
0003834351.tif 000002
ここで、Ｄは、回路基板の接合部の長手方向において、クラックの発生し得る銅板縁部経路の全長であり、Σｄは上記経路上に発生した各クラックの長さ（ｄ1 ，ｄ2 ，…ｄn ）の総和を示す。したがって、健全率ηが１００％とはクラックが全く発生していないことを意味する一方、健全率ηが０％とは基板全面に亘ってクラックが発生していることを意味する。
【００４４】
上記測定調査結果を下記表１に示す。
【００４５】
【表１】
0003834351.tif 000003
【００４６】
表１に示す結果から明らかなように、各実施例に係るセラミックス回路基板においては、金属回路板の接合強度が従来の比較例とほぼ同等である一方、カーボン粉末の添加によってろう材層の線膨張係数が基板の線膨張係数に近くなり、接合後における残留応力が低減される結果、ＴＣＴにおいて少なくとも１００サイクルまではクラックが発生せず、耐熱サイクル特性に優れていることが確認できた。
【００４７】
一方、カーボン粉末をろう材層中に含有しない比較例１に係るセラミックス回路基板においては、金属回路板の接合強度は実施例１と比較してやや高くなるが、耐熱サイクル性が低いことが判明した。またカーボン粉末含有量が過少である比較例２においては、耐熱サイクル性の改善効果が小さい。一方、カーボン含有量が過大である比較例４においては、耐熱サイクル性は良好である反面、金属回路板の接合強度が大幅に低下し、回路基板全体としての強度が不十分となることが判明した。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明の通り、本発明に係るセラミックス回路基板によれば、銀−銅系ろう材層中にカーボン粉末と活性金属とを含有しており、カーボン粉末によってろう材層の線膨張率がセラミックス基板の線膨張係数に近くなる。そのため、金属回路板の接合後における残留応力が低減される。また活性金属成分の添加により、接合面に強固なメタライズ界面が形成され、接合部におけるセラミックス基板の強度を実質的に高めることができ、熱サイクルが付加された際に大きな熱応力が発生した場合においてもクラックを生じることが少ない。またろう材相中にＩｎ等を含有させることにより、ろう材の融点が低下し金属回路板の接合温度を低下させることができ、接合操作後における回路基板の残留応力を低減することができる。したがって耐熱サイクル特性が優れ、信頼性が高いセラミックス回路基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るセラミックス回路基板の一実施例を示す断面図。
【符号の説明】
１  セラミックス回路基板（ＡｌＮ回路基板）
２  セラミックス基板（ＡｌＮ基板）
３  金属回路板（Ｃｕ回路板）
４  金属板（Ｃｕ板，裏銅板）
５  銀−銅系ろう材層
７  半導体素子（Ｓｉチップ）
【図１】
0003834351.tif 000004