JP2000272977A

JP2000272977A - セラミックス回路基板

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Publication number: JP2000272977A
Application number: JP8299899A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Naba; 隆之那波
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-03-26
Filing date: 1999-03-26
Publication date: 2000-10-03
Anticipated expiration: 2019-03-26
Also published as: JP4467659B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高い接合強度および優れた耐熱サイクル特性に
加えて、高い曲げ強度（抗折強度）を有し、大きな熱負
荷が作用した場合においても割れや破壊を招くことな
く、耐久性が優れたセラミックス回路基板を提供する。【解決手段】表面に酸化物層５を形成した窒化物セラミ
ックス基板２の表面に、Ｔｉ，Ｚｒ，ＨｆおよびＮｂか
ら選択される少なくとも１種の活性金属を含有するろう
材層６を介して金属回路板３，４が一体に接合されてい
ることを特徴とするセラミックス回路基板である。

Description

【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回路基
板に係り、特に金属板路板の接合強度が高く、セラミッ
クス基板の割れの発生が少なく、優れた耐熱サイクル特
性を有するセラミックス回路基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、パワートランジスタモジュール用
基板やスイッチング電源モジュール用基板等の回路基板
として、セラミックス基板上に銅板等の金属板を接合し
たセラミックス回路基板が広く使用されている。また、
上記セラミックス基板としては、電気絶縁性を有すると
共に、熱伝導性に優れた窒化アルミニウム基板や窒化け
い素基板等が一般的に使用されている。

【０００３】上述したような銅板で回路を構成したセラ
ミックス回路基板１１は、例えば図４〜図６に示すよう
にセラミックス基板１２の一方の表面に金属回路板１３
としての銅板を接合する一方、他方の表面に裏金属板１
４としての銅板を接合して形成される。上記セラミック
ス基板１２表面に各種金属板や回路層を一体に形成する
手法としては、下記のような直接接合法，高融点金属メ
タライズ法，活性金属法などが使用されている。直接接
合法は、例えばセラミックス基板１２上に銅板を、Ｃｕ
−Ｏ等の共晶液相を利用して直接接合する、いわゆる銅
直接接合法（ＤＢＣ法：ＤｉｒｅｃｔＢｏｎｄｉｎｇ
Ｃｏｐｐｅｒ法）であり、高融点金属メタライズ法は
ＭｏやＷなどの高融点金属をセラミックス基板表面に焼
き付けて回路層を一体に形成する方法である。また、活
性金属法は、４Ａ族元素や５Ａ族元素のような活性金属
を含むろう材層を介してセラミックス基板１２上に金属
板を一体に接合する方法である。

【０００４】また、具体的な回路の形成方法としては、
予めプレス加工やエッチング加工によりパターニングし
た銅板を用いたり、接合後にエッチング等の手法により
パターニングする等の方法が知られている。これらＤＢ
Ｃ法や活性金属ろう付け法により得られるセラミックス
回路基板は、いずれも単純構造で熱抵抗が小さく、大電
流型や高集積型の半導体チップに対応できる等の利点を
有している。

【０００５】近年、セラミックス回路基板を使用した半
導体装置の高出力化，半導体素子の高集積化が急速に進
行し、セラミックス回路基板に繰り返して作用する熱応
力や熱負荷も増加する傾向にあり、セラミックス回路基
板に対しても上記熱応力や熱サイクルに対して十分な接
合強度と耐久性や放熱性とが要求されている。

【０００６】上記技術的要求に対応するため、最近では
各種電子機器の構成部品として、７０Ｗ／ｍ・Ｋクラス
の高熱伝導率を有する窒化けい素（Ｓｉ_３Ｎ_４）基板や
１００〜１７０Ｗ／ｍ・Ｋクラスの高熱伝導率を有する
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板に銅などの金属板路板
を一体に接合したセラミックス回路基板が広く使用され
始めている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
セラミックス回路基板においては、セラミックス基板の
種類や金属板の接合方法を改良することにより、ある程
度の接合強度は得られていたが、耐熱サイクル性および
抗折強度が十分に得られず、セラミックス回路基板を用
いた半導体装置の信頼性や製品歩留りが低くなるという
問題点があった。

【０００８】すなわち、セラミックス回路基板に搭載す
る半導体素子の高集積化および高出力化に対応して熱サ
イクル負荷も大幅に上昇し、熱応力によって基板に割れ
が発生して回路基板の機能が喪失されてしまう問題点が
あった。また、上記窒化けい素基板を使用した車載用半
導体モジュールなどにおいて、より過酷な熱負荷が作用
した場合には、回路基板の接合強度および抗折強度（曲
げ強度）が低下し、電子機器としての動作信頼性が低下
する問題点があった。

【０００９】一方、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板を
使用した回路基板においては、ＡｌＮ材料自体が窒化け
い素などと比較して曲げ強度および破壊靭性値が大幅に
劣っているため、回路基板に大きな熱負荷が作用した場
合、接合強度が低下するとともに銅回路板が剥離して放
熱性が急減し、電子機器の動作信頼性が低下する問題点
もあった。

【００１０】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、高い接合強度および優れた耐熱サイク
ル特性に加えて、高い曲げ強度（抗折強度）を有し、大
きな熱負荷が作用した場合においても割れや破壊を招く
ことなく、耐久性が優れたセラミックス回路基板を提供
することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本願発明者らは、特にセラミックス回路基板の接合
強度を高め、使用時に発生する割れを防止するための構
造を種々検討した。その結果、特にセラミックス基板の
表面に酸化物層を形成しておき、その表面に活性金属を
含有するろう材層を介して金属回路板を一体に接合した
ときに、金属回路板の剥離が少なく接合強度が高く、ま
たセラミックス回路基板全体の曲げ強度を大きくするこ
とができ、割れの発生が少ないセラミックス回路基板が
得られるという知見を得た。

【００１２】本発明は上記知見に基づいて完成されたも
のである。すなわち、本発明に係るセラミックス回路基
板は、表面に酸化物層を形成した窒化物セラミックス基
板表面に、Ｔｉ，Ｚｒ，ＨｆおよびＮｂから選択される
少なくとも１種の活性金属を含有するろう材層を介して
金属回路板が一体に接合されていることを特徴とする。

【００１３】また、窒化物セラミックス基板が窒化けい
素（Ｓｉ_３Ｎ_４）焼結体から成り、上記酸化物層が酸化
けい素（ＳｉＯ_２）および／または酸窒化けい素（Ｓｉ
ＯＮ）から成ることを特徴とする。さらに、窒化物セラ
ミックス基板が窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体から
成り、上記酸化物層を酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）
および／または酸窒化アルミニウム（ＡｌＯＮ）から構
成してもよい。

【００１４】また、酸化物層の厚さは、０．５〜１０μ
ｍ，より好ましくは１〜３μｍの範囲であることが望ま
しい。さらに、金属回路板は、銅回路板，またはニッケ
ル回路板であることが好ましい。

【００１５】本発明に係るセラミックス回路基板に使用
されるセラミックス基板としては、窒化アルミニウム
（ＡｌＮ），窒化けい素（Ｓｉ_３Ｎ_４），窒化チタン
（ＴｉＮ）等の窒化物焼結体から成る窒化物系セラミッ
クス基板が使用される。これらのセラミックス基板には
酸化イットリウムなどの焼結助剤等が含有されていても
よい。

【００１６】また上記金属回路板を構成する金属として
は、銅，ニッケル，アルミニウム，鉄，クロム，銀，モ
リブデン，コバルトの単体またはその合金，コバール合
金など、活性金属法を適用できる金属であれば特に限定
されないが、特に導電性および価格の観点から銅，ニッ
ケル，アルミニウムまたはその合金が好ましい。

【００１７】金属回路板の厚さは、通電容量等を勘案し
て決定されるが、セラミックス基板の厚さを０．２５〜
１．２ｍｍの範囲とする一方、金属回路板の厚さを０．
１〜０．５ｍｍの範囲に設定して両者を組み合せると熱
膨張差による変形などの影響を受けにくくなる。

【００１８】上記のような金属回路板を、ろう材層を介
してセラミックス基板表面に接合する場合、窒化アルミ
ニウムや窒化けい素などの窒化物系セラミックス基板に
そのままろう材を塗布してもろう材の基板に対する濡れ
性や反応性が低いため、金属回路板の充分な接合強度が
得られない。

【００１９】そこで本発明に係るセラミックス回路基板
においては、窒化物系セラミックス基板の表面に予め酸
化物層を形成し、基板に対する濡れ性および反応性を高
めている。この酸化物層は上記窒化物系セラミックス基
板を、空気中などの酸化雰囲気中で温度１０００〜１４
００℃程度で２〜１５時間加熱して形成される。

【００２０】したがって、上記窒化物セラミックス基板
が窒化けい素（Ｓｉ_３Ｎ_４）焼結体から成る場合には、
酸化物層は窒化けい素（ＳｉＯ_２：シリカ）から構成さ
れる。このシリカから成る酸化物層は、Ｓｉ_３Ｎ_４基板
本体と比較して曲げ強度は、かなり劣る反面、耐熱衝撃
性は優れている。そのため、シリカから成る酸化物層を
形成したＳｉ_３Ｎ_４基板自体の耐熱衝撃性が向上し、セ
ラミックス基板自体に熱応力によるクラック（割れ）が
生じにくくなる。また、ろう材中の活性金属成分は、窒
化物セラミックス基板自体のＮ成分よりも酸化物層の酸
素（Ｏ）成分と、より反応し易い性質があるため、金属
回路板の接合強度も、より増加させることができる。

【００２１】一方、上記窒化物セラミックス基板が窒化
アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体から成る場合には、酸化
物層は窒化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３：アルミナ）から
構成される。このアルミナから成る酸化物層は、ＡｌＮ
基板本体と比較して曲げ強度はやや劣る反面、ビッカー
ス硬度および破壊靭性値には優れている。またアルミナ
の線膨張係数は、ＡｌＮ基板と金属回路板とのほぼ中間
に位置している。そのため、ＡｌＮ基板表面が酸化され
てアルミナから成る酸化物層を形成すると、基板の硬度
および靭性値が向上し、セラミックス基板自体にクラッ
ク（割れ）が生じにくくなると同時に、金属回路板とＡ
ｌＮ基板との線膨張係数差に起因してＡｌＮ基板に発生
する熱応力が緩和される。その結果、金属回路板の接合
強度が増加し、熱負荷に対する耐クラック性（耐熱サイ
クル性）も大幅に向上させることができる。

【００２２】上記酸化物層の厚さが０．５μｍ未満の場
合には、上記濡れ性，耐熱衝撃性，機械的強度の改善効
果が少ない一方、１０μｍを超えるように厚く形成して
も改善効果が飽和するため、酸化物層の厚さは０．５〜
１０μｍの範囲が必要であり、より好ましくは１〜３μ
ｍの範囲が望ましい。

【００２３】本発明に係るセラミックス回路基板におい
て、活性金属法によって金属回路板を接合する際に形成
される活性金属ろう材層は、Ｔｉ，Ｚｒ，ＨｆおよびＮ
ｂから選択される少なくとも１種の活性金属を含有し適
切な組成比を有するＡｇ−Ｃｕ系ろう材等で構成され、
このろう材組成物を有機溶媒中に分散して調製した接合
用組成物ペーストをセラミックス基板表面にスクリーン
印刷する等の方法で形成される。

【００２４】上記接合用組成物ペーストの具体例として
は、下記のようなものがある。すなわち重量％で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１〜１０％、残部が実
質的にＡｇから成る組成物を有機溶媒中に分散して調製
した接合用組成物ペーストを使用するとよい。

【００２５】上記活性金属はセラミックス基板に対する
ろう材の濡れ性および反応性を改善し接合強度を高める
ための成分であり、特に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基
板に対して有効である。上記の活性金属の配合量は、接
合用組成物全体に対して１〜１０重量％が適量である。

【００２６】上記構成に係るセラミックス回路基板によ
れば、窒化物セラミックス基板の表面に所定の酸化物層
を形成し、活性金属を含有するろう材層を介して金属回
路板をセラミックス基板表面に一体に接合しているた
め、酸化物層によってセラミックス基板の硬度，耐熱衝
撃性および靭性値が向上し、セラミックス基板自体にク
ラック（割れ）が生じにくくなると同時に、金属回路板
とセラミックス基板との熱膨張係数差に起因してセラミ
ックス基板に発生する応力が緩和される。その結果、金
属回路板の接合強度が増加し、熱負荷に対する耐クラッ
ク性（耐熱サイクル性）も大幅に向上させることができ
る。そして、このセラミックス回路基板を使用すること
により、割れの発生が少なく耐久性および動作信頼性に
優れた半導体装置を高い製造歩留りで量産することが可
能になる。

【００２７】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施形態について添
付図面を参照して以下の実施例に基づいて、より具体的
に説明する。

【００２８】窒化物セラミックス基板として、図１〜図
２に示す寸法を有し、熱伝導率が７０Ｗ／ｍ・Ｋであ
り、厚さが０．６３５ｍｍである窒化けい素（Ｓｉ_３Ｎ
_４）基板素材と、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍ・Ｋであり、
厚さが０．６３５ｍｍである窒化アルミニウム（Ａｌ
Ｎ）基板素材とを同一焼成ロットから多数用意した。

【００２９】一方、金属板として図１〜図３に示す形状
および厚さを有し、Ｃｕ（無酸素銅），Ｎｉ，コバール
合金（２８％Ｎｉ−１８Ｃｏ−Ｆｅ）の各金属材から成
る金属板路板（厚さ０．３ｍｍ）および裏金属板（厚さ
０．２５ｍｍ）をそれぞれ調製した。なお上記金属材は
窒素ガス（Ｎ_２）雰囲気中において温度４００℃でアニ
ール処理を実施したものを使用した。

【００３０】一方、重量比でＴｉ粉末を３％、Ｉｎ粉末
を１０％、Ａｇ粉末を６２％、Ｃｕ粉末を２５％含有す
る粉末混合体１００重量部に対して、溶媒としてのテレ
ピネオールにバインダーとしてのエチルセルロースを溶
解したバインダー溶液を２０重量部添加して、擂回機で
混合後、三段ロールで混練してペースト状の接合用組成
物を調製した。

【００３１】実施例１〜６および実施例７〜１２表１および表２に示すように窒化けい素（Ｓｉ_３Ｎ_４）
基板素材（実施例１〜６用）および窒化アルミニウム
（ＡｌＮ）基板素材（実施例７〜１２用）を空気雰囲気
の加熱炉内で温度１１００〜１３００℃で１２時間加熱
することにより、基板全表面を酸化し、ＳｉＯ_２皮膜ま
たはＡｌ_２Ｏ_３皮膜から成る厚さ１〜４０μｍの酸化物
層を形成した。酸化物層を形成したＳｉ_３Ｎ_４基板単体
およびＡｌＮ基板単体の抗折強度を測定して、表１およ
び表２に示す結果を得た。

【００３２】次に上記のように酸化物層を形成した各Ｓ
ｉ_３Ｎ_４基板およびＡｌＮ基板の両面に前記ペースト状
接合用組成物を介在させて、それぞれ表１〜表２に示す
金属回路板および裏金属板を接触配置して３層構造の積
層体とし、この各積層体を加熱炉内に配置し、炉内を
１．３×１０^−８ＭＰａの真空度に調整した後に温度８
００℃にて１５分間加熱して図１〜図３に示すように、
各セラミックス基板２に酸化物層５およびろう材層６を
介して金属回路板３および裏金属板４を一体に接合し
て、多数の接合体を得た。そして各接合体についてエッ
チング処理を実施して所定の回路パターンを有する実施
例１〜１２に係るセラミックス回路基板を調製した。

【００３３】比較例１〜２一方、Ｓｉ_３Ｎ_４基板素材に酸化処理を実施せず、酸化
物層（ＳｉＯ_２皮膜）を形成しない点以外は、実施例１
および実施例６と同様に活性金属法にてＳｉ_３Ｎ_４基板
表面にＣｕ回路板（比較例１）またはＮｉ回路板（比較
例２）を一体に接合して、それぞれそ比較例１〜２に係
るセラミック回路基板を調製した。

【００３４】比較例３〜４一方、ＡｌＮ基板素材に酸化処理を実施せず、酸化物層
（Ａｉ_２Ｏ_３皮膜）を形成しない点以外は、実施例７お
よび実施例１２と同様に活性金属法にてＡｌＮ基板表面
にＣｕ回路板（比較例３）またはＮｉ回路板（比較例
４）を一体に接合して、それぞれそ比較例３〜４に係る
セラミック回路基板を調製した。

【００３５】こうして調製した各セラミックス回路基板
１は、図１〜図３に模式的に示すようにセラミックス基
板２の表面側に形成された酸化物層５およびろう材層６
を介して金属回路板３が一体に接合される一方、背面側
にも酸化物層５およびろう材層６を介して裏金属板４が
一体に接合した構造を有する。

【００３６】上記のように調製した各実施例および比較
例に係るセラミックス回路基板について、金属回路板の
接合強度をピール強度として測定するとともにセラミッ
クス基板全体の抗折強度を測定して下記表１および表２
に示す結果を得た。

【００３７】

【表１】

【００３８】

【表２】

【００３９】上記表１および表２に示す結果から明らか
なように、酸化物層を表面に形成したＳｉ_３Ｎ_４基板ま
たはＡｌＮ基板に、活性金属を含有する銀ろう材を用い
て金属回路板等を接合した各実施例に係るセラミックス
回路基板においては、酸化物層を形成していないセラミ
ックス基板を用いた比較例１〜４に係るセラミックス回
路基板と比較して、金属回路板の接合強度（ピール強
度）および抗折強度が大幅に増加し、割れに対して優れ
た耐性が発揮されることが判明した。

【００４０】また各実施例および比較例に係るセラミッ
クス回路基板の耐久性および信頼性を評価するために、
各回路基板を−４０℃で３０分間保持し、次に室温（Ｒ
Ｔ：２５℃）で１０分間保持し、さらに１２５℃で３０
分間保持し、さらに室温で１０分間保持するという加熱
・冷却操作を１サイクルとするヒートサイクル試験（熱
衝撃試験）を繰り返して実施し、回路基板の耐クラック
性を測定した。その結果を表１，２に健全率η（％）と
して併記した。ここで健全率ηとは、ファインクラック
が発生し得る基板上の金属回路板の周辺長の合計をＬ
ｏ，ヒートサイクル試験により実際に発生したファイン
クラックの長さの合計をＬとした際に、

【数１】で表わされる。すなわち、健全率ηが１００％ではファ
インクラックは全く発生しておらず、ηが１００％より
小さくなるに従ってファインクラックが増加することを
示す指数である。

【００４１】表１，２に示す結果から、同一材料から成
るセラミックス回路基板同士を比較すると、明らかに実
施例は比較例よりファインクラックの発生量が少ないこ
とを示している。

【００４２】このように、表面に酸化物層を形成したセ
ラミックス基板を用いた各実施例に係るセラミックス回
路基板においては、酸化物層によって熱衝撃が緩和さ
れ、またセラミックス基板と金属回路板との熱膨張差が
緩和されるため、セラミックス基板と金属回路板等との
接合端の角部における集中残留応力が小さくなり、熱負
荷に対する耐クラック性（耐熱サイクル特性）が大幅に
向上することが判明した。

【００４３】

【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、窒化物セラミックス基板の表面
に所定の酸化物層を形成し、活性金属を含有するろう材
層を介して金属回路板をセラミックス基板表面に一体に
接合しているため、酸化物層によってセラミックス基板
の硬度，耐熱衝撃性および靭性値が向上し、セラミック
ス基板自体にクラック（割れ）が生じにくくなると同時
に、金属回路板とセラミックス基板との熱膨張係数差に
起因してセラミックス基板に発生する応力が緩和され
る。その結果、金属回路板の接合強度が増加し、熱負荷
に対する耐クラック性（耐熱サイクル性）も大幅に向上
させることができる。そして、このセラミックス回路基
板を使用することにより、割れの発生が少なく耐久性お
よび動作信頼性に優れた半導体装置を高い製造歩留りで
量産することが可能になる。

【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
を模式的に示す平面図。

【図２】図１に示すセラミックス回路基板の断面図。

【図３】図１に示すセラミックス回路基板の底面図。

【図４】従来のセラミックス回路基板の平面図。

【図５】図４に示す従来のセラミックス回路基板の断面
図。

【図６】図４に示す従来のセラミックス回路基板の底面
図。

【符号の説明】

１，１１セラミックス回路基板２，１２セラミックス基板３，１３金属回路板（銅回路板）４，１４裏金属板（裏銅板）５酸化物層（ＳｉＯ_２皮膜，Ａｌ_２Ｏ_３皮膜）６ろう材層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表面に酸化物層を形成した窒化物セラミ
ックス基板表面に、Ｔｉ，Ｚｒ，ＨｆおよびＮｂから選
択される少なくとも１種の活性金属を含有するろう材層
を介して金属回路板が一体に接合されていることを特徴
とするセラミックス回路基板。
【請求項２】窒化物セラミックス基板が窒化けい素
（Ｓｉ_３Ｎ_４）焼結体から成り、上記酸化物層が酸化け
い素（ＳｉＯ_２）から成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】窒化物セラミックス基板が窒化アルミニ
ウム（ＡｌＮ）焼結体から成り、上記酸化物層が酸化ア
ルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）から成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】酸化物層の厚さが０．５〜１０μｍ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５】酸化物層の厚さが１〜３μｍ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６】金属回路板が銅回路板であることを特徴
とする請求項１記載のセラミックス回路基板。
【請求項７】金属回路板がニッケル回路板であること
を特徴とする請求項１記載のセラミックス回路基板。