JPH09172247A - セラミックス回路基板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＤＢＣを適用したセラミックス回路基板にお
いては、セラミックス基板自体の機械的信頼性を高める
と共に、ＤＢＣ法を適用する際に必須の安定な酸化膜を
容易に得られるようにすることによって、銅系回路板の
接合信頼性を高めることが課題とされている。 【解決手段】 窒化ケイ素層２と窒化アルミニウム層３
とを複合一体化した複合セラミックス基板１を用いる。
この複合セラミックス基板１における窒化ケイ素層２と
窒化アルミニウム層３とは、例えば同時焼成により複合
一体化されたものである。このような複合セラミックス
基板１の窒化アルミニウム層３表面の酸化膜３ａを介し
て、直接接合法（ＤＢＣ法）により銅系回路板４を接合
し、セラミックス回路基板５を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、銅直接接合法（Ｄ
ＢＣ法）を利用したセラミックス回路基板およびその製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、半導体素子等の電子部品を搭
載するための基板としては、セラミックス基板や樹脂基
板等が用いられているが、優れた絶縁性および放熱性等
を有することから、高放熱性電子部品を搭載する回路基
板等としてはセラミックス基板が多用されている。

【０００３】上述したようなセラミックス基板には、従
来、アルミナ焼結体が主として用いられてきたが、最近
の半導体素子の高集積化、高周波化、高出力化等に伴っ
て、半導体素子からの発生熱量は年々増加する傾向にあ
るため、アルミナ基板では放熱性の点で限界が生じてい
る。そこで、アルミナに比べて熱伝導率が約10倍程度高
く、さらに熱膨張率がＳｉに近似する窒化アルミニウム
焼結体からなるセラミックス基板の使用が検討され、一
部実用化されている。

【０００４】ところで、窒化アルミニウム基板は熱伝導
性に優れると共に、Ｓｉに近似する熱膨張率を有する等
の特徴を有する反面、機械的強度や靭性等が低く、アッ
センブリ工程での締め付けによって割れが発生したり、
また熱サイクルが付加された際にクラックが発生しやす
い等の難点を有している。特に、回路基板に要求される
機械的強度等も大きくなる傾向にあるため、窒化アルミ
ニウム基板でこれら全ての要求を満足させることは困難
な状況になってきている。

【０００５】そこで、窒化アルミニウム基板より熱伝導
率は劣るものの、熱膨張率がSiに近似すると共に、機械
的強度や靭性に優れる窒化ケイ素焼結体からなるセラミ
ックス基板が注目されている。窒化ケイ素基板において
も、焼結体原料となる窒化ケイ素粉末の粒径や焼結助剤
組成等を制御することによって、40W/m K 以上の熱伝導
率が実現されるようになってきている。

【０００６】上述したような窒化ケイ素基板を回路基板
等として利用する場合には、通常のセラミックス基板と
同様に、表面に金属回路板を接合することが不可欠であ
り、銅直接接合法（ＤＢＣ法）や活性金属法により銅系
回路板を接合することが検討されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、窒化ケイ素
基板上にＤＢＣ法で銅系回路板を接合する場合、ＤＢＣ
法は銅−酸素系の共晶化合物を利用した接合方法である
ため、まず窒化ケイ素基板の表面に酸化膜を形成する必
要がある。非酸化物系セラミックス基板の表面酸化には
通常熱酸化法が用いられているが、熱酸化法により形成
される酸化ケイ素は窒化ケイ素と結晶構造が大きく異な
り、酸化膜自体が不安定であるため、このような不安定
な酸化膜上にＤＢＣ法で銅系回路板を接合しても、信頼
性に優れる回路基板は得られないという問題がある。具
体的には、窒化ケイ素基板表面の酸化膜に接合過程でク
ラック等が生じ、窒化アルミニウム基板等を用いた場合
に比べて低い接合強度しか得られず、到底実用に供する
ことはできない。

【０００８】このようなことから、ＤＢＣを適用したセ
ラミックス回路基板においては、セラミックス基板自体
の機械的信頼性を高めると共に、ＤＢＣ法を適用する際
に必須の安定な酸化膜を容易に得られるようにすること
によって、銅系回路板の接合信頼性を高めることが課題
とされていた。

【０００９】本発明は、このような課題に対処してなさ
れたもので、セラミックス基板自体の機械的信頼性と共
に、ＤＢＣ法による銅系回路板の接合信頼性を高めたセ
ラミックス回路基板、およびそのようなセラミックス回
路基板を低コストで製造することを可能にしたセラミッ
クス回路基板の製造方法を提供することを目的としてい
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明のセラミックス回
路基板は、請求項１に記載したように、窒化ケイ素層と
窒化アルミニウム層とを複合一体化した複合セラミック
ス基板と、前記複合セラミックス基板の窒化アルミニウ
ム層側に、前記窒化アルミニウム層表面に設けられた酸
化膜を介して直接接合法により接合された銅系回路板と
を具備することを特徴としている。また、特に請求項２
に記載したように、前記複合セラミックス基板における
窒化ケイ素層および窒化アルミニウム層は、同時焼成に
より複合一体化されていることを特徴としている。

【００１１】本発明のセラミックス回路基板の製造方法
は、請求項３に記載したように、窒化ケイ素グリーンシ
ートと、前記窒化ケイ素グリーンシートとの密度差が0.
01〜0.5g/cm³ の範囲内である窒化アルミニウムグリー
ンシートとを積層し、このグリーンシート積層体を焼成
して複合セラミックス基板を作製する工程と、前記複合
セラミックス基板の窒化アルミニウム層表面に酸化処理
を施し、得られた酸化膜上に銅系回路板を接触配置した
後、加熱処理して前記銅系回路板を直接接合法により接
合する工程とを有することを特徴としている。

【００１２】本発明のセラミックス回路基板において
は、高強度・高靭性の窒化ケイ素層と酸化膜の安定性に
優れる窒化アルミニウム層を組合せた複合セラミックス
基板を用いているため、ＤＢＣ法による銅系回路板の接
合信頼性を高めた上で、セラミックス基板自体の良好な
機械的信頼性を確保することができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施するための形
態について説明する。

【００１４】図１は、本発明のセラミックス回路基板の
一実施形態を示す断面図である。同図において、１は窒
化ケイ素層２と窒化アルミニウム層３とを複合一体化し
た複合セラミックス基板であり、これら窒化ケイ素層２
と窒化アルミニウム層３とは例えば同時焼成により複合
一体化されている。すなわち、窒化ケイ素グリーンシー
トと窒化アルミニウムグリーンシートとを積層し、この
グリーンシート積層体を焼成することにより得られる複
合セラミックス基板１である。なお、製造条件の詳細に
ついては後述する。

【００１５】なお、複合セラミックス基板１は、上述し
た同時焼成で複合一体化したものに限らず、個々に焼成
した窒化ケイ素基板と窒化アルミニウム基板とを、活性
金属接合法等で接合して複合一体化した複合基板を使用
することもできる。活性金属接合法としては、４Ａ族元
素や５Ａ族元素等の活性金属を含む活性金属ろう材を用
いた活性金属ろう付け法等が適用可能である。ただし、
製造コストや機械的強度等の点から、窒化ケイ素層２と
窒化アルミニウム層３とを同時焼成により複合一体化し
た複合セラミックス基板１を用いることが望ましい。

【００１６】窒化ケイ素層２および窒化アルミニウム層
３としては、通常の窒化ケイ素焼結体や窒化アルミニウ
ム焼結体を使用することができるが、特に窒化ケイ素層
２としては熱伝導率が50W/m K 以上の窒化ケイ素焼結体
を使用することが好ましい。窒化ケイ素層２は、複合セ
ラミックス基板１の強度を担う部分であるが、複合セラ
ミックス基板１としての放熱特性の低下を抑制する上
で、高熱伝導率の窒化ケイ素焼結体を使用することが好
ましい。

【００１７】すなわち、窒化ケイ素層２を構成する窒化
ケイ素焼結体は、高強度・高靭性のセラミックス焼結体
としてよく知られているが、例えば高純度化、組成調整
等を行うことによって、本来の高強度・高靭性という機
械的特性を損うことなく、熱伝導率が50W/m K 以上とい
うように、比較的熱伝導性に優れた窒化ケイ素焼結体を
得ることができる。本発明では、このような比較的熱伝
導性に優れた窒化ケイ素焼結体を窒化ケイ素層２として
用いることが好ましい。

【００１８】窒化アルミニウム層３を構成する窒化アル
ミニウム焼結体としては、従来から一般的に用いられて
いる熱伝導率が 170W/m K 以上の高熱伝導性のものを用
いることが好ましい。また、窒化アルミニウム層３は銅
系回路板４との接合面となるため、その表面には酸化膜
３ａが形成されている。

【００１９】複合セラミックス基板１を構成する窒化ケ
イ素層２および窒化アルミニウム層３の厚さは特に限定
されるものではなく、要求特性や複合セラミックス基板
１全体の厚さ等に応じて設定するものとする。例えば、
複合セラミックス基板１の機械的強度や破壊靭性値等の
機械的特性を十分に高める必要がある場合には、窒化ア
ルミニウム層３は銅系回路板４の接合に最小限必要な厚
さ程度とし、複合セラミックス基板１の大部分が窒化ケ
イ素層２で構成されるようにすればよい。このような場
合、窒化ケイ素層２の厚さは、複合セラミックス基板１
全体の厚さの70〜 90%程度とすることが好ましい。

【００２０】一方、機械的特性は多少犠牲にしても、高
放熱性が必要とされる場合には、窒化アルミニウム層２
の厚さ比を増大させればよい。ただし、窒化アルミニウ
ム層２を厚くしすぎると、複合セラミックス基板１を用
いたことによる機械的特性の向上効果がほとんど得られ
なくなってしまうため、窒化ケイ素層２の厚さは、複合
セラミックス基板１全体の厚さの30〜 50%程度の範囲か
ら選択することが好ましい。

【００２１】上述した複合セラミックス基板１の窒化ア
ルミニウム層３上には、その表面酸化膜３ａを介して、
銅系回路板４がＤＢＣ法（銅直接接合法）により直接接
合されており、これらによって本発明のセラミックス回
路基板５が構成されている。銅系回路板４としては、通
常のＤＢＣ基板と同様に、銅板や銅合金板を用いること
ができる。また、銅板で他の金属板をクラッドした銅ク
ラッド板等を用いることも可能である。

【００２２】銅系回路板４は、予め所望の回路形状にエ
ッチングやプレス加工等でパターニングしたものを接合
してもよいし、また単板状の銅系板を接合した後にエッ
チング等で回路形状にパターニングしてもよい。銅系回
路板４の厚さは 0.5mm以下であることが好ましい。銅系
回路板４の厚さが 0.5mmを超えると、加熱接合後の冷却
過程等で発生する熱応力が増大して、接合不良が発生す
るおそれがある。

【００２３】上述した実施形態のセラミックス回路基板
５においては、酸化膜３ａの安定性に優れる窒化アルミ
ニウム層３上に、酸化膜３ａを介して銅系回路板４をＤ
ＢＣ法で接合しているため、通常の窒化アルミニウムＤ
ＢＣ基板と同様に、銅系回路板４の優れた接合信頼性を
得ることができる。具体的には、複合セラミックス基板
１と銅系回路板４とを安定して高強度で接合することが
可能となる。

【００２４】一方、セラミックス回路基板５におけるセ
ラミックス基板自体、すなわち複合セラミックス基板１
自体の機械的信頼性は、複合セラミックス基板１が構成
要素として高強度・高靭性の窒化ケイ素層２を有してい
るため、窒化アルミニウム基板を単独で用いる場合に比
べて大幅に高めることができる。また、複合セラミック
ス基板１の放熱性に関しては、銅系回路板４からの熱は
表面側の高熱伝導率の窒化アルミニウム層３に直接伝わ
り、ここで速やかに拡散されるため、窒化ケイ素層２の
熱負担が軽減され、さらに窒化ケイ素層２に比較的高熱
伝導性のものを使用することで、十分良好な熱伝導性を
得ることができる。

【００２５】上記実施形態のセラミックス回路基板５
は、例えば以下のようにして製造することができる。

【００２６】まず、窒化ケイ素グリーンシートおよび窒
化アルミニウムグリーンシートを用意し、これらを積層
した後に焼成する。ここで、一般的なグリーンシートの
積層体では、窒化ケイ素と窒化アルミニウムの焼結挙動
（収縮挙動や焼成温度等）が大きく異なるため、同時焼
成で良好な複合セラミックス基板を得ることは非常に困
難である。

【００２７】そこで、窒化ケイ素グリーンシートと窒化
アルミニウムグリーンシートとの密度差が0.01〜 0.5g/
cm³ の範囲内となるように、例えば窒化アルミニウムグ
リーンシートの密度を調整し、この窒化アルミニウムグ
リーンシートの密度調整によって、窒化アルミニウムグ
リーンシートと窒化ケイ素グリーンシートの収縮挙動
（収縮率等）の差を緩和する。

【００２８】すなわち、通常の方法による窒化ケイ素グ
リーンシートの密度は 1.6〜 1.9g/cm³ 程度であるのに
対して、通常の方法による窒化アルミニウムグリーンシ
ートの密度は 2.1〜 2.3g/cm³ 程度と大きい。そこで、
例えば窒化アルミニウム粉末に焼結助剤粉末および分散
媒を加えてボールミル等で解砕する際の時間を短縮（通
常は24時間程度）する、窒化アルミニウム粉末の粒径や
粒度分布を調整する、結合剤の添加量を調整する、結合
剤として分子量が大きいＰＶＢ（例えば分子量30万程
度）を使用する等によって、窒化アルミニウムグリーン
シートを低密度化し、窒化ケイ素グリーンシートとの密
度差が0.01〜 0.5g/cm³ の範囲内となるようにする。

【００２９】このように、窒化ケイ素グリーンシートと
窒化アルミニウムグリーンシートとの密度差を0.01〜
0.5g/cm³ の範囲内とすることによって、これらの焼成
時における収縮挙動（収縮率等）をほぼ同等とすること
ができる。従って、密度差を0.01〜 0.5g/cm³ の範囲内
としたグリーンシート積層体を焼成することで、良好な
複合セラミックス基板１を得ることが可能となる。ここ
で、窒化ケイ素グリーンシートと窒化アルミニウムグリ
ーンシートとの密度差が 0.5g/cm³ を超える場合には、
焼成時の収縮率等の差が大きく、良好に同時焼成するこ
とができず、一方密度差が0.01g/cm³ 未満である場合に
は、粒度分布の違いから良好に同時焼成することができ
ない。

【００３０】また、窒化ケイ素焼結体と窒化アルミニウ
ム焼結体とは、通常、焼成温度も異なるため、例えば窒
化ケイ素焼結体原料中の焼結助剤の量や組成等を調整し
て、焼結開始温度の低温化を図ることが好ましい。これ
によって、2150〜 2223K程度の焼成温度で窒化ケイ素層
２と窒化アルミニウム層３とを同時に緻密化することが
可能となる。

【００３１】このようにして得た複合セラミックス基板
１に対して表面酸化処理を施し、銅系回路板４との接合
面となる窒化アルミニウム層３表面に酸化膜３ａを形成
する。この際の表面酸化処理は通常の熱酸化法でよく、
窒化アルミニウム層３の場合には熱酸化法で良好な酸化
膜３ａを得ることができる。

【００３２】この後、通常のＤＢＣ法に従って、銅系回
路板４を上記した窒化アルミニウム層３表面の酸化膜３
ａを介して複合セラミックス基板１に接合し、目的とす
るセラミックス回路基板５を得る。具体的には、まず窒
化アルミニウム層３表面の酸化膜３ａ上に銅系回路板４
を接触配置する。次に、窒素雰囲気等の不活性雰囲気中
や真空中にて、おおよそ銅の融点以下で銅−酸素系共晶
化合物の融点以上の温度で加熱処理を施して、銅−酸素
系共晶化合物液相で窒化アルミニウム層３表面を濡ら
し、この液相を冷却固化することによって、複合セラミ
ックス基板１と銅系回路板４とを接合する。

【００３３】上述したような工程を経ることによって、
前述したように高接合強度を有するセラミックス回路基
板５を再現性よく得ることができ、さらに製造コストの
低減を図ることもできる。すなわち、窒化ケイ素基板と
窒化アルミニウム基板とを活性金属法等で接合一体化し
た複合基板であっても所期の効果は得られるものの、こ
の場合には複合セラミックス基板自体の製造コストが大
幅に増大してしまう。これに対して同時焼成によれば、
通常のセラミックス基板と同等の製造コストで複合セラ
ミックス基板１を作製することができるため、セラミッ
クス回路基板５の実用性を十分に高めることが可能とな
る。

【００３４】上述した実施形態では、複合セラミックス
基板１の一方の面のみに銅系回路板４を接合したセラミ
ックス回路基板５について説明したが、例えば図２に示
すように、複合セラミックス基板１の両面に銅系回路板
４、４を接合する場合には、窒化ケイ素層２の両面にそ
れぞれ窒化アルミニウム層３を複合一体化した複合セラ
ミックス基板６、すなわち窒化アルミニウム層３／窒化
ケイ素層２／窒化アルミニウム層３のサンドイッチ構造
を有する複合セラミックス基板６が用いられる。このよ
うな複合セラミックス基板６の両面に、銅系回路板４、
４をそれぞれＤＢＣ法で接合したセラミックス回路基板
７においても、上述した実施形態のセラミックス回路基
板５と同様な効果が得られる。

【００３５】

【実施例】次に、本発明のセラミックス回路基板の具体
的な実施例について説明する。

【００３６】実施例１ まず、焼結助剤として 5重量% の酸化イットリウム等を
配合した窒化アルミニウム粉末に、分散媒としてトルエ
ンやブタノール等を加え、ボールミルで 8時間解砕し
た。この混合物に対して結合剤としてＰＶＢを15重量%
、および可塑剤としてＤＢＰを 3重量% 加え、ボール
ミルでさらに 8時間混合し、粘度を調整した後にドクタ
ーブレード装置で窒化アルミニウムグリーンシートを成
形した。この窒化アルミニウムグリーンシートの密度は
約 2.0g/cm³ であった。

【００３７】一方、焼結助剤として 5重量% の酸化イッ
トリウム等を配合した窒化ケイ素粉末に、分散媒として
トルエンやブタノール等を加え、ボールミルで24時間解
砕した。この混合物に対して結合剤としてアクリル樹脂
を20重量% 、および可塑剤としてＤＢＰを 5重量% 加
え、ボールミルでさらに24時間混合し、粘度を調整した
後にドクターブレード装置で窒化ケイ素グリーンシート
を成形した。この窒化ケイ素グリーンシートの密度は約
1.8g/cm³ であった。

【００３８】このような密度差が約 0.2g/cm³ の窒化ア
ルミニウムグリーンシートと窒化ケイ素グリーンシート
とを積層し、温度373K×圧力8MPa× 1分の条件で熱圧着
させた。このグリーンシート圧着体に空気中、 1173Kの
条件で脱脂処理を施した後、還元雰囲気中にて 2173Kで
焼成した。このような密度差を調整したグリーンシート
を用いた同時焼成によって、窒化ケイ素層と窒化アルミ
ニウム層とが良好に複合一体化された複合セラミックス
基板が得られた。なお、複合セラミックス基板の厚さは
1.5mmとし、そのうちの窒化ケイ素層の厚さは 0.9mmと
した。

【００３９】次に、得られた複合セラミックス基板を比
較例としての窒化ケイ素基板と共に、水素−空気雰囲気
中にて 1173Kで加熱して表面酸化を行った。複合セラミ
ックス基板については、窒化アルミニウム層側の表面酸
化膜をＤＢＣ接合に利用する。次いで、実施例による複
合セラミックス基板の窒化アルミニウム層側の酸化膜上
および比較例の窒化ケイ素基板の表面酸化膜上に、それ
ぞれ厚さ 0.3mmの銅板を接触配置し、窒素ガス雰囲気と
したベルト炉（約1473K)で加熱処理を施して、銅板をそ
れぞれ接合した。

【００４０】このようにして得た各セラミックス回路基
板の銅板接合状態を評価したところ、複合セラミックス
基板を用いた実施例のセラミックス回路基板では、窒化
アルミニウム基板を用いたＤＢＣ基板と同等の接合強度
が得られた。一方、窒化ケイ素基板を用いた比較例のセ
ラミックス回路基板においては、窒化ケイ素基板表面の
酸化膜に割れが生じ、ピール強度は窒化アルミニウムＤ
ＢＣ基板の約 30%程度にとどまり、実用化のレベルには
達していないことを確認した。

【００４１】また、上記同時焼成法で得た複合セラミッ
クス基板の機械的強度は、同厚の窒化アルミニウム基板
に比べて 3点曲げ強度で約 40%向上しており、セラミッ
クス基板自体の機械的信頼性に優れていることが確認さ
れた。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のセラミッ
クス回路基板によれば、セラミックス基板自体の優れた
機械的信頼性と、ＤＢＣ法による銅系回路板の良好な接
合信頼性の双方を得ることができる。従って、機械的信
頼性に優れ、かつ健全なＤＢＣ基板を安定して提供する
ことが可能となる。また、本発明のセラミックス回路基
板の製造方法によれば、上述したような健全なセラミッ
クス回路基板を再現性よくかつ低コストで作製すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施形態によるセラミックス回路
基板の構成を示す断面図である。

【図２】 図１に示すセラミックス回路基板の変形例を
示す断面図である。

【符号の説明】

１、６……複合セラミックス基板 ２……窒化ケイ素層 ３……窒化アルミニウム層 ３ａ…表面酸化膜 ４……銅系回路板 ５、７……セラミックス回路基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｃ０４Ｂ 41/88 7511−4Ｅ Ｈ０５Ｋ 1/03 ６３０Ｊ 41/90 Ｃ０４Ｂ 35/58 １０２Ｙ Ｈ０５Ｋ 1/03 ６３０ １０４Ｙ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 窒化ケイ素層と窒化アルミニウム層とを
   複合一体化した複合セラミックス基板と、 前記複合セラミックス基板の窒化アルミニウム層側に、
   前記窒化アルミニウム層表面に設けられた酸化膜を介し
   て直接接合法により接合された銅系回路板とを具備する
   ことを特徴とするセラミックス回路基板。
2. 【請求項２】 請求項１記載のセラミックス回路基板に
   おいて、 前記複合セラミックス基板における窒化ケイ素層および
   窒化アルミニウム層は同時焼成により複合一体化されて
   いることを特徴とするセラミックス回路基板。
3. 【請求項３】 窒化ケイ素グリーンシートと、前記窒化
   ケイ素グリーンシートとの密度差が0.01〜 0.5g/cm³ の
   範囲内である窒化アルミニウムグリーンシートとを積層
   し、このグリーンシート積層体を焼成して複合セラミッ
   クス基板を作製する工程と、 前記複合セラミックス基板の窒化アルミニウム層表面に
   酸化処理を施し、得られた酸化膜上に銅系回路板を接触
   配置した後、加熱処理して前記銅系回路板を直接接合法
   により接合する工程とを有することを特徴とするセラミ
   ックス回路基板の製造方法。