JPH0936540A - セラミックス回路基板 - Google Patents

セラミックス回路基板

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JPH0936540A
JPH0936540A JP7185842A JP18584295A JPH0936540A JP H0936540 A JPH0936540 A JP H0936540A JP 7185842 A JP7185842 A JP 7185842A JP 18584295 A JP18584295 A JP 18584295A JP H0936540 A JPH0936540 A JP H0936540A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】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。 【解決手段】Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，ＮｂおよびＴａか
ら選択される少なくとも１種の活性金属を含有する銀−
銅系ろう材層５を介して窒化物系セラミックス基板２と
金属回路板３とを接合して成り、銀−銅系ろう材層５と
窒化物系セラミックス基板２とが反応して生成される反
応生成層６のビッカース硬度が１１００以上であること
を特徴とする。また銀−銅系ろう材層５に、さらにＩ
ｎ，Ｚｎ，ＣｄおよびＳｎから選択される少なくとも１
種の元素を含有させるとよい。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は窒化物系セラミック
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充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】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。
【０００８】
【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。
【０００９】その結果、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、接合部に形成され
る反応生成層の硬度が増加することが判明した。そして
硬度の増加に比例して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。
【００１０】すなわち本発明に係るセラミックス回路基
板は、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，ＮｂおよびＴａから選択
される少なくとも１種の活性金属を含有する銀−銅系ろ
う材層を介して窒化物系セラミックス基板と金属回路板
とを接合して成り、上記銀−銅系ろう材層と窒化物系セ
ラミックス基板とが反応して生成される反応生成層のビ
ッカース硬度が１１００以上であることを特徴とする。
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。
【００１１】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。
【００１２】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
層を介して金属板を接合するとよい。
【００１３】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（ＳｉＡｌＯ
Ｎ）などの窒化物系セラミックス基板が好適である。
【００１４】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ものが好適
である。
【００１５】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Ｃｕを１５〜３５
％，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，ＮｂおよびＴａ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。
【００１６】上記ろう材組成物において、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、Ｔ
ｉ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。
【００１７】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、それらの配合量は組成物全体に対
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。
【００１８】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，Ｃ
ｄ，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。
【００１９】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、信頼性を
高めるに十分な接合強度が得られない。
【００２０】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１５μ
ｍ未満の場合には、接合強度が充分に得られず、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
しろ充分な接合強度が得られない。
【００２１】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。
【００２２】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、Ａｌ
Ｎ，Ｓｉ3 Ｎ4 ，ＳｉＡｌＯＮなどの窒化物系セラミッ
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、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。
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。
【００２３】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充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。
【００２４】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、７
００〜８００℃の低温度範囲で接合を行うことができ
る。
【００２５】上記加熱接合操作により、ろう材を構成す
る活性金属等の成分とセラミックス基板成分とが反応す
る結果、厚さが２〜３μｍ程度でビッカース硬度が１１
００以上の高硬度を有する反応生成層が形成される。例
えば、Ｉｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材を使用してＡｌ
Ｎ基板とＣｕ回路板とを接合して回路基板を製造した場
合には、ろう材層とＡｌＮ基板との界面に、ＴｉＮある
いは各成分が混在した（Ｔｉ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ａｌ）Ｎな
どの金属間化合物から成る反応生成層が形成される。ま
たろう材中に２〜７重量％のＮｂあるいはＴａを含ませ
ると、これらの元素が反応生成層側に拡散して反応生成
層の硬度を増加させる。特にＩｎを含有する金属間化合
物の硬度値は他の化合物と比較して大きいため、反応生
成層のビッカース硬度は、１１００〜１２００程度にま
で増加する。
【００２６】上記反応生成層の硬度はセラミックス回路
基板の耐熱サイクル特性に大きな影響を及ぼし、本願発
明ではビッカース硬度（Ｈｖ）で１１００以上に設定さ
れる。硬度が１１００未満の場合には、接合部における
セラミックス基板の強度が不十分であり、熱サイクルが
付加された時に生ずる応力によってクラックが容易に発
生するため、回路基板の耐熱サイクル性を改善すること
は困難である。
【００２７】本発明に係るセラミックス回路基板によれ
ば、ろう材成分とセラミックス基板成分とが反応して生
成される反応生成層のビッカース硬度を１１００以上に
設定しているため、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。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。
【００２８】
【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。
【００２９】実施例１〜９ 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。さらに表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。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〜
９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。
【００３０】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と反応生成層６とを介して一体
に接合されて形成されている。上記反応生成層６はろう
材に含有される成分とＡｌＮ基板２の成分とが反応して
形成されたものである。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。
【００３１】比較例１ 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以外は実施
例３と同一条件で各部材を一体に接合して比較例１に係
るセラミックス回路基板を多数調製した。
【００３２】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
めに下記のような熱衝撃試験（ヒートサイクル試験：Ｔ
ＣＴ）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１
０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５００回繰り返して付加する条件
で実施した。そして１００回毎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
いる反応生成層のビッカース硬度Ｈｖを測定した。また
１００サイクル毎のＴＣＴ実施後に、ＥＤＴＡ（エチレ
ンジアミン４酢酸）とＨ2 Ｏ2 とＮＨ4 ＯＨとから成る
エッチング液を使用して上記反応生成層を除去し、各Ａ
ｌＮ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、５個の試料の
うちの少なくとも１個にクラックが発生したときのＴＣ
Ｔサイクル数を調査した。測定調査結果を下記表１に示
す。
【００３３】
【表１】
【００３４】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、反応生成
層のビッカース硬度Ｈｖが１１００以上と高く、実質的
にこの高硬度の反応生成層によってＡｌＮ基板強度が高
まる結果、ＴＣＴにおいて少なくとも３００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。
【００３５】ここで本実施例で使用したＡｌＮ基板（熱
伝導率：１７０Ｗ／ｍ・Ｋ）自体のビッカース硬度は１
２００〜１５００程度であり、各実施例の回路基板の反
応生成層のビッカース硬度もほぼＡｌＮ基板本体の硬度
と同等になっている。なお、加熱接合によって生じるＴ
ｉＮのビッカース硬度Ｈｖは２０００以上となるはずで
あるが、実際にはＣｕあるいはＡｌを含有している影響
でかなり低下するものと考えられる。
【００３６】一方、比較例１に係るセラミックス回路基
板においても、ＴｉＮから成る高硬度の反応生成層が形
成されているはずであるが、実際には活性金属Ｔｉの拡
散が十分ではないため、またＣｕまたはＡｌの混在によ
り反応生成層の高硬度化が不十分であり、十分な耐熱サ
イクル特性が得られないことが判明した。
【００３７】
【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、ろう材成分とセラミックス基板
成分とが反応して生成される反応生成層のビッカース硬
度を１１００以上に設定しているため、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。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 ６ 反応生成層 ７ 半導体素子（Ｓｉチップ）

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖ，ＮｂおよびＴａ
    から選択される少なくとも１種の活性金属を含有する銀
    −銅系ろう材層を介して窒化物系セラミックス基板と金
    属回路板とを接合して成り、上記銀−銅系ろう材層と窒
    化物系セラミックス基板とが反応して生成される反応生
    成層のビッカース硬度が１１００以上であることを特徴
    とするセラミックス回路基板。
  2. 【請求項２】 銀−銅系ろう材層は、さらにＩｎ，Ｚ
    ｎ，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。
  3. 【請求項３】 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２記載のセラミックス回路
    基板。
  4. 【請求項４】 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２記載の
    セラミックス回路基板。
  5. 【請求項５】 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。
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