金属−セラミックス接合基板
【課題】金属−セラミックス接合基板に放熱板を固定する場合にＰｂフリー半田を使用しても、半田やセラミックス基板にクラックが発生するのを効果的に防止することができる、金属−セラミックス接合基板を提供する。
【解決手段】セラミックス基板１０の一方の面にろう材１６を介して放熱板固定用金属板１８の一方の面が接合した金属−セラミックス接合基板において、放熱板固定用金属板１８としてビッカース硬さ４０〜６０の銅または銅合金からなる金属板を使用し、この放熱板固定用金属板１８の他方の面にＰｂフリー半田２０によって放熱板２２が固定される。
【解決手段】セラミックス基板１０の一方の面にろう材１６を介して放熱板固定用金属板１８の一方の面が接合した金属−セラミックス接合基板において、放熱板固定用金属板１８としてビッカース硬さ４０〜６０の銅または銅合金からなる金属板を使用し、この放熱板固定用金属板１８の他方の面にＰｂフリー半田２０によって放熱板２２が固定される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属−セラミックス接合基板に関し、特に、セラミックス基板に金属板が接合した金属−セラミックス接合基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電気自動車、電車、工作機械などの大電流を制御するために、パワーモジュールが使用されている。一般に、パワーモジュールでは、セラミックス基板の両面に銅板やアルミニウム板などの金属板が接合した金属−セラミックス接合基板が使用されている。この金属−セラミックス接合基板の一方の面には、銅板やアルミニウム板などの金属板、ＡｌＳｉＣなどの熱伝導に優れたセラミックス板、またはＣｕ−Ｍｏ板を銅でクラッドした複合板などからなる放熱板（ベース板）が半田付けにより固定されており、他方の面には、半田付けなどにより半導体チップが固定されている。
【０００３】
近年、環境汚染の防止の観点から、従来のＰｂ入り半田（鉛を含む半田）の代わりにＰｂフリー半田（実質的に鉛を含まない半田）が使用され始めており、金属−セラミックス接合基板においても半導体チップを固定するためにＰｂフリー半田が使用され始めている。
【０００４】
しかし、ベース板（放熱板）のように大きな板材を固定するためにＰｂフリー半田を使用すると、酸化や汚れなどの半田濡れを少しでも阻害する要因があると半田接合部にボイドが生じ易く、あるいは半田付け条件の適正範囲が狭いために少しでもその範囲がばらつくと半田接合部にボイドが生じ易く、半田接合部にボイドが生じないように固定することが困難であった。半田接合部にこのようなボイドが生じると、半導体チップの作動時の発熱や周囲の温度変化などの熱の影響によって、それぞれの構成要素の熱膨張差による応力が生じ、金属−セラミックス接合基板のセラミックス基板や半田などの最も弱いところにクラックが生じるという問題がある。そのため、従来では、Ｐｂフリー半田でベース板（放熱板）を固定することが行われていなかった。これは、Ｐｂフリー半田は、Ｐｂ入り半田よりも凝固後の硬さが硬く、クリープし難いので、半田の塑性変形によって半田付けやヒートサイクルなどの熱応力を緩和することができず、セラミックス基板や半田に大きな応力が生じてクラックに至ると考えられる。
【０００５】
一方、セラミックス基板に金属板が接合した金属−セラミックス接合基板において、回路用金属板の一部がセラミックス基板に接合しないようにすることにより、セラミックス基板のクラックを防止することができることが提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−９４６２３号公報（段落番号００１０−００１２）
【特許文献２】特開平９−１５７０５５号公報（段落番号０００７−００１４）
【特許文献３】特開２００３−３１８３３０号公報（段落番号００１９−００２４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１〜３に提案された金属−セラミックス接合基板では、Ｐｂ入り半田を使用してベース板（放熱板）を固定した場合には、熱衝撃時のセラミックス基板のクラックの発生を防止することができるが、Ｐｂフリー半田を使用してベース板（放熱板）を固定した場合には、ヒートサイクル後の半田のクラックの発生を防止することができなかった。そのため、金属−セラミックス接合基板の裏面に固定する銅やアルミニウムなどからなる金属ベース板を厚くしたり、みかけの熱膨張係数を増大したり、半田との熱膨張差を小さくすることを試みたが、これらの試みでは、熱衝撃時のセラミックス基板への応力が増大して、今度はセラミックス基板にクラックが発生するという問題が生じた。このように、特許文献１〜３に提案された金属−セラミックス接合基板にＰｂフリー半田を使用してベース板（放熱板）を固定すると、ヒートサイクル試験などの信頼性試験において、半田やセラミックス基板にクラックが発生するのを効果的に防止することができなかった。
【０００８】
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、金属−セラミックス接合基板に放熱板を固定する場合にＰｂフリー半田を使用しても、半田やセラミックス基板にクラックが発生するのを効果的に防止することができる、金属−セラミックス接合基板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、セラミックス基板の一方の面に放熱板固定用金属板の一方の面が接合した金属−セラミックス接合基板において、放熱板固定用金属板としてビッカース硬さ４０〜６０の金属板を使用することによって、金属−セラミックス接合基板に放熱板を固定する場合にＰｂフリー半田を使用しても、半田やセラミックスにクラックが発生するのを効果的に防止することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
すなわち、本発明による金属−セラミックス接合基板は、セラミックス基板の一方の面に放熱板固定用金属板の一方の面が接合した金属−セラミックス接合基板において、放熱板固定用金属板のビッカース硬さが４０〜６０であることを特徴とする。この金属−セラミックス接合基板において、放熱板固定用金属板が銅または銅合金からなり、放熱板固定用金属板の結晶粒径が０．２ｍｍ以下であり、放熱板固定用金属板の厚さが０．０５ｍｍ以上であるのが好ましい。
【００１１】
上記の金属−セラミックス接合基板において、セラミックス基板の一方の面にろう材を介して放熱板固定用金属板の一方の面を接合し、この熱板固定用金属板の他方の面に、この放熱板固定用金属板より大きい平面形状の放熱板を半田によって固定することができる。この半田は、実質的に鉛を含まない半田でもよい。また、半田の露出面が放熱板固定用金属板の一方の面の周縁から放熱板の周縁部付近に向かって傾斜しているのが好ましく、半田の露出面と放熱板の固定面との間の角度が３０〜７０°であるのが好ましい。
【００１２】
上記の金属−セラミックス接合基板において、セラミックス基板の一方の面に放熱板固定用金属板の一方の面を接合するために塗布されるろう材の形状を、互いに離間した複数の線状または点状にすることにより、セラミックス基板の一方の面と放熱板固定用金属板の一方の面との間に非接合部が設けられているのが好ましい。あるいは、放熱板固定用金属板の一方の面の周縁部または周縁部付近に所定の幅の非接合部を設けてもよい。この場合、放熱板固定用金属板の一方の面の周縁の全周に沿って延びているのが好ましい。また、非接合部が、放熱板固定用金属板の一方の面の周縁から所定の距離だけ離間してもよい。この場合、所定の距離が０．１ｍｍ以上であるのが好ましい。また、所定の幅が０．１ｍｍ以上であるのが好ましく、０．２５〜３．０ｍｍであるのがさらに好ましい。
【００１３】
上記の金属−セラミックス接合基板において、セラミックス基板が窒化アルミニウム基板または窒化珪素基板であるのが好ましく、セラミックス基板の厚さが０．０５〜１．５ｍｍであるのが好ましい。さらに、セラミックス基板の他方の面にろう材を介して回路用金属板が接合され、このろう材が金属板の周縁から０．０３ｍｍ以上はみ出ているのが好ましい。
【００１４】
また、本発明による半導体回路基板またはパワーモジュールは、上記の金属−セラミックス接合基板を用いたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、金属−セラミックス接合基板に放熱板を固定する場合にＰｂフリー半田を使用しても、半田やセラミックス基板にクラックが発生するのを効果的に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明による金属−セラミックス接合基板の第１の実施の形態の概略側面図である。
【図２】本発明による金属−セラミックス接合基板の第２の実施の形態の概略側面図である。
【図３】本発明による金属−セラミックス接合基板の第３の実施の形態の概略側面図である。
【図４】本発明による金属−セラミックス接合基板の第４の実施の形態の概略側面図である。
【図５】本発明による金属−セラミックス接合基板の第４の実施の形態のセラミックス基板の裏面に塗布したろう材を概略的に示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照して、本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態について説明する。
【００１８】
［第１の実施の形態］
図１を参照して、本発明による金属−セラミックス接合基板の第１の実施の形態について説明する。
【００１９】
図１に示すように、略矩形の平面形状のセラミックス基板１０の一方の面（図中上面）には、ろう材１２を介して、セラミックス基板１０よりも小さい略矩形の平面形状の銅または銅合金からなる回路用金属板１４の一方の面の略全面が接合されている。セラミックス基板１０として、窒化アルミニウム、窒化珪素またはアルミナを主成分とするセラミックス基板を使用することができるが、熱伝導の点から窒化アルミニウムまたは窒化珪素を主成分とするセラミックス基板を使用するのが好ましく、さらに、強度および靭性の点から四窒化三珪素（Ｓｉ３Ｎ４）などの窒化珪素を主成分とするセラミックス基板を使用するのが好ましい。
【００２０】
セラミックス基板１０の厚さは、０．０５ｍｍ未満では、強度および絶縁性が低下し、１．５ｍｍより厚いと熱伝導性が低下するので、０．０５〜１．５ｍｍであるのが好ましい。なお、熱衝撃時のセラミックス基板１０への応力を低減するために、ろう材１２が回路用金属板１４の周縁からはみ出して、幅０．０３ｍｍ以上のフィレット部を形成するのが好ましい。このフィレット部の幅が０．０３ｍｍ未満であると、応力低減効果が不十分な場合がある。ただし、フィレットの幅があまりにも大きいと、回路設計に制限が多くなり過ぎて、有効に使用することができる面積が小さくなるので、フィレットの幅が３ｍｍ以下であるのが好ましい。
【００２１】
セラミックス基板１０の他方の面（裏面、図中下面）には、ろう材１６を介して、セラミックス基板１０よりも小さい略矩形の平面形状を有する放熱板固定用金属板１８の一方の面の略全面が接合されている。この放熱板固定用金属板１８として、ビッカース硬さ４０〜６０の銅または銅合金からなる金属板を使用するのが好ましい。放熱板固定用金属板１８の厚さは、好ましくは０．０５〜１．５ｍｍ、さらに好ましくは０．０５〜０．８ｍｍである。０．０５ｍｍより薄いと大電流を流すことができなくなり、１．５ｍｍを超えるとろう接時にセラミックス基板にクラックが発生し易くなる。
【００２２】
放熱板固定用金属板１８として銅合金からなる金属板を使用すると、ろう接時に銅合金が再結晶化して結晶粒の粗大化するが、ビッカース硬さを４０〜６０に維持し、結晶粒径を０．２ｍｍ以下に調整するのが容易である。銅合金は、電気伝導性や熱伝導性に優れ、他の金属と比べて強度、半田付け性、耐食性などにも優れているが、接合後の銅合金のビッカース硬さが４０より小さいと、強度および剛性が不足し、一方、ビッカース硬さが６０を越えると、銅合金が硬くなり過ぎて、ヒートサイクル時のセラミックス基板１０へのダメージが大きくなり、寿命が低下する。また、結晶粒径が０．２ｍｍを超えると、ヒートサイクル時に結晶粒毎の熱膨張の相違を粒界が吸収しようとして、その直下のろう材１６に破壊の起点が生じたり、放熱板２２側のＰｂフリー半田２０にクラックの起点が生じたりして、信頼性が低下する。
【００２３】
銅合金として、析出物や酸化物などが分散した組織を有する銅合金を使用するのが好ましく、
ろう材による接合時の温度、例えば、Ａｇを主成分とするろう材を使用する場合には８００℃以上の温度で析出物が再固溶しない銅合金を使用すれば、結晶粒の極端な粗大化や強度の低下を効果的に防止することができる。特に、結晶粒径を０．２ｍｍ以下、好ましくは０．１５ｍｍ以下にするためには、ろう材による接合時の温度で結晶粒径を制御することができるように、銅合金中に存在する析出物が、接合時の温度で再固溶し難い大きさおよび組成を有するのが好ましく、１０ｎｍ以上の大きさであるのが好ましい。この析出物は、Ｎｉ−Ｔｉ系、Ｎｉ−Ｓｉ系、Ｃｕ−Ｚｒ系などの金属間化合物でもよいし、Ｆｅ−Ｐ系、Ｎｉ−Ｂ系、Ｃｕ−Ｏなどのりん化物、ほう化物、酸化物などでもよい。析出物が再固溶した場合でも、ろう接時の冷却過程で析出し、常温でできるだけ固溶しない組成の組み合わせや量である方が、電気伝導性や熱伝導性の点で有利である。
【００２４】
銅合金からなる金属板は、展伸された板材であることが望ましく、電気伝導性や熱伝導性の点から、０．０１〜３重量％のＦｅ、０．０１〜５重量％のＮｉ、０．０１〜３重量％のＣｏ、０．０１〜３重量％のＴｉ、０．０１〜２重量％のＭｇ、０．０１〜２重量％のＺｒ、０．０１〜１重量％のＣａ、０．０１〜３重量％のＳｉ、０．０１〜５重量％のＭｎ、０．０１〜３重量％のＣｄ、０．０１〜５重量％のＡｌ、０．０１〜３重量％のＰｂ、０．０１〜３重量％のＢｉ、０．０１〜１重量％のＴｅ、０．０１〜３重量％のＹ、０．０１〜３重量％のＬａ、０．０１〜３重量％のＢｅ、０．０１〜３重量％のＣｅ、０．０１〜５重量％のＡｕ、０．０１〜１０重量％のＡｇ、０．０１〜１５重量％のＺｎ、０．０１〜５重量％のＳｎの少なくとも１種以上含み、残部がＣｕと不可避不純物である銅合金からなるのが好ましい。
【００２５】
なお、セラミックス基板１０の裏面に接合する放熱板固定用金属板１８として、純銅からなる金属板を使用してもよい。例えば、Ｃ１０２０無酸素銅からなる金属板を使用する場合には、ろう接時にろう材に含まれる元素がろう材から拡散して銅合金になる必要があるので、ろう材の成分や、ろう接の温度や時間を適宜に選定して、ろう接時にろう材に含まれる元素をろう材から銅板中に拡散させる必要がある。
【００２６】
すなわち、通常の銅板をろう材によってセラミックス基板に接合すると、ろう付け時の温度の影響によって銅板が著しく軟化し、ビッカース硬さが４０を下回り、強度および剛性が低下する。そのため、セラミックス基板から銅回路パターンを浮かせたり、はみ出させる場合には、軟化した銅板の変形によってアセンブリ工程で歩留まりが低下する。具体的には、銅板をセラミックス基板にろう接するためにＡｇ系ろう材を使用しているが、このろう接の際に８００℃以上の温度に加熱されるため、接合後に銅板のビッカース硬さが３０〜４０程度まで軟化し、また、銅の結晶粒が粗大化して０．２ｍｍを越える大きさになる。ビッカース硬さが低く、結晶粒が大きいと、Ｐｂフリー半田２０によって放熱板２２を固定した場合に、ヒートサイクルによりＰｂフリー半田２０またはセラミックス基板１０にクラックが生じ易く、信頼性が低下する。一般に、ビッカース硬さが低い方が塑性変形し易く、また、銅合金よりも純銅の方がクリープし易く、ヒートサイクルに対して有利であると考えられるが、実際にはヒートサイクルに対する信頼性が不十分であり、信頼性は結晶粒径との相互作用によると考えられる。そのため、銅板を使用する場合には、ろう材の成分が銅板に拡散することを利用して合金化する必要があり、ろう材の組成や接合条件などの制約が多くなる。Ａｇ系ろう材の成分を銅中に拡散させて合金化させる場合には、銅側の接合界面でＣｕとＡｇが合金化しているが、さらに粒界を中心としてＡｇやろう材の添加成分が拡散して合金化が進行する。表面や粒界に濃縮相が形成されるが、ろう材の接合部を除いた銅合金として分析した際に、上述した組成範囲の銅合金であることが好ましく、接合後の銅合金の硬さを４０〜６０にする必要がある。
【００２７】
また、放熱板固定用金属板１８の放熱面（裏面、図中下面）の略全面には、Ｐｂフリー半田２０により、放熱板固定用金属板１８より大きい略矩形の平面形状の放熱板（放熱用金属ベース板）２２が固定されている。Ｐｂフリー半田２０の露出面は、放熱板固定用金属板１８の周縁から放熱板２２の周縁部付近に向かって傾斜しており、この露出面と放熱板２２の接合面との間の角度θが３０〜７０°になるのが好ましく、５０°以下になるのがさらに好ましい。この角度θが７０°より大きいと、応力が大きくなり、半田クラックが発生し易くなる。なお、この角度は、半田付けした部位の断面を観察した際のおおよその角度であり、曲線の角度を厳密に捉えたものではない。
【００２８】
このように、セラミックス基板１０の裏面に接合される放熱板固定用金属板１８としてビッカース硬さ４０〜６０の銅または銅合金からなる金属板を使用することにより、さらに、Ｐｂフリー半田２０の露出面を放熱板固定用金属板１８の周縁から放熱板２２の周縁部付近に向かって傾斜させることにより、図中矢印ＡおよびＢで示すようにヒートサイクルの冷却時の熱収縮による応力が加えられても、放熱板固定用金属板１８の周縁部とＰｂフリー半田２０の周縁部との接合部（図中点線で示す領域２４）やＰｂフリー半田２０の周縁部と放熱板２２との接合部（図中点線で示す領域２６）に集中する応力を分散させることができる。その結果、Ｐｂフリー半田２０にクラックが生じるのを防止することができるとともに、セラミックス基板１０にクラックが生じるのを防止することができる。
【００２９】
［第２の実施の形態］
図２を参照して、本発明による金属−セラミックス接合基板の第２の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態において、第１の実施の形態と同一の部分については、同一の参照符号を付して、その説明を省略する。
【００３０】
図２に示すように、本実施形態では、セラミックス基板１０の裏面（図中下面）にろう材１１６を介して接合される略矩形の平面形状の放熱板固定用金属板１１８が、セラミックス基板１０より大きくなっている。また、放熱板固定用金属板１１８は、セラミックス基板１０の周縁から好ましくは０．１ｍｍ以上、さらに好ましくは１．０ｍｍ以上はみ出すように配置されて、放熱板固定用金属板１８の周縁部がセラミックス基板１０に接合しないようにすることによって、放熱板固定用金属板１８の周縁の全周に沿って所定の幅の非接合部が形成されている。その他の構成は、上述した第１の実施の形態と略同一である。本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、セラミックス基板１０の裏面に接合される放熱板固定用金属板１８としてビッカース硬さ４０〜６０の銅または銅合金からなる金属板を使用することにより、さらに、Ｐｂフリー半田１２０の露出面を放熱板固定用金属板１１８の周縁から放熱板２２の周縁部付近に向かって傾斜させるだけでなく、放熱板固定用金属板１８の周縁の全周に沿って延びる所定の幅の非接合部を設けてセラミックス基板１０に拘束されない部分を形成することにより、図中矢印ＡおよびＢで示すようにヒートサイクルの冷却時の熱収縮による応力が加えられても、放熱板固定用金属板１１８の非接合部で応力を緩和することができるとともに、Ｐｂフリー半田２０の周縁部全体（図中点線で示す領域１２４）に応力を分散させることができる。その結果、Ｐｂフリー半田１２０にクラックが生じるのを防止することができるとともに、セラミックス基板１０にクラックが生じるのを防止することができる。
【００３１】
［第３の実施の形態］
図３を参照して、本発明による金属−セラミックス接合基板の第３の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態において、第１の実施の形態と同一の部分については、同一の参照符号を付して、その説明を省略する。
【００３２】
図３に示すように、本実施形態では、セラミックス基板１０の裏面（図中下面）にろう材２１６を介して接合される略矩形の平面形状の放熱板固定用金属板２１８が、セラミックス基板１０より小さくなっている。その他の構成は、上述した第２の実施の形態と略同一である。本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、セラミックス基板１０の裏面に接合される放熱板固定用金属板１８としてビッカース硬さ４０〜６０の銅または銅合金からなる金属板を使用することにより、さらに、Ｐｂフリー半田２２０の露出面と放熱板固定用金属板２１８の接合面との角度θが３０〜７０°になるように、露出面を放熱板固定用金属板２１８の周縁から放熱板２２の周縁付近に向かって傾斜させるだけでなく、放熱板固定用金属板２１８の周縁の全周に沿って延びる所定の幅の非接合部、すなわち、ろう材２１６によってセラミックス基板１０に接合されない部分を設けることにより、図中矢印ＡおよびＢで示すようにヒートサイクルの冷却時の熱収縮による応力が加えられても、放熱板固定用金属板２１８の非接合部全体（図中点線で示す領域２２４）で応力を緩和することができる。その結果、Ｐｂフリー半田２２０にクラックが生じるのを防止することができるとともに、セラミックス基板１０にクラックが生じるのを防止することができる。
【００３３】
［第４の実施の形態］
図４および図５を参照して、本発明による金属−セラミックス接合基板の第４の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態において、第１の実施の形態と同一の部分については、同一の参照符号を付して、その説明を省略する。
【００３４】
図４および図５に示すように、本実施の形態では、第２および第３の実施の形態と異なり、セラミックス基板１０の裏面（図４において下面）の周縁の全周に沿って所定の幅のろう材３１６を塗布するとともに、この周縁から所定の距離（ろう材３１６の幅）だけ離間して周縁の全周に沿って延びる所定の幅の非接合部を除いた部分にろう材３１７を塗布することにより、セラミックス基板１０の裏面に接合する略矩形の平面形状の放熱板固定用金属板３１８の所定の幅の非接合部が、放熱板固定用金属板３１８の周縁から所定の距離だけ離間して放熱板固定用金属板３１８の周縁の全周に沿って延びている。その他の構成は、上述した第２および第３の実施の形態と略同一である。本実施の形態では、第１〜第３の実施の形態と同様に、ヒートサイクルの冷却時の熱収縮による応力が加えられても、放熱板固定用金属板３１８の周縁部付近の非接合部で応力を緩和することができる。その結果、Ｐｂフリー半田３２０にクラックが生じるのを防止することができるとともに、セラミックス基板１０にクラックが生じるのを防止することができる。
【００３５】
なお、上述した第２〜第４の実施の形態において放熱板固定用金属板１１８、２１８、３１８の周縁部または周縁部付近に設けた非接合部の所定の幅は、０．１ｍｍ以上であるのが好ましく、１．０〜３．０ｍｍであるのがさらに好ましい。０．１ｍｍより狭いと、応力を緩和するのに不十分であり、３．０ｍｍより広いと、熱伝導性の低下などの問題が生じる。また、このような非接合部の代わりに、上述した第１〜第４の実施の形態において、放熱板固定用金属板１１８、２１８、３１８とセラミックス基板１０との間の接合部を、互いに離間した複数の線状や点状の接合部などの様々な形状の接合部にしてもよい。このような形状の接合部にしても、セラミックス基板１０への応力を低減させることができる。
【実施例】
【００３６】
以下、本発明による金属−セラミックス接合基板の実施例について詳細に説明する。
【００３７】
［実施例１］
図１において、セラミックス基板１０として４０ｍｍ×４０ｍｍ×０．６３５ｍｍの大きさの窒化アルミニウム基板を使用し、セラミックス基板１０の上面に接合する回路用金属板１４として厚さ０．３ｍｍの無酸素銅板を使用し、セラミックス基板１０の裏面に接合する放熱板固定用金属板１８として厚さ０．４ｍｍの無酸素銅板を使用し、ろう材１２および１６の厚さを０．０２ｍｍとして、第１の実施の形態と同様の金属−セラミックス接合基板を作製した。なお、ろう材１２および１６として、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｓｎ、ＦｅおよびＩｎ成分を含むろう材を使用し、接合時にろう材の成分を金属板１４および１８に拡散させて、接合後の金属板１４および１８のビッカース硬さが４４になり且つ平均結晶粒径０．１２ｍｍになるように、ろう接の温度と時間を調整した。
【００３８】
このようにして作製した金属−セラミックス接合基板に、Ｐｂフリー半田２０を使用して、放熱板２２としての６９ｍｍ×６９ｍｍ×４ｍｍの大きさの銅板を固定した。なお、Ｐｂフリー半田２０として、Ｓｎ−Ａｇ系のＰｂフリー半田や、Ｃｕ、Ｂｉ、ＳｂまたはＺｎなどを添加した各種のＰｂフリー半田を使用した。
【００３９】
このようにして放熱板２２を固定した金属−セラミックス接合基板について、２０℃→−４０℃×３０分→２０℃×１０分→１２５℃×３０分→２０℃×１０分を１サイクルとする繰り返しヒートサイクルを３００回行った後に、金属板１４、１８とろう材１２、１６を除去して窒化アルミニウム基板の表面を光学顕微鏡で観察したところ、窒化アルミニウム基板にクラックの発生はなかった。また、Ｐｂフリー半田２０の表面を光学顕微鏡で観察したところ、いずれのＰｂフリー半田の場合もクラックの発生はなかった。
【００４０】
［実施例２］
セラミックス基板１０の裏面に接合する放熱板固定用金属板１８として厚さ０．６ｍｍのＣｕ−０．１２Ｚｒ−０．１Ｃｏ−０．０３Ｐ合金からなる銅合金板を使用した以外は実施例１と同様の方法により、第１の実施の形態と同様の金属−セラミックス接合基板を作製した。なお、ろう材１２および１６として、Ａｇ、ＣｕおよびＴｉ成分を含むろう材を使用し、接合時にろう材の成分を金属板１４および１８に拡散させて、接合後の金属板１４および１８のビッカース硬さが４６になり且つ平均結晶粒径０．１４ｍｍになるように調整した。
【００４１】
このようにして作製した金属−セラミックス接合基板に、実施例１と同様のＰｂフリー半田２０を使用して実施例１と同様の放熱板２２を固定し、実施例１と同様に繰り返しヒートサイクルを３００回行った後に、窒化アルミニウム基板の表面とＰｂフリー半田２０の表面を光学顕微鏡で観察したところ、窒化アルミニウム基板にクラックの発生はなく、半田クラックの発生もなかった。
【００４２】
［実施例３］
セラミックス基板１０の裏面に接合する放熱板固定用金属板１８として厚さ０．２５ｍｍのＣｕ−０．２Ｓｎ−０．２Ｃｒ合金からなる銅合金板を使用した以外は実施例１と同様の方法により、第１の実施の形態と同様の金属−セラミックス接合基板を作製した。なお、接合時にろう材の成分を金属板１４および１８に拡散させて、接合後の金属板１４および１８のビッカース硬さが４２になり且つ平均結晶粒径０．１４ｍｍになるように調整した。
【００４３】
このようにして作製した金属−セラミックス接合基板に、実施例１と同様のＰｂフリー半田２０を使用して実施例１と同様の放熱板２２を固定し、実施例１と同様に繰り返しヒートサイクルを３００回行った後に、窒化アルミニウム基板の表面とＰｂフリー半田２０の表面を光学顕微鏡で観察したところ、窒化アルミニウム基板にクラックの発生はなく、半田クラックの発生もなかった。
【００４４】
［実施例４］
セラミックス基板１０の裏面に接合する放熱板固定用金属板１８として厚さ０．１５ｍｍのＣｕ−０．３Ｃｒ−０．１Ｔｉ−０．１Ｚｒ−０．１Ｎｉ合金からなる銅合金板を使用した以外は実施例３と同様の方法により、第１の実施の形態と同様の金属−セラミックス接合基板を作製した。なお、接合時にろう材の成分を金属板１４および１８に拡散させて、接合後の金属板１４および１８のビッカース硬さが４５になり且つ平均結晶粒径０．０９ｍｍになるように調整した。
【００４５】
このようにして作製した金属−セラミックス接合基板に、実施例１と同様のＰｂフリー半田２０を使用して実施例１と同様の放熱板２２を固定し、実施例１と同様に繰り返しヒートサイクルを３００回行った後に、窒化アルミニウム基板の表面とＰｂフリー半田２０の表面を光学顕微鏡で観察したところ、窒化アルミニウム基板にクラックの発生はなく、半田クラックの発生もなかった。
【００４６】
［比較例１］
図５に示すように、セラミックス基板１０として４０ｍｍ×４０ｍｍ×０．６３５ｍｍの大きさの窒化アルミニウム基板を使用し、セラミックス基板１０の上面に接合する回路用金属板１４として厚さ０．３ｍｍの銅板を使用し、セラミックス基板１０の裏面に接合する放熱板固定用金属板１８として厚さ０．１５ｍｍの銅板を使用し、ろう材１２および１６の厚さを０．０２ｍｍとして、第１の実施の形態と同様の金属−セラミックス接合基板を作製した。なお、ろう材１２および１６として実施例１と同様のＡｇ合金ろう材を使用したが、ろう材の成分の銅への拡散が不十分であり、ビッカース硬さが３５、平均結晶粒径が０．２２ｍｍであった。
【００４７】
このようにして作製した金属−セラミックス接合基板に、実施例１と同様のＰｂフリー半田２０を使用して実施例１と同様の放熱板２２を固定し、実施例１と同様に繰り返しヒートサイクルを３００回行った後に、窒化アルミニウム基板の表面とＰｂフリー半田２０の表面を光学顕微鏡で観察したところ、窒化アルミニウム基板にクラックの発生はなかったが、半田クラックの発生が認められた。
【００４８】
［比較例２］
セラミックス基板１０の裏面に接合する放熱板固定用金属板１８として厚さ０．４ｍｍの銅板を使用した以外は比較例１と同様の方法により、比較例１と同様の金属−セラミックス接合基板を作製した。このようにして作製した金属−セラミックス接合基板に、実施例１と同様のＰｂフリー半田２０を使用して実施例１と同様の放熱板２２を固定し、実施例１と同様に繰り返しヒートサイクルを３００回行った後に、窒化アルミニウム基板の表面とＰｂフリー半田２０の表面を光学顕微鏡で観察したところ、半田クラックの発生はなかったが、窒化アルミニウム基板にクラックの発生が認められた。
【００４９】
［比較例３］
セラミックス基板１０の裏面に接合する放熱板固定用金属板１８として厚さ０．６ｍｍの銅板を使用した以外は比較例１と同様の方法により、比較例１と同様の金属−セラミックス接合基板を作製した。このようにして作製した金属−セラミックス接合基板に、実施例１と同様のＰｂフリー半田２０を使用して実施例１と同様の放熱板２２を固定し、実施例１と同様に繰り返しヒートサイクルを３００回行った後に、窒化アルミニウム基板の表面とＰｂフリー半田２０の表面を光学顕微鏡で観察したところ、半田クラックの発生はなかったが、窒化アルミニウム基板にクラックの発生が認められた。
【符号の説明】
【００５０】
１０ セラミックス基板
１２、１６、１１６、２１６、３１６、３１７ ろう材
１４ 回路用金属板
１８、１１８、２１８、３１８ 放熱板固定用金属板
２０、１２０、２２０，３２０ Ｐｂフリー半田
２２ 放熱板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属−セラミックス接合基板に関し、特に、セラミックス基板に金属板が接合した金属−セラミックス接合基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電気自動車、電車、工作機械などの大電流を制御するために、パワーモジュールが使用されている。一般に、パワーモジュールでは、セラミックス基板の両面に銅板やアルミニウム板などの金属板が接合した金属−セラミックス接合基板が使用されている。この金属−セラミックス接合基板の一方の面には、銅板やアルミニウム板などの金属板、ＡｌＳｉＣなどの熱伝導に優れたセラミックス板、またはＣｕ−Ｍｏ板を銅でクラッドした複合板などからなる放熱板（ベース板）が半田付けにより固定されており、他方の面には、半田付けなどにより半導体チップが固定されている。
【０００３】
近年、環境汚染の防止の観点から、従来のＰｂ入り半田（鉛を含む半田）の代わりにＰｂフリー半田（実質的に鉛を含まない半田）が使用され始めており、金属−セラミックス接合基板においても半導体チップを固定するためにＰｂフリー半田が使用され始めている。
【０００４】
しかし、ベース板（放熱板）のように大きな板材を固定するためにＰｂフリー半田を使用すると、酸化や汚れなどの半田濡れを少しでも阻害する要因があると半田接合部にボイドが生じ易く、あるいは半田付け条件の適正範囲が狭いために少しでもその範囲がばらつくと半田接合部にボイドが生じ易く、半田接合部にボイドが生じないように固定することが困難であった。半田接合部にこのようなボイドが生じると、半導体チップの作動時の発熱や周囲の温度変化などの熱の影響によって、それぞれの構成要素の熱膨張差による応力が生じ、金属−セラミックス接合基板のセラミックス基板や半田などの最も弱いところにクラックが生じるという問題がある。そのため、従来では、Ｐｂフリー半田でベース板（放熱板）を固定することが行われていなかった。これは、Ｐｂフリー半田は、Ｐｂ入り半田よりも凝固後の硬さが硬く、クリープし難いので、半田の塑性変形によって半田付けやヒートサイクルなどの熱応力を緩和することができず、セラミックス基板や半田に大きな応力が生じてクラックに至ると考えられる。
【０００５】
一方、セラミックス基板に金属板が接合した金属−セラミックス接合基板において、回路用金属板の一部がセラミックス基板に接合しないようにすることにより、セラミックス基板のクラックを防止することができることが提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−９４６２３号公報（段落番号００１０−００１２）
【特許文献２】特開平９−１５７０５５号公報（段落番号０００７−００１４）
【特許文献３】特開２００３−３１８３３０号公報（段落番号００１９−００２４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１〜３に提案された金属−セラミックス接合基板では、Ｐｂ入り半田を使用してベース板（放熱板）を固定した場合には、熱衝撃時のセラミックス基板のクラックの発生を防止することができるが、Ｐｂフリー半田を使用してベース板（放熱板）を固定した場合には、ヒートサイクル後の半田のクラックの発生を防止することができなかった。そのため、金属−セラミックス接合基板の裏面に固定する銅やアルミニウムなどからなる金属ベース板を厚くしたり、みかけの熱膨張係数を増大したり、半田との熱膨張差を小さくすることを試みたが、これらの試みでは、熱衝撃時のセラミックス基板への応力が増大して、今度はセラミックス基板にクラックが発生するという問題が生じた。このように、特許文献１〜３に提案された金属−セラミックス接合基板にＰｂフリー半田を使用してベース板（放熱板）を固定すると、ヒートサイクル試験などの信頼性試験において、半田やセラミックス基板にクラックが発生するのを効果的に防止することができなかった。
【０００８】
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、金属−セラミックス接合基板に放熱板を固定する場合にＰｂフリー半田を使用しても、半田やセラミックス基板にクラックが発生するのを効果的に防止することができる、金属−セラミックス接合基板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、セラミックス基板の一方の面に放熱板固定用金属板の一方の面が接合した金属−セラミックス接合基板において、放熱板固定用金属板としてビッカース硬さ４０〜６０の金属板を使用することによって、金属−セラミックス接合基板に放熱板を固定する場合にＰｂフリー半田を使用しても、半田やセラミックスにクラックが発生するのを効果的に防止することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
すなわち、本発明による金属−セラミックス接合基板は、セラミックス基板の一方の面に放熱板固定用金属板の一方の面が接合した金属−セラミックス接合基板において、放熱板固定用金属板のビッカース硬さが４０〜６０であることを特徴とする。この金属−セラミックス接合基板において、放熱板固定用金属板が銅または銅合金からなり、放熱板固定用金属板の結晶粒径が０．２ｍｍ以下であり、放熱板固定用金属板の厚さが０．０５ｍｍ以上であるのが好ましい。
【００１１】
上記の金属−セラミックス接合基板において、セラミックス基板の一方の面にろう材を介して放熱板固定用金属板の一方の面を接合し、この熱板固定用金属板の他方の面に、この放熱板固定用金属板より大きい平面形状の放熱板を半田によって固定することができる。この半田は、実質的に鉛を含まない半田でもよい。また、半田の露出面が放熱板固定用金属板の一方の面の周縁から放熱板の周縁部付近に向かって傾斜しているのが好ましく、半田の露出面と放熱板の固定面との間の角度が３０〜７０°であるのが好ましい。
【００１２】
上記の金属−セラミックス接合基板において、セラミックス基板の一方の面に放熱板固定用金属板の一方の面を接合するために塗布されるろう材の形状を、互いに離間した複数の線状または点状にすることにより、セラミックス基板の一方の面と放熱板固定用金属板の一方の面との間に非接合部が設けられているのが好ましい。あるいは、放熱板固定用金属板の一方の面の周縁部または周縁部付近に所定の幅の非接合部を設けてもよい。この場合、放熱板固定用金属板の一方の面の周縁の全周に沿って延びているのが好ましい。また、非接合部が、放熱板固定用金属板の一方の面の周縁から所定の距離だけ離間してもよい。この場合、所定の距離が０．１ｍｍ以上であるのが好ましい。また、所定の幅が０．１ｍｍ以上であるのが好ましく、０．２５〜３．０ｍｍであるのがさらに好ましい。
【００１３】
上記の金属−セラミックス接合基板において、セラミックス基板が窒化アルミニウム基板または窒化珪素基板であるのが好ましく、セラミックス基板の厚さが０．０５〜１．５ｍｍであるのが好ましい。さらに、セラミックス基板の他方の面にろう材を介して回路用金属板が接合され、このろう材が金属板の周縁から０．０３ｍｍ以上はみ出ているのが好ましい。
【００１４】
また、本発明による半導体回路基板またはパワーモジュールは、上記の金属−セラミックス接合基板を用いたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、金属−セラミックス接合基板に放熱板を固定する場合にＰｂフリー半田を使用しても、半田やセラミックス基板にクラックが発生するのを効果的に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明による金属−セラミックス接合基板の第１の実施の形態の概略側面図である。
【図２】本発明による金属−セラミックス接合基板の第２の実施の形態の概略側面図である。
【図３】本発明による金属−セラミックス接合基板の第３の実施の形態の概略側面図である。
【図４】本発明による金属−セラミックス接合基板の第４の実施の形態の概略側面図である。
【図５】本発明による金属−セラミックス接合基板の第４の実施の形態のセラミックス基板の裏面に塗布したろう材を概略的に示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照して、本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態について説明する。
【００１８】
［第１の実施の形態］
図１を参照して、本発明による金属−セラミックス接合基板の第１の実施の形態について説明する。
【００１９】
図１に示すように、略矩形の平面形状のセラミックス基板１０の一方の面（図中上面）には、ろう材１２を介して、セラミックス基板１０よりも小さい略矩形の平面形状の銅または銅合金からなる回路用金属板１４の一方の面の略全面が接合されている。セラミックス基板１０として、窒化アルミニウム、窒化珪素またはアルミナを主成分とするセラミックス基板を使用することができるが、熱伝導の点から窒化アルミニウムまたは窒化珪素を主成分とするセラミックス基板を使用するのが好ましく、さらに、強度および靭性の点から四窒化三珪素（Ｓｉ３Ｎ４）などの窒化珪素を主成分とするセラミックス基板を使用するのが好ましい。
【００２０】
セラミックス基板１０の厚さは、０．０５ｍｍ未満では、強度および絶縁性が低下し、１．５ｍｍより厚いと熱伝導性が低下するので、０．０５〜１．５ｍｍであるのが好ましい。なお、熱衝撃時のセラミックス基板１０への応力を低減するために、ろう材１２が回路用金属板１４の周縁からはみ出して、幅０．０３ｍｍ以上のフィレット部を形成するのが好ましい。このフィレット部の幅が０．０３ｍｍ未満であると、応力低減効果が不十分な場合がある。ただし、フィレットの幅があまりにも大きいと、回路設計に制限が多くなり過ぎて、有効に使用することができる面積が小さくなるので、フィレットの幅が３ｍｍ以下であるのが好ましい。
【００２１】
セラミックス基板１０の他方の面（裏面、図中下面）には、ろう材１６を介して、セラミックス基板１０よりも小さい略矩形の平面形状を有する放熱板固定用金属板１８の一方の面の略全面が接合されている。この放熱板固定用金属板１８として、ビッカース硬さ４０〜６０の銅または銅合金からなる金属板を使用するのが好ましい。放熱板固定用金属板１８の厚さは、好ましくは０．０５〜１．５ｍｍ、さらに好ましくは０．０５〜０．８ｍｍである。０．０５ｍｍより薄いと大電流を流すことができなくなり、１．５ｍｍを超えるとろう接時にセラミックス基板にクラックが発生し易くなる。
【００２２】
放熱板固定用金属板１８として銅合金からなる金属板を使用すると、ろう接時に銅合金が再結晶化して結晶粒の粗大化するが、ビッカース硬さを４０〜６０に維持し、結晶粒径を０．２ｍｍ以下に調整するのが容易である。銅合金は、電気伝導性や熱伝導性に優れ、他の金属と比べて強度、半田付け性、耐食性などにも優れているが、接合後の銅合金のビッカース硬さが４０より小さいと、強度および剛性が不足し、一方、ビッカース硬さが６０を越えると、銅合金が硬くなり過ぎて、ヒートサイクル時のセラミックス基板１０へのダメージが大きくなり、寿命が低下する。また、結晶粒径が０．２ｍｍを超えると、ヒートサイクル時に結晶粒毎の熱膨張の相違を粒界が吸収しようとして、その直下のろう材１６に破壊の起点が生じたり、放熱板２２側のＰｂフリー半田２０にクラックの起点が生じたりして、信頼性が低下する。
【００２３】
銅合金として、析出物や酸化物などが分散した組織を有する銅合金を使用するのが好ましく、
ろう材による接合時の温度、例えば、Ａｇを主成分とするろう材を使用する場合には８００℃以上の温度で析出物が再固溶しない銅合金を使用すれば、結晶粒の極端な粗大化や強度の低下を効果的に防止することができる。特に、結晶粒径を０．２ｍｍ以下、好ましくは０．１５ｍｍ以下にするためには、ろう材による接合時の温度で結晶粒径を制御することができるように、銅合金中に存在する析出物が、接合時の温度で再固溶し難い大きさおよび組成を有するのが好ましく、１０ｎｍ以上の大きさであるのが好ましい。この析出物は、Ｎｉ−Ｔｉ系、Ｎｉ−Ｓｉ系、Ｃｕ−Ｚｒ系などの金属間化合物でもよいし、Ｆｅ−Ｐ系、Ｎｉ−Ｂ系、Ｃｕ−Ｏなどのりん化物、ほう化物、酸化物などでもよい。析出物が再固溶した場合でも、ろう接時の冷却過程で析出し、常温でできるだけ固溶しない組成の組み合わせや量である方が、電気伝導性や熱伝導性の点で有利である。
【００２４】
銅合金からなる金属板は、展伸された板材であることが望ましく、電気伝導性や熱伝導性の点から、０．０１〜３重量％のＦｅ、０．０１〜５重量％のＮｉ、０．０１〜３重量％のＣｏ、０．０１〜３重量％のＴｉ、０．０１〜２重量％のＭｇ、０．０１〜２重量％のＺｒ、０．０１〜１重量％のＣａ、０．０１〜３重量％のＳｉ、０．０１〜５重量％のＭｎ、０．０１〜３重量％のＣｄ、０．０１〜５重量％のＡｌ、０．０１〜３重量％のＰｂ、０．０１〜３重量％のＢｉ、０．０１〜１重量％のＴｅ、０．０１〜３重量％のＹ、０．０１〜３重量％のＬａ、０．０１〜３重量％のＢｅ、０．０１〜３重量％のＣｅ、０．０１〜５重量％のＡｕ、０．０１〜１０重量％のＡｇ、０．０１〜１５重量％のＺｎ、０．０１〜５重量％のＳｎの少なくとも１種以上含み、残部がＣｕと不可避不純物である銅合金からなるのが好ましい。
【００２５】
なお、セラミックス基板１０の裏面に接合する放熱板固定用金属板１８として、純銅からなる金属板を使用してもよい。例えば、Ｃ１０２０無酸素銅からなる金属板を使用する場合には、ろう接時にろう材に含まれる元素がろう材から拡散して銅合金になる必要があるので、ろう材の成分や、ろう接の温度や時間を適宜に選定して、ろう接時にろう材に含まれる元素をろう材から銅板中に拡散させる必要がある。
【００２６】
すなわち、通常の銅板をろう材によってセラミックス基板に接合すると、ろう付け時の温度の影響によって銅板が著しく軟化し、ビッカース硬さが４０を下回り、強度および剛性が低下する。そのため、セラミックス基板から銅回路パターンを浮かせたり、はみ出させる場合には、軟化した銅板の変形によってアセンブリ工程で歩留まりが低下する。具体的には、銅板をセラミックス基板にろう接するためにＡｇ系ろう材を使用しているが、このろう接の際に８００℃以上の温度に加熱されるため、接合後に銅板のビッカース硬さが３０〜４０程度まで軟化し、また、銅の結晶粒が粗大化して０．２ｍｍを越える大きさになる。ビッカース硬さが低く、結晶粒が大きいと、Ｐｂフリー半田２０によって放熱板２２を固定した場合に、ヒートサイクルによりＰｂフリー半田２０またはセラミックス基板１０にクラックが生じ易く、信頼性が低下する。一般に、ビッカース硬さが低い方が塑性変形し易く、また、銅合金よりも純銅の方がクリープし易く、ヒートサイクルに対して有利であると考えられるが、実際にはヒートサイクルに対する信頼性が不十分であり、信頼性は結晶粒径との相互作用によると考えられる。そのため、銅板を使用する場合には、ろう材の成分が銅板に拡散することを利用して合金化する必要があり、ろう材の組成や接合条件などの制約が多くなる。Ａｇ系ろう材の成分を銅中に拡散させて合金化させる場合には、銅側の接合界面でＣｕとＡｇが合金化しているが、さらに粒界を中心としてＡｇやろう材の添加成分が拡散して合金化が進行する。表面や粒界に濃縮相が形成されるが、ろう材の接合部を除いた銅合金として分析した際に、上述した組成範囲の銅合金であることが好ましく、接合後の銅合金の硬さを４０〜６０にする必要がある。
【００２７】
また、放熱板固定用金属板１８の放熱面（裏面、図中下面）の略全面には、Ｐｂフリー半田２０により、放熱板固定用金属板１８より大きい略矩形の平面形状の放熱板（放熱用金属ベース板）２２が固定されている。Ｐｂフリー半田２０の露出面は、放熱板固定用金属板１８の周縁から放熱板２２の周縁部付近に向かって傾斜しており、この露出面と放熱板２２の接合面との間の角度θが３０〜７０°になるのが好ましく、５０°以下になるのがさらに好ましい。この角度θが７０°より大きいと、応力が大きくなり、半田クラックが発生し易くなる。なお、この角度は、半田付けした部位の断面を観察した際のおおよその角度であり、曲線の角度を厳密に捉えたものではない。
【００２８】
このように、セラミックス基板１０の裏面に接合される放熱板固定用金属板１８としてビッカース硬さ４０〜６０の銅または銅合金からなる金属板を使用することにより、さらに、Ｐｂフリー半田２０の露出面を放熱板固定用金属板１８の周縁から放熱板２２の周縁部付近に向かって傾斜させることにより、図中矢印ＡおよびＢで示すようにヒートサイクルの冷却時の熱収縮による応力が加えられても、放熱板固定用金属板１８の周縁部とＰｂフリー半田２０の周縁部との接合部（図中点線で示す領域２４）やＰｂフリー半田２０の周縁部と放熱板２２との接合部（図中点線で示す領域２６）に集中する応力を分散させることができる。その結果、Ｐｂフリー半田２０にクラックが生じるのを防止することができるとともに、セラミックス基板１０にクラックが生じるのを防止することができる。
【００２９】
［第２の実施の形態］
図２を参照して、本発明による金属−セラミックス接合基板の第２の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態において、第１の実施の形態と同一の部分については、同一の参照符号を付して、その説明を省略する。
【００３０】
図２に示すように、本実施形態では、セラミックス基板１０の裏面（図中下面）にろう材１１６を介して接合される略矩形の平面形状の放熱板固定用金属板１１８が、セラミックス基板１０より大きくなっている。また、放熱板固定用金属板１１８は、セラミックス基板１０の周縁から好ましくは０．１ｍｍ以上、さらに好ましくは１．０ｍｍ以上はみ出すように配置されて、放熱板固定用金属板１８の周縁部がセラミックス基板１０に接合しないようにすることによって、放熱板固定用金属板１８の周縁の全周に沿って所定の幅の非接合部が形成されている。その他の構成は、上述した第１の実施の形態と略同一である。本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、セラミックス基板１０の裏面に接合される放熱板固定用金属板１８としてビッカース硬さ４０〜６０の銅または銅合金からなる金属板を使用することにより、さらに、Ｐｂフリー半田１２０の露出面を放熱板固定用金属板１１８の周縁から放熱板２２の周縁部付近に向かって傾斜させるだけでなく、放熱板固定用金属板１８の周縁の全周に沿って延びる所定の幅の非接合部を設けてセラミックス基板１０に拘束されない部分を形成することにより、図中矢印ＡおよびＢで示すようにヒートサイクルの冷却時の熱収縮による応力が加えられても、放熱板固定用金属板１１８の非接合部で応力を緩和することができるとともに、Ｐｂフリー半田２０の周縁部全体（図中点線で示す領域１２４）に応力を分散させることができる。その結果、Ｐｂフリー半田１２０にクラックが生じるのを防止することができるとともに、セラミックス基板１０にクラックが生じるのを防止することができる。
【００３１】
［第３の実施の形態］
図３を参照して、本発明による金属−セラミックス接合基板の第３の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態において、第１の実施の形態と同一の部分については、同一の参照符号を付して、その説明を省略する。
【００３２】
図３に示すように、本実施形態では、セラミックス基板１０の裏面（図中下面）にろう材２１６を介して接合される略矩形の平面形状の放熱板固定用金属板２１８が、セラミックス基板１０より小さくなっている。その他の構成は、上述した第２の実施の形態と略同一である。本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、セラミックス基板１０の裏面に接合される放熱板固定用金属板１８としてビッカース硬さ４０〜６０の銅または銅合金からなる金属板を使用することにより、さらに、Ｐｂフリー半田２２０の露出面と放熱板固定用金属板２１８の接合面との角度θが３０〜７０°になるように、露出面を放熱板固定用金属板２１８の周縁から放熱板２２の周縁付近に向かって傾斜させるだけでなく、放熱板固定用金属板２１８の周縁の全周に沿って延びる所定の幅の非接合部、すなわち、ろう材２１６によってセラミックス基板１０に接合されない部分を設けることにより、図中矢印ＡおよびＢで示すようにヒートサイクルの冷却時の熱収縮による応力が加えられても、放熱板固定用金属板２１８の非接合部全体（図中点線で示す領域２２４）で応力を緩和することができる。その結果、Ｐｂフリー半田２２０にクラックが生じるのを防止することができるとともに、セラミックス基板１０にクラックが生じるのを防止することができる。
【００３３】
［第４の実施の形態］
図４および図５を参照して、本発明による金属−セラミックス接合基板の第４の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態において、第１の実施の形態と同一の部分については、同一の参照符号を付して、その説明を省略する。
【００３４】
図４および図５に示すように、本実施の形態では、第２および第３の実施の形態と異なり、セラミックス基板１０の裏面（図４において下面）の周縁の全周に沿って所定の幅のろう材３１６を塗布するとともに、この周縁から所定の距離（ろう材３１６の幅）だけ離間して周縁の全周に沿って延びる所定の幅の非接合部を除いた部分にろう材３１７を塗布することにより、セラミックス基板１０の裏面に接合する略矩形の平面形状の放熱板固定用金属板３１８の所定の幅の非接合部が、放熱板固定用金属板３１８の周縁から所定の距離だけ離間して放熱板固定用金属板３１８の周縁の全周に沿って延びている。その他の構成は、上述した第２および第３の実施の形態と略同一である。本実施の形態では、第１〜第３の実施の形態と同様に、ヒートサイクルの冷却時の熱収縮による応力が加えられても、放熱板固定用金属板３１８の周縁部付近の非接合部で応力を緩和することができる。その結果、Ｐｂフリー半田３２０にクラックが生じるのを防止することができるとともに、セラミックス基板１０にクラックが生じるのを防止することができる。
【００３５】
なお、上述した第２〜第４の実施の形態において放熱板固定用金属板１１８、２１８、３１８の周縁部または周縁部付近に設けた非接合部の所定の幅は、０．１ｍｍ以上であるのが好ましく、１．０〜３．０ｍｍであるのがさらに好ましい。０．１ｍｍより狭いと、応力を緩和するのに不十分であり、３．０ｍｍより広いと、熱伝導性の低下などの問題が生じる。また、このような非接合部の代わりに、上述した第１〜第４の実施の形態において、放熱板固定用金属板１１８、２１８、３１８とセラミックス基板１０との間の接合部を、互いに離間した複数の線状や点状の接合部などの様々な形状の接合部にしてもよい。このような形状の接合部にしても、セラミックス基板１０への応力を低減させることができる。
【実施例】
【００３６】
以下、本発明による金属−セラミックス接合基板の実施例について詳細に説明する。
【００３７】
［実施例１］
図１において、セラミックス基板１０として４０ｍｍ×４０ｍｍ×０．６３５ｍｍの大きさの窒化アルミニウム基板を使用し、セラミックス基板１０の上面に接合する回路用金属板１４として厚さ０．３ｍｍの無酸素銅板を使用し、セラミックス基板１０の裏面に接合する放熱板固定用金属板１８として厚さ０．４ｍｍの無酸素銅板を使用し、ろう材１２および１６の厚さを０．０２ｍｍとして、第１の実施の形態と同様の金属−セラミックス接合基板を作製した。なお、ろう材１２および１６として、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｓｎ、ＦｅおよびＩｎ成分を含むろう材を使用し、接合時にろう材の成分を金属板１４および１８に拡散させて、接合後の金属板１４および１８のビッカース硬さが４４になり且つ平均結晶粒径０．１２ｍｍになるように、ろう接の温度と時間を調整した。
【００３８】
このようにして作製した金属−セラミックス接合基板に、Ｐｂフリー半田２０を使用して、放熱板２２としての６９ｍｍ×６９ｍｍ×４ｍｍの大きさの銅板を固定した。なお、Ｐｂフリー半田２０として、Ｓｎ−Ａｇ系のＰｂフリー半田や、Ｃｕ、Ｂｉ、ＳｂまたはＺｎなどを添加した各種のＰｂフリー半田を使用した。
【００３９】
このようにして放熱板２２を固定した金属−セラミックス接合基板について、２０℃→−４０℃×３０分→２０℃×１０分→１２５℃×３０分→２０℃×１０分を１サイクルとする繰り返しヒートサイクルを３００回行った後に、金属板１４、１８とろう材１２、１６を除去して窒化アルミニウム基板の表面を光学顕微鏡で観察したところ、窒化アルミニウム基板にクラックの発生はなかった。また、Ｐｂフリー半田２０の表面を光学顕微鏡で観察したところ、いずれのＰｂフリー半田の場合もクラックの発生はなかった。
【００４０】
［実施例２］
セラミックス基板１０の裏面に接合する放熱板固定用金属板１８として厚さ０．６ｍｍのＣｕ−０．１２Ｚｒ−０．１Ｃｏ−０．０３Ｐ合金からなる銅合金板を使用した以外は実施例１と同様の方法により、第１の実施の形態と同様の金属−セラミックス接合基板を作製した。なお、ろう材１２および１６として、Ａｇ、ＣｕおよびＴｉ成分を含むろう材を使用し、接合時にろう材の成分を金属板１４および１８に拡散させて、接合後の金属板１４および１８のビッカース硬さが４６になり且つ平均結晶粒径０．１４ｍｍになるように調整した。
【００４１】
このようにして作製した金属−セラミックス接合基板に、実施例１と同様のＰｂフリー半田２０を使用して実施例１と同様の放熱板２２を固定し、実施例１と同様に繰り返しヒートサイクルを３００回行った後に、窒化アルミニウム基板の表面とＰｂフリー半田２０の表面を光学顕微鏡で観察したところ、窒化アルミニウム基板にクラックの発生はなく、半田クラックの発生もなかった。
【００４２】
［実施例３］
セラミックス基板１０の裏面に接合する放熱板固定用金属板１８として厚さ０．２５ｍｍのＣｕ−０．２Ｓｎ−０．２Ｃｒ合金からなる銅合金板を使用した以外は実施例１と同様の方法により、第１の実施の形態と同様の金属−セラミックス接合基板を作製した。なお、接合時にろう材の成分を金属板１４および１８に拡散させて、接合後の金属板１４および１８のビッカース硬さが４２になり且つ平均結晶粒径０．１４ｍｍになるように調整した。
【００４３】
このようにして作製した金属−セラミックス接合基板に、実施例１と同様のＰｂフリー半田２０を使用して実施例１と同様の放熱板２２を固定し、実施例１と同様に繰り返しヒートサイクルを３００回行った後に、窒化アルミニウム基板の表面とＰｂフリー半田２０の表面を光学顕微鏡で観察したところ、窒化アルミニウム基板にクラックの発生はなく、半田クラックの発生もなかった。
【００４４】
［実施例４］
セラミックス基板１０の裏面に接合する放熱板固定用金属板１８として厚さ０．１５ｍｍのＣｕ−０．３Ｃｒ−０．１Ｔｉ−０．１Ｚｒ−０．１Ｎｉ合金からなる銅合金板を使用した以外は実施例３と同様の方法により、第１の実施の形態と同様の金属−セラミックス接合基板を作製した。なお、接合時にろう材の成分を金属板１４および１８に拡散させて、接合後の金属板１４および１８のビッカース硬さが４５になり且つ平均結晶粒径０．０９ｍｍになるように調整した。
【００４５】
このようにして作製した金属−セラミックス接合基板に、実施例１と同様のＰｂフリー半田２０を使用して実施例１と同様の放熱板２２を固定し、実施例１と同様に繰り返しヒートサイクルを３００回行った後に、窒化アルミニウム基板の表面とＰｂフリー半田２０の表面を光学顕微鏡で観察したところ、窒化アルミニウム基板にクラックの発生はなく、半田クラックの発生もなかった。
【００４６】
［比較例１］
図５に示すように、セラミックス基板１０として４０ｍｍ×４０ｍｍ×０．６３５ｍｍの大きさの窒化アルミニウム基板を使用し、セラミックス基板１０の上面に接合する回路用金属板１４として厚さ０．３ｍｍの銅板を使用し、セラミックス基板１０の裏面に接合する放熱板固定用金属板１８として厚さ０．１５ｍｍの銅板を使用し、ろう材１２および１６の厚さを０．０２ｍｍとして、第１の実施の形態と同様の金属−セラミックス接合基板を作製した。なお、ろう材１２および１６として実施例１と同様のＡｇ合金ろう材を使用したが、ろう材の成分の銅への拡散が不十分であり、ビッカース硬さが３５、平均結晶粒径が０．２２ｍｍであった。
【００４７】
このようにして作製した金属−セラミックス接合基板に、実施例１と同様のＰｂフリー半田２０を使用して実施例１と同様の放熱板２２を固定し、実施例１と同様に繰り返しヒートサイクルを３００回行った後に、窒化アルミニウム基板の表面とＰｂフリー半田２０の表面を光学顕微鏡で観察したところ、窒化アルミニウム基板にクラックの発生はなかったが、半田クラックの発生が認められた。
【００４８】
［比較例２］
セラミックス基板１０の裏面に接合する放熱板固定用金属板１８として厚さ０．４ｍｍの銅板を使用した以外は比較例１と同様の方法により、比較例１と同様の金属−セラミックス接合基板を作製した。このようにして作製した金属−セラミックス接合基板に、実施例１と同様のＰｂフリー半田２０を使用して実施例１と同様の放熱板２２を固定し、実施例１と同様に繰り返しヒートサイクルを３００回行った後に、窒化アルミニウム基板の表面とＰｂフリー半田２０の表面を光学顕微鏡で観察したところ、半田クラックの発生はなかったが、窒化アルミニウム基板にクラックの発生が認められた。
【００４９】
［比較例３］
セラミックス基板１０の裏面に接合する放熱板固定用金属板１８として厚さ０．６ｍｍの銅板を使用した以外は比較例１と同様の方法により、比較例１と同様の金属−セラミックス接合基板を作製した。このようにして作製した金属−セラミックス接合基板に、実施例１と同様のＰｂフリー半田２０を使用して実施例１と同様の放熱板２２を固定し、実施例１と同様に繰り返しヒートサイクルを３００回行った後に、窒化アルミニウム基板の表面とＰｂフリー半田２０の表面を光学顕微鏡で観察したところ、半田クラックの発生はなかったが、窒化アルミニウム基板にクラックの発生が認められた。
【符号の説明】
【００５０】
１０ セラミックス基板
１２、１６、１１６、２１６、３１６、３１７ ろう材
１４ 回路用金属板
１８、１１８、２１８、３１８ 放熱板固定用金属板
２０、１２０、２２０，３２０ Ｐｂフリー半田
２２ 放熱板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板の一方の面に放熱板固定用金属板の一方の面が接合した金属−セラミックス接合基板において、前記放熱板固定用金属板のビッカース硬さが４０〜６０であることを特徴とする、金属−セラミックス接合基板。
【請求項２】
前記放熱板固定用金属板が銅または銅合金からなることを特徴とする、請求項１に記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項３】
前記放熱板固定用金属板の結晶粒径が０．２ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項４】
前記放熱板固定用金属板の厚さが０．０５ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項５】
前記セラミックス基板の一方の面にろう材を介して前記放熱板固定用金属板の一方の面が接合し、前記放熱板固定用金属板の他方の面に、この放熱板固定用金属板より大きい平面形状の放熱板が半田によって固定されていることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項６】
前記半田が実質的に鉛を含まない半田であることを特徴とする、請求項５に記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項７】
前記半田の露出面が前記放熱板固定用金属板の一方の面の周縁から前記放熱板の周縁部付近に向かって傾斜していることを特徴とする、請求項５または６に記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項８】
前記半田の露出面と前記放熱板の固定面との間の角度が３０〜７０°であることを特徴とする、請求項７に記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項９】
前記セラミックス基板の一方の面に前記放熱板固定用金属板の一方の面を接合するために塗布される前記ろう材の形状を、互いに離間した複数の線状または点状にすることにより、前記セラミックス基板の一方の面と前記放熱板固定用金属板の一方の面との間に非接合部が設けられていることを特徴とする、請求項５乃至８のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項１０】
前記放熱板固定用金属板の一方の面の周縁部または周縁部付近に所定の幅の非接合部が設けられていることを特徴とする、請求項５乃至８のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項１１】
前記非接合部が、前記放熱板固定用金属板の一方の面の周縁の全周に沿って延びていることを特徴とする、請求項１０に記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項１２】
前記非接合部が、前記放熱板固定用金属板の一方の面の周縁から所定の距離だけ離間していることを特徴とする、請求項１０または１１に記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項１３】
前記所定の距離が０．１ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項１２に記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項１４】
前記所定の幅が０．１ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項１０乃至１３のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項１５】
前記所定の幅が０．２５〜３．０ｍｍであることを特徴とする、請求項１０乃至１３のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項１６】
前記セラミックス基板が窒化アルミニウム基板または窒化珪素基板であることを特徴とする、請求項１乃至１５のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項１７】
前記セラミックス基板の厚さが０．０５〜１．５ｍｍであることを特徴とする、請求項１乃至１６のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項１８】
前記セラミックス基板の他方の面にろう材を介して回路用金属板が接合されていることを特徴とする、請求項１乃至１７のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項１９】
前記セラミックス基板の他方の面に前記回路用金属板を接合するためのろう材が、前記回路用金属板の周縁から０．０３ｍｍ以上はみ出ていることを特徴とする、請求項１８に記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項２０】
請求項１乃至１９のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板を用いた半導体回路基板またはパワーモジュール。
【請求項１】
セラミックス基板の一方の面に放熱板固定用金属板の一方の面が接合した金属−セラミックス接合基板において、前記放熱板固定用金属板のビッカース硬さが４０〜６０であることを特徴とする、金属−セラミックス接合基板。
【請求項２】
前記放熱板固定用金属板が銅または銅合金からなることを特徴とする、請求項１に記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項３】
前記放熱板固定用金属板の結晶粒径が０．２ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項４】
前記放熱板固定用金属板の厚さが０．０５ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項５】
前記セラミックス基板の一方の面にろう材を介して前記放熱板固定用金属板の一方の面が接合し、前記放熱板固定用金属板の他方の面に、この放熱板固定用金属板より大きい平面形状の放熱板が半田によって固定されていることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項６】
前記半田が実質的に鉛を含まない半田であることを特徴とする、請求項５に記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項７】
前記半田の露出面が前記放熱板固定用金属板の一方の面の周縁から前記放熱板の周縁部付近に向かって傾斜していることを特徴とする、請求項５または６に記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項８】
前記半田の露出面と前記放熱板の固定面との間の角度が３０〜７０°であることを特徴とする、請求項７に記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項９】
前記セラミックス基板の一方の面に前記放熱板固定用金属板の一方の面を接合するために塗布される前記ろう材の形状を、互いに離間した複数の線状または点状にすることにより、前記セラミックス基板の一方の面と前記放熱板固定用金属板の一方の面との間に非接合部が設けられていることを特徴とする、請求項５乃至８のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項１０】
前記放熱板固定用金属板の一方の面の周縁部または周縁部付近に所定の幅の非接合部が設けられていることを特徴とする、請求項５乃至８のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項１１】
前記非接合部が、前記放熱板固定用金属板の一方の面の周縁の全周に沿って延びていることを特徴とする、請求項１０に記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項１２】
前記非接合部が、前記放熱板固定用金属板の一方の面の周縁から所定の距離だけ離間していることを特徴とする、請求項１０または１１に記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項１３】
前記所定の距離が０．１ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項１２に記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項１４】
前記所定の幅が０．１ｍｍ以上であることを特徴とする、請求項１０乃至１３のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項１５】
前記所定の幅が０．２５〜３．０ｍｍであることを特徴とする、請求項１０乃至１３のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項１６】
前記セラミックス基板が窒化アルミニウム基板または窒化珪素基板であることを特徴とする、請求項１乃至１５のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項１７】
前記セラミックス基板の厚さが０．０５〜１．５ｍｍであることを特徴とする、請求項１乃至１６のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項１８】
前記セラミックス基板の他方の面にろう材を介して回路用金属板が接合されていることを特徴とする、請求項１乃至１７のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項１９】
前記セラミックス基板の他方の面に前記回路用金属板を接合するためのろう材が、前記回路用金属板の周縁から０．０３ｍｍ以上はみ出ていることを特徴とする、請求項１８に記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項２０】
請求項１乃至１９のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板を用いた半導体回路基板またはパワーモジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−１９９３１５（Ｐ２０１１−１９９３１５Ａ）
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３４９６５（Ｐ２０１１−１３４９６５）
【出願日】平成２３年６月１７日（２０１１．６．１７）
【分割の表示】特願２００５−１０１２９３（Ｐ２００５−１０１２９３）の分割
【原出願日】平成１７年３月３１日（２００５．３．３１）
【出願人】（０００２２４７９８）ＤＯＷＡホールディングス株式会社 (550)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月６日（２０１１．１０．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月１７日（２０１１．６．１７）
【分割の表示】特願２００５−１０１２９３（Ｐ２００５−１０１２９３）の分割
【原出願日】平成１７年３月３１日（２００５．３．３１）
【出願人】（０００２２４７９８）ＤＯＷＡホールディングス株式会社 (550)
【Ｆターム（参考）】
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