WO1998054761A1 - Substrat jonction de circuit en cuivre et procede de production de ce substrat - Google Patents

Description

糸田 銅回路接合基板およびその製造方法 技術分野

本発明は、 セラ ミ ッ ク基材上に銅を主成分とする導体層 を接合した、 特に工作機械、 電気自動車等のハイ パワーモ ジュールや冷却システムに有用な銅回路接合基板およびそ の製造方法、 並びに同基板を用いた半導体装置に関する。 背景技術

半導体装置に用い られる電気絶縁性の基材と しては、 従 来よ り例えばアルミ ナ （ A 1₂0₃ ) 、 窒化アルミ ニウム

( A 1 ) 、 窒化珪素 （ S i ₃ N₄) 等のセラ ミ ッ ク スが用 い られている。 この場合通常は同基材上にタ ングステン

(W) やモリ ブデン （M o ) を主成分とするメ タ ライ ズ回 路ゃ銅 （ C u ) を主成分とする同回路を形成し、 これら を 積層 したものが半導体 I C用の回路基板と して利用されて きた。 基材に用い られる上記のセラ ミ ッ ク スは、 電気絶縁 性および機械的強度に優れている と ともに、 高い熱伝導率 を有する。 熱伝導率は、 アルミナ （A l ₂ 〇 _a ) 、 窒化アル ミニゥム （ A 1 N ) 、 窒化珪素 （ S i 。 N ₄ ) の順に、 W / 2

m . Kの単位で、 1 7 、 1 7 0、 6 0程度である。

中でも窒化アルミニウムは、 アルミ 'ナ、 窒化珪素と同程 度の電気絶縁性を有 し、 上記のよう に これらの中でも最も 高い熱伝導率を有する。 このため回路基板用の基材と して 最も注目 されている。 また窒化アルミ ニウムは室温から銀 ロウ付け温度 （約 8 0 0 °C ) までの平均熱膨張係数が、 5. 5 X 1 0— ⁶ °Cと小さいために、 S i 半導体からなる I C チップ （熱膨張係数 4 . 0 X 1 0"^G /°C ) とのその整合性 が良い。 また窒化珪素は窒化アルミ ニウムに比べ熱伝導率 は低いが、 その熱膨張係数がよ り S i 半導体のそれに近く 、 機械的強度にも優れている。 それ故最近同基材の厚みを薄 く するこ とによ って、 その熱抵抗を抑え回路基板用の基材 と して利用され始めている。 しかしながら、 窒化アルミ二 ゥムを含め、 一般に基材と して用い られるセラ ミ ッ クスの 熱膨張係数は小さ い。 特に銅 （熱膨張係数 1 6 . 7 X 1 0 ^_G/°C) を主成分とする回路を同基材上に形成する場合に は、 その整合性が悪いため同回路との接合組み込みの実装 段階および実際に基板と して用いられる実用段階で生じる 接合界面での熱応力によ り、 セラ ミ ッ ク基材が破損 し易い。 したがってそれらの接合は、 通常それらの間に種々の熱応 力緩和のための介在層を介挿して行われてきた。

例えば特公平 2 — 3 4 9 0 8号公報には、 セラ ミ ッ ク基 材と銅導体層との間に、 活性金属である I Va族金属を含み 銀 （ A g ) 、 銅 （ C u ) を主成分とする金属からなる層を 多重に介挿した回路基板が紹介されている。 しかしながら、 このよ う な介在層からなる接続構造を形成した場合、 特に 大さなサイ ズの基板では、 銅とセラ ミ ッ タ ス との間に発生 する熱応力の緩和は不十分である。 したがって、 それらの 間に発生する熱応力を十分に緩和する こ とのできる適切な 介在層 を介挿する必要がある。

そこでセラ ミ ッ ク基材とそれに比べかな り 大きな熱膨張 係数を有する リ ー ドフ レームのよ う な金属部材と を接合す る場合には、 通常まずセラ ミ ッ ク基材の表面に W、 M o 等 の高融点金属からなる高融点金属層を設け、 次いで同層の 上に上記の金属部材を通常の A g — C u系銀ロ ウによって 接合してさた。 この場合この高融点金属と通常の銀ロ ウ と からなる層は、 上で述べた介在層に相当する。 例えば特開 昭 6 3 - 2 8 9 9 5 0号公報には、 窒化アルミ ニウム基材 上に形成された Wからなる高融点金属層に、 高い熱伝導率 と熱衝撃抵抗を有する無酸素銅の リ ー ドフ レームを接合し た接続構造が開示されている （同公報第 1 図および第 2 図 参照） 。 同公報によれば、 Wからなる高融点金属層と無酸 素銅の リ ー ドフ レームと を接合する際、 それらの間の濡れ 性を向上させるために、 それらの間に N i 層を予め形成し、 次いでこの層を介在層と して、 銀ロウによ って接合してい る。

従来この種の製品では、 コバールがリ ー ドフ レームと し て用いられてきた。

しかし以上述べたよう に リ ー ドフ レームを軟質の無酸素 銅に換えるこ とによって、 ロウ付け時に接合界面に生じる 熱応力を従来よ リ も緩和するこ とができ る。

しかしながら以上のよ う に しても、 部材をハイ パワーで 大サイ ズの回路基板と して用いる場合には、 発生する熟応 力が大き く な り基材が破損する場合があった。

また例えば窒化アルミ ニウム基材に通常の A — C u系 銀ロウ を用いず、 銅の金属部材を接合する方法も研究され てきた。 その一つにいわゆる D B C (ダイ レク 卜ボンディ ングカッパ一） 法がある。 これは、 銅の金属部材の表面に 存在するその酸化物層と銅との共晶反応を利用する方法で ある。 例えば特開昭 5 9 — 4 0 4 0 4 号公報または 「エレ ク 卜 ロニク スセラ ミ ッ クス」 1 9 8 8 年 1 1 月号の第 1 7 頁〜第 2 1 頁に、 その概要が開示されている。 それらの記 述による と、 この方法は、 まず窒化アルミ ニウム焼結体か らなる基材の表面に、 同基材の焼結助剤と して用いられる アルミニウム · 希土類元素 ♦ アルカ リ 土類元素の酸化物か らなる層か、 または同焼結体の主成分の酸化層 を形成する。

訂正された用紙 （規則 91) 次いでこのよ う な層の上に銅の金属部材を載せて、 銅とそ の酸化物 C u ₂ 〇の共晶点以上、 銅の融点以下の温度下、 酸素含有雰囲気中で加熱を行って、 両者を接合する。 類似 の方法が特開昭 6 0 - 3 2 3 4 3 号公報にも紹介されてい る。 その記載によれば、 銅の部材と窒化アルミ ニウム基材 との間に、 I Va族元素金属等の活性金属を含む銅合金の共 晶層を介在させて、 両者を接合する。 この場合には、 窒化 アルミニウム基材との接合界面部分に微細な空孔が生じ易 い。 一方介在層が薄いために介在層 自体では熱応力の緩和 は十分できない。 このため空孔部分に熱応力が集中 し易く 、 同部分に亀裂が生じ易く なる。

また上記の接合方法では、 上記文献 「エレク ト ロニクス セラ ミ ッ クス」 の図 4 に記載されている よ う に、 窒化アル ミ ニゥム基材上の酸化物層の厚みを狭い範囲にコン ト ロー ルしないと、 接合強度のバラツキが大き く な り 易い。 また 介在層が薄いため、 銅と窒化アルミ ニウム基材との間の熱 膨張係数の差によって生じる熱応力が緩和できない。 した がって接合界面付近の基材が破損し易い。 基材のサイ ズが 大き く なればなるほどこの不具合現象は助長される。 さ ら に同部材上に半田によって他の部材を接合する際には、 接 合後銅の部材の表面が酸化するため、 その表面を研磨仕上 げする必要がある。 なお上記した活性金属を含む銅合金の 共晶層を介在させる方法の場合には、 窒化アルミニウム基 材との接合界面部分に微細な空孔が生じ易く 、 介在層が薄 いためにその部分に亀裂が生じ易く なる。 また特開平 5 — 1 5 2 4 6 1 号公報にも、 セラ ミ ッ ク基材上に銅の回路が 形成された部材が開示されている。 その接続溝造は、 活性 金属からなる薄い介在層と、 その外周端縁部に段部を形成 した銅の回路板とからなるものである。 同公報には、 この 接続構造とする こ とによって接合部の外周端縁部に集中す る熱応力が緩和されるとの記述がある。 しか しながら、 こ の構造においても介在層が薄いため接合界面部分に発生す る熱応力の緩和は不十分である。 - さ らに特開平 1 — 5 5 2 7 1 号公報には、 窒化アルミ二 ゥム基材上に Wからなる高融点金属層を形成し、 さ らにそ の上に銀、 銅、 アルミニウムの一種以上を主成分とする厚 み 1 μ m以上の金属層を形成した後、 さ らに半田または銀 ロウ を介在層と して銅の板を接合した基板が開示されてい る。 そ して同公報にはこの接続構造によ り 、 基材と銅板と の間の接合強度を顕著に改善でき る との記載がある。

さ らに特開平 9 一 6 9 6 7 2 号公報には、 6 0 W / m - K以上の熱伝導率を有する窒化珪素セラ ミ ッ クス基材上に、 I Va族等の活性金属を含むロ ウ材層ゃ高融点金属層を形成 した銅回路接合基板が開示されている。 この事例では、 基 材の厚みを薄く して実用時の熱抵抗を抑えるために、 添加 成分の組成や粒界相の結晶化度を見直し、 熱伝導率を向上 させる と と もに、 械的強度 · 靭性の向上を図っている。 同 公報によれば、 これによつて熱衝撃性にも優れた銅回路接 合基板の得られる こ とが記述されている。 しか し特開平 1 一 5 5 2 7 1 号公報の第 1 図または特開平 9 一 6 9 6 7 2 号公報の図 1 、 図 3 および図 8 のよう な接続構造では、 介 在層の外周端縁部の接合界面には熟応力が集中 し易い。 そ のため銅の導体層に反 り が発生し易く 、 また基板が大き く なる と こ の部分で基材側に亀裂が発生し易い。

銅を主成分とする金属部材と を介在層を介して接合する ために、 以上述べたよ う に種々の試みがなされてきたが、 上記したいく つかの問題点を解決する必要があった。 本発 明で対象とするセラ ミ ッ ク基材上に銅の導体回路を形成す る半導体モジュールの内でも、 特に高出力のモジュール

(以下ハイパワーモジュールと言う ） の場合には基板のサ ィ ズが大き く なるため、 上記した問題点を解決する こ とが 実用化のための長年の課題であった。

本発明者等は、 ノヽイ ノ ヮ一モジュールに用いるセラ ミ ッ ク 回路基板を対象に し、 上記した幾つかの問題点を解決で きる接続構造の改善事例を既に提案した特開平 9 一 2 7 5 1 6 6 ) 。 その接続構造は、 セラ ミ ッ ク基材側から順に W、 M o等の高融点金属層、 N i 、 F e 、 C u の少なく と も一 種を主成分とする低融点金属とからなる介在層および銅の 導体層とからなるものである。 この場合、 高融点金属層は 窒化アルミニウムと銅との間の熱膨張係数の差によって発 生する熱応力を緩和する機能を果た し、 一方介在層は高融 点金属層と銅との間の接合時の濡れ性を改善する機能を果 たす。 この接続構造は、 前述の特開平 1 一 5 5 2 7 1 号公 報に記載されたそれとは、 通常の銀ロ ウや半田等のロウ材 層が接合部分に含まれない点で異なる。 ロ ウ材層を含まな いため、 同層を含む特開平 1 — 5 5 2 7 1 号公報に記載さ れたもののよう な銅板の反 り は生じない。 また活性金属を 含む共晶相ゃロ ウ材からなる比較的薄い接合層によって接 合された D B C法等の場合に生じる諸問題は、 これによつ てほぼ解消された。

また本発明者等は、 同じ出願の中でさ らに以下の好ま し い接続構造も提案した。' その第一は、 上記の基本構造にお いて、 導体層と介在層との接合界面における導体層の平面 方向の長さおよび幅が、 同層の直下にある介在層のそれよ リ も短い接続構造である。 その第二は、 上記の基本構造に おいて、 導体層の側面と同層の直下にある介在層の上面と のなす角度が 8 0 度以下である接続構造である。 このよう な構造にするこ とによって、 主に確認された実用上の効果 は、 導体層に通電した時に基材と導体層との間に生じる放 電現象が回避されるこ とであった。

その後本発明者等は、 この好ま しい接続構造の実用上の さ らなる効果を追跡確認した。 その結果このよ う な接続構 造が、 上記の効果に加えて熱応力緩和にも有効であるこ と が分かった。 例えば上記した特開平 1 一 5 5 2 7 1 号公報 ゃ特開平 9一 6 9 6 7 2 号公報の図面に記載された構造で は、 特に基材サイ ズが大き く なる と、 基板の外周端部に熱 応力が集中 して導体層の反 りや基材の割れが発生し易く な るが、 この課題についても解消されるこ とが判明 した。 ま たこのよ う な基本的な接続構造を形成すれば、 介在層に前 記のよ う なロウ材層を含む場合でも、 同じ問題点を解消し う る こ と も分かった。 また本発明者等はさ らに研究を重ね、 さ らに高い熟応力緩衝効果の得られる第三の基本接続構造 と して、 上記第一 · 第二の基本接続溝造に加え、 導体層 · 介在層の外周表面に主成分が N i を主成分とする外層を形 成するこ と も提案した （特願平 9 — 1 3 4 9 1 2 ) 。 この よう な基本接続構造とするこ とによって、 外層への熱応力 の分散効果が追加されるため、 よ り 一層信頼性の高いモジ ユールの得られる こ とも判明 した。

しかしながら、 ハイパワーモジュールの分野ではその高 容量化に加え、 その小サイ ズ化の動きが今後さ らに激し く なるこ とが予想される。 それ故以上述べたよう な基本接続 構造をベースに したよ り小サイズで、 よ り集積度の高い接 続構造の実現が望まれている。 したがって優れた熱伝導性 と電気絶縁性のセラ ミ ッ ク基材の層 と優れた電気伝導性の 導体層との組み合わせ接続構造を一単位と して、 従来以上 に多重に積層された大容量のモジュール用基板の出現が望 まれている。 以上のよう な現状に鑑み、 本発明の 目的は、 セラ ミ ッ ク基材上に銅を接続した基本溝造を一積層単位と して、 この積層単位を一単位か又は二単位以上に積層 した 銅回路接合基板、 と り わけハイパワーモジュールに用いら れる従来にない高い実用信頼性の銅回路接合基板を提供す る こ とである。 発明の開示

上記目的を達成するため、 本発明が提供する第一の銅回 路接続基板の一つのタ イ プは、 セラ ミ ッ ク基材上に介在層 を介して銅を主成分とする導体層を配した接続単位を、 一 単位のみか、 または二単位以上繰り返し積層 して接続した 銅回路接合基板であって、 全ての接続単位において、 その 導体層と介在層との接合界面における導体層の平面方向の 長さ （すなわち長手方向の寸法） および幅 （すなわち短手 方向の寸法） が介在層のそれに比べ少なく とも 0 . 0 5 m m短く 、 かつ （同 じ接合界面において） 導体層の外周側面 部が介在層のそれよ り もはみ出しておらず、 （またこれと は別に） 少なく と も一つの接続単位においては、 同接合界 面を除く 導体層の側面部の少なく とも一部が介在層の側面 部よ り はみ出している基本接続構造の銅回路接合基板であ る。 また本発明の第一の銅回路接合基板のも う一つのタ イ プは、 セラ ミ ッ ク基材上に介在層を介 して銅を主成分とす る導体層を配した接続単位を、 一単位のみか、 又は二単位 以上繰り返し積層 して接続した銅回路接合基板であって、 全ての接続単位において、 その導体層と介在層 との接合界 面における導体層の平面方向の長さ （すなわち長手方向の 寸法） および幅 （すなわち短手方向の寸法） が介在層のそ れに比べ少なく と も 0 . 0 5 m m短く 、 かつ （同じ接合界 面において） 導体層の外周側面部が介在層のそれよ り もは み出しておらず、 いずれの接続単位において も、 導体層の 側面部が介在層の側面部よ り はみ出していない基本接続構 造の銅回路接合基板である。

上記のよ う に本発明の第一の基板では、 基板の基本的な 接続単位は、 電気絶縁性のセラ ミ ッ ク基材側から順に、 同 基材、 接続のための介在層、 銅を主成分とする導体層で構 成される。 したがって、 これを二単位以上積層する場合に は導体層の次に介在層があ り、 次にセラ ミ ッ ク基材の層が 配置される。 以下この順に繰り返し積層配置される。

また全て接続単位においては、 その導体層 と介在層との 接合界面では導体層の平面方向の寸法が、 長さ · 幅両方向 と も 0 . 0 5 m m以上短く する。 さ らにその接合界面にお ける導体層の外周部が、 その介在層の外周部よ り はみ出さ ないよう にする。 また第一の基板の最初のタ イ プでは、 そ の接続単位の内には、 同単位内の導体層と介在層との接合 界面以外の部分で （それは一部分でも良い し、 またそれ以 上の部分でも良いが） 導体層の長さ およびノまたは幅方向 の寸法が介在層の.それよ り も長く 、 その介在層の外周端か らはみ出 したものがある。 このよう な接続単位が少なく と も一つある。 なお上記した 「導体層 と介在層 との接合界面」 とは、 導体層が介在層と直接接触している部分を指す。 ま た 「接合界面を除く 導体層の側面部」 と いう のは、 介在層 と直接接触していない導体層の別の側面部を指す。 したが つて例えば本発明の第二の基板において、 接続単位が一つ の場合には、 介在層と直接接触している接合界面部分では、 積層 した方向、 すなわち積層主面に垂直な方向から見る と 導体層の外周部は介在層の外周部からはみ出 していない力 導体層の介在層と直接接触していない別の部分では、 一箇 所以上の部分で介在層の外周部よ り はみ出 している （後述 の導体層の突き出 し部） 。 二単位の場合には、 一単位のみ がそうであっても良い し、 二単位ともそう であっても良い。 次に第一の基板のも う一つのタ イ プでは、 いずれの接続単 位においても、 導体層の側面部が介在層の側面部よ り はみ 出 していない。

またこの第一の基板においては、 外部との接続回路とな る導体層の主面方向の回路パタ ーンは、 その使用用途に応 じて変る。 したがって接続単位が 1 単位のモジュール用基 板では、 介在層の主面上のほぼ全面に同回路を形成しても よい し、 同主面上の一部の面に形成しても よい。 すなわち 介在層上に導体層の形成されていない部分があってもよい。 また接続単位が 2 単位以上のモジユールでは、 必要によ り 以上のよう に導体層 を部分的に形成した り 、 全く 導体層を 形成しない接続単位を配置してもよい。

本発明の第二の基板は、 上記第一の基板の好ま しい態様 であるが、 上記の基本構造において導体層の側面部と導体 層 と介在層との接合界面とのなす角度が、 8 0 度以下のも のである。 ただ し積層された一番端の単位が導体層になる 場合には、 接合界面の反対側の導体層の主面は、 その上に 何もないフ リ ーの面となるので、 この面と導体層の側面と のなす角度は、 通常は 8 0度以上に形成する。 ただしこの 面上に別の部材 · 部品が接合される場合には、 予めその必 要に応じて同角度を 8 0度以下にするこ と もある。 本発明の第三の基板は、 上記第一、 第二の基板の好ま し い態様の一つであるが、 導体層の外周側面部が、 階段状を な しているものである。

このタ イ プのものには、 介在層と接合される側の一番下 の段部の高さ （又は厚み） 力 、 導体層の全厚みの 1 / 3 以 下であ り、 なおかつ同段部つば部の介在層 との接合界面で の平面方向の長さ を、 導体層全体の厚みの 1 ノ 2 以上と し たものもある。

本発明の第四の基板は、 上記第一 · 第二の基板のさ らに 好ま しい態様の一つである力 上記した第一または第二の 基本構造において、 導体層と介在層の全ての外表面に、 さ らに N i を主成分とする外層が形成されて いる ものである。 セラ ミ ッ ク基材の露呈した外表面には介在層 を形成した部 分を除き、 この外層は形成しない。 ただ し この外層は、 必 要に応じて部分的に形成する場合もある。 二単位以上の積 層構造の場合には、 二単位目以上のセラ ミ ッ ク基材層の外 表面にも、 この外層を形成する場合があ り う る。 すなわち、 基板全体と して熱応力の偏り · 集中が解消され、 製造時お よび実用時に反 り や基材の損傷が生じない外層の配置であ れば、 いかなる配置であっても構わない。

本発明の基板は以上の四つの基本構造で構成されるが、 導体層とセラ ミ ッ ク基材と を接合する介在層の基本組成と 配置には、 いく つかの態様がある。 その第一は、 同介在層 が銀 （ A g ) 、 銅 （ C u ) の少なく と も一種を主成分と し、 活性金属を含むロウ材の層を含んでいるものである。 この ロウ材の層を含むものには、 先ずそれ単独のものがあ り、 さ らに基材側から順にこのロウ材の層と、 N i 、 F e 、 C uの少なく とも一種を主成分と し、 その融点が 1 0 0 0 °C 以下の低融点金属の層とからなるものがある。 また基材側 から順に先ず高融点金属を主成分とする層があ リ、 次いで このロ ウ材の層を配置したものもある。 なおこのロウ材層 に活性金属を含むものがある。 この活性金属と しては望ま し く は通常 I Va族または Va族の金属が用い られる。 その第 二は基材側から順に先ず高融点金属を主成分とする層があ り、 次いでこの層の上に上記の低融点金属の層を配置した ものがある。 介在層 を構成する層と して基材上に高融点金 属層を形成する場合には、 基材と反対側の同層主面は、 R a で 4 μ m以下の表面粗さ とするのが望ま しい。 なお以上 述べた介在層で用い られる低融点金属の層は、 1 ー 系 や N i 一 P系成分からなるメ ツキによって形成してもよい。

二種の層で構成される介在層では、 二種の層の平面方向 の長さや幅は、 必ずしも同じでなく ても良い。 例えば高融 点金属層と低融点金属の層を積層する場合には、 前者の同 寸法を大きめにする こ ともできる。 介在層の厚みについて は、 基材の大きさにもよるが （通常介在層を形成する基材 の主面の平面方向の寸法が大き く なるに したがって、 介在 層の総厚みは大きめに設定する必要がある。 ） 、 最低でも 数 μ πιは必要である。 通常ロウ材の層および高融点金属層 の厚みは、 3〜 5 0 μ πι程度が、 また低融点金属の層の厚 みは、 2〜 4 0 μ m程度が有利である。

また本発明の基板では、 導体層および基材の厚みをそれ ぞれ X ( m m ] ， y ( m m ) と した時、 それらの間に不等 式 y ≥ 0 . 5 + 0 . 4 8 を満たすよう に両者の厚みを予 め設定するのが望ま しい。

基材の材質については熟伝導率および電気絶縁耐圧の高 いものが望ま しい力 これに加えて機械的な強度 · 靭性に も優れているものが望ま しい。 またこの種の基板の使用環 境の拡がり に と もなって、 湿気やガス雰囲気に対する耐久 性にも優れている こ とが重要にな り つつある。 以上の点か ら眺め、 本発明では基材となるセラ ミ ッ ク ス と して窒化ァ ルミ ニゥム （ A 1 N ) 系か、 または窒化珪素 （ S i ₃ N , ) 系のものが有利に選択される。 しか し負荷容量 · 使用条件 によっては、 アルミ ナ （ A l ₂〇 ₃ ) 他の単一主成分のもの か、 またはい く つかの主成分で複合化された各種のセラ ミ ッ ク スが選択される場合もある。

次に本発明の基板の製造方法は、 （ 1 ) セラ ミ ッ ク基材

訂正された用紙 （規則 91) を準備する工程と、 （ 2 ) 介在層と直接接合される部分の 平面方向の長さおよび幅が、 介在層のそれよ り も少なく と も 0. 0 5 m m短い導体層の素材であって、 介在層と直接 接合されない部分の平面方向の少なく とも一部の端が、 接 合後介在層のそれよ り もはみ出す形状の素材 （ I ) および 又ははみ出さない形状の素材 （II) と を準備する工程と、 ( 3 ) 積層単位毎にそれぞれ所定の導体層の素材と して、 この素材 （ I ) および 又は （II) を選んだ後、 基材と導 体層を形成する素材との間または導体層同志間に介在層を 形成する素材を配置して、 所定の繰り返し接続単位を、 一 単位または二単位以上積層 して接合アセンブリ ー とするェ 程と、 （ 4 ) 介在層成分の融点ない し導体層素材の融点未 満の温度範囲でアセンブリ ーを加熱して接合体とする工程 と、 最後に （ 5 ) この接合体を仕上げる工程と を含む。

なお （ 1 ) のセラ ミ ッ ク基材を準備する工程には、 同セ ラ ミ ッ ク基材上に高融点金属層を形成する、 いわゆる金属 化セラ ミ ッ ク基材を調製する工程も含む。 この金属化セラ ミ ッ ク基材を調製する方法には、 後述のよ う に焼結したセ ラ ミ ッ ク基材上に高融点金属を含むペース 卜 を印刷塗布し た後、 これを焼き付ける、 いわゆるポス ト フ ア イ ヤーメ タ ライ ズ法と、 セラ ミ ッ ク スの原料を成形した成形体上に同 ペース ト を印刷塗布した後、 セラ ミ ッ ク スの焼結と ともに これを焼き付ける、 いわゆるコフ アイ ヤーメ タ ライ ズ法と がある。 なお、 本発明ではこのポス トフ アイ ヤーメ タ ライ ズ法を単にポス トフ アイ ヤー法、 コフ アイ ヤーメ タ ライ ズ 法を単にコフ アイ ヤー法とも言う。

本発明の第二の基板では、 最終的に導体層の側面と これ に隣接する介在層との接合界面とのなす角度を 8 0 度以下 に調製する。 又、 第三の基板では最終的に導体層の側面に 段差を設ける。 これらの調製は導体層の回路形態に応じて

( 2 ) の導体層の素材を準備する段階で行う場合と、 （ 4 ) の仕上げ工程で行う場合とがある。

本発明の第四の基板では、 最終的に導体層および介在層 の外表面に N i を主成分とする層を形成するが、 これは通 常 （ 4 ) の仕上げ工程で行う。 ただしこの場合導体層を予 めメ ツ キ · 印刷焼き付け等の方法によ り形成しておいて、 この層を接合アセンブリ 一 とするための介在層 と兼用 して も良い。 またこの （ 4 ) の仕上げ工程には、 これ以外の表 面処理や寸法 · 表面の最終仕上け、 半導体 I Cや他の部品 部材の取り付けに必要な種々の付随工程が含まれる。

また本発明は、 以上述べた各種接続構造を有する銅回路 接合基板に半導体素子をダイ ボンディ ングした半導体装置 および同装置が接続された冷却システムをも提供する。

汀正された用紙 （規則 91 ) 図面の簡単な説明

図 1 は導体層の主面の一部が、 同層の下に形成された介 在層の主面よ り もはみ出した本発明の比較事例を模式的に 示す図である。

図 2 は従来の基板の基本接続構造を模式的に示す図であ る。

図 3 は本発明の基板の基本接続構造の一事例を模式的に 示す図である。

図 4 は本発明の基板の基本接続構造の一事例を摸式的に 示す図である。

図 5 は本発明の基板の基本接続構造の一事例を模式的に 示す図である。

図 6 は本発明基板の接合部剥離強度の測定法を説明する 図である。

図 7 は本発明の実施例 7 で調製した基板を用い、 半導体 素子を搭載した半導体装置を模式的に示す図である。

図 8 は本発明の実施例 7 で調製した基板を用いた半導体 装置を模式的に示す図である。

図 9 は本発明実施例 4 の導体層と介在層の接続断面を拡 大 し模式的に表した図である。

図 1 0 は本発明実施例 4 の導体層と介在層の接続断面を 拡大 し模式的に表した図である。 図 1 1 は本発明基板の導体層の形成事例を模式的に示す 図である。

図 1 2 は本発明基板の基本接続構造の事例を摸式的に示 す図である。

図 1 3 は本発明基板の基本接続構造の事例を模式的に示 す図である。

図 1 4 は本発明基板の基本接続構造の事例を模式的に示 す図である。

図 1 5 は本発明基板の導体層の形成事例を摸式的に示す 図である。

図 1 6 は本発明基板の導体層の形成事例を模式的に示す 図である。

図 1 7 は本発明の基板を搭載した半導体装置を用いた冷 却システムを模式的に示す図である。 発明を実施するための最良の形態

本発明の第一の同回路接合基板、 セラ ミ ッ ク基材上に介 在層を介して銅を主成分とする導体層を配した接続単位を、 一単位のみか、 または二単位以上繰り返し積層 して接続し た基本構成の銅回路接合基板である。 すなわち （基材の層、 介在層、 導体層） 、 （基材の層、 介在層、 導体層） 、 · · の単位を繰り返し積層 したものである。 ただ し積層された 場合一つの基板の一方または両方の端が導体層、 介在層、 基材のいずれで終っても良い。 この場合、 通常は全ての積 層単位において各層の材質は同じものを用いるが、 必要に 応じて異なるものを組み合わせてもよい。 本発明の基板は、 以上の基本構成でその導体層と介在層 との接合界面におい て、 導体層の平面方向の長さ （すなわち長手方向の寸法） および幅 （すなわち短手方向の寸法） が介在層のそれに比 ベ少なく と も 0 . 0 5 m m短く 、 かつ （同じ接合界面にお いて） 導体層の外周側面部が介在層のそれよ り もはみ出し ていない。 （またこれとは別に） 本発明の第一の基板の最 初のタ イ プは少なく とも一つの積層単位においては、 同接 合界面を除く 導体層の側面部の少なく と も一部が介在層の 側面部よ り はみ出 している。 又、 も う一つのタ イ プはいず れの接続単位においても導体層の側面部が介在層の側面部 よ り はみ出 していない。 このように本発明の基板は、 特に 導体層の形状に特徴を持たせた基本接合構造の銅回路接合 基板である。

本発明の基板では、 介在層と導体層の直接接合された接 合界面上で、 導体層の外寸が上記のよ う に小サイ ズである。 ただしい く つかの積層単位の中には、 介在層との接合界面 上にない導体層の部分のいずれかの箇所が、 介在層よ り大 きな外周寸法となっているものもある。 この大きなサイ ズ の箇所は、 基板を半導体装置に組み込んだ際の外部への出 力端子を兼ねる場合もある。 したがって、 この大きなサイ ズの箇所の形状は種々のものが考えられる。

この第一の基板の最初のタ イ プでは、 二層の基本的な積 層単位の接続溝造で基板の断面を と る と、 例えば図 1 1 に 記載のよ う ない く つかのものが考えられる。 同図の （ a ) はまず最下層の基材 1 b の直上に 2枚の板状素材を貼 り合 わせて作製した導体層 3 b を配置したものである。 寸法の 小さい方の素材は板でもよいが、 大きい方の素材上に銅の ペース ト等で厚膜層と して形成してもよい。 また両素材を 合体する方法は、 それらの間にロウ材層ゃメ ツ キ層を形成 し、 それを介して行う方法でもよい。 また最下層の基材 1 b 上の介在層 2 c と、 その直上の突き出 し部分 1 7 を設け た導体層 3 b との接続は、 予めエッチチングまたは塑性加 ェ等の方法によって、 突き出 し部の付け根部分に図のよ う にヌ ス ミ 1 8 を設け、 これによつて導体層と介在層接合界 面での導体層 3 b の寸法を介在層 2 c のそれよ り も小さ く する こ とができる。 このヌ ス ミ の形状は多種多様な形に成 形できる。 例えば突き出し部分の付け根では、 同図、 下段 の拡大図に示した様に （ d ) 、 （ e ) . 、 （ f ) の様な形状 に加工する こ と もできる。 また積層する繋ぎ部分では例え ば （ g ) 、 （ h ) 、 （ i ) の様に加工するこ と も可能であ る。 図の （ b ) では最下層の基材 1 b上に付けた導体層 3 の （上部基材に面した） 上面の接合界面周辺部に小さな 段差 1 8 を付けている。 この段差についても予めエツチン グまたは塑性加工等の方法によって形成可能である。 また 同図の導体層の突き出し部分 1 7 は、 パッケージの構造に 応じて随時自在に曲げた りするこ とも可能である。 さ らに 図の （ c ) には、 別の接続構造が示されている。 本発明の 第一の基板のもう 一つのタ イ プは、 図 3 のよ う な接続単位 を基本に したものである。 本発明の基板では、 上記のよ う に導体層と介在層との接合界面上で、 導体層のサイ ズが隣 接する介在層のそれよ り も必ず小さいために、 以上のよ う に導体層の別の部分で同層のサイ ズを大き く して も、 熱応 力を分散させ緩和する基本的な効果のある こ とには変わ り はない。 接続単位が一つの場合には、 導体層の素材と して 前記した素材二種の内、 素材 （ I ) を少な く と も一層用い る。 これは例えば図 1 I では 3 b に相当するものである。 接続単位が二つ以上の場合には、 素材 （ I ) の形状の導体 層を最下層の積層単位のみに用いても良い し、 必要によ り 二つ以上の積層単位に用いても良い。

例えば図 1 1 の （ a ) 〜 （ c ) は接続単位が二単位の場 合を示し、 この場合前記した下の介在層の外寸からはみ出 さない素材 （I I ) に相当する導体層は 3 a である。 又、 上部から見た導体層 （すなわち銅回路） のパターン は、 このモジュール用基板の使途によって様々である。 図 1 5 にその事例を示す。

なお、 同図の符号は図 1 1 に準ずる。 図の （ d ) は基板 の横断面図であ り、 この構造の二層 目 （下段） の接続構造 は、 図 1 1 の （ c ) と同じであるが、 二層 目 （上段） のそ れとは異る。 （ c ) はこの基板を上から見たものであ り、

( a ) の一層 目の上に （ b ) の二層 目 を載せて接続したも のである。 なお （ b ) の二層目の基板の裏面には断面図

( d ) に示される介在層 2 bが形成されている。

二層 目 の基板上にはその左側に二層 目 の導体層 3 a が形 成されている。 又、 右側には 3 ッのパタ ー ンに分割された 介在層 2 a が形成され、 その上には導体層の回路パタ ーン は形成されていない。 なお （ a ) において 1 8 の部分は

( d ) にその断面を示すよう にヌス ミ 凹部を形成した部分 である。 又、 導体層の回路パターンには、 例えば第二層の セラ ミ ッ ク基板上に介在層が形成されたのみで、 導体層の 回路パタ ー ンが全く 形成されないこ と もある。

基材と して用いるセラ ミ ッ クス焼結体には、 例えばアル ミナ、 窒化アルミ ニウム、 窒化珪素を主成分とするものが ある。 これらの焼結体は、 通常知られている Y ₂ 〇 ₃等の希 土頼元素の化合物、 C a O等のアルカ リ 土類元素の化合物 および S i 0₂、 T i 0₂等の各種遷移金属元素の化合物等 を焼結助剤と して添加し、 焼結されたもので、 その相対密 度が 9 5 %以上、 好ま し く は 9 8 %以上のものを用いる。 これらのセラ ミ ッ ク スの熱伝導率は、 通常は前述の レベル である力 高い程望ま しい。 例えばアルミ ナ、 窒化アルミ 二ゥム、 窒化珪素を主成分とするものでは、 それぞれ 2 0 W m ' K以上、 l O O WZ m ' K以上、 S O W/m ' K 以上のものが好ま しい。 よ り好ま し く は、 それぞれ 4 0 W Zm ' K以上、 1 5 0 W/m . K以上、 6 0 WZm ' K以 上である。

と ころで基材用のセラ ミ ッ クスの中で、 特に窒化珪素系 セラ ミ ッ クスは、 窒化アルミ ニウム系セラ ミ ッ クスのよ う に水分 · アルカ リ による変質が生じ難く 、 耐環境性にも優 れてお り 、 電気絶縁性 ， 機械的強度にも優れている。 特に その機械的強度は窒化アルミ ニウムよ り もかな り高く 、 本 発明の回路基板と して注目 されるものである。 このよう に 機械的強度に優れているため、 例えば基材の厚み方向に放 熱する基板と して用いる場合、 その厚みを よ り薄く するこ とができる。 その結果その熱伝導率は窒化アルミ ニウムよ り 小さ く ても、 実質的に低い熱抵抗値のものが得られる と いう利点がある。 また基材 1 枚当た り の厚みを薄く する こ とができれば、 多重の基材積層による回路基板の高集積 - 高容量化も可能となる。 高熱伝導性で高強度の窒化珪素系 セラミ ッ ク ス を得るためには、 S i ₃ N ,結晶粒子内の酸素 量の低減が解決手段の一つと して挙げられる。 結晶粒子か らの脱酸素を促進するためには、 （ 1 ) 出発主原料中の酸 素の量を抑え、 （ 2 ) 従来よ り焼結助剤と して加えられ、 脱酸素剤と しての働きもする希土類元素、 アルカ リ 土類元 素、 IVa族元素等の化合物の量を適量にコ ン ト ロールし、 結晶粒子の /9 晶化を促進する必要がある。 S i N ,結晶粒 子内の酸素量の 目安と しては、 1 0重量％以下、 好ま し く は 5重量％以下、 さ らに好ま し く は 1 重量％以下である。 また （ 3 ) 結晶粒子内に固溶してその本来の熱伝導性を低 下させる陽イ オン成分、 特にサイ アロ ン を形成するアルミ ニゥム化合物の量を極力抑えること も解決手段の一つであ る。 これらの量は酸化物に換算して焼結体の 1 重量％以下 に抑えるのが望ま しい。

例えば本発明回路基板用の基材と して有利に用いられる 窒化珪素系セラ ミ ッ クスと しては、 既に述べた特開平 9 — 6 9 6 7 2号公報に記載のように、 上記 （ 2 ) および （ 3 ) を考慮して作製されたものが挙けられる。 なおこれに対し 従来よ り機械的強度の向上を優先して開発されてきた窒化 珪素系セラ ミ ッ ク ス （以下本発明では、 この種のものを従 来の窒化珪素系セラ ミ ッ ク スと称す。 ） は、 前述のよ う に

丁正された用紙 （規則 91) その熱伝導率がせいぜい 5 O W / m · K程度のものである。 しかしながら、 最近上記公報に開示されているよ う に熱伝 導率が 5 O W / m · K以上かつ曲げ強度が 6 0 0 M P a以 上のものが得られるよう になつてきた （以下この種のもの を本発明では、 高熱伝導性窒化珪素系セラ ミ ッ ク ス と称 す。 ） 。 特に粒界相の希土類元素をランタ ノ ィ ド系列元素 と し、 さ らに同相に少量のアルカ リ 土類元素や I Va族元素 の化合物を含んだものは、 熱伝導率が 1 5 O W / m - K以 上、 曲げ強度が 1 0 0 0 M P a以上のものもある。 以上述 ベたよう な高強度で高い熱伝導性の窒化珪素系セラ ミ ッ ク ス を本発明の回路基板用の基材と して用いる と、 同じ長さ ' 幅の基材で比較した場合、 窒化アルミ ニウム系セラ ミ ッ ク スに比べ約 7 0 %程度の厚みでも、 実用時の熱衝撃 · 機械 的負荷に十分耐え、 耐環境性に優れた回路基板の得られる こ とが確認されている。 またこれらのものは、 各種の金属 化処理を施す点においても、 複雑な各種溝造の形状のもの でも実用上問題の無いこ とが確認されている。

なお、 基材面上に高融点金属の層を形成する場合には、 同層を形成する面にこれら金属との結合を促進する層が形 成されていて も よい。 このよう な成分と しては、 例えば、 上で述べた基材の焼結助剤と して用いる酸化物がある。 ま た、 窒化アルミ ニウム、 窒化珪素を主成分とする基材の場 合には、 基材の表面を予め酸化し、 主成分の酸化物の層を 形成する場合もある。 以上述べたセラ ミ ッ ク スの中では、 放熟性 · 熱衝撃性に優れた窒化アルミニウムまたは窒化珪 素を主成分とするものが好ま し く 、 特に窒化アルミ ニウム を主成分とするものが好ま しい。 また基材の熟抵抗を小さ く するためには、 可能な限り その厚みを小さ く する必要が ある。 このためには、 例えば窒化アルミ ニウムを主成分と する ものでは 4 0 O M P a以上、 窒化珪素を主成分とする ものでは 7 0 0 M P a以上の曲げ強度のものが好ま しい。 導体層と して用いる銅を主成分とする材料には、 無酸素 銅、 タ フ ピッチ銅等の銅またはその合金、 銅一モリ ブデン 系、 銅一 タ ングステン系、 銅一モ リ ブデン ♦ タ ングステン 系等の銅の複合合金、 高い電気伝導度と低い熱膨張係数と を兼ね備えた銅一モリ ブデン—銅のよう なク ラッ ド材が挙 げられる。 また必要に応じて、 この導体層上には、 例えば コノ ール等の F e — — C o 系合金、 4 2 ァロイ 等の F e — N i 系合金、 N i および N i 系合金、 C u および C u合金、 ならびに W、 M 0 および Wまたは M 0 系合金等 のよ う な半導体装置に用いられる外囲器材が直接または間 接に接合されていてもよい。

また前述のよ う に、 この導体層の介在層 と直接接合され ている主面は、 その直下に形成された介在層の主面よ り外 周寸法の小さいものとする。 具体的にはその平面方向の、 すなわち主面の長さ · 幅方向ともに、 直下または直上に形 成された介在層のそれよ り も少なく とも 0 . 0 5 m m短く し、 接合後主面 （すなわち平面方向） に対し垂直な方向か ら見て （つま り上方から見て） 、 その外周側面部が同層の 直下または直上に形成された介在層の端からはみ出ないよ う にする。 特にこの場合 0 . 0 5 〜 l m mの範囲で短かく するのが望ま しい。 ただし銅からなる回路である導体層の 主面の長さ ♦ 幅が介在層のそれよ り短く ても、 例えば同接 合部分を切り 出して模式的に描いた図 1 のよう に、 接合後 その接合位置がずれて、 介在層との接合界面においてその 外周部がはみ出すこ とのないよう にする。 なお同図の （ a ) は導体層 3 が左水平方向にずれ、 同層の直下にある介在層 2 の左端よ り もはみ出ている場合を示し、 同図の （ b ) は 導体層 3 が斜めにずれていて、 同層の一部分が同層の直下 にある介在層 2 の端からはみ出している場合を示す。 接合 後の導体層 3 は、 同層の上方から見てその外周部分がこの よう にはみ出さないよう にするこ とによって、 導体層と介 在層との界面のはみ出 し部に熱応力が集中 して、 同部分に 損傷が生じた り、 通電時の導体層と基材との間での放電現 象が生じるのを未然に防止できる。 また基材表裏間の電気 的な絶縁を保っために、 介在層の外周サイ ズは基材のそれ よ り も短いこ とが好ま しい。 これによつて基材のエッ ジ部 に熱応力が集中 し基材が損傷するのを防止できる。

なお従来のこの種の基板では、 接合部分を切 り 出 して、 接合された主面の垂直な方向から見る と図 2 の （ a ) のよ う にな り 、 介在層 2 は導体層 3 よ り基板の外周側に向かつ てはみ出 して形成されていない。 しかしながら、 本発明の 基板では、 同じ方向から見る と図 3 の （ a ) のよう にな り、 介在層 2 は導体層 3 よ リ基板 1 の外周側に向かってはみ出 して形成されている。 したがって、 従来の接続構造では導 体層 3 と基材 1 との間の熱膨張係数の差によって発生した 熱応力は、 図 2 の （ b ) の同基板の断面図に記載した介在 層 2 の端部 4 に集中する。 それ故この部分のセラ ミ ッ クス 部分が割れやすく なる。 一方本発明の場合には、 発生した 熱応力は介在層によって基材の外方に分散される。 それ故 この部分のセラ ミ ッ ク ス部分での割れは殆ど起こ らなく な る。 さ らに従来の接続構造に比べ導体層の回路から発生す る熱が、 基材の外周方向によ り広く 拡がって伝達されるた め介在層の端部の昇温も抑えられ、 上記の基材の割れへの 影響も少なく なる と と もに、 実用時の放熱性が改善され基 板全体の熱抵抗も小さ く なる。

なお導体層の側面の断面形状は、 外側または内側に凸状 をなす曲線状であってもよい。 また放電現象を避けるため には、 側面および主面ともでき る限り平滑であるのが望ま しい。 特に R maxで 2 0 μ m以下であるのが望ま しい。 ま た同 じ理由で導体層の稜ゃコーナ一にはバリ等の突起が無 いのが望ま し く 、 稜ゃコーナー を小さい曲面状に形成する のが望ま しい。

以上述べた本発明の効果、 すなわち放電現象を防止する と ともに、 熱応力の部分的な集中によるセラ ミ ッ ク ス基材 の割れを防止する効果は、 前記した第二の基板の構造すな わち導体層の主面の外周側面とその直下または直上にある 介在層の主面とのなす角度を 8 0度以下とするこ とによつ て、 さ らに向上する。 ただし前述のよう に、 導体層の一方 の主面が基板の外周端に来る場合には、 この面と側面との なす角度は 8 0 度以上とするのが望ま しい。 このよう に導 体層の側面部に傾斜を付ける こ とによって得られる効果の 発生メ カニズムは、 ほぼ上記と同様である。 なおこのよ う に導体層の側面に角度を付けた構造を図 4 に模式的に示し た。 同図の （ b ) は同図の （ a ) の端部断面を拡大 した図 である。 この図で導体層 3 が積層構造の中間にある場合に は、 通常は θ ,、 θ ₂ともに 8 0 度以下と し、 また導体層が 積層構造の一方の端に有る場合には、 通常は が 8 0度 以下、 θ ₂が 8 0 度以上となるよ う にする。 なお、 図 9 お よび図 1 0 には、 これらの変形例を示す。 図 9 では導体層 3 の側面が外周方向に向って凸状になってお り 、 図 1 0 で は凹状になっている。

また前記した第三の基板の構造、 すなわち導体層の主面 の外周側面部が階段状をなすよう にするこ とによつても、 熱応力による基材の損傷を低減するこ とができ る。 またこ の場合さ らにその階段状の側面部において、 その最下層段 部の高さ （厚み） とその平面方向 （主面方向） の長さ を コ ン ト ロールするこ と によって、 導体層の熱膨張 · 熱収縮に よって生 じる基材への熱応力が緩和される。 例えばこの最 下層段部の高さ （厚み） を導体層全体の厚みの 1 / 3 以下 に抑える と ともに、 同部の平面方向 （主面方向） の下段つ ば部の長さ を導体層全体の厚みの 1 / 2以上にする こ とに よって、 特に熱サイ クル衝撃に強いものになる。 この導体 層はプレス成形またはエッチングによって所定形状に加工 するこ とができ る。 図 1 6 にその形成事例を示す。 図 1 6 は接続単位一単位のシ プルな例である。 図において （ a ) はその導体層側から見た上面図であ り、 u ， wは導体層下 段つば部の主面方向の長さである。 又 （ b ) はその横断面 図であ り、 t 。， t はそれぞれ導体層の総厚み、 下段部の 高さ を示す。 この図において上記の寸法関係を不等式で示 すと、 t ^ t 。 / 3 、 u ≥ ( 1 / 2 ) t： 。、 w ( 1 / 2 ) t 。の 3 ッの条件を満たすものが望ま しいこ と になる。 本発明の基板には、 介在層と して A g 、 C uの少なく と も一種を主成分と し活性金属を含むロ ウ材の層を介在させ たものが含まれる。 ロウ材に含まれる活性金属と しては、 I Va族または V a族元素の金属が主に用い られる。 特に I Va 族元素の金属が好ま しい。 この種の金属によってロウ材層 の成分と、 その両側に配置する導体層や高融点金属層等の 成分との接合時の濡れ性が大幅に改善される。

また介在層に活性金属を含むロウ材の層が存在する場合、 介在層はこのロ ウ材の層単独でもよいが、 同層上にさ らに N i 、 F e 、 C u の少なく とも一種を主成分と し、 その融 点が 1 0 0 0 °C以下の低融点金属の層を形成する こ とによ つて、 ロウ材の層単独の場合よ り も、 導体層 と基材との熱 . 膨張係数の違いによって生じる熱応力の緩和がよ リー層促 進される。

なお以上のよ う に介在層が、 ロウ材の層 と上記低融点金 属の層との二層構造である場合には、 その基本構造の接続 単位をいく つか重ね、 二単位以上に積層 してもよい。 この よう な積層の単位数は、 多すぎる と同介在層 自体の熱応力 が大きく なる と と もに、 同層の介在によって部材全体の放 熱性を低下させる場合もある。 また導体層の主面の面積が 大き く なればなるほど熱応力の緩和機能を高めるため、 同 単位数を多めにする場合もある。 したがって導体層の主面 の面積と使用時の負荷状況に応じて、 適宜決定する必要が ある。 なお通常の場合、 その接続単位の一単位内でのロウ 材の層と上記金属の層のそれぞれの厚みは、 前者が概ね 3 〜 5 Ο μ πι程度、 後者が概ね 2〜 4 Ο μ πι程度であるのが 望ま しい。 いずれも 5〜 2 0 μ m程度であるの力 、 さ らに 望ま しい。 2 μ πι未満では、 特に単層の場合接合に十分な 液相が得難く 、 十分な接合強度が得難く なる。 また 4 0 μ mを越える と、 同介在層によって部材全体の放熱性が低下 し易く なる。 なお積層の単位数が多い場合には、 可能な限 リ ー単位の層の厚みを、 以上の範囲内で小さめにするのが 望ま しい。

また上記したロ ウ材の層に隣接して形成する低融点金属 の層は、 い く つかの種類が考えられる力 通常は N i 、 F e、 C uの少なく とも一種を主成分と し、 これに低融点 の従成分を少量添加したものや、 これら と低い温度で共晶 組成化合物を形成する従成分を少量添加したものを用いる。 例えば添加する従成分と しては、 B、 A 1 、 I n等の 11 lb 族、 P、 S b等の Vb族および Z n、 S nが挙げられる。 添加量は主成分のヤング率、 耐蝕性を顕著に低下させない ために 1 0重量％以下とするのが望ま しい。 この場合その 溶融温度は 1 0 0 0 °C以下のものを選ぶ。 本発明では同金 属の層の溶融点以上で接合を行う。 しか しながらその溶融 温度が 1 o o o °cを越える と、 接合の際の作業温度が同温 度を越える。 それ故銅の導体層の軟化による変形が生じ易 く な り 、 同層の形が崩れるこ と もあ り う るからである。 通 常この作業温度は 1 0 0 o °c以下である。 この場合同介在 層の低融点金属は、 低融点の従成分を含む N i を主成分と したものと し、 メ ツキによって同層を形成するのが好ま し い。 この方法が最も製造の効率が良い。 また厚みが容易に 制御でき、 そのバラツキの低減にも役立つからである。 ま た N i メ ツ キは特に耐食性、 密着性の点でも優れているか らである。 N i メ ツ キの場合通常は N i 一 P系の一層のみ とする力、、 または N i — B系の層を下層と し、 N i — P系 の層 を上層 と した二層構造に してもよい。

さ らに活性金属を含むロウ材の層が存在する本発明の第 一の基板の別の接続構造と して、 基材上にまず高融点金属 層があ り 、 さ らにその上に活性金層 を含むロ ウ材層のある 接続構造がある。 基材上に直接形成する高融点金属層の主 成分は、 例えばタ ングステン （W) 、 モ リ ブデン （M o ) 、 タ ンタル （ T a ) 、 チタニウム （ T i ) 、 ジルコニウム ( Z r ) 等の金属である。 この高融点金属層には、 セラ ミ ッ ク ス焼結体基材との接合性を改善するため、 基材と して 用いるセラ ミ ッ ク焼結体に焼結助剤と して添加する各種成 分を含むガラスフ リ ツ 卜 を含んでもよい。 なおこの高融点

汀正された用紙 （規則 91) 金属層の厚みは、 概ね 3 〜 5 0 μ πι程度が望ま しい。 好ま し く は 5 〜 2 0 μ πι程度である。 3 μ πι未満の場合には基 材と同層との間の実用上十分な接合強度が得難く 、 また

5 Ο μ πιを越える と同層上に上記のロウ材等の介在層を形 成した後に、 基板が反 り易く なる。

なお本発明の基板の介在層に高融点金属層を形成する場 合には、 その表面粗さ を小さ くするこ とが望ま し く 、 好ま し く は R a で 4 μ πι以下である。 これによつて基板に負荷 される熱応力を緩和する効果が安定して得られる。 また接 合部の強度のバラツキが小さ く な り、 熱サイ クルに対する 耐久性が向上する。

また本発明の第三の基板では、 以上述べた構成の第一、 第二の基板構造に基づいて、 さ らに導体層の形状を コ ン ト ロールされたものとする。 その構造の基本的な考え方は、 すでに図 1 6 によ って説明 したとお り である。

また本発明の第四の基板では、 以上述べた第一 · 第二の 基板を形成した後、 図 5 の模式的な部分構造断面図に記載 のように、 銅の導体層 3 の上面と側面、 同層の直下に形成 した介在層 2 の露呈面および基材 1 の端面にかけて、 必要 に応じて N i を主成分とする外層 5 を形成する。 この外層 を形成するこ とによって部材の耐蝕性が向上する と ともに、 熱応力の緩和機能がさ らに向上する。 具体的には、 導体層 3 の回路の環境からの保護、 特に湿気による腐蝕の進行を 抑える こ とができ る。 またこれに加え導体層 3 と基材 1 と の間の熱膨張係数の差によって生じる熱応力力^ セラミ ツ ク ス基材 1 と介在層 2 との接合界面へ局在集中するのをさ らに抑える こ とができる。

この外層 5 は、 既に介在層の説明でも述べたよ う な方法 で、 メ ツ キによって形成するのが製造上 · 品質上好ま しい。 同層の具体的な組成は前記と同様、 通常は N i 一 P系の一 層のみとする力、、 または N i — B系の層を下層 と し、 N i — P系の層を上層 と した二層構造にすればよい。 なおこの 層の厚みは、 概ね 2 〜 4 0 μ πι程度が望ま しい。 2 μ πα未 溝では熱応力の緩和機能が十分得られなく なる恐れがある。 また 4 0 ； mを越える と導体層表面からの放熱性が低下す る こ と もある。

また本発明の提供する基板には、 各積層単位の介在層が 基材側から順に主成分が高融点金属である高融点金属層と、 N i 、 F e 、 C u の少なく と も一種を主成分と し、 その融 点が 1 0 0 0 °C以下の低融点金属の層とから なるものもあ る。 この接続構造では、 介在層にロ ウ材の層 を含んでいな い。 基材に直接形成される高融点金属層の組成、 およびそ の好ま しい層の厚みは前述のものと同様である。 さ らに既 に説明 したよう に、 この場合でも以上述べた基本構造の介 在層の接続単位をい く つか重ね、 二単位以上積層 してもよ い。 また使用する基材、 高融点金属層の上に形成された低 融点金属の層の具体的な実施態様およびこの接続構造とす る こ とによる熱応力緩和等のいく つかの効果は、 以上述べ てきた説明と同様である。

以上のよ う に本発明の基板には、 四つの基本構造がある が、 セラ ミ ッ ク基材と導体層の厚みの関係を特定の範囲に コ ン ト ロールするこ と によつても、 導体層の熱による伸縮 で生じる熱応力が緩和されて、 セラ ミ ッ ク基材のこれによ る損傷を未然に防ぐこ とができる。 すなわちセラ ミ ッ ク基 材および導体層の厚みをそれぞれ y -〔 m m〕 ， x [ m m ] とする と、 y 0 . 5 x + 0 . 4 8 の関係を満たすよ う に それぞれの厚みを設定する。 このよ う にするこ とによって 導体層がセラ ミ ッ ク基板の上か下かいずれかのみに設けら れた り、 同基材の上と下とで導体層の外寸が大き く 異なる よう な場合には、 基板全体の反り量を小さ く する こ とがで きる。 したがって本発明の基板を半田等によって他の部品 と接続した り 、 例えば冷却システム本体に機械的に取り付 ける場合、 高い信頼性で合体するこ とが可能になる。

次に本発明の銅回路接合基板の製造方法について述べる。 その製造方法は、 （ 1 ) セラ ミ ッ ク ス基材を準備する工程 と、 （ 2 ) 介在層と直接接合される部分の平面方向の長さ および幅力 介在層のそれよ り も少なく とも 0 . 0 5 m m 短い導体層の素材であって、 介在層と直接接合されない部 分の平面方向の少なく と も一部の端が、 接合後介在層のそ れよ り もはみ出す形状の素材 （ I ) および または、 はみ 出さない形状の素材 （I I ) と を準備する工程と、 （ 3 ) 積 層単位毎にそれぞれ所定の導体層の素材と して、 この素材 ( I ) および/または （I I ) を選んだ後、 基材と導体層を 形成する素材との間に介在層を形成する素材を配置して、 所定の繰 り返し積層単位を、 一単位または二単位以上積層 して接合アセンブリ ー とする工程と、 （ 4 ) 介在層成分の 融点ない し導体層の融点未満の温度範囲でアセンブリ ーを 加熱して接合体とする工程と、 最後に （ 5 ) この接合体を 仕上げる工程と を含む。 なお導体層 を図 1 1 の a のよう に 貼 り合わせる場合には、 上記 （ 3 ) の工程で複数の導体層 の素材を積層 し、 その間にロ ウ材のよ う な上記介在層 を介 挿するこ と もある。

セラ ミ ッ クス製の基材は、 既に述べた仕様のものを用い る。 すなわち基材は、 通常は例えば A 1 N、 S i ₃ N ,、

A 1 ₂ 0 ₃の様な主成分粉末を用い、 既に述べたよ う な種々 の焼結助剤の粉末を混合し、 同混合粉末を成形して焼結し、 所定形状に仕上げ加工を行う方法によって得る。 その後必 要に応じ介在層を形成する面の上に前述の、 例えばその表

訂正された用紙 （規則 91 ) 面に酸化層を形成する等の、 金属化を促進する前処理を行 Ό。

セラ ミ ッ ク基材上に予め高融点金属層を形成する通常の 方法は、 以下の二通 り ある。 その第一は、 上記のよう に調 製されたセラ ミ ッ ク焼結体からなる基材上に、 前述の成分 を含み有機バイ ンダ一 と有機溶媒を混ぜた高融点金属べ一 ス ト を印刷塗布し、 これを非酸化性雰囲気中で焼成する、 いわゆるポス ト フ アイ ヤー法である。 その第二は、 上記の 基材調製工程の混合粉末を成形した成形体の段階で、 上記 同様の高融点金属べ一ス ト を同成形体上に印刷塗布し、 こ れを非酸化性雰囲気中で焼成して、 セラ ミ ッ ク スを焼結す る と同時に高融点金属層を形成する、 いわゆる コフ アイ ャ 一法である。 後者は前者に比べ製造コス トが低く 、 高融点 金属層と基材との高い密着強度が得られるので、 工業的に 有利な方法である。

またセラ ミ ッ ク ス基材上に A g， C uの少なく とも一種 を主成分と し、 活性金属を含むロ ウ材の層を形成する通常 の方法は、 これらの金属を含み有機バイ ンダー と有機溶媒 を混ぜたロ ウ材ペース ト を印刷塗布し、 これを 1 0 ^_4 T o r r以下の真空中で焼成する方法である。 その形成方法は、 これに限らず各種の方法がある。 例えばメ ツ キ、 溶射塗布、 蒸着、 浸析塗布、 箔の介挿圧着等が挙げられる。 しかしながら形成時の生産効率と層の厚み等の品質の確 保を考慮する と、 上記の印刷塗布によって形成する方法が 最も効果的である。 ロウ材の層のみを介在させて導体層と 基材を接合する場合には、 上記ロウ材の層の形成と接合と を同時に行う。 なおこの層を形成する前に予めセラ ミ ッ ク 基材上に、 上記の方法で高融点金属層を形成する場合もあ る。 このよう にする と ロウ材の層のみを介在させる場合に 比べ、 導体層と基材との熱膨張係数の差によって生 じる残 留熱応力の緩和がよ り一層促進される。

なお、 高融点金属層の形成にあたっては、 形成面の表面 粗さ を R a で 4 μ πι以下に抑えるのが望ま しい。

すなわち高融点金属層の役割は、 メ ツ キ析出やロ ウ流れ 安定化や回路形成等の一般的な表面金属化処理だけに留ま らず、 銅を主体とする導体層とセラ ミ ッ ク基材の熱膨張差 によって生ずる熱応力を受け止めて、 セラ ミ ッ ク基材に支 障を来す熱応力を緩和する こ とにある。 更に、 高融点金属 層の表面粗さ を平滑に し、 好ま し く は R a で 4 μ πι以下に するこ とによ り、 応力緩和効果を一層安定させ、 接合部強 度のばらつき を低減して、 特に冷熱サイ クルに対する耐久 性を向上させるこ とができる。

高融点金属層の表面粗さ について、 特開平 4 — 7 9 2 9 0 号公報には、 高融点金属層の表面粗さで （恐ら く R max で） 0 . 0 7 μ πιの A 1 N基板が、 及び特開平 8 — 4 0 7 8 9 号公報には、 表面粗さが R a で 0 . 7 μ m以下の A 1 N基板がそれぞれ開示されているが、 このよ う に高融点金 属層の表面を極度に平坦化しても、 例えば高融点金属層の 上に熱膨張係数の大きな銅を主体とする銅体回路層が接合 されれば、 前記従来技術の欄で既に述べたよ う に、 信頼性 の高い接合部は得られない。 しかしながら、 本発明では、 この種の接続構造で更に高融点金属層の信頼性向上の検討 を行った結果、 高融点金属層の表面粗さ R a を 4 μ πι以下 の範囲にコン ト ロールするこ とによって、 従来に比べ接合 強度のばらつきが少なく 、 特に冷熱サイ クルでの耐久信頼 性の高いものが得られるこ と を確認した。

以上のよう な高融点金属層の表面粗さのコ ン ト ロールは、 通常以下のよう に行う。 すなわちコフ アイ ヤーメ タ ライ ズ * ポス トフ アイ ヤーメ タ ライ ズのいずれの方法を採るに して も、 その各方法において、 ぺ一ス ト を印刷する際に、 スク リ ーンのメ ッ シュの線径ゃ番手、 又はペース 卜の粘度を適 切に調整するこ と によ り、 焼成後の高融点金属層の表面粗 さ を制御するこ とができる。 表面粗さ を低減するためには メ ッ シュの線径は細かく し、 番手は大き く し、 粘度は小さ く する。 しかし、 メ ッ シュの線径を細く しすぎる と強度が 低下して延びやすく な リ、 印刷パタ ーンの形状精度の劣化 が早く なるため、 5 μ πι以上が好ま しい。 また、 番手を細 かく しすぎる と 目詰ま り が起こ り易く なるため、 5 0 0 メ ッ シュ以下が好ま しい。 更に、 ペース 卜の粘度を低く しす ぎる と、 に じみが生じやすく な リ、 印刷パタ ー ンの形状精 度の劣化を引き起こすため、 5 0 p s 以上が好ま しい。 粘 度は添加する有機バイ ンダー、 溶剤量を調整するこ とで制 御できるため、 ある程度の表面平滑性は制御できる。

更に レべリ ング性を高めて、 R a で 4 μ πι以下の表面粗 さの高融点金属層 を得るためには、 例えば表面の凹凸を減 らすために出来るだけ粗粒を含まない原料粉末を用いた り 、 大きなうねり を低減するために粒径の異なる粉末を適宜混 合するこ となどが有効である。 また、 混合の手順と して、 溶剤と有機バイ ンダーを超音波振動を負荷した り又はボー ルミルで十分分散させ、 均一に混合された混合物に、 原料 と なる粉末組成物を少量ずつ添加する こ とが好ま しい。 粉 末組成物に溶剤や有機バイ ンダーを添加する と、 粉末組成 物の凝集が起こ り やすく 、 ペース 卜印刷時の レベリ ング性 が低下するためである。

本発明の別の接続構造では、 以上述べた高融点金属層上 またはロウ材層上に、 N i 、 F e 、 C u の少な く と も一種 を主成分と し、 その融点が 1 0 0 0 °C以下の金属の層を形 成する。 その形成方法は種々考えられる。 例えばメ ツキ、

訂正された用紙 （規則 91 ) 溶射塗布、 蒸着、 浸析塗布、 箔の介挿圧着等が挙げられる。 箔の介挿圧着のよう に金属の素材を介挿して接合する場合 には、 導体層を形成する素材の被接合面と上記した高融点 金層層かまたはロウ材層を形成した基材の面との間に、 上 記組成の金属の箔を介挿した後、 熱間圧着等の方法で接合 して複合部材とする。 またメ ツキ、 溶射塗布、 蒸着、 浸析 塗布のよ う な方法でこの層を形成する場合には、 上記いず れか一方の素材の、 または両方の素材の被接合面に予め同 層を形成した後、 双方の素材を合わせて加熱処理して接合 し本発明の基板とする。 加熱処理は、 同金属の層の融点な い し導体層素材の融点未満の温度範囲で、 非酸化性雰囲気 中で行う。

通常は 1 0 0 0 °c以下で行う。 この温度が導体層の融点 以上になる と、 導体層の外周形状および形成した回路バタ ーンが崩れ易く なる。 なおこの場合の層の厚みは、 最終的 に概ね 2 〜 4 Ο μ πι程度とするのが望ま しい。 厚みが 2 μ m未満では、 接合に十分な液相量が確保し難く 、 一部に接 合の弱い部分が生じ易く なる。 また 4 0 μ mを越える と、 同介在層を介 しての放熱性が低下する こ と もある。

本発明での N i 、 F e 、 C uの少なく と も一種を主成分 とする金属の層の形成方法には、 上記のよう にい く つかの 方法がある。 しかしながら形成時の生産性を考慮する と、 メ ツ キによって形成するのが最も効率が良く 、 確実に厚み 等の層の品質を確保するこ ともできる。 その場合特にその 耐食性、 密着性を考慮する と、 N i を主成分とするメ ツ キ 層とするのが好ま しい。 N i メ ツキの場合、 N i — P系の 一層のみを形成するか、 または N i — B系の層 を形成し、 その上に N i 一 P系の層を形成してもよい。 なおメ ツ キの 方法は、 電解メ ツ キまたは無電解メ ツ キのいずれの方法で あよい。

導体層を形成するために用いる素材の材質は、 既に述べ た通りである。 素材は通常板材を用いる。 その素材となる 板材の主面は、 予めその外形寸法を、 - その直下または直上 に形成する介在層の主面の予定する外寸よ り も長さ · 幅と もに 0. 0 5 m m以上短く 加工する。 特に 0 . 0 5〜 l m m程度短く するのが好ま しい。 0. 0 5 m m以上短く する のは、 既に述べたよ う に基材と導体層との間に発生する熱 応力が基材の一部分に集中するのを緩和 し、 双方の合体時 および基板の実用時の加熱 ' 冷却の負荷によって、 基材が 損傷するのを未然に防ぐためである。 またその側面および 主面の形状、 表面の仕上げの程度およびそれによる予想効 果は、 既に述べた通 りである。 その成形加工方法は、 既存 の板材の成形加工の方法であれば、 いかなる方法でも適用 できる。 導体層の回路パタ ー ンは接合後、 通常エッチング によって形成する。 なお本発明の基板で導体層の側面に角 度や階段状に段差を付ける場合にも、 その側面および主面 の形状、 表面の仕上げの程度は以上述べた内容と同 じであ る。 さ らに前述のよ う に基材とのお互いの厚みの関係を一 定の範囲にコン ト ロールするこ とによって本発明の目的と する効果は向上する。

次に接合アセンブリ ーを加熱して接合する。 最終的に接 合する面の上に存在する介在層がロウ材層のみの場合、 同 ロウ材層の融点以上、 導体点の融点未満の温度範囲で、 1 0 T o r r以下の真空下で加熱する。 またロウ材層 · 高融点金属層上に N i 、 F e、 C u の少なく と も一種を主 成分と し、 その融点が 1 0 0 0 °C以下の低融点金属の層を、 アセンブリ ーの接合と同時に形成する場合には、 同低融点 金属の層の融点以上、 導体層の融点未満の温度範囲で非酸 化性雰囲気中で加熱する。 この接合時、 導体層 と基材の相 互の位置ずれを防止するため、 必要に応じて例えば炭素質、 アルミナ質、 窒化アルミニウム質等の耐火物を素材とする 治具を用いて固定し、 ずれを防止する。 またこのよ うなず れを防止する と と もに、 実用上必要な接合後の剥離強度レ ベルを確実に得るために、 必要に応じてその固定と接合後 の強度を確実にするために、 上部から適正な荷重を負荷す る。 本発明の第四の基板では、 以上のよう に調製した第一 · 第二 · 第三の基板の外層部に N i を主成分とする層を形成 する。 この場合には、 原則的に導体層の上面と側面、 その 直下に形成された介在層の露呈した面および基材の露呈し た主面に、 N i を主成分とする層を既に述べた方法で形成 する。 形成後の断面の一部を切 り出 して摸式的に示せば、 図 5 のよ う になる。 ただし最終的な半導体装置の構造次第 でその形成面が異なる場合もあ り う る。 なお既に述べたよ う に同層はメ ツキによって形成するのが、 生産性および品 質上好ま しい。 この層を最上部に形成する こ とによって、 前述のよう に基板の耐蝕性が改善される と ともに、 熱応力 の緩和が同層 を形成しない場合よ り も促進される。

以上述べてきたよう な接続構造を有する本発明の銅回路 接合基板の接合部の剥離強度は、 実用上不具合を生じない

0 . 5 k g Z l m m以上の高い レベルとな り 、 またその レ ベルの同強度が安定して得られる。 なおこの剥離強度の測 定方法は、 以下の通りである。 図 6 において、 セラ ミ ッ ク ス基材 1 上に設けた介在層 2 を介して、 厚みが 0 . l m m、 幅が 4 . 0 m mの導体層 3 を長さ L = 3 m mとなるよ う に 接合する。 この場合、 導体層には接合部と直角 となるよう に導体層素材を折 り 曲げ、 把持部 6 を形成する。 把持部 6 は、 その端部 7 と介在層 2 の端部 8 との長さが所定の値に なるよう にする。 その後接合体本体を固定した状態で導体 層 3の把持部 6 を掴み、 上方に引っ張るこ とによって確認 する。 導体層を含めた接合層またはそれらの接合界面の一 部が剥離し始める引っ張り荷重を、 Lの 1 m m当た り に換 算した値を剥離強度の値とする。 実施例

(実施例 1 )

主成分粉末と して、 いずれも平均粒径 Ι μ παの A 1 N粉 末、 S i ₃ N₄粉末および Α 1₂0₃粉末、 焼結助剤粉末と し て平均粒径 0. 6 μ πιの Υ₂〇 ₃粉末および平均粒径 0. 3 μ πιの C a 0粉末を準備した。 これら三種それぞれの主成 分粉末 9 7重量％ と、 Y ₂0₃粉末 1 . 5重量 °/₀および C a 〇粉末 1 . 5重量％ と を組み合わせた焼結助剤粉末と を秤 取し、 ェタ ノ ール溶媒中ボールミルによって 2 4 時間混合 し、 焼結助剤が Y ₂ 〇 ₃二 C a 0からなる A 1 N系、 S i ₃ N₄系および A 1₂ 〇 ₃系の三種の混合粉末を得た。 これら の混合粉末 1 0 0重量部に対しバイ ンダー と して P V B (ポリ ビニルプチラール） を 1 0重量部添加し、 スラ リ ー と した。 このスラ リ ーの一部を噴霧乾燥して顆粒と し、 粉 末成形プレスによって成形し、 A 1 N、 S i ₃ N₄を主成分 とする成形体は窒素雰囲気中 1 7 0 0 °Cで 5 時間、 A 1 ₂ 〇 ₃を主成分とする成形体は大気中 1 6 0 0 °Cで 5 時間そ れぞれ焼結して、 厚みが 0. 7 m mで長さ · 幅が表 1 に記 載のサイ ズの各焼結体を得た。 なおこ こで得られた窒化珪 素を主成分と し、 本発明の以降の表に記述のものは、 特に 断りが無い限 り全て前述の従来の窒化珪素系焼結体に属す るものである。 この焼結体結晶粒子中の酸素量は、 ォージ ェ電気分光 · X P Sによ り確認したと ころ 1 0重量％であ つた。 以上のよう に して得られた各種材質からなる焼結体 の相対密度 （理論密度を 1 0 0 %と した時の水中法で測定 した実測密度の比率） は、 いずれも 9 9 %以上であ り、 表 面には実用上問題となるよう な空孔等の欠陥は無かった。 また レーザーフラッ シュ法で測った熱伝導率と、 J I S基 準に基づいて測った 3点曲げ強度は、 それぞれ A 1 N焼結 体力 1 5 0 なレ、 し 1 6 0 W/ m · K、 4 0 0 ない し 4 5 0 M P a、 S i ₃ N₄焼結体が 5 0ない し 6 0 W/ m · K、 6 0 0ない し 7 0 0 M P a、 A 1₂〇 ₃焼結体が 3 0 ない し 4 0 WZ m ' K、 4 5 0なレ、 し 5 0 0 M P aであった。 また表 1 には記載されていないが、 別途前述の高熱伝導 性窒化珪素系セラ ミ ッ クスからな り 、 長さ ' 幅がいずれも 2 5 mmで厚みが 0. 5 mmの基材試料 Aおよび B を準備 した。 試料 Aは、 従成分と して Y b と Y を酸化物換算でそ れぞれ 5重量％程度含み、 結晶中の酸素量が 6 重量％程度 であ り、 その相対密度が 9 9 %の 型結晶相の窒化珪素系 焼結体であ り、 その熱伝導率が 1 0 0 W m · K、 3点曲 げ強度が 8 0 0 M P aのものであった。 また試料 Bは、 従 成分と して S mおよび C a を酸化物換算でそれぞれ 8重量 °/₀、 2重量％含み、 結晶中の酸素量が 3重量％であ り、 そ の相対密度が 9 9 %の /9 型結晶相の窒化珪素系焼結体であ リ 、 その熱伝導率が 1 3 0 W m ♦ K、 3点曲げ強度が 9 0 0 M P aのものであった。 これらのセラ ミ ッ ク ス試料 の表面には実用上問題となる様な空孔等の欠陥は無かった。 なおこれらの焼結体の従成分の量は誘導発光分光分析によ り 、 結晶内の酸素量はォージェ電子分光 ♦ X P Sによ り 、 結晶相は X線回折によ り それぞれ確認した値である。

次いで平均粒径 5 μ πιで、 7 8重量％、 C u 2 2重 量％の主成分からなる粉末 （ J I S規格の 1 3 A g — 8銀 ロ ウ材） 1 0 0重量部に対し、 いずれも平均粒径が 0. 5 μ πιの T i 粉末、 Z r粉末、 V粉末を、 3重量部添加した 活性金属銀ロウ材ペース ト と、 八 _§ 1 5重量％、 P 5重量 %、 C u 8 0重量％の主成分からなる粉末 （ J I S規格の B C u p 5銅ロ ウ材） 1 0 0重量部に対し、 平均粒径 0 . 5 111の丁 1 粉末を、 3重量部添加した活性金属銅ロウ材 ペース 卜の 4種類のロウ材ペース ト を準備した。 これらの ロ ウ材ペース ト を上記焼結体の主面 （長さ · 幅方向の面） に、 ほぼ全面にわたってスク リ ーン印刷によって塗布し、 焼成してロウ材層を形成した。 ただし印刷時にこれらの層 が塗布面からはみ出 した り、 側面に廻らないよ う にするた め、 印刷パタ ーンは基材の長さ · 軸両方向と もその両端で それぞれ 0 . 3 m m程度ずつ短かく した。 なお基材の種類 と ロウ材との組み合わせは、 表 1 に記載の通 り である。 口 ゥ材層は、 同ペース ト を塗布した焼結体を 6 0 0 °Cで脱ガ ス して形成した。

次に以上の各試料の介在層の主面よ り も長さおよび幅が、 表 1 に記載の主面寸法の導体層を形成する素材を打ち抜き プレス成形によって準備した。 その素材には厚みが 0 . 3 m mの J I S C 1 0 2 0 の電気銅の板を用いた。 なお表

1 の寸法差欄に記載の寸法は、 「介在層の主面の外寸ー導 体層の主面の外寸」 の値であ り 、 長さ方向、 幅方向ともそ の差は同一と し、 A L と して示す。 また同表の寸法差欄に 記載の Δ Χの寸法は、 接合後に介在層よ り も基板の幅 （短 手） 方向にはみ出 している導体層の最大突き出 し長さ （突 き出し部での長手方向の寸法） であ り、 いずれの試料も

1 0 m mと した。 なおこの突き出し部の幅 （突き出 し部で の短手方向の寸法） は接合部のそれと同一に した。 また導 体層の素材の側面は主面に対し直角になる よ う に し、 主面 と側面上部との交差する稜部は全て曲率半径で 0 . 5 m m となるよう にラウ ン ド部を形成した。 模式的に図 1 2 にそ の断面溝造を示す。

次いで、 上記の基材上に介在層を形成した試片の中から それぞれ 1 0個ずつ を選び、 同試片の介在層を形成した面 上に準備した導体層を形成する素材を載せて、 接合ァセン ブリ ー と した。 これらのアセンブリ ー を黒鉛製のセッター 上に並べ、 窒素雰囲気中 7 8 0 °Cで 3 0 分間焼成してァセ ンブリ ー全体を上部よ り負荷をかけずに接合した。 接合後 の介在層の厚みは、 いずれも 1 0 士 1 μ πιの範囲内であつ た。 なお高熱伝導性窒化珪素系セラ ミ ッ ク スで作製した前 記基材 Αおよび Βの試料についても以上述べたよ う な手順 で表 1 の試料 1 2 に準ずる仕様の接合回路基板を各々作製 した。 なお試料 N o . 9 と N o . 1 0 については、 介在層と の接合界面において予め導体層の端が直下の介在層の端よ り もはみ出 したものである。 N o . 9 は図 1 の左側のよう に幅方向にずれているものであ り、 N o . 1 0 は同図の右 側のよう に斜め方向にずれているものである。

次に別途同様に接合したもの （上記 Aおよび B を基材と したものも含む） を各試料毎に 1 0個ずつ選び、 その接合 部全面にわたって画像処理機能付きの超音波探傷装置を用 レ、、 超音波探傷面分析を行い、 接合部の欠陥の有無を確認 した。 具体的には各試料の導体層の上部主面全体を探触子 でスキャニングし、 その接合部各層からの反射波の強度レ ベルを色分け画像処理する こ とによって実施した。 この場 合種々のサイ ズの空洞部を予め形成した同一外周サイ ズの 介在層の幾つかの基準試片を作製し、 空洞部のサイ ズレべ ルと その反射波の強度レベル （ピークの高さ） との相関か ら、 欠陥レベルを数値化して色分けし画熱処理の基準と し た。 これによつて導体層側から発信した超音波の欠陥反射 波レベルを、 全面にわたってその分布パタ ーンと して確認 する と と もに、 接合面全体に対する欠陥部の面積比率を確 認した。 その結果全ての試料について、 欠陥部と考えられ る異常な レベルの反射パタ ーンは殆ど確認されず、 欠陥と 考えられる部分の面積比率も 1 0 %以下であった。 またそ の個々 の面積も微小であ り、 実用上問題のない程度であつ た。 さ らに同 じ試料の内の 2 個を選び、 軽微な欠陥反射波 を確認した部分を含むその断面を切 り 出 して、 同断面内接 合部の周辺を 1 0 0 0倍の S E M (走査電子顕微鏡、 スキ ャニング エレク ト ロ ン マイ ク ロスコープ） で観察した と こ ろ、 界面およびその周辺部分には微小なピンホールは 散見されたが、 実用上問題と なる欠陥は確認されなかった。

さ らに残り の 8個の試料について、 _ 0 °Cで 1 5 分保持、 1 0 0 °Cで 1 5 分保持の冷却、 加熱を 1 0 回繰り返すヒー 卜サイ クル試験を行った後、 接合部の超音波探傷による面 分析ならびに接合断面の拡大観察を上記と同様の方法で実 施した。

その結果試料 N o . 2 、 3 の試料群では、 超音波探傷に よる面分析で試験前欠陥面積率が 5 ない し 8 %であったも のが、 1 0 ない し 2 0 %に上昇していた。 このものは欠陥 部分を含む断面の拡大観察によって、 介在層と基材の接合 界面付近の基材に微小な欠陥が確認された。 なお上記 Aお よび B を基材と したものも含む本発明例試料では試験後の 欠陥面積の拡大は認められなかった。

また各試料毎に 2 0個を選び、 導体層の剥離強度と部材 の反 り量を確認した。 その結果を表 1 に示す。 導体層の剥 離強度は既に説明 した図 6 に記載の方法で確認した。 また 部材の反 り量は、 定盤上に試料の主面を上に して乗せ、 試 料の主面の二つの対角線方向にダイ ヤルゲージを走査し、 定盤面からの最大高さ と最小高さの差を測 り 、 この値を対 角線の長さで割って対角線 1 m m当た り に換算した値と し た。 なお表には記載していないが、 上記基材試料 Aおよび B を用いた試料については、 基材厚みを除いて これと同一 アセンブリ 一と した表 1 の試料 1 3 と同等の結果が得られ た。

次に同じ試料で、 基板の厚み方向に A C量 1 0 0 0 Vの 電圧を 1 0分間印加し、 これを 5 回繰り返し、 導体層と基 材との間の電気絶縁耐圧を確認した。 印加前後の同耐圧の 劣化の有無を確認した。 その結果を表 1 の耐絶縁性欄に示 す。 同データ よ り 明らかなように、 導体層の主面の長さ · 幅がその直下の介在層のそれよ り も大さ いものや導体層の 端が介在層の端よ り はみ出 している ものでは、 初回 1 0分 の印可後に同耐圧の劣化が確認された （同欄の表示は X と した。 以降も同 じ表示をする） 。 また、 導体層の端が介在 層の主面の端よ り はみ出 しておらず、 表 1 に記載の 力 土 0 m m未満のものでは、 3 回目終了後に同耐圧の劣化が 確認された （同欄の表示は△と した。 以降も同 じ表示をす る） 。 しかしながら、 導体層の端が介在層の主面の端よ り はみ出しておらず、 が ± 0 m m以上の本発明のもの (上記基材試料 Aおよび B を用いた試料も含む） は、 全く その劣化が確認されなかった （同欄の表示は〇と した。 以 降も同じ表示をする） 。 なおここで言う絶縁耐圧の劣化と は、 上記電圧負荷後に上記電圧未満の電圧で絶縁破壊をす ることである。

表 1

(実施例 2 )

実施例 1 と同様の原料、 混合組成、 混合 · 成形手順で、 A 1 N系、 S i ₃ N₄系および A 1₂0₃系の （高熱伝導性窒 化珪素セラ ミ ッ ク ス を除く ） 三種の成形体を準備した。 そ の後これらの成形体の半数を選び、 その一方の主面上に高 融点金属 Wを主成分と して S i 0₂— C a 〇 一 B ₂0₃系ガ ラ ス を含む高融点金属ペース ト を印刷塗布し、 窒素雰囲気 中 1 6 0 0 °Cで 5時間焼成して、 各々の成形体本体を焼結 する と と もに、 高融点金属ペース ト を焼き付け した。 この 場合の高融点金属層の形成範囲は、 実施例 1 同様セラ ミ ツ ク ス基材のほぼ全面となるよう に した。 形成された高融点 金属層の高融点金属と ガラスの重量比は、 前者 ： 後者で

8 5 : 1 5であ り 、 ガラスの組成は重量比で S i 0₂ 4 0、 C a 0 3 0、 B ₂0 3 0であった。 以上の調製試料は、 表 2の製法欄に C F (コフ アイ ヤー法の略称） と付記した ものである。 ' - また残り半数の成形体は、 各セラ ミ ッ ク ス成分系毎に実 施例 1 と同様の条件で焼結した後、 同焼結体の一方の主面 に上記の高融点金属ペース 卜 を印刷塗布し、 窒素雰囲気中 1 6 0 0 °C、 1 時間で焼成して高融点金属層を形成した。 以上の調製試料は、 表 2 の製法欄に P F (ポス ト フ アイ ャ 一法の略称） と付記したものである。 高融点金属層の形成 範囲および同層中の高融点金属成分とガラス成分の組成は、 上記と同様であった。

またコフ アイ ヤー法 · ポス ト フ アイ ヤー法で調製した基 材の外寸は、 いずれも長さおよび幅が 5 0 m m、 厚みが 0. 7 m mであ り、 高融点金属層の厚みは、 いずれも 2 0 ± 1 μ πιの範囲内であった。 なおこれら高融点金属層の表面粗 さ R a を接触型表面粗さ計によって確認したと ころ、 いず れも 4 μ πι以下であった。 なお粗さ計の先端は ί¾ = 5 μ ιη の触針を用い、 カッ トオフ 0 . 8 m mの条件と した。 さ ら に以上の高融点金属層を形成した主面上に、 同主面と同じ 外寸で厚みがほぼ 1 Ο μ πιの N i — Pメ ツ キ層を形成して、 第一層が高融点金属層、 第二層が N i — Pメ ツ キ層からな る介在層 を形成した。 その後実施例 1 と同一の材質 · 厚み で、 実施例 1 と同様の方法で成形加工して得た材質 · 厚み の導体層 を、 介在層主面との長さ · 幅方向の寸法の差が、 両方向と も表 2 に記載の△ Lだけ短い寸法に予め加工した。 また同表の寸法差欄に記載の△ Xの寸法は、 接合後に介在 層よ り も基板の幅 （短手） 方向にはみ出 している導体層の 最大突き出 し長さ （突き出し部での長手方向の寸法） であ り 、 いずれの試料も 1 0 m mと した。 なおこの突き出し部 の幅 （突き出 し部での短手方向の寸法） は接合部のそれと 同一に した。 なお同層の主面と側面とのなす角度および稜

丁正された用紙 （規則 91) 部のラウ ン ドの大ささは、 実施例 1 と同 じである。 なお表 2 には記載されていないが、 その内の数個はその被接合面 全面にわた り厚み 2 μ πιの N i 一 Pメ ツ キ層を形成した。

次いで介在層を形成した基材側の N i 一 P メ ツ キ層の主 面上に導体層の被接合面を重ね合わせ、 接合アセンブリ ー と した後、 実施例 1 と同様の接合セッ ト条件で、 窒素雰囲 気中 9 0 0 °Cで 3 0分焼成して基板試料を調製した。 この よ う に調製した各試料を実施例 1 と同様の項目 で評価した。 まず実施例 1 と同様の手順で導体層の剥離強度、 部材の反 り量および耐絶縁性を評価した。 その結果を表 2 に示す。 また基板の断面を拡大して観察したと こ ろ、 高融点金属層 の N i メ ツ キ層 との接合界面の凹凸は最大高低差 （表面粗 さでは R maxに相当） で 1 0 μ m以内におさ ま つていた。 これは R a では 3 μ m以下に相当する。 表中の耐絶縁性の 評価結果の レベル表示は、 実施例 1 と同 じである。 なお上 記した基材側 · 導体層側双方に上記メ ツ キ層を予め形成し たものの剥離強度値は、 同表中に記載されていないが、 基 材側のみにメ ツ キ層を形成した場合のそれ （すなわち同表 中に記載の値） に比べ、 ほぼ 6 %程度大き く なつた。 また これらの試料を実施例 1 と同様の条件でヒー 卜サイ クル試 験を行い、 その前後の超音波探傷面分析および接合部断面 の拡大観察を した。 その結果 N o . 2 2 、 N o . 2 3 以外の 試料の接合部およびその周辺には、 ヒー 卜サイ クル前後で 実用上問題となるよう な欠陥は確認されなかった。 なお同 表のデータ よ り高融点金属層をコフ アイ ヤー法で形成した ものの剥離強度は、 同層 をポス トフ アイ ヤー法で形成した もののそれよ り も、 大き く なるこ とが分かる。 なおヒ一 卜 サイ クルに対する耐久性についても、 前者の方が後者よ り も優れているこ とが確認された。

なお高融点金属層を M o、 T a を主成分と した試料も上 記と同 じ手順で調製し、 上記同様の評価を行った結果、 W を主成分と した上記の結果とほぼ同様の結果が確認された 表 2

3Ε中 ·印は比《例 (実施例 3 )

実施例 1 と同 じ材質 · 組み合わせの四種 （なおこの中に は実施例 1 で準備した厚みが他の三種と異な り 0 . 5 m m と薄い高熱伝導性窒化珪素セラ ミ ッ ク ス基材試料 Aおよび B も含まれる。 ） のセラ ミ ッ クス基材を調製した。 介在層 の主面は実施例 1 と同様に基材の主面とほぼ同 じ形状と し た。 介在層の成分 ♦ 厚み等は表 3 に記載の通 り である。 な おこの中で高熱伝導性窒化珪素セラ ミ ッ ク ス材 Aおよび B で作製したものについては、 表 3 の試料 4 6 に順ずる介在 層 · 導体層構造の回路基板と した。 接合介在層および導体 層の形成手順は、 介在層がロウ材層のみからなるものは実 施例 1 のそれに順じ、 介在層の第一層が高融点金属層で第 二層が N i 、 C u または F e を主成分とするものは実施例 2 のそれに順じた。 ただ し高熱伝導性窒化珪素セラ ミ ッ ク ス を除く 基材の外周寸法については、 全て長さ · 幅が 5 0 m m、 厚みが 0 . 7 m mと した。 なお高融点金属層は、 .コ フ アイ ヤー法によってその表面粗さ R a が 3 μ πι以下とな るよう に形成した。 また導体層の材質 ' 厚みは全て実施例 1 と同一と し、 その主面の介在層主面に対する長さ · 幅方 向サイ ズの差、 すなわち の値は両方向 と も全て + 1 . 0 m mと した。 以上の様に調製された各試料を実施例 1 と 同様の項目 で評価した。 上記基材試料 Aおよび B を用いた もの以外の試料について、 その結果を表 3 に示す。 なお基 材試料 Aおよび B を用いたものについては、 試料 4 6 とほ ぼ同等の結果が得られた。 また超音波探傷面分析と断面観 察の結果、 全ての試料で実用上問題となる欠陥は確認され なかった。 以上の給果よ り介在層の内高融点金属層および ロウ材層の厚みは 3 〜 5 0 // mの範囲、 それらの上に形成 する第二の介在層の厚みは 2 〜 4 0 μ πιの範囲にコン ト ロ ールするのが、 剥離強度 · 部材の反 り並びに ヒー トサイ ク ル負荷時の耐久性の点で、 望ま しいこ とが分かる。

表 3 o. 材 介在層（ffみ 值は t m) 置の

«離 3 反り i &性 材《 製法 第—層 第二 »

材 9 厚み 材 《 第み (IcgAaaiii) ( ταΛηω) 1 p Ag(Ti) 2 • 0.9 0. 〜 0.6 0 2 a 3 • - 0· 〜 12 0.8〜 03 o 3 β 5 • - 0_9〜 U 0 〜 U o

34 g » 20 • 0 〜 1.4 0.9 - 13 o 5 Μ 30 • - 1.！)〜 U 丄。〜 L2 o

36 a Μ 40 - - U〜 1.5〜 1.X 0

37 8 a 50 - - U〜 U 2.6— 2.S o

3S ff _a Μ 55 * ■ - ' 0.卜 LO 16— 2Λ o

39 n 2 Ni-P キ U〜 U 0·9〜 U o

40 It _g Μ 5 »

⁵ — 1.4 1.0 ~ 12 o

41 -, 20 Λ U〜 〜 U o

42 U , * 40 9 W〜 1.6 13〜 6 o

43 n Μ SO $ L6〜 1. 2. 〜 2.S o

44 » Μ 55 M U〜 IS 2J〜 19 0

45 PF Ag (Ti) 5 0.卜 L0 QJ〜 0.7 0

46 SIsN* f 20 0.卜 L3 1.8 ~ ZI o

47 * 50 0. 1.4 2.6 - 25 0

4S 9 CF W 5 i«P キ 1.9 - 23 (W〜 1.4 0

49 9 20 a 2.0 - 14 2.0 ~ 13 o

30 M β 50 M 1卜 13 13〜！ 9 0

SI M PF Ag (T») 5 U〜 U〜 1.6 0

52 ΛΙ Οι ø 20 1.卜 1.4 0

33 β 50 U〜 1.6 13〜！ 9 0

54 CF W 5 ίΒ·Ρ キ ii>〜 2.1 0.9 - 13 o

55 ' a 20 10〜 13 12〜！ 3 o

S6 M 50 11〜 14 16 - 2^ 0 (実施例 4 )

表 4 に記載の様に、 実施例 3 の試料 N o . 3 4 の介在層 を形成した段階の A 1 N系基材からなる試片を用い、 同じ 種類の基材と介在層との組み合わせで、 導体層の主面の外 周寸法 （すなわち介在層主面の外周との寸法差厶 しで同表 中に表示） および図 9 並びに図 1 0 に示すよ う に同層の側 面と介在層下面とのなす角度 Θ ,および同層の上面と側面 とのなす角度 θ ₂ を コン ト ロールした各試料を調製した。 なお導体層を形成する素材は実施例 1 と同 じ材質 · 厚みで、 突き出し部が同一形状のものを用いた。 また上記の θ , · θ ₂の角度は、 導体層の素材を打ち抜 _き加工する段階また はその直後のエッチングによる微調整の段階で形成し、 こ れと上記の介在層 を形成した段階の試片と を組み合わせ、 実施例 3 で採用 した上記各試料それぞれの接合条件で接合 合体して、 表 4 に記載の各種試料を調製した。 また表 4 に は記載されていないが、 · 実施例 3 で用いた厚みの薄い高熱 伝導性窒化珪素セラ ミ ッ クス Αおよび Β を基材と し、 表 4 の試料 6 1 と同 じ介在層 · 同じ形状の導体層 を同 じ手順で 接合した回路基板を作製した。

これらの各試料を実施例 1 と同様の項目 で評価した。 実 施例 1 と同じ方法でヒー 卜サイ クル試験前後の起音波探傷 面分析および断面の拡大観察の結果、 いずれの試料でも実 用上問題となる欠陥は確認されなかった。 次に実施例 1 と 同様の方法で各試料の剥離強度、 基板の反 り量および耐絶 縁性の評価を した。 剥離強度のレベルは、 表 4 には記載し ないが、 いずれも対応する実施例 3 の試料 N o . 3 4 のも のと同程度であった。 基板の反 り量および耐絶縁性の結果 も表 4 に示す。 なお同表には記載されていないが、 高熱伝 導性窒化珪素セラ ミ ッ クス Aおよび B を基材と し、 試料 6 1 と同 じ接続構造と した試料についても、 試料 6 1 とほ ぼ同等の レベルの結果が得られた。 以上の結果よ り、 導体 層の主面のサイ ズを下の介在層のそれよ り も長さ ， 幅の両 方向と も 0 . 0 5 m m以上小さ く する と と もに、 導体層の 端部に傾斜を付けて、 傾斜角度である上記の θ , 、 θ ₂ を前 者が 8 0 度以下、 後者が 8 0度以上となるよ う にするこ と によって、 基板の反 り量が改善されるこ とが分かる。 なお ヒー 卜サイ クル試験では、 熱応力負荷時の耐久性も改善さ れるこ.とが確認された。 · 以上の効果は、 基材を実施例 1 の 試料 1 3 の S i ₃ N ₄系 · 同実施例の試料 1 4 の A 1 ₂ 0 ₃系 焼結体からなるものに変えても同様に確認された。 表 4

注）表中 «斜角權の No«ぬ、 No.63のものは、 舫者が S 9のように仞面部が外倒に 肉かって膨ちんだ »面形状のものであり、 後者が H i 0のように佣面部が内 德に向かって G0Aだ断面形状のものである， なお上表の钹斜角の ¾值は、 两 B i付 Eした角度である.

表中の No.«の *印は比敉例

(実施例 5 ) 実施例 1 と同 じ基材 · 同 じ介在層 · 同じ導体層の成分構 成 · 接続基本単位を組み ·合わせた接続単位が二単位の基板 を、 表 5 〜 7 に記載のサイ ズに基づいて、 各基板試料毎に 各 2 0個づっ調製した。 いずれの基材も厚みが 0 . 7 m m であ り 、 その主面の長さ と幅が同一で、 一層 目 のそれが 2 5 m m、 二層 目のそれが 5 0 m mとなるよ う に調製した 図 1 3 にその断面構造を模式的に示す。 導体層 3 b の介在 層 2 b および介在層 2 c との接合界面の寸法は両介在層の 寸法よ り短く し、 導体層 3 b は一方向に突き出 し部 1 せ ある。 基材の材質は実施例 1 と同じ材質の三種、 すなわち A 1 N系、 S i ₃ N «系 · A 1 ₂ひ₃系素材と した。 まずこれ らの生成形体を一層 目用と二層 目用の 2 サイ ズ作製し、 こ の成形体を出発素材と して、 表 5〜 7 に記載のよ う に三種 の接続構造タ イ プの基板を作製した。 表 5 に記載のものは、 いずれも二つの介在層を実施例 1 の試料 1 と同 じ活性金属 T i を含む A g系ロウ材によって、 厚み 2 0 μ πιで形成し たものである。 また表 6 および 7 に記載のものは、 いずれ も二つの介在層 と もに実施例 2 と同様の手順で、 基材側か ら順に実施例 2 と同種の Wを主成分とする厚み 2 0 μ mの 高融点金属層、 同実施例と同種の厚み 5 μ πιの N i — P系 低融点金属の層の二層を配置するこ とによ って形成したも のである。 なお表 6 のものは、 上記の生成形体を実施例 2 と同一焼結条件で焼結し、 同実施例と同一の Wペース ト印 刷 · 焼き付け条件で作製したものであ り 、 また表 7 のもの は、 上記生成形体に上記 Wペース ト を印刷塗布し、 その後 実施例 2 と同一条件で焼成して作製したものである。 なお いずれの介在層も厚みのバラツキは 2 μ m以内であった。 なお基材の主面上に形成した介在層の平面方向の寸法は、 長さ ♦ 幅ともに実施例 1 同様基材主面の外寸ょ り も少し小 さめと した。 導体層の材質および厚みは実施例 1 と同じものを用い、 打ち抜きプレス成形によって外形を成形した後、 微小な寸 法調整はエッチングによって行った。 同層の介在層との接 合界面上でのその平面方向の長さ · 幅についてはいずれも 同 じ寸法と し、 介在層のそれに対する寸法差は、 各表の

「寸法差」 欄に△ L ,から△ L _aと して記載した。 基板が最 上部から導体層 3 a 、 介在層 2 a 、 基材 l a 、 介在層 2 b 、 導体層 3 b 、 介在層 2 c 、 基材 1 b の順に積層されてお り 、 △ は （導体層 3 a の主面の寸法一介在層 2 a の主面の 寸法） 、 A L ₂は導体層 3 bの上の主面の寸法一介在層 2 b の主面の寸法） 、 A L ₃は （導体置 3 b の下の主面の寸 法—介在層 2 c の主面の寸法） である。 また同欄の Δ Χ, から Δ Χ₃の値は、 実施例 1 と同様の導体層の突き出 し部 分の最大長さ を示す。 この突き出 し部分の幅は実施例 1 同 様いずれも接合部の幅とほぼ同一に した。

また別途実施例 1 で用いた高熱伝導性窒化珪素セラ ミ ッ ク スを基材と し、 上述の手順に順じ、 同表の試料 8 9 と同 じ介在層 · 導体層の接続構造からなる回路基板を作製した。 個々の基材の厚みは表 6 に記載のものよ り も薄い 0. 4 m mであ り 、 三層に積層後の基板の厚みは表 6 に記載のもの よ り も約 3 0 %程度薄く するこ とができた。

以上のよう に調製した各基板部材を実施例 1 と同様にァ センブリ ー して接合合体し、 実施例 1 と同様の項目 で評価 した。 その結果を表 5 〜 7 に示す。 なお寸法差△ Lが + 0 0 5 m m未満のものには、 ヒー トサイ クル後の超音波探傷 または断面調査にて基材部分に亀裂等の欠陥が確認された それ以外の本発明範囲内の試料では、 このよ う な異常は確 認されなかった。 なお上記試料 8 9 と同一の接続構造で形 成した高熱伝導性窒化珪素セラ ミ ッ クス を基材と した回路 基板についても、 試料 8 9 とほぼ同程度の結果が得られた 表 5

表中の *B1は ϋ:Ι6«Ι η - 91 γζ〜 Ι t β 01 g- on! ο Γ卜 I ΖΖ 6Ί a r g ο η〜 9·ι γζ〜 ν\ . f ri . t ■ ■ ■ ο π ~ η nr A ιθπ Γ buΠΤt*·

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0 L fO€ZO/86«If/X3<I 19 S/86 OAV (実施例 6 )

実施例 5 と同様の方法で外寸が長さ · 幅両方向と も第一 層が 5 O m m、 第二層が 2 5 mmの A 1 N系、 S i ₃ N₄系 . A l _z 0_a系同材質の基材を調製した。 また各層の導体層の 素材は実施例 5 と同様の手順で成形し、 介在層の素材は実 施例 5 に倣って準備した。 これら各素材組み合わせの中か ら実施例 5の試料番号が 6 8 、 7 2、 7 6 、 8 0、 9 2、 9 6 および 1 0 0の形状 · 材質の組み合わせの基材と、 表 8 に記載の介在層の構成で基板をアセンブリ ー し、 接合合 体 して各基板試料を作製した。 この場合介在層の主面は実 施例 1 と同様に基材の主面よ り若干小さめに し、 介在層の 成分 · 厚み等は表 8 に記載の通り と した。 また介在層の形 成手順は第一層がロウ材の層のみからなるものは実施例 1 のそれに、 また同第一層が高融点金属層で第二層が N i を 主成分とする低融点金属の層で溝成されるものは、 実施例

2 のそれに順じて調製した。 導体層の材質および厚みは全 て実施例 1 と同一と し、 その接合界面での介在層との寸法 差△ Lはいずれの試料も + 1 . 0 m mと した。 また介在層 から突き出 している導体層の最大長さは全ての試料で実施 例 1 同様 1 0 m mと した。 以上のよう に調製された各基板 試料を、 実施例 1 と同様の項目で評価した。 その結果ヒー 卜サイ クル試験前後の超音波探傷および基板断面の観察で、 介在層との接合界面での基材の亀裂等の異常な欠陥は確認 されなかった。

表 8

(実施例 7 )

表 9 に記載のよう に、 上記試料 N o . 9 8 の介在層を形 成した段階の積層第 1 層および第 2 層の形状の中間ァセン ブリ ーを出発素材と して、 同試料で用いた二層の導体層の 側面部に新たに各種の傾斜角 Θ を付けた試料を作製した。 この角度は二層の導体層とも同一と したが、 第二層の導体 層の上面と側面部とのなす角度は （ 1 8 0 — Θ ) と した。 導体層はその外形を予め打ち抜きプレス成形によって寸法 出し し、 その後エッチングによって側面の角度付けを行つ た。 隣接する介在層との接合部主面の寸法差および突き出 し部分の形状は同試料と同じに した。 - その後実施例 1 と同 じ条件で接合合体して積層基板を作製した。 以上のよう に 調製した各基板試料を実施例 1 と同様の項目 で評価した。 その結果を表 9 に示す。 なお、 ヒー ト 'サイ クル後の超音波 探傷または断面調査にて傾斜角 Θ が 8 0 度を越えるもので は、 ヒー トサイ クル後接合界面周辺部に微小なピンホール が散見されたが、 実用上問題となるほどのものではなかつ た。 それ以外の本発明範囲内の試料では、 このよ う な異常 は確認されなかった。 表 9

(実施例 8 )

上記試料 N o . 9 8 の介在層を形成した段階の積層第 1 層および第 2 層の形状の中間アセンブリ ー を出発素材と し て、 これに銅を主成分とするペース ト を二種の銅素材の両 主面に 0 . 3 m mの厚みで印刷塗布し、 大気中 1 5 0 °Cで 乾燥させた。 その後両素材を銅の印刷面同志が接触するよ う にアセンブリ 一 した後、 窒素気流中 8 0 0 °Cで加熱して 銅回路を形成する と同時に、 両素材を接合して積層 した回 路基板を作製した。 以上のよう に調製した基板試料を実施 例 1 と同様の項目で評価した。 その結果、 実施例 5 の試料 N o . 9 8 と同程度の各評価結果が得られた。 またヒー ト サイ クル前後の超音波探傷または断面調査にて基材部分に 亀裂等の欠陥は確認されなかった。

(実施例 9 )

以上の実施例で作製した試料の内、 試料番号が 6 、 1 3 、 1 6 、 2 0、 2 1 、 2 2、 2 8、 3 1 、 3 9 、 4 2 、 4 6 、 5 2、 1 0 8、 1 1 1 、 1 1 4、 1 1 7 、 1 2 0、 1 2 3、 1 2 6 の各基板試料を選び、 これらの外表面に主成分が N i の外層を形成した。 形成面は、 模式的に図 1 4 に示す よう に （ a ) の単層のもの、 （ b ) の二層積層のものと も 導体層 3の上面と同側面部および導体層によって被覆され ていない介在層 2 の全表面であ り 、 同外層 5 は表 1 0の

「外層」 檷に記載のよう に各種厚みで形成した。 なお本実 施例では、 導体層の主面寸法と介在層の主面寸法の差 は全ての試料で 1 . 0 m mと し、 二層に積層 したものでは 三箇所の の値を全て 1 . 0 m mと した。 また本実施例 では、 全ての試料について導体層の傾斜角 Θ (介在層との 接合界面と導体層の側面部とのなす角度） の値を、 第 2層 のそれは上下面と も （すなわち θ ,、 θ ₂ と も） 9 0度と し、 第 1 層のそれは下の介在層との界面で 8 0度、 同層上面と 側面部とのなす角度で 1 0 0度の値と した。 さ らに本実施 例では導体層の突き出 し部の最長寸法を全て 1 0 m mと し た。 これらの試料を実施例 1 と同様の項目 で評価し、 表 1 0にその結果を示した。 この結果よ り外層を形成するこ とによって剥離強度がさ らに向上する こ とが分かる。 また ヒー トサイ クル試験前後の超音波探傷および基板断面の観 察で、 介在層との接合界面での基材の亀裂等の異常な欠陥 は確認されなかった。

次いでこれらの表 1 0に記載の外層を形成した試料と し て、 試料番号が 1 3 9 、 1 4 5、 1 4 6 、 1 5 8 、 1 5 9 、 1 6 0、 1 6 5、 1 6 6 、 1 6 7 の試料群 1 のものと、 こ れらに対応する接続構造のベース部材と して、 試料番号か 6 、 1 3、 1 6 、 4 2、 4 6 、 5 2、 1 2 0、 1 2 3、

1 2 6 の基板を試料群 2 と して選び、 以上の試料を温度 6 0 °C、 湿度 9 0 %の条件で 2時間耐湿試験を 5 回繰り返 し、 各試料の試験回数毎の導体層表面に亜酸化銅の層が形 成される状況を観察した。 各試料の試験回数毎の外周の目 視観察を行って、 特に導体層主面の変色 ♦ 変質状況、 特に その表面に亜酸化銅の層が形成されるのを確認した。 この 場合観察試料は試験前後に導体層主 ®を X線回折によって、 その表面の相の変化を確認した。 その結果、 N i を主成分 とする外層を形成するこ とによって、 耐湿性が格段に向上 し、 外層を形成した試料群 1 のものではいずれのものでも 5 回 目の試験後も導体層主面の変色 · 変質は、 その表面の 相の変化も含め認められなかった。

しかしながら同外層を形成していない試料群 2 のもので は、 初回試験後導体層の表面に薄い亜酸化銅の層が形成さ れ変質が認められた。 以上の結果よ り外層を形成する こ と によって、 優れた耐湿性を兼ね備えた回路基板の得られる こ とが分かる。

0 ΐ 挲

8 L

J70£r0/86<ir/13d 19^5/86 O (実施例 1 0 )

主成分粉末と して、 平均粒径 1 μ mの A 1 N粉末、 S i ₃ N<粉末、 1 ₂ 〇 ₃粉末と平均粒径 0 . 6 μ πιの Y ₂ O_a粉 及び平均粒径 0 . 3 μ πιの C a O粉末を、 それぞれ 9 7 重 量％、 1 . 5 重量％、 及び 1 . 5重量％ と なるよ う秤取し、 エタ ノ ール溶媒中ボールミルにて 2 4 時間均一混合し、 焼 結助剤が Y ₂ 0₃— C a 0からなる A 1 N系、 S i _a N ₄系お よび A 1 ₂〇 ₃系の 3種の混合粉末を得た。 更に、 これらの 混合粉末 1 0 0 重量部に対しバイ ンダー と して P V B を 1 0重量部加え、 スラ リ ー化した。 このスラ リ ーの一部を 噴霧乾燥し、 粉末成形プレスにて成形した。 これらの成形 体の半数を選び、 A 1 N、 S i ₃ N₄を主成分とする成形体 は窒素雰図気中にて 1 7 0 0 °Cで 5 時間、 A 1 ₂0₃ を主成 分とする成形体は大気中 1 6 0 0 °Cで 5 時間それぞれ焼結 した。 この焼結体の相対密度 （理論密度を 1 0 0 %と した とき水中法で測定したときの実測密度の比率） はいずれも 9 9 %であ り 、 表面には実用上問題となるよう な空孔等の 欠陥は無かった。 また レーザーフラッ シュ法で測定した熱 伝導率は A 1 N焼結体は 1 5 0 ない し 1 6 0 W m · K、 S i ₃ N ,焼結体が 8 0 ない し 1 0 0 W Z m · K、 A 1 ₂0₃ 焼結体が 3 0 ない し 4 0 W/ m · Kであった。 これらの焼 結体の一方の主面に高融点金属ペース ト と して、 平均粒径 1 μ mの高融点金属 Wを、 ボールミルで溶剤 1 0 w t °/₀、 S i 〇 ₂— C a 〇一 B ₂〇 _a系ガラス 5 w t %、 有機バイ ン ダー 5 w t %と を混合した混合物中へ少量ずつ添加し、 2 0 0 p s になるよう粘度調節したものを作製し、 2 0 0 メ ッ シュのスク リ ーンで印刷塗布し、 窒素雰図気中 1 6 0 0 °C 1 時間で焼成して高融点金属化層を形成した。

(ボス 卜 フ アイ ヤー法）

また残りの半数の成形体の一方の主面上に上記高融点金 属ペース 卜 を印刷塗布し、 窒素雰図気中 1 Ί 0 0 °Cで 5時 間焼成して、 各々の成形体本体を焼結する と と もに、 高融 点金属ペース ト を焼き付けした （コフ ァイ ア法） 。 以上の 工程で得た W高融点金属化層を形成したメ タ ライ ズ A 1 N 基板サイ ズはすべて巾 2 5 m m、 長さ 2 5 m m、 厚み 0. 7 m mで、 下記表 1 に示す種類である。 尚、 製法欄に C F と付記したものはコフ ァ イ ア法の略称であ り 、 P F と付記 したものはボス 卜メ タ ライ ズ法の略称である。 これらのメ タ ラィ ズ基板の面粗さについては、 先端 R = 5 / mの触針 を使用 し、 カッ トオフ 0. 8 m mの条件で、 接触型表面粗 さ計を用いて測定した。

次に、 各々の試料の中から 1 0枚ずつ選び、 高融点金属 化面状上にニッケル— リ ンメ ツ キを行って、 窒素雰囲気中 / 2

8 1 ^

において 6 0 0 °Cで 3 0分間キープして同メ ツ キ層を焼成 した。 得られた金属介在層にはフク レ、 ハガレ等の異常は 見られなかった。 また、 いずれの試料もメ ツ キ厚も 6 ± 2 μ πιの範囲に入っていた。

これに長さ、 巾が Wメ タ ライズ層よ り も 0 . 5 m m小さ く 、 厚みが 0 . 3 m mの導体層と して J I S C I 0 2 0の 電気銅素材を載せて、 黒鉛製のセッ タ 一上に並べ、 窒素気 流中において 9 7 0 °C X 3 0分間の無負荷での炉中接合を 行った。 接合体のいずれの箇所にも銅板が Wメ タ ライ ズ層 よ り はみ出したものは無かった。 接合時の各試料に、 超音 波探傷面分析を した結果、 異常な欠陥は認められなかった。 更に接合後の断面を 1 0 0 0倍の S E M (走査型電子顕微 鏡） で観察を したと ころ、 界面には特に ク ラ ッ ク、 ピンホ 一ル等は見られなかった。

得られた各試料ごとに、 ピール強度と反 り量について測 定し、 基材のサイ ズ、 メ タ ライ ズ面の面粗さ も併せて結果 を表 1 1 に示した。 尚、 反り量については、 導体層側を上 に して定盤上に乗せた状態で対角線上を実測し、 対角線上 での定盤面から最大高さ と最小高さ との差を瀾定し、 これ を対角線上対角線長さ 1 m m当た り に換算した値をもって 反 り量と した。 また、 接合部のピール強度については、 図 6 に示すよう に、 基材 1 の高融点金属化層 2 上に設けた金

丁正された用紙 （規則 91 ) 属介在層 3 を介して、 厚さ 0. l mm X幅 4 . 0 mmの導 体層 4 を長さ l = 3 mmになるよう に接合し、 導体層 4の 一端から上方に直角に突出させた把持部 4 a を 2 0 m m/ 分の速度で上方に引っ張る ことによ り測定した。

訂正された用紙 （規則 91) 表 1 1

以上の結果よ り、 本発明の構造であれば、 高融点金属化 層の厚みが 3 μ m未満の試料ではピール強度が目標の 0 . 5 k g / 1 m mに対して下限値であ り、 5 Ο μ πιを越える 試料 7 では反 りの 目標 3 μ m / 1 m mに対して上限値であ り 、 実用上において 目標を満足し得ない可能性がある。 こ のこ とから、 ピール強度およびそ りの規格を十分に安定し て満足するためには、 厚みが 3〜 5 0 μ mの高融点金属化 層が必要であるこ とが分かる。

また、 表 1 のデータ よ り 、 ポス ト フ ァイ アと コフ ァイ ア を比べる と以下の点が明 らかである。 コフ ァイ ア品のピー ル強度はボス 卜フ ァイ ア品のそれに比べる と 2 倍近く 高い。 これは、 焼結体上での Wのみを焼付けるコフ ア イ ャ法では、 Wと A 1 Nがいわゆるアンカー効果によって強固に接合す る上に、 Wそのものも緻密になるためである。

また、 ボス 卜 フ ァイ ア品の面粗さがコフ ァイ ア品に比べ て優れている。 これは、 コフ ァイ ア品では、 シー ト に Wぺ 一ス ト 中の溶剤が吸収されやすく 、 印刷後に Wペース トの 厚い部分が薄い部分に移動するいわゆる レベリ ング効果が 少ないのに対し、 ポス ト フ アイ ァ品は焼結基材上に印倒す るため、 溶剤の吸収は起こ らず、 レべリ ング効果が大きい こ とによる と考えられる。

(比較例 1 ) /54761

8 5

実施例 1 で用いた Wペー ス 卜に比べて添加溶剤量を 2 0 w t %減じ、 5 重量％の S i 0 ₂系フ リ ツ 卜 を含む Wぺー ス ト を作製し、 実施例 1 と同様に して得た成形体の一面に 塗布し、 同様の条件でコフ ァイ ア法によ って焼き付けて、 2 0 μ mの高融点金属化層を形成した。 その後実施例 1 と 同条件でニッケル— リ ンめつき を行い、 実施例 1 と同条件 で銅板を接合 した。 得られた接合体の超音波採傷面分析、 1 0 0 0倍の S E M分析では異常な欠陥、 ク ラ ッ ク ピンホ —ル等は見られなかった。 得られた試料のピール強度と反 り量および高融点金属化層の面粗さについて測定し、 結果 を表 1 2 に示した。 実施例 1 に比べて、 反 り 量が若干増加 し、 面粗さ は若干悪化した力'、 実用上問題はなかった。

表 1 2

(実施例 1 1 )

実施例 1 で作製した成形体上に高融点金属層を印刷する 際に、 後の工程で銅を主体とする導体層を形成するための 高融点金属層の部分と、 半導体素子への信号線となる微細 なパタ ー ンの高融点金属層の部分と を同一平面上に実施例

1 の N 0 . 8 の印刷条件で設けた。 これを実施例 1 と同条 件で焼結させ、 幅 2 5 m m、 長さ 2 5 m m、 厚み 0 . 7 m mの基材上に幅 1 5 m m、 長さ 2 0 m mの導体層を形成す るための高融点金属層と、 幅 1 m mで長さ 5 m mの信号線 用の高融点金属層が形成されたセラ ミ ッ ク基板を作製した。 この高融点金属化層上にそれぞれ各 1 0個ずつ厚みが 1 0 mのニッケル一リ ンメ ッ キを行い、 金属介在層と した。 次に、 この N i — Pの金属介在層の上に、 厚み 0 . 3 m mの銅板を載せ、 実施例 1 と同様の条件下で加熟して接合 した。 銅板サイ ズを表 6 に示す。 得られた接合体の起音波 探傷面分析、 1 0 0 0倍の S E M分析では異常な欠陥、 ク ラッ ク ピンホール等は見られなかった。 得られた接合体に ついて、 ピール強度と反 り量を測定し、 結果を表 1 3 に示 した。 表 1 3

(実施例 1 2 )

実施例 1 と同組成で各種厚みの A 1 N シ一 卜 を作製し、 試料 N o . 9 と同条件で Wペース ト を形成し、 同条件で焼 き付けて コフ ァイ アメ タ ライ ズ基板を作製 した。 これに実 施例 1 と同条件で長さ、-_ 巾は実施例 1 と同 じで、 厚みの違 う銅板を接合した。 得られた接合体には、 銅板が Wメ タ ラ ィ ズ層よ り水平方向にはみ出したものは無く 、 超音波探傷 而分析、 1 0 0 0倍の S E M分析では異常な欠陥、 ク ラ ッ ク ピンホール等は見られなかった。 得られた接合体につい て、 ピール強度と反 り量を測定し、 結果を表 1 4 に示した 表 1 4

上記結果よ り 、 セラ ミ ッ ク基材の厚みを y 、 銅板の厚み を X と した と き、 y 0 . 5 + 0 . 4 8 の関係を満たさ ないときは、 銅板を片面に接合した際は反 り量が大き く な リ実用適用範囲上限になるのに対し、 上記関係式を満たす ときは、 銅板を片面接合した場合でも接合体の反 り量が良 好である こ とが判る。

(実施例 1 3 )

実施例 1 の試料 N o . 9 と同条件でコフ ァ イ アメ タ ライ ズ基板を作製した。 長さ、 巾、 厚みは実施例 1 と同じで、

汀正された用紙 （規則 91 ) 銅板の側面形状の異なる銅板をプレス加工、 エッチング法 によ り種々作製し、 実施例 1 と同条件で接合した。 側面の 段形形状に関して、 段数、 平面方向の長さ、 厚みを表 6 に 示した。 銅板の得られた接合体には、 銅板が Wメ タ ライズ 層よ り水平方向にはみ出 したものは無く 、 超音波探傷面分 析、 1 0 0 0倍の S E M分析では異常な欠陥、 ク ラ ッ ク ピ ンホール等は見られなかった。 得られた接合体について、 ピール強度と反 り量を測定し、 結果を表 1 5 に示した。

表 1 5

試 製 最下段 最下段 2段目 2段目 導体剥離 部材反リ 料 材質 法 厚み 長さ 厚み —長さ 強度

(mm) (mm) (mm) (mm) (kgZmm) ( μ m/mm)

♦205 A 1 N CF 1 0. 3 1.8〜2.2 0.9〜し 2

206 A 1 N CF 2 0.03 0.25 1.6-2.1 0.6-0.9

*207 A 1 N CF 2 0.20 0.10 1.7〜1.9 0.8~1.1

208 A 1 N CF 3 0.05 0.15 0.05 0.15 1.6〜1.9 0.5〜0.8

*209 A 1 N CF 1 0. 3 1.7~2.0 0.9-1.2

210 A 1 N CF 2 0.08 0.20 1·6〜1·8 0.7~1.0

*211 A 1 N CF 2 0.20 0.05 1.8〜2.0 1.0~1.2

212 3 0.04 0.20 0.05 0.15 1.6〜2.2 0.7〜0.9 ネ 213 S i₃N₄ CF 1 0. 3 1.8~2.1 0.8〜1.2

214 2 0.04 0.25 1·9〜2·2 0.6-0.9

*215 2 0.20 0.13 1.6〜2.2 0.9〜1.3

216 3 0.10 0.25 0.05 0.15 1.6~1.9 0.5〜1.0 CT/JP98/02304

90

上記結果よ り導体層の側面部における形状が 1 段または 2 段以上の段形をな してお り 、 その最下面の段部に関して、 厚みが導体層全体の厚みの 1 ノ 3以下且つ、 つば部の長さ が導体層全体の厚みの 1 Z 2 以上であれば、 反 り量を よ り 低減する こ とが出来るこ とが判る。

(実施例 1 4 )

以上の実施例で作製した試料の中から試料番号 4 、 1 2 、 1 5 、 2 4 、 2 8 、 4 9 、 5 5 、 6 3 、 6 6 、 6 7 、 6 8 、 6 9 、 7 2 、 7 3 、 7 4 、 7 9 、 8 0 、 8 1 、 8 6 、 9 0 ' 9 4 、 9 8 、 1 0 2 、 1 0 6 、 1 3 4 、 1 3 9 、 1 4 5 、 1 4 6 、 1 5 8 、 1 5 9 、 1 6 0、 1 6 1 、 1 6 2 、

1 6 3 、 1 6 5 、 1 6 6 、 1 6 7 、 1 7 5 、 1 8 1 、

1 8 7 、 1 9 3 、 1 9 4 、 1 9 5 、 1 9 6 、 1 9 8 、

1 9 9 、 2 0 1 、 2 0 2 、 2 0 4 、 2 0 6 、 2 1 0 、

2 1 4 (但し 1 8 1 〜 2 1 4 のサンプルは外層 N i めっき 形成） の基板を選び、 図 7 に記載の断面構造の半導体装置 を作製した。 これらの各基板上に高温半田 を用いて半導体 素子 1 0 をダイ ボンディ ングした。 これの突出 した銅板部 を 9 0 ° 折曲げ、 図 8 に示すよう に、 外部端子 1 3 と した これをケーシング 1 2 に収納 し、 樹脂充填層 1 4 を充填し て半導体装置と した。

これらの各半導体装置を 1 0 0 0サイ クルのヒー トサイ

訂正された用紙 （規則 91) クル試験にかけたがいずれも欠陥や亀裂等実用上問題とな る不具合は生じ無かった。 又、 別途本発明の各試料基板を 搭載した図 7 の半導体装置を実際に図 1 7 に示す冷却部 (水冷式ラジェタ ー） 2 1 に取付け具 （ボル ト） 2 0 によ つて取 り つけた状態で連続 1 0 0 0 時間の耐久試験を行つ たと ころ、 試験後同様の異常はなかった。 このよう にセラ ミ ッ ク基村上に本発明の介在層を有する接続構造の基板は 従来のそれに比べ格段に高い信頼性を有する半導体装置を 提供する こ とが出来る。 かかる基本接続構造を具備する本 発明の基板は、 特にハイパワーモジュール用 と して優れた 信頼性を示すものである。 産業上の利用可能性

本発明によれば、 銅やコバ一ル等から なる リ ー ドフ レー ムのよう な金属部材をセラ ミ ッ ク ス基材に実装する際に、 従来の金属化層上での通常の銀系または銅系のロウ材ゃ酸 化銅一銅系の共晶を利用 した接合で生じる基材の破損 · 変 形を回避できる。 それ故実装時および使用時に亀裂や反 り が発生せず、 高い接合剥離強度で接合された実用上極めて 信頼性の高い銅回路接合基板を、 容易かつ安価に提供する こ とができる。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . セラ ミ ッ ク基材上に介在層を介 して銅を主成分とす る導体層を配した接続単位を、 一単位のみか、 または二単 位以上繰り 返し積層 して接続した銅回路接合基板であって、 当該接続単位の全てにおいて、 その導体層と介在層との接 合界面における導体層の平面方向の長さ および幅力 介在 層のそれに比べ少なく と も 0 . 0 5 m m短く 、 かつ介在層 との接合界面における導体層の外周側面部が介在層のそれ よ り はみ出 しておらず、 少なく と も一つの当該接続単位に おいて、 介在層との接合界面を除く 導体層側面部の少なく と も一部が該介在層の側面部よ り はみ出 している銅回路接 合基板。

2 . セラ ミ ッ ク基材上に介在層 を介 して銅を主成分とす る導体層を配した接続単位を、 一単位のみか、 または二単 位以上繰り返し積層 して接続した銅回路接合基板であって、 当該接続単位の全てにおいて、 その導体層 と介在層 との接 合界面における導体層の平面方向の長さおよび幅が、 介在 層のそれに比べ少なく とも 0 . 0 5 m m短く 、 かつ介在層 との接合界面における導体層の外周側面部が介在層のそ り よ り はみ出 しておらず、 いずれの接続単位においても、 導 体層の側面部が介在層の側面部よ り はみ出 していない銅回 路接合基板。

3 . 接続単位が 1 単位の場合は介在層上の一部に、 接続 単位が 2 単位以上の場合は介在層上の一部または全部に、 導体層の形成されていない部分が存在する請求項 1 または 2 に記載の銅回路接合基板。

4 . 前記導体層側面部と前記導体層と介在層 との接合界 面とのなす角度が、 8 0度以下である請求項 1 ない し 3 の いずれかに記載の銅回路接合基板。

5 . 少なく と も一つの接続単位において、 前記導体層の 側面部が、 階段状をな している請求項 1 ない し 3 のいずれ かに記載の銅回路接合基板。

6 . 前記階段状部分は、 前記介在層と接続されるその最 下段部の高さ力 前記導体層全体の厚みの 1 3 以下であ り 、 なお、 かつ該下段部つば部の前記介在層 との接合界面 での平面方向での長さ力 導体層全体の厚みの 1 / 2 以上 である請求項 5 に記載の銅回路接合基板。

7 . 前記導体層 と介在層の外表面に、 N i を主体とする 外層が形成されている請求項 1 ない し 6 のいずれかに記載 の銅回路接合基板。

8 . 前記介在層力 A g 、 C uの少なく と も一種を主成 分と し活性金属を含むロ ウ材の層を含む請求項 1 ない し 7 のいずれかに記載の銅回路接合基板。

9 . 前記介在層が、 基材側から順に前記ロ ウ材の層と、 N i 、 F e 、 C u の少なく とも一種を主成分と し、 その融 点が 1 0 0 0 °C以下の低融点金属の層とからなる請求項 8 に記載の銅回路接合基板。

1 0 . 前記介在層が、 基材側から順に高融点金属を主成 分とする高融点金属層と、 前記ロ ウ材の層 とからなる請求 項 8 に記載の銅回路接合基板。

1 1 . 前記ロウ材の層に含まれる活性金属は、 I V a族ま たは V a族金属である請求項 8 ない し 1 0 のいずれかに記 載の銅回路接合基板。 ―

1 2 . 前記介在層が、 基材側から順に前記高融点金属層 と、 前記低融点金属の層とからなる請求項 1 ない し 7 のい ずれかに記載の銅回路接合基板。

1 3 . 前記高融点金属層の表面粗さ力 、 R a で 4 μ m以 下である請求項 1 1 または 1 2 に記載の銅回路接合基板。

1 4 . 前記低融点金属の層が N i — Pの層 を含む請求項 9 ない し 1 3 のいずれかに記載の銅回路接合基板。

1 5 . 前記低融点金属の層が、 基材側から順に N i — B と、 N i — P とからなる請求項 9 ない し 1 3 のいずれかに 記載の銅回路接合基板。

1 6 . 前記介在層のロウ材層または高融点金属層の厚み 力 、 3 〜 5 0 μ mである と請求項 8 ない し 1 1 および 1 3 のいずれかに記載の銅回路接合基板。

1 7 . 前記介在層の低融点金属層の厚みが、 2 〜 4 0 μ mである請求項 9 および 1 2 ない し 1 5 のいずれかに記載 の銅回路接合基板。

1 8 . 少なく と も一つの接続単位において、 導体層の厚 みを X [ m m] と した時に、 セラ ミ ッ ク基材の厚み y 〔 m m] † y ≥ 0 . 5 x + 0 . 4 8 を満たす関係にある請求 項 1 ない し 1 7 のいずれかに記載の銅回路接合基板。

1 9 . 前記基材が、 窒化アルミニウム系セラ ミ ッ ク スか らなる請求項 1 ない し 1 8 のいずれかに記載の銅回路接合 基板。

2 0 . 前記基材が、 窒化珪素系セラ ミ ッ ク スからなる請 求項 1 ない し 1 8 のいずれかに記載の銅回路接合基板。

2 1 . セラ ミ ッ ク基材上に介在層を介 して銅を主成分と する導体層を配した接続単位を、 一単位のみか、 または二 単位以上繰り返し積層 して接続した銅回路接合基板の製造 方法であって、 （ 1 ) セラ ミ ッ ク基材を準備する工程と、

( 2 ) 介在層と直接接合される部分の平面方向の長さ およ び幅が、 該介在層のそれよ り も少なく とも 0 . 0 5 m m短 い導体層の素材であって、 該介在層と直接接合されない部 分の平面方向の少なく とも一部の端が、 接合後該介在層の それよ り もはみ出す形状の素材 （ I ) および /又ははみ出 さない素材 （II) と を準備する工程と、 （ 3 ) 積層単位毎 にそれぞれ所定の導体層の素材と して、 当該素材 （ I ) お よび/または （II) を選んだ後、 該基材と該導体層の素材 との間に、 介在層を形成する素材を配置して、 所定の当該 接続単位を、 一単位のみか、 または二単位以上繰 り返し積 層 して接合アセンブリ ー とする工程と、 （ 4 ) 該介在層成 分の融点ない し導体層素材の融点未満の温度範囲で該ァセ ンブリ ー を加熱して接合体とする工程と、 （ 5 ) 該接合体 を仕上げる工程と を含む銅回路接合基板の製造方法。

2 2. 前記導体層 を形成する素材は、 前記導体層を形成 する素材を準備する工程または前記接合体を仕上げる工程 のいずれかの工程で、 介在層と直接接合する面を形成する その側面が、 接合後接合界両方向と 8 0度以下の角度をな すように予め成形する請求項 2 1 に記載の銅回路接合基板 の製造方法。

2 3. 前記接合体を仕上げる工程は、 該接合体の外表面 に N i を主成分とする層を形成する工程を含む請求項 2 1 または 2 2 に記載の銅回路接合基板の製造方法。

2 4. 前記介在層を形成する素材は、 A g、 C uの少な く とも一種を主成分と し活性金属を含むロ ウ素材である請 求項 2 1 または 2 2 に記載の銅回路接合基板の製造方法。

2 5 . 前記ロウ材に含まれる活性金属は、 I V a族金属で ある請求項 2 4 に記載の銅回路接合基板の製造方法。

2 6 . 前記介在層を形成する素材と して、 前記ロウ素材 に加え N i 、 F e 、 C uの少なく と も一種を主成分と し、 その融点が 1 0 0 0 °C以下の低融点金属の素材を選び前記 接合アセンブリ ー とする工程において、 当該介在層を形成 する素材を、 基材側から前記ロウ材、 低融点金属の素材の 順に配置する請求項 2 1 ない し 2 5 のいずれかに記載の銅 回路接合基板の製造方法。

2 7 . 前記セラ ミ ッ ク基材を準備_する工程は、 該セラ ミ ッ ク基材上に高融点金属を含むペース ト を塗布 し、 焼成し て高融点金属層を形成する工程を含み、 さ らに前記接合ァ センブリ ー とする工程は、 当該高融点金属層 と導体層を形 成する素材との間に、 前記ロウ素材または低融点金属の素 材を介挿する工程を含 ·む請求項 2 1 に記載の銅回路接合基 板の製造方法。

2 8 . 前記セラ ミ ッ ク基材を準備する工程は、 当該セラ ミ ッ タ スの組成からなる原料粉末の成形体上に高融点金属 を含むペース ト を塗布し、 焼成してセラ ミ ッ ク成形体を焼 結する と と もに、 高融点金属層を形成する工程を含み、 さ らに前記接合アセンブリ 一とする工程において、 当該高融 点金属層と導体層を形成する素材との間に、 前記ロウ素材 または低融点金属の素材を介挿する請求項 2 1 に記載の銅 回路接合基板の製造方法。

2 9 . 前記低融点金属の層を N i — P系成分を含むメ ッ キによって形成する請求項 2 6 ない し 2 8 のいずれかに記 載の銅回路接合基板の製造方法。

3 0 . 前記低融点金属の層を、 基材側から順に N i — B 系成分、 N i — P系成分のメ ツ キによって形成する請求項 2 6 ない し 2 8 のいずれかに記載の銅回路接合基板の製造 方法。

3 1 . 前記介在層のロウ材層および高融点金属層の厚み が、 接合後 3 〜 5 0 μ mと なるよう にする請求項 2 3 ない し 2 8 のいずれかに記載の銅回路接合基板の製造方法。

3 2 . 前記介在層の低融点金属の層の厚みが、 2 〜 4 0 μ mとなるよ う にする請求項 2 6 ない し 2 8 のいずれかに 記載の銅回路接合基板の製造方法。

3 3 . 前記基材に窒化アルミニウム系セラ ミ ッ ク スを用 いる請求項 2 1 ない し 3 2 のいずれかに記載の銅回路接合 基板の製造方法。

3 4 . 前記基材に窒化珪素系セラ ミ ッ ク スを用いる請求 項 2 1 ない し 3 2 のいずれかに記載の銅回路接合基板の製 造方法。

3 5 . 請求項 1 乃至 2 0のいずれかに記載の銅回路接合 基板に、 半導体素子をダイ ボンディ ングしてなる半導体装 置。

3 6 . 請求項 3 5 の半導体装置が用い られた冷却システ ム。

訂正された用紙 （規則 91 )