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JP2007230791A - Ceramic circuit board and manufacturing method thereof - Google Patents

Ceramic circuit board and manufacturing method thereof Download PDF

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JP2007230791A
JP2007230791A JP2006051260A JP2006051260A JP2007230791A JP 2007230791 A JP2007230791 A JP 2007230791A JP 2006051260 A JP2006051260 A JP 2006051260A JP 2006051260 A JP2006051260 A JP 2006051260A JP 2007230791 A JP2007230791 A JP 2007230791A
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JP
Japan
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circuit board
substrate
intermediate layer
ceramic circuit
metal layer
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Application number
JP2006051260A
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Japanese (ja)
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Hirobumi Terasono
博文 寺園
Takeo Fukutome
武郎 福留
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Kyocera Corp
Original Assignee
Kyocera Corp
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Publication date
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Abstract


【課題】 絶縁性、接合強度、信頼性および熱伝導性を向上し、長期間にわたって優れた耐久性と放熱性を実現するセラミック回路基板およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 セラミック回路基板1は、非酸化物セラミックスで構成される基板2の厚み方向一方側表面に、RE−Si−O系酸化物およびRE−Si−O−N系酸化物の少なくとも一方を含む結晶質相で構成される中間層3が設けられ、この中間層3の厚み方向一方側表面に、所定のパターン形状を有する金属層4が接合されている。半導体素子11は、金属層4に電気的に接続されている。
【選択図】 図1

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a ceramic circuit board which improves insulation, bonding strength, reliability and thermal conductivity and realizes excellent durability and heat dissipation over a long period of time and a method for manufacturing the same.
A ceramic circuit board 1 has at least one of a RE-Si-O-based oxide and a RE-Si-O-N-based oxide on one surface in a thickness direction of a substrate 2 made of non-oxide ceramics. An intermediate layer 3 composed of a crystalline phase containing is provided, and a metal layer 4 having a predetermined pattern shape is bonded to one surface in the thickness direction of the intermediate layer 3. The semiconductor element 11 is electrically connected to the metal layer 4.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、セラミック基板に金属パターンを接合するセラミック回路基板に関し、特に高信頼性、高放熱性および高接合強度を要するパワーモジュールに好適なセラミック回路基板およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a ceramic circuit board for bonding a metal pattern to a ceramic substrate, and more particularly to a ceramic circuit board suitable for a power module that requires high reliability, high heat dissipation, and high bonding strength, and a method for manufacturing the same.

従来、高出力のパワーFET(Field Effect Transistor)などの半導体素子を収容するパワーモジュール用のセラミック回路基板は、作動時に発熱する半導体素子の放熱性を向上させるため、熱伝導率の高い金属回路板およびセラミック基板などを含んで構成される。セラミック基板の厚み方向一方側の表面には金属回路板が接合され、厚み方向他方側の表面には金属放熱板が接合される。半導体素子は、金属回路板に実装され、制御回路などの外部の回路と電気的に接続されている。   Conventionally, ceramic circuit boards for power modules that house semiconductor elements such as high-output power FETs (Field Effect Transistors) are metal circuit boards with high thermal conductivity to improve the heat dissipation of the semiconductor elements that generate heat during operation. And a ceramic substrate. A metal circuit board is joined to the surface on one side in the thickness direction of the ceramic substrate, and a metal heat sink is joined to the surface on the other side in the thickness direction. The semiconductor element is mounted on a metal circuit board and is electrically connected to an external circuit such as a control circuit.

このようなパワーモジュールに用いられる半導体素子には、たとえばシリコン(Si)単結晶の原子の一部を、窒素(N)およびリン(P)などの15族元素またはガリウム(Ga)およびアルミニウム(Al)などの13族元素で置き換えた、いわゆる不純物半導体が用いられ、自由電子および正孔の二つのキャリヤ数により区別されるn型、p型半導体の組み合わせにより構成される。その役割は、IC(Integrated Circuit)などの電子回路のベース電圧信号に基づいてパワー回路の電流のスイッチングを行い、電力の制御を行うことにあるが、スイッチング速度の高速化に伴い、動作時に発生する多量の熱を如何に効率的に放出するかが課題となっている。   In a semiconductor element used in such a power module, for example, a part of atoms of silicon (Si) single crystal is substituted with a group 15 element such as nitrogen (N) and phosphorus (P), gallium (Ga), and aluminum (Al So-called impurity semiconductors replaced with group 13 elements such as) are used, and are composed of a combination of n-type and p-type semiconductors distinguished by the number of two carriers of free electrons and holes. Its role is to control power by switching the power circuit current based on the base voltage signal of electronic circuits such as IC (Integrated Circuit), but it occurs during operation as the switching speed increases. The problem is how to efficiently release a large amount of heat.

半導体素子が実装される金属回路板は、パワー回路におけるエミッタ電極を構成しており、大電流を通電するとともに、半導体素子で発生した熱を外部に伝達し、放出する役目を担っている。したがって、金属回路板には、熱を広範囲に拡散し、熱放散性を高めるための高い熱伝導性が求められている。たとえば、金属回路板に熱伝導率が高い銅を用いると、半導体素子の動作により発生する熱は、銅回路板を伝わって良好に外部に放出され、半導体素子の温度上昇を有効に防ぐことが可能となる。   The metal circuit board on which the semiconductor element is mounted constitutes an emitter electrode in the power circuit, and conducts a large current and plays a role of transmitting and releasing heat generated in the semiconductor element to the outside. Accordingly, the metal circuit board is required to have high thermal conductivity for diffusing heat over a wide range and enhancing heat dissipation. For example, if copper with high thermal conductivity is used for the metal circuit board, the heat generated by the operation of the semiconductor element is well transferred to the outside through the copper circuit board, effectively preventing the temperature rise of the semiconductor element. It becomes possible.

また、セラミック基板は、絶縁性を有しており、金属回路板と金属放熱板との間の電気的絶縁性を確保するために設けられるとともに、金属回路板と同様に熱を外部に伝導する役目を担っている。   In addition, the ceramic substrate has an insulating property, and is provided to ensure electrical insulation between the metal circuit board and the metal heat radiating plate, and conducts heat to the outside in the same manner as the metal circuit board. It plays a role.

このようなセラミック回路基板において、セラミック基板としては、アルミナ(Al)、窒化アルミニウム(AlN)および窒化珪素(Si)などのセラミック焼結体が用いられ、金属回路板としては、銅およびアルミニウムなどの高熱伝導性金属が用いられる。 In such a ceramic circuit board, a ceramic sintered body such as alumina (Al 2 O 3 ), aluminum nitride (AlN), and silicon nitride (Si 3 N 4 ) is used as the ceramic substrate. High thermal conductivity metals such as copper and aluminum are used.

しかし、パワーモジュールやスイッチング電源用モジュールなどの高電力化、高速化に加え、半導体素子の高密度化、高集積化に伴って、半導体素子からの発生熱量は年々増加する傾向にあるため、アルミナ(Al)に比べ熱伝導率が数倍から10倍程度高い窒化アルミニウム(AlN)および窒化珪素(Si)などの非酸化物セラミック焼結体をセラミック基板として用いることが好ましい。 However, in addition to higher power and higher speed of power modules and switching power supply modules, the amount of heat generated from semiconductor elements tends to increase year by year as the density and integration of semiconductor elements increase. It is preferable to use a non-oxide ceramic sintered body such as aluminum nitride (AlN) and silicon nitride (Si 3 N 4 ) having a thermal conductivity several times to 10 times higher than (Al 2 O 3 ) as the ceramic substrate. .

非酸化物セラミック基板をセラミック回路基板に適用するためには、アルミナなどの酸化物セラミック基板と同様に、その表面に金属回路板を接合することが不可欠である。非酸化物セラミック基板と金属回路板とを接合する方法としては、銅直接接合法(DBC法:Direct Bonding Cupper法)、アルミニウム直接接合法(DBA法:Direct Bonding
Aluminum)および活性金属法などが挙げられる(特許文献1〜3参照。)。
In order to apply a non-oxide ceramic substrate to a ceramic circuit substrate, it is indispensable to join a metal circuit board to the surface like an oxide ceramic substrate such as alumina. As a method for bonding a non-oxide ceramic substrate and a metal circuit board, a copper direct bonding method (DBC method: Direct Bonding Cupper method), an aluminum direct bonding method (DBA method: Direct Bonding).
Aluminum) and the active metal method (see Patent Documents 1 to 3).

特開平03−290378号公報Japanese Patent Laid-Open No. 03-290378 特開平04−12554号公報Japanese Patent Laid-Open No. 04-12554 特開2001−48670号公報JP 2001-48670 A

窒化アルミニウム(AlN)および窒化珪素(Si)などの非酸化物セラミック基板に、銅およびアルミニウムなどの金属回路板を接合する場合にDBC法を用いると、Cu−O系の共晶化合物を利用した接合法であるため、非酸化物セラミック基板の表面に少なくとも3〜5μmの厚さの酸化物層を熱酸化法などにより形成する必要がある。 When a metal circuit board such as copper and aluminum is bonded to a non-oxide ceramic substrate such as aluminum nitride (AlN) and silicon nitride (Si 3 N 4 ), a Cu—O-based eutectic compound is obtained by using the DBC method. Therefore, it is necessary to form an oxide layer having a thickness of at least 3 to 5 μm on the surface of the non-oxide ceramic substrate by a thermal oxidation method or the like.

窒化珪素(Si)焼結体の酸化のメカニズムは、900〜1000℃程度の低温で発生する粒界層の酸化と、1100℃以上の高温で発生する窒化珪素粒子自体の酸化に大別することができ、それぞれ異なる温度域で酸化が促進される。このため、窒化珪素(Si)基板表面に均質な酸化物層を形成することは困難であり、ひいては窒化珪素(Si)基板と金属回路板とを均質に接合することができないという問題がある。 The mechanism of oxidation of the silicon nitride (Si 3 N 4 ) sintered body is largely due to the oxidation of the grain boundary layer generated at a low temperature of about 900 to 1000 ° C. and the oxidation of the silicon nitride particles themselves generated at a high temperature of 1100 ° C. or higher. The oxidation is promoted at different temperature ranges. For this reason, it is difficult to form a uniform oxide layer on the surface of the silicon nitride (Si 3 N 4 ) substrate. As a result, the silicon nitride (Si 3 N 4 ) substrate and the metal circuit board can be uniformly bonded. There is a problem that you can not.

また、粒界層が酸化される場合には必然的に体積変化を生じるため、この体積変化により粒界層と窒化珪素粒子との間に微細なクラックが生じる。酸化時間とともにこのクラックが進展しながら繋がることにより大きなクラックに成長し、安定な酸化物層を得ることができない。このようにして生じたクラックは、窒化珪素(Si)基板と金属回路板とを接合した際に、絶縁性の劣化、接合強度の低下、動作時の熱応力に対する信頼性の低下、熱伝導性の低下などによりパワーモジュール全体の放熱性を悪化させてしまうことになる。 In addition, when the grain boundary layer is oxidized, a volume change inevitably occurs, and this volume change causes fine cracks between the grain boundary layer and the silicon nitride particles. The cracks grow and connect with the oxidation time to grow into large cracks, and a stable oxide layer cannot be obtained. The cracks generated in this way are caused by deterioration of insulation, reduction of bonding strength, reduction of reliability against thermal stress during operation when a silicon nitride (Si 3 N 4 ) substrate and a metal circuit board are bonded, The heat dissipation of the entire power module is deteriorated due to a decrease in thermal conductivity.

本発明の目的は、絶縁性、接合強度、信頼性および熱伝導性を向上し、長期間にわたって優れた耐久性と放熱性を実現するセラミック回路基板およびその製造方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide a ceramic circuit board that improves insulation, bonding strength, reliability, and thermal conductivity, and realizes excellent durability and heat dissipation over a long period of time, and a method for manufacturing the same.

本発明は、非酸化物セラミックで構成される基板と、
所定のパターン形状を有する金属層と、
前記基板と前記金属層とに接合される中間層とを含み、
前記中間層は、RE−Si−O系酸化物およびRE−Si−O−N系酸化物(REは希土類元素を示す)の少なくとも一方を含む結晶質相で構成されることを特徴とするセラミック回路基板である。
The present invention includes a substrate composed of a non-oxide ceramic,
A metal layer having a predetermined pattern shape;
An intermediate layer bonded to the substrate and the metal layer;
The intermediate layer is composed of a crystalline phase containing at least one of a RE-Si-O-based oxide and a RE-Si-O-N-based oxide (RE represents a rare earth element). It is a circuit board.

また、本発明は、前記中間層の厚みが、10μm以上50μm以下であることを特徴とする。   In the invention, it is preferable that the thickness of the intermediate layer is 10 μm or more and 50 μm or less.

また、本発明は、前記結晶質相は、RESi、RESiOおよびRE14Si39から選ばれる結晶質相であることを特徴とする。 Further, the present invention is characterized in that the crystalline phase is a crystalline phase selected from RE 2 Si 2 O 7 , RE 2 SiO 5 and RE 14 Si 9 O 39 .

また、本発明は、前記結晶質相に含まれる希土類元素が、Sm、Tb、Dy、La、Ce、Nd、Y、ErおよびYbから選ばれる少なくとも1種の希土類元素であることを特徴とする。   The present invention is also characterized in that the rare earth element contained in the crystalline phase is at least one rare earth element selected from Sm, Tb, Dy, La, Ce, Nd, Y, Er, and Yb. .

また、本発明は、前記中間層の熱膨張係数が、3.0ppm/℃以上16.0ppm/℃以下であり、前記基板の熱膨張係数より大きく、前記金属層の熱膨張係数よりも小さいことを特徴とする。   In the present invention, the thermal expansion coefficient of the intermediate layer is 3.0 ppm / ° C. or more and 16.0 ppm / ° C. or less, which is larger than the thermal expansion coefficient of the substrate and smaller than the thermal expansion coefficient of the metal layer. It is characterized by.

また、本発明は、前記結晶質相に含まれる希土類元素が、前記非酸化物セラミック粒子の粒界層に存在する結晶質相に含まれる希土類元素と同じであることを特徴とする。   The present invention is characterized in that the rare earth element contained in the crystalline phase is the same as the rare earth element contained in the crystalline phase present in the grain boundary layer of the non-oxide ceramic particles.

また、本発明は、前記非酸化物セラミックスが、窒化ケイ素焼結体であることを特徴とする。   Further, the present invention is characterized in that the non-oxide ceramic is a silicon nitride sintered body.

また、本発明は、前記金属層が、銅、アルミニウム、タングステン、モリブデンおよびそれらの合金の少なくとも1種の金属からなることを特徴とする。   In the invention, it is preferable that the metal layer is made of at least one metal selected from copper, aluminum, tungsten, molybdenum, and alloys thereof.

また、本発明は、非酸化物セラミックスで構成される基板の表面に、RE粉末(REは希土類元素)とSiO粉末との混合粉末、有機溶媒および有機バインダーを含む溶液を塗布し、窒素雰囲気中で加熱溶融して融液を形成する工程と、
前記融液を結晶化してRE−Si−O系酸化物およびRE−Si−O−N系酸化物の少なくとも一方から成る結晶を主体とする中間層を前記基板の表面に形成する工程と、
前記中間層を介して、前記基板上に所定のパターン形状を有する金属層を接触配置し、熱処理を施して前記金属層を接合する工程と備えることを特徴とするセラミック回路基板の製造方法である。
In the present invention, a solution containing a mixed powder of RE 2 O 3 powder (RE is a rare earth element) and SiO 2 powder, an organic solvent and an organic binder is applied to the surface of a substrate made of non-oxide ceramics. A step of melting by heating in a nitrogen atmosphere to form a melt;
Crystallization of the melt to form an intermediate layer mainly composed of crystals composed of at least one of a RE-Si-O-based oxide and a RE-Si-O-N-based oxide on the surface of the substrate;
A method of manufacturing a ceramic circuit board, comprising: a step of placing a metal layer having a predetermined pattern shape on the substrate through the intermediate layer, and performing a heat treatment to join the metal layer. .

本発明によれば、非酸化物セラミックスで構成される基板と、所定のパターン形状を有する金属層とに接合される中間層を含んでおり、この中間層は、RE−Si−O系酸化物およびRE−Si−O−N系酸化物(REは希土類元素を示す)の少なくとも一方を含む結晶質相で構成されることを特徴としている。   The present invention includes an intermediate layer bonded to a substrate made of non-oxide ceramics and a metal layer having a predetermined pattern shape, and the intermediate layer includes a RE-Si-O-based oxide. And a RE—Si—O—N-based oxide (RE represents a rare earth element).

このような中間層を形成することで、熱酸化法による酸化と異なり、非酸化物セラミックスで構成される基板の表面にクラックなどのダメージを与えることなく均質に酸化皮膜で覆うことが可能となる。   By forming such an intermediate layer, unlike the oxidation by the thermal oxidation method, the surface of the substrate made of non-oxide ceramic can be uniformly covered with an oxide film without causing damage such as cracks. .

また、中間層は酸化物であるため、中間層と金属層との界面には均質なCu−Oなどの共晶化合物が形成され、金属層を均質かつ強固に接合することができ、さらに、絶縁性を向上することができる。   Further, since the intermediate layer is an oxide, a homogeneous eutectic compound such as Cu-O is formed at the interface between the intermediate layer and the metal layer, and the metal layer can be bonded uniformly and firmly. Insulation can be improved.

また、基板表面にクラックを発生することがないので、熱伝導性の劣化を防止することができ、放熱性の高いセラミック回路基板を実現することができる。   In addition, since no cracks are generated on the substrate surface, it is possible to prevent deterioration of thermal conductivity and to realize a ceramic circuit board with high heat dissipation.

以上より、絶縁性、接合強度、信頼性および熱伝導性を向上し、長期間にわたって優れた耐久性と放熱性を実現するセラミック回路基板を得ることができる。   From the above, it is possible to obtain a ceramic circuit board that improves insulation, bonding strength, reliability, and thermal conductivity and realizes excellent durability and heat dissipation over a long period of time.

また、本発明によれば、前記中間層の厚みを、10μm以上50μm以下とすることで、十分な絶縁性と熱伝導性とを実現することができる。   Moreover, according to this invention, sufficient insulation and heat conductivity are realizable because the thickness of the said intermediate | middle layer shall be 10 micrometers or more and 50 micrometers or less.

また、本発明によれば、前記結晶質相は、RESi、RESiOおよびRE14Si39から選ばれる結晶質相であるので、非常に安定であり、金属層を接合する際の高温雰囲気から基板表面を守ることができる。その結果、基板の抗折強度の劣化を防止することができる。 Further, according to the present invention, the crystalline phase is a crystalline phase selected from RE 2 Si 2 O 7 , RE 2 SiO 5 and RE 14 Si 9 O 39 , so that it is very stable and the metal layer It is possible to protect the substrate surface from the high temperature atmosphere when bonding the substrate. As a result, deterioration of the bending strength of the substrate can be prevented.

また、本発明によれば、前記結晶質相に含まれる希土類元素が、Sm、Tb、Dy、La、Ce、Nd、Y、ErおよびYbから選ばれる少なくとも1種の希土類元素であるので、高温雰囲気から基板表面を守ることができる。   Further, according to the present invention, the rare earth element contained in the crystalline phase is at least one rare earth element selected from Sm, Tb, Dy, La, Ce, Nd, Y, Er, and Yb. The substrate surface can be protected from the atmosphere.

また、本発明によれば、前記中間層の熱膨張係数が、3.0ppm/℃以上16.0ppm/℃以下であり、前記基板の熱膨張係数より大きく、前記金属層の熱膨張係数よりも小さくしているので、接合界面に発生する熱応力を効果的に緩和することができる。これにより、接合強度および信頼性を向上させることができる。   Further, according to the present invention, the thermal expansion coefficient of the intermediate layer is 3.0 ppm / ° C. or more and 16.0 ppm / ° C. or less, which is larger than the thermal expansion coefficient of the substrate and larger than the thermal expansion coefficient of the metal layer. Since it is made small, the thermal stress which generate | occur | produces in a joining interface can be relieve | moderated effectively. Thereby, joint strength and reliability can be improved.

また、本発明によれば、前記結晶質相に含まれる希土類元素が、前記非酸化物セラミック粒子の粒界層に存在する結晶質相に含まれる希土類元素と同じである。   According to the present invention, the rare earth element contained in the crystalline phase is the same as the rare earth element contained in the crystalline phase present in the grain boundary layer of the non-oxide ceramic particles.

これにより、基板と中間層との濡れ性、連続性を向上し、中間層の接合強度を向上させることができ、信頼性および放熱性を向上させることができる。   Thereby, the wettability and continuity between the substrate and the intermediate layer can be improved, the bonding strength of the intermediate layer can be improved, and the reliability and heat dissipation can be improved.

また、本発明によれば、非酸化物セラミックスが、窒化珪素焼結体であるので、基板が高強度かつ高熱伝導率を有し、信頼性および放熱性を向上させることができる。   Further, according to the present invention, since the non-oxide ceramic is a silicon nitride sintered body, the substrate has high strength and high thermal conductivity, and can improve reliability and heat dissipation.

また、本発明によれば、前記金属層が、銅、アルミニウム、タングステン、モリブデンおよびそれらの合金の少なくとも1種の金属からなるので、熱伝導性、導電性および原料コストの点から、安価で放熱性の高いセラミック回路基板を得ることができる。   According to the present invention, since the metal layer is made of at least one metal of copper, aluminum, tungsten, molybdenum and alloys thereof, it is inexpensive and dissipates heat in terms of thermal conductivity, conductivity, and raw material costs. A highly functional ceramic circuit board can be obtained.

また、本発明によれば、非酸化物セラミックスで構成される基板の表面に、RE粉末(REは希土類元素)とSiO粉末との混合粉末、有機溶媒および有機バインダーを含む溶液を塗布し、窒素雰囲気中で加熱溶融して融液を形成し、前記融液を結晶化してRE−Si−O系酸化物およびRE−Si−O−N系酸化物の少なくとも一方から成る結晶を主体とする中間層を前記基板の表面に形成する。次に前記中間層を介して、前記基板上に所定のパターン形状を有する金属層を接触配置し、熱処理を施して前記金属層を接合することで、絶縁性、接合強度、信頼性および熱伝導性を向上し、長期間にわたって優れた耐久性と放熱性とを実現するセラミック回路基板を得ることができる。 Further, according to the present invention, a solution containing a mixed powder of RE 2 O 3 powder (RE is a rare earth element) and SiO 2 powder, an organic solvent and an organic binder is provided on the surface of a substrate composed of non-oxide ceramics. Apply and melt in a nitrogen atmosphere to form a melt, and crystallize the melt to form a crystal composed of at least one of a RE-Si-O-based oxide and a RE-Si-O-N-based oxide. A main intermediate layer is formed on the surface of the substrate. Next, a metal layer having a predetermined pattern shape is placed in contact with the substrate via the intermediate layer, and heat treatment is performed to bond the metal layer, thereby insulating, bonding strength, reliability, and heat conduction. It is possible to obtain a ceramic circuit board that improves the durability and achieves excellent durability and heat dissipation over a long period of time.

本発明は、非酸化物セラミックスで構成される基板と、所定のパターン形状を有する金属層と、前記基板と前記金属層とに接合される中間層とを含んで構成されるセラミック回路基板であり、前記中間層は、RE−Si−O系酸化物およびRE−Si−O−N系酸化物(REは希土類元素を示す)の少なくとも一方を含む結晶質相で構成されることを特徴としている。   The present invention is a ceramic circuit board comprising a substrate composed of non-oxide ceramics, a metal layer having a predetermined pattern shape, and an intermediate layer bonded to the substrate and the metal layer. The intermediate layer is composed of a crystalline phase containing at least one of a RE-Si-O-based oxide and a RE-Si-O-N-based oxide (RE represents a rare earth element). .

このようなセラミック回路基板は、高信頼性、高放熱性および高接合強度を要するパワーモジュールに特に好適である。   Such a ceramic circuit board is particularly suitable for a power module that requires high reliability, high heat dissipation, and high bonding strength.

図1は、本発明の第1の実施形態であるセラミック回路基板1を用いた半導体装置10の構成を示す断面図である。   FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device 10 using a ceramic circuit board 1 according to a first embodiment of the present invention.

半導体装置10は、セラミック回路基板1に、半導体素子11が実装されたものであって、たとえば、パワーモジュールなどで実現される。   The semiconductor device 10 is obtained by mounting a semiconductor element 11 on a ceramic circuit board 1 and is realized by, for example, a power module.

セラミック回路基板1は、非酸化物セラミックスで構成される基板2の厚み方向一方側表面に、RE−Si−O系酸化物およびRE−Si−O−N系酸化物の少なくとも一方を含む結晶質相で構成される中間層3が設けられ、この中間層3の厚み方向一方側表面に、所定のパターン形状を有する金属層4が接合されている。半導体素子11は、金属層4に電気的に接続されている。   The ceramic circuit board 1 is a crystalline material containing at least one of a RE-Si-O-based oxide and a RE-Si-O-N-based oxide on one surface in the thickness direction of a substrate 2 made of non-oxide ceramics. An intermediate layer 3 composed of a phase is provided, and a metal layer 4 having a predetermined pattern shape is bonded to one surface in the thickness direction of the intermediate layer 3. The semiconductor element 11 is electrically connected to the metal layer 4.

半導体素子11は、たとえば、発熱性素子、IGBT(In sulated Gate Bipolar
Transistor)およびパワーMOS(Metal Oxide Semiconductor)FETなどのように大きな電流を制御する機能を有しており、半導体素子11には電流制御のための信号が入力される配線(図示せず)が接続されている。
The semiconductor element 11 is, for example, a heat generating element, IGBT (Insulated Gate Bipolar).
It has a function of controlling a large current, such as a transistor (FET) and a power MOS (Metal Oxide Semiconductor) FET, and a wiring (not shown) for inputting a signal for current control is connected to the semiconductor element 11. Has been.

基板2は、窒化アルミおよび窒化珪素などの非酸化物セラミックスで構成される基板である。窒化アルミおよび窒化珪素などの非酸化物セラミック基板は、アルミナおよびジルコニアなどの酸化物セラミックスで構成された基板と比較して、特に、高強度で、かつ高い熱伝導率を有するため、放熱性および高い実装信頼性を必要とするパワー素子などの発熱性素子を実装する回路基板として好適である。   The substrate 2 is a substrate made of non-oxide ceramics such as aluminum nitride and silicon nitride. Non-oxide ceramic substrates such as aluminum nitride and silicon nitride have particularly high strength and high thermal conductivity as compared with substrates composed of oxide ceramics such as alumina and zirconia, so that heat dissipation and It is suitable as a circuit board for mounting a heat generating element such as a power element that requires high mounting reliability.

基板2を構成する非酸化物セラミックスとしては、特に限定されるものではないが、窒化珪素が高強度、高靭性のセラミック焼結体としてよく知られており、これに加えて比較的高い熱伝導率も有していることより、高強度で、かつ高い熱伝導率を両立できる点で、特に好ましい。   The non-oxide ceramic constituting the substrate 2 is not particularly limited, but silicon nitride is well known as a high-strength, high-toughness ceramic sintered body, and in addition, relatively high heat conduction. It is particularly preferable in that it has both high strength and high thermal conductivity.

中間層3は、RE−Si−O系酸化物およびRE−Si−O−N系酸化物の少なくとも一方を含む結晶質相で構成される。RE−Si−O−N系酸化物としては、RESi(ダイシリケート)およびRESiO(モノシリケート)などの希土類酸化物が好ましく、RE−Si−O−N系酸化物としては、RESi(YAM)、RESiON(ワラステナイト)およびRE10SiON(アパタイト)などのSi−RE−SiO系希土類酸化物が好ましい。 The intermediate layer 3 is composed of a crystalline phase containing at least one of a RE—Si—O-based oxide and a RE—Si—O—N-based oxide. As the RE-Si-O-N-based oxide, rare earth oxides such as RE 2 Si 2 O 7 (disilicate) and RE 2 SiO 5 (monosilicate) are preferable, and the RE-Si-O-N-based oxide is preferable. the, RE 4 Si 2 O 7 N 4 (YAM), RESiO 2 N ( wollastonite) and RE 10 Si 7 ON 4 (apatite) Si 3 N 4 -RE 2 O 3 -SiO 2 based rare earth oxides such as Is preferred.

結晶質相としては、これらの中でもRE−Si−O系酸化物が好ましく、特にRESi(ダイシリケート)、RESiO(モノシリケート)が好ましい。これは、従来のSiO皮膜やZrO、Al、ムライト、コージェライトおよびYAGなどの酸化物被覆層に比べ、絶縁性を向上できることに加えて、高温酸化性雰囲気においても非常に安定であるので、金属層4を接合する際の高温雰囲気から基板2の表面を守ることができ、基板2自体の抗折強度の劣化を防止することが可能となる。なお、中間層3がRESi(YAM)、RESiON(ワラステナイト)およびRE10SiON(アパタイト)などのSi−RE−SiO系結晶質相で構成される場合、中間層3に含まれる酸素量は多くできるものの、非酸化物となるため絶縁性および接合強度がRESi(ダイシリケート)、RESiO(モノシリケート)に劣るため、本発明としては、総合的な特性向上の観点からRESi(ダイシリケート)、RESiO(モノシリケート)が好ましい。 Among these, as the crystalline phase, RE-Si-O-based oxides are preferable, and RE 2 Si 2 O 7 (disilicate) and RE 2 SiO 5 (monosilicate) are particularly preferable. Compared with conventional oxide coatings such as SiO 2 film, ZrO 2 , Al 2 O 3 , mullite, cordierite and YAG, this is very stable even in high temperature oxidizing atmosphere. Therefore, the surface of the substrate 2 can be protected from a high temperature atmosphere when the metal layer 4 is bonded, and the bending strength of the substrate 2 itself can be prevented from being deteriorated. The intermediate layer 3 is made of Si 3 N 4 -RE 2 O 3 —SiO 2 such as RE 4 Si 2 O 7 N 4 (YAM), RESiO 2 N (warastite), and RE 10 Si 7 ON 4 (apatite). In the case of being composed of a crystalline phase, the amount of oxygen contained in the intermediate layer 3 can be increased, but since it is a non-oxide, the insulation and bonding strength are RE 2 Si 2 O 7 (disilicate), RE 2 SiO 5 ( have poor monosilicate), as the present invention, comprehensive perspective from RE 2 Si 2 O 7 (disilicate characteristics improvement), RE 2 SiO 5 (monosilicate) are preferred.

結晶質相に含まれる希土類元素(RE)としては、Sm、Tb、Dy、La、Ce、Nd、Y、ErおよびYbから選ばれる少なくとも1種の希土類元素であることが好ましい。これらの元素は、希土類の中でもイオン半径が小さいため分子間の結合力が大きく、金属層4を接合する際の高温雰囲気中においても結合力が高く、耐エロージョン性にも優れ基板2へのダメージを防止することができる。   The rare earth element (RE) contained in the crystalline phase is preferably at least one rare earth element selected from Sm, Tb, Dy, La, Ce, Nd, Y, Er, and Yb. Since these elements have a small ionic radius among rare earths, the bonding force between molecules is large, the bonding force is high even in a high temperature atmosphere when the metal layer 4 is bonded, and the erosion resistance is excellent. Can be prevented.

さらに、これらの希土類元素に加えて他に添加物を用いることもできるが、これらの希土類元素を用いることで添加物を多量に加えることなく、中間層3の熱膨張係数を3.0ppm/℃以上16.0ppm/℃以下の範囲に調整することができる。   Furthermore, in addition to these rare earth elements, other additives can be used. By using these rare earth elements, the thermal expansion coefficient of the intermediate layer 3 is set to 3.0 ppm / ° C. without adding a large amount of additives. It can be adjusted to the range of 16.0 ppm / ° C. or less.

中間層3の熱膨張係数は、たとえば窒化珪素で構成される基板2の熱膨張係数3.0ppm/℃より大きく、たとえば銅からなる金属層4の熱膨張係数16.0ppm/℃より小さいことが好ましく、基板2と金属層4との間に発生する熱応力を効果的に緩和するために、7.0ppm/℃以上13.0ppm/℃以下であることが好ましい。特に好ましくは、10.0ppm/℃であり、この熱膨張係数は、希土類元素としてSm、TbおよびDyから選ばれる少なくとも1種の希土類元素を用いることで容易に実現することができる。   The thermal expansion coefficient of the intermediate layer 3 is larger than the thermal expansion coefficient of 3.0 ppm / ° C. of the substrate 2 made of, for example, silicon nitride, and smaller than 16.0 ppm / ° C. of the metallic layer 4 made of copper, for example. Preferably, in order to effectively relieve the thermal stress generated between the substrate 2 and the metal layer 4, it is preferably 7.0 ppm / ° C. or more and 13.0 ppm / ° C. or less. The thermal expansion coefficient is particularly preferably 10.0 ppm / ° C., and this thermal expansion coefficient can be easily realized by using at least one rare earth element selected from Sm, Tb and Dy as the rare earth element.

中間層3の厚みは、10μm以上50μm以下であることが好ましく、より好ましくは、15μm以上30μm以下である。厚みが50μmを超えると、中間層3の剥離が生じやすくなったり、熱伝導の妨げになる。また、5μm程度では絶縁性の向上が十分ではないため、中間層3の厚みは、10μm以上が好ましい。なお、非酸化物セラミック基板の表面を酸化することにより酸化物層を形成する方法では、酸化物層の厚みが3〜5μmの場合は酸化物層が薄いのに加えて厚みが不均一であるため十分な絶縁性が得られず、酸化物層の厚みを厚くしたとしても、酸化物層形成時に体積膨張によるクラックが生じるため十分な絶縁性が得られない。   The thickness of the intermediate layer 3 is preferably 10 μm or more and 50 μm or less, and more preferably 15 μm or more and 30 μm or less. If the thickness exceeds 50 μm, peeling of the intermediate layer 3 is likely to occur, or heat conduction is hindered. Further, since the insulation is not sufficiently improved at about 5 μm, the thickness of the intermediate layer 3 is preferably 10 μm or more. In addition, in the method of forming an oxide layer by oxidizing the surface of a non-oxide ceramic substrate, when the thickness of the oxide layer is 3 to 5 μm, the oxide layer is thin and the thickness is not uniform. Therefore, sufficient insulation cannot be obtained, and even if the thickness of the oxide layer is increased, cracks due to volume expansion occur when the oxide layer is formed, and thus sufficient insulation cannot be obtained.

また、基板2の粒子の粒界層に存在する結晶質相には、セラミックスの焼結助剤に由来する希土類元素が含まれ、緻密で高強度、高熱伝導性を有するセラミック焼結体を得るために、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、YbおよびLuなどの元素を好適に用いることができる。これらの希土類元素は、酸化物換算で基板2全体の0.5mol%以上10mol%以下の範囲で含有することが好ましい。希土類元素の含有量が、0.5mol%よりも少ないと焼結性が低下し、緻密で高強度な基板2が得られない。逆に、10mol%よりも多いと熱伝導性が劣化する。   Further, the crystalline phase present in the grain boundary layer of the particles of the substrate 2 contains rare earth elements derived from the ceramic sintering aid, thereby obtaining a dense ceramic sintered body having high strength and high thermal conductivity. Therefore, elements such as Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu can be suitably used. These rare earth elements are preferably contained in the range of 0.5 mol% or more and 10 mol% or less of the entire substrate 2 in terms of oxide. If the rare earth element content is less than 0.5 mol%, the sinterability is lowered and the dense and high-strength substrate 2 cannot be obtained. On the other hand, if it exceeds 10 mol%, the thermal conductivity deteriorates.

基板2として窒化珪素で構成された基板を例とした場合、たとえば、窒化珪素を70mol%以上99mol%以下含み、上記の希土類元素のうち少なくとも1種を酸化(RE)物換算で0.5mol%以上10mol%以下含み、さらに残部としてSiOを含む窒化珪素焼結体を例示できる。また、このような窒化珪素中にAlやOが固溶した、サイアロン(SIALON)を形成していても良い。 When a substrate made of silicon nitride is taken as an example of the substrate 2, for example, silicon nitride is contained in an amount of 70 mol% or more and 99 mol% or less, and at least one of the rare earth elements is 0 in terms of oxide (RE 2 O 3 ). An example is a silicon nitride sintered body containing 5 mol% or more and 10 mol% or less and further containing SiO 2 as the balance. Further, sialon (SIALON) in which Al or O is dissolved in such silicon nitride may be formed.

このように基板2および中間層3には、それぞれ希土類元素が含まれ、基板2と中間層3との濡れ性、連続性を考慮すると、これらの希土類元素は、同じであることが好ましい。中間層3に含まれる希土類元素は前述の元素であるので、基板2に含まれる希土類元素としてもSm、Tb、Dy、La、Ce、Nd、Y、ErおよびYbから選ばれる少なくとも1種の希土類元素であることが好ましい。   Thus, the substrate 2 and the intermediate layer 3 each contain a rare earth element, and considering the wettability and continuity between the substrate 2 and the intermediate layer 3, these rare earth elements are preferably the same. Since the rare earth element contained in the intermediate layer 3 is the element described above, the rare earth element contained in the substrate 2 is also at least one rare earth element selected from Sm, Tb, Dy, La, Ce, Nd, Y, Er, and Yb. An element is preferable.

金属層4は、所定のパターン形状を有しており、所定のパターン形状としては、半導体素子11における信号の入出力および半導体素子11に対する電力の供給に必要な回路パターン、矩形および円形などの単純な幾何学パターンなど使用目的に応じたパターン形状が選ばれる。   The metal layer 4 has a predetermined pattern shape. As the predetermined pattern shape, a simple circuit pattern such as a rectangular or circular circuit pattern required for input / output of signals in the semiconductor element 11 and power supply to the semiconductor element 11 is used. A pattern shape corresponding to the purpose of use, such as a simple geometric pattern, is selected.

また、金属層4は、銅、アルミニウム、タングステン、モリブデンおよびそれらの合金の少なくとも1種の金属からなることが好ましい。特に熱伝導性、原料コスト、および導電性の点から、銅やアルミニウムを主成分とすることが好ましい。   The metal layer 4 is preferably made of at least one metal selected from copper, aluminum, tungsten, molybdenum, and alloys thereof. In particular, from the viewpoint of thermal conductivity, raw material cost, and conductivity, copper or aluminum is preferred as the main component.

図2は、本発明の第2の実施形態であるセラミック回路基板5を用いた半導体装置20の構成を示す断面図である。半導体装置20は、セラミック回路基板5に、半導体素子11が実装されたものである。   FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device 20 using the ceramic circuit board 5 according to the second embodiment of the present invention. The semiconductor device 20 is obtained by mounting the semiconductor element 11 on the ceramic circuit board 5.

セラミック回路基板5は、第1の実施形態であるセラミック回路基板1にさらに中間層6と金属層7とを設けたものであり、セラミック回路基板1と同じ構成については同じ参照番号を付して、説明は省略する。   The ceramic circuit board 5 is obtained by further providing an intermediate layer 6 and a metal layer 7 on the ceramic circuit board 1 according to the first embodiment, and the same components as those of the ceramic circuit board 1 are denoted by the same reference numerals. The description is omitted.

中間層6は、中間層3と同様にRE−Si−O系酸化物およびRE−Si−O−N系酸化物の少なくとも一方を含む結晶質相で構成され、中間層3の反対側、すなわち基板2の厚み方向他方側表面に設けられる。   The intermediate layer 6 is composed of a crystalline phase containing at least one of a RE—Si—O-based oxide and a RE—Si—O—N-based oxide like the intermediate layer 3, and is opposite to the intermediate layer 3, that is, It is provided on the other surface in the thickness direction of the substrate 2.

金属層7は、所定のパターン形状を有し、金属層4の反対側、すなわち中間層6の厚み方向他方側表面に接合されている。   The metal layer 7 has a predetermined pattern shape and is bonded to the opposite side of the metal layer 4, that is, the other surface in the thickness direction of the intermediate layer 6.

金属層4と金属層7とが同じ金属、同じパターン形状であったり、金属やパターン形状などが異なっていても高温条件下で発生する熱応力がほぼ等しいような場合は、中間層3と中間層6とは、同じ結晶質相で構成することが好ましい。逆に、金属層4と金属層7とが異なるパターン形状であったり、異なる金属であったり、厚みが異なるなどして高温条件下で発生する熱応力が異なるような場合は、その熱応力の差異を吸収すべく、中間層3と中間層6とで、熱膨張係数が異なるように構成することが好ましい。中間層3と中間層6とで、熱膨張係数を異ならせるには、結晶質相の種類を異ならせる、希土類元素の種類を異ならせるなどがある。   If the metal layer 4 and the metal layer 7 have the same metal and the same pattern shape, or the thermal stress generated under high temperature conditions is almost the same even if the metal or pattern shape is different, the intermediate layer 3 and the intermediate layer 3 The layer 6 is preferably composed of the same crystalline phase. Conversely, if the thermal stress generated under high temperature conditions is different because the metal layer 4 and the metal layer 7 have different pattern shapes, different metals, or different thicknesses, the thermal stress In order to absorb the difference, it is preferable that the intermediate layer 3 and the intermediate layer 6 have different thermal expansion coefficients. In order to make the thermal expansion coefficients different between the intermediate layer 3 and the intermediate layer 6, there are various types of crystalline phases, different types of rare earth elements, and the like.

このようにすることで、セラミック回路基板の反り、および金属層の剥がれを防止することができる。   By doing in this way, the curvature of a ceramic circuit board and peeling of a metal layer can be prevented.

たとえば、金属層4の厚みが金属層7より厚い場合、金属層4の面積が金属層7より広い場合などは、高温条件下において金属層4が接合されている側に発生する熱応力が大きくなるため、金属層7が接合している中間層6の熱膨張係数を金属層4が接合している中間層3より大きくし、金属層7が接合している側にも熱応力を発生させることにより、セラミック回路基板全体としては厚み方向両側での熱応力のバランスを均一に保ち、セラミック回路基板の反り、および金属層の剥がれを防止することができる。   For example, when the thickness of the metal layer 4 is thicker than that of the metal layer 7 or when the area of the metal layer 4 is larger than that of the metal layer 7, the thermal stress generated on the side where the metal layer 4 is bonded is high under high temperature conditions. Therefore, the thermal expansion coefficient of the intermediate layer 6 to which the metal layer 7 is bonded is made larger than that of the intermediate layer 3 to which the metal layer 4 is bonded, and thermal stress is also generated on the side to which the metal layer 7 is bonded. Thus, as a whole ceramic circuit board, the balance of thermal stress on both sides in the thickness direction can be kept uniform, and warpage of the ceramic circuit board and peeling of the metal layer can be prevented.

さらには、意図的にセラミック回路基板の厚み方向両側での熱応力のバランスを崩すことにより、所定の反りを生じさせることも可能となる。半導体素子の熱膨張率は、3ppm/℃程度であり、これをセラミック回路基板に実装した場合や、銅またはアルミからなる放熱板やヒートシンクベースにセラミック回路基板を接合固定した場合、全体の熱膨張のバランスが崩れて基板が反る可能性がある。このようなことを考慮して、予めセラミック回路基板を、半導体素子を実装した場合や放熱板に固定した場合に生じるであろう反りとは逆方向に所定の反りを生じさせることが可能となる。また、セラミック回路基板を固定する部分が曲面であるような場合、その曲面に沿った所定の反りを生じさせることも可能となる。   Furthermore, it is possible to cause a predetermined warp by intentionally breaking the balance of thermal stresses on both sides in the thickness direction of the ceramic circuit board. The thermal expansion coefficient of a semiconductor element is about 3 ppm / ° C. When this is mounted on a ceramic circuit board, or when the ceramic circuit board is bonded and fixed to a heat sink or heat sink base made of copper or aluminum, the overall thermal expansion is achieved. The balance may be lost and the substrate may be warped. In consideration of this, it becomes possible to cause a predetermined warp in a direction opposite to the warp that would occur when a ceramic circuit board is mounted on a semiconductor element or fixed to a heat sink in advance. . Further, when the portion for fixing the ceramic circuit board is a curved surface, it is possible to cause a predetermined warp along the curved surface.

第2の実施形態では、半導体装置20がさらにヒートシンク21を備えていてもよい。このとき、金属層7は、放熱板として機能する。ヒートシンク21は、半導体素子11の反対側、すなわち金属層7に固着される。ヒートシンク21は、放熱性が最重要視されるので、銅およびアルミニウムなど熱伝導性が高い金属で構成される。   In the second embodiment, the semiconductor device 20 may further include a heat sink 21. At this time, the metal layer 7 functions as a heat sink. The heat sink 21 is fixed to the opposite side of the semiconductor element 11, that is, to the metal layer 7. The heat sink 21 is made of a metal having high thermal conductivity such as copper and aluminum because heat dissipation is regarded as the most important.

熱設計の観点から見ると、中間層3の厚みを中間層6の厚みよりも薄くすることが好ましい。これは、半導体素子11駆動時に発生した熱が、基板2、中間層3および中間層6よりも熱伝導率の高い金属層4を通じてセラミック回路基板5の主面と平行な方向に広がった後、セラミック回路基板5の厚み方向に伝導したり、金属層4から空気中に放射されたりするためである。   From the viewpoint of thermal design, it is preferable to make the thickness of the intermediate layer 3 thinner than the thickness of the intermediate layer 6. This is because heat generated when the semiconductor element 11 is driven spreads in a direction parallel to the main surface of the ceramic circuit board 5 through the metal layer 4 having higher thermal conductivity than the substrate 2, the intermediate layer 3, and the intermediate layer 6. This is because it is conducted in the thickness direction of the ceramic circuit board 5 or is emitted from the metal layer 4 into the air.

なお、ヒートシンク21に吸収された熱は、空気中へ放射してもよいし、熱媒体を介してさらに移動させるようにしてもよい。   The heat absorbed by the heat sink 21 may be radiated into the air, or may be further moved through a heat medium.

図3は、本発明の第3の実施形態であるセラミック回路基板8を用いた半導体装置30の構成を示す断面図である。半導体装置30は、セラミック回路基板8に、半導体素子11が実装されたものである。   FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device 30 using the ceramic circuit board 8 according to the third embodiment of the present invention. The semiconductor device 30 is obtained by mounting the semiconductor element 11 on the ceramic circuit board 8.

セラミック回路基板8は、第1の実施形態であるセラミック回路基板1にさらに中間層9を設けたものであり、セラミック回路基板1と同じ構成については同じ参照番号を付して、説明は省略する。   The ceramic circuit board 8 is obtained by further providing an intermediate layer 9 on the ceramic circuit board 1 according to the first embodiment. The same components as those of the ceramic circuit board 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. .

中間層9は、中間層3と同様にRE−Si−O系酸化物およびRE−Si−O−N系酸化物の少なくとも一方を含む結晶質相で構成され、中間層3と金属層4との間、すなわち中間層3の厚み方向一方側表面に設けられる。   The intermediate layer 9 is composed of a crystalline phase containing at least one of a RE—Si—O-based oxide and a RE—Si—O—N-based oxide, like the intermediate layer 3, and the intermediate layer 3, the metal layer 4, In other words, it is provided on one surface in the thickness direction of the intermediate layer 3.

基板2と金属層4との間に中間層を2層設ける場合、中間層9の熱膨脹係数が、中間層3の熱膨張係数よりも大きくなるように各中間層を構成することが好ましい。第1の実施形態のように中間層3のみの場合、その熱膨張係数は、基板2の熱膨張係数と金属層4の熱膨張係数との平均値あたりとなるように構成することが好ましいが、基板2の熱膨張係数と金属層4の熱膨張係数との差が大きいと、基板2の熱膨張係数と中間層3の熱膨張係数との差、および金属層4の熱膨張係数と中間層3の熱膨張係数との差も大きくなり、熱応力を十分に緩和することができない可能性がある。   When two intermediate layers are provided between the substrate 2 and the metal layer 4, it is preferable to configure each intermediate layer such that the thermal expansion coefficient of the intermediate layer 9 is larger than the thermal expansion coefficient of the intermediate layer 3. In the case of only the intermediate layer 3 as in the first embodiment, the thermal expansion coefficient is preferably configured to be around the average value of the thermal expansion coefficient of the substrate 2 and the thermal expansion coefficient of the metal layer 4. When the difference between the thermal expansion coefficient of the substrate 2 and the thermal expansion coefficient of the metal layer 4 is large, the difference between the thermal expansion coefficient of the substrate 2 and the thermal expansion coefficient of the intermediate layer 3 and the thermal expansion coefficient of the metal layer 4 and the intermediate The difference from the thermal expansion coefficient of the layer 3 also becomes large, and there is a possibility that the thermal stress cannot be sufficiently relaxed.

そこで、本実施形態のように、中間層を2層設け、中間層3の熱膨張係数と中間層9の熱膨張係数との差を、基板2の熱膨張係数と中間層3の熱膨張係数との差、および金属層4の熱膨張係数と中間層9の熱膨張係数との差とほぼ同じとすること、すなわち、それぞれの差を基板2の熱膨張係数と金属層4の熱膨張係数との差の1/3程度とすることで、それぞれの差を第1実施形態における基板2の熱膨張係数と中間層3の熱膨張係数との差、および金属層4の熱膨張係数と中間層3の熱膨張係数との差よりも小さくすることができるので、より効果的に熱応力を緩和することができる。   Therefore, as in the present embodiment, two intermediate layers are provided, and the difference between the thermal expansion coefficient of the intermediate layer 3 and the thermal expansion coefficient of the intermediate layer 9 is determined as the difference between the thermal expansion coefficient of the substrate 2 and the thermal expansion coefficient of the intermediate layer 3. And the difference between the thermal expansion coefficient of the metal layer 4 and the thermal expansion coefficient of the intermediate layer 9, that is, the difference between the thermal expansion coefficient of the substrate 2 and the thermal expansion coefficient of the metal layer 4. The difference between the thermal expansion coefficient of the substrate 2 and the intermediate layer 3 in the first embodiment, and the thermal expansion coefficient of the metal layer 4 and the middle Since the difference from the thermal expansion coefficient of the layer 3 can be made smaller, the thermal stress can be relaxed more effectively.

このような第3の実施形態の作用効果を考えると、中間層は2層に限らず3層以上であってもよいことは明らかである。中間層が3層以上の場合は、基板2に設けられた中間層から、金属層4と接合した中間層にかけて熱膨張係数が順次大きくなるように構成すればよい。   Considering the operational effects of the third embodiment, it is obvious that the intermediate layer is not limited to two layers, but may be three or more layers. In the case where there are three or more intermediate layers, the thermal expansion coefficient may be sequentially increased from the intermediate layer provided on the substrate 2 to the intermediate layer joined to the metal layer 4.

以下では、セラミック回路基板の製造方法について説明する。
セラミック回路基板の製造方法は、非酸化物セラミックスで構成される基板の表面に、RE粉末(REは希土類元素)とSiO粉末との混合粉末、有機溶媒および有機バインダーを含む溶液を塗布する工程と、窒素雰囲気中で加熱溶融して融液を形成し、前記融液を結晶化してRE−Si−O系酸化物およびRE−Si−O−N系酸化物の少なくとも一方から成る結晶を主体とする中間層を前記基板の表面に形成する工程と、前記中間層を介して、前記基板上に所定のパターン形状を有する金属層を接触配置し、熱処理を施して前記金属層を接合する工程とを有する。
Below, the manufacturing method of a ceramic circuit board is demonstrated.
A method for manufacturing a ceramic circuit board includes a solution comprising a mixed powder of RE 2 O 3 powder (RE is a rare earth element) and SiO 2 powder, an organic solvent and an organic binder on the surface of a substrate made of non-oxide ceramics. A step of applying, and forming a melt by heating and melting in a nitrogen atmosphere, and crystallizing the melt and comprising at least one of a RE-Si-O-based oxide and a RE-Si-O-N-based oxide. A step of forming an intermediate layer mainly composed of crystals on the surface of the substrate; and a metal layer having a predetermined pattern shape is disposed on the substrate in contact with the intermediate layer, and heat treatment is performed to form the metal layer. Joining.

たとえば、非酸化物セラミックスが窒化珪素である場合は、まず、基板の出発原料として、窒化珪素粉末と、希土類元素(周期律表第3族元素)の酸化物(RE)粉末と、必要により粒界結晶相を析出させるためのSiO粉末を混合する。 For example, when the non-oxide ceramic is silicon nitride, first, as a starting material of the substrate, silicon nitride powder, rare earth element (Group 3 element) oxide (RE 2 O 3 ) powder, If necessary, SiO 2 powder for precipitating the grain boundary crystal phase is mixed.

窒化珪素粉末は、α型、β型のいずれでも使用できるが、粒径は0.4μm以上1.2μm以下であり、陽イオン不純物量は1質量%以下、特には0.5質量%以下であり、不純物酸素量は0.5重量%以上2.0重量%以下が適量である。粉末の製法は、直接窒化法およびイミド分解法などいずれの製法によるものであってもかまわない。また、サイアロン粉末を用いることもできる。   The silicon nitride powder can be used in either α type or β type, but the particle size is 0.4 μm or more and 1.2 μm or less, and the amount of cationic impurities is 1% by mass or less, particularly 0.5% by mass or less. There is an appropriate amount of impurity oxygen of 0.5 wt% or more and 2.0 wt% or less. The powder may be produced by any method such as a direct nitriding method or an imide decomposition method. Sialon powder can also be used.

また、RE粉末、SiO粉末の代わりに、REとSiOとの複合酸化物の粉末を使用することもできるし、窒化珪素とREとSiOとの化合物粉末を用いることもできる。 Further, RE 2 O 3 powder, instead of SiO 2 powder, can either be used a powder of complex oxide of RE 2 O 3 and SiO 2, a compound of silicon nitride and RE 2 O 3 and SiO 2 Powder can also be used.

これらの粉末を調合するに当っては、上述の基板組成を満足するように、各粉末の混合比率が調整される。たとえば、過剰酸素量が所定のSiO/REモル比を満足するためには、窒化珪素中に不可避に含まれる酸素、あるいは製造過程で吸着される酸素分などをSiO分として考慮して、希土類酸化物量およびSiO粉末の添加量を調整する。 In preparing these powders, the mixing ratio of each powder is adjusted so as to satisfy the above-described substrate composition. For example, in order for the excess oxygen amount to satisfy a predetermined SiO 2 / RE 2 O 3 molar ratio, oxygen inevitably contained in silicon nitride or oxygen adsorbed in the manufacturing process is considered as SiO 2 content. Thus, the amount of rare earth oxide and the amount of SiO 2 powder added are adjusted.

所定の割合で各粉末を秤量し、振動ミル、回転ミルおよびバレルミルなどで十分に混合した後、得られた混合粉末を所望の成形手段、たとえば金型プレス、鋳込み成形、排泥成形、押し出し成形、射出成形、冷間静水圧プレスおよびドクターブレードなどにより任意の形状に成形し、この成形体を焼成することにより、窒化珪素基板を得ることができる。   Each powder is weighed at a predetermined ratio and thoroughly mixed with a vibration mill, a rotary mill, a barrel mill, etc., and then the obtained mixed powder is processed by a desired molding means such as die press, casting molding, waste mud molding, and extrusion molding. A silicon nitride substrate can be obtained by molding into an arbitrary shape by injection molding, cold isostatic pressing, a doctor blade, or the like, and firing the molded body.

焼成は、通常、窒素ガス雰囲気下で行われ、焼成温度は1700℃以上2000℃以下の範囲が適当である。このような条件下での焼成によって、相対密度が98%を超えるように緻密化した焼結体を得ることができる。焼成温度が2000℃を超えると窒化珪素結晶が粒成長し、抗折強度の劣化を引き起こす恐れがあり、逆に1700℃よりも低いと、緻密化が困難になる。   The firing is usually performed in a nitrogen gas atmosphere, and the firing temperature is suitably in the range of 1700 ° C. to 2000 ° C. By sintering under such conditions, a sintered body densified so that the relative density exceeds 98% can be obtained. If the firing temperature exceeds 2000 ° C., the silicon nitride crystal grows and there is a risk that the bending strength will deteriorate. Conversely, if it is lower than 1700 ° C., densification becomes difficult.

また、この焼成後に、熱間静水圧焼成(HIP)法により、さらに緻密化することもできる。さらに、焼成後の冷却過程において徐冷を行うか、または焼結体を1000℃以上1700℃以下の温度で再度、熱処理を行うことにより、粒界の結晶化を図り、抗折強度や熱伝導などの特性の更なる改善を行うこともできる。   Further, after the firing, it can be further densified by a hot isostatic firing (HIP) method. Furthermore, by performing slow cooling in the cooling process after firing, or by heat treating the sintered body again at a temperature of 1000 ° C. or higher and 1700 ° C. or lower, crystallization of grain boundaries is achieved, and bending strength and heat conduction are improved. It is possible to further improve the characteristics.

また、窒化珪素基板に高い寸法精度が要求される場合には、窒化珪素粉末の一部をSi粉末に置き換えて成形体を作製し、これを窒素含有雰囲気中、800℃以上1500℃以下で熱処理し、窒化珪素を反応生成して成形体密度を高めた上で、前述の焼成条件で焼成することにより、焼成時の収縮を小さくすることができる。   When high dimensional accuracy is required for the silicon nitride substrate, a part of the silicon nitride powder is replaced with Si powder to produce a molded body, which is heat-treated at 800 ° C. to 1500 ° C. in a nitrogen-containing atmosphere. The shrinkage during firing can be reduced by reacting and generating silicon nitride to increase the density of the molded body and firing under the above-described firing conditions.

次に、このようにして得られた窒化珪素基板の表面に、中間層を形成する。中間層の形成は、蒸着法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法、EB(Electron Beam)−PVD(Physical Vapor Deposition)法およびスパッタ法などの薄膜形成法、溶射法、スラリー塗布法、印刷法を用いて行うことができるが、中間層に含まれる過剰のSiO量を厳密に制御できる点において、溶射法、またはスラリー塗布法、印刷法が好ましく、簡便に形成できる点においてスラリー塗布法、印刷法が好ましい。 Next, an intermediate layer is formed on the surface of the silicon nitride substrate thus obtained. The intermediate layer is formed by vapor deposition, CVD (Chemical Vapor Deposition), EB (Electron Beam) -PVD (Physical Vapor Deposition), and sputtering, etc., thin film formation, spraying, slurry coating, and printing. However, in terms of being able to strictly control the amount of excess SiO 2 contained in the intermediate layer, a thermal spraying method, a slurry coating method, or a printing method is preferable, and a slurry coating method or a printing method is preferable in that it can be easily formed. Is preferred.

たとえば、SiO粉末とRE粉末と酸化物粉末との複合混合粉末、あるいはSiO粉末とRE粉末と酸化物粉末との混合粉末を用い、これらの粉末中の過剰SiO量を所定の範囲に調整し、その粉末のスラリーを調整する。 For example, a mixed powder of the composite mixed powder of SiO 2 powder and RE 2 O 3 powder and the oxide powder, or a SiO 2 powder and RE 2 O 3 powder and the oxide powder, the excess SiO 2 in these powders The amount is adjusted to a predetermined range, and the slurry of the powder is adjusted.

このスラリーは、有機溶媒、有機バインダーと混合粉末とを所定の割合で混合し、所定の粘度に調整して作成する。   This slurry is prepared by mixing an organic solvent, an organic binder, and a mixed powder at a predetermined ratio and adjusting to a predetermined viscosity.

次いで、調製したスラリーを、窒化珪素基板の表面にスプレーにより塗布するか、あるいはディッピング法により均一に塗布するか、あるいは印刷法により基板の全面、あるいは所定の位置のみに印刷することにより、基材を準備する。次いで、この基材を熱処理することにより、窒素雰囲気中でスラリーを加熱溶融して融液を形成し、この融液を結晶化して目的とする結晶質相で構成される中間層を形成することができる。   Next, the prepared slurry is applied to the surface of the silicon nitride substrate by spraying, or uniformly applied by a dipping method, or printed on the entire surface of the substrate or only at a predetermined position by a printing method. Prepare. Next, by heat-treating the base material, the slurry is heated and melted in a nitrogen atmosphere to form a melt, and the melt is crystallized to form an intermediate layer composed of a target crystalline phase. Can do.

熱処理温度は、用いるREの種類にもよるが、1400℃以上1700℃以下の温度とするのが良い。熱処理温度が1400℃より低いと、所望の結晶質相を析出させることが困難となり、あるいは得られる中間層が緻密化不足となり、気孔が多数残存するポーラスな層となってしまう。また、熱処理温度が1700℃より高いと、SiOが揮発してしまい、所望の結晶質相を析出することができない。 The heat treatment temperature is preferably 1400 ° C. or higher and 1700 ° C. or lower, although it depends on the type of RE 2 O 3 used. When the heat treatment temperature is lower than 1400 ° C., it becomes difficult to precipitate a desired crystalline phase, or the resulting intermediate layer becomes insufficiently densified, resulting in a porous layer in which many pores remain. On the other hand, when the heat treatment temperature is higher than 1700 ° C., SiO 2 is volatilized and a desired crystalline phase cannot be deposited.

なお、原料として用いるSiO粉末およびRE粉末等は、いずれも純度95%以上であることが好ましい。 Note that it is preferable that the SiO 2 powder and RE 2 O 3 powder used as raw materials have a purity of 95% or more.

また、上述のスラリーを、焼成前の窒化珪素基板の生成形体の表面に、上記と同様の方法で均一に塗布、あるいは印刷し、これを焼成することにより、窒化珪素基板と中間層とを同時に形成することも可能である。   Further, the above-mentioned slurry is uniformly applied or printed on the surface of the formed shape of the silicon nitride substrate before firing by the same method as described above, and this is fired, whereby the silicon nitride substrate and the intermediate layer are simultaneously formed. It is also possible to form.

次に、上記のようにして得られた中間層に、金属層を接合する。
金属層の接合は、通常のDBC法に従って、たとえば銅で構成され、所定の回路パターン形状を有する金属層を中間層に接合して、セラミック回路基板を得る。
Next, a metal layer is joined to the intermediate layer obtained as described above.
The metal layer is joined in accordance with a normal DBC method, for example, with copper, and a metal layer having a predetermined circuit pattern shape is joined to the intermediate layer to obtain a ceramic circuit board.

具体的には、まず中間層上に、所定のパターン形状に加工された銅板を接触配置する。次いで、窒素雰囲気などの不活性雰囲気中または真空中で、銅の融点(1083℃)以下Cu−O系共晶化合物の融点(1065℃)以上の温度で熱処理を施し、Cu−O系共晶化合物液相で中間層表面を濡らし、この液相を冷却固化することによって、中間層と金属層とを接合する。   Specifically, first, a copper plate processed into a predetermined pattern shape is placed in contact with the intermediate layer. Next, heat treatment is performed in an inert atmosphere such as a nitrogen atmosphere or in a vacuum at a temperature not higher than the melting point of copper (1083 ° C.) and lower than the melting point of the Cu—O eutectic compound (1065 ° C.). The intermediate layer and the metal layer are joined by wetting the surface of the intermediate layer with the compound liquid phase and cooling and solidifying the liquid phase.

このような工程で製造することにより、高い熱伝導率、高い電気絶縁性を有し、高強度で、信頼性の高い、セラミック回路基板を製造することができる。   By manufacturing in such a process, a ceramic circuit board having high thermal conductivity, high electrical insulation, high strength and high reliability can be manufactured.

窒化珪素基板の原料粉末として、下記の窒化珪素粉末、希土類元素酸化粉末、酸化珪素粉末を用いた。   The following silicon nitride powder, rare earth element oxide powder, and silicon oxide powder were used as the raw material powder for the silicon nitride substrate.

平均粒子径が1.2μm、酸素量が1質量%、α率が90%の直接窒化法により製造された窒化珪素粉末と、純度が99.9%、平均粒子径が1.2μmの各種希土類酸化物粉末と、純度が99.9%、平均粒子径が1.6μmのSiO粉末を準備した。 Silicon nitride powder produced by a direct nitriding method with an average particle size of 1.2 μm, oxygen content of 1% by mass and α rate of 90%, and various rare earths with a purity of 99.9% and an average particle size of 1.2 μm An oxide powder and a SiO 2 powder having a purity of 99.9% and an average particle diameter of 1.6 μm were prepared.

次いで、上記の窒化珪素粉末89.5mol%とRE粉末3mol%と、SiO粉末7.5mol%とからなる混合粉末を調合し、アクリル樹脂バインダーおよび溶媒のトルエンを添加し、窒化珪素製ボールを用いて、48時間回転ミルで混合粉砕し、スラリーを調整した。 Next, a mixed powder composed of the above silicon nitride powder 89.5 mol%, RE 2 O 3 powder 3 mol%, and SiO 2 powder 7.5 mol% is prepared, an acrylic resin binder and a solvent toluene are added, and silicon nitride is added. Using the balls made, the mixture was pulverized by a rotary mill for 48 hours to prepare a slurry.

得られたスラリーを、ドクターブレード法を用いて成形し、厚み0.3mmのグリーンシート成形体を作製した。このようにして得られたグリーンシート成形体を適宜積層、切断し、絶縁性評価用の試料として焼成後にたて60mm×よこ60mm×厚さ2mmのサイズとなるシート状焼結体を得た。また、グリーンシート成形体を適宜積層、切断し、金属回路剥離強度測定用試料として焼成後にたて20mm×よこ40m×厚さ2mmのサイズとなるシート状成形体を得た。さらに、熱サイクル試験評価用試料として、絶縁性評価用の試料と同様に、焼成後にたて60mm×よこ60×厚さ2mmのサイズとなるシート状成形体を得た。また、中間層形成後の窒化珪素基板の高温雰囲気中での抗折強度測定用試料として、焼成後にたて10mm×よこ40×厚さ2mmのサイズとなるシート状成形体を得た。   The obtained slurry was molded using a doctor blade method to produce a green sheet molded body having a thickness of 0.3 mm. The green sheet molded body thus obtained was appropriately laminated and cut to obtain a sheet-like sintered body having a size of 60 mm × width 60 mm × thickness 2 mm after firing as a sample for insulating evaluation. Moreover, the green sheet molded body was appropriately laminated and cut to obtain a sheet-shaped molded body having a size of 20 mm × 40 m × width 2 mm after firing as a metal circuit peel strength measurement sample. Furthermore, as a sample for thermal cycle test evaluation, a sheet-like molded body having a size of 60 mm × 60 × width × 2 mm after firing was obtained in the same manner as the sample for insulating evaluation. In addition, as a sample for measuring the bending strength of the silicon nitride substrate after forming the intermediate layer in a high-temperature atmosphere, a sheet-like molded body having a size of 10 mm × 40 × width × 2 mm after firing was obtained.

これらの成形体を、600℃で脱脂後、ガス圧焼成により窒素雰囲気中、1900℃の焼成温度で10時間焼成し、窒化珪素基板を得た。   These molded bodies were degreased at 600 ° C. and then fired at a firing temperature of 1900 ° C. for 10 hours in a nitrogen atmosphere by gas pressure firing to obtain a silicon nitride substrate.

また、同様にして平均粒子径が1.0μmの窒化アルミ粉末にY粉末、CaO粉末を調合し、アクリル樹脂バインダーおよび溶媒のトルエンを添加し、混合、粉砕してスラリーを調整した。得られたスラリーを、ドクターブレード法を用いて成形し、シート成形体を得た。また、得られたシート成形体を、脱脂後、ガス圧焼成により窒素雰囲気中、1900℃の焼成温度で10時間焼成し、窒化アルミ基板を得た。 Similarly, Y 2 O 3 powder and CaO powder were prepared in an aluminum nitride powder having an average particle diameter of 1.0 μm, an acrylic resin binder and toluene as a solvent were added, mixed and pulverized to prepare a slurry. The obtained slurry was molded using a doctor blade method to obtain a sheet molded body. Further, the obtained sheet molded body was degreased and then fired at a firing temperature of 1900 ° C. for 10 hours in a nitrogen atmosphere by gas pressure firing to obtain an aluminum nitride substrate.

次に、表1に示すRE粉末とSiO粉末の混合粉末をアクリル樹脂バインダー、溶媒のテルピネオール、可塑剤DBP(フタル酸ジブチル)と混合し、ペーストを作製した。得られたペーストをスクリーン印刷法で、所定の厚みになるように窒化珪素基板および窒化アルミ基板の両面に塗布した。この際、ペーストの塗布は、絶縁性評価用、熱サイクル試験評価用の試料については、基板の主面よりひと回り小さくたて56mm×よこ56mmの範囲に塗布を行った。また、金属回路剥離強度測定用試料についてもたて16mm×よこ36mmの範囲で、それぞれ塗布範囲が基板の中心位置に来るように塗布を行った。 Next, a mixed powder of RE 2 O 3 powder and SiO 2 powder shown in Table 1 was mixed with an acrylic resin binder, a solvent terpineol, and a plasticizer DBP (dibutyl phthalate) to prepare a paste. The obtained paste was applied to both sides of a silicon nitride substrate and an aluminum nitride substrate by screen printing so as to have a predetermined thickness. At this time, the paste was applied in the range of 56 mm × 56 mm, which was slightly smaller than the main surface of the substrate, for the samples for insulating evaluation and thermal cycle test evaluation. Further, the sample for measuring the metal circuit peel strength was applied in a range of 16 mm × 36 mm, so that the application range was at the center position of the substrate.

次いで、ペーストの溶剤分を乾燥した後、この基板を窒素ガス雰囲気中で、表1に示す熱処理温度で処理し、表面に中間層が形成された基板を得た。   Next, after the solvent content of the paste was dried, this substrate was treated at a heat treatment temperature shown in Table 1 in a nitrogen gas atmosphere to obtain a substrate having an intermediate layer formed on the surface.

さらに、中間層上に、それぞれ厚さ0.3mmの銅板を接触配置した。この際、銅板の形状は、絶縁性評価用の試料については、JIS−C2141電気絶縁用セラミック材料の試験方法に記載の方法に基づき、電極が形成できる形状とした。また、金属回路剥離強度測定用試料については、たて14mm×よこ50mmの銅板を配置し、長手方向の端部に未接合部ができるように配置を行った。この未接合部は、後に金属回路剥離強度を測定する際に、この未接合部分を掴んで窒化珪素基板と垂直方向に銅板を引っ張るために設けている。熱サイクル試験評価用の試料については、中間層より一回り小さいたて54mm×よこ54mmの銅板を窒化珪素基板の厚み方向両側に配置し、中間層からはみ出すことのないように、中心に位置するように配置した。   Further, a copper plate having a thickness of 0.3 mm was placed in contact with each other on the intermediate layer. At this time, the shape of the copper plate was set to a shape in which an electrode can be formed based on the method described in JIS-C2141 test method for ceramic material for electrical insulation for the sample for insulation evaluation. Moreover, about the sample for a metal circuit peeling strength measurement, the copper plate of 14 mm x 50 mm was arrange | positioned so that the unjoined part might be made in the edge part of a longitudinal direction. This unbonded portion is provided to grip the unbonded portion and pull the copper plate in the direction perpendicular to the silicon nitride substrate when the metal circuit peel strength is measured later. For the sample for thermal cycle test evaluation, a copper plate of 54 mm × width 54 mm, which is slightly smaller than the intermediate layer, is arranged on both sides in the thickness direction of the silicon nitride substrate, and is positioned at the center so as not to protrude from the intermediate layer. Arranged.

次いで、中間層を形成した基板と銅板とを重ねたものに約50Paの荷重をかけながら、1170℃で熱処理を施し、銅板を窒化珪素基板および窒化アルミ基板に接合し、セラミック回路基板を得た。   Next, a heat treatment was performed at 1170 ° C. while applying a load of about 50 Pa to the substrate on which the intermediate layer was formed and the copper plate, and the copper plate was bonded to the silicon nitride substrate and the aluminum nitride substrate to obtain a ceramic circuit substrate. .

なお、基板の粒界層に存在する結晶質相に含まれる希土類元素、中間層に含まれる希土類元素、中間層の熱処理温度は、表1に記載した通りである。   The rare earth elements contained in the crystalline phase present in the grain boundary layer of the substrate, the rare earth elements contained in the intermediate layer, and the heat treatment temperature of the intermediate layer are as described in Table 1.

また、比較例1として、中間層を設けず、熱酸化法を用いて窒化珪素基板の表面を1200℃で酸化処理した基板に銅板を接合した窒化珪素回路基板、比較例2として実施例の中間層の代わりにSiO粉末、ZrO粉末、Al粉末を使用して実施例の中間層と同様に形成した希土類元素を含まない中間層に銅板を接合した窒化珪素回路基板を得た。 Further, as Comparative Example 1, an intermediate layer is not provided, and a silicon nitride circuit board in which a copper plate is bonded to a substrate obtained by oxidizing the surface of a silicon nitride substrate at 1200 ° C. using a thermal oxidation method. A silicon nitride circuit board obtained by bonding a copper plate to an intermediate layer containing no rare earth element formed in the same manner as the intermediate layer of the example using SiO 2 powder, Zr 2 O powder, and Al 2 O 3 powder instead of the layer is obtained. It was.

このようにして得られた実施例および比較例の各特性を以下の方法で測定し、その結果を表1に示す。   The properties of Examples and Comparative Examples thus obtained were measured by the following methods, and the results are shown in Table 1.

結晶の同定:基板の粒界相の結晶、および中間層の結晶を、X線回折測定により同定した。   Crystal identification: The crystal of the grain boundary phase of the substrate and the crystal of the intermediate layer were identified by X-ray diffraction measurement.

中間層の厚み測定:中間層を形成した基板を切断し、その断面を電子顕微鏡で観察し、任意断面の中間層の厚み10点の平均を中間層の厚みとした。   Measurement of the thickness of the intermediate layer: The substrate on which the intermediate layer was formed was cut, the cross section thereof was observed with an electron microscope, and the average of the thickness of the intermediate layer having an arbitrary cross section was 10 points.

高温雰囲気中での抗折強度の測定:上記の抗折強度測定用試料を用いて、金属層の接合温度と同等の1000℃での高温雰囲気中での抗折強度を測定した。抗折強度の測定は、下スパン30mmの支点間に抗折強度測定用試料を置き、下スパン間の中央を上スパン10mmの2点で荷重を加える4点曲げ試験法にて行い、下支点、および荷重点全体を断熱材で覆ったものの内部をヒータで加熱しながら測定を行った。測定は、抗折強度測定用試料が破断した際の荷重を測定し、この荷重と抗折強度測定用試料の寸法から強度を算出した。   Measurement of bending strength in high-temperature atmosphere: Using the above-mentioned sample for measuring bending strength, the bending strength in a high-temperature atmosphere at 1000 ° C., which is equivalent to the bonding temperature of the metal layer, was measured. The bending strength is measured by a four-point bending test method in which a specimen for measuring the bending strength is placed between fulcrums of the lower span 30 mm, and the load between the two spans 10 mm is applied to the center between the lower spans. The measurement was performed while the inside of the load point covered with a heat insulating material was heated with a heater. The measurement was performed by measuring the load when the bending strength measurement sample was broken, and calculating the strength from the load and the dimensions of the bending strength measurement sample.

金属回路剥離強度の測定:上記の金属回路剥離強度測定用試料を土台に固定し、この試料に接合された銅板端部の未接合部を、窒化珪素基板に対して垂直方向上方に引っ張り、銅板が剥離に至った時の荷重を測定した。また、剥離強度はこの荷重を接合幅(14mm)で割った値を剥離強度として算出した。   Measurement of metal circuit peel strength: The above-mentioned sample for measuring metal circuit peel strength is fixed to a base, and the unbonded portion of the end of the copper plate bonded to this sample is pulled upward in the vertical direction with respect to the silicon nitride substrate. The load at the time when peeling occurred was measured. The peel strength was calculated as the peel strength by dividing this load by the bonding width (14 mm).

絶縁性の測定:JIS−C2141電気絶縁用セラミック材料の試験方法に準拠した記載測定法に基づき、体積抵抗率を測定した。   Measurement of insulation: Volume resistivity was measured based on a description measurement method based on a test method for ceramic materials for electrical insulation according to JIS-C2141.

熱抵抗の測定:銅板上に発熱素子を実装し、発熱素子に通電して発熱させ、発熱素子の抵抗値の温度依存変化から動作時の発熱素子の温度を算出して、熱抵抗を算出した。発熱素子としては、窒化アルミ基板中にタングステン電極が埋め込まれ、通電時にタングステン電極の抵抗により発熱する素子を用いた。発熱素子の実装は、Pb系半田と比較し、約80W/mKと比較的熱伝導率の高いSn−Ag−Cu系のPbフリー半田を用いて、水素還元雰囲気中で300℃以上、保持時間が5分間に設定されたリフロー炉を用いた。直径0.3mmのアルミニウムワイヤーを用いて発熱素子にワイヤーボンディングを施し、外部配線を施した。また、発熱素子の抵抗値の温度依存性は、実装前に予め0〜150℃までの温度に素子を保持し、その時の温度に対する抵抗値の変化を測定して求めておいた。このように発熱素子を実装した窒化珪素基板の反対側の面に、25℃の冷却水を流すことのできる銅製のヒートシンクをグリースを介して当接し、冷却水の温度を熱電対により測定できるようにした。このような発熱モジュールに対し、10〜200Wの電力を与え、発熱素子が発熱した際の素子の抵抗値を測定し、予め測定しておいた発熱素子の抵抗値の温度依存性から素子温度を算出した。さらに、この素子温度と冷却水の温度の差を、発熱量で割った値を熱抵抗値(℃/W)として求めた。   Measurement of thermal resistance: A heating element was mounted on a copper plate, and the heating element was energized to generate heat, and the temperature of the heating element during operation was calculated from the temperature-dependent change in the resistance value of the heating element to calculate the thermal resistance. . As the heating element, an element in which a tungsten electrode is embedded in an aluminum nitride substrate and generates heat due to the resistance of the tungsten electrode when energized is used. The heating element is mounted using a Sn-Ag-Cu Pb-free solder, which has a relatively high thermal conductivity of about 80 W / mK compared to Pb-based solder. Was used for a reflow oven set at 5 minutes. Wire bonding was applied to the heating element using an aluminum wire having a diameter of 0.3 mm, and external wiring was applied. Further, the temperature dependence of the resistance value of the heating element was obtained by holding the element at a temperature of 0 to 150 ° C. in advance before mounting and measuring the change in resistance value with respect to the temperature at that time. In this way, a copper heat sink capable of flowing cooling water at 25 ° C. is brought into contact with the opposite surface of the silicon nitride substrate on which the heating element is mounted via grease so that the temperature of the cooling water can be measured by a thermocouple. I made it. A power of 10 to 200 W is applied to such a heat generating module, the resistance value of the element when the heat generating element generates heat is measured, and the element temperature is determined from the temperature dependence of the resistance value of the heat generating element measured in advance. Calculated. Further, a value obtained by dividing the difference between the element temperature and the cooling water temperature by the calorific value was obtained as a thermal resistance value (° C./W).

熱サイクル試験:上記の熱サイクル試験評価用試料を、気相中、−40〜150℃、各30分間保持の熱サイクル試験を実施した。100サイクルまでは50サイクル毎に、100サイクルを超えたものは100サイクル毎に試料を取り出し、1000サイクルまで継続試験を行い、各サイクル毎に超音波探傷法を用いて、銅板の剥離の有無を観察した。試験結果としては、剥離が認められたサイクル数を示した。   Thermal cycle test: The thermal cycle test was conducted by holding the above-described sample for thermal cycle test in a gas phase at −40 to 150 ° C. for 30 minutes each. Samples are taken every 50 cycles up to 100 cycles, and every 100 cycles exceeding 100 cycles, and a continuous test is conducted up to 1000 cycles. The ultrasonic flaw detection method is used for each cycle to check whether the copper plate is peeled off or not. Observed. As a test result, the number of cycles in which peeling was observed was shown.

Figure 2007230791
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実施例1〜23は、絶縁性が1012Ω以上と高く、金属回路の剥離強度が60N/cm以上であり、熱抵抗も0.4℃/W以下と低く、熱サイクル試験による金属回路の剥離も500回以上でないと発生しなかった。 In Examples 1 to 23, the insulation property is as high as 10 12 Ω or more, the peel strength of the metal circuit is 60 N / cm or more, and the thermal resistance is as low as 0.4 ° C./W or less. Peeling did not occur unless it was 500 times or more.

また、中間層の厚みは、10μm以上50μm以下であった。実施例13は、中間層厚みが5μmと薄く、絶縁性が1010Ωと若干低くなった。逆に、実施例16は、中間層厚みが80μmと厚く、絶縁性は1014Ωと高いが、セラミック回路基板としての熱抵抗値が0.40℃/Wと若干高めになってしまい放熱性が比較的悪くなる傾向があったが、特に性能に悪影響を及ぼすものではない。 Moreover, the thickness of the intermediate layer was 10 μm or more and 50 μm or less. In Example 13, the intermediate layer thickness was as thin as 5 μm, and the insulating property was slightly lowered to 10 10 Ω. On the contrary, in Example 16, the intermediate layer thickness is as thick as 80 μm and the insulation is as high as 10 14 Ω, but the thermal resistance value as a ceramic circuit board is slightly increased to 0.40 ° C./W, so that heat dissipation is achieved. Tended to be relatively bad, but it did not adversely affect performance.

また、中間層の結晶質相に含まれる希土類元素と、基板の粒界層に存在する結晶質相に含まれる希土類元素とが同じである実施例8および実施例18は、絶縁性が高いことに加えて、金属回路の剥離強度も高く、特に絶縁性および信頼性の高いセラミック回路基板が得られた。   In addition, Examples 8 and 18 in which the rare earth element contained in the crystalline phase of the intermediate layer and the rare earth element contained in the crystalline phase present in the grain boundary layer of the substrate are the same have high insulating properties. In addition, a ceramic circuit board having high peel strength of the metal circuit and particularly high insulation and reliability was obtained.

さらに、基板に窒化アルミを用いた実施例24および実施例25では、高い絶縁性および信頼性に加えて、窒化アルミの熱伝導率の高さから熱抵抗の低い放熱性に優れたセラミック回路基板が得られた。   Furthermore, in Example 24 and Example 25 using aluminum nitride as the substrate, in addition to high insulation and reliability, ceramic circuit boards excellent in heat dissipation due to the high thermal conductivity of aluminum nitride and low thermal resistance was gotten.

一方、比較例1および比較例2は、絶縁性が10Ωと低く、金属回路の剥離強度も24N/cm以下と低く、熱抵抗も0.4℃/Wより高く、熱サイクル試験による金属層剥離も50回以内で発生し、著しく特性の劣る回路基板であった。 On the other hand, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 have a low insulation property of 10 9 Ω, a peel strength of the metal circuit as low as 24 N / cm or less, a thermal resistance higher than 0.4 ° C./W, and a metal obtained by a thermal cycle test. Delamination also occurred within 50 times, and the circuit board was extremely inferior in characteristics.

本発明の第1の実施形態であるセラミック回路基板1を用いた半導体装置10の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the semiconductor device 10 using the ceramic circuit board 1 which is the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態であるセラミック回路基板5を用いた半導体装置20の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the semiconductor device 20 using the ceramic circuit board 5 which is the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態であるセラミック回路基板8を用いた半導体装置30の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the semiconductor device 30 using the ceramic circuit board 8 which is the 3rd Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1,5,8 セラミック回路基板
2 基板
3,6,9 中間層
4,7 金属層
10,20,30 半導体装置
11 半導体素子
21 ヒートシンク
1, 5, 8 Ceramic circuit board 2 Substrate 3, 6, 9 Intermediate layer 4, 7 Metal layer 10, 20, 30 Semiconductor device 11 Semiconductor element 21 Heat sink

Claims (9)

非酸化物セラミックスで構成される基板と、
所定のパターン形状を有する金属層と、
前記基板と前記金属層とに接合される中間層とを含み、
前記中間層は、RE−Si−O系酸化物およびRE−Si−O−N系酸化物(REは希土類元素を示す)の少なくとも一方を含む結晶質相で構成されることを特徴とするセラミック回路基板。
A substrate made of non-oxide ceramics;
A metal layer having a predetermined pattern shape;
An intermediate layer bonded to the substrate and the metal layer;
The intermediate layer is composed of a crystalline phase containing at least one of a RE-Si-O-based oxide and a RE-Si-O-N-based oxide (RE represents a rare earth element). Circuit board.
前記中間層の厚みが、10μm以上50μm以下であることを特徴とする請求項1に記載のセラミック回路基板。   The ceramic circuit board according to claim 1, wherein the intermediate layer has a thickness of 10 μm to 50 μm. 前記結晶質相は、RESi、RESiOおよびRE14Si39から選ばれる結晶質相であることを特徴とする請求項1に記載のセラミック回路基板。 The ceramic circuit board according to claim 1, wherein the crystalline phase is a crystalline phase selected from RE 2 Si 2 O 7 , RE 2 SiO 5, and RE 14 Si 9 O 39 . 前記結晶質相に含まれる希土類元素が、Sm、Tb、Dy、La、Ce、Nd、Y、ErおよびYbから選ばれる少なくとも1種の希土類元素であることを特徴とする請求項1に記載のセラミック回路基板。   The rare earth element contained in the crystalline phase is at least one rare earth element selected from Sm, Tb, Dy, La, Ce, Nd, Y, Er, and Yb. Ceramic circuit board. 前記中間層の熱膨張係数が、3.0ppm/℃以上16.0ppm/℃以下であり、前記基板の熱膨張係数より大きく、前記金属層の熱膨張係数よりも小さいことを特徴とする請求項1に記載のセラミック回路基板。   The thermal expansion coefficient of the intermediate layer is 3.0 ppm / ° C. or more and 16.0 ppm / ° C. or less, and is larger than the thermal expansion coefficient of the substrate and smaller than the thermal expansion coefficient of the metal layer. 2. The ceramic circuit board according to 1. 前記結晶質相に含まれる希土類元素が、前記非酸化物セラミック粒子の粒界層に存在する結晶質相に含まれる希土類元素と同じであることを特徴とする請求項1に記載のセラミック回路基板。   2. The ceramic circuit board according to claim 1, wherein the rare earth element contained in the crystalline phase is the same as the rare earth element contained in the crystalline phase present in the grain boundary layer of the non-oxide ceramic particles. . 前記非酸化物セラミックスが、窒化ケイ素焼結体であることを特徴とする請求項1に記載のセラミック回路基板。   The ceramic circuit board according to claim 1, wherein the non-oxide ceramic is a silicon nitride sintered body. 前記金属層が、銅、アルミニウム、タングステン、モリブデンおよびそれらの合金の少なくとも1種の金属からなることを特徴とする請求項1に記載のセラミック回路基板。   The ceramic circuit board according to claim 1, wherein the metal layer is made of at least one metal selected from copper, aluminum, tungsten, molybdenum, and alloys thereof. 非酸化物セラミックスで構成される基板の表面に、RE粉末(REは希土類元素)とSiO粉末との混合粉末、有機溶媒および有機バインダーを含む溶液を塗布する工程と、
窒素雰囲気中で加熱溶融して融液を形成し、前記融液を結晶化してRE−Si−O系酸化物およびRE−Si−O−N系酸化物の少なくとも一方から成る結晶を主体とする中間層を前記基板の表面に形成する工程と、
前記中間層を介して、前記基板上に所定のパターン形状を有する金属層を接触配置し、熱処理を施して前記金属層を接合する工程と備えることを特徴とするセラミック回路基板の製造方法。
Applying a solution containing a mixed powder of RE 2 O 3 powder (RE is a rare earth element) and SiO 2 powder, an organic solvent and an organic binder to the surface of the substrate made of non-oxide ceramic;
A melt is formed by heating and melting in a nitrogen atmosphere, and the melt is crystallized to mainly include crystals composed of at least one of a RE-Si-O-based oxide and a RE-Si-O-N-based oxide. Forming an intermediate layer on the surface of the substrate;
A method of manufacturing a ceramic circuit board, comprising: placing a metal layer having a predetermined pattern shape on the substrate through the intermediate layer, and performing a heat treatment to join the metal layer.
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