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WO2021187201A1 - 接合体、セラミックス銅回路基板、接合体の製造方法、およびセラミックス銅回路基板の製造方法 - Google Patents

接合体、セラミックス銅回路基板、接合体の製造方法、およびセラミックス銅回路基板の製造方法 Download PDF

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WO2021187201A1
WO2021187201A1 PCT/JP2021/009040 JP2021009040W WO2021187201A1 WO 2021187201 A1 WO2021187201 A1 WO 2021187201A1 JP 2021009040 W JP2021009040 W JP 2021009040W WO 2021187201 A1 WO2021187201 A1 WO 2021187201A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
copper
bonded body
copper plate
less
body according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2021/009040
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
米津　麻紀
末永　誠一
幸子 藤澤
佐野　孝
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Toshiba Materials Co Ltd
Original Assignee
Toshiba Corp
Toshiba Materials Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=77771213&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=WO2021187201(A1) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Toshiba Corp, Toshiba Materials Co Ltd filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP2022508228A priority Critical patent/JP7470181B2/ja
Priority to CN202510364149.6A priority patent/CN120166629A/zh
Priority to CN202180007322.7A priority patent/CN114846912B/zh
Priority to EP21771218.1A priority patent/EP4124184A4/en
Publication of WO2021187201A1 publication Critical patent/WO2021187201A1/ja
Priority to US17/826,464 priority patent/US12160959B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Priority to US18/920,771 priority patent/US20250048563A1/en
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    • H05K3/022—Processes for manufacturing precursors of printed circuits, i.e. copper-clad substrates

Definitions

  • the embodiments described later relate to a bonded body, a ceramic copper circuit board, a method for manufacturing the bonded body, and a method for manufacturing a ceramic copper circuit board.
  • Patent Document 1 discloses a ceramic copper circuit board in which a ceramic substrate and a copper plate are joined.
  • a brazing material containing Ag, Cu, Ti and the like is used as a bonding layer.
  • the TCT characteristics are improved by controlling the nanoindentation hardness of the bonding layer.
  • the nanoindentation hardness is controlled by the presence of AgTi crystals, TiC, etc. in the bonding layer.
  • the joint strength and TCT characteristics are improved by controlling the nanoindentation hardness.
  • Patent Document 1 joining is performed at a high temperature of 780 to 850 ° C.
  • the load on the joining equipment increases.
  • thermal stress is applied to the ceramic substrate and the copper plate. The load of thermal stress caused the distortion of the ceramic copper circuit board. For this reason, joining at a lower temperature has been required.
  • Patent Document 2 discloses a ceramic copper circuit board bonded at a bonding temperature of 720 to 800 ° C.
  • the present invention is for addressing such a problem.
  • the present invention is for providing a ceramic copper circuit board in which grain growth of a copper plate is suppressed.
  • a bonded body comprising a ceramic substrate and a copper plate bonded to the ceramic substrate via a bonding layer, wherein the copper plate has a surface perpendicular to the direction in which the ceramic substrate and the copper plate are bonded.
  • the number ratio of copper crystal grains having a major axis exceeding 400 ⁇ m is 0% or more and 5% or less.
  • the figure which shows an example of the joined body which concerns on embodiment The figure which shows an example of the crystal structure of a copper plate.
  • the bonded body according to the embodiment includes a ceramic substrate and a copper plate bonded to the ceramic substrate via a bonding layer.
  • the copper plate has a surface perpendicular to the direction in which the ceramic substrate and the copper plate are joined, and the number ratio of copper crystal grains having a major axis exceeding 400 ⁇ m in the three regions of 5 mm ⁇ 5 mm contained in the surface is , 0% or more and 5% or less.
  • FIG. 1 shows an example of a joined body according to an embodiment. In FIG. 1, 1 is a junction.
  • Reference numeral 2 denotes a ceramic substrate.
  • Reference numeral 3 is a copper plate (front copper plate).
  • Reference numeral 4 is a copper plate (back copper plate).
  • Reference numeral 5 denotes a bonding layer (surface bonding layer).
  • Reference numeral 6 is a bonding layer (back bonding layer).
  • the bonded body 1 has a structure in which a copper plate 3 and a copper plate 4 are bonded to both sides of a ceramic substrate 2 via a bonding layer 5 and a bonding layer 6, respectively.
  • the copper plate 3 is referred to as a surface copper plate
  • the bonding layer 5 is referred to as a surface bonding layer.
  • the copper plate 4 is called a back copper plate
  • the bonding layer 6 is called a back bonding layer.
  • copper plates are bonded to both sides of the ceramic substrate.
  • the joined body according to the embodiment is not limited to such a shape.
  • the copper plate size can be changed as appropriate.
  • a copper plate may be bonded to only one side of the ceramic substrate.
  • FIG. 2 shows an example of the crystal structure of the copper plate.
  • reference numeral 3 denotes a copper plate.
  • Reference numeral 7 is a copper crystal grain.
  • the copper plate is polycrystalline.
  • each copper grain has a face-centered cubic lattice structure.
  • Copper crystal grains are observed in a magnified photograph.
  • the magnified photograph is taken with an optical microscope or a scanning electron microscope (SEM).
  • SEM scanning electron microscope
  • chemical polishing or etching treatment may be performed.
  • the magnification is set to 100 times or more.
  • the object of observation is the surface of the copper plate perpendicular to the direction in which the ceramic substrate and the copper plate are joined.
  • the thickness of the copper plate removed by chemical polishing or etching treatment is set to one copper crystal grain or less in the bonding direction. This is because when the thickness of two or more copper crystal grains is removed, the surface of the so-called copper plate disappears. That is, the copper plate surface refers to the copper plate surface when used as a ceramic copper circuit board.
  • the thickness of one copper crystal grain or less is set to, for example, 10 ⁇ m or less.
  • a unit area of 5 mm ⁇ 5 mm is defined as a unit area, and an area having a unit area of 5 mm ⁇ 5 mm is defined as one observation area. In the enlarged photograph, the major axis of the copper crystal grains reflected in the unit area of 5 mm ⁇ 5 mm is measured.
  • the major axis of the copper crystal grain corresponds to the longest distance between the two points on the outer edge of the copper crystal grain.
  • a unit area of 5 mm ⁇ 5 mm only copper crystal grains in which all contours are shown are to be measured. Three areas with a unit area of 5 mm ⁇ 5 mm are observed, and the total grain index is measured.
  • the grain index is a value obtained by obtaining the number ratio using the major axis of each copper crystal grain in each region. Three regions sufficiently separated from each other are selected as observation regions. Observation areas are randomly selected.
  • copper crystal grains whose contours are cut off at the edges of the enlarged photograph are not included in the measurement target.
  • the bonded body according to the embodiment is characterized in that the number ratio of copper crystal grains having a major axis of more than 400 ⁇ m is 0% or more and 5% or less in three observation regions on the surface of the copper plate. This indicates that the number ratio of the copper crystal grains 7 having a major axis of 400 ⁇ m or less is 95% or more.
  • Copper crystal grains having a major axis of more than 400 ⁇ m are coarse grains that have grown by heat treatment.
  • the copper plate is exposed to a high temperature of about 800 ° C.
  • the copper plate grows as grains grow at a high temperature.
  • grain growth occurs in the direction parallel to the surface and coarse grains are formed, the bonded body tends to warp.
  • the inventors of the present invention have found that when the unit area of 5 mm ⁇ 5 mm and the amount of copper crystal grains having a major axis of more than 400 ⁇ m is 6% or more on the surface, the warp becomes large. In particular, when the joint became large, warpage was likely to occur.
  • the number of copper crystal grains having a major axis exceeding 400 ⁇ m is suppressed, warpage can be reduced.
  • the grain growth in the cross-sectional direction perpendicular to the surface is unlikely to affect the warp of the bonded body. Therefore, if the number ratio is 0% or more and 5% or less on the surface of the copper plate, the number ratio of copper crystal grains having a major axis of more than 400 ⁇ m in the cross section may exceed 5%.
  • the number ratio of copper crystal grains having a major axis exceeding 400 ⁇ m is preferably 1% or less.
  • the major axis of the copper crystal grains 7 is preferably 300 ⁇ m or less.
  • the major axis of the copper crystal grains 7 is as small as 300 ⁇ m or less, the effect of suppressing warpage is further improved.
  • the lower limit of the major axis of the copper crystal grains is not particularly limited.
  • the major axis is 10 ⁇ m or more.
  • a copper plate having a small size of copper crystal grains 7 may lead to an increase in manufacturing cost.
  • the average value of the major axis of the copper crystal grains 7 is preferably 30 ⁇ m or more and 300 ⁇ m or less.
  • the average value of the major axis of the copper crystal grain 7 is the average value of the major axis of the copper crystal grain reflected in the unit area of 5 mm ⁇ 5 mm at three places. In one unit area of 5 mm ⁇ 5 mm, only copper crystal grains whose contours are completely visible are selected as measurement targets. An average value can be obtained by observing a unit area of 5 mm ⁇ 5 mm at three locations and calculating the average of the major axis of the copper crystal grains to be measured. The average value is calculated by the number ratio.
  • the number ratio of copper crystal grains whose major axis is within the average range is preferably 80% or more.
  • the average range is 0.5 times or more and 2 times or less the average value of the major axis of the copper crystal grains. Small copper grains or large copper grains are likely to cause local stress due to grain growth. Therefore, it is preferable that the number of copper crystal grains having a size close to the average value is large. Therefore, the number ratio of copper crystal grains whose major axis is within the average range is preferably 80% or more, more preferably 90% or more and 100% or less.
  • the number ratio to the average value can be determined by measuring the particle size distribution.
  • the major axis of the copper crystal grains reflected in the unit area of 5 mm ⁇ 5 mm is measured. A unit area of 5 mm ⁇ 5 mm is measured at three locations, and a particle size distribution graph is obtained. Alternatively, the enlarged photograph may be image-analyzed to obtain a particle size distribution graph.
  • the arithmetic mean swell Wa of the swell curve of the ceramic substrate is 2 ⁇ m or less, and the maximum cross-sectional height Wt of the swell curve is 10 ⁇ m or less.
  • the waviness curve is a contour curve obtained by applying a phase compensation type filter having cutoff values ⁇ f and ⁇ c to the cross-sectional curve.
  • the swell curve shall be measured according to JIS-B-0601 (2013) (ISO4287).
  • Wa is 2 ⁇ m or less and Wt is 10 ⁇ m or less indicates that the unevenness on the surface of the ceramic substrate is small. If the surface of the ceramic substrate is uneven, the way heat is transferred to the copper plate at the time of joining is partially different. Different ways of partial heat transfer affect partial zygosity. When the ceramic substrate becomes large, it tends to cause warpage.
  • the ceramic substrate examples include a silicon nitride substrate, an aluminum nitride substrate, an aluminum oxide substrate, and an argyl substrate.
  • the thickness of the ceramic substrate is preferably 0.1 mm or more and 1 mm or less. If the substrate thickness is less than 0.1 mm, the strength may decrease. Further, if the heat is greater than 1 mm, the ceramic substrate becomes a thermal resistor, which may reduce the heat dissipation of the bonded body.
  • the three-point bending strength of the silicon nitride substrate is preferably 600 MPa or more. Further, the thermal conductivity of the silicon nitride substrate is preferably 80 W / m ⁇ K or more.
  • the thickness of the substrate can be reduced. Therefore, the three-point bending strength of the silicon nitride substrate is preferably 600 MPa or more, more preferably 700 MPa or more. As a result, the substrate thickness of the silicon nitride substrate can be reduced to 0.40 mm or less, and further to 0.30 mm or less.
  • the three-point bending strength of the aluminum nitride substrate is about 300 to 450 MPa.
  • the thermal conductivity of the aluminum nitride substrate is 160 W / m ⁇ K or more. Since the strength of the aluminum nitride substrate is lower than that of the silicon nitride substrate, the substrate thickness is preferably 0.60 mm or more.
  • the three-point bending strength of the aluminum oxide substrate is about 300 to 450 MPa, but the aluminum oxide substrate is inexpensive.
  • the three-point bending strength of the argyl substrate is as high as about 550 MPa, but the thermal conductivity of the argyl substrate is about 30 to 50 W / m ⁇ K.
  • the ceramic substrate is preferably either a silicon nitride substrate or an aluminum nitride substrate.
  • the silicon nitride substrate or the aluminum nitride substrate can increase the bonding strength with the copper plate by using the active metal bonding method described later.
  • a silicon nitride substrate is preferable. Since the silicon nitride substrate has high strength, excellent reliability can be obtained even when a thick copper plate is bonded to the silicon nitride substrate.
  • the bonding layer preferably contains an active metal.
  • the active metal is one selected from Ti (titanium), Zr (zirconium), and Hf (hafnium).
  • a brazing material containing an active metal is called an active metal brazing material.
  • a joining method using an active metal brazing material is called an active metal joining method.
  • a bonded body is obtained by arranging an active metal brazing material between a ceramic substrate and a copper plate and performing heat treatment. After the bonded body is obtained, the active metal brazing material becomes a bonded layer.
  • Ti is preferable. Ti is a metal that is more active than Zr and Hf. Also, the cost of Ti is lower than that of Zr and Hf.
  • the active metal is not limited to the simple substance of the metal, and may be added to the brazing material as a compound or an alloy. Examples of the compound include hydrides, oxides, nitrides and the like.
  • the active metal brazing material contains one or more selected from Ag (silver), Cu (copper), Sn (tin), In (indium), and C (carbon) as components other than the active metal. It is preferably contained.
  • Ag or Cu is a component that serves as a base material for brazing materials.
  • Sn or In has the effect of lowering the melting point of the brazing filler metal.
  • C has the effect of controlling the fluidity of the brazing material and controlling the structure of the bonding layer by reacting with other components.
  • the components of the brazing material Ag-Cu-Ti, Ag-Cu-Sn-Ti, Ag-Cu-Ti-C, Ag-Cu-Sn-Ti-C, Ag-Ti, Cu-Ti, Examples thereof include Ag-Sn-Ti, Cu-Sn-Ti, Ag-Ti-C, Cu-Ti-C, Ag-Sn-Ti-C, and Cu-Sn-Ti-C.
  • In may be used instead of Sn. Both Sn and In may be used.
  • low melting point metals such as Bi (bismuth), Sb (antimony), and Ga (gallium) may be used.
  • the composition of the active metal brazing material Ag (silver) is 0% by mass or more and 75% by mass or less, Cu (copper) is 15% by mass or more and 85% by mass or less, and Ti (titanium) or TiH 2 (titanium hydride) is 1. It is preferably mass% or more and 15 mass% or less. When both Ti and TiH 2 are used, the total of these is preferably in the range of 1 to 15% by mass. When both Ag and Cu are used, it is preferable that Ag is 20 to 60% by mass and Cu is 15 to 40% by mass.
  • the brazing material may contain 1 or 2 types of Sn (tin) or In (indium) in an amount of 1% by mass or more and 50% by mass or less, if necessary.
  • the content of Ti or TiH 2 is preferably 1 to 15% by mass.
  • the brazing material may contain C (carbon) in an amount of 0.1% by mass or more and 2 wt% or less, if necessary.
  • the bonding layer preferably contains Ag, Cu and Ti.
  • the fact that the bonding layer contains Ag, Cu and Ti indicates that the active metal brazing material contains Ag, Cu and Ti.
  • Ag-Cu-Ti brazing material improves the bonding strength.
  • the bonding temperature can be lowered. By setting the bonding temperature to 700 ° C. or lower, the amount of Ag diffused into the copper plate can be suppressed. It is possible to suppress the diffusion of Ag on the surface of the copper plate. Further, by setting the bonding temperature to 700 ° C. or lower, Ag is mainly diffused at the grain boundaries of the copper plate. As a result, it is possible to prevent the diffused Ag from inhibiting the etching of the copper plate.
  • the method for manufacturing a bonded body according to the embodiment is characterized by including a step of arranging a brazing material for a bonding layer between a ceramic substrate and a copper plate, and a bonding step of a bonding temperature of 800 ° C. or lower. ..
  • the brazing material is the above-mentioned active metal brazing material.
  • the active metal brazing material is a brazing material containing an active metal such as Ti.
  • the active metal may be added as an active metal compound such as a hydride.
  • the active metal brazing material contains one or more selected from Ag (silver), Cu (copper), Sn (tin), In (indium), and C (carbon) as components other than the active metal. Is preferable.
  • an active metal brazing paste is prepared by performing a step of mixing necessary components. To obtain a paste, it is effective to mix it with a binder or a solvent.
  • the active metal brazing paste is applied to at least one of the ceramic substrate or the copper plate.
  • the thickness of the active metal brazing paste is preferably 5 ⁇ m or more and 60 ⁇ m or less.
  • the thickness of the active metal brazing paste is the thickness of the applied paste after it has been dried. If the thickness is less than 5 ⁇ m, the bonding strength may decrease. Further, if it is thicker than 60 ⁇ m, the thermal stress in the joining process becomes large, and the warp of the joined body may become large. Therefore, the thickness of the active metal brazing paste is preferably 5 ⁇ m or more and 60 ⁇ m or less, and more preferably 10 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less.
  • the step of applying the active metal brazing material paste to one side After performing the step of applying the active metal brazing material paste to one side, perform the step of placing the other side to which the paste is not applied on one side. For example, when the active metal brazing material paste is applied to the ceramic substrate, a step of placing the copper plate on the ceramics substrate via the active metal brazing material paste is performed.
  • the active metal brazing material paste may be applied to both sides of the ceramic substrate, and copper plates may be arranged on both sides.
  • the active metal brazing material paste may be applied to the copper plate, and the ceramic substrate may be arranged on the copper plate via the active metal brazing material paste.
  • the joining temperature refers to the highest temperature held for a certain period of time in the joining process.
  • the bonding temperature is high, the grain growth of the copper crystal grains constituting the copper plate is promoted.
  • the joining temperature was about 850 ° C.
  • the joining temperature exceeds 800 ° C., the grain growth of the copper plate becomes large.
  • large copper crystal grains having a major axis exceeding 400 ⁇ m are likely to be generated.
  • the joining temperature is preferably 800 ° C. or lower, more preferably 700 ° C. or lower.
  • the lower limit of the joining temperature is not particularly limited, but is preferably 500 ° C. or higher.
  • the joining temperature is preferably 500 ° C. or higher and 800 ° C. or lower, and more preferably 550 ° C. or higher and 700 ° C. or lower.
  • the holding time of the bonding temperature is preferably 60 minutes or less, more preferably 30 minutes or less.
  • the lower limit of the holding time is not particularly limited, but is preferably 1 minute or more. If it is less than 1 minute, Ag diffusion may be insufficient and the bondability may not be stable.
  • the average particle size of the copper plate before joining is A ( ⁇ m) and the average particle size of the copper plate after joining is B ( ⁇ m)
  • B / A ⁇ 10 is satisfied.
  • the fact that B / A ⁇ 10 indicates that the rate of grain growth before and after joining is 10 times or less.
  • Grain growth is a phenomenon in which copper crystal grains on a copper plate become larger due to heat. In grain growth, stress is generated because individual copper crystal grains become larger. If the B / A is larger than 10 times, the stress becomes too large and the joint is likely to warp.
  • B / A satisfies B / A ⁇ 10 and further 1.1 ⁇ B / A ⁇ 5.
  • the average particle size A can be calculated by the following method. Observe the three regions with a unit area of 5 mm ⁇ 5 mm contained on the surface of the copper plate before joining. In each region, the copper crystal grains to be measured are selected. Measure the major axis of each of the selected grains. By calculating the average of each major axis, the average particle size can be obtained. As described above, the average particle size B is an average value of the major axis obtained from the result of observing three regions having a unit area of 5 mm ⁇ 5 mm.
  • the largest endothermic peak in the DSC curve is 700 ° C. or less.
  • the melting point of the brazing material is 700 ° C. or lower.
  • the melting point of the brazing filler metal is 550 ° C. or higher and 700 ° C. or lower.
  • the DSC curve is a curve obtained by measuring the peaks of an endothermic reaction and an exothermic reaction using a differential scanning calorimeter (DSC).
  • a peak in the negative direction indicates that an endothermic reaction is occurring.
  • a positive peak indicates that an exothermic reaction is occurring.
  • the DSC curve is measured through a temperature profile consisting of a heating step, a constant temperature holding step, and a cooling step. In this temperature profile, the temperature raising step raises the temperature from room temperature to 500 ° C. at a heating rate of 5 ° C./min. Next, the temperature raising step keeps 500 ° C. for 60 minutes. Next, the temperature raising step raises the temperature to 845 ° C. at a heating rate of 5 ° C./min.
  • the holding step holds the temperature at 845 ° C. for 30 minutes.
  • the temperature lowering step the temperature is lowered from 845 ° C. to room temperature at a temperature lowering rate of 5 ° C./min.
  • a TGA-DSC simultaneous thermogravimetric analyzer STA449-F3-Jupiter manufactured by NETZSCH or an apparatus having equivalent performance can be used.
  • the measurement is performed in an Ar (argon) flow by dropping an appropriate amount of brazing material into the alumina container. It is necessary to prevent the brazing material from reacting with the atmosphere by measuring in the Ar atmosphere.
  • the flow rate of Ar flow is set to 20 ml / min on the sample side and 200 ml / min on the cooling side.
  • the detection temperature of the largest endothermic peak in the temperature range of 550 ° C. or higher and 800 ° C. or lower is regarded as the melting point.
  • the fact that the melting point of the brazing material is 700 ° C. or lower indicates that the largest endothermic peak exists in the range of 550 to 700 ° C. Even if there is a negative peak below 550 ° C, it does not have to be counted as an endothermic peak.
  • This endothermic reaction is caused by melting and decomposition of the active metal brazing material. For example, when titanium hydride (TiH 2 ) is used as the active metal, a peak in the negative direction is detected around 500 ° C.
  • This peak indicates the endothermic reaction that occurs when TiH 2 decomposes into Ti and H. Therefore, the detection temperature of the largest endothermic peak in the temperature range of 550 ° C. or higher and 800 ° C. or lower is regarded as the melting point.
  • the melting point of the active metal brazing material is preferably in the range of 550 ° C. or higher and 700 ° C. or lower, and more preferably in the range of 550 ° C. or higher and 650 ° C. or lower.
  • the melting point of the active metal brazing material it is effective to control the composition, the particle size of the raw material powder, and the like.
  • Sn or In has the effect of lowering the melting point of the brazing material.
  • the powder particle size of Sn or In is the largest among Ag powder, Cu powder, Sn powder, and Ti powder.
  • Sn is an element that easily reacts with other brazing filler metal components.
  • the Sn powder can easily come into contact with other components. Thereby, the melting point of the brazing material can be lowered.
  • In is used instead of Sn. It is effective to make the particle size of the component having the effect of lowering the melting point larger than the particle size of the other components. Further, lowering the joining temperature can reduce the load on the joining equipment.
  • the copper plate a pure copper plate or a copper alloy plate can be used.
  • the copper plate is preferably oxygen-free copper.
  • Oxygen-free copper has a copper purity of 99.96 wt% or more, as shown in JIS-H-3100.
  • the average value of the major axis of the copper crystal grains is preferably 10 ⁇ m or more and 200 ⁇ m or less. If the average value of the major axis is less than 10 ⁇ m, there is a possibility that fine copper crystal grains that easily grow grains will increase. Further, if the average value exceeds 200 ⁇ m, the number of copper crystal grains having a major axis exceeding 400 ⁇ m may increase after bonding.
  • the average value of the major axis before joining is preferably 10 ⁇ m or more and 200 ⁇ m or less, and more preferably 20 ⁇ m or more and 150 ⁇ m or less.
  • the average value of the major axis before joining can be adjusted by changing the processing rate or the like.
  • the processing rate is expressed as a percentage (%) obtained by dividing the difference between the cross-sectional area of the material before processing and the cross-sectional area after processing by the cross-sectional area of the material before processing.
  • a bonded body in which a ceramic substrate and a copper plate are joined can be manufactured.
  • a joining temperature of 800 ° C. or lower grain growth of copper crystals can be suppressed.
  • the amount of warpage can be reduced even if the size of the joint is increased. If the size of the joint is increased, a large number of pieces can be taken.
  • Multi-picking is a method of cutting a large joint to obtain a small joint.
  • the amount of warpage of the bonded body can be reduced to 0.1 mm or less. Further, by setting the bonding temperature to 700 ° C. or lower, the diffusion amount of Ag in the copper plate can be suppressed.
  • FIG. 3 shows an example of a joint for performing a large number of pieces.
  • 1 is a junction and 8 is a scribe line.
  • the scribe line 8 is a dividing groove.
  • the dividing groove has various shapes such as a dot shape and a line shape. Further, the dividing groove may be provided on only one surface or on both sides.
  • the scribe line 8 is formed by laser processing or the like.
  • FIG. 3 shows an example in which a scribe line 8 for dividing the joint body 1 into four is provided.
  • the conditions for providing the scribe line 8 are not limited to this example, and can be changed as appropriate.
  • a large ceramic copper circuit board may be divided to obtain a small ceramic copper circuit board. That is, a large number of pieces may be taken for the bonded body, or a large number of pieces may be taken for the ceramic copper circuit. Multi-cavity is a method with good mass productivity.
  • a ceramic copper circuit board is manufactured by imparting a circuit structure to the copper plate of the joint body 1.
  • the etching process is effective for imparting the circuit structure.
  • FIG. 4 shows an example of a ceramic copper circuit board 1a to which a circuit structure is provided.
  • a table copper plate 3 processed into a circuit structure is illustrated.
  • the embodiment is not limited to such an embodiment, and a required circuit structure can be applied.
  • the copper plate processed into the circuit structure may be bonded to the ceramic substrate.
  • a ceramic copper circuit board is obtained as a bonded body.
  • an inclined structure may be provided on the side surface of the copper plate.
  • a structure in which the bonding layer protrudes from the side surface of the copper plate may be provided.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of a ceramic copper circuit board according to an embodiment.
  • the ceramic substrate may be provided with through holes.
  • the ceramic copper circuit board preferably has a structure in which the front copper plate and the back copper plate are conductive through the through holes.
  • FIG. 5 shows an example of a ceramic copper circuit board having a through hole.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a portion provided with a through hole.
  • 1a is a ceramic copper circuit board.
  • Reference numeral 2 is a silicon nitride substrate.
  • Reference numeral 3 is a front copper plate.
  • Reference numeral 4 is a back copper plate.
  • 5 and 6 are bonding layers.
  • Reference numeral 9 is a through hole.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of a ceramic copper circuit board according to an embodiment.
  • the ceramic substrate may be provided with through holes.
  • the ceramic copper circuit board preferably has a structure in which the front copper plate and the back copper plate are conductive through the through
  • the front copper plate 3 and the back copper plate 4 are conducting through the through hole 9.
  • a plurality of through holes 9 connect the plurality of front copper plates 3 and the plurality of back copper plates 4, respectively.
  • the embodiment is not limited to such a structure.
  • the through holes 9 may be provided only in a part of the plurality of surface copper plates 3.
  • Through holes 9 may be provided only in a part of the plurality of back copper plates 4.
  • the inside of the through hole 9 is preferably filled with the same material as the bonding layer 5 or 6.
  • the internal structure of the through hole 9 is not particularly limited as long as the front copper plate and the back copper plate can be electrically connected. Therefore, the metal thin film may be provided only on the inner wall of the through hole 9.
  • the bonding strength can be improved by filling with the same material as the bonding layer 5 or 6.
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of the semiconductor device according to the embodiment.
  • the ceramic copper circuit board according to the embodiment is suitable for a semiconductor device.
  • a semiconductor element is mounted on a copper plate of a ceramic copper circuit board via a bonding layer.
  • FIG. 6 shows an example of a semiconductor device.
  • 1a is a ceramic copper circuit board.
  • Reference numeral 10 is a semiconductor device.
  • Reference numeral 11 denotes a semiconductor element.
  • Reference numeral 12 is a bonding layer.
  • Reference numeral 13 is wire bonding.
  • Reference numeral 14 is a metal terminal.
  • the semiconductor element 11 is bonded to the copper plate of the ceramic copper circuit board 1a via the bonding layer 12.
  • the metal terminals 14 are joined via the joining layer 12.
  • Adjacent copper plates are conducted by wire bonding 13.
  • the wire bonding 13 and the metal terminal 14 are bonded.
  • the semiconductor device according to the embodiment is not limited to such a structure.
  • only one of the wire bonding 13 and the metal terminal 14 may be provided.
  • a plurality of semiconductor elements 11, wire bonding 13, and metal terminals 14 may be provided on the front copper plate 3, respectively.
  • a semiconductor element 11, a wire bonding 13, and a metal terminal 14 can be bonded to the back copper plate 4 as needed.
  • Various shapes such as a lead frame shape and a convex shape can be applied to the metal terminal 14.
  • Example 3 (Examples 1 to 7, Comparative Examples 1 to 3)
  • the ceramic substrate As the ceramic substrate, the silicon nitride substrate or the aluminum nitride substrate shown in Table 1 was prepared.
  • the active metal brazing material shown in Table 3 was prepared.
  • the Sn powder has the largest particle size.
  • the particle size of Ag powder is the largest.
  • the melting point of the brazing material is a value obtained by measuring the DSC curve as shown above.
  • a joining step was performed using a ceramic substrate, a copper plate, and an active metal brazing material.
  • the vertical and horizontal sizes of the copper plate were matched to the ceramic substrate.
  • the joining temperature was maintained for 10 to 30 minutes in a vacuum of 10 -3 Pa or less.
  • the combinations of each material are as shown in Table 4.
  • the major axis of the copper crystal grains of the copper plate, the amount of warpage of the bonded body, and the bonded strength were measured.
  • SEM observation was performed after etching the surface of the copper plate. In the SEM observation, an area having a unit area of 5 mm ⁇ 5 mm was arbitrarily observed at three places. The major axis of the observed copper crystal grains was measured. Further, the deviation from the average value of the major axis of the copper crystal grains was calculated from the result of observing a unit area of 5 mm ⁇ 5 mm at any three places.
  • the amount of warpage of the joined body the amount of warpage on the long side was measured.
  • the amount of warpage of the ceramic substrate is measured from the side surface of the bonded body. Connect the end of the long side of the ceramic substrate with a straight line. The farthest position between the straight line and the surface of the ceramic substrate was defined as the amount of warpage.
  • An example in which the amount of warpage on the long side is 0.1 mm or less is indicated as a non-defective product ( ⁇ ), and an example in which the amount of warpage on the long side exceeds 0.1 mm is indicated as a defective product (x).
  • the joint strength was measured by a peel test. Specifically, a peel test sample was prepared using the joining conditions of each Example and Comparative Example. For the sample, a strip-shaped copper plate was bonded to a ceramic substrate.
  • the copper crystal grains of the copper plate were controlled.
  • good results were obtained with respect to the amount of warpage and the bonding strength.
  • the bonding temperature is 800 ° C. or lower, further 700 ° C. or lower.
  • the bonding strength is lowered.
  • Comparative Example 3 even if the bonding temperature was lowered with a brazing material having a high melting point, a bonded body could not be obtained.
  • Comparative Example 1 and Comparative Example 2 since the bonding temperature exceeded 800 ° C., the degree of grain growth of the copper crystal was large. Therefore, the amount of warpage of the joined body is increased. As described above, according to the embodiment, the amount of warpage of the bonded body can be reduced even if the size of the ceramic substrate is increased. In addition, a bonded body having high bonding strength can be obtained. Since the size of the ceramic substrate can be increased, a bonded body suitable for multi-cavity can be obtained.

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Abstract

セラミックス基板と、接合層を介して前記セラミックス基板に接合された銅板と、を備えた接合体であって、前記銅板は、前記セラミックス基板と前記銅板とが接合された方向に垂直な表面を有し、前記表面に含まれる５ｍｍ×５ｍｍの３つの領域において、長径が４００μｍを超える銅結晶粒の個数割合は、０％以上５％以下であることを特徴とする。好ましくは、接合温度は、８００℃以下である。また、好ましくは、長径が４００μｍを超える銅結晶粒の個数割合は、１％以下である。

Description

接合体、セラミックス銅回路基板、接合体の製造方法、およびセラミックス銅回路基板の製造方法
　後述する実施形態は、接合体、セラミックス銅回路基板、接合体の製造方法、およびセラミックス銅回路基板の製造方法に関する。
　セラミックス基板と銅板の接合体は、半導体素子などを搭載する回路基板に用いられる。国際公開第２０１８／０２１４７２号公報（特許文献１）には、セラミックス基板と銅板を接合したセラミックス銅回路基板が開示されている。特許文献１では、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉなどを含有するろう材が、接合層として用いられている。また、接合層のナノインデンテーション硬さを制御することにより、ＴＣＴ特性を向上させている。特許文献１では、接合層中に、ＡｇＴｉ結晶、ＴｉＣなどを存在させることにより、ナノインデンテーション硬さを制御している。特許文献１では、ナノインデンテーション硬さを制御することにより、接合強度とＴＣＴ特性を向上させている。
　特許文献１では、接合温度７８０～８５０℃の高温で、接合が行われている。接合温度が高いと、接合設備の負担が増加する。また、高温での接合は、セラミックス基板および銅板へ熱応力が掛かる。熱応力の負荷は、セラミックス銅回路基板のゆがみの原因となっていた。このため、より低い温度での接合が求められていた。
　例えば、国際公開第２０１８／１９９０６０号公報（特許文献２）では、接合温度７２０～８００℃で接合したセラミックス銅回路基板が開示されている。
国際公開第２０１８／０２１４７２号公報 国際公開第２０１８／１９９０６０号公報
　特許文献２での接合温度は、特許文献１での接合温度よりも低いため、熱応力を緩和できる。その一方で、それ以上の性能向上は実現できずにいた。例えば、セラミックス基板を大きくすると接合体の反り量が大きくなるといった課題が生じていた。その原因を追究したところ、その課題は、銅板の粒成長に起因することが分かった。本発明は、このような課題に対応するためのものである。本発明は、銅板の粒成長を抑制したセラミックス銅回路基板を提供するためのものである。
　セラミックス基板と、接合層を介して前記セラミックス基板に接合された銅板と、を備えた接合体であって、前記銅板は、前記セラミックス基板と前記銅板とが接合された方向に垂直な表面を有し、前記表面に含まれる５ｍｍ×５ｍｍの３つの領域において、長径が４００μｍを超える銅結晶粒の個数割合は、０％以上５％以下であることを特徴とする。
実施形態にかかる接合体の一例を示す図。 銅板の結晶構造の一例を示す図。 多数個取りを行うための一例を示す図。 実施形態にかかるセラミックス銅回路基板の別の一例を示す図。 実施形態にかかるセラミックス銅回路基板の一例を示す図である。 実施形態にかかる半導体装置の一例を示す図である。
　実施形態にかかる接合体は、セラミックス基板と、接合層を介して前記セラミックス基板に接合された銅板と、を備える。前記銅板は、前記セラミックス基板と前記銅板とが接合された方向に垂直な表面を有し、前記表面に含まれる５ｍｍ×５ｍｍの３つの領域において、長径が４００μｍを超える銅結晶粒の個数割合は、０％以上５％以下であることを特徴とする。
　図１は、実施形態にかかる接合体の一例を示す。図１において、１は接合体である。２はセラミックス基板である。３は銅板（表銅板）である。４は銅板（裏銅板）である。５は接合層（表接合層）である。６は接合層（裏接合層）である。図１の例では、セラミックス基板の縦サイズおよび横サイズは、それぞれ、銅板の縦サイズおよび横サイズと同じである。
　接合体１は、セラミックス基板２の両面に接合層５および接合層６をそれぞれ介して銅板３および銅板４を接合した構造を有している。便宜上、銅板３を表銅板、接合層５を表接合層と呼ぶ。また、銅板４を裏銅板、接合層６を裏接合層と呼ぶ。図１の例では、セラミックス基板の両面に、銅板が接合されている。実施形態にかかる接合体は、このような形状に限定されるものではない。銅板サイズは、適宜変更可能である。また、セラミックス基板の片面のみに、銅板が接合されていてもよい。
　図２は、銅板の結晶構造の一例を示す。図２において、３は銅板である。７は銅結晶粒である。銅板は多結晶体である。例えば、それぞれの銅結晶粒は、面心立方格子構造を有する。
　銅結晶粒は、拡大写真にて観察される。拡大写真は、光学顕微鏡または走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）により撮影される。粒界が確認し難いときは、化学研磨またはエッチング処理が施されてもよい。倍率は、１００倍以上に設定される。観察対象は、セラミックス基板と銅板とが接合された方向に垂直な銅板の表面である。化学研磨またはエッチング処理で除去される銅板の厚さは、当該接合方向における銅結晶粒１個分以下に設定される。銅結晶粒２個分以上の厚さが除去されると、いわゆる銅板表面でなくなるためである。つまり、銅板表面とは、セラミックス銅回路基板として用いる際の銅板表面を指す。銅結晶粒１個分以下の厚さとして、例えば１０μｍ以下が設定される。
　５ｍｍ×５ｍｍを単位面積とし、単位面積５ｍｍ×５ｍｍの領域を１つの観察領域とする。拡大写真において、単位面積５ｍｍ×５ｍｍに写る銅結晶粒の長径を測定する。銅結晶粒の長径は、銅結晶粒の外縁上の２点間の距離のうち、最も長い距離に対応する。単位面積５ｍｍ×５ｍｍにおいて、輪郭がすべて写っている銅結晶粒のみを測定対象とする。単位面積５ｍｍ×５ｍｍの領域を３か所観察し、その合計の粒指数を測定する。粒指数とは、各領域における各銅結晶粒の長径を用いて個数割合を求めることにより得られる値である。互いに十分に離れた３つの領域が、観察領域として選定される。観察領域は、無作為に選定される。また、拡大写真の端部で輪郭が途切れている銅結晶粒は、測定対象に含めない。また、一視野で単位面積５ｍｍ×５ｍｍを観察できないときは、互いに隣り合う複数の拡大写真をつなぎ合わせて５ｍｍ×５ｍｍの写真を得てもよい。
　実施形態にかかる接合体は、銅板表面の３つの観察領域において、長径が４００μｍを超える銅結晶粒の個数割合が、０％以上５％以下であることを特徴とする。これは、長径が４００μｍ以下の銅結晶粒７の個数割合が、９５％以上であることを示す。
　長径が４００μｍを超える銅結晶粒は、熱処理に伴い粒成長した粗大粒である。接合層を介してセラミックス基板と銅板を接合する場合、銅板は８００℃程度の高温にさらされる。銅板は、高温化で粒成長する。表面と平行な方向に粒成長が生じ、粗大粒が形成されると、接合体に反りが生じ易くなる。本願発明の発明者らは、表面において単位面積５ｍｍ×５ｍｍに長径４００μｍを超える銅結晶粒が６％以上になると、反りが大きくなることを見出した。特に、接合体が大きくなると、反りが生じ易かった。実施形態にかかる接合体では、長径が４００μｍ以下を超える銅結晶粒の個数が抑えられているため、反りを低減できる。
　なお、表面に垂直な断面方向における粒成長は、接合体の反りに影響を与え難い。このため、銅板表面において前記個数割合が０％以上５％以下であれば、断面において長径が４００μｍを超える銅結晶粒の個数割合が５％を超えても良い。
　長径が４００μｍを超える銅結晶粒の個数割合は、１％以下であることが好ましい。銅結晶粒７の長径は、３００μｍ以下が好ましい。銅結晶粒７の長径が３００μｍ以下と小さいと、反りの抑制効果がさらに向上する。
　銅結晶粒の長径の下限値は、特に限定されない。好ましくは、長径は１０μｍ以上である。銅結晶粒７のサイズが小さい銅板は、製造コストの増大を招く可能性がある。
　銅結晶粒７の長径の平均値は、３０μｍ以上３００μｍ以下が好ましい。
　銅結晶粒７の長径の平均値は、３か所の単位面積５ｍｍ×５ｍｍに写る銅結晶粒の長径の平均値である。１つの単位面積５ｍｍ×５ｍｍにおいて、輪郭がすべて写っている銅結晶粒のみが測定対象として選定される。単位面積５ｍｍ×５ｍｍを３か所観察し、測定対象である銅結晶粒の長径の平均を算出することで、平均値が得られる。平均値は、個数割合で算出される。例えば、長径がそれぞれ３５０μｍ、２２０μｍ、２００μｍ、１２０μｍ、４０μｍの５個の銅結晶粒が観察されたとき、長径の平均値は１８６μｍ（＝（３５０＋２２０＋２００＋１２０＋４０）÷５）である。
　長径の平均値が３０μｍ未満であると、銅結晶粒が小さすぎる。銅板が小さな結晶粒の集合体を含む場合、大きな結晶粒が存在したときの影響が大きくなる。また、長径の平均値が３００μｍを超えると、長径が４００μｍを超える銅結晶粒の数が増える可能性が高くなる。このため、長径の平均値は、３０μｍ以上３００μｍ以下、さらには５０μｍ以上１５０μｍ以下が好ましい。
　また、長径が平均範囲内である銅結晶粒の個数割合は、８０％以上であることが好ましい。平均範囲は、銅結晶粒の長径の平均値の０．５倍以上２倍以下である。小さな銅結晶粒または大きな銅結晶粒は、粒成長による局所的な応力の原因となり易い。このため、平均値に近いサイズの銅結晶粒の数が多いことが好ましい。従って、長径が平均範囲内である銅結晶粒の個数割合は、８０％以上、さらには９０％以上１００％以下が好ましい。
　平均値に対する個数割合は、粒径分布を測定することで判別できる。単位面積５ｍｍ×５ｍｍに写る銅結晶粒の長径を測定する。単位面積５ｍｍ×５ｍｍを３か所分測定し、粒度分布グラフを求める。または、拡大写真を画像解析して粒度分布グラフを得てもよい。
　また、セラミックス基板のうねり曲線の算術平均うねりＷａが２μｍ以下、うねり曲線の最大断面高さＷｔが１０μｍ以下、であることが好ましい。
　うねり曲線とは、断面曲線にカットオフ値λｆとλｃの位相補償形フィルタをかけることにより得られる輪郭曲線である。うねり曲線は、ＪＩＳ－Ｂ－０６０１（２０１３）（ＩＳＯ４２８７）に準じて測定するものとする。
　Ｗａが２μｍ以下、Ｗｔが１０μｍ以下であるということは、セラミックス基板表面の凹凸が小さいことを示している。セラミックス基板表面の凹凸が大きいと、接合時の銅板への熱の伝わり方は部分的に異なってくる。部分的な熱の伝わり方が異なると、部分的な接合性に影響が生じる。セラミックス基板が大型化すると、反りの原因となり易い。
　セラミックス基板として、窒化珪素基板、窒化アルミニウム基板、酸化アルミニウム基板、アルジル基板などが挙げられる。
　セラミックス基板の厚さは、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下が好ましい。基板厚さが０．１ｍｍ未満では、強度の低下を招く可能性がある。また、暑さが１ｍｍより大きいとセラミックス基板が熱抵抗体となり、接合体の放熱性を低下させる可能性がある。
　窒化珪素基板の３点曲げ強度は、６００ＭＰａ以上であることが好ましい。また、窒化珪素基板の熱伝導率は、８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。窒化珪素基板の強度を上げることにより、基板厚さを薄くできる。このため、窒化珪素基板の３点曲げ強度は、６００ＭＰａ以上、さらには７００ＭＰａ以上が好ましい。これにより、窒化珪素基板の基板厚さを０．４０ｍｍ以下、さらには０．３０ｍｍ以下と薄くできる。
　窒化アルミニウム基板の３点曲げ強度は、３００～４５０ＭＰａ程度である。その一方、窒化アルミニウム基板の熱伝導率は、１６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。窒化アルミニウム基板の強度は窒化珪素基板に比べて低いため、基板厚さは０．６０ｍｍ以上が好ましい。
　また、酸化アルミニウム基板の３点曲げ強度は３００～４５０ＭＰａ程度であるが、酸化アルミニウム基板は安価である。また、アルジル基板の３点曲げ強度は５５０ＭＰａ程度と高いが、アルジル基板の熱伝導率は３０～５０Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。
　セラミックス基板は、窒化珪素基板または窒化アルミニウム基板のいずれか一方であることが好ましい。窒化珪素基板または窒化アルミニウム基板は、後述する活性金属接合法を用いることにより、銅板との接合強度を高めることができる。特に、窒化珪素基板が好ましい。窒化珪素基板は高い強度を有するため、厚い銅板を窒化珪素基板に接合したとしても、優れた信頼性を得ることができる。
　接合層は、活性金属を含有することが好ましい。活性金属は、Ｔｉ（チタン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、およびＨｆ（ハフニウム）から選ばれる１種である。活性金属を含有したろう材を、活性金属ろう材と呼ぶ。また、活性金属ろう材を使った接合方法は、活性金属接合法と呼ばれている。活性金属ろう材をセラミックス基板と銅板の間に配置し、熱処理を行うことにより接合体が得られる。接合体が得られた後は、活性金属ろう材は接合層となる。また、活性金属としては、Ｔｉが好ましい。Ｔｉは、ＺｒやＨｆよりも活性な金属である。また、Ｔｉのコストは、ＺｒおよびＨｆに比べて安い。活性金属は、金属単体に限らず、化合物または合金としてろう材に添加されてもよい。化合物としては、水素化物、酸化物、窒化物などが挙げられる。
　また、活性金属ろう材は、活性金属以外の成分として、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ｓｎ（錫）、Ｉｎ（インジウム）、およびＣ（炭素）から選ばれる１種または２種以上を含有していることが好ましい。ＡｇまたはＣｕは、ろう材の母材となる成分である。ＳｎまたはＩｎは、ろう材の融点を下げる効果を有する。Ｃは、ろう材の流動性を制御したり他の成分と反応して接合層の組織を制御したりする効果を有する。このため、ろう材の成分としては、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ、Ａｇ－Ｃｕ－Ｓｎ－Ｔｉ、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ－Ｃ、Ａｇ－Ｃｕ－Ｓｎ－Ｔｉ－Ｃ、Ａｇ－Ｔｉ、Ｃｕ－Ｔｉ、Ａｇ－Ｓｎ－Ｔｉ、Ｃｕ－Ｓｎ－Ｔｉ、Ａｇ－Ｔｉ－Ｃ、Ｃｕ－Ｔｉ－Ｃ、Ａｇ－Ｓｎ－Ｔｉ－Ｃ、Ｃｕ－Ｓｎ－Ｔｉ－Ｃが挙げられる。また、Ｓｎの代わりにＩｎが用いられてもよい。ＳｎとＩｎの両方が用いられてもよい。ＳｎおよびＩｎの代わりに、Ｂｉ（ビスマス）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｇａ（ガリウム）などの低融点金属が用いられてもよい。
　活性金属ろう材の組成について、Ａｇ（銀）は０質量％以上７５質量％以下、Ｃｕ（銅）は１５質量％以上８５質量％以下、Ｔｉ（チタン）またはＴｉＨ２（水素化チタン）は１質量％以上１５質量％以下であることが好ましい。ＴｉとＴｉＨ２の両方が用いられる場合は、これらの合計が１～１５質量％の範囲内であることが好ましい。ＡｇとＣｕの両方が用いられる場合は、Ａｇが２０～６０質量％、Ｃｕが１５～４０質量％であることが好ましい。
　ろう材は、必要に応じて、Ｓｎ（錫）またはＩｎ（インジウム）の１種または２種を、１質量％以上５０質量％以下含有してもよい。ＴｉまたはＴｉＨ２の含有量は、１～１５質量％であることが好ましい。また、ろう材は、必要に応じ、Ｃ（炭素）を０．１質量％以上２ｗｔ％以下含有してもよい。
　活性金属ろう材の組成の比率は、混合する原料の合計を１００質量％として算出される。例えば、Ａｇ、Ｃｕ、およびＴｉの３種でろう材が構成される場合、Ａｇ＋Ｃｕ＋Ｔｉ＝１００質量％である。Ａｇ、Ｃｕ、ＴｉＨ２、およびＩｎの４種でろう材が構成される場合、Ａｇ＋Ｃｕ＋ＴｉＨ２＋Ｉｎ＝１００質量％である。Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｃの５種でろう材が構成される場合、Ａｇ＋Ｃｕ＋Ｔｉ＋Ｓｎ＋Ｃ＝１００質量％である。
　また、接合層は、Ａｇ、ＣｕおよびＴｉを含有することが好ましい。接合層がＡｇ、ＣｕおよびＴｉを含むということは、活性金属ろう材がＡｇ、ＣｕおよびＴｉを含んでいることを示す。Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ系ろう材は、接合強度を向上させる。また、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ－Ｓｎ系ろう材は、ろう材の融点を下げることができるので、接合温度を下げることができる。
　接合温度を７００℃以下にすることで、銅板へのＡｇの拡散量を抑制できる。銅板の表面に、Ａｇが拡散することを抑制できる。また、接合温度を７００℃以下にすることで、Ａｇは、主に銅板の結晶粒界に拡散する。これにより、拡散したＡｇが、銅板のエッチングを阻害することを抑制できる。
　次に、接合体の製造方法について説明する。実施形態にかかる接合体は、上記構成を有していれば、その製造方法は限定されない。ここでは、歩留まり良く接合体を得るための方法として、次の例を挙げる。
　実施形態にかかる接合体の製造方法は、セラミックス基板と銅板との間に接合層用のろう材を配置させる工程と、接合温度が８００℃以下である接合工程と、を備えることを特徴とする。
　まず、セラミックス基板上に、接合層用のろう材を介して銅板を配置する工程を行う。ろう材は、前述の活性金属ろう材である。活性金属ろう材は、Ｔｉなどの活性金属を含むろう材である。活性金属は、水素化物などの活性金属化合物として添加されてもよい。活性金属ろう材は、活性金属以外の成分として、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ｓｎ（錫）、Ｉｎ（インジウム）、およびＣ（炭素）から選ばれる１種または２種以上を含有していることが好ましい。
　まず、必要な成分を混合する工程を行うことで、活性金属ろう材ペーストを調製する。ペーストを得るには、バインダーや溶媒と混合することが有効である。
　活性金属ろう材ペーストを、セラミックス基板または銅板の少なくとも一方に塗布する。活性金属ろう材ペーストの厚さは、５μｍ以上６０μｍ以下が好ましい。活性金属ろう材ペーストの厚さとは、塗布したペーストを乾燥させた後の厚さである。厚さが５μｍ未満では、接合強度が低下する可能性がある。また、６０μｍを超えて厚いと、接合工程での熱応力が大きくなり、接合体の反りが大きくなる可能性がある。このため、活性金属ろう材ペーストの厚さは、５μｍ以上６０μｍ以下、さらには１０μｍ以上５０μｍ以下が好ましい。
　活性金属ろう材ペーストを一方に塗布する工程を行った後、ペーストが塗布されていない他方を、一方に載せる工程を行う。例えば、セラミックス基板に活性金属ろう材ペーストを塗布した場合、活性金属ろう材ペーストを介してセラミックス基板に銅板を載せる工程が行われる。セラミックス基板の両面に活性金属ろう材ペーストが塗布され、両面に銅板が配置されてもよい。銅板に活性金属ろう材ペーストが塗布され、活性金属ろう材ペーストを介して銅板の上にセラミックス基板を配置してもよい。
　次に、接合温度が８００℃以下である接合工程を行う。接合温度とは、接合工程において一定時間保持された温度のうち、最高の温度を指す。接合温度が高いと、銅板を構成する銅結晶粒の粒成長が促進される。従来の活性金属接合法では、接合温度が８５０℃程度であった。接合温度が８００℃を超えると、銅板の粒成長が大きくなる。銅板の粒成長が大きいと、長径が４００μｍを超えた大きな銅結晶粒が生成され易くなる。
　接合温度は、８００℃以下、さらには７００℃以下が好ましい。なお、接合温度の下限は、特に限定されないが、５００℃以上が好ましい。接合温度が低いと、接合の信頼性が低下する可能性がある。このため、接合温度は、５００℃以上８００℃以下、さらには５５０℃以上７００℃以下が好ましい。また、接合温度の保持時間は、６０分以下、さらには３０分以下が好ましい。保持時間の下限は、特に限定されないが、１分以上であることが好ましい。１分未満では、Ａｇ拡散が不十分となり接合性が安定しない可能性がある。
　また、接合前の銅板の平均粒径をＡ（μｍ）、接合後の銅板の平均粒径をＢ（μｍ）としたとき、Ｂ／Ａ≦１０を満たすことが好ましい。また、１．１≦Ｂ／Ａ≦５を満たすことがさらに好ましい。
　Ｂ／Ａ≦１０であるということは、接合前後での粒成長の割合が１０倍以下であることを示している。粒成長とは、熱により銅板の銅結晶粒が大きくなる現象である。粒成長は、個々の銅結晶粒が大きくなっていくため、応力が発生する。Ｂ／Ａが１０倍を超えて大きいと、応力が大きくなり過ぎて接合体の反りが生じ易くなる。このため、Ｂ／ＡはＢ／Ａ≦１０、さらには１．１≦Ｂ／Ａ≦５を満たすことが好ましい。
　平均粒径Ａは、以下の方法により算出できる。接合前の銅板の表面に含まれる、単位面積５ｍｍ×５ｍｍの３つの領域を観察する。各領域において、測定対象である銅結晶粒を選定する。選定された各同結晶粒の長径を測定する。各長径の平均を算出することで、平均粒径が得られる。
　平均粒径Ｂは、前述した通り、単位面積５ｍｍ×５ｍｍの３つの領域を観察した結果から得られる長径の平均値である。
　接合用ろう材について、ＤＳＣ曲線における最も大きな吸熱ピークが７００℃以下であることが好ましい。粒成長を抑制するには、接合温度を８００℃以下にすることが有効である。このためには、ろう材の融点が７００℃以下であることが有効である。好ましくは、ろう材の融点は５５０℃以上７００℃以下である。
　ＤＳＣ曲線とは、示差走査熱量計（ＤＳＣ）を用いて、吸熱反応や発熱反応のピークを測定して得られる曲線である。マイナス方向のピークは、吸熱反応が生じていることを示す。プラス方向のピークは、発熱反応が生じていることを示す。
　ＤＳＣ曲線は、昇温工程、一定の温度での保持工程、および降温工程からなる温度プロファイルを通して測定される。この温度プロファイルにおいて、昇温工程は、常温から５００℃まで、昇温速度５℃／ｍｉｎで昇温させる。次に、昇温工程は、５００℃を６０分保持する。次に、昇温工程は、昇温速度５℃／ｍｉｎで８４５℃まで昇温させる。その後、保持工程は、８４５℃の温度を３０分保持する。降温工程は、８４５℃から常温まで、降温速度５℃／ｍｉｎにて降温させる。
　ＤＳＣとしては、ＮＥＴＺＳＣＨ社製ＴＧＡ－ＤＳＣ同時熱分析装置ＳＴＡ４４９－Ｆ３－Ｊｕｐｉｔｅｒまたはこれと同等の性能を有する装置を用いることができる。また、測定は、アルミナ容器にろう材を適量滴下してＡｒ（アルゴン）フロー中で行われる。Ａｒ雰囲気中で測定することにより、ろう材と雰囲気が反応するのを防ぐことが必要である。また、Ａｒフローの流量は、試料側２０ｍｌ／分、冷却側２００ｍｌ／分に設定される。
　ＤＣＳ曲線の昇温工程の中で、５５０℃以上８００℃以下の温度範囲にある最も大きな吸熱ピークの検出温度を融点とみなす。ろう材の融点が７００℃以下であるということは、最も大きな吸熱ピークが５５０～７００℃の範囲内に存在することを示している。なお、５５０℃未満にマイナス方向のピークがあったとしても、吸熱ピークにカウントしなくてよい。この吸熱反応は、活性金属ろう材の融解、分解などに起因する。例えば、活性金属として水素化チタン（ＴｉＨ２）を用いた場合、５００℃前後にマイナス方向のピークが検出される。このピークは、ＴｉＨ２がＴｉとＨに分解するときに生じる吸熱反応を示す。このため、５５０℃以上８００℃以下の温度範囲にある最も大きな吸熱ピークの検出温度を融点とみなす。
　活性金属ろう材の融点は、５５０℃以上７００℃以下の範囲内、さらには５５０℃以上６５０℃以下の範囲内であることが好ましい。融点を下げることにより、銅結晶粒の粒成長を抑制できる。これにより、Ｂ／Ａ≦１０、さらには１．１≦Ｂ／Ａ≦５を実現できる。
　活性金属ろう材の融点を制御するには、組成、原料粉末の粒径などを制御することが有効である。前述のように、ＳｎまたはＩｎは、ろう材の融点を下げる効果がある。ろう材を構成する成分の中で、ＳｎまたはＩｎの粉末粒径を最も大きくすることが有効である。例えば、Ａｇ－Ｃｕ－Ｓｎ－Ｔｉろう材を用いるとき、Ａｇ粉末、Ｃｕ粉末、Ｓｎ粉末、Ｔｉ粉末の中でＳｎ粉末の粒径を最も大きくする。Ｓｎは、他のろう材成分と反応し易い元素である。Ｓｎ粉末の粒径を大きくすることにより、Ｓｎ粉末が他の成分と接触し易くなる。これにより、ろう材の融点を下げることができる。Ｓｎの代わりにＩｎを用いても同様である。融点を下げる効果のある成分の粒径を、他の成分の粒径よりも大きくすることが有効である。また、接合温度の低温化は、接合設備の負荷を減らすことができる。
　銅板としては、純銅板や銅合金板を用いることができる。銅板は、無酸素銅であることが好ましい。無酸素銅は、ＪＩＳ－Ｈ－３１００に示されたように、銅純度９９．９６ｗｔ％以上である。また、接合前の銅板において、銅結晶粒の長径の平均値は、１０μｍ以上２００μｍ以下が好ましい。長径の平均値が１０μｍ未満では、粒成長し易い微細な銅結晶粒が増える可能性がある。また、平均値が２００μｍを超えると、接合後に、長径が４００μｍを超える銅結晶粒の数が増える可能性がある。このため、接合前の長径の平均値は、１０μｍ以上２００μｍ以下、さらには２０μｍ以上１５０μｍ以下が好ましい。接合前の長径の平均値は、加工率などを変えることにより調製できる。なお、加工率は、加工前の材料の断面積と加工後の断面積の差を、加工前の材料の断面積で割った百分率（％）で表される。
　以上の工程により、セラミックス基板と銅板を接合した接合体を製造することができる。接合温度を８００℃以下と接合することにより、銅結晶の粒成長を抑制できる。これにより、接合体を大型化したとしても、反り量を低減できる。接合体を大型化すると、多数個取りを行うことができる。多数個取りとは、大型の接合体を切断して小さな接合体を得る方法である。接合体を分割する方法またはセラミックス銅回路基板を分割する方法もある。分割し易くするために、スクライブ加工が施されてもよい。実施形態によれば、セラミックス基板２のサイズが縦２００ｍｍ以上、横２００ｍｍ以上と大型化したとしても、接合体の反り量を０．１ｍｍ以下に低減できる。また、接合温度を７００℃以下とすることにより、銅板中のＡｇの拡散量を抑制できる。
　図３は、多数個取りを行うための接合体の一例を示す。図３において、１は接合体、８はスクライブラインである。スクライブライン８は、分割溝である。分割溝は、ドット状、ライン状など様々である。また、分割溝は、一方の面にのみ設けられてもよいし、両面に設けられてもよい。スクライブライン８は、レーザ加工などによって形成される。図３は、接合体１を４つに分割するためのスクライブライン８を設けた例を示している。スクライブライン８を設ける条件は、この例に限定されず、適宜変更可能である。大型のセラミックス銅回路基板を分割し、小型のセラミックス銅回路基板を得てもよい。すなわち、接合体に対して多数個取りが行われてもよいし、セラミックス銅回路に対して多数個取りが行われてもよい。多数個取りは量産性の良い方法である。
　また、接合体１の銅板に回路構造を付与することにより、セラミックス銅回路基板が製造される。回路構造の付与には、エッチング工程が有効である。図４は、回路構造が付与されたセラミックス銅回路基板１ａの一例を示す。図４では、回路構造に加工された表銅板３が例示されている。実施形態は、このような形態に限定されず、必要な回路構造を適用できる。または、上述した接合体の製造において、回路構造に加工された銅板が、セラミックス基板に接合されても良い。この場合、接合体としてセラミックス銅回路基板が得られる。また、銅板の側面には、傾斜構造が付与されてもよい。また、銅板の側面から接合層がはみ出た構造が付与されてもよい。
　図５は、実施形態にかかるセラミックス銅回路基板の一例を示す図である。
　セラミックス基板には、貫通孔が設けられていても良い。セラミックス銅回路基板は、表の銅板と裏の銅板が貫通孔を介して導通した構造を有することが好ましい。図５は、貫通孔を有するセラミックス銅回路基板の一例を示す。図５は、貫通孔が設けられた部分における断面図である。図５において、１ａはセラミックス銅回路基板である。２は窒化珪素基板である。３は表銅板である。４は裏銅板である。５、６は接合層である。９は貫通孔である。図５では、貫通孔９を介して、表銅板３と裏銅板４が導通している。図５では、複数の貫通孔９が、それぞれ、複数の表銅板３と複数の裏銅板４を接続している。実施形態は、このような構造に限定されない。セラミックス銅回路基板１ａにおいて、複数の表銅板３の一部に対してのみ貫通孔９が設けられていても良い。複数の裏銅板４の一部に対してのみ貫通孔９が設けられていても良い。貫通孔９の内部には、接合層５または６と同じ材料が充填されることが好ましい。貫通孔９の内部の構造は、表銅板と裏銅板を導通できれば、特に限定されない。このため、貫通孔９内壁にのみ金属薄膜が設けられていても良い。一方、接合層５または６と同じ材料を充填することにより、接合強度を向上させることができる。
　図６は、実施形態にかかる半導体装置の一例を示す図である。
　実施形態にかかるセラミックス銅回路基板は、半導体装置に好適である。半導体装置では、セラミックス銅回路基板の銅板に、接合層を介して半導体素子が実装される。図６は、半導体装置の一例を示す。図６において、１ａはセラミックス銅回路基板である。１０は半導体装置である。１１は半導体素子である。１２は接合層である。１３はワイヤボンディングである。１４は金属端子である。図６では、セラミックス銅回路基板１ａの銅板上に接合層１２を介して、半導体素子１１が接合されている。同様に、接合層１２を介して、金属端子１４が接合されている。隣り合う銅板同士が、ワイヤボンディング１３で導通されている。図６では、半導体素子１１の他に、ワイヤボンディング１３と金属端子１４が接合されている。実施形態にかかる半導体装置は、このような構造に限定されない。例えば、ワイヤボンディング１３と金属端子１４はどちらか一方のみが設けられていても良い。半導体素子１１、ワイヤボンディング１３、および金属端子１４は、表銅板３にそれぞれ複数個設けても良い。裏銅板４には、半導体素子１１、ワイヤボンディング１３、および金属端子１４を必要に応じ接合できる。金属端子１４には、リードフレーム形状、凸型形状など様々な形状が適用できる。
　実施形態にかかる接合体を、上述したセラミックス銅回路基板または半導体装置に用いることで、これらの反りを低減できる。
（実施例）
（実施例１～７、比較例１～３）
　セラミックス基板として表１に示した窒化珪素基板または窒化アルミニウム基板を用意した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　次に、表２に示す銅板を用意した。銅板は、いずれも無酸素銅である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　次に、表３に示す活性金属ろう材を用意した。活性金属ろう材１～３では、Ｓｎ粉末の粒径が最も大きい。活性金属ろう材４では、Ａｇ粉末の粒径が最も大きい。また、ろう材の融点は、前述に示した通りＤＳＣ曲線を測定して得られた値である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　次に、セラミックス基板、銅板、活性金属ろう材を用いて接合工程を行った。銅板の縦横サイズは、セラミックス基板に合わせた。また、接合工程では、１０－３Ｐａ以下の真空中で、１０～３０分間、接合温度を保持した。各素材の組合せは、表４に示した通りである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　得られた接合体について、銅板の銅結晶粒の長径、接合体の反り量、および接合強度を測定した。
　長径については、銅板の表面をエッチング処理した後に、ＳＥＭ観察を行った。ＳＥＭ観察では、単位面積５ｍｍ×５ｍｍの領域を任意に３か所観察した。観察された銅結晶粒の長径を測定した。また、銅結晶粒の長径の平均値からのずれは、単位面積５ｍｍ×５ｍｍを任意の３か所観察した結果から算出した。
　接合体の反り量としては、長辺側の反り量を測定した。接合体の側面から、セラミックス基板の反り量を測定する。セラミックス基板の長辺の端部と端部を直線で結ぶ。その直線とセラミックス基板表面の最も遠い位置を反り量とした。長辺側の反り量が０．１ｍｍ以下の実施例は良品（〇）、０．１ｍｍを超えた実施例は不良品（×）と表示されている。
　接合強度は、ピール試験により測定した。具体的には、各実施例および比較例の接合条件を用いて、ピール試験用試料を用意した。試料は、セラミックス基板に短冊状の銅板を接合した。その際、銅板の一端がセラミックス基板からはみ出るように接合した。はみ出た銅板を垂直に引っ張ることで、ピール強度を測定した。
　接合強度が、２０ｋＮ／ｍ以上の実施例は、最良品（◎）と表示されている。１５ｋＮ／ｍ以上２０ｋＮ／ｍ未満の実施例は、良品（〇）と表示されている。１４ｋＮ／ｍ以下の実施例は、不良品（×）と表示されている。
　その結果を表５に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　表から分かる通り、実施例にかかる接合体は、銅板の銅結晶粒が制御されていた。また、反り量、接合強度についても、良好な結果が得られた。これは、接合温度を８００℃以下、さらには７００℃以下にしても、十分な強度を有する接合体が得られることを示している。また、実施例３については、窒化珪素基板のＷａ、Ｗｔが好ましい範囲から外れているため、接合強度が低下した。
　それに対し、比較例３のように、融点が高いろう材で接合温度を下げても、接合体が得られなかった。また、比較例１および比較例２では、接合温度が８００℃を超えているため、銅結晶の粒成長の度合いが大きかった。このため、接合体の反り量が大きくなった。
　以上のように、実施例によれば、セラミックス基板のサイズを大きくしても、接合体の反り量を低減できる。また、接合強度が高い接合体を得ることができる。セラミックス基板のサイズを大きくできるため、多数個取りに適した接合体を得ることができる。
　以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態はその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

Claims (15)

  1. 　セラミックス基板と、
    　接合層を介して前記セラミックス基板に接合された銅板と、
    　を備えた接合体であって、
    　前記銅板は、前記セラミックス基板と前記銅板とが接合された方向に垂直な表面を有し、
    　前記表面に含まれる５ｍｍ×５ｍｍの３つの領域において、長径が４００μｍを超える銅結晶粒の個数割合は、０％以上５％以下であることを特徴とする接合体。
  2. 　前記個数割合は１％以下であることを特徴とする請求項１記載の接合体。
  3. 　前記３つの領域において、前記銅結晶粒の長径の平均値は、３０μｍ以上３００μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項２のいずれか１項に記載の接合体。
  4. 　前記３つの領域において、前記銅結晶粒の長径の平均値は、５０μｍ以上１５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の接合体。
  5. 　前記３つの領域において、長径が平均範囲内である前記銅結晶粒の個数割合は、８０％以上であり、
    　前記平均範囲は、前記３つの領域における前記銅結晶粒の長径の平均値の０．５倍以上２倍以下である、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の接合体。
  6. 　前記セラミックス基板のうねり曲線の算術平均高さＷａが２μｍ以下、前記うねり曲線の最大断面高さＷｔが１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の接合体。
  7. 　前記接合層は、Ａｇ、ＣｕおよびＴｉを含有することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の接合体。
  8. 　前記セラミックス基板は、窒化珪素基板または窒化アルミニウム基板のいずれか一方であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の接合体。
  9. 　請求項１ないし８のいずれか１項に記載の接合体を用いたことを特徴とするセラミックス銅回路基板。
  10. 　請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の接合体の製造方法であって、
    　前記セラミックス基板と前記銅板との間に、前記接合層用のろう材を配置させる工程と、
    　接合温度が８００℃以下である接合工程と、
    　を備えたことを特徴とする接合体の製造方法。
  11. 　前記接合温度は７００℃以下であることを特徴とする請求項１０記載の接合体の製造方法。
  12. 　接合前の前記銅板の平均粒径をＡ（μｍ）、接合後の前記銅板の平均粒径をＢ（μｍ）としたとき、Ｂ／Ａ≦１０を満たすことを特徴とする請求項１０ないし請求項１１のいずれか１項に記載の接合体の製造方法。
  13. 　１．１≦Ｂ／Ａ≦５を満たすことを特徴とする請求項１２記載の接合体の製造方法。
  14. 　前記ろう材のＤＳＣ曲線において、最も大きな吸熱ピークが７００℃以下にあることを特徴とする請求項１０ないし請求項１３のいずれか１項に記載の接合体の製造方法。
  15. 　請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の接合体の製造方法と、
    　接合された前記銅板に回路構造を付与する工程と、
    　を備えたセラミックス銅回路基板の製造方法。
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