陶瓷線路基板的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明可得到具有高接合強(qiáng)度和優(yōu)異的耐熱循環(huán)性、在使作為電子機(jī)器的工作可靠性提高的同時放熱性優(yōu)異的陶瓷線路基板。本發(fā)明的陶瓷線路基板是介由銀?銅系焊料層對陶瓷基板的兩個主表面和金屬板進(jìn)行接合而成的陶瓷線路基板，其特征在于，相對于75～98質(zhì)量份的銀粉末和2～25質(zhì)量份的銅粉末的合計(jì)100質(zhì)量份，銀?銅系焊料層由含有0.3～7.5質(zhì)量份的碳纖維(carbon fiber)和1.0～9.0質(zhì)量份的選自鈦、鋯、鉿、鈮、鉭、釩和錫的至少一種活性金屬的銀?銅系焊料構(gòu)成，所述碳纖維的平均長度為15～400μm、平均直徑為5～25μm、平均長徑比為3～28。
【專利說明】
陶瓷線路基板
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明設(shè)及兼具高接合強(qiáng)度和優(yōu)異的耐熱循環(huán)特性的陶瓷線路基板。
【背景技術(shù)】
[0002] 作為在功率模塊等中使用的線路用基板，從導(dǎo)熱率、成本和安全性等方面考慮，使 用氧化侶、氧化被、氮化娃、氮化侶等陶瓷基板。運(yùn)些陶瓷基板與銅、侶等金屬線路板、放熱 板接合來用作線路基板。相對于將樹脂基板、樹脂層作為絕緣材料的金屬基板，它們具有優(yōu) 異的絕緣性和放熱性等，因而作為用于搭載高放熱性電子部件的基板來使用。
[0003] 在電梯、車輛、混合動力汽車等的功率模塊用途中，使用了在陶瓷基板的表面上用 焊料來接合金屬線路板、進(jìn)而在金屬線路板的規(guī)定位置上搭載半導(dǎo)體元件而成的陶瓷線路 基板。近年來，對于伴隨著半導(dǎo)體元件的高集成化、高頻化、高輸出化等導(dǎo)致的來自半導(dǎo)體 元件的發(fā)熱量的增加，使用具有高導(dǎo)熱率的氮化侶燒結(jié)體、氮化硅烷結(jié)體的陶瓷基板。特別 是，氮化侶基板與氮化娃基板相比，導(dǎo)熱率高，因此適合作為用于搭載高放熱性電子部件的 陶瓷線路基板。
[0004] 但是，氮化侶基板雖然具有高導(dǎo)熱率，但機(jī)械強(qiáng)度、初性等低，因而存在在裝配工 序中因緊固而發(fā)生開裂、或在施加熱循環(huán)時易于產(chǎn)生裂紋等缺點(diǎn)。特別是，在用于汽車、電 氣化鐵道、工作機(jī)械、機(jī)器人等嚴(yán)苛的載荷、熱條件下使用的功率模塊中時，運(yùn)樣的缺點(diǎn)就 逐漸變得明顯。
[0005] 因此，作為用于搭載電子部件的陶瓷基板，要求提高其機(jī)械可靠性，作為與氮化侶 基板相比導(dǎo)熱率差但機(jī)械強(qiáng)度、初性優(yōu)異的氮化娃基板受到了關(guān)注。
[0006] 使用氮化娃基板的陶瓷線路基板例如通過如下所示的活性金屬法來制作。
[0007] 活性金屬法是介由含有4A族元素、5A族元素運(yùn)樣的活性金屬的焊料層、在陶瓷基 板上接合金屬板的方法，通常，將銀-銅-鐵系焊料絲網(wǎng)印刷到氮化娃基板的兩個主表面，在 該印刷面上設(shè)置金屬線路板和金屬放熱板，通過在適當(dāng)?shù)臏囟认录訜崽幚韺⑻沾苫搴徒?屬板接合。
[000引如此得到的陶瓷線路基板中，作為活性金屬的Ti與氮化物系陶瓷基板的N共價結(jié) 合形成TiN(氮化鐵），通過該TiN而形成接合層，因而可W得到一定程度的高接合強(qiáng)度。
[0009] 另一方面，在車載半導(dǎo)體模塊等中，隨著高輸出化、高集成化進(jìn)行，對陶瓷線路基 板反復(fù)施加的熱應(yīng)力有進(jìn)一步增大的傾向。如果不能承受該熱應(yīng)力則會在陶瓷基板中產(chǎn)生 微小裂紋。在產(chǎn)生了該微小裂紋狀態(tài)下繼續(xù)承受熱負(fù)荷循環(huán)的情況下，金屬板會從陶瓷基 板上剝落，導(dǎo)致接合強(qiáng)度下降或熱阻變差。其結(jié)果是，會有作為電子機(jī)器的工作可靠性下降 等問題。因此，對于可耐受熱應(yīng)力的陶瓷線路基板的焊料的構(gòu)成，提出了 W下的方案。
[0010] 專利文獻(xiàn)1中，記載了 W提高陶瓷線路基板的耐熱循環(huán)特性為目的，在對陶瓷基板 和金屬板進(jìn)行接合的焊料中含有碳粉末是有效的。
[0011] 專利文獻(xiàn)1:日本專利特開平9-283656

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 但是，在近年的車載用半導(dǎo)體模塊等中，迅速地進(jìn)行進(jìn)一步高輸出化、高集成化， 在陶瓷線路基板中，要求采用由W提高放熱性為目的的厚金屬板和W降低熱阻為目的的薄 陶瓷基板形成的結(jié)構(gòu)。在金屬板較厚的情形下，在陶瓷基板與金屬板的接合界面中產(chǎn)生的 因熱膨脹率差引起的熱應(yīng)力會更加顯著，因此在施加熱循環(huán)時，在陶瓷基板中易于產(chǎn)生微 小裂紋。
[0013] 而且，用于評價熱循環(huán)特性的熱循環(huán)評價通常采用-40°C至125°C的溫度區(qū)間，但 對作為今后的下一代功率器件而被期待的搭載了 SiC、GaN等的寬帶隙半導(dǎo)體的器件而言， 由于工作溫度增高，熱應(yīng)力會變得越來越大。
[0014] 運(yùn)樣的問題，無論是將氮化娃基板作為陶瓷基板的情形、還是如專利文獻(xiàn)1中所公 開的在焊料層中含有碳粉末的陶瓷線路基板中都是不能滿足的狀態(tài)。
[0015] 而且，在焊料中所含有的非纖維狀碳粉末即使在由相同的碳原子構(gòu)成的碳成分中 的石墨(Graphite)粉末、金剛石粉末等中也具有低導(dǎo)熱率，因此有阻礙陶瓷線路基板的放 熱性的可能性，因而不優(yōu)選。
[0016] 鑒于上述課題，本發(fā)明的目的在于，得到具有高接合強(qiáng)度和優(yōu)異的耐熱循環(huán)性、在 使作為電子機(jī)器的工作可靠性提高的同時放熱性優(yōu)異的陶瓷線路基板。
[0017] 本發(fā)明的發(fā)明人為了實(shí)現(xiàn)上述目的而認(rèn)真研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過使對陶瓷基板和 金屬板進(jìn)行接合的焊料的熱膨脹率接近于陶瓷基板，能夠提高線路基板的熱循環(huán)特性。進(jìn) 而發(fā)現(xiàn)，通過將在焊料中含有的碳成分制成碳纖維（carbon fiber),能夠得到放熱性優(yōu)異 的陶瓷線路基板，從而完成了本發(fā)明。
[0018] 目P，本發(fā)明是一種陶瓷線路基板，其為介由銀-銅系焊料層對陶瓷基板的兩個主表 面和金屬板進(jìn)行接合而成的陶瓷線路基板，其特征在于，相對于75~98質(zhì)量份的銀粉末和2 ~25質(zhì)量份的銅粉末的合計(jì)100質(zhì)量份，銀-銅系焊料層由含有0.3~7.5質(zhì)量份的碳纖維 (carbon fiber)和1.0~9.0質(zhì)量份的選自鐵、錯、給、妮、粗、饑和錫的至少一種活性金屬的 銀-銅系焊料構(gòu)成，上述碳纖維的平均長度為15~400WI1，平均直徑為5~25wiiW下，平均長 徑比為3~28。
[0019] "介由銀-銅系焊料層對陶瓷基板的兩個主表面和金屬板進(jìn)行接合"是指，分別在 陶瓷基板的兩個主表面上介由銀-銅系焊料層接合金屬板。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明，能夠制造具有高接合性，而且在-40°C至150°C的熱循環(huán)試驗(yàn)的2000 個循環(huán)中裂紋率小于1 %的氮化娃線路基板。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 作為本發(fā)明的陶瓷線路基板所使用的陶瓷基板，沒有特別限定，可W使用氮化娃、 氮化侶等氮化物系陶瓷，氧化侶、氧化錯等氧化物系陶瓷，碳化娃等碳化物系陶瓷，棚化銅 等棚化物系陶瓷等。其中，為了通過活性金屬法將金屬板接合到陶瓷基板，適用氮化侶、氮 化娃等非氧化物系陶瓷，進(jìn)而，從優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、破壞初性的觀點(diǎn)出發(fā)，優(yōu)選氮化娃基板。
[0022] 本發(fā)明的陶瓷基板的厚度沒有特別限定，但一般為0.1~3.0mm左右，尤其在考慮 到降低線路基板整體的熱阻率時，優(yōu)選為1.0mm W下，更優(yōu)選為0.4mm W下。
[0023] 本發(fā)明的金屬板中所使用的金屬只要是銅、侶、鐵、儀、銘、銀、鋼、鉆的單質(zhì)或其合 金等可適用于活性金屬法的金屬，就沒有特別限定，尤其從導(dǎo)電性、放熱性的觀點(diǎn)出發(fā)，優(yōu) 選為銅板。
[0024] 本發(fā)明的銅板的純度優(yōu)選為90% W上，在純度低于90%的情況下，在將陶瓷基板 與銅板接合時，會有銅板與焊料的反應(yīng)不充分、或者銅板變硬、線路基板的可靠性下降的情 形。
[0025] 本發(fā)明的銅板的厚度沒有特別限定，一般為0.1~1.5mm，尤其從放熱性的觀點(diǎn)出 發(fā)，優(yōu)選為0.3mm W上，更優(yōu)選為0.5mm W上。
[0026] 本發(fā)明的焊料層由含有碳纖維（carbon f iber)和選自鐵、錯、給、妮、粗、饑、錫的 至少一種活性金屬的銀-銅系焊料構(gòu)成。銀-銅系焊料的組成比優(yōu)選設(shè)定為易于生成共晶組 成的組成比，特別優(yōu)選考慮了來自線路銅板和放熱銅板的銅的烙入的組成。在銀粉末和銅 粉末的合計(jì)100質(zhì)量份中，銀粉末適合為75~98質(zhì)量份，銅粉末適合為2~25質(zhì)量份。在銀粉 末的量為75~98質(zhì)量份W外的情形下，焊料的烙融溫度上升，因此接合時的熱膨脹率差所 引起的熱應(yīng)力增加，耐熱循環(huán)性容易下降。
[0027] 構(gòu)成本發(fā)明的焊料層的焊料中所含有的碳纖維(carbon fiber)的量，相對于75~ 98質(zhì)量份的銀粉末和2~25質(zhì)量份的銅粉末的合計(jì)100質(zhì)量份，優(yōu)選為0.3~7.5質(zhì)量份，更 優(yōu)選為0.5~3.5質(zhì)量份。在碳纖維karbon fiber)的滲合量少于0.3質(zhì)量份的情形下，焊料 的熱膨脹率的下降變小，對線路基板的熱循環(huán)特性的改善的貢獻(xiàn)變小。另一方面，在大于 7.5質(zhì)量份的情形下，陶瓷基板和金屬板的接合強(qiáng)度降低，因而不優(yōu)選。
[002引碳纖維（carbon fiber)優(yōu)選為15~400WI1的平均長度、且5~25皿的平均直徑、且3 ~28的平均長徑比，更優(yōu)選為22~160皿的平均長度、7.5~10皿的平均直徑、4~10的平均 長徑比。在平均長度大于400皿、且平均直徑大于25WI1、且平均長徑比大于28的情形下，難W 均勻地分散于焊料糊劑中。此外，在平均長度小于15皿、且平均直徑小于扣m、且平均長徑比 小于4的情形下，陶瓷基板和金屬板的接合強(qiáng)度降低，因而不優(yōu)選。
[0029] 本發(fā)明中，"平均長度"意指利用掃描型電子顯微鏡觀測20根W上的碳纖維、通過 圖像分析測量各纖維的長度得到的值的平均值。"平均直徑"意指利用掃描型電子顯微鏡觀 測20根W上的碳纖維、通過圖像分析測量各纖維的直徑得到的值的平均值。"平均長徑比" 意指上述"平均長度"除W上述"平均直徑"得到的值。
[0030] 碳纖維(carbon fiber)的種類只要是漸青系碳纖維或聚丙締臘系碳纖維即可。此 夕h即使在碳纖維(carbon f化er)、有機(jī)粘合劑、有機(jī)溶劑中所含的碳成分、碳粉末、金剛石 等由相同的碳原子構(gòu)成的碳成分中，其物理化學(xué)行為、機(jī)械性質(zhì)也完全不同，運(yùn)是眾所周知 的事實(shí)。但是，例如由于非纖維狀碳粉末的導(dǎo)熱率低，因此有可能阻礙陶瓷線路基板的放熱 性，因而不優(yōu)選。進(jìn)而，耐熱循環(huán)特性下降，因而不優(yōu)選。此外，金剛石粉末雖然導(dǎo)熱率優(yōu)異 但成本升高而不優(yōu)選。
[0031] 構(gòu)成焊料層的焊料中所含有的活性金屬的量，相對于72質(zhì)量份W上的銀粉末和28 質(zhì)量份W下的銅粉末的合計(jì)100質(zhì)量份，優(yōu)選為1.0~9.0質(zhì)量份，更優(yōu)選為3.0~5.5質(zhì)量 份。在活性金屬的滲合量小于1.0質(zhì)量份的情形下，陶瓷基板與焊料的潤濕性不好，易于產(chǎn) 生接合不良。另一方面，活性金屬的滲和量超過9質(zhì)量份時，在接合界面形成的脆弱的活性 金屬的氮化物層過剩，耐熱循環(huán)性下降。另外，活性金屬可W選自鐵、錯、給、妮、粗、饑和錫 等金屬，其中合適的是鐵。
[0032] 用于構(gòu)成焊料層所涂布的焊料的厚度，W干燥基準(zhǔn)計(jì)優(yōu)選5~40WI1。焊料的厚度如 果小于扣m則有時產(chǎn)生未反應(yīng)的部分，另一方面，在超過40WI1時，去除接合層的時間增加，有 時會降低生產(chǎn)率。對涂布方法沒有特別限定，可W采用能夠在基板表面進(jìn)行均勻涂布的絲 網(wǎng)印刷法、漉涂法等公知的涂布方法。
[0033] 陶瓷基板和金屬板的接合，優(yōu)選在真空中W780°C~875°C的溫度且10~60分鐘的 時間進(jìn)行接合。在接合溫度低于780°C的情形下，或接合時間少于10分鐘的情形下，陶瓷基 板與焊料的接合性下降。另一方面，在接合溫度高于875°C的情形下、或接合時間長于60分 鐘的情形下，接合時的熱膨脹率差所導(dǎo)致的熱應(yīng)力增加，耐熱循環(huán)性容易下降。
[0034] 為了在線路基板上形成線路圖案，在金屬板上涂布抗蝕劑W進(jìn)行蝕刻。對于抗蝕 劑沒有特別限定，例如，可W使用通常使用的紫外線固化型、熱固化型的抗蝕劑。對抗蝕劑 的涂布方法沒有特別限定，例如可W采用絲網(wǎng)印刷法等公知的涂布方法。
[0035] 為了形成線路圖案，進(jìn)行銅板的蝕刻處理。對于蝕刻液沒有特別限定，可W使用通 常使用的氯化鐵溶液、氯化銅溶液、硫酸、過氧化氨水等，作為優(yōu)選的蝕刻液，可例舉氯化鐵 溶液、氯化銅溶液。在經(jīng)過蝕刻除去了不需要的金屬部分的氮化物陶瓷線路基板中，殘留有 涂布的焊料、其合金層、氮化物層等，通常使用面化錠水溶液，硫酸、硝酸等無機(jī)酸，含有過 氧化氨水的溶液將其除去。形成線路后進(jìn)行抗蝕劑的剝離，對剝離的方法沒有特別限定，通 常為將其浸潰于堿水溶液的方法等。
[0036] 實(shí)施例
[0037] [實(shí)施例。
[0038] 在厚度0.25mm的氮化娃基板的兩個主表面上涂布活性金屬焊料，在真空條件下W 830°C且20分鐘的條件下，在線路面上對厚度1.0mm、在背面的1.0mm的無氧銅板進(jìn)行接合； 所述活性金屬焊料中，相對于90質(zhì)量份的銀粉末(福田金屬錐粉工業(yè)株式會社(福田金屬錐 粉工業(yè)(株））制:AgC-BO)和10質(zhì)量份的銅粉末(福田金屬錐粉工業(yè)株式會社制：SRC-化-20) 的合計(jì)100質(zhì)量份，含有1.5質(zhì)量份的平均長度為120WH、平均直徑為15皿、平均長徑比為8的 碳纖維（carbon f iber)(日本石墨纖維株式會社（日本少弓77^|"77^八一（株））制： XN-100-15M)、3.5質(zhì)量份的鐵（大阪鐵技術(shù)株式會社（（株)大阪テ夕二ク厶テ夕7口ッ一 乂）制：TSH-350)。
[0039] 用含有氯化銅的蝕刻液對經(jīng)接合的線路基板進(jìn)行蝕刻，形成線路。進(jìn)而，用氣化 錠/過氧化氨蝕刻液對焊料層進(jìn)行蝕刻，制作氮化娃線路基板。
[0040] 銅板與氮化娃基板的接合性和線路基板的耐熱循環(huán)評價用如下方法來進(jìn)行評價。 [0041 ] <銅板與氮化娃基板的接合性〉
[0042] 銅板與氮化娃基板的接合性通過剝離強(qiáng)度測定來評價。測定方法如下所述。用錯 子將作為與氮化娃基板接合的銅線路圖案的一部分的、寬度為5mm的圖案的端部剝離，將該 接合基板固定于拉伸試驗(yàn)機(jī)的工作臺，將上述圖案的端部安裝于剝離試驗(yàn)機(jī)的卡盤。此時， W使氮化娃基板的表面與剝離的上述銅線路圖案的角度成為90° (垂直方向）的方式進(jìn)行設(shè) 置。之后，使拉伸試驗(yàn)機(jī)工作，介由卡盤使剝離的上述圖案向上方拉伸、移動，測定此時的最 大剝離載荷。將該最大剝離載荷除W寬度(0.5cm)，算出接合強(qiáng)度。結(jié)果示于表3。
[0043] <耐熱循環(huán)性的評價〉
[0044] 對于制作的氮化娃線路基板進(jìn)行2000個循環(huán)重復(fù)試驗(yàn)的耐熱循環(huán)試驗(yàn)，其中W- 40°C下30分鐘、25°C下10分鐘、150°C下30分鐘、25°C下10分鐘作為1個循環(huán)。之后，使用氯化 銅液和氣化錠/過氧化氨蝕刻液將銅板和焊料層從氮化娃線路基板剝離，由圖像分析軟件 GIMP2(闊值140)對氮化娃基板表面的水平裂紋面積進(jìn)行二值化而算出后，由水平裂紋面 積/回路圖案的面積（即水平裂紋面積相對于線路圖案面積的比例)算出裂紋率（％)。結(jié)果 示于表3。
[0045] 如表3所示，將銅板接合于氮化娃板時，對于如實(shí)施例1那樣的相對于90質(zhì)量份的 銀粉末和10質(zhì)量份的銅粉末的合計(jì)100質(zhì)量份，含有碳纖維的平均長度為120WH、平均直徑 為15曲1^下、平均長徑比為8的碳纖維（carbon f化erH .5質(zhì)量份、鐵3.5質(zhì)量份的配方中， 通過在780°C~875°C的溫度且10~60分鐘的時間進(jìn)行接合，得到接合性不降低且耐熱循環(huán) 的評價中裂紋率為0.01 %的線路基板，證明了能夠得到裂紋率1 % W下的線路基板。
[0046] [實(shí)施例2~24、比較例1~13]
[0047] 除了變?yōu)楸?、表2中所示的條件W外，W與實(shí)施例1相同的方式進(jìn)行。另外，比較例 13中，使用了非纖維狀碳粒子來代替碳纖維。W與實(shí)施例1相同的方式進(jìn)行銅板與氮化娃基 板的接合性W及耐熱循環(huán)性的評價。結(jié)果示于表3、表4。
[004引[表1]
[00491
[0化0][表2]

[0化5]
[0056]由表3、表4可知，將銅板接合于氮化娃板時，相對于75~98質(zhì)量份的銀粉末和2~ 25質(zhì)量份的銅粉末的合計(jì)100質(zhì)量份，含有碳纖維的平均長度為15~400曲1、平均直徑為5~ 25曲1、平均長徑比為3~28的0.3~7.5質(zhì)量份的碳纖維(carbon fiber)、1.0~9.0質(zhì)量的份 從鐵、錯、給、妮、粗、饑和錫中選擇的至少一種的活性金屬的配方中，通過在780°C~875°C 的溫度且10~60分鐘的時間進(jìn)行接合，得到了接合性不降低且耐熱循環(huán)的評價中裂紋率為 1 % W下的線路基板。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種陶瓷線路基板，其為介由銀-銅系焊料層對陶瓷基板的兩個主表面和金屬板進(jìn) 行接合而成的陶瓷線路基板，其特征在于，相對于75~98質(zhì)量份的銀粉末和2~25質(zhì)量份的 銅粉末的合計(jì)100質(zhì)量份，所述銀-銅系焊料層由含有〇. 3~7.5質(zhì)量份的碳纖維和1.0~9.0 質(zhì)量份的選自鈦、鋯、鉿、鈮、鉭、釩和錫的至少一種活性金屬的銀-銅系焊料構(gòu)成，所述碳纖 維的平均長度為15~400μπι、平均直徑為5~25μπι、平均長徑比為3~28。
【文檔編號】H01L23/36GK106061923SQ201580009679
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2015年2月20日
【發(fā)明人】青野良太, 和田光祐, 筑地原雅夫, 宮川健志
【申請人】電化株式會社