陶瓷配线基板及其制造方法

专利名称：陶瓷配线基板及其制造方法
陶瓷配线基板及其制造方法技术领域：
本发明涉及在陶瓷基板上具有铜层的陶瓷配线基板及其制造方法，更详细地说， 本发明涉及例如铜层上搭载大电流用半导体元件等的陶瓷配线基板及其制造方法。背景技术：
作为用于安装半导体元件的基板，通常使用在绝缘基板上具有配线图案(wiring pattern)的配线基板。作为处理大电流的电力用配线基板，由于从半导体元件产生大量的 热，所以与树脂基板相比，热传导率大、耐热温度高的陶瓷基板较为适合。另外，为了向半导 体元件大电流供电，广泛使用在陶瓷基板上具有厚的配线图案的陶瓷配线基板。特别是铜， 由于其流通广、加工性好、导电率大，所以广泛用作配线图案。
在陶瓷基板上具有厚的铜层的配线图案的陶瓷配线基板已知有下述那样的结构。
例如专利文献1 (特别是参见权利要求8)公开了一种陶瓷配线基板(利用钎焊法 得到的配线基板)，其中，通过溅射在陶瓷基板上形成了接合层，并利用钎料接合了铜箔。
另外，专利文献2公开了一种配线基板，其中，没有预先通过溅射工序形成接合 层，而是通过在钎料(brazing material)中含有钛等活性金属，仅用钎料将陶瓷基板和铜 箔接合起来了。
另外，专利文献3公开了一种陶瓷配线基板(直接接合法配线基板)，其中，没有使 用钎料，将陶瓷基板和铜箔接触配置，通过使在界面生成例如Cu-Cu2O共晶液相等将两者接I=I O
上述各文献所公开的陶瓷配线基板具有能够通过适当设定所接合的铜箔的厚度 来应对大电流的特征，所以常用于大电流用配线基板。
另外，专利文献4 (特别是参见权利要求3)公开了一种对由陶瓷基体(基板)、基 底膜(接合层)和由镀覆(plating)法得到的铜配线图案构成的配线基板进行热处理的方 法。通过这样的方法，提高了陶瓷基体与铜配线图案的密合强度。
先行技术文献
专利文献
专利文献1日本国专利申请公开2001-217362号公报
专利文献2日本国专利申请公开平成10-4156号公报
专利文献3日本国专利申请公开昭和64-59986号公报
专利文献4日本国专利申请公开2003-17837号公报
发明内容
如专利文献1和专利文献2所记载的那样，通过钎料进行接合的情况下，钎料本 身为2种以上金属的混合物，大多情况下，这些金属形成共晶合金，出现了硬的中间层。作 为最终制品使用时，基板温度要达到100°C左右，所以当施加使用温度和常温之间的热循环 时，如此形成的硬的中间层导致有可能出现基板破裂或配线图案容易剥离。此外，接合时需要数十μ m的钎料，所以能做到的减小钎料的影响、减小热应力是有限的，并且还需要提高 基材侧的强度。
另外，利用如专利文献3所记载的那样的直接接合法时，能够通过在铜的熔点 (1083°C )以下、氧化铜(Cu2O)和铜的共晶温度(1065°C )以上加热来进行接合。但是，对 于铜箔和陶瓷基板而言，接合时，必须整个面密合并且均勻地施加负荷，否则难以得到足够 的粘结强度。这样的电力用配线基板在反复使用过程中，从粘结强度弱的部分开始剥离，所 以作为用于放热的接合的可靠性不足。
另外，专利文献4记载的陶瓷基板中，随着热处理，陶瓷基板上的基底层和镀覆铜 的粘结强度增强。因此变得不易剥离，但是在施加在电力用配线基板的热循环的作用下，在 陶瓷基板侧产生应力，存在基板容易破裂的问题。
本发明的目的在于提供一种陶瓷配线基板以及适合制造这样的陶瓷配线基板的 制造方法，所述陶瓷配线基板在陶瓷基板上存在铜层，但即使热循环反复，也不易产生基板 的破裂或配线图案的剥离。
本发明的第1方面的陶瓷配线基板的制造方法包括利用低温生长法在陶瓷基板 上形成铜层、将所述铜层升温到铜的退火温度以上、所述升温后将所述铜层冷却。
本发明的第2方面的陶瓷配线基板包括陶瓷基板和在所述陶瓷基板上形成的铜 层，所述铜层的铜的平均颗粒半径为10 μ m以上。
发明效果
根据本发明能够提供一种陶瓷配线基板，即使施加室温和使用温度间的热循环， 也不会发生陶瓷基板的破裂、配线图案的剥离。

图1说明本发明的实施方式的陶瓷配线基板的立体图。
图2图1的A-A’截面图。
图3用于说明铜的晶粒与结晶缺陷的判别方法的图。
图4说明本发明的实施方式的陶瓷配线基板的制造方法1的流程图。
图5A用于说明陶瓷配线基板的制造方法1的第1工序的图。
图5B用于说明图5A的工序后的第2工序的图。
图5C用于说明图5B工序后的第3工序的图。
图6A用于说明图5C工序后的第4工序的图。
图6B用于说明图6A工序后的第5工序的图。
图6C用于说明图6B工序后的第6工序的图。
图7说明本发明的实施方式的陶瓷配线基板的制造方法2的流程图。
图8A用于说明陶瓷配线基板的制造方法2的第1工序的图。
图8B用于说明图8A工序后的第2工序的图。
图8C用于说明图8B工序后的第3工序的图。
图9A用于说明图8C工序后的第4工序的图。
图9B用于说明图9A工序后的第5工序的图。
图9C用于说明图9B工序后的第6工序的图。
图10A说明通过本发明的实施方式的制造方法制造的试样1和2(实施例1和 2)的结构的截面图。
图IOB说明通过比较例的制造方法制造的试样3和4(比较例1和2)的结构的截面图。
图11试样1(热处理800°C )的整个截面用500倍的倍数拍摄的SEM(Scanning Electron Microscope)照片。
图12A试样1的铜层的一部分用1000倍的倍数拍摄的SEM照片。
图12B试样1的铜层的一部分用5000的倍数拍摄的SEM照片。
图13试样2(热处理600°C )的整个截面用500的倍数拍摄的SEM照片。
图14A试样2的铜层的一部分用1000的倍数拍摄的SEM照片。
图14B试样2的铜层的一部分用5000的倍数拍摄的SEM照片。
图15试样3(热处理350°C )的整个截面用500的倍数拍摄的SEM照片。
图16A试样3的铜层的一部分用1000的倍数拍摄的SEM照片。
图16B试样3的铜层的一部分用5000的倍数拍摄的SEM照片。
图17试样4(无热处理)的整个截面用500的倍数拍摄的SEM照片。
图18A试样4的铜层的一部分用1000的倍数拍摄的SEM照片。
图18B试样4的铜层的一部分用5000的倍数拍摄的SEM照片。
图19说明对试样1 4分别计算出的铜的平均颗粒半径的结果的图表。
图20说明对试样1 4分别进行基板破裂试验的结果的图表。
图21A图21A是说明基板破裂试验结束后的试样3(比较例1)中在陶瓷基板的 表面产生的裂纹的图。
图21B图21A的A-A，截面图。
图22说明对试样1(实施例1)和试样4(比较例2)进行剥离试验的结果的图表。
图23说明镀覆铜和铜箔各自的热处理温度和测定出的弹性模量(杨氏模量) 之间的关系的图表。
图24说明镀覆铜和铜箔各自的热处理温度和测定出的弹性模量(杨氏模量) 之间的关系的曲线图。
图25说明在两面形成的铜层构成配线图案的陶瓷配线基板的一例的图。
图26说明仅在陶瓷基板单面具有配线导体层的陶瓷配线基板的一例的图。
图27说明在陶瓷基板上仅具有实地图案(solidpattern)的配线导体层(应 力缓和层)的陶瓷配线基板的一例的图。
图28A说明省略了种子层的陶瓷配线基板的第1例的图。
图^B说明省略了种子层的陶瓷配线基板的第2例的图。
图^C说明省略了种子层的陶瓷配线基板的第3例的图。
图^D说明省略了种子层的陶瓷配线基板的第4例的图。
图四说明本发明的实施方式的陶瓷配线基板的制造方法的第1其他例的流程 图。
图30说明本发明的实施方式的陶瓷配线基板的制造方法的第2其他例的流程图。
符号说明
10陶瓷基板
IOA 第 1 面
IOB 第 2 面
11第1配线导体层
12种子层
13 铜层
21第2配线导体层
22种子层
23 铜层
100陶瓷配线基板
101、102 种子层
IOla 种子层
103、104 铜层
103a 铜层
105、106光致抗蚀层(抗蚀刻层)
105a 开口部(opening)
107光致抗蚀层(抗镀层)
107a 开口部
131、231 铜膜
132、232 电镀膜具体实施方式
下面利用附图对本发明的实施方式进行详细说明。
图1是说明本发明的实施方式的陶瓷配线基板100的立体图。图2是图1的A-A’ 截面图。图中，箭头X1、X2、Y1、Y2、Z1、Z2表示相互正交的3轴(乂⑵轴)的6个方向。为 了方便说明，以陶瓷基板10的Zl侧的面(X-Y平面)为表面，Ζ2侧的面(X-Y平面)为背面。
如图1和图2所示，本实施方式的陶瓷配线基板100具有陶瓷基板10、第1配线导 体层11和第2配线导体层21。第1配线导体层11形成在陶瓷基板10的第1面IOA(表 面)上，形成配线图案。第2配线导体层21形成在与第1面IOA对向的第2面IOB (背面) 的整个面上。
对于构成陶瓷基板10的陶瓷材料没有特别的限制，优选氧化铍、氮化铝、氮化硅。 由这些陶瓷材料构成的陶瓷基板10是绝缘体，并且热传导率高，所以能够很好地用作具有 配线图案的陶瓷配线基板100的基材。特别是氮化铝、氮化硅是无害的，所以作为陶瓷基板 10的材料是优选的。
在陶瓷基板10的第1面IOA上依次层压种子层12和铜层13，由此构成第1配线 导体层11。另外，在陶瓷基板10的第2面IOB上的整个面依次层积种子层22和铜层23，由此构成第2配线导体层21。即，本实施方式中，铜层13、23形成在陶瓷基板10的两面。 另外，本实施方式中的铜层13、23是颗粒半径大的铜(具体地说，平均颗粒半径为10 μ m以 上的铜)的生长层(growth layer)。
种子层12、22起到将陶瓷基板10和铜层13、23接合的接合层的作用。本实施方 式中，种子层12、22由高熔点金属构成。S卩，本实施方式中的铜层13、23分别隔着(介 (via))由高熔点金属层构成的种子层12、22形成在陶瓷基板10上。
作为构成种子层12、22的高熔点金属，可以优选利用金属单质Ti、Ni、Cr、& 或这 些的合金。详细地说，例如通过钎料将陶瓷基板10和铜层13、23接合的情况下，钎料与铜 形成共晶合金，有可能导致陶瓷基板10的破裂或铜层13、23的剥离。与此相对，通过由高 熔点金属构成的种子层12、22将陶瓷基板10和铜层13、23接合的情况下，能够提高共晶温 度，结果热处理温度不易超过种子层12、22的熔点，因此不易形成由比铜更硬的共晶合金 构成的合金层。高熔点金属中，特别是已知Ti能与各种陶瓷基材形成TiNx、TiOx等化合物， 能够得到与陶瓷基板10的高粘结强度，所以可优选利用Ti。
种子层12、22的厚度优选为Ιμπι以下。这是因为，超过1 μ m时，种子层12发生 硬化，所以易产生热应力。更详细地说，这是因为，所产生的热应力导致在各层的界面产生 大的力时，陶瓷基板10发生破裂，铜层13、23容易发生剥离。种子层12、22的更优选的厚 度为0. 3 μ m以下。种子层12、22的厚度为0. 3 μ m以下时，研磨后的陶瓷基板10的气孔没 有被完全堵住的可能性大，所以形成种子层12、22后的陶瓷基板10的表面残留了与陶瓷原 本的气孔对应的孔，能够增强陶瓷基板10和铜层13、23的粘结强度。
铜层23是形成在种子层22整个面(整个X_Y平面)上的导体图案(实地图案)， 发挥应力缓和(stress relief)层的功能。即，通过铜层23抑制了陶瓷配线基板100的翘 曲(retroflex)。另外，当铜层13和23形成在陶瓷基板10的两面时，热变形作用于陶瓷基 板10的表背而施加到陶瓷基板10上的弯曲应力得到缓和。由此能够防止陶瓷基板10的 破裂。另外，通过将铜层23电连接(接地)，能够进一步提供减少噪音等功能。
铜层13、23中的铜结晶的平均颗粒半径优选一定程度地大，其具体的范围为 10 μ m以上、更优选为15 μ m以上、进一步优选为20 μ m以上。据认为，铜层13、23中的铜的 平均颗粒半径至少为10 μ m以上时，铜层13、23是铜的结晶生长得到充分进行了的生长层。 因此，据认为铜层13、23是柔软的铜层，能够除去铜层13、23的应力，陶瓷基板10不易发生 破裂。
但是，铜层13、23中的铜的平均颗粒半径过大也不是优选的。因此，铜层13、23 中的铜的平均颗粒半径优选在不过大的适当范围内，其具体的范围为40μπι以下、更优选 为35 μ m以下。铜层13、23中的铜的平均颗粒半径至少为40 μ m以下时，铜层13、23具有 充分的强度，所以认为在与导线(lead)等的接合部因颗粒脱落导致的导通不良(conduct failure)不易产生。
如上所述，铜层13、23中的铜结晶的平均颗粒半径特别优选大到一定程度(优 选为10 μ m以上、更优选为15 μ m以上、进一步优选为20 μ m以上)，并且不过大(优选为 40 μ m以下、更优选为35 μ m以下)。
铜层13、23中的铜的颗粒半径可通过用电子显微镜等观察铜层13、23的截面来算 出。下面举出该计算方法的一例。
首先，得到陶瓷基板10上的铜层13、23的截面(断面)照片。具体地说，例如，将 陶瓷配线基板100切成适当的小片。接着，将该小片包埋于室温硬化型环氧树脂等，实施 Pt-Pd溅射。此处，实施Pt-Pd溅射是为了通过在周围形成导体膜来防止充电(charge up)。 然后，通过离子抛光，使截面露出，制作试样，将试样固定于试样台，利用FE-SEM(扫描型电 子显微镜)进行观察。通过这样的方法，得到了例如如图11所示的照片。图11是本实施 方式的陶瓷配线基板100(详细地说，是用于后述评价的试样1)的截面拍摄的SEM照片。
接着，基于如此得到的陶瓷基板10上的铜层13、23的截面照片计算出铜层13、23 中的铜的颗粒半径。
具体地说，首先，任意选定相对铜的颗粒尺寸充分大的矩形区域，以存在于其内部 的铜的晶粒为1个、跨矩形边线存在的颗粒为0. 5个来计算颗粒的总数。
此处，为了精确计算晶粒数，正确判断晶粒和结晶缺陷是重要的。本实施方式中， 利用个个结晶在SEM照片中是粒状这一情况来判别晶粒和结晶缺陷。有时在晶粒的内部可 看到直线状的边界，这是结晶缺陷，与本实施方式定义的颗粒半径无关系，所以排除在外。 图3中给出了使用该判别方法对铜的晶粒和结晶缺陷进行判断的结果的一例。该例子中， 对用于后述评价的试样1(参见图11)的一部分区域判断晶粒和结晶缺陷。图3中，实线表 示晶粒界A，短划线表示结晶缺陷(位错)B。此外，在判断是晶粒还是结晶缺陷时，还可利 用空隙存在于晶粒的边界上，而不存在于位错导致的结晶方位(crystal orientation)的 边界线上这一现象。
用如此得到的结晶的个数除以矩形区域的截面积，由此可计算出每1个结晶的平 均截面积。平均截面积可通过例如下式(1)进行计算。
权利要求
1.一种陶瓷配线基板的制造方法，其包括 通过低温生长法在陶瓷基板上形成铜层； 使所述铜层升温到铜的退火温度以上；和 所述升温后将所述铜层冷却。
2.如权利要求1所述的陶瓷配线基板的制造方法，其中， 使所述铜层升温的温度为600 900°C。
3.如权利要求1所述的陶瓷配线基板的制造方法，其中， 在所述铜层的形成之前，形成由高熔点金属层构成的种子层。
4.如权利要求1所述的陶瓷配线基板的制造方法，其中， 所述低温生长法是镀覆法。
5.如权利要求1 4任一项所述的陶瓷配线基板的制造方法，其中， 所述铜层的冷却速度为15 25°C /min。
6.一种陶瓷配线基板，其包括陶瓷基板和在所述陶瓷基板上形成的铜层； 所述铜层中的铜的平均颗粒半径为10 μ m以上。
7.如权利要求6所述的陶瓷配线基板，其中， 所述铜层的弹性模量为30 70GPa。
8.如权利要求6或7所述的陶瓷配线基板，其中， 所述铜层是铜的生长层。
9.如权利要求6或7所述的陶瓷配线基板，其中，所述铜层隔着由高熔点金属层构成的种子层形成在所述陶瓷基板上。
10.如权利要求6或7所述的陶瓷配线基板，其中， 所述铜层形成在所述陶瓷基板的两面。
11.如权利要求10所述的陶瓷配线基板，其中， 在所述两面形成的两铜层均构成配线图案。
12.如权利要求10所述的陶瓷配线基板，其中， 在所述两面形成的铜层之一是应力缓和层。
13.如权利要求6或7所述的陶瓷配线基板，其中，所述铜层形成在粗面化至Ra 0. 5 μ m以上的所述陶瓷基板上。
14.如权利要求6或7所述的陶瓷配线基板，其中， 所述铜层的膜厚为200 μ m以上。
15.如权利要求6或7所述的陶瓷配线基板，其中， 所述铜层构成功率器件用配线。
全文摘要
本发明提供一种陶瓷配线基板的制造方法，其包括通过低温生长法在陶瓷基板上形成铜层(步骤S13)；将所述铜层升温到铜的退火温度以上(步骤S16)和所述升温后将所述铜层冷却(步骤S18)。
文档编号C04B41/88GK102030565SQ201010502140
公开日2011年4月27日 申请日期2010年9月30日 优先权日2009年10月2日
发明者古市涉, 本多宏和 申请人:揖斐电株式会社