專利名稱：陶瓷配線基板及其制造方法
陶瓷配線基板及其制造方法技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在陶瓷基板上具有銅層的陶瓷配線基板及其制造方法，更詳細(xì)地說， 本發(fā)明涉及例如銅層上搭載大電流用半導(dǎo)體元件等的陶瓷配線基板及其制造方法。背景技術(shù)：
作為用于安裝半導(dǎo)體元件的基板，通常使用在絕緣基板上具有配線圖案(wiring pattern)的配線基板。作為處理大電流的電力用配線基板，由于從半導(dǎo)體元件產(chǎn)生大量的 熱，所以與樹脂基板相比，熱傳導(dǎo)率大、耐熱溫度高的陶瓷基板較為適合。另外，為了向半導(dǎo) 體元件大電流供電，廣泛使用在陶瓷基板上具有厚的配線圖案的陶瓷配線基板。特別是銅， 由于其流通廣、加工性好、導(dǎo)電率大，所以廣泛用作配線圖案。
在陶瓷基板上具有厚的銅層的配線圖案的陶瓷配線基板已知有下述那樣的結(jié)構(gòu)。
例如專利文獻(xiàn)1 (特別是參見權(quán)利要求8)公開了一種陶瓷配線基板(利用釬焊法 得到的配線基板)，其中，通過濺射在陶瓷基板上形成了接合層，并利用釬料接合了銅箔。
另外，專利文獻(xiàn)2公開了一種配線基板，其中，沒有預(yù)先通過濺射工序形成接合 層，而是通過在釬料(brazing material)中含有鈦等活性金屬，僅用釬料將陶瓷基板和銅 箔接合起來了。
另外，專利文獻(xiàn)3公開了一種陶瓷配線基板(直接接合法配線基板)，其中，沒有使 用釬料，將陶瓷基板和銅箔接觸配置，通過使在界面生成例如Cu-Cu2O共晶液相等將兩者接I=I O
上述各文獻(xiàn)所公開的陶瓷配線基板具有能夠通過適當(dāng)設(shè)定所接合的銅箔的厚度 來應(yīng)對(duì)大電流的特征，所以常用于大電流用配線基板。
另外，專利文獻(xiàn)4 (特別是參見權(quán)利要求3)公開了一種對(duì)由陶瓷基體(基板)、基 底膜(接合層)和由鍍覆(plating)法得到的銅配線圖案構(gòu)成的配線基板進(jìn)行熱處理的方 法。通過這樣的方法，提高了陶瓷基體與銅配線圖案的密合強(qiáng)度。
先行技術(shù)文獻(xiàn)
專利文獻(xiàn)
專利文獻(xiàn)1日本國(guó)專利申請(qǐng)公開2001-217362號(hào)公報(bào)
專利文獻(xiàn)2日本國(guó)專利申請(qǐng)公開平成10-4156號(hào)公報(bào)
專利文獻(xiàn)3日本國(guó)專利申請(qǐng)公開昭和64-59986號(hào)公報(bào)
專利文獻(xiàn)4日本國(guó)專利申請(qǐng)公開2003-17837號(hào)公報(bào)
發(fā)明內(nèi)容
如專利文獻(xiàn)1和專利文獻(xiàn)2所記載的那樣，通過釬料進(jìn)行接合的情況下，釬料本 身為2種以上金屬的混合物，大多情況下，這些金屬形成共晶合金，出現(xiàn)了硬的中間層。作 為最終制品使用時(shí)，基板溫度要達(dá)到100°C左右，所以當(dāng)施加使用溫度和常溫之間的熱循環(huán) 時(shí)，如此形成的硬的中間層導(dǎo)致有可能出現(xiàn)基板破裂或配線圖案容易剝離。此外，接合時(shí)需要數(shù)十μ m的釬料，所以能做到的減小釬料的影響、減小熱應(yīng)力是有限的，并且還需要提高 基材側(cè)的強(qiáng)度。
另外，利用如專利文獻(xiàn)3所記載的那樣的直接接合法時(shí)，能夠通過在銅的熔點(diǎn) (1083°C )以下、氧化銅(Cu2O)和銅的共晶溫度(1065°C )以上加熱來進(jìn)行接合。但是，對(duì) 于銅箔和陶瓷基板而言，接合時(shí)，必須整個(gè)面密合并且均勻地施加負(fù)荷，否則難以得到足夠 的粘結(jié)強(qiáng)度。這樣的電力用配線基板在反復(fù)使用過程中，從粘結(jié)強(qiáng)度弱的部分開始剝離，所 以作為用于放熱的接合的可靠性不足。
另外，專利文獻(xiàn)4記載的陶瓷基板中，隨著熱處理，陶瓷基板上的基底層和鍍覆銅 的粘結(jié)強(qiáng)度增強(qiáng)。因此變得不易剝離，但是在施加在電力用配線基板的熱循環(huán)的作用下，在 陶瓷基板側(cè)產(chǎn)生應(yīng)力，存在基板容易破裂的問題。
本發(fā)明的目的在于提供一種陶瓷配線基板以及適合制造這樣的陶瓷配線基板的 制造方法，所述陶瓷配線基板在陶瓷基板上存在銅層，但即使熱循環(huán)反復(fù)，也不易產(chǎn)生基板 的破裂或配線圖案的剝離。
本發(fā)明的第1方面的陶瓷配線基板的制造方法包括利用低溫生長(zhǎng)法在陶瓷基板 上形成銅層、將所述銅層升溫到銅的退火溫度以上、所述升溫后將所述銅層冷卻。
本發(fā)明的第2方面的陶瓷配線基板包括陶瓷基板和在所述陶瓷基板上形成的銅 層，所述銅層的銅的平均顆粒半徑為10 μ m以上。
發(fā)明效果
根據(jù)本發(fā)明能夠提供一種陶瓷配線基板，即使施加室溫和使用溫度間的熱循環(huán)， 也不會(huì)發(fā)生陶瓷基板的破裂、配線圖案的剝離。

圖1說明本發(fā)明的實(shí)施方式的陶瓷配線基板的立體圖。
圖2圖1的A-A’截面圖。
圖3用于說明銅的晶粒與結(jié)晶缺陷的判別方法的圖。
圖4說明本發(fā)明的實(shí)施方式的陶瓷配線基板的制造方法1的流程圖。
圖5A用于說明陶瓷配線基板的制造方法1的第1工序的圖。
圖5B用于說明圖5A的工序后的第2工序的圖。
圖5C用于說明圖5B工序后的第3工序的圖。
圖6A用于說明圖5C工序后的第4工序的圖。
圖6B用于說明圖6A工序后的第5工序的圖。
圖6C用于說明圖6B工序后的第6工序的圖。
圖7說明本發(fā)明的實(shí)施方式的陶瓷配線基板的制造方法2的流程圖。
圖8A用于說明陶瓷配線基板的制造方法2的第1工序的圖。
圖8B用于說明圖8A工序后的第2工序的圖。
圖8C用于說明圖8B工序后的第3工序的圖。
圖9A用于說明圖8C工序后的第4工序的圖。
圖9B用于說明圖9A工序后的第5工序的圖。
圖9C用于說明圖9B工序后的第6工序的圖。
圖10A說明通過本發(fā)明的實(shí)施方式的制造方法制造的試樣1和2(實(shí)施例1和 2)的結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖IOB說明通過比較例的制造方法制造的試樣3和4(比較例1和2)的結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖11試樣1(熱處理800°C )的整個(gè)截面用500倍的倍數(shù)拍攝的SEM(Scanning Electron Microscope)照片。
圖12A試樣1的銅層的一部分用1000倍的倍數(shù)拍攝的SEM照片。
圖12B試樣1的銅層的一部分用5000的倍數(shù)拍攝的SEM照片。
圖13試樣2(熱處理600°C )的整個(gè)截面用500的倍數(shù)拍攝的SEM照片。
圖14A試樣2的銅層的一部分用1000的倍數(shù)拍攝的SEM照片。
圖14B試樣2的銅層的一部分用5000的倍數(shù)拍攝的SEM照片。
圖15試樣3(熱處理350°C )的整個(gè)截面用500的倍數(shù)拍攝的SEM照片。
圖16A試樣3的銅層的一部分用1000的倍數(shù)拍攝的SEM照片。
圖16B試樣3的銅層的一部分用5000的倍數(shù)拍攝的SEM照片。
圖17試樣4(無熱處理)的整個(gè)截面用500的倍數(shù)拍攝的SEM照片。
圖18A試樣4的銅層的一部分用1000的倍數(shù)拍攝的SEM照片。
圖18B試樣4的銅層的一部分用5000的倍數(shù)拍攝的SEM照片。
圖19說明對(duì)試樣1 4分別計(jì)算出的銅的平均顆粒半徑的結(jié)果的圖表。
圖20說明對(duì)試樣1 4分別進(jìn)行基板破裂試驗(yàn)的結(jié)果的圖表。
圖21A圖21A是說明基板破裂試驗(yàn)結(jié)束后的試樣3(比較例1)中在陶瓷基板的 表面產(chǎn)生的裂紋的圖。
圖21B圖21A的A-A，截面圖。
圖22說明對(duì)試樣1(實(shí)施例1)和試樣4(比較例2)進(jìn)行剝離試驗(yàn)的結(jié)果的圖表。
圖23說明鍍覆銅和銅箔各自的熱處理溫度和測(cè)定出的彈性模量(楊氏模量) 之間的關(guān)系的圖表。
圖24說明鍍覆銅和銅箔各自的熱處理溫度和測(cè)定出的彈性模量(楊氏模量) 之間的關(guān)系的曲線圖。
圖25說明在兩面形成的銅層構(gòu)成配線圖案的陶瓷配線基板的一例的圖。
圖26說明僅在陶瓷基板單面具有配線導(dǎo)體層的陶瓷配線基板的一例的圖。
圖27說明在陶瓷基板上僅具有實(shí)地圖案(solidpattern)的配線導(dǎo)體層(應(yīng) 力緩和層)的陶瓷配線基板的一例的圖。
圖28A說明省略了種子層的陶瓷配線基板的第1例的圖。
圖^B說明省略了種子層的陶瓷配線基板的第2例的圖。
圖^C說明省略了種子層的陶瓷配線基板的第3例的圖。
圖^D說明省略了種子層的陶瓷配線基板的第4例的圖。
圖四說明本發(fā)明的實(shí)施方式的陶瓷配線基板的制造方法的第1其他例的流程 圖。
圖30說明本發(fā)明的實(shí)施方式的陶瓷配線基板的制造方法的第2其他例的流程圖。
符號(hào)說明
10陶瓷基板
IOA 第 1 面
IOB 第 2 面
11第1配線導(dǎo)體層
12種子層
13 銅層
21第2配線導(dǎo)體層
22種子層
23 銅層
100陶瓷配線基板
101、102 種子層
IOla 種子層
103、104 銅層
103a 銅層
105、106光致抗蝕層(抗蝕刻層)
105a 開口部(opening)
107光致抗蝕層(抗鍍層)
107a 開口部
131、231 銅膜
132、232 電鍍膜具體實(shí)施方式
下面利用附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說明。
圖1是說明本發(fā)明的實(shí)施方式的陶瓷配線基板100的立體圖。圖2是圖1的A-A’ 截面圖。圖中，箭頭X1、X2、Y1、Y2、Z1、Z2表示相互正交的3軸(乂⑵軸)的6個(gè)方向。為 了方便說明，以陶瓷基板10的Zl側(cè)的面(X-Y平面)為表面，Ζ2側(cè)的面(X-Y平面)為背面。
如圖1和圖2所示，本實(shí)施方式的陶瓷配線基板100具有陶瓷基板10、第1配線導(dǎo) 體層11和第2配線導(dǎo)體層21。第1配線導(dǎo)體層11形成在陶瓷基板10的第1面IOA(表 面)上，形成配線圖案。第2配線導(dǎo)體層21形成在與第1面IOA對(duì)向的第2面IOB (背面) 的整個(gè)面上。
對(duì)于構(gòu)成陶瓷基板10的陶瓷材料沒有特別的限制，優(yōu)選氧化鈹、氮化鋁、氮化硅。 由這些陶瓷材料構(gòu)成的陶瓷基板10是絕緣體，并且熱傳導(dǎo)率高，所以能夠很好地用作具有 配線圖案的陶瓷配線基板100的基材。特別是氮化鋁、氮化硅是無害的，所以作為陶瓷基板 10的材料是優(yōu)選的。
在陶瓷基板10的第1面IOA上依次層壓種子層12和銅層13，由此構(gòu)成第1配線 導(dǎo)體層11。另外，在陶瓷基板10的第2面IOB上的整個(gè)面依次層積種子層22和銅層23，由此構(gòu)成第2配線導(dǎo)體層21。即，本實(shí)施方式中，銅層13、23形成在陶瓷基板10的兩面。 另外，本實(shí)施方式中的銅層13、23是顆粒半徑大的銅(具體地說，平均顆粒半徑為10 μ m以 上的銅)的生長(zhǎng)層(growth layer)。
種子層12、22起到將陶瓷基板10和銅層13、23接合的接合層的作用。本實(shí)施方 式中，種子層12、22由高熔點(diǎn)金屬構(gòu)成。S卩，本實(shí)施方式中的銅層13、23分別隔著(介 (via))由高熔點(diǎn)金屬層構(gòu)成的種子層12、22形成在陶瓷基板10上。
作為構(gòu)成種子層12、22的高熔點(diǎn)金屬，可以優(yōu)選利用金屬單質(zhì)Ti、Ni、Cr、& 或這 些的合金。詳細(xì)地說，例如通過釬料將陶瓷基板10和銅層13、23接合的情況下，釬料與銅 形成共晶合金，有可能導(dǎo)致陶瓷基板10的破裂或銅層13、23的剝離。與此相對(duì)，通過由高 熔點(diǎn)金屬構(gòu)成的種子層12、22將陶瓷基板10和銅層13、23接合的情況下，能夠提高共晶溫 度，結(jié)果熱處理溫度不易超過種子層12、22的熔點(diǎn)，因此不易形成由比銅更硬的共晶合金 構(gòu)成的合金層。高熔點(diǎn)金屬中，特別是已知Ti能與各種陶瓷基材形成TiNx、TiOx等化合物， 能夠得到與陶瓷基板10的高粘結(jié)強(qiáng)度，所以可優(yōu)選利用Ti。
種子層12、22的厚度優(yōu)選為Ιμπι以下。這是因?yàn)椋^1 μ m時(shí)，種子層12發(fā)生 硬化，所以易產(chǎn)生熱應(yīng)力。更詳細(xì)地說，這是因?yàn)?，所產(chǎn)生的熱應(yīng)力導(dǎo)致在各層的界面產(chǎn)生 大的力時(shí)，陶瓷基板10發(fā)生破裂，銅層13、23容易發(fā)生剝離。種子層12、22的更優(yōu)選的厚 度為0. 3 μ m以下。種子層12、22的厚度為0. 3 μ m以下時(shí)，研磨后的陶瓷基板10的氣孔沒 有被完全堵住的可能性大，所以形成種子層12、22后的陶瓷基板10的表面殘留了與陶瓷原 本的氣孔對(duì)應(yīng)的孔，能夠增強(qiáng)陶瓷基板10和銅層13、23的粘結(jié)強(qiáng)度。
銅層23是形成在種子層22整個(gè)面(整個(gè)X_Y平面)上的導(dǎo)體圖案(實(shí)地圖案)， 發(fā)揮應(yīng)力緩和(stress relief)層的功能。即，通過銅層23抑制了陶瓷配線基板100的翹 曲(retroflex)。另外，當(dāng)銅層13和23形成在陶瓷基板10的兩面時(shí)，熱變形作用于陶瓷基 板10的表背而施加到陶瓷基板10上的彎曲應(yīng)力得到緩和。由此能夠防止陶瓷基板10的 破裂。另外，通過將銅層23電連接(接地)，能夠進(jìn)一步提供減少噪音等功能。
銅層13、23中的銅結(jié)晶的平均顆粒半徑優(yōu)選一定程度地大，其具體的范圍為 10 μ m以上、更優(yōu)選為15 μ m以上、進(jìn)一步優(yōu)選為20 μ m以上。據(jù)認(rèn)為，銅層13、23中的銅的 平均顆粒半徑至少為10 μ m以上時(shí)，銅層13、23是銅的結(jié)晶生長(zhǎng)得到充分進(jìn)行了的生長(zhǎng)層。 因此，據(jù)認(rèn)為銅層13、23是柔軟的銅層，能夠除去銅層13、23的應(yīng)力，陶瓷基板10不易發(fā)生 破裂。
但是，銅層13、23中的銅的平均顆粒半徑過大也不是優(yōu)選的。因此，銅層13、23 中的銅的平均顆粒半徑優(yōu)選在不過大的適當(dāng)范圍內(nèi)，其具體的范圍為40μπι以下、更優(yōu)選 為35 μ m以下。銅層13、23中的銅的平均顆粒半徑至少為40 μ m以下時(shí)，銅層13、23具有 充分的強(qiáng)度，所以認(rèn)為在與導(dǎo)線(lead)等的接合部因顆粒脫落導(dǎo)致的導(dǎo)通不良(conduct failure)不易產(chǎn)生。
如上所述，銅層13、23中的銅結(jié)晶的平均顆粒半徑特別優(yōu)選大到一定程度(優(yōu) 選為10 μ m以上、更優(yōu)選為15 μ m以上、進(jìn)一步優(yōu)選為20 μ m以上)，并且不過大(優(yōu)選為 40 μ m以下、更優(yōu)選為35 μ m以下)。
銅層13、23中的銅的顆粒半徑可通過用電子顯微鏡等觀察銅層13、23的截面來算 出。下面舉出該計(jì)算方法的一例。
首先，得到陶瓷基板10上的銅層13、23的截面(斷面)照片。具體地說，例如，將 陶瓷配線基板100切成適當(dāng)?shù)男∑?。接著，將該小片包埋于室溫硬化型環(huán)氧樹脂等，實(shí)施 Pt-Pd濺射。此處，實(shí)施Pt-Pd濺射是為了通過在周圍形成導(dǎo)體膜來防止充電(charge up)。 然后，通過離子拋光，使截面露出，制作試樣，將試樣固定于試樣臺(tái)，利用FE-SEM(掃描型電 子顯微鏡)進(jìn)行觀察。通過這樣的方法，得到了例如如圖11所示的照片。圖11是本實(shí)施 方式的陶瓷配線基板100(詳細(xì)地說，是用于后述評(píng)價(jià)的試樣1)的截面拍攝的SEM照片。
接著，基于如此得到的陶瓷基板10上的銅層13、23的截面照片計(jì)算出銅層13、23 中的銅的顆粒半徑。
具體地說，首先，任意選定相對(duì)銅的顆粒尺寸充分大的矩形區(qū)域，以存在于其內(nèi)部 的銅的晶粒為1個(gè)、跨矩形邊線存在的顆粒為0. 5個(gè)來計(jì)算顆粒的總數(shù)。
此處，為了精確計(jì)算晶粒數(shù)，正確判斷晶粒和結(jié)晶缺陷是重要的。本實(shí)施方式中， 利用個(gè)個(gè)結(jié)晶在SEM照片中是粒狀這一情況來判別晶粒和結(jié)晶缺陷。有時(shí)在晶粒的內(nèi)部可 看到直線狀的邊界，這是結(jié)晶缺陷，與本實(shí)施方式定義的顆粒半徑無關(guān)系，所以排除在外。 圖3中給出了使用該判別方法對(duì)銅的晶粒和結(jié)晶缺陷進(jìn)行判斷的結(jié)果的一例。該例子中， 對(duì)用于后述評(píng)價(jià)的試樣1(參見圖11)的一部分區(qū)域判斷晶粒和結(jié)晶缺陷。圖3中，實(shí)線表 示晶粒界A，短劃線表示結(jié)晶缺陷(位錯(cuò))B。此外，在判斷是晶粒還是結(jié)晶缺陷時(shí)，還可利 用空隙存在于晶粒的邊界上，而不存在于位錯(cuò)導(dǎo)致的結(jié)晶方位(crystal orientation)的 邊界線上這一現(xiàn)象。
用如此得到的結(jié)晶的個(gè)數(shù)除以矩形區(qū)域的截面積，由此可計(jì)算出每1個(gè)結(jié)晶的平 均截面積。平均截面積可通過例如下式(1)進(jìn)行計(jì)算。
權(quán)利要求
1.一種陶瓷配線基板的制造方法，其包括 通過低溫生長(zhǎng)法在陶瓷基板上形成銅層； 使所述銅層升溫到銅的退火溫度以上；和 所述升溫后將所述銅層冷卻。
2.如權(quán)利要求1所述的陶瓷配線基板的制造方法，其中， 使所述銅層升溫的溫度為600 900°C。
3.如權(quán)利要求1所述的陶瓷配線基板的制造方法，其中， 在所述銅層的形成之前，形成由高熔點(diǎn)金屬層構(gòu)成的種子層。
4.如權(quán)利要求1所述的陶瓷配線基板的制造方法，其中， 所述低溫生長(zhǎng)法是鍍覆法。
5.如權(quán)利要求1 4任一項(xiàng)所述的陶瓷配線基板的制造方法，其中， 所述銅層的冷卻速度為15 25°C /min。
6.一種陶瓷配線基板，其包括陶瓷基板和在所述陶瓷基板上形成的銅層； 所述銅層中的銅的平均顆粒半徑為10 μ m以上。
7.如權(quán)利要求6所述的陶瓷配線基板，其中， 所述銅層的彈性模量為30 70GPa。
8.如權(quán)利要求6或7所述的陶瓷配線基板，其中， 所述銅層是銅的生長(zhǎng)層。
9.如權(quán)利要求6或7所述的陶瓷配線基板，其中，所述銅層隔著由高熔點(diǎn)金屬層構(gòu)成的種子層形成在所述陶瓷基板上。
10.如權(quán)利要求6或7所述的陶瓷配線基板，其中， 所述銅層形成在所述陶瓷基板的兩面。
11.如權(quán)利要求10所述的陶瓷配線基板，其中， 在所述兩面形成的兩銅層均構(gòu)成配線圖案。
12.如權(quán)利要求10所述的陶瓷配線基板，其中， 在所述兩面形成的銅層之一是應(yīng)力緩和層。
13.如權(quán)利要求6或7所述的陶瓷配線基板，其中，所述銅層形成在粗面化至Ra 0. 5 μ m以上的所述陶瓷基板上。
14.如權(quán)利要求6或7所述的陶瓷配線基板，其中， 所述銅層的膜厚為200 μ m以上。
15.如權(quán)利要求6或7所述的陶瓷配線基板，其中， 所述銅層構(gòu)成功率器件用配線。
全文摘要
本發(fā)明提供一種陶瓷配線基板的制造方法，其包括通過低溫生長(zhǎng)法在陶瓷基板上形成銅層(步驟S13)；將所述銅層升溫到銅的退火溫度以上(步驟S16)和所述升溫后將所述銅層冷卻(步驟S18)。
文檔編號(hào)C04B41/88GK102030565SQ201010502140
公開日2011年4月27日 申請(qǐng)日期2010年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月2日
發(fā)明者古市涉, 本多宏和 申請(qǐng)人:揖斐電株式會(huì)社