JP2003285195A

JP2003285195A - セラミック回路基板及びその製造方法

Info

Publication number: JP2003285195A
Application number: JP2002087055A
Authority: JP
Inventors: Tomoo Tanaka; 智雄田中; Masaya Ito; 正也伊藤
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2002-03-26
Filing date: 2002-03-26
Publication date: 2003-10-07

Abstract

(57)【要約】【課題】耐熱サイクル性及びエッチング性に優れてお
り、更にエッチングに要する時間を短縮できるセラミッ
ク回路基板及びその製造方法を提供する。【解決手段】本回路基板はセラミック基板上にＣｕを
主成分とした金属回路層及び放熱層のうちの少なくとも
金属回路層がろう材を用いて各々接合されており、ろう
材は、０．５〜３％のＡｌ、０．５〜４％のＳｉ、２〜
９．５％のＴｉ、Ｎｂ、Ｈｆ及び／又はＺｒ、及び残部
ＣｕからなりＡｇを含有しない。更にろう材は、０．５
〜５．８％のＳｎ、０．５〜５．０％のＹ及び／又はＹ
化合物（Ｙ _２Ｏ_３等）を含有することができる。本回路
基板は、セラミック基板に所定の金属回路板を所定金属
組成となるろう材を用いて接合し、接合された金属回路
板及びそれに対応するろう材層をパターン形成し、パタ
ーン間に露出したろう材及びセラミック基板の基材との
反応によって形成された導電性の反応層を除去して製造
される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はセラミック回路基板
及びその製造方法に関する。更に詳しくは、耐熱サイク
ル性及びエッチング性に優れており、更に、エッチング
に要する時間を短縮することができるセラミック回路基
板及びその製造方法に関する。本発明のセラミック回路
基板は、半導体装置、産業用電装部品、自動車用電装部
品等に広く利用される。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体装置等に使用される回
路基板としてアルミナ焼結体、窒化アルミニウム焼結
体、窒化珪素焼結体等のセラミック絶縁板（以下、セラ
ミック基板とする。）の表面に導電性を有する金属回路
板を接合し、その上に半導体素子を搭載したセラミック
回路基板が普及している。近年、このようなセラミック
回路基板を使用した半導体装置の高出力化、半導体素子
の高集積化が急速に進行し、セラミック回路基板に繰り
返して作用する熱応力や熱負荷も増加する傾向があり、
セラミック回路基板に対してもこの熱応力や熱サイクル
に対して十分な耐熱サイクル性と耐久性、放熱性が要求
される。そこで、放熱性を高めるため、この金属回路板
の他に金属の放熱板を接合したセラミック回路基板が知
られている。更に、これらの金属回路板や放熱板を接合
する方法として、ＤＢＣ接合や、Ａｇ−Ｃｕろう材を使
用する方法が知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この従来の接
合方法では、半導体装置の高出力化、半導体素子の高集
積化による熱応力や熱負荷の増加に十分に対応できない
場合がある。その理由として以下のことが挙げられる。
即ち、これら半導体装置において、半導体Ｓｉチップ実
稼動温度（約２００℃）から非稼動温度（室温〜使用環
境下によっては−４０℃）の熱サイクル（熱応力）がセ
ラミック回路基板に負荷され、更に、熱膨張係数差に起
因する残留応力も加わる。そこで、ＤＢＣ接合の場合、
この応力に耐えるだけの十分な力を持っていない。この
ため、金属回路層は接合剥離を起こしやすい。また、Ａ
ｇＣｕろう材で接合したセラミック回路基板の場合、セ
ラミック層／金属層界面にろう材層（主にＡｇＣｕ共晶
相）が形成され、一般的に、共晶合金は延性に乏しく、
更に、Ａｇ基であるためろう材層の耐力が小さい。これ
により、耐熱サイクル性に最も左右する反応層が熱サイ
クルにより疲労しやすい。従って、Ａｇ−Ｃｕろう材で
接合したセラミック回路基板は、その部分から破壊（接
合力劣化）を引き起こしやすい。このため、金属回路層
は接合剥離を起こしやすい。

【０００４】また、上記ＡｇＣｕろう材で接合する方法
では、エッチング工程に長い時間を要するという問題点
がある。それは以下の理由による。即ち、上記ろう材層
はＡｇ基であるため、塩化鉄溶液でのエッチング工程に
おいてはＡｇＣｕろう材層を溶解することができず、セ
ラミック層上に残存することとなり、例えば硝酸系溶液
により、ろう材層の除去を別途行わなければならない。
このとき、ＡｇＣｕろう材層の厚さは数十μｍであるた
め、これらを除去するのに時間がかかるからである。更
に、上記エッチング工程のとき、ＡｇＣｕろう材層の溶
解時には金属回路層のＣｕも同時に溶解しており、長時
間要す場合にはパターン精度を悪化させることとなる。
そこで、工数の削減法として、ろう材を予め回路パター
ンで印刷を行い、接合、エッチングを行う手法が考えら
れるが、印刷パターンとエッチングパターンのずれによ
り未接合部が生じ回路基板として信頼性の低いものとな
る。

【０００５】そこで、本発明は、上記問題点を解決する
ためになされたものであり、耐熱サイクル性及びエッチ
ング性に優れており、更に、エッチングに要する時間を
短縮することができるセラミック回路基板及びその製造
方法を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明のセラミック回路
基板は、セラミック基板上にＣｕを主成分とした金属回
路層及び放熱層のうちの少なくとも金属回路層が活性金
属を含んだろう材を用いた活性ろう付けによって接合さ
れているセラミック回路基板において、上記ろう材は、
上記ろう材の全質量１００質量％とした場合、質量％の
Ａｌと、０．５〜４質量％のＳｉと、２〜９．５質量％
のＴｉ、Ｎｂ、Ｈｆ及びＺｒのうちの少なくとも１種
（以下活性金属とする。）と、残部Ｃｕとをからなり、
Ａｇを含有しないことを特徴とする。また、上記ろう材
は、更に、（１）Ｓｎ、及び／又は、（２）Ｙ及びＹ化
合物のうちの少なくとも１種を含有し、ろう材の全質量
１００質量％とした場合、Ｓｎの含有量が０．５〜５．
８質量％、（２）Ｙ及びＹ化合物のうちの少なくとも１
種の含有量が０．５〜５．０質量％であるものとするこ
とができる。更に、本発明のセラミック回路基板製造方
法は、セラミック基板上にＣｕを主成分とした金属回路
板及び放熱板のうちの少なくとも金属回路板を、全質量
１００質量％とした場合、質量％のＡｌと、０．５〜４
質量％のＳｉと、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｈｆ及びＺｒのうちの少
なくとも１種２〜９．５質量％、及び残部Ｃｕとからな
り、Ａｇを含有しない金属組成となるろう材層を介して
配置した後、活性ろう付けによって接合し、その後、接
合された金属回路板をパターン形成して所定の金属回路
を形成し、次いで、上記金属回路のパターン間に露出し
た上記ろう材及びセラミック基板の基材との反応によっ
て生成した導電性の反応層を除去することを特徴とす
る。また、上記ろう材は、更に、（１）Ｓｎ、及び／又
は、（２）Ｙ及びＹ化合物のうちの少なくとも１種を含
有し、（１）Ｓｎ、及び／又は、（２）Ｙ及びＹ化合物
のうちの少なくとも１種を含むろう材の全質量を１００
質量％とした場合、（１）Ｓｎが０．５〜５．８質量
％、（２）Ｙ及びＹ化合物のうちの少なくとも１種が
０．５〜５．０質量％であるものとすることができる。
また、前記ろう材層は、前記ろう材の組成を有する合金
粉末又は前記ろう材の組成を構成する各種金属単体から
なる金属粉末を含有するペーストを塗布することにより
作製されたものとすることができる。更に、前記ろう材
層は、前記ろう材の組成を有する合金箔により作製され
たものとすることもできる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明を詳細に説明する。
本発明のセラミック回路基板は、セラミック基板上にＣ
ｕを主成分とした金属回路層（Ｃｕ９０質量％以上（１
００質量％を含む。））及びＣｕを主成分とした放熱層
（Ｃｕ９０質量％以上（１００質量％を含む。））のう
ちの少なくとも金属回路層がろう材によって接合された
ものである。このセラミック基板の材料として、アルミ
ナ、窒化アルミニウム、炭化珪素等を使用することがで
きる。また、このセラミック基板は、厚さ０．２〜２．
５ｍｍとすることができる。

【０００８】上記ろう材は、その全質量を１００質量％
とした場合、０．５〜３質量％好ましくは０．８〜２．
８質量％、より好ましくは１．０〜２．５質量％、更に
好ましくは１．０〜２．３質量％、特に好ましくは１．
３〜２．０％のＡｌと、０．５〜４質量％、好ましくは
１．５〜３．７質量％、より好ましくは２．０〜３．６
％質量％、更に好ましくは２．５〜３．４質量％のＳｉ
と、２〜９．５質量％、好ましくは２〜６質量％、より
好ましくは２〜３．５質量％のＴｉ、Ｎｂ、Ｈｆ及びＺ
ｒのうちの少なくとも１種（以下活性金属という。）
と、残部Ｃｕとからなり、Ａｇを含有しないものであ
る。ここで、これらの活性金属のうちＴｉが好ましい。
即ち、本発明のセラミック回路基板において、Ｃｕ基と
することにより、金属回路層とセラミック層との耐熱サ
イクル性を向上させ、更に、エッチングの際に、接合さ
れた金属回路板と、それに対応するろう材層とを同時に
パターン形成することができる。また、Ａｌの含有量が
０．５質量％未満の場合、上記金属回路層より融点の低
くすることができない場合があり、また、Ａｌの含有量
が３質量％を超えると、上記セラミック回路基板の耐熱
サイクル性が低下するため、好ましくない。更に、Ｓｉ
の含有量が０．５未満の場合、上記金属回路層より融点
の低くすることができない場合があり、更に、ろう材溶
解時に十分必要な程度の流動性をもたせることができな
い場合があるため、好ましくない。また、Ｓｉの含有量
が４質量％を超えると、上記セラミック回路基板の耐熱
サイクル性が低下するため好ましくない。更に、活性金
属の含有量が２％未満の場合、活性金属と上記セラミッ
ク基板の基材との反応による接合強度、及びセラミック
へのろう材濡れ性が不十分であり、更に、活性金属の含
有量が９．５質量％を超える場合、耐熱サイクル性が低
下するため、好ましくない。また、ろう材の全質量を１
００質量％とした場合、ろう材の金属組成を０．９〜
２．４質量％Ａｌ、且つ、１．８〜３．６質量％Ｓｉ、
且つ、２．０〜３．０質量％Ｔｉ、より好ましくは１．
３〜２．１質量％Ａｌ、且つ、２．３〜３．４質量％Ｓ
ｉ、且つ、２．０〜４．０質量％Ｔｉ、更に好ましくは
１．３〜２．１質量％Ａｌ、且つ、２．３〜３．１質量
％Ｓｉ、且つ、２．０〜３．３質量％Ｔｉとすることが
好ましい。

【０００９】上記ろう材は、更に、（１）Ｓｎ、及び／
又は、（２）Ｙ及び／又はＹ化合物（以下、Ｙ等とす
る。）を含有することができる。ここで、Ｙ化合物とは
Ｃ，Ｎ，Ｏ，Ｆ，Ｃｌ，Ｈ等からなる化合物が挙げら
れ、例えばＹ_２Ｏ_３、窒化イットリウム、炭化イットリ
ウム、フッ化イットリウム、塩化イットリウム、炭酸イ
ットリウム等が好ましい。また、これらのＹ等は１種の
み用いてもよく、２種以上を併用しても良い。ここで、
Ｓｎ及びＹ等のうち両方を含有することができ、いずれ
か一方を含有することができる。また、上記ろう材の全
質量（Ｓｎ及び／又はＹ等を含む。）１００質量％とし
た場合、Ｓｎの含有量は、０．５〜５．８質量％、好ま
しくは２．０〜４．０質量％、より好ましくは２．０〜
３．０質量％、Ｙ等の含有量は、Ｙ質量換算において
（本明細書において、以下同じ。）、０．５〜５．０質
量％、好ましくは２．０〜４．０質量％、より好ましく
は２．０〜３．０質量％とすることができる。

【００１０】即ち、Ｓｎの含有量が０．５質量％未満の
場合、Ｓｎを含有することによる流動性が十分に優れ
ず、また、Ｓｎの含有量が５．１質量％を超えると金属
回路層とセラミック層との界面の耐熱サイクル性を悪化
を招くため、好ましくない。更に、Ｙ等の含有量が０．
５質量％未満の場合、耐熱サイクル性向上に効果が無
く、５．１質量％を超えると、耐熱サイクル性の低下を
招くため、好ましくない。また、ろう材の全質量を１０
０質量％とした場合、０．５〜３．０質量％Ａｌ、且
つ、０．５〜４．０質量％Ｓｉ、且つ、２．０〜９．５
質量％Ｔｉ、且つ、０．５〜５．８質量％Ｓｎ、且つ、
０．５〜５．０質量％Ｙ等、より好ましくは更に、１．
０〜２．５質量％Ａｌ、且つ、２．０〜３．５質量％Ｓ
ｉ、且つ、２．５〜５．０質量％Ｔｉ、且つ、１．５〜
３．５質量％Ｓｎ、且つ、１．５〜４．０質量％Ｙ等、
更に好ましくは、１．８〜２．５質量％Ａｌ、２．８〜
３．５質量％Ｓｉ、２．５〜３．５質量％Ｔｉ、１．０
〜２．５質量％Ｓｎ、且つ、２．５〜４．０質量％Ｙ等
とすることが好ましい。

【００１１】次に、本発明のセラミック回路基板の製造
方法について説明する。まず、アルミナ、窒化アルミニ
ウム、炭化珪素等により形成されたセラミック基板の両
面にＣｕを主成分とした金属回路板及び放熱板、或い
は、このセラミック基板の片面に金属回路板をろう材よ
り接合する。この金属回路板又は放熱板として、厚さ
０．１〜０．６ｍｍ程度のものを使用することができ
る。

【００１２】また、上記「所定の金属組成となるろう
材」としては、これを使用する各金属原料が上記所定の
金属組成割合になるように、この所定の原料を選択使用
すればよい意味である。このろう材の態様としては、例
えば、（１）各種金属単体からなる金属粉末の混合、
（２）所定の金属組成となる合金粉末単独、（３）２種
以上の金属の合金粉末同士との混合、又はこの合金粉末
と金属単体粉末との混合、（４）所定の金属組成になる
ように組成された金属箔、（５）更にはこれらの組み合
わせ等が挙げられる。尚、上記金属粉末のうち活性金属
（Ｔｉ等）の場合は、その一部又は全部をその水素化物
粉末に置き換えてもよい。この場合、活性純金属の水素
化物粉末又は活性金属からなる合金の水素化物粉末等を
用いてもよい。更に、ろう材において、（１）Ｓｎ、及
び／又は、（２）Ｙ及び／又はＹ化合物（以下、Ｙ等と
する。）を含有する場合であっても、このＳｎ又はＹと
しては、上記に示すように、各種金属単体粉末、他の金
属元素との合金粉末若しくは合金箔、それらの組み合わ
せ等として使用することができる。また、このＹ化合物
としては、Ｃ，Ｎ，Ｏ，Ｆ，Ｃｌ，Ｈ等からなる化合物
が挙げられ、例えばＹ_２Ｏ_３、窒化イットリウム、炭化
イットリウム、フッ化イットリウム、塩化イットリウ
ム、炭酸イットリウム等が好ましい。

【００１３】上記ろう材の形態として、上記各種金属粉
末を含有するペースト（以下ペーストろう材とする）又
は合金箔（以下、ろう材箔とする）等を使用することが
できる。このペーストろう材は、上記金属粉末を溶剤、
バインダの中に分散させることによって作製される。上
記溶剤としてブチルカルビトールアセテート、テルピノ
ール等が挙げられる。これらの溶剤は１種のみ用いても
よく、２種以上を併用しても良い。また、バインダとし
てエチルセルロース、ポリメチルメタクリレート等が挙
げられる。これらのバインダは１種のみ用いてもよく、
２種以上を併用しても良い。この金属粉末の粒径は５〜
７０μｍとすることができる。また、上記ろう材箔とし
て、各々の金属元素が上記所定の割合で含有されている
ものを使用することができる。このろう材箔は、厚さ１
０〜６０μｍのものを使用することができる。

【００１４】上記セラミック基板と上記金属回路板及び
放熱板、或いは、上記セラミック基板と上記金属回路板
との接合は、上記セラミック基板と上記金属回路板及び
放熱板との接合は、ペーストろう材を使用する場合、こ
のペーストろう材をセラミック基板の両面又は片面に印
刷、乾燥後、真空下で上記セラミック基板の一方の面に
金属回路板、他方の面に放熱板を配置し、或いは、片面
のみにペーストろう材が印刷されているときは、ペース
トろう材が印刷された面に金属回路板を配置し、その状
態で加熱することにより行うことができる。更に、加熱
するときの気圧は約１〜９×１０^−４ｔｏｒｒとするこ
とが好ましい。加熱温度は８００〜１０７０℃、好まし
くは８５０〜１０７０℃とすることができる。また、ろ
う材箔で接合する場合、上記セラミック基板上に上記ろ
う材箔を載せて、その後、ペーストろう材の場合と同様
の方法で接合することができる。

【００１５】次に、接合された上記金属回路板及びそれ
に対応するろう材層をエッチングすることにより、セラ
ミック回路基板が得られる。このエッチングは、例え
ば、次に示された方法により行う。即ち、まず、上記エ
ッチングを行う面にエッチングレジストを印刷し、塩化
第２鉄水溶液等のエッチング液を用いて、接合された上
記金属回路板及びそれに対応するろう材層に所定の金属
回路のパターンを形成する。次いで、上記接合したとき
の上記ろう材及びセラミック基板の基材との反応によ
り、上記ろう材層の下層に厚さ数μｍの導電性の未反応
ＴｉやＴｉＮ反応層等が生成されているので、上記反応
層のうち、この金属回路のパターン間に露出した部分を
除去して絶縁形成を行う。上記絶縁形成は、硝酸や過酸
化水素水、硫酸を添加したフッ酸系溶液（例えば、フッ
化水素溶液、フッ化アンモニウム等）、好ましくはフッ
化水素溶液の中に上記パターン形成されたセラミック回
路基板を浸漬することによって行うことができる。

【００１６】大気中において、１５０℃３０分→室温１
５分→−４０℃３０分→室温３０分を１サイクルとした
場合における２０００サイクル後のクラックの長さを比
較した場合、ＤＢＣ基板では金属回路が剥離してしまう
のに対し、上記セラミック回路基板は、例えば窒化珪素
を用いた接合回路基板において２１０μｍ以下好ましく
は１９０μｍ以下、より好ましくは１８０μｍ以下、更
に好ましくは１７０μｍ以下、特に好ましくは１６０μ
ｍ以下とすることができる。また、例えば窒化珪素を用
いた接合回路基板において０．９〜２．４質量％Ａｌ、
且つ、１．８〜３．６質量％Ｓｉ、且つ、２．０〜３．
０質量％Ｔｉとすることにより、クラックの長さを１８
０μｍ以下とすることができる。また、１．３〜２．１
質量％Ａｌ、且つ、２．３〜３．４質量％Ｓｉ、且つ、
２．０〜４．０質量％Ｔｉとすることにより、クラック
の長さを１７０μｍ以下とすることができる。更に、
１．３〜２．１質量％Ａｌ、且つ、２．３〜３．１質量
％Ｓｉ、且つ、２．０〜３．３質量％Ｔｉとすることに
より、クラックの長さを１６０μｍ以下とすることがで
き、これにより、耐熱サイクル性に優れたセラミック回
路基板が得られる。

【００１７】また、ＤＢＣ基板では金属回路が剥離して
しまうのに対し、Ｓｎ、及び／又は、Ｙ等が所定量含有
されたろう材で接合されたセラミック回路基板は、例え
ば窒化珪素を用いた接合回路基板において、クラックの
長さを２００μｍ以下、好ましくは１８５μｍ以下、よ
り好ましくは１６５μｍ以下、更に好ましくは１４５μ
ｍ以下、特に好ましくは１４０μｍ以下とすることがで
きる。また、例えば窒化珪素を用いた接合回路基板にお
いて０．５〜３．０質量％Ａｌ、且つ、０．５〜４．０
質量％Ｓｉ、且つ、２．０〜９．５質量％Ｔｉ、且つ、
０．５〜５．８質量％Ｓｎ、且つ、０．５〜５．０質量
％Ｙとすることにより、クラックの長さを１９０μｍ以
下とすることができる。更に、１．０〜２．５質量％Ａ
ｌ、且つ、２．０〜３．５質量％Ｓｉ、且つ、２．５〜
５．０質量％Ｔｉ、且つ、１．５〜３．５質量％Ｓｎ、
且つ、１．５〜４．０質量％Ｙとすることにより、ラッ
クの長さを１５０μｍ以下とすることができる。また、
１．８〜２．５質量％Ａｌ、２．８〜３．５質量％Ｓ
ｉ、２．５〜３．５質量％Ｔｉ、１．０〜２．５質量％
Ｓｎ、且つ、２．５〜４．０質量％Ｙとすることによ
り、クラックの長さを１４５μｍ以下とすることがで
き、耐熱サイクル性がより優れたセラミック回路基板が
得られる。

【００１８】また、本発明のセラミック回路基板の製造
方法によれば、絶縁形成は、セラミック基板を硝酸や過
酸化水素水、硫酸を添加したフッ酸系溶液に数秒浸漬す
るだけで行うことができる。これにより、エッチング工
程の時間短縮を図ることができる。更に、絶縁形成エッ
チングの際にＣｕの溶解を最小限に抑えることが可能と
なり、結果、回路形成後のパターン間の距離・精度・外
観に優れるものとなる。

【００１９】

【実施例】以下、実施例により本発明を具体的に説明す
る。１．実施例のセラミック回路基板の作製実施例として、上記所定の金属が上記所定の割合で含有
されたろう材で接合されたセラミック回路基板（実施例
１〜２４）を、次の方法により作製した。即ち、まず、
セラミック基板に金属回路及び放熱板、又は金属回路板
のみをろう材で接合した。このセラミック基板として表
１〜５に示される材料、厚さのものを使用し、更に、面
の大きさは縦３０ｍｍ、横６０ｍｍとした。また、この
金属回路板、放熱板として、面の大きさは縦３０ｍｍ、
横６０ｍｍであって、表１〜５に示される厚さの無酸素
銅板を用いた。

【００２０】また、このろう材として、金属粉末のペー
スト（以下、ペーストろう材）又は合金箔（厚さ３０μ
ｍ、以下、ろう材箔）を使用した。この金属粉末又はろ
う材箔に含有されている各金属元素、及びその含有割合
を表１〜５に示した。ここで、上記金属粉末として、各
種金属単体粉末を秤量したもの（粒径５〜７０μｍ）、
又は各金属元素を含有する合金粉末（粒径５〜７０μ
ｍ）のいずれかを使用した。また、このペーストろう材
の調整は、上記金属粉末を溶剤（テルピノール）及びバ
インダ（エチルセルロース）に混合することにより行っ
た。尚、表２〜５の「ろう材の種類」の欄において、ペ
ーストろう材を用いたものは、いずれの金属粉末を使用
したかを示し、ろう材箔を使用したものは「ろう材箔」
とした。

【００２１】

【表１】

【００２２】

【表２】

【００２３】

【表３】

【００２４】

【表４】

【００２５】

【表５】

【００２６】また、上記接合は、ペーストろう材の場
合、セラミック基板の両面又は片面にペーストろう材を
印刷・乾燥後、セラミック基板一方の面に金属回路板、
他方の面に放熱板を配置し、或いは、上記セラミック基
板の一方の面のみに金属回路板を配置して、気圧１０
^−４ｔｏｒｒの状況下で、表１〜５に示される条件で加
熱することにより行った。更に、ろう材箔の場合、上記
合金箔をセラミック基板の両面又は片面に配置し、その
後、上記ペーストろう材の場合と同様の方法により行っ
た。

【００２７】次に、上記セラミック基板に接合された金
属回路板及びそれに対応するろう材層エッチングを次の
ように行った。即ち、まず、互いに隣り合っているパタ
ーンの間隔が１ｍｍとなるようにエッチングレジストを
印刷し、その後、上記セラミック基板を塩化第２鉄水溶
液に浸漬して所定の金属回路パターンを形成した。その
結果（浸漬時間）を、表１、３〜５の「エッチング時
間」における「パターン形成」の欄に示した。次いで、
上記接合によるろう材（未反応Ｔｉ）及び上記セラミッ
ク基板の基材との反応により上記ろう材層の下層に厚さ
数μｍの導電性のＴｉＮ等の反応層が生成されているの
で、上記セラミック基板をフッ化水素系溶液に浸漬し
て、金属回路のパターン間の絶縁形成を行った。その結
果（フッ化水素系溶液の浸漬時間）を、表１、３〜５の
「エッチング時間」における「絶縁形成」の欄に示し
た。

【００２８】２．比較例のセラミック回路基板の作製比較例１〜６、１１として、ＡｇＣｕ系ろう材により接
合されたセラミック回路基板を本実施例と同様の方法に
よって作製し（表１〜４）、パターン形成の時間及び絶
縁形成の時間を表１、３、４に示した。また、比較例７
〜１０、１３〜１７として、上記所定の金属を使用して
いるが、その含有割合が上記所定の割合から外れている
ろう材により接合されたセラミック回路基板を本実施例
と同様の方法によって作製し、パターン形成の時間及び
絶縁形成の時間を表３〜５に示した。更に、比較例１２
として、１０７０℃×４０分、１×１０^−４ｔｏｒｒの
状況下でＤＢＣ接合を行ったものも作製した。また、比
較例１８〜２３として、ＡｇＣｕ系ペーストろう材によ
り予め回路パターンで印刷された試料を次のように作製
した。即ち、表６に示される材料及び厚さのセラミック
基板に、表６に示される組成のＡｇＣｕ系ペーストろう
材を回路パターンと同パターンで印刷・乾燥した。そし
て、上記セラミック基板上に金属回路板及び放熱板を接
合し、接合された金属回路板及び放熱板の上にペースト
ろう材印刷とずれないようにエッチングレジストを印刷
し、エッチングを行った。

【００２９】

【表６】

【００３０】３．評価（１）エッチング精度上記接合されたセラミック基板のパターン形成を行った
後、及び絶縁形成を行った後におけるパターン間の距離
を投影機により測定を行った。更に、パターン直線性
と、金属回路層１におけるエッチングダレ１１（図２参
照）の発生具合とを目視により観察し、その結果を表２
に示した。尚、「直線性」の欄において、目視により直
線性が優れているものを「○」、劣っているものを
「×」とし、「ダレ」の欄において、目視によりエッチ
ングダレ１１が確認されたものを「×」、確認されなか
ったものを「○」とした。

【００３１】（２）パターンずれの観察ＡｇＣｕ系ペーストろう材が予め回路パターンで印刷さ
れたセラミック回路基板（比較例１８〜２３）につい
て、パターン形成後に断面観察を行い接合パターンとエ
ッチングパターンとのずれを測定した。その結果を表６
に示した。

【００３２】（３）熱サイクル試験（クラックの長さの
測定）表３〜５に示された組成のＡｇＣｕろう材、ＣｕＡｌＴ
ｉろう材、ＣｕＡｌＴｉＳｎＹろう材、活性金属として
Ｎｂ、Ｈｆ、Ｚｒを用いたろう材、及びＤＢＣ接合によ
って接合された試料を大気中１５０℃３０分→室温１５
分→一４０℃３０分→室温１５分を１サイクルとして２
０００サイクルの熱サイクルを加え、その後、切断して
界面観察を行い、金属回路層／セラミック層界面におけ
るクラック長さを測定した。ここで、表３はＣｕＡｌＴ
ｉろう材、表４はＣｕＡｌＴｉＳｎＹろう材、表５は活
性金属としてＮｂ、Ｈｆ、Ｚｒを用いたろう材で接合さ
れた試料の結果を示す。また、表３、４の比較例１２は
ＤＢＣによって接合された試料の結果を示す。

【００３３】４．実施例の効果表１、３〜５によれば、ＡｇＣｕ系ろう材で接合した場
合（比較例１〜６、１１）、絶縁形成を行うのにセラミ
ック基板を５分間フッ化水素溶液に浸漬しなければなら
ない。即ち、ＡｇＣｕ系ろう材の場合、パターン形成を
行ったとき、数十μｍの厚さのＡｇＣｕ系ろう材層はエ
ッチングされずに残っているため、絶縁形成の際にこれ
を除去しなければならず、更に、この除去に数分がかか
るからである。そこで、表６に示されるように、予め回
路パターンと同パターンでＡｇＣｕ系ろう材を印刷する
ことにより、絶縁形成の工程の省略化を図ったが（比較
例１８〜２３）、このように接合されたセラミック基板
は、全ての試料で接合パターンとエッチングパターンと
のずれが認められ、そのずれは０．２〜１ｍｍとなり、
セラミック層と金属回路層との未接合部に及んでいる。
これにより、これらはセラミック回路基板として、信頼
性にかけるものである。従って、予め回路パターンと同
パターンでＡｇＣｕ系ろう材を印刷することにより、絶
縁形成の工程を省略することは困難であることが判る。

【００３４】これに対し、ＣｕＡｌＴｉろう材又はＣｕ
ＡｌＴｉＳｎＹろう材で接合した場合（実施例１〜２
５、比較例７〜１０、１３〜１７）、試料をわずか２０
秒間フッ化水素系溶液に浸漬するだけで、絶縁形成を行
うことができる。即ち、ＣｕＡｌＴｉろう材又はＣｕＡ
ｌＴｉＳｎＹろう材の場合、ろう材層がＣｕ基であるた
め、パターン形成の際にそのほとんどが除去されるから
である。更にこのとき、接合時における上記ろう材（未
反応Ｔｉ）及びセラミック基板の基材との反応により上
記ろう材層の下層に生成された反応層（ＴｉＮ等）が残
るが、この厚さはわずか数μｍであるので、試料をわず
か数十秒間フッ化水素系溶液に浸漬するだけで、これら
は除去できる。

【００３５】また、表２によれば、従来のＡｇＣｕ系ろ
う材で接合した場合（比較例１〜６）、絶縁形成後にお
けるパターン間距離は１．２５ｍｍ以上であり、レジス
トで印刷したパターン間距離（１．００ｍｍ）よりも２
５％以上も大きい。また、金属回路層１におけるエッチ
ングパターン（図１、２参照）の直線性は、良くない。
更に、図２に示すエッチングダレ１１がおきていること
が確認された。これにより、エッチング精度があまり良
くないことが判る。

【００３６】これに対し、ＣｕＡｌＴｉろう材又はＣｕ
ＡｌＴｉＳｎＹろう材で接合した試料の場合（実施例１
〜５）、絶縁形成後におけるパターン間距離は１．１０
ｍｍ以下であり、レジストで印刷したパターン間距離
（１．００ｍｍ）よりも最大１０％大きいだけである。
また、金属回路層１におけるエッチングパターンの直線
性が良かった。更に、図２示すエッチングダレ１１は確
認されず、図１に示されるように、金属回路層１は鋭く
エッチングされていることが確認された。これにより、
本発明のセラミック回路基板（実施例１〜５）は、エッ
チング精度が良いことが判る。

【００３７】表３、４において、ＡｇＣｕ系ろう材で接
合した試料（比較例１１）の場合、クラックの長さが２
１５μｍとなり、クラックの長さが比較的大きい。ま
た、ＤＢＣにより接合された試料の場合（比較例１２）
回路金属は剥離してしまう。また、ＣｕＡｌＴｉろう材
又はＣｕＡｌＴｉＳｎＹろう材で接合された試料であっ
ても、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉの含有量が上記所定の割合では
ない場合（比較例７〜１０、比較例１３〜１７）、クラ
ックの長さが２５０μｍを超えている。これにより、十
分な耐熱サイクル性が得られない場合がある。これに対
し、表３、４に示されるように、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉの含
有量が上記所定の割合であるろう材で接合した場合（実
施例６〜１９）、クラックの長さを２１０μｍ以下とす
ることができる。従って、耐熱サイクル性が十分大きい
セラミック回路基板が得られることが判る。

【００３８】また、表３に示されるように、１．０〜
２．５質量％Ａｌ、２．０〜３．７質量％Ｓｉ、２．０
〜７．０質量Ｔｉ（実施例８〜１４）とすることによ
り、クラックの長さを１９０μｍ以下とすることができ
る。更に、１．０〜２．３質量％Ａｌ、２．０〜３．
６質量％Ｓｉ、２．０〜７．０質量Ｔｉ（実施例８〜１
３）とすることにより、クラックの長さを１８０μｍ以
下とすることができる。また、１．５〜２．０質量％Ａ
ｌ、２．５〜３．２質量％Ｓｉ、２．０〜３．０質量Ｔ
ｉ（実施例９〜１２）とすることによりクラックの長さ
を１７０μｍ以下とすることができる。更に、１．０〜
２．５質量％Ａｌ、２．０〜３．７質量％Ｓｉ、２．０
〜３．０質量Ｔｉ（実施例９、１１）とすることにより
クラックの長さを１６０μｍ以下とすることができ、耐
熱サイクル性が極めて優れていることが判る。

【００３９】また、表４に示されるように、Ｓｎ、Ｙが
所定の割合で含有するろう材の場合（実施例１６〜１
９）、クラックの長さを１９０μｍ以下にすることがで
きる。これにより、耐熱サイクル性がより優れたセラミ
ック回路基板を得ることができる。更に、０．５〜３質
量％Ａｌ、０．５〜３．０質量％Ｓｉ、２．０〜９．５
質量％Ｔｉとした場合、２．０〜３．０質量％Ｓｎ、
２．０〜３．０質量％Ｙ（実施例１７、１８）とするこ
とにより、クラックの長さを１４５μｍ以下とすること
ができる。更に、２．０質量％Ｓｎ、３．０質量％Ｙ
（実施例１８）とすることによりクラックの長さを１３
５μｍ以下とすることができ、耐熱サイクル性が極めて
優れていることが判る。

【００４０】また、表５に示されるように、活性金属と
してＮｂ、Ｈｆ、Ｚｒを使用したろう材の場合（実施例
２０〜２４）であっても、クラックの長さを１２０μｍ
以下にすることができる。従って、活性金属としてＮ
ｂ、Ｈｆ、Ｚｒを使用しても、セラミック層と金属回路
層との耐熱サイクル性が優れているセラミック回路基板
が得られることが判る。以上、実施例１〜２４によれ
ば、本発明のセラミック回路基板は、エッチング性及び
耐熱サイクル性のバランスが極めて優れている。

【００４１】尚、本発明において、上記具体的実施例に
限定されず、目的、用途に応じて、本発明の範囲内で種
々変更した実施例とすることができる。例えば、本実施
例では、活性金属の純金属粉末を使用したが、その純金
属粉末以外にその水素化物粉末を用いることができる。
更に、本実施例では、各々の金属を上記所定の割合で含
有した合金粉末を使用したが、合金粉末に含有されてい
る活性金属の一部又は全部をその水素化物とすることが
できる。更に、本実施例では、Ｙの純金属粉末を使用し
たが、それ以外に、Ｙ_２Ｏ_３粉末等のＹ化合物粉末を使
用することができる。また、表４の本実施例では、Ｓｎ
及びＹの両方を含有するろう材を作製しているが、Ｓｎ
及びＹのいずれか一方を含有したろう材をも使用するこ
とができる。また、セラミック基板、金属回路板及び放
熱板の面の大きさは必ずしも（３０×６０）ｍｍ^２とす
る必要はなく、セラミック基板及び金属回路板及び放熱
板の厚さも設計に応じて、適宜変えることができる。ま
た、回路パターンを形成する場合において、互いに隣り
合っているパターン間の距離を１ｍｍにする必要はな
く、用途に応じて任意の回路パターンを形成しても良
い。

【００４２】

【発明の効果】本発明のセラミック回路基板は、強力な
熱サイクルがかかってもセラミック層と金属回路層との
界面にクラックが発生しにくいため、耐熱サイクル性が
優れ、また、エッチングダレが起こりにくく直線性が優
れているので、エッチング性が優れている。更に、本発
明のセラミック回路基板の製造方法によれば、パターン
形成の際にろう材層のほとんどが除去されるので、エッ
チング工程の時間短縮を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例のセラミック回路基板のエッチング性
能示す説明断面図である。

【図２】従来のセラミック回路基板のエッチング性能示
す説明断面図である。

【符号の説明】

１；金属回路層、２；セラミック基板、１１；エッチン
グダレ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 23/15 Ｈ０５Ｋ 1/02 ＦＨ０５Ｋ 1/02 3/38 Ｅ 3/38 Ｂ２３Ｋ 1/00 ３３０Ｅ // Ｂ２３Ｋ 1/00 ３３０Ｈ０１Ｌ 23/14 ＣＦターム(参考） 4G026 BA03 BA14 BA16 BF17 BH07 5E338 AA01 AA18 CC08 CD23 EE02 EE32 5E343 AA02 AA23 BB24 BB67 CC01 DD52 DD76 EE22 ER13 ER36 GG02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミック基板上にＣｕを主成分とした
金属回路層及び放熱層のうちの少なくとも金属回路層が
活性金属を含んだろう材を用いた活性ろう付けによって
接合されているセラミック回路基板において、該ろう材は、該ろう材の全質量を１００質量％とする場
合、０．５〜３質量％のＡｌと、０．５〜４質量％のＳ
ｉと、２〜９．５質量％のＴｉ、Ｎｂ、Ｈｆ及びＺｒの
うちの少なくとも１種と、残部Ｃｕとからなり、Ａｇを
含有しないことを特徴とするセラミック回路基板。
【請求項２】上記ろう材は、更に、Ｓｎ、及び／又
は、Ｙ及びＹ化合物のうちの少なくとも１種を含有し、
該ろう材の全質量を１００質量％とする場合、該Ｓｎが
０．５〜５．８質量％、該Ｙ及びＹ化合物のうちの少な
くとも１種が０．５〜５．０質量％である請求項１に記
載のセラミック回路基板。
【請求項３】セラミック基板上にＣｕを主成分とした
金属回路板及び放熱板のうちの少なくとも金属回路板
を、全質量を１００質量％とした場合、０．５〜３質量
％のＡｌと、０．５〜４質量％のＳｉと、２〜９．５質
量％のＴｉ、Ｎｂ、Ｈｆ及びＺｒのうちの少なくとも１
種と、残部Ｃｕとからなり、Ａｇを含有しない金属組成
となるろう材層を介して配置した後、活性ろう付けによ
って接合し、その後、接合された金属回路板をパターン形成して所定
の金属回路を形成し、次いで、該金属回路のパターン間
に露出した上記ろう材及びセラミック基板の基材との反
応によって形成された導電性の反応層を除去することを
特徴とするセラミック回路基板の製造方法。
【請求項４】上記ろう材は、更に、Ｓｎ、及び／又
は、Ｙ及びＹ化合物のうちの少なくとも１種を含有し、
該Ｓｎ、及び／又は、該Ｙ及びＹ化合物のうちの少なく
とも１種を含むろう材の全質量を１００質量％とした場
合、Ｓｎが０．５〜５．８質量％、及び／又は、Ｙ及び
Ｙ化合物のうちの少なくとも１種が０．５〜５．０質量
％である請求項３に記載のセラミック回路基板の製造方
法。
【請求項５】前記ろう材層は、前記ろう材の組成を有
する合金粉末又は前記ろう材の組成を構成する各種金属
単体からなる金属粉末を含有するペーストを塗布するこ
とにより作製されたものである請求項３又は４に記載の
セラミック回路基板の製造方法。
【請求項６】前記ろう材層は、前記ろう材の組成を有す
る合金箔により作製されたものである請求項３又は４に
記載のセラミック回路基板の製造方法。