JP2004196633A

JP2004196633A - セラミックスの改質方法

Info

Publication number: JP2004196633A
Application number: JP2002370029A
Authority: JP
Inventors: Akira Terao; 亮寺尾; Koji Nishimura; 浩二西村; Makoto Fukuda; 誠福田; Nobuyuki Yoshino; 信行吉野
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2002-12-20
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2022-12-20
Also published as: JP4087244B2

Abstract

【課題】十分なアンカー効果を得るために粗面化処理を行っても、強い破壊靱性を有し、抗折強度を著しく低下させることのないセラミックス、特に高熱伝導性でしかも絶縁特性に対して高い信頼性と、高抗折強度と強破壊靱性を有し、しかもアンカー効果によって金属層との接合強度が強めることができる窒化アルミニウム基板又は窒化ケイ素基板を提供する。
【解決手段】セラミックス表面を研削材による機械的研磨加工をして、その表面又は近傍に平均値で５〜３０μｍの微小亀裂を導入した後、熱処理を行いその微小亀裂を減少させる（消滅させることも含む）ことを特徴とするセラミックスの改質方法。この場合において、微小亀裂を減少させた後に、更に表面を粗雑化することによって、金属層をマウントする際のアンカー効果を十分に発現させることができる。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックスの改質方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
セラミックスは自動車のエンジン、半導体製造用治の静電チャック等の成形物や回路基板等に使用されている。とくに、回路形成用基板、ヒートシンク用基板、絶縁基板に用いる場合、セラミックス基板の表面には金属層をマウントしなければならず、その方法として、接着剤を使用する方法、セラミックス表面に生成している酸化物層と金属表面酸化層の化学反応を利用する方法、セラミックスとぬれ性の良い合金を金属層との接合に使用する方法、セラミックス表面を阻面化させアンカー効果を利用して金属層と接合させる方法、等が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
接着剤を使用する方法は、簡単であるが気密性や吸湿性に劣るため電気抵抗が低下する問題がある。化学反応を利用する方法と合金を用いる方法には、この問題はないが均一な反応を生じさせることは困難であるため、十分に高い接合強度を得るには接合条件を厳格に選ぶ必要がある。これに対し、アンカー効果を利用する方法は、比較的簡単な操作で十分に高い接合強度が得られやすいので注目されている。十分なアンカー効果を得るためには、セラミックス基板を適度に粗面化処理することが必要であり、その方法として、アルカリ処理をする方法（特許文献１）、酸処理する方法（特許文献２）、ショットブラスト加工する方法（特許文献３）等が提案されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭６１−０６３５８１号公報
【特許文献２】
特開昭６１−２７０８９０号公報
【特許文献３】
特開昭６２−２２４９５２号公報
【０００５】
しかしながら、いずれの粗面化方法においても、その処理によってセラミックス基板の抗折強度は低下するので、回路基板の信頼性に影響を及ぼす恐れがあった。
【０００６】
本発明の目的は、上記に鑑み、十分なアンカー効果を得るために粗面化処理を行っても、強い破壊靱性を有し、抗折強度を著しく低下させることのないセラミックスを提供することである。とくに、高熱伝導性でしかも絶縁特性に対する高い信頼性を持っている窒化アルミニウム基板又は窒化ケイ素基板について、高い抗折強度と破壊靱性を有し、しかもアンカー効果によって金属層との接合強度が強めることができるセラミックス基板を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、セラミックス表面を研削材による機械的研磨加工をして、その表面又は近傍に平均値で５〜３０μｍの微小亀裂を導入した後、熱処理を行い、その微小亀裂を減少させる（消滅させることも含む、以下同じ）ことを特徴とするセラミックスの改質方法である。この場合において、微小亀裂を減少させた後に、更に表面を粗雑化することによって、金属層をマウントする際のアンカー効果を十分に発現させることのできるセラミックスが製造される。そして、このセラミックスが、回路基板用である場合、窒化アルミニウム基板又は窒化ケイ素基板が好ましく、それを用いて製作された回路基板は高熱伝導性を有し絶縁特性に対する信頼性の高いものとなる。
【０００８】
また、上記発明において、微小亀裂導入後の熱処理は、非酸化性雰囲気下、温度８００〜１５００℃で行うことが望ましく、更には微小亀裂減少後の表面粗雑化は、化学溶液によって平均表面粗さ０．８〜１．５μｍにすることが望ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下に、更に詳しく本発明について説明する。
【００１０】
本発明が改質の対象とするセラミックスは、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素、炭化ケイ素、酸化ベリリウム、酸化アルミニウム等の非酸化物セラミックス、酸化物セラミックスのいずれであってもよい。セラミックスの用途がセラミックス基板である場合、高熱伝導性を有し、絶縁特性に対する信頼性の高いことが知られている窒化アルミニウム基板又は窒化ケイ素基板が好ましい。中でも、より高い熱伝導性と絶縁特性に対する信頼性が求められるパワーモジュールを考えれば、窒化アルミニウム基板の熱伝導率は１７０Ｗ／ｍＫ以上、窒化ケイ素基板が９０Ｗ／ｍＫ以上であるものがよい。
【００１１】
窒化アルミニウム基板又は窒化ケイ素基板は、例えばレーザー回折散乱法で測定された１００μｍ以上の粗大粒子１〜１０％（質量％、以下同じ）と、１μｍ以下の微粒子１０〜５０％とを含んでいる窒化アルミニウム粉末原料又は窒化ケイ素粉末原料を用い、以下に説明するように、窒化アルミニウム粉末原料中のＡｌ_２Ｏ_３とＹ_２Ｏ_３分の組成比、窒化ケイ素粉末原料中のＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｙ_２Ｏ_３分の組成比を適正化することよって製造することができる。
【００１２】
窒化アルミニウム粉末の焼結助剤としては、イットリウム酸化物等の希土類酸化物とアルミニウム酸化物の複合粉末を窒化アルミニウム粉末原料に０．５〜１０％の内割で配合される。窒化ケイ素粉末の焼結助剤としてはイットリウム酸化物等の希土類酸化物とシリコン酸化物と窒化アルミニウムの３種類の粉末を窒化ケイ素の原料粉末に０．５〜１０％の内割で配合される。成形は、これら助剤を含んだ窒化ケイ素粉末にブチラールやメチスセルロース等の有機バインダーを加え、所定寸法に金型を用いて行われ、焼成は、脱バインダー後、窒素、アルゴン等の非酸化性雰囲気中、窒化アルミニウムは常圧下、窒化ケイ素は１０ＭＰａ未満の圧力下、温度１７００〜１９００℃で１〜１２時間保持して行われることを、一例としてあげることができる。
【００１３】
窒化アルミニウム基板又は窒化ケイ素基板の厚みは、通常０．６３５ｍｍ又は０．６０ｍｍであるが、要求特性によって変えることができる。たとえば、高電圧での絶縁性があまり重要ではなく熱抵抗が重要である場合には、０．５〜０．３ｍｍの薄い板を用いることができ、逆に高電圧での絶縁耐圧や部分放電特性が重要である場合には、１〜３ｍｍの厚板が用いられる。広さは、縦２０〜２００ｍｍ、横２０〜２００ｍｍが例示される。
【００１４】
これらの窒化アルミニウム基板又は窒化ケイ素基板には市販品があるのでそれを用いることができる。
【００１５】
本発明においては、上記セラミックスはまずその表面に研削材による機械的研磨加工が施される。その一例として、ショットブラスト加工（ＪＩＳＢ６６１４）をあげることができる。機械的研磨加工の施される部位は、全面であっても、片面であってもよく、更には片面の一部であってもよい。用途が回路用セラミックス基板であるときには、所定の回路形状が得られるようにマスクキング材料をセラミックス基板に貼り付けることが望ましい。マスキング材料としてはゴムを貼付けた紙又は布、プラスチックテープが使用される。
【００１６】
機械的研磨加工に使用する研削材は、研磨剤の粒度が♯８〜２２０ものを使用し、加圧タンク内の研磨材料、例えばα−アルミニウム酸化物、シリコン酸化物、チタニウム酸化物、炭化ケイ素等の粉末（ＪＩＳＲ６１１１）を、空気圧２〜７ＭＰａで圧送・加速させノズルから噴射させる噴射式、高速回転するインペラによって加速・吹き付けする投射式等によって行うことができる。
【００１７】
本発明で重要なことは、機械的研磨加工によって、セラミックス表面又はその近傍に微小亀裂を生じさせることである。これによって、セラミックス表面又はその近傍に圧縮応力を導入することができるので、破壊靱性を増加させることができる。一方、抗折強度は、破壊靱性を材料の形状係数と材料中に存在する最大クラックサイズの平方根で除して算出されるので、微小亀裂を生じさせることは最大クラックサイズを大きくし、抗折強度を低下させることにもなる。そこで、本発明においては、セラミックス表面又はその近傍に平均値で５〜３０μｍの微小亀裂を生じさせることが重要である。微小亀裂の大きさが５μｍ未満であると、その後の熱処理によって微小亀裂を消滅させても破壊靱性は向上しない。また、３０μｍを超えると、抗折強度の低下を引きおこす。ここで、微小亀裂の大きさは、セラミックス断面を走査型電子顕微鏡を用いて観察し、代表的な微小亀裂を３０本測定し、その平均値から求めることができる。
【００１８】
微小亀裂を生じさせ破壊靱性の増加されたセラミックスは、次いで熱処理される。マスキング材料があるときはそれを除いてから熱処理される。熱処理する目的は、導入された微小亀裂を減少させ、抗折強度を高めることである。熱処理は、例えばセラミックスを焼成容器内に収容し、窒素、水素、一酸化炭素、アルゴン等の非酸化性雰囲気下、好ましくは窒素雰囲気又は窒素ガスを含む非酸化性雰囲気下の真空（わずかな非酸化性雰囲気を含む）、減圧、加圧及び常圧から選ばれたいずれか又は複数で行われる。
【００１９】
熱処理温度は、８００〜１５００℃であることが好ましい。熱処理温度が８００℃未満であると、微小亀裂を減少させ抗折強度を高めるには長時間の処理が必要となるか、十分に抗折強度を高めることが困難となる。一方、熱処理温度が１５００℃をこえると、微小亀裂によって導入された圧縮応力が解放されやすくなるので、せっかく増加させた破壊靱性が減少する恐れがある。
【００２０】
本発明によって、強靭化かつ高強度化されたセラミックスを、回路基板のセラミックス基板とする際、その十分なアンカー効果を発現させ、強い金属層との接合強度を得るために、抗折強度を著しく低下させないようにして、その表面を粗面化することが必要となる。そこで、本発明では化学溶液に侵食させて粗面化する手段が採用される。粗面化処理は、回路形状にマスキングをしてから行われ、そのマスキングは、ＵＶ硬化型レジストインクをスクリーン印刷で塗布した後、ＵＶランプを照射させてレジスト膜を硬化させることによって行われる。ＵＶ硬化型レジスト膜としては、化学溶液が酸性の場合はアルカリ型を、ＵＶ硬化型レジスト膜がアルカリ性の場合は酸型を用いることが望ましい。
【００２１】
化学溶液としては、例えばセラミックス材質が窒化アルミニウムである場合は、温度３０〜６０℃、濃度が１０体積％以上の水酸化カリウム、水酸化ナトリウム等のアルカリ水溶液が好ましい。一方、セラミックス材質が窒化ケイ素である場合は、温度３０〜６０℃、濃度が１０体積％以上の硫酸水溶液が好ましい。
【００２２】
粗面化は、平均表面粗さは０．８〜１．５μｍとすることが望ましい。これによって、強靭化かつ高強度化されたセラミックスとマウントした金属層との接合強度が４０ＭＰａ以上を達成することができる。平均表面粗さが０．８μｍ未満であると十分に強い接合強度が得られず、また１．５μｍをこえるとセラミックスの抗折強度が低下する。平均表面粗さは、中心線平均粗さの定義及び表示をＪＩＳＢ０６０１に基づき、大気雰囲気下、触針式表面粗さ計又は非接触表面形状測定装置を用いて測定することができる。
【００２３】
粗面化後にＵＶ硬化型レジスト膜を剥離する。剥離剤には、レジスト膜がアルカリ性の場合は、例えば５％ＨＣｌ水溶液を、レジスト膜が酸性の場合は、例えば５％苛性ソーダ水溶液が用いられる。
【００２４】
本発明によって製造されたセラミックスから回路基板を製造する場合には、常法に従い、粗面化したセラミックス基板上に各種マウント（蒸着、スパッタ、溶射、電気メッキ、無電解メッキ）方法にて金属層を形成し、その金属層の上から所定位置に回路形状マスクとしてＵＶ硬化型レジストインクをスクリーン印刷で塗布した後、ＵＶランプを照射させてレジスト膜を硬化させ、化学溶液にて不要な金属層とレジスト膜を除去した後、必要に応じてメッキを施こすことによって行われる。レジストインクとしてはＵＶ硬化型のアルカリ剥離タイプが用いられ、金属層除去には、金属種がＣｕの場合が塩化銅水溶液、Ａｌの場合は塩化鉄水溶液が好適に用いられる。
【００２５】
【実施例】
以下、実施例と比較例を挙げて更に具体的に本発明を説明する。
【００２６】
実施例１
窒化アルミニウム基板（５０×５０×０．６３５ｍｍｔ、熱伝導率１７０Ｗ／ｍＫ、抗折強度３５０ＭＰａ、破壊靱性２．８ＭＰａ・ｍ^１／２）の両面に金属回路をマウントさせる場所以外の位置へゴム材質テープを貼り付けしてマスキングした後、♯８の９８％α−アルミニウム酸化物粉末と２％シリコン酸化物粉末の混合物を空気圧３ＭＰａの噴射式ショットブラスト装置を用いてショットブラスト加工を行い、表面又はその近傍に平均５μｍの微小亀裂を導入させた。その後、ゴム材質テープを手で剥離してから、常圧の窒素雰囲気下、温度１０００℃、２時間保持の熱処理を行い、微小亀裂を平均０．５μｍまでに減少させた。
【００２７】
得られた窒化アルミニウム基板について、以下に従う（１）抗折強度と（２）破壊靱性を測定した。それらの結果を表１に示す。
（１）抗折強度：三点曲げ試験法（ＪＩＳＲ１６０１）によって測定した。
（２）破壊靱性：ＳｕｒｆａｃｅＣｒａｃｋＩｎＦｌｅｘｕｒｅ法（ＡＳＴＭ、Ｃ１４２１−９９）によって測定した。
【００２８】
つぎに、熱処理の施こされた窒化アルミニウム基板に耐アルカリ性のＵＶ硬化型レジストインクを所定の回路形状に印刷し、濃度３０体積％の水酸化ナトリウム水溶液（液温５０℃）に２分間接触させて窒化アルミニウム基板を粗面化した。得られた窒化アルミニウム基板について、以下に従う（３）平均表面粗さと（４）抗折強度を測定した。それらの結果を表１に示す。。
（３）平均表面粗さ：触針式表面粗さ計（ＪＩＳＢ０６０１）を用いて測定した。
（４）抗折強度：三点曲げ試験法（ＪＩＳＲ１６０１）によって測定した。
【００２９】
その後、液温５０℃の５％ＨＣｌ水溶液でＵＶ硬化型レジスト膜を除去した後、蒸着法により粗面化した窒化アルミニウム基板の両面にＡｌをマウントした。ついで、耐酸性のＵＶ硬化型レジストインクをＡｌ両面へ所定の回路部上へスクリーン印刷してから、塩化第二鉄水溶液を用いて金属層を除去し、更に５％の苛性ソーダ水溶液でＵＶ硬化型レジスト膜を除去して、セラミックス基板の両面にＡｌ回路を形成させた回路基板を製作した。その後、−８０℃、５分→室温、５分→３５０℃、５分→室温、５分を１サイクルとして３０サイクルの熱履歴試験を実施してから、（５）接合不良率と（６）接合強度を測定した。それらの結果を表１に示す。
【００３０】
（５）接合不良：超音波探針解析装置を用い、Ａｌ回路と窒化アルミニウム基板の間の接合面観察から接合不良を測定し、非接合部面積×１００／（接合部面積＋非接合部面積）により接合不良率を算出し、以下の３段階評価を行った。
「１」：接合不良率が５％以上
「２」：接合不良率が０．０１〜５％未満
「３」：接合不良率が０．０１％未満
（６）接合強度：ワイヤーボンド付着テスト法（セラミックスの接着と接合技術、監修速水諒三、株式会社シーエムシー出版、ｐ.９７）により測定した。すなわち、Ａｌ回路とＣｕ板（寸法：３×５、厚さ０．５ｍｍｔ）を有機接着剤（電気化学工業社製のアクリル系接着剤、商品名「デンカハードロックＩＩ」）で接着し、Ｃｕ板の片端とワイヤーを半田で接合し、ワイヤーの他端をワイヤープルテスト機所定の部位に設置した後、Ａｌ回路面に垂直方向に引張ることで、Ａｌ回路とセラミック基板を剥離させた。接合強度は、（剥離時の引張り力／Ｃｕ板の面積）×９．８Ｎにより算出した。
【００３１】
比較例１
ショットブラスト加工を施す前の窒化アルミニウム基板を用いたこと以外は、実施例１と同様にして回路基板を製作した。
【００３２】
比較例２
ショットブラスト加工を行っただけの窒化アルミニウム基板を用いたこと以外は、実施例１と同様にして回路基板を製作した。
【００３３】
比較例３
微小亀裂の大きさが平均２μｍになるようにショットブラスト処理を施したこと以外は、実施例１と同様にして回路基板を製作した。
【００３４】
比較例４
微小亀裂の大きさが平均３５μｍになるようにショットブラスト処理を施したこと以外は、実施例１と同様にして回路基板を製作した。
【００３５】
実施例２
微小亀裂の大きさが平均２５μｍになるようにショットブラスト処理を施したこと以外は、実施例１と同様にして回路基板を製作した。
【００３６】
実施例３
窒化アルミニウム基板の代わりに窒化ケイ素基板（５０×５０×０．６３５ｍｍｔ、熱伝導率７０Ｗ／ｍＫ、抗折強度７００ＭＰａ、破壊靱性６ＭＰａ・ｍ^１／２）を用い、化学溶液処理に硫酸水溶液（液温５０℃）を用いたこと以外は、実施例１と同様にして回路基板を製造した。
【００３７】
参考例１
ショットブラスト加工後の熱処理が施されているが、水酸化ナトリウム水溶液による粗面化処理が行われていない窒化アルミニウム基板を用いたこと以外は、実施例１と同様にして回路基板を製作した。
【００３８】
参考例２
化学溶液の代わりに研磨剤が♯２２０の炭化ケイ素質からなるサウンドペーパーを用いて粗面化処理を行ってこと以外は、参考例１と同様にして回路基板を製作した。
【００３９】
【表１】

【００４０】
表１から次のことが分かる。ショットブラスト加工と熱処理との両方を行うことによって、初めてセラミックス基板の抗折強度と破壊靱性の両方を高めることができる（実施例１）。また、ショットブラスト加工によって導入する微小亀裂の大きさが適切でないと、化学溶液処理後のセラミックス基板の抗折強度が高まらない（実施例１）。さらに、化学溶液によって粗面化すると、金属層とセラミックス基板間の接合不良率を低下させ、その接合強度が高められる（実施例１）。とくに、ショットブラスト加工とその後の熱処理、化学溶液による粗面化処理の各条件を選択することによって、抗折強度、破壊靱性、接合強度、接合不良率に一段と優れた回路基板を製作することができる（実施例２、３）。
【００４１】
これに対して、ショットブラスト加工後の熱処理を行わないと、セラミックス基板の抗折強度がショットブラスト加工前の抗折強度よりも低下する（比較例１、比較例２）。ショットブラスト加工によって導入する微小亀裂の大きさが適切でないと、化学溶液処理を行っても、セラミックス基板の抗折強度が熱処理後よりも低下する（比較例３、比較例４）。化学溶液処理を行わなかったり、化学溶液処理の代わりにサウンドペーパー処理による粗面化を行ったのでは、金属層とセラミックス基板間の接合不良率と接合強度は十分に高まらない（参考例１、参考例２）。
【００４２】
【発明の効果】
本発明によれば、十分なアンカー効果を得るために粗面化処理を行っても、強い破壊靱性を有し、抗折強度を著しく低下させることのないセラミックスが提供される。とくに、回路基板のセラミックス基板として、高熱伝導性でしかも絶縁特性に対して高い信頼性を持っている窒化アルミニウム基板又は窒化ケイ素基板について、その抗折強度と破壊靱性を高め、しかもアンカー効果によって金属層との接合強度が強める。

Claims

セラミックス表面を研削材による機械的研磨加工をして、その表面又は近傍に平均値で５〜３０μｍの微小亀裂を導入した後、熱処理を行いその微小亀裂を減少させる（消滅させることも含む）ことを特徴とするセラミックスの改質方法。
微小亀裂を減少させた後に、表面を粗雑化することを特徴とする請求項１記載のセラミックスの改質方法。
セラミックスが、回路基板形成用の窒化アルミニウム基板又は窒化ケイ素基板であることを特徴とする請求項２記載のセラミックスの改質方法。
微小亀裂導入後の熱処理を非酸化性雰囲気下、温度８００〜１５００℃で行うことを特徴とする請求項１〜３記載のいずれかのセラミックスの改質方法。
微小亀裂減少後の表面粗雑化を、化学溶液によって平均表面粗さ０．８〜１．５μｍにすることを特徴とする請求項３記載のセラミックスの改質方法。