JP2005112677A

JP2005112677A - セラミックス基板用ろう材及びこれを用いたセラミックス回路基板

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Publication number: JP2005112677A
Application number: JP2003350192A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Imamura; 寿之今村; Junichi Watanabe; 渡辺　　純一; Masaru Yoshida; 優吉田
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2003-10-09
Filing date: 2003-10-09
Publication date: 2005-04-28
Anticipated expiration: 2023-10-09
Also published as: JP4345054B2

Abstract

【課題】ろう材層表面の凹凸の緩和、ろう材層の拡がりの抑制、外縁部の直線性の改善、予め回路パターンを形成した金属回路板を接合する際に、回路表面部へのろう材成分の流れ出しを抑制することのできるセラミックス基板用のろう材とそれを用いたセラミックス回路基板を提供する。
【解決手段】セラミックス基板の少なくとも一方の面にろう材層を介して予め回路パターンを形成した金属板を接合してなるセラミックス回路基板に用いられ、Ｃｕ：３５〜５５質量％、Ｉｎ：５〜２５質量％、Ｔｉ：０．２〜２．０質量％、残部Ａｇ及び不可避不純物からなる平均粒子径１５〜４０μｍの合金粉末に、さらに平均粒子径１〜１５μｍのＣｕ粉末粒子を５〜３０質量％添加したセラミックス基板用ろう材である。またセラミックス基板は、ろう材はみ出し部の外縁部におけるＲmaxが５〜５０μｍ以下、外縁部の境界線におけるうねりが１０〜１００μｍ以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、特にパワー半導体モジュールに使用されるセラミックス回路基板に係わり、セラミックス基板の少なくとも一方の面にろう材層を介して回路パターンを形成する金属板を接合したセラミックス回路基板及びそのろう材に関するものである。

近年、電動車両用インバータとして高電圧、大電流動作が可能なパワー半導体モジュール（ＩＧＢＴモジュール）が用いられている。パワー半導体モジュールに使用される基板としては、窒化アルミニウムや窒化ケイ素からなるセラミックス基板上に銅板やアルミニウム板等の金属板（以下、銅板を例に説明する。）を接合したセラミックス回路基板が広く使用されている。例えばセラミックス基板の一方の面に半導体チップ等を搭載して回路となす銅板を接合し、他方の面には放熱用の銅板を接合して形成されている。前記回路用銅板側には回路部となる回路パターンに沿ってエッチング処理する等して、複数の銅板からなる金属回路パターンを形成し、セラミックス回路基板が構成される。

セラミックス基板と銅板を一体に接合する手段としては、Ｃｕ−Ｃｕ₂Ｏ等の共晶液相を利用してセラミックス基板上に銅板を直接接合する、いわゆる銅直接接合法（ＤＢＣ法：Direct Bonding Copper 法）や、ＭｏやＷなどの高融点金属をセラミックス基板上に焼き付けて形成する高融点金属メタライズ法、及び４Ａ族元素や５Ａ族元素のような活性金属を含むろう材層をセラミックス基板上に塗布形成し、銅板との間に介在させ押圧力を掛けながら適切な温度で熱処理して両者を接合する活性金属法などが用いられている。これらＤＢＣ法や活性金属法により得られるセラミックス回路基板は、いずれも単純構造で熱抵抗が小さく、大電流型や高集積型の半導体チップに対応できる等の利点を有している。

また、銅板回路パターンの形成手段としては、予めプレス加工やエッチング加工により得た回路パターン形状の銅板をろう材層を介してセラミックス基板上に接合する直接搭載法や、セラミックス基板のほぼ全面にろう材層を形成し、これを覆うように銅板を接合し、その後パターニングした銅板の不要部分をろう材層ごとエッチング処理して金属回路パターンを形成する多段エッチング法、また或いは、目的とする回路パターン形状に沿ってろう材層を塗布形成し、後は前記多段エッチング法と同様に銅板の不要部分をエッチング処理して金属回路パターンを形成するろう材パターン印刷とエッチング法を併用した方法（以下、パターン印刷エッチング法と表記）等がとられている。

近年のパワー半導体モジュールにおいては、高出力化、高集積化が急速に進行し、セラミックス回路基板に繰り返しかかる熱応力がより増大する傾向にある。この熱応力に耐えれなくなるとセラミックス基板の反りやクラック等の不具合が発生する。従来、上述したセラミックス基板と金属板との接続手段のうち、高強度・高封着性等が得られることから、ＡｇとＣｕとの共晶組成（７２質量％Ａｇ−２８質量％Ｃｕ）を有する共晶ろう材にＴｉ等の活性金属を添加したろう材ペーストを用いた活性金属法が一般に使用されている。しかし、この活性金属法において前記パターン印刷エッチング法を採用した場合、共晶組成であるがゆえに固液共存域がなく、融点温度以上では、存在する全てのろう材が溶融し、これが回路パターン間の非接合部分まで流れ出し、隣合う回路パターンが接触して短絡不良を起こすことがある。このようなことから、熱応力に耐えられるセラミックス回路基板の接続構造や絶縁性の保証について以下のような提案がなされている。

特許文献１には、セラミックス基板のクラックの発生を抑えることを目的とし、窒化アルミニウム焼結体あるいは窒化ケイ素焼結体からなるセラミックス基板の少なくとも一面にＡｇ、Ｃｕ、Ｔｉを含有するろう材層を介して金属板を接合するもので、ろう材層が金属板の端部から金属板の厚みの０．１〜１．０倍以下の範囲ではみ出した、いわゆるはみ出し部を形成することが望ましいと記載されている。

特許文献２には、セラミックス基板のクラックの防止と曲げ強度の改善を目的とし、窒化アルミニウム焼結体あるいは窒化ケイ素焼結体からなるセラミックス基板にＡｇ、Ｃｕ、Ｔｉを含有するろう材層を介して金属板を接合するもので、金属板をエッチング処理して回路パターンを形成し、この回路パターンの側面よりも外方にろう材層がはみ出すように上記と同様にはみ出し部を形成すること、また金属回路パターンの側面を滑らかな曲面状に傾斜して形成することが記載されている。

特許文献３には、接合熱処理中のろう材の流れ出しを防止するために、４０〜８０重量％のＡｇと、２０〜６０重量％のＣｕおよびＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等の活性金属粉末を含む混合粉末よりなるろう材を用いており、このろう材を構成する活性金属粉末中における粒径５μｍ以下の粒子の割合を５重量％以下に制御することが効果的であると記載されている。

特許文献４には、セラミックス基板に対する熱衝撃が小さく、接合時の歪を抑えることができるろう材を開示しており、５０〜８５重量％のＡｇと、１〜５重量％のＴｉと、０．１〜７．５重量％のＩｎと、残部Ｃｕからなるセラミックス用ろう材について記載されている。

特開平１０−１９０１７６号公報特開平１１−３４０５９８号公報特開平１１−２９３７１号公報特開平６−１０７４７１号公報

上述したようにセラミックス回路基板については、従来にも増して熱応力や熱サイクルに対する十分な接合強度と耐久性が要求されている。この点で、特許文献１及び特許文献２に開示された発明は、セラミックス基板にろう材層を介して金属回路板を接続するときに、この金属板の端面（側面）から所定長さのろう材層のはみ出し部を設けることにより、セラミックス基板と金属回路板端面との接合面における熱応力の集中を緩和できることが開示されており、さらに、金属回路板の端面を滑らかな曲面状に傾斜させることにより熱応力の集中がさらに緩和できることを示している。確かにはみ出し部を設けることによる効果は期待できるものである。しかしながら、一方で昨今のセラミックス回路基板においては、集積密度の向上も要求されており、例えば銅板間の間隔は耐電圧によって異なるものの概ね１．０ｍｍ以下で±０．１ｍｍ程度の精度が要求され、さらに狭くすることが求められている。このように狭い間隔を精度を保ってエッチング処理すること自体が困難になるが、特にパターン印刷エッチング法の場合は、接合時のろう材層の液相化と押圧力との影響でろう材の流れ出し現象が生じ易く短絡不良を招きやすい。特許文献１及び特許文献２には、このような問題の認識および解決手段について何ら言及されていない。

この点で特許文献３によれば、活性金属粉末の粒径を制御することにより、ろう材の流れ出しを防止できるとある。具体的には添加したＴｉ粉末のうち粒径５μｍ以下の粉末を５質量％以下に抑えることが効果的であるというもので、比較的微細な粒子の含有量を抑えることによって余剰な活性金属粉末の流れ出しを防止出来ることにある。
活性金属粉末の粒径を小さくすると、熱処理過程で生成するろう材融液中をＴｉ成分が容易に拡散して、窒化物セラミックス基板の場合、表面部のＮ成分と反応してＴｉＮ相を形成しながら拡大し、これに付随してＡｇ-Ｃｕ成分が拡大する現象が起こる。したがって、活性金属粉末の粒径を制御することは、ＴｉＮ相形成の制御、しいてはろう材成分の流れ出しを制御することが可能となる。

しかしながら、本願発明者らの研究によれば、予め回路パターンを形成したＣｕ板を直接接合する直接搭載法の場合には、ろう材のはみ出し部からろう材層成分がＣｕ回路端面に沿って、表面部に流れ出す（以下、単にはねあがりと表記。）不具合が認められた。また、接合時の熱処理によりろう材層の表面には鱗状の凹凸が形成され、はみ出し部の外縁線がにじむように拡がり、回路パターン縁部に形成するろう材はみ出し部の、いわゆる直線性が悪くなると言う問題が新たに見受けられた。
特許文献３では、セラミックス基板表面上におけるろう材の流れだしの不具合ついては、活性金属粉末の粒径制御との関係で相関はとられているが、Ｃｕ回路端面から表面部へ流れるろう材の拡がりを抑制する方策については記述していない。また、少なくとも表面の凹凸の抑制や直線性の改善までには至らないと考える。

本発明は以上のような問題点に鑑みてなされたもので、特に予め所定の回路パターンを形成した金属板を接合してなるセラミックス回路基板において、セラミックス基板のクラック防止と曲げ強度向上を図るもので、はみ出し部の効果を損なうことなく、ろう材層表面の凹凸形状の緩和とろう材層の流れ出しならびに、回路表面部へのろう材のはね上がり現象を抑制し、外縁部の直線性を改善することのできるセラミックス基板用のろう材とそれを用いたセラミックス回路基板を提供することを目的とする。

本願発明者らは上記課題を解決するため、Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｔｉ系のろう材を母材とした合金粉末において、適度な粒径と粒度分布のＣｕ粉末粒子を適切な量を後添加することで、金属板接合前の熱処理で生成されるろう材層表面の鱗状凹凸を緩和できること、並びにろう材層の直線性を改善できること、さらに回路表面部へのろう材のはね上がり現象を抑制できることを見出し本発明に想到した。
即ち、本発明のセラミックス基板用ろう材は、セラミックス基板の少なくとも一方の面にろう材層を介して予め所定の回路パターンを形成した金属板を接合することにより、セラミックス回路基板に用いられるろう材であって、Ｃｕ：２５〜５５質量％、Ｉｎ：５〜２５質量％、Ｔｉ：０．２〜２．０質量％、残部Ａｇ及び不可避不純物からなる平均粒子径１５〜４０μｍの合金粉末に、さらに平均粒子径１〜１５μｍのＣｕ粉末粒子を５〜３０質量％添加したものである。

後添加するＣｕ粉末は、平均粒子径１〜１５μｍを５〜３０質量％の範囲で添加するものであるが、さらに望ましくは３〜５μｍのＣｕ粉末を１０〜２０質量％である。平均粒子径が１μｍ未満では合金粉末とＣｕ粉末の粒径差が大きくなり、ろう材ペースト中でのＣｕ粉末の分散状態が不均一となり、スクリーン印刷後の印刷パターンむらが生じるなどの不具合が生じる。１５μｍを超えるとＣｕ粉末と合金粉末との融点の差が顕著となり、溶融不均一となって好ましくない。また５質量％未満では、ろう材層表面の鱗状凹凸を緩和する効果がなく、また３０質量％を超えると、ろう材層表面の鱗状凹凸を緩和する効果を発現することはできるが、Ｃｕ成分の過剰添加は溶融温度の上昇を招くため好ましくない。

また、前記Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｔｉ系合金粉末の平均粒径は１５〜４０μｍであって、これら合金粉末粒子間の間隙を埋めるように前記１〜１５μｍのＣｕ粉末粒子が充填していることで効果が高まる。また、前記ろう材において、Ｃｕ粉末粒子の平均粒子径ｄ50を１〜１５μｍとし、このときｄ10を０．５μｍ以下、ｄ90を１０〜２５μｍとして粒度分布を調整することが望ましい。これは、図１に示す様に、合金粉末単独では粉末間の空隙が多く（図１（Ｂ）参照）、これに上記仕様のＣｕ粉末を添加することで、ろう材の充填密度を向上することができ、特に、添加するＣｕ粉末の粒度分布を限定することで、ろう材の最密充填を達成することができる。これらの効果によりペースト印刷時の塗布量の制御、ろう付け過程での粒子間の反応性促進が達成できる。これらは、いずれも金属板とセラミックス基板との界面におけるボイド生成を抑制し、接合強度の強化、ひいては熱衝撃に対する接合信頼性が向上する点で必要である。

本発明のセラミックス基板は、予めパターンを形成した金属板を窒化ケイ素基板と接合することにより、回路パターンとはみ出し部の形成を同時に行うものであるが、予めセラミックス基板上に設けるろう材層の構成成分および粉末粒度が与える影響と解決手段について以下の知見を得た。
即ち、本発明は、セラミックス基板の少なくとも一方の面に複数の回路パターンに沿ったろう材層を形成し、当該ろう材層を介して予め所定の回路パターンを形成した金属板を接合することにより回路パターンを形成すると共に、前記金属板の外縁からはみ出したろう材層によるはみ出し部を形成したセラミックス回路基板において、前記金属板を接合する前のろう材層の外縁部における最大面粗さＲmaxが５μｍ〜５０μｍ、望ましくは２０〜４０μｍであるセラミックス回路基板である。

また本発明は、セラミックス基板の少なくとも一方の面に複数の回路パターンに沿ったろう材層を形成し、当該ろう材層を介して予め所定の回路パターンを形成した金属板を接合することにより回路パターンを形成すると共に、前記金属板の外縁からはみ出した前記ろう材層によるはみ出し部を形成したセラミックス回路基板において、前記金属板を接合する前のろう材層の外縁部の境界線における凹所と凸所との距離が１０〜１００μｍ、望ましくは３０〜８０μｍであるセラミックス回路基板である。

本発明のセラミックス基板用のろう材によれば、ろう材層表面の凹凸の抑制、ろう材層の拡がりの抑制、回路表面部へのろう材のはね上がり防止、外縁部の直線性の改善及びはみ出し部ろう材層を保つ効果がある。これによって半導体素子用セラミックス基板として用いた場合に半導体素子の作動に伴う繰り返し熱サイクルによって基板にクラックが発生することが少なく、耐熱衝撃性ならびに耐熱サイクル性を著しく向上することができた。

以下、実施例により本発明を説明するが、それら実施例により本発明が限定されるものではない。
先ず、ろう材について説明する。本発明のろう材は、母材合金がＡｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｔｉの４元系であって、質量％でＣｕを２５〜５５質量％、Ｉｎを５〜２５質量％、Ｔｉを０．２〜２．０質量％、残部Ａｇ及び不可避不純物から組成されたものである。合金粉末の作製は、ガスアトマイズ法により平均粒径d50値が５０μｍとなる様に噴霧し、５０μｍ以上の粉末は篩分けによりカットし、５０μｍアンダーの粉末を用いるもので、ここでは合金粉末の平均粒子径ｄ50は２８μｍである。また、合金粉末の作製は、低コストの水アトマイズ法でも可能であるが、活性金属として作用するＴｉの酸化を防止するため、この場合、合金粉末中の酸素量を０．５質量％以下に制御することが肝要である。

上記の混合粉末中（合金粉末と添加したCu粉末）に占めるＩｎおよびＴｉを除いた、ＡｇとＣｕの組成比は、ＡｇとＣｕの合計重量を１００質量％（AgとCuで100%）としたとき、Ａｇを１０〜３５質量％、Ｃｕを６５〜９０質量％が好ましい。この組成比の範囲では、加熱冷却後のろう材表面部の凹凸形状の抑制に効果があり、更には、Ａｇ−Ｃｕ状態図おける共晶組成(72%Ag−28%Cu)よりもＣｕ−rich側の固液共存組成域において、処理温度を任意に選択することで、接合処理時の融液量を調整することができる。また、Ｃｕ−rich側の固液共存組成は、Ａｇ-rich側におけるものよりも広く、融液量を調整が容易となる。したがって、この効果により、ろう材の流れ出し現象を抑制することが可能となる。ここで用いられるＡｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｔｉからなる合金粉末は、スクリーン印刷を行う場合のパターン印刷精度や接合する銅板への流れ出しを抑制する上で平均粒径４０μｍ以下が好ましく、１０〜３０μｍ程度のものがより好適である。

活性金属としては、周期律表第ＩＶａ族に属する元素を用いることができ、一般にはチタン、ジルコニウム、ハフニウムが用いられる。この中でも特にチタンは窒化アルミニウム基板や窒化ケイ素基板との反応性が高く、接合強度を非常に高くすることができるため本発明ではチタン（Ｔｉ）を用いている。さらにチタンの水素化物、即ち水素化チタンを用いれば、接合工程中における酸素の影響による酸化が起こり難くなり、より好適な接合状態が得られる。これは水素化チタンは接合工程での加熱処理によって初めて水素を放出して活性な金属チタンとなり、これが窒化アルミニウム基板や窒化ケイ素基板と反応するためである。更に、これら活性金属成分を予め合金粉末中に含有させると、Ａｇ−Ｃｕ―Ｉｎ−Ｔｉの比が均一となり、加熱昇温時において、基板あるいは金属板に印刷されたろう材粉末の局所的な溶融むらが抑制でき、しいてはろう材融液中を拡散するＴｉを容易に制御することができるため、望ましい。ＡｇとＣｕおよびＩｎの合計量１００質量％に対する活性金属粉末の添加量は、活性金属粉末による窒化アルミニウム基板／窒化ケイ素基板−ろう材−銅板の間の接合強度を十分に保つためには、０．２〜２．０質量％が好ましい。より好ましくは０．６〜１．５質量％である。

さて、本発明においては、上記母材合金粉末に対しさらに平均粒子径１〜１５μｍのＣｕ粉末粒子を５〜３０質量％添加したものである。これらの規定理由は上述の通りであるが、さらに、Ｃｕ粉末粒子は粒度分布が均一であることが望ましく、平均粒子径ｄ50を１〜１５μｍとするにはｄ10を０、５μｍ以下、好ましくは０．２〜０．５μｍ、ｄ90を１０〜２５μｍとすることが適している。ここで、Ｃｕ粉末粒度分布について規定しているのは、ｄ10が０．２μｍ未満では、Ｃｕ粉末の反応性が高くなり、局部的に、Ａｇ−Ｃｕ融液が生じ、この部分でろう材のはねあがり現象を制御することが困難となる。このため、回路部潰れ、および銅板表面へのＡｇ-Ｉｎ成分の流れ出しが頻発する不具合を招来するからである。
一方、ｄ90が２５μｍ超では、スクリーン印刷後のＡｇ-Ｃｕ-Ｉｎ-Ｔｉ合金の間隙を、Ｃｕ粉末にて、充填することができず、ろう付け後のボイド生成に大きく関与する、またろう材印刷量を制御することが困難となる。さらに、Ｃｕ粉末自身は、合金粉末よりも高融点であるため、特に粗大粒子は反応性が劣り、一部Ｃｕ粉末粒子の溶け残り箇所が多くなり、この際にはろう付け処理後の密着強度の低下を招く。以上のことより、添加するＣｕ粉末粒子の粒度分布はｄ10を０．２〜０．５μｍ、ｄ90を１０〜２５μｍであることが望ましい。

ｄ10を０．２〜０．５μｍ、ｄ90を１０〜２５μｍで図１（Ａ）は平均粒子径５μｍのＣｕ粉末粒子を２５％添加した後のろう材粒子の形態を示し、図１（Ｂ）はＣｕ粉末が無添加状態のろう材粒子の形態を示している。両図とも左側が１００倍のＳＥＭ写真、右側が１０００倍のＳＥＭ写真である。両者を比較して分かるように（Ｂ）では３０〜５０μｍサイズの母材合金粒子との間に黒く見える隙間（ペースト有機成分）が全体に渡って見られるが、（Ａ）ではＣｕ粉末の添加によって前記隙間部分が埋められて、ろう材粉末の充填密度が高まった状態にある。このことが後述するろう材層表面の凹凸の緩和や外縁部の直線性の改善等に有効に作用していると考えている。

Ｃｕ粉末の粒径及びこの混合粉末中のＣｕ粉末の重量割合は、液相沈降法を用いることで容易に測定することが可能である。なお液相沈降法では、粉末の形態が異形な場合には長径と短径の区別がつかず平均値を粒径とみなしてしまうが、本明細書では、この平均値を粒径とみなすこととし、粒径についての長径、短径の区別はしない。又、本特許での粒径は凝集粒径ではなく一次粒径を指す。これは粉末を超音波で溶媒中に分散させることで容易に測定することが可能となる。
また、図１で示した様に、ろう材ペーストを基板あるいは銅板に印刷した後、観察倍率１０００倍にて観察したＳＥＭ像について、単位面積当たりの合金粉末および添加したＣｕ粉末の割合を、面積率にて評価することが可能である。また、同様の粒径のＣｕ粉末およびＡｇ-Ｃｕ-Ｉｎ-Ｔｉ合金粉末との判別には、エネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＸ）の併用によりＡｇ成分の有無を面分析により評価することで可能となる。

また、ろう材原料粉末を構成するＣｕ粉末と合金粉末の混合方法としては、各成分を粉末の状態でボールミル、アトライター等の撹拌機を用いて混合したり、有機溶媒、バインダーを配合し、ボールミル、プラネタリーミキサー、三本ロールミル等を使って混合し、ペースト状にすることもできる。一般的には、金属粉末状で基板にパターンを形成することは難しいのでペースト状に混練して使用することが望ましい。ペースト状にする際、有機溶剤としてはテネピネオール、メチルセルソルブ、エチルセルソルブ、イソホロン、トルエン、酢酸エチル、テレピネオール、ジエチレンングリコール・モノブチルエーテル、テキサノール等が用いられ、バインダーとしては、ポリイソブチルメタクリレート、エチルセルロース、メチルセルロース、アクリル樹脂等の高分子化合物が用いられる。

良好なろう材のパターンをスクリーン印刷するためには、ペーストの粘度を２０〜２００Pa・sに制御することが好ましい。ペースト中の有機溶剤を全ペースト中の５〜１５質量％、バインダーを１〜５質量％の範囲で配合することにより、印刷性の優れたペーストを得ることができる。加えて、上記範囲でバインダーを配合することにより、印刷後の脱脂工程におけるバインダーの除去が速やかに行われ好適である。又、ペーストとする場合、各成分の分散性をよくするために分散剤を添加することもできる。また、ろう材層の印刷膜厚は２０〜８０μｍであることが良好な接着強度を発現させるために好ましい。

また、窒化アルミニウムや窒化ケイ素基板との接合に供される金属板としては、前記ろう材が接合でき且つ金属板の融点がろう材融点よりも高ければ特に制約はない。一般的には、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、銀、銀合金、ニッケル、ニッケル合金、ニッケルメッキを施したモリブデン、ニッケルメッキを施したタングステン、ニッケルメッキを施した鉄合金等を用いることが可能である。
この中でも銅を金属部材として用いることが、電気的抵抗及び延伸性、高熱伝導性（低熱抵抗性）、マイグレーションが少ない等の点から最も好ましい。
また、アルミニウムを金属部材として用いることは、電気的抵抗、高熱伝導性（低熱抵抗性）は、銅に劣るものの、アルミニウムが持つ塑性変形性を利用して、冷熱サイクルに対する実装信頼性を有する点で好ましい。
その他にも電気的抵抗を重視すれば銀を用いることも好ましく、また電気的特性よりも接合後の信頼性を考慮する場合にはモリブデンやタングステンを用いれば、該金属の熱膨張率が窒化アルミニウム、窒化ケイ素に近いことから接合時の熱応力を小さくすることができるので好ましい。

次に、セラミックス回路基板の構成例を図２に示す。図２において７は厚さ０．３〜０．６ｍｍ、熱伝導率７０W／ｍ・K以上の窒化ケイ素焼結体からなるセラミックス基板（以下、窒化ケイ素基板を例にする。）である。窒化ケイ素基板７の一方の面（主面）には、銅板３、４、５が上述したろう材からなるろう材層８、９、１０を介して接合されている。一方、窒化ケイ素基板７の他方の面（下面）には、放熱用の平板状の銅板１１がろう材層１２を介して接合されている。ろう材層８、９、１０及び１２は、各銅板３、４、５及び銅板１１の外周端面から所定量だけはみ出したはみ出し部２０を形成している。このはみ出し部のはみ出し長さＨは、少なくとも０．２ｍｍ以上、好ましくは０．３〜１．２ｍｍとすることにより窒化ケイ素基板７と銅板３、４、５及び銅板１１の端面部に集中する熱応力を緩和させることができる。また、銅板３、４、５及び銅板１１の端面の全周には傾斜面３ａ、４ａ、５ａ及び１１ａが形成されている。この傾斜面の傾斜角度は３０°〜６０°に設定し曲面状に形成しても良い。尚、傾斜面３ａ、４ａ、５ａは、予めパターン形成するのと同時に設ける。手法としては、例えば、エッチングあるいはプレス加工および放電加工等のよる。本実施例では、銅板１１の傾斜面１１ａは予め銅板１１をプレス加工する際に同時に形成したものである。

続いて、本発明をセラミックス回路基板の製造方法と共に説明する。
平均粒子径が０．２〜３．０ｍｍの窒化ケイ素粉末：９６質量％に対し、ＭｇＯ：３質量％、およびＹ_２Ｏ_３：１質量％の焼結助剤を添加した混合粉末を作製した。次に、アミン系の分散剤を２質量％添加したエタノール・ブタノール溶液を満たしたボールミルの樹脂製ポット中に、前記混合粉末および粉砕媒体の窒化ケイ素製ボールを投入し、４８時間湿式混合した。次に、前記ポット中の混合粉末：８３．３質量％に対しポリビニル系の有機バインダー：１２．５質量％および可塑剤（ジメチルフタレ−ト）：４．２質量％を添加し、次いで４８時間湿式混合し、シート成形用スラリーを得た。この成形用スラリーを脱泡、溶媒除去により粘度を調整後、ドクターブレード法によりグリーンシートを成形した。次に、成形したグリーンシートを空気中４００〜６００℃で２〜５時間加熱することにより前記有機バインダー成分を十分に脱脂（除去）し、次いで脱脂体を０．９ＭＰａ（９気圧）の窒素雰囲気中で１９００℃×５時間焼成し、５０μm/inch以上の反りが生じた場合について、同窒素雰囲気中で１８００℃×５時間の反り直し熱処理を行い、その後室温に冷却した。得られた窒化ケイ素焼結体シートをサンドブラスト処理により表面性状を調整し、縦５０ｍｍ×横３０ｍｍ×厚さ０．６３ｍｍの窒化ケイ素基板を得た。

次に、図３に示すように、窒化ケイ素基板７の主面にスクリーン印刷により上述したろう材ペーストを予め設計された回路パターン形状に沿ってその厚さが３０〜５０μｍになる様に所定メッシュを選定して塗布し、ろう材層８、９、１０を形成する。このとき、窒化ケイ素基板７の主面にろう材を塗布する範囲は、銅板３、４、５を接合する範囲よりはみ出し部長さＨほど外側にはみ出すようにする。また、ペーストを均一に塗布することが重要であるが、塗布方法としてはスクリーン印刷法、メタルマスク印刷法、ロールコート法、吹き付け、転写等の任意の方法が考えられる。一般的にはスクリーン印刷法が最も簡便で採用しやすい。尚、ペースト中に粗大粒があるとスクリーンの目詰まり等が発生して所望のパターンに印刷できない場合があるので、粗大な粉末は含まないようにする。より微細な配線パターンを印刷する場合には細かいメッシュのスクリーンを使用しなければならず、より目詰まりも発生しやすいので、例えば、＃３００メッシュのスクリーンを使用する場合には、粉末の最大粒径を５０μｍ以下に制御することが好適である。

ペーストを塗布した後は一般的には脱脂を行い、バインダー成分を除去する。脱脂中の加熱温度、時間等の処理条件についてはバインダー成分によって種々異なるが、処理中の雰囲気については窒素中、アルゴン中のような非酸化雰囲気もしくは真空中での処理を行えば、活性金属が酸化されることなく好適である。
また、ろう材ペースト用のバインダー選定により、別途脱脂プロセスを設けることなくろう付け処理の昇温過程で、所定温度にて保持することで、脱脂・ろう付け処理を同時に行うことができる。この場合、バインダー選定が重要となるが、例えば、αテネピネオールを溶媒とし、ポリイソブチルメタクリレート、ジエチレンングリコール・モノブチルエーテルを用いた場合、高真空下熱処理においても、灰化カーボンが残存することなく、接合強度が得られる。本発明では、脱脂・ろう付けの同時処理を行っている。

一方、図４に示すような、前記ろう材層８、９、１０のパターンと相似形の回路パターンの銅板を別途用意する。この銅板の回路パターン３、４、５は一部の架橋部６ａ〜６ｄを介してプレス加工により一体成形している。また、予め図４の様に予め回路パターンを形成する方法として、プレス加工以外には、エッチング法、放電加工等を用いてもよい。銅板３、４、５の大きさはろう材層８、９、１０によるはみ出し部が形成されるように若干小さめであり、端部は上方に向かって狭まる傾斜面３ａ〜５ａを有している。

次に、ろう材層が銅板と窒化ケイ素基板との間に配置されるように部材同士を重ねる。即ち、ろう材層８、９、１０を塗布した窒化ケイ素基板７の主面上に、各銅板３、４、５の端面全周からろう材層８、９、１０が間隔Ｈほどはみ出るように位置合わせをしながら、ろう材層を覆うように長方形状の回路用銅板を載置する。一方の窒化ケイ素基板７の他面（下面）には、同じくろう材層がはみ出るように放熱用銅板１１を載置し、それぞれ加圧状態で保持する。

次に、回路用銅板と放熱用銅板を載置した窒化ケイ素基板７を所定温度と時間に渡って熱処理した後、冷却することにより、図５のように窒化ケイ素基板７に回路用銅板と放熱用銅板を強固にろう材層を介して接合する。
尚、ろう材が窒化ケイ素基板と銅板を十分に濡らし、また、回路パターン潰れがなく、回路端部に位置するろう材はみ出し部を形成するため、更に両者の熱膨張の違いからくる残留応力による耐熱衝撃性の低下を防止するためには、接合温度は７００〜８００℃が好ましい。また、雰囲気については真空中で処理を行うことが活性金属粉末及び銅粉末、銅板が酸化されること無く良好な接合状態を得ることができ、特に１０^-２Ｐａ以下の真空度で接合することが望ましい。さらに接合時に適度な荷重をかけることで銅板とろう材および窒化ケイ素基板とろう材がより確実に接触でき、良好な接合状態が得られる。重さとしては２０〜１５０ｇ／ｃｍ²の荷重を採用できる。

さて、ここで上記熱処理によるろう材層の影響について調べた。熱処理後のろう材層を観察した写真を図６に示す。図６（Ａ）は本発明によるろう材を用いたもので、平均粒子径５μｍのＣｕ粉末粒子を２５％添加したろう材層の表面性状を示している。図６（Ｂ）は従来例であって同じろう材であるがＣｕ粉末を添加していないろう材層の表面性状である。両図とも左側が１．７倍の実体顕微鏡写真、右側が１３．５倍の拡大写真である。このようにＣｕ粉末無添加の（Ｂ）では鱗状の凹凸が表面全体に生成されており、その最大表面粗さＲmaxは５０〜８０μｍに達している。このろう材層について金属板とセラミックス基板の接合強度を評価するためにピ−ル強度試験を行った。ピ−ル強度試験は、銅板の一端部が基板の外部に５ｍｍ程度突出するように、また、接合面積を１０ｍｍ×１０ｍｍとして接合し、これを９０度上方に引張り上げるのに要する長さ単位当りの力を評価した。この方法により金属板とセラミックス基板の密着強度試験を行ったところ、ピール強度は１０(kN/m)以下となり密着強度が弱いことが確認された。

一方、図６（Ａ）の本発明のろう材層からは鱗状の凹凸は解消され、はみ出し部となる外縁部の最大表面粗さＲmaxは１５〜２０μｍの範囲に低減されている。図６（Ｂ）における鱗状の凹凸部について、波長分散型Ｘ線分析装置（ＷＤＸ）を用い成分分析を行った結果、凹部では主成分がＣｕ-Ｔｉ相からなり、また、凸部はＡｇ-Ｉｎ相およびＣｕ-Ｉｎ相からなり、Ｔｉ添加量が多い程、凹部の生成頻度が大きくなることが判明した。つまりこれは冷却過程では、融点の高いＣｕ-Ｔｉ相が最初に析出し、温度低下と共に収縮が起こる。続いてＡｇ-Ｉｎ相およびＣｕ-Ｉｎ相が析出するが、これらは低融点のＩｎを含むため、Ｃｕ-Ｔｉ相よりも低温度領域まで液相を維持する。このため、Ａｇ-Ｉｎ相およびＣｕ-Ｉｎ相とＣｕ-Ｔｉ相の間で収縮差が生じ、凹凸形状となってしまうのである。そこで、本発明ではＡｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｔｉ合金粉末にＣｕ粉末を添加することで、比較的融点の高いＣｕ-Ｉｎ相を多く析出させ、先に析出するＣｕ-Ｔｉ相との収縮差を抑制することに効果があると考えたものである。また、Ｃｕ-Ｔｉ相の生成は、合金粉末中のＴｉ量、ならびに、合金粉末とＣｕ粉末を混合した場合のＣｕ/Ａｇ比に大きく関与し、Ｔｉ量が多い程、Ｃｕ/Ａｇ比が多い、すなわちＣｕ含有量が多い程、鱗状の凹凸部の生成頻度が高くなる。したがって、この鱗状の凹凸部を抑制するには、Ｃｕ／Ａｇ比を低くすることが肝要であるが、もう１つの問題であるろう材成分の回路表面部のはね上がり現象を抑制するためには、むしろＣｕ成分が高い方が望ましい。このため、Ｔｉ量を限定してＣｕ−Ｔｉ相の生成を抑制することが肝要であり、Ｔｉ量を０．２〜２．０質量％に制御することが必要であることを見出した。

さて、図６（Ａ）についても同様に密着強度を確認したところピール強度は２０(kN/m)超となり密着強度が向上することも確認された。これらのことより鱗状の凹凸部が密着強度に強く関与しており、定量的には最大表面粗さＲmaxが５〜５０μｍの範囲にあれば十分な密着強度を確保できることが分かった。例えば、５μｍ未満とする場合には、合金粉末中のＩｎ量を低減することでも可能となるが、この場合、Ａｇ-Ｃｕ合金の共晶温度の７８０℃以下での冷却過程で瞬時に液相凝固が起こり、局所的な核生成が起こり不均一凝固が進む。この過程では収縮挙動にも局所的な差異が発生し、ろう材と銅板間に引け巣が発生しやすく平均径０．５ｍｍ超の大きなボイドを不均一に残留させてしまう。この局所的に存在する大きなボイドは回路基板としては致命的な欠陥であり、高電圧負荷時はリーク電流が生じ絶縁性低下を招来する。したがって、溶融温度の低減のためには、Ｉｎ量を５％〜２０％に設定し上で、十分な密着強度を確保ならびに、回路基板の絶縁耐圧を維持するためには、鱗状の凹凸部の粗さはＲmaxを５〜５０μｍに制御することが好ましい。
Ｃｕ粉末粒子の平均粒径と添加量による凹凸面の粗さ、密着強度の相関を下記する実施例に示す。

また、ろう材層の外縁部がにじむように広がる現象についても観察した。図７に示すようにろう材層の外縁部を拡大すると凹部と凸部を繰り返したうねりの状態を呈している。本発明におけるうねりとは、例えば、図７に示すように、任意の実体顕微鏡観察像において、単位長さ（mm）における凹部と凸部との最大差の距離Ｈにて表す。このうねりを測定したところ上記図６（Ｂ）の場合が１００μｍ超であったところ、図６（Ａ）においては５０μｍ以下に収まっていることが確認された。この結果も上記で説明したＡｇ-Ｃｕ-Ｉｎ-Ｔｉ合金粉末にＣｕ粉末を添加しことによる効果であると考えられる。ここで、このうねりが１００μｍ超では、セラミックス回路基板の回路パターン幅、絶縁間隔を制御することが困難となり、特に、微細なパターン構成には対応できない。また、ろう材はみ出し部によるセラミックス基板への応力集中を充分に緩和することができない。また上記で説明した凹凸部の形成度合いにも大きく関与する。これらのことよりうねりは、１０μｍ〜１００μｍであることが好ましい。
これら本発明によるＣｕ粉末の平均粒径と添加量によるうねりの相関についても下記する実施例に示す。

以下、実施例と比較例を挙げて本発明を具体的に説明する。
（実施例）
Ａｇ：５８．８質量％、Ｃｕ：２７．５質量％、Ｉｎ：１２．５質量％、Ｔｉ：１．２質量％及び不可避不純物からなる合金粉末に、下表１に示すＣｕ粒子粉末を添加し、全ペーストに占める割合でα-テネピネオール６質量％、ジエチレンングリコール・モノブチルエーテル５質量％、ポリイソブチルメタクリレート５質量％、分散剤０．１質量％を配合したのちプラネタリーミキサーを用いて混合を行い、１２０Pa・sのペーストを作成した。使用した母材合金粉末の平均粒径は３０μｍであった。
このペーストを縦５０mm×横３０mm×厚さ０．６３mm寸法の窒化ケイ素質焼結体製の基板上にスクリーン印刷により図３のようなパターンで厚み２５μｍではみ出し部Ｌが０．３ｍｍとなるように塗布した。ここで、ろう材はみ出し量を０．２５ｍｍ以上を設計値としているが、これは、金属回路板端部付近のセラミックス基板への応力集中を緩和する効果が最大となる値であり、この場合、応力集中を約６０％に低減できる。
この後、１２０℃×３０分大気中で乾燥し、続いて、回路用銅板−窒化ケイ素基板−放熱用銅板と重ねた後、７０ｇ／ｃｍ²の荷重をかけながら真空中（１０^-2Pa）、７８０℃×１０分保持の熱処理を施して銅板と窒化ケイ素基板の接合を行った。用いた銅板の板厚は、エッチング後の回路基板の反り、ならびにはんだリフロー後のモジュール実装形状、さらには、回路基板と放熱基板（例えば、Cu、Cu-W、Mo、Cu-Cu0、Al-SiC等）のはんだ不良欠陥の防止を考慮して、回路側が１．０ｍｍｔ、放熱側を０．８ｍｍｔとして各々のセラミックス回路基板を作製した。
それぞれのセラミックス回路基板の銅板表面へのろう材の流れ出しを観察し、また超音波探傷機で接合状態を観察した。さらに、接合した銅板を窒化ケイ素基板に対して９０°方向に引っ張り、ピール強度を測定して密着強度とした。また、はみ出し部の外縁部の単位長さ当りの最大面粗さＲmax（表面凹凸）と、最外縁のうねり量Ｈをそれぞれ測定した。

（比較例）
ろう材ペーストの作製、窒化ケイ素基板への印刷、ろう付け条件等は上記実施例と同様に行い、表１の試料No.３１〜４１に示す合金粉末及びＣｕ粉末添加した。これらについて上記と同様に銅板表面へのろう材の流れ出しを観察し、表面粗さ、密着強度、うねり量を測定した。

表１の実施例Ｎｏ.１〜２４より以下の知見が得られた。
Ｃｕ：２５〜５５質量％、Ｉｎ：５〜２５質量％、Ｔｉ：０．２〜２．０質量％、残部Ａｇ及び不可避不純物からなる平均粒子径１〜４０μｍ合金粉末に、さらに平均粒子径１〜１５μｍのＣｕ粉末粒子を５〜３０質量％添加した場合、スクリーン印刷後の印刷パターンむらが生じるなどの不具合がなく、ろう材層表面の鱗状凹凸を緩和する効果が確認できた。また、Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｔｉ系合金粉末の平均粒径は１５〜４０μｍであって、これに上記仕様のＣｕ粉末を添加することで、ろう材の充填密度を向上することができ、特に、添加するＣｕ粉末の粒度分布を規定することで、ろう材の最密充填を達成することができた。これらによりペースト印刷時の塗布量の制御、ろう付け過程での粒子間の反応性促進が達成できる。よって、銅板とセラミックス基板の接合強度を強化することが可能となった。

回路基板のピ−ル強度を測定したところ、いずれも２０(kN/m)以上の高い接合強度を有することが確認できた。また、ろう材層表面の凹凸の緩和、ろう材層の拡がりの抑制、外縁部の直線性の改善ができ、これによりセラミックス基板のろう材はみ出し部の外縁部におけるＲmaxがいずれも５０μｍ以下で２２〜４４μｍに抑制されており、さらに外縁部の境界線におけるうねりも１００μｍ以下でほとんどが５０μｍ以下に低減されている。ろう付け後の回路パターン潰れの防止作用、更にはろう材はみ出し部の応力緩和の作用を発現することができ、量産性に優れ、かつ耐冷熱サイクル性に優れるセラミックス回路基板の製造が容易になった。

これに対し、表１の比較例のＮｏ.３１〜４１より以下の知見が得られた。
Ｎｏ.３１は、合金粉末中のＣｕ含有量が%２５％未満の１０．８％であり、ろう付け接合後の銅板表面にろう材の流れ出しが生じる不具合があった。
Ｎｏ.３２は、合金粉末中のＣｕ含有量が５５％超の６０．８％であり、含有量が多く、ろう材と銅板との接合強度が低下するため、密着強度が１５．０(kN/m)に低下した。
Ｎｏ.３３および３４のＣｕ粉末の無添加では、ろう材表面部の凹凸が５０μｍ超、密着強度が２０(kN/m)未満、ろう材はみだし端部のうねりが１００μｍ超となった。
Ｎｏ.３５は、Ｃｕ粉末の添加量が３０％超であり、この場合ろう材の融点が上昇し、７００℃〜８００℃のろう付け処理では、未接合部が多く、密着強度は低下し１５．０(kN/m)となった。

Ｎｏ.３６は、合金中のＩｎ含有量が５％未満で、この場合ろう材の融点が上昇し、７００℃〜８００℃のろう付け処理では、未接合部が多く、密着強度は低下し１６．０(kN/m)
となった。
Ｎｏ.３７は、合金中のＩｎ含有量が２５％超であり、この場合ろう材の融点が低下し、７００℃〜８００℃のろう付け処理では、回路パターンくずれがあり、また、ろう付け接合後の銅板表面にろう材の流れ出しが生じる不具合があった。更に、ろう材表面部の凹凸が５０μｍ超、密着強度が２０(kN/m)未満、ろう材はみだし端部のうねりが１００μｍ超となった。

Ｎｏ.３８は、合金粉末中のＴｉ含有量が０．２％未満であり、この場合ろう材層と窒化ケイ素基板の界面に形成されるＴｉＮ相量が欠乏するため、ピ−ル強度は低下し１０．０(kN/m)となった。
Ｎｏ.３９は、合金粉末中のＴｉ含有量が２．５％超であり、この場合ろう材層中に脆性相のＴｉ-Ｓｉ相が形成されるため、ピ−ル強度は低下し１５．０(kN/m)となった。

Ｎｏ.４０は、合金粉末の平均粒径が１０μｍ未満であるが、このとき、加熱過程でろう材粉末の反応性が高くなり、ろう付け接合後の銅板表面にろう材の流れ出しが生じる不具合があった。
Ｎｏ.４１は、合金粉末の平均粒径が５５μｍ超であり、この場合加熱過程でろう材粉末の反応性が悪く、７００℃〜８００℃のろう付け処理では、接合に充分なろう材融液を生じることができず、未接合部が多く、このときにもピ−ル強度は低下し、１８．５(kN/m)
となった。

本発明のろう材によれば、得られた接合部材は回路表面部へのろう材の流れ出しが無く、超音波探傷機による観察でも接合状態は良好であった。
上記実施例のこの回路基板に対し、３点曲げ強度の評価および耐冷熱サイクル試験を行った。その結果、曲げ強度が６００ＭＰａ以上と大きく、回路基板の実装工程における締め付け割れおよびはんだ付け工程時の熱応力に起因するクラックの発生する頻度がほぼ見られなくなり、回路基板を使用した半導体装置の製造歩留まりを大幅に改善できることが実証された。また、耐熱サイクル試験は、−４０℃での冷却を２０分、室温での保持を１０分および１２５℃における加熱を２０分とする昇温/降温サイクルを１サイクルとし、これを繰り返し付与し、基板部にクラック等が発生するまでのサイクル数を測定した。その結果、３０００サイクル経過後においても窒化ケイ素質焼結体製基板の割れや銅製回路板の剥離はなく、優れた耐久性と信頼性を兼備することが確認された。また、３０００サイクル経過後においても耐電圧特性の低下は発生しなかった。

ろう材を構成する粒子形態を示すＳＥＭ写真であって、（Ａ）は本発明の一実施例のろう材を示し、（Ｂ）は従来のＣｕ粉末無添加の例を示す。本発明のセラミックス回路基板の一実施形態を示す側面図である。図２のセラミックス基板に塗布したろう材層を示す上面図である。予め所定の回路パターンを形成した金属板（Ｃｕ）の例を示す上面図である。図３のセラミックス基板に図４の銅板を接合した状態を示す上面図である。セラミックス基板に銅板を接合する際の熱処理によるろう材層の態様を示し、（Ａ）は本発明例、（Ｂ）は従来例である。セラミックス基板に銅板を接合する際の熱処理によるろう材層の外縁部の直線性を示し、（Ａ）は本発明例、（Ｂ）は従来例である。

符号の説明

１：回路用金属板
３、４、５：金属（銅）板
３ａ、４ａ、５ａ：傾斜面
３ｂ、４ｂ、５ｂ：半導体チップとの接合面
３ｃ、４ｃ、５ｃ：セラミックス基板との接合面
７：セラミックス基板
８、９、１０：ろう材層
１１：金属（銅）板
１２：ろう材層
２０：はみ出し部

Claims

セラミックス基板の少なくとも一方の面にろう材層を介して、予め所定の回路パターンを形成した金属板を接合してなるセラミックス回路基板に用いられるろう材であって、Ｃｕ：２５〜５５質量％、Ｉｎ：５〜２５質量％、Ｔｉ：０．２〜２．０質量％、残部Ａｇ及び不可避不純物からなる平均粒子径１５〜４０μｍの合金粉末に、さらに平均粒子径１〜１５μｍのＣｕ粉末粒子を５〜３０質量％添加したことを特徴とするセラミックス基板用ろう材。
前記Ｃｕ粉末粒子の平均粒子径ｄ50を１〜１５μｍとし、このときｄ10を０．２μｍ〜０．５μｍ、ｄ90を１０〜２５μｍとしたことを特徴とする請求項１記載のセラミックス基板用ろう材。
前記Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｔｉ系合金粉末の平均粒径が１５〜４０μｍであって、これら合金粉末粒子間の間隙を埋めるように前記Ｃｕ粉末粒子が充填されていることを特徴とする請求項１又は２記載のセラミックス基板用ろう材。
セラミックス基板の少なくとも一方の面に複数の回路パターンに沿ったろう材層を形成し、当該ろう材層を介して予め所定の回路パターンを形成した金属板を接合して回路パターンを形成すると共に、前記金属板の外縁からはみ出した前記ろう材層によるはみ出し部を形成したセラミックス回路基板において、前記金属板を接合する前のろう材層の外縁部における最大面粗さＲmaxが５〜５０μｍであることを特徴とするセラミックス回路基板。
セラミックス基板の少なくとも一方の面に複数の回路パターンに沿ったろう材層を形成し、当該ろう材層を介して予め所定の回路パターンを形成した金属板を接合することにより回路パターンを形成すると共に、前記金属板の外縁からはみ出した前記ろう材層によるはみ出し部を形成したセラミックス回路基板において、前記金属板を接合する前のろう材層の外縁部の境界線における凹所と凸所との距離が１０μｍ〜１００μｍであることを特徴とするセラミックス回路基板。
前記セラミックス基板は窒化ケイ素質焼結体からなり、前記金属板が銅板であることを特徴とする請求項４〜５の何れかに記載のセラミックス回路基板。