JP2021143120A

JP2021143120A - セラミックス回路基板およびその製造方法

Info

Publication number: JP2021143120A
Application number: JP2021029383A
Authority: JP
Inventors: 達也外木; Tatsuya Tonoki; 佳紀山本; Yoshinori Yamamoto; 繁幸濱吉; Shigeyuki Hamayoshi
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2020-03-10
Filing date: 2021-02-26
Publication date: 2021-09-24

Abstract

【課題】銅板が高導電率を有するセラミックス回路基板およびその製造方法を提供する。【解決手段】セラミックス基板の一面にろう材層を介して接合された銅板を備えるセラミックス回路基板であって、前記銅板は、０．０３質量％を超え０．１５質量％以下のＺｒを含有し、残部が銅および不可避的不純物である銅合金からなり、ＪＩＳＨ０５０１：１９８６に規定の伸銅品結晶粒度試験方法の切断法による平均結晶粒径が１００μｍ以下、導電率がＩＡＣＳ基準に対して９６％以上１００％未満である、セラミックス回路基板。【選択図】図１

Description

本発明は、パワーモジュールに使用されるセラミックス回路基板およびその製造方法に関する。

セラミックス回路基板（以下、単に回路基板と言う場合がある）は、例えば、特開２００３−１１０２２２号に開示されている。特開２００３−１１０２２２号に記載の回路基板は、セラミックス基板の少なくとも一方の面にろう材を介して接合された銅板を備えている。また、特開２００３−１１０２２２号に開示によれば、セラミックス基板の少なくとも一方の面にろう材を介して銅板を接合し、その銅板の表面の所定の部分にレジストを塗布して銅板の不要部分をエッチングすることにより回路部を形成し、レジストを維持したまま不要なろう材およびろう材とセラミックス基板との反応生成物を除去し、その後、レジストを剥離することにより回路パターンが形成され、回路基板となる。

特開２００３−１１０２２２号公報

例えば、回路基板を構成する銅板の平均結晶粒径が過度に大きい場合、ろう材を介したセラミックス基板との接合性を損なうことが懸念される。そこで、平均結晶粒径を比較的小さく形成した銅板をセラミックス基板の一面にろう材を用いて接合したところ、回路基板を構成する銅板の導電率が低下する不都合が生じた。こうした銅板の導電率の低下に起因して、回路基板の電気的性能が低下することが懸念される。

本発明の目的は、セラミックス基板の一面にろう材層を介して接合された銅板が高導電率を有するセラミックス回路基板およびその製造方法を提供することにある。

上記目的に鑑み、鋭意研究の結果、ろう材を介してセラミックス基板に接合する際の銅板の結晶粒の粗大化に起因して回路基板を構成する銅板の導電率が低下することを突き止めた。そして、銅板とセラミックス基板をろう付けする際の温度プロファイルを工夫することにより、回路基板を構成する銅板の導電率の低下が抑制されることを見出し、本発明に想到した。

本発明のセラミックス回路基板は、
セラミックス基板の一面にろう材層を介して接合された銅板を備えるセラミックス回路基板であって、
前記銅板は、０．０３質量％を超え０．１５質量％以下のＺｒを含有し、残部が銅および不可避的不純物である銅合金からなり、ＪＩＳＨ０５０１：１９８６に規定の伸銅品結晶粒度試験方法の切断法による平均結晶粒径が１００μｍ以下、導電率がＩＡＣＳ基準に対して９６％以上１００％未満である。

上記のセラミックス回路基板において、前記銅板は、熱伝導率が３７５Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。

上記のセラミックス回路基板において、前記セラミックス基板は、窒化ケイ素焼結基板とすることができる。

本発明のセラミックス回路基板の製造方法は、セラミックス基板の一面にろう材を介して銅板を接合する接合工程を有するセラミックス回路基板の製造方法であって、
０．０３質量％を超え０．１５質量％以下のＺｒを含有し、残部が銅および不可避的不純物である銅合金からなる前記銅板を用いて、
７７０〜８８０℃の範囲内の温度で加熱する加熱工程と、前記加熱工程の後に５０分以上の時間をかけて３５０℃まで温度を下げる降温工程とを含む、前記接合工程とする。

本発明は、高導電率の銅板を備えるセラミックス回路基板およびその製造方法を提供することができる。

セラミックス回路基板を模式的に示す正面図である。図１を上方から見た平面図である。図１のセラミックス回路基板の製造方法を説明する第１の平面図である。図１のセラミックス回路基板の製造方法を説明する第２の平面図である。図１のセラミックス回路基板の製造方法を説明する第３の平面図である。図１のセラミックス回路基板の製造方法を説明する第４の平面図である。

この本発明のセラミックス回路基板は、例えば、図１および図２に示すセラミックス回路基板Ｗである。このセラミックス回路基板Ｗは、セラミックス基板Ｓと、セラミックス基板Ｓの上面（一面）に間隙Ｇを介して形成された二つのろう材層Ｃ１，Ｃ２（以下、第１のろう材層Ｃ１および第２のろう材層Ｃ２と言う場合がある。）と、セラミックス基板Ｓの上面側に前記二つのろう材層Ｃ１，Ｃ２を介し各々接合された、半導体素子等が搭載される回路板として機能する二つの銅板Ｍ１，Ｍ２（以下、第１の銅板Ｍ１および第２の銅板基板Ｍ２と言う場合がある。）を基本的な構成として備える。前記二つの銅板Ｍ１，Ｍ２の表面には、Ｎｉ、Ａｕ等のメッキ層が必要に応じ形成されることがある。図１および図２に示すセラミックス回路基板Ｗは、セラミックス基板Ｓの下面（他面）にろう材層Ｃ３を介し接合された、放熱板として機能する銅板Ｍ３を有する。なお、銅板はＭ１，Ｍ２の二つに限定されず、上面側に三つ以上の銅板を有してもよい。

この本発明のセラミックス回路基板を構成するセラミックス基板は、その種類は特に限定されず、アルミナ、炭化珪素などを用いることができるが、高熱伝導率を有するという観点から、窒化珪素又は窒化アルミニウムが好ましい。セラミックス基板の表面に存在する空孔の最大径を１５μｍとするのが好ましい。前記空孔の最大径が１５μｍを超える場合、セラミックス基板の強度が低下し、例えば冷熱サイクル下におけるセラミックス回路基板の信頼性を劣化させる。特に強度および破壊靭性など機械的強度の面で優れた窒化珪素質焼結体で構成するのがより好ましい。

前記窒化珪素質焼結体は、例えば９０〜９７質量％の窒化珪素、および０．５〜１０質量％の焼結助剤（Ｍｇの化合物と、Ｙおよびその他希土類元素の少なくとも１種の化合物とを含む）を含む原料粉末を用いて作製することができる。具体的には、この窒化珪素質焼結体は、前記原料粉末に適量の有機バインダ、可塑剤、分散剤および有機溶剤を添加し、ボールミル等で混合し、スラリーを形成し、このスラリーをドクターブレード法やカレンダーロール法で薄板状に成形し、セラミックスグリーンシートを得る。得られたセラミックスグリーンシートを、所望の形状となるよう打ち抜き又は裁断し、１７００〜１９００℃の温度で焼結することにより得ることができる。この場合、焼結助剤が１０質量％を超えると、セラミックス基板と銅板を接合する特性が十分でなくなることがある。また、焼結助剤が０．５質量％未満であると、窒化珪素粒子の焼結が十分でなくなることがある。高い熱伝導率および高強度を得るには、焼結助剤として、マグネシウム（Ｍｇ）を酸化マグネシウム換算で２〜４質量％、イットリウム（Ｙ）を酸化イットリウム換算で２〜５質量％含有するのが好ましい。

この本発明のセラミックス回路基板において、セラミックス基板の一面にろう材を介して接合される銅板の個数は、特に限定されない。この本発明のセラミックス回路基板を構成する銅板は、０．０３質量％を超え０．１５質量％以下のＺｒを含有し、残部が銅および不可避的不純物である銅合金からなる。銅板は、電気的抵抗および延伸性、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好ましい。

この本発明のセラミックス回路基板の製造方法は、セラミックス基板の一面にろう材を介して銅板を接合する接合工程を有するセラミックス回路基板の製造方法であって、０．０３質量％を超え０．１５質量％以下のＺｒを含有し、残部が銅および不可避的不純物である銅合金からなる前記銅板を用いて、７７０〜８８０℃の範囲内の温度で加熱する加熱工程と、前記加熱工程の後に５０分以上の時間をかけて３５０℃まで温度を下げる降温工程とを含む、前記接合工程とする。

以下、この本発明のセラミックス回路基板の製造方法について、図１および図２に示すセラミックス回路基板Ｗを製造する場合を挙げて、適宜、図面を参照して説明する。ここで、セラミックス回路基板Ｗの製造方法は、例えば、（ａ）セラミックス基板、ろう材および銅板を準備する準備工程、（ｂ）セラミックス基板にろう材を塗布するろう材領域形成工程、（ｃ）セラミックス基板、ろう材、銅板の順となるよう重ねる載置工程、（ｄ）接合工程、（ｅ）銅板をエッチングする回路パターン形成工程、（ｆ）不要ろう材層除去工程、並びに、（ｇ）洗浄工程に、区分することができる。（ｄ）接合工程は、この本発明のセラミックス回路基板の製造方法における「加熱工程」および「降温工程」を含む。

（ａ）準備工程
セラミックス基板Ｓと、ろう材（ろう材粉末と有機バインダとを含むペースト）と、銅板Ｍを準備する。

（ｂ）ろう材領域形成工程
図３に示すように、セラミックス基板Ｓにスクリーン印刷等の手法でろう材を塗布することで、間隙Ｇをおいて、ろう材粉末と有機バインダとを含むろう材領域ｃ１，ｃ２を形成する。前記ろう材粉末としては、Ａｇ，Ｃｕ等を所定の組成で含むろう材粉末が挙げられ、前記有機バインダとしては、様々な有機系樹脂を使用することができる。

（ｃ）載置工程
セラミックス基板Ｓのろう材を塗布した側に銅板Ｍを載せ、治具を用いて固定する。

（ｄ）接合工程
接合工程は、「加熱工程」と、「降温工程」とを含む。接合工程に保持工程を加えてもよい。図４に示すように、（ｉ）セラミックス基板Ｓ、（ｉｉ）前記セラミックス基板に形成された、ろう材粉末と有機バインダとを含むろう材領域ｃ１，ｃ２、および（ｉｉｉ）前記ろう材領域を介して載置された銅板Ｍを加熱することで、セラミックス基板Ｓと銅板Ｍとがろう材層を介して接合され、接合体が形成される。接合する為の加熱は、真空中又は還元雰囲気中で行うのが好ましい。昇温過程でろう材ペースト中の有機成分を除去するため、有機バインダの揮発温度近傍（たとえば４００℃付近）で一旦保持することが好ましい（保持工程）。その後に、７７０〜８８０℃のろう付け温度で加熱する（加熱工程（ろう付け工程））。この加熱工程を続ける時間は１０分以上であることが好ましい。ろう付け温度とは、適切にろう材層を形成できる温度、すなわち、ろう材の融点以上の温度である。ろう付け温度は、通常は前記昇温過程の最高温度である。加熱工程の後に、５０分以上の時間をかけて３５０℃まで温度を下げる（降温工程）。ついで、３５０℃から常温まで温度を下げる。

接合工程中の保持工程では、有機バインダを除去するための保持温度が低いと、有機バインダ成分が揮発することが出来ず、有機バインダの残渣が残る恐れがある。従って、有機バインダを除去するための保持温度は３００℃以上とするのが好ましい。例えばアクリル樹脂を含む有機バインダの場合、この保持温度は３６０℃以上とするのが好ましい。有機バインダ中の樹脂等に含まれる酸素によってろう材中の活性金属が酸化されることを避けるために、有機バインダを除去するための保持温度は、加熱工程（ろう付け工程）のろう付け温度よりも低くする。

前記接合工程に用いるろう材は、例えば、高強度、高封着性等が得られる、共晶組成であるＡｇおよびＣｕを主体としＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ等の活性金属を添加したＡｇ−Ｃｕ系活性ろう材が好ましい。さらにセラミックス基板Ｓと銅板Ｍ１〜Ｍ３の接合強度の観点から、前記Ａｇ−Ｃｕ系活性ろう材にＩｎが添加された三元系のＡｇ−Ｃｕ−Ｉｎ系活性ろう材がより好ましい。セラミックス基板Ｓと銅板との接合は、前述したように、前記ろう材粉末と有機バインダとを含むろう材ペーストを用いて行う。ろう材は、たとえば７７０〜８８０℃の融点を有するＡｇ−Ｃｕ系活性ろう材を使用し、ろう付け温度を７７０〜８８０℃とするのが好ましい。７７０℃以上にするとろう材の溶融が十分になり、ボイドの形成を抑える。より好ましくは７９０℃以上にする。８８０℃以下にすると、ろう材が濡れ広がり過ぎることがない。さらに好ましくはろう付け温度を８３０〜８７０℃とする。ろう付け温度で保持する時間は、接合用加熱炉に投入する量に依存するが、通常の生産性を考慮すると５時間以内であるのが好ましく、２時間以内であるのがさらに好ましい。ろう付け温度で保持する時間は、投入する試料の枚数によって、また例えば真空雰囲気にする場合には接合用加熱炉の容積や真空ポンプの排気量に応じて適宜調節して設定する。銅板とセラミックスとがボイドなしで接合されるように、載置工程の際に荷重印加して固定した状態としておき、接合工程で加熱するのが好ましい。

銅板に一般的な無酸素銅を用いた場合、前記のろう付け温度の加熱で結晶粒径が３００μｍを超える大きさまで成長する懸念がある。それに対して、本発明の０．０３質量％を超え０．１５質量％以下のＺｒを含有する銅合金を用いた銅板は、前記のろう付け温度での加熱においても平均結晶粒径を１００μｍ以下に抑制することができる。ここで、Ｚｒの含有量が０．０３質量％以下の場合、ろう付け温度の加熱で平均結晶粒径を１００μｍ以下に抑制することができない。また、Ｚｒの含有量が０．１５質量％を超える場合、導電率の低下が大きくなり、ＩＡＣＳ基準に対して９６％以上を確保できない懸念が生じる。

さらに、本発明の銅板は、ろう付け温度に加熱された状態においては大部分のＺｒが銅の母相に固溶しており、そのままの状態では高い導電率を確保することができない。そこで、高い導電率を確保するために、ろう付け温度から３５０℃まで５０分以上の時間をかけてゆっくり冷却するのである。これにより、Ｚｒは、５５０℃から３５０℃の温度域で銅の母相中に固溶した状態から、母相と別の相を作って析出した状態に変化することができる。ゆっくり冷却することで上記の温度域を通過する時間を十分に確保することにより、Ｚｒの析出が進んで銅の母相が高純度化し、高い導電率を得ることができる。なお、ろう付け温度から３５０℃までの冷却時間が５０分より短い場合、Ｚｒの析出が不十分になり、ＩＡＣＳ基準に対して９６％以上の導電率を確保できない懸念が生じる。

なお、前記銅板の不可避的不純物の含有量は、例えば無酸素銅における不純物の含有量と同等に抑えることが好ましく、具体的には０．０４質量％未満にすることが好ましい。前記銅板の平均結晶粒径は、好ましくは６０μｍ以下、更に好ましくは３０μｍ以下とすることができる。前記銅板は、熱伝導率が３８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが更に好ましい。前記銅板は、平均結晶粒径Ｇ≦１００μｍ、銅板厚さＴ≧０．２ｍｍであることが好ましい（Ｔ／Ｇ≧２．０）。例えば、Ｇ＝６０μｍ、Ｔ＝０．３ｍｍのときはＴ／Ｇ＝５．０、Ｇ＝６０μｍ、Ｔ＝０．５ｍｍのときはＴ／Ｇ＝８．３、Ｇ＝６０μｍ、Ｔ＝０．８ｍｍのときはＴ／Ｇ＝１３．３である。

ろう材ペーストに含まれる有機バインダとしてアクリル樹脂を使用した場合、加熱過程において、ガス化したアクリル樹脂に起因する付着物がセラミックス基板表面に特に付着しやすい。従って、前記有機バインダとしてアクリル樹脂を使用した場合には、たとえばポリアクリル酸エステル、ポリメタクリル酸エステルが挙げられる。好ましくはメタクリル酸エステルを用いる。

（ｅ）回路パターン形成工程
前記接合工程で得られた接合体について、さらに、図５に示すように、接合工程で形成されたろう材層の外縁に沿うパターンで銅板Ｍの表面にレジスト膜Ｒ１，Ｒ２を形成し、エッチングして銅板Ｍを分割し、図６に示すように回路パターンＭ１，Ｍ２を形成する。

（ｆ）不要ろう材層除去工程
上記（ｅ）回路パターン形成工程の後に、不要なろう材層を除去する不要ろう材層除去工程を設けることができる。前記レジスト膜は、前記接合工程で形成された前記ろう材層の外縁に沿うパターンで形成することが好ましい。回路パターン形成工程で形成するレジスト膜は、その厚みを１０〜８０μｍ、好ましくは３０〜７０μｍと薄くすることができる。前記レジスト膜は紫外線硬化型レジスト剤で形成するのが望ましい。

例えば、ろう材除去液として過酸化水素と酸性フッ化アンモニウムとを含む薬液を使用する場合には、１０〜４０質量％（２．９〜８．８ｍｏｌ／Ｌ）の過酸化水素と、１〜８質量％（０．７〜２．１ｍｏｌ／Ｌ）の酸性フッ化アンモニウムとを含む水溶液を使用することができる。過酸化水素が１０質量％未満の場合には、ろう材を除去する能力が不十分であり、４０質量％超の場合には銅板が過度に腐食され、銅板の寸法精度が悪化する。酸性フッ化アンモニウムが１質量％未満の場合には、ろう材層とセラミックス基板の接合界面に生じる活性金属を含む反応層の除去能が低下し、一方で８質量％を超える場合には、セラミックス基板を構成する結晶粒子を溶解し、セラミックス基板に求められる電気的な絶縁性や強度を低下させる。

（ｇ）洗浄工程
洗浄工程において、接合体を薬剤に浸漬して洗浄する。例えば、雰囲気から酸素を低減するのが十分ではなく、前記加熱工程で銅板の表面が酸化した場合、電気伝導性の低下やはんだ付け性の低下を招くことがあるので好ましくない。そこで、接合体を過酸化水素、硫酸、塩酸、塩化アンモニウムから選ばれる少なくとも１種を含む薬剤に浸漬して洗浄することにより、銅板表面の酸化物を除去する。前記薬剤として硫酸を用いることが好ましい。

上記（ｅ）〜（ｇ）の工程の後、銅板間の絶縁抵抗を低下させる付着物は除去或いは低減されている。

その他の工程として、（ｇ）洗浄工程の後、銅板の表面にＮｉ、Ａｕ、Ａｇ等のメッキ層を形成する（ｈ）メッキ工程を有していても良い。例えはＮｉメッキを施す場合、ニッケル（Ｎｉ）を主成分としリン（Ｐ）の濃度が８質量％に調整された無電解メッキ液（８５℃）中に２０〜３０分間浸漬することにより、銅板の表面に厚みが５μｍ程度のＮｉメッキ層を形成することができる。

本発明を以下の実施例で説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（実施例）
実施例の共通部分を［(ａ)準備工程］〜［(ｇ)洗浄工程］として説明し、ついで、銅板および接合工程について実施例１〜４および参考例１〜５で説明する。

［（ａ）準備工程］
銅板とろう材とセラミックス基板を準備する。セラミックス基板Ｓとしては、全原料粉１００質量部においてＳｉ_３Ｎ_４を９３質量％、Ｍｇを酸化物換算で４質量％、Ｙを酸化物換算で３質量％含む窒化珪素基板（図２に示す紙面で表すと、縦横の大きさがそれぞれ３０ｍｍおよび４０ｍｍ、並びに厚みが０．３２ｍｍである）を使用する。ろう材としては、７０．６質量％のＡｇ、２．９質量％のＩｎ、１．９質量％のＴｉ、残部Ｃｕおよび微量の不純物の構成となるよう調整されたろう材粉末１００質量部に対し、有機バインダとして５．３質量部のポリアクリル酸エステル、有機溶剤として１９．１質量部のα−テルピネオール、分散剤として０．５質量部のポリオキシアルキレンアルキルエーテルおよびアルキルベンゼンスルホンサン塩を混合してなるろう材ペーストを使用する。

セラミックス回路基板Ｓの製造方法について、その各工程を示す平面図である図３〜図６を参照しつつ説明する。なお、以下述べるセラミックス回路基板Ｓの製造工程において、回路板である銅板Ｍ１，Ｍ２および放熱板である銅板Ｍ３を形成するための各工程の内容は基本的に同一であるので、銅板Ｍ１，Ｍ２についてのみ詳述し、銅板Ｍ３については省略する。

［（ｂ）ろう材領域形成工程］
図３に示すように、セラミックス基板Ｓの上面（一面）に、厚みがいずれも４０μｍの二つのろう材領域ｃ１，ｃ２を、平面方向において間隙Ｇを介してスクリーン印刷法でろう材ペーストを塗布することによって形成する。図３に示す紙面において、第１のろう材領域ｃ１の大きさは縦横が各々２７．６ｍｍおよび１１．６ｍｍ、第２のろう材領域ｃ２の大きさは縦横が各々２７．６ｍｍおよび２３．６ｍｍであり、間隙Ｇのろう材領域ｃ１，ｃ２間の距離は１．０ｍｍとする。

［（ｃ）載置工程］
前記ろう材領域形成工程の後、図４において、ろう材領域ｃ１，ｃ２にろう材領域ｃ１，ｃ２を覆う大きさの厚みが０．５ｍｍである一枚の銅板Ｍを重ねて、セラミックス基板Ｓ、ろう材領域ｃ１，ｃ２および銅板Ｍを積層し、治具を用いて固定する。

［（ｄ）接合工程］
加熱炉に挿入し、真空雰囲気下で加熱し、ろう材層Ｃ１，Ｃ２を介しセラミックス基板Ｓと銅板Ｍとを接合して接合体を形成する。なお、接合工程における銅板Ｍの熱膨張を考慮し、図４に示す紙面における銅板Ｍの縦横の大きさは、各々２９．５ｍｍおよび３９．５ｍｍであり、セラミックス基板Ｓの大きさより小さいものを使用する。

接合工程では、有機バインダであるアクリル系樹脂の除去温度である４００℃で１０時間保持する保持工程と、前記保持工程から一定の昇温速度で加熱する昇温工程と、ろう材の溶融温度である７７０℃〜８８０℃で１時間保持する加熱工程（ろう付け工程）と、加熱工程後に５０分以上の時間をかけて３５０℃まで温度を下げる降温工程と、３５０℃から常温まで温度を下げる工程とを有する温度パターンで行う。

［（ｅ）回路パターン形成工程］
接合工程の後、図５に示すように、前記接合体を構成する銅板Ｍの表面に所望のパターンで二つのレジスト膜Ｒ１，Ｒ２を形成し、その後エッチング処理を施して銅板Ｍの不要部を除去し、図６に示すように、平面方向において間隙Ｇを挟む状態で、回路パターンである二つの銅板Ｍ１，Ｍ２を形成する。具体的には、紫外線硬化型エッチングレジストを、下記の第１の銅板Ｍ１および第２の銅板Ｍ２の寸法に対応したパターンで銅板Ｍの表面にスクリーン印刷法で塗布した接合体を、液温５０℃でエッチング液［塩化第２鉄（ＦｅＣｌ_３）溶液（４６．５Ｂｅ）］に浸漬し、銅板Ｍ１，Ｍ２を形成した。なお、図６に示す紙面において、第１の銅板Ｍ１の縦横の大きさは各々２８ｍｍおよび１２ｍｍ、および第２の銅板Ｍ２の縦横の大きさは各々２８ｍｍおよび２４ｍｍとする。

［（ｆ）不要ろう材層除去工程］
図６に示すように、銅板Ｍ１，Ｍ２の表面に形成したレジスト膜を除去して、銅板Ｍ１，Ｍ２の外縁からはみ出した不要なろう材層を、過酸化水素７．６ｍｏｌ／Ｌおよび酸性フッ化アンモニウムを含むろう材除去液で液温４０℃および処理時間４０分で除去する。

［（ｇ）洗浄工程］
セラミックス回路基板を濃度１ｍｏｌ／Ｌ、温度５０℃の硫酸に１０分間浸漬して洗浄して、ついで洗浄液を除去、乾燥して回路基板を得る。

銅板について、平均結晶粒径は、ＪＩＳＨ０５０１に規定された伸銅品結晶粒度試験方法の切断法を用いて測定することができる。銅板の表面を研磨紙およびアルミナ砥粒で鏡面になるまで研磨した後、過酸化水素を加えたアンモニア水で表面をエッチングして結晶粒界を明らかにする。現れた結晶組織について顕微鏡を用いて写真撮影した後、写真上に既知の長さの線分を引き、その線分によって完全に切られる結晶粒数を数えてその切断長さの平均値をもって平均結晶粒径とする。

銅板について、導電率は、例えばフェルスター社製の渦電流式導電率計シグマテストを用いて測定することができる。銅板の表面に接触させたプローブに交流磁界を発生させ、磁場の変化で銅板中に生じた渦電流の強さをプローブで検出することによって導電率を測定する。シグマテストによれば、測定した導電率の値を、ＩＡＣＳ基準による％単位、およびＳＩ単位系によるＭＳ／ｍ単位の両方の単位表示で得ることができる。

銅板の熱伝導率について、セラミックス基板と接合した状態で銅板部分のみの熱伝導率を測定することは困難である。一方、熱伝導率と導電率の間にはウィーデマン・フランツの法則と呼ばれる比例関係があることが知られている。そこで、銅板の熱伝導率は、導電率の測定値からウィーデマン・フランツの法則による下記の数式を用いて計算することができる。

Ｋ＝ＬＴσ
Ｋ：熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）
σ：導電率（Ｓ／ｍ）
Ｌ：２０℃の銅による補正ローレンツ数、２．３×１０^−８Ｗ／Ｓ・Ｋ^２
Ｔ：温度（Ｋ）

本発明で規定した銅板のＺｒ含有量について、その規定範囲の理由を実施例と参考例を挙げて説明する。Ｚｒ含有量が本発明の規定範囲を満足する実施例１〜４は、銅板の平均結晶粒径が１００μｍ以下と小さく、セラミックス基板の接合性に優れている。また、銅板の導電率はＩＡＣＳ基準に対して９６％以上であり、熱伝導率は３７５Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。実施例１〜４は、任意の１２０μｍ幅の領域を観察したが平滑であり、幅２０μｍ以上の凹部は観察されていない。

・実施例１
［(ａ)準備工程］〜［(ｇ)洗浄工程］で述べた構成について、［(ｄ)接合工程］でＺｒ含有量が０．０４質量％である銅板を用いた。ろう付け工程は、ろう付け装置にて雰囲気温度を調整してろう付け温度８００℃とし、保持する時間は１ｈとした（加熱工程）。その後、雰囲気温度をろう付け温度から３５０℃まで５０分かけて降下させた（降温工程）。作製した回路基板について銅板の平均結晶粒径を測定したところ、６０μｍであった。また、銅板とろう材層の界面について、任意の１２０μｍ幅の領域を観察したが平滑であった。また、銅板の導電率を測定したところ、ＩＡＣＳ基準に対して９８％であった。測定した導電率から計算した熱伝導率は、３８３Ｗ／ｍ・Ｋであった。

・実施例２
［(ａ)準備工程］〜［(ｇ)洗浄工程］で述べた構成について、［(ｄ)接合工程］でＺｒの含有量が０．０７質量％である銅板を用いた。ろう付け工程は、実施例１と同様にろう付け温度８００℃とし、保持する時間は１ｈとした（加熱工程）。その後、実施例１と同様に雰囲気温度をろう付け温度から３５０℃まで５０分かけて降下させた（降温工程）。作製した回路基板について銅板の平均結晶粒径を測定したところ、３０μｍであった。また、銅板とろう材層の界面について、任意の１２０μｍ幅の領域を観察したが平滑であった。また、銅板の導電率を測定したところ、ＩＡＣＳ基準に対して９７％であった。測定した導電率から計算した熱伝導率は、３７９Ｗ／ｍ・Ｋであった。

・実施例３
［(ａ)準備工程］〜［(ｇ)洗浄工程］で述べた構成について、［(ｄ)接合工程］でＺｒの含有量が０．１５質量％である銅板を用いた。ろう付け工程は、実施例１と同様にろう付け温度８００℃とし、保持する時間は１ｈとした（加熱工程）。その後、実施例１と同様に雰囲気温度をろう付け温度から３５０℃まで５０分かけて降下させた（降温工程）。作製した回路基板について銅板の平均結晶粒径を測定したところ、１５μｍであった。また、銅板とろう材層の界面について、任意の１２０μｍ幅の領域を観察したが平滑であった。また、銅板の導電率を測定したところ、ＩＡＣＳ基準に対して９６％であった。測定した導電率から計算した熱伝導率は、３７５Ｗ／ｍ・Ｋであった。

・実施例４
［(ａ)準備工程］〜［(ｇ)洗浄工程］で述べた構成について、［(ｄ)接合工程］でＺｒの含有量が０．０４質量％である銅板を用いた。ろう付け工程は、ろう付け温度を８８０℃とし、保持する時間は１ｈとした（加熱工程）。その後、実施例１と同様に雰囲気温度をろう付け温度から３５０℃まで５０分かけて降下させた（降温工程）。作製した回路基板について銅板の平均結晶粒径を測定したところ、１００μｍであった。また、銅板とろう材層の界面について、任意の１２０μｍ幅の領域を観察したが平滑であった。また、銅板の導電率を測定したところ、ＩＡＣＳ基準に対して９８％であった。測定した導電率から計算した熱伝導率は、３８３Ｗ／ｍ・Ｋであった。

上記の実施例に対して、Ｚｒ含有量が本発明の規定範囲より少ない参考例１は、銅板の平均結晶粒径が１００μｍを超える値になり、セラミックス基板の接合性が低下する。また、Ｚｒ含有量が本発明の規定範囲より多い参考例２は、銅板の導電率がＩＡＣＳ基準に対して９６％を下回り、熱伝導率も３７５Ｗ／ｍ・Ｋを下回る。

・参考例１
［(ａ)準備工程］〜［(ｇ)洗浄工程］で述べた構成について、［(ｄ)接合工程］でＺｒ含有量が０．０３質量％である銅板を用いた。ろう付け工程は、実施例１と同様にろう付け温度８００℃とし、保持する時間は１ｈとした（加熱工程）。その後、実施例１と同様に雰囲気温度をろう付け温度から３５０℃まで５０分かけて降下させた（降温工程）。作製した回路基板について銅板の平均結晶粒径を測定したところ、１１０μｍであった。また、銅板とろう材層の界面について、任意の１２０μｍ幅の領域を観察し、幅２０μｍ程度の凹部を１個見出した。また、銅板の導電率を測定したところ、ＩＡＣＳ基準に対して９８％であった。測定した導電率から計算した熱伝導率は、３８３Ｗ／ｍ・Ｋであった。

・参考例２
［(ａ)準備工程］〜［(ｇ)洗浄工程］で述べた構成について、［(ｄ)接合工程］でＺｒの含有量が０．１８質量％である銅板を用いた。ろう付け工程は、実施例１と同様にろう付け温度８００℃とし、保持する時間は１ｈとした（加熱工程）。その後、実施例１と同様に雰囲気温度をろう付け温度から３５０℃まで５０分かけて降下させた（降温工程）。作製した回路基板について銅板の平均結晶粒径を測定したところ、１５μｍであった。また、銅板とろう材層の界面について、任意の１２０μｍ幅の領域を観察したが平滑であった。また、銅板の導電率を測定したところ、ＩＡＣＳ基準に対して９５％であった。測定した導電率から計算した熱伝導率は、３７１Ｗ／ｍ・Ｋであった。

本発明で規定した、接合工程における加熱工程の温度範囲および降温工程の冷却時間について、その規定範囲の理由を実施例と参考例を挙げて説明する。前述した実施例１〜４は、加熱工程の温度および降温工程の冷却時間が本発明の規定範囲を満足しており、いずれも銅板の平均結晶粒径が１００μｍ以下と小さく、セラミックス基板の接合性に優れている。また、銅板の導電率はＩＡＣＳ基準に対して９６％以上であり、熱伝導率は３７５Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。

参考例３と参考例４は、加熱工程の温度が本発明の規定範囲を外れる例である。温度が７７０℃未満である参考例３は、ろう材の溶融が不十分になるため、セラミックス基板の接合性が低下する。温度が８８０℃を超える参考例４は、ろう材が濡れ広がり過ぎることでセラミックス基板の接合性が低下する。また、温度が高すぎる場合、銅板の平均結晶粒径が１００μｍを超える恐れが生じる。

参考例５は、降温工程の冷却時間が本発明の規定時間より短い例である。この場合、銅板の導電率がＩＡＣＳ基準に対して９６％を下回り、熱伝導率も３７５Ｗ／ｍ・Ｋを下回る。

・参考例３
［(ａ)準備工程］〜［(ｇ)洗浄工程］で述べた構成について、［(ｄ)接合工程］でＺｒの含有量が０．０４質量％である銅板を用いた。ろう付け工程は、ろう付け温度を７５０℃とし、保持する時間は１ｈとした（加熱工程）。その後、雰囲気温度をろう付け温度から３５０℃まで５０分かけて降下させた（降温工程）。作製した回路基板について銅板の平均結晶粒径を測定したところ、３０μｍであった。また、銅板とろう材層の界面について、任意の１２０μｍ幅の領域を観察したところ、幅２０μｍ程度の凹部が２個見られた。また、銅板の導電率を測定したところ、ＩＡＣＳ基準に対して９８％であった。測定した導電率から計算した熱伝導率は、３８３Ｗ／ｍ・Ｋであった。

・参考例４
［(ａ)準備工程］〜［(ｇ)洗浄工程］で述べた構成について、［(ｄ)接合工程］でＺｒの含有量が０．０４質量％である銅板を用いた。ろう付け工程は、ろう付け温度を９００℃とし、保持する時間は１ｈとした（加熱工程）。その後、雰囲気温度をろう付け温度から３５０℃まで５０分かけて降下させた（降温工程）。作製した回路基板について銅板の平均結晶粒径を測定したところ、１１０μｍであった。また、銅板とろう材層の界面について、任意の１２０μｍ幅の領域を観察し、幅２０μｍ程度の凹部を１個見出した。また、銅板の導電率を測定したところ、ＩＡＣＳ基準に対して９８％であった。測定した導電率から計算した熱伝導率は、３８３Ｗ／ｍ・Ｋであった。

・参考例５
［(ａ)準備工程］〜［(ｇ)洗浄工程］で述べた構成について、［(ｄ)接合工程］でＺｒの含有量が０．０４質量％である銅板を用いた。ろう付け工程は、実施例１と同様にろう付け温度８００℃とし、保持する時間は１ｈとした（加熱工程）。その後、雰囲気温度をろう付け温度から３５０℃まで３０分かけて降下させた（降温工程）。作製した回路基板について銅板の平均結晶粒径を測定したところ、６０μｍであった。また、銅板とろう材層の界面について、任意の１２０μｍ幅の領域を観察したが平滑であった。また、銅板の導電率を測定したところ、ＩＡＣＳ基準に対して９５％であった。測定した導電率から計算した熱伝導率は、３７１Ｗ／ｍ・Ｋであった。

Ａ，Ｂ：球形電極、
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３：ろう材層、
ｃ１，ｃ２：ろう材領域、
Ｇ：間隙、
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３：金属基板、
Ｍ：金属基板、
Ｒ１，Ｒ２：レジスト膜、
Ｓ：セラミックス基板、
Ｗ：セラミックス回路基板

Claims

セラミックス基板の一面にろう材層を介して接合された銅板を備えるセラミックス回路基板であって、
前記銅板は、０．０３質量％を超え０．１５質量％以下のＺｒを含有し、残部が銅および不可避的不純物である銅合金からなり、ＪＩＳＨ０５０１：１９８６に規定の伸銅品結晶粒度試験方法の切断法による平均結晶粒径が１００μｍ以下、導電率がＩＡＣＳ基準に対して９６％以上１００％未満である、セラミックス回路基板。
前記銅板は、熱伝導率が３７５Ｗ／ｍ・Ｋ以上である、請求項１に記載のセラミックス回路基板。
前記セラミックス基板は、窒化ケイ素焼結基板である、請求項１又は２に記載のセラミックス回路基板。
セラミックス基板の一面にろう材を介して銅板を接合する接合工程を有するセラミックス回路基板の製造方法であって、
０．０３質量％を超え０．１５質量％以下のＺｒを含有し、残部が銅および不可避的不純物である銅合金からなる前記銅板を用いて、
７７０〜８８０℃の範囲内の温度で加熱する加熱工程と、前記加熱工程の後に５０分以上の時間をかけて３５０℃まで温度を下げる降温工程とを含む、前記接合工程とする、セラミックス回路基板の製造方法。