JP2023040786A - セラミック複合基板 - Google Patents
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Abstract
【課題】ヒートサイクル特性と絶縁性とを両立させる。
【解決手段】本開示の一側面に係るセラミック複合基板は、第１主面及び第２主面を有するセラミック板と、第１主面に設けられた第１接合層と、第１接合層を介して第１主面に接合された第１金属体と、第１主面において第１接合層と間隔を空けて設けられた第２接合層と、第２接合層を介して第１主面に接合された第２金属体と、を備える。第１接合層は、第１主面と第１金属体との間から第２接合層に向かってはみ出す延出部を有する。第１主面に直交する第１方向における延出部の厚さＤの平均値が、１０μｍ以下である。厚さＤの平均値に対する、第１接合層と第２接合層とが対向する第２方向における延出部の長さＬの平均値の比が、３よりも大きく、且つ、１５以下である。
【選択図】図３
【解決手段】本開示の一側面に係るセラミック複合基板は、第１主面及び第２主面を有するセラミック板と、第１主面に設けられた第１接合層と、第１接合層を介して第１主面に接合された第１金属体と、第１主面において第１接合層と間隔を空けて設けられた第２接合層と、第２接合層を介して第１主面に接合された第２金属体と、を備える。第１接合層は、第１主面と第１金属体との間から第２接合層に向かってはみ出す延出部を有する。第１主面に直交する第１方向における延出部の厚さＤの平均値が、１０μｍ以下である。厚さＤの平均値に対する、第１接合層と第２接合層とが対向する第２方向における延出部の長さＬの平均値の比が、３よりも大きく、且つ、１５以下である。
【選択図】図３
Description
本開示は、セラミック複合基板に関する。
特許文献１～３には、セラミック基板と、セラミック基板の上面に形成された金属板とを備える回路基板等が開示されている。
本開示は、ヒートサイクル特性と絶縁性との両立に有用なセラミック複合基板を提供する。
本開示の一側面に係るセラミック複合基板は、第１主面及び第２主面を有するセラミック板と、第１主面に設けられた第１接合層と、第１接合層を介して第１主面に接合された第１金属体と、第１主面において第１接合層と間隔を空けて設けられた第２接合層と、第２接合層を介して第１主面に接合された第２金属体と、を備える。第１接合層は、第１主面と第１金属体との間から第２接合層に向かってはみ出す延出部を有する。第１主面に直交する第１方向における延出部の厚さＤの平均値が、１０μｍ以下である。厚さＤの平均値に対する、第１接合層と第２接合層とが対向する第２方向における延出部の長さＬの平均値の比が、３よりも大きく、且つ、１５以下である。
このセラミック複合基板では、厚さＤの平均値に対する長さＬの平均値の比が３より大きく、且つ１５以下であり、延出部の厚さＤの平均値が１０μｍ以下であるので、延出部の体積が小さい。また、上記比を１５以下とすることで、第２金属体に延出部が近づき過ぎない。そのため、延出部と第２金属体又は第２接合層との間の絶縁性が向上する。一方、上記比を３よりも大きくすることで、ヒートサイクルによって第１金属体の下面の端部近傍に加わる熱応力が分散されやすい。そのため、ヒートサイクル特性が向上する。したがって、本セラミック複合基板は、ヒートサイクル特性と絶縁性との両立に有用である。
厚さＤの平均値が、１μｍ～８μｍであってもよい。厚さＤの平均値を１μｍ以上とすることで、第１接合層の形成が容易となる。また、厚さＤの平均値を８μｍ以下とすることで、第２金属体又は第２接合層との間の絶縁性が更に向上する。したがって、セラミック複合基板の製造の容易さと絶縁性との両立に有用である。
長さＬの平均値が、２５μｍ～８０μｍであってもよい。長さＬが短いと、ヒートサイクルによって、第１金属体の下面の端部近傍に熱応力が集中し得る。一方、熱応力を緩和するために、長さＬを長くすると、第２金属体又は第２接合層との間の距離が短くなり、絶縁性が低下し得る。上記構成では、長さＬを２５μｍ以上とすることで、ヒートサイクルによる熱応力を緩和することができ、長さＬを８０μ以下とすることで、第２金属体又は第２接合層との間の絶縁性を保つことができる。
第１方向及び第２方向を含む断面において、第１金属体の上面と第２金属体に対向する側面との連結部分は、上面の先端に内接し、且つ、上面及び側面の内側に形成することができる仮想円の最大半径の平均値が５．５μｍ～１０．０μｍである丸み形状を有してもよい。上記仮想円の最大半径の平均値が５．５μｍ～１０．０μｍである丸み形状とすることで、第１金属体の上面の先端からの放電が抑制される。したがって、第１金属体と第２金属体との間の絶縁性の向上に有用である。
本開示によれば、ヒートサイクル特性と絶縁性との両立に有用なセラミック複合基板が提供される。
以下、図面を参照して一実施形態について説明する。以下の実施形態は、本開示を説明するための例示であり、本開示を以下の内容に限定する趣旨ではない。説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。各要素の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。図面には、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸で規定される直交座標系が示されている。
［セラミック複合基板］
図１には、一実施形態に係るセラミック複合基板の一例が模式的に示されている。セラミック複合基板１０は、例えば、パワーモジュール等の部品として用いられる基板である。セラミック複合基板１０は、セラミック板２０と、金属回路板３０とを備える。
図１には、一実施形態に係るセラミック複合基板の一例が模式的に示されている。セラミック複合基板１０は、例えば、パワーモジュール等の部品として用いられる基板である。セラミック複合基板１０は、セラミック板２０と、金属回路板３０とを備える。
セラミック板２０は、平板板状に形成されている。セラミック板２０は、互いに逆向きの一対の主面を有する。以下では、一対の主面のうちの一方を「表面２０Ａ」と称し、他方を「裏面２０Ｂ」と称する。表面２０Ａの外縁の形状は、四角形であってもよい。表面２０Ａの外縁のうち、互いに平行な１組の辺が延びる方向を「Ｘ軸方向」とし、互いに平行な他の１組の辺が延びる方向を「Ｙ軸方向」とする。セラミック板２０の厚さ方向（表面２０Ａに直交する方向）を「Ｚ軸方向」とする。
セラミック板２０を形成する材質（セラミック）は、特に限定されない。セラミック板２０は、例えば、窒化ケイ素板、又は窒化アルミニウム板である。セラミック板２０の厚さは、０．１ｍｍ～１．０ｍｍであってもよく、０．１ｍｍ～０．６ｍｍであってもよく、０．２ｍｍ～０．４ｍｍであってもよい。
金属回路板３０は、セラミック板２０の表面２０Ａ（第１主面）に設けられている。金属回路板３０の少なくとも一部には、チップ（電子部品）が搭載されていてもよい。金属回路板３０は、銅板であってもよい。金属回路板３０は、例えば、金属体３０ａと、金属体３０ｂと、金属体３０ｃとを有する。金属体３０ａ、金属体３０ｂ、及び金属体３０ｃは、互いに離れた状態で表面２０Ａに配置されている。例えば、金属体３０ａが第１金属体を構成する場合、金属体３０ｂが第２金属体を構成する。３つ以上の金属体が設けられる場合、互いに隣り合う複数組の金属体のうち、金属体同士の間の距離が最も小さい１組の金属体が、第１金属体及び第２金属体として選択されてもよい。
金属体３０ａ、金属体３０ｂ、及び金属体３０ｃそれぞれは、例えば、銅板である。金属体３０ａ、金属体３０ｂ、及び金属体３０ｃの厚さは、互いに略一致していてもよい。金属体３０ａ、金属体３０ｂ、及び金属体３０ｃそれぞれの厚さは、０．１ｍｍ～２．０ｍｍであってもよく、０．２ｍｍ～１．５ｍｍであってもよく、０．３ｍｍ～１．２ｍｍであってもよい。金属体３０ａ、金属体３０ｂ、及び金属体３０ｃそれぞれは、表面２０Ａの外縁よりも内側に配置されている。
セラミック複合基板１０は、接合層４０を備える。接合層４０は、金属回路板３０を表面２０Ａに接合する層である。接合層４０は、例えば、接合層４０ａ（第１接合層）と、接合層４０ｂ（第２接合層）と、接合層４０ｃと、を有する。接合層４０ａ、接合層４０ｂ、及び接合層４０ｃそれぞれは、表面２０Ａに設けられている。接合層４０ａ、接合層４０ｂ、及び接合層４０ｃそれぞれの下面は、表面２０Ａに接触している。
接合層４０ａは、金属体３０ａに対応する位置に設けられており、金属体３０ａは、接合層４０ａを介して表面２０Ａに接合されている。接合層４０ａの外縁近傍の領域は、金属体３０ａの外縁から露出している。接合層４０ａの外縁近傍の領域は、例えば、その全周において、金属体３０ａと表面２０Ａとの間から外にはみ出している。接合層４０ａの外縁は、金属体３０ａの外縁を囲っている。本開示では、金属体と表面２０Ａとの間から外にはみ出している接合層の一部を「延出部」と称する。
接合層４０ｂは、金属体３０ｂに対応する位置に設けられており、金属体３０ｂは、接合層４０ｂを介して表面２０Ａに接合されている。接合層４０ｃは、金属体３０ｃに対応する位置に設けられており、金属体３０ｃは、接合層４０ｃを介して表面２０Ａに接合されている。接合層４０ｂと金属体３０ｂとの大きさの関係、及び、接合層４０ｃと金属体３０ｃとの大きさの関係は、接合層４０ａと金属体３０ａとの大きさの関係と同様であってもよい。
接合層４０（接合層４０ａ、接合層４０ｂ、及び接合層４０ｃそれぞれ）は、Ａｇ－Ｃｕ－Ｓｎ系ろう材で構成されてもよい。Ａｇ－Ｃｕ－Ｓｎ系ろう材は、銀と、銅と、スズと、活性金属とを含有する。接合層４０における銀の含有量は、７０質量％以上であってよく、８０質量％以上であってよく、８５質量％以上であってもよい。接合層４０における銀の含有量は、９８質量％以下であってもよい。接合層４０におけるスズは、銀及び銅の合計１００質量部に対して、０．５～１０質量部であってもよく、０．５～５．０質量部であってもよく、１～５質量部であってもよい。接合層４０における銅の含有量は、銀１００質量部に対して５～２０質量部であってよい。
上記活性金属は、チタン、ジルコニウム、ハフニウム及びニオブからなる群より選択される少なくとも一種を含む。接合層４０における活性金属は、銀及び銅の合計１００質量部に対して、０．５～１０質量部であってもよく、０．５～５質量部であってもよく、２～５質量部であってもよい。活性金属は、水素化物として含まれていてよく、例えば水素化チタン（ＴｉＨ２）を含んでいてよい。接合層４０におけるＴｉＨ２の含有量は、銀と銅の合計１００質量部に対して０．５～１０質量部であってもよく、１～５質量部であってもよく、２～５質量部であってもよい。
接合層４０を構成する各種成分の含有量は、走査型電子顕微鏡及びＥＤＳ（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy）検出器を用いて、金属体とセラミック板との接合界面近傍の濃度を測定することで求めてもよい。接合層４０を構成する各種成分の含有量は、接合層４０を作成する際の原料における配合比を計測することで特定されてもよい。接合層４０を構成するろう材に含まれる成分には、接合時の加熱温度（例えば、８００℃程度）において揮発する成分が含まれていない場合が多く、この場合には、ろう材の原料での配合比が、接合後のろう材に含まれる各種成分の組成比に略一致する。
図２には、図１におけるＩＩ－ＩＩ線に沿った断面が示されている。金属体３０ａと金属体３０ｂとは、表面２０Ａに沿った一方向に沿って並んでいる。金属体３０ａと金属体３０ｂとは、表面２０Ａのいずれかの一辺が延びる方向（例えば、Ｘ軸方向）において互いに対向している。金属体３０ａと金属体３０ｂとは、間隔を空けて配置されている。金属体３０ａと金属体３０ｂとの間の距離は、これらの金属体同士の間での絶縁性（電気絶縁性）を考慮して設定されている。金属体３０ａと金属体３０ｂの間の距離（最短距離）は、例えば、０．３ｍｍ～１．５ｍｍである。
接合層４０ｂは、表面２０Ａにおいて接合層４０ａと間隔を空けて配置されている。接合層４０ａと接合層４０ｂとは、金属体３０ａと金属体３０ｂとの互いの関係と同様に、表面２０Ａに沿った一方向（例えば、Ｘ軸方向）に沿って並んでいる。接合層４０ａと接合層４０ｂとは、上記一方向（例えば、Ｘ軸方向）において互いに対向している。以下では、接合層４０ａと接合層４０ｂとが対向する方向が、Ｘ軸方向であるとして説明する。図３には、図２におけるＩＩＩ線で囲まれる範囲の拡大図が示されている。
上述したように、接合層４０ａは、金属体３０ａと表面２０Ａとの間から外にはみ出す延出部を含む。接合層４０ａの外周に位置する延出部は、図３に示されるように、表面２０Ａと金属体３０ａとの間から接合層４０ｂ（又は、金属体３０ｂ）に向かってはみ出す延出部４２ａを含む。延出部４２ａは、Ｘ軸方向（第２方向）において、金属体３０ａと金属体３０ｂとの間に位置する。延出部４２ａは、表面２０Ａに沿い、且つ、Ｘ軸方向に直交するＹ軸方向に沿って延びている。
延出部４２ａの厚さＤの平均値は、１０μｍ以下である。延出部４２ａの厚さＤは、表面２０Ａに直交する方向（上記厚さ方向：第１方向）における延出部４２ａの厚さ（大きさ）である。厚さＤの平均値は、金属体３０ｂ又は接合層４０ｂとの間の絶縁性の観点から、９μｍ以下であってもよく、８μｍ以下であってもよく、７μｍ以下であってもよい。厚さＤの平均値は、セラミック複合基板１０の製造上の観点から、１．０μｍ以上であってもよく、１．５μｍ以上であってもよく、２．０μｍ以上であってもよい。厚さＤの平均値は、１μｍ～８μｍであってもよく、２μ～７μｍであってもよい。
厚さＤの平均値は、延出部４２ａにおいて任意に選択される５箇所（５視野）の観察断面で測定される延出部４２ａの厚さＤの算術平均値である。Ｙ軸方向において、上記５箇所の位置は互いに異なっている。５箇所それぞれは、例えば、Ｙ軸方向において延出部４２ａを均等に５分割したときの各領域において選択される。５箇所それぞれでの観察断面は、Ｙ軸方向に垂直な断面（Ｘ－Ｚ平面）である。観察断面においてセラミック複合基板１０を観察したときに、その断面での厚さＤは、延出部４２ａの厚さの最大値で定義される。
延出部４２ａの厚さＤの平均値に対する、Ｘ軸方向における延出部４２ａの長さＬの平均値の比（以下、単に「比Ｌ／Ｄ」と表記する。）は、３よりも大きく、且つ、１５以下である。接合層４０ａの表面２０Ａへの接着性の観点から、比Ｌ／Ｄは、４以上であってもよく、４．５以上であってもよく、５以上であってもよく、６以上であってもよい。金属体３０ｂ又は接合層４０ｂとの間の絶縁性の観点から、比Ｌ／Ｄは、１８以下であってもよく、１６以下であってもよく、１５以下であってもよい。
延出部４２ａの長さＬの平均値は、接合層４０ａの表面２０Ａへの接着性の観点から、２５μｍ以上であってもよく、３０μｍ以上であってもよく、３５μｍ以上であってもよい。長さＬの平均値は、金属体３０ｂ又は接合層４０ｂとの間の絶縁性の観点から、８０μｍ以下であってもよく、７０μｍ以下であってもよく、６０μｍ以下であってもよい。長さＬは、２５μｍ～８０μｍであってもよく、３０μｍ～８０μｍであってもよい。
長さＬの平均値は、厚さＤの平均値と同様に、延出部４２ａにおいて任意に選択される５箇所（５視野）の観察断面で測定される延出部４２ａのＸ軸方向に沿った長さＬの算術平均値である。長さＬを測定する際の観察断面は、厚さＤを測定する際の観察断面と同じであってもよく、異なっていてもよい。観察断面においてセラミック複合基板１０を観察したときに、その断面での上記長さＬは、延出部４２ａのＸ軸方向に沿った長さの最大値で定義される。
Ｘ軸方向において、金属体３０ａの上面３２ａのうちの金属体３０ｂに最も近い先端３８ａの位置と、金属体３０ａの下面のうちの金属体３０ｂに最も近い先端３９ａの位置とは、互いにずれている（図１も参照）。Ｘ軸方向において、延出部４２ａの最も外にはみ出す先端４４ａと先端３８ａとの間の距離は、延出部４２ａの上記先端４４ａと先端３９ａとの間の距離よりも大きい。先端３８ａと先端３９ａとを接続する側面３４ａは、金属体３０ｂを向く面であり、金属体３０ｂから離れる方向に凹むように湾曲している。本開示では、先端３８ａを境界として、上面３２ａと側面３４ａとが区切られる。この定義に従うと、上面３２ａが、先端３８ａの近傍において、先端３８ａに向かって下方に傾斜する形状を有する場合がある。
図４には、図３におけるＩＶ線で囲まれる範囲の拡大図が示されている。図４では、金属体３０ａの上面３２ａと側面３４ａとを連結する連結部３６ａが拡大されている。連結部３６ａ（連結部分）は、金属体３０ｂとの間の絶縁性を確保する観点から、丸み形状を有してもよい。上記観察断面（Ｘ軸方向及びＺ軸方向を含む断面）において、連結部３６ａは、上面３２ａの先端３８ａに内接し、且つ、上面３２ａ及び側面３４ａの内側に形成することができる仮想円ＩＣの最大半径の平均値が５．５μｍ～１０．０μｍである丸み形状を有してもよい。先端３８ａに内接するとは、仮想円ＩＣが、上面３２ａ及び側面３４ａの内側に位置している状態で先端３８ａを通ることをいう。仮想円ＩＣの最大半径の平均値は、５．７μｍ～９．８μｍであってもよく、５．９μｍ～９．６μｍであってもよい。
仮想円ＩＣの最大半径の平均値は、５箇所（５視野）の観察断面でセラミック複合基板１０を観察したときの仮想円ＩＣの最大半径の算術平均値である。仮想円ＩＣの最大半径は、例えば、セラミック複合基板１０の断面について３０００倍のＳＥＭ観察を行い、その観測断面において、先端３８ａに内接し、且つ、上面３２ａ及び側面３４ａの内側に形成することができる円のうち、最も半径が大きい円の半径で定義される。
図２に戻り、セラミック複合基板１０は、金属板５０と、接合層６０とを備える。金属板５０は、裏面２０Ｂ（第２主面）に設けられている。金属板５０は、金属回路板３０と異なり、複数の金属体に分割されていなくてもよい。接合層６０は、金属板５０と裏面２０Ｂとの間に位置し、金属板５０は、接合層６０を介して裏面２０Ｂに接合されている。
金属板５０を構成する材料は、金属回路板３０を構成する材料と同じであってもよく、金属板５０の厚さは、金属回路板３０の厚さと略一致してもよい。接合層６０を構成する材料は、接合層４０を構成する材料と同じであってもよい。セラミック複合基板１０において、金属回路板３０が、電気信号又は電力を伝達する機能を有するのに対して、金属板５０が、電気信号を伝達せずに放熱する機能を有してもよい。
延出部４２ａ以外の他の延出部が、延出部４２ａと同様に形成されていてもよく、連結部３６ａ以外の他の連結部が、連結部３６ａと同様に形成されていてもよい。他の延出部が、延出部４２ａと同様の寸法（厚さＤ及び長さＬ）を有してもよい。他の連結部が、連結部３６ａと同様の丸み形状を有してもよい。一例では、金属体３０ｂと表面２０Ａとの間から金属体３０ａに向かってはみ出す延出部において、その厚さの平均値が、１０μｍ以下であってもよく、その厚さの平均値に対するＸ軸方向に沿った長さの平均値の比が、３よりも大きく、且つ１５以下であってもよい。
［製造方法］
続いて、セラミック複合基板１０の製造方法の一例を説明する。まず、セラミックスの粉末、焼結助剤、バインダ樹脂、及び溶媒を含むスラリーを成形してグリーンシートを得る工程を行う。上記スラリーは、可塑剤、及び分散剤等を含んでもよい。
続いて、セラミック複合基板１０の製造方法の一例を説明する。まず、セラミックスの粉末、焼結助剤、バインダ樹脂、及び溶媒を含むスラリーを成形してグリーンシートを得る工程を行う。上記スラリーは、可塑剤、及び分散剤等を含んでもよい。
セラミックスの粉末は、例えば、窒化ケイ素粉末、又は窒化アルミニウム粉末である。焼結助剤としては、希土類金属、アルカリ土類金属、金属酸化物、フッ化物、塩化物、硝酸塩、及び硫酸塩等が挙げられる。これらは一種のみ用いてもよいし二種以上を併用してもよい。バインダ樹脂の例としては、メチルセルロース、エチルセルロース、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、及び（メタ）アクリル系樹脂等が挙げられる。
可塑剤の例としては、精製グリセリン、グリセリントリオレート、ジエチレングリコール、ジ－ｎ－ブチルフタレート等のフタル酸系可塑剤、セバシン酸ジ－２－エチルヘキシル等の二塩基酸系可塑剤等が挙げられる。分散剤の例としては、ポリ（メタ）アクリル酸塩、及び（メタ）アクリル酸－マレイン酸塩コポリマーが挙げられる。溶媒としては、エタノール及びトルエン等の有機溶媒が挙げられる。
スラリーの成形方法の例としては、ドクターブレード法及び押出成形法が挙げられる。次に、成形して得られたグリーンシートを脱脂して焼結する工程を行う。脱脂は、例えば、４００～８００℃で、０．５～２０時間加熱して行ってよい。これによって、無機化合物の酸化及び劣化を抑制しつつ、有機物（炭素）の残留量を低減することができる。焼結は、窒素、アルゴン、アンモニア又は水素等の非酸化性ガス雰囲気下、１７００～１９００℃に加熱して行う。これによって、セラミック板２０を得ることができる。
上述の脱脂及び焼結は、グリーンシートを複数積層した状態で行ってもよい。積層して脱脂及び焼結を行う場合、焼成後の基材の分離を円滑にするため、グリーンシート間に離型剤による離型層を設けてよい。離型剤としては、例えば、窒化ホウ素（ＢＮ）を用いることができる。積層するグリーンシートの枚数は、例えば５～１００枚であってよく、１０～７０枚であってもよい。
次に、セラミック板２０と、一対の金属板とを用いて接合体を得る工程を行う。具体的には、まず、セラミック板２０の表面２０Ａ及び裏面２０Ｂそれぞれに接合材（例えば、ろう材）を塗布し、表面２０Ａ及び裏面２０Ｂに一対の金属板を貼り合わせる。一対の金属板は、セラミック板２０と同様の平板形状であってもよい。
接合材は、セラミック板２０の表面２０Ａ及び裏面２０Ｂそれぞれに、ロールコーター法、スクリーン印刷法、又は転写法等の方法によって塗布する。接合材がろう材である場合、ろう材は、例えば、銀粉末、銅粉末、スズ粉末及び活性金属又はその化合物（水素化物）の粉末、有機溶媒、及びバインダ等を含有する。銀粉末と銅粉末の合計１００質量部に対するスズ粉末の含有量は０．５～５．０質量部であってよい。銀粉末と銅粉末の合計１００質量部に対する金属水素化物の粉末の含有量は１～８質量部であってよい。ろう材の粘度は、例えば５～２０Ｐａ・ｓであってよい。ろう材における有機溶媒の含有量は、例えば、５～２５質量％、バインダ量の含有量は、例えば、２～１５質量％であってよい。
接合材が塗布されたセラミック板２０の表面２０Ａ及び裏面２０Ｂに、一対の金属板を重ね合わせて積層体を得る。次に、この積層体を加熱炉で焼成する焼成工程を行う。焼成時の炉内温度（焼成温度）は、例えば、７５０℃以上である。焼成温度は、７５０℃～９５０℃であってよく、７８０℃～９００℃であってもよい。上記焼成温度で保持する時間（焼成時間）は、１０分間～１８０分間であってもよく、１５分間～９０分間であってもよい。焼成時の加熱炉内の雰囲気は窒素等の不活性ガスであってよく、大気圧未満の減圧下（１．０×１０－３Ｐａ以下）であってもよく、真空下であってもよい。以上の工程によって、セラミック板２０の表面２０Ａ及び裏面２０Ｂに、それぞれ接合層を介して金属板が接合された接合体を得ることができる。
次に、上記接合体における一対の金属板それぞれの一部を除去して、金属回路板３０と金属板５０とを形成する工程を行う。この工程は、例えば、フォトリソグラフィによって行ってよい。具体的には、まず、接合体の表面（金属板の表面）に感光性を有するレジスト（エッチングレジスト）を印刷する。そして、露光装置を用いて、所定形状を有するレジストパターンを形成する。レジストはネガ型であってもよいしポジ型であってもよい。未硬化のレジストは、例えば洗浄によって除去する。
レジストパターンを形成した後、エッチングによって、金属板のうちレジストパターンに覆われていない部分を除去する。これにより、セラミック板２０の表面２０Ａにおいて、金属体３０ａ，３０ｂ，３０ｃを含む金属回路板３０が形成され、裏面２０Ｂにおいて金属板５０が形成される。エッチング液は特に制限はなく、例えば、塩化第二鉄溶液、塩化第二銅溶液、硫酸、及び過酸化水素水等が使用できる。いかなる方式でエッチングを行ってもよく、浸漬する方式又はスプレー方式が使用できる。
エッチングの条件（例えば、エッチング時間又はエッチング回数）を調節することで、金属体３０ａの上記観察断面での輪郭形状を調整することができる。具体的には、Ｘ軸方向（金属体３０ａと金属体３０ｂとが対向する方向）において、金属体３０ａの上面３２ａの先端３８ａと、金属体３０ａの下面の先端３９ａとの互いの位置関係を調節することができる。エッチングの条件を調節することで、先端３８ａに比較して、先端３９ａが金属体３０ｂに近づくように金属体３０ａを形成してもよい。
金属体の一部をエッチングした後、金属体が除去された箇所には、接合層（ろう材層）が残存し得る。そのため、金属体のエッチングとは別のエッチングによって、残存する接合層を除去する。これにより、金属体３０ａ、金属体３０ｂ、及び金属体３０ｃそれぞれに対応する接合層４０ａ、接合層４０ｂ、及び接合層４０ｃが形成され、金属板５０に対応する接合層６０が形成される。接合層のエッチングでの条件によって、接合層４０に含まれる延出部（はみ出し）のサイズが調節される。
接合層を除去するエッチング液として、例えば、ハロゲン化アンモニウム水溶液、硫酸及び硝酸等の無機酸、並びに、過酸化水素水からなる群より選ばれる少なくとも一種を含む溶液が用いられる。接合層を除去するエッチング液として、フッ素系の薬液及び過酸化水素水を含む混合溶液が用いられてもよい。上記混合溶液における過酸化水素水の濃度は、５質量％～３０質量％であってもよい。過酸化水素水の濃度は、延出部のサイズを容易に調節する観点から、８質量％～２８質量％であってもよく、１０質量％～２３質量％であってもよい。浸漬する方式又はスプレー方式により接合層のエッチングを行うことができるが、例えば、延出部のサイズを容易に調節する観点から、スプレー方式が用いられる。
接合層の一部をエッチングした後に、金属体３０ａ等の金属体の表面に対して化学研磨を行う。化学研磨により、金属体の表面に付着した異物、及び表面に形成された酸化被膜を除去することができ、さらに、金属体の連結部の輪郭に丸みを追加で付与することができる。化学研磨に用いる薬液は、過酸化水素及び硫酸を含む混合溶液であってもよい。化学研磨を実行する処理時間は、金属体の厚みを数μｍ～数十μｍ程度減少させるような時間に設定されてもよい。以上の工程を経ることで、図１に示されるようなセラミック複合基板１０が得られる。
金属板のエッチングの条件、及び化学研磨を実行する条件を含む各種条件を調節することによって、上面３２ａと側面３４ａとを連結する連結部３６ａが有する丸み形状（丸みの程度）を調節することができる。具体的には、上面３２ａの先端３８ａに内接し、且つ、上面３２ａ及び側面３４ａの内側に形成することができる仮想円ＩＣの最大半径を調節することができる。金属板のエッチングの条件を含む種々の条件を調節することで、仮想円ＩＣの最大半径の平均値が５．５μｍ～１０．０μｍとなるように金属体３０ａを形成してもよい。
金属板のエッチングの条件、及び接合層のエッチングの条件を含む各種条件を調節することによって、延出部４２ａの厚さＤと長さＬとを所定の設定範囲に調節することができる。接合層のエッチングの条件（例えば、過酸化水素の濃度）を含む各種条件を調節することで、延出部４２ａの厚さＤの平均値に対する、Ｘ軸方向における延出部４２ａの長さＬの平均値の比（比Ｌ／Ｄ）が、３よりも大きく、且つ、１５以下となるように、接合層４０ａを形成してもよい。
厚さＤは、接合層のエッチングの条件よりも、エッチング前に塗布する接合層の厚さに依存する。エッチング前において、厚さＤが１０μｍ以下、又は１μｍ～８μｍとなるように、セラミック板２０の表面２０Ａに接合層（ろう材層）が塗布されてもよい。仮想円ＩＣの最大半径の平均値が５．５μｍ～１０．０μｍとなるように金属体３０ａを形成することで、上記比Ｌ／Ｄ（又は、長さＬ）を所望の範囲に調節することが容易となる。
［実施形態の効果］
以上に説明したセラミック複合基板１０では、厚さＤの平均値に対する長さＬの平均値の比Ｌ／Ｄが３よりも大きく、且つ１５以下であり、延出部４２ａの厚さＤの平均値が、１０μｍ以下であるので、延出部４２ａの体積が小さい。また、比Ｌ／Ｄを１５以下とすることで、金属体３０ｂに延出部４２ａが近づき過ぎない。そのため、延出部４２ａと金属体３０ｂ又は接合層４０ｂとの間の絶縁性が向上する。一方、比Ｌ／Ｄを３よりも大きくすることで、ヒートサイクルによって金属体３０ｂの下面の端部近傍に加わる熱応力が分散されやすい。そのため、ヒートサイクル特性が向上する。したがって、セラミック複合基板１０は、ヒートサイクル特性と絶縁性との両立に有用である。
以上に説明したセラミック複合基板１０では、厚さＤの平均値に対する長さＬの平均値の比Ｌ／Ｄが３よりも大きく、且つ１５以下であり、延出部４２ａの厚さＤの平均値が、１０μｍ以下であるので、延出部４２ａの体積が小さい。また、比Ｌ／Ｄを１５以下とすることで、金属体３０ｂに延出部４２ａが近づき過ぎない。そのため、延出部４２ａと金属体３０ｂ又は接合層４０ｂとの間の絶縁性が向上する。一方、比Ｌ／Ｄを３よりも大きくすることで、ヒートサイクルによって金属体３０ｂの下面の端部近傍に加わる熱応力が分散されやすい。そのため、ヒートサイクル特性が向上する。したがって、セラミック複合基板１０は、ヒートサイクル特性と絶縁性との両立に有用である。
以上に説明したセラミック複合基板１０では、厚さＤの平均値が、１μｍ～８μｍであってもよい。厚さＤを１μｍ以上とすることで、接合層４０ａの形成が容易となる。また、厚さＤを８μｍ以下とすることで、金属体３０ｂ又は接合層４０ｂとの間の絶縁性が更に向上する。したがって、セラミック複合基板１０の製造の容易さと絶縁性との両立に有用である。
以上に説明したセラミック複合基板１０では、長さＬの平均値が、２５μｍ～８０μｍであってもよい。長さＬが短いと、ヒートサイクルによって、金属体３０ａの下面の端部近傍に熱応力が集中し得る。一方、熱応力を緩和するために、長さＬを長くすると、金属体３０ｂ又は接合層４０ｂとの間の距離が短くなり、絶縁性が低下し得る。上記構成では、長さＬを２５μｍ以上とすることで、ヒートサイクルによる熱応力を緩和することができ、長さＬを８０μ以下とすることで、金属体３０ｂ又は接合層４０ｂとの間の絶縁性を保つことができる。
上記観察断面において、金属体３０ａの上面３２ａと金属体３０ｂに対向する側面３４ａとの連結部分（連結部３６ａ）は、上面３２ａの先端３８ａに内接し、且つ、上面３２ａ及び側面３４ａの内側に形成することができる仮想円ＩＣの最大半径の平均値が５．５μｍ～１０．０μｍである丸み形状を有してもよい。仮想円ＩＣの最大半径の平均値が５．５μｍ～１０．０μｍである丸み形状とすることで、金属体３０ａの上面３２ａの先端からの放電が抑制される。したがって、金属体３０ａと金属体３０ｂとの間の絶縁性を向上させるのに有用である。
続いて、実施例及び比較例を参照して本開示の内容をより詳細に説明するが、本開示は下記の実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
［接合体の作製］
接合層として用いるろう材を調製した。最初に、以下の原料粉末を準備した。
銀粉末：福田金属箔粉工業（株）製、Ａｇ－ＨＷＱ（商品名）、平均粒子径Ｄ５０：２．５μｍ、比表面積０．４ｍ２／ｇ
銅粉末：福田金属箔粉工業（株）製、Ｃｕ－ＨＷＱ（商品名）、平均粒子径Ｄ５０：３．０μｍ、比表面積：０．４ｍ２／ｇ
スズ粉末：福田金属箔粉工業（株）製：Ｓｎ－ＨＰＮ（商品名）、平均粒子径Ｄ５０：３．０μｍ、比表面積０．１ｍ２／ｇ
水素化チタン粉末：トーホーテック（株）製、ＴＣＨ－１００（商品名）
［接合体の作製］
接合層として用いるろう材を調製した。最初に、以下の原料粉末を準備した。
銀粉末：福田金属箔粉工業（株）製、Ａｇ－ＨＷＱ（商品名）、平均粒子径Ｄ５０：２．５μｍ、比表面積０．４ｍ２／ｇ
銅粉末：福田金属箔粉工業（株）製、Ｃｕ－ＨＷＱ（商品名）、平均粒子径Ｄ５０：３．０μｍ、比表面積：０．４ｍ２／ｇ
スズ粉末：福田金属箔粉工業（株）製：Ｓｎ－ＨＰＮ（商品名）、平均粒子径Ｄ５０：３．０μｍ、比表面積０．１ｍ２／ｇ
水素化チタン粉末：トーホーテック（株）製、ＴＣＨ－１００（商品名）
銀粉末（９０質量部）と銅粉末（１０質量部）の合計１００質量部に対して、スズ粉末を１質量部及び水素化チタン粉末を３．５質量部の割合で配合し、有機溶媒、及びバインダ等を添加してろう材を調製した。市販の窒化ケイ素基板（厚み：０．３２ｍｍ）の両方の主面に、ろう材を塗布量が８ｍｇ／ｃｍ２となるようにスクリーン印刷法で塗布した。
窒化ケイ素板の両方の主面上にそれぞれ銅板（厚さ：０．８ｍｍの無酸素銅板（ＪＩＳ Ｈ ３１００，Ｃ １０２０））を重ねて積層体を得た。電気炉を用いて、真空雰囲気中、積層体を８００℃の炉内温度で４０分間加熱して、ろう材粉末を融解させて、セラミック基板と金属板を接合した（焼成工程）。その後、平均１０℃／分の降温速度で炉内温度を６００℃まで冷却した。その後、加熱を停止し、窒素雰囲気中で室温まで自然冷却した。このようにして、セラミック板と一対の金属板とがろう材層を介して接合された接合体を作製した。
［セラミック複合基板の作製］
作製した接合体における銅板の両方の主面の所定箇所にエッチングレジストを印刷し、露光装置を用いて銅板の主面に所定形状を有するレジストパターンを形成した後、塩化第二鉄溶液を用いて金属板のエッチングを行った。さらにフッ化アンモニウムと過酸化水素の混合溶液を用いてエッチングを行って、不要な金属部分を除去した箇所に形成されている接合層等を除去した。これにより、互いに隣り合う一の回路パターン（金属体）と他の回路パターン（金属体）との間において、一方の金属体から他方の金属体に向かってはみ出す延出部が形成された。
作製した接合体における銅板の両方の主面の所定箇所にエッチングレジストを印刷し、露光装置を用いて銅板の主面に所定形状を有するレジストパターンを形成した後、塩化第二鉄溶液を用いて金属板のエッチングを行った。さらにフッ化アンモニウムと過酸化水素の混合溶液を用いてエッチングを行って、不要な金属部分を除去した箇所に形成されている接合層等を除去した。これにより、互いに隣り合う一の回路パターン（金属体）と他の回路パターン（金属体）との間において、一方の金属体から他方の金属体に向かってはみ出す延出部が形成された。
次に、化学研磨を行うことで、金属体の表面における異物及び酸化被膜を除去した。このようにして、図１に示すような、セラミック板と金属回路板とがろう材層を介して接合されているセラミック複合基板を得た。
［延出部の厚みＴと長さＬの測定］
セラミック複合基板におけるろう材層の一つの延出部を、走査型電子顕微鏡（株式会社日立ハイテクノロジーズ製、ＳＵ６６００形）を用いて観察した。反射電子像観察（倍率：２００倍）を、５箇所の視野（各視野は、縦４００μｍ×横６００μｍ）で行って、視野ごとの延出部の厚さＤと長さＬとを測定した。視野ごとの厚さＤは延出部の最大厚みとし、視野ごとの長さＬは延出部の最大長さとした。５箇所の視野での厚さＤの平均値及び長さＬの平均値を求めた。結果は表１に示すとおりであった。
セラミック複合基板におけるろう材層の一つの延出部を、走査型電子顕微鏡（株式会社日立ハイテクノロジーズ製、ＳＵ６６００形）を用いて観察した。反射電子像観察（倍率：２００倍）を、５箇所の視野（各視野は、縦４００μｍ×横６００μｍ）で行って、視野ごとの延出部の厚さＤと長さＬとを測定した。視野ごとの厚さＤは延出部の最大厚みとし、視野ごとの長さＬは延出部の最大長さとした。５箇所の視野での厚さＤの平均値及び長さＬの平均値を求めた。結果は表１に示すとおりであった。
［絶縁性の評価］
延出部に対応する第１金属体と、その第１金属体に隣り合う第２金属体との間の絶縁性を評価した。具体的には、第１金属体を含む第１電極と、第２金属体を含む第２電極とが形成された基板（より詳細には、くし形電極付きの基板）を準備した。上記基板において、第１金属体と第２金属体との間の距離は、０．５ｍｍであった。高温高湿槽において、８５℃及び９３％ＲＨの雰囲気下で、第１電極と第２電極との間にＤＣ（直流）１ｋＶの電圧を印加し続けて、第１金属体と第２金属体との間の絶縁抵抗値が１×１０６Ω以下となる時間を測定した。測定時間の上限は、５００時間とした。結果は表１に示すとおりであった。表１の絶縁性の評価欄において、「Ａ」、「Ｂ」、及び「Ｃ」の意味は、下記のとおりである。
Ａ：電圧の印加開始時刻から５００時間経過後も、絶縁抵抗値が１×１０６Ω以上を保持した。
Ｂ：電圧の印加開始時刻から１００時間～５００時間の間に、絶縁抵抗値が１×１０６Ω以下に低下した。
Ｃ：電圧の印加開始時刻から１００時間未満で、絶縁抵抗値が１×１０６Ω以下に低下した。
延出部に対応する第１金属体と、その第１金属体に隣り合う第２金属体との間の絶縁性を評価した。具体的には、第１金属体を含む第１電極と、第２金属体を含む第２電極とが形成された基板（より詳細には、くし形電極付きの基板）を準備した。上記基板において、第１金属体と第２金属体との間の距離は、０．５ｍｍであった。高温高湿槽において、８５℃及び９３％ＲＨの雰囲気下で、第１電極と第２電極との間にＤＣ（直流）１ｋＶの電圧を印加し続けて、第１金属体と第２金属体との間の絶縁抵抗値が１×１０６Ω以下となる時間を測定した。測定時間の上限は、５００時間とした。結果は表１に示すとおりであった。表１の絶縁性の評価欄において、「Ａ」、「Ｂ」、及び「Ｃ」の意味は、下記のとおりである。
Ａ：電圧の印加開始時刻から５００時間経過後も、絶縁抵抗値が１×１０６Ω以上を保持した。
Ｂ：電圧の印加開始時刻から１００時間～５００時間の間に、絶縁抵抗値が１×１０６Ω以下に低下した。
Ｃ：電圧の印加開始時刻から１００時間未満で、絶縁抵抗値が１×１０６Ω以下に低下した。
［ヒートサイクル特性の評価］
作製したセラミック複合基板のヒートサイクル試験を行った。具体的には、－５０℃にて１５分間、及び１５０℃にて１５分間保持する一連の工程を１サイクルとして、これを２０００サイクル繰り返して行った。試験後のセラミック複合基板の銅板及びろう材層を塩化銅液、フッ化アンモニウム及び過酸化水素エッチングで剥離した。スキャナーを用い、６００ｄｐｉ×６００ｄｐｉの解像度で、銅板及びろう材層が除去されたセラミック板の主面の画像を取得した。画像解析ソフトＧＩＭＰ２（閾値１４０）を用いて画像の二値化処理を行って、クラックの面積を算出した。算出したクラック面積を、回路パターンの面積で除してクラック率を求めて評価した。結果は表１に示すとおりであった。表１のヒートサイクル特性の評価欄において、「Ａ」、「Ｂ」、及び「Ｃ」の意味は、下記のとおりである。
Ａ：クラック面積率が０．５％以下である。
Ｂ：クラック面積率が０．５％より大きく且つ１．０％より小さい。
Ｃ：クラック面積率が１．０％以上である。
作製したセラミック複合基板のヒートサイクル試験を行った。具体的には、－５０℃にて１５分間、及び１５０℃にて１５分間保持する一連の工程を１サイクルとして、これを２０００サイクル繰り返して行った。試験後のセラミック複合基板の銅板及びろう材層を塩化銅液、フッ化アンモニウム及び過酸化水素エッチングで剥離した。スキャナーを用い、６００ｄｐｉ×６００ｄｐｉの解像度で、銅板及びろう材層が除去されたセラミック板の主面の画像を取得した。画像解析ソフトＧＩＭＰ２（閾値１４０）を用いて画像の二値化処理を行って、クラックの面積を算出した。算出したクラック面積を、回路パターンの面積で除してクラック率を求めて評価した。結果は表１に示すとおりであった。表１のヒートサイクル特性の評価欄において、「Ａ」、「Ｂ」、及び「Ｃ」の意味は、下記のとおりである。
Ａ：クラック面積率が０．５％以下である。
Ｂ：クラック面積率が０．５％より大きく且つ１．０％より小さい。
Ｃ：クラック面積率が１．０％以上である。
（実施例２～５）
エッチングする前に塗布するろう材の厚み、及び各種エッチング条件（例えば、金属板のエッチング時間、及び、ろう材をエッチングする溶液での過酸化水素の濃度）を変更して、実施例１と同じ手順でセラミック複合基板を得た。各種条件は、厚さＤの平均値が１０μｍ以下となり、長さＬの平均値が、３より大きく且つ１５以下となるように調節した。
エッチングする前に塗布するろう材の厚み、及び各種エッチング条件（例えば、金属板のエッチング時間、及び、ろう材をエッチングする溶液での過酸化水素の濃度）を変更して、実施例１と同じ手順でセラミック複合基板を得た。各種条件は、厚さＤの平均値が１０μｍ以下となり、長さＬの平均値が、３より大きく且つ１５以下となるように調節した。
（比較例１～３）
エッチングする前に塗布するろう材の厚み、及び各種エッチング条件を変更して、実施例１と同じ手順でセラミック複合基板を得た。比較例１，３では、厚さＤの平均値が１０μｍよりも大きくなるように各種条件を調節した。比較例２では、比Ｌ／Ｄが１５を超え、比較例３では、比Ｌ／Ｄが３未満となるように各種条件を調節した。
エッチングする前に塗布するろう材の厚み、及び各種エッチング条件を変更して、実施例１と同じ手順でセラミック複合基板を得た。比較例１，３では、厚さＤの平均値が１０μｍよりも大きくなるように各種条件を調節した。比較例２では、比Ｌ／Ｄが１５を超え、比較例３では、比Ｌ／Ｄが３未満となるように各種条件を調節した。
表１に示すとおり、厚さＤを１０μｍ以下にし、比Ｌ／Ｄを１５以下とすることで、隣り合う金属体同士の間の絶縁性が保たれていることがわかる。また、比Ｌ／Ｄを３よりも大きくすることで、クラックの発生率が低減され、ヒートサイクル特性に優れていることがわかる。
１０…セラミック複合基板、２０…セラミック板、２０Ａ…表面、２０Ｂ…裏面、３０ａ，３０ｂ…金属体、３２ａ…上面、３４ａ…側面、３６ａ…連結部、３８ａ…先端、４０ａ，４０ｂ…接合層、４２ａ…延出部、Ｄ…延出部４２ａの厚さ、Ｌ…延出部４２ａの長さ。
Claims (4)
- 第１主面及び第２主面を有するセラミック板と、
前記第１主面に設けられた第１接合層と、
前記第１接合層を介して前記第１主面に接合された第１金属体と、
前記第１主面において前記第１接合層と間隔を空けて設けられた第２接合層と、
前記第２接合層を介して前記第１主面に接合された第２金属体と、を備え、
前記第１接合層は、前記第１主面と前記第１金属体との間から前記第２接合層に向かってはみ出す延出部を有し、
前記第１主面に直交する第１方向における前記延出部の厚さＤの平均値が、１０μｍ以下であり、
前記厚さＤの平均値に対する、前記第１接合層と前記第２接合層とが対向する第２方向における前記延出部の長さＬの平均値の比が、３よりも大きく、且つ、１５以下である、セラミック複合基板。 - 前記厚さＤの平均値が、１μｍ～８μｍである、請求項１に記載のセラミック複合基板。
- 前記長さＬの平均値が、２５μｍ～８０μｍである、請求項１又は２に記載のセラミック複合基板。
- 前記第１方向及び前記第２方向を含む断面において、前記第１金属体の上面と前記第２金属体に対向する側面との連結部分は、前記上面の先端に内接し、且つ、前記上面及び前記側面の内側に形成することができる仮想円の最大半径の平均値が５．５μｍ～１０．０μｍである丸み形状を有する、請求項１～３のいずれか一項に記載のセラミック複合基板。
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Country Status (1)
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2021
- 2021-09-10 JP JP2021147943A patent/JP2023040786A/ja active Pending
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