JP2023045082A - 金属－セラミックス接合基板およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】部分放電特性が良好で且つ耐ヒートサイクル性および耐熱性に優れた金属－セラミックス接合基板を提供することを目的とする。
【解決手段】セラミックス基板１０の一方の面にろう材層１１を介して金属回路板１２が接合された金属－セラミックス接合基板１であって、前記金属回路板１２の側面の下端部から外側に８０μｍ以上はみ出したろう材層１１のはみ出し部１１ａが形成され、金属回路板１２の側面がセラミックス基板１０の表面に対して７５°以上の傾斜角度θを有し、金属回路板１２の側面およびろう材層１１のはみ出し部１１ａが絶縁層１３で覆われている。
【選択図】図２
【解決手段】セラミックス基板１０の一方の面にろう材層１１を介して金属回路板１２が接合された金属－セラミックス接合基板１であって、前記金属回路板１２の側面の下端部から外側に８０μｍ以上はみ出したろう材層１１のはみ出し部１１ａが形成され、金属回路板１２の側面がセラミックス基板１０の表面に対して７５°以上の傾斜角度θを有し、金属回路板１２の側面およびろう材層１１のはみ出し部１１ａが絶縁層１３で覆われている。
【選択図】図２
Description
本発明は、金属－セラミックス接合（回路）基板およびその製造方法に関し、特に、ろう材により金属回路がセラミックス基板に接合された金属－セラミックス接合基板およびその製造方法に関する。
従来、電気自動車、電車、工作機械などの大電力を制御するために、パワーモジュールが使用されている。このようなパワーモジュール用の絶縁基板として、セラミックス基板の一方の面に接合された金属回路板上のチップ部品や端子の半田付けが必要な部分などにめっきが施された金属－セラミックス接合基板が使用されている。
例えば電車向け用途の場合は使用電圧が６～９ｋＶなど高電圧であり、これに従い使用される金属－セラミックス接合基板に対しこのような電圧に余裕をもって耐えることのできる、信頼性の高いものが要求されている。高電圧が負荷されたとき部分放電電荷量が増大すると、絶縁破壊が発生する恐れがある。絶縁距離（回路パターン間距離、沿面距離）を大きくすると部分放電を抑制することができるが金属－セラミックス接合基板のサイズを大きくする必要があり、金属－セラミックス接合基板およびパワーモジュールの小型化が難しくなるという課題がある。
また、このような金属－セラミックス接合基板では、接合後の熱衝撃によりセラミックス基板と金属回路板との熱膨張差により発生する熱応力により、セラミックス基板にクラックが発生し易い。
また、このような金属－セラミックス接合基板では、接合後の熱衝撃によりセラミックス基板と金属回路板との熱膨張差により発生する熱応力により、セラミックス基板にクラックが発生し易い。
このような熱応力を緩和させる方法として、金属回路板の沿面部分を薄くする方法、すなわち金属回路板の周縁部に段付き構造またはろう材のフィレット（金属回路板をセラミックス基板に接合するためのろう材のはみ出し部）を形成する方法が知られている。
また、部分放電を抑制するために、例えば、特開２００２－７６１９０号公報（特許文献１）に開示の技術では、回路基板の導電膜の外周端部に接して、絶縁基板の上面に固体絶縁物を配置することにより、導電膜の外周端部から発生する部分放電を防止し、その外周端部が絶縁破壊の起点になるのを防止して、信頼性を向上させている。
また、特開２００５－１１６６０２号公報（特許文献２）に開示の技術では、ろう材はみ出し（フィレット）付きの接合基板において、コーティング材を塗布することにより、６～９ｋＶのような高電圧であっても絶縁耐圧や部分放電特性に対し十分な耐久性を有するとされている。
しかし、今後更なる高電圧での運用が期待される中で、部分放電により絶縁性が低下するという問題がある。近年、パワーモジュールはチップの耐圧向上等で、より高い耐電圧、部分放電特性を有すること、且つ優れた耐ヒートサイクル性を有することが求められている。特許文献１に開示の技術は、絶縁基板を型に挿入して樹脂を充填することにより部分放電特性は良好であるが、耐ヒートサイクル特性に劣り、また樹脂の充填にコストがかかる。また、特許文献２に開示の技術は、部分放電特性が最大９ｋＶ程度であり、十分でない。
さらに、本発明者らの検討によれば、回路基板をパワーモジュールにアセンブリしたとき、即ちチップ部品や放熱板を回路基板にはんだ付け等により形成したときの熱履歴により、部分放電特性が劣化することがわかった。
本発明はこれらの課題を解決し、部分放電特性が良好で且つ耐ヒートサイクル性および耐熱性に優れた金属－セラミックス接合基板およびその製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明によれば、セラミックス基板の一方の面にろう材層を介して金属回路板が接合された金属－セラミックス接合基板であって、前記金属回路板の側面の下端部から外側に８０μｍ以上はみ出した前記ろう材層のはみ出し部が形成され、前記金属回路板の側面が前記セラミックス基板の表面に対して７５°以上の角度を有し、前記金属回路板の側面および前記ろう材層のはみ出し部が絶縁層で覆われている、金属－セラミックス接合基板が提供される。
前記セラミックス基板の他方の面に放熱側金属板が接合されていても良い。また、前記放熱側金属板が銅または銅合金であっても良い。また、前記金属回路板が銅または銅合金であっても良い。また、前記金属回路板と前記ろう材層のはみ出し部の表面にニッケルめっきまたはニッケル合金めっきが形成されていても良い。また、前記絶縁層が樹脂であっても良い。その場合、前記樹脂がポリイミド樹脂を主成分としても良い。
また、本発明によれば、セラミックス基板の一方の面にろう材層を介して金属板が接合された金属－セラミックス接合体において、前記金属板の不要な部分を除去して金属回路板を形成し、前記金属回路板の側面の下端部から前記ろう材層を８０μｍ以上はみ出させて前記ろう材層のはみ出し部を形成するとともに、前記金属回路板の側面がセラミックス基板の表面に対して７５°以上の角度となるように、金属回路板の側面をエッチングした後、
前記金属回路板の側面と前記ろう材層のはみ出し部を覆うように絶縁層を形成する、金属－セラミックス接合基板の製造方法が提供される。
前記金属回路板の側面と前記ろう材層のはみ出し部を覆うように絶縁層を形成する、金属－セラミックス接合基板の製造方法が提供される。
セラミックス基板の一方の面にろう材層を介して金属板が接合されるとともに、他方の面に放熱側ろう材層を介して金属板が接合された金属－セラミックス接合体において、一方の面の前記金属板および他方の面の前記金属板の不要な部分を除去し、前記セラミックス基板の一方の面に金属回路板を形成するとともに、他方の面に放熱側金属板を形成しても良い。また、前記放熱側金属板が銅または銅合金であっても良い。また、前記金属回路板が銅または銅合金であっても良い。また、前記金属回路板および前記ろう材のはみ出し部の表面にニッケルまたはニッケル合金めっきを形成されても良い。また、絶縁性の樹脂からなるコーティング材を塗布した後、硬化させることにより、前記絶縁層を形成しても良い。その場合、前記樹脂がポリイミド樹脂を主成分としても良い。
本発明によれば、部分放電特性が良好で且つ耐ヒートサイクル性および耐熱性に優れた金属－セラミックス接合基板およびその製造方法を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態の一例を、図面を参照にして説明する。なお、本明細書において、実質的に同様の構成要素については、同じ符号を付すことにより、重複する説明を省略する。
＜金属－セラミックス接合基板＞
図１に示すように、本発明の実施の形態にかかる金属－セラミックス接合基板１は、（例えば略矩形の）セラミックス基板１０の少なくとも一方の面にろう材層１１を介して１または２以上の金属回路板１２が接合された構造を有している。図示の形態では、セラミックス基板１０の上面に（例えば略矩形の）２つの金属回路板１２がろう材層１１を介して接合されている。また、セラミックス基板１０の下面には、（例えば略矩形の）放熱側金属板１６がろう材層１５を介して接合され、更に放熱側金属板１６の下面に、ベース板とよばれる金属または複合材からなる放熱用の板材、金属製の放熱フィンや冷却ジャケットなどの（図示しない）放熱部材が取り付けられる。
図１に示すように、本発明の実施の形態にかかる金属－セラミックス接合基板１は、（例えば略矩形の）セラミックス基板１０の少なくとも一方の面にろう材層１１を介して１または２以上の金属回路板１２が接合された構造を有している。図示の形態では、セラミックス基板１０の上面に（例えば略矩形の）２つの金属回路板１２がろう材層１１を介して接合されている。また、セラミックス基板１０の下面には、（例えば略矩形の）放熱側金属板１６がろう材層１５を介して接合され、更に放熱側金属板１６の下面に、ベース板とよばれる金属または複合材からなる放熱用の板材、金属製の放熱フィンや冷却ジャケットなどの（図示しない）放熱部材が取り付けられる。
セラミックス基板１０は、アルミナやシリカなどを主成分とする酸化物、または窒化アルミニウムや窒化ケイ素や炭化ケイ素などを主成分とする非酸化物からなることが好ましく、長さ５～２００ｍｍ（好ましくは、長さ１０～１００ｍｍ）×幅５～２００ｍｍ（好ましくは、幅１０～１００ｍｍ）程度の大きさで、厚さ０．２５～３．０ｍｍ（好ましくは、厚さ０．３～１．０ｍｍ）の基板を使用することができる。
ろう材層１１、１５は、例えば活性金属を含有するろう材からなり、ろう材中（の金属成分）の銀の含有量が３０質量％以上であるのが好ましい。この活性金属含有ろう材中の金属成分の合計を１００質量％としたとき、１．０～７．０質量％（好ましくは１．５～６．５質量％）の活性金属と、３０～９５質量％（好ましくは５０～９０質量％、さらに好ましくは６０～８０質量％）の銀と、残部として銅とからなる活性金属含有ろう材を使用することができる。この活性金属含有ろう材の活性金属として、チタン、ジルコニウム、ハフニウムを使用することができる。前記ろう材は、さらに例えば１０質量％以下のＳｎやＩｎなどの元素を含有していてもよい。
金属回路板１２には、半導体素子などのチップ部品が搭載されるため、金属回路板１２は、電気伝導性、熱伝導性に優れた金属が好ましく、例えば、銅、アルミニウムなどの単一金属、銅合金、アルミニウム合金などの合金からなるのが好ましい。
放熱側金属板１６は、金属回路板１２に搭載された半導体素子などのチップ部品などから発生する熱を逃がすため、例えば銅または銅合金、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなることが好ましい。
なお、放熱側金属板１６の表面（セラミックス基板と接合している面の反対側の面）に（図示しない）銅または銅合金、アルミニウムまたはアルミニウム合金またはＡｌ－ＳｉＣ系複合材等の材料からなるベース板や放熱フィン、冷却ジャケットなどの放熱部材が半田付けやボルト締めなどにより取付けられる。
なお、放熱側金属板１６の表面（セラミックス基板と接合している面の反対側の面）に（図示しない）銅または銅合金、アルミニウムまたはアルミニウム合金またはＡｌ－ＳｉＣ系複合材等の材料からなるベース板や放熱フィン、冷却ジャケットなどの放熱部材が半田付けやボルト締めなどにより取付けられる。
図２に図１中の部分Ａを拡大して示すように、セラミックス基板１０の上面において、金属回路板１２の側面の下端部から外側にろう材層１１がはみ出るようにはみ出し部（フィレット）１１ａが形成されている。セラミックス基板１０と金属回路板１２の熱膨張差により発生する熱応力を有効に緩和させるために、はみ出し部１１ａのはみ出し長さ（フィレット長さ）Ｌは、８０μｍ以上である。また、このようなはみ出し長さとすることで、金属回路板１２の側面１２ａとはみ出し部１１ａとセラミックス基板１０の上面に、後述の絶縁層１３がボイドなどの隙間が抑制されて良好に形成され、部分放電特性を向上させることも考えられる。はみ出し長さＬは、金属回路板１２の側面の下端部から外側に向かって突出するはみ出し部１１ａの突出長さである。はみ出し長さＬは９０μｍ以上であることがさらに好ましい。また、はみ出し長さＬを大きくしすぎるとパターン間の絶縁距離を確保するため金属－セラミックス接合基板１の外形を大きくする必要性が発生して金属－セラミックス接合基板１の小型化を妨げるため、はみ出し長さＬは３００μｍ以下とすることが好ましく、２００μｍ以下とすることがさらに好ましい。
金属回路板１２の側面およびはみ出し部１１ａは、絶縁層１３で覆われている。絶縁層１３は、例えば絶縁樹脂のポリイミド樹脂などからなる。
金属回路板１２の側面１２ａは、金属回路板１２の側面の上端（金属回路板１２の上角部）１２ｂから下に行くにしたがって外側に向かって徐々に広がるように傾斜した形状、或いはセラミックス基板１０の上面に対して垂直な形状を有している。金属回路板１２の側面１２ａのセラミックス基板１０の上面に対する傾斜角度θは、７５°以上であり、好ましくは８０°以上で、好ましくは１００°以下、より好ましくは９０°以下で、オーバーハングのない形状であることが好ましい。
なお、本発明において、前記傾斜角度θは、金属－セラミックス接合基板１の断面を観察したときに、金属回路板１２の上端（上角部）１２ｂと、金属回路板１２の側面１２ａにおける金属回路板１２の厚さの半分の位置（セラミックス基板１０の上面から金属回路板１２の上面までの高さの半分の位置）Ｐとを結ぶ直線（１２ｂ－Ｐ）を直線Ｍとしたときに、直線Ｍとセラミックス基板１０の上面とのなす角とする。
また、傾斜角度θを測定する際には、便宜上、Ｐを通り図２におけるセラミックス基板１０の表面に平行な直線を直線Ｎとしたときに、直線Ｍと直線Ｎとのなす角を測定してもよい。
なお、本発明において、前記傾斜角度θは、金属－セラミックス接合基板１の断面を観察したときに、金属回路板１２の上端（上角部）１２ｂと、金属回路板１２の側面１２ａにおける金属回路板１２の厚さの半分の位置（セラミックス基板１０の上面から金属回路板１２の上面までの高さの半分の位置）Ｐとを結ぶ直線（１２ｂ－Ｐ）を直線Ｍとしたときに、直線Ｍとセラミックス基板１０の上面とのなす角とする。
また、傾斜角度θを測定する際には、便宜上、Ｐを通り図２におけるセラミックス基板１０の表面に平行な直線を直線Ｎとしたときに、直線Ｍと直線Ｎとのなす角を測定してもよい。
＜金属－セラミックス接合基板の製造方法＞
次に、本発明の実施の形態にかかる金属－セラミックス接合基板１の製造方法の一例を説明する。なお、図１に示したように、セラミックス基板１０の上面に２つの金属回路板１２がろう材層１１を介して接合された金属－セラミックス接合基板１の製造方法を例にして説明する。
次に、本発明の実施の形態にかかる金属－セラミックス接合基板１の製造方法の一例を説明する。なお、図１に示したように、セラミックス基板１０の上面に２つの金属回路板１２がろう材層１１を介して接合された金属－セラミックス接合基板１の製造方法を例にして説明する。
図３、４に示すように、セラミックス基板１０の上面および下面にペースト状の活性金属含有ろう材２０および活性金属含有ろう材２５をスクリーン印刷或いはスプレー、ロールコーターなどの公知の手法で塗布する。そして、その活性金属含有ろう材２０および活性金属含有ろう材２５に接触するように金属板２１および金属板２６を配置し、真空または非酸化性雰囲気中において加熱した後に冷却することにより、セラミックス基板１０の上面および下面に金属板２１および金属板２６を接合する。
なお、活性金属含有ろう材２０は所定の組成のろう材の金属箔を用い、セラミックス基板１０の上面および下面に配置してもよい。
なお、活性金属含有ろう材２０は所定の組成のろう材の金属箔を用い、セラミックス基板１０の上面および下面に配置してもよい。
次に、図５に示すように、セラミックス基板１０の上面および下面に接合した金属板２１および金属板２６の表面に、所望の回路パターンのレジスト２２および（略矩形の）放熱側金属板形状のレジスト２２を塗布する。そして、図６に示すように、塩化第２銅エッチング液や塩化鉄エッチング液などにより金属板２１および金属板２６の不要な部分をエッチング除去する。その後、図７に示すように、レジスト２２を除去する。
次に、図８に示すように、（回路パターン間や回路パターンの周囲および放熱側金属板１６の周囲に残存している）活性金属含有ろう材２０および活性金属含有ろう材２５の不要な部分を、例えば、フッ酸を含む水溶液や、エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）などの活性金属と錯体を形成する化合物を含む水溶液により除去する。なお、このように活性金属含有ろう材２０および活性金属含有ろう材２５の不要な部分を除去することにより、所定の形状の（まだ金属板２１および金属板２６の側面から外側にはみ出たはみ出し部１１ａは現れていない）ろう材層１１およびろう材層１５が形成される。
その後、図９に示すように、金属板２１および金属板２６の表面の略全面にレジスト２３を金属板２１および金属板２６上に塗布する。レジスト２３は金属板２１、金属板２６の表面と全く同じ形状とするか、表面の周縁部が（例えば５００μｍ以下程度）露出するように塗布するのが好ましい。レジスト２３は、金属回路板１２、放熱側金属板１６とほぼ同形状である。そして、図１０に示すように、塩化第２銅や塩化鉄を含有するエッチング液、化学研磨液などにより金属板２１および金属板２６の不要な部分（金属板２１および金属板２６の側面や周縁部）をエッチング除去してろう材層１１およびろう材層１５の周辺部を金属板２１および金属板２６の側面部からはみ出させる。なお、このように金属板２１および金属板２６の不要な部分（金属板２１および金属板２６の周縁部）をエッチング除去することにより、所定の形状の金属回路板１２および放熱側金属板１６が形成される。また、ろう材層１１の周辺部を金属板２１および金属板２６の側面部からはみ出させることにより、所定のはみ出し長さ（フィレット長さ）Ｌを有するはみ出し部１１ａ、１５ａが形成される。
なお、金属板２１の不要な部分（金属板２１の側面や周縁部）をエッチング除去するに際しては、はみ出し部１１ａのはみ出し長さ（フィレット長さ）Ｌが８０μｍ以上となるようにエッチング条件（レジスト２３のサイズ、エッチング液、エッチング温度や時間）を調整する。
なお、金属板２１の不要な部分（金属板２１の側面や周縁部）をエッチング除去するに際しては、はみ出し部１１ａのはみ出し長さ（フィレット長さ）Ｌが８０μｍ以上となるようにエッチング条件（レジスト２３のサイズ、エッチング液、エッチング温度や時間）を調整する。
また、前記レジスト２３を形成してから金属回路板１２をエッチングすることにより、前記フィレット長さＬを所定の長さに制御するとともに、金属回路板１２の側面１２ａの傾斜角度θを、７５°以上、好ましくは８０°以上で１００°以下、より好ましくは９０°以下、オーバーハングのない形状とすることができる。特に、上記の通り金属板２１の表面の略全面にレジスト２３を形成し、概ね目標とするフィレット長さＬとなるエッチング条件に調整することで、本発明のフィレット幅Ｌおよび傾斜角度θを得ることができる。
その後、図１１に示すように、レジスト２３を除去する。こうして、金属板２１および金属板２６並びに活性金属含有ろう材２０および活性金属含有ろう材２５を所定の形状として、金属回路板１２および放熱側金属板１６並びにろう材層１１およびろう材層１５を形成するとともに、金属回路板１２の側面１２ａから外側にろう材層１１がはみ出たはみ出し部（フィレット）１１ａを形成する。
なお同様に、セラミックス基板１０の下面においても、金属回路板１２と同様の製造方法で、放熱側金属板１６の側面１６ａからろう材層１５がはみ出たはみ出し部（フィレット）１５ａを形成することが好ましい。
なお同様に、セラミックス基板１０の下面においても、金属回路板１２と同様の製造方法で、放熱側金属板１６の側面１６ａからろう材層１５がはみ出たはみ出し部（フィレット）１５ａを形成することが好ましい。
次に、図１２に示すように、金属回路板１２の側面１２ａとろう材層１１のはみ出し部１１ａおよびセラミックス基板１０の表面を覆うように絶縁樹脂溶液（絶縁層１３）を滴下する。絶縁樹脂溶液の滴下は、樹脂用ディスペンサーなどによって行うことができる。その後、不活性ガス雰囲気中で加熱し、絶縁樹脂溶液を硬化させて絶縁層１３を形成する。
絶縁樹脂としてはポリイミド樹脂などが好ましい。例えば、ポリイミド樹脂をＮ－メチル－２－ピロリドン（ＮＭＰ）などの溶媒で希釈して常温（２５℃）における粘度（Ｅ型粘度計で測定した粘度）を５０～１０００ｍＰａ・ｓ（好ましくは７０～９００ｍＰａ・ｓ）としたポリイミド樹脂溶液とし、このポリイミド樹脂溶液を樹脂用ディスペンサーなどにより金属回路板１２の間（回路パターン間）やその周囲に滴下して絶縁層１３を形成することが好ましい。
なお、必要に応じて、金属回路板１２およびはみ出し部（フィレット）１１ａに、例えば電気Ｎｉめっきまたは無電解ＮｉめっきによりＮｉめっき皮膜を形成しても良い。また、放熱側金属板１６の下面に、図示しない金属板または複合材からなるベース板、放熱フィンや水冷用の冷却ジャケットを、例えば半田やろう材等を介して取り付けることができる。
こうして製造された本発明の実施の形態にかかる金属－セラミックス接合基板１にあっては、所定の角度の金属回路板１２の側面１２ａと所定のはみ出し幅を有するろう材層１１のはみ出し部１１ａが絶縁層１３で覆われていることにより、部分放電特性が良好で且つ耐ヒートサイクル性に優れた金属－セラミックス接合基板を提供することができる。また、金属回路板１２の側面１２ａの傾斜が大きいことで樹脂との密着力を高め、かつはみ出し部（フィレット）１１ａがあることで熱履歴を与えた後にも応力緩和効果で、セラミックス基板１０のクラック発生も抑制できる。
なお、本発明の実施の形態の一例として、セラミックス基板１０の上面に２つの金属回路板１２がろう材層１１を介して接合された形態を示したが、金属回路板１２の個数は、１または３以上でも良く、また、セラミックス基板１０の少なくとも一方の面に金属回路板１２が接合されれば足り、また、セラミックス基板１０の他方の面に放熱側金属板１６が接合されているのが好ましい。
なお、本発明の実施の形態の一例として、セラミックス基板１０の上面に２つの金属回路板１２がろう材層１１を介して接合された形態を示したが、金属回路板１２の個数は、１または３以上でも良く、また、セラミックス基板１０の少なくとも一方の面に金属回路板１２が接合されれば足り、また、セラミックス基板１０の他方の面に放熱側金属板１６が接合されているのが好ましい。
以下、本発明による金属－セラミックス接合（回路）基板およびその製造方法の実施例について詳細に説明する。なお、以下に示す実施例１～４、比較例１～６では、金属回路板および放熱側金属板（金属板）：無酸素銅（長さ２０ｍｍ、幅１４ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍ）、セラミックス基板：窒化アルミ（長さ１９．８ｍｍ、幅１３．８ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍ）、ペースト状の活性金属含有ろう材：銀を主成分としてチタンを含むろう材を準備した。この活性金属含有ろう材の成分は、金属成分として８３質量％の銀と１０質量％の銅と５質量％の錫と（活性金属成分としての）２質量％のチタンを含有するペースト状の活性金属含有ろう材（Ａｇ：Ｃｕ：Ｓｎ：Ｔｉ＝８３：１０：５：２）である。
［実施例１～４］
上述の金属－セラミックス接合基板の製造方法と同様に、セラミックス基板の上面および下面にペースト状の活性金属含有ろう材を厚さが２０μｍになるようにスクリーン印刷で塗布し、その活性金属含有ろう材に接触するように金属板を配置し、真空炉中で８５０℃に加熱した後、冷却することにより、セラミックス基板の上面および下面に金属板を接合した。
上述の金属－セラミックス接合基板の製造方法と同様に、セラミックス基板の上面および下面にペースト状の活性金属含有ろう材を厚さが２０μｍになるようにスクリーン印刷で塗布し、その活性金属含有ろう材に接触するように金属板を配置し、真空炉中で８５０℃に加熱した後、冷却することにより、セラミックス基板の上面および下面に金属板を接合した。
その後、セラミックス基板の一方の面に接合した金属板の表面に回路パターン形状の紫外線硬化アルカリ剥離型レジストを、他方の面に接合した金属板の表面に放熱側金属板の形状の前記レジストをスクリーン印刷により塗布した。これらのレジストに紫外線を照射して硬化させた後、塩化銅と塩酸と残部の水とからなるエッチング液により金属板（銅板）の不要な部分をエッチングし、水酸化ナトリウム水溶液によりレジストを除去し、銅板からなる金属回路板および放熱側金属板を形成した。
次に、１．６質量％のＥＤＴＡ・４Ｎａ（エチレン・ジアミン・４酢酸のＮａ塩）と３質量％のアンモニア水と５質量％の過酸化水素水を含むキレート水溶液に浸漬した後、２質量％のエチレントリアミン五酢酸（ＤＴＰＡ）・５Ｎａと５質量％の過酸化水素水を含むキレート水溶液からなる公知のろう材エッチング液に浸漬することにより、セラミックス基板表面の銅回路パターンの間や放熱側銅板の周囲等に残留する活性金属含有ろう材の不要な部分を除去し中間製品を得た。
次いで、前記レジストを、中間製品の金属回路板および放熱側金属板の全面にスクリーン印刷により塗布した後、１４質量％の硫酸と３．２質量％の過酸化水素と残部の水とからなる液温４５℃のエッチング液（化学研磨液）に浸漬して、金属回路板および放熱側金属板の側面をエッチング（化学研磨）して、活性金属含有ろう材を回路側銅板および放熱側銅板の側面部から所定の長さろう材をはみ出させろう材のはみ出し部（ろう材のフィレット）を形成し、金属－セラミックス接合基板を得た。
実施例１～４では、フィレット長さ１００μｍ程度を狙いとした。
実施例１～４では、フィレット長さ１００μｍ程度を狙いとした。
次に、金属回路板と放熱側金属板の表面およびろう材のはみ出し部に、無電解めっきにより厚さ４μｍのＮｉ－Ｐ合金めっき皮膜を形成した。
次いで、ポリイミド樹脂溶液を、樹脂用ディスペンサー（吐出圧力：０．２５ＭＰａ、吐出時間：２ｍｓｅｃ、吐出間隔：０．５ｍｍ／ｓｈｏｔ）を用いて金属回路板の間（回路パターン間）とその周囲に滴下して塗布した後、２５０℃で３０分間加熱硬化させて絶縁層を形成したものを評価サンプルとした。
実施例１～４、比較例１～６の基板寸法、金属回路板の形状（回路パターン寸法）を図１３に示す。
次いで、ポリイミド樹脂溶液を、樹脂用ディスペンサー（吐出圧力：０．２５ＭＰａ、吐出時間：２ｍｓｅｃ、吐出間隔：０．５ｍｍ／ｓｈｏｔ）を用いて金属回路板の間（回路パターン間）とその周囲に滴下して塗布した後、２５０℃で３０分間加熱硬化させて絶縁層を形成したものを評価サンプルとした。
実施例１～４、比較例１～６の基板寸法、金属回路板の形状（回路パターン寸法）を図１３に示す。
［比較例１～３］
実施例と同様に、セラミックス基板の上面および下面にペースト状の活性金属含有ろう材をスクリーン印刷で塗布し、その活性金属含有ろう材に接触するように金属板を配置し、加熱後、冷却することにより、セラミックス基板の上面および下面に金属板を接合した。その後、レジスト印刷→エッチング→レジスト除去→ろう材層除去→無電解Ｎｉ－Ｐめっき→ポリイミド塗布により、比較例１～３の金属－セラミックス接合基板を得た。すなわちフィレット形成（および同時に行う金属回路板の側面傾斜角制御）工程を除いて実施例と同様の製造方法にて作製し、比較例１～３ではフィレットなしとした。
実施例と同様に、セラミックス基板の上面および下面にペースト状の活性金属含有ろう材をスクリーン印刷で塗布し、その活性金属含有ろう材に接触するように金属板を配置し、加熱後、冷却することにより、セラミックス基板の上面および下面に金属板を接合した。その後、レジスト印刷→エッチング→レジスト除去→ろう材層除去→無電解Ｎｉ－Ｐめっき→ポリイミド塗布により、比較例１～３の金属－セラミックス接合基板を得た。すなわちフィレット形成（および同時に行う金属回路板の側面傾斜角制御）工程を除いて実施例と同様の製造方法にて作製し、比較例１～３ではフィレットなしとした。
［比較例４～６］
実施例と同様に、セラミックス基板の上面および下面にペースト状の活性金属含有ろう材をスクリーン印刷で塗布し、その活性金属含有ろう材に接触するように金属板を配置し、加熱後、冷却することにより、セラミックス基板の上面および下面に金属板を接合した。その後、レジスト印刷→エッチング→レジスト除去→ろう材層除去→化学研磨→無電解Ｎｉめっき→ポリイミド塗布により、比較例４～６の金属－セラミックス接合基板を得た。比較例４～６では、実施例と比べてろう材除去後に金属板の表面にレジストを形成せずに化学研磨（フィレット形成）を行っていること、またフィレット長さ５０μｍ程度を狙いとした工程が異なる。比較例４～６では、金属回路板の厚さが薄くなり、金属回路板の上面が丸くなった。
実施例と同様に、セラミックス基板の上面および下面にペースト状の活性金属含有ろう材をスクリーン印刷で塗布し、その活性金属含有ろう材に接触するように金属板を配置し、加熱後、冷却することにより、セラミックス基板の上面および下面に金属板を接合した。その後、レジスト印刷→エッチング→レジスト除去→ろう材層除去→化学研磨→無電解Ｎｉめっき→ポリイミド塗布により、比較例４～６の金属－セラミックス接合基板を得た。比較例４～６では、実施例と比べてろう材除去後に金属板の表面にレジストを形成せずに化学研磨（フィレット形成）を行っていること、またフィレット長さ５０μｍ程度を狙いとした工程が異なる。比較例４～６では、金属回路板の厚さが薄くなり、金属回路板の上面が丸くなった。
実施例１、４、比較例２、５の金属回路板、フィレットの断面形状を図１４に示す。図１４は評価サンプルであるＮｉ－Ｐめっきが形成された金属－セラミックス接合基板の、セラミックス基板の表面に垂直、且つ回路パターンの辺（外周）に垂直な断面である。
また、金属－セラミックス接合基板の部分放電を次の方法で測定した。まず、複数ある各金属回路板の表面にＡｌワイヤーを超音波ボンディングで接続することにより、各金属回路板の間を電気的に接続した。次いで金属－セラミックス接合基板を絶縁油中に浸漬した状態で、金属回路板と放熱金属板の間に電圧を部分放電測定器（総研電気株式会社製の部分放電測定器DAC-PD-3）を用いて０．５ｋＶずつ昇圧した後、０．５ｋＶずつ降圧し、その電圧における部分放電の電荷量の測定を実施した。放電電荷量の閾値を１０ｐＣ（ピコクーロン）および5ｐＣ(ピコクーロン)に設定し、それぞれの放電電荷量の閾値より大きく発生した電圧を開始電圧、それぞれの放電電荷量の閾値未満となった電圧を消滅電圧として記録した。
また、金属－セラミックス接合基板を－４０℃で３０分保持、１５０℃で３０分保持を１サイクルとして、５０サイクルごとに室温に戻してセラミックスのクラック発生有無を確認することにより、耐ヒートサイクル性を評価した。
フィレットがない比較例１～３の評価サンプルは部分放電特性が良好であり、３８０℃で熱処理後も部分放電特性が維持されるが、ヒートサイクル５０サイクル後にセラミックス基板にクラックが発生しており耐ヒートサイクル（ＨＣ）特性に劣る。なお、熱処理は、室温から１０分間で３８０℃まで昇温させて１０分間保持した後に５分間で室温に戻す通炉処理(窒素80：水素20)を行った。
金属回路板の側面（Ｃｕ側面）の角度が７５°以下でフィレットの長さが７０μｍ以下の比較例４～６は、熱処理後の部分放電消滅電圧が１０ｋＶ以下になることがあり、部分放電特性に劣ることが判明した。
一方、断面において金属回路板の側面（Ｃｕ板側面）の角度が８０°以上で、フィレットが９０μｍを超えている実施例１～４は、熱処理前のポリイミド塗布後の部分放電開始および部分放電消滅電圧が１３ｋＶ以上であり、熱処理実施後の部分放電測定に置いて放電電荷量５ｐＣ未満の条件の場合でも部分放電消滅電圧が、１２ｋＶ以上となり、部分放電特性が良好で且つ耐ヒートサイクル性に優れた金属－セラミックス接合基板を得ることができた。
また、金属－セラミックス接合基板の部分放電を次の方法で測定した。まず、複数ある各金属回路板の表面にＡｌワイヤーを超音波ボンディングで接続することにより、各金属回路板の間を電気的に接続した。次いで金属－セラミックス接合基板を絶縁油中に浸漬した状態で、金属回路板と放熱金属板の間に電圧を部分放電測定器（総研電気株式会社製の部分放電測定器DAC-PD-3）を用いて０．５ｋＶずつ昇圧した後、０．５ｋＶずつ降圧し、その電圧における部分放電の電荷量の測定を実施した。放電電荷量の閾値を１０ｐＣ（ピコクーロン）および5ｐＣ(ピコクーロン)に設定し、それぞれの放電電荷量の閾値より大きく発生した電圧を開始電圧、それぞれの放電電荷量の閾値未満となった電圧を消滅電圧として記録した。
また、金属－セラミックス接合基板を－４０℃で３０分保持、１５０℃で３０分保持を１サイクルとして、５０サイクルごとに室温に戻してセラミックスのクラック発生有無を確認することにより、耐ヒートサイクル性を評価した。
フィレットがない比較例１～３の評価サンプルは部分放電特性が良好であり、３８０℃で熱処理後も部分放電特性が維持されるが、ヒートサイクル５０サイクル後にセラミックス基板にクラックが発生しており耐ヒートサイクル（ＨＣ）特性に劣る。なお、熱処理は、室温から１０分間で３８０℃まで昇温させて１０分間保持した後に５分間で室温に戻す通炉処理(窒素80：水素20)を行った。
金属回路板の側面（Ｃｕ側面）の角度が７５°以下でフィレットの長さが７０μｍ以下の比較例４～６は、熱処理後の部分放電消滅電圧が１０ｋＶ以下になることがあり、部分放電特性に劣ることが判明した。
一方、断面において金属回路板の側面（Ｃｕ板側面）の角度が８０°以上で、フィレットが９０μｍを超えている実施例１～４は、熱処理前のポリイミド塗布後の部分放電開始および部分放電消滅電圧が１３ｋＶ以上であり、熱処理実施後の部分放電測定に置いて放電電荷量５ｐＣ未満の条件の場合でも部分放電消滅電圧が、１２ｋＶ以上となり、部分放電特性が良好で且つ耐ヒートサイクル性に優れた金属－セラミックス接合基板を得ることができた。
１ 金属－セラミックス接合基板
１０ セラミックス基板
１１ ろう材層
１１ａ はみ出し部（フィレット）
１２ 金属回路板
１２ａ 側面
１２ｂ 上端（上角部）
１３ 絶縁層
１５ ろう材層
１５ａ はみ出し部（フィレット）
１６ 放熱側金属板
２０ 活性金属含有ろう材
２１ 金属板
２２、２３ レジスト
１０ セラミックス基板
１１ ろう材層
１１ａ はみ出し部（フィレット）
１２ 金属回路板
１２ａ 側面
１２ｂ 上端（上角部）
１３ 絶縁層
１５ ろう材層
１５ａ はみ出し部（フィレット）
１６ 放熱側金属板
２０ 活性金属含有ろう材
２１ 金属板
２２、２３ レジスト
Claims (14)
- セラミックス基板の一方の面にろう材層を介して金属回路板が接合された金属－セラミックス接合基板であって、
前記金属回路板の側面の下端部から外側に８０μｍ以上はみ出した前記ろう材層のはみ出し部が形成され、
前記金属回路板の側面が前記セラミックス基板の表面に対して７５°以上の傾斜角度を有し、
前記金属回路板の側面および前記ろう材層のはみ出し部が絶縁層で覆われている、金属－セラミックス接合基板。 - 前記セラミックス基板の他方の面に放熱側金属板が接合されていることを特徴とする、請求項１に記載の金属－セラミックス接合基板。
- 前記放熱側金属板が銅または銅合金であることを特徴とする、請求項２に記載の金属－セラミックス接合基板。
- 前記金属回路板が銅または銅合金であることを特徴とする、請求項１～３のいずれかに記載の金属－セラミックス接合基板。
- 前記金属回路板と前記ろう材層のはみ出し部の表面にニッケルめっきまたはニッケル合金めっきが形成されていることを特徴とする、請求項１～４のいずれかに記載の金属－セラミックス接合基板。
- 前記絶縁層が樹脂であることを特徴とする、請求項１～５のいずれかに記載の金属－セラミックス接合基板。
- 前記樹脂がポリイミド樹脂を主成分とすることを特徴とする、請求項６に記載の金属－セラミックス接合基板。
- セラミックス基板の一方の面にろう材層を介して金属板が接合された金属－セラミックス接合体において、前記金属板の不要な部分を除去して金属回路板を形成し、前記金属回路板の側面の下端部から前記ろう材層を８０μｍ以上はみ出させて前記ろう材層のはみ出し部を形成するとともに、前記金属回路板の側面がセラミックス基板の表面に対して７５°以上の傾斜角度となるように、金属回路板の側面をエッチングした後、
前記金属回路板の側面と前記ろう材層のはみ出し部を覆うように絶縁層を形成する、金属－セラミックス接合基板の製造方法。 - セラミックス基板の一方の面にろう材層を介して金属板が接合されるとともに、他方の面に放熱側ろう材層を介して金属板が接合された金属－セラミックス接合体において、一方の面の前記金属板および他方の面の前記金属板の不要な部分を除去し、前記セラミックス基板の一方の面に金属回路板を形成するとともに、他方の面に放熱側金属板を形成することを特徴とする、請求項８に記載の金属－セラミックス接合基板の製造方法。
- 前記放熱側金属板が銅または銅合金であることを特徴とする、請求項９に記載の金属－セラミックス接合基板の製造方法。
- 前記金属回路板が銅または銅合金であることを特徴とする、請求項８～１０のいずれかに記載の金属－セラミックス接合基板の製造方法。
- 前記金属回路板および前記ろう材層のはみ出し部の表面にニッケルまたはニッケル合金めっきを形成することを特徴とする、請求項８～１１のいずれかに記載の金属－セラミックス接合基板の製造方法。
- 絶縁性の樹脂からなるコーティング材を塗布した後、硬化させることにより、前記絶縁層を形成することを特徴とする、請求項８～１２のいずれかに記載の金属－セラミックス接合基板の製造方法。
- 前記樹脂がポリイミド樹脂を主成分とすることを特徴とする、請求項１３に記載の金属－セラミックス接合基板の製造方法。
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