JP5908473B2 - 酸化物系セラミックス回路基板の製造方法および酸化物系セラミックス回路基板 - Google Patents

Description

本発明は、酸化物系セラミックス回路基板の製造方法および酸化物系セラミックス回路基板に係り、特に耐熱サイクル（ＴＣＴ）特性に優れた酸化物系セラミックス回路基板およびその製造方法に関する。

従来から、パワートランジスターなどの半導体素子を搭載する回路基板として、セラミックス回路基板が広く使用されている。セラミックス回路基板の基材となるセラミックス基板としては、酸化アルミニウム焼結体や酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムの混合焼結体などの酸化物系セラミックス、窒化アルミニウム焼結体や窒化珪素焼結体などの窒化物系セラミックスが使用されている。近年、窒化物系セラミックスの高熱伝導化が進められている。このため、高熱伝導性が要求される製品では窒化物系セラミックス回路基板が使われている。
一方、酸化物系セラミックス基板は、窒化物系セラミックスと比較して安価であることから、比較的高熱伝導性が要求されない製品に使用されている。また、酸化物系セラミックス回路基板を製造する場合、直接接合法（ＤＢＣ：ｄｉｌｅｃｔ ｂｏｎｄｉｎｇ ｃｏｐｐｅｒ）と呼ばれる接合法により、銅回路板と酸化物系セラミックス基板との接合が可能である。窒化物系セラミックス基板の場合、接合剤としてＴｉ等の活性金属を含有する活性金属ろう材を使用する必要があるのに対し、直接接合法では、Ｔｉ等の活性金属の使用が不要であることから、コストメリットは大きい。
直接接合法は、例えば、特開平１−５９９８６号公報（特許文献１）や特開平４−１４４９７８号公報（特許文献２）に記載されたように、酸素と銅との共晶組成物を利用して接合する方法である。

特開平１−５９９８６号公報 特開平４−１４４９７８号公報

特許文献２に示す接合方法では、アルミナ回路基板の銅板表面をエッチングして銅板表面の酸化物層を除去することにより、熱サイクル試験（ＴＣＴ試験）の耐久性が優れたものが得られている。しかしながら、エッチング工程はコストアップの要因となる。一方、エッチング工程を行って銅板表面の酸化物層を除去しないアルミナ回路基板では、ＴＣＴ特性の向上を図ることが困難であるという問題があった。
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、直接接合法を使用してＴＣＴ特性並びに接合強度が優れた酸化物系セラミックス回路基板を提供することを目的とする。

本発明に係る酸化物系セラミックス回路基板の製造方法は、酸化物系セラミックス基板上に銅板を配置して積層体を形成する工程と、得られた積層体を加熱する工程とにより、酸化物系セラミックス基板と銅板とを一体に接合する酸化物系セラミックス回路基板の接合方法において、上記加熱する工程は、１０６５〜１０８５℃の間に加熱温度の極大値を有する第一加熱領域で積層体を加熱する工程と、次に１０００〜１０５０℃の間に加熱温度の極小値を有する第二加熱領域で積層体を加熱する工程と、さらに１０６５〜１１２０℃の間に加熱温度の極大値を有する第三加熱領域で積層体を加熱して接合体を形成する工程とを有し、その後接合体を冷却領域で冷却することを特徴とするものである。
また、上記酸化物系セラミックス回路基板の製造方法において、前記加熱工程は、銅板を配置した酸化物系セラミックス基板をトレイ上に載置し、搬送速度（ベルトスピード）が７０〜２７０ｍｍ／分のベルトコンベアでトレイを搬送しながら連続して各加熱工程を行うベルト炉を使用して実施することが好ましい。また、前記トレイがニッケル合金から成ることが好ましい。また、前記銅板はプレス加工により複数の回路要素とそれらの回路要素を繋ぐブリッジ部とを形成した回路構造を有し、前記銅板と酸化物系セラミックス基板とを接合後に、上記ブリッジ部を除去することが好ましい。また、前記酸化物系セラミックス基板と銅板とを接合後にエッチング工程により回路構造を形成することが好ましい。また、前記加熱工程は、窒素ガス雰囲気中で実施することが好ましい。
また、前記ベルト炉は、入り口カーテンの窒素流量（Ａ）と出口カーテンの窒素流量（Ｂ）の比Ａ／Ｂが０．２以下に制御された窒素ガス雰囲気を備えることが好ましい
また、前記酸化物系セラミックス基板は、アルミナ焼結体、アルミナとジルコニアとの混合焼結体のいずれか１種から成ることが好ましい。また、前記銅板の酸化物系セラミックス基板に配置される面に酸化膜を設ける工程を有することが好ましい。さらに、前記銅板の接合強度が９．５ｋｇｆ／ｃｍ以上であることが好ましい。また、前記銅板中の炭素含有率が０．１〜１．０質量％であることが好ましい。

また、本発明の酸化物系セラミックス回路基板は、銅板と酸化物系セラミックス基板とを直接接合法により接合した酸化物系セラミックス回路基板において、銅板を剥がしたとき、銅板の酸化物系セラミックス基板との接合面側の銅の面積率が単位面積３０００μｍ×３０００μｍ当り６０％以下であり、上記銅板の接合強度が９．５ｋｇｆ／ｃｍ以上であることを特徴とするものである。
また、上記酸化物系セラミックス回路基板において、前記酸化物系セラミックス基板が、アルミナ焼結体、アルミナとジルコニアとの混合焼結体のいずれか１種から成ることが好ましい。また、前記酸化物系セラミックス回路基板を、温度−４０℃で３０分間保持し、次に温度２５℃で１０分間保持し、次に温度１２５℃で３０分間保持し、次に温度２５℃で１０分間保持する加熱工程を１サイクルとする熱サイクル試験（ＴＣＴ）を１００サイクル実施した後においても、酸化物系セラミックス基板にクラックが発生しないことが好ましい。
また、前記酸化物系セラミックス基板の密度が３．６０〜３．７９ｇ／ｃｍ^３であることが好ましい。また、前記酸化物系セラミックス回路基板を、温度−４０℃で３０分間保持し、次に温度２５℃で１０分間保持し、次に温度１２５℃で３０分間保持し、次に温度２５℃で１０分間保持する加熱工程を１サイクルとする熱サイクル試験（ＴＣＴ）を１００サイクル実施した後において、前記銅板の接合強度が６．５ｋｇｆ／ｃｍ以上であることが好ましい。
また、前記銅板の厚さが０．２〜０．５ｍｍであることが好ましい。また、前記酸化物系セラミックス基板の表面粗さＲａが０．１〜０．７μｍであることが好ましい。また、前記銅板の結晶粒界に酸素が存在することが好ましい。また、前記銅板の平均結晶粒径が３００〜８００μｍであることが好ましい。また、前記銅板の炭素含有率が０．１〜１．０質量％であることが好ましい。

本発明に係る酸化物系セラミックス回路基板の製造方法によれば、所定の第一加熱領域、第二加熱領域、第三加熱領域で加熱工程を実施していることから共晶による接合反応を安定化させることができるので、セラミックス回路基板の製造歩留りを向上させることができる。また、本発明に係る酸化物系セラミックス回路基板は、接合強度が高く、ＴＣＴ特性を向上させることができる。

本発明に係る酸化物系セラミックス回路基板の一実施例の構成を示す断面図である。 本発明に係る酸化物系セラミックス回路基板の製造方法の一実施例を示す断面図である。 本発明に係る酸化物系セラミックス回路基板の製造方法における温度プロファイルの一例を示すグラフである。 本発明に係る酸化物系セラミックス回路基板の製造方法の他の実施例を示す断面図である。

本実施形態に係る酸化物系セラミックス回路基板の製造方法は、酸化物系セラミックス基板上に銅板を配置して積層体を形成する工程と、得られた積層体を加熱する工程とにより、酸化物系セラミックス基板と銅板とを一体に接合する酸化物系セラミックス回路基板の接合方法において、上記加熱する工程は、１０６５〜１０８５℃の間に加熱温度の極大値を有する第一加熱領域で積層体を加熱する工程と、次に１０００〜１０５０℃の間に加熱温度の極小値を有する第二加熱領域で積層体を加熱する工程と、さらに１０６５〜１１２０℃の間に加熱温度の極大値を有する第三加熱領域で積層体を加熱して接合体を形成する工程とを有し、その後接合体を冷却領域で冷却することを特徴とするものである。
図１に酸化物系セラミックス回路基板の一構成例を示す。図中、符号１は酸化物系セラミックス回路基板であり、符号１１は酸化物系セラミックス基板であり、符号１２は銅回路板（回路用銅板）であり、符号１３は裏金属板（裏銅板）である。

まず、酸化物系セラミックス基板１１は、アルミナ焼結体、アルミナとジルコニアの混合焼結体のいずれか１種であることが好ましい。アルミナ焼結体は、Ｓｉ成分、Ｃａ成分、Ｍｇ成分、Ｎａ成分などの焼結助剤を８質量％以下含有してもよい。また、アルミナとジルコニアの混合焼結体は、ジルコニアを１０〜９０質量％、残部アルミナの焼結体であることが好ましい。なお、必要に応じ、焼結助剤を８質量％以下含有させてもよい。
また、銅板は、酸素を１００〜１０００質量ｐｐｍ含有するタフピッチ電解銅から成る銅板を使用することが好ましい。また、酸素含有量が１００質量ｐｐｍ未満の銅板を用いる場合は、銅板の酸化物系セラミックス基板との接合面側に酸化銅膜を形成することが好ましい。酸化銅膜の形成方法は、銅板を熱処理して直接酸化する方法や酸化銅粉末のペーストを塗布する方法などが挙げられる。具体的には、銅板を大気中において温度１５０〜３６０℃の範囲にて２０〜１２０秒間加熱する表面酸化処理を実施することによって形成することができる。
ここで、酸化銅膜の厚さが１μｍ未満の場合は、Ｃｕ−Ｏ共晶の発生量が少なくなるため、基板と銅回路板との未接合部分が多く、接合強度を向上させる効果は少ない。一方、酸化銅層の厚さが１０μｍを超えるように過大にしても、接合強度の改善効果が少なく、却って銅回路板の導電特性を阻害することになる。したがって、銅回路板表面に形成する酸化銅層の厚さは１〜１０μｍの範囲が好ましい。そして同様の理由により２〜５μｍ の範囲がより望ましい。酸化銅粉末のペーストを使う場合は、平均粒径１〜５μｍの酸化銅粉末を使用し、厚さ１〜１０μｍの酸化銅膜を形成した後、乾燥または熱処理する。
また、銅板は炭素を０．１〜１．０質量％含有することが好ましい。炭素は脱酸剤として機能するため、銅板（タフピッチ銅または無酸素銅）中の酸素を銅板表面に移動させる効果を得ることができる。銅板表面に移動した酸素は直接接合法を行う際のＣｕ−Ｏ共晶を形成するのに活用することができる。炭素含有量が０．１質量％未満では含有の効果がなく、１．０質量％を超えると炭素含有量が増え過ぎて銅板の導電性を低下させる。

本発明で用いる接合方法は、直接接合法（ＤＢＣ：ｄｉｌｅｃｔ ｂｏｎｄｉｎｇ ｃｏｐｐｅｒ）である。直接接合法は、酸化物系セラミックス基板１１上に、銅回路板１２、裏銅板１３を接触配置して加熱し、接合界面にＣｕ−Ｃｕ_２Ｏ ，Ｃｕ−Ｏ等の共晶液相を生成させて、この液相により酸化物系セラミックス基板との濡れ性を高め、次いで、この液相を冷却固化させることにより、酸化物系セラミックス基板と銅板とを直接接合するものである。銅と酸素との共晶を利用することから、接合面に銅と酸素とが存在する形態にする必要がある。
銅と酸素の共晶液相の生成は１０６５℃以上の温度で起きる。一方、銅の融点が１０８３℃であるため、過度に温度が高いと銅板が溶解してしまう。そのため、１０６５〜１０８５℃の温度範囲で接合する。従来の直接接合法では温度１０６５〜１０８５℃で熱処理した後は、そのまま常温に戻す冷却工程に入っていた。

それに対して、本発明の酸化物系セラミックス回路基板の製造方法では、前記加熱する工程は、１０６５〜１０８５℃の間に極大値をもつ第一加熱領域、次に１０００〜１０５０℃の間に極小値をもつ第二加熱領域、さらには１０６５〜１１２０℃の間に極大値をもつ第三加熱領域を有し、その後冷却領域となることとした。
図２に本発明に係る酸化物系セラミックス回路基板の製造方法の一例を示す。図２中、符号１は酸化物系セラミックス回路基板であり、２はトレイであり、３はベルトコンベアである。トレイ２上に載置された酸化物系セラミックス回路基板１の積層体は、図中の矢印で示すように、ベルトコンベア３によって、向かって左から右に搬送される。
図２では、接合前の酸化物系セラミックス回路基板１を配置したトレイ２をベルトコンベア３上に配置し、ベルトコンベア３にてトレイ２を搬送するベルト炉６を例示している。なお、本発明では後述する第一加熱領域、第二加熱領域、第三加熱領域を具備している限り、上記ベルト炉６に限定されるものではない。

まず、加熱する工程では、１０６５〜１０８５℃の温度範囲内で加熱温度の極大値を持つ第一加熱領域を形成する。第一加熱領域の形成は、第一加熱領域に相当する部分にあるヒータ（図示せず）の出力温度を調整することにより形成できる。
上記第一加熱領域の後（２次側）に、１０００〜１０５０℃の温度範囲内に加熱温度の極小値を有する第二加熱領域を形成し、その次に１０６５〜１１２０℃の温度範囲内に加熱温度の極大値を有する第三加熱領域を形成して冷却工程へと続いていく。温度調節に関しては、それぞれの領域にあるヒータの出力温度を変えることにより調整できる。上記第一加熱領域、第二加熱領域、第三加熱領域における加熱工程を連続的に実施することが必要である。そのためにはベルト炉６で搬送しながら、それぞれの温度領域を通過させる方法が好ましい。

図３に本発明に係る酸化物系セラミックス回路基板の製造方法における加熱工程での温度プロファイルの一例を示す。図３に示したように銅と酸素との共晶反応が生起する１０６５〜１０８５℃の温度範囲（第一加熱領域）に積層体を加熱した後、共晶反応が生起しない１０００〜１０６４℃の温度範囲（第二加熱領域）に下げて積層体の加熱工程を実施し、再度、共晶反応が生起する１０６５〜１１２０℃の温度範囲（第三加熱領域）に上げて加熱工程を実施する。
このように温度プロファイルとして、加熱温度を上げて・下げて・上げて各加熱工程を連続して実施するのである。なお、図３では温度プロファイルの線図が曲線状に変化する状態を示したが、極大値または極小値となる一定温度で保持するように設定してもよい。
上記の第一加熱領域にて銅と酸素との共晶反応が生起したとき、銅板中（または銅板表面）に含有されている酸素は共晶反応に使用されたり、銅板から外に放出されたりする。しかしながら、銅板中の酸素を全て共晶反応または外に放出することは困難であり、その一部は銅板中に残存する。共晶反応直後に冷却工程に入ると残存した酸素は銅板中で樹枝状結晶（デンドライト：ｄｅｎｄｒｉｔｅ）が形成されてしまう。この樹枝状結晶が存在すると接合強度が低下する。また、銅板表面のめっきや半田との濡れ性が低下する。

そのため、第二加熱領域を設け共晶反応以下の温度である１０００〜１０６４℃という低い温度で加熱することにより共晶反応を安定化させ、その後、第三加熱領域にて１０６５〜１１２０℃の温度範囲で再加熱することにより、残存した樹枝状結晶を除去することができる。つまりは、樹枝状結晶を形成していた酸素を銅板から放出することができるのである。
また、第二加熱領域は、１０００℃未満であると温度が下がり過ぎて第三加熱領域で樹枝状結晶の除去が十分行われない。好ましくは、加熱温度範囲は１０２０〜１０５０℃である。
また、第三加熱領域は、１１２０℃を超えると銅板の溶解（変形）を招くので好ましくない。さらに好ましい加熱温度範囲は１０７０〜１０９０℃である。また、第三加熱領域にて樹枝状結晶を形成する酸素を除去するためには、第一加熱領域の加熱温度よりも第三加熱領域の温度が高い方が好ましい。

また、加熱工程は、銅板を配置した酸化物系セラミックス基板（積層体）をトレイ上に載置し、ベルトスピードが７０〜２７０ｍｍ／分のベルトコンベアでトレイを搬送しながら連続して各加熱工程を実施するベルト炉を用いることが好ましい。ベルトスピードを制御することにより、熱処理時間を調整することができる。
ベルトスピードが７０ｍｍ／分より小さいと、単位時間当たりの処理数（タクト）が減少し、また特に第一加熱領域における過剰な熱処理によりデンドライト生成がより促進されて、第二加熱領域および第三加熱領域で除去しきれなくなる。
一方、ベルトスピードが２７０ｍｍ／分より大きいと、第一・第三加熱領域での接合が不十分となって銅板剥がれなどの不良を招くおそれがある。ベルトスピードは好ましくは１００〜２２０ｍｍ／分の範囲である。また、前述の搬送速度を使って連続搬送するときは、第一加熱領域、第二加熱領域、第三加熱領域はそれぞれ３００〜２０００ｍｍの運搬距離であることが好ましい。

また、酸化物系セラミックス回路基板（積層体）を搬送するトレイがニッケル合金で構成されることが好ましい。上記トレイは、銅板または酸化物系セラミックス基板と接した状態で熱処理炉（ベルト炉）に搬送される。このため、直接接合法で用いる温度１０６５〜１１２０℃付近で銅や酸化物系セラミックス基板と反応しない材料であることが必要である。
酸化物系セラミックス回路基板は両面に銅板を配置し接合した方が反り防止に有効である。そのため、熱処理温度で銅板と反応せず、その上で熱により変形しない材料であることが望まれる。
このような材料としてニッケル合金があり、特にクロムと鉄を所定量含有したインコネルが好ましい。インコネルには、インコネル６００（質量％でＮｉ７６．０、Ｃｒ１５．５、Ｆｅ８．０）、インコネル６０１（質量％でＮｉ６０．５、Ｃｒ２３．０、Ｆｅ１４．４、Ａｌ１．４）が代表として挙げられる。これ以外にもインコネル６２５、インコネル７１８、インコネルＸ７５０が挙げられる。インコネルは耐熱合金として使われており、銅板と反応せず、熱変形しないので好ましい。また、銅板との反応をより効果的に防止するために、インコネル製トレイの表面に湿水素処理を施すことが効果的である。

また、前記加熱工程は、窒素ガス雰囲気中で実施することが好ましい。直接接合法は、銅と酸素との共晶反応を利用することから、加熱工程を実施する雰囲気中に必要以上に酸素が存在しないことが好ましい。このため、加熱接合工程は不活性雰囲気中で実施することが好ましい。
不活性雰囲気としては、窒素ガス、アルゴンガスが挙げられる。この中で窒素ガスの方が経済的であるため、窒素ガスを使うことが好ましい。また、窒素ガスの純度は９９．９％以上、さらには９９．９９％以上の高純度ガスであることが好ましい。

また、ベルト炉６は、入口カーテンの窒素流量（Ａ）と出口カーテンの窒素流量（Ｂ）の比Ａ／Ｂが０．２以下にコントロールされた窒素ガス雰囲気を備えることが好ましい。図４に、窒素流量を説明するためのベルト炉６の断面図を示す。図中、酸化物系セラミックス回路基板（積層体または接合体）１は、トレイ２上に載置された状態で、搬送ベルト（ベルトコンベア）３によって、搬入口（入口）４側から搬出口（出口）５側に所定の搬送速度で搬送される。
ベルト炉６の搬入口４の近傍には、入口カーテンが設けられる一方、搬出口５の近傍には出口カーテンが設けられる。ここで、Ａは入り口カーテンの窒素流量を示し、Ｂは出口カーテンの窒素流量を示す。すなわち、搬入口４の近傍には、窒素流量（Ａ）で流出する窒素ガスが流れている。また、搬出口５の近傍には窒素流量（Ｂ）で流出する窒素ガスが流れている。
ここで、窒素流量（Ａ）／窒素流量（Ｂ）が０．２以下にコントロールすることが好ましい。窒素流量比Ａ／Ｂが０．２以下であるということは、窒素流量Ｂが窒素流量Ａの５倍以上大きな流量で流れていることを示す。このような関係であると、搬出口５から搬入口４方向に窒素ガスの流れが形成される。トレイ２の搬送方向に対して向い風（カウンターフロー）となることにより、加熱工程中（例えばベルト炉６内）に大気が残存しても窒素ガスで流して除去することができる。
また、加熱工程中に銅回路板および裏銅板から放出される酸素を酸化物系セラミックス回路基板の近傍に滞在させない効果も発揮される。一方、窒素ガスが流れる方向が、トレイ２の搬送方向と同一であると、場合によってはベルト炉６内の酸素が酸化物系セラミックス回路基板１の周囲に滞留残存したままになるおそれもある。

また、窒素流量（Ａ）は、２〜２０リットル／分であることが好ましい。また、窒素流量（Ｂ）は、３０〜１００リットル／分であることが好ましい。これらの範囲であれば、窒素流量の制御が実施し易い。また、搬入口４近傍の窒素流量が２リットル／分以上とすることによって、搬入口４から大気などの不純物やごみが混入することを防止する気流カーテンとして機能させることができる。同様に、搬出口５における窒素流量を３０リットル／分以上とすることにより、搬出口５から大気などの不純物やごみが混入することを効果的に防止することができる。
また、不純物の混入を防止するという点に関して言えば、加熱した窒素ガスを流すことも有効である。つまり加熱することにより、窒素ガスに含まれる水分やベルト炉内にある水分を蒸発させる効果がある。窒素ガスの加熱温度としては、５０〜１８０℃の範囲が好ましい。５０℃未満では窒素ガスを加熱する効果が十分でなく、１８０℃を超えるとこれ以上の効果が得られないだけでなくコストアップの要因となる。

次に銅板を銅回路板に加工する工程について説明する。前述の加熱工程（接合工程）において、予め回路形状に加工した銅板を配置して、そのまま接合する方法が望ましい。しかしながら、ベルト炉のように搬送しながら接合工程を行う製法では、搬送中に酸化物系セラミックス基板上で銅板のズレが生じる恐れがある。そのため、設置面積の大きな状態で酸化物系セラミックス基板に配置することが望ましい。
銅板の設置面積を大きくする方法としては、次の方法がある。第１の方法は、銅板をプレス加工により複数の回路板要素と、それを相互に繋げるブリッジ部とを設けた回路構造を形成することである。個々の銅回路板要素をブリッジ部で繋げた構造とすることにより、個々には小さな銅回路板をブリッジ部で繋げて見かけ上は大きな設置面積を有する銅回路板とすることができる。
また、第２の方法は、酸化物系セラミックス基板に銅板を配置し、接合後にエッチング工程により所定形状の回路構造を形成する方法である。

また、銅板（銅回路板および裏銅板）の位置ずれを防止する方法としては、樹脂バインダーを酸化物系セラミックス基板上に塗布し、その上に銅板を配置する方法が挙げられる。樹脂バインダーは加熱工程にて焼失するものであれば特に限定されるものではない。このような樹脂バインダーとしてはアクリルバインダー（例えばイソブチルメタアクリレートなど）が挙げられる。樹脂バインダーの塗布形状としては、直径１０ｍｍ以下のドット状に塗布することが好ましい。加熱工程により樹脂バインダーは焼失するが、銅板を配置する面の全面に塗布すると、焼失時に発生する二酸化炭素などの気体成分が酸化物系セラミックス基板と銅板との隙間から十分抜けきらずに、却って共晶反応の障害になる恐れがある。
上記のようにして銅板の位置ずれを防止することにより、トレイのスピードが１５０ｍｍ／分以上である高速搬送を実施したとしても、位置ずれによる不良の発生を防止することができる。さらに位置ずれを防止することにより、トレイ上に１０個以上の多くの接合前の酸化物系セラミックス回路基板（積層体）を配置することが可能になるので、さらに量産性を向上させることができる。
また、得られた酸化物系セラミックス回路基板の銅板表面にニッケルめっきを施してもよい。以上のような本発明の製造方法によって得られた酸化物系セラミックス回路基板では、銅板の接合強度を９．５ｋｇｆ／ｃｍ以上とすることができる。

次に、本実施形態に係る酸化物系セラミックス回路基板について説明する。本実施形態に係る酸化物系セラミックス回路基板は、本発明に係る酸化物系セラミックス回路基板の製造方法で得られることを基本とするが、同様の構成を具備するものであればその製造方法は特に限定されるものではない。以下に本実施形態に係る発明の酸化物系セラミックス回路基板の構成について説明する。
本実施形態に係る酸化物系セラミックス回路基板は、銅板と酸化物系セラミックス基板とを直接接合法により接合した酸化物系セラミックス回路基板において、銅板を剥がしたとき、銅板の酸化物系セラミックス基板との接合面側の銅の面積率が単位面積３０００μｍ×３０００μｍ当り６０％以下であり、銅板の接合強度が９．５ｋｇｆ／ｃｍ以上であることを特徴とするものである。
まず、酸化物系セラミックス基板は、アルミナ焼結体、アルミナとジルコニアとの混合焼結体のいずれか１種から成ることが好ましい。アルミナ焼結体は、Ｓｉ成分、Ｃａ成分、Ｍｇ成分、Ｎａ成分などの焼結助剤を８質量％以下含有してもよい。また、アルミナとジルコニアの混合焼結体は、ジルコニアを１０〜９０質量％、残部アルミナの焼結体であることが好ましい。なお、必要に応じ、焼結助剤を８質量％以下含有させてもよい。
また、酸化物系セラミックス基板の密度が３．６０〜３．７９ｇ／ｃｍ^３であることが好ましい。密度が３．６０ｇ／ｃｍ^３未満ではセラミックス基板内のポアが多すぎて基板の強度および熱伝導率が低下する。また、基板表面にポアが多いと、銅板との直接接合を行った際に未接合部が多くなり、接合強度が低下する。一方、密度が３．７９ｇ／ｃｍ^３を超えて大きいと、却ってセラミックス基板の製造コストが上昇するので好ましくない。また、酸化物系セラミックス基板の厚さは０．３〜１．２ｍｍであることが好ましい。

また、銅板の構成材としては、酸素を所定量含有したタフピッチ銅を使用しても良いが、酸素含有量が少ない銅板でも良い。また、銅板の厚さは０．２〜０．５ｍｍであることが好ましい。酸化物系セラミックス基板の厚さを０．３〜１．２ｍｍの範囲にする一方、銅板の厚さを０．２〜０．５ｍｍとすることにより酸化物系セラミックス基板と銅板との熱膨張差のバランスがとれて耐熱サイクル試験（ＴＣＴ試験）での耐久性が向上する。
また、銅板は炭素を０．１〜１．０質量％含有することが好ましい。炭素は脱酸剤として機能するため、銅板（タフピッチ銅または無酸素銅）中の酸素を銅板表面に移動させる効果を得ることができる。銅板表面に移動した酸素は直接接合法を実施する際のＣｕ−Ｏ共晶を形成するために活用することができる。炭素含有量が０．１質量％未満では、含有の効果が無い一方、１．０質量％を超えると炭素含有量が増え過ぎて銅板の導電性を低下させる。
また、直接接合法を実施するに際して、酸化物系セラミックス基板の表面粗さがＲａで０．１〜０．７μｍであることが好ましい。表面粗さＲａが０．１μｍ未満では、精度が高い表面研磨が必要になりコストアップの要因となる。また、表面粗さＲａが０．７μｍを超えると、表面が粗過ぎて銅板と酸化物系セラミックス基板との間に隙間ができて共晶反応が十分に進行しないおそれがある。
このような酸化物系セラミックス基板を使用して酸化物系セラミックス回路基板を形成すると、接合した銅板を剥がした時の、銅板の酸化物系セラミックス基板との接合面側の銅の面積率が単位面積３０００μｍ×３０００μｍあたり６０％以下とすることができる。銅板を剥がした時に、この銅板の酸化物系セラミックス基板との接合面側の銅の面積率とは、剥がした銅板の酸化物系セラミックス基板との接合面側をＥＰＭＡによる面分析したとき、Ｃｕが最も多く検出される面積が単位面積３０００μｍ×３０００μｍ当り６０％以下になるということである。単位面積当りの銅の面積率が６０％以下ということは、残りの部分には酸化物系セラミックス基板から剥離した部分が付着した状態となっていることを示す。つまり、残りの部分では銅板と酸化物系セラミックス基板との接合が全面に渡って均一に行われていることを示す。より好ましい銅の面積率は４０％以下である。
なお、ＥＰＭＡ面分析を行う際、一視野で単位面積３０００μｍ×３０００μｍの全体を測定できないときは、複数の視野に分割して測定してもよい。この場合は、例えば、３００μｍ×３００μｍの視野を連続して縦横に１０か所面分析して合計する方法が挙げられる。
また、単位面積当りの銅の面積率が６０％以下を満たすことにより、銅板の接合強度が９．５ｋｇｆ／ｃｍ以上、さらには１０．５ｋｇｆ／ｃｍ以上となる。

また、接合後の銅板の平均結晶粒径が３００〜８００μｍであることが好ましい。直接接合法は、銅と酸素との共晶反応を利用する接合方法である。銅板中や銅板表面の酸素は銅板の結晶粒界に集まる。粒界に集まった酸素が共晶反応に使用されていくので、銅板の結晶粒界は適度なサイズを有することが好ましい。銅板の平均結晶粒径が３００μｍより小さいと粒界相が小さいまたは細くなり過ぎて接合強度の低下を招く。一方、平均結晶粒径が８００μｍを超えると、粒界相が大きくなり過ぎて単位面積当りの銅結晶粒界の割合が減るので接合強度の低下を招く。
このように銅結晶粒サイズを調整した上で、銅結晶粒界に酸素を存在させることにより、接合強度を向上させ、さらにＴＣＴ特性を向上させることができる。なお、剥がした銅板の接合面側をＥＰＭＡにより酸素を面分析することにより銅結晶粒界に酸素が凝集していることが明白になる。

このような構成を採用することにより、−４０℃×３０分→２５℃×１０分→１２５℃×３０分→２５℃×１０分を１サイクルとするＴＣＴ試験を１００サイクル実施した後においても、酸化物系セラミックス基板にクラックが発生しない酸化物系セラミックス回路基板とすることができる。
また、−４０℃×３０分→２５℃×１０分→１２５℃×３０分→２５℃×１０分を１サイクルとするＴＣＴ試験を１００サイクル実施した後の銅板の接合強度を６．５ｋｇｆ／ｃｍ以上とすることもできる。
本実施形態に係る酸化物系セラミックス回路基板によれば、銅板の銅結晶粒サイズや銅板の粒界相に酸素を凝集させることにより、酸化物系セラミックス基板と銅板との接合強度を向上させることができる。そのため、特にＴＣＴ特性が向上した酸化物系セラミックス回路基板を提供することができる。このような回路基板であれば、安価な酸化物系セラミックス基板の特性を生かしたコストメリットが高いセラミックス回路基板を提供することができる。

（実施例１〜５）
酸化物系セラミックス基板として、アルミナ基板（縦５０ｍｍ×横３０ｍｍ×厚さ０．４ｍｍ、表面粗さＲａ０．３μｍ、密度３．７２ｇ／ｃｍ^３）を用意した。金属回路板用銅板として、酸素含有量が５００質量ｐｐｍのタフピッチ銅板（縦４０ｍｍ×横２０ｍｍ×厚さ０．５ｍｍ、平均結晶粒径５０μｍ）を用意した。また、裏銅板用銅板として酸素含有量５００質量ｐｐｍのタフピッチ銅板（縦４０ｍｍ×横２０ｍｍ×厚さ０．５ｍｍを用意した。なお、銅板中の炭素含有量は０．１質量％未満のものを用いた。
次に、インコネル６００製のトレイ上に、裏銅板／アルミナ基板／銅回路板の順に重ねて配置し積層体とした。
図４に示すようなベルト炉６を使用して、表１に示す第一加熱領域、第二加熱領域、第三加熱領域を有する加熱工程を行って直接接合法を実施して実施例１〜５に係る酸化物系セラミックス回路基板を調製した。なお、上記第一加熱領域、第二加熱領域、第三加熱領域における積層体の搬送距離は１０００ｍｍで統一した。また、ベルト炉６の入口カーテンおよび出口カーテンにおける窒素ガスの流量（Ａ），（Ｂ）は表１に示す値に設定した。
（比較例１）
第二加熱工程および第三加熱工程を実施しない加熱工程にて直接接合法を実施した点以外は実施例１と同一方法で処理して比較例１に係る酸化物系セラミックス回路基板を調製した。

（実施例６〜９）
酸化物系セラミックス基板として、アルミナ基板（縦５０ｍｍ×横３０ｍｍ×厚さ０．４ｍｍ、表面粗さＲａ０．５μｍ、密度３．６８ｇ／ｃｍ^３）を用意した。また、金属回路板用銅板として、酸素含有量が５０質量ｐｐｍ以下の純銅板（縦４０ｍｍ×横２０ｍｍ×厚さ０．５ｍｍ、平均結晶粒径６０μｍ）を用意した。さらに、裏銅板用銅板として酸素含有量が５０質量ｐｐｍ以下の純銅板（縦４０ｍｍ×横２０ｍｍ×厚さ０．５ｍｍ）を用意した。なお、銅板中の炭素含有量は０．１質量％未満の銅材を用いた。
次に、純銅板のアルミナ基板接合面側を加熱して膜厚４μｍの酸化銅膜を形成した。その後、インコネル６００製トレイ上に、裏銅板／アルミナ基板／銅回路板の順に重ね積層体として配置した。
次に図４に示すようなベルト炉６を使用して、表２に示す第一加熱領域、第二加熱領域、第三加熱領域を有する加熱工程を実施して直接接合法を実施して実施例６〜９に係る酸化物系セラミックス回路基板を調製した。なお、上記第一加熱領域、第二加熱領域、第三加熱領域における積層体の搬送距離は１０００ｍｍで統一した。また、ベルト炉６の入口カーテンおよび出口カーテンにおける窒素ガスの流量（Ａ），（Ｂ）は表２に示す値に設定した。
（実施例１０）
酸化物系セラミックス基板として、アルミナ基板（縦５０ｍｍ×横３０ｍｍ×厚さ０．４ｍｍ、表面粗さＲａ０．５μｍ、密度３．６８ｇ／ｃｍ^３）を用意した。また金属回路板用銅板として、酸素含有量が５０質量ｐｐｍ以下の純銅板（縦４０ｍｍ×横２０ｍｍ×厚さ０．５ｍｍ、平均結晶粒径６０μｍ）を用意した。さらに、裏銅板用銅板として酸素含有量が５０質量ｐｐｍ以下の純銅板（縦４０ｍｍ×横２０ｍｍ×厚さ０．５ｍｍ）を用意した。なお、銅板中の炭素含有量は０．１質量％未満の銅材を用いた。
一方、銅回路板用銅板をプレス加工して、縦１５ｍｍ×横６ｍｍの回路要素を２つ形成し、それぞれブリッジ構造で繋いだ銅板を調製した。
次に、インコネル６００製トレイ上に、裏銅板／アルミナ基板／銅回路板の順に重ねて積層体とし配置した。
次に図４に示すようなベルト炉６を使用して、表２に示す第一加熱領域、第二加熱領域、第三加熱領域を有する加熱工程を実施して直接接合法を実施して実施例１０に係る酸化物系セラミックス回路基板を調製した。なお、上記第一加熱領域、第二加熱領域、第三加熱領域における積層体の搬送距離は１０００ｍｍで統一した。また、ベルト炉６の入口カーテンおよび出口カーテンにおける窒素ガスの流量（Ａ），（Ｂ）は表２に示す値に設定した。

次に、実施例１〜９および比較例１に係る酸化物系セラミックス回路基板において、銅回路板をエッチングして縦１５ｍｍ×横６ｍｍの回路部を２個形成した。また、実施例１０に係る酸化物系セラミックス回路基板では、銅回路板のブリッジ部を削除した。
回路部を形成した実施例１〜１０および比較例１に係る酸化物系セラミックス回路基板に関して、銅回路板の接合強度を求めた。また、−４０℃×３０分→２５℃×１０分→１２５℃×３０分→２５℃×１０分を１サイクルとするＴＣＴ試験を１００サイクル行い、銅板の剥れの有無およびＴＣＴ試験後の銅板の接合強度を測定した。
また、銅回路板を剥がした際の銅板の接合面側の銅の面積率を求めた。面積率の測定は、剥がした銅板の接合面側をＥＰＭＡ分析して銅が最も多く検出される面積率を単位面積３０００μｍ×３０００μｍ当りの割合で求めた。また、ＥＰＭＡの面分析によって酸素の凝集の有無を調査した。なお、ＥＰＭＡの分析は、単位面積３００μｍ×３００μｍを連続分析して合計３０００μｍ×３０００μｍになるまで求めた。また、接合後の銅板の平均結晶粒径も測定した。また、銅回路板にＮｉめっきを施し、濡れ性を調査した。
なお、上記濡れ性は、銅回路板に対するＮｉめっきの付着面積が１００％のものを○とし、９９％以下のものを△とした。
その測定調査結果を表３に示す。

実施例１〜８，１０に係る酸化物系セラミックス回路基板は、いずれも優れた特性を示した。なお、実施例９では窒素ガス流量の制御（Ａ／Ｂ）が１であったため、銅板表面のＮｉめっきとの濡れ性が低下した。銅回路板の表面にはデントライト組織が確認された。また、比較例１は第二加熱領域および第三加熱領域を設けていないために特性が低下した。
また、本実施例に係る酸化物系セラミックス回路基板の製造方法であれば、その製造歩留りはいずれも８０〜９０％の範囲であった。なお、不良原因の多くは、ベルト炉での搬送中での銅板の位置ずれによるものであった。この改善のために、銅板とアルミナ基板の間にアクリルバインダーを直径５ｍｍのドット状に塗布したところ、位置ずれの問題が解決し、製造歩留りが９７％以上と大幅に向上した。
（実施例１１〜１４）
実施例１の銅板を炭素含有量０．５質量％のタフピッチ銅板に代えた点以外は同一処理を繰り返して実施例１１に係る酸化物系セラミックス回路基板を調製した。
また、実施例６の銅板を炭素含有量が０．２質量％の無酸素銅（純銅）に代えた点以外は同一処理を繰り返して実施例１２に係る酸化物系セラミックス回路基板を調製した。
また、実施例１１のアルミナ基板を、アルミナとジルコニアとの混合焼結体（ジルコニア２０ｗｔ％、イットリア５ｗｔ％、アルミナ残部）に代えた点以外は同一処理を繰り返して実施例１３に係る酸化物系セラミックス回路基板を調製した。
さらに、実施例１２のアルミナ基板を、アルミナとジルコニアとの混合焼結体（ジルコニア２０ｗｔ％、イットリア５ｗｔ％、アルミナ残部）に代えた点以外は同一処理を繰り返して実施例１４に係る酸化物系セラミックス回路基板を調製した。以下、実施例１１〜１４の回路基板に対して、実施例１と同様の測定を行った。その結果を下記表４に示す。

上記表４に示す結果から明らかなように、銅板に炭素を含有させることにより、接合強度の向上が確認できた。これは銅板中の炭素が脱酸剤として機能し、銅板中の酸素を銅板表面へと移動させ、移動した酸素がＣｕ−Ｏ共晶の形成に寄与したためと考えられる。

本発明に係る酸化物系セラミックス回路基板の製造方法によれば、所定の第一加熱領域、第二加熱領域、第三加熱領域でそれぞれ加熱工程を実施していることから共晶による接合反応を安定化させることができるので、セラミックス回路基板の製造歩留りを向上させることができる。また、本発明に係る酸化物系セラミックス回路基板は、接合強度が高く、ＴＣＴ特性を向上させることができる。

１…酸化物系セラミックス回路基板
１１…酸化物系セラミックス基板
１２…銅回路板（回路用銅板）
１３…銅板（裏銅板，裏金属板）
２…トレイ
３…搬送ベルト（ベルトコンベア）
４…搬入口（入口）
５…搬送口（出口）
６…ベルト炉（熱処理炉）

Claims (21)

1. 酸化物系セラミックス基板上に銅板を配置して積層体を形成する工程と、得られた積層体を加熱する工程とにより、酸化物系セラミックス基板と銅板とを一体に接合する酸化物系セラミックス回路基板の接合方法において、
   上記加熱する工程は、１０６５〜１０８５℃の間に加熱温度の極大値を有する第一加熱領域で積層体を加熱する工程と、次に１０００〜１０５０℃の間に加熱温度の極小値を有する第二加熱領域で積層体を加熱する工程と、さらに１０６５〜１１２０℃の間に加熱温度の極大値を有する第三加熱領域で積層体を加熱して接合体を形成する工程とを有し、その後接合体を冷却領域で冷却することを特徴とする酸化物系セラミックス回路基板の製造方法。
2. 前記加熱工程は、銅板を配置した酸化物系セラミックス基板をトレイ上に載置し、搬送速度が７０〜２７０ｍｍ／分のベルトコンベアでトレイを搬送しながら連続して各加熱工程を行うベルト炉を使用して実施することを特徴とする請求項１記載の酸化物系セラミックス回路基板の製造方法。
3. 前記トレイがニッケル合金から成ることを特徴とする請求項２記載の酸化物系セラミックス回路基板の製造方法。
4. 前記銅板はプレス加工により複数の回路要素とそれらの回路要素を繋ぐブリッジ部とを形成した回路構造を有し、前記銅板と酸化物系セラミックス基板とを接合後に、上記ブリッジ部を除去することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の酸化物系セラミックス回路基板の製造方法。
5. 前記酸化物系セラミックス基板と銅板とを接合後にエッチング工程により回路構造を形成することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の酸化物系セラミックス回路基板の製造方法。
6. 前記加熱工程は、窒素ガス雰囲気中で実施することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の酸化物系セラミックス回路基板の製造方法。
7. 前記ベルト炉は、入り口カーテンの窒素流量（Ａ）と出口カーテンの窒素流量（Ｂ）の比Ａ／Ｂが０．２以下に制御された窒素ガス雰囲気を備えることを特徴とする請求項６記載の酸化物系セラミックス回路基板の製造方法。
8. 前記酸化物系セラミックス基板は、アルミナ焼結体、アルミナとジルコニアとの混合焼結体のいずれか１種から成ることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の酸化物系セラミックス回路基板の製造方法。
9. 前記銅板の酸化物系セラミックス基板に配置される面に酸化膜を設ける工程を有することを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の酸化物系セラミックス回路基板の製造方法。
10. 前記銅板の接合強度が９．５ｋｇｆ／ｃｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の酸化物系セラミックス回路基板の製造方法。
11. 前記銅板中の炭素含有率が０．１〜１．０質量％であることを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の酸化物系セラミックス回路基板の製造方法。
12. 銅板と酸化物系セラミックス基板とを直接接合法により接合した酸化物系セラミックス回路基板において、銅板を剥がしたとき、銅板の酸化物系セラミックス基板との接合面側の銅の面積率が単位面積３０００μｍ×３０００μｍ当り６０％以下であり、銅板の接合強度が９．５ｋｇｆ／ｃｍ以上であることを特徴とする酸化物系セラミックス回路基板。
13. 前記酸化物系セラミックス基板が、アルミナ焼結体、アルミナとジルコニアとの混合焼結体のいずれか１種から成ることを特徴とする請求項１２記載の酸化物系セラミックス回路基板。
14. 前記酸化物系セラミックス回路基板を、温度−４０℃で３０分間保持し、次に温度２５℃で１０分間保持し、次に温度１２５℃で３０分間保持し、次に温度２５℃で１０分間保持する加熱工程を１サイクルとする熱サイクル試験（ＴＣＴ）を１００サイクル実施した後においても、酸化物系セラミックス基板にクラックが発生しないことを特徴とする請求項１２または請求項１３に記載の酸化物系セラミックス回路基板。
15. 前記酸化物系セラミックス基板の密度が３．６０〜３．７９ｇ／ｃｍ^３であることを特徴とする請求項１２ないし請求項１４のいずれか１項に記載の酸化物系セラミックス回路基板。
16. 前記酸化物系セラミックス回路基板を、温度−４０℃で３０分間保持し、次に温度２５℃で１０分間保持し、次に温度１２５℃で３０分間保持し、次に温度２５℃で１０分間保持する加熱工程を１サイクルとする熱サイクル試験（ＴＣＴ）を１００サイクル実施した後において、前記銅板の接合強度が６．５ｋｇｆ／ｃｍ以上であることを特徴とする請求項１２ないし請求項１５のいずれか１項に記載の酸化物系セラミックス回路基板。
17. 前記銅板の厚さが０．２〜０．５ｍｍであることを特徴とする請求項１２ないし請求項１６のいずれか１項に記載の酸化物系セラミックス回路基板。
18. 前記酸化物系セラミックス基板の表面粗さＲａが０．１〜０．７μｍであることを特徴とする請求項１２ないし請求項１７のいずれか１項に記載の酸化物系セラミックス回路基板。
19. 前記銅板の結晶粒界に酸素が存在することを特徴とする請求項１２ないし請求項１８のいずれか１項に記載の酸化物系セラミックス回路基板。
20. 前記銅板の平均結晶粒径が３００〜８００μｍであることを特徴とする請求項１２ないし請求項１９のいずれか１項に記載の酸化物系セラミックス回路基板。
21. 前記銅板の炭素含有率が０．１〜１．０質量％であることを特徴とする請求項１２ないし請求項２０のいずれか１項に記載の酸化物系セラミックス回路基板。

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