JP6400422B2 - 金属−セラミックス回路基板およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属−セラミックス回路基板およびその製造方法に関し、特に、活性金属含有ろう材により金属板がセラミックス部材に接合された金属−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、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−セラミックス回路基板が使用されている。

このような金属−セラミックス回路基板では、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間に発生する熱膨張差による熱応力により、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構造またはフィレット（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（例えば、特許文献１〜３参照）。

しかし、（銅回路板などの）金属回路板をセラミックス基板に接合するための活性金属含有ろう材のはみ出し部（フィレット）を形成した金属−セラミックス回路基板をパワーモジュールに組み込むと、セラミックス基板上の金属回路板の回路パターン間などにおいて、活性金属含有ろう材中の金属（例えば、活性金属と銀と銅からなるろう材を使用した場合に銀または銅）のマイグレーションが生じて、絶縁不良を起こすおそれがある。

このようなマイグレーションを防止する方法として、金属板の端部からはみ出したろう材のはみ出し部の表面に無電解Ｎｉ−Ｐめっきを施す方法が知られている（例えば、特許文献４参照）。

特開平１０−１２５８２１号公報（段落番号０００８） 特開２００１−３３２８５４号公報（段落番号００１４−００１９） 特開２００４−３０７３０７号公報（段落番号００１２−００１４） 特開２００６−２２８９１８号公報（段落番号００２１−００２２）

しかし、活性金属含有ろう材のはみ出し部にＮｉ−Ｐめっきを施しても、金属−セラミックス回路基板をパワーモジュールに組み込む際のアセンブリ工程における（半田付けなどの）熱処理や絶縁ゲルによる被覆によってマイグレーションが発生するのを十分に抑制することができない。

したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、活性金属含有ろう材によりセラミックス基板に金属板を接合した金属−セラミックス回路基板において、マイグレーションの発生を十分に抑制することができる、金属−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を目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、セラミックス基板の少なくとも一方の面に活性金属含有ろう材を介して金属板を接合する金属−セラミックス回路基板の製造方法において、セラミックス基板の少なくとも一方の面に主に活性金属含有ろう材の活性金属とセラミックス基板のセラミックスとの反応生成物からなる反応生成物層を形成するとともに、この反応生成物層と金属板との間に主に活性金属含有ろう材の活性金属以外の金属からなる金属層を形成して、セラミックス基板の少なくとも一方に反応生成物層と金属層を介して金属板を接合した後、反応生成物層と金属層が金属板の側面部からはみ出すように金属板の不要部分を除去し、その後、反応生成物層が金属層の側面部からはみ出すように金属層の不要な部分を除去して反応生成物層からなるフィレットを形成し、金属層と反応生成物層の露出面にめっき皮膜を形成することにより、マイグレーションの発生を十分に抑制することができることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明による金属−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少なくとも一方の面に活性金属含有ろう材を介して金属板を接合する金属−セラミックス回路基板の製造方法において、セラミックス基板の少なくとも一方の面に主に活性金属含有ろう材の活性金属とセラミックス基板のセラミックスとの反応生成物からなる反応生成物層を形成するとともに、この反応生成物層と金属板との間に主に活性金属含有ろう材の活性金属以外の金属からなる金属層を形成して、セラミックス基板の少なくとも一方に反応生成物層と金属層を介して金属板を接合した後、反応生成物層と金属層が金属板の側面部からはみ出すように金属板の不要部分を除去し、その後、反応生成物層が金属層の側面部からはみ出すように金属層の不要な部分を除去して反応生成物層からなるフィレットを形成し、金属層と反応生成物層の露出面にめっき皮膜を形成することを特徴とする。

この金属−セラミックス回路基板の製造方法において、反応生成物層が金属層の側面部からはみ出すように金属層の不要な部分を除去した後に、金属層が金属板の側面部からはみ出すように金属板の不要な部分を除去して、フィレットを金属層と反応生成物層からなるフィレットとして形成してもよい。また、金属板が銅または銅合金からなるのが好ましく、セラミックス基板が窒化物または酸化物からなるのが好ましい。また、活性金属含有ろう材が活性金属と銀と銅からなるろう材であるのが好ましく、活性金属含有ろう材が錫を含んでもよい。また、活性金属含有ろう材中の銀の含有量が３０質量％以上であるのが好ましい。また、めっき皮膜が無電解Ｎｉ合金めっきにより形成されるのが好ましい。また、セラミックス基板が窒化物からなる場合、活性金属含有ろう材の活性金属がチタンであり、反応生成物として窒化チタンが生成されるのが好ましく、セラミックス基板が酸化物からなる場合、活性金属含有ろう材の活性金属がチタンであり、反応生成物として酸化チタンが生成されるのが好ましい。

また、本発明による金属−セラミックス回路基板は、セラミックス基板の少なくとも一方の面に活性金属含有ろう材を介して金属板が接合した金属−セラミックス回路基板において、主に活性金属含有ろう材の活性金属とセラミックス基板のセラミックスとの反応生成物からなる反応生成物層がセラミックス基板上に形成され、主に活性金属含有ろう材の活性金属以外の金属からなる金属層が反応生成物と金属板との間に形成され、反応生成物層が金属層の側面からはみ出してフィレットを形成し、金属層と反応生成物層の露出面にめっき皮膜が形成されていることを特徴とする。

この金属−セラミックス回路基板において、金属層の平面形状およびその大きさが金属板と略同一であるのが好ましい。あるいは、金属層が金属板の側面からはみ出して反応生成物とともにフィレットを形成してもよい。また、金属板が銅または銅合金からなるのが好ましく、セラミックス基板が窒化物または酸化物からなるのが好ましい。また、活性金属含有ろう材が活性金属と銀と銅からなるろう材であるのが好ましく、活性金属含有ろう材が錫を含んでもよい。また、活性金属含有ろう材中の銀の含有量が３０質量％以上であるのが好ましい。また、めっき皮膜がＮｉ合金めっきからなるのが好ましい。また、セラミックス基板が窒化物からなる場合、活性金属含有ろう材の活性金属がチタンであり、反応生成物として窒化チタンが生成されているのが好ましく、セラミックス基板が酸化物からなる場合、活性金属含有ろう材の活性金属がチタンであり、反応生成物として酸化チタンが生成されているのが好ましい。

本発明によれば、活性金属含有ろう材によりセラミックス基板に金属板を接合した金属−セラミックス回路基板のマイグレーションの発生を十分に抑制することができる。

本発明の金属−セラミックス回路基板の製造方法の第１の実施の形態において、セラミックス基板に活性金属含有ろう材を印刷した状態を示す断面図である。 本発明の金属−セラミックス回路基板の製造方法の第１の実施の形態において、活性金属含有ろう材を介してセラミックス基板に金属板を接合した状態を示す断面図である。 本発明の金属−セラミックス回路基板の製造方法の第１の実施の形態において、金属板の表面に所望の回路パターンのレジストを塗布した状態を示す断面図である。 本発明の金属−セラミックス回路基板の製造方法の第１の実施の形態において、金属板の不要な部分をエッチング除去した状態を示す断面図である。 本発明の金属−セラミックス回路基板の製造方法の第１の実施の形態において、金属板からレジストを除去した状態を示す断面図である。 本発明の金属−セラミックス回路基板の製造方法の第１の実施の形態において、活性金属含有ろう材の不要な部分を除去した状態を示す断面図である。 本発明の金属−セラミックス回路基板の製造方法の第１の実施の形態において、金属板の表面に金属板より小さいレジストを塗布した状態を示す断面図である。 本発明の金属−セラミックス回路基板の製造方法の第１の実施の形態において、金属板の不要な部分をエッチング除去した状態を示す断面図である。 本発明の金属−セラミックス回路基板の製造方法の第１の実施の形態において、金属板からレジストを除去した状態を示す断面図である。 本発明の金属−セラミックス回路基板の製造方法の第１の実施の形態において、活性金属含有ろう材の金属層の不要な部分を除去した状態を示す断面図である。 本発明の金属−セラミックス回路基板の製造方法の第１の実施の形態において、めっき皮膜を形成した状態を示す断面図である。 本発明の金属−セラミックス回路基板の製造方法の第２の実施の形態において、所望の回路パターンと略同一の形状で且つその回路パターンより少し大きい活性金属含有ろう材をセラミックス基板に印刷した状態を示す断面図である。 本発明の金属−セラミックス回路基板の製造方法の第２の実施の形態において、活性金属含有ろう材を介してセラミックス基板に金属板を接合した状態を示す断面図である。 本発明の金属−セラミックス回路基板の製造方法の第２の実施の形態において、金属板の表面に所望の回路パターンのレジストを塗布した状態を示す断面図である。 本発明の金属−セラミックス回路基板の製造方法の第２の実施の形態において、金属板の不要な部分をエッチング除去した状態を示す断面図である。 本発明の金属−セラミックス回路基板の製造方法の第２の実施の形態において、金属板からレジストを除去した状態を示す断面図である。 本発明の金属−セラミックス回路基板の製造方法の第２の実施の形態において、活性金属含有ろう材の金属層の不要な部分を除去した状態を示す断面図である。 本発明の金属−セラミックス回路基板の製造方法の第２の実施の形態において、めっき皮膜を形成した状態を示す断面図である。 本発明の金属−セラミックス回路基板の製造方法の第３の実施の形態において、活性金属含有ろう材の金属層の不要な部分を除去した後に金属板より小さいレジストを金属板の表面に塗布した状態を示す断面図である。 本発明の金属−セラミックス回路基板の製造方法の第３の実施の形態において、金属板の不要な部分をエッチング除去した状態を示す断面図である。 本発明の金属−セラミックス回路基板の製造方法の第３の実施の形態において、金属板からレジストを除去した状態を示す断面図である。 本発明の金属−セラミックス回路基板の製造方法の第３の実施の形態において、めっき皮膜を形成した状態を示す断面図である。

金属−セラミックス回路基板の製造方法の実施の形態では、セラミックス基板の少なくとも一方の面に活性金属含有ろう材を介して金属板を接合する金属−セラミックス回路基板の製造方法において、セラミックス基板の少なくとも一方の面に主に活性金属含有ろう材の活性金属とセラミックス基板のセラミックスとの反応生成物からなる反応生成物層を形成するとともに、この反応生成物層と金属板との間に主に活性金属含有ろう材の活性金属以外の金属からなる金属層を形成して、セラミックス基板の少なくとも一方に反応生成物層と金属層を介して金属板を接合した後、反応生成物層と金属層が金属板の側面部からはみ出すように金属板の不要部分を除去し、その後、反応生成物層が金属層の側面部からはみ出すように金属層の不要な部分を除去して反応生成物層からなるフィレットを形成し、金属層と反応生成物層（好ましくは金属板と金属層と反応生成物層）の露出面にめっき皮膜を形成する。また、反応生成物層が金属層の側面部からはみ出すように金属層の不要な部分を除去した後に、金属層が金属板の側面部からはみ出すように金属板の不要な部分を除去して、フィレットを金属層と反応生成物層からなるフィレットとして形成してもよい。

また、本発明による金属−セラミックス回路基板の実施の形態では、セラミックス基板の少なくとも一方の面に活性金属含有ろう材を介して金属板が接合した金属−セラミックス回路基板において、主に活性金属含有ろう材の活性金属とセラミックス基板のセラミックスとの反応生成物からなる反応生成物層がセラミックス基板上に形成され、主に活性金属含有ろう材の活性金属以外の金属からなる金属層が反応生成物と金属板との間に形成され、反応生成物層が金属層の側面からはみ出してフィレットを形成し、このフィレットの表面にめっき皮膜が形成されている。この金属−セラミックス回路基板では、金属層の平面形状およびその大きさが金属板と略同一であるのが好ましいが、金属層が金属板の側面からはみ出して反応生成物とともにフィレットを形成してもよい。

活性金属含有ろう材（例えば、活性金属と銀と銅からなるろう材）によりセラミックス基板に（銅板などの）金属板を接合した金属−セラミックス回路基板では、無電解Ｎｉ−Ｐめっきにより金属板と活性金属含有ろう材を覆うようにめっき皮膜を形成しても、このめっき皮膜は、セラミックス基板と接触しているだけで、セラミックス基板との密着力が非常に弱いと考えられる。そのため、金属−セラミックス回路基板をパワーモジュールに組み込む際のアセンブリ工程における熱履歴などによって応力が生じると、めっき皮膜のセラミックス基板との接触面がセラミックス基板から離れて、めっき皮膜とセラミックス基板の間に微細な間隙が生じて、活性金属含有ろう材が露出することがわかった。

このように露出した活性金属ろう材が硫黄と接触すると、活性金属含有ろう材中の金属（例えば、活性金属と銀と銅からなるろう材を使用した場合に銀または銅）が硫黄と反応して、マイグレーションが生じる。そのため、本発明による金属−セラミックス回路基板およびその製造方法の実施の形態では、金属板の側面部からはみ出したろう材（反応生成物層と金属層）から金属層の不要な部分を除去して金属板の側面部に反応生成物層からなるフィレットを形成し、金属層と反応生成物層（好ましくは金属板と金属層と反応生成物層）の露出面にめっき皮膜を形成することにより、めっき皮膜とセラミックス基板の間に微細な間隙が生じても、活性金属ろう材の金属層が露出しないようにして、マイグレーションを防止している。

上記の金属−セラミックス回路基板およびその製造方法において、セラミックス基板として、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り、５〜２００ｍｍ×５〜２００ｍｍ程度の大きさで０．２５〜３．０ｍｍ（好ましくは０．３〜１．０ｍｍ）の厚さの基板を使用することができる。

活性金属含有ろう材は、活性金属含有ろう材中の銀の含有量が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として、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成分として、チタン、ジルコニウム、ハフニウムおよびこれらの水素化物の少なくとも１種以上を使用することができる。

なお、セラミックス基板が窒化物からなる場合、活性金属含有ろう材の活性金属がチタンであり、反応生成物として窒化チタンが生成されるのが好ましく、セラミックス基板が酸化物からなる場合、活性金属含有ろう材の活性金属がチタンであり、反応生成物として酸化チタンが生成されるのが好ましい。

また、金属板として、銅、アルミニウム、ニッケルなどの単一金属、マンガニンや黄銅などの銅合金、またはステンレスなどの合金からなり、０．１〜２．０ｍｍの厚さの金属箔または金属板を使用することができ、銅または銅合金からなる０．１〜０．５ｍｍの厚さの金属箔または金属板を使用するのが好ましい。

また、フィレットの幅（反応生成物層がセラミックス基板に沿って延びて金属板の側面からはみ出した部分の長さ）は、２０〜１５０μｍであるのが好ましく、３０〜１００μｍであるのがさらに好ましい。また、フィレットとして形成された反応生成物層のはみ出し部分の厚さは、０．０５〜２μｍであるのが好ましく、０．１〜１．０μｍであるのがさらに好ましい。

また、金属層と反応生成物層（好ましくは金属板と金属層と反応生成物層）の露出面に形成されるめっき皮膜は、ニッケルめっき皮膜などであるのが好ましい。

以下、添付図面を参照して、本発明による金属−セラミックス回路基板の製造方法の実施の形態を詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
図１Ａ〜図１Ｂに示すように、セラミックス基板１０の両面にペースト状の活性金属含有ろう材１２をスクリーン印刷し、その活性金属含有ろう材１２上に金属板１４を配置し、実質的に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の両面に金属板１４を接合する。この接合により、活性金属含有ろう材１２は、図１Ｂに示すように、主に活性金属含有ろう材１２の活性金属とセラミックス基板１０のセラミックスとの反応生成物によって形成された層（反応生成物層）１２ａと、主に活性金属含有ろう材１２の活性金属以外の金属によって形成された層（金属層）１２ｂになる。反応生成物層１２ａは、活性金属以外の金属の含有量が低い層であり、金属層１２ｂは、活性金属以外の金属の含有量が高い層である。なお、活性金属含有ろう材１２が反応生成物層１２ａと金属層１２ｂになることは、電子プローブマイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）などにより、容易に確認することができる。

次に、図１Ｃに示すように、セラミックス基板１０の両面に接合した金属板１４の表面に、所望の回路パターンのレジスト１６を塗布し、図１Ｄ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１４の不要な部分をエッチング除去した後、図１Ｅに示すように、レジスト１６を除去する。

次に、図１Ｆに示すように、活性金属含有ろう材１２の不要な部分を、例えば、フッ酸を含む水溶液や、エチレン時アミン四酢酸（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した後、図１Ｇに示すように、金属板１４の上面の周縁部が露出するように金属板１４より小さいレジスト１８を金属板１４上に塗布し、図１Ｈ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１４の不要な部分（金属板１４の周縁部）をエッチング除去して活性金属含有ろう材１２を金属板１４の側面部からはみ出させ、その後、図１Ｉに示すように、レジスト１８を除去する。

次に、図１Ｊに示すように、活性金属含有ろう材１２の金属層１２ｂの不要な部分を、例えば、フッ酸を含む水溶液や、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した後、図１Ｋに示すように、金属板１４および活性金属含有ろう材１２上にめっき皮膜２０を形成して、所定の幅の（反応生成物層１２ａからなる）フィレット（反応生成物層１２ａがセラミックス基板１０の両面の各々に沿って延びて金属層１２ｂの側面からはみ出た部分）が形成された金属−セラミックス回路基板を得る。

なお、反応生成物層１２ａは、金属層１２ｂと比べて、フッ酸を含む水溶液や、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溶ける速度が遅いため、金属層１２ｂがこの水溶液に溶けて、反応生成物層１２ａが露出した時点で、この水溶液による処理を止めれば、図１Ｊに示すように、活性金属含有ろう材１２の反応生成物層１２ａを残したまま、金属層１２ｂの不要な部分を除去することができる。反応生成物層１２ａが露出したか否かは、表面の色により目視で簡単に判断することができるが、電子プローブマイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）などを使用しても容易に確認することができる。

［第２の実施の形態］
図２Ａ〜図２Ｂに示すように、セラミックス基板１０の両面の（図２Ｄ〜図２Ｇに示す）所望の回路パターンの金属板１４に対応する位置に、この回路パターンの金属板１４と略同一の形状で且つその回路パターンの金属板１４より少し大きいペースト状の活性金属含有ろう材１２を、この活性金属含有ろう材１２の上面の周縁部がその所望の回路パターンの金属板１４から露出するようにスクリーン印刷し、その活性金属含有ろう材１２を介してセラミックス基板１０の両面にそれぞれ１枚の金属板１４を配置し、実質的に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の両面に金属板１４を接合する。この接合により、活性金属含有ろう材１２は、図２Ｂに示すように、主に活性金属含有ろう材１２の活性金属とセラミックス基板１０のセラミックスとの反応生成物によって形成された層（反応生成物層）１２ａと、主に活性金属含有ろう材１２の活性金属以外の金属によって形成された層（金属層）１２ｂになる。

次に、図２Ｃに示すように、セラミックス基板１０の両面に接合した金属板１４の表面（の上記の所望の回路パターンの金属板１４に対応する位置）に、上記の所望の回路パターンの金属板１４と同じ形状および大きさのレジスト１８を塗布し、図２Ｄ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１４の不要な部分をエッチング除去して活性金属含有ろう材１２を金属板１４の側面部からはみ出させた後、図２Ｅに示すように、レジスト１６を除去する。

次に、図２Ｆに示すように、活性金属含有ろう材１２の金属層１２ｂの不要な部分を、例えば、フッ酸を含む水溶液や、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した後、図２Ｇに示すように、金属板１４および活性金属含有ろう材１２上にめっき皮膜２０を形成して、所定の幅の（反応生成物層１２ａからなる）フィレット（反応生成物層１２ａがセラミックス基板１０の両面の各々に沿って延びて金属層１２ｂの側面からはみ出た部分）が形成された金属−セラミックス回路基板を得る。

［第３の実施の形態］
本発明による金属−セラミックス回路基板の製造方法の第１の実施の形態において、図１Ａ〜図１Ｊに示す工程を行った後、図３Ａに示すように、金属板１４の上面の周縁部が露出するように金属板１４より小さいレジスト２２を金属板１４上に塗布し、図３Ｂ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１４の不要な部分（金属板１４の周縁部）をエッチング除去して金属層１２ｂを金属板１４の側面部からはみ出させ、その後、図３Ｃに示すように、レジスト２２を除去する。その後、図３Ｄに示すように、金属板１４および活性金属含有ろう材１２上にめっき皮膜２０を形成して、（所定の幅の反応生成物層１２ａとその反応生成物層１２ａより短い金属層１２ｂからなる）フィレット（反応生成物層１２ａと金属層１２ｂがセラミックス基板１０の両面の各々に沿って延びて金属板１４の側面からはみ出た部分）が形成された金属−セラミックス回路基板を得る。

以下、本発明による金属−セラミックス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。

［実施例１］
３２ｍｍ×２２ｍｍ×０．６ｍｍの大きさの窒化アルミニウム基板の両面に、活性金属成分として２重量％のチタンを含む活性金属含有ろう材（Ａｇ：Ｃｕ：Ｔｉ＝７０：２８：２）をスクリーン印刷し、その上に厚さ０．３ｍｍの銅板を配置し、真空中で８５０℃に加熱して窒化アルミニウム基板の両面に銅板を接合した。

次に、両面の銅板上に所定の回路パターンの紫外線硬化アルカリ剥離型レジストをスクリーン印刷により塗布し、レジストに紫外線を照射して硬化させた後、塩化銅と過酸化水素水を含むエッチング液により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て銅回路を形成した。

次に、希硫酸に２０秒間浸漬して酸洗し、１．６質量％のＥＤＴＡ・４Ｎａと３質量％のアンモニア水（２８質量％のアンモニアを含むアンモニア水）と５質量％の過酸化水素水（３５質量％の過酸化水素を含む過酸化水素水）を含むキレート水溶液に２０℃で２０分間浸漬し、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に２０℃で５２分間浸漬することにより、活性金属含有ろう材の不要な部分を除去した後、銅板の上面の周縁部が露出するように銅板より小さいレジストを銅板上に塗布し、塩化銅と過酸化水素水を含むエッチング液により銅板の不要な部分をエッチング除去することにより、活性金属含有ろう材を銅板の側面部からはみ出させ、その後、レジストを除去した。なお、銅板の側面部からはみ出した活性金属含有ろう材の厚さは約１５μｍであった。

次に、１．６質量％のＥＤＴＡ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２０℃で１０分間浸漬して活性金属含有ろう材の金属層（主にＡｇとＣｕによって形成された層）の不要な部分を除去することにより、厚さ約１μｍ、幅６０μｍのフィレット（主にＴｉとＡｌＮの反応生成物としてのＴｉＮにより形成された反応生成物層が銅板および金属層の側面からはみ出た部分）を形成した後、銅板および活性金属含有ろう材（金属層と反応生成物層）を覆うように無電解Ｎｉ−Ｐめっきにより厚さ３μｍのめっき皮膜を形成して、金属−セラミックス回路基板を得た。

このようにして作製した金属−セラミックス回路基板について、以下のような硫黄華試験を行って、マイグレーションの発生の有無を評価した。まず、金属−セラミックス回路基板を２７０℃で３分間熱処理した後、金属−セラミックス回路基板にゲル（モメンティブ社製のＴＳＥ３０５１)を厚さ１〜２ｍｍ程度に塗布し、１５０℃で１時間加熱して硬化させた。この金属−セラミックス回路基板を、硫黄華４ｇと相対湿度制御用の蒸留水２０ｍＬを入れておいた容積約１２００ｃｍ^３のガラス容器内に投入し、密閉して８０℃で５００時間静置した。その後、銅板の周縁部の幅１ｍｍ程度の部分を上方から電子プローブマイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）により５００倍で観察し、Ｎｉ−Ｐめっき皮膜からＡｇ（とＳ）がはみ出した部分（幅５μｍ以上の点状または線状の部分）を特性Ｘ線で確認し、その部分をマイグレーション発生箇所として、その発生箇所の数が０〜１０個未満の場合はマイグレーションの発生なし、１０〜２０個の場合はマイグレーションの発生軽微、２１〜１００個の場合はマイグレーションの発生多数と評価し、１００個を超える場合、幅１００μｍ以上の箇所がある場合、観察領域のほぼ全てにマイグレーション発生箇所がある場合には、マイグレーションの発生顕著として評価した。その結果、本実施例で作製した金属−セラミックス回路基板では、マイグレーション発生箇所は１つもなく、マイグレーションの発生はなかった。

また、本実施例で作製した金属−セラミックス回路基板の窒化アルミニウム基板の両面に銅板が接合した部分をその窒化アルミニウム基板の主面に対して略垂直に切断して得られたサンプルを樹脂に埋め込み、サンプルの切断面を回転式研磨機で研磨し、クロスセッションポリッシャで仕上げ研磨した後、サンプルの切断面にカーボンを蒸着させ、電子プローブマイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）の加速電圧１５．０ｋＶ、照射電流３×１０^−８Ａ、ポイント分析のスポットサイズをφ１μｍとし、サンプルの切断面上の活性金属含有ろう材の反応生成物層と金属層のそれぞれの厚さ方向中央部にビームを照射した。このようにビームを照射したときの分光結晶ＬｉＦで１９０〜１９５°の間に検出されるＴｉのピークと、１０５〜１１０°の間に検出されるＣｕのピークの高さの比Ｃｕ／Ｔｉを算出したところ、反応生成物層では、Ｃｕのピークの高さが１０１、Ｔｉのピークの高さが７２、Ｃｕ／Ｔｉが１．４、金属層では、Ｃｕのピークの高さが６００、Ｔｉのピークの高さが２５、Ｃｕ／Ｔｉが２４であった。このように、反応生成物層では、Ｃｕ／Ｔｉが５以下であり、金属層では、Ｃｕ／Ｔｉが１０以上であるので、反応生成物層と金属層を明確に区別することができる。なお、活性金属含有ろう材の厚さ１５μｍ程度のうち、反応生成物層の厚さは１μｍ程度と非常に薄いため、ＥＰＭＡで検出される反応生成物層中のＣｕには金属層中のＣｕもかなり含まれていると考えられるが、その分（金属層中のＣｕ）を加えても、反応生成物層と金属層を明確に区別することができる結果が得られた。

また、本実施例で作製した金属−セラミックス回路基板の銅板を剥がして、活性金属ろう材の金属層と反応生成物層（反応生成物層が金属層の側面からはみ出た部分）の表面について、ＥＰＭＡにより１５００倍に拡大してそれぞれの表面を構成する元素固有のＸ線（特性Ｘ線）の面分析（マッピング分析）を行ったところ、金属層にＣｕ、Ａｇ、Ｔｉが含まれることが確認され、反応生成物層にＮとＴｉが含まれることが確認された。なお、反応生成物層にＣｕとＡｇを含まれることは確認されなかった。

［実施例２］
活性金属成分として２重量％のチタンを含む活性金属含有ろう材（Ａｇ：Ｃｕ：Ｔｉ：Ｓｎ＝５０：４３：２：５）を使用した以外は、実施例１と同様の方法により、金属−セラミックス回路基板を得た。

このようにして作製した金属−セラミックス回路基板について、実施例１と同様の方法により、硫黄華試験を行って、マイグレーションの発生の有無を評価したところ、本実施例で作製した金属−セラミックス回路基板では、マイグレーションの発生箇所の数は１１個であり、マイグレーションの発生は軽微であった。

［比較例１］
活性金属含有ろう材を銅板の側面部からはみ出させた後に活性金属含有ろう材の金属層（主にＡｇとＣｕによって形成された層）の不要な部分を除去しなかった以外は、実施例１と同様の方法により、金属−セラミックス回路基板を得た。

このようにして作製した金属−セラミックス回路基板について、実施例１と同様の方法により、硫黄華試験を行って、マイグレーションの発生の有無を評価したところ、本比較例で作製した金属−セラミックス回路基板では、マイグレーションの発生箇所の数が非常に多く（１００個超）、マイグレーションの発生は顕著であった。

［比較例２］
活性金属含有ろう材を銅板の側面部からはみ出させなかった以外は、実施例１と同様の方法により、金属−セラミックス回路基板を得た。

このようにして作製した金属−セラミックス回路基板について、実施例１と同様の方法により、硫黄華試験を行って、マイグレーションの発生の有無を評価したところ、本比較例で作製した金属−セラミックス回路基板では、マイグレーションの発生箇所の数が非常に多く（１００個超）、マイグレーションの発生は顕著であった。

これらの実施例および比較例の結果から、（主に活性金属含有ろう材の活性金属とセラミックス基板のセラミックスとの反応生成物からなる）反応生成物層を（主に活性金属含有ろう材の活性金属以外の金属からなる）金属層の側面からはみ出させるともに、金属層と反応生成物層の露出面にめっき皮膜を形成すれば、活性金属含有ろう材によりセラミックス基板に金属板を接合した金属−セラミックス回路基板のマイグレーションの発生を十分に抑制することができることがわかる。

１０ セラミックス基板
１２ 活性金属含有ろう材
１２ａ 反応生成物層
１２ｂ 金属層
１４ 金属板
１６ レジスト
１８ レジスト
２０ めっき皮膜
２２ レジスト

Claims (17)

1. セラミックス基板の少なくとも一方の面に活性金属含有ろう材を介して金属板を接合する金属−セラミックス回路基板の製造方法において、セラミックス基板の少なくとも一方の面に主に活性金属含有ろう材の活性金属とセラミックス基板のセラミックスとの反応生成物からなる反応生成物層を形成するとともに、この反応生成物層と金属板との間に主に活性金属含有ろう材の活性金属以外の金属からなる金属層を形成して、セラミックス基板の少なくとも一方に反応生成物層と金属層を介して金属板を接合した後、反応生成物層と金属層が金属板の側面部からはみ出すように金属板の不要部分を除去し、その後、反応生成物層が金属層の側面部からはみ出すように金属層の不要な部分を除去して反応生成物層からなるフィレットを形成し、金属層と反応生成物層の露出面にめっき皮膜を形成することを特徴とする、金属−セラミックス回路基板の製造方法。
2. 前記反応生成物層が前記金属層の側面部からはみ出すように前記金属層の不要な部分を除去した後に、前記金属層が前記金属板の側面部からはみ出すように前記金属板の不要な部分を除去して、前記フィレットを前記金属層と前記反応生成物層からなるフィレットとして形成することを特徴とする、請求項１に記載の金属−セラミックス回路基板の製造方法。
3. 前記金属板が銅または銅合金からなることを特徴とする、請求項１または２に記載の金属−セラミックス回路基板の製造方法。
4. 前記セラミックス基板が窒化物または酸化物からなることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の金属−セラミックス回路基板の製造方法。
5. 前記活性金属含有ろう材が活性金属と銀と銅からなるろう材であることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の金属−セラミックス回路基板の製造方法。
6. 前記活性金属含有ろう材が錫を含むことを特徴とする、請求項５に記載の金属−セラミックス回路基板の製造方法。
7. 前記活性金属含有ろう材中の銀の含有量が３０質量％以上であることを特徴とする、請求項５または６に記載の金属−セラミックス回路基板の製造方法。
8. 前記めっき皮膜が無電解Ｎｉ合金めっきにより形成されることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれかに記載の金属−セラミックス回路基板の製造方法。
9. セラミックス基板の少なくとも一方の面に活性金属含有ろう材を介して金属板が接合した金属−セラミックス回路基板において、主に活性金属含有ろう材の活性金属とセラミックス基板のセラミックスとの反応生成物からなる反応生成物層がセラミックス基板上に形成され、主に活性金属含有ろう材の活性金属以外の金属からなる金属層が反応生成物と金属板との間に形成され、反応生成物層が金属層の側面からはみ出してフィレットを形成し、金属層と反応生成物層の露出面にめっき皮膜が形成されていることを特徴とする、金属−セラミックス回路基板。
10. 前記金属層の平面形状およびその大きさが前記金属板と略同一であることを特徴とする、請求項９に記載の金属−セラミックス回路基板。
11. 前記金属層が前記金属板の側面からはみ出して前記反応生成物とともに前記フィレットを形成していることを特徴とする、請求項９に記載の金属−セラミックス回路基板。
12. 前記金属板が銅または銅合金からなることを特徴とする、請求項９乃至１１のいずれかに記載の金属−セラミックス回路基板。
13. 前記セラミックス基板が窒化物または酸化物からなることを特徴とする、請求項９乃至１２のいずれかに記載の金属−セラミックス回路基板。
14. 前記活性金属含有ろう材が活性金属と銀と銅からなるろう材であることを特徴とする、請求項９乃至１３のいずれかに記載の金属−セラミックス回路基板。
15. 前記活性金属含有ろう材が錫を含むことを特徴とする、請求項１４に記載の金属−セラミックス回路基板。
16. 前記活性金属含有ろう材中の銀の含有量が３０質量％以上であることを特徴とする、請求項１４または１５に記載の金属−セラミックス回路基板。
17. 前記めっき皮膜がＮｉ合金めっきからなることを特徴とする、請求項９乃至１６のいずれかに記載の金属−セラミックス回路基板。

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