JP7088469B2 - 成膜方法 - Google Patents

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Description

本発明は、セラミックス基板に金属材料からなる複数の金属被膜を形成する成膜方法に関する。
セラミックス基板上に、活性化処理された銅箔をロウ材等を用いて直接接合した基板を作製し、この上に、シート状に形成した抵抗器（シャント抵抗素子）をロウ付けして得られる回路基板が提案されている（特許文献１参照）。
特開平１１－０９７２０３号公報
特許文献１に記載された回路基板では、抵抗器とセラミックス基板との接合に、半田が用いられている。セラミックス基板は、耐熱性に優れるが、セラミックス基板の熱膨張係数と、セラミックス基板上に実装される抵抗体等の電子部品の熱膨張係数と、導体からなる回路パターンとの熱膨張係数との間には差がある。このため、電子部品と基板との間、或いは、回路パターンとの基板との間には、ヒートサイクル耐久性が要求される。
一方、近年、電子機器の高機能化に伴って、電子部品を実装するための回路基板に対する高電力要求及び高耐熱要求がより一層高まっているため、セラミックス基板と抵抗体との接合方法には、更なる改良が望まれている。
本発明は、金属被膜をセラミックス基板に、より高い接合強度で接合することができる成膜方法を提供することを目的とする。
本発明の一態様としての成膜方法は、セラミックス基板に金属材料からなる複数の金属被膜を形成する成膜方法であって、前記セラミックス基板にスパッタ法により第１の金属材料を施して第１金属被膜を形成する第１の被膜形成工程と、前記第１金属被膜の所定領域にコールドスプレー法により第２の金属材料の粉体を施して第２金属被膜を形成する第２の被膜形成工程と、を有し、前記第１の金属材料は、チタン、アルミニウム、ニッケル及びクロムからなる群から選択される少なくとも１つの金属材料であり、前記第２の金属材料は、抵抗体材料である。
この成膜方法によれば、セラミックス基板にスパッタ法により形成された第１金属被膜に、コールドスプレー法により第２の金属材料からなる第２金属被膜を形成することによって、樹脂性の接着剤や、ロウ材を用いなくとも、第２金属被膜とセラミックス基板とをより高い接合強度で接合することができる。
したがって、金属被膜をセラミックス基板に、より高い接合強度で接合することができる成膜方法を提供できる。
図１は、本発明の実施形態に係る成膜方法の概略を説明する模式図である。 図２は、本実施形態に係る成膜方法を用いて、セラミックス基板に抵抗体材料からなる金属薄膜を形成する工程を説明する模式図である。 図３は、図２の続きの工程を説明する模式図である。 図４は、本発明の実施形態に係る成膜方法を用いて作製されたデバイスを説明する平面図である。 図５は、本発明の実施形態に係る成膜方法を用いて作製されたデバイスの断面図である。 図６は、抵抗温度係数の測定結果を説明する図である。
［成膜方法の説明］
本発明の実施形態に係る成膜方法について、図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る成膜方法を説明する模式図である。
本実施形態に係る成膜方法は、セラミックス基板に金属材料からなる複数の金属被膜を形成する成膜方法であって、セラミックス基板にスパッタ法により第１の金属材料を施して第１金属被膜を形成する第１の被膜形成工程（工程Ｓ１と記す）と、第１金属被膜の所定領域にコールドスプレー法により第２の金属材料を施して第２金属被膜を形成する第２の被膜形成工程（工程Ｓ２と記す）とを有する。
本実施形態に係る成膜方法によれば、セラミックス基板に特定の機能を有する機能膜を形成することができる。以下では、一例として、セラミックス基板に、抵抗体として機能する金属被膜（抵抗体被膜という）を成膜する場合について説明する。
本実施形態に係る成膜方法によって、セラミックス基板に抵抗体被膜を成膜する場合には、工程Ｓ１において、第１金属被膜を形成するために施される第１の金属材料として、チタン、アルミニウム、ニッケル及びクロムからなる群から選択される少なくとも１つの金属材料を用いることができる。また、工程Ｓ２において、第２金属被膜を形成するために施される第２の金属材料として、抵抗体材料を用いることができる。
すなわち、セラミックス基板に、スパッタ法により、チタン、アルミニウム、ニッケル及びクロムからなる群から選択される少なくとも１つの金属材料を施して第１金属被膜を形成し、形成された第１金属被膜の所定領域に、コールドスプレー法により抵抗体材料を施して第２金属被膜としての抵抗体被膜を形成するというものである。この場合、第１金属被膜は、セラミックス基板に対して抵抗体被膜を接合するための接合層として機能する。
図２及び図３は、本実施形態に係る成膜方法を用いて、セラミックス基板に、チタン、アルミニウム、ニッケル及びクロムからなる群から選択される少なくとも１つの金属材料からなる第１金属被膜と、抵抗体材料からなる第２金属被膜を形成する工程を説明する模式図である。
まず、図２（ａ）に示すように、セラミックス基板１１に、スパッタ法により第１の金属材料を施して第１金属被膜１２を形成する。
ここで、セラミックス基板１１としては、酸化アルミニウム、窒化ケイ素及び窒化アルミからなる群から選択される少なくとも１つの材料を用いることができる。
セラミックス基板の厚みは、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下のものを使用することができる。基板としての強度の観点から、セラミックス基板の厚みは、０．１ｍｍ以上であることが好ましい。また、放熱性の観点から、１．０ｍｍ以下であることが好ましい。
また、第１金属被膜１２を形成するために施される金属材料としては、チタン、アルミニウム、ニッケル及びクロムからなる群から選択される少なくとも１つの金属材料であり、これらを単体で、または合金で用いることができる。またこれら各金属材料の酸化物を用いることもできる。第１金属被膜１２を形成するための金属材料としては、第２金属被膜１３を抵抗体被膜とした場合には、セラミックス基板１１と第２金属被膜１３との密着強度を高める観点から、チタン或いはアルミニウムを用いることが好ましく、チタンを用いることがより好ましい。
スパッタ条件は、下記のとおりである。
・ターゲット：チタン
・放電ガス：アルゴンガス
・ガス流量：５０ｓｃｃｍ
・ガス圧力：０．７Ｐａ
・ＤＣ電力：１０００Ｗ
セラミックス基板１１にスパッタ法を用いて形成される第１金属被膜１２の厚みは、５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下とすることができる。第１金属被膜１２の厚みは、セラミックス基板１１と第２金属被膜１３との密着強度を得るために、５０ｎｍ以上であることが好ましい。また、抵抗特性および費用対効果の観点から、１０００ｎｍ以下であることが好ましい。
続いて、図２（ｂ）に示すように、セラミックス基板１１に形成された第１金属被膜１２をフォトリソエッチングにより所望パターンに加工する。
次に、図３（ａ）に示すように、第２金属被膜１３が形成される領域以外を遮蔽し、コールドスプレー装置（ＣＳ）を用いて、セラミックス基板１１に第２の金属材料からなる第２金属被膜を成膜する。
コールドスプレー法に適用される金属粉体の平均粒径は、後述する「塑性変形後の金属粉体の扁平率を５０％から９０％にする」観点から５０μｍ以下とすることが好ましい。また、金属粉体の平均粒径は、コールドスプレーにより着膜可能な粉体速度を得る観点から１０μｍ以上とすることが好ましい。この粒径範囲であれば、金属粉体が溶射されて、第１金属被膜１２が形成されたセラミックス基板１１に衝突した際に、良好な塑性変形を生じさせることができる。また、金属粉体が衝突することで、粉体に生じた新生面同士が金属結合を繰り返し、良好な金属被膜が形成されやすくなる。
また、セラミックス基板１１に向けた金属粉体の溶射速度は、金属粉体がセラミックス基板１１に衝突して塑性変形した後の金属粉体の扁平率が５０％から９０％になるように設定する。塑性変形後の金属粉体の扁平率が５０％から９０％の範囲になるように、金属粉体の速度を設定すると、金属粉体がセラミックス基板１１に衝突した際に、金属粒子間の接触面積が増加し、緻密化が進むため、セラミックス基板１１と第２金属被膜との密着性を向上させることができる。
塑性変形した後の金属粉体の扁平率が５０％以下であると、セラミックス基板１１から受ける反力によって、セラミックス基板１１に対する第２金属被膜の密着性が不十分となる。また、塑性変形した後の金属粉体の扁平率が９０％を超えると、金属粉体がセラミックス基板１１に衝突した際に飛散し、安定した形状の金属被膜が得られない。また、セラミックス基板１１と第２金属被膜との間に隙間が発生するため、セラミックス基板１１との密着性が低下する。
第２金属被膜１３として抵抗体被膜を形成する場合には、抵抗体材料としては、銅、ニッケルおよびマンガンからなる群から選択される少なくとも１つ金属材料を、含む合金を用いることができる。また上記金属材料のほか、通常、抵抗体を構成することが可能な金属材料であれば適用可能であるが、抵抗体被膜を成膜する場合には、第１金属被膜１２が形成されたセラミックス基板１１に衝突した際、良好に塑性変形を生じて、抵抗体材料同士が緻密に結合しやすくするという観点から、銅を主成分とする材料を用いることが好ましく、マンガニン合金が好ましい。
本実施形態に係る成膜方法では、コールドスプレー法における各種条件は、以下のように設定することができる。
・作動ガス：圧縮窒素
・ガス圧：１～６ＭＰａ
・ガス温度：４００～４５０℃
・溶射距離：１５ｍｍ
・トラバース速度：２０～８０ｍｍ／ｓｅｃ
・溶射用粉末溶射速度：マンガニン：１０～３０ｇ／ｍｉｎ
第２の金属材料として、抵抗体材料を用いた場合には、成膜される抵抗体被膜の厚みは、上記コールドスプレー条件を調整することにより、２０μｍ以上１０００μｍ以下に調整することができる。
続いて、図３（ｂ）に示すように、コールドスプレー法により第３の金属材料を施して、第１金属被膜１２及び第２金属被膜１３に跨がって、第３金属被膜１４を成膜する。この工程では、メタルマスクＭ２を用いて、第３金属被膜１４が形成される領域以外を遮蔽し、コールドスプレー装置（ＣＳ）を用い（図３（ｂ）では省略されている）、コールドスプレー法により第３の金属材料を施して、第１金属被膜１２及び第２金属被膜１３に跨がって、第３金属被膜１４を成膜する。
第３金属被膜１４を第１金属被膜１２及び第２金属被膜１３に跨がって成膜することにより、第１金属被膜１２とセラミックス基板１１との密着性、及び第２金属被膜１３とセラミックス基板１１との密着性をさらに高めることができる。
第３の金属材料として導電性材料を用いた場合には、メタルマスクＭ２の開口部のパターンに応じた導電膜を成膜することができる。導電膜を形成するための導体材料としては、銅を用いることができる。導体材料としては、銅のほか、通常、回路パターンを構成する材料であれば使用可能である。
第３金属被膜１４の成膜に適したコールドスプレー法の条件は、上述した条件と同じくすることができる。
・作動ガス：圧縮窒素
・ガス圧：１～６ＭＰａ
・ガス温度：４００～４５０℃
・溶射距離：１５ｍｍ
・トラバース速度：２０～８０ｍｍ／ｓｅｃ
・溶射用粉末溶射速度：マンガニン：１０～３０ｇ／ｍｉｎ
第３の金属材料として、導体材料を用いた場合には、成膜される導体膜の厚みは、上記コールドスプレー条件を調整することにより、数十μｍ～数百μｍとすることができる。これは、大電流用途に対応した導体パターンに対応できる厚みである。
また、本実施形態に係る成膜方法において、第１金属被膜を形成するために施される第１の金属材料として、チタン、アルミニウム、ニッケル、及びクロムからなる群から選択される少なくとも１つの金属材料を用い、第２金属被膜を形成するために施される第２の金属材料として、抵抗体材料を用いることにより、セラミックス基板に抵抗体を一体的に形成されたデバイス１を得ることができる。
図４は、本実施形態に係る成膜方法を用いて作製されたデバイス１を説明する平面図である。また、図５は、本発明の実施形態に係る成膜方法を用いて作製されたデバイス１の断面図である。デバイス１が抵抗器として使用される場合には、抵抗体被膜がセラミックス基板１１に形成された導電膜に比べて発熱することを考慮して、図５に示すように、セラミックス基板１１の裏面にも、上述した成膜方法を用いて、第１金属被膜１２及び第３金属被膜１４を成膜することができる。これにより、セラミックス基板１１の表裏面にかかる熱応力の均衡をとることができる。また、裏面に形成された第３金属被膜１４を利用して他の回路基板や部品上に半田実装することができる。
このように形成された抵抗体一体型のデバイス１は、抵抗体として機能する第２金属被膜１３がセラミックス基板１１に強固に密着して形成されているため、ロウ付けや樹脂接着剤を用いて固定される一般的な抵抗器に比べて、接合部のクラックや樹脂接着剤による放熱阻害等が生じることがなく、放熱性及び耐久性にも優れるものとなる。
本発明の実施形態に係る成膜方法によってセラミックス基板に形成された複数の金属被膜の密着強度を測定した。以下、供試体の作製方法及びその評価について説明する。
［供試体の作製］
セラミックス基板として酸化アルミニウム（アルミナ）を用いた。抵抗体材料としてマンガニンを用いた。また、金属被膜を形成するための金属材料としてチタン、アルミ、ニクロム、ニッケルのそれぞれを用いた。
縦３０ｍｍ×横５０ｍｍ×厚み１ｍｍのアルミナ基板に、チタン又はアルミニウムを用いたスパッタ法を施して、厚み１００ｎｍの接合層を形成した。
スパッタリング条件は下記のとおりである。
・ターゲット：チタン
・放電ガス：アルゴンガス
・ガス流量：５０ｓｃｃｍ
・ガス圧力：０．７Ｐａ
・ＤＣ電力：１０００Ｗ
続いて、スパッタ法を用いて形成された金属被膜に、コールドスプレー法により抵抗体材料としてのマンガニン合金を溶射して抵抗体被膜（マスクサイズ１０ｍｍ×４０ｍｍ）を形成した。
コールドスプレー法の条件は下記のとおりである。
・作動ガス：圧縮窒素
・ガス圧：１～６ＭＰａ
・ガス温度：４００～４５０℃
・溶射距離：１５ｍｍ
・トラバース速度：２０～８０ｍｍ／ｓｅｃ
・溶射用粉末溶射速度：マンガニン：１０～３０ｇ／ｍｉｎ
［測定方法］
＜抵抗温度特性＞
上述のようにして得られた供試体について、抵抗温度係数を測定した。
・抵抗温度係数の測定
第１金属被膜としてチタン、アルミニウムを用いた場合における、供試体の抵抗温度係数（ＴＣＲ）を測定し、第１金属被膜の膜厚の変更に伴う標準値に対する抵抗温度係数の変化率を算出した。抵抗温度係数（ＴＣＲ）とは、抵抗器の温度変化による内部抵抗値の変化の割合を表すものであり、下記式により表される。
抵抗温度係数（ｐｐｍ／℃）＝（Ｒ－Ｒａ）／Ｒａ÷（Ｔ－Ｔａ）×１００００００
ここで、Ｒａ：基準温度における抵抗値、Ｔａ：基準温度、Ｒ：定常状態における抵抗値、Ｔ：定常状態になる温度である。
［結果］
＜剥離強度試験結果＞
作製された供試体について、「フォトテクニカ社製 Ｒｏｍｕｌｕｓ」を用いて剥離強度測定を行った結果、アルミナ基板上にマンガニンの抵抗体被膜を成膜する際の接合層としての金属被膜の違いにより、下記の結果が得られた。
金属被膜がチタンの場合 剥離強度：７０ＭＰａ
金属被膜がアルミニウムの場合 剥離強度：５０ＭＰａ、
金属被膜がニクロムの場合 剥離強度：１０Ｍｐａ以下
金属被膜がニッケルの場合 剥離強度：１０ＭＰａ以下
＜抵抗温度特性＞
抵抗温度係数の結果を図６に示した。図６に示されるように、第２金属被膜としてアルミニウムを用いた場合には、膜厚が増すと、抵抗温度特性の変化が大きくなることがわかる。また、第２金属被膜としてチタンを用いた場合には、膜厚が増しても、抵抗温度係数の変化が少なく、安定した抵抗温度特性を有することがわかる。
以上の結果から、第１金属被膜としてチタンを用いた場合、第２金属被膜としてマンガニン合金を組み合わせると、強固な密着性が得られるとともに、得られたデバイスが良好な抵抗特性を有することが明らかとなった。
以上のことから、本実施形態に係る成膜方法は、セラミックス基板に抵抗体が一体的に形成されたデバイスの作製に用いて好適である。
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は、本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
１ デバイス
１１ セラミックス基板
１２ 第１金属被膜
１３ 第２金属被膜
１４ 第３金属被膜

Claims (5)

  1. セラミックス基板に金属材料からなる複数の金属被膜を形成する成膜方法であって、
    前記セラミックス基板にスパッタ法により第１の金属材料を施して第１金属被膜を形成する第１の被膜形成工程と、
    前記第１金属被膜の所定領域にコールドスプレー法により第２の金属材料の粉体を施して第２金属被膜を形成する第２の被膜形成工程と、
    を有し、
    前記第１の金属材料は、チタン、アルミニウム、ニッケル及びクロムからなる群から選択される少なくとも１つの金属材料であり、
    前記第２の金属材料は、抵抗体材料である、
    成膜方法。
  2. 請求項１に記載の成膜方法であって、
    前記第２の被膜形成工程において施される前記第２の金属材料は、平均粒径が１０μｍ以上５０μｍ以下であり、
    前記第２の被膜形成工程では、前記セラミックス基板へ衝突した後の前記粉体の扁平率が５０％から９０％になるように前記第２の金属材料の溶射速度が設定される、成膜方法。
  3. 請求項１に記載の成膜方法であって、
    前記第１の被膜形成工程において施される前記第１の金属材料は、チタンである、成膜方法。
  4. 請求項１または３に記載の成膜方法であって、
    前記第２の金属材料は、マンガニン合金である、
    成膜方法。
  5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の成膜方法であって、
    コールドスプレー法により第３の金属材料を施して第３金属被膜を前記第１金属被膜及び前記第２金属被膜に跨がって形成する工程を更に有する、成膜方法。
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