JP7431387B1 - セラミック複合基板、及びセラミック複合基板の製造方法 - Google Patents
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Abstract
本開示の一側面に係るセラミック複合基板は、セラミック板と、セラミック板の主面に設けられた第１回路部と、所定方向に沿って第１回路部との間に間隔を空けた状態で、主面に設けられた第２回路部と、を備える。第１回路部は、主面に設けられた接合体と、接合体を介して主面に接合された金属体と、金属体の表面及び接合体のうちの金属体からはみ出す部分を覆うように形成された金属被膜と、を有する。接合体は、金属体に接合され、銀の含有量が５０質量％以上である銀接合層を含む。金属被膜は、銀接合層のうちの第２回路部に対向する側面を覆うように形成された側方部分を含む。上記側方部分の第２回路部に近い端部と、銀接合層の第２回路部に近い端部との間の所定方向における距離Ｌは、金属被膜の厚さＨよりも大きい。
Description
本開示は、セラミック複合基板、及びセラミック複合基板の製造方法に関する。
特許文献１には、セラミックス基板と、このセラミックス基板の第１の面及び第２の面にそれぞれ接合層を介して接合された第１の金属板及び第２の金属板とを備えるセラミックス金属回路基板が開示されている。この回路基板では、第１の金属板の、セラミックス基板との接合面の反対側の面に金属被膜が設けられ、第２の金属板の、セラミックス基板との接合面の反対側の面の一部には半導体素子又は金属端子を実装するために金属被膜が設けられていない箇所が存在する。
本開示は、回路部間の絶縁性を向上させることが可能なセラミック複合基板、及びセラミック複合基板の製造方法を提供する。
本開示の一側面に係るセラミック複合基板は、セラミック板と、セラミック板の主面に設けられた第１回路部と、所定方向に沿って第１回路部との間に間隔を空けた状態で、主面に設けられた第２回路部と、を備える。第１回路部は、主面に設けられた接合体と、接合体を介して主面に接合された金属体と、金属体の表面及び接合体のうちの金属体からはみ出す部分を覆うように形成された金属被膜と、を有する。接合体は、金属体に接合され、銀の含有量が５０質量％以上である銀接合層を含む。金属被膜は、銀接合層のうちの第２回路部に対向する側面を覆うように形成された側方部分を含む。上記側方部分の第２回路部に近い端部と、銀接合層の第２回路部に近い端部との間の所定方向における距離Ｌは、金属被膜の厚さＨよりも大きい。
距離Ｌは２μｍよりも大きくてもよい。厚さＨは２μｍ以上であってもよい。
セラミック板は、窒化ケイ素又は窒化アルミニウムを含有してもよい。金属被膜は、ニッケル又は金を含有してもよい。
本開示の一側面に係るセラミック複合基板の製造方法は、セラミック板の主面に接合体を介して金属体が接合された状態の中間体であって、接合体が、金属体に接合され、銀の含有量が５０質量％以上である銀接合層を含む、中間体において、所定方向に沿って互いに間隔を空けた状態の第１回路部及び第２回路部を形成するように、金属体の一部及び接合体の一部のエッチングを行う工程と、エッチングを行う工程の後に、第１回路部を構成する金属体の一部の表面を覆い、且つ、第１回路部を構成する銀接合層の一部のうちの第２回路部に対向する側面を覆う側方部分が形成されるように金属被膜を形成する工程と、を含む。金属被膜に含まれる側方部分の第２回路部に近い端部と、第１回路部を構成する銀接合層の一部の第２回路部に近い端部との間の所定方向における距離Ｌが、金属被膜の厚さＨよりも大きい。
本開示によれば、回路部間の絶縁性を向上させることが可能なセラミック複合基板、及びセラミック複合基板の製造方法が提供される。
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。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。一部の図面には、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。図１に示され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（回路基板）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。図１に示され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（回路基板）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。本開示では、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。説明の便宜上、Ｚ軸方向において、裏面２０Ｂから表面２０Ａに向かう方向を「上」とし、表面２０Ａから裏面２０Ｂに向かう方向を「下」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～１ｍｍ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、セラミック複合基板１０に含まれる回路を構成する部分である。金属回路板３０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、セラミック板２０の表面２０Ａに設けられている。金属回路板３０は、例えば、回路部３０ａと、回路部３０ｂと、回路部３０ｃと、を有する。回路部３０ａ、回路部３０ｂ、及び回路部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、回路部３０ａが第１回路部を構成する場合、回路部３０ｂが第２回路部を構成する。３つ以上の回路部が設けられる場合、互いに隣り合う複数組の回路部のうち、回路部同士の間の距離が最も小さい１組の回路部が、第１回路部及び第２回路部として選択されてもよい。
回路部３０ａ、回路部３０ｂ、及び回路部３０ｃは、表面２０Ａの外縁よりも内側に配置されている。図１に示される例では、Ｘ軸方向（所定方向）において回路部３０ａ及び回路部３０ｂが並んでいる。この場合、回路部３０ｂは、Ｘ軸方向に沿って回路部３０ａとの間に間隔を空けた状態で表面２０Ａに設けられている。Ｙ軸方向において、回路部３０ａ及び回路部３０ｃが並んでおり、回路部３０ｂ及び回路部３０ｃが並んでいる。回路部３０ａ、回路部３０ｂ、及び回路部３０ｃは、互いに同様に構成されてもよい。以下、回路部３０ａを用いて、１つの回路部の一例を説明する。図２には、図１におけるＩＩ－ＩＩ線に沿った、Ｘ－Ｚ平面でのセラミック複合基板１０の断面が模式的に示されている。図２に示されるように、回路部３０ａは、金属体４０と、接合体５０と、金属被膜６０と、を有する。
金属体４０は、導電性を有する。金属体４０は、例えば、銅板である。金属体４０は、銅に代えて、銅合金、アルミニウム、及び、アルミニウム合金のうちの１つから構成されてもよい。金属体４０は、上面４２と、側面４４と、を含む。上面４２は、表面２０Ａと平行（略平行）であってもよい。側面４４は、上面４２の外縁から、表面２０Ａに向かって延びている。側面４４は、表面２０Ａに直交する方向（Ｚ軸方向）に対して、傾斜していてもよい。側面４４は、表面２０Ａに近づくにつれて、上面４２の端部から離れるように傾斜していてもよい。この場合、金属体４０のＸ－Ｙ平面に沿った断面の面積は、表面２０Ａに近づくにつれて大きくなる。金属体４０の厚さ（金属体４０の下面と上面４２との間のＺ軸方向における距離）は、０．１ｍｍ～２ｍｍであってもよく、０．１５ｍｍ～１．５ｍｍであってもよく、０．２ｍｍ～１ｍｍであってもよい。金属体４０（金属体４０の少なくとも一部）が一方向に延びるように形成されている場合、金属体４０の延在方向における長さは、５ｍｍ～１００ｍｍであってよく、金属体４０の幅は、１ｍｍ～７０ｍｍであってよい。
接合体５０は、表面２０Ａに設けられており、金属体４０をセラミック板２０（表面２０Ａ）に接合する。すなわち、金属体４０は、接合体５０を介して表面２０Ａに接合されている。接合体５０は、金属体４０と表面２０Ａとの間に設けられており、接合体５０の上面の少なくとも一部は、金属体４０に接触しており（接合されており）、接合体５０の下面の少なくとも一部は、表面２０Ａに接触している（接合されている）。
接合体５０の外縁近傍の領域は、金属体４０の外縁からはみ出している。接合体５０の外縁近傍の領域は、例えば、その全周において、金属体４０と表面２０Ａとの間から外にはみ出している。本開示では、１つの回路部に着目した場合に、その回路部の中心を基準にして、「内」及び「外」の用語を使用する。Ｚ軸方向から表面２０Ａを見て、接合体５０の外縁は、金属体４０の外縁を囲っていてもよい。以下、接合体５０のうち、金属体４０と表面２０Ａとの間から外にはみ出している部分を「延出部」と称する。
接合体５０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。接合体５０における銀の含有量は、５０質量％以上であってもよい。接合体５０における銀の含有量は、６０質量％以上、７０質量％以上、又は、８０質量％以上であってもよい。接合体５０における銀の含有量は、９８質量％以下であってもよい。接合体５０における銅の含有量は、銀１００質量部に対して５質量部～２０質量部であってよい。接合体５０におけるスズの含有量は、銀及び銅の合計１００質量部に対して、０．５質量部～１５質量部であってもよく、０．５質量部～５質量部であってもよく、１質量部～５質量部であってもよい。
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から選択される少なくとも一種を含む。接合体５０における活性金属の含有量は、銀及び銅の合計１００質量部に対して、０．５質量部～１０質量部であってもよく、０．５質量部～５質量部であってもよく、２質量部～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。接合体５０におけるＴｉＨ２の含有量は、銀及び銅の合計１００質量部に対して０．５質量部～１０質量部であってもよく、１質量部～５質量部であってもよく、２質量部～５質量部であってもよい。活性金属が複数の金属を含む場合、活性金属の上記含有量は、複数の金属の合計の含有量である。
接合体５０は、第１接合層５２と、第２接合層５４とを含む。第１接合層５２は、銀の含有量が５０質量％以上である層である。接合体５０を形成する段階（金属体４０を接合するための加熱時）において、接合体を構成する材料のうちの銀成分が金属体４０に含まれる金属成分（例えば、銅）と反応することで、上方に銀を主成分とする層が形成される。本開示では、銀を主成分とするとは、銀の含有量が５０質量％以上であることを意味する。第１接合層５２（銀接合層）は、金属体４０に接合されている。
第２接合層５４は、銀の含有量が第１接合層５２よりも少ない層である。第２接合層５４は、接合体５０のうちの第１接合層５２以外の部分である。第２接合層５４での銀の含有量は、５０質量％よりも少ない。第２接合層５４は、セラミック板２０の表面２０Ａに接合されている。以上のように、第１接合層５２が金属体４０に接合され、第２接合層５４が表面２０Ａに接合されることで、金属体４０が、第１接合層５２及び第２接合層５４を含む接合体５０を介して表面２０Ａに接合される。セラミック板２０が窒化物を含み、接合体５０を構成する活性金属にチタンが含まれる場合、第２接合層５４は、窒素とチタンとを含んでもよい。第２接合層５４において、窒素とチタンとの合計の含有量が、他の各成分の含有量（成分ごとの含有量）よりも多くてもよい。第２接合層５４における銀の含有量は、３０質量％以下であってもよい。第２接合層５４の厚みは、５００ｎｍ以下であってもよく、１００ｎｍ～５００ｎｍであってもよい。
第１接合層５２は、第２接合層５４の上に重なっている。第１接合層５２において一部が不連続に形成されていてもよく、第２接合層５４において一部が不連続に形成されていてもよい。第１接合層５２が第２接合層５４の上に重なっているとは、Ｚ軸方向から見たときの接合体５０の大部分（例えば、７０％以上の部分）において、第１接合層５２が第２接合層５４を覆っていることを意味する。ここで、回路部３０ａ及び回路部３０ｂが並ぶ方向、及び表面２０Ａに直交する方向を含む平面（図２におけるＸ－Ｚ平面）でのセラミック複合基板１０の断面を「観察断面」と定義する。観察断面において、第２接合層５４の全てを第１接合層５２が覆っていてもよく、第２接合層５４の一部を第１接合層５２が覆っていなくてもよい。Ｙ軸方向における位置が互いに異なるように任意に選択される５箇所の観察断面それぞれにおいて、第２接合層５４が第１接合層５２を覆っている割合が、５０％よりも大きくてもよく、６０％以上であってもよい。
第１接合層５２及び第２接合層５４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算出される。一例では、Ｘ－Ｚ平面に沿ったセラミック複合基板１０の断面（上記接合界面近傍での断面）に関するＨＡＡＤＦ像を取得し、ＥＤＳ検出器を用いた半定量分析により、第１接合層５２及び第２接合層５４の各種成分の含有量が測定される。測定方法又は検出器に由来して、検出成分中に炭素成分が含まれる場合、炭素成分以外の他の成分の合計を１００質量％として、炭素成分を除いたうえで銀等の含有量（質量％）が算出される。各種成分の含有量は、Ｙ軸方向における位置が互いに異なるように任意に選択される５箇所の観察断面において測定される値の算術平均である。また、１つの観察断面では、Ｘ軸方向の任意の位置においてＺ軸方向に沿うように設定された１つのライン上で、含有量が測定される。
回路部３０ａの接合体５０は、金属体４０と表面２０Ａとの間から回路部３０ｂに向かってはみ出す延出部（以下、「延出部５８」という。）を含む。延出部５８において、第１接合層５２及び第２接合層５４の両方が、回路部３０ｂに向かってはみ出していてもよい。Ｙ軸方向における位置（断面の位置）によっては、第１接合層５２がはみ出さずに、第２接合層５４だけがはみ出していてもよい。接合体５０は、第２接合層５４のはみ出し量が、第１接合層５２のはみ出し量よりも大きくなるように形成されてもよい。はみ出し量は、金属体４０の回路部３０ｂに最も近い端部と、各接合層の回路部３０ｂに最も近い端部との間のＸ軸方向における距離で定義される。第１接合層５２がはみ出さない断面において、第１接合層５２のはみ出し量はゼロである。Ｙ軸方向における位置が互いに異なるように任意に選択される１０箇所の観察断面を観察したときに、第１接合層５２がはみ出す断面の割合が６０％以上であってもよい。
上記観察断面は、当該断面に直交する方向（図２におけるＹ軸方向）において、回路部３０ａ及び回路部３０ｂの両方を含む位置に設定される。観察断面における回路部３０ａと回路部３０ｂとの間の距離は、回路部に含まれる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。回路部３０ａと回路部３０ｂとの間の距離（Ｘ軸方向における最短距離）は、例えば、０．３ｍｍ～１．５ｍｍである。観察断面において、延出部５８のＸ軸方向における長さ（第２接合層５４の上記はみ出し量）は、１０μｍ～１００μｍであってもよく、延出部５８の厚さ（第１接合層５２の厚さと第２接合層５４の厚さとの合計）は、１μｍ～１０μｍであってもよい。
観察断面において、第１接合層５２と回路部３０ｂとの間のＸ軸方向における距離を「Ｄ１」とし、第２接合層５４と回路部３０ｂとの間のＸ軸方向における距離を「Ｄ２」とすると、距離Ｄ２は、距離Ｄ１よりも小さくてもよい。距離Ｄ１は、観察断面において、第１接合層５２の回路部３０ｂに最も近い端部と、回路部３０ｂの回路部３０ａに最も近い端部との間のＸ軸方向における最短距離である。距離Ｄ２は、観察断面において、第２接合層５４の回路部３０ｂに最も近い端部と、回路部３０ｂの回路部３０ａに最も近い端部との間のＸ軸方向における最短距離である。距離Ｄ１と距離Ｄ２との差分（Ｄ１－Ｄ２）は、２μｍよりも大きくてもよい。距離Ｄ１と距離Ｄ２との差分は、３μｍ以上、４μｍ以上、又は、５μｍ以上であってもよい。距離Ｄ１と距離Ｄ２との差分は、２５μｍ以下であってもよい。
距離Ｄ１及び距離Ｄ２それぞれの値は、Ｙ軸方向における位置が互いに異なるように任意に選択される５箇所の観察断面（５視野）で測定される距離の算出平均値である。５箇所それぞれは、例えば、Ｙ軸方向において回路部３０ａを均等に５分割したときの各領域において選択される。距離Ｄ１及び距離Ｄ２は、同じ５箇所の観察断面で測定されてもよい。上述の延出部５８のＸ軸方向における長さ、及び、延出部５８の厚さについても、５箇所の観察断面で測定される測定値の算術平均値である。
金属被膜６０は、金属体４０を覆う被膜である。金属被膜６０は、例えば、金属回路板３０（セラミック複合基板１０）の熱膨張率を調節して、耐熱サイクルを向上させる目的、又は、金属体４０の錆びの発生（酸化）を抑制する目的で形成される。金属被膜６０は、メッキ法、又は、スパッタ法によって形成されてもよい。金属被膜６０は、例えば、無電解メッキによって形成された金属メッキである。
金属被膜６０は、Ｚ軸方向から表面２０Ａを見て、金属体４０の上面４２及び側面４４を覆っている。金属被膜６０は、金属体４０の上面４２及び側面４４に加えて、接合体５０の延出部を覆っている。金属被膜６０が接合体５０の延出部５８を覆っている状態では、Ｚ軸方向から表面２０Ａを見て、金属被膜６０が、少なくとも延出部５８の上面を覆っている。金属被膜６０は、銀を除く金属によって構成されていてもよい。金属被膜６０を構成する金属は、金属体４０を構成する金属と異なっていてもよい。金属被膜６０を構成する材料は、例えば、ニッケル、金、ニッケル合金、又は、金合金である。ニッケル合金（ニッケルを主成分とする合金）は、例えば、ニッケル－リン合金、又は、ニッケル－ホウ素合金である。
上述した例では、距離Ｄ２が距離Ｄ１よりも小さく、延出部５８において、第１接合層５２に比べて、第２接合層５４がより外にはみ出している。そのため、第２接合層５４のうちの上面が露出する部分において、第２接合層５４上に金属被膜６０が形成される。これにより、金属被膜６０には、第１接合層５２のうちの回路部３０ｂに対向する側面（側方）を覆うように形成された部分（以下、「側方部分６２」という。）が含まれる。第１接合層５２のうちの回路部３０ｂに対向する側面（側方）は、金属被膜６０がないと仮定したときに、Ｘ軸方向に沿って回路部３０ｂから回路部３０ａを見た場合に露出する部分である。
金属被膜６０の側方部分６２は、第２接合層５４のうちの第１接合層５２よりもはみ出す部分に重なっている。Ｘ軸方向に沿って、回路部３０ｂから回路部３０ａに向かう方向に回路部３０ａを見たときに、側方部分６２は、第１接合層５２の回路部３０ｂを向く側面の少なくとも一部に重なっている。観察断面の位置に応じて、側方部分６２は、第１接合層５２の側面に接触していてもよく、側方部分６２と第１接合層５２の側面との間に金属体４０の一部が存在していてもよい。
観察断面において、側方部分６２の回路部３０ｂに近い端部と、第１接合層５２の回路部３０ｂに近い端部との間のＸ軸方向における距離（最短距離）を「Ｌ」とし、金属被膜６０の厚さを「Ｈ」としたときに、距離Ｌは、厚さＨよりも大きい。距離Ｌは、厚さＨの１．２倍以上、厚さＨの１．４倍以上、又は、厚さＨの１．６倍以上であってもよい。距離Ｌは、厚さＨの５倍以下であってもよい。
距離Ｌの値及び厚さＨの値それぞれは、上述の距離Ｄ１，Ｄ２と同様に測定される。すなわち、距離Ｌ及び厚さＨそれぞれの値は、Ｙ軸方向における位置が互いに異なるように任意に選択される５箇所の観察断面（５視野）で測定される測定値の算出平均値である。距離Ｌ及び厚さＨは、同じ５箇所の観察断面で測定されてもよい。１つの観察断面における厚さＨの測定値は、金属体４０の側面４４を覆う領域において、金属体４０の厚み方向での中央付近（中央及びその近傍）の位置で測定される。
距離Ｌ（平均値）は、２μｍよりも大きくてもよい。距離Ｌは、３μｍ以上、５μｍ以上、又は、７μｍ以上であってもよい。距離Ｌは、２０μｍ以下であってもよい。厚さＨ（平均値）は、２μｍ以上であってもよい。厚さＨは、３μｍ以上、４μｍ以上、又は、５μｍ以上であってもよい。厚さＨは、１０μｍ以下であってもよい。
回路部３０ｂは、回路部３０ａと同様に、金属体４０と、接合体５０と、金属被膜６０と、を含む。回路部３０ｂの金属体４０、接合体５０、及び金属被膜６０は、回路部３０ａの金属体４０、接合体５０、及び金属被膜６０と同様に形成されていてもよい。回路部３０ｂの接合体５０における第２接合層５４と回路部３０ａとの間のＸ軸方向における距離は、回路部３０ｂの接合体５０における第１接合層５２と回路部３０ａとの間のＸ軸方向における距離よりも小さくてもよい。裏面２０Ｂにおいても、金属回路板３０と同様に構成された金属回路板が形成されてもよい。
図３（ａ）及び図３（ｂ）それぞれには、任意に選択された観察断面において得られたＳＥＭ像（倍率：１０００倍）が示されている。図３（ａ）に示されるＳＥＭ像においては、延出部５８の側面（側方）が金属被膜６０の側方部分６２に接触した状態で覆われている。この場合、上記距離Ｌは、側方部分６２のＸ軸方向（画像上の横方向）における長さに相当する。また、第１接合層５２は、不連続に形成されている。
図３（ｂ）に示されるＳＥＭ像においては、第１接合層５２が、金属体４０とセラミック板２０との間からはみ出しておらず、第２接合層５４が、金属体４０とセラミック板２０との間からはみ出している。Ｘ軸方向において、側方部分６２と第１接合層５２との間には金属体４０の一部が存在している。この場合、上記距離Ｌは、側方部分６２のＸ軸方向における長さよりも大きい。
［セラミック複合基板の製造方法］
続いて、セラミック複合基板の製造方法の一例を説明する。セラミック複合基板の製造方法は、セラミック板の作製工程と、金属回路板の形成工程とを含む。セラミック板２０を作製する工程では、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の製造方法の一例を説明する。セラミック複合基板の製造方法は、セラミック板の作製工程と、金属回路板の形成工程とを含む。セラミック板２０を作製する工程では、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、希土類元素の、酸化物、ハロゲン化物（フッ化物、塩化物等）、硝酸塩、及び硫酸塩、並びに、アルカリ土類金属の、酸化物、ハロゲン化物（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、及び、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成する工程を行う。脱脂は、例えば、４００℃～８００℃で、０．５時間～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。焼成は、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。
上述の脱脂及び焼成は、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成を行う場合、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枚～１００枚であってよく、１０枚～７０枚であってもよい。
セラミック板２０の作製後、金属回路板の形成工程が行われる。金属回路板３０を形成する工程では、最初に、セラミック板２０と、一対の金属板とを用いて中間体１８を得る工程が行われる。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に一対の金属体４０Ｍを貼り合わせる。一対の金属体４０Ｍは、セラミック板２０と同様の平板形状であってもよい。金属体４０Ｍは、上述した金属体４０の母材である。
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される。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質量部～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質量部～８質量部であってよい。ろう材の粘度は、例えば５Ｐａ・ｓ～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質量％～２５質量％であってもよく、バインダの含有量は、例えば、２質量％～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、一対の金属体４０Ｍを重ね合わせることで積層体が得られる。そして、この積層体を加熱炉で焼成する焼成工程が行われる。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下であってよく、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、それぞれ接合体５０Ｍを介して金属体４０Ｍが接合された状態の中間体１８を得ることができる。図４（ａ）には、中間体１８の断面が模式的に示されている。上記積層体の焼成により、接合材（接合体５０Ｍ）は、第１接合層５２Ｍと第２接合層５４Ｍとに分離される。第１接合層５２Ｍ（銀接合層）は上述した第１接合層５２の母材であり、第２接合層５４Ｍは上述した第２接合層５４の母材である。図４（ａ）以降の図では、セラミック板２０の裏面２０Ｂに形成される金属回路板（金属板及び接合体）が省略されている。
次に、回路部３０ａ等の各回路部を形成する予定の領域をマスキングする工程が行われる。例えば、図４（ｂ）に示されるように、回路部３０ａ等の各回路部を形成する予定の領域にエッチングレジスト７０が印刷される。エッチングレジスト７０が形成されていない領域に位置する金属体４０Ｍの一部は、露出している。
次に、金属体４０Ｍのうちエッチングレジスト７０で覆われていない領域をエッチングする工程が行われる。例えば、エッチング液として、塩化第２銅、塩酸、及び過酸化水素を含有する混合溶液が用いられて、金属体４０Ｍに対するエッチングが行われる。これにより、図４（ｃ）に示されるように、金属体４０Ｍのうちのエッチングレジスト７０で覆われていない領域が除去され、接合体５０Ｍの第１接合層５２Ｍの一部が露出する。除去後に分離された金属体４０Ｍにおいて、エッチングレジスト７０に覆われていない傾斜面が形成されてもよい。
次に、接合体５０Ｍの第１接合層５２Ｍをエッチング（薬液処理）する工程が行われる。例えば、エッチング液として、チオ硫酸ナトリウムを含有する薬液が用いられて、第１接合層５２Ｍに対するエッチングが行われる。これにより、図４（ｄ）に示されるように、第１接合層５２Ｍのうちの露出する部分の少なくとも一部が除去され、接合体５０Ｍの第２接合層５４Ｍの一部が露出する。第１接合層５２Ｍの露出部分の除去後において、第１接合層５２Ｍの端部及びその近傍が、金属体４０Ｍとセラミック板２０との間から外にはみ出していてもよい。
次に、接合体５０Ｍの第２接合層５４Ｍをエッチング（薬液処理）する工程が行われる。例えば、エッチング液として、過酸化水素及びフッ化アンモニウムを含有する混合溶液が用いられて、第２接合層５４Ｍに対するエッチングが行われる。これにより、図５（ａ）に示されるように、第２接合層５４Ｍのうちの露出する部分の少なくとも一部が除去され、セラミック板２０の表面２０Ａの一部が露出する。第２接合層５４Ｍの露出部分の除去後において、第２接合層５４Ｍの端部及びその近傍が、金属体４０Ｍとセラミック板２０との間から外にはみ出していてもよい。第１接合層５２Ｍのはみ出し量と、第２接合層５４Ｍのはみ出し量とが、略一致していてもよい。
次に、金属体４０Ｍをエッチングする工程が再度行われる。金属体４０Ｍに対する２回目のエッチングでは、１回目のエッチングと同じ混合溶液が用いられてもよく、２回目での金属体４０Ｍに対するエッチングの時間が１回目よりも短くてもよい。これにより、図５（ｂ）に示されるように、金属体４０Ｍの側方に位置する部分が更に除去され、回路部３０ａ等の回路部を構成する金属体４０が形成される。また、第１接合層５２Ｍ及び第２接合層５４Ｍ（第２接合層５４）のはみ出し量が増加する。
次に、第１接合層５２Ｍをエッチングする工程が再度行われる。第１接合層５２Ｍに対する２回目のエッチングでは、１回目のエッチングと同じ薬液が用いられてもよい。これにより、回路部３０ａ等の回路部を構成する第１接合層５２が形成される。図５（ｃ）に示されるように、第１接合層５２の端部の少なくとも一部が、金属体４０とセラミック板２０との間からはみ出した状態が維持されるように、第１接合層５２Ｍに対する２回目のエッチングが行われてもよい。第２接合層５４Ｍに対しては２回目のエッチングが行われないので、第２接合層５４Ｍに対する上記エッチングによって、回路部３０ａ等の回路部を構成する第２接合層５４が形成されている。
ここで、エッチング後、且つ金属被膜６０が形成される前において、金属体４０及び接合体５０によって構成される部分も「回路部」と称する。回路部３０ａに対応する金属体４０及び接合体５０によって構成される部分を「回路部３２ａ」とし、回路部３０ｂに対応する金属体４０及び接合体５０によって構成される部分を「回路部３２ｂ」とする。以上のエッチング工程では、Ｘ軸方向に沿って互いに間隔を空けた状態の回路部３２ａ及び回路部３２ｂが形成されるように、金属体４０Ｍの一部及び接合体５０Ｍの一部のエッチングが行われる。以上のエッチング工程のように、回路部３２ａを構成する第２接合層５４Ｍの一部（第２接合層５４）と回路部３２ｂとの間のＸ軸方向における距離Ｄ４が、回路部３２ａを構成する第１接合層５２Ｍの一部（第１接合層５２）と回路部３２ｂとの間のＸ軸方向における距離Ｄ３よりも小さくなるように、金属体４０Ｍの一部及び接合体５０Ｍの一部が除去されてもよい。
距離Ｄ３は、回路部３２ａ（第１回路部）の第１接合層５２における回路部３２ｂ（第２回路部）に最も近い端部と、回路部３２ｂの回路部３２ａに最も近い端部との間のＸ軸方向における距離で定義される。距離Ｄ４は、回路部３２ａの第２接合層５４における回路部３２ｂに最も近い端部と、回路部３２ｂの回路部３２ａに最も近い端部との間のＸ軸方向における距離で定義される。なお、金属体４０Ｍ及び接合体５０Ｍに対するエッチング工程は、どのように行われてもよい。金属体４０Ｍ及び接合体５０Ｍに対するエッチング工程が行われた後に、エッチングレジスト７０の除去が行われる。エッチングレジスト７０の除去は、公知のいずれかの方法によって行われてもよい。
次に、金属体４０（金属体４０Ｍの一部）の表面を覆うように金属被膜６０を形成する工程が行われる。例えば、無電解メッキによって、ニッケル等の金属のメッキ被膜が金属体４０の上面４２及び側面４４を覆うように形成される。金属被膜６０を形成する工程では、接合体５０のうちの金属体４０及びセラミック板２０との間から外にはみ出す延出部も覆うように金属被膜６０が形成される。無電解メッキが行われる場合、延出部において、第２接合層５４が第１接合層５２に比べて、より外にはみ出しているので、第２接合層５４の上に金属成分が析出される。これにより、第１接合層５２の側方を覆う上記側方部分６２が形成される。露出する表面２０Ａには、無電解メッキにおいて金属成分が析出されない。以上の工程により、図１及び図２に示されるセラミック複合基板１０が製造される。
［実施形態の効果］
本開示の一側面に係るセラミック複合基板１０は、セラミック板２０と、セラミック板２０の表面２０Ａに設けられた回路部３０ａと、Ｘ軸方向に沿って回路部３０ａとの間に間隔を空けた状態で、表面２０Ａに設けられた回路部３０ｂと、を備える。回路部３０ａは、表面２０Ａに設けられた接合体５０と、接合体５０を介して表面２０Ａに接合された金属体４０と、金属体４０の表面２０Ａ及び接合体５０のうちの金属体４０からはみ出す部分を覆うように形成された金属被膜６０と、を有する。接合体５０は、金属体４０に接合され、銀の含有量が５０質量％以上である第１接合層５２を含む。金属被膜６０は、第１接合層５２のうちの回路部３０ｂに対向する側面を覆うように形成された側方部分６２を含む。上記側方部分６２の回路部３０ｂに近い端部と、第１接合層５２の回路部３０ｂに近い端部との間のＸ軸方向における距離Ｌは、金属被膜の厚さＨよりも大きい。
本開示の一側面に係るセラミック複合基板１０は、セラミック板２０と、セラミック板２０の表面２０Ａに設けられた回路部３０ａと、Ｘ軸方向に沿って回路部３０ａとの間に間隔を空けた状態で、表面２０Ａに設けられた回路部３０ｂと、を備える。回路部３０ａは、表面２０Ａに設けられた接合体５０と、接合体５０を介して表面２０Ａに接合された金属体４０と、金属体４０の表面２０Ａ及び接合体５０のうちの金属体４０からはみ出す部分を覆うように形成された金属被膜６０と、を有する。接合体５０は、金属体４０に接合され、銀の含有量が５０質量％以上である第１接合層５２を含む。金属被膜６０は、第１接合層５２のうちの回路部３０ｂに対向する側面を覆うように形成された側方部分６２を含む。上記側方部分６２の回路部３０ｂに近い端部と、第１接合層５２の回路部３０ｂに近い端部との間のＸ軸方向における距離Ｌは、金属被膜の厚さＨよりも大きい。
高温又は高湿度の環境下において、互いに離れた状態で並ぶ一対の回路部に電圧が印加されると、金属体を接合するための接合体に含まれる銀成分に由来して、絶縁性が低下する懸念がある。絶縁性が低下する要因としては、一対の回路部の間において、銀成分が析出されて、一対の回路部の間の抵抗値が低下してしまうことが考えられる。これに対して、セラミック複合基板１０では、上記距離Ｌが金属被膜６０の厚さＨよりも大きいので、回路部３０ａの第１接合層５２と回路部３０ｂとの間に、銀成分の析出を抑制できる程度に十分な量の金属被膜が形成されている。従って、回路部３０ａ及び回路部３０ｂの間の絶縁性を向上させることが可能となる。
距離Ｌは２μｍよりも大きくてもよい。厚さＨは２μｍ以上であってもよい。この場合、回路部３０ａの第１接合層５２と回路部３０ｂとの間に形成される側方部分６２のＸ軸方向における長さが、２μｍよりも大きい。そのため、第１接合層５２からの銀成分の析出を一層抑制できる量の金属皮膜が、回路部３０ａの第１接合層５２の側方に形成されている。従って、回路部３０ａ及び回路部３０ｂの間の絶縁性を更に向上させることが可能となる。
セラミック板２０は、窒化ケイ素又は窒化アルミニウムを含有してもよい。金属被膜６０は、ニッケル又は金を含有してもよい。ニッケル又は金を含有する金属被膜６０が第１接合層５２の側方に存在することにより、銀成分の析出が抑制され得る。従って、上記構成により、回路部３０ａ及び回路部３０ｂの間の絶縁性の維持に有用である。
本開示の一側面に係るセラミック複合基板１０の製造方法は、セラミック板２０の表面２０Ａに接合体５０Ｍを介して金属体４０Ｍが接合された状態の中間体１８であって、接合体５０Ｍが、金属体４０Ｍに接合され、銀の含有量が５０質量％以上である第１接合層５２Ｍを含む、中間体１８において、Ｘ軸方向に沿って互いに間隔を空けた状態の回路部３２ａ及び回路部３２ｂを形成するように、金属体４０Ｍの一部及び接合体５０Ｍの一部のエッチングを行う工程と、エッチングを行う工程の後に、回路部３２ａを構成する金属体４０Ｍの一部（金属体４０）の表面を覆い、且つ、回路部３２ａを構成する第１接合層５２Ｍの一部（第１接合層５２）のうちの回路部３２ｂに対向する側面を覆う側方部分６２が形成されるように金属被膜６０を形成する工程と、を含む。金属被膜６０に含まれる側方部分６２の回路部３２ｂに近い端部と、回路部３２ａを構成する第１接合層５２Ｍの一部（第１接合層５２）の回路部３２ｂに近い端部との間のＸ軸方向における距離Ｌが、金属被膜６０の厚さＨよりも大きい。この製造方法では、上記距離Ｌが金属被膜６０の厚さＨよりも大きいので、回路部３２ａの第１接合層５２と回路部３２ｂとの間に、銀成分の析出を抑制できる程度に十分な量の金属被膜を形成されている。従って、回路部３２ａ及び回路部３２ｂの間の絶縁性を向上させることが可能となる。
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）
Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ－Ｓｎ系ろう材を準備した。準備したろう材での配合比は、Ａｇ８５質量％、Ｃｕ９質量％、Ｔｉ３質量％、Ｓｎ３質量％であった。市販の窒化ケイ素基板（厚み：０．３２ｍｍ）の両方の主面に、上記ろう材を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：０．３ｍｍ）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、セラミック板と銅板とを接合した（焼成工程）。そして、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上記ろう材から得られる接合体を介して接合された中間体を作製した。
Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ－Ｓｎ系ろう材を準備した。準備したろう材での配合比は、Ａｇ８５質量％、Ｃｕ９質量％、Ｔｉ３質量％、Ｓｎ３質量％であった。市販の窒化ケイ素基板（厚み：０．３２ｍｍ）の両方の主面に、上記ろう材を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：０．３ｍｍ）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、セラミック板と銅板とを接合した（焼成工程）。そして、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上記ろう材から得られる接合体を介して接合された中間体を作製した。
次に、作製した中間体における銅板の両方の主面の所定領域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。そして、塩化第２銅、塩酸、及び過酸化水素を含有する混合溶液を用いて銅板のエッチングを行った。その後、チオ硫酸ナトリウムを含有する薬液を用いて、接合体の銀を主成分とする第１接合層のエッチングを行った。さらに、過酸化水素及びフッ化アンモニウムを含有する混合溶液を用いて、第２接合層のエッチングを行った。銅板及び接合体に対するエッチングでは、第１接合層に比べて、第２接合層の方がより外にはみ出すように、各種工程の実行回数、及び各エッチングでの条件を調整した。次に、無電解メッキにより、ニッケル（Ｎｉ）のメッキ被膜を、上記距離Ｌが上記厚さＨよりも大きくなり、金属体の表面及び接合体のうちの金属体からはみ出す部分を覆うように形成した。以上の工程の少なくとも一部を繰り返して、実施例に係るセラミック複合基板１０として、５個の個体を準備した。
（比較例）
ニッケルのメッキ被膜を形成しなかったこと以外は、上記実施例と同様にして、セラミック複合基板を作製した。比較例に係るセラミック複合基板として、５個の個体を準備した。なお、実施例及び比較例に係る複合基板として、第１回路部を含む第１電極と、第２回路部を含む第２電極とが形成されたくし型電極付きのセラミック複合基板を準備した。
ニッケルのメッキ被膜を形成しなかったこと以外は、上記実施例と同様にして、セラミック複合基板を作製した。比較例に係るセラミック複合基板として、５個の個体を準備した。なお、実施例及び比較例に係る複合基板として、第１回路部を含む第１電極と、第２回路部を含む第２電極とが形成されたくし型電極付きのセラミック複合基板を準備した。
第１回路部と、その第１回路部に隣り合う第２回路部との間の絶縁性を評価した。実施例及び比較例の双方において、第１回路部と第２回路部との間の距離は、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回路部を含む第１電極と第２回路部を含む第２電極との間にＤＣ（直流）１ｋＶの電圧を印加し続けて、第１電極と第２電極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。５個の個体を評価した結果を表１に示す。なお、厚さＨが４μｍであり、距離Ｌが８μｍであり、距離Ｄ１と距離Ｄ２との差分が８μｍであった。また、第１接合層５２における銀の含有量は、９０質量％であった。
表１において、「Ａ」、「Ｂ」、及び「Ｃ」の意味は、下記のとおりである。Ａ判定、Ｂ判定、及びＣ判定の順に、絶縁性が維持されていることを表す。
Ａ：電圧の印加開始時刻から５００時間超えた後も、絶縁抵抗値が１×１０６Ωよりも大きい値に維持された。
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。
Ａ：電圧の印加開始時刻から５００時間超えた後も、絶縁抵抗値が１×１０６Ωよりも大きい値に維持された。
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。
表１に示されるように、実施例の５個の評価用の複合基板では、全ての複合基板に関して絶縁性の評価がＡ判定であった。比較例の５個の評価用の複合基板では、１個の複合基板での絶縁性の評価がＢ判定であり、４個の複合基板での絶縁性の評価がＣ判定であった。以上の評価結果から、距離Ｌが厚さＨよりも大きくなるように金属被膜を形成することで、絶縁性が向上することがわかる。
１０…セラミック複合基板、２０…セラミック板、３０…金属回路板、３０ａ，３０ｂ，３０ｃ…回路部、４０…金属体、５０…接合体、５２…第１接合層、５４…第２接合層、６０…金属被膜、６２…側方部分、１８…中間体、３２ａ，３２ｂ…回路部、４０Ｍ…金属体、５０Ｍ…接合体、５２Ｍ…第１接合層、５４Ｍ…第２接合層。
Claims (4)
- セラミック板と、
前記セラミック板の主面に設けられた第１回路部と、
所定方向に沿って前記第１回路部との間に間隔を空けた状態で、前記主面に設けられた第２回路部と、を備え、
前記第１回路部は、前記主面に設けられた接合体と、前記接合体を介して前記主面に接合された金属体と、前記金属体の表面及び前記接合体のうちの前記金属体からはみ出す部分を覆うように形成された金属被膜と、を有し、
前記接合体は、前記金属体に接合され、銀の含有量が５０質量％以上である銀接合層と、前記主面に接合され、銀の含有量が前記銀接合層よりも少ない第２接合層と、を含み、
前記接合体の前記はみ出す部分における前記銀接合層の厚さと前記第２接合層の厚さとの合計は、１μｍ～１０μｍであり、
前記金属被膜は、前記銀接合層のうちの前記第２回路部に対向する側面を覆うように形成された側方部分を含み、
前記側方部分の前記第２回路部に近い端部と、前記銀接合層の前記第２回路部に近い端部との間の前記所定方向における距離Ｌは、前記金属被膜の厚さＨよりも大きく、
前記距離Ｌは２μｍよりも大きく、且つ、２０μｍ以下であり、
前記第１回路部と前記第２回路部との間の前記所定方向における距離は、０．３ｍｍ～１．５ｍｍである、セラミック複合基板。 - 前記厚さＨは２μｍ以上である、請求項１に記載のセラミック複合基板。
- 前記セラミック板は、窒化ケイ素又は窒化アルミニウムを含有し、
前記金属被膜は、ニッケル又は金を含有する、請求項１又は２に記載のセラミック複合基板。 - 請求項１又は２に記載のセラミック複合基板を製造する方法であって、
前記接合体及び前記金属体を形成するようにエッチングを行う工程と、
前記金属被膜を形成する工程と、を含む、セラミック複合基板の製造方法。
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