JPH0619926B2

JPH0619926B2 - 回路基板とその製法

Info

Publication number: JPH0619926B2
Application number: JP62283057A
Authority: JP
Inventors: 保敏栗原; 茂高橋; 耕明八野; 恒雄遠藤; 健二明山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-11-11
Filing date: 1987-11-11
Publication date: 1994-03-16
Anticipated expiration: 2009-03-16
Also published as: JPH01128305A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、導体ペースト組成物、特に非酸化物系セラミ
ックスの金属化又は配線に好適な導体ペースト組成物を
利用した回路基板、及びその製法に関する。

〔従来の技術〕

非酸化物系セラミツクス、特に窒化アルミニウムや炭化
シリコンは、近年の焼結技術や精製技術の向上に伴つ
て、電子部品用基板材料として注目に値する好ましい物
性が付与されるに至つている。

例えば、(1)Y.クロカワ（Y.Kurokawa）らによるIEEEト
ランサクシヨンスオン C.H.M.T.（IEEE Trans.on C.
H.M.T.）CHMT−８、No２、第２４７〜２５２頁（1958）
における「高熱伝導性をもつAlN基板」（AlN Substrate
s with High Thermal Condctivity）と題する論文で
は、高密度、高純度に精製された窒化アルミニウム粉を
加圧焼結して、熱伝導率１６０Ｗ／m・k（室温）、電気
抵抗率５×１０¹³Ω・cm（室温）、誘電率８．９（１MH
z）、屈曲強度５０Kg／mm²、熱膨張係数４．３×１０^-6
／℃（室温〜４００℃）なる性質が付与された窒化アル
ミニウム焼結体が開示され、そして(2)特公昭５８−１
５９５３号公報では、ベリリヤを添加した炭化シリコン
の加圧焼結体に、熱伝導率０．２５cal／cm・sec・℃以
上、抵抗率１０⁷Ω・cm以上（室温）、熱膨張係数４×
１０^-6／℃以下なる性質を付与してなる電気的装置用基
板を開示している。

上記先行技術(1)、(2)に開示された窒化アルミニウムや
炭化シリコンの焼結体の出現は、電子装置の性能向上に
寄与する所が大きいものと期待される。この期待を実現
させるには、シリコン等の半導体基体あるいは金属やセ
ラミツクス材からなる他部材とを一体的に接合するため
の金属化領域、あるいは機能素子間や外部回路との電気
的連絡を担う導体配線を、上記焼結体上に形成する必要
がある。

非酸化物系セラミツクスに対する従来の金属化技術の代
表例として、(3)特開昭６０−１７８６８７号公報に、
銀、銀−白金、銀−パラジウム等を主体にした銀系導体
金属に酸化銅を０．１重量％（Cu₂O換算）以上添加した
ケミカルボンド型ペーストを窒化アルミニウム焼結体上
に印刷、焼成する方法がか開示され、そして(4)N.クラ
モト（N.Kuramoto）らによるプロシーデイングスオブ
３６回エレクトロニツクコンポーネントコンフア
レンス（Proeedinge of 36th Electronic Component Co
nference）、シアトル、１９８６年５月５〜７日におけ
る「半透明AlNセラミツク基板」（Translucent AlN Cer
amic Substrate）と題する論文では、銀、パラジウムに
酸化ビスマス、ガラスフリツト（Pbo-SiO₂-CaO-Al₂O₃-B
₂O₃-ZnO）を含むフリット型ペーストを印刷、焼名して
窒化アルミニウム焼結体を金属化する方法がそれぞれ開
示されている。また、炭化シリコン焼結体に対しても同
様な金属化技術が検討されている。

なお、(5)特開昭６０−３２３４３号公報には、窒化ア
ルミニウム部材と銅部材とを活性金属としてのTi、Zrと
銅の合金層を介して接合してなるパワー半導体モジユー
ル基板が開示され、そして(6)田中金属工業(株)製セラ
ミツクス用活性金属ろう（SP641）のごとく、銀−銅系
金属にチタニウムを添加したろう材ペーストが市販され
ている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記先行技術例(3)において、金属化導体と窒化アルミ
ニウム焼結体との間にはCuAlO₂又はCuAl₂O₄等の複合酸
化物質が形成され、これが導体の接合強度の維持に寄与
すると言われる。しかしながら、本発明者らの実験結果
によると、この技術を適用して実現できる接合強度は高
々２Kg／mm²と、発熱量の大なるパワー素子を高密度に
搭載し得る高熱伝導基板のメリツトを出すには十分でな
い。これは複合酸化物と導体金属層との接合が必ずしも
強固でないことと、複合酸化物層自体多孔質的でもろい
性質を有していることによる。このことは当然ながら温
度サイクルなどの熱的ストレスに対する耐力を持ち得な
い主要な要因にもなつている。更に、金属化導体の金属
ソルダ、特に鉛−６０重量％スズはんだによる侵食も著
しく、本発明者らの実験によると、厚さ１２μｍの銀−
パラジウム導体層（パラジウム２０重量％）の場合２５
０℃の上記はんだ浴中の浸漬２〜３秒で導体層は完全に
消失し、焼結体上には複合酸化物層が残留するのみであ
つた。これは、導体層に金属ソルダの侵食作用を抑制す
る担体が存在しないためである。

一方、先行技術例(4)によると、金属化導体と窒化アル
ミニウム焼結体との間には酸化ビスマスや亜鉛、銀、鉛
の酸化物を主体としたガラス質物質が層状になつて残留
する。これらの物質は、セラミツクス材がアルミナの場
合は粒界に沿つて焼結体内部に侵入してアンカ効果によ
る接着力維持に寄与するが、窒化アルミニウムの場合は
同様の侵入作用は生じない。残留したガラス質層は多孔
質的でありかつもろい酸化亜鉛や酸化ビスマスの偏在層
を形成しているため、接合強度は高々２kg／mm²しか得
られず、しかも熱的ストレスに対する耐力低下をもたら
している。

上述した在来技術の問題は、炭化シリコン、窒化ほう
素、窒化シリコン、窒化チタン等の他の非酸化物系セラ
ミツクスを母材にした回路基板の場合にも共通してい
る。

上述した状況から、大電流を扱う電力素子とそれを抑制
する信号回路とを組合せた混成集積回路装置のように高
度の性能や信頼性の要求される回路装置は、在来の金属
化技術に基づく回路基板では実現することは極めて困難
であつた。

なお、上記(5)及び(6)に基づく先行技術では、接合時の
熱処理は真空中、不活性ガス中、還元性雰囲気中のごと
く、特別に調節された雰囲気下で実施する必要がある。
また、このような手法で形成された導体は、後続の抵抗
体形成、誘電体形成等の酸化性雰囲気下での焼成が必須
なプロセスとの整合が図りにくい。

したがつて、本発明は上述した在来技術の欠点を補な
い、非酸化物系セラミツクスに対して強固な接合強度、
優れた熱伝導機能、そして優れた信頼性を付与した金属
化層を設けることの可能な導体ペースト組成物を提供す
ることを目的とする。

他方において本発明は、上述した在来技術の欠点を補な
い、強固な結合強度と金属ソルダに対する耐侵食性を有
し、優れた放熱機能と電気伝導機能の付与された導電領
域を有し、熱的ストレスの印加によつても安定した性能
を維持でき、併せて簡便な手法で製作が可能な回路基板
及びその製法を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明を概説すれば、本発明の第１の発明は回路基板に
関する発明であつて、非酸化物系セラツクス上に金属化
層を設けた回路基板において、該金属化層が、銀、金、
白金及びパラジウムよりなる群から選択した少なくとも
１種の金属からなる第１金属と、チタニウム、ジルコニ
ウム、クロム、タンタル及びハフニウムよりなる群から
選択した少なくとも１種の金属、又は該金属を含む合
金、あるいはそれらの酸化物からなる第２金属とを含有
していることを特徴とする。

更に、本発明の第２の発明は回路基板の製法に関する発
明であつて、銀、金、白金及びパラジウムよりなる群か
ら選択した少なくとも１種の金属からなる第１金属の粉
末と、チタニウム、ジルコニウム、クロム、タンタル及
びハフニウムよりなる群から選択した少なくとも１種の
金属、その水素化物、又は該金属と上記第１金属との合
金からなる第２金属の粉末と、有機ビヒクルとを含有し
ているペーストを、非酸化物系セラミツクス上に塗布
し、酸素が存在する雰囲気中で該第１金属を構成する少
なくとも１種の金属の融点以上の温度で焼成することを
特徴とする。

本発明において、第１金属は金属化層又は導体層に電気
伝導性を付与すると共に金属ソルダに対するぬれ性を持
たせるためのものである。第２金属は、金属化層又は導
体層との接合界面に在つて両者の接合力を強化する役割
と、金属化層又は導体層中に分散されていて金属ソルダ
により侵食を妨げる役割を有している。すなわち、第２
金属は、焼成過程において、セラミツクス基板の表面と
化学的に反応して金属間化合物を生成すること及び基板
中に拡散することにより接合力の強化に寄与する。ま
た、第２金属は酸化物の形で金属化層又は導体層中に分
散され、金属ソルダとの接触面積（反応面積）を実効的
に小さくさせることにより、金属ソルダによる侵食を防
ぐ。

本発明において、ペーストを塗布した後、第１金属を構
成する少なくとも１の金属の融点以上の温度に加熱する
のは、上記第２金属のセラミツクス基板表面への移動、
基板表面との化学反応及び拡散を促進させる働きを有し
ている。また、酸素存在下の雰囲気で加熱するのは、ペ
ースト中に含まれている有機ビヒクルを燃焼させる役割
の他に、金属化層又は導体層に分散されるべき第２金属
の酸化を促進させ、金属ソルダとの親和性又は反応性を
低める作用を持たせるためである。

本発明の導体ペースト組成物において、第２金属の重量
が、第１金属と第２金属との総重量に基づいて０．００
１〜０．１であるのが好適である。

また、本発明の導体ペースト組成物においては、第１金
属が、銀及びパラジウムからなり、第２金属が、チタニ
ウム、クロム及びジルコニウムよりなる群から選択した
少なくとも１種の金属、その水素化物、又は該金属と銀
又はパラジウムとの合金であるのが好適である。

更に、本発明の導体ペースト組成物は、ガラス質物質粉
末を含有しているのが好ましい。

本発明の回路基板においては、該金属化層に該第２金属
が、第１金属と第２金属との総重量に基づいて０．００
１〜０．１の重量割合で含有されているのが好適であ
る。

また本発明の回路基板においては、該第２金属は、該金
属化層に分散されていると共に、該セラミツクスと金属
化層との界面にも存在していてもよい。

更に、該金属化層に分散された第２金属は、酸化物とし
て存在していてもよい。

本発明の回路基板においては、該セラミツクスが、窒化
アルミニウムを主体とする焼結体であり、該第１金属が
銀及びパラジウムであり、該第２金属が、チタニウム、
クロム及びジルコニウムよりなる群から選択した少なく
とも１種の金属であるのが好適である。

そして、本発明の回路基板の製法においては、該セラミ
ツクスが、窒化アルミニウムを主体とする焼結体であ
り、該第１金属が銀及びパラジウムであり、該第２金属
が、チタニウム、クロム及びジルコニウムよりなる群か
ら選択した少なくとも１種の金属、その水素化物、又は
該金属と銀又はパラジウムとの合金であり、該焼成温度
が、９６０．５℃〜１２５０℃６であることが好適であ
る。

本発明において、第１金属は酸化性雰囲気であつても酸
化物を生成しない、換言するなら高温の酸化性雰囲気に
おいて熱分解しやすい酸化物しか形成しない物質である
ことが必須である。この観点から、銀、金、白金、パラ
ジウムが選択されるが、銅のように熱分解しにくい酸化
物を形成する金属は、上記第１金属の範囲には含まれな
い。

後記実施例において示した基板材は窒化アルミニウム及
び炭化シリコンに限られているが、これ以外の非酸化物
系セラミツクス、例えば窒化ほう素、窒化シリコンある
いは窒化アルミニウム、炭化シリコンを含むこれら非酸
化物系化合物の混合セラミツクス、そしてこれらがラミ
ネートされた複合セラミツクスであつても、本発明の効
果が得られる。更に、上記非酸化物系セラミツクスと酸
化アルミニウムやベリリヤに代表される酸化物系セラミ
ツクスとの混合又は複合セラミツクスであつても同様の
効果が得られる。

更に、窒化アルミニウムにあつては、高純度に精製され
た加圧焼結体に限定されるものではなく、例えばY₂O₅、
CaOやアルカリ土類属酸化物、希土類酸化物のごとき物
質で代表されるような熱伝導性をあまり損わない他の添
加物と共に焼結されたものや、自然混入不純物を含有す
るものであつても良く、また常圧で焼結されたものであ
つても良い。

更に、本発明導体ペースト組成物を適用するに当つて、
非酸化物系セラミツクス表面が導体焼成過程又はそれ以
前に酸化されていることに何等障害を有するものではな
い。この表面酸化物は界面に偏在する第２金属と共に混
在して接合界面を強固に保つのに役立つからである。

また、本発明において、非酸化物系セラミツクス上に単
一の半導体基体のみが搭載され上記セラミツクス上には
単一の導電領域のみが形成されている場合、例えばパワ
ートランジスタ基体を搭載するような物であつて、コレ
クタ用の導電領域のみが形成されるような場合であつて
も、本発明の回路基板の範囲に含まれる。

本発明において使用できる有機ビヒクルとしては、脂肪
族アルコール、そのようなアルコールのエステル例えば
アセテート及びプロピオネート、テルペン例えば松根油
α−及びβ−テルピネオール等、溶媒例えば松根油及び
エチレングリコールモノアセテートのポリメタクリレー
トの溶液又はエチルセルロースの溶液である。このビヒ
クルは、速やかな乾燥を促進するため揮発性液体を含有
してもよい。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例により更に具体的に説明するが、
本発明はこれら実施例に限定されない。

実施例１重量比で、銀粉末５６％、アラジウム粉末１５％からな
る第１金属、チタニウム粉末２．５％からなる第２金属
〔（第２金属／第１金属＋第２金属）×１００＝３．４
重量％〕、そして残部がエチルセルローズ樹脂とα−テ
ルビネオールとからなる有機ビヒクルとで構成された混
合物を三本ロールにて十分混練し、導体ペースト組成物
を得た。

上記組成物の効果を確認するため、セラミツクス基板上
に導体層を設けた回路基板を作成し、種々評価した。

回路基板は、上記導体ペースト組成物を、高純度合成窒
化アルミニウム粉（粒径１μｍ以下）や添加剤としての
炭酸カルシウム等を窒素雰囲気で加圧焼結（２×１０⁴P
a、２０００℃）して得られた焼結体、そして炭化シリ
コン粉末からなる圧粉成形体を添加物としてのベリリヤ
粉末（１．５重量％）と共に真空中で加圧焼結（２×１
０⁴Pa、２０００℃）して得られた焼結体状の炭化シリ
コンである非酸化物系セラミツクス基板上にスクリーン
印刷法にて塗布し、これらを１２０℃、６０分の空気中
乾燥処理を施した後、強制空気を流したトンネル炉中で
１１００℃、１０分の焼成処理を施して導体層を設ける
ことにより得た。

第１−１図は以上の工程を経て得たセラミツクス基板１
上に導体層２を設けた回路基板１０の模式断面図、第１
−２は窒化アルミニウム基板１上の動態層２形成部の法
線方向のＸ線マイクロアナライザによるライン分析結
果、そして第１−３図は炭化シリコン基板１上の導体層
２形成部の分析結果を表面側からの距離（横軸）とＸ線
強度（縦軸）との関係で示すグラフである。チタニウム
は基板１と導体層２の接合界面に高濃度に分布してい
て、基板１の内部にも拡散している。また、チタニウム
は導体層２中にも局所的に分布しているが、チタニウム
の高濃度領域に対応する部分は銀やパラジウムの濃度が
低い。Ｘ線回折の結果ではチタニウム酸化物以外に、窒
化アルミニウム基板を適用した場合チタニウムとアルミ
ヌウムの金属化合物（TiAl）が、そして炭化シリコン基
板を適用した場合チタニウムとシリコンの金属間化合物
（Ti₅Si₃、TiSi、TiSi₂）が検出されている。上述のチ
タン酸化物は金属ソルダによる侵食防止（後述）に、そ
して金属間化合物や拡散領域は接合強度の維持（後述）
に寄与する。

第２図は導体層２上に直径２．５mmの銀めつき銅ピンを
Pb−６０重量％Snはんだで接合し、−５５〜１５０℃の
温度サイクルを与えながら、接合面に対して垂直な方向
の強度を追跡した結果を、温度サイクル数（回、横軸）
と接合強度（kg／mm²、縦軸）との関係で示すグラフで
ある。基板１が窒化アルミニウム（白丸印）、炭化シリ
コン（黒丸印）のいずれであつても、初期強度は４kg／
mm²であつて、温度サイクルの進行と共に若干の強度劣
化は見られるものの１０００回経過後でも初期とほぼ同
等の水準が維持されている。上述の初期強度の値は、先
行技術例(3)に基づくケミカルボンド型ペーストそして
同(4)に基づくフリツト型ペーストを適用した場合の２k
g／mm²に比べて２倍である。また、これらの先行技術例
に基づく場合は約５００回の温度サイクルで導体層２は
はく離してしまうのに比べ、実施例の場合は熱ストレス
に対する長期的な信頼性が十分確保されていることを示
唆している。

導体層２は厚さ１１μｍになるように形成されている
が、そのシート抵抗は２８ｍΩ／□であり、混成集積回
路用配線として十分実用できる導電性を有しているが、
温度サイクル１０００回そして１５０℃、空気中の高温
放置試験（１０００時間）を施してもシート抵抗の増大
は全く認められない。また、導体層２上に６mm×６mmの
シリコンパワートランジスタチツプをPb−５重量％Snは
んだにより搭載したときのチツプと基板１間の熱抵抗は
それぞれ０．８℃／Ｗ（窒化アルミニウム基板）、０．
７℃／Ｗ（炭化シリコン基板）であり、十分な放熱性が
確保されている。この熱抵抗値は、温度サイクル１００
０回経過後でも初期値と同等の値が維持された。

次、回路基板１０をPb−６０重量％Snはんだ浴（２５０
℃）中に浸漬しはんだのぬれ性（ぬれ面積／金属化面積
比）を測定した。この結果を先行技術例(3)、(4)に基づ
く他の比較例と共に第１表に示す。

実施例の初期ぬれ性（浸漬５秒）は、比較例のケミカル
ボンド型にわずかに劣るもののフリツト型と同等のぬれ
性を示し、実用上支障ない。また、長時間浸漬した場合
でも良好なぬれ性が維持されている。これに対し比較例
ではケミカルボンド型の場合は初期ぬれ性の点で勝るも
のの長時間の浸漬ではぬれ性が消失されやすい。これ
は、はんだの侵食に抗すべき担体を有していないためで
ある。また、比較例のフリツト型の場合は長時間浸漬に
対するぬれ性はケミカルボンド型に比べて改善されては
いるが、実施例の結果より劣つている。以上のように、
実施例の回路基板は金属ソルダに対するぬれ性や耐侵食
性の点で優れている。また、本実施例導体ペースト組成
物を適用した場合プロセス上特筆すべき点は、安全上か
つコスト上有利で、簡便かつ既存の技術である、酸化性
雰囲気焼成によつても所期の性能を回路基板１０に付与
できる点である。このことは、後続の混成回路形成技
術、例えば厚膜抵抗体、誘電体、オーバコートガラス等
酸化性雰囲気焼成の必要な技術との整合が図れる点で有
利なことを意味する。

以上に説明したように、第２金属としてのチタニウムは
優れた回路基板を得るのに重要な役割を演じている。チ
タニウムと同様の作用を持つ物質として、クロム、ジル
コニウム、タンタル、ハフニウムが挙げられる。次に、
これらの効果について説明する。

実施例２実施例１において、チタニウム粉末の代りに、等量の第
２金属としてのクロム、ジルコニウム、タンタル、ハフ
ニウムを添加したペースト〔第２金属／第１金属＋第２
金属）×１００＝３．４重量％〕を同様にして得た。

同ペーストを上述と同様に塗布、焼成して回路基板１０
を得た。

第２表に、その結果をまとめて示す。

シート抵抗、接合強度、熱抵抗、ぬれ性（耐侵食性）
共、実施例１とほぼ同等の性能が得られており、クロ
ム、ジルコニウム、タンタル、ハフニウムが、チタニウ
ムの代替物質になり得ることを示している。チタニウム
を含めたこれらの第２金属は単独に添加される場合はも
ちろんであるが、２種以上の担体金属の混合粉や合金粉
の形態、若しくは例えば銀−チタニウム系のように第１
金属との合金や複合体の形態で添加されてもよい。

更に第２金属はTiH₂、ZrH₂などのように水素化物の形で
添加されてもよい。

導体層２のＸ線マイクロアナライザによるライン分析結
果では、実施例１のペーストの場合と同様に、第２金属
がセラミツクス基板１との境界で高濃度に分布し、基板
１中に深く拡散すると共に導体層２内で局所的に高濃度
領域を形成していることが確認された。また、Ｘ線回折
の結果から第３表に示す第２金属とアルミニウムの金属
間化合物や、第２金属の酸化物の存在することが確認さ
れた。

実施例３本実施例では、第２金属の添加量に関して説明する。本
実施例では、第２金属としてのチタニウム、クロム、ジ
ルコニウム、タンタル、ハフニウムの添加量〔（第２金
属／第１金属＋第２金属）×100〕を種々調整した導体
ペースト組成物を作成した。作成するに当り、第１金属
及び有機ビヒクルの種類及び量、そして製作手順は実施
例１に準拠した。更に同ペーストにより上述と同様の手
順を経て回路基板１０を作成した。

第３図は、第２金属添加量（重量％、横軸）とシート抵
抗（ｍΩ／□、縦軸）との関係を示すグラフである。シ
ート抵抗は、第１金属を主体とする導体層２中に分散す
る第２金属酸化物の分散密度に当然ながら依存するが、
添加量１０重量％以下では添加量０重量％に近い値が得
られる。

第４図は、第２金属添加量（重量％、横軸）と接合強度
（kg／mm²、縦軸）との関係を示すグラフである。第２
金属添加量０．１重量％以上では無添加の場合の約４倍
の強度が得られている。

第５図は、第２金属添加量（重量％、横軸）とぬれ性
（％、縦軸）との関係を示すグラフである。浸漬初期で
は約１０重量％を越える領域で低下するが、１０重量％
如何では良好なぬれ性を有している。また、浸漬６０秒
後では０．１〜１０重量％で良好なぬれ性が保たれてお
り、はんだによる侵食も少ないことを示している。これ
に対し、無添加及び１０重量％を越える領域ではぬれ性
は劣る。無添加の場合ははんだによる侵食で導体層２が
消失してしまうこと、そして１０重量％を越える場合は
はんだのぬれ広がりが緩慢なことが原因している。な
お、熱抵抗は０．７５〜０．９０℃／Ｗと、添加量によ
つてはさほど大きくは変動しない。

以上の結果から、総合的に見て選択される好ましい添加
量は、〔（第２金属／第１金属＋第２金属）×100〕な
る式に換算して０．１〜１０重量％である。なお、実施
例３では基板１を窒化アルミニウムに限定して説明した
が、炭化シリコン基板であつても同様の結果が得られ
る。なお、上記第３図〜第５図における第２金属の記号
は、白丸印がTi、三角印がCr、四角印がZr、×印がTa、
黒丸印がHfの場合を示す。

実施例４本実施例では、第１金属及び第２金属と共に、他の物質
を添加した例を説明する。

本実施例では、重量比で銀粉末５６％、パラジウム粉末
１５％からなる第１金属、チタニウム粉末１．５％から
なる第２金属、成分比（重量％）がアルミニウム４．５
％、鉄０．１１％、シリコン４．７８％、鉛５４．４
％、クロム０．１％、ほう素２．０２％、チタニウム
０．０１％、残部が酸素で構成されるガラス質添加物粉
末２．５％、そして残部がエチルセルロース樹脂とα−
テレピネオールとからなる有機ビヒクルからなる導体ペ
ースト組成物を実施例１と同様にして作成した。また、
同ペーストを窒化アルミニウム基板１上に塗布後、１２
０℃、空気中、６０分の乾燥処理を施し、強制空気中で
１１００℃、１０分の焼成処理を施して回路基板１０を
作成した。

第４表は、得られた回路基板１０の性能をまとめて示し
たものである。

シート抵抗、接合強度、熱抵抗、及びぬれ性（耐侵食
性）共に、ガラス質を添加しない場合に比べそん色ない
値が得られている。特にガラス質を添加した場合は、接
合強度が一層高められている点が特筆される。

これより、本発明は第１金属と第２金属の両者を含むこ
とを基本とするが、これらに加えて酸化物のごとき他の
物質が適量添加される場合であつても、本発明の目的は
十分達せられることがわかる。なお、添加されるガラス
質は、熱伝導性を損わないようにする観点から、なるべ
く少量であることが望ましいが、より好ましいのは５重
量％以下である。

ガラス質の代替物質としては、少量の酸化ビスマスなど
が挙げられる。

なお、このようなガラス質を添加したペーストを炭化シ
リコン基板１に適用した場合でも、同様の性能の回路基
板１０が得られる。

実施例５本実施例では、実施例１におけるペーストの第１金属
を、銀−金（７１重量％）、又は銀−白金（７１重量
％）に替えた導体ペースト組成物を作成した。この際、
チタニウム及び有機ビヒクルは実施例１と等量であり、
製作手順も同様である。また、同ペーストを窒化アルミ
ニウム基板１上に塗布後、１２０℃、６０分、空気中の
乾燥処理を経て、強制空気中で１１００℃、１０分の焼
成処理を施して回路基板１０を作成した。

第５表は、得られた回路基板１０の性能をまとめて示し
たものである。

シート抵抗、接合強度、熱抵抗、及びぬれ性（耐侵食
性）共に実用上支障のない性能が得られている。炭化シ
リコン基板を用いた場合でも、これと同等の性能が得ら
れている。

なお、第１金属が銀−パラジウム系以外の金属であつて
も、第２金属の担う役割、挙動は同様である。

次に、本発明導体ペースト組成物の好ましい適用条件に
ついて説明する。

実施例６本適用例では、実施例１と同様のペーストを用いて回路
基板１０を得た。この際、ペースト塗布後の乾燥は１２
０℃、６０分、空気中なる条件、そして焼成は強制空気
中、７００〜１２５０℃、１０分なる条件で実施した。

第６図は、焼成温度（時間１０分）（℃、横軸）と接合
強度（kg／mm²、縦軸）との関係を示すグラフである。
第６図において、白丸印はAlN基板の場合、黒丸印はSiC
基板の場合である。第６図よりみて、第１金属を構成す
る主要な金属である銀の融点（９６０．５℃）を境にし
てこれ以上の温度では４kg／mm²と高い強度が得られて
いるのに対して、これ以下の温度ではこれより半分以下
の強度しか得られていない。これは上述したように第２
金属の界面への移動による表面反応及び拡散の促進度に
起因しているもので、接合界面に強固な接合力を付与す
るためには、第１金属を構成する金属のうち最も融点の
低い金属を溶融するのが効果的なことを示唆するもので
ある。

また、第７図は、焼成温度（℃、横軸）とはんだぬれ性
（％、縦軸）との関係を示すグラフである。第７図にお
いて、白丸印はAlN基板、初期の場合、黒丸印はSiC基
板、初期の場合、白三角印はAlN基板、浸漬６０秒後の
場合、黒三角印はSiC基板、浸漬６０秒後の場合を示
す。

初期ぬれ性に注目すると、焼成温度１２００℃までは良
好なぬれ性を示すが、１２５０℃ではぬれ性は若干低下
する。しかし、実用上支障は生じない。これに対して浸
漬６０秒後では、銀の融点以上の温度で良好なぬれ性が
確保されはんだによる侵食に十分耐えているが、融点未
満の温度では侵食が進行し、結果的にぬれ性が害されて
いる。これは、はんだ侵食の抑制担体となる第２金属の
酸化物を生成するのに、第１金属の少なくとも１を溶融
状態にすることが効果的なことを示唆する。

本実施例６では第２金属としてチタニウムを添加した場
合について焼成温度の影響を説明したが、第２金属がク
ロム、ジルコニウム、タンタル、ハフニウムであつて
も、そして第２金属がチタニウムを含めてこれらの混合
物又は合金であつても第１金属が銀とパラジウムで構成
されている限り同様の結果が得られる。

焼成温度による接合強度やぬれ性への影響は第１金属を
構成する金属の種類により異なる。例えば、第１金属が
銀−白金２元系である場合は少なくとも９６０．５℃よ
り高い温度で、そして金−白金−パラジウム３元系であ
る場合は少なくとも１０６３℃以上の温度で焼成するこ
とが望ましい。

実施例７本実施例では、焼成雰囲気について説明する。

本適用例では、焼成雰囲気を除くすべての材料及び手順
を実施例１と同様にして、回路基板１０を作成した。

第６表は、窒化アルミニウム基板１を用いた場合の焼成
時の雰囲気とぬれ性との関係を示す。

H₂、N₂、Arの各雰囲気、すなわち還元性又は不活性雰囲
気の下では良好な初期ぬれ性を示す反面、浸漬６０秒後
ではぬれ性は激しく低下する。これは導体層２に金属ソ
ルダの侵食を抑制する第１金属の酸化物が形成されない
ためである。これに対しN₂＋O₂フオーミングガス、Ar+O
₂、O₂、N₂+H₂Oの各酸化性雰囲気中の焼成では、初期ぬ
れ性は極くわずかに劣るものの（実用上は支障ない）、
耐侵食性は十分維持されている。これより、侵食防止の
点から焼成雰囲気は少なくとも酸素の存在する雰囲気で
あることが望ましい。なお、このような雰囲気の変形例
としては、窒素と水素の混合ガス中に水蒸気を添加した
ような雰囲気が挙げられる。なお、基板として炭化シリ
コンを用いた場合も、第６表と同等の性能が得られてい
る。

〔発明の効果〕

以上の詳述したように、本発明によれば、強固な接合強
度と金属ソルダに対する耐侵食性を有し、優れた放熱性
と電気伝導性を付与した導電領域を有し、熱的ストレス
に対しても安定した性能を維持できる非酸化物系セラミ
ツクスからなる回路基板と、簡便かつ既存の要素技術に
基づき、安全性が高く後続の混成回路形成プロセスとの
整合を図るのに有利な回路基板の製法を得るのに有利な
導体ペースト組成物提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１−１図は本発明の回路基板の１例の断面模式図、第
１−２図及び第１−３図は本発明の回路基板の成分分布
を示すグラフ、第２図は温度サイクル数と導体層の接合
強度との関係を示すグラフ、第３図、第４図及び第５図
は、いずれも導体層を構成する第２金属添加量と各物性
との関係を示すグラフ、第６図及び第７図は、いずれも
焼成温度と各物性との関係を示すグラフである。１：セラミツクス基板、２：導体層、１０：回路基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者遠藤恒雄長野県小諸市大字柏木190番地株式会社日立製作所小諸工場内 (72)発明者明山健二長野県小諸市大字柏木190番地株式会社日立製作所小諸工場内 (56)参考文献特開昭58−178903（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】非酸化物系セラツクス上に金属化層を設け
た回路基板において、該金属化層が、銀、金、白金及び
パラジウムよりなる群から選択した少なくとも１種の金
属からなる第１金属と、チタニウム、ジルコニウム、ク
ロム、タンタル及びハフニウムよりなる群から選択した
少なくとも１種の金属、又は該金属を含む合金、あるい
はそれらの酸化物からなる第２金属とを含有しているこ
とを特徴とする回路基板。
【請求項２】該金属化層に該第２金属が、第１金属と第
２金属との総重量との総重量に基づいて０．００１〜
０．１の重量割合で含有されている特許請求の範囲第１
項記載の回路基板。
【請求項３】該第２金属は、該金属化層に分散されてい
ると共に、該セラミツクスと金属化層との界面にも存在
している特許請求の範囲第１項又は第２項記載の回路基
板。
【請求項４】該金属化層に分散された第２金属が、酸化
物として存在している特許請求の範囲第３項記載の回路
基板。
【請求項５】該セラミツクスが、窒化アルミニウムを主
体とする焼結体であり、該第１金属が銀及びパラジウム
であり、該第２金属が、チタニウム、クロム及びジルコ
ニウムよりなる群から選択した少なくとも１種の金属で
ある特許請求の範囲第１項〜第４項のいずれか１項に記
載の回路基板。
【請求項６】銀、金、白金及びパラジウムよりなる群か
ら選択した少なくとも１種の金属からなる第１金属の粉
末と、チタニウム、ジルコニウム、クロム、タンタル及
びハフニウムよりなる群から選択した少なくとも１種の
金属、その水素化物、又は該金属と上記第１金属との合
金からなる第２金属の粉末と、有機ビヒクルとを含有し
ているペーストを、非酸化物系セラミツクス上に塗布
し、酸素が存在する雰囲気中で該第１金属を構成する少
なくとも１種の金属の融点以上の温度で焼成することを
特徴とする回路基板の製法。
【請求項７】該セラミックスが、窒化アルミニウムを主
体とする焼結体であり、該第１金属が銀及びパラジウム
であり、該第２金属が、チタニウム、クロム及びジルコ
ニウムよりなる群から選択した少なくとも１種の金属、
その水素化物、又は該金属と銀又はパラジウムとの合金
であり、該焼成温度が、９６０．５℃〜1250℃である特
許請求の範囲第６項記載の回路基板の製法。