JPWO2019022133A1 - セラミックス回路基板及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高い接合性及び優れた耐熱サイクル特性を有するセラミックス回路基板を提供する。【解決手段】セラミックス基板上に、ろう材層を介して回路パターンが設けられ、回路パターンの外縁からはみ出したろう材層によりはみ出し部が形成されており、ろう材層は、Ａｇ、Ｃｕ及びＴiと、ＳｎまたはＩｎとを含み、はみ出し部外縁から、セラミックス基板と回路パターンとの接合界面に沿い内側に向かってＡｇリッチ相が３００μｍ以上連続して形成されており、接合ボイド率が１．０％以下である、セラミックス回路基板とする。【選択図】図１

Description

本発明は、セラミックス回路基板及びその製造方法に関する。

エレベーター、車両、ハイブリッドカー等といったパワーモジュール用途には、アルミナ、ベリリア、窒化珪素、窒化アルミニウム等のセラミックス基板の表面に、金属回路板をろう材で接合し、更に金属回路板の所定の位置に半導体素子を搭載したセラミックス回路基板が用いられる。

近年では、半導体素子の高出力化、高集積化に伴い、半導体素子からの発熱量は増加の一途をたどっている。この発熱を効率よく放散させるため、高絶縁性、高熱伝導性を有する窒化アルミニウム焼結体や窒化珪素焼結体のセラミックス基板が使用されている。

しかし、セラミックス基板と金属板は熱膨張率が大きく異なるため、繰り返しの冷熱サイクルの負荷によりセラミックス基板と金属板の接合界面に熱膨張率差に起因する熱応力が発生する。特に、接合部付近のセラミックス基板側に圧縮と引張りの残留応力が作用することで、セラミックス基板にクラックが発生し、接合不良又は熱抵抗不良を招き、電子機器としての動作信頼性が低下してしまう等の問題を有する。

そこで、特許文献１には金属板の底面からはみ出すろう材の長さが３０μｍより長く且つ２５０μｍ以下、好ましくは５０μｍ乃至２００μｍに制御することで、セラミックス回路基板の熱サイクル特性を向上させる構造が提案されている。

特許文献２には、セラミックス回路基板のろう材層のはみ出し組織をＡｇリッチ相がＣｕリッチ相よりも多く占めるように制御することで、エッチングによるろう材はみ出し部の溶解を抑制し、ろう材層はみ出し部の応力緩和効果が低下することを防止する方法が提案されている。

特許文献３には、ろう材層をある一定の比率で、厚みと長さを制御してはみ出させることで、セラミックス回路基板の熱サイクル特性を向上させる方法が提案されている。

特開２００３―１１２９８０号公報 特開２００５−２６８８２１号公報 国際公開第２１０７／０５６３６０号

最近の電気自動車に搭載されるパワーモジュールは、さらなる高出力化、高集積化が急激に進行し、セラミックス回路基板にかかる熱応力がより増大する傾向にある。そのため、機能安全性を保障するために、これまでの−４０℃での冷却１５分、室温での保持１５分及び１２５℃における加熱を１５分、室温での保持１５分とする昇温／降温サイクルを１サイクルとする熱サイクル試験から、これまでの−５５℃での冷却１５分、室温での保持１５分及び１７５℃における加熱を１５分、室温での保持１５分とする昇温／降温サイクルを１サイクルとする厳しい熱サイクル条件での耐久性が要求されている。特に冷却温度が低温化することで、セラミックス部に発生する引張応力が増大し、セラミックス回路基板にクラックが発生しやすくなる課題がある。この点で、特許文献１、特許文献２、及び特許文献３に記載されているろう材層はみ出しの長さ、距離、比率、組織を制御することで、熱応力の緩和効果は期待できる。しかし、より厳しくなった熱サイクルテストの条件では、銅回路パターン部の外縁下のろう材層はみ出し部により大きな熱応力が集中し、ろう材はみ出し部の付け根付近にあるＡｇリッチ相とＣｕリッチ相の界面が割れてしまう場合がある。その場合はろう材はみ出し部が短くなり、応力緩和効果を得ることができず、セラミックス回路基板にクラックが発生するという問題がある。

本願発明は、高い接合性及び優れた耐熱サイクル特性を有するセラミックス回路基板及びその製造方法を提供することを課題とする。

本発明者は、上記目的を達成するため鋭意努力した結果、セラミックス回路基板のろう材はみ出し部外縁から回路パターン側にＡｇリッチ相を連続化し、Ａｇリッチ相とＣｕリッチ相の界面を減らすことで、セラミックス回路基板の耐熱サイクル特性が向上することを見出した。本発明は、これらの知見に基づいて完成されたものである。

即ち、本発明は、以下に関する。
［１］セラミックス基板上に、ろう材層を介して回路パターンが設けられ、回路パターンの外縁からはみ出したろう材層によりはみ出し部が形成されており、ろう材層は、Ａｇ、Ｃｕ及びＴiと、ＳｎまたはＩｎとを含み、はみ出し部外縁から、セラミックス基板と回路パターンとの接合界面に沿い内側に向かってＡｇリッチ相が３００μｍ以上連続して形成されており、接合ボイド率が１．０％以下である、セラミックス回路基板。
［２］はみ出し部の厚みが８〜３０μｍであり、長さが４０μｍ〜１５０μｍである、［１］に記載のセラミックス回路基板。
［３］セラミックス基板が、窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、炭化珪素、及びほう化ランタンから選択される、［１］又は［２］に記載のセラミックス回路基板。
［４］回路パターンが銅を含む、［１］から［３］のいずれかに記載のセラミックス回路基板。
［５］［１］から［４］のいずれかに記載のセラミックス回路基板の製造方法であって、セラミックス基板の両主面にろう材を用いて銅板を接合する工程を有し、ろう材が、Ａｇを８５．０〜９５．０質量部、Ｃｕを５．０〜１３．０質量部、ＳｎまたはＩｎを０．４〜２．０質量部、及び、ＴｉをＡｇ、Ｃｕ及び、ＳｎまたはＩｎの合計１００質量部に対して１．５〜５．０質量部、含有し、真空中または、不活性雰囲気中で、接合温度が７７０℃〜９００℃であり、保持時間が１０〜６０分で接合する、製造方法。
［６］ろう材が、Ａｇ粉末、Ｃｕ粉末、及び、Ｓｎ粉末又はＩｎ粉末を用いてなり、Ａｇ粉末の比表面積が０．１〜０．６ｍ^２／ｇである、［５］に記載の方法。
［７］Ｃｕ粉末の表面積が０．１〜１．０ｍ^２／ｇでありかつ平均粒子径Ｄ５０が０．８〜８．０μｍである、［５］又は［６］に記載の製造方法。
［８］Ｓｎ粉末又はＩｎ粉末の比表面積が０．１〜１．０ｍ^２／ｇでありかつ平均粒子径Ｄ５０が０．８〜１０．０μｍある、［５］から［７］のいずれかに記載の製造方法。

本発明によれば、高い接合性及び優れた耐熱サイクル特性を有するセラミックス回路基板及びその製造方法を提供することができる。詳しくは、接合ボイド率１．０％以下であり、−５５℃から１７５℃の熱サイクル試験２５００サイクルにおいてクラック率２．０％未満のセラミックス回路基板及びその製造方法を提供することが可能である。

ろう材層によるはみ出し部外縁から回路パターン内側に向かってＡｇリッチ相が３００μｍ以上連続しているセラミックス回路基板の断面写真の一例である。 Ａｇリッチ相及びＣｕリッチ相について説明するための拡大写真である。 ろう材層によるはみ出し部外縁から回路パターン内側に向かってＡｇリッチ相が３００μｍ以上連続していないセラミックス回路基板の断面写真の一例である。

以下、本発明の一実施形態について詳細に説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の効果を阻害しない範囲で適宜変更を加えて実施することができる。

［セラミックス回路基板］
本実施形態に係るセラミックス回路基板は、回路パターンの外縁からはみ出したＡｇ、Ｃｕ及びＴiとＳｎまたはＩｎを含むろう材層によるはみ出し部が形成されたセラミックス回路基板の断面の接合界面において、前記ろう材層によるはみ出し部外縁から回路パターン内側にＡｇリッチ相が３００μｍ以上連続しており、接合ボイド率が１．０％以下であることを特徴とするセラミックス回路基板である。以下、詳しく述べる。

（セラミックス基板）
セラミックス回路基板は、セラミックス基板上に、ろう材層を介して回路パターンが設けられている。実施形態に係るセラミックス基板としては、特に限定されるものではなく、窒化珪素、窒化アルミニウムなどの窒化物系セラミックス、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムなどの酸化物系セラミックス、炭化珪素等の炭化物系セラミックス、ほう化ランタン等のほう化物系セラミックス等を使用できる。但し、金属板を活性金属法でセラミックス基板に接合するため、窒化アルミニウム、窒化珪素素等の非酸化物系セラミックスが好適であり、更に、優れた機械強度、破壊靱性の観点より、窒化珪素基板が好ましい。

セラミックス基板の厚みは、特に限定されないが、０．１〜３．０ｍｍ程度のものが一般的であり、特に、回路基板全体放熱特性及び熱抵抗率低減を考慮すると、０．２〜１．２ｍｍ以下が好ましく、より好ましくは０．２５〜１．０ｍｍ以下である。

（ろう材層）
ろう材層は、セラミックス回路基板における優れた耐熱サイクル特性を達成するために、Ａｇ、Ｃｕ及びＴｉと、ＳｎまたはＩｎとを含むろう材で構成される。ろう材は、Ａｇ粉末、Ｃｕ粉末、及び、Ｓｎ粉末又はＩｎ粉末を用いて形成することができる。ろう材配合であるＡｇ／Ｃｕ比は、ＡｇとＣｕの共晶組成である７２質量％：２８質量％よりＡｇ粉末の配合比を高めることで、Ｃｕリッチ相の粗大化を防止し、Ａｇリッチ相が連続したろう材層組織を形成することができる。また、Ａｇ粉末の配合量が多く、Ｃｕ粉末の配合量が少ないと接合時にＡｇ粉末が溶解しきれずに接合ボイドとして残る。さらに、ろう材粉末中に含有するＳｎまたはＩｎは、セラミックス基板に対するろう材の接触角を小さくし、ろう材の濡れ性を改善するための成分であり、少なくすぎるとセラミックス基板との濡れ性が低下し、接合不良につながる可能性があり、多すぎるとろう材層中のＡｇリッチ相がＣｕリッチ相により不連続化しろう材が割れる起点になり、セラミックス回路基板の熱サイクル特性を低下させる可能性がある。
よってＡｇ粉末と、Ｃｕ粉末、及び、Ｓｎ粉末またはＩｎ粉末の配合比は、Ａｇ粉末：８５．０〜９５．０質量部、好ましくは、８８.０〜９２．０質量部、より好ましくは、８８．５〜９１．０質量部、Ｃｕ粉末：５．０〜１３．０質量部、好ましくは、６．０〜１２．０質量部、より好ましくは、７．０〜１１．０質量部、Ｓｎ粉末またはＩｎ粉末：０．４〜２．０質量部、好ましくは、０．５〜１．５質量部が挙げられる。

前記Ａｇ粉末としては、比表面積が０．１〜０．６ｍ^２／ｇ、好ましくは、０．３〜０．５ｍ^２／ｇのＡｇ粉末を使用するとよい。比表面積を０．６ｍ^２／ｇ以下とすることで、比表面積の大きいＡｇ粉末を使用することにより生じることがある凝集の発生や酸素濃度が高くなることを防いで、接合不良が生じることを防ぐことができる。また、比表面積を０．１ｍ^２／ｇ以上とすることで、小さい比表面積を有するＡｇ粉末を使用することにより生じることがあるＡｇ粉末が溶解しきれずにセラミックス回路基板に接合ボイドが形成されることを抑制することができる。その結果、より高い接合性を有するセラミックス回路基板にすることができる。比表面積の測定は、ガス吸着法を用いることで測定することができる。前記Ａｇ粉末の製法は、アトマイズ法や湿式還元法などにより作製されたものが一般的である。Ａｇ粉末のレーザー回折法により測定した個数基準の粒度分布における平均粒子径Ｄ５０は、１．０〜１０．０μｍであることが好ましく、２．０〜４．０μｍであることがより好ましい。

上記、ろう材粉末中に含有するＣｕ粉末は、Ａｇリッチ相を連続化させるために、比表面積が０．１〜１．０ｍ^２／ｇ、好ましくは０．２〜０．５ｍ^２／ｇであり、及び／又はレーザー回折法により測定した体積基準の粒度分布における平均粒子径Ｄ５０が０．８〜８．０μｍ、好ましくは、２．０〜４．０μｍのＣｕ粉末を使用するとよい。比表面積を１．０ｍ^２／ｇ以下、または平均粒子径Ｄ５０を０．８μｍ以上とすることで、微細なＣｕ粉末を使用することにより生じることがあるＣｕ粉末の酸素量が高くなることを防いで接合不良が生じることを防ぐことができる。また、比表面積を０．１ｍ^２／ｇ以上、または平均粒子径Ｄ５０を８．０μｍ以下とすることで、大きいＣｕ粉末を使用することにより生じることがあるろう材層中のＡｇリッチ相がＣｕリッチ相により不連続化することを防ぐことができる。その結果、Ａｇリッチ層が不連続となった箇所がろう材が割れる起点となってセラミックス回路基板の熱サイクル特性を低下させることを抑制することができ、より優れた耐熱サイクル特性を有するセラミックス回路基板にすることができる。

上記Ｓｎ粉末またはＩｎ粉末としては、比表面積が０．１〜１．０ｍ^２／ｇ及び／又は平均粒子径Ｄ５０が０．８〜１０．０μｍの粉末を使用するとよい。比表面積を１．０ｍ^２／ｇ以下、または平均粒子径Ｄ５０を０．８μｍ以上にすることで、微細な粉末を使用することにより生じることがあるＳｎ粉末の酸素量が高くなることを防いで接合不良が生じることを防ぐことができる。また、比表面積を０．１ｍ^２／ｇ以上、または平均粒子径Ｄ５０を８．０μｍ以上にすることで、大きいＳｎ粉末またはＩｎ粉末を使用することにより生じることがある、接合工程における昇温中にＡｇ粉末にＳｎ粉末またはＩｎ粉末が溶解してＳｎ粉末またはＩｎ粉末が存在していた一部に粗大な接合ボイドが発生することを防ぐことができる。その結果、より高い接合性を有するセラミックス回路基板にすることができる。なお、上記の比表面積は、ガス吸着法により測定した値とする。

上記ろう材配合に添加する活性金属は、窒化アルミニウム基板や、窒化珪素基板との反応性が高く、接合強度を非常に高くできるため、本実施形態ではチタンを用いている。Ｔｉの添加量は、Ａｇ粉末と、Ｃｕ粉末と、Ｓｎ粉末またはＩｎ粉末の合計１００質量部に対して、１．５〜５．０質量部であることが好ましく、２．０〜４．０質量部であることがより好ましい。活性金属の含有量を１．５質量部以上とすることで、セラミックス基板とろう材の濡れ性を高めて、接合不良の発生をより抑制することができる。Ｔｉの含有量を５．０質量部以下とすることで、未反応のＴｉが多く残ることにより生じることがある、Ａｇリッチ相が不連続化してろう材層が割れる起点になりセラミックス回路基板の熱サイクル特性を低下させることを防ぐことができる。その結果、熱サイクル特性をより高めることができる。

ろう材原料を混合する方法としては、金属粉末及び有機溶剤、バインダーを配合し、らいかい機、自転公転ミキサー、プラネタリーミキサー、３本ロール等を使って混合し、ペースト状にすることが好ましい。一般的に、有機溶剤としては、メチルセルソルブ、エチルセルソルブ、イソホロン、トルエン、酢酸エチル、テレピネオール、ジエチレンングリコール・モノブチルエーテル、テキサノール等が用いられ、バインダーとしては、ポリイソブチルメタクリレート、エチルセルロース、メチルセルロース、アクリル樹脂等の高分子化合物が用いられる。

ろう材ペーストをセラミックス基板の両面に塗布する方法としては、ロールコーター法、スクリーン印刷法、転写法などがあるが、ろう材を均一に塗布するためには、スクリーン印刷法が好ましい。スクリーン印刷法で、ろう材ペーストを均一に塗布するためには、ろう材ペーストの粘度を５〜２０Ｐａ・ｓに制御することが好ましい。ろう材ペースト中の有機溶剤量を５〜１７質量％、バインダー量を２〜８質量％の範囲で配合することにより印刷性に優れたろう材ペーストを得ることができる。

（回路パターン）
回路パターンは、特に限定されるものではなく、例えば、銅板で形成することができる。銅板に使用する材質は、純銅が好ましい。銅板の厚みは特に限定されないが、０．１〜１．５ｍｍのものが一般的であり、特に、放熱性の観点から、０．３ｍｍ以上が好ましく、より好ましくは０．５ｍｍ以上である。

回路パターンは、セラミックス基板上にろう材を用いて金属板（例えば銅板）を接合した後、エッチングマスクを形成してエッチング処理を行うことにより形成することができる。
セラミックス基板と金属板との接合は、真空中または窒素、アルゴンなどの不活性雰囲気中、７７０〜９００℃の温度且つ１０〜６０分の時間で接合することが好ましく、７９０〜９００℃の温度且つ１０〜６０分の時間で接合することがより好ましい。また、７７０〜９００℃の温度且つ１０〜４０分の時間で接合することも好ましい。７７５〜８２０℃の温度且つ１０〜３０分の時間で接合することもできる。接合温度を７７０℃以上及び保持時間を１０分以上にすることで、金属板からのＣｕの溶け込みが不足することを防ぐことができ、セラミックス基板と金属板の接合性を高めることができる。また、接合温度を９００℃以下、及び保持時間を６０分以下にすることで、Ａｇリッチ相の連続性を高めることができるとともに、接合時の熱膨張率差に由来する熱ストレスが増加することを防ぐことができるため、セラミックス回路基板の信頼性をより向上させることができる。

回路基板に回路パターンを形成するためのエッチングマスクを形成する方法として、写真現像法（フォトレジスト法）やスクリーン印刷法、インクジェット印刷法など、一般的なプロセスを採用することができる。

回路パターンを形成するために銅板のエッチング処理を行う。エッチング液に関しても特に制限はなく、銅回路をエッチングするエッチング液は、一般に使用されている塩化第二鉄溶液や塩化第二銅溶液、硫酸、過酸化水素水等が使用できるが、好ましいものとして、塩化第二鉄溶液や塩化第二銅溶液が挙げられる。エッチング時間を調整することで、銅回路の側面を傾斜させてもよい。

エッチングによって不要な銅回路部分を除去したセラミックス回路基板には、塗布したろう材、その合金層、窒化物層等が残っており、ハロゲン化アンモニウム水溶液、硫酸、硝酸等の無機酸、過酸化水素水を含む溶液を用いて、それらを除去するのが一般的である。エッチング時間や温度、スプレー圧などの条件を調整することで、ろう材はみ出し部の長さ及び厚みを調整することができる。

回路形成後エッチングマスクの剥離方法については、特に限定されずアルカリ水溶液に浸漬させる方法などが一般的である。

セラミックス接合回路基板の表面の回路パターンとなる銅板の耐候性を向上させるとともに、半田濡れ性などの経時変化を防止するために、Ｎｉメッキ、Ｎｉ合金メッキ、Ａｕメッキまたは防錆処理を行うことが好ましい。めっき工程は、例えば、脱脂、化学研磨、Ｐｄ活性化の薬液による前処理工程を経て、Ｎｉ−Ｐ無電解めっき液として次亜リン酸塩を含有する薬液を使用する通常の無電解めっきの方法、あるいは電極をパターンに接触させて電気めっきを行う方法などによりで行う。なお、防錆処理はベンゾトリアゾール系化合物により行うことが好ましい

（はみ出し部）
セラミックス回路基板は、回路パターンの外縁からはみ出したろう材層によりはみ出し部が形成されている。はみ出し部について、図１，２を参照して説明する。図１は、本実施形態に係るセラミックス回路基板の一例における接合断面の拡大写真である。このセラミックス回路基板は、セラミックス基板（窒化珪素基板）２上に、ろう材層７を介して回路パターン（銅回路部）１が形成されている。ろう材層７の一部は、回路パターン１の外縁からはみ出してはみ出し部４を形成している。

前記セラミックス回路基板において、ろう材はみ出し厚みが８μｍ〜３０μｍ、長さが４０μｍ〜１５０μｍであり、好ましくはろう材はみ出し厚み１３μｍ〜２３μｍ、はみ出し長さ５０μｍ〜１００μｍである。ろう材はみ出し厚みを８μｍ以上とし長さを４０μｍ以上にすることで、ろう材層による応力緩和効果を十分に発揮することができ、熱サイクル特性をより高めることができる。また、ろう材厚みを３０μｍ以下にすることで、熱応力が大きく発生してしまうことを防いで熱サイクル特性が低下することを抑制することができる。ろう材はみ出し長さを１５０μｍ以下にすることで、近年の著しい軽薄短小が求められる市場動向においても、基板の外形寸法も設計上許容可能な大きさにすることができる。

（Ａｇリッチ相及びＣｕリッチ相）
ろう材層は、はみ出し部の外縁から、セラミックス基板と回路パターン１の接合界面に沿い内側に向かってＡｇリッチ相が３００μｍ以上、好ましくは４００μｍ以上連続して形成されている。「Ａｇリッチ相」とは、Ａｇ固溶体で形成されている相を意味しており、主としてＡｇを含んでいる。「主として」とは、電子線励起Ｘ線分析装置（ＥＰＭＡ）における定量分析として８０％以上であることを意味している。Ａｇリッチ相には、Ｓｎ又はＩｎとＴｉとが含有されており、Ｃｕが固溶していることがある。本実施形態では、走査型電子顕微鏡で観察した場合に白色で観察される相を「Ａｇリッチ相」とし、黒色で観察される相を「Ｃｕリッチ相」という。「Ａｇリッチ相が３００μｍ以上連続して形成されている」とは、走査型電子顕微鏡で観察した場合に白色で観察される相が、ろう材はみ出し部外縁から３００μｍに亘って連続的に（切れ目なく）形成されていることを意味している。図２を参照して説明すると、ろう材層７は、白色のＡｇリッチ相３と黒色のＣｕリッチ相６とで構成されている。Ａｇリッチ相３中には黒色のＣｕリッチ相６が含まれることがあるが、白色部分が途切れて分離されていない限り、「連続して形成されている」ことを意味している。

図１，３を参照して説明する。図１のセラミックス回路基板では、白色のＡｇリッチ相３が、少なくとも３００μｍに亘って切れ目なく形成されている。図１では、白色のＡｇリッチ相中に微小な黒色が観察されるが、白色のＡｇリッチ相は途切れて分離されることなく連続して形成されている。これに対して、図３のセラミックス回路基板では、ろう材はみ出し部外縁５から、１００μｍ未満の箇所で白色のＡｇリッチ相が途切れて分断され、Ｃｕリッチ相６のみで構成されている箇所が出現している（Ａｇリッチ相途切れ部）。

本実施形態では、Ａｇリッチ相３がろう材はみ出し部外縁５から３００μｍ以上連続して形成されているので、より厳しくなった熱サイクルテストの条件においても、ろう材はみ出し部付近（はみ出し部外縁５から３００μｍ以下の範囲）でＡｇリッチ相とＣｕリッチ相の界面が割れてしまうことがない。その結果、優れた耐熱サイクル特性を有するセラミックス回路基板にすることができる。

以下に実施例を示して本発明を更に具体的に説明するが、これらの実施例により本発明の解釈が限定されるものではない。

［実施例１］
厚み０．３２ｍｍの窒化珪素基板の両主面に、Ａｇ粉末（福田金属箔粉工業（株）製：Ａｇ−ＨＷＱ、平均粒子径Ｄ５０：２．５μｍ、比表面積０．４ｍ^２／ｇ）８９．５質量部、Ｃｕ粉末（福田金属箔粉工業（株）製：Ｃｕ−ＨＷＱ 平均粒子径Ｄ５０：３．０μｍ比表面積０．４ｍ^２／ｇ、）９．５質量部、Ｓｎ粉末（福田金属箔粉工業（株）製：Ｓｎ−ＨＰＮ、平均粒子径Ｄ５０：３μｍ、比表面積０．１ｍ^２／ｇ）１．０質量部の合計１００質量部に対して、水素化チタン粉末（トーホーテック（株）製：ＴＣＨ−１００）を３．５質量部含む活性金属ろう材を塗布量８ｍｇ／ｃｍ^２となるようにスクリーン印刷法で塗布した。
その後、窒化珪素基板の一方の面に回路形成用金属板を、他方の面に放熱板形成用金属板（いずれも厚さ０．８ｍｍ、純度９９．６０％のＣ１０２０無酸素銅板）を重ね、１．０×１０^−３Ｐａ以下の真空中にて８３０℃且つ３０分の条件で接合した。接合した銅板にエッチングレジストを印刷し、塩化第二鉄溶液でエッチングして回路パターンを形成した。さらにフッ化アンモニウム／過酸化水素溶液でろう材層、窒化物層を除去し、ろう材はみ出し長さ２９μｍ、厚み５μｍのはみ出し部を形成した。めっき工程は、脱脂、化学研磨による前処理工程を経て、ベンゾトリアゾール系化合物により防錆処理を行った。

＜接合ボイド率＞
セラミックス回路基板の接合ボイド率は、超音波探傷装置（（株）日立パワーソリューション製：ＥＳ５０００）で観察される接合ボイドの面積を計測し、銅回路パターンの面積で除して算出した。

＜ろう材層部のＡｇリッチ相の連続性判定＞
セラミックス回路基板のろう材はみ出し部外縁から回路パターン内側の断面の接合組織を、走査型電子顕微鏡（日立ハイテク社製ＳＵ６６００形）で反射電子像にて観察し、ろう材層中において、白色で観察される相をＡｇリッチ相、黒色で観察される相をＣｕリッチ相と定義した。観察においては、ろう材はみ出し部外縁から回路パターン内側を、２００倍の倍率、縦４００μｍ×横６００μｍの視野で４視野分観察し、Ａｇリッチ相の連続性について確認を行った。Ａｇリッチ相がすべて連続しているものを「良」、Ａｇリッチ相が１視野でも連続していないものを「不良」とした。このときのろう材はみ出し部外縁とは、Ａｇリッチ相とセラミックスとの接合最外縁部と定義した。

＜ろう材層の厚みと長さの測定＞
セラミックス回路基板の回路パターン角部の断面のろう材はみ出し部を、走査型電子顕微鏡（日立ハイテク社製ＳＵ６６００形）で反射電子像にて２００倍の倍率、縦４００μｍ×横６００μｍの視野で、５視野分観察した。ろう材層の厚みについては、それぞれの視野毎の最大厚みと最小厚みの平均を求め、５視野分の平均値をろう材層の厚みとした。ろう材はみ出し部の長さについては、それぞれの視野毎の銅回路パターン外縁からろう材はみ出し部外縁間の距離を求め、５視野分の平均値をろう材層の長さとした。

＜耐熱サイクル性の評価＞
作製したセラミックス回路基板を−５５℃にて１５分、２５℃にて１５分、１７５℃にて１５分、２５℃にて１５分を１サイクルとする耐熱サイクル試験にて、２５００サイクル繰り返し試験を行った後、塩化鉄及びフッ化アンモニウム／過酸化水素エッチングで金属板及びろう材層を剥離し、セラミックス基板の表面に発生したクラック面積をスキャナーにより６００ｄｐｉ×６００ｄｐｉの解像度で取り込み、画像解析ソフトＧＩＭＰ２（閾値１４０）にて二値化し算出した後、クラック面積を算出し、銅回路パターン面積で除してクラック率を求めた。

＜総合判定の基準＞
接合ボイド率が１．０％以下で且つクラック率が０．０〜１．０％のものを４、接合ボイド率が１．０％以下で且つクラック率が１．１〜１．５％のものを３、接合ボイド率が１．０％以下で且つクラック率が１．６〜２．０％のものを２、接合ボイド率が１．０％より大きいものまたはクラック率が２．０％より大きいものを１とした。結果を表３に表す。

［実施例２〜４］
ろう材の配合及び接合条件を表１に記載のとおりとし、はみ出し部の長さ及び厚みを表３のとおりとした以外は、実施例１と同様にセラミックス回路基板を作製した。また、実施例１と同様に、各種の測定及び評価を行った。結果を表３に表す。

［実施例５］
接合に使用するろう材に、Ｓｎ粉末の代わりにＩｎ粉末（アトマイズ法特級試薬）を使用して表１に記載のろう材配合及び接合条件とし、はみ出し部の長さ及び厚みを表３のとおりとしたこと以外、実施例１と同様にしてセラミックス回路基板を得、各種の測定及び評価を行った。結果を表３に示す。

［実施例６〜１０］
ろう材の配合及び接合条件を表１に記載のとおりとし、はみ出し部の長さ及び厚みを表３のとおりとした以外は、実施例１と同様にしてセラミックス回路基板を得、各種の測定及び評価を行った。結果を表３に表す。

［実施例１１］
ろう材の配合及び接合条件を表１に記載のとおりとし、はみ出し部の長さ及び厚みを表３のとおりとした以外は、実施例５と同様にしてセラミックス回路基板を得、各種の測定及び評価を行った。結果を表３に表す。

［実施例１２〜１４］
ろう材の配合及び接合条件を表１に記載のとおりとし、はみ出し部の長さ及び厚みを表３のとおりとした以外は、実施例１と同様にしてセラミックス回路基板を得、各種の測定及び評価を行った。結果を表３に表す。

［実施例１５］
ろう材の配合及び接合条件を表１に記載のとおりとし、はみ出し部の長さ及び厚みを表３のとおりとした以外は、実施例５と同様にしてセラミックス回路基板を得、各種の測定及び評価を行った。結果を表３に表す。

［比較例１］
接合に使用するろう材に、Ｓｎ粉末をせず、表２に記載のろう材配合及び接合条件とし、はみ出し部の長さ及び厚みを表４のとおりとしたこと以外、実施例１と同様にしてセラミックス回路基板を得、各種の測定及び評価を行った。結果を表４に示す。

［比較例２］
表２に記載のろう材配合及び接合条件とし、はみ出し部の長さ及び厚みを表４のとおりとした以外は、実施例５と同様にしてセラミックス回路基板を得、各種の測定及び評価を行った。結果を表４に表す。

［比較例３］
表２に記載のろう材配合及び接合条件とし、はみ出し部の長さ及び厚みを表４のとおりとした以外は、実施例５と同様にしてセラミックス回路基板を得、各種の測定及び評価を行った。結果を表４に表す。

［比較例４〜８］
表２，４に変更を示した部分以外は、実施例１と同様に行った。結果を表４に表す。

［比較例９］
表２に記載のろう材配合及び接合条件とし、はみ出し部の長さ及び厚みを表４のとおりとした以外は、実施例５と同様にしてセラミックス回路基板を得、各種の測定及び評価を行った。結果を表４に表す。

［比較例１０〜１４］
表２に記載のろう材配合及び接合条件とし、はみ出し部の長さ及び厚みを表４のとおりとした以外は、実施例１と同様にしてセラミックス回路基板を得、各種の測定及び評価を行った。結果を表４に表す。

表３に示す通り、ろう材中の含有量が、Ａがｇ８５．０〜９５．０質量部、Ｃｕが５．０〜１３．０質量部、Ｔｉが１．５〜５．０質量部、ＳｎまたはＩｎが０．４〜２．０質量部で、接合温度７７０℃〜９００℃、保持時間１０〜６０分で作製した接合体では、ろう材層によるはみ出し部外縁から回路パターン内側にＡｇリッチ相が３００μｍ以上連続しており、熱サイクル試験後のクラック率が２．０％以下であった。さらにろう材はみ出し部の厚みを８〜３０μｍ、長さを４０μｍ〜１５０μｍのどちらかを満たすことで、クラック率１．５％以下に、両方満たすことで、クラック率１．０％以下になることを確認した。

１ 回路パターン
２ セラミックス基板
３ Ａｇリッチ相
４ ろう材はみ出し部
５ ろう材はみ出し部外縁
６ Ｃｕリッチ相
７ ろう材層

Claims (8)

1. セラミックス基板上に、ろう材層を介して回路パターンが設けられ、
   回路パターンの外縁からはみ出したろう材層によりはみ出し部が形成されており、
   ろう材層は、Ａｇ、Ｃｕ及びＴiと、ＳｎまたはＩｎとを含み、
   はみ出し部外縁から、セラミックス基板と回路パターンとの接合界面に沿い内側に向かってＡｇリッチ相が３００μｍ以上連続して形成されており、接合ボイド率が１．０％以下である、セラミックス回路基板。
2. はみ出し部の厚みが８〜３０μｍであり、長さが４０μｍ〜１５０μｍである、請求項１に記載のセラミックス回路基板。
3. セラミックス基板が、窒化珪素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、炭化珪素、及びほう化ランタンから選択される、請求項１又は２に記載のセラミックス回路基板。
4. 回路パターンが銅を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載のセラミックス回路基板。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のセラミックス回路基板の製造方法であって、
   セラミックス基板の両主面にろう材を用いて銅板を接合する工程を有し、
   ろう材が、Ａｇを８５．０〜９５．０質量部、Ｃｕを５．０〜１３．０質量部、ＳｎまたはＩｎを０．４〜２．０質量部、及び、ＴｉをＡｇ、Ｃｕ及び、ＳｎまたはＩｎの合計１００質量部に対して１．５〜５．０質量部、含有し、
   真空中または、不活性雰囲気中で、接合温度が７７０℃〜９００℃であり、保持時間が１０〜６０分で接合する、製造方法。
6. ろう材が、Ａｇ粉末、Ｃｕ粉末、及び、Ｓｎ粉末又はＩｎ粉末を用いてなり、Ａｇ粉末の比表面積が０．１〜０．６ｍ^２／ｇである、請求項５に記載の方法。
7. Ｃｕ粉末の表面積が０．１〜１．０ｍ^２／ｇでありかつ平均粒子径Ｄ５０が０．８〜８．０μｍである、請求項５又は６に記載の製造方法。
8. Ｓｎ粉末又はＩｎ粉末の比表面積が０．１〜１．０ｍ^２／ｇでありかつ平均粒子径Ｄ５０が０．８〜１０．０μｍある、請求項５から７のいずれか一項に記載の製造方法。