KR20150087334A

KR20150087334A - 금속-세라믹스 접합 기판 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20150087334A
Application number: KR1020157016129A
Authority: KR
Inventors: 히데요 오사나이; 유키히로 기타무라; 히로토 아오키; 유키히로 가네치카; 겐 스가와라; 야스코 다케다
Original assignee: 도와 메탈테크 가부시키가이샤; 가부시끼가이샤 도꾸야마
Priority date: 2012-11-20
Filing date: 2012-11-20
Publication date: 2015-07-29
Also published as: CN104798195B; EP2922090A1; US9944565B2; WO2014080536A1; EP2922090B1; KR101975633B1; US20150284296A1; CN104798195A; EP2922090A4

Abstract

질화알루미늄 소결체로 이루어지는 세라믹스 기판(10)의 잔류 응력이 -50㎫ 이하, 세라믹스 기판(10)의 금속판(14)과의 접합면의 산술 평균 조도(Ra)가 0.15∼0.30㎛, 10점 평균 조도(Rz)가 0.7∼1.1㎛, 최대 높이(Ry)가 0.9∼1.7㎛, 세라믹스 기판(10)의 항절 강도가 500㎫ 이하, 세라믹스 기판(10)의 표면을 따라 형성되는 잔류 응력층(10a)의 두께가 25㎛ 이하로 되도록, 액체중에 지립으로서 구상 알루미나를 포함하는 슬러리를 세라믹스 기판(10)의 표면에 분사하는 웨트 블라스트 처리를 행한 후, 이 웨트 블라스트 처리에 의해 얻어진 세라믹스 기판(10)에 브레이징재(12)를 개재하여 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 금속판(14)을 접합함으로써, 세라믹스 기판(10)과 금속판(14)의 접합 강도가 우수함과 함께, 내 히트 사이클 특성이 우수한 금속-세라믹스 접합 기판을 제조한다.

Description

금속-세라믹스 접합 기판 및 그 제조 방법 {METAL-CERAMIC BONDED SUBSTRATE AND METHOD FOR PRODUCING SAME}

본 발명은, 금속-세라믹스 접합 기판 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 질화알루미늄으로 이루어지는 세라믹스 기판에 금속판이 접합된 금속-세라믹스 접합 기판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

종래, 전기 자동차, 전철, 공작 기계 등의 대전력을 제어하기 위해 파워 모듈이 사용되고 있고, 이 파워 모듈용 절연 기판으로서, 세라믹스 기판의 표면에 금속 회로판이 접합된 금속-세라믹스 접합 회로 기판이 사용되고 있다.

최근의 파워 모듈용 절연 기판에서는, 기판 상에 탑재하는 반도체 칩 등의 전자 부품의 고출력화나 고밀도 실장화에 의해 발열량이 증대되고 있어, 고열전도율을 갖는 질화알루미늄 소결체로 이루어지는 세라믹스 기판을 사용한 금속-세라믹스 접합 회로 기판의 사용이 증대되고 있다.

이러한 금속-세라믹스 접합 회로 기판에 사용하는 세라믹스 기판은, 통상 질화알루미늄 분말의 복수매의 성형체를 적층하여 소성함으로써 제작되고 있으므로, 세라믹스 기판끼리의 접착을 방지하기 위해, 성형체 사이에 BN 분말 등의 이형재가 배치되어 있고, 이 이형재가 소성 후에 세라믹스 기판의 표면에 잔류하고 있다. 이러한 이형재가 표면에 잔류한 세라믹스 기판을 사용하면, 금속-세라믹스 접합 회로 기판의 세라믹스 기판과 금속 회로판의 접합 강도가 저하된다고 하는 문제가 있다.

이러한 문제를 해소하기 위해, 세라믹스 기판의 표면에 지립을 분사하는 호닝 처리를 행한 후에 세라믹스 기판에 금속판을 접합하는 방법이 제안되어 있다(예를 들어, 일본 특허 공개 제2002-171037호 공보, 일본 특허 공개 제2005-89265호 공보 참조).

그러나, 이러한 방법에서는, 금속-세라믹스 접합 회로 기판에 탑재된 반도체 칩 등의 전자 부품으로부터의 반복 발열에 의해, 금속-세라믹스 접합 회로 기판의 세라믹스 기판의 강도가 저하되거나, 세라믹 기판에 크랙이 발생하기 쉬워져, 내 히트 사이클 특성이 저하된다고 하는 문제가 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 종래의 문제점에 비추어, 세라믹스 기판과 금속판의 접합 강도가 우수함과 함께, 내 히트 사이클 특성이 우수한 금속-세라믹스 접합 기판 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해 예의 연구한 결과, 잔류 응력이 -50㎫ 이하이고 또한 금속판과의 접합면의 산술 평균 조도(Ra)가 0.15∼0.30㎛인 질화알루미늄으로 이루어지는 세라믹스 기판에 금속판을 접합함으로써, 세라믹스 기판과 금속판의 접합 강도가 우수함과 함께, 내 히트 사이클 특성이 우수한 금속-세라믹스 접합 기판을 제조할 수 있는 것을 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

즉, 본 발명에 의한 금속-세라믹스 접합 기판은, 세라믹스 기판에 금속판이 접합된 금속-세라믹스 접합 기판에 있어서, 세라믹스 기판이 질화알루미늄 기판이고, 세라믹스 기판의 잔류 응력이 -50㎫ 이하이고, 또한 세라믹스 기판의 금속판과의 접합면의 산술 평균 조도(Ra)가 0.15∼0.30㎛인 것을 특징으로 한다.

이 금속-세라믹스 접합 기판에 있어서, 세라믹스 기판의 금속판과의 접합면의 10점 평균 조도(Rz)가 0.7∼1.1㎛인 것이 바람직하고, 세라믹스 기판의 금속판과의 접합면의 최대 높이(Ry)가 0.9∼1.7㎛인 것이 바람직하다. 또한, 세라믹스 기판의 항절 강도가 500㎫ 이하인 것이 바람직하고, 세라믹스 기판의 표면을 따라 형성된 잔류 응력층의 두께가 25㎛ 이하인 것이 바람직하다. 또한, 세라믹스 기판에 브레이징재를 개재하여 금속판이 접합되어 있는 것이 바람직하고, 금속판이 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 금속판인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 의한 금속-세라믹스 접합 기판의 제조 방법은, 세라믹스 기판에 금속판이 접합된 금속-세라믹스 접합 기판의 제조 방법에 있어서, 세라믹스 기판으로서 질화알루미늄 기판을 사용하고, 세라믹스 기판의 잔류 응력이 -50㎫ 이하로 되고, 또한 세라믹스 기판의 금속판과의 접합면의 산술 평균 조도(Ra)가 0.15∼0.30㎛로 되도록, 액체중에 지립을 포함하는 슬러리를 세라믹스 기판의 표면에 분사하는 처리를 행하고, 이 처리에 의해 얻어진 세라믹스 기판에 금속판을 접합하는 것을 특징으로 한다.

이 금속-세라믹스 접합 기판의 제조 방법에 있어서, 슬러리를 분사하는 처리가, 세라믹스 기판의 금속판과의 접합면의 10점 평균 조도(Rz)가 0.7∼1.1㎛로 되도록 행해지는 것이 바람직하고, 세라믹스 기판의 금속판과의 접합면의 최대 높이(Ry)가 0.9∼1.7㎛로 되도록 행해지는 것이 바람직하다. 또한, 슬러리를 분사하는 처리가, 세라믹스 기판의 항절 강도가 저하되도록 행해지는 것이 바람직하고, 세라믹스 기판의 항절 강도가 500㎫ 이하로 되도록 행해지는 것이 바람직하다. 또한, 슬러리를 분사하는 처리가, 세라믹스 기판의 표면을 따라 형성되는 잔류 응력층의 두께가 25㎛ 이하로 되도록 행해지는 것이 바람직하다. 또한, 세라믹스 기판에 브레이징재를 개재하여 금속판을 접합하는 것이 바람직하고, 금속판이 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 금속판인 것이 바람직하다. 또한, 지립이 구상 알루미나로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 액체중에 지립을 포함하는 슬러리를 세라믹스 기판에 분사하는 처리가, 세라믹스 기판보다 높은 경도의 지립을 10∼30체적％ 포함하는 슬러리를 세라믹스 기판에 피처리면에 가해지는 압력이 0.10∼0.25㎫로 되도록 압축 공기와 함께 0.02∼1.0초간 분사하는 처리인 것이 바람직하다.

또한, 본 명세서 중에 있어서, 「잔류 응력」이라 함은, X선 회절각으로부터 sin²φ법에 의해 산출한 잔류 응력을 말하고, 잔류 응력이 「-」(마이너스)의 수치로 나타내어지는 경우는 압축 잔류 응력, 잔류 응력이 「+」(플러스)의 수치로 나타내어지는 경우는 인장 잔류 응력을 의미한다.

또한, 본 명세서 중에 있어서, 「잔류 응력층」이라 함은, 세라믹스 기판의 표면을 따라 형성되는 층이며, 세라믹스 기판의 표면과 (통상의 질화알루미늄 기판과 거의 동일한 파괴 인성값인) 2.1㎫·m^1/2의 파괴 인성값으로 되는 부분(세라믹스 기판의 표면으로부터 소정의 깊이의 부분) 사이에 형성되는 압축 잔류 응력층을 의미한다.

본 발명에 따르면, 이러한 종래의 문제점에 비추어, 세라믹스 기판과 금속판의 접합 강도가 우수함과 함께, 내 히트 사이클 특성이 우수한 금속-세라믹스 접합 기판을 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 금속-세라믹스 접합 기판의 실시 형태를 도시하는 단면도이다.
도 2는 도 1의 금속-세라믹스 접합 기판의 세라믹스 기판을 도시하는 단면도이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명에 의한 금속-세라믹스 접합 기판 및 그 제조 방법의 실시 형태에 대해 상세하게 설명한다.

본 발명에 의한 금속-세라믹스 접합 기판의 실시 형태는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 세라믹스 기판(10)과, 이 세라믹스 기판(10)에 [직접 또는 브레이징재(12)를 개재하여] 접합된 금속판(14)을 구비하고 있다.

세라믹스 기판(10)의 잔류 응력은, -50㎫ 이하(50㎫보다 높은 압축 잔류 응력)이고, -60㎫ 이하인 것이 바람직하다. 또한, 압축 잔류 응력이 지나치게 크면, 세라믹스 기판(10)이 균열될 가능성이 있으므로, 세라믹스 기판(10)의 잔류 응력은, -200㎫ 이상(200㎫보다 낮은 압축 잔류 응력)인 것이 바람직하고, -150㎫ 이상인 것이 더욱 바람직하다.

이 세라믹스 기판(10)의 잔류 응력은, 잔류 응력의 비파괴 측정법으로서 일반적인 X선 응력 측정법에 의해 구할 수 있다. 이러한 X선 응력 측정법에서는, 고체가 응력을 받았을 때에 변화되는 결정 격자면 간격을 X선 회절각의 변화로서 측정함으로써, 그 고체에 부여된 잔류 응력을 비파괴적으로 구할 수 있다. 예를 들어, X선 회절 장치를 사용하여, 질화알루미늄 소결체로 이루어지는 세라믹스 기판(10)에 특성 X선을 몇 가지의 입사각 φ로 조사하고, 각각의 입사각 φ에 있어서의 AlN의 소정의 결정 격자면의 회절 피크의 회절각 2θ를 측정하고, sin²φ법(2θ와 sin²φ의 관계를 나타내는 2θ-sin²φ 선도 상에 플롯하여 얻어지는 직선의 기울기에 소정의 압력 상수를 곱하여 잔류 응력을 산출하는 방법)에 의해, 세라믹스 기판(10)의 잔류 응력을 산출할 수 있다. 또한, 고체 내에 내부 응력(고유 변형)이 발생되어 있으면, 회절 피크는 소정의 2θ의 위치에는 발생하지 않고, 각도 어긋남 Δ2θ가 발생하므로, X선원을 고정 상태로 하고 X선 검출기를 X선 조사점을 중심으로 하여 요동시켜, 회절 조건을 만족시키는 확률을 증가시키고, 회절 X선의 회절각도의 어긋남량 Δ2θ를 검출하면 된다(이와 같이 X선원을 고정하고 X선 검출기만을 요동시키는 측정 방법을 「φ₀ 일정법」이라 함).

이러한 세라믹스 기판(10)의 잔류 응력 산출은, 시판되고 있는 X선 응력 측정 장치(예를 들어, 가부시키가이샤 리가쿠제의 미소부 X선 응력 측정 장치 AutoMATEII)를 사용하면, 회절 피크의 측정 결과로부터 sin²φ법에 의해 자동적으로 행할 수 있다.

또한, 세라믹스 기판(10)의 잔류 응력이 「-」(마이너스)의 수치로 나타내어지는 경우는, 내부 응력(고유 변형)의 일종인 압축 잔류 응력이 세라믹스 기판(10) 중에 부여되어 있는 경우이며, 압축 잔류 응력이 높아질수록, 이 수치의 절대값이 커진다. 한편, 세라믹스 기판(10)의 잔류 응력이 「+」(플러스)의 수치로 나타내어지는 경우는, 인장 잔류 응력이 세라믹스 기판(10) 중에 부여되어 있는 경우이다.

세라믹스 기판(10)의 금속판(14)과의 접합면의 산술 평균 조도(Ra)는, 0.15∼0.30㎛이고, 0.15∼0.25㎛인 것이 바람직하다. 세라믹스 기판(10)의 금속판(14)과의 접합면의 10점 평균 조도(Rz)는, 0.7∼1.1㎛인 것이 바람직하다. 세라믹스 기판(10)의 금속판(14)과의 접합면의 최대 높이(Ry)는, 0.9∼1.7㎛인 것이 바람직하고, 0.9∼1.6㎛인 것이 더욱 바람직하다. 세라믹스 기판(10)의 금속판(14)과의 접합면의 산술 평균 조도(Ra)가 0.30㎛를 초과하면, 질화알루미늄 소결체로 이루어지는 세라믹스 기판(10)의 피처리면의 AlN 결정 입자의 탈립이 현저해지고, 세라믹스 기판(10)의 피처리면의 표면 조도가 지나치게 커져, 금속-세라믹스 접합 기판의 내 히트 사이클 특성을 향상시키는 효과가 불충분해진다.

세라믹스 기판(10)의 항절 강도는, 500㎫ 이하인 것이 바람직하고, 450㎫ 이하인 것이 더욱 바람직하고, 420㎫ 이하인 것이 가장 바람직하다. 세라믹스 기판(10)의 항절 강도가 500㎫를 초과하면, 금속-세라믹스 접합 기판의 내 히트 사이클 특성이 저하되는 경우가 있다. 또한, 세라믹스 기판(10)의 항절 강도가 250㎫보다 낮아지면, 금속-세라믹스 접합 기판의 내 히트 사이클 특성이 저하되므로, 세라믹스 기판(10)의 항절 강도는, 250㎫ 이상인 것이 바람직하고, 300㎫ 이상인 것이 더욱 바람직하다.

또한, 도 2에 도시하는 바와 같이, 세라믹스 기판(10)의 표면을 따라 잔류 응력층(10a)이 형성되고, 이 잔류 응력층(10a)의 두께가 25㎛ 이하인 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 금속-세라믹스 접합 기판의 제조 방법의 실시 형태에서는, 세라믹스 기판(10)에 [직접 또는 브레이징재(12)를 개재하여] 금속판(14)이 접합된 금속-세라믹스 접합 기판의 제조 방법에 있어서, 세라믹스 기판(10)으로서 질화알루미늄 기판을 사용하고, 세라믹스 기판(10)의 잔류 응력이 -50㎫ 이하(50㎫보다 높은 압축 잔류 응력), 바람직하게는 -60㎫ 이하로 되고, 또한 세라믹스 기판(10)의 금속판(14)과의 접합면의 산술 평균 조도(Ra)가 0.15∼0.30㎛, 바람직하게는 0.15∼0.25㎛로 되도록, 액체중에 지립을 포함하는 슬러리를 세라믹스 기판(10)의 표면에 분사하는 웨트 블라스트 처리(습식 분사 처리 또는 액체 호닝 처리)를 행하고, 이 처리에 의해 얻어진 세라믹스 기판(10)에 금속판(14)을 접합한다. 이 웨트 블라스트 처리는, 세라믹스 기판(10)의 금속판(14)과의 접합면의 10점 평균 조도(Rz)가 바람직하게는 0.7∼1.1㎛로 되도록 행하고, 세라믹스 기판(10)의 금속판(14)과의 접합면의 최대 높이(Ry)가 바람직하게는 0.9∼1.7㎛, 더욱 바람직하게는 0.9∼1.6㎛로 되도록 행한다. 또한, 이 웨트 블라스트 처리는, 세라믹스 기판(10)의 항절 강도가 저하되도록 행하는 것이 바람직하고, 세라믹스 기판(10)의 항절 강도가 바람직하게는 500㎫ 이하, 더욱 바람직하게는 450㎫ 이하, 가장 바람직하게는 420㎫ 이하로 됨과 함께, 바람직하게는 250㎫ 이상, 더욱 바람직하게는 300㎫ 이상으로 되도록 행한다. 또한, 웨트 블라스트 처리는, 세라믹스 기판(10)의 표면을 따라 형성되는 잔류 응력층(10a)의 두께가 25㎛ 이하로 되도록 행하는 것이 바람직하다.

본 실시 형태의 금속-세라믹스 접합 기판의 제조 방법에서는, 세라믹스 기판(10)으로서 질화알루미늄 소결체로 이루어지는 질화알루미늄 기판을 사용한다. 이 질화알루미늄 소결체로서, 평균 결정 입경이 바람직하게는 0.5∼20㎛, 더욱 바람직하게는 2∼7㎛인 질화알루미늄 소결체를 사용할 수 있다. 이러한 질화알루미늄 소결체는, 평균 입자 직경이 0.1∼15㎛, 바람직하게는 0.5∼5㎛인 질화알루미늄 분말의 성형체를 소성함으로써 얻을 수 있다.

이 질화알루미늄 분말의 성형체는, 필요에 따라서, 소결 보조제나 유기 바인더 등을 포함해도 된다. 소결 보조제로서는, 예를 들어 산화이트륨(Y₂O₃), 산화에르븀(Er₂O₃), 산화이테르븀(Yb₂O₃) 등의 희토류 금속 산화물이나, Ca, Ba, Sr 등의 알칼리 토금속 원소의 산화물 등을 사용할 수 있고, 특히 산화이트륨을 사용하는 것이 바람직하다. 질화알루미늄 분말의 성형체에 첨가하는 소결 보조제의 양은, 질화알루미늄 분말에 대해 1∼10질량％인 것이 바람직하다. 소결 보조제의 양이 10질량％를 초과하면, 질화알루미늄 소결체의 열전도율의 저하 등을 초래할 우려가 있다. 한편, 소결 보조제의 양이 1질량％ 미만이면, 질화알루미늄 소결체의 소결성이 저하되어 포어의 증대 등을 초래할 우려가 있다. 또한, 유기 바인더로서는, 예를 들어 폴리비닐부티랄, 에틸셀룰로오스류, 아크릴 수지류 등을 사용할 수 있고, 질화알루미늄 분말을 양호하게 성형하기 위해, 아크릴 수지류나 폴리비닐부티랄을 사용하는 것이 바람직하다.

질화알루미늄 소결체의 두께는, 0.3∼1.5㎜인 것이 바람직하다. 질화알루미늄 소결체의 두께가 1.5㎜를 초과하면, 세라믹스 기판(10)의 열저항이 증대되어 방열성이 저하되는 경우가 있다. 한편, 질화알루미늄 소결체의 두께가 0.3㎜ 미만이면 세라믹스 기판(10)의 강도가 크게 떨어짐과 함께 절연 내압이 저하되어, 금속-세라믹스 접합 기판의 신뢰성이 저하되는 경우가 있다.

본 실시 형태의 금속-세라믹스 접합 기판의 제조 방법에서는, 액체중에 지립을 포함하는 슬러리를 세라믹스 기판(10)의 표면에 분사하는 웨트 블라스트 처리를 행한다. 이 웨트 블라스트 처리에서 사용하는 슬러리 중의 지립으로서, 질화알루미늄 소결체보다 높은 경도의 지립을 사용하는 것이 바람직하고, 특히 질화알루미늄 소결체보다 비커스 경도(Hv)가 50 이상 높은 지립을 사용하는 것이 바람직하고, 100 이상 높은 지립[특히, 비커스 경도(Hv)가 1060∼2500인 지립]을 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 이러한 지립으로서, 알루미나, 지르코니아, 탄화규소 등의 지립을 사용할 수 있고, 특히 입수의 용이성으로부터 알루미나의 지립을 사용하는 것이 공업적으로 바람직하다. 지립의 평균 입경은, 10∼60㎛인 것이 바람직하고, 15∼30㎛인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 지립의 형상은, 구상인 것이 바람직하다.

이 슬러리의 액체는, 지립을 분산할 수 있는 액체이면 되고, 예를 들어 물이나, 알코올 등의 유기 용매를 사용할 수 있다. 이 슬러리는, 10∼30체적％의 지립을 함유하는 것이 바람직하다. 지립의 함유량이 10체적％ 미만에서는, 금속-세라믹스 접합 기판의 내 히트 사이클 특성을 향상시키는 효과가 불충분해지고, 한편, 30체적％를 초과하면, 슬러리를 분사하는 노즐의 구멍이 막히기 쉬워지고, 또한 지립의 순환 불량이 일어나기 쉬워진다.

이 슬러리는, 압축 공기와 함께, 세라믹스 기판(10)의 피처리면에 가해지는 압력이 0.10∼0.25㎫로 되도록, 세라믹스 기판(10)의 피처리면에 분사하는 것이 바람직하다. 피처리면에 가해지는 압력이 0.25㎫를 초과하면, 입경이 작은 지립을 사용해도, 질화알루미늄 소결체로 이루어지는 세라믹스 기판(10)의 피처리면의 AlN 결정 입자의 탈립이 현저해지고, 세라믹스 기판(10)의 피처리면의 표면 조도가 지나치게 커져, 금속-세라믹스 접합 기판의 내 히트 사이클 특성을 향상시키는 효과가 불충분해진다.

이 슬러리를 세라믹스 기판(10)의 피처리면에 분사하는 시간(처리 시간)은 0.02∼1.0초인 것이 바람직하고, 0.05초∼0.2초인 것이 더욱 바람직하다. 처리 시간이 0.02초보다도 짧으면, 세라믹스 기판(10)으로부터 이형재를 제거하는 것이 불충분해져, 금속-세라믹스 접합 기판의 강도나 내 히트 사이클 특성을 향상시키는 효과가 불충분해진다. 한편, 처리 시간이 1.0초를 초과하면, 질화알루미늄 소결체로 이루어지는 세라믹스 기판(10)의 피처리면의 AlN 결정 입자의 탈립이 현저해지고, 세라믹스 기판(10)의 피처리면의 표면 조도가 지나치게 커져, 금속-세라믹스 접합 기판의 내 히트 사이클 특성을 향상시키는 효과가 불충분해지고, 생산성도 저하된다.

본 실시 형태의 금속-세라믹스 접합 기판의 제조 방법에서는, 세라믹스 기판(10)의 잔류 응력이 -50㎫ 이하(50㎫보다 높은 압축 잔류 응력), 바람직하게는 -60㎫ 이하로 되고, 또한 세라믹스 기판(10)의 금속판(14)과의 접합면의 산술 평균 조도(Ra)가 0.15∼0.30㎛[더욱 바람직하게는, 10점 평균 조도(Rz)가 0.7∼1.1㎛, 최대 높이(Ry)가 0.9∼1.7㎛, 세라믹스 기판(10)의 항절 강도가 500㎫ 이하, 세라믹스 기판(10)의 표면을 따라 형성되는 잔류 응력층(10a)의 두께가 25㎛ 이하]로 되도록 웨트 블라스트 처리의 조건을 미리 결정해 두면 된다.

이와 같이 웨트 블라스트 처리를 행한 세라믹스 기판(10) 중 적어도 한쪽의 면에 직접 또는 브레이징재(12)를 개재하여 금속판(14)을 접합한다. 금속판(14)으로서는, 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 금속판 외에, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 금속판 등을 사용할 수 있다. 세라믹스 기판(10)에 브레이징재(12)를 개재하여 금속판(14)을 접합하는 경우에는, Ag-Cu계 브레이징재에 Ti, Zr, Hf, Nb 등으로부터 선택되는 적어도 1종의 활성 금속을 0.5∼10중량％ 포함하는 활성 금속 브레이징재를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 브레이징재(12)를 두께 5∼30㎛ 정도, 바람직하게는 10∼20㎛ 정도로 세라믹스 기판(10)에 도포하고, 그 위에 금속판(14)을 적층한 후, 불활성 가스 분위기중 또는 진공중에 있어서, 700∼900℃ 정도의 온도에서 열처리함으로써, 금속-세라믹스 접합 기판을 제작할 수 있다.

또한, 이 금속-세라믹스 접합 기판의 각각의 금속판(14) 상에 소정의 회로 패턴 형상 및 방열판 형상의 에칭 레지스트를 형성하고, 약액으로 에칭하여 불필요한 금속판(14) 및 브레이징재(12)를 제거하고, 그 후, 회로 패턴 형상 및 방열판 형상의 금속판 상에 도금을 실시하여, 금속-세라믹스 회로 기판을 제작할 수 있다.

이하, 본 발명에 의한 금속-세라믹스 접합 기판 및 그 제조 방법의 실시예에 대해 상세하게 설명한다.

실시예 1

우선, 세로 51.5㎜×가로 46.5㎜×두께 0.6㎜의 질화알루미늄의 소결체로 이루어지는 세라믹스 기판을 준비하였다.

이 세라믹스 기판에 대해, 부하 속도 0.5㎜/분, 스팬간 거리 30㎜의 측정 조건에서, 세라믹스 기판의 길이 방향에 수직하게 상부의 지지점이 닿도록 부하함으로써, (JIS R1601 「파인 세라믹스의 굽힘 강도 시험 방법」에 준한) 3점 굽힘 시험을 행하여 항절 강도를 측정한 바, 세라믹스 기판의 (초기의) 항절 강도는, 450㎫였다.

또한, 이 세라믹스 기판에 대해, X선 응력 측정 장치(가부시키가이샤 리가쿠제의 미소부 X선 응력 측정 장치 AutoMATEII)를 사용하여 회절 피크의 회절각을 측정하고, 잔류 응력을 산출한 바, 세라믹스 기판의 피처리면의 임의의 4점(n＝4)에 있어서 세라믹스 기판에 부여된 잔류 응력의 평균값은 -26㎫의 압축 잔류 응력이었다. 또한, 회절 피크의 회절각 측정에서는, X선 입사법으로서 φ₀ 일정법(X선원을 고정하고 X선 검출기만을 요동시키는 측정 방법)을 사용하고, 검출기 주사법으로서 병경법(격자면 각도 φ의 설정면과 회절각 2θ의 주사면이 동일면 내에 있는 광학계를 사용한 방법)을 사용하였다. 또한, 특성 X선으로서 Cr-Kα선을 사용하고, X선관 전압을 40kV, X선관 전류를 40㎃, X선 빔 직경을 φ2㎜, X선 조사 시간을 60초로 하였다. 또한, AlN의 소정의 결정 격자면으로서, 무변형 상태에서 2θ＝120.4°를 중심으로 하는 AlN의 (112)면을 사용하고, φ각의 요동각을 ±1°, φ 측정 점수를 10점, 해석 각도를 117.9°∼122.5°로 하였다.

또한, 이 세라믹스 기판의 표면 조도에 대해, 접촉식 표면 조도계(가부시키가이샤 미츠토요제의 SJ201P)에 의한 측정 결과로부터, JIS B0601(1994년)에 기초하여 표면 조도를 나타내는 파라미터인 산술 평균 조도(Ra), 10점 평균 조도(Rz)를 산출한 바, 산술 평균 조도(Ra)는 0.207㎛, 10점 평균 조도(Rz)는 2.105㎛였다.

다음으로, 이 세라믹스 기판의 각각의 표면을 웨트 블라스트 장치(마코 가부시키가이샤제의 PFE-300)에 의해 처리하였다. 이 웨트 블라스트 처리는, 수중에 평균 입경(D₅₀) 20∼24㎛의 구상 알루미나 지립을 20체적％ 포함하는 슬러리를 (개구 면적 46.5㎟의 노즐로부터) 에어압(토출 압력) 0.125㎫로 세라믹스 기판의 표면에 (슬러리가 분사되는 피처리면의 면적이 48.8㎟로 되도록) 0.05초간 분사함으로써 행하였다. 또한, 토출 압력을 P1(㎫), 슬러리에 의해 세라믹스 기판의 피처리면에 가해지는 압력을 P2(㎫), 노즐의 개구 면적을 S1(㎟), 슬러리가 분사되는 피처리면의 면적을 S2(㎟)로 하여, P2＝P1×S1/S2로부터 세라믹스 기판의 피처리면에 가해지는 압력 P2를 구한 바, 0.119㎫였다.

이 웨트 블라스트 처리 후의 세라믹스 기판에 대해, 상기한 바와 마찬가지의 방법에 의해 항절 강도를 측정한 바, 408㎫였다.

또한, 웨트 블라스트 처리 후의 세라믹스 기판에 대해, 상기한 바와 마찬가지의 방법에 의해 잔류 응력을 구한 바, 세라믹스 기판에 부여된 잔류 응력의 평균값은 -78㎫의 압축 잔류 응력이었다.

또한, 웨트 블라스트 처리 후의 세라믹스 기판의 표면 조도에 대해, 상기한 바와 마찬가지의 방법에 의해 산술 평균 조도(Ra), 10점 평균 조도(Rz), 최대 높이(Ry)를 산출한 바, 산술 평균 조도(Ra)는 0.180㎛, 10점 평균 조도(Rz)는 0.860㎛, 최대 높이(Ry)는 1.080㎛였다.

다음으로, 이 웨트 블라스트 처리 후의 세라믹스 기판의 양면에, 30질량％의 Cu와 1.5질량％의 Ti를 포함하고, 잔량부가 Ag로 이루어지는 Ag-Cu-Ti계 브레이징재 페이스트를 도포한 후, 이 브레이징재 페이스트를 개재하여, 세라믹스 기판의 각각의 면에, 세로 51.5㎜×가로 46.5㎜×두께 0.25㎜의 무산소 구리로 이루어지는 (회로 패턴용) 금속판과, 세로 51.5㎜×가로 46.5㎜×두께 0.25㎜의 무산소 구리로 이루어지는 (방열용) 금속판을 겹쳐 접합로에 넣고, 진공중에서 850℃로 가열하여 금속판을 세라믹스 기판에 접합하였다. 이 접합체를 노로부터 취출한 후, 각각의 금속판 상에 소정의 회로 패턴 형상 및 방열판 형상의 에칭 레지스트를 형성하고, 약액으로 에칭하여 불필요한 금속판 및 브레이징재를 제거하고, 그 후, 회로 패턴 형상 및 방열판 형상의 금속판 상에 Ni-P 무전해 도금에 의해 두께 2㎛의 도금 피막을 형성하여, 금속-세라믹스 회로 기판을 제작하였다.

이와 같이 하여 제작한 금속-세라믹스 회로 기판에 대해, 노 통과 처리(380℃에서 10분간 가열한 후에 실온으로 복귀시키는 히트 사이클) 전의 (초기의) 항절 강도를 측정한 바, 10매의 동일한 금속-세라믹스 회로 기판의 평균값으로 600㎫이고, 노 통과 처리 3회 후의 항절 강도는, 10매의 동일한 금속-세라믹스 회로 기판의 평균값으로 545㎫, 10매의 동일한 금속-세라믹스 회로 기판의 최소값으로 419㎫였다. 또한, 금속-세라믹스 회로 기판의 항절 강도는, 세라믹스 기판의 항절 강도와 마찬가지의 방법에 의해 측정하였다. 또한, 노 통과 처리 50회 후에, 금속-세라믹스 회로 기판으로부터 금속판을 박리하여 40배의 확대경으로 육안 관찰한 바, 노 통과 처리 50회 후에도 세라믹스 기판의 두께 방향으로 관통하는 크랙(관통 크랙)이 없는 것이 확인되었다.

또한, 금속-세라믹스 회로 기판으로부터 금속판을 박리하여, 세라믹스 기판의 잔류 응력을, 웨트 블라스트 처리 후의 세라믹스 기판의 잔류 응력과 마찬가지의 방법에 의해 구한 바, (금속-세라믹스 회로 기판의 제작 전의) 웨트 블라스트 처리 후의 세라믹스 기판의 잔류 응력과 거의 다름 없었다.

실시예 2

토출 압력을 0.150㎫로 하고, 피처리면의 압력을 0.143㎫로 한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 세라믹스 기판의 웨트 블라스트 처리를 행하였다.

이 웨트 블라스트 처리 후의 세라믹스 기판에 대해, 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 항절 강도, 잔류 응력 및 표면 조도를 구한 바, 항절 강도는 416㎫, 잔류 응력은 -90㎫, 표면 조도를 나타내는 파라미터인 산술 평균 조도(Ra)는 0.182㎛, 10점 평균 조도(Rz)는 0.980㎛, 최대 높이(Ry)는 1.340㎛였다.

또한, 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 금속-세라믹스 접합 기판을 제작하고, 항절 강도를 측정함과 함께, 노 통과 처리 후의 관통 크랙의 유무를 관찰한 바, 노 통과 처리 전의 (초기의) 항절 강도의 평균값은 650㎫이고, 노 통과 처리 3회 후의 항절 강도의 평균값은 500㎫, 노 통과 처리 3회 후의 항절 강도의 최소값은 427㎫이고, 노 통과 처리 50회 후에도 세라믹스 기판의 두께 방향으로 관통 크랙이 없는 것이 확인되었다.

실시예 3

토출 압력을 0.175㎫로 하고, 피처리면의 압력을 0.167㎫로 한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 세라믹스 기판의 웨트 블라스트 처리를 행하였다.

이 웨트 블라스트 처리 후의 세라믹스 기판에 대해, 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 항절 강도, 잔류 응력 및 표면 조도를 구한 바, 항절 강도는 336㎫, 잔류 응력은 -80㎫, 표면 조도를 나타내는 파라미터인 산술 평균 조도(Ra)는 0.176㎛, 10점 평균 조도(Rz)는 0.780㎛, 최대 높이(Ry)는 1.000㎛였다.

또한, 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 금속-세라믹스 접합 기판을 제작하고, 항절 강도를 측정함과 함께, 노 통과 처리 후의 관통 크랙의 유무를 관찰한 바, 노 통과 처리 전의 (초기의) 항절 강도의 평균값은 615㎫이고, 노 통과 처리 3회 후의 항절 강도의 평균값은 505㎫, 노 통과 처리 3회 후의 항절 강도의 최소값은 377㎫이고, 노 통과 처리 50회 후에도 세라믹스 기판의 두께 방향으로 관통 크랙이 없는 것이 확인되었다.

실시예 4

토출 압력을 0.200㎫로 하고, 피처리면의 압력을 0.191㎫로 한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 세라믹스 기판의 웨트 블라스트 처리를 행하였다.

이 웨트 블라스트 처리 후의 세라믹스 기판에 대해, 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 항절 강도, 잔류 응력 및 표면 조도를 구한 바, 항절 강도는 329㎫, 잔류 응력은 -95㎫, 표면 조도를 나타내는 파라미터인 산술 평균 조도(Ra)는 0.180㎛, 10점 평균 조도(Rz)는 0.820㎛, 최대 높이(Ry)는 1.640㎛였다.

또한, 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 금속-세라믹스 접합 기판을 제작하고, 항절 강도를 측정함과 함께, 노 통과 처리 후의 관통 크랙의 유무를 관찰한 바, 노 통과 처리 전의 (초기의) 항절 강도의 평균값은 600㎫이고, 노 통과 처리 3회 후의 항절 강도의 평균값은 550㎫, 노 통과 처리 3회 후의 항절 강도의 최소값은 475㎫이고, 노 통과 처리 50회 후에도 세라믹스 기판의 두께 방향으로 관통 크랙이 없는 것이 확인되었다.

실시예 5

토출 압력을 0.225㎫로 하고, 피처리면의 압력을 0.214㎫로 한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 세라믹스 기판의 웨트 블라스트 처리를 행하였다.

이 웨트 블라스트 처리 후의 세라믹스 기판에 대해, 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 항절 강도, 잔류 응력 및 표면 조도를 구한 바, 항절 강도는 373㎫, 잔류 응력은 -75㎫, 표면 조도를 나타내는 파라미터인 산술 평균 조도(Ra)는 0.207㎛, 10점 평균 조도(Rz)는 0.967㎛, 최대 높이(Ry)는 1.267㎛였다.

또한, 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 금속-세라믹스 접합 기판을 제작하고, 항절 강도를 측정함과 함께, 노 통과 처리 후의 관통 크랙의 유무를 관찰한 바, 노 통과 처리 전의 (초기의) 항절 강도의 평균값은 597㎫이고, 노 통과 처리 3회 후의 항절 강도의 평균값은 550㎫, 노 통과 처리 3회 후의 항절 강도의 최소값은 394㎫이고, 노 통과 처리 50회 후에도 세라믹스 기판의 두께 방향으로 관통 크랙이 없는 것이 확인되었다.

실시예 6

구상 알루미나 지립의 평균 입경(D₅₀)을 49∼53㎛로 한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 세라믹스 기판의 웨트 블라스트 처리를 행하였다.

이 웨트 블라스트 처리 후의 세라믹스 기판에 대해, 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 항절 강도, 잔류 응력 및 표면 조도를 구한 바, 항절 강도는 339㎫, 잔류 응력은 -80㎫, 표면 조도를 나타내는 파라미터인 산술 평균 조도(Ra)는 0.158㎛, 10점 평균 조도(Rz)는 0.940㎛, 최대 높이(Ry)는 1.260㎛였다.

또한, 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 금속-세라믹스 접합 기판을 제작하고, 항절 강도를 측정함과 함께, 노 통과 처리 후의 관통 크랙의 유무를 관찰한 바, 노 통과 처리 전의 (초기의) 항절 강도의 평균값은 585㎫이고, 노 통과 처리 3회 후의 항절 강도의 평균값은 495㎫, 노 통과 처리 3회 후의 항절 강도의 최소값은 395㎫이고, 노 통과 처리 50회 후에도 세라믹스 기판의 두께 방향으로 관통 크랙이 없는 것이 확인되었다.

실시예 7

구상 알루미나 지립의 평균 입경(D₅₀)을 49∼53㎛로 한 것 이외에는, 실시예 5와 마찬가지의 방법에 의해, 세라믹스 기판의 웨트 블라스트 처리를 행하였다.

이 웨트 블라스트 처리 후의 세라믹스 기판에 대해, 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 항절 강도, 잔류 응력 및 표면 조도를 구한 바, 항절 강도는 283㎫, 잔류 응력은 -100㎫, 표면 조도를 나타내는 파라미터인 산술 평균 조도(Ra)는 0.160㎛, 10점 평균 조도(Rz)는 1.001㎛, 최대 높이(Ry)는 1.489㎛였다.

또한, 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 금속-세라믹스 접합 기판을 제작하고, 항절 강도를 측정함과 함께, 노 통과 처리 후의 관통 크랙의 유무를 관찰한 바, 노 통과 처리 전의 (초기의) 항절 강도의 평균값은 534㎫이고, 노 통과 처리 3회 후의 항절 강도의 평균값은 464㎫, 노 통과 처리 3회 후의 항절 강도의 최소값은 393㎫이고, 노 통과 처리 25회 후에도 세라믹스 기판의 두께 방향으로 관통 크랙이 없는 것이 확인되었지만, 노 통과 처리 30회 후에 세라믹스 기판의 두께 방향으로 관통 크랙이 발생한 것이 확인되었다.

비교예 1

실시예 1과 마찬가지의 세라믹스 기판의 각각의 표면을 호닝 장치[가부시키가이샤 이시이 효키(石井表記)제의 제트 스크럽 연마지]에 의해 처리하였다. 이 호닝 처리는, 평균 입경 50㎛의 알루미나(입도 #280)로 이루어지는 지립을 (개구 면적 3㎟의 노즐로부터) 에어압(토출 압력) 0.300㎫로 세라믹스 기판의 표면에, (지립이 분사되는 피처리면의 면적이 159㎟로 되도록) 15초간 분사함으로써 행하였다. 또한, 토출 압력을 P1(㎫), 슬러리에 의해 세라믹스 기판의 피처리면에 가해지는 압력을 P2(㎫), 노즐의 개구 면적을 S1(㎟), 슬러리가 분사되는 피처리면의 면적을 S2(㎟)로 하여, P2＝P1×S1/S2로부터 세라믹스 기판의 피처리면에 가해지는 압력 P2를 구한 바, 0.006㎫였다.

이 호닝 처리 후의 세라믹스 기판에 대해, 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 항절 강도, 잔류 응력 및 표면 조도를 구한 바, 항절 강도는 549㎫, 잔류 응력은 -40㎫, 표면 조도를 나타내는 파라미터인 산술 평균 조도(Ra)는 0.135㎛, 10점 평균 조도(Rz)는 0.702㎛, 최대 높이(Ry)는 0.980㎛였다.

또한, 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 금속-세라믹스 접합 기판을 제작하고, 항절 강도를 측정함과 함께, 노 통과 처리 후의 관통 크랙의 유무를 관찰한 바, 노 통과 처리 전의 (초기의) 항절 강도의 평균값은 545㎫이고, 노 통과 처리 3회 후의 항절 강도의 평균값은 282㎫, 노 통과 처리 3회 후의 항절 강도의 최소값은 229㎫이고, 노 통과 처리 20회 후에 세라믹스 기판의 두께 방향으로 관통 크랙이 발생한 것이 확인되었다.

비교예 2

비교예 1의 호닝 처리를 2회 행한 것 이외에는, 비교예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 세라믹스 기판의 호닝 처리를 행하였다.

이 호닝 처리 후의 세라믹스 기판에 대해, 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 항절 강도, 잔류 응력 및 표면 조도를 구한 바, 항절 강도는 568㎫, 잔류 응력은 -43㎫, 표면 조도를 나타내는 파라미터인 산술 평균 조도(Ra)는 0.153㎛, 10점 평균 조도(Rz)는 0.794㎛, 최대 높이(Ry)는 0.950㎛였다.

또한, 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 금속-세라믹스 접합 기판을 제작하고, 항절 강도를 측정함과 함께, 노 통과 처리 후의 관통 크랙의 유무를 관찰한 바, 노 통과 처리 전의 (초기의) 항절 강도의 평균값은 555㎫이고, 노 통과 처리 3회 후의 항절 강도의 평균값은 330㎫, 노 통과 처리 3회 후의 항절 강도의 최소값은 275㎫이고, 노 통과 처리 20회 후에 세라믹스 기판의 두께 방향으로 관통 크랙이 발생한 것이 확인되었다.

비교예 3

수중에 평균 입경 57㎛의 알루미나(입도 #320)로 이루어지는 지립을 20체적％ 포함하는 슬러리를 사용하고, 토출 압력을 0.150㎫로 하고, 피처리면의 압력을 0.143㎫로 한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 세라믹스 기판의 웨트 블라스트 처리를 행하였다.

이 웨트 블라스트 처리 후의 세라믹스 기판에 대해, 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 항절 강도, 잔류 응력 및 표면 조도를 구한 바, 항절 강도는 434㎫, 잔류 응력은 -37㎫, 표면 조도를 나타내는 파라미터인 산술 평균 조도(Ra)는 0.134㎛, 10점 평균 조도(Rz)는 0.774㎛, 최대 높이(Ry)는 0.922㎛였다.

또한, 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 금속-세라믹스 접합 기판을 제작하고, 항절 강도를 측정함과 함께, 노 통과 처리 후의 관통 크랙의 유무를 관찰한 바, 노 통과 처리 전의 (초기의) 항절 강도의 평균값은 542㎫이고, 노 통과 처리 3회 후의 항절 강도의 평균값은 252㎫, 노 통과 처리 3회 후의 항절 강도의 최소값은 182㎫이고, 노 통과 처리 25회 후에 세라믹스 기판에 크랙이 발생한 것이 확인되었다.

비교예 4

수중에 평균 입경 28㎛의 알루미나(입도 #600)로 이루어지는 지립을 20체적％ 포함하는 슬러리를 사용하고, 토출 압력을 0.250㎫로 하고, 피처리면의 압력을 0.238㎫로 한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 세라믹스 기판의 웨트 블라스트 처리를 행하였다.

이 웨트 블라스트 처리 후의 세라믹스 기판에 대해, 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 항절 강도, 잔류 응력 및 표면 조도를 구한 바, 항절 강도는 392㎫, 잔류 응력은 -38㎫, 표면 조도를 나타내는 파라미터인 산술 평균 조도(Ra)는 0.186㎛, 10점 평균 조도(Rz)는 1.294㎛, 최대 높이(Ry)는 1.758㎛였다.

또한, 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 금속-세라믹스 접합 기판을 제작하고, 항절 강도를 측정함과 함께, 노 통과 처리 후의 관통 크랙의 유무를 관찰한 바, 노 통과 처리 전의 (초기의) 항절 강도의 평균값은 547㎫이고, 노 통과 처리 3회 후의 항절 강도의 평균값은 248㎫, 노 통과 처리 3회 후의 항절 강도의 최소값은 210㎫이고, 노 통과 처리 20회 후에 세라믹스 기판에 크랙이 발생한 것이 확인되었다.

비교예 5

토출 압력을 0.250㎫로 하고, 피처리면의 압력을 0.238㎫로 한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 세라믹스 기판의 웨트 블라스트 처리를 행하였다.

이 웨트 블라스트 처리 후의 세라믹스 기판에 대해, 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 항절 강도, 잔류 응력 및 표면 조도를 구한 바, 항절 강도는 375㎫, 잔류 응력은 -80㎫, 표면 조도를 나타내는 파라미터인 산술 평균 조도(Ra)는 0.578㎛, 10점 평균 조도(Rz)는 2.988㎛, 최대 높이(Ry)는 3.966㎛였다.

또한, 실시예 1과 마찬가지의 방법에 의해, 금속-세라믹스 접합 기판을 제작하고, 항절 강도를 측정함과 함께, 노 통과 처리 후의 관통 크랙의 유무를 관찰한 바, 노 통과 처리 전의 (초기의) 항절 강도의 평균값은 509㎫이고, 노 통과 처리 3회 후의 항절 강도의 평균값은 212㎫, 노 통과 처리 3회 후의 항절 강도의 최소값은 173㎫이고, 노 통과 처리 20회 후에 세라믹스 기판에 크랙이 발생한 것이 확인되었다.

또한, 실시예 1∼7 및 비교예 1∼5에서 얻어진 웨트 블라스트 처리 후의 세라믹스 기판의 잔류 응력층의 두께를 구하기 위해, 각각의 세라믹스 기판의 표면을 두께 25㎛만큼 연마 가공에 의해 제거한 후에, 비커스 압자를 연마 가공면에 타입하여, 압흔으로부터 신전된 크랙의 길이를 측정함으로써, 파괴 인성값을 산출한 바, 모두 2.1㎫·m^1/2 이하였다. 이 결과로부터, 이들 세라믹스 기판의 잔류 응력층의 두께는, 모두 25㎛ 이하인 것을 알 수 있었다.

또한, 세라믹스 기판의 연마 가공은, 연마기로서 횡형 평면 연삭반(요코하마 세라믹스 가부시키가이샤제의 YCC-H1)을 사용하고, 지석(가부시키가이샤 노리타케 컴퍼니 리미티드제)을 사용하여 행하였다. 또한, 파괴 인성값은, JIS R1617(2002년)의 IF(Indentation Fracture)법에 준하여, 비커스 경도(가부시키가이샤 미츠토요제의 AVK-CO)에 의해, 압입 하중 49N, 유지 시간 15초로 하여, 압흔으로부터 신전된 크랙의 길이를 측정하고, Kc＝0.026(E^1/2P^1/2a)/C^3/2[식 중, Kc는 파괴 인성값(㎫·m^1/2), E는 영률(Pa)＝280㎫, P는 압입 하중(N), C는 크랙의 길이의 평균의 절반(m), a는 압흔의 대각선의 길이의 평균의 절반(m)]로부터 산출하였다.

또한, 실시예 5 및 7과 비교예 1 및 5에서 얻어진 금속-세라믹스 회로 기판을 두께 방향으로 절단하고, 그 단면의 접합 계면 근방을 전계 방출형 주사 전자 현미경(FE-SEM)(JEOL사제 JSM-6700F)에 의해 1만배로 확대하여 70시야에 대해 관찰한 바, 실시예 5에서는 15개, 실시예 7에서는 16개, 비교예 1에서는 2개, 비교예 5에서는 20개의 폭 0.1㎛ 이하의(금속-세라믹스 회로 기판의 두께 방향으로 5㎛ 정도 연장됨) 초미세 크랙이 존재하고, 이들 초미세 크랙 내에 브레이징재가 침입하고 있는 것을 알 수 있었다. 실시예 5 및 7에서는, 이와 같이 브레이징재가 침입한 초미세 크랙의 수가 많으므로, 노 통과 처리 50회 후에도 세라믹스 기판의 두께 방향으로 관통 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있다고 생각된다.

이들 실시예 및 비교예의 세라믹스 기판의 웨트 블라스트 처리 또는 호닝 처리의 조건을 표 1에 나타내고, 이들 처리 후의 세라믹스 기판의 항절 강도, 잔류 응력, 잔류 응력층의 두께, 표면 조도, 초미세 크랙수를 표 2에 나타내고, 이들 세라믹스 기판을 사용하여 제작한 금속-세라믹스 회로 기판의 노 통과 처리 전후의 항절 강도 및 관통 크랙이 발생하는 노 통과 처리 횟수를 표 3에 나타낸다.

표 1∼표 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 금속-세라믹스 회로 기판의 노 통과 처리 3회 후의 항절 강도는, 비교예 1∼5에서는 평균값으로 330㎫ 이하(최소값으로 275㎫ 이하)로 낮은 것에 반해, 실시예 1∼7에서는 평균값으로 464㎫ 이상(최소값으로 377㎫ 이상)으로 높고, 또한 세라믹스 기판에 관통 크랙이 발생하는 노 통과 처리 횟수는, 비교예 1∼5에서는 25회 이하로 낮은 것에 반해, 실시예 7에서는 25∼30회이지만, 실시예 1∼6에서는 50회 이상으로 높게 되어 있다. 이들 결과로부터, 실시예 1∼7의 금속-세라믹스 회로 기판은, 비교예 1∼5의 금속-세라믹스 회로 기판과 비교하여, 내 히트 사이클 특성이 우수한 것을 알 수 있다.

Claims

세라믹스 기판에 금속판이 접합된 금속-세라믹스 접합 기판에 있어서, 세라믹스 기판이 질화알루미늄 기판이고, 세라믹스 기판의 잔류 응력이 -50㎫ 이하이고, 또한 세라믹스 기판의 금속판과의 접합면의 산술 평균 조도(Ra)가 0.15∼0.30㎛인 것을 특징으로 하는, 금속-세라믹스 접합 기판.
제1항에 있어서,
상기 세라믹스 기판의 금속판과의 접합면의 10점 평균 조도(Rz)가 0.7∼1.1㎛인 것을 특징으로 하는, 금속-세라믹스 접합 기판.
제1항에 있어서,
상기 세라믹스 기판의 금속판과의 접합면의 최대 높이(Ry)가 0.9∼1.7㎛인 것을 특징으로 하는, 금속-세라믹스 접합 기판.
제1항에 있어서,
상기 세라믹스 기판의 항절 강도가 500㎫ 이하인 것을 특징으로 하는, 금속-세라믹스 접합 기판.
제1항에 있어서,
상기 세라믹스 기판의 표면을 따라 형성된 잔류 응력층의 두께가 25㎛ 이하인 것을 특징으로 하는, 금속-세라믹스 접합 기판.
제1항에 있어서,
상기 세라믹스 기판에 브레이징재를 개재하여 상기 금속판이 접합되어 있는 것을 특징으로 하는, 금속-세라믹스 접합 기판.
제1항에 있어서,
상기 금속판이 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 금속판인 것을 특징으로 하는, 금속-세라믹스 접합 기판.
세라믹스 기판에 금속판이 접합된 금속-세라믹스 접합 기판의 제조 방법에 있어서, 세라믹스 기판으로서 질화알루미늄 기판을 사용하고, 세라믹스 기판의 잔류 응력이 -50㎫ 이하로 되고, 또한 세라믹스 기판의 금속판과의 접합면의 산술 평균 조도(Ra)가 0.15∼0.30㎛로 되도록, 액체중에 지립을 포함하는 슬러리를 세라믹스 기판의 표면에 분사하는 처리를 행하고, 이 처리에 의해 얻어진 세라믹스 기판에 금속판을 접합하는 것을 특징으로 하는, 금속-세라믹스 접합 기판의 제조 방법.
제8항에 있어서,
상기 슬러리를 분사하는 처리가, 상기 세라믹스 기판의 금속판과의 접합면의 10점 평균 조도(Rz)가 0.7∼1.1㎛로 되도록 행해지는 것을 특징으로 하는, 금속-세라믹스 접합 기판의 제조 방법.
제8항에 있어서,
상기 슬러리를 분사하는 처리가, 상기 세라믹스 기판의 금속판과의 접합면의 최대 높이(Ry)가 0.9∼1.7㎛로 되도록 행해지는 것을 특징으로 하는, 금속-세라믹스 접합 기판의 제조 방법.
제8항에 있어서,
상기 슬러리를 분사하는 처리가, 상기 세라믹스 기판의 항절 강도가 저하되도록 행해지는 것을 특징으로 하는, 금속-세라믹스 접합 기판의 제조 방법.
제8항에 있어서,
상기 슬러리를 분사하는 처리가, 상기 세라믹스 기판의 항절 강도가 500㎫ 이하로 되도록 행해지는 것을 특징으로 하는, 금속-세라믹스 접합 기판의 제조 방법.
제8항에 있어서,
상기 슬러리를 분사하는 처리가, 상기 세라믹스 기판의 표면을 따라 형성되는 잔류 응력층의 두께가 25㎛ 이하로 되도록 행해지는 것을 특징으로 하는, 금속-세라믹스 접합 기판의 제조 방법.
제8항에 있어서,
상기 세라믹스 기판에 브레이징재를 개재하여 상기 금속판을 접합하는 것을 특징으로 하는, 금속-세라믹스 접합 기판의 제조 방법.
제8항에 있어서,
상기 금속판이 구리 또는 구리 합금으로 이루어지는 금속판인 것을 특징으로 하는, 금속-세라믹스 접합 기판의 제조 방법.
제8항에 있어서,
상기 지립이 구상 알루미나로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 금속-세라믹스 접합 기판의 제조 방법.
제8항에 있어서,
상기 액체중에 지립을 포함하는 슬러리를 세라믹스 기판에 분사하는 처리가, 상기 세라믹스 기판보다 높은 경도의 지립을 10∼30체적％ 포함하는 슬러리를 상기 세라믹스 기판에 피처리면에 가해지는 압력이 0.10∼0.25㎫로 되도록 압축 공기와 함께 0.02∼1.0초간 분사하는 처리인 것을 특징으로 하는, 금속-세라믹스 접합 기판의 제조 방법.