WO2004074210A1

WO2004074210A1 - セラミックス－金属複合体およびその製造方法

Info

Publication number: WO2004074210A1
Application number: PCT/JP1993/000918
Authority: WO
Inventors: Masanori Hirano; Noriyoshi Yamauchi
Original assignee: Masanori Hirano; Noriyoshi Yamauchi
Priority date: 1992-07-03
Filing date: 1993-07-02
Publication date: 2004-09-02
Also published as: US5561321A

Description

明細書発明の名称

セラミックス—金属複合体およびその製造方法技術分野

本発明は、セラミックス一金属複合体およびその製造方法に関する。背景技術

アルミナ、窒化ゲイ素、窒化アルミニウム等のセラミック焼結体は、耐熱性、耐摩耗性、絶縁性等に優れているため、半導体用基板や自動車部品などに広く用いられている。この中には、例えばパワー半導体モジユールやエンジン部品、ロケットおよび航空機の外壁材等のように放熱性が共に要求される場合があるが、セラミック焼結体は一般に熱伝導性に劣るため、このような場合には、熱伝導性に優れた金属（例えば銅など）と接合して放熱性を高めることが行われている。

また、アルミナ、酸窒化アルミニウム、窒化アルミニウム窒化ホウ素並びにこれらの複合体セラミック焼結体は、熱伝導性、電気的絶縁性に優れ、機械的特性にも優れていることから、 I Cパッケージやパヮ一半導体等の発熱部品を搭載する半導体実装用基板として、銅等の金属回路板をこれらのセラミック焼結体に接合した複合体が使用されている。以上のような複合体の製造方法には、例えば銀ろう等を用いてセラミック焼結体に金属体をろう付する方法や、特公昭 5 7— 1 3 5 1 5号公報に開示されているようにセラミック焼結体を金属体に接触して位置させ、所定の雰囲気下で共晶反応により接合する方法等がある。

しかしながら、一般的なセラミック焼結体の熱膨張率は 3〜 1 0 X 1 0一⁸ 程度であるのに対し、例えば銅やステンレス鋼等の金属の熱膨張率は 1 6〜 1 8 X 1 0 - ⁶Z^DC程度と大きい。したがって、このようなセラミックス一金属複合体は、接合された両者の熱膨張率が大きく異なるため、その接合工程や使用時の温度変化により熱膨張率の差に起因する応力（熱応力）が発生し、接合界面で剝離が生じたり、セラミック焼結体の強度が熱応力に比べて低い場合にはクラック（ひび、割れ等）が発生することがある。そこで、セラミック焼結体と金属の接合界面に、両者の中間の熱膨張率を有する緩衝材ゃ、特開昭 5 6 _ 4 1 8 7 9号公報に開示されているような熱応力を塑性変形により吸収する延性に富む緩衝材を介挿する方法が行われているが、前者の方法では、緩衝材とセラミック焼結体との間にも相当の熱膨張率の差があるため、それに起因する熱応力が生じるという問題があり、後者の方法では、発生する熱応力がきわめて大きい場合には緩衝材の塑性変形では応力が充分に吸収できないという問題があった。

本発明は以上の事情を背景として為されたものであって、その目的は、温度変化によるセラミツク焼結体と金属の剥離セラミック焼結体のクラック等の問題を好適に解消し得るセラミックス—金属複合体を提供することにある。発明の開示

斯かる目的を達成するために、本発明のセラミックス一金属複合体の要旨とするところは、セラミック焼結体と、そのセラミック焼結体の少なくとも一部の表面上に固着された金属層とを含むセラミックス一金属複合体であって、該金属層は、前記セラミック焼結体の表面から遠ざかるに従って連続的または段階的に焼結密度が小さく或いは気孔率が大きくされた高融点金属層に形成された気孔に、銅或いは銀一銅系合金が含まれて構成され、その銅或いは銀一銅系合金の含有率の高融点金属の含有率に対する比率が、前記セラミック焼結体の表面から遠ざかるに従つて連続的または段階的に大きくされたものであることにある。

このようにすれば、セラミック焼結体上に固着された金属層は、銅或いは銀 -銅系合金の含有率の高融点金属の含有率に対する比率が、前記セラミック焼結体の表面から遠ざかるに従って連続的または段階的に大きくされているため、金属層の熱膨張率はセラミック焼結体側で比較的小さく、その反対側で比較的大きくされる。これは、タングステン、モリブデン等の髙融点金属の熱膨張率が 5 X 1 0— ⁶/°C程度と小さく、反対に銅或いは銀-銅系合金の熱膨張率が 1 6〜 1 8 X 1 0一⁶ Zでと大きいため、金属層の熱膨張率は両者の含有率の比率に応じてそれぞれの熱膨張率の中間の値に決定されるからである。したがって、セラミック焼結体と金属層との固着面における熱膨張率の差が小さくなり、温度変化が生じた際にその差に起因する熱応力が小さくされて、剝離ゃセラミック焼結体のクラックの発生が好適に解消される。

好適には、前記金属層において、前記高融点金属と銅或いは銀 -銅系合金の界面にニッケル層が介在されている。このようなセラミックス一金属複合体は、この高融点金属と銀一銅系合金の接合が強固にされて、金属層全体として緻密化するため一層熱伝導性に優れた金属層が得られる。

また、好適には、金属体が、前記金属層を介して前記セラミック焼結体と接合されている。このようなセラミックス一金属複合体は、温度変化が生じた際の金属体の熱膨張に起因する熱応力が前記金属層によって好適に緩和されて、剝離、クラックが生じないため信頼性が高くなるとともに、セラミック焼結体側で発生した熱が接合された金属体により好適に放散されるため、半導体基板やエンジン部品、ロケットの外壁材などの絶縁性や耐熱性と共に放熱性が必要な部品に適している。

また、好適には、上記セラミックス一金属複合体において、前記セラミック焼結体の前記金属体が接合された面とは反対側の面にも、前記と同様に金属体が前記金属層を介して接合されている。このようなセラミックス一金属複合体は、温度変化に起因してセラミック焼結体と金属体との間に熱応力が発生し得る場合にも、セラミック焼結体の両面で同様な熱応力が発生して互いに相殺されるため、上記のような用途に適用された場合に温度変化に対して一層高い信頼性が得られる。

また、好適には、前記金属層の表面に前記銅或いは銀 -銅系合金層が形成されている。このようなセラミックス一金属複合体は、上記のような金属体等が金属層に接合される際に、ろう材ゃ半田の濡れ性が良く、金属体等と金属層とがー層強固に接合されるため、温度変化に起因してセラミック焼結体と金属体等との間に熱応力が発生し得る場合にも、セラミック焼結体と金属体等の剝離が一層生じ難くなる。

また、好適には、前記金属層の前記セラミック焼結体側の最下層領域は専ら高融点金属によって構成される。このようなセラミックス—金属複合体は- セラミック焼結体と金属層とがー層強固に接合される。

また、好適には、前記高融点金属は、タングステンまたはモリブデンである。タングステンおよびモリブデンは、前述のように小さい熱膨張率を有すると共に、熱伝導率が高いため、このようなセラミックス一金属複合体は、セラミック焼結体で発生した熱が好適に放散される。また、好適には、前記高融点金属層には、前記セラミック焼結体の成分の一部または全部が 3 0重量％以下の割合で含まれている。このようなセラミックス—金属複合体は、セラミック焼結体に高融点金属層を形成する際に、髙融点金属層がセラミック焼結体に強固に固着され、一層セラミック焼結体と金属層が剝離し難くなる。また、好適には、前記金属体は、銅、銅合金、銅メツキ金属、銅クラッド金属、ニッケルの内の何れかである。これらの金属は前記の銅或いは銀一銅系合金との濡れ性が良く、金属層を介してセラミック焼結体に強固に接合される。

また、好適には、前記セラミック焼結体は基板であり、前記金属体は銅または銅合金板である。このような構造のセラミック基板は、パワー半導体モジュールゃ圧電素子用の半導体モジュール等に用いられた際には、半導体や電子部品等で発生した熟が金属体により放散されて基板の温度上昇が好適に緩和されるとともに、前述のように、温度変化が生じた際にも剝離、クラックが発生せず、高温下で用いられる半導体や電子部品等の基板として好適である。

また、好適には前記セラミック基板において、銅または銅合金板の少なくとも一部に回路パターンが形成されている。このようなセラミック基板は大電流に対応できると共に温度変化が生じた際に回路パ夕一ンの剝離が生じず、信頼性の高いセラミック回路基板が得られる。また好適には前記セラミック焼結体はアルミナ焼結体または窒化アルミニゥム焼結体である。このようなセラミックス—金属複合体は熱伝導性、絶縁性、機械的特性等に特に優れているため、前述のような半導体や電子部品等の基板等に特に好適である。

また、好適には、セラミックス—金属複合体は、前記金属体の少なくとも一部に半導体チップが接合され、パワー半導体モジュールとして用いられるものである。

また、好適には、上記パワー半導体モジュールにおいて、前記セラミック焼結体の前記半導体チップが接合された面と反対側の面にも前記と同様に金属体が前記金属層を介して接合され、該金属体にヒートシンクが接合されている。このようなセラミックス—金属複合体は、半導体チップ等で発生した熱がヒートシンクにより一層効率的に放散され、一層信頼性の高いパワー半導体モジュールとなる。

また、本発明のセラミックス一金属複合体の製造方法の要旨とするところは、セラミック焼結体の少なくとも一部の表面上に、多数の開放性気孔を有し、そのセラミック焼結体の表面から遠ざかるに従って、その気孔率が連続的または段階的に大きくされた多孔質の高融点金属層を形成するメタライズ工程と、その高融点金属層内に銅或いは銀一銅系合金を含浸させる含浸工程とを含むことにある。

このようにすれば、セラミック焼結体の表面から遠ざかるに従って、その気孔率が連続的または段階的に大きくされた高融点金属層の多数の開放性気孔に、銅或いは銀-銅系合金がその気孔率の分布に応じて含浸される。したがって、前記金属層における銅或いは銀一銅系合金の含有率の高融点金属の含有率に対する比率が、セラミック焼結体の表面から遠ざかるに従って大きくされたセラミックス一金属接合体を容易に得ることができる。

好適には前記セラミックス一金属複合体の製造方法は前記含浸ェ程の前に前記多孔質の高融点金属層内の開放性気孔を形成する表面にニッケル層を形成する工程を含む。このようにすれば、ニッケル層により銅或いは銀一銅系合金の高融点金属に対する濡れ性が向上し、前記高融点金属層内のセラミック焼結体に近い側の低気孔率のところまで銅或いは銀—銅系合金が含浸される。

また、好適には、前記メタライズ工程は、セラミック成形体またはセラミック焼結体の表面に、高融点金属を主成分とし焼結後の気孔率の異なる少なくとも二種の高融点金属ペーストを焼結後の気孔率の小さい順に印刷積層する積層工程と、該積層工程後に所定の条件で焼成する焼成工程とを含む。このようにすれば、高融点金属ペーストを所定種類用意し、所定数印刷積層することにより、多数の開放性気孔を有し、セラミック焼結体の表面から遠ざかるに従って、その気孔率が連続的または段階的に大きくされた高融点金属層を容易に得ることができる。

また、好適には、前記メタライズ工程は、セラミック成形体またはセラミツク焼結体の表面に、高融点金属を主成分とし焼結後の気孔率の異なる少なくとも二種の高融点金属生シートを焼結後の気孔率の小さい順に積層して圧着する積層工程と、該積層工程後に所定の条件で焼成する焼成工程とを含む。このようにしても、高融点金属生シ一トを所定種類用意し、所定数積層して圧着することにより、多数の開放性気孔を有し、セラミツク焼結体の表面から遠ざかるに従って、その気孔率が連続的または段階的に大きくされた高融点金属層を容易に得ることができる。また、好適には前記含浸工程は前記高融点金属層の前記セラミック焼結体と反対側の表面に銅或いは銀一銅系合金層を形成する工程と、所定の条件で加熱処理する加熱工程とを含む。このようにすれば、高融点金属層上に形成された銅或いは銀 -銅系合金層が、加熱処理時に高融点金属層の開放性気孔に浸透するため. 容易に高融点金属層に銅或いは銀一銅系合金が含浸される。

また、好適には、前記銅或いは銀 -銅系合金層を形成する工程は、前記高融点金属層の表面に銅或いは銀-銅系合金箔を載置する工程である。このようにすれば、容易に高融点金属層上に銅或いは銀-銅系合金層を形成することが可能である。

また、好適には、前記銅或いは銀一銅系合金層を形成する工程は、前記高融点金属層の表面に銅或レ、は銀 -銅系合金ペーストを印刷する工程である。このようにしても、容易に高融点金属層上に銅或いは銀 -銅系合金層を形成することが可能である。

また、好適には、前記含浸工程は、前記高融点金属層の前記セラミック焼結体と反対側の表面に銅或いは銀 -銅系合金層を形成する工程と、金属体を、該銅或いは銀 -銅系合金層の前記高融点金属層と反対側の面に接して位置させる工程と、所定の条件で加熱処理する加熱工程とを含む。このようにすれば、含浸工程において高融点金属層に銅或いは銀 - 銅系合金が含浸されるとともに、金属体を同時に接合することが可能でめる。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の一実施例の工程流れ図である。

図 2は、図 1のメタライズ工程における印刷生シートの斜視図である。図 3は、図 2の一部断面図である。

図 4は図 1の含浸工程におけるメタライズ基板の一部断面図である。図 5は図 1に示す工程により製造された複合基板の斜視図である。図 6は、図 5の複合基板の一部断面図である。

図 7は、本発明の他の実施例のセラミックス一金属複合体の断面構造を模式的に拡大して示す図である。

図 8は本発明の更に他の実施例のセラミックス—金属複合体の断面構造を模式的に拡大して示す図である。

図 9は、本発明の複合基板がパヮ一半導体モジュ一ルに適用された例を示す斜視図である。

図 1 0は、本発明の複合基板が他のパワー半導体モジュールに適用された例を示す断面図である。発明を実施するための最良の形態

以下に、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明する。

図 1は本実施例の工程流れ図である。例えば A 1 ₂ 0 ₃ 9 4重量％、残部を C a O、 MgO、 S i O_z 等の焼結助剤と、微量の不可避不純物とから成るアルミナ原料を調合し、例えばメ夕クリル酸エステル樹脂を加えて混合したスラリ一を所定の粘度に調整して、例えばドク夕一ブレード法により厚さ 0. 7 7 mmのアルミナ生シート成形した。一方、例えば平均粒径 1. 0 zm、 2. 4 zm、 3. 0 mの三種のタングステン（W) 粉末（例えば純度 9 9. 9 %) をそれぞれ 9 0重量と、前記アルミナ生シートに用いたものと同一組成のアルミナ原料粉末 1 0重量 %とから成る原料を調合し、例えばテルビネオ一ルおよびェチルセル口 —スを主成分とするビヒクルを添加して、例えば三本ロールミルで混練し、三種のタングステンペースト A、 B、 Cを作製した。

上記のアルミナ生シ一卜を、例えば力ッタ一等により例えば 6 2 x 4 2mmに切断し、数枚の基板用生シ一ト 1 0を得た。この基板用生シート 1 0の両面に上記タングステンペースト A B, Cを順にそれぞれ例えば約 4 0 zmの厚さで印刷後、例えば約 8 (TCで乾燥する作業を繰り返し、図 2に示すような印刷層 1 2が両面に形成された印刷生シート 1 4を得た。なお、印刷層 1 2は図 3に一部断面を示すようにそれぞれタングステンペースト A、 B、 Cに対応する、所定の厚さの三層（ 1 23、 1 2 b、 1 2 c) から成っており、印刷生シート 1 4の一方の面 (図 2における上面）には図 2において模式的に示した所定の回路パ夕 —ンが形成されている。また、印刷層 1 2は両面とも同様な断面構造であるため、図 3では一方の面の構造のみ示している。

この印刷生シート 1 4を、例えば N₂ - H₂ 混合ガス雰囲気中で 1 6 0 0°Cで焼成し、アルミナ基板 1 6の両面にメタライズ層 1 8が形成されたメ夕ライズ基板 2 0を得た。このメタライズ層 1 8は、図 4に示すように前記三層の印刷層に 1 2に対応する所定の厚さの三層（ 1 8 a、 1 8 b、 1 8 c) から成っており、前記印刷層 1 2 aに対応するアルミ g ナ基板 1 6に最も近い第一層 1 8 aは緻密に焼結しており、印刷層 1 2 bに対応する第二層 1 8 bは気孔 2 2を有して多孔質に、印刷層 1 2 c に対応する第三層 1 8 cは更に多孔質に焼結している。すなわち、このメタライズ基板 2 0は、メタライズ層 1 8の気孔率がアルミナ基板 1 6 から遠ざかるに従って段階的に大きくされている。なお、本実施例では、基板用生シ一ト 1 0がセラミック成形体に、アルミナ基板 1 6がセラミック焼結体に、メタライズ層 1 8が高融点金属層に相当する。

次に、例えば銀（A g ) 粉末（例えば平均粒径 1 . 3 rn) 7 2重量 %、銅（C u ) 粉末（例えば平均粒径 1 . 5 u rn ) 2 8重量％から成る原料をァトライ夕にて粉砕，混合後、ェチルセルロースとテルビネオ一ルを主成分とするビヒクルを添加し、三本ロールミルで混練し、銀一銅ろう材ペーストを作製した。この銀—銅ろう材ペーストを前記メタライズ基板 2 0の両面に厚さ 3 0 z mで印刷してろう材層 2 4を形成し、乾燥後,' N ₂ 雰囲気下 6 0 0でにて脱脂した。脱脂後一部のメタライズ基板 2 0の両面のろう材層 2 4上に厚さ 3 0 0 z mおよび 3 5 0〃mの無酸素銅板 2 6 2 8を載置しスぺーサ一を介して 0 . 3 g /m m ² の荷重をかけて、他のメ夕ライズ基板 2 0と共に A r雰囲気下 8 5 0 ^BC で 1 5分間加熱処理して、図 5に示す複合基板 3 0および、複合基板 3 0において両面の銅板 2 6、 2 8がない形状の被膜基板を得た。なお、本実施例では、銀一銅ろう材が銅或いは銀一銅系合金に相当する。

上記複合基板 3 0はアルミナ基板 1 6と、その上下面に固着された金属層 3 4と、その金属層 3 4をそれぞれ介してアルミナ基板 1 6に接合されている銅板 2 6、 2 8とから成っており、前記印刷層 1 2の回路パターンを形成した面の側に載置した銅板 2 6には、印刷層 1 2すなわちメタライズ層 1 8に形成されたものに対応する回路パターンが形成されている。この複合基板 3 0の金属層 3 4は図 6に一部断面を示すように、アルミナ基板 1 6に最も近く銀一銅合金を全く含有しないタングステン層 3 4 aと、そのタングステン層 3 4 aのアルミナ基板 1 6の反対側に位置するタングステンと銀一銅合金の混合層 3 4 と、最もアルミナ基板 1 6から遠くタングステンを全く含有しない銀—銅合金層 3 4 cとから構成されており、この混合層 3 4 bはアルミナ基板 1 6から遠ざかるに従って、銀一銅合金の含有率が多くされている。すなわち、金属層 3 4は、銀一銅合金の含有率のタングステンの含有率に対する比率が、ァルミナ基板 1 6から遠ざかるに従って段階的に大きくされている。なお、図 6において、混合層 3 4 b中の 3 6は夕ングステンを、 3 8は銀一銅合金を示している。また、本実施例では複合基板 3 0がセラミックス— 金属複合体に、無酸素銅板 2 6、 2 8が金属体に相当する。また、前記被膜基板も金属層は同様な構造になっており、必要に応じて銅板その他の所定の金属侔を、一方の面或いは両面に別途用意された銀ろう等により接合されて用いられる。

ここで、この複合基板 3 0の、銅板 2 6、 2 8とアルミナ基板 1 6との接合強度をピール強度試験により測定したところ約 1 7 k g / c m であった。これに対し、同時に測定した従来法（ろう材による直接接合或いは緩衝材を用いる方法）にて作製した複合体の接合強度は約 1 O k g / c mと低いものであった。なお、ピール強度試験は、複合基板 3 0 に引張端子を接合し、銅板 2 6または 2 8をアルミナ基板 1 6に対して 9 0 ° の方向に引張試験機で引き剝がし、剝がれた際の荷重を測定して求めたものである。

また、複合基板 3 0および被膜基板の耐熱衝撃性を評価するため、熱衝撃試験機内で— 5 0でに 3 0分保持後、 1 5 0 °Cに加熱し、 3 0分保持する一連の工程を 1サイクルとする試験を繰り返し行った。なお、温度調節は試験機内に冷気或いは熱気を送り込むことによりきわめて速やかに行った。この結果、複合基板 3 0および被膜基板は 5 0 0サイクル後もクラック、剝離の発生は認められなかった。これに対して、同時に試験に供した上記の従来法にて作製した複合体は約 5 0サイクル後に割れが発生しており、以上の試験から、本実施例の複合基板 3 0および被膜基板は接合強度が強く、また、温度変化（温度サイクル）に対しても充分な耐久性を有することが示された。

すなわち、複合基板 3 0および被膜基板においては、アルミナ基板 1 6に固着された金属層 3 4力、'、アルミナ基板 1 6側ではタングステンのみの低熱膨張率層（タングステン層 3 4 a ) に、その反対側では銀一銅合金のみの高熱膨張率層 (銀 -銅合金層 3 4 c ) にされており、且つその中間の層はアルミナ基板 2 2から遠ざかるに従って銀一銅合金の含有率が大きくすなわち熱膨張率が大きくなるようにされたタングステンと銀一銅合金の混合層 3 4 bであるため、隣接する層相互の熱膨張率の差がきわめて小さくしたがって銅板 2 6、 2 8或いは金属層 3 4とァルミナ基板 1 6との熱膨張率の差に起因する熱応力が殆ど発生しない。このため金属層 3 4の固着および銅板 2 6 2 8の接合の際の加熱 ' 冷却による熱応力の殘留（残留応力）が小さくなり上記のように高い接合強度が得られると共に、温度変化が生じてもクラックゃ剝離の発生しない複合基板 3 0および被膜基板が得られるのである。

また、本実施例の複合基板 3 0は、一方の面に放熱板としての銅板 2 8が接合されているため、発熱量の大きなパワー半導体モジュール等の基板として用いると、半導体で発生した熱が、銅板 2 8によって好適に放散されて、高い耐久性と信頼性が得られる。これは、銅板 2 8 とアルミナ基板 1 6の接合層の役割を果たす金属層 3 4力 \ タングステンおよび銀一銅合金の両方または何れか一方から成る比較的緻密な層で形成されて、熱伝導が良好であるとともに、前述のように熱応力が小さくされることにより、剝離、クラック等が発生し難いためである。

また、本実施例においては、粒度すなわち焼結性の異なる 3種のタングステン粉末を用いて印刷層 1 2を印刷 ·積層により形成しているため、これを焼成することにより、アルミナ基板 1 6から遠ざかるに従って気孔率が大きくなるメタライズ層 1 8が得られる。したがって、このメタライズ層 1 8上に銀一銅ろう材層 2 4を印刷により形成し、加熱処理することによりメタライズ層 1 8内の気孔 2 2に銀一銅合金が含浸されて、アルミナ基板 1 6から遠ざかるに従って銀一銅合金の含有率のタングステンの含有率に対する比率が大きくなる金属層 3 4が容易に得られる。このとき、最もアルミナ基板 1 6に近い印刷層 1 2 aに用いる夕ングステンペ一スト Aが、そのタングステン粉末粒度および焼結助剤が緻密に焼結するように決定されているので、銀—銅合金を含まないタングステン層 3 4 aが形成され、且つ、高融点金属粉末にアルミナ基板 1 6と同組成のアルミナ原料粉末が含有されているため、金属層 3 4とアルミナ基板 1 6との充分な接合強度が得られる。

また複合基板 3 0においてはメ夕ライズ層 i 8上に印刷するろう材層 2 4力メ夕ライズ層 1 8のアルミナ基板 1 6とは反対側の面に銀 -銅合金層 3 4 cを形成できるだけの厚みにされているため、ろう材印刷■乾燥脱脂後に銅板 2 6、 2 8を載置し、所定の荷重をかけて加熱処理することで銀一銅合金とタングステンから成る金属層 3 4の形成と、銅板 2 6、 2 8の接合が同時に行われる。

また、本実施例においては、アルミナ基板 1 6の両面に同様な構造の金属層 3 4が固着（更に複合基板 3 0においては銅板 2 6、 2 8が接合) されているため、温度変化が生じた際に両面に同程度の熱応力が発生して相殺され、一層温度変化に対して高い耐久性を有する複合基板 3 0および被膜基板が得られる。また、本実施例においては、複合基板 3 0に用いられるセラミック焼結体がアルミナ基板 1 6であるため、機械的特性、熱伝導性、絶縁性に優れ、パワー半導体モジュール等に用いる基板として好適である。

また、複合基板 3 0においては、接合する金属体として無酸素銅板 2 6、 2 8を用いているため、銅板とろう材との濡れ性が良好にされて、銅板とセラミック焼結体の強固な接合体が得られる。

なお、前記の銀一銅ろう材にはチタン（T i ) が含有されていても良レ、。例えば、前記の銀一銅ろう材の原料粉末 9 5重量％とチタン粉末 (例えば平均粒径 1 5 urn) 5重量から成る銀一銅—チタンろう材ぺ —ストを、前述と同様な方法で作製して銀—銅ろう材に替えて用い、真空中（ 1 X 1 CT⁵torr) 、 8 5 0 °C、 2 0分加熱処理する以外は、前述と同様な方法によって複合基板 3 0および被膜基板と同様な基板が得られる。これらの基板を前述と同様な方法で評価したところ、接合強度は約 2 0 k g/ cmであり、耐熱衢擊性試験においては 5 0 0サイクル後もクラック、剝離の発生は認められなかった。

次に本発明の他の実施例を説明する。

例えば A 1 N 9 6重量％と、 Y₂ 0₃ 4重量％と微量の不可避不純物から成る窒化アルミニウム原料を調合し、前記第一実施例と同様にして、例えば厚さ 0. 8 mmの窒化アルミニウム生シートを成形した。一方、例えば平均粒径 1. 0 m、 2. 3〃m、 2. 7 / m、 3. 4 n mの 4種のタングステン原料（例えば純度 9 9. 9 %) 9 0 %と、前記生シートと同様に調合された原料 1 0 %とから成る原料を調合し、第一実施例と同様にしてタングステンペースト D、 E、 F、 Gを作製した。上記の窒化アルミニウム生シートを、例えば打ち抜き加工により例えば 6 4 X 6 2mmに切断し、数枚の基板用生シートを得た。この基板用生シートに第一実施例と同様にしてタングステンペースト D、 E、 F、 l 4 Gを順次印刷 '積層した後、 N ₂ - H ₂ 雰囲気下で 1 7 5 0 °Cにて焼成し、四層になっている他は第一実施例におけるメ夕ライズ基板 2 0 (図 4参照）と同様の構造のメタライズ基板を得た。これに第一実施例と同様にニッケルメツキ後、銀—銅一チタンペーストを同様に印刷 '脱脂し、一部のメタライズ基板には無酸素銅板を両面に載置し、 0 . 4 g /m m ² の荷重をかけ、他のメタライズ基板と共に例えば 1 X 1 0—⁵ torrの真空中 8 5 0 °Cで 2 0分間加熱処理して、図 5および図 6に示したものと同様な窒化ァルミニゥム複合基板および被膜基板を得た。

上記 2種の基板を、第一実施例と同様な方法で接合強度および耐熱衝撃性を評価した。その結果、接合強度は 1 8 k g / c mであり、熱衝撃試験では 5 0 0サイクル以上でも割れ、剝離の発生は見られなかった。また、第一実施例と同様に、従来の方法で作製した窒化アルミニウム複合基板についても同時に評価を行ったが接合強度は 1 1 k g / c mであり、 5 0サイクルで割れが発生した。したがって、本実施例においても従来法に比較して特性の向上が確認された。

すなわち本実施例においても前記第一実施例と同様に、金属層において窒化アルミニウム基板から遠ざかるに従って銀—銅合金の含有率のタングステンの含有率に対する比率が大きくされているため、熱応力が小さくされて、温度変化に対して高い耐久性を示すと同時に、高い接合強度が得られるのである。また、第一実施例と同様に両面が同様な構造にされているため、一層高い耐久性、強度が得られる。更に、本実施例においては、金属層が四層であるため、第一実施例に比較して一層熱応力を低減する効果が大きい。

また、セラミック焼結体として窒化アルミニウム基板が用いられているため、第一実施例よりも一層熱伝導性に優れ、一層高い耐久性が得られ、パワー半導体モジュール等に用いる基板として更に好適である。また、その他、第一実施例と同様に、容易に前記のような金属層の構造が得られると共に、銅板の同時接合も可能であり、無酸素銅板に関しても同様な効果が得られる。

次に、本発明の更に別の実施例を説明する。

例えば平均粒径 1. 0 jim, 1. 8〃m、 2. 5 zmの三種のモリブデン粉末をそれぞれ 8 5重量％と、二酸化マンガン（Mn0₂ ) 1 3重量％と、酸化チタン（T i 0₂ ) 2重量％とから成る原料を調合し、第一実施例と同様に三種のモリブデンペースト H、 I、 Jを作製した。このモリブデンペーストを、例えば、粉末加圧成形等で成形の後所定の温度で焼成された、 A 1₂ 0₃ 純度 9 4 %のアルミナ焼結体 (5 0 x 5 0 X 1 0 mm厚み) の一方の面に、例えば約 3 0 umの厚さで順次印刷 , 乾燥（ 1 2 CTC) し N₂ -H₂ 雰囲気下で 1 5 0 (TCにて焼成してァルミナ焼結体に三層のモリブデンメタライズ層を形成した。

このメタライズ層は第一実施例と同様な構造に形成されており、これに厚さ 5 0 zmの BAg— 8板ろう材をメタライズ面上に載置し、更にその上に厚み 5 0 0 mの無酸素銅板を載置した後スぺーサーを介して 0. 5 g/mm² の荷重をかけて、例えば 1 x 1 0— ^storrの真空中 8 5 (TCで 2 0分間加熱処理して、アルミナ—銅接合体を得た。

このアルミナ—銅接合体の剪断強度を測定したところ、 1 5 k gZm _m 2 であった。また、第一実施例と同様に熱衝撃試験を行ったところ、やはり、 5 0 0サイクル後にも割れ、剝離の発生は見られなかった。一方、同時に従来の方法で作製したアルミナ一銅接合体を評価したが、剪断強度は 9 k g/mm² であり、また、 5 0サイクルで割れが発生し、本実施例においても従来の接合方法に対する特性の向上が確認された。すなわち、本実施例においても、アルミナ焼結体と銅板を接合する金属層が、アルミナ焼結体から遠ざかるに従って、銀一銅合金の含有率のモリブデンの含有率に対する比率が大きくされているため、熱応力が小さくされて、温度変化に対して高い耐久性を示すと同時に、高い接合強度が得られるのである。

また、本実施例においては、前記第一実施例と同様に、アルミナ焼結体から遠ざかるに従って気孔率が大きくされたモリブデン層が容易に得られると共に、このモリブデン層上に板ろう材を、銅板で挟み込んで載置し、荷重をかけ、加熱することで第一実施例よりも一層容易に所定の金属層が得られると共に金属層の形成と同時に銅板が接合される。

なお、高融点金属と銀一銅系合金の界面にニッケル（N i ) 層を介在させることも可能である。例えば、これまでの第一〜第三実施例において、図 4に示すようなメタライズ基板 2 0のメタライズ面に無電解ニッケルメツキを施し、メタライズ層 1 8 b、 1 8 c内の気孔 2 2を形成するタングステン或いはモリブデン等の高融点金属メタライズ表面に、二ッケル金属層を形成した。その後、前述のぞれぞれの実施例と同様な方法で複合基板を得た。

本実施例においては、ろう材をメ夕ライズ層 1 8に含浸する前に、メ夕ライズ層 1 8にニッケルメツキを施しているため、ニッケル層により銀一銅系合金のタングステンに対する濡れ性が向上し、前記メタライズ層 1 8内のアルミナ基板 1 6等のセラミック基板に近い側の低気孔率のところまで銀—銅合金が含浸されて、タングステンと銀—銅合金の接合を強固とすることができる。したがって、全体として緻密化するため一層熱伝導性に優れた金属層 3 4が得られる。

次に、本発明の更に別の実施例を説明する。

例えば、ムライト粉末に 0 . 5重量％の M g Oを含有する原料粉末を用い、第一実施例と同様にして厚さ 0 . 8 mmのムライト生シートを成形した。一方、例えば平均粒径 1 . 2〃m、 2 . 6 u rn, 3 . l〃mのそれぞれ粒径の異なる三種のタングステン粉末 9 0重量％に、上記ムラィト生シートと同一組成の原料粉末を 1 0重量％添加した混合粉末を用レ、、第一実施例と同様にしてタングステンペースト K、 L、 Mを作製した。

上記のムライト生シ一トを例えば力ッ夕一により例えば 4 5 X 4 5 m mに切断し、数枚の基板用生シートを得た。この基板用生シートに第一実施例と同様にしてタングステンペースト K、 L、 Mを約 3 0〃mの厚さで順次印刷 .積層した後、 N ₂ - H ₂ 雰囲気下で 1 6 3 0 °Cにて焼成し、第一実施例におけるメタライズ基板 2 0 (図 4 ) と同様の構造のメ夕ライズ基板を得た。これに前述の銀—銅—チタンペーストを同様に印刷 ·脱脂し、一部のメタライズ基板には厚さ 2 5 0 mの無酸素銅板を両面に載置し、スぺーサーを介して 0 . 3 g /mm ² の荷重をかけ他のメ夕ライズ基板と共に例えば 1 X 1 0— ⁵ torrの真空中 8 5 0でで 2 0 分間加熱処理して、図 5および図 6に示したものと同様なムライト複合基板および被膜基板を得た。

上記 2種の基板を第一実施例と同様な方法で接合強度および耐熱衝撃性を評価した。その結果、接合強度は 1 8 k g / c mであり、熱衝撃試験では 5 0 0サイクル以上でも割れ、剝離の発生は見られなかった。本実施例においても、前述してきた実施例と同様な作用により熱応力が小さくされて、温度変化に対して高い耐久性を示すと共に高い接合強度が得られる。

また、本実施例においては、セラミック焼結体としてムライトが用いられているため、アルミナゃ窒化アルミ二ゥムと比較して誘電率が低く、基板材料として用いた場合にこれらに比較して信号遅延時間が短縮され、一層好適である。

次に、本発明の更に別の実施例を説明する。例えば、 S i ₃ N₄ 92重量、 A 12 0₃ 3重量％、 Y₂ 0₃ 2重量％および微量の不可避不純物を含む窒化ゲイ素原料を調合し、ァクリル樹脂系の成形助剤を添加してスラリ一を作製し、スプレードライヤ一によつて造粒粉末を得た。これを例えば油圧成形機等で所定の形状に予備成形後、 2 t 0 n/cm² の圧力で静水圧成形し、 01 5mmx 5 O mmの円柱状の成形体を得た。一方、例えば平均粒径に 1 m、 2. 5〃m、 3. 3 mのそれぞれ粒径の異なる三種類のタングステン粉末に、上記窒化ゲイ素原料と同一組成の原料粉末を、 1. 1 mのものに対しては 25内部重量％、他の二つには 1 0内部重量％添加した混合粉末を用い、第一実施例と同様にしてタングステンペースト N、 0、 Pを作製した。

上記の円柱状成形体の一方の端面に、第一実施例と同様にして夕ングステンペ一スト 0、 Pを例えば約 3 0 mの厚さで順次印刷。積層した後、 4気圧の N₂ ガス雰囲気下で 1 75 (TCにで焼成し、一方の端面に第一実施例と同様なメタライズ層 1 8を有する窒化ゲイ素焼結体を得た。これにリチウム（L i ) を 0. 3重量％含む厚さ 5 0 の B A g— 8ろう材箔を前記メタライズ層上に載置し更にその上に厚さ 5 0 0 imの無酸素銅板を両面に載置し、スぺ一サ一を介して 0. 3 g/ mm² の荷重をかけ、例えば 1 X 1 0 -⁵torrの真空中 8 5 0 °Cで 1 5分間加熱処理して、円柱状の窒化ケィ素焼結体の一方の端面に銅板の接合された複合構造体を得た。

上記複合構造体を第三実施例と同様な方法で接合強度（剪断強度）および耐熱衝撃性を評価した。その結果、剪断強度は 1 5 k g/mm² であり、熱衝撃試験では 1 00サイクル以上でも割れ、剥離の発生は見られなかった。

本実施例においても、前述してきた実施例と同様な作用により、熱応力が小さくされて温度変化に対して高い耐久性を示すと共に高い接合強度が得られる。

また、本実施例において、セラミック焼結体として用いられている窒化ゲイ素は、一般的な基板材料の中では比較的強度の高いアルミナと比較しても、その曲げ強度が 1 . 5〜 2倍程度であり、また、破壊靭性値も 2〜3倍程度であるため、特に耐熱衝撃性に優れている。例えば、本実施例の方法において、ろう材と銅板との間に 1 0 / mのチタン箔を載置する他は同様にして、本実施例と同形状の銅板 -アルミナ接合体を製作し、その耐熱衝撃性を上記と同様に評価したところ、約 1 0サイクルで割れが発生した。それに対して本実施例の複合構造体は上記のように 1 0 0サイクル後も割れ、剝離の発生が認められない。すなわち、窒化ケィ素複合構造体は、接合強度を高くするためにチタン箔を用いた銅一アルミナ接合体よりも高い耐熱衝撃性を有し特に温度サイクルの厳しい条件下で用いられる接合体として適している。

次に、上述の実施例において、メタライズ層に含浸する銅或いは銀— 銅系合金として鋼を用いた例を以下に説明する。

図 7は本発明の一実施例である被膜基板 4 0の断面構造を模式的に拡大して示す図である。この被膜基板 4 0は、セラミック基板層 4 2の上下両面に、タングステン一銅合金層 4 6および 5 0と、銅或いは銅合金層 4 4および 4 8とを有して成っている。本実施例においては、タングステン—銅合金層 4 6および 5 0は、それぞれ 4つの層 4 6 a、 4 6 b、 4 6 c , 4 6 dおよび、 5 0 a、 5 0 b , 5 0 c , 5 0 dから構成されている。

タングステン一銅合金層 4 6および 5 0は、銅の含有量のタングステンの含有量に対する比率が、層 4 6 a、 4 6 b、 4 6 c , 4 6 dまたは 5 0 a、 5 0 b、 5 0 c、 5 0 dの間において、セラミツク基板層 4 2 から遠ざかるに従って段階的または連続的に大きくされており、その比率の勾配は、任意に選択が可能なものとされている。例えば、セラミック基板層 4 2側から 0、 1 / 4、 1 / 2 , 3 / 4のような比率にされており、このような比率の勾配に従って、タングステン一銅合金層 4 6および 5 0の熱膨張率、熱伝導率、ヤング率、密度、電気伝導度等は、夕ングステンと銅の有する特性の中間の値に任意に変化させることができる。また、タングステン一銅合金層 4 6および 5 0におけるタングステンと銅の界面に、ニッケルを介在させると、両者の接合をより強固なものとすることができる。このような構造とすることにより、特にヒートショックやヒートサイクルに対し、物性の異なる界面で発生する熱応力を緩和でき、耐久性および信頼性に優れたものとすることができる。図 8は他の実施例である複合基板 5 2の断面構造を模式的に拡大して示す図である。この複合基板 5 2は、図 7に示したものと同様なタングステン金属層 4 6および 5 0の最上層 4 6 dおよび 5 0 dの上に、金属板 5 4および 5 6を重ねて接合して成るものである。この金属板としては銅或いは銅を主体とする合金が望ましいものであり、タンダステン金属層 4 6 dおよび 5 0 d上に銅或いは銅合金層 4 4および 4 8を形成する際に同時に接合するか、若しくは銀一銅—チタン系の活性金属ろぅ材を用いることなどにより接合される。

以下に、上記の被膜基板 4 0および複合基板 5 2の製造方法の一例を説明する。

平均粒径 1 . 0〃m、 1 . 8〃m、 2 . 4 ^ m, 3 . 0 z mのそれぞれ粒径の異なる 4種類のタングステン粉末（例えば純度 9 9 . 9 %以上）に、下記アルミナグリーンシ一トと同一組成のアルミナ粉末（純度 9 4 %、残部 C a 0、 M g O、 S i 0 ₂ ) を 1 0内部重量と、テルビネオ —ルおよびェチルセルロースを含有するビヒクルを添加し、三本ロールミルで混練し、タングステンペースト Q、 R、' S、 Tをそれぞれ調整した。一方、アルミナ粉末に 6重量％の焼結助剤（C a O、 MgO、 S i 0₂ ) を含有する原料粉体に、メタクリル酸エステル樹脂を加え、ドク夕一ブレード法により成形した厚さ 0. 8 mmのアルミナグリ一ンシ一トを 4 5 X 4 5 mmに切断した。

このグリーンシ一卜に対し、その上下両面に前述のタングステンぺ一スト Q、 R、 S、 Tを約 4 0〃mの厚さで印刷後、 80°Cで乾燥するプ口セスを順次繰り返し、タングステンペースト Q、 R、 S、 Tを印刷積層したアルミナグリーンシ一卜を得た。この印刷積層グリーンシ一トを Ν₂ — Η₂ 混合ガス中で 1 6 0 0 °Cにて焼成した。得られた構造体はァルミナ基板の両面に 4層のタングステン層を有するもので、タングステン層の表層から第 3層に至る層は下層よりも上層の方が気孔率が大きいポーラス層を形成し且つ気孔率が段階的に変化する傾斜構造を有していた。

得られた構造体のタングステン層上に銅粉末（例えば平均粒径 3 ^m) にビヒクルを添加後、三本ロールミルで混練調整した銅ペーストを 3 0 /imの厚さで印刷した後 1 1 5 0でにて不活性ガス中で加熱した。得られた構造体は前述の被膜基板 4 0と同様な構造となっており、タングステン層の気孔中へは銅が含浸したタングステン一銅合金が形成され、且つ上層から下層に至るに従レ、タングステン一銅の銅含有量が減少するタングステン一銅組成が段階的に変化する傾斜構造を有していた。

次に、他の製造方法の例を説明する。

平均粒径 1. 0〃m、 1. 8〃m、 2. 4 zm、 3. 0〃mのそれぞれ粒径の異なる 4種類のタングステン粉末（例えば純度 9 9. 9 %以上) に、下記窒化アルミニウムグリーンシートと同一組成の A 1 N粉末（例えば純度 9 6 %、残部 4 %Y₂ 〇₃ ) を 1 0内部重量％と、テルビネオールおよびェチルセルロースを含有するビヒクルを添加し、三本ロールミルで混練し、タングステンペースト V、 W、 X、 Yをそれぞれ調整した。一方、 A 1 N粉末（例えば平均粒径 1. 9 /zm) に 4重量％の丫₂ 〇₃ (例えば^^均粒径 1. 2 zm) を添加して、メ夕クリル酸エステル樹脂を加え、ドク夕一ブレード法により成形した厚さ 0. 8mmの窒化アルミニウムグリーンシートを 4 5 x 4 5 mmに切断した。

このグリーンシ一卜に対し、その上下両面に前述のタングステンぺ一スト V、 W、 X、 Yを約 4 0〃mの厚さで印刷後、 8 0°Cで乾燥するプ口セスを順次繰り返し、タングステンペースト V、 W、 X、 Yを印刷積層した窒化アルミニウムグリーンシートを得た。この印刷積層グリーンシ一トを N₂ -H₂ 混合ガス中で 1 7 5 0 °Cにて焼成した。得られた構造体は窒化アルミニゥム基板の両面に 4層の夕ングステン層を有するもので、タングステン層の表層から第 3層に至る層は、下層よりも上層の方が気孔率が大きいポーラス層を形成し、且つ気孔率が段階的に変化する傾斜構造を有していた。

得られた構造体のタングステン層上に銅粉末（例えば平均粒径 3 βπθ にビヒクルを添加後三本ロールミルで混鍊調整した銅ペーストを 3 0 zmの厚さで印刷した後、 1 1 5 (TCにて不活性ガス中で加熱した。得られた構造体は前述の被膜基板 4 0 と同様な構造となっており、タングステン層の気孔中へは、銅が含浸したタングステン一銅合金が形成され、且つ上層から下層に至るに従いタングステン一銅の銅含有量が減少するタングステン—銅組成が段階的に変化する傾斜構造を有していた。

次に、上述の 2つの実施例で得られた構造体に金属体を接合する方法の一例を説明する。

銀粉末（例えば平均粒径 1. 5 im) 7 2重量％、チタン粉末（例えば平均粒径 2 0 /m) 2重量％、銅粉末（例えば平均粒径 1. 5 urn) 2 6重量％をァトライ夕にて粉砕混合後ェチルセルロースとテルビネオールを含有するビヒクルを加え、三本ロールミルで混練し、銀—銅—チタン活性金属ろう材を調整した。前述の実施例で得られた被膜基板 4 0 と同様な構造の構造体の両面にこの銀一銅一チタン活性金属ろう材を印刷塗布し、銅板 0. 2 mm厚を重ねて 9 0 0 °Cの真空中でこれを接合して、前記の複合基板 5 2と同様な構造の金属 -セラミックス複合体を得た。

次に、更に別の製造方法の例を説明する。

平均粒径 1. 5 zm、 2. 1 m、 3. 0 mのそれぞれ粒径の異なる 3種類のタングステン粉末（例えば純度 9 9. 9 %以上）に、メタクリル酸エステル樹脂を加え、ドクターブレード法により成形した厚さ 2

0 0 mのタングステングリーンシート a、 b、 cを調整した。実施例 1で得られたアルミナシ一ト（例えば厚さ 0. 8mm) の 4 5 x 4 5m m上に前述のタングステンペースト Aを約 3 0 mの厚さで印刷後、乾燥して、前述のタングステングリーンシート a、 b、 cをアルミナグリ —ンシ一卜の上下面に重ねて熱圧着した。このグリーンシート積層体を N₂ -H₂ 混合ガス中で 1 6 0 (TCにて焼成した。得られた構造体は、アルミナ基板の両面に 4層のタングステン層を有するもので、夕ングステン層の表層から第 3層に至る層は、下層よりも上層の方が気孔率が大きいポーラス層を形成し、且つ気孔率が段階的に変化する傾斜構造を有していた。

得られた構造体のタングステン層上に銅粉末（例えば平均粒径 3 urn) にビヒクルを添加後、三本ロールミルで混練調整した銅ペーストを 3 ◦ umの厚さで印刷した後、 1 1 5 0°Cにて不活性ガス中で加熱した。得られた構造体は前述の被膜基板 4 0 と同様な構造となっており、タングステン層の気孔中へは、銅が含浸したタングステン—銅合金が形成され、 JP1993/000918

且つ上層から下層に至るに従い夕ングステン—銅の銅含有量が減少するタングステン一銅組成が段階的に変化する傾斜構造を有していた。

次に、更に別の製造方法の例を説明する。

平均粒径 1. 0 / m、 1. 8 m, 2. 4〃m、 3. 0 mのそれぞれ粒径の異なる 4種類のタングステン粉末（例えば純度 9 9. 9 %以上) に、下記アルミナグリーンシートと同一組成のアルミナ粉末（例えば純度 94 %、残部 C aO、 MgO、 S i 0₂ ) を 1 0内部重量と、テルビネオールおよびェチルセル口一スを含有するビヒクルも添加し、三本ロールミルで混練し、タングステンペースト Q、 R、 S、 Tをそれぞれ調整した。一方、アルミナ粉末に 6重量％の焼結助剤（C a O、 MgO、 S i 0₂ ) を含有する原料粉体に、メタクリル酸エステル樹脂を加え、ドクターブレード法により成形した厚さ 0. 8mmのアルミナグリーンシートを 4 5 X 4 5 mmに切断した。

このグリ一ンシ一トに対し、その上下両面に前述の夕ングステンペ一スト Q、 R、 S、 Tを約 4 0〃mの厚さで印刷後、 8 (TCで乾燥するプ口セスを順次繰り返しタングステンペースト CK , S, Tを印刷積層したアルミナグリーンシートを得た。この印刷積層グリーンシートを N₂ 一 H₂ 混合ガス中で 1 60 0 °Cにて焼成した。得られた構造体はァルミ'ナ基板の両面に 4層のタングステン層を有するもので、夕ングステン層の表層から第 3層に至る層は、下層よりも上層の方が気孔率が大きいポーラス層を形成し、且つ気孔率が段階的に変化する傾斜構造を有していた。

得られたタングステン層上に無電解にてニッケルメツキを施し、夕ングステン金属上にニッケルメツキ層を形成させた。こうして得られた夕ングステン層上に銅粉末（平均粒径 3 m) にビヒクルを添加後、三本ロールミルで混練調整した銅ペーストを 3 0 /imの厚さで印刷した後、 3 000918

1 1 5 0 °Cにて不活性ガス中で加熱した。タングステン層の気孔中へは、銅が含浸したタングステンー銅合金が形成されており、且つ上層から下曆に至るに従い夕ングステン一銅の銅含有量が減少するタングステン一銅,組成が段階的に変化する傾斜構造を有していた。また、タングステンと銅の界面には、ニッケル層が存在しており、タングステンと銅との界面で両者を強固に保持した構造を成していた。

次に、上述の実施例で得られた複合基板 5 2と、従来の方法で作製された銅接合基板の特性を比較するため、以下の試験を実施した。

銀粉末（例えば平均粒径 1 . 5 rn) 7 2重量％、チタン粉末（例えば平均粒径 2 0 « m ) 2重量％、銅粉末（例えば平均粒径 1 - 5 rn) 2 6重量％をァトライタにて粉砕混合後ェチルセルロースとテルビネオ —ルを含有するビヒクルを加え、三本ロールミルで混練し銀—銅—チタン活性金属ろう材を調整した。得られた活性金属ろう材ペーストを用い、寸法 3 6 x 3 6 m m, 板厚 0 . 6 3 5 m mのアルミナ基板の両面に印刷し、 0 . 2 mm厚の銅板を重ねて 9 0 0 °C真空中にてこれを接合した銅接合了ルミナ基板を比較例として用意した。

これに対し比較例と同寸法となるように前述の実施例の方法で得られた銅板を接合した複合基板 5 2を用意し、比較例の銅接合アルミナ基板と共に繰り返し熱衝撃試験機に投入し、 - 5 5 ^aCに 3 0分保持後、 1 5 0 °Cに加熱し、 3 0分保持する一連の工程を 1サイクルとしてこのサイクルを繰り返す熱衝撃試験に供した。なお、試験温度の保持は、大気を冷却或いは加熱し、試験体が投入されている試験機に低温又は高温の空気を送り込むことにより調節した。この結果、比較例の銅接合アルミナ基板は、 5 0サイクル後に基板に割れが発生したが、本発明の複合基板 5 2は、 5 0 0サイクル後も割れの発生は認められなかった。

図 9は、本発明の一実施例である複合基板 3 0、 5 2等が、パワー半導体モジュール 5 8に適用された例を模式的に示す図である。複合基板 3 0、 5 2の一方の面に回路パターンを有して接合された銅板 2 6、 5 4の一部には、半導体素子 6 0が半田層 6 2を介して接合されている。また、半導体素子 6 0は、配線 6 4により銅板 2 6、 5 4の他の部分に接続されている。このパワー半導体モジュール 5 8に用いられている複合基板 3 0、 5 2は、前述の実施例で説明したようにセラミック基板 6 6の、上記半導体素子 6 0が接合されている面とは反対側の面にも放熱板としての銅板 2 8、 5 6が接合されて（図 5および図 8参照）、半導体素子 6 0で発生した熱が好適に放散されるようになっており、優れた耐熱衝撃性、耐久性、信頼性を有する。なお、セラミック基板 1 6は、前述の実施例で示したアルミナ基板、窒化アルミニウム基板等が用いられており、また、本実施例においては、金属層 3 4 タングステン一銅合金層 4 6等は省略して示してある。

図 1 0は本発明の一実施例である複合基板 3 0、 5 2等が、他のパヮー半導体モジュール 6 8に適用された例を模式的に示す断面図である。セラミック基板 6 6に半導体素子 6 0が接合されている面の側の構造は、上述のパワー半導体モジュール 5 8と概略同様であるので説明を省略する。セラミック基板 6 6の反対側の面には、金属層 3 4或いは夕ングステン一銅合金層 4 6等を介して銅板 2 8、 5 6が接合され、更に、ヒ一トシンク 7 0が半田層 7 2を介して接合されている。そのため、上記のパヮ一半導体モジュール 5 8に比較して一層効率よく半導体素子 6 0で発生した熱が放散される。なお、ヒートシンク 7 0には、一層放熱効率を高めるため、半田層 7 2の反対側に多くのフィン 7 4が設けられて表面積を大きくされている。また、本実施例においては、銅板 2 8、 5 6 は放熱板としてではなく、導体として回路の一部を形成して用いられている。 P T/JP1993/000918

以上、本発明の実施例を詳細に説明したが、本発明は更に別の態様でも実施される。

前述の実施例では、セラミック焼結体として、アルミナ、窒化アルミ二ゥム、ムライト、窒化ゲイ素を用いたが、その他にもジルコニァ、マグネシァ、窒化ホウ素、炭化ゲイ素、酸窒化アルミニウム、炭化ホウ素、ホウ化ジルコニウム等が利用可能であり、これらのセラミック焼結体には不可避不純物の他、焼結助剤が含まれていても良い。焼結助剤としては、実施例で述べたものの他に、例えば、アルミナに対しては Y ₂ 0₃ 、 B a 0、 C r 2 〇₃ 等が、窒化アルミニウムに対しては、 C a〇、 B a 〇、 S r〇、 C a C 0₃ 、 B a C 0₃ 、 S r C 0₃ 、アルミン酸カルシゥム、 La ₂ 0₃ 、 Ce0₂ 等が挙げられる。また、その形伏は実施例の板状円柱状の他に角柱状等用途に応じたものにできる。また、その成形方法は、等方圧成形、押出成形鐘込み成形、射出成形等でも良い。なお、本発明の方法によれば、発生する熱応力が小さいため、比較的低強度のセラミック焼結体にも金属体を接合することが可能である。

また高融点金属としては熱膨張率の小さいタングステン（W) やモリブデン（Mo)等が用いられ、好ましいものであるが、これにそれらの酸化物やセラミック焼結体と同組成の原料、マンガン、チタン、レニゥム等が一種乃至数種適量添加されたものも好適である。例えば、ァルミナゃ窒化アルミニウム、窒化ゲイ素、ムライト等の用いられるセラミック焼結体材料を構成する成分を添加成分として含有する、 W - A 1

2 0₃ 、 W-A 1 a 0₃ -S i 0₂ -MgO-C a 0, W— A 1 N、 W -A 1 N- Y_z 0₃ 、 W— A 1 N— Ca〇、 W— S i₃ N₄ 、 W— S i

3 N₄ — Y₂ 0₃ -A 1 a 0₃ 、 W-A 12 0₃ -S i 0₂ 、 W-A 1 2 0₃ -S i 0₂ — MgO等や、上記の組成系において Wを W0₃ を含む W、 Mo、 Mo0₃ を含有する Moに置換した組成系に加え、これらに種々の添加物を加えた Mo—Mn、 Mo— Mn - Ti、 Mo— S i O ₂ 、 Mo -Mo 0₂ 一 Ti 0₂、 Mo 0₃ -Mn 0₂ 一 Ti 0₂ —S i 0₂、 W-Mn0₂ — T i 0₂ — S i O ₂、 W—Re— Mn0₂ — Ti Oz等が代表的なものとして挙げられる。これらの添加物の種類および量は、セラミック焼結体と高融点金属との密着性、金属層の熱伝導率、熱膨張率等を考慮して定められる。なお、添加量は、高融点金属の熱伝導率、熱膨張率等が適正な範囲にあるように 30%以下、更に好適には 1 0%程度が良い。また、前述の実施例では、高融点金属の粒径の異なるものを用いることにより、高融点金属層の気孔率が連続的或レ、は段階的に変化するようにしたが、上述の添加物の種類 ·量を変えて焼結性を調節することによつても良い。

また高融点金属層は、実施例で示したようにセラミック生成形体と同時焼成する方法（湿式法）、或いは予め焼結されたセラミック焼結体上に焼成によって形成させる方法（乾式法）の何れによって形成されても良い。何れの方法によるかは原料粉末の粒度、焼結性および焼結助剤の還択等により決定される。また,，高融点金属の積層方法としては実施例で述べたペーストを印刷する方法の他に、例えば実施例のアルミナ生シートと同様な製法で作製した、所定の種類の高融点金属生シ一トを積層して例えば熱圧着する方法によっても良く、印刷法による場合に、比較的厚い (50 /zm以上) 層が必要であれば同じペーストを重ねて印刷する等の方法によれば良い。

また、高融点金属層を形成するときの焼成条件は、セラミック生成形体或いは焼結体の種類、高融点金属の種類等により定められるものであり、必要に応じて加圧下で焼成されても良い。

また、金属層は、銀一銅系合金の含有率と高融点金属の含有率の比率が連続的に変化する方が熱応力の低減には好ましいが、この比率の異なる二層以上（すなわち、比率が段階的に変化する層）で構成されていれば充分な効果が得られる。上記比率が連続的に変化する金属層を得るには、例えば、各メタライズ層間の気孔率の差を小さくし、且つ、できるだけ多層構造とすれば良い。このようにすれば、銀—銅系合金の含浸量が各層内で流通抵抗等に起因して深さ方向に不均一、すなわちセラミック焼結体に近い側では少なく、遠い側では多くされることにも影響されて、各層界面での急激な上記比率の変化がなくなり、上記比率が連続的に変化する金属層が得られる。なお、段階的に変化する場合には、上記比率の異なる三層以上で構成されていることが熱応力低減のためには一層好ましい。更に、金属層の最下層および最上層は、必ずしも実施例で示したように銀一銅系合金を含まない層或いは高融点金属を含まない層でなくともよい。銀一銅系合金の含有率と高融点金属の含有率の比率は、必要な接合強度、熱膨張率等により適宜定められるものである。但し、セラミック饞結体と金属層の接合強度を高めるためには最下層は銀—銅系合金を含まない層すなわちセラミック焼結体との濡れ性等が良好な高融点金属層であることが好ましく金属層と金属体との接合強度を高めるためには最上層は高融点金属を含まない層すなわちはんだ濡れ性等の良好な銀一銅系合金層であることが好ましい。なお、高融点金属層内の気孔に完全に銀一銅系合金が含浸されなくとも、すなわち、金属層内に気孔が残っていても、本発明の効果は充分に得られる。本発明においては、上述のように粒径や焼結性等の異なる高融点金属原料を選択し、これらを積層することにより、制御された気孔率を有し、セラミック焼結体から遠ざかるに従ってその気孔率が段階的或いは連続的に小さくされた高融点金属層を形成し、前記気孔中に銅或いは銀一銅系合金を含浸させることにより、セラミック焼結体から遠ざかるに従って、銅或いは銀 -銅系合金の含有率の高融点金属の含有率に対する比率が段階的或いは連続的に大きくされた金属層が得られれば良いのである。なお、金属層は、実施例でも示したようにセラミック焼結体の上下両面に形成されても良いし、一方の面のみに形成されても良い。

また、実施例で示したように、接合強度が充分であればメタライズ層形成後のニッケルメツキは必ずしも必要ではないが、ニッケルメツキが施されると、酸化膜が形成されている高融点金属層内の気孔表面とろう材との濡れ性が改善されて両者の密着性が高められるため、一層高い接合強度が得られる。

また、銀一銅系合金は、銀が 4 0〜9 6重量％、銅が 4'〜6 0重量％の範囲内で合計 1 0 0重量になるようにされたものが良い。また、実施例で示したチタンの他に、 3 0重量％以下の割合で N b、 H f 、 Z r 等が含まれていても、チタンを添加した場合と同様な効果が得られ、更に、必要に応じて L i、 S n、 N i _¾ I n等が微量添加されていても良い。なお充分な接合強度が得られるのであればこれらの添加物は必ずしも用いなくとも良い。

また含浸工程における加熱は A r等の不活性ガス雰囲気や i X 1 CT³ torr以上の真空中で、温度範囲 6 5 0〜9 5 0で 0 . 1〜0 . 5 g /mm ² 程度の荷重をかけた条件が好ましい。これらの条件は、金属層の厚み、銀一銅系合金の組成等によって適宜定められるものである。また、接合する金属体は、無酸素銅板の他に、タフピッチ銅、銅合金、銅メツキ金属、銅クラッド金属、ニッケル等が好ましく、 S S鋼板、ステンレス鋼板等でも良い。本発明の接合構造によれば、セラミック焼結体と接合される金属体の熱膨張率の差に起因する熱応力が殆ど発生しないため、熱応力をその展性で吸収する銅以外にも様々な金属体の接合が可能であり、更に、従来の作製或いは使用限界であった 1 0 0 X 1 0 0 0 . 5 mm程度よりもはるかに大きな面積，厚み（例えば厚み 5 mm 以上）の金属板の接合が可能である。したがって、例えば圧電素子用の半導体モジュールのように 5 0〜6 O Aもの大電流を必要とする基板等に用いる場合に、必要とされる比較的厚い銅回路板を接合することができる。また、実施例で示したように、金属体はセラミック焼結体の上下両面或いは一方の面のみの何れに接合されても良いが、上下両面に接合されている場合にはセラミック焼結体の両面に与えられる応力が略同様とされるため、セラミックス—金属複合体の耐熱衝撃性の面からは一層好ましい。

その他、一々例示はしないが、本発明はその主旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得るものである。

Claims

請求の範囲

1 . セラミック焼結体と、該セラミック焼結体の少なくとも一部の表面上に固着された金属層とを含むセラミックス一金属複合体であって、該金属層は、前記セラミック焼結体の表面から遠ざかるに従って連続的または段階的に気孔率が大きくされた高融点金属層に形成された気孔に、銅或いは銀一銅系合金が含まれて構成され、該銅或いは銀-銅系合金の含有率の該高融点金属の含有率に対する比率が、実質的に前記セラミック焼結体の表面から遠ざかるに従って連続的または段階的に大きくされたものであることを特徵とするセラミッタス-金属複合体。

2 . 前記金属層において、前記高融点金属と銅或いは銀 -銅系合金の界面にニッケル層が介在されていることを特徵とする請求の範囲 1 に記載されたセラミックス—金属複合体。

3 . 金属体が前記金属層を介して前記セラミック焼結体と接合されていることを特徴とする請求の範囲 1に記載されたセラミックス一金属複合体。

4 . 前記セラミック焼結体の前記金属体が接合された面とは反対側の面にも、前記金属体が前記金属層を介して接合されているものである請求の範囲 3に記載されたセラミックス—金属複合体。

5 . 前記金属層の表面に前記銅或いは銀 -銅系合金層が形成されていることを特徴とする請求の範囲 1に記載されたセラミックス一金属複合体。

6 . 前記金属層の前記セラミック焼結体側の最下層領域は、専ら前記高融点金属により構成されていることを特徴とする請求の範囲 1に記載されたセラミックス一金属複合体。

7 . 前記高融点金属は、タングステンまたはモリブデンである請求の範囲 1に記載されたセラミックス一金属複合体。

8 . 前記高融点金属層には、前記セラミック焼結体の成分の一部または全部が 3 0重量％以下の割合で含まれていることを特徵とする請求の範囲 1に記載されたセラミックス一金属複合体。

9 . 前記金属体は、銅、銅合金、銅メツキ金属、銅クラッド金属、ニッゲルの内の何れかであることを特徴とする請求の範囲 3に記載されたセラミックスー金属複合体。

1 0 . 前記セラミック焼結体は基板であり、前記金属体は銅または銅合金板であることを特徴とする請求の範囲 3に記載されたセラミックス一金属複合体。

1 1 . 前記金属体の少なくとも一部に回路パ夕一ンが形成されていることを特徴とする請求の範囲 1 0のセラミックス-金属複合体。

1 2 . 前記セラミック焼結体は、アルミナ焼結体または窒化アルミニゥム焼結体であることを特徵とする請求の範囲 1 に記載されたセラミックス-金属複合体。

1 3 . 前記金属体の少なくとも一部に半導体チップが接合され、パワー半導体モジュールとして用いられるものである請求の範囲 1 1に記載されたセラミックス—金属複合体。

1 4 . 前記セラミック焼結体の前記半導体チップが接合された面と反対側の面にも前記金属体が前記金属層を介して接合され、該金属体にヒ一トシンクが接合されていることを特徴とする請求の範囲 1 3に記載されたセラミックスー金属複合体。

1 5 . セラミツク焼結体の少なくとも一部の表面上に、多数の開放性気孔を有し、該セラミック焼結体の表面から遠ざかるに従って、その気孔率が連続的または段階的に大きくされた多孔質の高融点金属層を形成するメタライズ工程と、

該高融点金属層内に銅或いは銀一銅系合金を含浸させる含浸工程とを含むことを特徴とするセラミックス—金属複合体の製造方法。

1 6 . 前記含浸工程の前に、前記多孔質の高融点金属層内の開放性気孔を形成する表面にニッケル層を形成する工程を含むことを特徵とする請求の範囲 1 5に記載されたセラミックス一金属複合体の製造方法。

1 7 . 前記メタライズ工程は、セラミック成形体またはセラミック焼結体の表面に、高融点金属を主成分とし焼結後の気孔率の異なる少なくとも二種の高融点金属ペーストを焼結後の気孔率の小さい順に印刷積層する積層工程と、

該積層工程後に所定の条件で焼成する焼成工程と

を含むことを特徵とする請求の範囲 1 5に記載されたセラミックス— 金属複合体の製造方法。

1 8 . 前記メタライズ工程は、セラミック成形体またはセラミック焼結体の表面に高融点金属を主成分とし焼結後の気孔率の異なる少なくとも二種の高融点金属生シートを焼結後の気孔率の小さい順に積層して圧着する積層工程と、

該積層工程後に所定の条件で焼成する焼成工程と

を含むことを特徵とする請求の範囲 1 5に記載されたセラミックス一金属複合体の製造方法。

1 9 . 前記含浸工程は、前記高融点金属層の前記セラミック焼結体と反対側の表面に銅或いは銀 -銅系合金層を形成する工程と、

所定の条件で加熱処理する加熱工程と

2 0 . 前記銅或いは銀 -銅系合金層を形成する工程は、前記高融点金属層の表面に銅或いは銀—銅系合金箔を載置する工程であることを特徴とする請求の範囲 1 9に記載されたセラミックス—金属複合体の製造方法。

2 1 . 前記銅或いは銀 -銅系合金層を形成する工程は、前記高融点金属層の表面に銅或いは銀—銅系合金べ一ストを印刷する工程であることを特徴とする請求の範囲 1 9に記載されたセラミックス—金属複合体の製造方法。

2 2 . 前記含浸工程は、前記高融点金属層の前記セラミック焼結体と反対側の表面に銅或いは銀-銅系合金層を形成する工程と、

金属体を、該銅或いは銀 -銅系合金層の前記高融点金属層と反対側の面に接して位置させる工程と、

所定の条件で加熱処理する加熱工程と

を含むことを特徴とする請求の範囲 1 5に記載されたセラミックス一金属複合体の製造方法。