WO2018135490A1

WO2018135490A1 - セラミックス回路基板の製造方法

Info

Publication number: WO2018135490A1
Application number: PCT/JP2018/001022
Authority: WO
Inventors: 篤士酒井; 佳孝谷口; 山田　鈴弥
Original assignee: デンカ株式会社
Priority date: 2017-01-17
Filing date: 2018-01-16
Publication date: 2018-07-26
Also published as: JP6948350B2; US11160172B2; EP3573436A4; CN110169213B; EP3573436B1; CN110169213A; US20200128677A1; EP3573436A1; JPWO2018135490A1

Abstract

セラミックス基材と、セラミックス基材上に形成された金属回路とを備えるセラミックス回路基板を製造する方法が開示される。開示される方法は、アルミニウム粒子又はアルミニウム合金粒子のうち少なくとも一方を含む第一金属粉体を不活性ガスとともにノズルからセラミックス基材の表面に対して吹き付けることにより、セラミックス基材に接する第一金属層を形成させる工程であって、第一金属粉体が１０～２７０℃に加熱されてからノズル１０から噴出され、ノズル１０の入口における不活性ガスのゲージ圧力が１．５～５．０ＭＰａである、工程と、第一金属層を不活性ガス雰囲気下で加熱処理する工程等を含む。

Description

セラミックス回路基板の製造方法

　本発明は、セラミックス回路基板の製造方法に関する。

　近年、ロボット及びモーター等の産業機器の高性能化に伴い、大電流且つ高効率のインバータ等のパワーモジュールが発達している。そのため、半導体素子から発生する熱量が増加の一途をたどっている。発生した熱を効率的に拡散させるため、良好な熱伝導性を有するセラミックス回路基板等が用いられている。

　セラミックス回路基板を有するモジュールは、当初、簡単な工作機械に使用されてきたが、最近では溶接機、電車の駆動部、電気自動車のように、より厳しい環境条件下での耐久性と更なる小型化が要求される用途で使用されるようになっている。そのため、セラミックス回路基板に対しても、電流密度を上げるための金属回路の厚みの増加、熱衝撃に対する耐久性の向上が要求されている。

　セラミックス回路基板の金属回路部分の材料としては、数千ボルトの高電圧、数百アンペアの高電流が流れるため、銅が主として用いられている。しかし、使用時の環境変化、スイッチングによる熱等によって熱衝撃を繰り返して受けるため、銅とセラミックスの熱膨張差に起因する熱応力によって、セラミックス基材から銅回路層が剥離することがあった。

　耐熱衝撃性の向上のため、最近では窒化アルミニウム基材上に形成されたアルミニウム回路層を有するセラミックス回路基板が開発されている。しかし、アルミニウムは電気特性が銅と比較すると劣るため、アルミニウム回路層を有するセラミックス回路基板は、広く普及するまでには至っていない。

特開平１１－２５１６９８号公報特開２０１３－１８１９０号公報

　セラミックス回路基板の耐熱衝撃性と金属回路の電気特性の両立のため、異なる３種以上の金属からなるクラッド箔によって金属回路を形成することが提案されている（特許文献１）。ここでは、金属回路に使用するクラッド箔として、引っ張り強度及び耐力の小さいアルミニウム等を、セラミックスとの接合によって金属回路とセラミックスとの熱膨張差に起因する熱応力を低減する第一の金属層として設け、第一の金属層の上に電気特性の良好な銅等の第三の金属と、第一の金属と第三の金属の間に介在しこれらの反応及び拡散を防止するニッケル等の第二の金属とを設けたものが用いられる。

　上記のクラッド箔を用いることで、耐熱衝撃性と金属回路の電気特性を両立したセラミックス回路基板が実現できることが期待される。しかし、回路形成のためのエッチングの工程が、クラッド箔を構成している各金属のエッチング液に対する溶解速度が異なることにより、非常に複雑になるという問題があった。

　セラミックス基材上にアルミニウム層と銅回路層を形成する方法として、セラミックス基材とアルミニウム板をろう付けで接合し、アルミニウム板上にコールドスプレー法によって銅回路層を形成することが提案されている（特許文献２）。この方法により高信頼性セラミック回路基板が得られることが期待されるが、回路形成のためのアルミニウム層のエッチングの工程が複雑になるという問題もあった。

　そこで本発明の主な目的は、アルミニウムを含む第一金属層及び銅を含む第二金属層を含み良好な電気特性を有する金属回路をセラミックス基材上に有するセラミックス回路基板を、簡易な工程で製造できる方法を提供することにある。

　本発明の一側面は、セラミックス基材と、該セラミックス基材上に形成された金属回路とを備え、金属回路がアルミニウム又はアルミニウム合金のうち少なくとも一方を含む第一金属層と銅又は銅合金のうち少なくとも一方を含む第二金属層とを有する、セラミックス回路基板を製造する方法を提供する。当該方法が、
　アルミニウム粒子又はアルミニウム合金粒子のうち少なくとも一方を含む第一金属粉体を不活性ガスとともにノズルからセラミックス基材の表面に対して吹き付けることにより、前記セラミックス基材に接する前記第一金属層を形成させる工程であって、前記第一金属粉体が１０～２７０℃に加熱されてから前記ノズルから噴出され、前記ノズルの入口における前記不活性ガスのゲージ圧力が１．５～５．０ＭＰａである、工程と、
　前記セラミックス基材上に形成された前記第一金属層を不活性ガス雰囲気下で加熱処理する工程と、
　銅粒子又は銅合金粒子のうち少なくとも一方を含む第二金属粉体を不活性ガスとともにノズルから前記第一金属層の表面に対して吹き付けることにより、前記第一金属層に接する前記第二金属層を形成させる工程であって、前記第二金属粉体が１０～６５０℃に加熱されてから前記ノズルから噴出され、前記ノズルの入口における前記不活性ガスのゲージ圧力が１．５～５．０ＭＰａであり、前記第一金属層の端面と前記第二金属層の端面とが面一となる、又は、前記第一金属層の端面が前記第二金属層の端面よりも外側にはみ出るように、前記第二金属層が形成される、工程と、
　前記第一金属層上に形成された前記第二金属層を不活性ガス雰囲気下で加熱処理する工程と、を含むことができる。

　本発明によれば、アルミニウム及び／又はアルミニウム合金を主成分とする第一金属層と、銅及び／又は銅合金を主成分とする第二金属層とを含み良好な電気特性を有する金属回路を有するセラミックス回路基板を、簡易な工程で製造することができる。また、金属回路層の形成の際にマスクを使用することで、エッチングを必要とすることなく、配線パターンを有する金属回路をセラミックス基材上に形成することができる。

セラミックス回路基板の一実施形態を示す断面図である。セラミックス回路基板の一実施形態を示す断面図である。セラミックス基材上に金属層を形成する工程の一実施形態を示す模式図である。

　以下、本発明のいくつかの実施形態について詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

　図１は、セラミックス回路基板の一実施形態を示す断面図である。図１に示すセラミックス回路基板１００は、セラミックス基材１と、その両面上に設けられた金属回路２ａ，２ｂとを有する。金属回路２ａは、セラミックス基材１に接する第一金属層２１ａと第一金属層２１ａのセラミックス基材１とは反対側の表面上に設けられた第二金属層２２ａとからなる。金属回路２ｂは、セラミックス基材１に接する第一金属層２１ｂと第一金属層２１ｂのセラミックス基材１とは反対側の表面上に設けられた第二金属層２２ｂとからなる。第一金属層２１ａ，２１ｂ及び第二金属層２２ａ，２２ｂは、それぞれ、加熱された金属粉体を吹き付けることによって形成された層であり、半導体素子等と接続される回路パターンを有していることが多い。

　第一金属層２１ａ，２１ｂは、アルミニウム又はアルミニウム合金のうち少なくとも一方を主成分として含む。第二金属層２２ａ，２２ｂは、銅又は銅合金のうち少なくとも一方と主成分として含む。ここで、「主成分」とは、各金属層の全体質量を基準として９０質量％以上の割合で含まれる成分を意味する。第一金属層がアルミニウム及びアルミニウム合金の両方を含む場合、それらの合計量が９０質量％以上であればよい。同様に、第二金属層が銅及び銅合金の両方を含む場合、それらの合計量が９０質量％以上であればよい。主成分の割合は、９５質量％以上であってもよい。第一及び第二金属層、又は後述の金属粒子が、微量の不可避的不純物を含んでいてもよい。

　第一金属層２１ａ，２１ｂの厚みは、特に制限されないが、例えば３０～１０００μｍであってもよい。第二金属層２２ａ，２２ｂの厚みも、特に制限されないが、例えば１５０～３０００μｍであってもよい。第二金属層の厚さが第一金属層の厚さよりも小さくてもよい。

　図１のセラミックス回路基板１００において、第一金属層２１ａ，２１ｂの端面２１Ｅと第二金属層２２ａ，２２ｂの端面２２Ｅとが面一になっているが、図２に示すセラミックス回路基板１０１のように、第一金属層２１ａ，２１ｂの端面２１Ｅが、前記第二金属層２２ａ，２２ｂの端面２２Ｅよりも外側、すなわちセラミックス基材１の端部側にはみ出していてもよい。このように第一金属層２１ａ，２１ｂの端部がはみ出すように第二金属層２２ａ，２２ｂが設けられることにより、セラミックス回路基板がより優れた耐熱衝撃性を有することができる。耐熱衝撃性が不足すると、熱衝撃時に第二金属層で生じる熱応力を第一金属層が十分に緩衝できずに、セラミックス基材にクラックが発生し易くなる傾向がある。第一金属層２１ａ，２１ｂの端面２１Ｅが、前記第二金属層２２ａ，２２ｂの端面２２Ｅよりもはみ出している部分の幅は、例えば１～１０００μｍであってもよい。

　図１又は図２に示すセラミックス回路基板を製造する方法の一実施形態は、アルミニウム粒子又はアルミニウム合金粒子のうち少なくとも一方を含む第一金属粉体を不活性ガスとともにノズルからセラミックス基材１の表面に対して吹き付けることにより、セラミックス基材１に接する第一金属層２１ａ，２１ｂをそれぞれ形成させる工程と、セラミックス基材１上に形成された第一金属層２１ａ，２１ｂを不活性ガス雰囲気下で加熱処理する工程と、銅粒子又は銅合金粒子のうち少なくとも一方を含む第二金属粉体を不活性ガスとともにノズルから第一金属層２１ａ，２１ｂの表面に対して吹き付けることにより、第一金属層２１ａ，２１ｂに接する第二金属層２２ａ，２２ｂを形成させる工程と、第一金属層２１ａ，２１ｂ上に形成された第二金属層２２ａ，２２ｂを不活性ガス雰囲気下で加熱処理する工程と、から構成される。

　図３は、セラミックス基材上に金属層を形成する工程の一実施形態を示す模式図である。図３に示す方法では、粉体スプレー装置３を用いて金属粉体をセラミックス基材１の表面に吹き付けることにより、セラミックス基材１上に第一金属層２１ａが成膜される。第一金属層２１ａの成膜の後、その裏側の第一金属層２１ｂを成膜してもよい。

　図３に示す粉体スプレー装置３は、高圧ガスボンベ４、ヒーター６、粉末供給装置７、先細末広型のスプレーガンのノズル１０及びこれらを連結する配管から主として構成される。複数の高圧ガスボンベ４の下流側に第一の圧力調整器５ａが設けられており、第一の圧力調整器５ａの下流側で配管が２回路に分岐する。分岐した２回路の配管のそれぞれに、第二の圧力調整器５ｂ及びヒーター６と、第三の圧力調整器５ｃ及び粉末供給装置７とが、それぞれ接続されている。ヒーター６及び粉末供給装置７からの配管がノズル１０に接続されている。

　粉体スプレー装置３において、高圧ガスボンベ４には、作動ガスとして用いられる不活性ガスが例えば１ＭＰａ以上の圧力で充填されている。不活性ガスは、例えばヘリウム若しくは窒素の単一ガス、又はこれらの混合ガスであることができる。高圧ガスボンベ４から供給された作動ガスＯＧは、一方の回路上で第二の圧力調整器５ｂにより圧力が調整された上で、ヒーター６によって加熱され、その後、スプレーガンのノズル１０に供給される。作動ガスＯＧはまた、他方の回路上で第三の圧力調整器５ｃによって圧力が調整された上で、粉末供給装置７にも供給される。粉末供給装置７から、作動ガスＯＧとともに成膜用の金属粉体がスプレーガンのノズル１０に供給される。

　作動ガスＯＧ（不活性ガス）のゲージ圧力は、ノズル１０の入口１０ａにおいて１．５～５．０ＭＰａとなるように調節される。作動ガスＯＧ（不活性ガス）のゲージ圧力がこの範囲内にあることは、第一金属層を効率的に形成することに寄与する。同様の観点から、ノズル１０の入口１０ａにおける作動ガスＯＧ（不活性ガス）のゲージ圧力は、２．０～４．０ＭＰａであってもよい。作動ガス（不活性ガス）のノズルの入口におけるゲージ圧力は、ノズルと配管との接続部分で測定することができる。

　ヒーター６による加熱温度は、通常、成膜される金属粉体の融点又は軟化点よりも低く設定される。ヒーター６は、通常の加熱装置から任意に選択することができる。

　スプレーガンのノズル１０に供給された作動ガスは、先細の部分を通ることで圧縮され、その下流側の末広の部分で一気に膨張することで加速される。金属粉体は所定の温度に加熱されるとともに所定の速度まで加速された後、ノズル１０の出口から噴出される。ノズル１０から噴出された金属粉体は、セラミックス基材１の表面に吹き付けられる。これにより金属粉体がセラミックス基材１の表面に固相状態で衝突しながら堆積して、第一金属層２１ａを形成する。

　第一金属粉体は、アルミニウム粒子であってもよいし、アルミニウム－マグネシウム合金粒子、及びアルミニウム－リチウム合金粒子等の、他の金属元素を含むアルミニウム合金粒子であってもよい。マグネシウム、及びリチウムのようなアルミニウムよりも酸素親和性の高い金属元素を含有するアルミニウム合金粒子を用いると、成膜後の加熱処理の際、マグネシウム又はリチウム等の金属元素と、アルミニウム及びセラミックス基材表面の酸化物層とが反応し、これらが強固に接合する傾向がある。金属層の適切な硬度、及び、耐ヒートサイクル性の観点から、第一金属粉体におけるマグネシウム、リチウム等の金属元素の含有量は、第一金属粉体の質量に対して６．０質量％以下であってもよい。

　第一金属層の成膜において、第一金属粉体は１０～２７０℃に加熱される。第一金属粉体の加熱温度がこの範囲内にあることは、第一金属層の効率的な形成することに寄与する。同様の観点から、第一金属粉体が加熱される温度は、２６０℃以下であってもよく、２０℃以上であってもよい。本明細書において、金属粉体が加熱される温度は、金属粉体の最高到達温度を意味する。ノズル１０の入口における不活性ガスの温度を、金属粉体が加熱される温度とみなすこともできる。ここで、本明細書において「加熱する」の用語は、室温以下の所定の温度となるように調整することも含む意味で用いられる。

　セラミックス基材１上に、セラミックス基材１の表面の一部を覆うマスク材を配置することにより、セラミックス基材上にパターン（回路パターン）を有する第一金属層を形成させてもよい。この方法によれば、成膜後のエッチングのような追加の工程を必要とすることなく、所望のパターンを有する金属回路を容易に形成させることができる。この点でも、本実施形態に係る方法は、パターン形成のためにエッチングを必要とする溶湯法、ろう付法よりも有利である。

　第一金属粉体は、ノズル１０内で２５０～１０５０ｍ／ｓまで加速されてもよい。本明細書において、金属粉体が加速される速度は、加速された金属粉体が到達する最高速度を意味する。加速された金属粉体が到達する速度が２５０ｍ／ｓ未満であると、金属粉体がセラミックス基材等に衝突した瞬間に金属粉体が十分に塑性変形し難いため、成膜が困難となるか、成膜された金属層の密着性が低下する傾向がある。加速された金属粉体が達する速度が１０５０ｍ／ｓ超えると、金属粉体がセラミックス基材等に衝突した時に、金属粉体が粉砕及び飛散して、成膜が困難になる傾向がある。

　セラミックス基材上に形成された第一金属層は、不活性ガス雰囲気下で加熱処理される。この加熱処理のための第一金属層の加熱温度は、４００～６００℃であってもよい。第一金属層を４００℃以上の温度で加熱することで、アルミニウムとセラミック基材表面の酸化物層との反応がより進み、強固に接合がなされる。また、第一金属層を６００℃以下の温度で加熱することで、第一金属層が軟化することによる影響を少なくすることができる。

　第一金属層の加熱処理の後、図３の粉体スプレー装置を用いて第二金属粉体を第一金属層２１ａ，２１ｂの表面に吹き付けることにより、銅及び／又は銅合金を主成分として含む第二金属層２２ａ，２２ｂが形成される。第二金属層を構成する銅合金の例としては、銅－リン合金、銅－モリブデン合金等が挙げられる。すなわち、第二金属粉体は、銅粒子、及び／又は、銅－リン合金粒子若しくは銅－モリブデン合金粒子等の銅合金粒子を含むことができる。第二金属粉体における銅以外の金属元素の含有量は、第二金属粉体の質量に対して６．０質量％以下であってもよい。

　第二金属層の成膜において、第二金属粉体は１０～６５０℃に加熱される。第二金属粉体の加熱温度がこの範囲内にあることは、第二金属層を効率的な形成することに寄与する。第二金属粉体を６５０℃を超える温度まで加熱すると、軟化した銅粒子又は銅合金粒子がノズルの内壁に付着し、結果的にノズルが詰まり、第二金属層を形成することが困難になる可能性がある。第二金属粉体の温度が１０℃未満であると、銅粒子または銅合金粒子の塑性変形が著しく抑制され、第二金属層の形成が困難となる傾向がある。同様の観点から、第二金属粉体が加熱される温度は、６４０℃以下であってもよく、２０℃以上であってもよい。

　第二金属層の成膜においても、作動ガスＯＧ（不活性ガス）のゲージ圧力は、ノズル１０の入口１０ａにおいて１．５～５．０ＭＰａとなるように調節される。作動ガスＯＧ（不活性ガス）のゲージ圧力がこの範囲内にあることは、第二金属層を効率的に形成することに寄与する。ノズルの入口における作動ガス（不活性ガス）ゲージ圧力が１．５ＭＰａ未満であると、第一金属層に第二金属粉体が密着し難くなる傾向がある。ノズルの入口における作動ガス（不活性ガス）のゲージ圧力が５．０ＭＰａを超える、不活性ガスとともに第一金属層に吹き付けられた第二金属粉体が破砕して、第二金属層の形成の効率が低下する傾向がある。同様の観点から、ノズル１０の入口１０ａにおける作動ガスＯＧ（不活性ガス）のゲージ圧力は、２．０～４．０ＭＰａであってもよい。

　その他、第二金属粉体の成膜の条件は、第一金属層と同様に調整することができる。第二金属層の形成の際、セラミックス基材１上にマスク材を配置することで、パターンを有する第二金属層を形成させてもよい。

　第一金属層上に形成された第二金属層は、不活性ガス雰囲気下で加熱処理される。この加熱処理のための第一金属層の加熱温度は、２５０～３５０℃であってもよい。第二金属層を２５０℃以上の温度で加熱することで、加工硬化による第二金属層内の歪を低減することができる。第二金属層を３５０℃以下の比較的低温で加熱することで、第一金属層と第二金属層との反応による金属間化合物の生成、及び、金属成分の拡散を抑制することができる。このことも、セラミックス回路基板の信頼性向上に寄与することができる。

　第一金属層及び第二金属層中の気孔の形成を抑えるために、第一金属粉体及び／又は第二金属粉体が球形粒子であってもよい。また、第一金属粉体及び／又は第二金属粉体の粒径のバラツキが小さくてもよい。金属粉体の（平均）粒径は、１０～７０μｍ、又は２０～６０μｍであってもよい。金属粉体の粒径が１０μｍ未満であると、金属粉体がノズルの先細の部分に詰まり易くなる傾向がある。金属粉体の粒径が７０μｍを超えると、金属粉体の速度を十分に上げることが困難になる傾向がある。ここで、「粒径」は、各粒子の最大幅を意味する。十分な数の金属粉体の粒子の粒径を測定し、その結果から平均粒径を求めることができる。

　セラミックス基材は、適切な絶縁性を有するものから選択することができる。セラミックス基材は、高い熱伝導性を有していてもよい。セラミックス基材の例としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基材、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）基材、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）が挙げられる。窒化アルミニウム基材は、４００ＭＰａ以上の三点曲げ強度、及び／又は、１５０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を示すものであってもよい。窒化ケイ素基材は、６００ＭＰａ以上の三点曲げ強度、及び／又は５０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を示すものであってもよい。セラミックス基材１のサイズは、用途に応じて任意に設定される。セラミックス基材１の厚みは、特に制限されないが、例えば０．２～１．０ｍｍであってもよい。これらのセラミックス基材は、それぞれ市販品として入手することが可能である。

　以下、実施例を挙げて本発明についてさらに具体的に説明する。ただし、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

　全実施例及び全比較例において、セラミックス基材として窒化アルミニウム（ＡＩＮ）基材（サイズ：６０ｍｍ×５０ｍｍ×０．６３５ｍｍｔ、三点曲げ強度：５００ＭＰａ、熱伝導率：１５０Ｗ／ｍＫ、純度：９５％以上）、又は窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）基材（サイズ：６０ｍｍ×５０ｍｍ×０．６３５ｍｍｔ、三点曲げ強度：７００ＭＰａ、熱伝導率：７０Ｗ／ｍＫ、純度：９２％以上）を用いた。

［実施例１］
　窒化アルミニウム基材の一部を鉄製のマスク材でマスキングした。そこに、アルミニウム粉体（高純度化学研究所社製ガスアトマイズ粉、メジアン径：２４μｍ）を用い、図３と同様の構成を有する粉体スプレー装置によって、縦５６ｍｍ、横４６ｍｍ、厚み０．２ｍｍのアルミニウム層（第一金属層）を、窒化アルミニウム基材の表裏それぞれにおいて基材端面から２ｍｍ内側の範囲に形成した。アルミニウム層の成膜は、作動ガスとして窒素を用い、アルミニウム粉体の温度を２０℃、スプレーガンのノズル入口における作動ガスの圧力を１．５ＭＰａとする条件で行った。
　形成されたアルミニウム層を、窒素雰囲気下において５００℃を３時間保持することで加熱処理した。
　次に、アルミニウム層の一部を鉄製のマスク材でマスキングし、銅粉体（福田金属箔粉工業社製水アトマイズ粉、メジアン径：１７μｍ）を用い、図３と同様の構成を有する粉体スプレー装置によって、アルミニウム層の端面から５０μｍ内側の範囲に銅層（第二金属層、縦５５．９、横４５．９、厚さ０．４ｍｍ）を形成した。銅層の成膜は、作動ガスとして窒素を用い、銅粉体の温度を２０℃、ノズル入口における作動ガスの圧力を１．５ＭＰａとする条件で行った。アルミニウム層の端面は、銅層の端面よりも５０μｍの幅で外側にはみ出していた。
　形成された銅層を、窒素雰囲気下において３００℃を１時間保持することで加熱処理した。
　以上の手順で、窒化アルミニウム基材の両面上に、アルミニウム層及び銅層からなる回路層が形成されている試験体を得た。

［実施例２］
　窒化ケイ素基材の一部を鉄製のマスク材でマスキングした。そこに、アルミニウム粉体（高純度化学研究所社製ガスアトマイズ粉、メジアン径：２４μｍ）を用い、図３と同様の構成を有する粉体スプレー装置によって、縦５６ｍｍ、横４６ｍｍ、厚み０．２ｍｍのアルミニウム層（第一金属層）を、窒化アルミニウム基材の表裏それぞれにおいて基材端面から２ｍｍ内側の範囲に形成した。アルミニウム層の成膜は、作動ガスとして窒素を用い、アルミニウム粉体の温度を２６０℃、ノズル入口における作動ガスの圧力を１．５ＭＰａとする条件で行った。
　形成されたアルミニウム層を、窒素雰囲気下において５００℃を３時間保持することで加熱処理した。
　次に、アルミニウム層の一部を鉄製のマスク材でマスキングし、銅粉末（福田金属箔粉工業社製水アトマイズ粉、メジアン径：１７μｍ）を用い、図３と同様の構成を有する粉体スプレー装置によって、アルミニウム層の端面から５０μｍ内側の範囲に銅層（第二金属層、縦５５．９、横４５．９、厚さ０．４ｍｍ）を形成した。銅層の成膜は、作動ガスとして窒素を用い、銅粉体の温度を６４０℃、ノズル入口における作動ガスの圧力を１．５ＭＰａとする条件で行った。アルミニウム層の端面は、銅層の端面よりも５０μｍの幅で外側にはみ出していた。
　形成された銅層を、窒素雰囲気下において３００℃を１時間保持することで加熱処理した。
　以上の手順で、窒化ケイ素基材の両面上に、アルミニウム層及び銅層からなる回路層が形成されている試験体を得た。

［実施例３］
　実施例２と同様の手順で試験体を作製した。ただし、アルミニウム層の成膜を、アルミニウム粉体の温度が２０℃、ノズル入口における作動ガス圧力が５．０ＭＰａの条件に変更し、銅層の成膜を、銅粉体の温度が２０℃、ノズル入口における作動ガス圧力が５．０ＭＰａの条件に変更した。

［実施例４］
　実施例１と同様の手順で試験体を作製した。ただし、アルミニウム層の成膜を、アルミニウム粉体の温度が２６０℃、ノズル入口における作動ガス圧力が５．０ＭＰａの条件に変更し、銅層の成膜を、銅粉体の温度が６４０℃、ノズル入口における作動ガス圧力が５．０ＭＰａの条件に変更した。

［実施例５］
　実施例１と同様の手順で試験体を作製した。ただし、アルミニウム層の成膜を、アルミニウム粉体の温度が２００℃、ノズル入口における作動ガス圧力が３．０ＭＰａの条件に変更し、銅層の成膜を、銅粉体の温度が３５０℃、ノズル入口における作動ガス圧力が３．０ＭＰａの条件に変更した。

［実施例６］
　実施例２と同様の手順で試験体を作製した。ただし、アルミニウム層の成膜を、アルミニウム粉体の温度が２００℃、ノズル入口における作動ガス圧力が３．０ＭＰａの条件に変更し、銅層の成膜を、銅粉体の温度が３５０℃、ノズル入口における作動ガス圧力が３．０ＭＰａの条件に変更した。

［実施例７］
　実施例５と同様の手順で試験体を作製した。ただし、銅層の端面とアルミニウム層の端面とが面一となるように銅層を形成させた。

［実施例８］
　実施例６と同様の手順で試験体を作製した。ただし、銅層の端面とアルミニウム層の端面とが面一となるように銅層を形成させた。

［比較例１］
　銅層形成後に銅層を加熱処理しなかったこと以外は実施例５と同様にして、試験体を作製した。

［比較例２］
　銅層形成後に銅層を加熱処理しなかったこと以外は実施例６と同様にして、試験体を作製した。

［比較例３］
　ノズル入口における作動ガス圧力を１．０ＭＰａの条件に変更したこと以外は実施例５と同様の条件で銅層の成膜を試みたが、銅粉末がアルミニウム層に付着せず、銅層を形成することができなかった。

［比較例４］
　ノズル入口における作動ガス圧力を５．５ＭＰａの条件に変更したこと以外は実施例６と同様の条件で銅層の成膜を試みたが、銅粉末がアルミニウム層に付着せず、銅層を形成することができなかった。

［比較例５］
　銅粉体の温度を０℃としたこと以外は実施例５と同様の条件で銅層の成膜を試みたが、銅粉末がアルミニウム層に付着せず、銅層を形成することができなかった。

［比較例６］
　銅粉体の温度を６６０℃としたこと以外は実施例６と同様の条件で銅層の成膜を試みたが、銅粉末がアルミニウム層に付着せず、銅層を形成することができなかった。

［比較例７］
　実施例５と同様の条件でアルミニウム層を形成させた。その後、アルミニウム層を加熱することなく、実施例５と同様の条件で銅層の成膜を試みたが、銅層を形成する間にアルミニウム層が窒化ケイ素基材から剥離し、試験体を作製することができなかった。

［比較例８］
　実施例６と同様の条件でアルミニウム層を形成させた。その後、アルミニウム層を加熱することなく、実施例６と同様の条件で銅層の成膜を試みたが、銅層を形成する間にアルミニウム層が窒化ケイ素基材から剥離し、試験体を作製することができなかった。

［比較例９］
　ノズル入口における作動ガス圧力を１．０ＭＰａの条件に変更したこと以外は実施例５と同様の条件でアルミニウム層の成膜を試みたが、アルミニウム粉体が窒化アルミニウム基材に付着せず、アルミニウム層を形成することができなかった。

［比較例１０］
　ノズル入口における作動ガス圧力を５．５ＭＰａの条件に変更したこと以外は実施例６と同様の条件でアルミニウム層の成膜を試みたが、アルミニウム粉体が窒化ケイ素基材に付着せず、アルミニウム層を形成することができなかった。

［比較例１１］
　アルミニウム粉体の温度を０℃に変更したこと以外は実施例５と同様の条件でアルミニウム層の成膜を試みたが、アルミニウム粉体が窒化アルミニウム基材に付着せず、アルミニウム層を形成することができなかった。

［比較例１２］
　アルミニウム粉体の温度を２８０℃に変更したこと以外は実施例６と同様の条件でアルミニウム層の成膜を試みたが、ノズル先細部にアルミニウム粉体が詰まり、アルミニウム層を形成することができなかった。

　試験体の作製条件と成膜可否の結果を表１に示す。

［導電率測定］
　実施例１～８、及び比較例１、２の試験体関して、渦電流法による金属回路層の導電率測定を行った。実施例１～８の試験体は、導電率９０ＩＡＣＳ％以上の高い導電性を示した。比較例１、２の試験体の導電率は６０ＩＡＣＳ％と低かった。

［ヒートサイクル試験］
　導電性が良好であった実施例１～８の試験体に対し、「１８０℃の環境に３０分放置した後に－４５℃の環境に３０分放置」を１サイクルとして、１０００サイクルのヒートサイクル試験を実施した。ヒートサイクル試験後、実施例１～８の試験体においてはアルミニウム層、銅層の剥離等の異常は確認されなかった。

　本発明によれば、高い信頼性のセラミックス回路基板を製造することができる。

　１…セラミックス基材、２ａ，２ｂ…金属回路、３…粉体スプレー装置、４…高圧ガスボンベ、５ａ…第一の圧力調整器、５ｂ…第二の圧力調整器、５ｃ…第三の圧力調整器、６…ヒーター、７…粉末供給装置、１０…スプレーガンのノズル、１０ａ…ノズルの入口、２１ａ，２１ｂ…第一金属層、２２ａ，２２ｂ…第二金属層。

Claims

　セラミックス基材と、該セラミックス基材上に形成された金属回路とを備え、前記金属回路がアルミニウム又はアルミニウム合金のうち少なくとも一方を含む第一金属層と銅又は銅合金のうち少なくとも一方を含む第二金属層とを有する、セラミックス回路基板を製造する方法であって、当該方法が、
　アルミニウム粒子又はアルミニウム合金粒子のうち少なくとも一方を含む第一金属粉体を不活性ガスとともにノズルからセラミックス基材の表面に対して吹き付けることにより、前記セラミックス基材に接する前記第一金属層を形成させる工程であって、前記第一金属粉体が１０～２７０℃に加熱されてから前記ノズルから噴出され、前記ノズルの入口における前記不活性ガスのゲージ圧力が１．５～５．０ＭＰａである、工程と、
　前記セラミックス基材上に形成された前記第一金属層を不活性ガス雰囲気下で加熱処理する工程と、
　銅粒子又は銅合金粒子のうち少なくとも一方を含む第二金属粉体を不活性ガスとともにノズルから前記第一金属層の表面に対して吹き付けることにより、前記第一金属層に接する前記第二金属層を形成させる工程であって、前記第二金属粉体が１０～６５０℃に加熱されてから前記ノズルから噴出され、前記ノズルの入口における前記不活性ガスのゲージ圧力が１．５～５．０ＭＰａであり、前記第一金属層の端面と前記第二金属層の端面とが面一となる、又は、前記第一金属層の端面が前記第二金属層の端面よりも外側にはみ出るように、前記第二金属層が形成される、工程と、
　前記第一金属層上に形成された前記第二金属層を不活性ガス雰囲気下で加熱処理する工程と、
を含む、方法。
　前記第一金属層を不活性ガス雰囲気下で加熱処理する前記工程において、前記第一金属層が４００～６００℃に加熱される、請求項１に記載の方法。
　前記第一金属層を不活性ガス雰囲気下で加熱処理する前記工程において、前記第二金属層が２５０～３５０℃に加熱される、請求項１又は２に記載の方法。
　前記第一金属粉体及び前記第二金属粉体の平均粒径が１０～７０μｍである、請求項１～３のいずれか一項に記載の方法。
　前記第一金属層を形成させる工程、及び前記第二金属層を形成させる工程において、前記セラミックス基材上にその表面の一部を覆うマスク材を配置することにより、パターンを有する前記第一金属層及び前記第二金属層を形成させる、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。