WO2021100616A1 - 複合基板及びその製造方法、並びに、回路基板及びその製造方法 - Google Patents

複合基板及びその製造方法、並びに、回路基板及びその製造方法 Download PDF

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WO2021100616A1
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metal layer
copper
aluminum
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篤士 酒井
優也 弓場
賢太郎 中山
佳孝 谷口
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デンカ株式会社
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Definitions

  • the present disclosure relates to a composite substrate and a manufacturing method thereof, and a circuit board and a manufacturing method thereof.
  • Patent Document 1 proposes a technique of forming an intermetallic compound layer and a eutectic layer in the bonding layer between the aluminum member and the copper member to suppress the occurrence of cracks in the bonding layer. ing.
  • Intermetallic compounds have the property of being hard and brittle. Therefore, if the intermetallic compound is formed in layers, there is a concern that it may cause cracks under the conditions of a heat cycle in which heating and cooling are repeated.
  • the present disclosure provides a composite substrate and a circuit board having excellent durability against heat cycles and high conductivity. Further, the present disclosure provides a method for manufacturing a composite substrate and a circuit board capable of manufacturing a composite substrate and a circuit board having excellent durability against a heat cycle and high conductivity.
  • the composite substrate according to one aspect of the present disclosure includes a ceramic plate, a metal layer containing at least one selected from the group consisting of aluminum and an aluminum alloy, and a spray containing at least one selected from the group consisting of copper and a copper alloy. Layers are provided in this order, and intermetal compounds having copper and aluminum as constituent elements are scattered between the metal layer and the sprayed layer.
  • the composite substrate When looking at the cut surface when the metal layer and the thermal spraying layer are cut along the stacking direction, the composite substrate has a contact portion between the metal layer and the thermal spraying layer in which the metal layer and the thermal spraying layer are in direct contact with each other. It may have an interposition portion in which an intermetallic compound is interposed. As a result, it is possible to achieve both the bonding strength between the metal layer and the sprayed layer and the durability against the heat cycle at a higher level.
  • the intermetallic compound may contain at least one selected from the group consisting of Cu 9 Al 4 , Cu Al and Cu Al 2. As a result, it is possible to achieve both the bonding strength between the metal layer and the sprayed layer and the durability against the heat cycle at an even higher level.
  • the length of the intermetallic compound along the boundary line on the metal layer side of the sprayed layer may be 15 ⁇ m or less. Further, when the cut surface is viewed, the coverage of the sprayed layer by the intermetallic compound based on the length of the boundary line on the metal layer side of the sprayed layer may be 75% or less.
  • Such a composite substrate can be sufficiently durable against heat cycles.
  • the circuit board includes a ceramic plate and a conductor portion on the ceramic plate, and the conductor portion is a metal containing at least one selected from the group consisting of aluminum and an aluminum alloy from the ceramic plate side.
  • a layer and a sprayed layer containing at least one selected from the group consisting of copper and a copper alloy are provided in this order, and an intermetal compound having copper and aluminum as constituent elements is pointed between the metal layer and the sprayed layer.
  • intermetallic compounds having copper and aluminum as constituent elements are scattered between the metal layer and the sprayed layer, so that the metal layer and the sprayed layer are firmly bonded to each other. Has high conductivity. Further, since the intermetallic compounds are not formed in layers but scattered, it is possible to suppress the occurrence of cracks due to the heat cycle and improve the durability against the heat cycle.
  • the method for manufacturing a composite substrate according to one aspect of the present disclosure is a group made of copper and a copper alloy on the surface of a metal layer provided on a ceramic plate and containing at least one selected from the group made of aluminum and an aluminum alloy.
  • the precursor film is heated to generate intermetallic compounds having copper and aluminum as constituent elements between the metal layer and the sprayed layer. Since the precursor film is heated until the intermetallic compounds are scattered to the extent that they are scattered, a sprayed layer in which work hardening is sufficiently relaxed can be obtained. The sprayed layer whose work hardening is alleviated in this way has high conductivity. Further, since the intermetallic compounds are not formed in layers but are formed in a scattered manner, it is possible to suppress the occurrence of cracks due to the heat cycle and improve the durability against the heat cycle.
  • the method for manufacturing a circuit board according to one aspect of the present disclosure is a group made of copper and a copper alloy on the surface of a metal layer provided on a ceramic plate and containing at least one selected from the group made of aluminum and an aluminum alloy.
  • the precursor film is heated to generate intermetallic compounds having copper and aluminum as constituent elements between the metal layer and the thermal spray layer so as to be scattered to form a conductor portion. ing. Since the precursor film is heated until the intermetallic compounds are scattered to the extent that they are scattered, a sprayed layer in which work hardening is sufficiently relaxed can be obtained. The sprayed layer whose work hardening is alleviated in this way has high conductivity. Further, since the intermetallic compounds are not formed in layers but scattered, it is possible to suppress the occurrence of cracks due to the heat cycle and improve the durability against the heat cycle.
  • the present disclosure it is possible to provide a composite substrate and a circuit board having excellent durability against heat cycles and high conductivity. Further, the present disclosure can provide a method for manufacturing a composite substrate and a circuit board capable of manufacturing a composite substrate and a circuit board having excellent durability against a heat cycle and high conductivity.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a composite substrate according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a plan view showing a circuit board according to an embodiment.
  • FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view showing a part of a cross section of the composite substrate (circuit board) according to the embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of a powder spraying apparatus used for forming a first precursor film and a second precursor film.
  • FIG. 5 is a photograph of a scanning electron microscope showing a cut surface of the circuit board of Example 1.
  • FIG. 6 is a photograph of a scanning electron microscope showing a cut surface of the circuit board of Example 3.
  • FIG. 7 is a photograph of a scanning electron microscope showing a cut surface of the circuit board of Comparative Example 1.
  • FIG. 8 is a photograph of a scanning electron microscope showing a cut surface of the circuit board of Comparative Example 2.
  • FIG. 9 is a photograph of a scanning electron microscope showing a cut surface of the circuit board of Comparative Example 3.
  • FIG. 10 is a photograph of a scanning electron microscope showing a cut surface of the circuit board of Comparative Example 4.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view taken along the stacking direction of the metal layer and the thermal spraying layer of the composite substrate 100 according to the embodiment.
  • the composite substrate 100 shown in FIG. 1 includes a ceramic plate 10 and a pair of laminated portions 20 so as to sandwich the ceramic plate 10. From the ceramic plate 10 side, the laminated portion 20 includes a metal layer 21 containing at least one selected from the group consisting of aluminum and an aluminum alloy, and a thermal spraying layer 22 containing at least one selected from the group consisting of copper and a copper alloy. , Are provided in this order.
  • FIG. 1 shows a cut surface along the stacking direction of the metal layer 21 and the thermal spraying layer 22.
  • One or both of the laminated portions 20 may be conductor portions (metal circuits) having a predetermined pattern.
  • the composite substrate 100 becomes a circuit board.
  • a semiconductor element is bonded to the conductor portion via, for example, a silver bonding layer to form a circuit.
  • the ceramic plate 10 may be made of ordinary ceramics.
  • the ceramic for example aluminum nitride (AlN), silicon nitride (Si 3 N 4), and aluminum oxide (Al 2 O 3), and the like.
  • the thickness of the ceramic plate 10 may be, for example, 0.2 to 1.0 mm from the viewpoint of improving durability against heat cycles and reducing the thickness while maintaining excellent insulating properties.
  • the metal layer 21 has a function of reducing the thermal stress generated during the heat cycle due to the difference in the coefficient of thermal expansion between the ceramic plate 10 and the thermal spraying layer 22 while maintaining high thermal conductivity of the composite substrate 100. ..
  • the metal layer 21 may contain at least one selected from the group consisting of aluminum and an aluminum alloy as a main component.
  • the aluminum alloy include an aluminum-magnesium alloy and an aluminum-lithium alloy.
  • the "main component” is a component whose content of the metal layer 21 with respect to the whole is 90% by mass or more.
  • the thickness of the metal layer 21 may be, for example, 0.05 to 1 mm from the viewpoint of reducing the thickness while sufficiently reducing the thermal stress generated during the heat cycle.
  • the metal layer 21 may be formed by applying a brazing material on the main surface of the ceramic plate 10 and joining the metal plates, or spraying metal particles onto the main surface of the ceramic plate 10. It may be a thermal spray layer formed by heat treatment. If it is a sprayed layer, the metal layer 21 can be formed on the main surface of the ceramic plate 10 without using a brazing material. If a mask is used during thermal spraying, a conductor portion having a predetermined pattern can be formed without etching.
  • the thermal spraying layer 22 may contain at least one selected from the group consisting of copper and copper alloys as a main component from the viewpoint of sufficiently increasing the conductivity while maintaining high thermal conductivity of the composite substrate 100.
  • copper alloys include copper-phosphorus alloys, copper-molybdenum alloys and the like.
  • the "main component” is a component having a content of 90% by mass or more based on the entire sprayed layer 22.
  • the thickness of the sprayed layer 22 may be, for example, 0.1 to 3 mm from the viewpoint of improving durability against heat cycles and reducing the thickness while sufficiently increasing the conductivity and thermal conductivity.
  • the thermal spray layer 22 is formed by spraying metal particles onto the main surface of the ceramic plate 10 and heat-treating it.
  • the sprayed layer 22 can be formed on the main surface of the metal layer 21 without using a brazing material. If a mask material is used during thermal spraying, a conductor portion having a predetermined pattern can be formed without etching.
  • FIG. 2 is a perspective view of the circuit board 200 according to the embodiment.
  • the circuit board 200 includes a ceramic plate 10 and a plurality of conductor portions 20A provided on one main surface 10A of the ceramic plate 10.
  • the shapes of the plurality of conductor portions 20A may all be the same, or may include different shapes as shown in FIG.
  • the conductor portion 20A has a metal layer 21 and a thermal spraying layer 22 in this order from the ceramic plate 10 side. That is, the conductor portion 20A has a laminated structure similar to that of the laminated portion 20 of FIG.
  • the circuit board 200 also includes a plurality of conductor portions 20A on the other main surface of the ceramic plate 10. In the modified example, one or more conductor portions 20A may be provided on only one main surface.
  • FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view showing a part of a cross section of the composite substrate 100 (circuit board 200) along the stacking direction of the metal layer 21 and the thermal spray layer 22.
  • FIG. 3 shows a part of one metal layer 21 of the composite substrate 100 (circuit board 200), a ceramic plate 10 adjacent thereto, and a thermal spraying layer 22.
  • Intermetallic compounds 30 are scattered along the boundary line L of the sprayed layer 22 with the metal layer 21 side.
  • the intermetallic compound 30 has copper and aluminum as constituent elements. Specifically, it contains at least one selected from the group consisting of Cu 9 Al 4 , Cu Al and Cu Al 2. Identification of the intermetallic compound 30 can be performed by X-ray diffraction.
  • the intermetallic compounds 30 are scattered between the metal layer 21 and the thermal spraying layer 22. Between the metal layer 21 and the thermal spraying layer 22, the contact portion 40 in which the metal layer 21 and the thermal spraying layer 22 are in direct contact with each other, and the interposition portion 42 in which the intermetallic compound 30 is interposed between the metal layer 21 and the thermal spraying layer 22. And are formed.
  • the intermetallic compound 30 in the interposition portion 42 has copper and aluminum as constituent elements, it has a good affinity with both the metal layer 21 and the thermal spraying layer 22 and has a function of firmly joining the two. Thereby, the conductivity between the metal layer 21 and the thermal spraying layer 22 can be improved. Further, since the contact portion 40 bears the strain due to the thermal stress due to the heat cycle, it is possible to suppress the concentration of the thermal stress on the intermetallic compound 30 in the interposition portion 42. In this way, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the normally hard and brittle intermetallic compound and improve the durability against heat cycles.
  • the length of the intermetallic compound 30 (intervening portion 42) along the boundary line L on the metal layer 21 side of the sprayed layer 22 is less than 25 ⁇ m.
  • the length of the intermetallic compound 30 along the boundary line L can be measured by the following procedure.
  • the composite substrate is cut with a diamond cutter, a band saw, or the like, and polished with diamond abrasive grains or the like to obtain a cut surface as shown in FIG. This cut surface is observed with a scanning electron microscope (SEM), and a photograph of a 3000 times magnified image is taken.
  • SEM scanning electron microscope
  • the outer edge of the sprayed layer 22 on the metal layer 21 side shown in this photograph is defined as a boundary line L, and the length of the intermetallic compound 30 along the boundary line L is measured.
  • the length can be calculated from, for example, arranging a string along the boundary line L and the length of the string at the portion of the intermetallic compound 30 and the magnification of the photograph.
  • the measurement is performed using photographs arbitrarily selected on the cut surface and taken in five different regions.
  • the intermetallic compound having a length of 25 ⁇ m or more measured in this way is considered to be layered.
  • intermetallic compounds are scattered means that the maximum value of the length along the boundary line L of the intermetallic compound 30 is less than 25 ⁇ m in the SEM photograph taken in the above-mentioned five regions. Means. That is, it means that the intermetallic compound 30 includes only those having a length of less than 25 ⁇ m along the boundary line L in the SEM photographs taken in the above-mentioned five regions. In the SEM photographs taken in the above-mentioned five regions, the length of the intermetallic compound 30 along the boundary line L may be 20 ⁇ m or less, and 15 ⁇ m or less from the viewpoint of further improving the durability against the heat cycle. There may be.
  • the length of the intermetallic compound 30 along the boundary line L may be 2 ⁇ m or more, or 5 ⁇ m or more, from the viewpoint of forming the sprayed layer 22 in which work hardening is sufficiently relaxed.
  • the coverage of the sprayed layer 22 with the intermetallic compound based on the length of the boundary line L on the metal layer 21 side of the sprayed layer 22 may be 75% or less, and is less than 50%. It may be.
  • the proportion of the contact portion 40 in which the thermal spray layer 22 and the metal layer 21 are in direct contact with each other at the boundary line L is increased, and it is possible to further suppress the concentration of thermal stress on the intermetallic compound 30 during the heat cycle. it can. Therefore, the durability against the heat cycle can be sufficiently increased.
  • the coating ratio may be 10% or more, or 30% or more, from the viewpoint of sufficiently relaxing the work hardening of the sprayed layer 22 and from the viewpoint of more firmly joining the metal layer 21 and the sprayed layer 22. Good.
  • the above coverage can be performed by using a photograph and a string of a 3000 times magnified image in the same manner as the measurement of the length of the intermetallic compound 30. That is, for example, a string is arranged along the boundary line L, and the total length (L0) of the boundary line L and the length of the string of the part of the intermetallic compound 30 (intervening portion 42) shown in the photograph ( L1) and are measured.
  • the length (L1) is the total value of the lengths along the boundary line L of each intermetallic compound 30.
  • the measurement is performed using photographs taken in five arbitrarily selected regions on the cut surface. Each photograph is used to calculate (L1 / L0) ⁇ 100, and the average value of these calculated values is taken as the coverage ratio in the present disclosure.
  • An example of a method for manufacturing the composite substrate 100 is to spray a first metal particle containing at least one selected from the group consisting of aluminum and an aluminum alloy onto the main surface of the ceramic plate 10 together with an inert gas to form a first precursor film.
  • both the metal layer 21 and the thermal spraying layer 22 are formed by thermal spraying.
  • a powder spray device can be used to form these layers. Specifically, first, the first metal particles are sprayed onto the main surface of the ceramic plate 10 using a powder spray device. As a result, the first precursor film is formed on the main surface of the ceramic plate 10. At this time, after the first precursor film is formed on one main surface, the first precursor film may be formed on the other main surface. When a composite substrate having the laminated portion 20 only on one main surface of the ceramic plate 10 is manufactured, the first precursor film may be formed only on one main surface.
  • the first metal particles may be aluminum particles, or may be aluminum alloy particles containing other metal elements such as aluminum-magnesium alloy particles and aluminum-lithium alloy particles.
  • aluminum alloy particles containing a metal element having a higher oxygen affinity than aluminum such as magnesium and lithium are used, the metal element such as magnesium or lithium and the surface of the ceramic plate are oxidized during heating after film formation. They tend to react with objects and bond tightly together.
  • the content of metal elements such as magnesium and lithium in the first metal particles may be 6.0% by mass or less with respect to the entire first metal particles.
  • the first precursor film formed on the ceramic plate is heated in an inert gas atmosphere to become the metal layer 21.
  • the heating temperature at this time may be 400 to 600 ° C.
  • the reaction between aluminum and the oxide on the surface of the ceramic plate 10 proceeds sufficiently.
  • the metal layer 21 and the ceramic plate 10 can be firmly joined.
  • the influence of softening of the first precursor film can be reduced.
  • the metal layer 21 is formed by thermal spraying, but the present invention is not limited to this.
  • a metal plate containing at least one selected from the group consisting of aluminum and an aluminum alloy may be prepared and joined with a brazing material to provide a metal layer 21 on the ceramic plate 10.
  • etching of the metal layer 21 may be required in order to form a conductor portion having a predetermined pattern on the ceramic plate 10.
  • a metal layer 21 having a pattern (circuit pattern) can be formed on the ceramic plate 10 by arranging a mask material that covers a part of the main surface of the ceramic plate 10. With this method, it is possible to easily form a conductor portion having high shape accuracy without performing an additional step such as etching after film formation.
  • the thermal spray layer 22 is formed on the main surface of the metal layer 21 by thermal spraying.
  • the sprayed layer 22 is formed, for example, by the following procedure.
  • the second metal particles are sprayed onto the main surface of the metal layer 21 opposite to the ceramic plate 10 side to form a second precursor film.
  • the second metal particles include copper particles, copper-phosphorus alloy particles, copper-molybdenum alloy particles and the like.
  • the content of metal elements other than copper in the second metal particles may be 6.0% by mass or less with respect to the entire second metal particles.
  • the thermal spraying layer 22 is formed by heating a second precursor film formed on the main surface of the metal layer 21 in an inert gas atmosphere.
  • the heating temperature of the second precursor film at this time may be 250 to 300 ° C., or 250 to 290 ° C. If the heat treatment temperature becomes too high, the intermetallic compound 30 tends to be formed in layers, and the durability against the heat cycle tends to decrease. On the other hand, if the heat treatment temperature is too low, work hardening in the sprayed layer 22 cannot be sufficiently relaxed, and excellent conductivity tends to be impaired. In addition, the amount of the intermetallic compound 30 produced tends to decrease.
  • the heating time of the second precursor film at the above heating temperature may be 5 minutes to 1 hour. If the heating time is too short, the work hardening of the sprayed layer 22 cannot be sufficiently relaxed, and the excellent conductivity tends to be impaired. In addition, the amount of the intermetallic compound 30 produced tends to decrease. On the other hand, if the heating time is too long, the intermetallic compound 30 tends to be formed in layers, and the durability against the heat cycle tends to decrease. By changing the heating temperature and heating time of the second precursor film, the coverage of the sprayed layer 22 by the intermetallic compound 30 and the length of the intermetallic compound 30 along the boundary line L can be adjusted. ..
  • the thermal spray layer 22 having the same pattern (circuit pattern) as the metal layer 21 is formed by using the same mask material as when the first precursor is formed. Can be done. With this method, it is possible to easily form a conductor portion having high shape accuracy without performing an additional step such as etching after film formation. In this way, a circuit board having a conductor portion on the ceramic plate 10 may be manufactured.
  • the thermal spraying layer 22 may be formed so as to be one size smaller than the metal layer 21.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of a powder spray device used for forming the first precursor film and the second precursor film.
  • the powder spray device 50 includes a gas supply unit 54, a heater 56, a particle supply unit 57, a nozzle 51 of a tapered spray gun, and a pipe connecting them.
  • a first pressure adjusting unit 55a is provided on the downstream side of the gas supply unit 54.
  • the pipe branches into two on the downstream side of the first pressure adjusting portion 55a.
  • the second pressure adjusting unit 55b and the heater 56 are connected in this order to one of the two branched pipes, and the third pressure adjusting unit 55c and the particle supply unit 57 are connected to the other of the two branched pipes in this order. ..
  • the heater 56 and the particle supply unit 57 are connected to the nozzle 51 via a pipe.
  • the gas supply unit 54 supplies an inert gas that functions as a working gas.
  • the inert gas may be, for example, helium gas, nitrogen gas, or a mixed gas thereof.
  • a part of the working gas supplied from the gas supply unit 54 is heated by the heater 56 as needed after the pressure is adjusted by the second pressure adjusting unit 55b.
  • the heating temperature may be, for example, 10 to 270 ° C. when forming the first precursor film.
  • the temperature may be, for example, 10 to 650 ° C.
  • the heated working gas is supplied to the nozzle 51 of the spray gun.
  • the other part of the working gas supplied from the gas supply part 54 is supplied to the particle supply part 57 after the pressure is adjusted by the third pressure adjusting part 55c. From the particle supply unit 57, metal particles for film formation are supplied to the nozzle 51 of the spray gun together with the working gas.
  • the gauge pressure of the working gas at the inlet 51a of the nozzle 51 may be 1.5 to 5.0 MPa.
  • the heating temperature by the heater 56 is usually set lower than the melting point or softening point of the metal particles to be formed.
  • the first metal particles or the second metal particles and the working gas supplied to the nozzle 51 of the spray gun are compressed by passing through the tapered portion, and are accelerated by expanding at a stretch in the divergent portion on the downstream side thereof.
  • the metal particles are heated to a predetermined temperature, accelerated to a predetermined speed, and then ejected from the outlet of the nozzle 51.
  • the first metal particles or the second metal particles ejected from the nozzle 51 are sprayed onto the main surface of the ceramic plate 10.
  • the first metal particles and the second metal particles are deposited on the main surface of the ceramic plate 10 and the surface of the metal layer 21 while colliding with each other in a solid state, and the first precursor film and the second precursor film are formed. Be filmed.
  • FIG. 4 shows the first precursor film 21a formed on the main surface of the ceramic plate 10.
  • a laminated portion 20 having a metal layer 21 and a thermal spraying layer 22 in this order is provided on the ceramic plate 10 and both main surfaces from the ceramic plate 10 side, and the metal layer 21 and the thermal spraying layer are provided.
  • a composite substrate 100 in which intermetallic compounds 30 having copper and aluminum as constituent elements are interspersed with 22 can be obtained.
  • the above description of the composite substrate 100 can also be applied to the method for manufacturing the composite substrate 100.
  • An example of the method for manufacturing a circuit board may include a step of patterning the laminated portion 20 of the composite substrate 100 obtained by the above-mentioned manufacturing method by etching to form a conductor portion.
  • the circuit board manufacturing method is a first method having a predetermined pattern shape using a mask material in each step of forming the first precursor film and the second precursor film in the above-mentioned method for manufacturing a composite substrate.
  • the precursor film and the second precursor film may be formed respectively. In other respects, it can be manufactured in the same manner as the composite substrate.
  • the second precursor film is heated so that the intermetallic compounds 30 having copper and aluminum as constituent elements are scattered. Therefore, it is possible to obtain the thermal spraying layer 22 in which work hardening is relaxed. Such a sprayed layer 22 has excellent conductivity. Further, since the intermetallic compound 30 is not formed in layers but is formed in a scattered manner, it is possible to suppress the occurrence of cracks due to the heat cycle and improve the durability against the heat cycle. Therefore, the power module in which the composite board 100 and the circuit board 200 are used is excellent in reliability. Further, the intermetallic compounds 30 scattered around can strengthen the bond between the metal layer 21 and the sprayed layer 22 and improve the conductivity.
  • the present disclosure is not limited to the above embodiments.
  • the laminated portion 20 (conductor portion 20A) is provided only on one main surface of the ceramic plate 10. May be good.
  • at least one of the thickness, shape and composition of the metal layer 21 and the sprayed layer 22 in the pair of laminated portions 20 (conductor portions 20A) sandwiching the ceramic plate 10 may be different from each other.
  • Example 1 Manufacturing of circuit board
  • AIN aluminum nitride
  • a part of the main surface of the board was masked with an iron mask material.
  • Aluminum particles gas atomized powder manufactured by High Purity Chemical Laboratory Co., Ltd., median diameter: 24 ⁇ m
  • a powder spraying apparatus to form an aluminum film (first precursor film).
  • nitrogen gas was used as the working gas
  • the heating temperature of the working gas was 20 ° C.
  • the pressure of the working gas at the nozzle inlet of the spray gun was 1.5 MPa.
  • the formed aluminum film was heat-treated under a nitrogen atmosphere at 500 ° C. for 3 hours to obtain an aluminum metal layer having a thickness of 0.2 mm.
  • Copper particles manufactured by Fukuda Metal Leaf Powder Industry Co., Ltd., water atomized powder, median diameter: 17 ⁇ m
  • a copper film second precursor film
  • the conditions for forming the copper film nitrogen gas was used as the working gas, the heating temperature of the working gas was 350 ° C., and the pressure of the working gas at the nozzle inlet of the spray gun was 3 MPa.
  • the formed copper film was heat-treated by holding it at 280 ° C. for 10 minutes in a nitrogen atmosphere to obtain a copper sprayed layer having a thickness of 0.4 mm.
  • the sprayed layer was formed so that the length and width of the sprayed layer were about 50 ⁇ m smaller than those of the metal layer.
  • a metal layer and a sprayed layer are sequentially formed on both main surfaces of the ceramic plate by the above procedure, and a conductor portion having the metal layer and the sprayed layer is provided on both main surfaces of the ceramic plate from the ceramic plate side.
  • the circuit board of Example 1 was obtained.
  • FIG. 5 is an SEM photograph showing a cut surface of the circuit board of the first embodiment.
  • Example 2 [Example 3]
  • [Comparative Example 1] to [Comparative Example 3] A circuit board was prepared in the same manner as in Example 1 except that the heating temperature and heating time of the copper film in a nitrogen atmosphere were changed as shown in Table 1, and each evaluation was performed. The results of each evaluation are shown in Table 1.
  • FIG. 6 is an SEM photograph showing a cut surface of the circuit board of Example 3.
  • FIG. 7 is an SEM photograph showing a cut surface of the circuit board of Comparative Example 1.
  • FIG. 8 is an SEM photograph showing a cut surface of the circuit board of Comparative Example 2.
  • FIG. 9 is an SEM photograph showing a cut surface of the circuit board of Comparative Example 3.
  • FIG. 10 is an SEM photograph showing a cut surface of the circuit board of Comparative Example 4.
  • the intermetallic compound 30 was scattered between the thermal spray layer 22 and the metal layer 21.
  • the intermetallic compounds 130 were not scattered between the sprayed layer 122 and the metal layer 121, but were layered.
  • the conductor portion of the circuit board of each embodiment had excellent conductivity.
  • the work hardening of the sprayed layer was sufficiently relaxed in each example.
  • Comparative Examples 1 to 3 in which the intermetallic compounds were formed in layers were inferior in heat cycle durability to Examples 1 to 3.
  • the circuit board of Comparative Example 4 in which the intermetallic compound was not scattered between the metal layer and the sprayed layer had low conductivity.

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Abstract

複合基板１００は、セラミックス板１０と、アルミニウム及びアルミニウム合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む金属層２１と、銅及び銅合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む溶射層２２と、をこの順に備え、金属層２１と溶射層２２との間に、構成元素として銅及びアルミニウムを有する金属間化合物が点在している。

Description

複合基板及びその製造方法、並びに、回路基板及びその製造方法
　本開示は、複合基板及びその製造方法、並びに、回路基板及びその製造方法に関する。
　近年、モーター等の産業機器、及び電気自動車等の製品には、大電力制御用のパワーモジュールが用いられている。このようなパワーモジュールには、半導体素子から発生する熱を効率的に拡散させるため、高い熱伝導性を有するセラミックス板を備える回路基板等が用いられている。
　回路基板の金属回路部分には、高電圧で及び高電流が流れる場合もあるため、主として銅が用いられている。しかし、使用時の環境変化、及び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率の差に起因する熱応力によって、セラミックス板から銅回路が剥離することがあった。このため、塑性変形しやすいアルミニウム層をセラミックス板と銅回路との間に設けて、熱応力を緩和する技術が知られている。このような状況の下、特許文献１では、アルミニウム部材と銅部材との間の接合層に、金属間化合物層と共晶層を形成し、接合層におけるクラックの発生を抑制する技術が提案されている。
特開２０１９－８７６０８号公報
　金属間化合物は、硬くて脆いという特性を有する。このため、金属間化合物を層状に形成すると、加熱と冷却を繰り返すヒートサイクルの条件下ではクラック発生の要因となることが懸念される。
　そこで、本開示では、ヒートサイクルに対する耐久性に優れるとともに高い導電性を有する複合基板及び回路基板を提供する。また、本開示では、ヒートサイクルに対する耐久性に優れるとともに高い導電性を有する複合基板及び回路基板を製造することが可能な複合基板及び回路基板の製造方法を提供する。
　本開示の一側面に係る複合基板は、セラミックス板と、アルミニウム及びアルミニウム合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む金属層と、銅及び銅合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む溶射層と、をこの順に備え、金属層と溶射層との間に構成元素として銅及びアルミニウムを有する金属間化合物が点在している。
　上記複合基板は、金属層と溶射層との間に構成元素として銅及びアルミニウムを有する金属間化合物が点在していることから、金属層と溶射層が強固に接合しており、高い導電性を有する。また、金属間化合物が層状に形成されるのではなく点在していることからヒートサイクルに伴うクラックの発生を抑制し、ヒートサイクルに対する耐久性を向上することができる。
　金属層と溶射層の積層方向に沿って切断したときの切断面をみたときに、上記複合基板は、金属層と溶射層との間に、金属層と溶射層とが直接接する接触部と、金属間化合物が介在している介在部と、を有していてよい。これによって、金属層と溶射層との接合強度と、ヒートサイクルに対する耐久性を一層高い水準で両立することができる。
　上記金属間化合物は、Ｃｕ９Ａｌ４、ＣｕＡｌ及びＣｕＡｌ２からなる群より選ばれる少なくとも一つを含んでもよい。これによって、金属層と溶射層との接合強度と、ヒートサイクルに対する耐久性をより一層高い水準で両立することができる。
　金属層と溶射層の積層方向に沿って切断したときの切断面をみたときに、溶射層の金属層側の境界線に沿う金属間化合物の長さが１５μｍ以下であってよい。また、上記切断面をみたときに、溶射層の金属層側の境界線の長さを基準とする、金属間化合物による溶射層の被覆率が７５％以下であってよい。このような複合基板は、ヒートサイクルに対する耐久性を十分に高くすることができる。
　本開示の一側面に係る回路基板は、セラミックス板と、セラミックス板上に導体部とを備え、導体部は、セラミックス板側から、アルミニウム及びアルミニウム合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む金属層と、銅及び銅合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む溶射層と、をこの順に備え、金属層と溶射層との間に、構成元素として銅及びアルミニウムを有する金属間化合物が点在している。
　上記回路基板における導体部は、金属層と溶射層との間に構成元素として銅及びアルミニウムを有する金属間化合物が点在していることから、金属層と溶射層が強固に接合しており、高い導電性を有する。また、金属間化合物が層状に形成されるのではなく点在していることからヒートサイクルに伴うクラックの発生を抑制し、ヒートサイクルに対する耐久性を向上することができる。
　本開示の一側面に係る複合基板の製造方法は、セラミックス板上に設けられた、アルミニウム及びアルミニウム合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む金属層の表面に、銅及び銅合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む金属粒子を吹き付けて前駆体膜を形成する工程と、前駆体膜を加熱して溶射層を得るとともに、金属層と溶射層との間に点在するように金属間化合物を生成させる加熱工程と、を有する。
　上記複合基板の製造方法では、前駆体膜を加熱して、金属層と溶射層との間に構成元素として銅及びアルミニウムを有する金属間化合物が点在するように生成させている。金属間化合物が点在するほどに生成するまで前駆体膜を加熱していることから、加工硬化が十分に緩和された溶射層を得ることができる。このように加工硬化が緩和された溶射層は高い導電性を有する。また、金属間化合物が層状に生成するのではなく点在するように生成していることからヒートサイクルに伴うクラックの発生を抑制し、ヒートサイクルに対する耐久性を向上することができる。
　本開示の一側面に係る回路基板の製造方法は、セラミックス板上に設けられた、アルミニウム及びアルミニウム合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む金属層の表面に、銅及び銅合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む金属粒子を吹き付けて前駆体膜を形成する工程と、前駆体膜を加熱して溶射層を得るとともに、金属層と溶射層との間に点在するように金属間化合物を生成させ、セラミックス板上に所定パターンを有する導体部を形成する加熱工程と、を有する。
　上記回路基板の製造方法では、前駆体膜を加熱して、金属層と溶射層との間に構成元素として銅及びアルミニウムを有する金属間化合物が点在するように生成させて導体部を形成している。金属間化合物が点在するほどに生成するまで前駆体膜を加熱していることから、加工硬化が十分に緩和された溶射層を得ることができる。このように加工硬化が緩和された溶射層は高い導電性を有する。また、金属間化合物が層状に形成されるのではなく点在していることからヒートサイクルに伴うクラックの発生を抑制し、ヒートサイクルに対する耐久性を向上することができる。
　本開示によれば、ヒートサイクルに対する耐久性に優れるとともに高い導電性を有する複合基板及び回路基板を提供することができる。また、本開示では、ヒートサイクルに対する耐久性に優れるとともに高い導電性を有する複合基板及び回路基板を製造することが可能な複合基板及び回路基板の製造方法を提供することができる。
図１は、一実施形態に係る複合基板を示す断面図である。 図２は、一実施形態に係る回路基板を示す平面図である。 図３は、一実施形態に係る複合基板（回路基板）の断面の一部を拡大して示す拡大断面図である。 図４は、第１前駆体膜及び第２前駆体膜の成膜に用いられる粉体スプレー装置の一例を示す図である。 図５は、実施例１の回路基板の切断面を示す走査型電子顕微鏡の写真である。 図６は、実施例３の回路基板の切断面を示す走査型電子顕微鏡の写真である。 図７は、比較例１の回路基板の切断面を示す走査型電子顕微鏡の写真である。 図８は、比較例２の回路基板の切断面を示す走査型電子顕微鏡の写真である。 図９は、比較例３の回路基板の切断面を示す走査型電子顕微鏡の写真である。 図１０は、比較例４の回路基板の切断面を示す走査型電子顕微鏡の写真である。
　以下、場合により図面を参照して、本開示の一実施形態について説明する。ただし、以下の実施形態は、本開示を説明するための例示であり、本開示を以下の内容に限定する趣旨ではない。説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用い、場合により重複する説明は省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。更に、各要素の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。
　図１は、一実施形態に係る複合基板１００の金属層及び溶射層の積層方向に沿う断面図である。図１に示す複合基板１００は、セラミックス板１０と、セラミックス板１０を挟むように一対の積層部２０と、を備える。積層部２０は、セラミックス板１０側から、アルミニウム及びアルミニウム合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む金属層２１と、銅及び銅合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む溶射層２２と、をこの順に備える。図１は、金属層２１及び溶射層２２の積層方向に沿う切断面を示している。
　積層部２０の一方又は双方は、所定パターンを有する導体部（金属回路）であってよい。この場合、複合基板１００は回路基板となる。導体部には例えば銀接合層を介して半導体素子が接合され回路が形成される。
　セラミックス板１０としては、通常のセラミックスで構成されるものであってよい。セラミックスとしては、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、及び酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）等が挙げられる。セラミックス板１０の厚みは、優れた絶縁性を維持しつつ、ヒートサイクルに対する耐久性向上と薄型化を図る観点から、例えば０．２～１．０ｍｍであってよい。
　金属層２１は、複合基板１００の熱伝導性を高く維持しつつ、セラミックス板１０と溶射層２２の熱膨張率の差に起因してヒートサイクルの際に発生する熱応力を低減する機能を有する。このような機能を十分に発揮するため、金属層２１は、アルミニウム及びアルミニウム合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを主成分として含んでよい。アルミニウム合金としては、アルミニウム－マグネシウム合金、及びアルミニウム－リチウム合金等が挙げられる。ここで、「主成分」とは、金属層２１の全体に対する含有量が９０質量％以上である成分である。金属層２１の厚みは、ヒートサイクルの際に発生する熱応力を十分に低減しつつ、薄型化を図る観点から、例えば０．０５～１ｍｍであってもよい。
　金属層２１は、セラミックス板１０の主面上にろう材を塗布し金属板を接合することによって形成されるものであってもよいし、セラミックス板１０の主面に対して、金属粒子を溶射し加熱処理することによって形成される溶射層であってもよい。溶射層であれば、ろう材を用いずにセラミックス板１０の主面上に金属層２１を形成することができる。溶射時にマスクを用いれば、エッチングを行うことなく所定パターンを有する導体部を形成することができる。
　溶射層２２は、複合基板１００の熱伝導性を高く維持しつつ、導電率を十分に高くする観点から、銅及び銅合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを主成分として含んでよい。銅合金の例としては、銅－リン合金、及び銅－モリブデン合金等が挙げられる。ここで、「主成分」とは、溶射層２２の全体に対する含有量が９０質量％以上である成分である。溶射層２２の厚みは、導電性及び熱伝導性を十分に高くしつつ、ヒートサイクルに対する耐久性向上と薄型化を図る観点から、例えば０．１～３ｍｍであってよい。
　溶射層２２は、セラミックス板１０の主面に対して、金属粒子を溶射し加熱処理することによって形成される。溶射層２２は、ろう材を用いることなく金属層２１の主面上に形成することができる。溶射時にマスク材を用いれば、エッチングを行うことなく所定パターンを有する導体部を形成することができる。
　図２は、一実施形態に係る回路基板２００の斜視図である。回路基板２００は、セラミックス板１０と、セラミックス板１０の一方の主面１０Ａ上に設けられた複数の導体部２０Ａを備える。複数の導体部２０Ａの形状は全て同じであってもよいし、図２に示すように、異なる形状のものを含んでいてもよい。導体部２０Ａは、セラミックス板１０側から、金属層２１と溶射層２２をこの順に有する。すなわち、導体部２０Ａは、図１の積層部２０と同様の積層構造を有する。回路基板２００は、セラミックス板１０の他方の主面にも同様に複数の導体部２０Ａを備える。変形例では、一方の主面のみに一つ又は複数の導体部２０Ａを備えていてもよい。
　図３は、複合基板１００（回路基板２００）の金属層２１及び溶射層２２の積層方向に沿う断面の一部を拡大して示す拡大断面図である。図３は、複合基板１００（回路基板２００）における一方の金属層２１とこれに隣接するセラミックス板１０及び溶射層２２の一部を示している。溶射層２２の金属層２１側との境界線Ｌに沿って、金属間化合物３０が点在している。金属間化合物３０は、構成元素として銅及びアルミニウムを有する。具体的には、Ｃｕ９Ａｌ４、ＣｕＡｌ及びＣｕＡｌ２からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む。金属間化合物３０の同定は、Ｘ線回折によって行うことができる。
　複合基板１００（回路基板２００）では、金属層２１と溶射層２２との間に金属間化合物３０が点在している。金属層２１と溶射層２２との間には、金属層２１と溶射層２２とが直接接する接触部４０と、金属層２１と溶射層２２との間に金属間化合物３０が介在する介在部４２とが形成される。
　介在部４２における金属間化合物３０は、構成元素として銅及びアルミニウムを有するため、金属層２１と溶射層２２の両方となじみがよく、両者を強固に接合する機能を有する。これによって金属層２１と溶射層２２の間の導電性を向上することができる。また、ヒートサイクルによる熱応力に伴う歪を接触部４０が担うため、介在部４２における金属間化合物３０に熱応力が集中することを抑制できる。このようにして、通常は硬くて脆い金属間化合物にクラックが生じることを抑制し、ヒートサイクルに対する耐久性を向上することができる。
　図３に示すような切断面をみたときに、溶射層２２の金属層２１側の境界線Ｌに沿う金属間化合物３０（介在部４２）の長さは２５μｍ未満である。境界線Ｌに沿う金属間化合物３０の長さは、以下の手順で測定することができる。複合基板を、ダイヤモンドカッター又はバンドソー等を用いて切断し、ダイヤモンド砥粒等で研磨して、図３に示すような切断面を得る。この切断面を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察し、３０００倍の拡大画像の写真を撮影する。この写真に映し出されている溶射層２２の金属層２１側の外縁を境界線Ｌとし、この境界線Ｌに沿う金属間化合物３０の長さを測定する。長さは、境界線Ｌに沿って例えば紐を配置し、金属間化合物３０の部分の紐の長さと写真の拡大倍率から算出することができる。測定は、上記切断面において、任意に選択され、互いに異なる５箇所の領域において撮影された写真を用いて行う。本開示では、このようにして測定される長さが２５μｍ以上である金属間化合物は層状とみなされる。
　本開示における「金属間化合物が点在する」とは、上述の５箇所の領域において撮影されたＳＥＭ写真において、金属間化合物３０の境界線Ｌに沿う長さの最大値が２５μｍ未満であることを意味する。すなわち、上述の５箇所の領域において撮影されたＳＥＭ写真において、金属間化合物３０として、境界線Ｌに沿う長さが２５μｍ未満のもののみを含むことを意味する。上述の５箇所の領域において撮影されたＳＥＭ写真において、境界線Ｌに沿う金属間化合物３０の長さは、ヒートサイクルに対する耐久性をさらに向上する観点から、２０μｍ以下であってよく、１５μｍ以下であってもよい。これによって、金属間化合物３０に応力が集中することが一層抑制され、ヒートサイクルに対する耐久性を十分に高くすることができる。上記境界線Ｌに沿う金属間化合物３０の長さは、加工硬化が十分に緩和された溶射層２２とする観点から、２μｍ以上であってよく、５μｍ以上であってもよい。
　上記切断面をみたときに、溶射層２２の金属層２１側の境界線Ｌの長さを基準とする、金属間化合物による溶射層２２の被覆率が７５％以下であってよく、５０％未満であってもよい。これによって、境界線Ｌにおいて溶射層２２と金属層２１とが直接接触する接触部４０の割合が高くなり、ヒートサイクルの際に金属間化合物３０に熱応力が集中することを一層抑制することができる。したがって、ヒートサイクルに対する耐久性を十分に高くすることができる。上記被覆率は、溶射層２２の加工硬化を十分に緩和させる観点及び金属層２１と溶射層２２とを一層強固に接合させる観点から、１０％以上であってよく、３０％以上であってもよい。
　上記被覆率は、金属間化合物３０の長さの測定と同様に、３０００倍の拡大画像の写真と紐を用いて行うことができる。すなわち、境界線Ｌに沿って例えば紐を配置し、境界線Ｌの全体の長さ（Ｌ０）と、写真に映し出されている金属間化合物３０（介在部４２）の部分の紐の長さ（Ｌ１）とを測定する。金属間化合物３０が複数ある場合、長さ（Ｌ１）は、各金属間化合物３０の境界線Ｌに沿う長さの合計値となる。測定は、上記切断面において、任意に選択される５箇所の領域において撮影された写真を用いて行う。それぞれの写真を用いて、（Ｌ１／Ｌ０）×１００の計算を行い、この計算値の平均値を、本開示における被覆率とする。
　複合基板１００の製造方法の一例は、アルミニウム及びアルミニウム合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む第１金属粒子を、不活性ガスとともにセラミックス板１０の主面に吹き付けて第１前駆体膜を形成する工程と、
　不活性ガス雰囲気下で第１前駆体膜を加熱して金属層２１を形成する工程と、
　セラミックス板１０上に設けられた、金属層２１の表面に、銅及び銅合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む第２金属粒子を吹き付けて第２前駆体膜を形成する工程と、
　第２前駆体膜を加熱して溶射層２２を得るとともに、金属層２１と溶射層２２との間に点在するように金属間化合物３０を生成させる加熱工程と、を有する。
　この例では、金属層２１及び溶射層２２の両方を溶射によって形成している。これらの層の形成には、粉体スプレー装置を用いることができる。具体的には、まず、粉体スプレー装置を用いて、第１金属粒子をセラミックス板１０の主面に吹き付ける。これによって、セラミックス板１０の主面上に第１前駆体膜が成膜される。このとき、一方の主面上に第１前駆体膜を成膜した後、他方の主面上に第１前駆体膜を成膜してよい。セラミックス板１０の一方の主面上のみに積層部２０を有する複合基板を製造する場合、片方の主面のみに第１前駆体膜を成膜すればよい。
　第１金属粒子は、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、成膜後の加熱の際、マグネシウム又はリチウム等の金属元素と、セラミックス板の表面の酸化物とが反応し、これらが強固に接合する傾向がある。ヒートサイクルに対する耐久性を更に向上する観点から、第１金属粒子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１金属粒子全体に対して６．０質量％以下であってもよい。
　セラミックス板上に形成された第１前駆体膜は、不活性ガス雰囲気下で加熱されて金属層２１となる。このときの加熱温度は、４００～６００℃であってよい。第１前駆体膜を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ス板１０の表面の酸化物との反応が十分に進行する。これによって、金属層２１とセラミックス板１０とを強固に接合することができる。また、第１前駆体膜を６００℃以下の温度で加熱処理することで、第１前駆体膜が軟化することによる影響を低減することができる。
　本例では、金属層２１を溶射によって形成しているが、これに限定されない。例えば、アルミニウム及びアルミニウム合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む金属板を準備し、これをろう材を用いて接合してセラミックス板１０上に金属層２１を設けてもよい。この場合、セラミックス板１０上に所定パターンの導体部を形成するためには、金属層２１のエッチングが必要となる場合がある。
　溶射の場合、セラミックス板１０の主面の一部を覆うマスク材を配置することにより、セラミックス板１０上にパターン（回路パターン）を有する金属層２１を形成することができる。この方法であれば、成膜後のエッチングのような追加の工程を行うことなく、形状精度の高い導体部を容易に形成することができる。
　金属層２１を形成した後、溶射によって金属層２１の主面上に溶射層２２を形成する。溶射層２２の形成は例えば以下の手順で行う。第２金属粒子を金属層２１のセラミックス板１０側とは反対側の主面に吹き付けて、第２前駆体膜を形成する。第２金属粒子としては、銅粒子、銅－リン合金粒子及び銅－モリブデン合金粒子等が挙げられる。第２金属粒子における銅以外の金属元素の含有量は、第２金属粒子全体に対して６．０質量％以下であってよい。
　溶射層２２は、金属層２１の主面上に成膜された第２前駆体膜を、不活性ガス雰囲気下で加熱して形成する。このときの第２前駆体膜の加熱温度は、２５０～３００℃であってよく、２５０～２９０℃であってもよい。加熱処理温度が高くなり過ぎると、金属間化合物３０が層状に形成されやすくなり、ヒートサイクルに対する耐久性が低下する傾向がある。一方、加熱処理温度が低過ぎると溶射層２２における加工硬化を十分に緩和できず、優れた導電性が損なわれる傾向にある。また、金属間化合物３０の生成量が少なくなる傾向にある。
　第２前駆体膜の上記加熱温度における加熱時間は、５分間～１時間であってよい。加熱時間が短過ぎると、溶射層２２の加工硬化を十分に緩和できず、優れた導電性が損なわれる傾向にある。また、金属間化合物３０の生成量が少なくなる傾向にある。一方、加熱時間が長過ぎると、金属間化合物３０が層状に形成されやすくなり、ヒートサイクルに対する耐久性が低下する傾向がある。なお、第２前駆体膜の加熱温度及び加熱時間を変えることによって、金属間化合物３０による溶射層２２の被覆率、及び、境界線Ｌに沿う金属間化合物３０の長さを調節することができる。
　第２前駆体を成膜する際に、第１前駆体を成膜する際と同様のマスク材を用いることによって、金属層２１と同様のパターン（回路パターン）を有する溶射層２２を形成することができる。この方法であれば、成膜後のエッチングのような追加の工程を行うことなく、形状精度の高い導体部を容易に形成することができる。このようにして、セラミックス板１０上に導体部を有する回路基板を製造してもよい。なお、溶射層２２は、金属層２１よりも一回り小さくなるように形成してもよい。
　図４は、第１前駆体膜及び第２前駆体膜の成膜に用いられる粉体スプレー装置の一例を示す図である。粉体スプレー装置５０は、ガス供給部５４、ヒーター５６、粒子供給部５７、先細末広型のスプレーガンのノズル５１及びこれらを連結する配管を備える。ガス供給部５４の下流側には第１圧力調節部５５ａが設けられている。第１圧力調節部５５ａの下流側で配管が２つに分岐する。分岐した２つの配管の一方に第２圧力調節部５５ｂとヒーター５６がこの順に接続され、分岐した２つの配管の他方に第３圧力調節部５５ｃと粒子供給部５７とがこの順に接続されている。ヒーター５６及び粒子供給部５７は配管を介してノズル５１に接続されている。
　ガス供給部５４は、作動ガスとして機能する不活性ガスを供給する。不活性ガスは、例えばヘリウムガス、窒素ガス、又はこれらの混合ガスであってよい。ガス供給部５４から供給される作動ガスの一部は、第２圧力調節部５５ｂにより圧力が調節された後、必要に応じてヒーター５６によって加熱される。加熱温度は、第１前駆体膜を形成する際は例えば１０～２７０℃であってよい。第２前駆体膜を形成する際は例えば１０～６５０℃であってよい。その後、加熱された作動ガスはスプレーガンのノズル５１に供給される。ガス供給部５４から供給される作動ガスの他部は、第３圧力調節部５５ｃによって圧力が調整された後、粒子供給部５７に供給される。粒子供給部５７から、作動ガスとともに成膜用の金属粒子がスプレーガンのノズル５１に供給される。
　ノズル５１の入口５１ａにおける作動ガスのゲージ圧力は１．５～５．０ＭＰａであってよい。ヒーター５６による加熱温度は、通常、成膜される金属粒子の融点又は軟化点よりも低く設定される。
　スプレーガンのノズル５１に供給された第１金属粒子又は第２金属粒子と作動ガスは、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。金属粒子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５１の出口から噴出される。ノズル５１から噴出された第１金属粒子又は第２金属粒子は、セラミックス板１０の主面に吹き付けられる。これにより第１金属粒子及び第２金属粒子がセラミックス板１０の主面及び金属層２１の表面にそれぞれ固相状態で衝突しながら堆積して、第１前駆体膜及び第２前駆体膜が成膜される。図４では、セラミックス板１０の主面に成膜された第１前駆体膜２１ａが示されている。
　上述の製造方法によって、セラミックス板１０と、その両方の主面上に、セラミックス板１０側から、金属層２１と溶射層２２とをこの順に備える積層部２０を有し、金属層２１と溶射層２２との間に、構成元素として銅及びアルミニウムを有する金属間化合物３０が点在している複合基板１００を得ることができる。上述の複合基板１００に関する説明内容は、複合基板１００の製造方法にも適用することができる。
　回路基板の製造方法の一例は、上述の製造方法によって得られる複合基板１００の積層部２０をエッチングによってパターニングして、導体部を形成する工程を有していてもよい。別の例では、第１前駆体膜及び第２前駆体膜を成膜する際にマスク材を用いることによって、エッチングを行うことなくセラミックス板１０の両方の主面上に導体部を形成することによって製造してもよい。この場合、回路基板の製造方法は、上述の複合基板の製造方法における第１前駆体膜及び第２前駆体膜を形成するそれぞれの工程において、マスク材を用いて所定のパターン形状を有する第１前駆体膜及び第２前駆体膜をそれぞれ成膜すればよい。その他の点については、複合基板と同様にして製造することができる。
　上述の複合基板１００及び回路基板２００の製造方法では、構成元素として銅及びアルミニウムを有する金属間化合物３０が点在するように第２前駆体膜が加熱されている。このため、加工硬化が緩和された溶射層２２を得ることができる。このような溶射層２２は優れた導電性を有する。また、金属間化合物３０が層状に生成するのではなく点在するように生成していることからヒートサイクルに伴うクラックの発生を抑制し、ヒートサイクルに対する耐久性を向上することができる。このため、複合基板１００及び回路基板２００が用いられたパワーモジュールは信頼性に優れる。また、点在する金属間化合物３０が金属層２１と溶射層２２との接合を強固にして導電性を向上することができる。
　以上、本開示の幾つかの実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に何ら限定されるものではない。例えば、セラミックス板１０の両方の主面に積層部２０（導体部２０Ａ）を設けることは必須ではなく、例えば、セラミックス板１０の一方の主面のみに積層部２０（導体部２０Ａ）を設けてもよい。また、セラミックス板１０を挟む一対の積層部２０（導体部２０Ａ）における金属層２１及び溶射層２２の厚み、形状及び組成の少なくとも一つは、互いに異なっていてもよい。
　以下、実施例を挙げて本開示の内容をさらに具体的に説明する。ただし、本開示は以下の実施例に限定されるものではない。
［実施例１］
（回路基板の作製）
　セラミックス板として窒化アルミニウム（ＡＩＮ）製の基板（サイズ：縦×横×厚み＝６０ｍｍ×５０ｍｍ×０．６３５ｍｍ、三点曲げ強度：５００ＭＰａ、熱伝導率：１５０Ｗ／ｍＫ、純度：９５％以上）を準備した。
　基板の主面の一部を鉄製のマスク材でマスキングした。粉体スプレー装置によって、アルミニウム粒子（高純度化学研究所社製のガスアトマイズ粉、メジアン径：２４μｍ）を、マスキングした主面に吹き付けて、アルミニウム膜（第１前駆体膜）を形成した。アルミニウム膜の成膜条件は、作動ガスとして窒素ガスを用い、作動ガスの加熱温度を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とした。
　形成されたアルミニウム膜に、窒素雰囲気下、５００℃で３時間保持する加熱処理を施し、０．２ｍｍの厚さを有するアルミニウム製の金属層を得た。
　次に、金属層の一部を鉄製のマスク材でマスキングした。粉体スプレー装置によって、銅粒子（福田金属箔粉工業株式会社製、水アトマイズ粉、メジアン径：１７μｍ）を金属層の表面に吹き付けて、金属層の表面上に銅膜（第２前駆体膜）を成膜した。銅膜の成膜条件は、作動ガスとして窒素ガスを用い、作動ガスの加熱温度を３５０℃、スプレーガンのノズル入口における作動ガスの圧力を３ＭＰａとした。
　形成された銅膜に、窒素雰囲気下、２８０℃で１０分間保持する加熱処理を施し、０．４ｍｍの厚さを有する銅製の溶射層を得た。溶射層は、金属層よりも縦及び横の長さが約５０μｍ小さくなるように形成した。
　セラミックス板の両方の主面において、上述の手順で金属層及び溶射層を順次形成し、セラミックス板の両方の主面上に、セラミックス板側から、金属層及び溶射層を有する導体部を備える実施例１の回路基板を得た。
（回路基板の評価）
＜ＳＥＭ観察による評価＞
　回路基板を金属層及び溶射層の積層方向に沿ってダイヤモンドカッターを用いて切断し、ダイヤモンド砥粒で研磨してＳＥＭ観察用の切断面とした。切断面をＳＥＭで観察し、金属層と溶射層の間における金属間化合物の形態を確認した。結果は表１に示すとおりであった。図５は、実施例１の回路基板の切断面を示すＳＥＭ写真である。
　図５のようなＳＥＭ写真（倍率：３０００倍）を互いに異なる５箇所の位置で撮影した。これらのＳＥＭ写真において、溶射層の金属層側の境界線Ｌに沿う金属間化合物の長さの最大値を求めた。また、各ＳＥＭ写真において、溶射層の金属層側の境界線Ｌの長さ（Ｌ０）と、境界線Ｌに沿う金属間化合物の長さの合計値（Ｌ１）を、紐を用いて測定した。それぞれの写真において、（Ｌ１／Ｌ０）×１００の計算を行い、この計算値の平均値を被覆率として求めた。結果は表１に示すとおりであった。
＜導電率の測定＞
　渦電流法によって導体部の導電率測定を行った。測定は、デジタル導電率計（ＧＥセンシング＆インスペクション・テクノロジーズ社製、商品名：ＡｕｔｏＳｉｇｍａ３０００）を用いて行った。結果は表１に示すとおりであった。
＜ビッカース硬度の測定＞
　溶射層の表面におけるビッカース硬度を測定した。測定は、ダイナミック超微小硬度計（株式会社島津製作所製、商品名：ＤＵＨ２１１）を用いて行った。結果は表１に示すとおりであった。
＜ヒートサイクル試験＞
　「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、上述の「ＳＥＭ観察による評価」と同様にしてＳＥＭ観察を行い、金属層及び溶射層の剥離等の有無を検査した。ＳＥＭ観察の結果、剥離が検知されなかったものを「Ａ」、剥離が検知されたものを「Ｂ」と評価した。結果は表１に示すとおりであった。
［実施例２］，［実施例３］、［比較例１］～［比較例３］
　窒素雰囲気下における銅膜の加熱温度及び加熱時間を表１に示すとおりに変更したこと以外は、実施例１と同様にして回路基板を作製し、各評価を行った。各評価の結果は表１に示すとおりであった。
［比較例４］
　銅膜の加熱処理を行わなかったこと以外は、実施例１と同様にして回路基板を作製し、各評価を行った。各評価の結果は表１に示すとおりであった。
　図６は、実施例３の回路基板の切断面を示すＳＥＭ写真である。図７は、比較例１の回路基板の切断面を示すＳＥＭ写真である。図８は、比較例２の回路基板の切断面を示すＳＥＭ写真である。図９は、比較例３の回路基板の切断面を示すＳＥＭ写真である。図１０は比較例４の回路基板の切断面を示すＳＥＭ写真である。各実施例の回路基板では、金属間化合物３０が、溶射層２２と金属層２１の間において点在していることが確認された。一方、比較例１～３の回路基板では、金属間化合物１３０が溶射層１２２と金属層１２１の間において点在しているとはいえず、層状になっていた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　各実施例の回路基板の導体部は優れた導電性を有していた。また、ビッカース硬度の結果から、各実施例では溶射層の加工硬化が十分に緩和されていることが確認された。一方、金属間化合物が層状に形成されていた比較例１～３は、実施例１～３よりもヒートサイクルの耐久性に劣ることが確認された。また、金属層と溶射層との間に金属間化合物が点在していない比較例４の回路基板は導電性が低かった。
　本開示によれば、ヒートサイクルに対する耐久性に優れるとともに高い導電性を有する複合基板及び回路基板を提供することができる。
　１０…セラミックス板、１０Ａ…主面、２０…積層部、２０Ａ…導体部、２１…金属層、２１ａ…第１前駆体膜、２２…溶射層、３０…金属間化合物、４０…接触部、４２…介在部、５０…粉体スプレー装置、５１…ノズル、５１ａ…入口、５４…ガス供給部、５５ａ…第１圧力調節部、５５ｂ…第２圧力調節部、５５ｃ…第３圧力調節部、５６…ヒーター、５７…粒子供給部、１００…複合基板、２００…回路基板。

Claims (8)

  1. 　セラミックス板と、
    　アルミニウム及びアルミニウム合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む金属層と、
    　銅及び銅合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む溶射層と、をこの順に備え、
    　前記金属層と前記溶射層との間に、構成元素として銅及びアルミニウムを有する金属間化合物が点在している、複合基板。
  2. 　前記金属層と前記溶射層の積層方向に沿って切断したときの切断面をみたときに、前記金属層と前記溶射層との間に、前記金属層と前記溶射層とが直接接する接触部と、前記金属間化合物が介在している介在部と、を有する、請求項１に記載の複合基板。
  3. 　前記金属間化合物は、Ｃｕ９Ａｌ４、ＣｕＡｌ及びＣｕＡｌ２からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む、請求項１又は２に記載の複合基板。
  4. 　前記金属層と前記溶射層の積層方向に沿って切断したときの切断面をみたときに、前記溶射層の前記金属層側の境界線に沿う前記金属間化合物の長さが１５μｍ以下である、請求項１～３のいずれか一項に記載の複合基板。
  5. 　前記金属層と前記溶射層の積層方向に沿って切断したときの切断面をみたときに、前記溶射層の前記金属層側の境界線の長さを基準とする、前記金属間化合物による前記溶射層の被覆率が７５％以下である、請求項１～４のいずれか一項に記載の複合基板。
  6. 　セラミックス板と、前記セラミックス板上に導体部と、を備え、
    　前記導体部は、前記セラミックス板側から、アルミニウム及びアルミニウム合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む金属層と、銅及び銅合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む溶射層と、をこの順に備え、
    　前記金属層と前記溶射層との間に、構成元素として銅及びアルミニウムを有する金属間化合物が点在している、回路基板。
  7. 　セラミックス板上に設けられた、アルミニウム及びアルミニウム合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む金属層の表面に、銅及び銅合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む金属粒子を吹き付けて前駆体膜を形成する工程と、
    　前記前駆体膜を加熱して溶射層を得るとともに、前記金属層と前記溶射層との間に点在するように金属間化合物を生成させる加熱工程と、を有する、複合基板の製造方法。
  8. 　セラミックス板上に設けられた、アルミニウム及びアルミニウム合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む金属層の表面に、銅及び銅合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む金属粒子を吹き付けて前駆体膜を形成する工程と、
    　前記前駆体膜を加熱して溶射層を得るとともに、前記金属層と前記溶射層との間に点在するように金属間化合物を生成させ、前記セラミックス板上に所定パターンを有する導体部を形成する加熱工程と、を有する、回路基板の製造方法。
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