(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板と金属板との複合基板の製造方法において、固体分が重量％で、
Ａｇ：９０．０〜９９．５％、
Ｃｕ：０〜９．５％（ただし０を含まない）、
活性金属：０．５〜４．０％、
の組成からなる粉体１００重量部に対し、１０〜１４重量部のビヒクルを添加混練して得たペースト状のろう材をセラミックス基板上に塗布する第１工程、次いで該ろう材上に銅板を重ね、ろう材の融点以下の温度で加熱接合して銅板−セラミックス基板接合体を得る第２工程、および得られた接合体の銅板上にエッチングレジストにより回路パターンを形成した後、エッチング処理により金属回路を形成する第３工程からなることを特徴とする金属−セラミックス複合基板の製造方法。
【請求項２】
ろう材の融点以下の温度である、７８０℃〜８７０℃で加熱接合することを特徴とする請求項１記載の金属−セラミックス複合基板の製造方法。
【請求項３】
活性金属がＴｉであることを特徴とする請求項１または２記載の金属−セラミックス複合基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は金属とセラミックスとを接合した複合基板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、金属としての銅板とセラミックス基板としての窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板とを接合する方法として、特開昭６０−１６６１６５号公報記載の「窒化物系セラミックスと金属との接合方法」に開示する活性金属ろう接法や、銅板と窒化アルミニウム基板表面を改質させて直接接合する直接接合法（例えば特開昭５６−１６３０９３号公報）等が知られている。
【０００３】
このうち活性金属ろう接法は、直接接合法に比較して接合強度が高く、得られた接合体は、ヒートサイクルに対して耐久性が高い等の特性を有することから、酸化物系セラミックス基板以外の例えば窒化物セラミックス基板と銅板との接合に多用されるようになった。
【０００４】
上記活性金属ろう接法に使用されるろう材としては、Ａｇ−Ｃｕ−活性金属（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆのいずれか１種）からなるろう材（特開昭６０−１６６１６５号公報）やＡｇ−Ｃｕ−水素化チタンからなる活性金属ペースト材（特開平３−１０１１５３号公報）が実用化されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記ろう材を用いて窒化アルミニウム基板の上下面に銅板を接合して回路基板を形成することは実用化されているが、このろう材は通常Ａｇ７２：Ｃｕ２８前後の共晶点組成に活性金属を添加した場合が多く、いずれも共晶点７８０℃を越えた温度で、実質的には８５０℃前後で焼成接合している。しかしながら近年の回路用基板には、大電力化に対応できるよう、放熱性、電気絶縁性に加え、より高強度でかつ熱衝撃性に優れた基板やコストの安い基板が望まれていた。
【０００６】
したがって本発明の目的は従来のろう材よりもパワーモジュール基板としての諸特性値を維持し、且つ未接の無い複合基板を得るろう材を提供するとともに、このろう材を用いて行う金属−セラミックス複合基板の製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記目的を達成すべく鋭意研究した結果、従来公知の活性金属ろう材の組成であって、銀を９０％として銅（９．５％）または活性金属（Ｔｉ０．５％）を添加するろう材を用いると接合温度をろう材の共晶融点８７５℃以下である７８０〜８７０℃でも接合可能であることを見いだすと共に、接合後の複合基板には未接の基板がないことを確認できた。
【０００８】
すなわち本発明の金属−セラミックス複合基板は第１に、セラミックス基板と金属板とを重量％で、Ａｇ：９０．０〜９９．５％、Ｃｕ：０〜９．５％（ただし０を含まない）、活性金属：０．５〜４．０％、の組成からなるろう材を用いて接合したことを特徴とする。
【０００９】
第２に、上記セラミックス基板はＡｌ2 Ｏ3 、ＡｌＮ、Ｓｉ3 Ｎ4 から選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする。
【００１０】
第３に、上記活性金属はＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆから選択されるいずれか１種以上であることを特徴とする。
【００１１】
本発明のセラミックス基板と金属板との複合基板の製造方法においては、固体分が重量％で、Ａｇ：９０．０〜９９．５％、Ｃｕ：０〜９．５％（ただし０を含まない）、活性金属：０．５〜４．０％、の組成からなる粉体１００重量部に対し、１０〜１４重量部のビヒクルを添加混練して得たペースト状のろう材をセラミックス基板上に塗布する第１工程、次いで該ろう材上に銅板を重ね、ろう材の融点以下の温度で加熱接合して銅板−セラミックス基板接合体を得る第２工程、および得られた接合体の銅板上にエッチングレジストにより回路パターンを形成した後、エッチング処理により金属回路を形成する第３工程からなることを特徴とする。
【００１２】
上記接合温度は、ろう材の融点以下である７８０〜８７０℃の範囲であることを特徴とする。
【００１３】
本発明のセラミックス基板と金属板とを接合させるろう材においては、その組成が、重量％で、Ａｇ：９０．０〜９９．５％、Ｃｕ：０〜９．５％、活性金属：０．５〜４．０％、からなる粉体１００重量部に対し、１０〜１４重量部のビヒクルを添加混練してペースト状としたことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明のセラミックス基板と金属板とを接合させるろう材においては、その組成が、重量％で、Ａｇ：９０．０〜９９．５％、Ｃｕ：０〜９．５％、活性金属：０．５〜４．０％、酸化チタン粉：０．０〜０．９％、からなる粉体１００重量部に対し、１０〜１４重量部のビヒクルを添加混練してペースト状としたことを特徴とする。
【００１５】
本発明においては使用するろう材の組成物範囲はＡｇが９０．０〜９９．５重量％である。これは９０重量％未満の場合未接の複合基板が生ずるので好ましくないからである。またＣｕ分は９．５重量％以下の範囲であるが、これは加熱接合時においてろう材のＡｇ分と銅板接合面とが反応することにより共晶化が起こるために銅分の添加量は従来の銀−銅ろう材により少なくても良いことによる。
【００１６】
本発明において使用し得る活性金属としてはＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆなど周期律表４ａ族の元素のうちの少なくとも１種であり、添加形態としては金属体として、あるいは水素化合物として用いてもよく、添加量としては０．５〜４．０重量％の範囲が好ましい。これは０．５重量％未満では生成される窒化物層が少なくなり接着強度がなく、一方４．０重量％を越えると逆に接着強度は高くなるものの、接合後にクラックが発生しやすいという欠点があるからである。
【００１７】
酸化チタンの形態としてはＴｉＯやＴｉＯ2 を用いて０．０〜０．９重量％の範囲で添加される。また、これらは非晶質であっても結晶質であっても構わない。
【００１８】
これらの範囲の酸化チタンを上記組成のろう材に添加することによって耐ヒートサイクル性、抗折強度、たわみ量、通炉耐量等の特性向上に寄与することを本発明者の実験によって確認することが出来た。この理由として、ＴｉＯ2 はろう材中に分散されることにより応力の集中が緩和されるためと考えられる。
【００１９】
ろう材組成として上記範囲の合金をそのまま、あるいは有機溶剤と混合してペースト状にして用いるが、この場合、金属部材とセラミック部材を単に接合する場合には合金材を板状や箔状にして使用できる他、セラミックス基板上に電子回路を形成する場合には、ペーストろう材を用いた方が好ましい。
【００２０】
上記ペースト状ろう材は、テレピネオール、トルエン、メチルセロソルブ、エチルセルローズ等の有機溶剤５５〜７５容量部と、ＰＭＭＡ、メチルセルローズ、エチルセルローズ等の有機結合材２５〜４５容量部とを混合して得たビヒクルを、上記混合粉末１００重量部当り１０〜１４重量部の割合に添加して混練したものを用いた。
【００２１】
この場合１０〜１４重量部の割合としたのは、１０％以下だとペーストの粘度が高いため印刷時にかれやすく、逆に１４％を越えるとペーストの粘度が低いため印刷形状が流れやすいことによる。
【００２２】
本発明における加熱炉内での接合温度は、ろう材組成によって異なるが用いるろう材の共晶融点以下であることに特徴があるが、具体的には７８０〜８７０℃の範囲が好ましい。
【００２３】
この理由は以下による。即ち、従来のＡｇ７２：Ｃｕ２８前後に活性金属のＴｉを添加したろう材の場合は、銀−銅の共晶融点７８０℃を越えた温度で接合し始めるが、実操業では８５０℃前後で接合しているのが現状である。本発明においてはＡｇが９０％以上であり、特にＡｇ９０重量％：Ｃｕ９．５重量％：Ｔｉ０．５重量％の場合には銀−銅の状態図から共晶融点は８７５℃以上でなければならないことになり、従来例に従えば完全な接合を為すために９００℃前後で接合することになる。
【００２４】
しかしながら本発明のろう材の場合は、ろう材単独で上記の共晶融点（８７５℃）以下で焼成した場合にはろう材は融けずに焼結するのみであるが、本発明のようにパワーモジュール用基板として銅板を用いる場合には、上記ろう材と銅板とが接触するため、ミクロ的に見れば焼成時にこの接触箇所からろう材中のＡｇと銅板中の銅とが徐々に共晶反応を起こし、これが起点となってＡｇが次々と銅板へ拡散して界面全体に共晶組織を作り接合するものと考えられる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、実施例をもって詳しく説明するが本発明の範囲はこれらに限定されるものではない。
【００２６】
（実施例１）
【００２７】
セラミックス基板として５３×２９×０．６３５ｍｍのＡｌＮ基板に、表１に示す組成（実験例１〜実験例４、参考例１〜参考例４）の粉体１００重量部に対して、１２．４重量部となるビヒクルを添加混練してろう材ペーストを全面塗布した後、金属板として厚みが０．３ｍｍと０．１５ｍｍの銅板を重ね、表１に併せて示した接合温度で焼成して接合体を得た。
【００２８】
【表１】
0003682552.tif 000002
【００２９】
この場合、接合体の未接合品の割合を調べるために各温度での接合体を１００サンプル求めたところ未接合品は、ほとんど見られなかった。
【００３０】
（比較例１）
【００３１】
実施例１と同様なＡ１Ｎ基板に、表２に示す組成（比較例１〜比較例６）の粉体１００重量部に対して、１２．４重量部となるビヒクルを添加混練してろう材ペーストを全面塗布した後、金属板としての厚みが０．３ｍｍと０．１５ｍｍの銅板を重ね、表２に併せて示した接合温度で焼成した接合体を得た。
【００３２】
【表２】
0003682552.tif 000003
【００３３】
この場合、実施例１と同様に各温度の接合体を１００サンプルずつ求めたところ表２に示すように未接合品は、銀濃度と接合温度が低くなるほど多く発生することが判明した。
【００３４】
【発明の効果】
上述のように本発明ろう材を使用して金属−セラミックス複合基板を製造すると、従来の銀−銅活性金属ろう材に比較して未接合品の発生を大幅になくすことが可能となり、これにより実操業に於ける生産効率を上げることが出来、生産コスト削減に寄与できるものである。