(57)【要約】【課題】セラミックス基板と金属板の接合強度に優れるとともに、耐ヒートサイクル特性に優れた金属−セラミックス接合基板およびその製造方法を提供する。【解決手段】窒化アルミニウム焼結体からなるセラミックス基板１０の残留応力が−５０ＭＰａ以下、セラミックス基板１０の金属板１４との接合面の算術平均粗さＲａが０．１５〜０．３０μｍ、十点平均粗さＲｚが０．７〜１．１μｍ、最大高さＲｙが０．９〜１．７μｍ、セラミックス基板１０の抗折強度が５００ＭＰａ以下、セラミックス基板１０の表面に沿って形成される残留応力層１０ａの厚さが２５μｍ以下になるように、液体中に砥粒として球状アルミナを含むスラリーをセラミックス基板１０の表面に噴射するウエットブラスト処理を行った後、このウエットブラスト処理により得られたセラミックス基板１０にろう材１２を介して銅または銅合金からなる金属板１４を接合する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板に金属板が接合された金属−セラミックス接合基板において、セラミックス基板が窒化アルミニウム基板であり、セラミックス基板の残留応力が−５０ＭＰａ以下であり且つセラミックス基板の金属板との接合面の算術平均粗さＲａが０．１５〜０．３０μｍであることを特徴とする、金属−セラミックス接合基板。
【請求項２】
前記セラミックス基板の金属板との接合面の十点平均粗さＲｚが０．７〜１．１μｍであることを特徴とする、請求項１に記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項３】
前記セラミックス基板の金属板との接合面の最大高さＲｙが０．９〜１．７μｍであることを特徴とする、請求項１または２に記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項４】
前記セラミックス基板の抗折強度が５００ＭＰａ以下であることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項５】
前記セラミックス基板の表面に沿って形成された残留応力層の厚さが２５μｍ以下であることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項６】
前記セラミックス基板にろう材を介して前記金属板が接合されていることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項７】
前記金属板が銅または銅合金からなる金属板であることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板。
【請求項８】
セラミックス基板に金属板が接合された金属−セラミックス接合基板の製造方法において、セラミックス基板として窒化アルミニウム基板を使用し、セラミックス基板の残留応力が−５０ＭＰａ以下になり且つセラミックス基板の金属板との接合面の算術平均粗さＲａが０．１５〜０．３０μｍになるように、液体中に砥粒を含むスラリーをセラミックス基板の表面に噴射する処理を行い、この処理により得られたセラミックス基板に金属板を接合することを特徴とする、金属−セラミックス接合基板の製造方法。
【請求項９】
前記スラリーを噴射する処理が、前記セラミックス基板の金属板との接合面の十点平均粗さＲｚが０．７〜１．１μｍになるように行われることを特徴とする、請求項８に記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
【請求項１０】
前記スラリーを噴射する処理が、前記セラミックス基板の金属板との接合面の最大高さＲｙが０．９〜１．７μｍになるように行われることを特徴とする、請求項８または９に記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
【請求項１１】
前記スラリーを噴射する処理が、前記セラミックス基板の抗折強度が低下するように行われることを特徴とする、請求項８乃至１０のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
【請求項１２】
前記スラリーを噴射する処理が、前記セラミックス基板の抗折強度が５００ＭＰａ以下になるように行われることを特徴とする、請求項８乃至１０のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
【請求項１３】
前記スラリーを噴射する処理が、前記セラミックス基板の表面に沿って形成される残留応力層の厚さが２５μｍ以下になるように行われることを特徴とする、請求項８乃至１２のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
【請求項１４】
前記セラミックス基板にろう材を介して前記金属板を接合することを特徴とする、請求項８乃至１３のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
【請求項１５】
前記金属板が銅または銅合金からなる金属板であることを特徴とする、請求項８乃至１４のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
【請求項１６】
前記砥粒が球状アルミナからなることを特徴とする、請求項８乃至１５のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属−セラミックス接合基板およびその製造方法に関し、特に、窒化アルミニウムからなるセラミックス基板に金属板が接合された金属−セラミックス接合基板およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電気自動車、電車、工作機械などの大電力を制御するためにパワーモジュールが使用されており、このパワーモジュール用の絶縁基板として、セラミックス基板の表面に金属回路板が接合された金属−セラミックス接合回路基板が使用されている。
【０００３】
近年のパワーモジュール用の絶縁基板では、基板上に搭載する半導体チップなどの電子部品の高出力化や高密度実装化により発熱量が増大しており、高熱伝導率を有する窒化アルミニウム焼結体からなるセラミックス基板を使用した金属−セラミックス接合回路基板の使用が増大している。
【０００４】
このような金属−セラミックス接合回路基板に使用するセラミックス基板は、通常、窒化アルミニウム粉末の複数枚の成形体を積み重ねて焼成することによって作製されているので、セラミックス基板同士の接着を防止するために、成形体間にＢＮ粉などの離型材が配置されており、この離型材が焼成後にセラミックス基板の表面に残留している。このような離型材が表面に残留したセラミックス基板を使用すると、金属−セラミックス接合回路基板のセラミックス基板と金属回路板の接合強度が低下するという問題がある。
【０００５】
このような問題を解消するため、セラミックス基板の表面に砥粒を吹き付けるホーニング処理を行った後にセラミックス基板に金属板を接合する方法が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−１７１０３７号公報（段落番号００１４−００２０）
【特許文献２】特開２００５−８９２６５号公報（段落番号０００８−００１０）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１および２の方法では、金属−セラミックス接合回路基板に搭載された半導体チップなどの電子部品からの繰り返しの発熱によって、金属−セラミックス接合回路基板のセラミックス基板の強度が低下したり、セラミック基板にクラックが生じ易くなって、耐ヒートサイクル特性が低下するという問題がある。
【０００８】
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、セラミックス基板と金属板の接合強度に優れるとともに、耐ヒートサイクル特性に優れた金属−セラミックス接合基板およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、残留応力が−５０ＭＰａ以下であり且つ金属板との接合面の算術平均粗さＲａが０．１５〜０．３０μｍである窒化アルミニウムからなるセラミックス基板に金属板を接合することにより、セラミックス基板と金属板の接合強度に優れるとともに、耐ヒートサイクル特性に優れた金属−セラミックス接合基板を製造することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
すなわち、本発明による金属−セラミックス接合基板は、セラミックス基板に金属板が接合された金属−セラミックス接合基板において、セラミックス基板が窒化アルミニウム基板であり、セラミックス基板の残留応力が−５０ＭＰａ以下であり且つセラミックス基板の金属板との接合面の算術平均粗さＲａが０．１５〜０．３０μｍであることを特徴とする。
【００１１】
この金属−セラミックス接合基板において、セラミックス基板の金属板との接合面の十点平均粗さＲｚが０．７〜１．１μｍであるのが好ましく、セラミックス基板の金属板との接合面の最大高さＲｙが０．９〜１．７μｍであるのが好ましい。また、セラミックス基板の抗折強度が５００ＭＰａ以下であるのが好ましく、セラミックス基板の表面に沿って形成された残留応力層の厚さが２５μｍ以下であるのが好ましい。さらに、セラミックス基板にろう材を介して金属板が接合されているのが好ましく、金属板が銅または銅合金からなる金属板であるのが好ましい。
【００１２】
また、本発明による金属−セラミックス接合基板の製造方法は、セラミックス基板に金属板が接合された金属−セラミックス接合基板の製造方法において、セラミックス基板として窒化アルミニウム基板を使用し、セラミックス基板の残留応力が−５０ＭＰａ以下になり且つセラミックス基板の金属板との接合面の算術平均粗さＲａが０．１５〜０．３０μｍになるように、液体中に砥粒を含むスラリーをセラミックス基板の表面に噴射する処理を行い、この処理により得られたセラミックス基板に金属板を接合することを特徴とする。
【００１３】
この金属−セラミックス接合基板の製造方法において、スラリーを噴射する処理が、セラミックス基板の金属板との接合面の十点平均粗さＲｚが０．７〜１．１μｍになるように行われるのが好ましく、セラミックス基板の金属板との接合面の最大高さＲｙが０．９〜１．７μｍになるように行われるのが好ましい。また、スラリーを噴射する処理が、セラミックス基板の抗折強度が低下するように行われるのが好ましく、セラミックス基板の抗折強度が５００ＭＰａ以下になるように行われるのが好ましい。さらに、スラリーを噴射する処理が、セラミックス基板の表面に沿って形成される残留応力層の厚さが２５μｍ以下になるように行われるのが好ましい。また、セラミックス基板にろう材を介して金属板を接合するのが好ましく、金属板が銅または銅合金からなる金属板であるのが好ましい。さらに、砥粒が球状アルミナからなるのが好ましい。
【００１４】
なお、本明細書中において、「残留応力」とは、Ｘ線回折角からｓｉｎ２ψ法により算出した残留応力をいい、残留応力が「−」（マイナス）の数値で表される場合は圧縮残留応力、残留応力が「＋」（プラス）の数値で表される場合は引張残留応力を意味する。
【００１５】
また、本明細書中において、「残留応力層」とは、セラミックス基板の表面に沿って形成される層であり、セラミックス基板の表面と（通常の窒化アルミニウム基板とほぼ同じ破壊靭性値である）２．１ＭＰａ・ｍ１／２の破壊靭性値になる部分（セラミックス基板の表面から所定の深さの部分）との間に形成される圧縮残留応力層を意味する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、このような従来の問題点に鑑み、セラミックス基板と金属板の接合強度に優れるとともに、耐ヒートサイクル特性に優れた金属−セラミックス接合基板を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態を示す断面図である。
【図２】図１の金属−セラミックス接合基板のセラミックス基板を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照して、本発明による金属−セラミックス接合基板およびその製造方法の実施の形態について詳細に説明する。
【００１９】
本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態は、図１に示すように、セラミックス基板１０と、このセラミックス基板１０に（直接またはろう材１２を介して）接合された金属板１４とを備えている。
【００２０】
セラミックス基板１０の残留応力は、−５０ＭＰａ以下（５０ＭＰａより高い圧縮残留応力）であり、−６０ＭＰａ以下であるのが好ましい。なお、圧縮残留応力が大き過ぎると、セラミックス基板１０が割れる可能性があるので、セラミックス基板１０の残留応力は、−２００ＭＰａ以上（２００ＭＰａより低い圧縮残留応力）であるのが好ましく、−１５０ＭＰａ以上であるのがさらに好ましい。
【００２１】
このセラミックス基板１０の残留応力は、残留応力の非破壊測定法として一般的なＸ線応力測定法により求めることができる。このようなＸ線応力測定法では、固体が応力を受けたときに変化する結晶格子面間隔をＸ線回折角の変化として測定することによって、その固体に付与された残留応力を非破壊的に求めることができる。例えば、Ｘ線回折装置を使用して、窒化アルミニウム焼結体からなるセラミックス基板１０に特性Ｘ線をいくつかの入射角ψで照射し、それぞれの入射角ψにおけるＡｌＮの所定の結晶格子面の回折ピークの回折角２θを測定し、ｓｉｎ２ψ法（２θとｓｉｎ２ψの関係を示す２θ−ｓｉｎ２ψ線図上にプロットして得られる直線の傾きに所定の圧力定数を乗じて残留応力を算出する方法）によって、セラミックス基板１０の残留応力を算出することができる。なお、固体内に内部応力（固有ひずみ）が発生していると、回折ピークは所定の２θの位置には発生せず、角度ずれΔ２θが生じるため、Ｘ線源を固定状態にしてＸ線検出器をＸ線照射点を中心として揺動させて、回折条件を満たす確率を増やし、回折Ｘ線の回折角度のずれ量Δ２θを検出すればよい（このようにＸ線源を固定してＸ線検出器のみを揺動させる測定方法を「ψ０一定法」という）。
【００２２】
このようなセラミックス基板１０の残留応力の算出は、市販のＸ線応力測定装置（例えば、株式会社リガク製の微小部Ｘ線応力測定装置ＡｕｔｏＭＡＴＥＩＩ）を使用すれば、回折ピークの測定結果からｓｉｎ２ψ法により自動的に行うことができる。
【００２３】
なお、セラミックス基板１０の残留応力が「−」（マイナス）の数値で表される場合は、内部応力（固有ひずみ）の一種である圧縮残留応力がセラミックス基板１０中に付与されている場合であり、圧縮残留応力が高くなるほど、この数値の絶対値が大きくなる。一方、セラミックス基板１０の残留応力が「＋」（プラス）の数値で表される場合は、引張残留応力がセラミックス基板１０中に付与されている場合である。
【００２４】
セラミックス基板１０の金属板１４との接合面の算術平均粗さＲａは、０．１５〜０．３０μｍであり、０．１５〜０．２５μｍであるのが好ましい。セラミックス基板１０の金属板１４との接合面の十点平均粗さＲｚは、０．７〜１．１μｍであるのが好ましい。セラミックス基板１０の金属板１４との接合面の最大高さＲｙは、０．９〜１．７μｍであるのが好ましく、０．９〜１．６μｍであるのがさらに好ましい。セラミックス基板１０の金属板１４との接合面の算術平均粗さＲａが０．３０μｍを超えると、窒化アルミニウム焼結体からなるセラミックス基板１０の被処理面のＡｌＮ結晶粒子の脱粒が顕著になり、セラミックス基板１０の被処理面の表面粗さが大きくなり過ぎて、金属−セラミックス接合基板の耐ヒートサイクル特性を向上させる効果が不十分になる。
【００２５】
セラミックス基板１０の抗折強度は、５００ＭＰａ以下であるのが好ましく、４５０ＭＰａ以下であるのがさらに好ましく、４２０ＭＰａ以下であるのが最も好ましい。セラミックス基板１０の抗折強度が５００ＭＰａを超えると、金属−セラミックス接合基板の耐ヒートサイクル特性が低下する場合がある。なお、セラミックス基板１０の抗折強度が２５０ＭＰａより低くなると、金属−セラミックス接合基板の耐ヒートサイクル特性が低下するため、セラミックス基板１０の抗折強度は、２５０ＭＰａ以上であるのが好ましく、３００ＭＰａ以上であるのがさらに好ましい。
【００２６】
また、図２に示すように、セラミックス基板１０の表面に沿って残留応力層１０ａが形成され、この残留応力層１０ａの厚さが２５μｍ以下であるのが好ましい。
【００２７】
本発明による金属−セラミックス接合基板の製造方法の実施の形態では、セラミックス基板１０に（直接またはろう材１２を介して）金属板１４が接合された金属−セラミックス接合基板の製造方法において、セラミックス基板１０として窒化アルミニウム基板を使用し、セラミックス基板１０の残留応力が−５０ＭＰａ以下（５０ＭＰａより高い圧縮残留応力）、好ましくは−６０ＭＰａ以下になり且つセラミックス基板１０の金属板１４との接合面の算術平均粗さＲａが０．１５〜０．３０μｍ、好ましくは０．１５〜０．２５μｍになるように、液体中に砥粒を含むスラリーをセラミックス基板１０の表面に噴射するウエットブラスト処理（湿式噴射処理または液体ホーニング処理）を行い、この処理により得られたセラミックス基板１０に金属板１４を接合する。このウエットブラスト処理は、セラミックス基板１０の金属板１４との接合面の十点平均粗さＲｚが好ましくは０．７〜１．１μｍになるように行い、セラミックス基板１０の金属板１４との接合面の最大高さＲｙが好ましくは０．９〜１．７μｍ、さらに好ましくは０．９〜１．６μｍになるように行う。また、このウエットブラスト処理は、セラミックス基板１０の抗折強度が低下するように行うのが好ましく、セラミックス基板１０の抗折強度が好ましくは５００ＭＰａ以下、さらに好ましくは４５０ＭＰａ以下、最も好ましくは４２０ＭＰａ以下になるとともに、好ましくは２５０ＭＰａ以上、さらに好ましくは３００ＭＰａ以上になるように行う。さらに、ウエットブラスト処理は、セラミックス基板１０の表面に沿って形成される残留応力層１０ａの厚さが２５μｍ以下になるように行うのが好ましい。
【００２８】
本実施の形態の金属−セラミックス接合基板の製造方法では、セラミックス基板１０として窒化アルミニウム焼結体からなる窒化アルミニウム基板を使用する。この窒化アルミニウム焼結体として、平均結晶粒径が好ましくは０．５〜２０μｍ、さらに好ましくは２〜７μｍの窒化アルミニウム焼結体を使用することができる。このような窒化アルミニウム焼結体は、平均粒子径が０．１〜１５μｍ、好ましくは０．５〜５μｍの窒化アルミニウム粉末の成形体を焼成することによって得ることができる。
【００２９】
この窒化アルミニウム粉末の成形体は、必要に応じて、焼結助剤や有機バインダなどを含んでもよい。焼結助剤としては、例えば、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化エルビウム（Ｅｒ２Ｏ３）、酸化イッテルビウム（Ｙｂ２Ｏ３）などの希土類金属酸化物や、Ｃａ、Ｂａ、Ｓｒなどのアルカリ土類金属元素の酸化物などを使用することができ、特に酸化イットリウムを使用するのが好ましい。窒化アルミニウム粉末の成形体に加える焼結助剤の量は、窒化アルミニウム粉末に対して１〜１０質量％であるのが好ましい。焼結助剤の量が１０質量％を超えると、窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率の低下などを招くおそれがある。一方、焼結助剤の量が１質量％未満であると、窒化アルミニウム焼結体の焼結性が低下してポアの増大などを招くおそれがある。また、有機バインダとしては、例えば、ポリビニルブチラール、エチルセルロース類、アクリル樹脂類などを使用することができ、窒化アルミニウム粉末を良好に成形するために、アクリル樹脂類やポリビニルブチラールを使用するのが好ましい。
【００３０】
窒化アルミニウム焼結体の厚さは、０．３〜１．５ｍｍであるのが好ましい。窒化アルミニウム焼結体の厚さが１．５ｍｍを超えると、セラミックス基板１０の熱抵抗が増大して放熱性が低下する場合がある。一方、窒化アルミニウム焼結体の厚さが０．３ｍｍ未満であると、セラミックス基板１０の強度が大きく劣化するとともに絶縁耐圧が低下して、金属−セラミックス接合基板の信頼性が低下する場合がある。
【００３１】
本実施の形態の金属−セラミックス接合基板の製造方法では、液体中に砥粒を含むスラリーをセラミックス基板１０の表面に噴射するウエットブラスト処理を行う。このウエットブラスト処理で使用するスラリー中の砥粒として、窒化アルミニウム焼結体より高い硬度の砥粒を使用するのが好ましく、特に窒化アルミニウム焼結体よりビッカース硬度Ｈｖが５０以上高い砥粒を使用するのが好ましく、１００以上高い砥粒（特にビッカース硬度Ｈｖが１０６０〜２５００の砥粒）を使用するのがさらに好ましい。このような砥粒として、アルミナ、ジルコニア、炭化ケイ素などの砥粒を使用することができ、特に入手の容易さからアルミナの砥粒を使用するのが工業的に好ましい。砥粒の平均粒径は、１０〜６０μｍであるのが好ましく、１５〜３０μｍであるのがさらに好ましい。また、砥粒の形状は、球状であるのが好ましい。
【００３２】
このスラリーの液体は、砥粒を分散することができる液体であればよく、例えば、水や、アルコールなどの有機溶媒を使用することができる。このスラリーは、１０〜３０体積％の砥粒を含有するのが好ましい。砥粒の含有量が１０体積％未満では、金属−セラミックス接合基板の耐ヒートサイクル特性を向上させる効果が不十分になり、一方、３０体積％を超えると、スラリーを噴射するノズルの孔が詰まり易くなり、また、砥粒の循環不良が起こり易くなる。
【００３３】
このスラリーは、圧縮空気とともに、セラミックス基板１０の被処理面に加わる圧力が０．１０〜０．２５ＭＰａになるように、セラミックス基板１０の被処理面に噴射するのが好ましい。被処理面に加わる圧力が０．２５ＭＰａを超えると、粒径の小さい砥粒を使用しても、窒化アルミニウム焼結体からなるセラミックス基板１０の被処理面のＡｌＮ結晶粒子の脱粒が顕著になり、セラミックス基板１０の被処理面の表面粗さが大きくなり過ぎて、金属−セラミックス接合基板の耐ヒートサイクル特性を向上させる効果が不十分になる。
【００３４】
このスラリーをセラミックス基板１０の被処理面に噴射する時間（処理時間）は、０．０２〜１．０秒であるのが好ましく、０．０５秒〜０．２秒であるのがさらに好ましい。処理時間が０．０２秒よりも短いと、セラミックス基板１０から離型材を除去するのが不十分になり、金属−セラミックス接合基板の強度や耐ヒートサイクル特性を向上させる効果が不十分になる。一方、処理時間が１．０秒を超えると、窒化アルミニウム焼結体からなるセラミックス基板１０の被処理面のＡｌＮ結晶粒子の脱粒が顕著になり、セラミックス基板１０の被処理面の表面粗さが大きくなり過ぎて、金属−セラミックス接合基板の耐ヒートサイクル特性を向上させる効果が不十分になり、生産性も低下する。
【００３５】
本実施の形態の金属−セラミックス接合基板の製造方法では、セラミックス基板１０の残留応力が−５０ＭＰａ以下（５０ＭＰａより高い圧縮残留応力）、好ましくは−６０ＭＰａ以下になり且つセラミックス基板１０の金属板１４との接合面の算術平均粗さＲａが０．１５〜０．３０μｍ（さらに好ましくは、十点平均粗さＲｚが０．７〜１．１μｍ、最大高さＲｙが０．９〜１．７μｍ、セラミックス基板１０の抗折強度が５００ＭＰａ以下、セラミックス基板１０の表面に沿って形成される残留応力層１０ａの厚さが２５μｍ以下）になるようにウエットブラスト処理の条件を予め決定しておけばよい。
【００３６】
このようにウエットブラスト処理を行ったセラミックス基板１０の少なくとも一方の面に直接またはろう材１２を介して金属板１４を接合する。金属板１４としては、銅または銅合金からなる金属板の他、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板などを使用することができる。セラミックス基板１０にろう材１２を介して金属板１４を接合する場合には、Ａｇ−Ｃｕ系ろう材にＴｉ 、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂなどから選ばれる少なくとも１種の活性金属を０．５〜１０重量％含む活性金属ろう材を使用するのが好ましい。このようなろう材１２を厚さ５〜３０μｍ程度、好ましくは１０〜２０μｍ程度にセラミックス基板１０に塗布し、その上に金属板１４を積層した後、不活性ガス雰囲気中または真空中において、７００〜９００℃程度の温度で熱処理することによって、金属−セラミックス接合基板を作製することができる。
【００３７】
なお、この金属−セラミックス接合基板のそれぞれの金属板１４上に所定の回路パターン形状および放熱板形状のエッチングレジストを形成し、薬液でエッチングして不要な金属板１４およびろう材１２を除去し、その後、回路パターン形状および放熱板形状の金属板上にめっきを施して、金属−セラミックス回路基板を作製することができる。
【実施例】
【００３８】
以下、本発明による金属−セラミックス接合基板およびその製造方法の実施例について詳細に説明する。
【００３９】
［実施例１］
まず、縦５１．５ｍｍ×横４６．５ｍｍ×厚さ０．６ｍｍの窒化アルミニウムの焼結体からなるセラミックス基板を用意した。
【００４０】
このセラミックス基板について、負荷速度０．５ｍｍ／分、スパン間距離３０ｍｍの測定条件で、セラミックス基板の長手方向に垂直に上部の支点が当るように負荷することにより、（ＪＩＳ  Ｒ１６０１「ファインセラミックスの曲げ強さ試験方法」に準じた）３点曲げ試験を行って抗折強度を測定したところ、セラミックス基板の（初期の）抗折強度は、４５０ＭＰａであった。
【００４１】
また、このセラミックス基板について、Ｘ線応力測定装置（株式会社リガク製の微小部Ｘ線応力測定装置ＡｕｔｏＭＡＴＥＩＩ）を用いて回折ピークの回折角を測定し、残留応力を算出したところ、セラミックス基板の被処理面の任意の４点（ｎ=４）においてセラミックス基板に付与された残留応力の平均値は−２６ＭＰａの圧縮残留応力であった。なお、回折ピークの回折角の測定では、Ｘ線入射法としてψ０一定法（Ｘ線源を固定してＸ線検出器のみを揺動させる測定方法）を使用し、検出器走査法として並傾法（格子面角度ψの設定面と回折角２θの走査面が同一面内にある光学系を用いた方法）を使用した。また、特性Ｘ線としてＣｒ−Ｋα線を使用し、Ｘ線管電圧を４０ｋＶ、Ｘ線管電流を４０ｍＡ、Ｘ線ビーム径をφ２ｍｍ、Ｘ線照射時間を６０秒とした。また、ＡｌＮの所定の結晶格子面として、無ひずみ状態で２θ＝１２０．４°を中心とするＡｌＮの（１１２）面を使用し、ψ角の揺動角を±１°、ψ測定点数を１０点、解析角度を１１７．９°〜１２２．５°とした。
【００４２】
さらに、このセラミックス基板の表面粗さについて、接触式表面粗さ計（株式会社ミツトヨ製のＳＪ２０１Ｐ）による測定結果から、ＪＩＳ  Ｂ０６０１（１９９４年）に基づいて表面粗さを表すパラメータである算術平均粗さＲａ、十点平均粗さＲｚを算出したところ、算術平均粗さＲａは０．２０７μｍ、十点平均粗さＲｚは２．１０５μｍであった。
【００４３】
次に、このセラミックス基板の各々の表面をウエットブラスト装置（マコー株式会社製のＰＦＥ−３００）により処理した。このウエットブラスト処理は、水中に平均粒径（Ｄ５０）２０〜２４μｍの球状アルミナ砥粒を２０体積％含むスラリーを（開口面積４６．５ｍｍ２のノズルから）エアー圧（吐出圧力）０．１２５ＭＰａでセラミックス基板の表面に（スラリーが噴射される被処理面の面積が４８．８ｍｍ２になるように）０．０５秒間噴射することによって行った。なお、吐出圧力をＰ１（ＭＰａ）、スラリーによりセラミックス基板の被処理面に加わる圧力をＰ２（ＭＰａ）、ノズルの開口面積をＳ１（ｍｍ２）、スラリーが噴射される被処理面の面積をＳ２（ｍｍ２）として、Ｐ２＝Ｐ１×Ｓ１／Ｓ２からセラミックス基板の被処理面に加わる圧力Ｐ２を求めたところ、０．１１９ＭＰａであった。
【００４４】
このウエットブラスト処理後のセラミックス基板について、上記と同様の方法により抗折強度を測定したところ、４０８ＭＰａであった。
【００４５】
また、ウエットブラスト処理後のセラミックス基板について、上記と同様の方法により残留応力を求めたところ、セラミックス基板に付与された残留応力の平均値は−７８ＭＰａの圧縮残留応力であった。
【００４６】
さらに、ウエットブラスト処理後のセラミックス基板の表面粗さについて、上記と同様の方法により算術平均粗さＲａ、十点平均粗さＲｚ、最大高さＲｙを算出したところ、算術平均粗さＲａは０．１８０μｍ、十点平均粗さＲｚは０．８６０μｍ、最大高さＲｙは１．０８０μｍであった。
【００４７】
次に、このウエットブラスト処理後のセラミックス基板の両面に、３０質量％のＣｕと１．５質量％のＴｉを含み、残部がＡｇからなるＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材ペーストを塗布した後、このろう材ペーストを介して、セラミックス基板の各々の面に、縦５１．５ｍｍ×横４６．５ｍｍ×厚さ０．２５ｍｍの無酸素銅からなる（回路パターン用）金属板と、縦５１．５ｍｍ×横４６．５ｍｍ×厚さ０．２５ｍｍの無酸素銅からなる（放熱用）金属板を重ねて接合炉に入れ、真空中で８５０℃に加熱して金属板をセラミックス基板に接合した。この接合体を炉から取り出した後、それぞれの金属板上に所定の回路パターン形状および放熱板形状のエッチングレジストを形成し、薬液でエッチングして不要な金属板およびろう材を除去し、その後、回路パターン形状および放熱板形状の金属板上にＮｉ−Ｐ無電解めっきにより厚さ２μｍのめっき皮膜を形成して、金属−セラミックス回路基板を作製した。
【００４８】
このようにして作製した金属−セラミックス回路基板について、通炉処理（３８０℃で１０分間加熱した後に室温に戻すヒートサイクル）前の（初期の）抗折強度を測定したところ、１０枚の同じ金属−セラミックス回路基板の平均値で６００ＭＰａであり、通炉処理３回後の抗折強度は、１０枚の同じ金属−セラミックス回路基板の平均値で５４５ＭＰａ、１０枚の同じ金属−セラミックス回路基板の最小値で４１９ＭＰａであった。なお、金属−セラミックス回路基板の抗折強度は、セラミックス基板の抗折強度と同様の方法により測定した。また、通炉処理５０回後に、金属−セラミックス回路基板から金属板を剥離して４０倍の拡大鏡で目視観察したところ、通炉処理５０回後でもセラミックス基板の厚さ方向に貫通するクラック（貫通クラック）がないことが確認された。
【００４９】
なお、金属−セラミックス回路基板から金属板を剥離して、セラミックス基板の残留応力を、ウエットブラスト処理後のセラミックス基板の残留応力と同様の方法により求めたところ、（金属−セラミックス回路基板の作製前の）ウエットブラスト処理後のセラミックス基板の残留応力とほとんど変わらなかった。
【００５０】
［実施例２］
吐出圧力を０．１５０ＭＰａとし、被処理面の圧力を０．１４３ＭＰａとした以外は、実施例１と同様の方法により、セラミックス基板のウエットブラスト処理を行った。
【００５１】
このウエットブラスト処理後のセラミックス基板について、実施例１と同様の方法により、抗折強度、残留応力および表面粗さを求めたところ、抗折強度は４１６ＭＰａ、残留応力は−９０ＭＰａ、表面粗さを表すパラメータである算術平均粗さＲａは０．１８２μｍ、十点平均粗さＲｚは０．９８０μｍ、最大高さＲｙは１．３４０μｍであった。
【００５２】
また、実施例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を作製し、抗折強度を測定するとともに、通炉処理後の貫通クラックの有無を観察したところ、通炉処理前の（初期の）抗折強度の平均値は６５０ＭＰａであり、通炉処理３回後の抗折強度の平均値は５００ＭＰａ、通炉処理３回後の抗折強度の最小値は４２７ＭＰａであり、通炉処理５０回後でもセラミックス基板の厚さ方向に貫通クラックがないことが確認された。
【００５３】
［実施例３］
吐出圧力を０．１７５ＭＰａとし、被処理面の圧力を０．１６７ＭＰａとした以外は、実施例１と同様の方法により、セラミックス基板のウエットブラスト処理を行った。
【００５４】
このウエットブラスト処理後のセラミックス基板について、実施例１と同様の方法により、抗折強度、残留応力および表面粗さを求めたところ、抗折強度は３３６ＭＰａ、残留応力は−８０ＭＰａ、表面粗さを表すパラメータである算術平均粗さＲａは０．１７６μｍ、十点平均粗さＲｚは０．７８０μｍ、最大高さＲｙは１．０００μｍであった。
【００５５】
また、実施例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を作製し、抗折強度を測定するとともに、通炉処理後の貫通クラックの有無を観察したところ、通炉処理前の（初期の）抗折強度の平均値は６１５ＭＰａであり、通炉処理３回後の抗折強度の平均値は５０５ＭＰａ、通炉処理３回後の抗折強度の最小値は３７７ＭＰａであり、通炉処理５０回後でもセラミックス基板の厚さ方向に貫通クラックがないことが確認された。
【００５６】
［実施例４］
吐出圧力を０．２００ＭＰａとし、被処理面の圧力を０．１９１ＭＰａとした以外は、実施例１と同様の方法により、セラミックス基板のウエットブラスト処理を行った。
【００５７】
このウエットブラスト処理後のセラミックス基板について、実施例１と同様の方法により、抗折強度、残留応力および表面粗さを求めたところ、抗折強度は３２９ＭＰａ、残留応力は−９５ＭＰａ、表面粗さを表すパラメータである算術平均粗さＲａは０．１８０μｍ、十点平均粗さＲｚは０．８２０μｍ、最大高さＲｙは１．６４０μｍであった。
【００５８】
また、実施例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を作製し、抗折強度を測定するとともに、通炉処理後の貫通クラックの有無を観察したところ、通炉処理前の（初期の）抗折強度の平均値は６００ＭＰａであり、通炉処理３回後の抗折強度の平均値は５５０ＭＰａ、通炉処理３回後の抗折強度の最小値は４７５ＭＰａであり、通炉処理５０回後でもセラミックス基板の厚さ方向に貫通クラックがないことが確認された。
【００５９】
［実施例５］
吐出圧力を０．２２５ＭＰａとし、被処理面の圧力を０．２１４ＭＰａとした以外は、実施例１と同様の方法により、セラミックス基板のウエットブラスト処理を行った。
【００６０】
このウエットブラスト処理後のセラミックス基板について、実施例１と同様の方法により、抗折強度、残留応力および表面粗さを求めたところ、抗折強度は３７３ＭＰａ、残留応力は−７５ＭＰａ、表面粗さを表すパラメータである算術平均粗さＲａは０．２０７μｍ、十点平均粗さＲｚは０．９６７μｍ、最大高さＲｙは１．２６７μｍであった。
【００６１】
また、実施例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を作製し、抗折強度を測定するとともに、通炉処理後の貫通クラックの有無を観察したところ、通炉処理前の（初期の）抗折強度の平均値は５９７ＭＰａであり、通炉処理３回後の抗折強度の平均値は５５０ＭＰａ、通炉処理３回後の抗折強度の最小値は３９４ＭＰａであり、通炉処理５０回後でもセラミックス基板の厚さ方向に貫通クラックがないことが確認された。
【００６２】
［実施例６］
球状アルミナ砥粒の平均粒径（Ｄ５０）を４９〜５３μｍとした以外は、実施例１と同様の方法により、セラミックス基板のウエットブラスト処理を行った。
【００６３】
このウエットブラスト処理後のセラミックス基板について、実施例１と同様の方法により、抗折強度、残留応力および表面粗さを求めたところ、抗折強度は３３９ＭＰａ、残留応力は−８０ＭＰａ、表面粗さを表すパラメータである算術平均粗さＲａは０．１５８μｍ、十点平均粗さＲｚは０．９４０μｍ、最大高さＲｙは１．２６０μｍであった。
【００６４】
また、実施例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を作製し、抗折強度を測定するとともに、通炉処理後の貫通クラックの有無を観察したところ、通炉処理前の（初期の）抗折強度の平均値は５８５ＭＰａであり、通炉処理３回後の抗折強度の平均値は４９５ＭＰａ、通炉処理３回後の抗折強度の最小値は３９５ＭＰａであり、通炉処理５０回後でもセラミックス基板の厚さ方向に貫通クラックがないことが確認された。
【００６５】
［実施例７］
球状アルミナ砥粒の平均粒径（Ｄ５０）を４９〜５３μｍとした以外は、実施例５と同様の方法により、セラミックス基板のウエットブラスト処理を行った。
【００６６】
このウエットブラスト処理後のセラミックス基板について、実施例１と同様の方法により、抗折強度、残留応力および表面粗さを求めたところ、抗折強度は２８３ＭＰａ、残留応力は−１００ＭＰａ、表面粗さを表すパラメータである算術平均粗さＲａは０．１６０μｍ、十点平均粗さＲｚは１．００１μｍ、最大高さＲｙは１．４８９μｍであった。
【００６７】
また、実施例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を作製し、抗折強度を測定するとともに、通炉処理後の貫通クラックの有無を観察したところ、通炉処理前の（初期の）抗折強度の平均値は５３４ＭＰａであり、通炉処理３回後の抗折強度の平均値は４６４ＭＰａ、通炉処理３回後の抗折強度の最小値は３９３ＭＰａであり、通炉処理２５回後でもセラミックス基板の厚さ方向に貫通クラックがないことが確認されたが、通炉処理３０回後でセラミックス基板の厚さ方向に貫通クラックが生じたことが確認された。
【００６８】
［比較例１］
実施例１と同様のセラミックス基板の各々の表面をホーニング装置（株式会社石井表記製のジェットスクラブ研磨紙）により処理した。このホーニング処理は、平均粒径５０μｍのアルミナ（粒度＃２８０）からなる砥粒を（開口面積３ｍｍ２のノズルから）エアー圧（吐出圧力）０．３００ＭＰａでセラミックス基板の表面に、（砥粒が噴射される被処理面の面積が１５９ｍｍ２になるように）１５秒間噴射することによって行った。なお、吐出圧力をＰ１（ＭＰａ）、スラリーによりセラミックス基板の被処理面に加わる圧力をＰ２（ＭＰａ）、ノズルの開口面積をＳ１（ｍｍ２）、スラリーが噴射される被処理面の面積をＳ２（ｍｍ２）として、Ｐ２＝Ｐ１×Ｓ１／Ｓ２からセラミックス基板の被処理面に加わる圧力Ｐ２を求めたところ、０．００６ＭＰａであった。
【００６９】
このホーニング処理後のセラミックス基板について、実施例１と同様の方法により、抗折強度、残留応力および表面粗さを求めたところ、抗折強度は５４９ＭＰａ、残留応力は−４０ＭＰａ、表面粗さを表すパラメータである算術平均粗さＲａは０．１３５μｍ、十点平均粗さＲｚは０．７０２μｍ、最大高さＲｙは０．９８０μｍであった。
【００７０】
また、実施例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を作製し、抗折強度を測定するとともに、通炉処理後の貫通クラックの有無を観察したところ、通炉処理前の（初期の）抗折強度の平均値は５４５ＭＰａであり、通炉処理３回後の抗折強度の平均値は２８２ＭＰａ、通炉処理３回後の抗折強度の最小値は２２９ＭＰａであり、通炉処理２０回後でセラミックス基板の厚さ方向に貫通クラックが生じたことが確認された。
【００７１】
［比較例２］
比較例１のホーニング処理を２回行った以外は、比較例１と同様の方法により、セラミックス基板のホーニング処理を行った。
【００７２】
このホーニング処理後のセラミックス基板について、実施例１と同様の方法により、抗折強度、残留応力および表面粗さを求めたところ、抗折強度は５６８ＭＰａ、残留応力は−４３ＭＰａ、表面粗さを表すパラメータである算術平均粗さＲａは０．１５３μｍ、十点平均粗さＲｚは０．７９４μｍ、最大高さＲｙは０．９５０μｍであった。
【００７３】
また、実施例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を作製し、抗折強度を測定するとともに、通炉処理後の貫通クラックの有無を観察したところ、通炉処理前の（初期の）抗折強度の平均値は５５５ＭＰａであり、通炉処理３回後の抗折強度の平均値は３３０ＭＰａ、通炉処理３回後の抗折強度の最小値は２７５ＭＰａであり、通炉処理２０回後でセラミックス基板の厚さ方向に貫通クラックが生じたことが確認された。
【００７４】
［比較例３］
水中に平均粒径５７μｍのアルミナ（粒度＃３２０）からなる砥粒を２０体積％含むスラリーを使用し、吐出圧力を０．１５０ＭＰａとし、被処理面の圧力を０．１４３ＭＰａとした以外は、実施例１と同様の方法により、セラミックス基板のウエットブラスト処理を行った。
【００７５】
このウエットブラスト処理後のセラミックス基板について、実施例１と同様の方法により、抗折強度、残留応力および表面粗さを求めたところ、抗折強度は４３４ＭＰａ、残留応力は−３７ＭＰａ、表面粗さを表すパラメータである算術平均粗さＲａは０．１３４μｍ、十点平均粗さＲｚは０．７７４μｍ、最大高さＲｙは０．９２２μｍであった。
【００７６】
また、実施例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を作製し、抗折強度を測定するとともに、通炉処理後の貫通クラックの有無を観察したところ、通炉処理前の（初期の）抗折強度の平均値は５４２ＭＰａであり、通炉処理３回後の抗折強度の平均値は２５２ＭＰａ、通炉処理３回後の抗折強度の最小値は１８２ＭＰａであり、通炉処理２５回後でセラミックス基板にクラックが生じたことが確認された。
【００７７】
［比較例４］
水中に平均粒径２８μｍのアルミナ（粒度＃６００）からなる砥粒を２０体積％含むスラリーを使用し、吐出圧力を０．２５０ＭＰａとし、被処理面の圧力を０．２３８ＭＰａとした以外は、実施例１と同様の方法により、セラミックス基板のウエットブラスト処理を行った。
【００７８】
このウエットブラスト処理後のセラミックス基板について、実施例１と同様の方法により、抗折強度、残留応力および表面粗さを求めたところ、抗折強度は３９２ＭＰａ、残留応力は−３８ＭＰａ、表面粗さを表すパラメータである算術平均粗さＲａは０．１８６μｍ、十点平均粗さＲｚは１．２９４μｍ、最大高さＲｙは１．７５８μｍであった。
【００７９】
また、実施例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を作製し、抗折強度を測定するとともに、通炉処理後の貫通クラックの有無を観察したところ、通炉処理前の（初期の）抗折強度の平均値は５４７ＭＰａであり、通炉処理３回後の抗折強度の平均値は２４８ＭＰａ、通炉処理３回後の抗折強度の最小値は２１０ＭＰａであり、通炉処理２０回後でセラミックス基板にクラックが生じたことが確認された。
【００８０】
［比較例５］
吐出圧力を０．２５０ＭＰａとし、被処理面の圧力を０．２３８ＭＰａとした以外は、実施例１と同様の方法により、セラミックス基板のウエットブラスト処理を行った。
【００８１】
このウエットブラスト処理後のセラミックス基板について、実施例１と同様の方法により、抗折強度、残留応力および表面粗さを求めたところ、抗折強度は３７５ＭＰａ、残留応力は−８０ＭＰａ、表面粗さを表すパラメータである算術平均粗さＲａは０．５７８μｍ、十点平均粗さＲｚは２．９８８μｍ、最大高さＲｙは３．９６６μｍであった。
【００８２】
また、実施例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を作製し、抗折強度を測定するとともに、通炉処理後の貫通クラックの有無を観察したところ、通炉処理前の（初期の）抗折強度の平均値は５０９ＭＰａであり、通炉処理３回後の抗折強度の平均値は２１２ＭＰａ、通炉処理３回後の抗折強度の最小値は１７３ＭＰａであり、通炉処理２０回後でセラミックス基板にクラックが生じたことが確認された。
【００８３】
また、実施例１〜７および比較例１〜５で得られたウエットブラスト処理後のセラミックス基板の残留応力層の厚さを求めるために、それぞれのセラミックス基板の表面を厚さ２５μｍだけ研磨加工により除去した後に、ビッカース圧子を研磨加工面に打ち込んで、圧痕から伸展したクラックの長さを測定することによって、破壊靭性値を算出したところ、いずれも２．１ＭＰａ・ｍ１／２以下あった。この結果から、これらのセラミックス基板の残留応力層の厚さは、いずれも２５μｍ以下であることがわかった。
【００８４】
なお、セラミックス基板の研磨加工は、研磨機として横型平面研削盤（ヨコハマセラミックス株式会社製のＹＣＣ−Ｈ１）を使用し、砥石（株式会社ノリタケカンパニーリミテド製）を使用して行った。また、破壊靭性値は、ＪＩＳ  Ｒ１６１７（２００２年）のＩＦ（Ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ  Ｆｒａｃｔｕｒｅ）法に準じて、ビッカース硬さ試験機（株式会社ミツトヨ製のＡＶＫ−ＣＯ）により、押込荷重４９Ｎ、保持時間１５秒として、圧痕から伸展したクラックの長さを測定し、Ｋｃ＝０．０２６（Ｅ１／２Ｐ１／２ａ）／Ｃ３／２（式中、Ｋｃは破壊靭性値（ＭＰａ・ｍ１／２）、Ｅはヤング率（Ｐａ）＝２８０ＭＰａ、Ｐは押込荷重（Ｎ）、Ｃはクラックの長さの平均の半分（ｍ）、ａは圧痕の対角線の長さの平均の半分（ｍ））から算出した。
【００８５】
また、実施例５および７と比較例１および５で得られた金属−セラミックス回路基板を厚さ方向に切断し、その断面の接合界面近傍を電界放出形走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）（ＪＥＯＬ社製ＪＳＭ−６７００Ｆ）により１万倍に拡大して７０視野について観察したところ、実施例５では１５本、実施例７では１６本、比較例１では２本、比較例５では２０本の幅０．１μｍ以下の（金属−セラミックス回路基板の厚さ方向に５μｍ程度延びる）超微細クラックが存在し、これらの超微細クラック内にろう材が侵入していることがわかった。実施例５および７では、このようにろう材が侵入した超微細クラックの数が多いことから、通炉処理５０回後でもセラミックス基板の厚さ方向に貫通クラックが生じるのを防止することができると考えられる。
【００８６】
これらの実施例および比較例のセラミックス基板のウエットブラスト処理またはホーニング処理の条件を表１に示し、これらの処理後のセラミックス基板の抗折強度、残留応力、残留応力層の厚さ、表面粗さ、超微細クラック数を表２に示し、これらのセラミックス基板を使用して作製した金属−セラミックス回路基板の通炉処理前後の抗折強度および貫通クラックが生じる通炉処理回数を表３に示す。
【００８７】
【表１】
2014101248.tif 000003
【００８８】
【表２】
2014101248.tif 000004
【００８９】
【表３】
2014101248.tif 000005
【００９０】
表１〜表３からわかるように、金属−セラミックス回路基板の通炉処理３回後の抗折強度は、比較例１〜５では平均値で３３０ＭＰａ以下（最小値で２７５ＭＰａ以下）と低いのに対して、実施例１〜７では平均値で４６４ＭＰａ以上（最小値で３７７ＭＰａ以上）と高く、また、セラミックス基板に貫通クラックが生じる通炉処理回数は、比較例１〜５では２５回以下と低いのに対して、実施例７では２５〜３０回であるものの、実施例１〜６では５０回以上と高くなっている。これらの結果から、実施例１〜７の金属−セラミックス回路基板は、比較例１〜５の金属−セラミックス回路基板と比べて、耐ヒートサイクル特性に優れていることがわかる。
【符号の説明】
【００９１】
１０  セラミックス基板
１２  ろう材
１４  金属板
１０ａ  残留応力層
【図１】
2014101248.tif 000006
【図２】
2014101248.tif 000007