(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミナ基板上に金属回路板が接合されたセラミックス回路基板において、
前記アルミナ基板は、アルミナＡｌ２Ｏ３を９４〜９８質量％、および焼結前に配合された焼結助剤から生成された焼結助剤由来成分を２〜６質量％含み、
前記焼結助剤由来成分は、ケイ素を含む無機酸化物であり、前記焼結助剤由来成分中のケイ素は酸化ケイ素ＳｉＯ２に換算した質量で前記アルミナ基板１００質量％中に０．０１〜１．５質量％含まれ、
前記焼結助剤由来成分はカルシウムをさらに含む無機酸化物であり、前記焼結助剤由来成分中のカルシウムは酸化カルシウムＣａＯに換算した質量で前記アルミナ基板１００質量％中に０．００１〜１．５質量％含まれ、
前記焼結助剤由来成分はマグネシウムをさらに含む無機酸化物であり、前記焼結助剤由来成分中のマグネシウムは酸化マグネシウムＭｇＯに換算した質量で前記アルミナ基板１００質量％中に０．００１〜１．０質量％含まれ、
前記焼結助剤由来成分はナトリウムをさらに含む無機酸化物であり、前記焼結助剤由来成分中のナトリウムは酸化ナトリウムＮａ２Ｏに換算した質量で前記アルミナ基板１００質量％中に０．００１〜０．５質量％含まれ、
前記アルミナ基板は、ボイドの最大径が１５μｍ以下であり、ボイドの平均径が１０μｍ以下であり、ビッカース硬度が１３００以上であり、アルミナ結晶粒の平均結晶粒径が２０μｍ以下であり、断面観察により単位面積２００μｍ×２００μｍの観察範囲内で観察されるアルミナ結晶粒の全個数Ｎｔに対する、前記観察範囲内で観察され、アルミナ結晶粒の平均結晶粒径をＡμｍとしたときに０．３Ａ〜１．７Ａの範囲内にあるアルミナ結晶粒の個数ＮＡの比率ＮＡ／Ｎｔが７０％以上であり、断面観察で算出される単位面積１００μｍ×１００μｍあたりのボイドの個数が５〜５０個であり、
前記金属回路板は、直接接合法により前記アルミナ基板に接合されており、
前記アルミナ基板と前記金属回路板との接合界面は、前記セラミックス回路基板の断面観察を行ったときに、前記金属回路板の表面に沿った曲線が前記アルミナ基板の表面の凹凸に沿った曲線に接する割合が９７．１〜１００％である入り組んだ構造になっており、
前記セラミックス回路基板の最大たわみ量が１．０ｍｍ以上である
ことを特徴とするセラミックス回路基板。
【請求項２】
前記アルミナ基板は、このアルミナ基板の断面観察により算出されたボイドの面積の比率であるボイド面積率が２０％以下であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックス回路基板。
【請求項３】
前記アルミナ基板は、絶縁耐圧が１５ＫＶ／ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項に記載のセラミックス回路基板。
【請求項４】
前記アルミナ基板は、熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のセラミックス回路基板。
【請求項５】
前記アルミナ基板は、抗折強度が３００ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のセラミックス回路基板。
【請求項６】
前記金属回路板は銅回路板であり、この銅回路板はＣｕ−Ｏ共晶化合物により前記アルミナ基板に接合されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のセラミックス回路基板。
【請求項７】
前記金属回路板は銅回路板であり、この銅回路板は炭素を０．１〜１．０質量％含むことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のセラミックス回路基板。
【請求項８】
前記アルミナ基板は、厚さが０．２５〜１．２ｍｍであることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のセラミックス回路基板。
【請求項９】
前記金属回路板は、厚さが０．１〜０．５ｍｍであることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載のセラミックス回路基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルミナ基板を用いたセラミックス回路基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パワートランジスタモジュール用基板やスイッチング電源モジュール用基板等の回路基板として、セラミックス基板上に銅板、アルミニウム板、各種クラッド板等の金属板が接合されたセラミックス回路基板が広く用いられている。また、上記セラミックス基板としては、安価で汎用性が高いアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）基板、電気絶縁性を有すると共に熱伝導性に優れた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板、または高強度の窒化けい素（Ｓｉ３Ｎ４）基板等が一般的に用いられている。これらのセラミックス基板中でアルミナ基板は安価で汎用性の高いことが利点になっている。【０００３】
ここで、セラミックス回路基板の構造について説明する。図１は、セラミックス回路基板のパターン面側の構成の一例を示す平面図である。図２は、図１に示すセラミックス回路基板のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図３は、図１に示すセラミックス回路基板の裏面側の構成の一例を示す底面図である。【０００４】
セラミックス回路基板１は、例えば、図１〜 図３に示すように、セラミックス基板２の一方の表面に銅板等の金属回路板３を接合または形成するとともに、セラミックス基板２の裏面である他方の表面に銅板等の裏金属板４を接合することにより形成される。
金属回路板３は、セラミックス基板２の表面に接合された各種金属板またはセラミックス基板２の表面に形成された金属層からなる。【０００５】
セラミックス基板２の表面に各種金属板または金属層を一体に形成する手法としては、例えば、下記のような直接接合法、 高融点金属メタライズ法、活性金属法等が用いられている。【０００６】
直接接合法は、例えば、セラミックス基板２と金属回路板３との界面に共晶液相を生成することにより、セラミックス基板２と金属回路板３とを直接接合する方法である。
直接接合法について、金属回路板３が銅回路板である場合を例にとり具体的に説明する。はじめに、セラミックス基板２上に、所定形状に打ち抜いた銅回路板３を接触配置して加熱し、接合界面にＣｕ−Ｃｕ２Ｏ、Ｃｕ−Ｏ等の共晶液相を生成させて、この共晶液相によりセラミックス基板２と銅回路板３との濡れ性を高める。次に、この共晶液相を冷却固化させると、セラミックス基板２と銅回路板３とが直接接合することによりセラミックス回路基板１が得られる。この方法は、いわゆる銅直接接合法（ＤＢＣ法： Ｄｉｒｅｃｔ  Ｂｏｎｄｉｎｇ  Ｃｏｐｐｅｒ法）である。【０００７】
また、高融点金属メタライズ法は、Ｍｏ、Ｗ等の高融点金属をセラミックス基板２の表面に焼き付けることにより、セラミックス基板２と金属回路層とを一体化してセラミックス回路基板１を得る方法である。
さらに、活性金属法は、例えば、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等の４Ａ族元素のような活性を有する金属を含むＡｇ−Ｃｕろう材層を介してセラミックス基板２上に銅回路板等の金属板３を一体に接合することによりセラミックス回路基板１を得る方法である。この活性金属法によれば、ろう材層のＣｕおよびＡｇ成分によりろう材層と銅回路板３との接合強度が高まる上、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ成分によりろう材層とセラミックス基板２との接合強度が高まる。【０００８】
また、得られたセラミックス回路基板１の金属回路板３に回路を形成する方法としては、予めプレス加工やエッチング加工によりパターニングした銅板を用いる方法、接合後にエッチング等の手法によりパターニングする方法等の方法が知られている。【０００９】
上記のように直接接合法や活性金属ろう付け法により得られるセラミックス回路基板１は、いずれもセラミックス基板２と金属回路板３との接合強度が高く、単純な構造を有する。このため、セラミックス回路基板１は、小型高実装化が可能であり、また製造工程も短縮できる等の効果が得られ、大電流型や高集積型の半導体チップに対応できる等の利点を有している。【００１０】
ところで、近年、セラミックス回路基板１を用いた半導体装置の高出力化や半導体素子の高集積化が急速に進行しているため、セラミックス回路基板１に繰り返して作用する熱応力や熱負荷が増加する傾向にある。このため、セラミックス回路基板１には、増加した熱応力が与えられてもセラミックス基板２と金属回路板３との接合強度が十分に高いとともに、熱サイクルが多く与えられてもセラミックス基板２と金属回路板３との接合を維持できる耐久性が要求されている。【００１１】
増大した熱負荷に対処するとともに回路基板の耐久性を向上させたセラミックス回路基板１としては、たとえば、セラミックス基板２の厚さを０．２５〜０．３８ｍｍ程度に薄肉化して熱抵抗を低減するとともに、セラミックス基板２のたわみ性を改良して金属回路板３の剥れの発生を防止するセラミックス回路基板１が知られている。
また、増大した熱負荷に対処するとともに回路基板の耐久性を向上させた他のセラミックス回路基板１としては、セラミックス基板２として純度が９６％程度と比較的純度が高いアルミナ基板を用い、このアルミナ基板に、前記直接接合法または活性金属法により金属回路板３（回路層）を一体に接合したセラミックス回路基板１が知られている。【００１２】
さらに、特許第３８３３４１０号公報（特許文献１）では、純度９９．５％以上の高純度アルミナ基板を用いたセラミックス回路基板が開示されている。特許文献１では、アルミナ純度を９９．８％にすることにより、強度やビッカース硬度等の特性が優れたセラミックス回路基板が得られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特許第３８３３４１０号公報
【特許文献２】特開２００５−２８１０６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
特許文献１に記載されたセラミックス回路基板は、アルミナ基板を高純度アルミナ基板とすることにより、強度やビッカース硬度等の特性を優れたものにすることができている。一方、種々のセラミックス基板の中からアルミナ基板を選択して用いるメリットは、アルミナ基板が窒化アルミニウム基板や窒化珪素基板に比較して安価であることにある。
特許文献１に記載されたセラミックス回路基板は、セラミックス基板として高純度アルミナ基板を用いているため、安価であるというアルミナ基板のメリットを十分に発揮できていないという課題があった。【００１５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、セラミックス基板として高純度でない安価なアルミナ基板を用いて、接合強度やビッカース硬度等の特性が優れたセラミックス回路基板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】
【００１６】
本願発明者らは、アルミナ粉末と、少なくともケイ素酸化物を含む焼結助剤とを原料として焼桔して得られたアルミナ基板であって、焼結助剤から生成された焼結助剤由来成分を所定量含むアルミナ基板によれば、焼結性が高く、コストダウンを図れ、ビッカース硬度が高いアルミナ基板が得られることを見出した。また、本願発明者らは、このアルミナ基板を用いると、接合強度が優れたセラミックス回路基板が得られることを見出して、本発明を完成するに至った。【００１７】
本発明のセラミックス回路基板は、上記課題を解決するものであり、アルミナ基板上に金属回路板が接合されたセラミックス回路基板において、
前記アルミナ基板は、アルミナＡｌ２Ｏ３を９４〜９８質量％、および焼結前に配合された焼結助剤から生成された焼結助剤由来成分を２〜６質量％含み、
前記焼結助剤由来成分は、ケイ素を含む無機酸化物であり、前記焼結助剤由来成分中のケイ素は酸化ケイ素ＳｉＯ２に換算した質量で前記アルミナ基板１００質量％中に０．０１〜１．５質量％含まれ、
前記焼結助剤由来成分はカルシウムをさらに含む無機酸化物であり、前記焼結助剤由来成分中のカルシウムは酸化カルシウムＣａＯに換算した質量で前記アルミナ基板１００質量％中に０．００１〜１．５質量％含まれ、
前記焼結助剤由来成分はマグネシウムをさらに含む無機酸化物であり、前記焼結助剤由来成分中のマグネシウムは酸化マグネシウムＭｇＯに換算した質量で前記アルミナ基板１００質量％中に０．００１〜１．０質量％含まれ、
前記焼結助剤由来成分はナトリウムをさらに含む無機酸化物であり、前記焼結助剤由来成分中のナトリウムは酸化ナトリウムＮａ２Ｏに換算した質量で前記アルミナ基板１００質量％中に０．００１〜０．５質量％含まれ、
前記アルミナ基板は、ボイドの最大径が１５μｍ以下であり、ボイドの平均径が１０μｍ以下であり、ビッカース硬度が１３００以上であり、アルミナ結晶粒の平均結晶粒径が２０μｍ以下であり、断面観察により単位面積２００μｍ×２００μｍの観察範囲内で観察されるアルミナ結晶粒の全個数Ｎｔに対する、前記観察範囲内で観察され、アルミナ結晶粒の平均結晶粒径をＡμｍとしたときに０．３Ａ〜１．７Ａの範囲内にあるアルミナ結晶粒の個数ＮＡの比率ＮＡ／Ｎｔが７０％以上であり、断面観察で算出される単位面積１００μｍ×１００μｍあたりのボイドの個数が５〜５０個であり、
前記金属回路板は、直接接合法により前記アルミナ基板に接合されており、
前記アルミナ基板と前記金属回路板との接合界面は、前記セラミックス回路基板の断面観察を行ったときに、前記金属回路板の表面に沿った曲線が前記アルミナ基板の表面の凹凸に沿った曲線に接する割合が９７．１〜１００％である入り組んだ構造になっており、
前記セラミックス回路基板の最大たわみ量が１．０ｍｍ以上であることを特徴とする。
【００１８】
本発明のセラミックス回路基板は、前記焼結助剤由来成分はカルシウムをさらに含む無機酸化物であり、前記焼結助剤由来成分中のカルシウムは酸化カルシウムＣａＯに換算した質量で前記アルミナ基板１００質量％中に０．００１〜１．５質量％含まれることが好ましい。【００１９】
本発明のセラミックス回路基板は、前記焼結助剤由来成分はマグネシウムをさらに含む無機酸化物であり、前記焼結助剤由来成分中のマグネシウムは酸化マグネシウムＭｇＯに換算した質量で前記アルミナ基板１００質量％中に０．００１〜１．０質量％含まれることが好ましい。【００２０】
本発明のセラミックス回路基板は、前記焼結助剤由来成分はナトリウムをさらに含む無機酸化物であり、前記焼結助剤由来成分中のナトリウムは酸化ナトリウムＮａ２Ｏに換算した質量で前記アルミナ基板１００質量％中に０．００１〜０．５質量％含まれることが好ましい。【００２１】
本発明のセラミックス回路基板は、前記アルミナ基板は、アルミナ結晶粒の平均結晶粒径が２０μｍ以下であることが好ましい。【００２２】
本発明のセラミックス回路基板は、前記アルミナ基板は、断面観察により単位面積２００μｍ×２００μｍの観察範囲内で観察されるアルミナ結晶粒の全個数Ｎｔに対する、前記観察範囲内で観察され、アルミナ結晶粒の平均結晶粒径をＡμｍとしたときに０．３Ａ〜１．７Ａの範囲内にあるアルミナ結晶粒の個数ＮＡの比率ＮＡ／Ｎｔが７０％以上であることが好ましい。【００２３】
本発明のセラミックス回路基板は、前記アルミナ基板は、断面観察で算出される単位面積１００μｍ×１００μｍあたりのボイドの個数が５〜５０個であることが好ましい。【００２４】
本発明のセラミックス回路基板は、前記アルミナ基板は、このアルミナ基板の断面観察により算出されたボイドの面積の比率であるボイド面積率が２０％以下であることが好ましい。【００２５】
本発明のセラミックス回路基板は、前記アルミナ基板は、絶縁耐圧が１５ＫＶ／ｍｍ以上であることが好ましい。【００２６】
本発明のセラミックス回路基板は、前記アルミナ基板は、熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。【００２７】
本発明のセラミックス回路基板は、前記アルミナ基板は、抗折強度が３００ＭＰａ以上であることが好ましい。【００２８】
本発明のセラミックス回路基板は、前記金属回路板は、直接接合法により前記アルミナ基板に接合されたことが好ましい。【００２９】
本発明のセラミックス回路基板は、前記金属回路板は銅回路板であり、この銅回路板はＣｕ−Ｏ共晶化合物により前記アルミナ基板に接合されていることが好ましい。【００３０】
本発明のセラミックス回路基板は、前記金属回路板は銅回路板であり、この銅回路板は炭素を０．１〜１．０質量％含むことが好ましい。【００３１】
本発明のセラミックス回路基板は、前記アルミナ基板と前記金属回路板との接合界面は、前記セラミックス回路基板の断面観察を行ったときに、前記金属回路板の表面に沿った曲線が前記アルミナ基板の表面の凹凸に沿った曲線に接する割合が９５％以上である入り組んだ構造になっていることが好ましい。【００３２】
本発明のセラミックス回路基板は、前記アルミナ基板は、厚さが０．２５〜１．２ｍｍであることが好ましい。【００３３】
本発明のセラミックス回路基板は、前記金属回路板は、厚さが０．１〜０．５ｍｍであることが好ましい。
【発明の効果】
【００３４】
本発明に係るセラミックス回路基板によれば、アルミナの含有量が少なく、高純度でない安価なアルミナ基板を用いるため、大幅なコストダウンが可能となる。また、本発明に係るセラミックス回路基板によれば、ケイ素を含む焼結助剤由来成分を所定量含むため、接合強度等の特性も高い。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】セラミックス回路基板のパターン面側の構成の一例を示す平面図。
【図２】図１に示すセラミックス回路基板のＡ−Ａ線に沿った断面図。
【図３】図１に示すセラミックス回路基板の裏面側の構成の一例を示す底面図。
【図４】アルミナ結晶粒の平均結晶粒径の求め方を示す図。
【図５】実施例１に係るセラミックス回路基板の接合界面のＳＥＭ写真。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
本発明のセラミックス回路基板について説明する。
【００３７】
［セラミックス回路基板］
本発明のセラミックス回路基板は、アルミナ基板上に金属回路板が接合されたセラミックス回路基板である。
本発明のセラミックス回路基板は、たとえば、図１に示されるように、アルミナ基板２の一方の表面上に金属回路板３が接合されたセラミックス回路基板１になっている。
なお、図１には、アルミナ基板２の他方の表面上、すなわち裏面側の表面上に銅板等の裏金属板４が接合されている例を示すが、本発明のセラミックス回路基板は、アルミナ基板２の一方の表面上および他方の表面上の両面に金属回路板３が接合されていてもよい。
【００３８】
（アルミナ基板）
アルミナ基板は、アルミナＡｌ２Ｏ３を９４〜９８質量％、および焼結前に配合された焼結助剤から生成された焼結助剤由来成分を２〜６質量％含む。
本発明で用いられるアルミナ基板は、多くのアルミナ結晶粒からなる多結晶体であり、焼結助剤由来成分は、アルミナ結晶粒の粒界に存在するガラス相である。
【００３９】
アルミナ基板は、アルミナＡｌ２Ｏ３と焼結助剤由来成分との合計量が１００質量％であることが好ましい。
焼結助剤由来成分は、後述のように、焼結助剤成分以外の成分である不可避不純物成分を含むことがある。焼結助剤成分および不可避不純物成分については、後に詳述するが、焼結助剤成分とは、Ｓｉ、Ｃａ、Ｍｇ、およびＮａを焼結助剤と同じ酸化物に換算した物質である。焼結助剤成分としては、たとえば、ＳｉＯ２、ＣａＯ、ＭｇＯ、およびＮａ２Ｏが挙げられる。また、不可避不純物成分とは、焼結助剤由来成分から焼結助剤成分を除いた残部である。
焼結助剤由来成分中に含まれる不可避不純物成分は、アルミナ基板１００質量％中に、０．５質量％以下の量で含まれていてもよい。
【００４０】
＜焼結助剤由来成分＞
アルミナ基板に含まれる焼結助剤由来成分とは、本発明のアルミナ基板の原料として、焼結前にアルミナ粉末とともに配合された焼結助剤が、焼結時の熱処理により液相になった後、固化してガラス相になった無機酸化物を意味する。
【００４１】
焼結助剤由来成分は、アルミナ基板中に２〜６質量％含まれる。
アルミナ基板中に含まれる焼結助剤由来成分が、２質量％未満であると、アルミナ基板の原料であるアルミナ粉末と焼結助剤とを含む混合物を焼結させてアルミナ基板を製造する際に焼結助剤の量が少なすぎるため、アルミナ基板の焼結が不十分になったり、焼結時間が長くなったりするおそれがある。なお、アルミナ基板の焼結が不十分になるおそれがある場合は、原料となるアルミナ粉末として特許文献２（特開２００５−２８１０６３号公報）に示したような高純度アルミナ粉末を用いる必要が生じるため、アルミナ基板の製造コストが高くなる。
【００４２】
一方、アルミナ基板中に含まれる焼結助剤由来成分が、６質量％を超えると、アルミナ基板を製造する際に焼結助剤の量が多すぎるため、アルミナ基板の熱伝導率や抗折強度が低下しやすい。
【００４３】
アルミナ基板に含まれる焼結助剤由来成分は、少なくともケイ素を含む無機酸化物である。
結助剤由来成分中のケイ素は、酸化ケイ素ＳｉＯ２に換算した質量でアルミナ基板１００質量％中に０．０１〜１．５質量％、好ましくは０．５〜１．３質量％含まれる。
ケイ素を酸化ケイ素ＳｉＯ２に換算した質量が、アルミナ基板１００質量％中で０．０１〜１．５質量％であると、アルミナ基板を製造する際にケイ素を含む焼結助剤の量が適切になるため焼結性が高くなり、アルミナ基板の焼結時間が短縮される。
【００４４】
一方、ケイ素を酸化ケイ素ＳｉＯ２に換算した質量が、アルミナ基板１００質量％中で０．０１質量％未満であると、ケイ素を含む焼結助剤の作用が不十分になり、アルミナ基板の機械的強度が低下しやすい。
また、ケイ素を酸化ケイ素ＳｉＯ２に換算した質量が、アルミナ基板１００質量％中で１．５質量％を超えると、アルミナ基板の熱伝導率が低下しやすい。
【００４５】
アルミナ基板に含まれる焼結助剤由来成分は、ケイ素に加え、カルシウムをさらに含む無機酸化物であると好ましい。
焼結助剤由来成分中のカルシウムは、酸化カルシウムＣａＯに換算した質量でアルミナ基板１００質量％中に通常０．００１〜１．５質量％、好ましくは０．０１〜１．０質量％含まれる。
【００４６】
アルミナ基板に含まれる焼結助剤由来成分は、ケイ素に加え、またはケイ素およびカルシウムに加え、マグネシウムをさらに含む無機酸化物であると好ましい。
焼結助剤由来成分中のマグネシウムは、酸化マグネシウムＭｇＯに換算した質量でアルミナ基板１００質量％中に通常０．００１〜１．０質量％、好ましくは０．０１〜０．５質量％含まれる。
【００４７】
アルミナ基板に含まれる焼結助剤由来成分は、ケイ素に加え、またはカルシウムおよびマグネシウムから選ばれる少なくとも１種の元素とケイ素とに加え、ナトリウムをさらに含む無機酸化物であると好ましい。
焼結助剤由来成分中のナトリウムは、酸化ナトリウムＮａ２Ｏに換算した質量でアルミナ基板１００質量％中に通常０．００１〜０．５質量％、好ましくは０．０１〜０．２質量％含まれる。
【００４８】
焼結助剤由来成分が、ケイ素（Ｓｉ）に加えて、カルシウム（Ｃａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、およびナトリウム（Ｎａ）から選ばれる１種以上の元素をさらに含む無機酸化物であると、焼結助剤由来成分がケイ素（Ｓｉ）のみを含む無機酸化物である場合に比べて、焼結性がより向上したアルミナ基板になる。
すなわち、焼結助剤由来成分の焼結前の状態である焼結助剤が、Ｓｉ酸化物に加えて、Ｃａ酸化物、Ｍｇ酸化物、およびＮａ酸化物から選ばれる１種以上の酸化物をさらに含むと、粒界相となるガラス相を形成し易くなる。
【００４９】
焼結助剤由来成分が、ケイ素（Ｓｉ）、カルシウム（Ｃａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、およびナトリウム（Ｎａ）をすべて含む無機酸化物であると、焼結助剤由来成分が均質なガラス相を非常に形成し易くなるため、最も好ましい。
【００５０】
なお、焼結助剤由来成分のうち、Ｓｉ、Ｃａ、Ｍｇ、およびＮａ、ならびにこれらの元素の化合物を焼結助剤と同じ酸化物に換算した物質を、焼結助剤成分という。たとえば、焼結助剤由来成分がＳｉ、Ｃａ、Ｍｇ、およびＮａ、ならびにこれらの元素の化合物を含む無機酸化物である場合、これらの元素を焼結助剤と同じ酸化物に換算した物質であるＳｉＯ２、ＣａＯ、ＭｇＯ、およびＮａ２Ｏが、焼結助剤成分である。
また、焼結助剤由来成分のうち、焼結助剤成分以外の成分を不可避不純物成分という。
【００５１】
＜アルミナ結晶粒＞
アルミナ基板のアルミナ結晶粒は、平均結晶粒径が、通常２０μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下である。本発明で用いられるアルミナ基板は、焼結性が高いため、アルミナ結晶粒の平均結晶粒径が２０μｍ以下のように小さくなる。
【００５２】
ここで、平均結晶粒径とは、アルミナ基板の断面観察により観察された複数個のアルミナ結晶粒から下記のようにして算出される結晶粒径Ｄｃの平均値である。
すなわち、図４に示されるように１個のアルミナ結晶粒２２が観察された場合において、はじめに、アルミナ結晶粒２２の直径が最も大きくなるように選んだ線分の長さを長径Ｌ１とする。次に、この長径Ｌ１を構成する線分に対して垂直でありかつ長径Ｌ１を構成する線分の中点を通る垂直線を引き、この垂直線のうちアルミナ結晶粒の直径を表す部分の長さを短径Ｌ２とする。さらに、（Ｌ１＋Ｌ２）／２により、１個のアルミナ結晶粒２２の結晶粒径Ｄｃを算出する。そして、この作業をアルミナ基板の断面観察の視野内の１００個のアルミナ結晶粒について行い、１００個の結晶粒径Ｄｃの平均値をアルミナ結晶粒の平均結晶粒径と規定する。
【００５３】
アルミナ基板のアルミナ結晶粒は、結晶粒径Ｄｃのばらつきが小さい。すなわち、アルミナ基板は、アルミナ結晶粒の結晶粒径Ｄｃのばらつきの小ささを示す指標である下記の比率ＮＡ／Ｎｔが、通常７０％以上、好ましくは７０〜９５％であり、結晶粒径Ｄｃのばらつきが小さい。
ここで、比率ＮＡ／Ｎｔとは、アルミナ基板の断面観察により単位面積２００μｍ×２００μｍの観察範囲内で観察されるアルミナ結晶粒の全個数Ｎｔに対する、前記観察範囲内で観察され、アルミナ結晶粒の平均結晶粒径をＡμｍとしたときに０．３Ａ〜１．７Ａの範囲内にあるアルミナ結晶粒の個数ＮＡの比率ＮＡ／Ｎｔを意味する。
【００５４】
本発明で用いられるアルミナ基板は、上記のように、アルミナ結晶粒の平均結晶粒径が２０μｍ以下と小さい上、アルミナ結晶粒の結晶粒径Ｄｃのばらつきが小さいことにより、ボイド発生の原因となるアルミナ結晶粒間の３重点が小さくなっており、ボイド数が少なく、ボイドの大きさも小さい。ここで、アルミナ結晶粒間の３重点とは、３個のアルミナ結晶粒に囲まれた粒界部分を意味する。
【００５５】
＜アルミナ基板のボイド＞
アルミナ基板のボイドは、通常、アルミナ結晶粒間の３重点に発生する空隙または窪みである。
アルミナ基板は、ボイドの平均径が１０μｍ以下、好ましくは５μｍ以下である。
また、アルミナ基板は、ボイドの最大径が１５μｍ以下、好ましくは１２μｍ以下である。ボイドは、アルミナ結晶粒子同士の隙間に形成されるものである。ボイドの最大径が１５μｍを超えると、アルミナ基板に部分的に緻密化が不十分な領域ができるためアルミナ基板の機械的強度や絶縁耐圧が低下するおそれがある。
【００５６】
ここで、ボイドの平均径とは、アルミナ基板の断面観察により観察された１００個のボイドから下記のようにして算出されるボイドの直径Ｄｖの平均値を意味する。
すなわち、はじめに、アルミナ基板の断面について、単位面積２００μｍ×２００μｍまたは１００μｍ×１００μｍの観察範囲を得られる拡大写真を撮り、この観察範囲内に存在する個々のボイドにつき直径が最も大きくなるように測定した値を個々のボイドの直径Ｄｖとする。次に、このボイドの直径Ｄｖの測定を前記観察範囲内でランダムに選んだ１００個のボイドについて行い、１００個のボイドの直径Ｄｖの平均値をボイドの平均径と規定する。
【００５７】
また、ボイドの最大径とは、アルミナ基板の断面観察により観察された１００個のボイドから上記のようにして算出されたボイドの直径Ｄｖの最大値を意味する。
【００５８】
アルミナ基板の断面観察に用いられる拡大写真はＳＥＭ写真の二次電子像を使うことが好ましい。また、拡大写真の倍率は２５０倍以上、さらには５００倍以上であることが好ましい。
【００５９】
なお、アルミナ基板の断面観察のためにアルミナ基板の断面を切り出す際に、断面からアルミナ結晶が脱粒する場合がある。しかし、脱粒はアルミナ粒子がそのまま抜け落ちる現象であるため、アルミナ基板の断面観察においてアルミナ結晶粒子の脱粒とボイドとは区別可能である。
【００６０】
アルミナ基板は、断面観察で算出される単位面積１００μｍ×１００μｍあたりのボイドの個数が、通常５〜５０個、好ましくは１０〜３５個である。
アルミナ基板の断面観察で算出される単位面積１００μｍ×１００μｍあたりのボイドの個数が５〜５０個であると、アルミナ基板が高強度であるとともに、金属回路板との接合強度が高い。
【００６１】
アルミナ基板と金属回路板との接合強度は、アルミナ基板の表面の凹凸と金属回路板の表面とが入り組んだ形状、すなわち、アルミナ基板の表面の凹凸に金属回路板の表面が追従して変形した形状をとることにより、アンカー効果が生じて高くなると考えられる。このアルミナ基板の表面の凹凸は、アルミナ結晶粒の表面形状、焼結助剤由来成分の表面形状、ボイドの形状によって形成されるが、アルミナ基板の表面の凹凸の大きさは、通常、ボイドの形状による凹凸が最も大きくなる。このため、アルミナ基板の表面に、単位面積１００μｍ×１００μｍあたりのボイドの個数が５個以上であると、アルミナ基板と金属回路板との接合強度が高くなりやすい。
【００６２】
ここで、断面観察で算出される単位面積１００μｍ×１００μｍあたりのボイドの個数とは、下記のようにして算出されるボイドの個数Ｎｖを意味する。
すなわち、はじめに、アルミナ基板の断面について、単位面積２００μｍ×２００μｍまたは１００μｍ×１００μｍの観察範囲を得られる拡大写真を撮り、この観察範囲内に存在するボイドの総数ＮｖＴを数える。次に、このボイドの総数ＮｖＴを１００μｍ×１００μｍあたりの個数に換算して１００μｍ×１００μｍあたりのボイドの個数Ｎｖ１００を算出する。そして、この１００μｍ×１００μｍあたりのボイドの個数Ｎｖ１００の算出を、アルミナ基板の断面の４箇所で行い、この４個のボイドの個数Ｎｖ１００の平均値をボイドの個数Ｎｖと規定する。
【００６３】
なお、アルミナ基板の断面観察が単位面積２００μｍ×２００μｍの部分で行われる場合には、この単位面積２００μｍ×２００μｍの部分が、単位面積１００μｍ×１００μｍの部分を４個含むといえる。このため、単位面積２００μｍ×２００μｍの１箇所のボイドの総数ＮｖＴを１００μｍ×１００μｍあたりの個数に換算したボイドの個数Ｎｖ１００を、そのままボイドの個数Ｎｖとしてもよい。
【００６４】
なお、アルミナ基板の断面観察で算出される単位面積１００μｍ×１００μｍあたりのボイドの個数が５個未満であると、金属回路板との接合強度が低くなるおそれがある。
また、アルミナ基板の断面観察で算出される単位面積１００μｍ×１００μｍあたりのボイドの個数が５０個を超えると、アルミナ基板の表面欠陥となり、アルミナ基板の機械的強度、絶縁耐圧や熱伝導率が低下しやすい。
【００６５】
アルミナ基板は、このアルミナ基板の断面観察により算出されたボイドの面積の比率であるボイド面積率が、通常２０％以下である、好ましくは１３％以下、さらに好ましくは６％以下である。
ボイド面積率が２０％を超えると、アルミナ基板の機械的強度が低くなるおそれがある。
【００６６】
ここで、ボイド面積率とは、下記のようにして算出されるボイドの面積率ＲＳｖを意味する。
すなわち、はじめに、アルミナ基板の断面について、単位面積２００μｍ×２００μｍまたは１００μｍ×１００μｍの観察範囲を得られる拡大写真を撮り、この観察範囲内に存在するボイドの面積を合計してボイドの総面積ＳｖＴを算出する。次に、このボイドの総面積ＳｖＴを単位面積で割った１μｍ２あたりの値をボイド面積率ＲＳｖ（％）と規定する。
【００６７】
＜アルミナ基板の特性＞
アルミナ基板は、ビッカース硬度が１３００以上である。ここで、ビッカース硬度とは、ＪＩＳ−Ｒ−１６１０に規定されるビッカース硬度を意味する。
アルミナ基板は、絶縁耐圧が、通常１５ＫＶ／ｍｍ以上である。ここで、絶縁耐圧とは、以下の方法より算出される値である。すなわち、各セラミックス回路基板を絶縁油（商品名フロリナート）中に浸漬し、セラミックス基板の両面に接合した金属回路板にそれぞれ電極を配置し、この電極間に毎分１０ｋＶの電圧上昇速度で交流電圧を印加する。そして、１０ｐＣ（ピコクーロン）の電荷量を放電する際の印加電圧を部分放電開始電圧とし、基板の単位厚さ当たりの部分放電開始電圧を絶縁耐圧とする。
アルミナ基板は、熱伝導率が、通常２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。ここで、熱伝導率とは、ＪＩＳ−Ｒ−１６１１に準ずるレーザフラッシュ法で測定される熱伝導率を意味する。
アルミナ基板は、抗折強度（３点曲げ強度）が、通常３００ＭＰａ以上である。ここで、抗折強度（３点曲げ強度）とは、ＪＩＳ−Ｒ−１６０１に規定される抗折強度を意味する。
【００６８】
アルミナ基板は、厚さが、通常０．２５〜１．２ｍｍである。
【００６９】
＜アルミナ基板の製造方法＞
次に、アルミナ基板の製造方法について説明する。
アルミナ基板は、たとえば、アルミナ粉末と焼結助剤とを用意した後、スラリー調整工程または造粒工程を行い、成形工程を行い、脱脂工程を行い、焼結工程を行うことにより製造することができる。
【００７０】
［アルミナ粉末］
アルミナ粉末は、アルミナの純度が、通常９８質量％以上、好ましくは９９．９質量％以上である。
アルミナの純度が９８質量％以上であると、得られるアルミナ基板の特性が良好になりやすい。
また、アルミナの純度が９９．９質量％以上であると、アルミナ粉末中に含まれ、焼結時に焼結助剤として機能する不純物の計算が容易になることから、アルミナ粉末とともに混合する焼結助剤の量を調整しやすいため好ましい。ここで、焼結時に焼結助剤として機能する不純物とは、下記の焼結助剤成分不純物を意味する。
【００７１】
アルミナ粉末にはアルミナ以外の成分として、通常、Ｓｉ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｎａ、またはこれら以外の元素を含む物質等が含まれる。
本発明において、アルミナ粉末に含まれる物質のうち、Ｓｉ、Ｃａ、Ｍｇ、およびＮａ、ならびにこれらの元素の化合物は、焼結助剤と同じ元素からなる物質であるため、焼結助剤成分不純物という。
また、アルミナ粉末に含まれる物質のうち、アルミナおよび焼結助剤成分不純物以外の物質を、不可避不純物という。
焼結助剤成分不純物は、焼結助剤と同じ元素からなる物質であるため、焼結工程において焼結助剤として機能する。このため、アルミナ粉末に含まれる焼結助剤成分不純物は、焼結助剤の一部として扱うことが好ましい。
【００７２】
焼結助剤成分不純物を焼結助剤の一部として扱う方法としては、焼結助剤成分不純物の質量を、焼結助剤に換算した質量とし、この換算した質量を焼結助剤の質量の一部とする方法が用いられる。具体的には、焼結助剤成分不純物が、Ｓｉ、Ｃａ、Ｍｇ、およびＮａ、ならびにこれらの元素の化合物である場合は、これらをそれぞれ焼結助剤であるＳｉＯ２、ＣａＯ、ＭｇＯ、およびＮａ２Ｏに換算した後、これらの酸化物の質量を焼結助剤の質量として取り扱う。たとえば、アルミナ粉末に含まれる焼結助剤成分不純物中のＳｉ成分から換算したＳｉＯ２がＡｇであり、このアルミナ粉末に焼結助剤として添加したＳｉＯ２がＢｇである場合は、焼結助剤であるＳｉＯ２の合計の質量はＡ＋Ｂｇとなる。
【００７３】
アルミナ粉末は、平均粒径が、通常１〜４μｍである。
また、アルミナ粉末は、０．８μｍ以下の粒径のアルミナ粉末を２〜３０質量％含むものであると、得られるアルミナ基板のボイドサイズを小さくしたり、ボイドの個数を減らしたりすることができるため、好ましい。この理由は以下のとおりである。ボイドはアルミナ結晶粒同士の隙間に発生する。０．８μｍ以下の粒径のアルミナ粉末を２〜３０質量％含むアルミナ粉末は、大きな粉末と小さな粉末が適度に分布したものとなることから、焼結前のアルミナ粉末を、大きなアルミナ粉末同士の隙間に小さなアルミナ粉末が入り込む構造にすることができる。このため、このような構造のアルミナ粉末から得られるアルミナ基板は、ボイドサイズが小さくなったり、ボイドの個数が少なくなったりする。
【００７４】
［焼結助剤］
アルミナ基板の原料としては、アルミナ粉末に加えて焼結助剤が用いられる。
焼結助剤としては、少なくとも酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を用いる。焼結助剤は、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）に加えて、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）および酸化ナトリウム（Ｎａ２Ｏ）から選ばれる１種以上の酸化物を含んでいてもよい。
焼結助剤は、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）および酸化ナトリウム（Ｎａ２Ｏ）のすべてを含むと好ましい。
焼結助剤としては、粉末状のものを用いる。
【００７５】
焼結助剤は、後のスラリー調整工程または造粒工程において、アルミナ粉末と混合される。アルミナ粉末と焼結助剤とからなる混合粉末は、アルミナ粉末に含まれる焼結助剤成分不純物を焼結助剤に換算した質量ＭＡと、焼結助剤の質量ＭＳとの合計量ＭＡ＋ＭＳを、２〜６質量％含むようにする。
【００７６】
また、後のスラリー調整工程でアルミナボールミルを用いてボールミル処理をする場合は、アルミナボールミルから取り込まれる焼結助剤成分不純物の量ＭＢを勘案して、焼結助剤の配合量を定める。すなわち、アルミナ粉末と焼結助剤とからなる混合粉末中に、ＭＡ＋ＭＳ＋ＭＢが２〜６質量％含まれるようにする。ここで、アルミナボールミルから取り込まれる焼結助剤成分不純物とは、アルミナ粉末に含まれる焼結助剤成分不純物と同様の物質である。
【００７７】
［スラリー調整工程］
スラリー調整工程は、アルミナ粉末と焼結助剤粉末とを混合してスラリーを調製する工程である。スラリーは、たとえば、純水または有機溶媒中にアルミナ粉末と焼結助剤粉末とを添加し、必要によりさらにＰＶＡ（ポリビニルアルコール）、ＰＶＢ（ポリビニルブチラール）等のバインダを添加した上、湿式ボールミルで、アルミナ粉末および焼結助剤粉末を粉砕することにより調製することができる。
ボールミルで用いられるボールは、アルミナ製であることが好ましい。ただし、アルミナ製のアルミナボールは、通常、アルミナ純度が９６％程度であり、Ｎａ、Ｓｉ、Ｃａ等の不純物を比較的多く含む。このため、アルミナボールを用いたボールミル処理では、アルミナボールからスラリーに混入するＮａ、Ｓｉ、Ｃａ等の不純物を考慮した量の焼結助剤粉末をアルミナ粉末に配合することが好ましい。
アルミナ基板の製造方法では、上記のスラリー調整工程または下記の造粒工程を選択して行う。
【００７８】
［造粒工程］
造粒工程は、アルミナ粉末と焼結助剤粉末とを混合して造粒する工程である。
造粒で得られる造粒粉は、たとえば、純水または有機溶媒中にアルミナ粉末と焼結助剤粉末とを添加し、必要によりさらにＰＶＡ（ポリビニルアルコール）、ＰＶＢ（ポリビニルブチラール）等のバインダを添加した上、湿式ボールミルで、アルミナ粉末および焼結助剤粉末を粉砕し、さらに湿式造粒機で造粒することにより作製することができる。
【００７９】
［成形工程］
スラリー調整工程または造粒工程を行った後は、成形工程を行う。
成形工程は、スラリー調整工程で得られたスラリー、または造粒工程で得られた造粒粉を用いて、成形体を作製する工程である。
スラリーを用いる場合、成形工程は、たとえば、ドクターブレード法を用いて板状の成形体を作製する。造粒粉を用いる場合、成形工程は、たとえば、金型成型法を用いて板状の成形体を作製する。
板状の成形体の厚さが１ｍｍ以下である場合は、ドクターブレード法を用いることが好ましい。
［脱脂工程］
脱脂工程は、得られた板状の成形体を脱脂する工程である。
脱脂工程は、通常４００〜９００℃で熱処理して板状の成形体を脱脂させる。
【００８０】
［焼結工程］
焼結工程は、脱脂された板状の成形体を焼結させる工程である。
焼結工程は、常圧で焼結させる場合は、通常１２００〜で２〜８時間、好ましくは１２００〜１６５０℃で４〜８時間熱処理して、焼結させる。
また、０．５ＭＰａ以上の加圧下で焼結させる場合は、通常１２００〜１７００℃で２〜５時間、好ましくは１２００〜１６５０℃で２〜５時間熱処理して、焼結させることもできる。
【００８１】
また、焼結工程は、熱処理の温度範囲を変えた２段階の熱処理を行なうようにしてもよい。
たとえば、温度範囲１４５０〜１６５０℃で３〜４時間熱処理した後、１４５０℃未満で２〜３時間熱処理するようにしてもよい。
このように、焼結工程を、高温で長時間焼結し続けるのではなく、一定時間焼結した後、少し低温で焼結させることにより、アルミナ結晶粒の粒成長を抑制できるため、ボイドのサイズや個数の制御を行い易くなる。
このように、本焼結工程は、焼結時間を８時間以下にすることができるため、特許文献１に示されるような２０時間という長時間の熱処理の焼結工程を行う必要がない。
【００８２】
本発明において焼結工程の焼結時間が短い理由は、主に、脱脂された板状の成形体中の、焼結助剤粉末および焼結助剤成分不純物の合計量が適切であるからであると考えられる。
【００８３】
すなわち、スラリーまたは造粒粉から作製され、脱脂された板状の成形体は、アルミナ粉末と焼結助剤粉末との合計量１００質量％中に、アルミナ粉末に含まれる焼結助剤成分不純物を焼結助剤に換算した質量ＭＡと、焼結助剤の質量ＭＳとの合計量ＭＡ＋ＭＳを、２〜６質量％含む。
【００８４】
また、スラリー調整工程でアルミナボールミルを用いてボールミル処理した場合は、スラリーまたは造粒粉から作製され、脱脂された板状の成形体は、アルミナボールミルから取り込まれる焼結助剤成分不純物の量ＭＢを含めたＭＡ＋ＭＳ＋ＭＢを２〜６質量％含むようになっている。
【００８５】
このため、本発明のアルミナＡｌ２Ｏ３を９４〜９８質量％含む高純度でないアルミナ基板の焼結工程は、ＭＡ＋ＭＳまたはＭＡ＋ＭＳ＋ＭＢが２質量％未満である高純度アルミナ基板を焼結する場合に比較して、焼結温度を２０〜５０℃程度低くすることができ、かつ、焼結時間も８時間以下と短くすることができる。
【００８６】
このように、焼結工程において、焼結温度を低くしたり、焼結時間を短くしたりすることができることから、焼結によるアルミナ結晶粒の成長を抑制することができる。このため、得られるアルミナ基板は、アルミナ結晶粒が小さくなり、アルミナ結晶粒の結晶粒径Ｄｃのばらつきが小さくなり、ボイドの発生を抑制することができ、発生したボイドの大きさを小さくすることができる。
具体的には、得られるアルミナ基板は、アルミナ結晶粒の平均結晶粒径が、通常２０μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下となり、結晶粒径Ｄｃのばらつきを示す比率ＮＡ／Ｎｔが、通常７０％以上、好ましくは７０〜９５％となる。
また、得られるアルミナ基板は、ボイドの平均径が１０μｍ以下、好ましくは５μｍ以下であり、ボイド面積率が、通常２０％以下となる。
【００８７】
以上の各工程を経て得られたアルミナ基板は、金属回路板と接合される。アルミナ基板と接合された金属回路板は、適宜エッチング等を用いて回路が形成される。本発明では、回路が形成されていない金属回路板、および回路が形成された金属回路板の両方を含めて、単に金属回路板と称する。
得られたアルミナ基板は、金属回路板と接合される前の処理として、適宜、ホーニング加工により表面のごみを除去する処理や、表面を研磨加工する処理が行われる。なお、アルミナ基板と金属回路板との接合方法として直接接合法を用いる場合は、ホーニング加工により表面のごみを除去するだけとすることが好ましい。
【００８８】
（金属回路板）
金属回路板は、アルミナ基板上に接合される。ここで、金属回路板とは、エッチング等を用いて回路が形成された金属回路板、および回路が形成されていない金属回路板の両方を含む概念である。
【００８９】
アルミナ基板と金属回路板とは、たとえば、直接接合法（ＤＢＣ法）、活性金属法等の方法により接合される。
ここで、直接接合法（ＤＢＣ法）とは、たとえば、金属回路板の銅と酸素とが共晶化合物（Ｃｕ−Ｏ共晶）を形成する反応を利用してアルミナ基板と金属回路板とを接合する方法である。
また、活性金属法とは、活性金属接合ろう材ペーストを用いてアルミナ基板と金属回路板とを接合する方法である。
【００９０】
本発明のセラミックス回路基板では、金属回路板が、直接接合法、活性金属法等の方法によりアルミナ基板に接合されたものになっている。
【００９１】
＜金属回路板が直接接合法によりアルミナ基板に接合された場合＞
金属回路板が直接接合法によりアルミナ基板に接合される場合、金属回路板としては、通常、銅からなる銅回路板が用いられる。
アルミナ基板と金属回路板との接合方法が直接接合法であるため、銅回路板は、Ｃｕ−Ｏ共晶化合物によりアルミナ基板に接合される。
銅回路板は、厚さが、通常０．１〜０．５ｍｍである。
【００９２】
銅回路板としては、酸素を１００〜１０００質量ｐｐｍ含有するタフピッチ電解銅からなることが好ましい。このような銅回路板を用いることにより、アルミナ基板との接合強度が高くなる。
【００９３】
銅回路板は、炭素を０．１〜１．０質量％含むことが好ましい。このような銅回路板を構成する銅材としては、たとえば、タフピッチ銅、無酸素銅等が挙げられる。
炭素は脱酸剤として機能するため、銅回路板中の酸素を銅回路板の表面に移動させる。また、銅回路板の表面に移動した酸素は、直接接合法を行う際のＣｕ−Ｏ共晶化合物を形成するために用いられる。
なお、銅回路板の炭素含有量が０．１質量％未満であると炭素含有の効果がなく、炭素含有量が１．０質量％を超えると炭素含有量が増えすぎて銅回路板の導電性を低下させる。
【００９４】
なお、銅回路板として、酸素含有量が１００質量ｐｐｍ未満の銅回路板を用いる場合は、銅回路板のアルミナ基板との接合面側に酸化銅膜を形成することにより、アルミナ基板との接合強度を高くすることができる。
【００９５】
銅回路板の表面に酸化銅膜を形成する方法としては、銅回路板を熱処理して直接酸化する方法や酸化銅粉末のペーストを塗布する方法等が挙げられる。
【００９６】
［直接酸化する方法］
直接酸化する方法としては、たとえば、銅回路板を、大気中において温度１５０〜３６０℃の範囲で２０〜１２０秒間加熱する表面酸化処理を行うことにより、銅回路板の表面に酸化銅膜を形成する方法が用いられる。
【００９７】
直接酸化する方法を用いる場合、酸化銅膜は、厚さが、通常１〜１０μｍ、好ましくは２〜５μｍである。
酸化銅膜の厚さが１μｍ未満であると、Ｃｕ−Ｏ共晶化合物の発生量が少なくなることから、アルミナ基板と銅回路板との未接合部分が多くなるため、接合強度を向上させる効果が小さくなる。
一方、酸化銅膜の厚さが１０μｍを超えると、接合強度の改善効果が少なく、却って銅回路板の導電特性を阻害することになる。
【００９８】
［酸化銅粉末のペーストを塗布する方法］
酸化銅粉末のペーストを塗布する方法としては、たとえば、平均粒径１〜５μｍの酸化銅粉末を含むペーストを用い、銅回路板の上にペーストを塗布して厚さ１〜１０μｍの酸化銅ペースト層を形成した後、乾燥または熱処理することにより、銅回路板の表面に酸化銅膜を形成する方法が用いられる。
【００９９】
＜金属回路板が活性金属法によりアルミナ基板に接合された場合＞
金属回路板が活性金属法によりアルミナ基板に接合される場合、金属回路板としては、銅、アルミニウム、鉄、ニッケル、クロム、銀、モリブデン、コバルトの単体、これらの合金、およびこれらのクラッド材等が用いられる。これらの中、銅板やアルミニウム板は、接合性がよいため好ましい。
【０１００】
金属回路板の厚さは、通電容量やアルミナ基板の厚さ等を勘案して決定される。具体的には、アルミナ基板の厚さが０．２５〜１．２ｍｍの場合には、金属回路板の厚さを０．１〜０．５ｍｍとすることが好ましい。なお、アルミナ基板の厚さを０．２５〜０．３８ｍｍとすると、熱抵抗が低減され、セラミックス回路基板の放熱性を改善することができる。
【０１０１】
活性金属法に用いられる活性金属接合ろう材ペーストとしては、たとえば、Ｃｕを１５〜３５質量％、およびＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆから選択される少なくとも１種の活性金属を１〜１０質量％含むとともに、残部が実質的にＡｇからなる接合用組成物を有機溶媒中に分散して調製した活性金属接合ろう材ペーストが用いられる。
活性金属接合ろう材ペーストに配合される活性金属は、アルミナ基板に対する活性金属接合ろう材の濡れ性および反応性を改善する。活性金属接合ろう材ペースト中の活性金属の配合量は、活性金属接合ろう材ペーストに含まれる接合用組成物１００質量％に対して１〜１０質量％とする。
【０１０２】
活性金属法は、たとえば、Ｔｉ、ＺｒおよびＨｆから選択される少なくとも１種の活性金属を含有し適切な組成比を有するＡｇ−Ｃｕ系ろう材を用い、このＡｇ−Ｃｕ系ろう材を有機溶媒中に分散させて接合用組成物ペーストを調製し、この接合用組成物ペーストをアルミナ基板の表面にスクリーン印刷し、アルミナ基板の表面に金属回路板としての銅板を重ね合わせ、加熱することにより、アルミナ基板と金属回路板とを接合することができる。
【０１０３】
（アルミナ基板と金属回路板との接合界面）
アルミナ基板と金属回路板との接合界面は、金属回路板の表面がアルミナ基板の表面の凹凸形状に沿って変形した入り組んだ構造になっている。具体的には、アルミナ基板と金属回路板との接合界面は、セラミックス回路基板の断面観察を行ったときに、金属回路板の表面に沿った曲線が、アルミナ基板の表面の凹凸に沿った曲線に接する割合（以下、「接合界面接触割合」という）が、通常９５％以上、好ましくは９９％以上、さらに好ましくは１００％である入り組んだ構造になっている。
【０１０４】
接合界面接触割合は、アルミナ基板の表面の凹凸への金属回路板の追従性を示す指標である。
たとえば、アルミナ基板と金属回路板とが全く隙間がなく接合している場合、接合界面接触割合は１００％である。また、アルミナ基板と金属回路板とが完全に剥離している場合、接合界面接触割合は０％である。
【０１０５】
接合界面接触割合の算出方法は、以下のとおりである。
すなわち、はじめに、セラミックス回路基板の断面観察を行ったときに、接合断面の拡大写真を撮影する。接合断面の拡大写真は、１０００倍以上であることが好ましい。
拡大写真は、接合界面を長さ１００μｍに亘って撮影する。なお、一視野で長さ１００μｍを撮影できないときは、２０〜５０μｍずつ撮影し、合計で１００μｍ撮影するようにしてもよい。
次に、拡大写真から、接合界面におけるアルミナ基板の表面の凹凸に沿った曲線の長さＬＡと、接合界面における金属回路板の表面に沿った曲線との長さＬＭを測定する。
そして、ＬＭをＬＡで除したＬＭ／ＬＡを接合界面接触割合として算出する。
【０１０６】
接合界面接触割合は、アルミナ基板の表面に深いボイドが露出している場合に低下しやすい。アルミナ基板の表面に深いボイドが露出していると、アルミナ基板と金属回路板とを接合した際に、金属回路板がアルミナ基板の表面に追従しにくくなるため、接合界面接触割合が低下しやすい。
本発明のセラミックス回路基板では、アルミナ基板の表面に深いボイドが露出することが実質的にない上、アルミナ基板と金属回路板とを特定の条件で接合させているため、アルミナ基板の表面のボイドに金属回路板が追従して入り込む。このため、本発明のセラミックス回路基板は、接合界面接触割合が通常９５％以上と高く、アルミナ基板の表面と金属回路板とが入り組んだ構造になっており、アンカー効果が生じて接合強度が高い。
【０１０７】
（セラミックス回路基板の製造方法）
セラミックス回路基板は、アルミナ基板と金属回路板とを接合することにより製造される。アルミナ基板と金属回路板との接合方法は、上記のとおり、たとえば、直接接合法（ＤＢＣ法）、活性金属法等の方法が用いられる。
【０１０８】
＜直接接合法＞
直接接合法では、はじめに、アルミナ基板上に、金属回路板としての銅回路板を配置する。銅板に酸化膜（酸化銅膜）を形成した場合は、酸化膜がアルミナ基板側になるように配置する。次に、不活性ガス雰囲気中で、たとえば、１０６５〜１０８５℃に加熱すると、アルミナ基板上に銅回路板が接合されたセラミックス回路基板が得られる。
【０１０９】
＜活性金属法＞
活性金属法では、はじめに、アルミナ基板上にスクリーン印刷等の方法で活性金属接合ろう材ペーストを塗布する。次に、アルミナ基板の活性金属接合ろう材ペーストが塗布された面に、金属回路板を配置し、加熱すると、アルミナ基板上に銅回路板が接合されたセラミックス回路基板が得られる。
【０１１０】
上記構成のセラミックス回路基板によれば、焼結助剤由来成分を２〜６質量％含むアルミナ基板を用いることにより、焼結性および機械的強度が高く、基板としての特性が高い。
【０１１１】
また、アルミナ基板が緻密であり、ボイドに由来する表面欠陥も少ないため、基板厚さを薄くした場合においても、耐電圧特性の低下が少なく、絶縁破壊（耐圧リーク）の発生が抑制される。また、ボイドに由来する表面欠陥（表面凹凸）を所定の範囲内のものとすることにより、金属回路板の接合強度を向上させることができる。
【実施例】
【０１１２】
以下に実施例を示すが、本発明はこれらに限定されて解釈されるものではない。【０１１３】
（実施例１）
平均粒径２．５μｍ（０．８μｍ以下が１３質量％）のα−アルミナ結晶から成り、純度が９９．２質量％のアルミナ粉末（不純物Ｓｉ量０．４質量％、Ｃａ量０．２質量％、Ｍｇ量０．１質量％、Ｎａ量０．０１質量％、不可避不純物０．２９質量％）を用意した。
焼結助剤としてＳｉＯ２を０．３質量％、ＣａＯを０．５質量％、ＭｇＯを０．４質量％、Ｎａ２Ｏを０．１質量％添加し、さらに有機結合剤を添加して原料混合体をそれぞれ調製した。各原料混合体をドクターブレード法によりシート成形して板状の成形体を調製し、この成形体を真空中で８００℃で４時間加熱して完全に脱脂した。この脱脂体を温度１５８０℃で７時間焼結することにより、縦２９ｍｍ×横６３ｍｍ×厚さ０．３２ｍｍのアルミナ基板を調製した。【０１１４】
（実施例２）
平均粒径１．５μｍ（０．８μｍ以下が２５質量％）のα−アルミナ結晶から成り、純度が９９．９９質量％の高純度アルミナ粉末（不純物Ｓｉ量０．００２質量％、Ｃａ量０．００２質量％、Ｍｇ量０．００１質量％、Ｎａ量０．００１質量％、不可避不純物０．００５質量％）を用意した。
焼結助剤としてＳｉＯ２を１．０質量％、ＣａＯを１．０質量％、ＭｇＯを１．０質量％、Ｎａ２Ｏを０．１質量％添加し、さらに有機結合剤を添加して原料混合体をそれぞれ調製した。各原料混合体をドクターブレード法によりシート成形して板状の成形体を調製し、この成形体を真空中で８００℃で４時間加熱して完全に脱脂した。この脱脂体を温度１５６０℃で６時間焼結することにより、縦２９ｍｍ×横６３ｍｍ×厚さ０．３２ｍｍのアルミナ基板を調製した。
なお、実施例１および実施例２ともに原料混合体の調整は純度９６％のアルミナボールを用いたボールミル工程により行った。【０１１５】
（比較例１）
平均粒径１．５μｍ（０．８μｍ以下が３５質量％）のα−アルミナ結晶から成り、純度が９９．９９質量％の高純度アルミナ粉末（不純物Ｓｉ量０．００２質量％、Ｃａ量０．００２質量％、Ｍｇ量０．００１質量％、Ｎａ量０．００１質量％、不可避不純物０．００５質量％）を用意した。
焼結助剤としてＳｉＯ２を添加しない以外は実施例２と同様にして、アルミナ基板を調製した。【０１１６】
（比較例２）
平均粒径２．５μｍ（０．８μｍ以下が１質量％）のα−アルミナ結晶から成り、純度が９９．２質量％のアルミナ粉末（不純物Ｓｉ量０．４質量％、Ｃａ量０．２質量％、Ｍｇ量０．１質量％、Ｎａ量０．０１質量％、不可避不純物０．２９質量％）を用意した。
焼結助剤としてＳｉＯ２を３．０質量％添加した以外は実施例１と同様にして、アルミナ基板を調製した。【０１１７】
［実施例１および実施例２、比較例１および比較例２のアルミナ基板の評価］
各アルミナ基板のＡｌ２Ｏ３純度、平均結晶粒径、結晶粒径のばらつき、ボイドの面積率、ボイド平均径、ボイドの最大径、ボイドの個数、絶縁耐圧、抗折強度、破壊靭性値、熱伝導率およびビッカース硬度をそれぞれ測定して表１に示す結果を得た。
ボイド率、ボイド平均径、平均結晶粒径および結晶粒径のばらつきはアルミナ基板の断面観察により測定した。
すなわち、単位面積２００μｍ×２００μｍの拡大写真を撮り、この拡大写真に写る個々のボイドの面積を測定し、合計面積を２００μｍ×２００μｍで割った数字をボイドの面積率とした。
また、個々のボイドにつき直径が最も大きくなるように測定した値を最大径とし、ボイド１００個分の平均値をボイド平均径とした。また、ボイドの個数は単位面積１００μｍ×１００μｍあたりの個数を４か所分測定し、その最小個数と最大個数を示した。
また、アルミナ結晶粒の平均結晶粒径は、個々のアルミナ結晶粒において直径が最も大きくなるように選んだ線分の長さを長径Ｌ１とし、その中心から垂直線を引いたときを短径Ｌ２とし、（Ｌ１＋Ｌ２）／２を粒径とした（図４参照）。この作業を１００粒行い、その平均値を平均粒径とした。
アルミナ結晶粒のまた、結晶粒径のばらつきは、平均結晶粒径Ａμｍに対し、Ａ×（０．３〜１．７）の範囲に入る結晶粒の割合を求めた。
絶縁耐圧、抗折強度（３点曲げ強度）、熱伝導率、破壊靭性値およびビッカース硬度は、ＪＩＳ−Ｒ−１６０１（抗折強度）、ＪＩＳ−Ｒ−１６０７（破壊靭性値）、ＪＩＳ−Ｒ−１６１０（ビッカース硬度）、ＪＩＳ−Ｒ−１６１１（熱伝導率）等に記載された方法で求めた。また、絶縁耐圧は、前述の通り、絶縁油（商品名フロリナート）を用いた部分放電開始電圧を用いた方法で行った。
これらの結果を表１〜３に示す。
図５は、実施例１に係るセラミックス回路基板の接合界面のＳＥＭ写真である。図５に示されるように、セラミックス回路基板１のアルミナ基板２と金属回路板（銅回路板）３の界面において、金属回路板（銅回路板）３はアルミナ基板２の表面に密着している。【０１１８】
【表１】
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【０１１９】
アルミナ焼結体として不可避不純物が若干増えた理由は製造工程中にＦｅ等の不純物が混入したためである。同様にＳｉＯ２量が若干増えた理由も製造工程中のアルミナボールを用いたボールミル工程で混入したためである。【０１２０】
【表２】
0005972875.tif 000003
【０１２１】
【表３】
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【０１２２】
本実施例に係るアルミナ基板は焼結性が良く、優れた特性を示すことが分かった。一方、比較例１のアルミナ基板はＳｉ量が足りないことから、この焼結条件では十分な焼結ができず大きなボイドが発生していた。また、比較例２のアルミナ基板はＳｉ量が多すぎて焼結性が低下した。【０１２３】
（実施例３〜５）
焼結助剤量および焼結条件を変えたものを用意し、実施例１と同様の測定を行った。その結果を表１、表２〜３に示す。なお、原料粉末は実施例１で用いたものと同じものを用いた。【０１２４】
本実施例にかかるアルミナ基板は焼結時間を８時間以下にしたとしても優れた特性を示した。【０１２５】
（実施例１Ｂ〜６Ｂ、比較例１Ｂ〜２Ｂ）
実施例１〜５および比較例１〜２のアルミナ基板と銅板を用いて、セラミックス回路基板を調製した。銅板は熱処理して接合面側に厚さ５μｍの酸化銅膜を形成したものを用意した。アルミナ基板の両面に銅板（一方が金属回路基板用銅板、もう一方が裏銅板）を配置し、窒素雰囲気中１０７５℃×１分間加熱して直接接合法により接合した。なお、金属回路板用銅板は厚さ０．３ｍｍ、裏銅板は厚さ０．４ｍｍで統一した。また、実施例１Ｂ〜５Ｂは銅板中の炭素含有量は０．２〜０．８質量％の範囲内のもの、６Ｂは炭素が含有されていないもの（検出限界以下）のものを用意した。
次に得られたセラミックス回路基板の金属回路板をエッチングして、図１に示した回路パターンを形成した。【０１２６】
上記のように調製した各セラミックス回路基板について、表面側の回路パターン面の両端部を３０ｍｍの支持スパンで支持する一方、背面側の裏銅板の中央部の１点に荷重を付加して３点曲げ強度を測定するとともに、アルミナ基板の両縁部を含む平面に対する最大たわみ量を測定した。なお、各セラミックス回路基板の抗折強度値はアルミナ基板破断時の荷重値をアルミナ基板単体に対する応力値として示している。また、最大たわみ量は、アルミナ基板が破断した時点でのたわみ量として測定した。各測定結果を表４に示す。【０１２７】
【表４】
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【０１２８】
本実施例にかかるセラミックス回路基板は、最大たわみ量が１．０ｍｍ以上と優れた特性を示すことが分かった。
次に実施例１Ｂ〜６Ｂ、比較例１Ｂ〜２Ｂのセラミックス回路基板の銅回路板の接合強度および接合界面の状態について調べた。接合強度はピール試験により求めた。
また、接合界面は、アルミナ基板と銅回路板の接合界面の拡大写真（２０００倍）を撮影する。この作業を接合界面１００μｍ分撮影した。接合界面において、アルミナ基板の表面凹凸をどれだけ覆うように銅回路板が接合されているかを調べた。その結果を表５に示す。【０１２９】
【表５】
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【０１３０】
表から分かる通り、本実施例に係るセラミックス回路基板は接合強度に優れていた。また、実施例１Ｂと実施例６Ｂを比較すると実施例１Ｂの方が接合強度が優れていた。これは銅板中に所定量の炭素を含有させることにより、銅板中の酸素が銅板表面に移動し、Ｃｕ−Ｏ共晶反応に寄与したためと考えられる。そのため、接合界面におけるアルミナ基板の表面凹凸を銅回路板が覆う割合が増大したためと考えられる。【０１３１】
なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施し得るものであり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１３２】
１  セラミックス回路基板
２  アルミナ基板
３  金属回路板（銅回路板）
４  裏金属板（裏銅板）
２２  アルミナ結晶粒
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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