(57)【要約】  セラミックス基板と金属板の接合強度を従来技術並みに維持しつつＩｎの添加量が削減されたろう材および当該ろう材を用いたろう材ペーストを提供する。  Ａｇ、Ｉｎ、Ｃｕからなる合金粉末、Ａｇ粉末ならびに活性金属水素化物粉末を混合して成る混合粉末であって、粒子の等価円平均直径が１０〜２５μｍである活性金属水素化物粉末を０．５〜５．０質量％含み、  前記合金粉末、Ａｇ粉末および活性金属水素化物粉末の粒子の等価円平均直径が、合金粉末≧活性金属水素化物粉末＞Ａｇ粉末の関係にあり、１０％累積粒子径（ｄ１０）が３〜１０μｍ、５０％累積粒子径（ｄ５０）が１０〜２５μｍ、９０％累積粒子径（ｄ９０）が３０〜５０μｍの粒度分布を有するとともに、頻度分布において、５０％累積粒子径（ｄ５０）と９０％累積粒子径（ｄ９０）の間にピークが存在する。
2013002407.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、Ａｇ：５５〜８０質量％、Ｉｎ：１〜５質量％、残部Ｃｕ及び不可避不純物からなる合金粉末、Ａｇ粉末ならびに活性金属水素化物粉末を混合して成る混合粉末である、セラミックス基板と金属板とを接合するろう材であって、
前記混合粉末に含まれるＡｇおよびＣｕの総量に対するＡｇの組成比Ａｇ／（Ａｇ＋Ｃｕ）が０．５７〜０．８５であり、
粒子の等価円平均直径が１０〜２５μｍである活性金属水素化物粉末を０．５〜５．０質量％含み、
前記合金粉末、Ａｇ粉末および活性金属水素化物粉末の粒子の等価円平均直径が、合金粉末≧活性金属水素化物粉末＞Ａｇ粉末の関係にあり、
前記混合粉末は、ＪＩＳ  Ｚ  ８８２５−１に準拠して粒度分布を測定したときの体積基準の累積分布において、１０％累積粒子径（ｄ１０）が３〜１０μｍ、５０％累積粒子径（ｄ５０）が１０〜３５μｍ、９０％累積粒子径（ｄ９０）が３０〜５０μｍの粒度分布を有するとともに、頻度分布において、５０％累積粒子径（ｄ５０）と９０％累積粒子径（ｄ９０）の間にピークが存在することを特徴とするろう材。
【請求項２】
前記ピークが６０％累積粒子径（ｄ６０）と８０％累積粒子径（ｄ８０）の間に存在する請求項１に記載のろう材。
【請求項３】
かさ密度が３．６〜５．５ｇ／ｃｍ３である請求項１または２のいずれかに記載のろう材。
【請求項４】
（ｄ５０−ｄ１０）／（ｄ９０−ｄ１０）が０．２５〜０．６５である請求項１乃至３のいずれかに記載のろう材。
【請求項５】
（ｄ５０−ｄ１０）／４０（％）が、０．１５〜０．６５（μｍ／％）である請求項１乃至４のいずれかに記載のろう材。
【請求項６】
Ａｇ：５５〜８０質量％、Ｉｎ：１〜５質量％、酸素含有量０．１質量％以下、残部Ｃｕ及び不可避不純物からなる５０％累積粒子径（ｄ５０）１５〜４０μｍの合金粉末と、前記合金粉末１００質量部に対し、５０％累積粒子径（ｄ５０）１〜１５μｍのＡｇ粉末粒子を５〜３０質量部、および、１０％累積粒子径（ｄ１０）が５〜１５μｍ、５０％累積粒子径（ｄ５０）が１０〜２５μｍ、９０％累積粒子径（ｄ９０）が２５〜５０μｍの粒度分布を有する活性金属水素化物粉末を０．５〜５質量部を有する請求項１乃至５のいずれかに記載のろう材。
【請求項７】
前記活性金属水素化物粉末は水素化チタン粉末である請求項１乃至６のいずれかに記載のろう材。
【請求項８】
前記合金粉末に含まれるＡｇおよびＣｕの総量に対するＡｇの比Ａｇ／（Ａｇ＋Ｃｕ）が、０．６〜０．７である請求項１乃至７のいずれかに記載のろう材。
【請求項９】
前記合金粉末は、Ｓｉを０．０００１〜０．５質量％含む請求項１乃至８のいずれかに記載のろう材。
【請求項１０】
前記合金粉末の１０％累積粒子径（ｄ１０）が６〜１２μｍ、９０％累積粒子径（ｄ９０）が６０μｍ以下である請求項１乃至９のいずれかに記載のろう材。
【請求項１１】
前記Ａｇ粉末の１０％累積粒子径（ｄ１０）が０．５〜３．５μｍ、９０％累積粒子径（ｄ９０）が８〜２０μｍである請求項１乃至１０の何れかに記載のろう材。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれかに記載のろう材に対し、バインダーを１〜１０質量％、溶剤を２〜２０質量％添加し、混練したろう材ペースト。
【請求項１３】
前記ろう材ペーストを、セラミックス基板の面上に厚さ４５μｍ塗布した後、５×１０−３Ｐａ以下の真空中において８３５℃で１時間加熱し、その後冷却して形成されるろう材層の表面の表面粗さＲｍａｘが２５μｍ以下である請求項１２に記載のろう材ペースト。
【請求項１４】
セラミックス基板の少なくとも一方の面に請求項１３又は１４のいずれかに記載のろう材ペーストを塗布し、前記ろう材ペースト上に金属板を載置した後、５×１０−３Ｐａ以下の真空中において８３５℃で１時間加熱し、その後冷却することにより、前記セラミックス基板と金属板とが接合されたセラミックス回路基板のろう材層のボイド率が５％以下であるセラミックス回路基板。
【請求項１５】
セラミックス基板の少なくとも一方の面に請求項１３又は１４のいずれかに記載のろう材ペーストを塗布し、前記ろう材ペースト上に金属板を載置した後、５×１０−３Ｐａ以下の真空中において８３５℃で１時間加熱し、その後冷却することにより、前記セラミックス基板と金属板とが接合された、複数のセラミックス回路基板を採取することが出来るセラミックスマスター回路基板において、前記セラミックスマスター回路基板から採取されたセラミックス回路基板のろう材層のボイド率が５％以下で、前記セラミックスマスター回路基板の端面から１０ｍｍ以内の端部に形成されたろう材層のボイド率が５％〜５０％であるセラミックスマスター回路基板。
【請求項１６】
請求項１４に記載のセラミックス回路基板の一方の面に接合した回路用金属板に半導体チップを搭載し、前記セラミックス基板の他方の面に放熱用金属板を接合してなるパワー半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特にパワー半導体モジュール等に使用されるセラミックス回路基板のセラミックス基板と金属板とを接合するろう材に係わる発明である。
【背景技術】
【０００２】
電動車両用インバータとして高電圧、大電流動作が可能なパワー半導体モジュール（ＩＧＢＴモジュール）が用いられている。そして、近年、パワー半導体モジュールの高出力化および高集積化が急速に進行しており、セラミックス回路基板には、従来にも増して接合時の熱応力や使用時の冷熱サイクルに対するセラミックス基板と金属板との十分な接合強度が要求されている。パワー半導体モジュールに使用される基板としては、窒化アルミニウムや窒化珪素からなるセラミックス基板上に銅板やアルミニウム板等の金属板を接合したセラミックス回路基板が広く使用されている。このセラミックス回路基板は、例えば、セラミックス基板の一方の面に半導体チップ等を搭載する回路用銅板を接合し、他方の面には放熱用銅板を接合して形成されている。上記回路用銅板は、通常、エッチング処理等を施すことにより回路部となる複数の銅板からなる回路パターンを有している。なお、以下、従来技術の問題点を明らかにするため、金属板として銅板を例に説明するが、本発明は、金属板として銅板を使用する場合にのみ限定されない。【０００３】
セラミックス基板と銅板を接合する手段としては、以下のような手段が用いられている。すなわち、Ｃｕ−Ｃｕ２Ｏ等の共晶液相を利用してセラミックス基板上に銅板を直接接合する銅直接接合法（ＤＢＣ法：Ｄｉｒｅｃｔ  Ｂｏｎｄｉｎｇ  Ｃｏｐｐｅｒ法）がある。また、ＭｏやＷなどの高融点金属をセラミックス基板上に焼き付けて形成する高融点金属メタライズ法がある。さらに、４Ａ族元素や５Ａ族元素のような活性金属を含むろう材を塗布したセラミックス基板上に金属板を載置し、押圧力を掛けながら適度な温度で加熱し、当該ろう材で形成されたろう材層を介してセラミックス基板に銅板を接合する活性金属法がある。これらＤＢＣ法や活性金属法により得られるセラミックス回路基板は、いずれも単純構造で熱抵抗が小さく、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。【０００４】
また、回路用銅板の回路パターンの形成手段としては、以下のような手段が用いられている。すなわち、予めプレス加工やエッチング加工により回路パターンが形状された回路用銅板をろう材層を介してセラミックス基板上に接合する直接搭載法がある。また、セラミックス基板のほぼ全面にろう材層を形成し、これを覆うように銅板を接合し、その後、銅板とろう材層をともにエッチング処理して回路パターンを形成する多段エッチング法がある。さらに、回路パターンの形状に沿ってろう材層を形成し、このろう材層を覆うように銅板を載置し、後は前記多段エッチング法と同様に銅板をエッチング処理して回路パターンを形成するろう材パターン印刷とエッチング法を併用した方法（以下、パターン印刷エッチング法と言う。）がある。【０００５】
従来、上述したセラミックス基板と金属板との接合手段のうち、高強度・高密着等が得られることから、ＡｇとＣｕとの共晶組成（７２質量％Ａｇ−２８質量％Ｃｕ）を有する共晶ろう材にＴｉ等の活性金属を添加したろう材ペーストを用いた活性金属法が一般に使用されている。しかしながら、上記のようなＡｇ−Ｃｕ系共晶組成のろう材を用いてセラミックス基板に銅板を接合した場合には、ろう材の融点が高いためにろう付け温度が高くなる。高いろう付け温度でセラミックス基板を銅板に接合すると、両者の熱膨張率の差に起因する残留応力のため、セラミックス回路基板に反りが発生する場合があった。【０００６】
さらに、パワー半導体モジュールが実装されたセラミックス回路基板においては、パワー半導体モジュールの起動・停止時の冷熱サイクルにより、上記残留応力に重畳するように熱応力が繰り返し作用する。そして、残留応力と熱応力との合力に耐えられなくなるとセラミックス基板から銅板が剥離する場合があった。このようなセラミックス基板と銅板との接合時およびセラミックス回路基板の使用時の点から、融点の低いろう材が求められており、その一例が下記特許文献１で提案されている。【０００７】
特許文献１には、ろう付け強度が強く安定した、融点が低いろう材を提供することを目的として、Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ合金粉末とＴｉ粉末との混合粉末と有機溶剤及び樹脂を混成したペーストろう材の記載があり、ろう材の具体的な組成は、Ａｇ３０〜６０％、Ｃｕ２０〜４５％、Ｉｎ２０〜４０％、Ｔｉ０．５〜５％が好ましいとの記載がある。【０００８】
ろう材の融点を下げるためにＩｎを多量に添加した特許文献１のろう材について本発明者らが検討を行ったところ、セラミック基板と銅板との接合強度が低下するという問題があることを知見した。その原因は次のとおりである。すなわち、Ｉｎを多量に添加したろう材は融点が低く、ろう付け温度をより低温にすることができる。しかしながら、かかるろう材で形成されたろう材層の表面には、鱗状の凹凸が形成される。そして、この鱗状の凹凸に起因し、ろう材層とセラミック基板の接合界面において、ボイド（空孔）が生成され、このボイドに起因して接合強度が低下することを知見した。ここで、ろう材層の表面に形成された鱗状凹凸のうち凸部は、島状に形成されたＡｇ−Ｉｎ相およびＣｕ−Ｉｎ相であり、凹部はＴｉ−Ｃｕ相である。Ｉｎを多量に添加したろう材では、ろう材層とセラミック基板の接合界面において、凸部であるＡｇ−Ｉｎ相およびＣｕ−Ｉｎ相、凹部であるＴｉ−Ｃｕ相が多数分布しており、この凹部がボイドとなり、銅板とセラミックス基板との接合強度を低下させていることがわかった。【０００９】
そこで、本発明者らは、特許文献２において、Ａｇ５５〜８５質量％、Ｉｎ５〜２５質量％、Ｔｉ０．２〜２．０質量％、残部Ｃｕ及び不可避不純物からなる平均粒子径１５〜４０μｍの合金粉末に対し、さらに平均粒子径１〜１５μｍのＡｇ粉末粒子を５〜３０質量％添加したろう材を提案している。これは、Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｔｉ系のろう材を母材とした合金粉末に、適切な粒径と粒度分布のＡｇ粉末粒子を適切な量だけ後添加することで、銅板の接合時において、ろう材層の表面に形成される鱗状凹凸が緩和され、接合強度が向上可能なことを知見し、提案したものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平４−２８５０７６号公報
【特許文献２】特開２００４−３１４１６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
近年、世界的にレアメタルの流通量が減少しており、上記のようにろう材に添加されるＩｎも例外ではなく、高価格化しているばかりか、需給状態によっては市場で調達できない場合も増加している。このような状況の中で、低価格のろう材を安定して生産するため、セラミックス基板と金属板の接合強度を従来並みに維持しつつ従来技術以上にＩｎの添加量の削減が可能なろう材が求められている。【００１２】
また、本願発明者らが特許文献２にて提案したろう材のように合金粉末中に活性金属水素化物を含有させると、合金粉末に含まれる酸素等に起因し、活性金属水素化物の分解により生成された活性金属が変質する。変質した活性金属では、もはや、セラミック基板と金属板との接合性を確保する機能を有する化合物層の形成に寄与できず、特に活性金属水素化物の含有量が低い場合には、所望の接合強度を確保することができない場合があった。また、この合金粉末中における活性金属水素化物の含有率の点以外にも、例えば合金粉末とＡｇ粉末の粒径の粒径差やＡｇ粉末の添加量などろう材の各構成要素の組合せによっては接合強度が不足する場合があった。【００１３】
本発明は以上のような問題点に鑑みてなされたもので、セラミックス基板と金属板の接合強度を従来技術並みに維持しつつＩｎの添加量が削減されたろう材および当該ろう材を用いたろう材ペーストを提供することを目的としている。さらに、本発明は、上記ろう材により所望の接合強度で接合されたセラミックス基板と金属板とを有するセラミックス回路基板およびセラミックスマスター回路基板を提供することを目的としている。さらに加えて、本発明は、所望の接合強度を有する上記セラミックス回路基板が組み込まれたパワー半導体モジュール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】
【００１４】
本発明者らは上記課題を解決するため鋭意検討したうえ、基本的に、（１）Ｉｎの添加量を従来以上に削減したＡｇ−Ｃｕ系合金粉末、Ａｇ粉末、活性金属水素化物粉末の３種の粉末を混合した混合粉末でろう材を構成すること、（２）上記３種の粉末の粒径の関係を合金粉末≧Ａｇ粉末＞活性金属水素化物粉末とし、適切な粒度分布となるよう混合粉末を調整すること、（３）混合粉末中における活性金属水素化物粉末の粒径および添加量を所定の範囲に調整することにより、合金粉末中のＩｎの添加量を従来以上に削減した場合でも、セラミックス基板と金属板との接合強度を従来並みに維持できるろう材を構成できることを知見した。【００１５】
かかる知見に基づく本発明の一態様は、少なくとも、Ａｇ：５５〜８０質量％、Ｉｎ：１〜５質量％、残部Ｃｕ及び不可避不純物からなる合金粉末、Ａｇ粉末ならびに活性金属水素化物粉末を混合して成る混合粉末である、セラミックス基板と金属板とを接合するろう材であって、前記混合粉末に含まれるＡｇおよびＣｕの総量に対するＡｇの組成比Ａｇ／（Ａｇ＋Ｃｕ）が０．５７〜０．８５であり、粒子の等価円平均直径が１０〜２５μｍである活性金属水素化物粉末を０．５〜５．０質量％含み、前記合金粉末、Ａｇ粉末および活性金属水素化物粉末の粒子の等価円平均直径が、合金粉末≧活性金属水素化物粉末＞Ａｇ粉末の関係にあり、前記混合粉末は、ＪＩＳ  Ｚ  ８８２５−１に準拠して粒度分布を測定したときの体積基準の累積分布において、１０％累積粒子径（ｄ１０）が３〜１０μｍ、５０％累積粒子径（ｄ５０）が１０〜３５μｍ、９０％累積粒子径（ｄ９０）が３０〜５０μｍの粒度分布を有するとともに、頻度分布において、５０％累積粒子径（ｄ５０）と９０％累積粒子径（ｄ９０）の間にピークが存在することを特徴とするろう材である。【００１６】
上記ろう材によれば、上記（１）のようにろう材に含まれる合金粉末のＩｎを従来以上に削減することにより、ろう材全体として含むＩｎも減少するため、ろう付け温度が上昇する。しかしながら、上記ろう材によれば、上記（２）・（３）のように、混合粉末（ろう材）における活性金属水素化物粉末の粒径（等価円平均直径）・添加量および混合粉末の粒径分布を適正化することにより、昇温過程においてセラミックス基板に含まれる元素と活性金属が反応して生成される活性金属化合物層（以下、化合物層と言う場合がある。）が、ろう材層とセラミックス基板との接合界面に一様に形成される。この化合物層は、ろう材層とセラミックス基板との接合性、すなわち金属板とセラミックス基板の接合性を担保する層である。【００１７】
そして、合金粉末のＩｎの添加量を削減することにより、セラミックス基板とろう材層の接合界面に生じるボイド（空孔）の起因となる鱗状凹凸の生成もより抑制される。すなわち、本発明に係るろう材によれば、上記（１）〜（３）の構成の組み合わせの作用により、合金粉末のＩｎを削減した場合でも、セラミックス基板と金属板との接合強度は従来並みに維持され、冷熱サイクルによる繰り返しの熱応力が残留応力に重畳してセラミックス回路基板に作用した場合にも、セラミックス基板から金属板が剥離することが防止される。【００１８】
以下、上記ろう材の各構成要素の限定理由について説明する。合金粉末の組成は、Ａｇ：５５〜８０質量％、Ｉｎ：１〜５質量％、残部Ｃｕおよび不可避不純物とする。Ａｇが５５質量％未満の場合および８０質量％を超える場合には、いずれも合金粉末の融点が高くなる。Ｉｎが１質量％未満の場合には合金粉末の融点が高くなり、５質量％を超える場合には、ろう材のコストが高くなるとともにろう材層の表面にボイドの原因となる鱗状凹凸が形成されやすい。【００１９】
上記合金粉末、Ａｇ粉末および活性金属水素化物粉末の３種の粉末を混合して成る混合粉末である本発明に係るろう材は、前記混合粉末に含まれるＡｇおよびＣｕの総量に対するＡｇの組成比Ａｇ／（Ａｇ＋Ｃｕ）が０．５７〜０．８５である。この組成比が０．５７未満の場合および０．８５を超える場合には、合金粉末、Ａｇ粉末および活性金属水素化物粉末が加熱され溶融し、これらの融液が混合した状態におけるろう材の融点が高くなる。さらに、この組成の中で、Ａｇ−Ｃｕ状態図おける共晶組成(７２％Ａｇ−２８％Ｃｕ)よりもＡｇ−ｒｉｃｈ側の固液共存組成域を選択し、ろう付け温度を適切に設定すれば、接合処理時の融液量を調整することができ、溶融したろう材の過度な濡れ拡がり現象を抑制することが可能となる。【００２０】
さらに、粒子の等価円平均直径が１０〜２５μｍである活性金属水素化物粉末を０．５〜５．０質量％含むことが必要である。この範囲以外の場合には、所望の接合強度を確保することができない。【００２１】
さらに加えて、上記合金粉末、Ａｇ粉末および活性金属水素化物粉末の粒子の等価円平均直径が、合金粉末≧活性金属水素化物粉末＞Ａｇ粉末の関係にあり、混合粉末は、ＪＩＳ  Ｚ  ８８２５−１に準拠して粒度分布を測定したときの体積基準の累積分布において、１０％累積粒子径（ｄ１０）が３〜１０μｍ、５０％累積粒子径（ｄ５０）が１０〜３５μｍ、９０％累積粒子径（ｄ９０）が３０〜５０μｍの粒度分布を有するとともに、頻度分布において、５０％累積粒子径（ｄ５０）と９０％累積粒子径（ｄ９０）の間にピークが存在することが、所望の接合強度を確保するために必要である。【００２２】
すなわち、合金粉末および活性金属水素化物粉末のみでろう材を構成した場合、合金粉末および活性金属水素化物粉末の粒子間の空隙が多くなり、ろう材を構成している各粉末の粒子の充填性が低下する。一方で、等価円平均直径が合金粉末≧活性金属水素化物粉末＞Ａｇ粉末の関係である小径のＡｇ粉末をろう材に添加し、混合粉末の粒度分布を上記の範囲とすることにより、図１に示すようにろう材の充填性を高めることができる。【００２３】
ここで、図１は、ｄ１０が８．７μｍ、ｄ５０が２４．２μｍ、ｄ９０が４５．５μｍのＡｇ６５．５質量％、Ｉｎ２質量％、酸素含有量０．０５％で残部Ｃｕからなる合金粉末に、ｄ１０が２．７μｍ、ｄ５０が５．６μｍ、ｄ９０が９．９μｍのＡｇ粉末を１５質量部、ｄ１０が１０．１μｍ、ｄ５０が１８．７μｍ、ｄ９０が３３．０μｍの活性金属水素化物粉末である水素化チタン粉末を２質量部添加した後のろう材の形態を示す、１００倍の電子顕微鏡写真である。図１に示すように、合金粉末および活性金属水素化物粉末の粒子間の空隙をＡｇ粉末が埋めた状態となり、ろう材の充填性が向上され、その結果セラミックス基板と金属板との接合強度を向上することができる。なお、ろう材の充填性を更に高めるためには、合金粉末、Ａｇ粉末および活性金属水素化物粉末の粒子の等価円平均直径が、合金粉末＞活性金属水素化物粉末＞Ａｇ粉末の関係であることが好ましい。【００２４】
なお、図１では、Ａｇ粉末と水素化チタン粉末の添加により合金粉末の粒子間の空隙が埋められ、ろう材を構成する各粒子の充填性が高まった状態となっている。この高い充填性が、後述するろう材層表面の鱗状凹凸の緩和およびペースト化したろうを印刷した場合の印刷パターンの外縁の直線性の改善等に有効に作用している。【００２５】
さらに、ろう材の充填性を更に高めるためには、前記ピークが６０％累積粒子径（ｄ６０）と８０％累積粒子径（ｄ８０）の間に存在することが好ましい。【００２６】
上記のように構成されたろう材のかさ密度は３．６〜５．５ｇ／ｃｍ３となる。ろう材のかさ密度が３．６ｇ／ｃｍ３未満の場合には、合金粉末の粒子間の空隙がＡｇ粉末により充分に埋められておらず、セラミックス基板と金属板の接合強度が比較的低くなる。また、スクリーン印刷等によりセラミックス基板の表面に形成されてなるろう材ペーストの印刷パターンにおいて、ろう材の各粒子の分布が粗になるため、金属板とセラミックス基板との接合するために必要なろう材の量が不足する場合がある。【００２７】
一方で、ろう材のかさ密度が５．５ｇ／ｃｍ３を超える場合には、このろう材をペースト化してなるろう材ペーストの単位体積当たりに含まれるろう材の量が過多となり、接合時に加熱され溶融したろう材の濡れ拡がりが大きくなる。【００２８】
更に、（ｄ５０−ｄ１０）／（ｄ９０−ｄ１０）が０．２５〜０．６５であることが望ましい。（ｄ５０−ｄ１０）／（ｄ９０−ｄ１０）が０．２５未満の場合には、粒径の小さな粒子が少なくいためろう材の充填性が比較的悪く、接合強度が低下する。一方で、０．６５を超える場合には粒径の小さな粒子が多いため、接合時に加熱され溶融したろう材が金属板の表面にまで濡れ拡がりやすくなる。【００２９】
加えて、ろう材の充填性を更に高めるためには、（ｄ５０−ｄ１０）／４０（％）が０．１５〜０．６５（μｍ／％）であることが望ましい。【００３０】
更に、上記ろう材は、具体的には、Ａｇ：５５〜８０質量％、Ｉｎ：１〜５質量％、酸素含有量０．１質量％以下、残部Ｃｕ及び不可避不純物からなる５０％累積粒子径（ｄ５０）１５〜４０μｍの合金粉末と、前記合金粉末１００質量部に対し、５０％累積粒子径（ｄ５０）１〜１５μｍのＡｇ粉末粒子を５〜３０質量部、および、１０％累積粒子径（ｄ１０）が５〜１５μｍ、５０％累積粒子径（ｄ５０）が１０〜２５μｍ、９０％累積粒子径（ｄ９０）が２５〜５０μｍの粒度分布を有する活性金属水素化物粉末を０．５〜５質量部を有することが好ましい。以下、かかる好ましい態様のろう材について、その構成要素毎に説明する。【００３１】
［合金粉末］
好ましい態様のろう材に含まれる合金粉末は、上記のとおり、基本的に、Ａｇを５５〜８５質量％、Ｉｎを１〜５質量％、残部Ｃｕ及び不可避不純物で構成され、好ましくは酸素含有量０．１質量％以下としたものである。酸素含有量が０．１質量％を超えると、昇温過程において最初に分解する活性金属水素化物粉末から生成する活性金属が、容易に酸素と反応して酸化物となるため、活性金属としての役割を果たさなくなる。すなわち、セラミックス基板とろう材層を接合するために必要な化合物層の生成が抑制されるため、接合界面にボイドが形成され接合強度の低下を招く。同様な理由で、Ａｇ粉末および活性金属水素化物粉末の酸素含有量は、いずれも０．１質量％以下であることが好ましい。【００３２】
合金粉末に含まれるＡｇおよびＣｕの総量に対するＡｇの比Ａｇ／（Ａｇ＋Ｃｕ）が、０．６〜０．７であることが望ましい。Ａｇ／（Ａｇ＋Ｃｕ）が０．６未満の場合には、共晶組成から外れて合金粉末の融点が高くなるため合金粉末に溶け残りが生じ、接合強度が低下する場合がある。一方で、０．７を超える場合には、加熱されて溶融・混合した状態におけるろう材中のＡｇの含有量が多くなり、ろう材の融点が高くなるため溶け残りが生じ、接合強度が低下する場合がある。【００３３】
また、合金粉末は、Ｓｉを０．０００１〜０．５質量％含むことが望ましい。Ｓｉの含有量が０．０００１質量％未満の場合には、合金粉末の融点が高くなるため合金粉末に溶け残りが生じ、接合強度が低下する場合がある。また、Ｓｉの添加量が０．０００１質量％未満の合金粉末は非常に高価である。一方で、０．５質量％を超える場合には、ろう材層の中にに脆弱なＴｉ−Ｓｉ相が形成されやすく、接合強度が低下する場合がある。【００３４】
例えばガスアトマイズ法により作製され、篩分けなどして得られる合金粉末のｄ５０は１５〜４０μｍであることが望ましい。ｄ５０が１５μｍ未満の場合には、接合時に加熱され溶融したろう材が金属板の表面にまで濡れ拡がりやすくなる。一方で、ｄ５０が４０μｍを超える場合には、ろう材をペースト化してスクリーン印刷等を行う場合に、印刷パターンの寸法精度が確保しがたくなる。同様な観点から、合金粒子のｄ５０は、２０〜３０μｍがより好ましい。【００３５】
更に、合金粉末のｄ１０は６〜１２μｍ、ｄ９０は６０μｍ以下であることが望ましい。合金粉末のｄ１０が６μｍ未満では溶融速度が速くなり、加熱され溶融したろう材が過度に濡れ拡がる可能性がある。好ましい合金粉末のｄ１０は７〜１２μｍである。一方で、ｄ９０が６０μｍを超える場合には、合金粉末の溶融速度が遅く、一部の合金粉末の溶け残りが生じるため、接合強度が低下する場合がある。好ましい合金粉末のｄ９０は５５μｍ以下である。【００３６】
［Ａｇ粉末］
Ａｇ粉末は、ｄ５０が１〜１５μｍのものを、合金粉末１００重量部に対し５〜３０質量部の範囲で、ろう材に添加することが好ましい。後述する活性金属水素化物粉末とこのＡｇ粉末を、合金粉末とは別の粉末として添加することにより、上記した粒度分布を有する合金粉末の粒子間の間隙に均一に埋めることができ、ろう材の充填性をより高めることができる。【００３７】
Ａｇ粉末のｄ５０が１μｍ未満の場合には合金粉末とＡｇ粉末の粒径差が大きくなり、ろう材中におけるＡｇ粉末の分散状態が不均一となり、金属板とセラミックス板との接合強度が低下する場合がある。また、ペースト化したろう材をスクリーン印刷で印刷してなる印刷パターンに印刷むらが生じる場合もある。一方で、Ａｇ粉末のｄ５０が１５μｍを超える場合には、昇温過程において先に溶融した合金粉末と接触することにより溶融または固相拡散すると考えられるＡｇ粉末に溶け残りが生じ、金属板とセラミックス板との接合強度が低下する場合がある。なお、ｄ５０が３〜８μｍのＡｇ粉末を添加することが望ましい。【００３８】
Ａｇ粉末の添加量が５質量部未満の場合には、ろう材層の表面の鱗状凹凸を緩和する効果が低い。一方で、３０質量部を超えると、ろう材層の表面の鱗状凹凸を抑制する効果はあるが、金属板の表面に拡散するＡｇ成分が多くなるため、金属板の表面にまでろう材が濡れ拡がる場合がある。なお、Ａｇ粉末の添加量は、１０〜２５質量部の範囲で添加することが望ましい。【００３９】
更に、Ａｇ粉末のｄ１０は０．５〜３．０μｍ、ｄ９０は８．０〜２０．０μｍ以下であることが望ましい。Ａｇ粉末のｄ１０が０．５μｍ未満の場合には、溶融速度が速くなり、加熱され溶融したろう材が過度に濡れ拡がる可能性がある。一方で、ｄ９０が２０．０μｍを超える場合には、Ａｇ粉末の溶融速度が遅く、一部のＡｇ粉末の溶け残りが生じるため接合強度が低下する場合がある。さらに、Ａｇ粉末のｄ１０が３．０μｍを超える場合、ｄ９０が８．０μｍ未満の場合には、Ａｇ粉末の粒度分布がシャープでありすぎ、ろう材の充填性が比較的低く、セラミックス基板と金属板との接合強度が低い場合がある。【００４０】
上記粒度分布のＡｇ粉末を上記の範囲の添加量でろう材に添加することにより、合金粉末の粒子間の空隙にＡｇ粉末が均一に埋められ、ろう材中における各粉末の粒子の充填性を高めることができる。このようにろう材の充填性を高めることにより、昇温過程において、Ａｇ粉末より先に溶融する合金粉末の溶液に、ろう材中に含まれるＡｇ粉末の各粒子が均一に接触する。これにより、合金粉末の溶液と接触したＡｇ粉末の溶融または固相拡散により生成されたＡｇを、合金粉末の溶液中に偏析することなく均一に溶け込ませることが可能となる。また、上記粒度分布のＡｇ粉末を上記の範囲の添加量でろう材に添加することにより、このろう材をペースト化し印刷する際にろう材の塗布量を安定化せしめることができる。その結果、金属板とセラミックス基板の接合強度をより高めることが可能となる。【００４１】
［活性金属水素化物粉末］
活性金属水素化物粉末は、ｄ５０が１０〜２５μｍ、好ましくはｄ１０が５〜１５μｍで、ｄ９０が２５〜５０μｍの粒度分布を有するものを、合金粉末１００重量部に対し０．５〜５質量部の範囲で、合金粉末とは別にろう材に添加することが好ましい。【００４２】
活性金属水素化物粉末のｄ１０が５μｍ未満またはｄ５０が１０μｍ未満の場合には、活性金属水素化物粉末の分散状態が不均一となり、ろう材中において当該粉末の粒子が偏在する部分と欠乏する部分とが生じる。そのため、欠乏部分では、昇温過程において活性金属水素化物が分解して生成される活性金属が不足する。すると、セラミックス基板に含まれる元素と活性金属が反応し、ろう材層とセラミックス基板との接合界面に生成される化合物層が、当該欠乏部分には形成されず、当該欠乏部分にボイド（空孔）が形成されるため接合強度が低下する場合がある。一方で、ｄ１０が１５μｍを超える場合には、粒度分布がシャープでありすぎ、ろう材の充填性が比較的低く、セラミックス基板と金属板との接合強度が低い場合がある。【００４３】
活性金属水素化物粉末のｄ５０が２５μｍを超える場合またはｄ９０が５０μｍを超える場合には当該粉末中に粒径の大きな粒子が多く含まれるため、ろう材中において活性金属水素化物粉末の粒子の分布が粗となり易く、粒子が欠乏する部分が生じる。そのため、上記と同様に、欠乏部分では活性金属が不足することとなり、欠乏部分には化合物層が形成されず、セラミックス基板と金属板との接合強度が低下する場合がある。一方で、ｄ９０が２５μｍ未満の場合には、Ａｇ粉末の粒度分布がシャープでありすぎ、ろう材の充填性が比較的低く、セラミックス基板と金属板との接合強度が低い場合がある。【００４４】
活性金属水素化物粉末の添加量が０．５質量部未満の場合には、活性金属による化合物層が接合界面に十分に形成されず、セラミックス基板を金属板の接合強度が低下する場合がある。一方で、添加量が５．０質量部を超える場合には、脆弱なＴｉ−Ｓｉ相がろう材層に形成され、ろう材層自体の強度が低下するため、接合強度が低下する可能性がある。同様な観点から、活性金属水素化物粉末の添加量のより好ましい範囲は、１．０〜３．０質量部である。【００４５】
活性金属水素化物としては、周期律表第ＩＶａ族に属する元素の水素化物を用いることができ、一般にはチタン、ジルコニウム、ハフニウムの水素化物が用いられる。ここで、窒化アルミニウムや窒化珪素など窒化物系セラミックスや、アルミナやジルコニア等の酸化物系セラミックスでセラミックス基板を形成した場合には、活性金属としてチタン（Ｔｉ）の水素化物粉末、即ち水素化チタン粉末を用いると好ましい。所定の温度で水素化チタンが分解して生成されたチタンは、窒化物系セラミックスに含まれる元素であるＮまたは酸化物系セラミックスに含まれる元素であるＯとの反応性が高く、ろう材層とセラミックス基板の接合界面に化合物層であるＴｉＮ層またはＴｉＯ２層を形成して接合強度をより高めることができる。【００４６】
上記したように活性金属水素化物粉末としては水素化チタン粉末を使用することが望ましい。水素化チタンは、接合工程における加熱処理により、所定の温度で分解して水素を放出して活性な金属チタンを生成し、この金属チタンが、セラミックス基板に含まれる元素と反応してセラミックス基板とろう材層の接合界面に化合物層を形成する。そして、上記組成の合金粉末の融点が７５０〜８８０℃であるのに対し、水素化チタン粉末の分解温度は６００℃前後であり、両者の温度差は概ね１５０〜２８０℃程度と近接している。このように合金粉末の溶融温度に対し１５０〜２８０℃低い範囲で水素化チタン粉末を分解させて金属チタンを生成することで、合金粉末の溶融開始前における金属チタンの酸化や炭化等の変質が防止される。その結果、セラミックス基板とろう材層の接合界面に化合物層を適正に形成することができ、接合強度をより向上することができる。【００４７】
以上説明した本発明に係るろう材を用いセラミックス基板と金属板を接合した場合の、接合時におけるろう材の挙動は必ずしも明らかではないが、以下と推定される。すなわち、ろう材に含まれる合金粉末、Ａｇ粉末および活性金属水素化物粉末は、まず、接合工程の昇温過程において活性金属水素化物粉末が分解して活性金属が生成され、次いで合金粉末が溶融して溶液となり、当該合金粉末の溶液にＡｇ粉末が接触し、当該溶液中にＡｇが溶融拡散または固相拡散する。ここで、本発明に係るろう材は、ろう材層の表面における鱗状凹凸の形成を抑制可能な適量のＩｎを合金粉末に添加しており、更に融点を上昇させるＡｇはＡｇ粉末として別添加している。その結果、合金粉末自体の融点は比較的低く、活性金属水素化物粉末が分解する温度に近くなる。このように活性金属水素化物粉末の分解温度と合金粉末の溶融温度を近接せしめることで、活性金属水素化物粉末が分解して生成された活性金属が、その後の合金粉末の融点までの昇温過程において、ろう材中または雰囲気中に存在する酸素、炭素または窒素などと反応する機会を少なくすることができ、活性金属がろう材中に適量存在することとなる。【００４８】
そして、さらに昇温していくと合金粉末が溶融を開始するとともに、溶融した合金粉末の溶液にＡｇ粉末が接触し、当該溶液中にＡｇが溶融拡散または固相拡散して混然一体の溶液となる。ここで、上記したように、本発明に係るろう材（混合粉末）は、粒径の関係が合金粉末≧活性金属水素化物粉末＞Ａｇ粉末の各粉末が混合された混合粉末であり、当該混合粉末は所定の粒度分布を有するので、合金粉末の各粒子の間の隙間にＡｇ粉末が均一に配置される。その結果、溶融した合金粉末の溶液にＡｇ粉末の各粒子が均一に接触し、合金粉末の溶液中にＡｇを偏析することなく均一に溶け込ませることが可能となる。【００４９】
そして、上記溶液中に活性金属が拡散し、活性金属とセラミック基板に含まれる元素とが反応し、溶液の状態であるろう材とセラミックス基板との界面に化合物層が形成される。そして、冷却過程を経ることにより形成されたろう材層は、上記化合物層を介しセラミックス基板に高い強度で密着し、もってセラミックス基板と金属板との高い接合強度を実現することができる。【００５０】
［ろう材ペースト］
本発明の別の態様であるろう材ペーストは、上記ろう材に対し、バインダーを１〜１０質量％、溶剤を２〜２０質量％添加し、混練することにより得たものである。なお、溶剤中におけるろう材およびバインダーの分散性を向上するため、分散剤を添加してもよい。ろう材ペーストを上記組成とすることにより、スクリーン印刷やカレンダー印刷などに適するろう材ペーストとすることができる。ここで、バインダーが１質量％よりも少ない場合には、ろう材ペーストの保形性が低下し、印刷パターンの形状精度が低下する場合がある。一方で、バインダーが１０質量％を超えると、ろう付け処理後に形成されたろう材層中にカーボンが残存し、金属板とセラミック基板との間にボイド（空孔）が形成され、両者の接合強度を低下させる場合がある。なお、上記範囲でバインダーを配合すれば、印刷されたろう材から加熱等してバインダーを除去する脱脂工程において、バインダーが速やかに除去されるので好適である。【００５１】
ろう材ペーストに含まれる溶剤が２質量％よりも少ない場合には、ろう材ペーストの流動性が低下し、スクリーン印刷等で印刷した場合に、印刷パターンにかすれ等の不良が生じる場合がある。一方で、２０質量％よりも溶剤が多い場合には、ろう材ペーストの保形性が低下し、印刷パターンの形状精度が低下する場合がある。【００５２】
なお、上記ろう材ペーストは、セラミックス基板の面上に４５μｍの厚みで塗布した後、５×１０−３Ｐａ以下の真空中において８３５℃で１時間加熱し、その後冷却して形成されるろう材層の表面粗さＲｍａｘが２５μｍ以下となる。すなわち、本発明に係るろう材を使用すると、合金粉末におけるＩｎの添加量が低減されているので、ろう材の表面に形成された鱗状凹凸が低減され、その結果、上記条件において処理した場合のＲｍａｘが２５μｍ以下となる。かかるろう材層ではその表面の凹部の形成が抑制されているので、金属板とセラミックス基板との接合界面のボイド率は５％以下となる。【００５３】
ろう材ペーストの粘度は、２０〜２００Ｐａ・ｓであることが好ましい。粘度が２０Ｐａ・ｓ未満の場合には、ペーストの流動性が過度であり、ろう材ペーストの保形性が低下し、印刷パターンの形状精度が低下する場合がある。一方で、粘度が２００Ｐａ・ｓを超える場合には、ペーストの流動性が著しく低下し、スクリーン印刷等で印刷した場合に、印刷パターンにかすれ等の不良が生じる場合がある。【００５４】
ろう材ペーストを印刷してなる印刷パターンの厚みは２０〜８０μｍであることが好ましい。印刷パターンの厚みが２０μｍよりも薄い場合には、接合に必要なろう材の量が不足するため、ボイドが生じる可能性がある。一方で、厚みが８０μｍを超える場合には、ろう材の量が過多となり、加熱され溶融したろう材が濡れ拡がりが大きく、金属板が回路用金属板の場合には回路間の絶縁が不良となる場合がある。【００５５】
［セラミックス回路基板］
本発明の更に別の態様であるセラミックス回路基板は、セラミック基板の少なくとも一方の面に上記ろう材ペーストを塗布し、当該ろう材ペースト上に金属板を載置した後、５×１０−３Ｐａ以下の真空中において８３５℃で１時間加熱し、その後冷却することにより、前記セラミックス基板と金属板とが接合されたセラミックス回路基板のろう材層のボイド率が５％以下であることを特徴としている。かかるセラミックス回路基板によれば、合金粉末におけるＩｎの添加量が低減された本発明に係るろう材を使用することにより、ろう材の表面に形成された鱗状凹凸が低減され、ろう材層のボイド率は５％以下であり、セラミックス基板と金属基板との接合強度を示す値であるピール強度が１５（ｋＮ／ｍ）以上と、所望の接合強度を有するセラミックス回路基板を構成することができる。【００５６】
上記セラミックス回路基板のセラミックス基板と金属板との接合温度は、７７０〜８８０℃から選択することが好ましい。接合温度が７７０℃未満の場合には、ろう材が溶融不足となり、金属板とセラミック基板との間にボイドが形成される場合がある。一方で、接合温度が８８０℃を超える場合には、加熱され溶融したろう材が濡れ拡がりが大きく、金属板が回路用金属板の場合には回路間の絶縁が不良となる場合がある。より好ましい接合温度は、７９０〜８５０℃である。【００５７】
合金粉末、活性金属水素化物粉末及び金属板が酸化されることを抑制し、セラミックス基板と金属板との接合強度を高めるため、両者を接合する雰囲気は非酸化雰囲気とし、真空中またはアルゴンなどの不活性ガス中で接合処理を行う。真空雰囲気の場合には、１Ｐａ以下の真空中で、０．３〜３時間加熱処理して接合する。圧力が１Ｐａよりも高く雰囲気の酸素量が多い場合には、昇温過程において最初に分解する活性金属水素化物粉末から生成する活性金属が、容易に酸素と反応して酸化物となるため、活性金属としての役割を果たさなくなる。すると、セラミックス基板とろう材層を接合するために必要な化合物層の生成が抑制されるため、接合界面にボイドが残存し接合強度低下を招く。より好ましくは０．１Ｐａ以下である。【００５８】
また、セラミックス基板と金属板の接合時の加熱処理時間は、０．３〜３時間である。加熱処理時間が０．３時間よりも短い場合には、ろう材が溶融不足となり、金属板とセラミック基板との間にボイドが形成される場合がある。一方で、加熱処理時間が３時間を超える場合には、加熱され溶融したろう材が過大に濡れ拡がり、金属板が回路用金属板の場合には回路間の絶縁が不良となる場合がある。より好ましい加熱処理時間は０．５〜１．５時間である。【００５９】
なお、セラミックス基板と金属板とに適度な荷重を付加しつつ接合することが望ましい。荷重を付加することにより、金属板およびセラミック基板がろう材と確実に接触し、金属板とセラミック基板との接合強度の向上を図ることができる。セラミックス基板と金属板に付加する荷重としては、両者の間に介在するろう材（ろう材ペースト）の面積当たり１０〜１００ｇ／ｃｍ２の荷重とすることが好ましい。【００６０】
［セラミックスマスター回路基板］
本発明の更に別の態様であるセラミックスマスター回路基板は、セラミックス基板の少なくとも一方の面に上記ろう材ペーストを塗布し、当該ろう材ペースト上に金属板を載置した後、５×１０−３Ｐａ以下の真空中において８３５℃で１時間加熱し、その後冷却することにより、前記セラミックス基板と金属板とが接合された、複数のセラミックス回路基板を採取することが出来るセラミックスマスター回路基板において、前記セラミックスマスター回路基板から採取されたセラミックス回路基板のろう材層のボイド率が５％以下で、前記セラミックスマスター回路基板の端面から１０ｍｍ以内の端部に形成されたろう材層のボイド率が５％〜５０％であるセラミックスマスター回路基板である。【００６１】
ここで、セラミックスマスター回路基板とは、セラミックス回路基板の製造プロセスにおける基本サイズとなるものである。すなわち、セラミックスマスター回路基板は、図３に示すセラミックス回路基板１を、図４に示すように複数枚（図４の場合は９枚）採取することが可能な大型の基板１０である。矩形状のセラミックスマスター回路基板１０は、製品であるセラミックス回路基板１が複数個形成される中央の領域である製品部６と、製品部６の周囲に、セラミックスマスター回路基板の端面から１０ｍｍ以内に形成された端部５を有している。【００６２】
このセラミックスマスター回路基板の製造方法は、基本的にセラミックス回路基板の製造方法と同様である。この製造方法を概説すると、複数のセラミックス回路基板を形成可能な大型のセラミックス基板２０および金属板を準備する。次いで、セラミックス基板２０の製品部６に該当する領域に、上記説明したろう材ペーストを印刷し、回路用金属板４ｅの回路パターン形状４ａ〜４ｃに対応した製品パターンを複数組形成する。また、セラミックス基板２０の端部５にも、ろう材を印刷し、端部金属板５ａの形状に対応した端部パターンを複数組形成する。その後、セラミックス基板２０に印刷された製品パターンおよび端部パターンに接触するよう、水平方向に位置決めしつつ大型の金属板をセラミックス基板２０に載置し、上記した加熱処理の条件でセラミックス基板に金属板を接合する。次いで、セラミックス基板２０に接合された金属板をエッチングによりパターニングし、図４に示すように、製品部６に複数組の回路用金属板４ｅおよび端部５に複数個の端部金属板５ａが形成されたセラミックスマスター回路基板１０が形成される。なお、セラミックスマスター回路基板１０のセラミックス基板２０には、採取すべきセラミックス回路基板１の外縁の大きさに対応したブレーク溝Ｂが縦横に形成されており、このブレーク溝Ｂに沿い折ることで、セラミックス回路基板１を各々採取することができる。【００６３】
そして、上記した本発明に係るろう材および接合方法を用いることにより、セラミックスマスター回路基板１０の端部５に形成された端部金属板５ａをセラミックス基板２に接合しているろう材層７ａにボイド（空孔）が集中し、そのボイド率は５〜５０％となる。一方で、製品部６に形成されたセラミックス回路基板１の回路用金属板４ｅ（４ａ〜４ｃ）をセラミックス基板２に接合しているろう材層３ａ〜３ｃに含まれるボイドは抑制され、セラミックスマスター回路基板１０から採取したセラミックス回路基板１のろう材層３ａ〜３ｃのボイド率はいずれも５％以下となる。【００６４】
［パワー半導体モジュール］
本発明の更に別の態様は、上記セラミックス回路基板の一方の面に接合した回路用金属板に半導体チップを搭載し、前記セラミックス基板の他方の面に放熱用金属板を接合してなるパワー半導体モジュールセラミックスである。かかるパワー半導体モジュールによれば、回路用金属板とセラミックス基板および放熱用金属板とセラミックス基板の接合安定性が維持できることで、冷熱サイクルに対する実装信頼性に優れたパワー半導体モジュールが提供できる。
【発明の効果】
【００６５】
上記説明したように本発明に係るろう材によれば、セラミックス基板と金属板の接合強度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の一例のろう材を構成する粒子形態を示すＳＥＭ写真である。
【図２】本発明のセラミックス回路基板の一実施形態を示す側面図である。
【図３（ａ）】図２の平面図である。
【図３（ｂ）】図２の底面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るセラミックスマスター回路基板を示す平面図である。
【図５（ａ）】本発明によるセラミックス回路基板の製造方法を説明する図であり、ろう材ペーストの塗布後の状態を示す平面図である。
【図５（ｂ）】本発明によるセラミックス回路基板の製造方法を説明する図であり、セラミックス基板に金属板を接合した後の状態を示す平面図である。
【図５（ｃ）】本発明によるセラミックス回路基板の製造方法を説明する図であり、回路パターンを形成した後の状態を示す平面図である。
【図６（ａ）】本発明によるセラミックス基板に銅板を接合した後のろう材層の状態を示す実体顕微鏡写真である。
【図６（ｂ）】従来例によるセラミックス基板に銅板を接合した後のろう材層の状態を示す実体顕微鏡写真である。
【図７】ピール強度試験の試験片を示す正面図である。
【図８】セラミックス基板と金属板との接合時の温度パターンおよび圧力パターンを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００６７】
以下、本発明の好ましい態様について説明するが、本発明は当該態様に限定されるものではない。
【００６８】
上記説明したように本発明のろう材は、少なくとも、Ａｇ：５５〜８０質量％、Ｉｎ：１〜５質量％、残部Ｃｕ及び不可避不純物からなる合金粉末、Ａｇ粉末ならびに活性金属水素化物粉末を混合して成る混合粉末である、セラミックス基板と金属板とを接合するろう材であって、前記混合粉末に含まれるＡｇおよびＣｕの総量に対するＡｇの組成比Ａｇ／（Ａｇ＋Ｃｕ）が０．５７〜０．８５であり、粒子の等価円平均直径が１０〜２５μｍである活性金属水素化物粉末を０．５〜５．０質量％含み、前記合金粉末、Ａｇ粉末および活性金属水素化物粉末の粒子の等価円平均直径が、合金粉末≧活性金属水素化物粉末＞Ａｇ粉末の関係にあり、前記混合粉末は、ＪＩＳ  Ｚ  ８８２５−１に準拠して粒度分布を測定したときの体積基準の累積分布において、１０％累積粒子径（ｄ１０）が３〜１０μｍ、５０％累積粒子径（ｄ５０）が１０〜３５μｍ、９０％累積粒子径（ｄ９０）が３０〜５０μｍの粒度分布を有するとともに、頻度分布において、５０％累積粒子径（ｄ５０）と９０％累積粒子径（ｄ９０）の間にピークが存在することを特徴とするろう材である。
【００６９】
具体的には、上記ろう材は、Ａｇ：５５〜８０質量％、Ｉｎ：１〜５質量％、酸素含有量０．１質量％以下、残部Ｃｕ及び不可避不純物からなる５０％累積粒子径（ｄ５０）１５〜４０μｍの合金粉末と、前記合金粉末１００質量部に対し、５０％累積粒子径（ｄ５０）１〜１５μｍのＡｇ粉末粒子を５〜３０質量部、および、１０％累積粒子径（ｄ１０）が５〜１５μｍ、５０％累積粒子径（ｄ５０）が１０〜２５μｍ、９０％累積粒子径（ｄ９０）が２５〜５０μｍの粒度分布を有する活性金属水素化物粉末を０．５〜５質量部を混合することにより、好ましく得ることができる。ここで、合金粉末の作製は、ガスアトマイズ法によりｄ５０が目標粒径となる様に噴霧し、目標粒径以上の粉末は篩分けによりカットし、目標粒径の粉末を用いる。同様にしてＡｇ粉末、活性化金属水素化物粉末も得ることができる。
【００７０】
上記ろう材は、合金粉末、Ａｇ粉末および活性金属水素化物粉末の混合粉末である。各粉末を、ボールミルやアトライター等の撹拌機を用いて混合し、金属粒子のみで構成された粉末状の混合粉末と得ることができる。また、各粉末に有機溶媒およびバインダーを添加し、ボールミル、プラネタリーミキサーまたは三本ロールミル等を使って混合し、ペースト化されたろう材（ろう材ペースト）を得ることもできる。ペースト化にする場合には、有機溶剤としてはメチルセルソルブ、エチルセルソルブ、イソホロン、トルエン、酢酸エチル、テルピネオール、ジエチレングリコール・モノブチルエーテル、テキサノール等を用い、バインダーとしては、ポリイソブチルメタクリレートなどのアクリル樹脂や、エチルセルロース、メチルセルロース等の高分子化合物が用いるとよい。なお、ろう材をペースト化する場合には、上記説明したようにろう材に対しバインダーを１〜１０質量％、溶剤を２〜２０質量％の範囲で添加することが望ましい。
【００７１】
焼結体であるセラミックス基板を構成するセラミックスとしては、例えば酸化アルミニウム（アルミナ：Ａｌ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ジルコニア：ＺｒＯ２）その他の酸化物系セラミックス、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化チタン（ＴｉＮ）その他の窒化物系セラミックス、炭化珪素（ＳｉＣ）、炭化チタン（ＴｉＣ）その他の炭化物系セラミックス、その他硼化物系セラミックスなど各種のセラミックスを回路基板の用途・使用条件に応じ適宜利用することができる。しかしながら、高電圧・大電流が負荷されるパワー半導体モジュール（ＩＧＢＴモジュール）等に使用されるセラミックス回路基板を構成するセラミックス基板は、高い熱伝導性を有する窒化アルミニウムや窒化珪素、特に強度が高く破壊靭性および熱伝導性に優れた窒化珪素で構成することが望ましい。窒化珪素でセラミックス基板を形成する場合には、厚みが０．１〜１．０ｍｍ、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ、望ましくは７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の窒化珪素でセラミックス基板を形成することが好ましい。
【００７２】
上記セラミックス基板と接合される金属板としては、上記ろう材で接合でき且つ金属板の融点がろう材の融点よりも高ければ特に制約はない。一般的には、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、銀、銀合金、ニッケル、ニッケル合金、ニッケルメッキを施したモリブデン、ニッケルメッキを施したタングステン、ニッケルメッキを施した鉄合金等を用いることができる。アルミニウムを金属板として用いることは、電気的抵抗、高熱伝導性（低熱抵抗性）は、銅に劣るものの、アルミニウムが持つ塑性変形性を利用して、冷熱サイクルに対する実装信頼性を有する点で好ましい。電気的抵抗を重視すれば銀を用いることができる。また、電気的特性よりも接合後の信頼性を考慮する場合にはモリブデンやタングステンを用いれば、それらの熱膨張率が窒化アルミニウム、窒化珪素に近いことから接合時の熱応力を小さくすることができるので好ましい。しかしながら、この中でも銅や銅合金など銅を主体とした金属板を用いることが、電気的抵抗及び延伸性、高熱伝導性（低熱抵抗性）、マイグレーションが少ない等の点から好ましい。
【００７３】
上記ろう材、セラミックス基板および金属板を使用して製作されたセラミックス回路基板の構成を図２および図３に示す。なお、図２は、図３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。また、セラミックス回路基板の平面図である図３（ａ）および底面図である図３（ｂ）では、理解のため回路用金属板４ｅ（４ａ〜４ｃ）および放熱用金属板４ｄに各々ハッチングを付している（図４および５でも同様）。
【００７４】
図２および３に示すように、セラミックス回路基板１は、セラミックス基板２の上面（一面）に配置された回路パターンを構成する３枚の金属板４ａ〜４ｃからなる回路用金属板４ｅと、下面（他面）に配置された放熱用金属板４ｄを有している。そして、回路用金属板４ｅの各金属板４ａ〜４ｃは各々ろう材層３ａ〜３ｃを介してセラミックス基板２の上面に接合され、放熱用金属板４ｄは、ろう材層３ｄを介してセラミックス基板２の下面に接合されている。ここで、上記ろう材層３ａ〜３ｄは、いずれも上記ろう材が接合工程の加熱処理を経た後、固化してなるものである。
【００７５】
以下、図５を参照しつつ、上記セラミックス回路基板１の製造方法について説明する。なお、以下の製造方法は、図４を参照して説明したセラミックスマスター回路基板を利用してセラミックス回路基板１を製造する場合の例であるが、セラミックス回路基板１を個々に製造する場合でも、基本的に、同様に製造することができる。また、以下の製造方法では、パターン印刷エッチング法を用いて回路用金属板４ｅの回路パターンを形成しているが、直接搭載法または多段エッチング法を用いて形成することもできる。さらに、回路パターンを形成するエッチング工程以外は、回路用金属板４ｅと放熱用金属板４ｄに関連する工程は同一であるので、回路用金属板４ｅに関連する工程のみ説明し、放熱用金属板４ｄに関連する工程の説明は適宜省略する。
【００７６】
ろう材ペーストの塗布工程について図５（ａ）を参照して説明する。セラミックスマスター回路基板を構成する図５（ａ）に示す大型のセラミックス基板２０にろう材ペーストを塗布する方法としては、スクリーン印刷法、メタルマスク印刷法、ロールコート法、吹き付け、転写等の塗布方法がある。ここで、粉末状のろう材を所定のパターンでセラミックス基板２０に塗布することは困難であるため、ペースト化したろう材（ろう材ペースト）をスクリーン印刷法などでセラミックス基板２０に塗布することが通例である。
【００７７】
スクリーン印刷法を用いて上記ろう材ペーストを印刷（塗布）する場合には、適宜なメッシュ（開口）を有するスクリーンでセラミックス基板２０の上面にろう材ペーストを印刷し、回路用金属板の回路パターン形状に対応した製品パターン８ａ〜８ｃを複数組（図の場合には９組）製品部６に、端部金属板の形状に対応した端部パターン９ａを複数個（図の場合には１２個）端部５に形成する。端部パターン９ａは、セラミックス基板２０の下面にも同様に形成されている。適切なメッシュサイズのスクリーンを選定してろう材ペーストを印刷することにより、製品パターン８ａ〜８ｃおよび端部パターン９ａの平均厚さを２０〜８０μｍとすることができる。なお、製品パターン８ａ〜８ｃおよび端部パターン９ａの寸法は、接合時のろう材の濡れ拡がり等を考慮し、回路パターンの寸法より小さくしてもよい。
【００７８】
ここで、ろう材ペースト中に粗大粒があるとスクリーンの目詰まりが発生し、特に製品パターン８ａ〜８ｃにかすれ等の印刷不良が生じるため、粗大粒は含まないようにすることが望ましい。微細なパターンを印刷する場合には細かいメッシュのスクリーンを使用があり、目詰まりも発生しやすい。そのため、例えば３００番のメッシュのスクリーンを使用してろう材ペーストを印刷する場合には、ろう材ペーストに含まれる粒子のｄ９０を６０μｍ以下にすることが望ましい。
【００７９】
ろう材ペーストの塗布工程の後に行われる脱脂工程について説明する。ろう材ペーストを塗布した後は脱脂を行い、製品パターン８ａ〜８ｃおよび端部パターン９ａに含まれるバインダー成分を除去する。脱脂工程における加熱温度・加熱時間等の条件は、バインダー成分によって種々異なるが、脱脂雰囲気は、非酸化雰囲気である不活性ガス雰囲気または真空雰囲気で処理を行えば、活性金属水素化物粉末が酸化されることなく好ましい。なお、酸化雰囲気であっても、酸素量を制限することで活性金属水素化物粉末が必要以上に酸化されなければよい。すなわち、低酸素濃度雰囲気やウエット雰囲気で脱脂を行ってもよい。ここで、ウエット雰囲気とは非酸化雰囲気ガスを水中または湯中を通した後、処理室に送気することにより形成した雰囲気である。ただし、ろう材に活性金属水素化物粉末を添加した効果を高めるためには、脱脂処理後にろう材に含まれる酸素量が、０．３質量％以下であることが好ましい。
【００８０】
ろう材ペーストに添加するバインダーとして例えばポリイソブチルメタクリレートなどのアクリル系樹脂を用い、溶媒として例えばテルピネオールやジエチレングリコール・モノブチルエーテル等と用いることにより、接合工程の前段において所定温度で保持することで、脱脂工程を別途設けることなく脱脂処理を接合工程の中で同時に行うことができる。これにより、灰化カーボンがろう材層中にほぼ残存することなく、セラミックス基板と金属板の接合強度がより向上するので好ましい。以下の実験例では、接合工程の中で脱脂処理も同時に行った。
【００８１】
接合工程について図５（ｂ）を参照して説明する。図５（ｂ）に示すように、上記塗布工程においてろう材ペーストを塗布することで形成された製品パターン８ａ〜８ｃおよび端部パターン９ａに、回路用金属板となる大型の板状の金属板１０が接するようセラミックス基板２０の上面に当該金属板４０を載置する。この際、水平方向においてセラミックス基板２０に対し金属板４０が所定の位置に位置決めされ、セラミックス基板２０の上面に形成された製品パターン８ａ〜８ｃおよび端部パターン９ａの全てを金属板１０が覆うように、金属板４０の位置合わせをする。そして、セラミックス基板２０の下面にも同様に放熱用銅板となる金属板を位置合わせしつつ載置し、それらが積層された状態で適宜な治具等で固定して保持する。
【００８２】
セラミックス基板２０の上下面に載置された２枚の金属板およびセラミックス基板２０を、積層された状態で、所定の雰囲気、所定の温度および所定の時間で加熱処理し、その後冷却することにより、セラミックス基板２０の上面には、製品パターン８ａ〜８ｃが凝固してなるろう材層３ａ〜３ｃおよび端部パターン９ａが凝固してなるろう材層５ａを介し金属板１０が接合される。ここで、接合工程において加熱され溶融したろう材が、セラミックス回路基板１０となる領域に存在するセラミックス基板２０と金属板１０に充分に濡れ拡がり充分な接合強度を確保するとともに、両者の熱膨張係数の相違に起因し生じる残留応力による耐冷熱サイクル性の低下を抑制するためには、加熱温度は７７０〜８８０℃とすることが望ましい。
【００８３】
活性金属水素化物粉末及び銅板が酸化されること無く良好な接合状態を得るためには、接合雰囲気は、非酸化雰囲気中、特に真空雰囲気で処理を行うことが望ましく、１Ｐａ以下の真空中、より望ましくは０．１Ｐａ以下の真空中で接合することが好ましい。さらに、望ましくは、積層された状態のセラミックス基板２０およびその上下面に配置された金属板に適度な荷重を付加しつつ接合することで、セラミックス基板２０と金属板が密着するので良好な接合状態が得ることができる。付加する荷重としては、セラミックス基板２０とその上下に配置された金属板の間に介在するろう材（ろう材ペースト）の面積当たり１０〜１００ｇ／ｃｍ２とすることが望ましい。
【００８４】
上記接合工程の後に行われるエッチング工程について、図５（ｃ）を参照して説明する。エッチング工程では、接合工程でセラミックス基板２０に接合された図５（ｂ）に示す金属板１０から不要な部分を除去し、図５（ｃ）に示すように、回路パターンを構成する金属板４ａ〜４ｃからなる回路用金属板４ｅを複数組、および端部回路板５ａを複数個形成する。
【００８５】
エッチング工程において、回路用金属板４ｅおよび端部金属板５ａの形状に対応したパターンで金属板１０の上面に形成されるレジスト膜は、熱硬化型およびＵＶ硬化型いずれのレジストを用いてもよい。また、インクタイプとフィルムタイプのいずれを用いてもよい。前者は、スクリーン印刷法を用い所望のパターンのレジスト膜を形成でき、後者は、金属板１０の表面に付着され、続いて露光および現像により所望のパターンのレジスト膜を形成できる。金属板１０の上面にレジスト膜を形成した後、エッチング液により金属板の不要部分をエッチングして除去する。例えば、回路用金属板が銅を主体とした金属板である場合には、エッチング液として、塩化第２鉄（ＦｅＣｌ３）や塩化銅（ＣｕＣｌ２）などを適宜配合した溶液を用いるとよい。
【００８６】
レジスト膜を除去し、適宜洗浄等を行ってエッチング工程が完了すると、回路用金属板４ｅを有する複数組のセラミックス回路基板１および複数個の端部金属板５ａが形成されたセラミックスマスター回路基板１０が形成される。その後、予めセラミックス基板２０に、セラミックス回路基板１の外縁の大きさに沿い縦横に形成されたブレーク溝ｂでセラミックスマスター回路基板１０を折り、その製品部６に形成されたセラミックス回路基板１を分離して個片化することにより、個々のセラミックス回路基板１を得ることができる。
【００８７】
上記塗布工程〜エッチング工程以外に、必要に応じ、例えばエッチング工程の後に、回路パターンである金属板４ａ〜４ｃの回路間に残存する不要なろう材層その他不要なろう材層を、例えば過酸化水素および酸性フッ化アンモニウムを含むろう材除去液で除去するろう材除去工程を設けてもよい。また、回路用金属板４ｅやセラミックス基板２０の表面に付着した炭素等の異物を、酸化剤を含む洗浄剤で除去する異物除去工程を設けてもよい。なお、これらの工程は、セラミックスマスター回路基板１０から分離したセラミックス回路基板１で行ってもよいが、セラミックスマスター回路基板１０の状態で行うことが工業生産上効率的であり好ましい。
【００８８】
［実験例］
実験例１〜３に基づき本発明を具体的に説明する。以下の実験例１~３では、図３に示す寸法を有するセラミックス回路基板１を製品部６に９枚形成可能な、外周端から１０ｍｍ以内に形成された端部５を有する図４に示す寸法のセラミックスマスター回路基板１０を作成した。セラミックス基板２（２０）としては窒化珪素、窒化アルミおよびアルミナを使用し、その厚みは０．３２ｍｍとした。なお、窒化珪素からなるセラミックス基板の曲げ強度は７００ＭＰａ、破壊靱性値は６．５ＭＰａ１／２、窒化アルミからなるセラミックス基板の曲げ強度は３５０ＭＰａ、破壊靱性値は３．５ＭＰａ１／２、アルミナからなるセラミックス基板の曲げ強度は３５０ＭＰａ、破壊靱性値は４．０ＭＰａ１／２であった。また、回路用金属板４ｅおよび放熱用金属板４ｄを形成する金属板はいずれも銅基板（無酸素銅  ＪＩＳＨ３１００  Ｃ１０２０Ｈ）を使用し、厚みは各々０．５ｍｍおよび０．４ｍｍとした。
【００８９】
［実験例１］
実験例１では、上記説明した本発明に係るろう材の有効性を確認するとともに、（１）Ａｇ粉末および水素化チタン粉末（活性金属水素化物粉末）の組成比と混合粉末の粒度分布の関係および混合粉末の粒度分布、（２）合金粉末中のＡｇおよびＩｎの添加量、（３）合金粉末におけるＡｇ／（Ａｇ＋Ｃｕ）、（４）活性金属水素化物の材質、（５）セラミックス基板の材質について、水準および材質を変化させて接合強度等に及ぼす影響を確認した。
【００９０】
実験例１では、Ａｇ、Ｃｕ、Ｉｎ、酸素およびＳｉを表１の組成比で含む、表２の粒度分布を有する合金粉末１００質量部に対し、表２に示す粒度分布を有するＡｇ粉末および活性金属水素化物粉末を表２で示す割合で混合してなる混合粉末に対し、ろう材ペーストに占める割合でバインダーとしてポリイソブチルメタクリレート５質量％、溶剤としてテルピネオール１０質量％、分散剤を０．１質量％配合し、プラネタリーミキサーを用いて混錬し、粘度を６０Ｐａ・ｓに調整したろう材ペーストを実験番号ごとに作成した。なお、ろう材ペーストに含まれるバインダーおよび溶剤等の添加量および混錬条件は実験例２および３でも同様とした。また、合金粉末、Ａｇ粉末および活性金属水素化物粉末の混合粉末である各実験番号のろう材の粒度分布等を表３に、混合粉末の状態で確認した合金粉末、Ａｇ粉末および活性金属水素化物粉末の粒子の等価円平均直径および活性金属水素化物粉末の添加量を各実験番号の値を表４に示す。
【００９１】
【表１】
2013002407.tif 000003
【００９２】
【表２】
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【００９３】
【表３】
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【００９４】
【表４】
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【００９５】
表１〜４に示す実験例１のろう材の合金粉末その他各粉末の粒度分布・等価円平均直径、混合粉末のかさ密度およびろう材中の活性金属水素化物の添加量等は、以下のように確認した。また、下記説明する実験例２および３でも同様に確認した。なお、ろう材がペースト化されている場合には、ろう材ペースト中に含まれるバインダーおよび溶媒を、真空雰囲気中において適宜な加熱温度で除去し、確認するとよい。
（１）粒度分布
合金粉末、Ａｇ粉末および活性金属水素物粉末ならびにこれらを混合した混合粉末なあびに合金粉末およびＡｇ粉末の粒度分布は、ＪＩＳＺ８８２５−１に準拠し、レーザ回折式の粒度測定装置（日機装製  型式：ＭＴ３３００）で確認した。また、活性金属水素物粉末の粒度分布は、ＪＩＳＺ８８２５−１に準拠し、レーザ回折式の粒度測定装置（堀場製作所製  型式：ＬＡ−９２０）で確認した。
（２）かさ密度
混合粉末のかさ密度は、ＪＩＳＺ２５０４に準拠し、かさ密度測定装置（筒井理化学器械製）で確認した。
（３）等価円平均直径
合金粉末・Ａｇ粉末・活性金属水素化物粉末の粒子の等価円平均直径は、次のようにして行った。まず、混合粉末から任意に採取した試料を、試料台の表面に配置されたカーボンテープ上に載置し、試料中の各粒子の位置を固定し、その後電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）で観察した。そして、試料台の表面に形成された位置決めマークを基準に選択した０．５×０．５ｍｍの視野において、Ｃｕ、Ａｇ、Ｔｉ、ＨｆおよびＺｒについて成分分析を行い、各元素の分布をマップ化してなる成分分析データに基づきＡｇおよびＣｕが含まれている粒子は合金粒子、Ａｇを主とする粒子はＡｇ粉末、Ｔｉ、ＨｆまたはＺｒを主とする粒子は活性金属水素化物粉末であると特定した。次に、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で、試料台の位置決めマークに基づき上記と同一の視野にて画像データを取得した。そして、上記マップ化された成分分析データと照らし合せ、合金粉末・Ａｇ粉末・活性金属水素化物粉末の各々の粒子を同視野から任意に各々５０個抽出した。なお、成分分析データおよび画像データを確認し、互いに接触しているまたは重なっていると考えられる粒子は、抽出から除外した。上記抽出した合金粉末・Ａｇ粉末・活性金属水素化物粉末の各々の粒子の画像データに基づき、各粒子の面積を算出し、当該面積から各粒子の等価円直径を求めた。次いで、上記と同様にして６視野の測定を行い、合金粉末・Ａｇ粉末・活性金属水素化物粉末の各粒子について、各々３００個の等価円直径のデータを得、その平均値を各実験番号の等価円平均直径とした。
（４）活性金属水素化物の添加量
ろう材中に含まれる活性金属水素化物の添加量（質量％）は、高周波プラズマ発光分析装置（サーモジャーレルアッシュ製  ＩＲＩＳ  ＡＤＶＡＮＴＡＧＥ）で分析してろう材中におけるＴｉの含有量を測定し、化学式量に基づき得られたＴｉの値に１．０４２６を乗じて算出した。
【００９６】
実験例１ならびに下記実験例２および３では、実験番号ごとに作成したろう材を使用し、上記説明したろう材ペーストの塗布工程〜エッチング工程を各実験番号とも同一の条件で実施し、図４に示すセラミックスマスター回路基板１０を形成した。まず、ろう材ペーストの塗布工程については、ろう材ペーストを、縦１３０ｍｍ×横９０ｍｍ×厚さ０．３２ｍｍ寸法の窒化珪素、アルミナまたは窒化アルミからなる大型のセラミックス基板に、メッシュサイズが１５０番のスクリーンマスクを用いてスクリーン印刷で印刷し、その上面（一方の面）には、図５（ａ）に示す製品パターン８ａ~８ｃおよび端部パターン９ａを形成し、その下面（他方の面）にも、不図示の放熱用金属板を接合するためのパターンを形成した。なお、各パターンの厚みは４５μｍ、平面方向の寸法は、図４に示す回路用金属板４ｅおよび放熱用金属板４ｄの寸法より０．２ｍｍ小さくしている。ろう材ペーストが塗布されたセラミックス基板２０を、大気中において１２０℃の温度で３０分加熱し、ろう材ペーストに含まれる溶媒を除去した。
【００９７】
次に、接合工程については、図５（ｂ）に示すように、セラミックス基板２０の上面側に回路用金属板となる大型の金属板４０を、下面側に放熱用金属板となる不図示の大型の金属板をセラミックス２０に重ね合せ、図８において実線で示す温度パターンＴＡおよび破線で示す圧力パターンＰＡとなるよう接合炉の炉内を制御しつつ加熱処理し、金属板とセラミックス基板とを接合した。ここで、温度パターンＴＡにおいて、最初に現れる温度保持域Ｔ１は、ろう材に含まれるバインダーを除去する脱脂処理を行う温度域であり、３８０℃の温度で１２時間保持した。なお、本実験例１および後述する実験例２・３では、上記のように接合工程の中で脱脂処理を同時に行っているが、接合工程の前に脱脂工程を別途設ける場合には、温度保持域Ｔ１を設ける必要はない。
【００９８】
脱脂処理を行う温度保持域Ｔ１の後、１０℃／分の昇温速度で昇温させ（昇温部Ｔ２）、その後、活性金属水素化物が分解する温度以下である５８０℃の温度で１０時間保持した（温度保持域Ｔ３）。なお、圧力パターンＰＡに示すように、温度保持域Ｔ３の時間帯Ｉは、炉内の圧力が１Ｐａ以下となるよう接合炉を制御した。なお、温度保持域Ｔ３は、その終期における炉内の圧力を低くすることで、下記説明する温度保持域Ｔ５における炉内の圧力が５×１０−３Ｐａとなるよう設けている温度域である。したがって、接合炉に排気能力があれば温度保持域Ｔ３は、必ずしも設ける必要はない。しかしながら、温度保持域Ｔ３を設けると、炉内の温度分布が均一となり、その後の昇温部Ｔ４における活性金属水素化物粉末の分解状態の位置によるバラツキを防止できるので、好ましい。さらに、温度保持域Ｔ３を設ける場合には、その時間帯Ｉにおける炉内の圧力を１Ｐａ以下とし、活性金属水素化物粉末に含まれる活性金属の酸化等の変質を防止することが好ましい。
【００９９】
上記温度保持域Ｔ３の後、１０℃／分の昇温速度で昇温させ（昇温部Ｔ４）、その後８３５℃の温度で１時間保持し（温度保持域Ｔ５）、その後冷却速度３℃／分にて冷却し（冷却域Ｔ６）、セラミックス基板２０の上下面に金属板が接合された接合体を得た。なお、圧力パターンＰＡに示すように、温度保持域Ｔ５の時間帯Ｊは、炉内の圧力が５×１０−３Ｐａ以下となるよう接合炉を制御した。
【０１００】
エッチング工程については、上記得られた接合体において上面側に配置された回路用金属板となる大型の金属板の表面に、図５（ｃ）に示す回路用金属板４ｅ（金属板４ａ〜４ｃ）および端部金属板５ａに対応するパターンのレジスト膜を、下面側に配置された放熱用金属板となる大型の金属板の表面に放熱用金属板に対応したパターンのレジスト膜を形成した。その後、エッチング液である塩化第２鉄（ＦｅＣｌ３）を金属板に噴霧し、金属板の不要部分を除去し、セラミックス基板２０の上面側に９組の回路用金属板４ｅおよび複数個の端部金属板５ａが、下面側に不図示の９組の放熱法金属板が配置されたセラミックスマスター回路基板を得た。
【０１０１】
上記実験例１で得られた各実験番号のろう材、セラミックス回路基板および試験片の各種特性は、表５に示すとおりである。なお、表５に示す実験例１のセラミックス回路基板および試験片の各種特性は、以下のように確認した。なお、下記説明する実験例２および３でも同様に確認した。
【０１０２】
ろう材層の表面粗さは、次のようにして求めた。各実験番号のセラミックス回路基板を構成するセラミックス基板と同一組成で、縦横の寸法が５０×３０ｍｍのセラミックス基板を準備した。そのセラミックス基板の面上に、各実験例で使用したろう材と同一のろう材ペーストを、縦横の寸法が４０×２０ｍｍおよび厚さ４５μｍとなるよう塗布した。そして、ろう材ペーストが塗布されたセラミックス基板を、図８を参照して説明した温度パターンおよび圧力パターンと同一条件で加熱処理し、セラミックス基板の表面に露出した状態でろう材層が形成された試験片を準備した。そして、形成されたろう材層の表面粗さ（Ｒｍａｘ）を、ＪＩＳＢ０６０１に準拠し、表面粗さ測定装置（東京精密製  サーフコム１３０Ａ）で確認した。
【０１０３】
セラミックス基板と金属板の接合強度は、次のピ−ル強度試験により確認した。各実験例のセラミックス回路基板を構成するセラミックス基板および金属板と同一組成のセラミックス基板２１と金属板４１を準備した。そして、図７に示すように、セラミックス基板２１の上面に２０×２ｍｍの寸法で、各実験例で使用したろう材と同一のろう材ペーストを塗布し、セラミックス基板２１の側面に対し金属板４１一端部が５ｍｍ突出するようにセラミックス基板２１に金属板４１を、ろう材ペーストを介し重ね合わせた。次いで、これらを、各実験例と同一の接合条件で接合し、ろう材層３１を介しセラミックス基板２１に金属板４１が接合された試験片Ｔを準備した。そして、この試験片Ｔの金属板４１の突出した部分をオートグラフ（島津製作所製  ＡＧ−Ｇ）で９０度上方に引き上げ、セラミックス基板２１から金属板４１が剥がれる際の力（ｋＮ）を測定し、その力の単位長さ（ｍ）当りの値（ｋＮ／ｍ）をピール強度とした。
【０１０４】
図４に示すセラミックスマスター回路基板１０の製品部６に形成したろう材層３ａ〜３ｃおよび端部５に形成されたろう材層７ａに含まれるボイド率は、次のようにして求めた。まず、セラミックスマスター回路基板１０を溶媒中に浸漬し、超音波探傷装置（日立建機製、Ｍｉ−ｓｃｏｐｅ、周波数：５０ＭＨｚ）で、製品部６の上下面の全てのろう材層３ａ〜３ｄ、端部５の上下面の全てのろう材層７ａのボイドの面積を測定した。そして、製品部６（すなわちセラミックス回路基板）のボイド率は、全てのろう材層３ａ〜３ｄで確認されたボイドの面積を和した値を全てのろう材層３ａ〜３ｄの面積で除して算出した。また、端部５のボイド率は、全てのろう材層７ａで確認されたボイドの面積を和した値を全てのろう材層７ａの面積で除して算出した。
【０１０５】
セラミックス回路基板の回路間絶縁試験不良率、回路パターン寸法不良率および冷熱サイクル試験不良率は、下記ようにして確認した。なお、実験番号ごとに、９枚のセラミックス回路基板を採取可能なセラミックスマスター回路基板を２２枚作成し、得られた１９８枚のセラミックス回路基板について下記説明する回路間絶縁試験、回路パターン寸法検査および冷熱サイクル試験を行い、不良となった率を不良率とした。
（１）回路間絶縁試験
回路間絶縁試験は、図３（ａ）に示すように、セラミックス回路基板１の上面に形成された回路用金属板４ｅの回路パターンを構成している金属板４ａ〜４ｃのうち、ギャップ４ｆ・４ｇを介し相対している３組の金属板４ａ・４ｂ、４ａ・４ｃおよび４ｂ・４ｃについて、各々、所定の測定点Ｃ〜Ｈに電極端子を接触させ、ＤＣ１０００Ｖで３０秒印加した際の抵抗値が１ＧΩ以上あることを確認する試験である。例えば、ギャップ４ｆを介し相対している金属板４ａ・４ｂについては、測定点Ｃ・Ｄに各々電極端子を接触させ、Ｃ・Ｄ間の絶縁抵抗を確認した。ギャップ４ｇを介して相対している金属板４ｂ・４ｃ、およびギャップ４ｆを介して相対している金属板４ａ・４ｃについても、同様に、各々測定点Ｅ・ＦおよびＧ・Ｈの間の絶縁抵抗を確認した。そして、いずれかの測定点の間で抵抗値が１ＧΩ以下となったセラミックス回路基板は不良と判断した。なお、接合工程においてろう材の水平方向の濡れ拡がりが大きい場合には、図２に示すろう材層３ａ〜３ｃの間のギャップ４ｆ・４ｇの幅が狭くなり、絶縁抵抗が低くなる。
（２）回路パターン寸法検査
回路パターン寸法検査は、図３に示すセラミックス回路基板１のセラミックス基板２の外縁と回路用金属板４ｅおよび放熱用金属板４ｄの外縁間の寸法（図の場合には０．５ｍｍ）を工具顕微鏡で測定し、その寸法が一部でも０．２５〜０．７５ｍｍの間でない場合には不良と判断した。なお、図５（ｂ）を参照して説明した接合工程において、溶融したろう材がセラミックス基板の上下面に配置した金属板の表面にまで濡れ拡がり付着した場合には、図５（ｃ）を参照して説明したその後のエッチング工程において、当該付着したろう材により金属板のエッチングが妨げられるため、特にセラミックス基板２の外縁と回路用金属板４ｅおよび放熱用金属板４ｄの外縁間の寸法不良が生じやすくなる。
（３）冷熱サイクル試験
冷熱サイクル試験については、−５５℃での冷却を３０分、１６０℃での加熱を３０分とする昇温／降温サイクルを１サイクルとし、これを１０００回繰り返してセラミックス回路基板に付加し、セラミックス基板から回路用金属板または放熱用金属板が一部でも剥離した場合には不良と判断した。
【０１０６】
【表５】
2013002407.tif 000007
【０１０７】
実験例１より以下のことが確認された。すなわち、本発明に係る実験番号１〜２６のろう材を含むろう材ペーストを使用し、形成された試験片のろう材層の表面粗さ（Ｒｍａｘ）はいずれも２５μｍ以下であった。そして、実験番号１〜２６で形成されたセラミックスマスター回路基板で確認された製品部（セラミックス回路基板）のボイド率は５％以下と低く、端部のボイド率は５〜５０％の範囲となった。その結果、実験番号１〜２６のろう材を含むろう材ペーストを使用し、形成された試験片におけるセラミックス基板と金属板とのピール強度（接合強度）は１５ｋＮ／ｍ以上となり、セラミックスマスター回路基板から採取されたセラミックス回路基板の冷熱サイクル試験不良率も５％以下となった。また、接合時に加熱され溶融したろう材の濡れ拡がりが適正であるため、セラミックス回路基板の回路間絶縁試験不良率および回路パターン寸法不良率も５％以下となった。
【０１０８】
一方で、一部の条件が本発明の条件を満たさない実験番号２７〜３５のろう材を使用した場合には、下記のようにピール強度（接合強度）等の不足により冷熱サイクル試験不良率が高いか、ろう材の過大な濡れ拡がりにより回路間絶縁試験不良率または回路パターン寸法不良率が高かった。
【０１０９】
実験番号２７は、Ａｇ含有量が９０％の合金粉末１００質量部に対しＡｇ粉末を１０質量部添加した結果、混合粉末に含まれるＡｇおよびＣｕの総量に対するＡｇの組成比Ａｇ／（Ａｇ＋Ｃｕ）が０．９１となり、ろう材の溶融温度が高く溶け残りが生じるためピール強度が低く、さらにろう材の濡れ拡がりも過大となり、冷熱サイクル試験不良率、回路間絶縁試験不良率および回路パターン寸法不良率いずれもが高かった。
【０１１０】
実験番号２８は、Ａｇ含有量が５０％の合金粉末１００質量部に対しＡｇ粉末を１０質量部添加した結果、Ａｇ／（Ａｇ＋Ｃｕ）が０．５５となり、Ｃｕの含有量が多いためにろう材層と金属板との接合強度が低下し、ピール強度が低く、冷熱サイクル試験不良率が高かった。
【０１１１】
Ａｇ粉末を添加しなかった実験番号２９および３０では、ろう材層の表面粗さ（Ｒｍａｘ）が粗くなり製品部のボイド率が高く、ピール強度が低く、冷熱サイクル試験不良率が高かった。
【０１１２】
特許文献１のろう材の構成である実験番号３１では、合金粉末のＩｎの含有量が多く、合金粉末に対し金属チタン粉末を添加しているため、ろう材層の表面粗さ（Ｒｍａｘ）が粗くなり製品部のボイド率が高く、ピール強度が低く、冷熱サイクル試験不良率が高かった。また、特許文献２のろう材の構成である実験番号３２では、合金粉末中におけるＩｎの含有量が多い割にはＴｉの含有量が低く、合金粉末の粒径に対しＡｇ粉末の粒径が小さいため、特許文献１に対し改善されているものの、ろう材層の表面粗さ（Ｒｍａｘ）が粗くなり、ピール強度が低く、冷熱サイクル試験不良率が高かった。
【０１１３】
合金粉末１００質量部に対し水素化チタン粉末を８質量部添加することにより、混合粉末における水素化チタンの添加量を６．８質量％とした実験番号３３では、混合粉末に含まれる水素化チタンの添加量が多く、形成されたろう材層の内部に脆弱なＴｉ-Ｓｉ相が過多に形成されるためろう材層自体の強度が低い。そのため、ピール強度が低くなり、冷熱サイクル試験不良率が高かった。また、水素化チタンの添加量が多いためにろう材の濡れ拡がりも過大となり、回路間絶縁試験不良率も高かった。
【０１１４】
実験番号３４は、合金粉末に含まれるＩｎの含有量が低いためにろう材の融点が上昇し、その結果ろう材の溶け残りが生じ、ピール強度が低く、冷熱サイクル試験不良率が高かった。一方で、実験番号３５は、合金粉末に含まれるＩｎの含有量が多いために、ろう材層の表面粗さ（Ｒｍａｘ）が粗くなり製品部のボイド率が高く、ピール強度が低く、冷熱サイクル試験不良率が高かった。また、ろう材の融点が過度に低下するため、ろう材の濡れ拡がりも過大となり、回路間絶縁試験不良率および回路パターン寸法不良率いずれもが高かった。
【０１１５】
また、実験番号１〜１６からは次のことが確認された、まず、実験番号１〜７からは、混合粉末における活性金属水素化物粉末の添加量が０．２５〜５．５０質量％であれば本発明の効果を奏することができることが確認された。なお、上記範囲の添加量を有する活性金属水素化物粉末を含む混合粉末は、合金粉末１００質量部に対し活性金属水素化物粉末０．３〜６質量部を添加することにより好ましくは形成することができる。混合粉末における活性金属水素化物粉末の添加量の望ましい範囲は、０．４０〜４．５０質量％、さらに望ましくは０．９０〜２．７０質量％である。なお、活性金属水素化物粉末は、ろう材中に占める割合が低いため、添加量の水準を上記の範囲で変更した場合でも、混合粉末の粒度分布には殆んど影響を与えないことも確認された。
【０１１６】
実験番号３および８〜１４からは、Ａｇ粉末の添加量が、合金粉末１００質量部に対し３．０〜３３．０質量部であれば本発明の効果を奏することができること、望ましい添加量は５．０〜３０．０質量部、さらに望ましくは１０．０〜２５．０質量部であることが確認された。
【０１１７】
実験番号３および１５〜１８からは、合金粉末におけるＡｇ、ＩｎおよびＣｕの含有量を所定の範囲にすることで、本発明の効果を奏することができることが確認された。
【０１１８】
実験番号３および１９〜２２からは、合金粉末に含まれるＡｇおよびＣｕの総量に対するＡｇの比Ａｇ／（Ａｇ＋Ｃｕ）を０．６〜０．７にすることで、ピール強度がより高くなり、冷熱サイクル試験不良率を低減できることが確認された。
【０１１９】
さらに、実験番号２３〜２６からは、活性金属として水素化チタン（ＴｉＨ２）以外に水素化ハフニウム（ＨｆＨ２）および水素化ジルコニウム（ＺｒＨ２）を使用した粉末、セラミックス基板として窒化珪素以外にアルミナおよび窒化アルミで形成されたセラミックス基板を使用した場合でも、上記構成のろう材を使用してセラミックス基板と金属板とを接合することにより、所望のピール強度を得ることができることが確認された。なお、アルミナおよび窒化アルミで形成されたセラミックス基板を有するセラミックス回路基板は、セラミックス基板の曲げ強度および破壊靱性が低いため、冷熱サイクル試験において
セラミックス基板自体にクラックが生じ、冷熱サイクル試験不良率は高かった。
【０１２０】
ここで、本発明に係るろう材ペーストおよび特許文献１のろう材ペーストを使用し、窒化珪素からなるセラミックス基板の表面に、上記ろう材層の表面粗さを確認する試験片およびピール強度を確認する試験片の作製方法に従い試験片を作製した。ろう材層の表面粗さを確認する試験片に形成されたろう材層の表面を観察した結果を図６に示す。
【０１２１】
図６（ａ）は、本発明に係るろう材を用い形成されたろう材層の表面の状態を示す２０倍の実体顕微鏡写真である。Ａｇ６５．５質量％、Ｉｎ２質量％、酸素含有量０．０５％、残部Ｃｕおよび不可避不純物からなる合金粉末、Ａｇ粉末および水素化チタン（活性金属水素化物）粉末の各々の粒度分布は下記の通りであり、合金粉末１００質量部に対し、Ａｇ粉末を１５質量部、水素化チタン粉末を２質量部添加した。
合金粉末  ｄ１０：８．７μｍ、ｄ５０：２４．２μｍ、ｄ９０：４５．５μｍ
Ａｇ粉末  ｄ１０：２．７μｍ、ｄ５０：５．６μｍ、ｄ９０：９．９μｍ
水素化チタン粉末  ｄ１０：１０．１μｍ、ｄ５０：１８．７μｍ、ｄ９０：３３．０μｍ
【０１２２】
図６（ｂ）は、特許文献１に記載された従来例に基づくろう材を用い形成されたろう材層の表面の状態を示す２０倍の実体顕微鏡写真である。使用したろう材の合金粉末およびチタン粉末の各々の仕様は下記のとおりであり、合金粉末とチタン粉末の配合比は９８：２とした。
合金粉末  （組成）Ａｇ３７質量％、Ｉｎ３０質量％、酸素含有量０．０５％、残部Ｃｕ（粒度分布）ｄ１０：８．７μｍ、ｄ５０：２４．２μｍ、ｄ９０：４５．５μｍ
チタン粉末  ｄ５０：８．０μｍ
【０１２３】
図６（ｂ）に示すように、特許文献１のＡｇ粒子および活性金属水素化物を含まない従来例のろう材で形成されたろう材層は、その表面のほぼ全面に鱗状凹凸が形成されており、ろう材層の表面粗さ（Ｒｍａｘ）は２５μｍ以上であった。そして、特許文献１のろう材を使用して製作された試験片のピール強度は１０（ｋＮ／ｍ）以下であった。
【０１２４】
一方で、図６（ａ）に示すように、本発明に係るろう材で形成されたろう材層は、その表面に鱗状凹凸がほぼ形成されておらず、ろう材層の表面の粗さは２５μｍ以下であった。そして、特許文献１のろう材を使用して製作された試験片のそのピール強度は、１５（ｋＮ／ｍ）以上であった。すなわち、ろう材層の表面粗さＲｍａｘが２５μｍ以下であれば、所望の接合強度を確保できることが確認された。
【０１２５】
図６（ａ）および（ｂ）に示すろう材層の表面に形成された鱗状凹凸について、波長分散型Ｘ線分析装置（ＷＤＸ）を用いて成分分析を行った。その結果、鱗状凹凸の凹部は主成分がＣｕ-Ｔｉ相であり、凸部はＡｇ-Ｉｎ相およびＣｕ-Ｉｎ相であることが確認され、Ｉｎ添加量が多い程、凹部の生成頻度が大きくなることが確認された。
【０１２６】
［実験例２］
実験例２では、（１）合金粉末に含まれる酸素の含有量、（２）合金粉末に含まれるＳｉの含有量について、水準を変化させつつ接合強度等に及ぼす影響を確認した。
【０１２７】
実験例２では、酸素およびＳｉを表６の割合で含む合金粉末１００質量部に対し、ｄ５０が１０μｍのＡｇ粉末を１０質量部およびｄ５０が１５μｍの水素化チタン粉末を表６に示す割合で添加してなる混合粉末を、バインダーおよび溶媒等と混錬してなるろう材ペーストを実験番号ごとに作成した。なお、参考のため表６には実験例１の実験番号３のデータを記載している。実験例２における合金粉末のＡｇおよびＩｎの含有量は、いずれの実験番号でも、各々７０．０質量％および３．０質量％と同一とした。そして、各実験番号の混合粉末の粒度分布を確認したところ、実験番号３６・４０・４４の場合は表３の実験番号２、実験番号３７・４１・４５〜５２の場合は実験番号３と、実験番号３８・４２の場合は表３の実験番号５と、実験番号３９の場合は表３の実験番号６とほぼ同一であることが確認された。
【０１２８】
【表６】
2013002407.tif 000008
【０１２９】
実験番号３６〜５２のろう材ペーストを使用し、上記実験例１と同様にセラミックスマスター回路基板を製作した。なお、セラミックス基板としては、窒化珪素からなる上記実験例１と同様なセラミックス基板を使用した。実験例２で得られた各実験番号のろう材、セラミックス回路基板および試験片の各種特性は、表６に示すとおりである。
【０１３０】
実験番号３および３６〜４５によれば、合金粉末における酸素の含有量が０．１５質量％と多い場合でも本発明の効果を奏することができること、さらに酸素の含有量の望ましい範囲は０．１質量％以下であることが確認された。また、実験番号３および４６〜５２によれば、合金粉末におけるＳｉの含有量が０．５質量％と多い場合や、０．０００１質量％と低い場合でも本発明の効果を奏することができること、さらにＳｉの含有量の好ましい範囲は０．００５〜０．３質量％であることが確認された。
【０１３１】
［実験例３］
実験例３では、混合粉末であるろう材の粒度分布およびかさ密度等の水準を変化させ、接合強度等に及ぼす影響を確認した。ここで、混合粉末粒度分布およびかさ密度等は、合金粉末、Ａｇ粉末および水素化チタン粉末の各々の粒度分布および添加量の水準を変化させることで調整した。
【０１３２】
実験例３では、Ａｇ７０．０質量％、Ｉｎ３．０質量％、酸素０．０５質量％、Ｓｉ０．０１質量％、残部Ｃｕおよび不可避不純物からなる表７に示す粒度分布の合金粉末１００質量部に対し、表７に示す粒度分布のＡｇ粉末および水素化チタン粉末を、各々表７に示す添加量で添加してなる混合粉末を、バインダーおよび溶媒等と混錬してなるろう材ペーストを実験番号ごとに作成した。そして合金粉末、Ａｇ粉末および活性金属水素化物粉末の混合粉末である各実験番号のろう材の粒度分布等を表８に、混合粉末の状態で確認した合金粉末、Ａｇ粉末および活性金属水素化物粉末の粒子の等価円直径および活性金属水素化物粉末の添加量を各実験番号の値を表９に示す。
【０１３３】
【表７】
2013002407.tif 000009
【０１３４】
【表８】
2013002407.tif 000010
【０１３５】
【表９】
2013002407.tif 000011
【０１３６】
実験番号５３〜９３のろう材ペーストを使用し、上記実験例１と同様にセラミックスマスター回路基板を製作した。なお、セラミックス基板としては、窒化珪素からなる上記実験例１と同様なセラミックス基板を使用した。
【０１３７】
【表１０】
2013002407.tif 000012
【０１３８】
実験例３から以下のことが確認された。すなわち、本発明に係る実験番号５３〜８４のろう材を含むろう材ペーストを使用し、形成された試験片のろう材層の表面粗さ（Ｒｍａｘ）はいずれも２５μｍ以下であった。そして、実験番号５３〜８４で形成されたセラミックスマスター回路基板で確認された製品部のボイド率は５％以下と低く、端部のボイド率は５〜５０％の範囲となった。その結果、実験番号５３〜８４のろう材を含むろう材ペーストを使用し、形成された試験片におけるセラミックス基板と金属板とのピール強度（接合強度）は１５ｋＮ／ｍ以上となり、セラミックスマスター回路基板から採取されたセラミックス回路基板の冷熱サイクル試験不良率も５％以下となった。また、接合時に加熱され溶融したろう材の濡れ拡がりが適正であるため、セラミックス回路基板の回路間絶縁試験不良率および回路パターン寸法不良率も５％以下となった。
【０１３９】
一方で、一部の条件が本発明の条件を満たさない実験番号８５〜９３のろう材を使用した場合には、下記のようにピール強度（接合強度）等の不足により冷熱サイクル試験不良率が高いか、ろう材の過大な濡れ拡がりにより回路間絶縁試験不良率または回路パターン寸法不良率が高かった。
【０１４０】
実験番号８５は混合粉末のｄ９０が低く、ろう材の濡れ拡がりが過大となり、回路間絶縁試験不良率および回路パターン寸法不良率が高くなった。実験番号８６は混合粉末のｄ９０が高く、粗大な合金粉末の溶け残りが生じてピ−ル強度が低くなり、冷熱サイクル試験不良率が高くなった。
【０１４１】
実験番号８７は混合粉末のｄ１０が低く、ろう材の濡れ拡がりが過大となり、回路間絶縁試験不良率および回路パターン寸法不良率が高くなった。実験番号８８は混合粉末のｄ１０が高く、ピ−ル強度が低くなり、冷熱サイクル試験不良率が高くなった。
【０１４２】
実験番号８９は混合粉末のｄ５０が低く、ろう材の濡れ拡がりが過大となり、回路間絶縁試験不良率および回路パターン寸法不良率が高くなった。実験番号９０は混合粉末のｄ５０が高く、ピ−ル強度が低くなり、冷熱サイクル試験不良率が高くなった。
【０１４３】
実験番号９１は、頻度分布におけるピークがｄ５０とｄ９０の範囲から低めに外れており、ろう材の濡れ拡がりが過大となり、回路間絶縁試験不良率および回路パターン寸法不良率が高くなった。
【０１４４】
実験番号９２は水素化チタン粉末の等価円直径が小さく、実験番号９３は水素化チタン粉末の等価円直径が大きいため、いずれも十分なピール強度を得ることができず、冷熱サイクル試験不良率が高くなった。
【０１４５】
本発明に係るろう材を使用した実験番号５３〜８４からは以下のことが確認された。まず、水素化チタン粉末の粒度分布の水準を変化させた実験番号５３〜６１によれば、混合粉末の状態で確認した水素化チタン粉末の各粒子の等価円直径が１０〜２５μｍの範囲である場合に、所望のピール強度を有し、冷熱サイクル試験不良率が低く、さらにろう材の濡れ拡がりが適正で回路間絶縁試験不良率および回路パターン寸法不良率も低いことが確認された。この範囲の等価円直径を有する水素化チタンを含む混合粉末は、好ましくは、ｄ１０が５〜１５μｍ、ｄ５０が１０〜２５μｍ、ｄ９０が２５〜５０μｍの範囲の粒度分布を有する水素化チタン粉末を合金粉末に添加することで形成することができることが判った。
【０１４６】
水素化チタン粉末の各粒子の等価円直径の好ましい範囲は、各不良率から見たとき、１２〜２２μｍ、さらに好ましくは１５〜２０μｍである。各々、好ましくは、ｄ１０が７〜１２μｍ、ｄ５０が１３〜２２μｍ、ｄ９０が２５〜３９μｍ、およびｄ１０が８〜１１μｍ、ｄ５０が１５〜２０μｍ、ｄ９０が２６〜３５μｍの範囲の粒度分布を有する水素化チタン粉末を合金粉末に添加することにより形成することができる。さらに、混合粉末における水素化チタン粉末の添加量を２．６５質量％とした実験番号６０では、ピール強度が改善されたが、添加量を４．３５質量％とした実験番号６１では、ピール強度がやや低下した。なお、実験例１で述べたように、ろう材中に占める水素化チタン粉末の割合は低いため、実験番号６０・６１のように実験番号５８に対し合金粉末に対する水素化チタン粉末の添加量を多くした場合でも、得られた混合粉末の粒度分布は殆んど変化が無いことが確認された。
【０１４７】
次に、混合粉末の粒度分布に対する影響の大きな合金粉末とＡｇ粉末の粒度分布および添加量の水準を変化させた実験番号５２および６２〜８０によれば、混合粉末の状態であるろう材が、（１）合金粉末、Ａｇ粉末および活性金属水素化物粉末の粒子の等価円平均直径が、合金粉末≧活性金属水素化物粉末＞Ａｇ粉末の関係にあり、（２）ＪＩＳ  Ｚ  ８８２５−１に準拠して粒度分布を測定したときの体積基準の累積分布において、１０％累積粒子径（ｄ１０）が３〜１０μｍ、５０％累積粒子径（ｄ５０）が１０〜３５μｍ、９０％累積粒子径（ｄ９０）が３０〜５０μｍの粒度分布を有し、（３）頻度分布において、５０％累積粒子径（ｄ５０）と９０％累積粒子径（ｄ９０）の間にピークが存在する場合には、所望のピール強度を得ることができ、冷熱サイクル試験不良率も低く、もって本発明の効果を奏することが実証された。
【０１４８】
ここで、実験番号６８〜７７から、混合粉末の粒度分布の好ましい範囲は、ｄ１０が４〜８μｍ、ｄ５０が１５〜１８μｍ、ｄ９０が３５〜４９μｍであることが確認された。かかる範囲の粒度分布となるよう混合粉末を調整することにより、回路間絶縁試験不良率、回路パターン寸法不良率および冷熱サイクル試験不良率はいずれも３．０％以下となる。さらに好ましい、混合粉末の粒度分布の範囲は、ｄ１０が４．７〜７μｍ、ｄ５０が１６〜２６μｍ、ｄ９０が３６〜４７μｍであることが確認された。
【０１４９】
上記粒度分布を有する混合粉末は、好ましくは、ｄ１０が６〜１２μｍ、ｄ５０が１５〜４０μｍ、ｄ９０が６０μｍ以下の合金粉末に、ｄ１０が０．５〜３μｍ、ｄ５０が１〜１５μｍ、ｄ９０が８〜２０μｍのＡｇ粉末を添加することにより形成することができることが確認された。なお、合金粉末の粒度分布の更に好ましい範囲は、ｄ１０が７〜１２μｍ、ｄ５０が２０〜３５μｍ、ｄ９０が５５μｍ以下であり、ｄ１０が８〜１１μｍ、ｄ５０が２０〜３０μｍ、ｄ９０が４０〜５０μｍの範囲にあれば好適である。また、Ａｇ粉末の粒度分布の好ましい範囲は、ｄ１０が１〜３．５μｍ、ｄ５０が３〜８μｍ、ｄ９０が８〜１４μｍであることが確認された。
【０１５０】
混合粉末の粒度分布において、（ｄ５０−ｄ１０）／（ｄ９０−ｄ１０）の値が０．６８である実験番号８１は、ｄ９０以外はほぼ同程度の粒度分布である実験番号６３に対し回路間絶縁試験不良率が低下した。また、（ｄ５０−ｄ１０）／（ｄ９０−ｄ１０）の値が０．１９である実験番号８２は、ｄ９０以外はほぼ同程度の粒度分布である実験番号８０に対し冷熱サイクル不良率が低下した。したがって、（ｄ５０−ｄ１０）／（ｄ９０−ｄ１０）は、０．２〜０．６５の範囲が好ましいことが確認された。さらに好ましい範囲は、０．３〜０．５である。
【０１５１】
混合粉末の粒度分布において、（ｄ５０−ｄ１０）／４０％の値が０．６６μｍ／％である実験番号８３は、ｄ５０以外はほぼ同程度の粒度分布である実験番号６３に対し冷熱サイクル不良率が低下した。また、（ｄ５０−ｄ１０）／４０％の値がμｍ／％である実験番号８４は、ｄ１０以外はほぼ同程度の粒度分布である実験番号８０に対し冷熱サイクル不良率が低下した。いずれも混合粉末（ろう材）における各粒子の充填性が低いためであると考えられる。したがって、（ｄ５０−ｄ１０）／４０％は、０．１５〜０．６５の範囲が好ましいことが確認された。さらに好ましい範囲は、０．２５〜０．５５である。
【符号の説明】
【０１５２】
１                        セラミックス回路基板
２                        セラミックス基板
３ａ（３ｂ〜３ｄ、７ａ）  ろう材層
４ａ（４ｂ〜４ｃ）        金属板
４ｅ                      回路用金属板
４ｄ                      放熱用金属板
５ａ                      端部金属板
８ａ（８ｂ〜８ｃ）        製品パターン
９ａ                      端部パターン
１０                      セラミックスマスター回路基板
２０                      大型のセラミックス基板
４０                      大型の金属板
【図１】
2013002407.tif 000013
【図２】
2013002407.tif 000014
【図３（ａ）】
2013002407.tif 000015
【図３（ｂ）】
2013002407.tif 000016
【図４】
2013002407.tif 000017
【図５（ａ）】
2013002407.tif 000018
【図５（ｂ）】
2013002407.tif 000019
【図５（ｃ）】
2013002407.tif 000020
【図６（ａ）】
2013002407.tif 000021
【図６（ｂ）】
2013002407.tif 000022
【図７】
2013002407.tif 000023
【図８】
2013002407.tif 000024
【手続補正書】
【提出日】平成24年11月12日(2012.11.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、Ａｇ：５５〜８０質量％、Ｉｎ：１〜５質量％、残部Ｃｕ及び不可避不純物からなる合金粉末、Ａｇ粉末ならびに活性金属水素化物粉末を混合して成る混合粉末である、セラミックス基板と金属板とを接合するろう材であって、
前記混合粉末に含まれるＡｇおよびＣｕの総量に対するＡｇの組成比Ａｇ／（Ａｇ＋Ｃｕ）が０．５７〜０．８５であり、
粒子の等価円平均直径が１０〜２５μｍである活性金属水素化物粉末を０．２７〜５．１７質量％含み、
前記合金粉末、Ａｇ粉末および活性金属水素化物粉末の粒子の等価円平均直径が、合金粉末≧活性金属水素化物粉末＞Ａｇ粉末の関係にあり、
前記混合粉末は、ＪＩＳ  Ｚ  ８８２５−１に準拠して粒度分布を測定したときの体積基準の累積分布において、１０％累積粒子径（ｄ１０）が３〜１０μｍ、５０％累積粒子径（ｄ５０）が１０〜３５μｍ、９０％累積粒子径（ｄ９０）が２９．４〜５０μｍの粒度分布を有するとともに、頻度分布において、５０％累積粒子径（ｄ５０）と９０％累積粒子径（ｄ９０）の間にピークが存在することを特徴とするろう材。
【請求項２】
前記ピークが６０％累積粒子径（ｄ６０）と８０％累積粒子径（ｄ８０）の間に存在する請求項１に記載のろう材。
【請求項３】
かさ密度が３．６〜５．５ｇ／ｃｍ３である請求項１または２のいずれかに記載のろう材。
【請求項４】
（ｄ５０−ｄ１０）／（ｄ９０−ｄ１０）が０．２５〜０．６５である請求項１乃至３のいずれかに記載のろう材。
【請求項５】
（ｄ５０−ｄ１０）／４０（％）が、０．１５〜０．６５（μｍ／％）である請求項１乃至４のいずれかに記載のろう材。
【請求項６】
Ａｇ：５５〜８０質量％、Ｉｎ：１〜５質量％、酸素含有量０．１質量％以下、残部Ｃｕ及び不可避不純物からなる５０％累積粒子径（ｄ５０）１５〜４０μｍの合金粉末と、前記合金粉末１００質量部に対し、５０％累積粒子径（ｄ５０）１〜１５μｍのＡｇ粉末粒子を５〜３０質量部、および、１０％累積粒子径（ｄ１０）が５〜１５μｍ、５０％累積粒子径（ｄ５０）が１０〜２５μｍ、９０％累積粒子径（ｄ９０）が２５〜５０μｍの粒度分布を有する活性金属水素化物粉末を０．２７〜５．１７質量部、を有する請求項１乃至５のいずれかに記載のろう材。
【請求項７】
前記活性金属水素化物粉末は水素化チタン粉末である請求項１乃至６のいずれかに記載のろう材。
【請求項８】
前記合金粉末に含まれるＡｇおよびＣｕの総量に対するＡｇの比Ａｇ／（Ａｇ＋Ｃｕ）が、０．６〜０．７である請求項１乃至７のいずれかに記載のろう材。
【請求項９】
前記合金粉末は、Ｓｉを０．０００１〜０．５質量％含む請求項１乃至８のいずれかに記載のろう材。
【請求項１０】
前記合金粉末の１０％累積粒子径（ｄ１０）が６〜１２μｍ、９０％累積粒子径（ｄ９０）が６０μｍ以下である請求項１乃至９のいずれかに記載のろう材。
【請求項１１】
前記Ａｇ粉末の１０％累積粒子径（ｄ１０）が０．５〜３．５μｍ、９０％累積粒子径（ｄ９０）が８〜２０μｍである請求項１乃至１０の何れかに記載のろう材。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれかに記載のろう材に対し、バインダーを１〜１０質量％、溶剤を２〜２０質量％添加し、混練したろう材ペースト。
【請求項１３】
前記ろう材ペーストを、セラミックス基板の面上に厚さ４５μｍ塗布した後、５×１０−３Ｐａ以下の真空中において８３５℃で１時間加熱し、その後冷却して形成されるろう材層の表面の表面粗さＲｍａｘが２５μｍ以下である請求項１２に記載のろう材ペースト。
【請求項１４】
セラミックス基板の少なくとも一方の面に請求項１３に記載のろう材ペーストを塗布し、前記ろう材ペースト上に金属板を載置した後、５×１０−３Ｐａ以下の真空中において８３５℃で１時間加熱し、その後冷却することにより、前記セラミックス基板と金属板とが接合されたセラミックス回路基板のろう材層のボイド率が５％以下であるセラミックス回路基板。
【請求項１５】
セラミックス基板の少なくとも一方の面に請求項１３に記載のろう材ペーストを塗布し、前記ろう材ペースト上に金属板を載置した後、５×１０−３Ｐａ以下の真空中において８３５℃で１時間加熱し、その後冷却することにより、前記セラミックス基板と金属板とが接合された、複数のセラミックス回路基板を採取することが出来るセラミックスマスター回路基板において、前記セラミックスマスター回路基板から採取されたセラミックス回路基板のろう材層のボイド率が５％以下で、前記セラミックスマスター回路基板の端面から１０ｍｍ以内の端部に形成されたろう材層のボイド率が５％〜５０％であるセラミックスマスター回路基板。
【請求項１６】
請求項１４に記載のセラミックス回路基板の一方の面に接合した回路用金属板に半導体チップを搭載し、前記セラミックス基板の他方の面に放熱用金属板を接合してなるパワー半導体モジュール。
【国際調査報告】
2013002407.tif 000025
2013002407.tif 000026