(57)【要約】【課題】基板の表面に気孔を存在させず、高い放熱特性や優れた耐熱サイクル特性に加え、高い接合強度を有し、割れや絶縁破壊を招くことのない、信頼性が高い放熱基板として用いることのできる金属−単結晶複合体を提供する。【解決手段】銅または銅合金を主成分とする金属基板に、活性金属を主成分とする中間層を介して金属化合物単結晶を主成分とする単結晶基板を接合してなる金属−単結晶複合体を用いる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅または銅合金を主成分とする金属基板に、活性金属を主成分とする中間層を介して金属化合物単結晶を主成分とする単結晶基板を接合したことを特徴とする金属−単結晶複合体。
【請求項２】
上記中間層は、単結晶基板に接する第１の中間層と、第１の中間層上に形成される第２の中間層とからなり、単結晶基板、第１の中間層、第２の中間層、金属基板の各熱膨張係数のうち、その最大値、最小値をそれぞれαｍａｘ、αｍｉｎとした場合、αｍａｘ−αｍｉｎ≦１１．１×１０−６／℃であることを特徴とする請求項１に記載の金属−単結晶複合体。
【請求項３】
上記第１の中間層はＭｏ、Ｒｈ、Ｔｉの少なくともいずれか１種を主成分とし、第２の中間層はＮｉまたはＣｒを主成分とすることを特徴とする請求項２に記載の金属−単結晶複合体。
【請求項４】
上記単結晶基板は、アルミナまたは窒化アルミニウムからなる単結晶を主成分とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の金属−単結晶複合体。
【請求項５】
上記単結晶基板の厚さが０．１３〜０．４ｍｍであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の金属−単結晶複合体。
【請求項６】
上記金属基板はＦｅ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｐの少なくともいずれか１種を含み、その合計が０．０８〜１．０質量％であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の金属−単結晶複合体。
【請求項７】
上記金属基板に生成される酸化物がオージェ電子分光法による酸素分析で１０原子％以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の金属−単結晶複合体。
【請求項８】
金属化合物単結晶を主成分とする単結晶基板上に、Ｍｏ、Ｒｈ、Ｔｉの少なくともいずれか１種を主成分とする第１の中間層を形成し、第１の中間層上にＮｉまたはＣｒの少なくともいずれか１種を主成分とする第２の中間層を形成した後、Ｃｕを主成分とする結合層を形成し、銅または銅合金を主成分とする金属基板を接合することを特徴とする金属−単結晶複合体の接合方法。
【請求項９】
上記結合層と金属基板とが接合する面を予め算術平均高さＲａでそれぞれ２０ｎｍ以下とすることを特徴とする請求項８に記載の金属−単結晶複合体の接合方法。
【請求項１０】
上記結合層と金属基板とが接合する面を予め二乗平均粗さＲｍｓでそれぞれ３５ｎｍ以下とすることを特徴とする請求項８または９に記載の金属−単結晶複合体の接合方法。
【請求項１１】
上記単結晶基板上に、Ｃｕを主成分とする所定パターンの回路を形成したことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の金属−単結晶複合体を用いたことを特徴とする放熱基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）素子等半導体素子、昇華型サーマルプリンターヘッド用基板、面型発熱ヒーター支持基板、サーマルインクジェットプリンターヘッドのヒーター支持基板等の放熱効率を高める目的に用いられる金属−単結晶複合体とその接合方法及びそれを用いた放熱基板に関するものである。
【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放熱基板として、セラミック基板上に銅板、アルミニウム板、各種クラッド板等の金属板を接合して回路を構成した放熱基板が広く用いられている。また、このセラミック基板としては、特許文献１や特許文献２で示されているように安価で汎用性が高いアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）基板、または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）基板や窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）基板等が一般的に使用されており、いずれの材質も焼結体からなるものである。
【０００３】
上述のような銅板等で回路を構成した放熱基板は、例えば図２に示すように、セラミック基板２の一方の表面に金属回路板３としての銅板（以下、銅回路板と称す。）を接合し、他方の表面に銅板４を接合して形成される。
【０００４】
セラミック基板２の表面に各種金属板を接合する手法としては、直接接合法、高融点金属メタライズ法、活性金属法などが用いられる。直接接合法は、例えばセラミック基板２上に、所定形状に打ち抜いて回路を形成した銅板等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、この液相によりセラミック基板２との濡れ性を高め、次いで、この液相を冷却固化させることにより、セラミック基板と銅板等とを直接接合する、いわゆる銅直接接合法（ＤＢＣ法：Ｄｉｒｅｃｔ  Ｂｏｎｄｉｎｇ  Ｃｏｐｐｅｒ法）である。また、高融点金属メタライズ法は、ＭｏやＷなどの高融点金属をセラミック基板２の表面に焼き付けて金属回路層を一体に形成する方法である。また、活性金属法は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆなどの４Ａ族元素のような活性を有する金属を含むＡｇ−Ｃｕロウ材層を介してセラミック基板２上に金属板を一体に接合する方法である。この活性金属法によれば、ロウ材層はＣｕおよびＡｇの主成分により銅回路板との接合強度を高められる一方、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ成分によりロウ材層はセラミック基板２との接合強度が高められる。
【０００５】
なお、具体的な回路の形成方法としては、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たり、接合後にエッチング、レーザー等によりパターニングしたりする等の方法が知られている。
【０００６】
これら直接接合法や活性金属法により得られる放熱基板は、いずれもセラミック基板と金属回路板との接合強度が高く、単純な構造を有するため、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素子に対応できる等の利点を有している。
【０００７】
近年、上述のような放熱基板を使用した半導体装置の高出力化，半導体素子の高集積化が急速に進行し、放熱基板に繰り返して作用する熱応力や熱負荷も増加する傾向にあり、熱応力や熱サイクルに対して十分な接合強度と耐久性が要求されている。
【０００８】
また、特許文献３では、大きな荷重が作用した場合でもクラックや絶縁破壊を招くことが少なく、信頼性の高い放熱基板として、純度が９９．５％以上と高く、気孔率が５体積％以下と低いアルミナ焼結体からなる基板に、前記直接接合法または活性金属法により金属回路板（回路層）を接合した放熱基板が提案されている。
【特許文献１】特許第３２１１８５６号公報
【特許文献２】特許第２７５５５９４号公報
【特許文献３】特開２０００−２７７６６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述の回路基板では、セラミック基板の種類や金属板の接合方法を改良することにより高い接合強度は得られていたものの、特許文献１や特許文献２で提案されているように、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板を、放熱特性を向上させるため例えば厚み０．５ｍｍ以上の銅板に接合しても、接合時の残留応力により機械強度の低い窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板が割れ、金属−単結晶複合体が製造できないという問題があった。また、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）基板を銅板に接合しようとすると、銅の熱膨張係数（１６．２×１０−６／℃）と、窒化ケイ素の熱膨張係数（２．８×１０−６／℃）との差が大きく、その熱膨張差によって発生する応力により、金属−単結晶複合体が大きく反ってしまい、半導体素子を実装できないという問題があった。
【００１０】
また、ベリリア（ＢｅＯ）の熱膨張係数は８．７×１０−６／℃であり、銅の熱膨張係数に比較的近いことから、ベリリア（ＢｅＯ）基板と銅板との接合には何等問題がないように思われるが、ベリリア（ＢｅＯ）自体に毒性や発癌性があるため、取り扱いが極めて困難であるという問題があった。
【００１１】
また、特許文献３で提案されているように、純度９９．５％以上、気孔率５体積％以下のアルミナ焼結体からなるセラミック基板に直接接合法を用いて銅回路板（回路層）を接合した場合、その欠陥を小さくしたことで接合時の応力によるセラミック基板の割れを防止することができるものの、その熱伝導率が８〜３２Ｗ／（ｍ・Ｋ）とあまり高くないことから、回路基板としての熱抵抗が大きく、優れた放熱効率が得られないという問題があった。
【００１２】
さらに、特許文献１〜３で提案された回路基板は、いずれもセラミック基板として、緻密質な焼結体を用いているものの、焼結体であるが故にセラミック基板の表面に形成された微少な気孔から発生する脱粒を防止できないという問題もあった。
【００１３】
本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、セラミック基板の表面に気孔を存在させず、高い放熱特性や優れた耐熱サイクル特性に加え、高い接合強度を有し、割れや絶縁破壊を招くことのない、信頼性が高い回路基板として用いることのできる金属−単結晶複合体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】
本発明の金属−単結晶複合体は、銅または銅合金を主成分とする金属基板に活性金属を主成分とする中間層を介して金属化合物単結晶を主成分とする単結晶基板を接合したことを特徴とするものである。
【００１５】
また、上記中間層は、単結晶基板に接する第１の中間層と、第１の中間層上に形成される第２の中間層とからなり、単結晶基板、第１の中間層、第２の中間層、金属基板の各熱膨張係数のうち、その最大値、最小値をそれぞれαｍａｘ，αｍｉｎとした場合、αｍａｘ−αｍｉｎ≦１１．１×１０−６／℃であることを特徴とするものである。
【００１６】
さらに、上記第１の中間層はＭｏ、Ｒｈ、Ｔｉの少なくともいずれか１種を主成分とし、第２の中間層はＮｉまたはＣｒを主成分とすることを特徴とするものである。
【００１７】
またさらに、上記単結晶基板は、アルミナまたは窒化アルミニウムからなる単結晶を主成分とすることを特徴とするものである。
【００１８】
さらにまた、上記単結晶基板の厚さが０．１３〜０．４ｍｍであることを特徴とするものである。
【００１９】
また、上記金属基板はＦｅ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｐの少なくともいずれか１種を含み、その合計が０．０８〜１．０質量％であることを特徴とするものである。
【００２０】
さらに、上記金属基板に生成される酸化物がオージェ電子分光法による酸素分析で１０原子％以下であることを特徴とするものである。
【００２１】
またさらに、本発明の金属−単結晶複合体の製造方法は、金属化合物単結晶を主成分とする単結晶基板上に、Ｍｏ、Ｒｈ、Ｔｉの少なくともいずれか１種を主成分とする第１の中間層を形成し、第１の中間層上にＮｉまたはＣｒの少なくともいずれか１種を主成分とする第２の中間層を形成した後、Ｃｕを主成分とする結合層を形成し、銅または銅合金を主成分とする金属基板を接合することを特徴とするものである。
【００２２】
さらにまた、上記結合層と金属基板とが接合する面を予め算術平均高さＲａでそれぞれ２０ｎｍ以下とすることを特徴とするものである。
【００２３】
また、上記結合層と金属基板とが接合する面を予め二乗平均粗さＲｍｓでそれぞれ３５ｎｍ以下とすることを特徴とするものである。
【００２４】
さらに、本発明の放熱基板は、上記金属−単結晶複合体の単結晶基板上にＣｕを主成分とする所定パターンの回路を形成したことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２５】
銅または銅合金を主成分とする金属基板に、活性金属を主成分とする中間層を介して金属化合物単結晶を主成分とする単結晶基板を接合した金属−単結晶複合体とすることで、単結晶基板に気孔が形成されないため脱粒を防止することができ、機械強度も高いことから、接合等の破損を防止できるとともに、絶縁抵抗の低下、耐圧リーク等を発生することなく安定した放熱特性が得られる。
【００２６】
また、上記中間層は、単結晶基板に接する第１の中間層と、第１の中間層上に形成される第２の中間層とからなり、単結晶基板、第１の中間層、第２の中間層、金属基板の各熱膨張係数のうち、その最大値、最小値をそれぞれαｍａｘ，αｍｉｎとした場合、αｍａｘ−αｍｉｎ≦１１．１×１０−６／℃を満たすようにすることで、単結晶基板と金属基板との接合時に熱膨張差に起因して発生する応力を低減することができるため、単結晶基板に発生する反りを小さくすることができる。
【００２７】
さらに、上記第１の中間層をＭｏまたはＲｈを主成分とすることで、第１の中間層は上記単結晶基板、金属基板の各ヤング率の中間のヤング率を有するため、接合後に発生する残留応力を低減することができ、第２の中間層をＮｉまたはＣｒを主成分とすることで、前記第１の中間層、金属基板いずれとも濡れ性を上げることができ、接合の信頼性が向上する。また、第１の中間層をＴｉを主成分とすることで、第１の中間層は耐湿性が良好になり、第２の中間層をＮｉまたはＣｒを主成分とすることで、前記第１の中間層、金属基板いずれとも濡れ性を上げることができ、金属−単結晶複合体が高湿環境下で用いられても好適である。
【００２８】
またさらに、上記単結晶基板をアルミナ、窒化アルミニウムのいずれかからなる単結晶を主成分とすることで、上記金属基板との熱膨張係数の差を小さくすることができるので、接合後に発生する残留応力を低減させられる。併せて、これらの単結晶基板は、高い熱伝導率を有することから、高い放熱特性を得ることができる。
【００２９】
さらにまた、上記単結晶基板の厚さを０．１３〜０．４ｍｍとすることで、接合後に発生する残留応力による破損を防止することができるとともに、熱抵抗の小さい、放熱特性が良好な金属−単結晶複合体とすることができる。
【００３０】
また、上記金属基板をＦｅ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｐの少なくともいずれか１種を含み、その合計が０．０８〜１．０質量％である銅から構成することで、接合時の加熱に伴って発生する銅の結晶の粗大化を防止できるため、金属基板とＣｕを主成分とする結合層との接触面積を大きくすることができ、その結果、接合強度が向上し、残留応力による剥離等の問題が低減する。
【００３１】
さらに、上記金属基板に生成される酸化物をオージェ電子分光法による酸素分析で１０原子％以下とすることで、上記金属基板と結合相との接合面積は増加し、この増加に伴って、放熱特性、接合強度とも向上する。
【００３２】
またさらに、金属化合物単結晶を主成分とする単結晶基板上に、Ｍｏ、Ｒｈ、Ｔｉの少なくともいずれか１種を主成分とする第１の中間層を形成し、第１の中間層上にＮｉまたはＣｒの少なくともいずれか１種を主成分とする第２の中間層を形成した後、Ｃｕを主成分とする結合層を形成し、銅または銅合金を主成分とする金属基板を接合することで、上記結合相の形成により、低温での接合を実現できるため、単結晶基板の反りは著しく小さくなり、接合の信頼性が向上する。
【００３３】
さらにまた、上記結合層と金属基板とが接合する面を予め算術平均高さＲａをそれぞれ２０ｎｍ以下とするか、あるいは二乗平均粗さＲｍｓをそれぞれ３５ｎｍ以下とすることで、半田で両者を接合しようとする場合、両者の間に形成される半田層の厚みを低減できるとともに、その剛性が上がり、金属基板と単結晶基板との接合信頼性を向上させられる。また、両者を直接接合しようとする場合、両者の接触面積が増える結果、強固な接合が実現し、高い放熱特性と長期信頼性を兼ね備えた金属−単結晶複合体とすることができる。
【００３４】
また、上記金属−単結晶複合体は、高い放熱特性と長期信頼性を有するので、各種放熱基板に用いることができ、Ｃｕを主成分とする所定パターンの回路が形成された放熱基板に用いても好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明の実施形態を説明する。
【００３６】
本発明の金属−単結晶複合体は、銅または銅合金を主成分とする金属基板に活性金属を主成分とする中間層を介して単結晶基板を接合するものである。
【００３７】
上記単結晶基板として、金属化合物単結晶を主成分とすることで、単結晶基板の欠陥を著しく減少させ、機械強度を高くできることから、接合に伴う破損を防止するとともに、絶縁抵抗の低下、耐圧リーク等の発生を防止して安定した放熱特性を得ることができる。
【００３８】
ここで、単結晶基板は、アルミナ、窒化アルミニウム、マグネシアのいずれかから単結晶体からなり、特に、アルミナ、窒化アルミニウムのいずれかからなる単結晶を主成分とすることが好ましく、その含有率を９９．９９質量％以上とすることがより好適である。これらの単結晶基板は金属基板との熱膨張係数差を小さくすることができ、接合時の残留応力を低減させられるとともに、高い熱伝導率を有することから、高い放熱特性を得ることができる。
【００３９】
また、上記単結晶基板の厚みは、０．１３〜０．４ｍｍとすることが好ましく、厚みをこの範囲にすることで、接合後の残留応力による破損を防止できるとともに、熱抵抗の小さい、放熱特性が良好な金属−単結晶複合体とすることができる。
【００４０】
図１に示すように金属−単結晶複合体が単結晶基板２の表面に所定パターンの回路を形成した金属回路板３を接合し、その裏面に銅板４を接合した放熱基板１である場合、単結晶基板２の厚みが０．１３ｍｍ未満では、単結晶基板２の強度が不足するため、接合後の残留応力によって単結晶基板２が破損し、回路の絶縁が低下する等の問題が発生する。同時に、単結晶基板２の持つ浮遊容量が増加することで、高周波駆動した際、スイッチングノイズが増加し、半導体素子の性能を発揮できないといった問題も発生する。一方、単結晶基板２の厚みが０．４ｍｍを超えると、単結晶基板２の熱抵抗が大きくなり、十分な放熱特性が発揮できないといった問題が発生する。単結晶基板２の厚みは０．２〜０．３８ｍｍとすることがより好適である。
【００４１】
ここで、中間層は、活性金属、例えばＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆを主成分とする各種合金から形成される。
【００４２】
また、中間層は、単結晶基板に接する第１の中間層と、第１の中間層上に形成される第２の中間層とからなり、単結晶基板、第１の中間層、第２の中間層、金属基板の各熱膨張係数のうち、その最大値、最小値をそれぞれαｍａｘ，αｍｉｎとした場合、αｍａｘ−αｍｉｎ≦１１．１×１０−６／℃とすることが好ましい。
【００４３】
αｍａｘ−αｍｉｎ≦１１．１×１０−６／℃とすることにより、単結晶基板と金属基板との接合時に熱膨張差に起因して発生する応力を低減することができるため、単結晶基板に発生する反りを小さくすることができる。また、中間層を第１、第２の２層とすることで、材料選択の幅が増え、強固な接合を容易に実現することができる。この熱膨張係数の差がαｍａｘ−αｍｉｎ≦１１．１×１０−６／℃を超えると、放熱基板として用いた際に放熱機能が低下し、また、この熱膨張係数の差は１０．４×１０−６／℃以下とすることがより好ましい。
【００４４】
特に、第１の中間層として、上記第１の中間層はＭｏ、Ｒｈ、Ｔｉの少なくともいずれか１種を主成分とし、第２の中間層はＮｉまたはＣｒを主成分とすることが好ましい。
【００４５】
第１の中間層は、単結晶基板に対する濡れ性という点からＭｏを主成分とし、ＭｎがＭｏに対して１〜１０質量％含まれているか、あるいはＲｈ、Ｔｉの少なくともいずれか１種を主成分とすることが好適である。また、第１の中間層がＭｏを主成分とし、Ｍｎを１〜１０質量％含む場合、ＳｉＯ２を微量含んでいることが好ましく、ＳｉＯ２は単結晶基板との接合強度の向上に寄与する。
【００４６】
また、第１の中間層をＭｏまたはＲｈを主成分とすることで、第１の中間層は単結晶基板、金属基板の各ヤング率の中間のヤング率を有するため、接合後に発生する残留応力を低減することができ、さらに、Ｔｉを主成分とすることで、第１の中間層は耐湿性が良好になり、第２の中間層をＮｉまたはＣｒを主成分とすることで、前記第１の中間層、金属基板いずれとも濡れ性を上げることができ、金属−単結晶複合体が高湿環境下で用いられても好適である。
【００４７】
ここで、単結晶基板がアルミナ、窒化アルミニウムのいずれかからなる単結晶である場合、各ヤング率はそれぞれ４７０ＧＰａ，３４５ＧＰａ、金属基板が銅からなる場合、そのヤング率は１３０ＧＰａ、第１の中間層がＭｏまたはＲｈを主成分とする場合、各ヤング率はそれぞれ２７６ＧＰａ、２７５ＧＰａである。
【００４８】
第２の中間層は、ＮｉまたはＣｒを主成分とすることで、第１の中間層、金属基板いずれとも濡れ性を向上させることができ、より強固な接合を可能とする。第２の中間層をＮｉを主成分とした場合、第２の中間層に対し、Ｐが８〜１５質量％含まれていることが好ましく、Ｐをこの範囲にすることで第２の中間層に発生する残留応力を常に圧縮状態に保つことができるため、第２の中間層にクラックが入る確率を減少させることができる。同様に、第２の中間層をＮｉを主成分とした場合、第２の中間層に対し、Ｂを１質量％以下含まれていても好適で、この場合、第２の中間層は、耐熱性がより優れたものとなる。
【００４９】
なお、本発明でいう主成分とは、特に断りがない限り、着目している物質において含有率が５０質量％以上であることを意味し、上記金属基板及び単結晶基板は、厚み１ｍｍ以下の箔であってもよい。
【００５０】
また、金属基板は、銅または銅合金を主成分とし、高い放熱特性が求められる場合には、銅の含有率が９９．９６％以上と極めて高い、無酸素銅、タフピッチ銅、りん脱酸銅、無産素銅のいずれかからなる金属基板を用いることが好適であり、特に無酸素銅のうち、銅の含有率が９９．９９５％以上の線形結晶無酸素銅あるいは単結晶状高純度無酸素銅を用いることが好ましい。
【００５１】
さらに、高い接合強度が求められる金属−単結晶複合体にあっては、金属基板はＦｅ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｐの少なくともいずれか１種（以下、微量成分と称す）を含み、その合計が０．０８〜１．０質量％であることが好ましい。
【００５２】
上記微量成分は、金属基板の主成分である銅の結晶の粗大化を抑制する作用を備え、微量成分が１．０質量％を超える場合、銅の結晶の粗大化は防止できるものの、金属基板の熱伝導率は２６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下に低下し、金属−単結晶複合体の放熱特性は低下する。０．０８質量％未満の場合、銅の結晶の粗大化を防止できず、接合面が粗面化することで、金属基板と結合層との接合面積が小さくなり、やはり放熱特性が低下する。
【００５３】
ここで銅の結晶の大きさについては、コード法を用い平均結晶粒径を算出すればよく、より具体的には、微分干渉計を搭載した顕微鏡を用い、結晶粒径に応じて、試料毎に倍率５０〜４００倍の写真を３〜５視野撮影する。そして、この視野毎に、長さ０．０５〜０．２ｍｍの線上に存在する結晶の数をカウントし、平均結晶粒径を算出すればよい。平均結晶粒径は、７０μｍ以下であることが好適である。
【００５４】
また、上記金属基板に生成される酸化物はオージェ電子分光法による酸素分析でそれぞれ１０原子％以下とすることが好適である。
【００５５】
なお、オージェ電子分光法による酸素分析は例えば、走査型オージェ電子分光分析装置（ＰＨＩ製Ｍｏｄｅｌ６８０）を用い、以下のような測定条件で行えばよい。
【００５６】
（１）加速電圧：１０ｋｖ
（２）測定領域：１００μｍ×１００μｍ
（３）試料電流：１０ｎＡ
（４）試料傾斜角：３０°
（５）スパッタリング条件
1.イオン種：Ａｒ＋
2.加速電圧：２ｋＶ
3.スパッタレート：１０ｎｍ／ｍｉｎ
次に、本発明の金属−単結晶複合体の製造方法について説明する。
【００５７】
先ず、金属化合物単結晶、例えばアルミナ、窒化アルミニウムのいずれかからなる単結晶を主成分とする単結晶基板に、Ｍｏの粉体を主成分とし、Ｍｎの粉体が１〜１０質量％添加されたペーストを塗布し、水素雰囲気または水素と窒素の混合雰囲気中、１３００〜１７００℃で熱処理することで、第１の中間層を形成する。また、第１の中間層がＲｈの場合はメッキで、Ｔｉの場合はスパッタリングで形成すればよい。ここで、上記単結晶基板の外寸は、３０ｍｍ×３０ｍｍ×０．１３〜０．４ｍｍ、第１の中間層の厚みは５〜１５μｍとすることが好適である。
【００５８】
次いで、第１の中間層上に、無電解メッキにより、ＮｉまたはＣｒからなる第２の中間層、Ｃｕを主成分とする結合層を順次形成する。ここで、第２の中間層、結合層の厚みはそれぞれ１〜３μm、１０〜２０μｍとすることが好適である。
【００５９】
そして、上記結合層と銅または銅合金を主成分とする金属基板とをＳｎ−Ｂｉ系等の非鉛半田で接合するか、水素雰囲気中、２００〜４００℃で前記結合層と金属基板とを直接接合することで本発明の金属−単結晶複合体を得ることができる。後者の接合方法は、加熱圧着中に消失した界面付近の熱抵抗をおおむねゼロとすることができるため、放熱特性をより向上させられ、好適である。
【００６０】
ここで、高い接合強度が求められる金属−単結晶複合体にあっては、上記金属基板は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｐの少なくともいずれか１種を含み、その合計が０．０８〜１．０質量％であることが好ましい。
【００６１】
また、上記結合層と金属基板とが接合する面を予め算術平均高さＲａでそれぞれ２０ｎｍ以下とするか、二乗平均粗さＲｍｓでそれぞれ３５ｎｍ以下とすることが好ましく、半田で両者を接合しようとする場合、両者の間に形成される半田層の厚みを低減できるとともに、その剛性を向上させることが可能となり、金属基板と単結晶基板との接合信頼性を向上させられる。また、両者を直接接合しようとする場合、接合面の接触が容易になる結果、強固な直接接合が実現し、高い放熱特性と高信頼性を兼ね備えた回路基板を得ることができる。なお、それぞれの接合面をこのような面に加工するには、例えば平均粒径０．５〜１μｍのダイヤモンド砥粒を選択して接合面をラップ加工することで得られ、算術平均高さＲａでそれぞれ１０ｎｍ以下にするか、二乗平均粗さＲｍｓでそれぞれ３０ｎｍ以下にすることがより好適である。
【００６２】
また、接合面の算術平均高さＲａあるいは二乗平均粗さＲｍｓはＪＩＳ  B  ０６０１−２０００に準拠した測定値であり、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて、接合面を画像解析することで求められる。
【００６３】
さらに、金属基板、結合層に生成される酸化物をオージェ電子分光法による酸素分析でそれぞれ１０原子％以下とするには、先ず、金属基板及び結合層の各表面を、砥粒にて、５〜１００μｍ程度研磨し、その後、前記表面を塩酸、純水にて順次洗浄した後、少なくとも水素１０体積％以上、残分を窒素とする還元性雰囲気中、温度２００〜４００℃にて、５〜３０分保持し、その後、還元雰囲気を保ったまま、室温まで冷却すればよい。
【００６４】
水素雰囲気中で金属基板と結合層を加熱圧着して接合する場合、両者の接合面に不純物が残存しないように洗浄し、加熱温度を２００〜４００℃にすることが好ましく、金属基板と結合層を一体化することで、加熱圧着中に消失した界面付近の熱抵抗がおおむねゼロとなるため、放熱特性をさらに向上させることができる。
【００６５】
なお、上記金属基板と結合層の一体化とは、顕微鏡を用い、倍率４０倍で元々存在していた界面の位置を観察したとき、界面を確認できない状態をいう。
【００６６】
また、半田で上記金属基板と結合層を接合する場合、環境に配慮して非鉛半田を用いることが好適で、その中でも共晶点が１３９℃と低いＳｎ−Ｂｉ系半田がより好ましい。
【００６７】
上述に示す金属−単結晶複合体は、図１（ａ）〜（ｅ）に示すように、単結晶基板２上に、Ｃｕを主成分とする所定パターンの回路を形成したことで放熱基板として好適に用いることができる。この放熱基板は、金属化合物単結晶を主成分とする単結晶基板２の表面に、単結晶基板２側より上記第１の中間層５ａ、第２の中間層６ａ、結合層７ａを順次形成し、金属回路板３を接合する一方、単結晶基板２の裏面にも、単結晶基板２側より上記第１の中間層５ｂ、第２の中間層６ｂ、結合層７ｂを順次形成し、放熱作用に優れる銅板４を接合したものを用いればよい。
【００６８】
以上、本発明の金属−単結晶複合体は、上述の通り放熱特性が良好であるため、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）素子等半導体素子、昇華型サーマルプリンターヘッド用基板、面型発熱ヒーター支持基板、サーマルインクジェットプリンターヘッドのヒーター支持基板等にも適用させることができる。
【実施例】
【００６９】
以下本発明の実施例を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
【００７０】
（実施例１）
アルミナを９９．９９質量％含む単結晶からなる３０ｍｍ×３０ｍｍ×０．３ｍｍの単結晶基板に、第１の中間層、第２の中間層、結合層を順次形成した。第１の中間層、第２の中間層及び結合層の主成分となる材質、厚みは表１に示す通りである。そして、結合層と無酸素銅からなる１００ｍｍ×４０ｍｍ×３ｍｍの金属基板を非鉛半田で接合して、本発明の試料Ｎｏ．１〜１１を得た。
【００７１】
また、比較例としてアルミナを９９．９質量％含む焼結体からなる３０ｍｍ×３０ｍｍ×０．３ｍｍのセラミック基板に、表１に示す第１の中間層、第２の中間層、結合層を順次形成した後、結合層と上記金属基板を非鉛半田で接合した試料Ｎｏ．１２も準備した。
【００７２】
次いで、上記試料Ｎｏ．１〜１２を−４０℃まで冷却、同温度で３０分保持した後、１２５℃まで昇温し、同温度で３分保持、再度−４０℃まで冷却するサイクルを１サイクルとする熱サイクル試験を３０００サイクル行い、１０００サイクル毎に超音波探傷法を用いて金属基板の接合部における欠陥の有無を確認した。
【００７３】
なお、超音波探傷法で用いる探触子は焦点深度２５ｍｍのものを用い、パルス発信器より探触子を介して試料に発信される超音波の周波数を１０ＭＨｚとした。また、試料は予め水中に浸積し、金属基板側から超音波を入射させ、接合部から発生する反射波を検出し、倍率１．５倍で反射像を作成した。
【００７４】
この反射像がぼやけたり、白色部が発生したりする場合、接合部には欠陥があることを示し、表１では３０００サイクル後も欠陥の確認されなかったものを○、２０００サイクル後に欠陥が確認されたものを△、１０００サイクル後に欠陥が観察されたものを×とした。
【００７５】
また、材質はそのままで外寸を２ｍｍ×２ｍｍ×０．５ｍｍに変更した単結晶基板を、上述と同様の方法で前記金属基板と接合した後、反対側にも上記と同じ方法で各層を形成し、剥離強度評価用試料を作製した。次いで、この試料を構成する金属基板を治具に固定し、反対側に位置する層の背面から０．５ｍｍ／ｓの速度で上記試料を引っ張った。そして、単結晶基板と金属基板、セラミック基板と金属基板のそれぞれを剥離するのに必要な力をロードセルで測定し、剥離強度を求めた。
【表１】
2006066650.tif 000003
【００７６】
表１からわかるように、比較例の試料Ｎｏ．１２は１０００サイクル後に欠陥が確認されたのに対し、本発明の試料Ｎｏ．１〜１１は１０００サイクル後には欠陥が観察されず、良好であった。
【００７７】
特に、単結晶基板、第１の中間層、第２の中間層、金属基板の各熱膨張係数の最大値と最小値の差が１１．１×１０−６／℃以下であって、第１の中間層がＭｏ，Ｒｈ，Ｔｉの少なくともいずれか１種を主成分とし、第２の中間層がＮｉまたはＣｒである試料Ｎｏ．１，２，３，５，７，９は、３０００サイクル後にも欠陥が観察されず、良好であった。
【００７８】
また、剥離強度についても試料Ｎｏ．１２は１８Ｎ／ｍｍと低かったのに対し、本発明の試料Ｎｏ．１〜１１は２３Ｎ／ｍｍ以上と高く、良好であった。
【００７９】
（実施例２）
ＪＩＳ  R  １６１８−１９９４に準拠して、それぞれアルミナ、窒化アルミニウム、マグネシアからなる単結晶体の試料Ｎｏ．１３〜１５の熱膨張係数を測定し、銅の熱膨張係数１７．７×１０−６／℃との差を比較した。
【００８０】
また、ＪＩＳ  Ｒ  １６１１―１９９７、ＪＩＳ  Ｒ  １６０１−１９９５に準拠して、上記試料の熱伝導率及び３点曲げ強度を測定した。
【００８１】
熱膨張係数、熱伝導率、３点曲げ強度の測定結果を表２に示す。
【表２】
2006066650.tif 000004
【００８２】
表２からわかるように、アルミナ、窒化アルミニウム、マグネシアからなる単結晶体の試料Ｎｏ．１３〜１５の熱膨張係数は銅の熱膨張係数との差が小さいため、金属基板と単結晶基板を接合しても、単結晶基板に発生する反りを小さくでき、半導体素子の実装も容易となる。
【００８３】
特に、アルミナまたは窒化アルミニウムの単結晶体からなる試料Ｎｏ．１３，１４は３点曲げ強度も４００ＭＰａ以上と大きいので、外的な負荷を受けても歪みにくく良好である。
【００８４】
（実施例３）
アルミナを９９．９９質量％含む単結晶からなり、厚みが表３に示される３０ｍｍ角の単結晶基板に、Mｏ−Ｍｎメタライズ法により厚み１０μｍの第１の中間層、次いで第１の中間層上に無電解メッキによりＮｉからなる厚み２μｍの第２の中間層、Ｃｕからなる厚み５０μｍの結合層を順次形成した。そして、結合層と無酸素銅からなる１００ｍｍ×４０ｍｍ×３ｍｍの金属基板を非鉛半田で接合した試料Ｎｏ．１６〜２１を得た後、この試料の熱抵抗及び絶縁破壊電圧を測定した。
【００８５】
具体的には、ヒーターに上記試料を構成する基板が接触するように配置し、試料に一定の加重を加えた状態で、ヒーターに１０分間通電した後、ヒーターと接触する単結晶基板表面の温度と金属基板背面の温度を測定し、その温度差をヒーターの発熱量で除した値を熱抵抗とした。
【００８６】
また、上記試料を別途準備し、単結晶基板の表面にＡｕからなる電極を蒸着し、単結晶基板と金属基板間の絶縁破壊電圧を測定した。
【表３】
2006066650.tif 000005
【００８７】
表３からわかるように、単結晶基板の厚みが０．１３ｍｍより薄い試料Ｎｏ．１６は、熱抵抗が０．５０℃／Ｗと小さく良好であるが、絶縁破壊電圧も３．８ｋＶと低かった。
【００８８】
また、単結晶基板の厚みが０．４ｍｍより厚い試料Ｎｏ．２１は、絶縁破壊電圧が２４ｋＶと高く良好であるが、熱抵抗が０．５８℃／Ｗと大きかった。
【００８９】
一方、単結晶基板の厚みが０．１３〜０．４ｍｍの試料Ｎｏ．１７〜２０は、熱抵抗が０．５６℃／Ｗ以下と小さい上、絶縁破壊電圧も６．２ｋＶ以上と高く、放熱特性、信頼性ともに良好であることがわかった。
【００９０】
（実施例４）
アルミナを９９．９９質量％含む単結晶からなる３０ｍｍ×３０ｍｍ×０．３ｍｍの単結晶基板に、Mｏ−Ｍｎメタライズ法により厚み１０μｍの第１の中間層、無電解メッキによりＮｉからなる厚み２μｍの第２の中間層、Ｃｕからなる厚み５０μｍの結合層を順次形成した。そして、結合層と、銅を主成分とし微量成分としてＦｅ，Ｎｉ，Ｓｎ，Ｚｎ，Pを含む金属基板とを非鉛半田で接合した試料Ｎｏ．２２〜２７を得た。なお、試料Ｎｏ．２２〜２７はそれぞれ平均結晶粒径測定用及び接合界面分析用の試料Ａと、剥離強度測定用の試料Ｂとから構成される。試料Ａの金属基板の外寸は３０ｍｍ×３０ｍｍ×０．３ｍｍ、試料Ｂの金属基板の外寸は２ｍｍ×２ｍｍ×０．５ｍｍである。各金属基板に含まれる微量成分の比率及び各試料を構成する金属基板の熱伝導率は表４に示す通りである。
【００９１】
ここで、試料Ｎｏ．２２〜２７の金属基板の平均結晶粒径については、コード法により算出した。より具体的には、微分干渉計を搭載した顕微鏡を用い、結晶粒径に応じて、試料毎に倍率５０〜４００倍の写真を３視野撮影した。そして、この視野毎に、長さ０．１ｍｍの線上に存在する結晶の数をカウントし、平均結晶粒径を算出した。
【００９２】
この結果を表４に示す。
【００９３】
次いで、上記各試料を−４０℃で３０分保持、次いで１２５℃で３分保持した後、−４０℃まで冷却するというサイクルを１サイクルとして、このサイクルを３０００サイクル実施し、１０００サイクル毎に超音波探傷を用いて接合界面における欠陥の有無を確認した。確認した結果を表４に示す。
【００９４】
なお、超音波探傷法で用いる探触子は焦点深度２５ｍｍのものを用い、パルス発信器より探触子を介して試料に発信される超音波の周波数を１０ＭＨｚとした。また、試料は予め水中に浸積し、金属基板側から超音波を入射させ、接合部から発生する反射波を検出し、倍率１．５倍で反射像を作成した。
【００９５】
この反射像がぼやけたり、白色部が発生したりする場合、接合部には欠陥があることを示し、表４では、３０００サイクル後も欠陥が確認されなかったものを○、２０００サイクル後に欠陥が確認されたものを△とした。
【００９６】
また、実施例１で示した方法と同じ方法で、各試料の剥離強度を測定した。
【表４】
2006066650.tif 000006
【００９７】
金属基板の微量成分が０．０８質量％未満の試料Ｎｏ．２２，２３の熱伝導率は３７５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上と高く、良好であったものの、平均結晶粒径が１６５μｍ以上と大きかったために、２０００サイクル後に欠陥が確認され、剥離強度も２４．５Ｎ／ｍｍ以下と低かった。
【００９８】
逆に、金属基板の微量成分が１．０質量％を超える試料Ｎｏ．２７の平均結晶粒径は１６μｍと小さかったために、２０００サイクル後も欠陥は確認されなかったが、熱伝導率は２５８Ｗ／（ｍ・Ｋ）と低かった。
【００９９】
一方、上記不純物を０．０８〜１．０質量％含む金属基板を接合した試料Ｎｏ．２４〜２６の平均結晶粒径は適正な範囲であったため、３０００サイクル後も接合界面における欠陥はなく、また、熱伝導率、剥離強度もそれぞれ３１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上，３１Ｎ／ｍｍ以上と高く、良好であった。
【０１００】
（実施例５）
アルミナを９９．９９質量％含む単結晶からなる２ｍｍ×２ｍｍ×０．５ｍｍの単結晶基板に、Mｏ−Ｍｎメタライズ法により厚み１０μｍの第１の中間層、次いで第１の中間層上に無電解メッキによりＮｉからなる厚み２μｍの第２の中間層、Ｃｕからなる厚み５０μｍの結合層を順次形成した後、水素雰囲気中、表５に示す温度で還元処理を行い、結合層に生成される酸化物の量を調整した。そして、走査型オージェ電子分光分析装置（ＰＨＩ製Ｍｏｄｅｌ６８０）を用い、以下のような測定条件でオージェ電子分光法による酸素分析を実施した。
【０１０１】
（１）加速電圧：１０ｋｖ
（２）測定領域：１００μｍ×１００μｍ
（３）試料電流：１０ｎＡ
（４）試料傾斜角：３０°
（５）スパッタリング条件
1.イオン種：Ａｒ＋
2.加速電圧：２ｋＶ
3.スパッタレート：１０ｎｍ／ｍｉｎ
次いで、結合層と金属基板とをそれぞれ表５に示した温度と同じ温度で接合した後、実施例１に示した方法と同じ方法で、各試料の剥離強度を測定した。
【表５】
2006066650.tif 000007
【０１０２】
表５からわかるように酸素量が１０原子％を超える試料Ｎｏ．３１は剥離強度が２５Ｎ／ｍｍと低かったのに対し、酸素量が１０原子％以下の試料Ｎｏ．２８〜３０は剥離強度が４７Ｎ／ｍｍ以上と良好であった。
【０１０３】
（実施例６）
アルミナを９９．９９質量％含む単結晶からなる２ｍｍ×２ｍ×０．５ｍｍの単結晶基板に、Mｏ−Ｍｎメタライズ法により厚み１０μｍの第１の中間層、次いで第１の中間層上に無電解メッキによりＮｉからなる厚み２μｍの第２の中間層、Ｃｕからなる厚み５０μｍの結合層を順次形成した後、結合層の接合面をダイヤモンド砥粒にてラップ加工を行った。ラップ加工後の接合面の算術平均高さＲａは表６に示す通りである。その後、結合層と無酸素銅からなる１００ｍｍ×４０ｍｍ×３ｍｍの金属基板を非鉛半田で接合した試料Ｎｏ．４４〜４９を得た。金属基板と単結晶基板を接合する半田層の厚みは、表６に示す通りである。なお、金属基板の接合面も予めダイヤモンド砥粒にてラップ加工を行い、接合面の算術平均粗さＲａを表６に示す通りとした。
【０１０４】
次いで、実施例１で示した方法と同じ方法で、各試料の剥離強度を測定した。
【表６】
2006066650.tif 000008
【０１０５】
表６からわかるように両者の接合面の算術平均高さＲａが２０ｎｍを超える試料Ｎｏ．４９は、半田層の厚みが０．１５５ｍｍと厚く、剥離強度は３１Ｎ／ｍｍと低かった。
【０１０６】
一方、接合面の算術平均高さＲａが２０ｎｍ以下の試料Ｎｏ．４４〜４８は、半田層の厚みが０．０８８ｍｍ以下と薄く、剥離強度は３６Ｎ／ｍｍ以上と高かった。
【０１０７】
（実施例７）
アルミナを９９．９９質量％含む単結晶からなる２ｍｍ×２ｍｍ×０．５ｍｍの単結晶基板に、Mｏ−Ｍｎメタライズ法により厚み１０μｍの第１の中間層、次いで第１の中間層上に無電解メッキによりＮｉからなる厚み２μｍの第２の中間層、Ｃｕからなる厚み５０μｍの結合層を順次形成した後、結合層の接合面をダイヤモンド砥粒にてラップ加工を行った。ラップ加工後の接合面の二乗平均粗さＲｍｓは表７に示す通りである。その後、結合層と無酸素銅からなる１００ｍｍ×４０ｍｍ×３ｍｍの金属基板を非鉛半田で接合した試料Ｎｏ．５０〜５５を得た。金属基板と単結晶基板を接合する半田層の厚みは、表７に示す通りである。なお、金属基板の接合面も予めダイヤモンド砥粒にてラップ加工を行い、接合面の二乗平均粗さＲｍｓを表７に示す通りとした。
【０１０８】
次いで、実施例１に示した方法と同じ方法で、各試料の剥離強度を測定した。
【表７】
2006066650.tif 000009
【０１０９】
表７からわかるように接合面の算術平均高さＲａが３５ｎｍを超える試料Ｎｏ．５５は半田層の厚みが０．１６４ｍｍと厚かったために、剥離強度が３０Ｎ／ｍｍ以下と低かった。
【０１１０】
一方、接合面の算術平均高さＲａが３５ｎｍ以下の試料Ｎｏ．５０〜５４は半田層の厚みが０．０９７ｍｍ以下と薄かったために、剥離強度は３２Ｎ／ｍｍ以上と高かった。
【図面の簡単な説明】
【０１１１】
【図１】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）はそれぞれ本発明の金属−単結晶複合体の平面図、ＡＡ断面図、背面図、Ｂ部拡大図、Ｃ部拡大図である。
【符号の説明】
【０１１２】
１：放熱基板
２：単結晶基板
３：金属回路板
４：銅板
５ａ，５ｂ：第１の中間層
６ａ，６ｂ：第２の中間層
７ａ，７ｂ：結合層
【図１】
2006066650.tif 000010