(57)【要約】【課題】メタライズ層が良好な接合強度を有すると共に、冷熱サイクルが印加された際に、クラックの発生やメタライズ層の剥離が抑制され、信頼性に優れた表面導電性セラミックス部材を製造する方法を提供する。【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部材と、このセラミックス部材表面に設けられた高融点金属法、活性金属の単体あるいは化合物を含む厚膜法またはＴｉ薄膜から選ばれる少なくとも１種からなる導電性メタライズ層とを有する表面導電性セラミックス部材の製造方法であって、前記導電性メタライズ層の端部から１００μｍ以内における前記セラミックス部材の表面残留応力値が該セラミックス部材の材料強度の７０％以下となるように、前記導電性メタライズ層の角部にＲ形状を設けることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化アルミニウム焼結体からなるセラミックス部材と、このセラミックス部材表面に設けられた高融点金属法、活性金属の単体あるいは化合物を含む厚膜法またはＴｉ薄膜から選ばれる少なくとも１種からなる導電性メタライズ層とを有する表面導電性セラミックス部材の製造方法であって、
前記導電性メタライズ層の端部から１００μｍ以内における前記セラミックス部材の表面残留応力値が該セラミックス部材の材料強度の７０％以下となるように、前記導電性メタライズ層の角部にＲ形状を設けることを特徴とする表面導電性セラミックス部材の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の表面導電性セラミックス部材の製造方法において、
前記表面残留応力値は、引張り残留応力を対象としていることを特徴とする表面導電性セラミックス部材の製造方法。
【請求項３】
請求項１記載の表面導電性セラミックス部材の製造方法において、
前記表面残留応力値は、照射面積が０．２ｍｍ２以下の微小Ｘ線を用いた残留応力測定方法によって測定された値であることを特徴とする表面導電性セラミックス部材の製造方法。
【請求項４】
請求項１記載の表面導電性セラミックス部材の製造方法において、
前記導電性メタライズ層の端部は、外周側に向けて厚さが漸減していることを特徴とする表面導電性セラミックス部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面に導電性メタライズ層を有するセラミックス部材の製造方法に係り、特に冷熱サイクルの印加に対する信頼性を向上させた表面導電性セラミックス部材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
セラミックス部材は、一般に、軽量でかつ高硬度を有する、耐熱性や耐食性に優れる、電気絶縁性に優れる等という特徴を有しており、これらの特徴を生かして構造用材料や電気・電子部品用材料等として利用されている。
【０００３】
例えば、高電気絶縁性等の特性を利用して、セラミックス部材は電子部品の搭載用基板等として使用されている。このような場合、回路の形成や電子部品の搭載部の形成等を目的として、セラミックス部材の表面に導電性を有する金属化層（メタライズ層）を形成することが不可欠とされている。
【０００４】
このように、セラミックス部材の表面に導電性メタライズ層を形成する方法としては、ＭｏやＷ等の高融点金属を用いたメタライズ法、蒸着やスパッタリングによる薄膜メタライズ法、ＣｕやＡｇ等を主として含むペーストを用いた厚膜メタライズ法等が使用されている。
【０００５】
ところで、窒化アルミニウム等の非酸化物系セラミックス部材にメタライズ層を形成しようとした場合、メタライズ層形成材料に対する濡れ性が酸化物系のセラミックス部材に比べて劣るため、セラミックス部材とメタライズ層との接合強度を高めるための方策が施されている。例えば、ＭｏやＷ等の高融点金属を主とするメタライズ用組成物を用いる際には、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂのような活性金属の窒化物等を添加し、濡れ性を改善すると共に直接接合に寄与させて、接合強度を高めることが行われている。また、ＣｕやＡｇ等を主とするペーストを用いる際にも、同様な理由から活性金属を添加することが行われている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、導電性メタライズ層を有するセラミックス部材には、メタライズ層とセラミックス部材との高接合強度が求められる一方、セラミックス部材の熱膨張率は金属材料のそれに比べて小さいため、この熱膨張差に起因する欠点の発生を抑制することが強く求められている。
【０００７】
すなわち、熱膨張率が大きく異なるメタライズ層形成材料によって、セラミックス部材の表面にメタライズ層を形成すると、接合後の冷却過程で熱膨張差に起因する残留応力が生じ、外部応力との相乗によって接合強度が大幅に低下したり、接合後の冷却過程あるいは冷熱サイクルの印加によって応力の最大点からクラックが発生したり、またメタライズ層が剥離してしまう等の問題を招いてしまう。
【０００８】
このような点に対して、従来のメタライズ法では、高接合強度は得られても、冷熱サイクル等の印加に対して十分な信頼性を再現性よく得るまでには至っていない。例えば、導電性メタライズ層を形成したセラミックス部材は、半導体素子等の搭載部品として用いられているが、近年の半導体素子の高集積化や大電力化によって、半導体素子からの放熱量が飛躍的に増大していることから、冷熱サイクルの印加等に対する信頼性を向上させることが強く望まれている。
【０００９】
一方、非破壊で導電性メタライズ層を有するセラミックス部材の冷熱サイクル等の印加によるクラックの発生を予測することが可能となれば、部品としての信頼性を大幅に向上させることが可能となるため、そのような状態を非破壊で評価する方法が強く求められている。
【００１０】
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、良好な接合強度を有すると共に、冷熱サイクルが印加された際にもクラックの発生やメタライズ層の剥離等を抑制することを可能にした、信頼性に優れた表面導電性セラミックス部材を製造する方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
すなわち、本発明の表面導電性セラミックス部材の製造方法は、窒化アルミニウム焼結体からなるセラミックス部材と、このセラミックス部材表面に設けられた高融点金属法、活性金属の単体あるいは化合物を含む厚膜法またはＴｉ薄膜から選ばれる少なくとも１種からなる導電性メタライズ層とを有する表面導電性セラミックス部材の製造方法であって、前記導電性メタライズ層の端部から１００μｍ以内における前記セラミックス部材の表面残留応力値が該セラミックス部材の材料強度の７０％以下となるように、前記導電性メタライズ層の角部にＲ形状を設けることを特徴としている。
【００１２】
本発明の表面導電性セラミックス部材の製造方法では、前記表面残留応力値は引張り残留応力を対象としていることが好ましい。また、本発明の表面導電性セラミックス部材の製造方法では、前記表面残留応力値は照射面積が０．２ｍｍ２以下の微小Ｘ線を用いた残留応力測定方法によって測定された値であることが好ましい。さらに、本発明の表面導電性セラミックス部材の製造方法では、前記導電性メタライズ層の端部は外周側に向けて厚さが漸減していることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の表面導電性セラミックス部材の製造方法によれば、冷熱サイクルが印加された際に、クラック等の発生やメタライズ層の剥離が再現性よく抑制された表面導電性セラミックス部材を製造することが可能となる。よって、冷熱サイクルの印加に対する信頼性に優れた導電性メタライズ層を有するセラミックス部材を、安定して提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の表面導電性セラミックス部材の製造方法は、窒化アルミニウム焼結体からなるセラミックス部材と、このセラミックス部材表面に設けられた高融点金属法、活性金属の単体あるいは化合物を含む厚膜法またはＴｉ薄膜から選ばれる少なくとも１種からなる導電性メタライズ層とを有する表面導電性セラミックス部材の製造方法であって、前記導電性メタライズ層の端部から１００μｍ以内における前記セラミックス部材の表面残留応力値が該セラミックス部材の材料強度の７０％以下となるように、前記導電性メタライズ層の角部にＲ形状を設けることを特徴としている。
【００１５】
本発明に用いられるセラミックス部材としては、非酸化物系焼結体である窒化アルミニウム焼結体からなるセラミックス部材が用いられる。
【００１６】
また、導電性メタライズ層としては、高融点金属法、厚膜法、薄膜法の各種のメタライズ法を用いて形成したものを適用する。例えば、高融点金属法に用いられるメタライズ用組成物としては、ＭｏやＷ等を主成分とし、これにＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ等の活性金属の単体または窒化物のような化合物を添加したもの、さらにこれらに他の遷移金属の化合物を添加したもの等が例示される。また、厚膜法に用いられるメタライズ用組成物としては、Ａｇ／ＰｄやＡｇ／Ｐｔ等を含む組成物、ＣｕにＺｎＯ−Ｂ２Ｏ３−ＳｉＯ３系等のガラス成分を添加した組成物、主成分となるＣｕにＡｇおよびＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ等の活性金属を添加した組成物等が例示される。
【００１７】
本発明の表面導電性セラミックス部材の製造方法は、セラミックス部材表面に導電性メタライズ層を形成する際に発生する表面残留応力値を、導電性メタライズ層の角部にＲ形状を設け、セラミックス部材の材料強度の７０％以下とすることによって、冷熱サイクルが印加された際の信頼性が大幅に向上された表面導電性セラミックス部材を製造するものである。
【００１８】
ここで、セラミックス部材上にメタライズ層を形成することによって発生する応力は、メタライズ層形成部近傍のセラミックス部材側に圧縮と引張りの残留応力分布として存在し、特にメタライズ層の端部近傍のセラミックス部材表面に残留応力の主応力が作用する。そして、上記した残留応力のうち、引張り成分がセラミックス部材の引張り強度を超えると、クラックが発生したり、さらにはメタライズ層の剥離が起こる。上記した残留応力は、メタライズ層形成後の冷却過程において、直接的にセラミックス部材にクラック等を発生させることがなくとも、その後に冷熱サイクルが印加されることによって助長され、結果的にクラックやメタライズ層の剥離等を招くこととなる。
【００１９】
これに対して、本発明のように、セラミックス部材の最大主応力発生部位における表面残留応力値を、当該セラミックス部材の材料強度の７０％以下と規定することによって、冷熱サイクルが印加された際にクラックやメタライズ層の剥離が起こることを防止することが可能となる。より好ましい表面残留応力値は、当該セラミックス部材の材料強度の５０％以下に規定することである。上記した最大主応力発生部位は、基本的にはメタライズ層の形成端部となるが、本発明で規定する表面残留応力値はメタライズ層の端部から１００μｍの範囲で測定した値を指すものとする。
【００２０】
本発明において規定するセラミックス部材の材料強度は、上述したように引張り強度であり、この引張り強度は単軸または２軸引張り試験によって測定された値、あるいは曲げ試験による強度とワイブル係数から換算された値を指すものとする。
【００２１】
また、本発明の表面導電性セラミックス部材の製造方法は、メタライズ層の形成端部におけるセラミックス部材の表面残量応力値を測定することを可能にしたことによって達成されたものである。このような微小領域の残留応力値は、Ｘ線回折を利用することによって、非破壊で高精度に測定することができる。以下に、Ｘ線回折を用いた残留応力測定方法について述べる。
【００２２】
セラミックス部材内に生じた残留応力は、この応力の大きさに比例して結晶の格子面間隔（ｄ値）を変化させる。生じた残留応力が引張り応力の場合、応力と平行方向の面間隔ｄ値は小さくなり、応力に直角方向の面間隔ｄ値は大きくなる。また圧縮応力の場合にはその逆になる。この性質を利用し、図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、被検体測定面法線Ｎと格子面法線Ｎ′とのなす角度（Ｘ線入射角）ψを変化させてＸ線を照射し、ある特定の回折ピークの回析角度（２θ）の変化を調べることにより、次式から残留応力σＴが求まる。
【００２３】
【数１】
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Ｋは材料および測定波長によって決まる応力定数であるため、測定値（ψと２θ）から図７に示すように、２θとｓｉｎ２ψとのグラフを作成し、例えば最小二乗法によって勾配を求め、それにＫを乗ずれば、残留応力σＴは一義的に求まる。
【００２４】
このように、Ｘ線回折を利用して残留応力を測定する際、Ｘ線の照射面積は０．２ｍｍ２以下とすることが好ましい。このように、微小Ｘ線により残留応力を測定することによって、メタライズ層の形成端部におけるセラミックス部材表面の残留応力値を精細に判定することが可能となる。なお、残留応力のＸ線による測定値は、Ｘ線照射領域の中心部位で測定したものとする。
【００２５】
上記した残留応力の測定に使用する回折ピークは、高角度側に位置していると共に強度が大きく、さらに孤立したピークであることが要求される。
【００２６】
窒化アルミニウム焼結体については、従来、適当なＸ線源と高角度側の孤立ピークが見出だされていなかったため、Ｘ線回折による残留応力の測定は行われていなかったが、本発明者らは新たに、Ｃｕ−Ｋα線を照射した際に得られる、２θ＝１４８．２６ｄｅｇを中心に持つＡｌＮ（２０５）面の回折ピークが、上記した条件を全て満足することを見出だし、窒化アルミニウム焼結体に対してもＸ線回折による残留応力の測定を可能にした。
【００２７】
なお、図８および図９に、窒化アルミニウム焼結体にＣｕ−Ｋα線（５０ｋＶ，１００ｍＡ）を照射した際のＸ線回折パターンの一例を示す。これによって、窒化アルミニウム焼結体を用いて、本発明のセラミックス−金属接合体を構成した場合においても、微小領域における表面残留応力の測定が可能となり、冷熱サイクルに対する信頼性を高めるという本発明の目的が達成される。
【００２８】
このように、本発明の表面導電性セラミックス部材は、冷熱サイクルの付加に対する信頼性を大幅に向上させたものであると同時に、上述したようなＸ線回折を利用した残留応力測定方法によって表面残留応力値を測定することにより、非破壊で冷熱サイクルに対する信頼性を評価することを可能にしたものである。すなわち、本発明の表面導電性セラミックス部材の製造方法では、メタライズ層の端部近傍におけるセラミックス部材表面の残留応力値を、上述したようなＸ線回折法によって非破壊で測定し、当該セラミックス部材の材料強度の７０％以下であるものを選択することによって得てもよいが、
（Ａ）メタライズ層の角部をＲ形状とする。
（Ｂ）メタライズ層の端部の厚さを外周側に向けて漸減させる。
の一方の手法もしくは両方を組み合わせて適用することにより、安定して本発明の目的とするところの表面導電性セラミックス部材を得ることができる。
【００２９】
上記した（Ａ）の手法は、特にメタライズ層の角部近傍に大きな応力が作用するため、メタライズ層の角部をＲ形状とすることによって、セラミックス部材表面の残留応力を低減することが可能となる。
【００３０】
また、高融点金属法や厚膜法によるメタライズ層のように、ある程度の厚さを有するメタライズ層の場合には、上記（Ｂ）に示すように、加熱接合後の冷却過程や冷熱サイクルの印加により生じる熱応力の主応力部となるメタライズ層の端部を、例えばテーパー状として外周側に向けて厚さを漸減させることによって、熱応力が肉薄部の塑性変形によって吸収されるため、セラミックス部材に発生する残留応力を低減することができる。よって、メタライズ層の形成端部近傍におけるセラミックス部材の表面残留応力値を、安定して当該セラミックス部材の材料強度の７０％以下とすることが可能となる。上記テーパー状とする場合の角度としては、おおよそ６０度以下とすることが好ましい。
【００３１】
本発明の表面導電性セラミックス部材の製造方法は、例えば以下のようにして行われる。高融点金属法や厚膜法を適用する場合には、まず上記したようなメタライズ用組成物粉末を用意し、これに樹脂結合剤および必要に応じて分散媒を添加し、均一に分散させて所望の粘度のメタライズ用ペーストを作製する。
【００３２】
次に、上記メタライズ用ペーストをセラミックス部材上に、例えばスクリ―ン印刷法によって所要の形状に塗布する。この際、上記（Ｂ）の手法を適用する際には、塗布層の端部をテーパー状とする。そして、乾燥させた後に、用いたセラミックス部材に応じた雰囲気中にて加熱、焼成し、メタライズ層を形成する。焼成温度は、用いたメタライズ用組成物に応じた温度、例えば高融点金属法の際には１５００℃〜１９００℃程度、また厚膜法の際には７００℃〜９００℃程度とすることが好ましい。
【００３３】
また、未焼成のセラミックス成形体上にメタライズ用ペーストを塗布し、セラミックス部材と同時に焼成することも可能である。
【実施例】
【００３４】
次に、本発明の実施例について説明する。
【００３５】
実施例１
まず、セラミックス部材として、厚さ０．８ｍｍの板状の窒化アルミニウム焼結体を用意した。一方、メタライズ用組成物として、ＭｏとＴｉＮとの混合粉末を用意し、この混合粉末に適量の結合剤樹脂および分散媒を混合してメタライズ用ペーストを作製した。
【００３６】
次に、図１に示すように、上記窒化アルミニウム基板１の表面に、メタライズ用ペ―ストをスクリーン印刷し、乾燥させた。このメタライズ用ペ―ストの塗布層（２）は、その主要部２ａがほぼ均一な塗膜厚（乾燥後）に対し、外周部２ｂを４５度のテーパー形状とすると共に各角部をＲ形状とした。
【００３７】
この後、上記メタライズ用ペ―ストを塗布した窒化アルミニウム基板を焼成して、メタライズ基板３を作製した。
【００３８】
このようにして得たメタライズ基板３の窒化アルミニウム基板１表面における残留応力値をＸ線回折法によって測定した。また、上記メタライズ層２上にＮｉメッキを施した後についても、同様に残留応力値を測定した。残留応力の測定条件は、以下の通りである。
【００３９】
まず、図２に示すように、メタライズ層２の形成端部に相当する窒化アルミニウム基板１の表面部位に、特性Ｘ線として５０ｋＶ、１００ｍＡのＣｕ−Ｋα線（Ｎｉフィルタ、コリメータ径＝φ０．１ｍｍ、照射面積＝０．０１６ｍｍ２〜０．０３１ｍｍ２）Ａを、Ｘ線入射角ψを変化させて照射し、各Ｘ線入射角ψに対するＡｌＮ（２０５）面の回折ピーク（２θ＝１４８．２６ｄｅｇ）の実際の回折角度２θをそれぞれ求めた。なお、Ｘ線入射角ψは、５度、１５度、２０度、２５度、３０度および３５度とした。
【００４０】
ここで、メタライズ層２の端部は、若干湾曲した形状となるが、図２に示すように実質的な端部での測定値を、メタライズ層２の形成端部における測定値とした。なお測定値は、Ｘ線照射領域Ｂの中心位置における測定結果とする。これらの測定結果に基づく２θ−ｓｉｎ２ψのグラフを図３に示す。そして、応力定数Ｋ（ｋｇ／ｍｍ２）と図３に示すグラフの傾きから、上記窒化アルミニウム基板１表面におけるメタライズ層２端部の残留応力を求めたところ、窒化アルミニウム基板１の引張り強度の７０％以下を満足していた。
【００４１】
次に、上記窒化アルミニウム基板１の表面において、メタライズ層２の形成端部から順次外周側に測定位置をずらして、同様に残留応力値を求めた。その測定結果を図４に示す。図４から明らかなように、メタライズ層の形成端部に最大主応力（引張り残留応力）が作用し、外周に向けて残留応力値が減少していることが分かる。これからも、メタライズ層の形成端部の引張り残留応力を減少させることによって、熱履歴に対する信頼性を向上させ得ることが明らかである。
【００４２】
また、本発明との比較として、メタライズ層の外周部にテーパー部および角部にＲ形状部を設けない以外は、上記実施例と同一条件でメタライズ基板を作製した。このメタライズ基板における窒化アルミニウム基板表面の残留応力値を、上記実施例１と同様にして測定したところ、窒化アルミニウム基板１の材料強度の７０％を超えていた。
【００４３】
次に、上記実施例１および比較例１で作製した各メタライズ基板（Ｎｉメッキなし）に、冷熱サイクル試験（ＴＣＴ）を施し、クラック発生までのサイクル数によって、耐冷熱サイクル特性を評価した。ＴＣＴは−４０℃×３０分＋ＲＴ×１０分＋１２５℃×３０分＋ＲＴ℃×１０分を１サイクルとした。また、クラックの有無は蛍光浸透探傷（ＰＴ）検査で判定した。その結果、実施例１による接合体では良好な結果が得られたのに対し、比較例１による接合体は早期にクラックの発生が認められた。
【００４４】
実施例２
実施例１と同一の窒化アルミニウム基板表面に、各角部をＲ形状としたＴｉ薄膜を薄膜形成技術によって成膜して、メタライズ基板を作製した。このメタライズ基板のＴｉ薄膜形成端部に相当する窒化アルミニウム表面の残留応力値を実施例１と同様にして測定した。その測定結果に基づく２θ−ｓｉｎ２ψのグラフを図５に示す。そして、応力定数Ｋと図５に示すグラフの傾きから、窒化アルミニウム基板表面におけるＴｉ薄膜形成端部の残留応力を求めたところ、１１．２３±４ｋｇｆ／ｍｍ２という値が得られた。また、上記Ｔｉ薄膜を有する窒化アルミニウム基板の耐冷熱サイクル特性（クラック発生までのサイクル数）を、実施例１と同様に評価したところ、良好な結果が得られた。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の一実施例で作製したメタライズ基板の構造を示す断面図である。
【図２】本発明に係る表面導電性セラミックス部材における残留応力値の測定位置を説明するための図である。
【図３】本発明の一実施例における残留応力の測定結果である２θ−ｓｉｎ２ψのグラフを示す図である。
【図４】本発明の一実施例におけるメタライズ基板のメタライズ層形成端部から順次測定した残留応力値を示すグラフである。
【図５】本発明の他の実施例における残留応力の測定結果である２θ−ｓｉｎ２ψのグラフを示す図である。
【図６】Ｘ線による残留応力の測定原理を示す図である。
【図７】Ｘ線による残留応力の算出方法を説明するための図である。
【図８】窒化アルミニウム焼結体にＣｕ−Ｋα線を照射した際のＸ線回折パターンの一例を示す図である。
【図９】窒化アルミニウム焼結体にＣｕ−Ｋα線を照射した際のＸ線回折パターンの一例を拡大して示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１……窒化アルミニウム基板、２……メタライズ層、３……メタライズ基板
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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