(57)【要約】  【課題】  セラミックス部材と金属部材とを強固に接合することが可能なろう材およびこれを用いて接合され、放熱を繰り返しても短絡が発生しにくい放熱基体ならびにこの放熱基体の回路部材上に電子部品を搭載した電子装置を提供する。  【解決手段】  銅および錫を主成分とし、チタン，ジルコニウム，ハフニウムおよびニオブから選択される少なくとも１種の活性金属と、銀とを含み、銀の含有量が５質量％以上18質量％以下のろう材であることにより、活性金属と銅との結合によって発生する脆化を抑制することができるので、この脆化に伴う支持基板21と回路部材41および放熱部材42との接合強度の低下を防止することができる。また、支持基板21と回路部材41および放熱部材42との接合部における不要なはみ出しの少ない粘度のろう材とすることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅および錫を主成分とし、チタン，ジルコニウム，ハフニウムおよびニオブから選択される少なくとも１種の活性金属と、銀とを含み、該銀の含有量が５質量％以上１８質量％以下であることを特徴とするろう材。
【請求項２】
前記錫の含有量ＭＳｎに対する前記銅の含有量ＭＣｕの比率（ＭＣｕ／ＭＳｎ）が０．８以上２．０以下であることを特徴とする請求項１に記載のろう材。
【請求項３】
前記活性金属の含有量が１質量％以上６質量％以下であることを特徴とする請求項２に記載のろう材。
【請求項４】
絶縁性の支持基板の第１主面側に回路部材を、前記第１主面に対向する第２主面側に放熱部材をそれぞれ設けてなる放熱基体であって、前記回路部材および前記放熱部材は、それぞれ前記支持基板側から請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のろう材からなる接合層および銅を主成分とする金属層を順次介して前記支持基板と接合されていることを特徴とする放熱基体。
【請求項５】
前記活性金属が前記支持基板の前記第１主面近傍および前記第２主面近傍の元素と化学結合していることを特徴とする請求項４に記載の放熱基体。
【請求項６】
前記支持基板は窒化珪素または窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスからなることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の放熱基体。
【請求項７】
前記回路部材および前記放熱部材はそれぞれ銅を主成分とすることを特徴とする請求項４乃至請求項６のいずれかに記載の放熱基体。
【請求項８】
請求項４乃至請求項７のいずれかに記載の放熱基体における前記回路部材上に電子部品を搭載したことを特徴とする電子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックス基板の一方の主面に回路部材を、他方の主面に放熱部材を接合する際に用いられるろう材に関するものである。また、セラミックス基板に、このろう材からなる接合層および銅を主成分とする金属層を順次介して回路部材および放熱部材が接合された放熱基体およびこの放熱基体の回路部材上に電子部品が搭載された電子装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置の構成部品として、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）素子，金属酸化膜形電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）素子，発光ダイオード（ＬＥＤ）素子，フリーホイーリングダイオード（ＦＷＤ）素子，ジャイアント・トランジスター（ＧＴＲ）素子等の半導体素子，昇華型サーマルプリンターヘッド素子，サーマルインクジェットプリンターヘッド素子等の各種電子部品が放熱基体の回路部材上に搭載された電子装置が用いられている。
【０００３】
そして、電子部品を搭載する回路部材を設けてなる放熱基体としては、セラミックス基板の一方の主面に回路部材として銅板を接合し、他方の主面に放熱性の良好な放熱部材として銅板を接合してなる放熱基体が用いられており、セラミックス基板と、回路部材および放熱部材との接合にはろう材が用いられている。
【０００４】
そのため、セラミックス基板に回路部材および放熱部材を接合する際に用いられるろう材には高い接合強度が求められ、ろう材からなる接合層を介してセラミックス基板に回路部材および放熱部材が接合された放熱基体には、放熱特性に優れ長期間の使用に耐え得る高い信頼性が求められている。
【０００５】
このような放熱基体として、例えば特許文献１には、セラミック基板上にＣｕを主成分とした金属回路層および放熱層のうちの少なくとも金属回路層が活性金属を含んだろう材を用いた活性ろう付けによって接合されているセラミック回路基板が提案されており、接合に用いられるろう材は、ろう材の全質量を100質量％とした場合、6.0〜60質量％のＳｎと、2.0〜9.5質量％のＴｉ，Ｎｂ，ＨｆおよびＺｒのうちの少なくとも１種と、残部Ｃｕとからなり、Ａｇを含有しないものである。このろう材を用いれば、互いに隣り合っているパターン間の距離を１ｍｍとなるようにエッチングレジストを印刷した場合、そのパターン間の距離を1.10ｍｍ以下にすることができるとともに、エッチングダレが起こりにくくエッチング精度に優れたセラミック回路基板とすることができるというものである。また、セラミック基板と金属回路層との接合における加熱温度は800〜1070℃であることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開2003−283064号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１で提案されたセラミック回路基板は、ろう材層をＣｕ基とすることにより、金属回路層とセラミック層との耐力耐熱サイクル性を向上させてはいるものの、Ａｇを含有しないことから、近年のように、高集積化の進展に伴って、セラミックス基板上に配置される金属回路層の個数が増えると、セラミック層に対する金属回路層の接合面積が減少して、Ｔｉ，Ｎｂ，ＨｆおよびＺｒのうちの一部の元素とＣｕの結合によって発生する脆化の影響が相対的に大きくなり、金属回路層とセラミック層との接合強度が不足するという問題が発生するようになっていた。
【０００８】
また、ろう材層は、Ａｇを含有しないことから、ろう材層内のＴｉ，Ｎｂ，ＨｆおよびＺｒのうちの一部の元素が、金属回路層の接合面と反対側の表面に移動して、この表面にはんだ付けにより半導体素子を接合する場合、その前処理として、はんだの濡れ性をよくするため化学研磨をすると、上記元素が析出しやすく、半導体素子を強固に接合しにくいという問題もあった。
【０００９】
本発明は上記課題を解決すべく案出されたものであり、セラミックス部材と金属部材とを強固に接合することが可能なろう材およびこれを用いて接合された放熱基体ならびにこの放熱基体の回路部材上に電子部品を搭載した電子装置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】
【００１０】
本発明のろう材は、銅および錫を主成分とし、チタン，ジルコニウム，ハフニウムおよびニオブから選択される少なくとも１種の活性金属と、銀とを含み、該銀の含有量が５質量％以上18質量％以下であることを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明のろう材は、上記構成において、前記錫の含有量ＭＳｎに対する前記銅の含有量ＭＣｕの比率（ＭＣｕ／ＭＳｎ）が0.8以上2.0以下であることを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明のろう材は、上記構成において、前記活性金属の含有量が１質量％以上６質量％以下であることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明の放熱基体は、絶縁性の支持基板の第１主面側に回路部材を、前記第１主面に対向する第２主面側に放熱部材をそれぞれ設けてなる放熱基体であって、前記回路部材および前記放熱部材は、それぞれ前記支持基板側から上記いずれかの構成のろう材からなる接合層および銅を主成分とする金属層を順次介して前記支持基板と接合されていることを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明の放熱基体は、上記構成において、前記活性金属が前記支持基板の前記第１主面近傍および前記第２主面近傍の元素と化学結合していることを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明の放熱基体は、上記いずれかの構成において、前記支持基板は窒化珪素または窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスからなることを特徴とするものである。
【００１６】
また、本発明の放熱基体は、上記いずれかの構成において、前記回路部材および前記放熱部材はそれぞれ銅を主成分とすることを特徴とするものである。
【００１７】
また、本発明の電子装置は、上記いずれかの構成の放熱基体における前記回路部材上に電子部品を搭載したことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のろう材によれば、銅および錫を主成分とするろう材であって、チタン，ジルコニウム，ハフニウムおよびニオブから選択される少なくとも１種の活性金属と、銀とを含み、銀の含有量が５質量％以上であることにより、銅は活性金属より銀と結合しやすく、得られた銅と銀との化合物は、活性金属と銅との化合物より脆化しにくいため、支持基板と回路部材および放熱部材との接合強度の低下を防止することができる。さらに、回路部材および放熱部材を接合するときに金属層の表面に研磨を施したとしても、活性金属が金属層に移動しにくく、研磨によって金属層の表面に活性金属は析出することは少ないので、回路部材および放熱部材を強固に接合することができる。また、銀の含有量が18質量％以下であることにより、支持基板と回路部材および放熱部材との接合部における不要なはみ出しの少ない粘度のろう材とすることができる。
【００１９】
また、本発明のろう材によれば、錫の含有量ＭＳｎに対する銅の含有量ＭＣｕの比率（ＭＣｕ／ＭＳｎ）が0.8以上2.0以下であるときには、錫と銅との含有量の比率が最適化されているので、空隙の少ない状態で支持基板と接合される部材とを高い強度で接合できるとともに、接合部の不要なはみ出しの少ない、流れ性の良好なろう材とすることができる。
【００２０】
また、本発明のろう材によれば、活性金属の含有量が１質量％以上６質量％以下であるときには、ろう材中における活性金属の含有量が最適化されているので、支持基板や接合される部材との濡れ性が良好であり、ろう材からなる接合層内に発生する空隙が少なくなり、支持基板と回路部材および放熱部材との接合強度を高くすることができる。
【００２１】
また、本発明の放熱基体によれば、絶縁性の支持基板の第１主面側に回路部材を、第１主面に対向する第２主面側に放熱部材をそれぞれ設けてなる放熱基体であって、回路部材および放熱部材は、それぞれ支持基板側から本発明のろう材からなる接合層および銅を主成分とする金属層を順次介して支持基板と接合されていることから、接合部における不要なはみ出しが抑制されているので、隣り合う回路部材間の短絡のおそれが減少する。また、支持基板と回路部材との間に生じる空隙が少ないので、高い接合強度を得ることができる。また、回路部材および放熱部材の接合時に800℃以上の温度を要する、銅直接接合法、高融点金属メタライズ法．活性金属法等で接合した場合より、銅を主成分とする金属層を介していることにより、銅の拡散作用により低温（300〜500℃）での接合が可能となり、接合工程における冷却時の各部材の変形を抑制するとともに、支持基板に反りが生じるのを抑制することができる。さらに、金属層には熱応力を緩和する作用があるため、回路部材および放熱部材の少なくともいずれか１種を厚くすることができ、放熱特性を高くすることができる。
【００２２】
また、本発明の放熱基体によれば、活性金属が支持基板の第１主面近傍および第２主面近傍の元素と化学結合しているときには、活性金属と支持基板の第１主面近傍および第２主面近傍の元素との化学結合は高い共有結合性を有するので、回路部材および放熱部材と支持基板との接合強度を高くすることができる。
【００２３】
また、本発明の放熱基体によれば、支持基板が窒化珪素または窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスからなるときには、機械的特性が優れるとともに、熱伝導率が高いので放熱特性を高くすることができる。
【００２４】
また、本発明の放熱基体によれば、回路部材および放熱部材はそれぞれ銅を主成分とするときには、銅は熱伝導率が高いので、放熱特性をさらに高くすることができる。
【００２５】
また、本発明の電子装置によれば、本発明の放熱基体における回路部材上に電子部品を搭載したことから、隣り合う回路部材間の短絡がほとんど発生しなくなるので、信頼性の高い電子装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の放熱基体の実施の形態の一例を示す、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線での断面図であり、（ｃ）は底面図である。
【図２】本発明の放熱基体の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線での断面図であり、（ｃ）は底面図である。
【図３】本発明の放熱基体の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ’線での断面図であり、（ｃ）は底面図である。
【図４】本発明の放熱基体の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ’線での断面図であり、（ｃ）は底面図である。
【図５】本発明の放熱基体の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅ’線での断面図であり、（ｃ）は底面図である。
【図６】本発明の放熱基体の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＦ−Ｆ’線での断面図であり、（ｃ）は底面図である。
【図７】本発明の放熱基体の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＧ−Ｇ’線での断面図であり、（ｃ）は底面図である。
【図８】本発明の放熱基体の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＨ−Ｈ’線での断面図であり、（ｃ）は底面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明のろう材およびこれを用いた放熱基体ならびに電子装置の実施の形態の例について説明する。
【００２８】
図１は、本発明の放熱基体の実施の形態の一例を示す、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線での断面図であり、（ｃ）は底面図である。
【００２９】
本発明の放熱基体10は、図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、絶縁性の支持基板21の第１主面21ａに回路部材41ａ，41ｂを、第２主面21ｂに放熱部材42をそれぞれ設けてなる放熱基体10である。図１に示す例では、支持基板21と金属層51ａ，51ｂ，52とがろう材からなる接合層31ａ，31ｂ，32を介して接合されている。
【００３０】
本発明において、このような接合に用いられるろう材が、銅および錫を主成分とし、チタン，ジルコニウム，ハフニウムおよびニオブから選択される少なくとも１種の活性金属と、銀とを含み、この銀の含有量が５質量％以上18質量％以下であることが重要である。
【００３１】
ここで、本発明のろう材において、主成分である銅および錫は、ろう材を構成する成分のうち60質量％以上を占めており、特に銅および錫が80質量％以上を占めていることが好適である。また、本発明のろう材とは、ＪＩＳ  Ｚ  3001−３（ＩＳＯ  857−2005（ＭＯＤ））で定義されるろう付に用いられる融点が450℃以上のろう（硬ろう）であって、前記規格で定義されるはんだ付に用いられる融点が450℃未満のはんだ（軟ろう）を含まない。
【００３２】
そして、本発明のろう材は、銅および錫を主成分とし、チタン，ジルコニウム，ハフニウムおよびニオブから選択される少なくとも１種の活性金属と、銀とを含み、銀の含有量が５質量％以上であることにより、銅は活性金属より銀と結合しやすく、得られた銅と銀との化合物は、活性金属と銅との化合物より脆化しにくいため、支持基板21と回路部材41および放熱部材42との接合強度の低下を防止することができる。さらに、回路部材41および放熱部材42を接合するときに金属層51，52の表面に研磨を施したとしても、活性金属が金属層51，52に移動しにくく、研磨によって金属層51，52の表面に活性金属は析出することは少ないので、回路部材41および放熱部材42を強固に接合することができる。また、銀の含有量が18質量％以下であることにより、支持基板21と回路部材41および放熱部材42との接合部における不要なはみ出しの少ない粘度のろう材とすることができる。
【００３３】
なお、支持基板21と回路部材41および放熱部材42との接合強度については、ＪＩＳ  Ｃ  6481−1996に準拠して引きはがし強さを測定することにより確認することができる。また、本実施の形態において接合部における不要なはみ出しとは、回路部材41ａ，41ｂの各側面からはみ出している接合層31ａ，31ｂが、回路部材41ａ，41ｂの側面と支持基板21の側面とを垂直に結ぶ線上において、0.2ｍｍを超えている部分をいう。0.2ｍｍを超えている部分を不要なはみ出しとしたのは、格子状など密な状態で回路部材41を配置したときに接合部から接合層31が0.2ｍｍを超えてはみ出していると短絡のおそれが生じるからである。この接合層31ａ，31ｂのはみ出している長さについては、測定顕微鏡で確認することができる。
【００３４】
また、本発明のろう材は、錫の含有量ＭＳｎに対する銅の含有量ＭＣｕの比率（ＭＣｕ／ＭＳｎ）が0.8以上2.0以下であることが好適である。これにより、錫と銅との含有量の比率が最適化されているので、空隙の少ない状態で支持基板21と接合される部材とを高い強度で接合できるとともに、接合部の不要なはみ出しの少ない、流れ性の良好なろう材とすることができる。
【００３５】
また、本発明のろう材は、活性金属の含有量が１質量％以上６質量％以下であることが好適である。活性金属の含有量がこの範囲内であれば、ろう材中における活性金属の含有量が最適化されているので、支持基板21や接合される部材との濡れ性が良好であり、ろう材からなる接合層31，32内に発生する空隙（ろう材が追従できずに残る隙間）が少なくなり、支持基板21と回路部材41および放熱部材42との接合強度を高くすることができる。この空隙については、超音波探傷法により確認することができる。
【００３６】
なお、本発明のろう材を構成する各元素の同定および含有量については、蛍光Ｘ線分析法またはＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）発光分析法により求めればよく、錫の含有量ＭＳｎに対する銅の含有量ＭＣｕの比率（ＭＣｕ／ＭＳｎ）は、上述した方法で求めた銅の含有量ＭＣｕを同様の方法で求めた錫の含有量ＭＳｎで除すことで求めればよい。
【００３７】
そして、図１に示す例の放熱基体10は、絶縁性の支持基板21の第１主面21ａに回路部材41（41ａ，41ｂ）を、第２主面21ｂに放熱部材42をそれぞれ設けてなり、放熱基体10に設けてなる回路部材41は、ろう材からなる接合層31（31ａ，31ｂ）および銅を主成分とする金属層51（51ａ，51ｂ）を順次介して支持基板21と接合されており、放熱部材42は、ろう材からなる接合層32および銅を主成分とする金属層52を順次介して支持基板21と接合されている。
【００３８】
本発明の放熱基体10は、回路部材41ａ，41ｂが本発明のろう材からなる接合層31ａ，31ｂおよび銅を主成分とする金属層51ａ，51ｂを順次介して支持基板21と接合されていることにより、接合部における不要なはみ出しが抑制されているので、隣り合う回路部材41ａ，41ｂ間の短絡のおそれが減少する。また、支持基板21と回路部材41ａ，41ｂとの間に生じる空隙が少ないので、高い接合強度を得ることができる。また、回路部材41ａ，41ｂおよび放熱部材42の接合時に800℃以上の温度を要する、銅直接接合法、高融点金属メタライズ法．活性金属法等で接合した場合より、銅を主成分とする金属層51ａ，51ｂを介していることにより、銅の拡散作用により低温（300〜500℃）での接合が可能となり、接合工程における冷却時の各部材の変形を抑制するとともに、支持基板21に反りが生じるのを抑制することができる。さらに、金属層51，52には熱応力を緩和する作用があるため、回路部材41および放熱部材42の少なくともいずれか１種を厚くすることができ、放熱特性を高くすることができる。
【００３９】
そして、本発明の放熱基体10を構成する支持基板21は、回路部材41ａ，41ｂや放熱部材42を接合可能な大きさを有するものであり、厚みは用途によって異なるが、熱抵抗を抑制し、耐久性を維持するには、厚みは0.13ｍｍ以上0.64ｍｍ以下とすることが好適である。
【００４０】
また、支持基板21の第１主面21ａおよび第２主面21ｂには直径が0.15ｍｍ以上のピンホール状の欠陥がないことが好適である。直径が0.15ｍｍ以上のピンホール状の欠陥がなければ、支持基板21の第１主面21ａおよび第２主面21ｂに水分が吸着しにくいので、放熱基体10を湿度の高い環境で用いることができる。
【００４１】
また、放熱基体10を構成する回路部材41a，41ｂは、放熱基体10における回路部材41ａ，41ｂ上に搭載される電子部品（図示しない）の形状等によって回路部材41ａ，41ｂの形状が決められ、電子部品の発熱量や回路部材41ａ，41ｂを流れる電流の大きさ等に対応できることが要求される。この要求に応えられる厚みとしては、例えば、0.6ｍｍ以上３ｍｍ以下である。
【００４２】
また、放熱基体10を構成する放熱部材42は、発熱した電子部品からの熱を逃がすという機能を有するものであり、支持基板21の厚みが0.13ｍｍ以上0.64ｍｍ以下であり、回路部材41ａ，41ｂの厚みが0.6ｍｍ以上３ｍｍ以下であるとき、放熱部材42の厚みは、例えば、0.6ｍｍ以上３ｍｍ以下である。また、接合層31ａ，31ｂ，32の厚みは、例えば10μｍ以上20μｍ以下である。
【００４３】
図２〜図４は、本発明の放熱基体の実施の形態の他の例を示す、（ａ）は平面図であり、（ｂ）はそれぞれの図２〜図４（ａ）のＢ−Ｂ’線，Ｃ−Ｃ’線およびＤ−Ｄ’線での断面図であり、（ｃ）は底面図である。なお、図２〜図４の図面において、図１と同様の部材には同じ符号を用いて示す。
【００４４】
図２に示す例の放熱基体10は、支持基板21の第１主面21ａに複数個並べて配置される回路部材41ａおよび回路部材41ｂを平面視したときの大きさが同等であり、第２主面21ｂに設けられる放熱部材42の構成は図１に示す例の放熱基体10と同じである。図２に示す例のように、支持基板21の第１主面21ａに大きさが同等の回路部材41ａおよび回路部材41ｂが配置されているときには、図１に示す例の放熱基体10と比較して、放熱基体10の製造工程で発生する支持基板21の反りを抑制することができる。
【００４５】
また、図３に示す例の放熱基体10は、支持基板21の第１主面21ａに複数の回路部材41が格子状に配置されており、第２主面21ｂに設けられる放熱部材42は図１に示す例の放熱基体10と同じである。図３に示す例のように、支持基板21の第１主面21ａに大きさの等しい複数の回路部材41が格子状に配置されているときには、図１に示す例の放熱基体10と比較して、放熱基体10の製造工程で発生する支持基板21の反りを抑制することができる。
【００４６】
さらに、図４に示す例の放熱基体10は、支持基板21の第１主面21ａに複数の回路部材41が格子状に配置されており、第２主面21ｂに複数の放熱部材42が格子状に配置されている。図４に示す例のように、第１主面21ａおよび第２主面21ｂにそれぞれ大きさの等しい回路部材41および放熱部材42が格子状に配置されているときには、放熱基体10の製造工程で発生する支持基板21の反りを抑制することができるとともに、支持基板21を境界とする上下の対称性がよくなるので、図３に示す例の放熱基体10と比較して、それぞれの回路部材41に搭載する電子部品の発熱にばらつきが生じても、それぞれの放熱部材42で放熱することができるので、放熱部材42のはがれにくい信頼性の高い放熱基体10とすることができる。
【００４７】
図５〜図８は、本発明の放熱基体の実施の形態のさらに他の例をに示す、（ａ）は平面図であり、（ｂ）はそれぞれの図５〜図８（ａ）のＥ−Ｅ’線，Ｆ−Ｆ’線，Ｇ−Ｇ’線およびＨ−Ｈ’線での断面図であり、（ｃ）は底面図である。
【００４８】
この図５〜図８に示す例の放熱基体10は、それぞれ図１〜図４に示す例の放熱基体10から金属層51，52を省いたものであり、回路部材41上に搭載される電子部品の発熱温度が低いときには、このような構成にしても何等差し支えない。
【００４９】
また、本発明の放熱基体10は、活性金属が支持基板21の第１主面21ａ近傍および第２主面21ｂ近傍の元素と化学結合していることが好適であり、活性金属と支持基板21の第１主面21ａ近傍および第２主面21ｂ近傍の元素との化学結合は高い共有結合性を有するので、回路部材41および放熱部材42と支持基板21との接合強度を高くすることができる。
【００５０】
ここで、支持基板21の第１主面21ａ近傍および第２主面21ｂ近傍とは、支持基板21の第１主面21ａおよび第２主面21ｂからそれぞれ支持基板21の厚みの５％以下の深さの範囲をいい、例えば活性金属がチタンであって、支持基板21が窒化珪素を主成分とするセラミックスからなるときには、化学結合した化合物は、ＴｉＳｉｘ（但し、ｘは１以上３以下である。）およびＴｉ５Ｓｉ３等の珪化チタンである。活性金属が支持基板21の第１主面21ａ近傍および第２主面21ｂ近傍の元素と化学結合している状態については、Ｘ線回折法を用いて同定することができる。
【００５１】
また、本発明の放熱基体10は、窒化珪素または窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスからなることが好適である。このセラミックスは焼結体または単結晶いずれでもよい。
【００５２】
なお、ここでいう主成分とは、セラミックスを構成する全成分100質量％に対して、50質量％以上を占める成分をいう。主成分の同定については、Ｘ線回折法を用い、主成分の含有量については蛍光Ｘ線分析法またはＩＣＰ発光分析法により求めればよい。具体的には、支持基板21の主成分が窒化珪素であるときには、蛍光Ｘ線分析法またはＩＣＰ発光分析法で珪素（Ｓｉ）の含有量を求め、窒化物に換算すればよい。また、支持基板21の主成分が窒化アルミニウムであるときには、上記と同様の方法でアルミニウム（Ａｌ）の含有量を求め、窒化物に換算すればよい。
【００５３】
また、支持基板21が窒化珪素を主成分とするセラミックスからなるときには、熱伝導率が40Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、機械的特性に優れているため好適である。窒化珪素を主成分とするセラミックスからなる支持基板21は、３点曲げ強度が500ＭＰa以上、静的弾性率が300ＧＰａ以上、ビッカース硬度（Ｈｖ）が13ＧＰａ以上、さらに破壊靱性（Ｋ１Ｃ）が５ＭＰａｍ１／２以上の機械的特性を有することができる。支持基板21がこれらの機械的特性を有していることにより、放熱基体10を構成した際には、特に耐クリープ性やヒートサイクルに対する耐久性を向上させて信頼性に優れた放熱基体10となるので、長期間にわたって使用することができる。
【００５４】
ここで、３点曲げ強度については、放熱基体10にエッチングを施し、接合層31，32、また必要に応じて金属層51，52を介して接合されている回路部材41および放熱部材42を取り外した支持基板21を用いて、ＪＩＳ  Ｒ  1601−1995に準拠して測定すればよい。また、静的弾性率についても、エッチングを施して回路部材41および放熱部材42を取り外した支持基板21を用いて、ＪＩＳ  Ｒ  1602−1995で規定される静的弾性率試験方法に準拠して算出すればよい。より具体的には、静的弾性率測定用の試験機には３点支持による曲げ支持具を用い、荷重点の変位または試験片中央部の変位は差動トランス等の変位検出器によって測定し、その測定値から静的弾性率を算出すればよい。
【００５５】
ビッカース硬度（Ｈｖ）および破壊靱性（Ｋ１Ｃ）については、それぞれＪＩＳ  Ｒ  1610−2003，ＪＩＳ  Ｒ  1607−1995で規定される圧子圧入法（ＩＦ法）に準拠して測定すればよい。なお、支持基板21より切り出した試験片の厚みがそれぞれＪＩＳ  Ｒ  1601−1995，ＪＩＳ  Ｒ  1602−1995，ＪＩＳ  Ｒ  1610−2003およびＪＩＳ  Ｒ  1607−1995  圧子圧入法（ＩＦ法）で規定する厚みよりも薄いときには、支持基板21の厚みをそのまま試験片の厚みとして評価してその結果が上記数値を満足することが好適である。ただし、そのままの厚みで評価して上記数値を満足することができないほどに支持基板21の厚みが薄いときには、その結果を基にそれぞれＪＩＳで規定される厚みのときの３点曲げ強度，静的弾性率，ビッカース硬度（Ｈｖ）および破壊靱性（Ｋ１Ｃ）をシミュレーションにより推定すればよい。
【００５６】
なお、上記機械的特性を得るには、窒化珪素を少なくとも80質量％以上含有していることが好適で、その他の添加成分として、酸化エルビウム，酸化イッテルビウム，酸化イットリウム，酸化マグネシウム，酸化珪素，酸化モリブデンおよび酸化アルミニウム等が含まれていてもよい。
【００５７】
また、支持基板21が窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスからなるときには、熱伝導率が150Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であるため、放熱基体10の放熱特性を高くすることができる。ここで、熱伝導率については、ＪＩＳ  Ｒ  1611−1997で規定されるレーザーフラッシュ法に準拠して測定すればよい。
【００５８】
また、支持基板21の電気的特性は、体積固有抵抗が常温で10１２Ω・ｍ以上かつ300℃で10１０Ω・ｍ以上であることが好ましい。支持基板21がこれらの電気的特性を有していることにより、支持基板21の第１主面21ａに設けられる回路部材41上に搭載される電子部品の動作時に回路部材41側から放熱部材42側への電流のリークを抑制することができるため、電力損失を発生させないとともに、電子装置の誤動作を低減することができる。
【００５９】
また、本発明の放熱基体10は、回路部材41および放熱部材42が熱伝導性の高い金属である銅を主成分とすることが好適である。支持基板21の第１主面21ａ側に銅を主成分とする回路部材41を、第２主面21ｂ側に銅を主成分とする放熱部材42を設けたことにより、放熱基体10の放熱特性を高くすることができる。なお、ここでいう主成分とは、回路部材41および放熱部材42の各部材を構成する全成分100質量％に対して、50質量％以上を占める成分であり、好適には80質量％以上を占める成分をいう。
【００６０】
回路部材41および放熱部材42の主成分である銅としては、無酸素銅，タフピッチ銅およびりん脱酸銅から選ばれる１種以上であることが好適である。特に、無酸素銅のうち、銅の含有量が99．995質量％以上である線形結晶無酸素銅，単結晶状高純度無酸素銅および真空溶解銅のいずれかを用いることが好適である。このように銅の含有量の多い回路部材41を設けた放熱基体10は、電気抵抗が低く、熱伝導率が高いため、回路特性（電子部品の発熱を抑制し、電力損失を少なくする特性）や放熱特性に優れたものとなる。また、金属層51，52についても主成分である銅として上記と同様のものを選択することが好適であり、これにより、降伏応力が低く、高温下で塑性変形しやすくなるため、支持基板21から回路部材41および放熱部材42がはがれることが少なく、より信頼性の高い放熱基体10となる。
【００６１】
また、回路部材41，放熱部材42および金属層51，52の各体積固有抵抗は、５×10−８Ω・ｍ以下、特に３×10−８Ω・ｍ以下であることが望ましい。なお、回路部材41，放熱部材42および金属層51，52を構成する各成分の含有量は、蛍光Ｘ線分析法またはＩＣＰ発光分析法により求めることができる。
【００６２】
次に、本発明のろう材の製造方法の一例について説明する。
【００６３】
本発明のろう材は、主成分となる銅および錫の粉末と、チタン，ジルコニウム，ハフニウムおよびニオブから選択される少なくとも１種の活性金属からなる粉末と、含有量が５質量％以上18質量％以下である銀の粉末とを用意し、所定量秤量して混合した後、樹脂および有機溶媒を添加し混練することによってペースト状の本発明のろう材を得ることができる。
【００６４】
ここで、樹脂としては、例えば、アクリル樹脂，メチルセルロース，エチルセルロース，ニトロセルロース，ポリレート，ポリメタレート等を用いることができ、有機溶媒としては、例えば、テルピネオール等のアルコール，アセトン，トルエン，キシレン，ジエチレングリコールモノブチルエーテル等を用いることができる。
【００６５】
あるいは、本発明のろう材を構成する混合粉末に、無機化合物フラックスおよび有機溶媒を添加し混練することによっても、本発明のろう材を得ることができる。このとき、無機化合物フラックスに用いる無機化合物としては、例えば、ホウ酸（Ｈ３ＢＯ３），ホウフッ化水素酸（ＨＢＦ４）等の酸、塩化リチウム（ＬｉＣｌ），塩化マグネシウム（ＭｇＣｌ２）等の塩化物、フッ化ナトリウム（ＮａＦ）等のフッ化物、臭化カリウム（ＫＢｒ）等の臭化物、４ホウ酸カリウム５水和物（Ｋ２Ｂ４Ｏ７・５Ｈ２Ｏ）等を用いることができる。
【００６６】
特に、本発明のろう材における錫の含有量ＭＳｎに対する銅の含有量ＭＣｕの比率（ＭＣｕ／ＭＳｎ）を0.8以上2.0以下とするには、本発明のろう材を構成する錫の粉末の含有量ＭＳｎに対する銅の粉末の含有量ＭＣｕの比率（ＭＣｕ／ＭＳｎ）を0.8以上2.0以下とすればよい。また、本発明のろう材における活性金属の含有量を１質量％以下６質量％以下とするには、本発明のろう材を構成する粉末100質量％に対して、活性金属からなる粉末の含有量を１質量％以上６質量％以下とすればよい。
【００６７】
次に、本発明の放熱基体10の製造方法として、図１の放熱基体10の例について説明する。
【００６８】
まず、長さが30ｍｍ以上250ｍｍ以下，幅が10ｍｍ以上200ｍｍ以下，厚みが0.13ｍｍ以上0.64ｍｍ以下の窒化珪素または窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスからなる支持基板21を作製し、支持基板21を800℃以上900℃以下で熱処理することで、支持基板21の表面に付着した有機物や残留炭素を除去する。
【００６９】
次に、熱処理した支持基板21の第１主面21ａおよび第２主面21ｂに、ペースト状の本発明のろう材を回路部材41および放熱部材42の配置に合わせて、スクリーン印刷法，加圧印刷法および刷毛塗り法等のいずれかの方法で塗布した後、120℃以上150℃以下で乾燥させる。
【００７０】
そして、支持基板21の第１主面21ａおよび第２主面21ｂに塗布して、本発明のろう材を乾燥させた接合部に、銅を主成分とする金属層51ａ，51ｂおよび金属層52をそれぞれ配置し、真空雰囲気中において、800℃以上900℃以下の範囲で加熱する。ここで、活性金属が支持基板21の第１主面21ａ近傍および第２主面21ｂ近傍の元素と化学結合している放熱基体10を得るには、上記真空雰囲気中における温度を830℃以上900℃以下にすればよい。
【００７１】
そして、金属層51ａ，51ｂおよび金属層52における、回路部材41ａ，41ｂおよび放熱部材42と対向する面を研磨した後、回路部材41ａ，41ｂおよび放熱部材42を所定の位置に配置し、水素，窒素またはネオン，アルゴン等の不活性ガスのいずれかから選ばれる雰囲気中にて、300〜500℃に保持した状態で、30ＭＰａ以上の圧力で加圧接合する。そして、加圧接合後、加圧した状態のままで銅が酸化しない温度である50℃まで冷却して取出すことにより、本発明のろう材からなる接合層31，32および銅を主成分とする金属層51，52を順次介して回路部材41ａ，41ｂおよび放熱部材42を支持基板21に接合した放熱基体10を得ることができる。
【００７２】
また、回路部材41として、銅を主成分とする板状体を接合した後に、例えば、１行２列，２行４列，３行２列，３行３列等の行列状の区分配置となるように、接合された銅を主成分とする板状体の表面にレジストを印刷して、120℃以上150℃以下でレジストを乾燥させて、硝弗硫酸，弗硝酸、塩酸または塩化第２鉄水溶液等を接合体に吹き付けることにより、銅を主成分とする板状体の表面にレジストが印刷されていない部分を除去し、さらに水酸化ナトリウム水溶液や水酸化カリウム水溶液等のアルカリ水溶液を用いてレジストを除去することで、本発明の放熱基体10を構成する回路部材41としてもよい。また、放熱部材42を１行２列，２行４列，３行２列，３行３列等の行列状の区分配置とする場合も上述した方法と同じ方法を用いればよい。
【００７３】
また、銅を主成分とする回路部材41および放熱部材42の酸化を抑制するため、回路部材41および放熱部材42の表面をパラジウムを介してニッケルまたは金で被覆してもよい。あるいは、回路部材41および放熱部材42の各表面を化学研磨した後、２−アミノピリジン，２−アミノキノリン，２−アミノピリミジン，６−アミノピリミジン，２−アミノピラジン，２−アミノキナゾリン，４−アミノキナゾリン，２−アミノキノキサリン，８−アミノプリン，２−アミノベンゾイミダゾール，アミノトリアジン，アミノトリアゾールおよびこれらの置換誘導体のうちの少なくとも１種を含む水溶液に浸漬処理することにより、酸化を抑制してもよい。
【００７４】
以上のような製造方法で得られた放熱基体10は、本発明のろう材を用いていることにより、支持基板21と金属層51，52との濡れ性が良好であり、支持基板21と金属層51，52との間に生じる空隙を減少させることができる。また、支持基板21の第１主面21ａ近傍および第２主面21ｂ近傍の元素と活性金属とが化学結合していることによって、本発明のろう材からなる接合層31，32に接合される部材と支持基板21との接合強度を高めることができる。また、金属層51，52を介していることにより、低温で回路部材41および放熱部材42を高い強度で接合することができるので、支持基板21の反りを抑制することができる。さらに、接合部における不要なはみ出しが抑制されているので、隣り合う回路部材41の間、例えば図１における回路部材41ａと回路部材41ｂとの短絡のおそれを減少させることができる。また、回路部材41上に電子部品を搭載したときに、電子部品から発生した熱を長期間にわたって効率よく放熱することができる。
【００７５】
また、図４〜図８に示す例の本発明の放熱基体10は、上述した製造方法と同様に支持基板21の第１主面21ａおよび第２主面21ｂに本発明のろう材を塗布して、乾燥させた接合部に、回路部材41および放熱部材42を配置し、真空雰囲気中において、800℃以上900以下の範囲で加熱することにより得ることができる。
【００７６】
また、本発明の電子装置は、本発明の放熱基体10における回路部材41上に、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）素子，金属酸化膜形電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）素子，発光ダイオード（ＬＥＤ）素子，フリーホイーリングダイオード（ＦＷＤ）素子，ジャイアント・トランジスター（ＧＴＲ）素子等の半導体素子，昇華型サーマルプリンターヘッド素子，サーマルインクジェットプリンターヘッド素子等の各種電子部品を搭載したことから、短絡のおそれの少ない信頼性の高い電子装置とすることができる。
【００７７】
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。
【実施例１】
【００７８】
まず、表１〜表３に示す含有量となるように、各種粉末を所定量秤量して混合した後、メチルセルロースおよびテルピネオールを添加し混練することによって、ペースト状のろう材を得た。なお、表１〜表３では、活性金属が１種の場合、Ａ１元素の欄にその元素記号を、活性金属が２種の場合、それぞれＡ１元素およびＡ２元素の各欄にそれらの元素記号を記した。
【００７９】
次に、窒化珪素を主成分とするセラミックスからなり、長さが60ｍｍ，幅が30ｍｍ，厚みが0.32ｍｍである支持基板21を準備し、支持基板21を800℃以上900℃以下で熱処理することによって、支持基板21の表面に付着した有機物や残留炭素を除去した。その後、熱処理した支持基板21の第１主面21ａおよび第２主面21ｂに、図２に示す回路部材41ａ，41ｂおよび放熱部材42の配置に対応する部分にペースト状のろう材をスクリーン印刷で塗布した後、135℃で乾燥させることによって、接合層31ａ，31ｂ，32を形成した。
【００８０】
そして、支持基板21の第１主面21ａに無酸素銅からなる金属層51ａ，51ｂを、第２主面21ｂに無酸素銅からなる金属層52をそれぞれ接合層31ａ，31ｂ，32に接するように配置して、真空雰囲気中において840℃で加熱した。
【００８１】
次に、金属層51ａ，51ｂ，52の回路部材41ａ，41ｂまたは放熱部材42と対向する面を研磨した後、回路部材41ａ，41ｂおよび放熱部材42を図２に示すように配置し水素雰囲気中にて、400℃に保持した状態で、30ＭＰａ以上の圧力で加圧接合した。そして、加圧接合後、加圧した状態のままで銅が酸化しない温度である50℃まで冷却して取出すことにより、接合層31ａ，31ｂ，32および金属層51a，51ｂ，52のそれぞれを順次介して回路部材41ａ，41ｂおよび放熱部材42を支持基板21に接合した放熱基体10を得た。
【００８２】
この回路部材41ａ，41ｂは、それぞれ一辺が24ｍｍの正方形状であり、厚みが２ｍｍであり、回路部材41ａと回路部材41ｂとの間隔を２ｍｍとした。また、放熱部材42は、長さが58ｍｍであり、幅が26ｍｍであり、厚みを２ｍｍとした。さらに、接合層31ａ，31ｂ，32は、回路部材41ａ，41ｂおよび放熱部材42に合わせた形状とし、厚みを0.02ｍｍとした。同様に、金属層51ａ，51ｂ，52は、回路部材41ａ，41ｂおよび放熱部材42に合わせた形状とし、厚みを0.35ｍｍとした。
【００８３】
そして、回路部材41ａおよび回路部材41ｂの側面と支持基板21の側面とを垂直に結ぶ線上において、回路部材41ａおよび回路部材41ｂの各側面からはみ出している接合層31ａおよび接合層31ｂの最大長さを、50倍の倍率の測定顕微鏡で測定し、この最大長さをはみ出し長さとした。なお、本実施例において、このはみ出し長さが0.2ｍｍを超えているときには、不要なはみ出しを生じているものとする。
【００８４】
また、超音波探傷法により支持基板21と接合層31ａ，31ｂとの間に生じている空隙を平面視した面積Ｓｖを測定し、空隙が全くない状態の面積、すなわち回路部材41ａ，41ｂの支持基板21に接合している主面を合わせた面積Ｓｏに対する比率（＝Ｓｖ／Ｓｏ×100）を求め、空隙率とした。ここで、超音波探傷法の測定条件は、探傷周波数を50ＭＨｚ，ゲインを30ｄＢ，スキャンピッチを100μｍとした。
【００８５】
また、回路部材41ａの引きはがし強さをＪＩＳ  Ｃ  6481−1996に準拠して測定することにより、回路部材41ａと支持基板21との接合強度を評価した。なお、引きはがし強さを測定する前にエッチングにより回路部材41ａの幅を24ｍｍから10ｍｍに狭くした。また、各ろう材を構成する各元素の同定および含有量については、蛍光Ｘ線分析法析法により求めた。これら測定値および計算値を表１〜表３に示す。
【００８６】
【表１】
2011067849.tif 000003
【００８７】
【表２】
2011067849.tif 000004
【００８８】
【表３】
2011067849.tif 000005
【００８９】
表１〜表３に示す通り、銀の含有量が５質量％未満の本発明の範囲外である試料Ｎｏ．１，21，41，61，81は、支持基板21および接合層31との間の空隙率が高く、引きはがし強さの値が小さく、接合強度が低いことがわかる。また、銀の含有量が18質量％を超える本発明の範囲外である試料Ｎｏ．20，40，60，80，100は、はみ出し長さが0.2ｍｍ以上と長く、不要なはみ出しがあることがわかる。
【００９０】
一方、銅および錫を主成分とし、チタン，ジルコニウム，ハフニウムおよびニオブから選択される少なくとも１種の活性金属と、銀とを含み、銀の含有量が５質量％以上18質量％以下である本発明の試料Ｎｏ．２〜19，22〜39，42〜59，62〜79，82〜99は、空隙が少ないので高い接合強度が得られるとともに、0.2ｍｍを超える不要なはみ出しがないので、短絡のおそれの少ない放熱基体とすることができることがわかる。
【００９１】
また、錫の含有量ＭＳｎに対する銅の含有量ＭＣｕの比率（ＭＣｕ／ＭＳｎ）が0.8以上2.0以下であることにより、はみ出し長さを0.18以下とすることができるとともに、引きはがし強さの値が20ＫＮ／ｍ以上となることがわかる。
【００９２】
また、錫の含有量ＭＳｎに対する銅の含有量ＭＣｕの比率（ＭＣｕ／ＭＳｎ）が1.6であり、銀の含有量が10質量％と同じであり、活性金属のみ含有量が異なる試料Ｎｏ．３，４，８，14〜16を比べると、活性金属の含有量が１質量％以上６質量％以下であることによって、はみ出し長さの値が小さく、引きはがし強さの値が大きくなることがわかる。そして、好ましい活性金属の含有量は、３質量％以上５質量％以下であることがわかる。
【実施例２】
【００９３】
まず、銅が62質量％，錫が27質量％であり、チタンおよび銀の各含有量がそれぞれ１質量％，10質量％となるように秤量した各種粉末を混合した後、メチルセルロースおよびテルピネオールを添加し混練して、ペースト状の本発明のろう材を得た。このろう材を用いて、回路部材41の接合時の熱処理温度を表４に示す温度とした以外は実施例１と同様の方法で本発明の放熱基体10を得た。
【００９４】
チタンが支持基板21の第１主面近傍21ａおよび第２主面近傍21ｂにある珪素と化学結合している状態については、Ｘ線回折法を用いて同定し、珪化チタンが同定できた試料には○を、珪化チタンが同定できなかった試料には△を記入した。また、実施例１と同様に回路部材41ａの引きはがし強さをＪＩＳ  Ｃ  6481−1996に準拠して測定した。
【００９５】
【表４】
2011067849.tif 000006
【００９６】
表４に示す通り、試料Ｎｏ．101，102は、窒化珪素を主成分とする支持基板21の第１主面21ａ近傍の珪素と元素Ｂであるチタンとが化学結合しており、チタンと珪素との結合は高い共有結合性を有するので、回路部材41ａの引きはがし強さはチタンが支持基板21の第１主面近傍の珪素と化学結合していない試料Ｎｏ．103より高い。従って、接合時に830℃以上900℃以下の温度で熱処理することによって、活性金属が支持基板21の第１主面21ａ近傍の元素と化学結合して高い接合強度を得られることがわかる。
【実施例３】
【００９７】
窒化アルミニウムおよび窒化珪素を主成分とするセラミックスからなる支持基板21を準備し、無酸素銅およびＳＵＳ304からなる回路部材41および放熱部材42を実施例１と同様の本発明のろう材からなる接合層31，32および銅を主成分とする金属層51，52を順次介して接合した放熱基体10を作製した。そして、このような材質および構成の放熱基体10の回路部材41の主面に単位面積当たり40Ｗ／ｍ２の熱量を与えたものとみなしたシミュレーションを行ない、放熱基体10の熱抵抗を推定した。その推定値を表５に示す。
【００９８】
【表５】
2011067849.tif 000007
【００９９】
表５に示す通り、試料Ｎｏ．104，105、試料Ｎｏ．106，107、試料Ｎｏ．108，109を比較すると、支持基板21の材質が同じであるとき、回路部材41および放熱部材42がＳＵＳ304からなるものよりも、回路部材41および放熱部材42が無酸素銅からなるものの方がシミュレーション結果の熱抵抗値が小さかった。この結果より、銅は鉄より熱伝導率が高いので、放熱特性を高められることがわかる。
【０１００】
また、このように優れた本発明の放熱基体の回路部材上に電子部品を搭載したところ、短絡のおそれの少ない信頼性の高い電子装置とすることができた。
【符号の説明】
【０１０１】
10：放熱基体
21：支持基板
31，32：接合層
41：回路部材
42：放熱部材
51，52：金属層
【図１】
2011067849.tif 000008
【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】
2011067849.tif 000013
【図７】
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【図８】
2011067849.tif 000015