(57)【要約】【課題】ヒートサイクルを繰り返しても、基板の割れや、配線パターンの剥離を生じない大電力用銅配線パターンの形成されたセラミック配線基板を提供することを目的とする。【解決手段】セラミック基板と前記セラミック基板上に形成された銅層とを含み、前記銅層における銅の平均粒子半径が１０μｍ以上であるセラミック配線基板。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基板と前記セラミック基板上に形成された銅層とを含み、
前記銅層における銅の平均粒子半径が１０μｍ以上であるセラミック配線基板。
【請求項２】
セラミック基板と前記セラミック基板上に形成された銅層とを含み、
前記銅層の弾性率が３０〜７０ＧＰａであるセラミック配線基板。
【請求項３】
請求項１または２に記載のセラミック配線基板であって、
前記銅層が銅の成長層であるセラミック配線基板。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のセラミック配線基板であって、
前記銅層はセラミック基板上に高融点金属層からなるシード層を介して形成されたセラミック配線基板。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のセラミック配線基板であって、
前記銅層は、前記セラミック基板の両面に形成されたセラミック配線基板。
【請求項６】
請求項５に記載のセラミック配線基板であって、
前記銅層のうち両者が配線パターンを構成するセラミック配線基板。
【請求項７】
請求項５に記載のセラミック配線基板であって、
前記銅層のうち一方は、応力緩和層であるセラミック配線基板。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載のセラミック配線基板であって、
前記銅層はＲａ０．５μｍ以上に粗面化されたセラミック基板上に形成されたセラミック配線基板。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載のセラミック配線基板であって、
前記銅層の膜厚が２００μｍ以上であるセラミック配線基板。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか１項に記載のセラミック配線基板であって、
前記銅層はパワーデバイス用配線を構成するセラミック配線基板。
【請求項１１】
セラミック基板上に、低温成長法により銅層を形成する工程と、
銅の焼きなまし温度以上に昇温させ徐冷する工程とを含むセラミック配線基板の製造方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載のセラミック配線基板の製造方法であって、
前記銅層を昇温させる温度が６００〜９００℃であるセラミック配線基板の製造方法。
【請求項１３】
請求項１１または１２に記載のセラミック配線基板の製造方法であって、
前記銅層を形成する工程に先立ち、高融点金属層からなるシード層を形成する工程を含むセラミック配線基板の製造方法。
【請求項１４】
請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載のセラミック配線基板の製造方法であって、
前記低温成長法は、メッキ法であるセラミック配線基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミック基板表面に配線パターンを備えたセラミック配線基板に関し、特に大電流用半導体素子を搭載するための、厚い銅層からなる配線パターンを備えたセラミック配線基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子を実装するための基板として、絶縁基板上に配線パターンを備えた配線基板が一般的に用いられている。大電流を扱う電力用配線基板としては、半導体素子から大量に熱が発生するため、樹脂基板に比べ熱伝導率が大きく耐熱温度が高いセラミック基板が適している。また、半導体素子に大電流を給電するために厚い配線パターンがセラミック基板上に備えられたセラミック配線基板が広く使用されている。特に銅は、広く流通し加工性がよく導電率が大きいことから、配線パターンとして広く用いられている。
【０００３】
セラミック基板上に厚銅層の配線パターンを備えたセラミック配線基板には、以下のような構造が知られている。
１）セラミック基板上に、スパッタリングにより接合層を形成しておき、ロウ材によって、銅箔を接合したセラミック配線基板（ロウ付け法による配線基板）（例えば、特許文献１、請求項８参照）
２）さらに、スパッタリング工程によりあらかじめ接合層の形成を経ることなく、ロウ材中にチタンなどの活性金属を含有させ、セラミック基板と銅箔をロウ材のみで接合した配線基板（例えば、特許文献２参照）
３）またロウ材を用いることなく、セラミック基板と、銅箔とを接触配置し、界面に例えばＣｕ−Ｃｕ２Ｏ共晶液相などを生成させて接合したセラミック配線基板（直接接合法の配線基板）（例えば、特許文献３参照）
【０００４】
このようなセラミック配線基板では、接合する銅箔の厚さを適宜設定することにより、大電流に対応することができるため、大電流用の配線基板にこれまで多く用いられてきた。
【０００５】
また、セラミック基体（基板）と、下地膜（接合層）と、メッキ法による銅配線パターンとからなる配線基板を熱処理する方法が知られている（例えば、特許文献４、請求項３参照）。これにより、セラミック基体と銅配線パターンとの密着強度を高めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１―２１７３６２号公報
【特許文献２】特開平１０−４１５６号公報
【特許文献３】特開昭６４−５９９８６号公報
【特許文献４】特開２００３−１７８３７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および特許文献２のようにロウ材により接合する場合、ロウ材は、ロウ材自体が複数の金属の混合物であり、多くの場合これらが共晶合金を形成し、硬い中間層ができてしまう。最終製品として使用する際に基板温度が１００℃程度になるため、このようにして形成された硬い中間層により、使用温度と常温間のヒートサイクルが加わることで、基板が割れたり、配線パターンが剥離し易くなるおそれがある。その上、接合には、数１０μｍのロウ材が必要であるため、ロウ材の影響を小さくし、熱応力を小さくすることには限界があり、基材側の強度も必要となる。
【０００８】
また、特許文献３のような直接接合法によれば、銅の融点（１０８３℃）以下、酸化銅（Ｃｕ２Ｏ）と銅の共晶温度（１０６５℃）以上で加熱することにより接合することができる。しかしながら、銅箔とセラミック基板とは、接合時に、全面が密着し、均等に荷重がかかっていなければ充分な接合強度を得られることが出来ない。このような電力用配線基板では、使用を繰り返すうちに、接合強度が弱い部分から剥離し放熱のための接合としては信頼性が不十分であった。
【０００９】
また、特許文献４のセラミック基板では、熱処理によってセラミック基板上の下地層と、メッキ銅との接合強度は強くなっている。そのため剥離しにくくなっているが、電力用配線基板にかかるヒートサイクルによってセラミック基板側に応力がかかり、基板が割れやすくなるといった問題があった。
【００１０】
本発明では、ヒートサイクルを繰り返しても、基板の割れや、配線パターンの剥離を生じない大電力用銅配線パターンの形成されたセラミック配線基板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
そこで本発明は下記のセラミック配線基板およびその製造方法を提供する。
＜１＞  セラミック基板と前記セラミック基板上に形成された銅層とを含み、前記銅層における銅の平均粒子半径が１０μｍ以上であるセラミック配線基板。
＜２＞  セラミック基板と前記セラミック基板上に形成された銅層とを含み、前記銅層の弾性率が３０〜７０ＧＰａであるセラミック配線基板。
＜３＞  上記＜１＞または＜２＞に記載のセラミック配線基板であって、前記銅層が銅の成長層であるセラミック配線基板。
＜４＞  上記＜１＞〜＜３＞のいずれかに記載のセラミック配線基板であって、前記銅層はセラミック基板上に高融点金属層からなるシード層を介して形成されたセラミック配線基板。
＜５＞  上記＜１＞〜＜４＞のいずれかに記載のセラミック配線基板であって、前記銅層は、前記セラミック基板の両面に形成されたセラミック配線基板。
＜６＞  上記＜５＞に記載のセラミック配線基板であって、前記銅層のうち両者が配線パターンを構成するセラミック配線基板。
＜７＞  上記＜５＞に記載のセラミック配線基板であって、前記銅層のうち一方は、応力緩和層であるセラミック配線基板。
＜８＞  上記＜１＞〜＜７＞のいずれかに記載のセラミック配線基板であって、前記銅層はＲａ０．５μｍ以上に粗面化されたセラミック基板上に形成されたセラミック配線基板。
＜９＞  上記＜１＞〜＜８＞のいずれかに記載のセラミック配線基板であって、前記銅層の膜厚が２００μｍ以上であるセラミック配線基板。
＜１０＞  上記＜１＞〜＜９＞のいずれかに記載のセラミック配線基板であって、前記銅層はパワーデバイス用配線を構成するセラミック配線基板。
＜１１＞  セラミック基板上に、低温成長法により銅層を形成する工程と、銅の焼きなまし温度以上に昇温させ徐冷する工程とを含むセラミック配線基板の製造方法。
＜１２＞  上記＜１１＞に記載のセラミック配線基板の製造方法であって、前記銅を昇温させる温度が６００〜９００℃であるセラミック配線基板の製造方法。
＜１３＞  上記＜１１＞または＜１２＞に記載のセラミック配線基板の製造方法であって、前記銅層を形成する工程に先立ち、高融点金属層からなるシード層を形成する工程を含むセラミック配線基板の製造方法。
＜１４＞  上記＜１１＞〜＜１３＞のいずれかに記載のセラミック配線基板の製造方法であって、前記低温成長法は、メッキ法であるセラミック配線基板の製造方法。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、室温と使用温度間のヒートサイクルが加わっても、セラミック基板が割れたり、配線パターンが剥離したりしないセラミック配線基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態１のセラミック配線基板を示す斜視図である。
【図２】図１のセラミック配線基板のＡ−Ａ’断面図である。
【図３】本発明のセラミック配線基板の断面を示す図である。（Ａ）は実施例１のセラミック配線基板の断面を示す図であり、（Ｂ）は（Ａ）の一部領域について、銅の結晶粒と結晶欠陥の判別方法を示す図である。（Ｂ）において、結晶粒界Ａを実線で示し、結晶欠陥Ｂを破線で示している。
【図４】本発明の実施形態１のセラミック配線基板の製造方法１の工程を示す図である。
【図５】本発明の実施形態１のセラミック配線基板の製造方法２の工程を示す図である。
【図６】本発明の実施形態２のセラミック配線基板を示す断面図である。
【図７】本発明の実施形態３のセラミック配線基板を示す断面図である。
【図８】本発明の実施形態４のセラミック配線基板を示す断面図である。
【図９】実施例１（熱処理８００℃）のセラミック配線基板の断面の走査型電子顕微鏡写真を示す図である。（Ａ）は倍率５００でセラミック配線基板の切断面全体を、（Ｂ）は倍率１０００で銅層１３の一部を拡大して、（Ｃ）は倍率５０００で銅層１３の一部を拡大して、それぞれ観察した図である。
【図１０】実施例２（熱処理６００℃）のセラミック配線基板の断面の走査型電子顕微鏡写真を示す図である。（Ａ）は倍率５００でセラミック配線基板の切断面全体を、（Ｂ）は倍率１０００で銅層１３の一部を拡大して、（Ｃ）は倍率５０００で銅層１３の一部を拡大して、それぞれ観察した図である。
【図１１】比較例１（熱処理３５０℃）のセラミック配線基板の断面の走査型電子顕微鏡写真を示す図である。（Ａ）は倍率５００でセラミック配線基板の切断面全体を、（Ｂ）は倍率１０００で銅層１３の一部を拡大して、（Ｃ）は倍率５０００で銅層１３の一部を拡大して、それぞれ観察した図である。
【図１２】比較例２（熱処理なし）のセラミック配線基板の断面の走査型電子顕微鏡写真を示す図である。（Ａ）は倍率５００でセラミック配線基板の切断面全体を、（Ｂ）は倍率１０００で銅層１３の一部を拡大して、（Ｃ）は倍率５０００で銅層１３の一部を拡大して、それぞれ観察した図である。
【図１３Ａ】割れ試験終了後の比較例１のセラミック配線基板から銅層およびシード層をエッチングにより除去した、セラミック基板の平面図である。
【図１３Ｂ】図１３Ａのセラミック基板のＡ−Ａ’断面模式図である。
【図１４】銅の熱処理温度と弾性率（ヤング率）の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を用いて本発明を詳しく説明する。
【００１５】
［実施形態１］
図１は、本発明の実施形態１のセラミック配線基板１を示す斜視図である。図２は図１のセラミック配線基板１のＡ−Ａ’断面図である。
本発明の実施形態１のセラミック配線基板１は、図１、図２に示すように、セラミック基板１０と、前記セラミック基板１０の第一面１０Ａ（表面）上に形成され、配線パターンを形成する第一配線導体層１１と、前記第一面１０Ａに対向する第二面１０Ｂ（裏面）上の全面に形成された、第二配線導体層２１とで構成されている。この第一配線導体層１１および第二配線導体層２１は、シード層としてのＴｉ層１２，２２と、銅層１３，２３とが、順次積層されて構成されている。本発明において、銅層１３，２３は粒子半径が大きい銅の成長層であることを特徴とする。
【００１６】
セラミック基板１０を構成するセラミック基材は、特に限定されないが、酸化ベリリウム、窒化アルミニウム、窒化珪素が望ましい。これらのセラミックは絶縁体である上に熱伝導率が高いため、配線パターンを備えた配線基板の基材として好適に利用できる。中でも、窒化アルミニウム、窒化珪素は無害であるため、広く利用されており好ましい。
【００１７】
シード層１２，２２は、セラミック基板１０と銅層１３，２３とを接合する接合層としての役割を果たしている。シード層１２，２２を構成する高融点金属としては、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｚｒの単体金属や、これらの合金が好適に利用できる。シード層１２，２２を高融点金属で構成するのは、共晶温度を高くすることができる結果、本願発明の熱処理でシード層の融点を超え、銅よりも硬い共晶合金からなる合金層を形成することがないからである。これに対し、従来のようにロウ材により接合する場合は、ロウ材が銅と共晶合金を形成し、セラミック基板の割れや銅層の剥離をもたらすおそれがある。高融点金属のなかでも、特にＴｉは各種セラミック基材とＴｉＮｘ、ＴｉＯｘなどの化合物を形成することが知られており、セラミック基板１０との強い接合強度が得られることから好適に利用できる。
【００１８】
シード層１２，２２の厚さは、１μｍ以下が望ましい。１μｍを超えると、シード層１２が硬化するため、熱応力が発生し易くなる。そして各層の界面に大きな力が加わり、セラミック基板１０が割れたり、銅層１３，２３が剥離し易くなる。シード層１２，２２の更に望ましい厚さは、０．３μｍ以下である。０．３μｍ以下であれば、研磨したセラミック基板の気孔を完全に塞ぐことが無いので、シード層形成後のセラミック基板表面にも元のセラミックの気孔に対応した孔が残り、セラミック基板１０と銅層１３，２３との接合強度を強くすることができるため好ましい。
【００１９】
銅層１３，２３における銅結晶の平均粒子半径は１０μｍ以上、好ましくは１５μｍ以上、より好ましくは２０μｍ以上である。平均粒子半径が上記範囲であれば、銅層１３，２３は銅の結晶成長が十分に進んだ成長層となるため、軟らかい銅層となり、銅層の応力を除去することができる結果、セラミック基板の割れが生じにくくなる。また、平均粒子半径の上限値は、４０μｍ以下、好ましくは３５μｍ以下である。平均粒子半径が上記範囲であれば、銅層が充分な強度を持っているので、リード等との接合部に粒子脱落による導通不良が生じにくくなる。
【００２０】
銅層１３，２３における銅の粒子半径は、銅層の断面を電子顕微鏡等で観察することにより算出することができる。具体的には、例えば、セラミック配線基板を適当な小片に切断する。次にこの小片を室温硬化型エポキシ樹脂等に包埋し、Ｐｔ−Ｐｄスパッタリングを施す。ここでＰｔ−Ｐｄスパッタリングを施すのは、周囲に導体膜を形成しておくことでチャージアップを防止するためである。そしてイオンポリッシングにより断面を露出させたサンプルを作製し、試料台にサンプルを固定し走査型電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）による観察を行う。
【００２１】
このようにして得られたセラミック基板上の銅層の断面写真を基に、銅の粒子半径を算出する。まず、銅の粒子サイズよりも充分に大きな矩形の領域を任意に選定し、その内部に存在する銅の結晶粒子を１個、矩形の境界線を跨いで存在する粒子を０．５個として総数を数える。こうして得られた結晶の個数で矩形の領域の断面積を除することにより、結晶１個あたりの平均断面積を算出することができる。個々の結晶は、走査型電子顕微鏡写真において粒状であることから判別することが出来る。結晶粒の内部に直線状の境界が見られることがあるが、これは結晶欠陥であり、本発明で定義する粒子半径とは無関係であるので除外する。この判別方法を用いて結晶粒子の計数の事例を説明する。図３（Ａ）は、後述の実施例１のセラミック配線基板の断面を示す図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の一部領域について結晶粒と、結晶欠陥を判別し計数している。図３（Ｂ）中、実線は、結晶粒界Ａを示し、波線は結晶欠陥（転位）Ｂを示している。結晶粒であるか結晶欠陥であるかの判別にあたっては、ボイドが結晶粒の境界線上に存在し、転位による結晶方位の境界線上には存在しないことを利用することもできる。
平均断面積は式（１）で求めることができる。
平均断面積＝矩形領域の面積／個数          式（１）
こうして得られた平均断面積を円形であると近似し、式（２）より銅結晶の平均粒子半径を得ることができる。
平均粒子半径＝√（平均断面積×４／π）      式（２）
【００２２】
また、銅層１３，２３の弾性率は好ましくは、３０〜７０ＧＰａ、より好ましくは３０〜６０ＧＰａ、特に好ましくは４０〜６０ＧＰａである。弾性率が上記範囲内であれば、セラミック基板１０への応力が緩和されるため割れにくくなると共に、銅の金属疲労が起こりにくくなり、銅層１３，２３のセラミック基板１０からの剥離を防ぐことができる。弾性率が７０ＧＰａを超えるとセラミック配線基板１にヒートサイクルを加えたときにセラミック基板１０に強い応力が加わり割れやすくなる。また、３０ＧＰａ未満であると、銅の変形量が大きくなるため、金属疲労を起こしやすくなり半導体素子の接続部や、セラミック基板との接続部で徐々に剥離するようになる。
【００２３】
銅層１３はその膜厚が好ましくは１００μｍ以上、より好ましくは２００μｍ以上である。導電層である銅層１３の膜厚が１００μｍ以上であれば、数十〜１００Ａ以上の大電流に対応することが可能となり、本発明のセラミック配線基板をパワーデバイス用配線基板とすることができる。
【００２４】
なお、銅層２３は基板の反りを防止するために面全体に形成したパターン（ベタパターン）であり、応力緩和層として機能する。すなわち、銅層１３および２３がセラミック基板１０の両面に形成されることで、熱歪みがセラミック基板１０の表裏に作用し、セラミック基板１０にかかる曲げ応力が緩和されるため、基板の割れを防止することができる。また、銅層２３を電気的に接続（接地）することによりノイズ低減等の機能をさらに付与することができる。
【００２５】
［製造方法１］
次に、実施形態１のセラミック配線基板１の製造方法について説明する。
図４は、本発明の実施形態１のセラミック配線基板１の製造方法１の工程を示す図である。
【００２６】
まず、セラミック基板１０を準備する（図４（Ａ））。次に、セラミック基板１０の第一面１０Ａ（表面）および第二面１０Ｂ（裏面）全体に、シード層１２，２２をそれぞれ形成する（図４（Ｂ））。
シード層１２，２２は、どのような方法で形成しても良く、例えば、無電解メッキ法、ＣＶＤ法、真空蒸着法、スパッタリング法などが利用できる。中でも、スパッタリング法が望ましい。原料物質を溶融させる必要が無いため、高融点金属でも容易に被膜を形成出来ること、電界で加速するのでイオン化した原子あるいは分子の運動エネルギーが大きく、セラミック基板内部に浸入することができ、付着力の強い被膜を形成することができること、常温に近い温度域で被膜を形成出来るので、熱歪みができにくいこと、といった理由による。
スパッタリング法としては、特に限定されないが、例えばＡｒ等の不活性ガス雰囲気下、圧力１〜１０Ｐａ、にてシード層１２，２２をスパッタリングで成膜することができる。
【００２７】
次に、シード層１２，２２の全面上に、低温成長法により銅層１３，２３をそれぞれ形成する（図４（Ｃ））。
本願発明で低温成長法における低温とは、電力用配線基板にかかるヒートサイクル以下の温度を示し、概ね１５０℃以下を意味する。従来技術の直接接合法や、ロウ付け法では、接合した温度において内部応力が最も小さくなるため、電力用配線基板の使用温度では内部応力が大きく銅層の剥離やセラミック基板の割れにつながりやすい。しかしながら本願発明では、低温成長法で銅層を形成しているため、電力用配線基板の使用温度域では内部応力が小さく、銅層の剥離や、基板の割れを起こりにくくすることが出来る。低温成長法としては、具体的には、メッキ法等の湿式法、化学蒸着（ＣＶＤ）法、スパッタリング法、真空蒸着法、物理蒸着（ＰＶＤ）法等の乾式法、等が挙げられる。特に、メッキ法により銅層を形成すると、常温で銅層を形成することができ、内部応力を特に小さくすることができる上、金属不純物の含有量が少ないため好ましい。金属不純物が含まれると、後に行う熱処理によっても硬い結晶組織を形成し、銅層が硬化するおそれがある。更に、メッキ法の中でも電解メッキ法が望ましい。電解メッキ法は銅層の成長速度が速いため、容易に厚い銅層を得ることが出来る。
メッキ法としては、例えばセラミック基板を陰極、銅板電極を陽極として、硫酸銅等の溶液に浸して、電解メッキ法が挙げられる。電解メッキの温度は特に限定されないが例えば１０〜４０℃にて行うことが出来る。１０℃未満であると析出速度が遅くなり、４０℃を超えると析出速度が速くなるものの成長しやすく、メッキの品質が悪くなる。なお、シード層１２，２２の厚さが非常に小さく、電気抵抗が大きいため電解メッキに適さない場合には、まず無電解メッキにより５μｍ程度の銅薄膜を形成し、更に電解メッキで所望の厚さの銅層を形成しても良い。
また、銅層１３，２３をメッキ法で形成する場合は、メッキに先立ち、シード層１２，２２上にスパッタリング等で５μｍ程度の銅薄膜を成膜してもよい。厚い銅層をメッキ法で形成する場合は特に、高融点金属層上に直接形成するよりも銅薄膜を介して形成することが望ましい。接合強度の弱い異種金属への積層をスパッタリングで行うことにより強く接合できるからである。スパッタリング法としては、特に限定されないが、例えばＡｒ等の不活性ガス雰囲気下、圧力１〜１０Ｐａ、にて、異種金属からなるシード層１２，２２との付着力が強い銅層１３，２３を成膜することができる。
【００２８】
その後、感光性有機溶剤を塗布し、一般的な露光・現像方法により、銅層１３の所定位置に、フォトレジスト１４を形成する（図４（Ｄ））。フォトレジスト１４は、配線パターンを形成している。一方、銅層２３側には配線パターンを構成しないので、全面にフォトレジスト２４を形成する。尚、銅層２３側は、フォトレジストを用いたフォトリソグラフィに代えて、スクリーン印刷等によって形成するなど、どのような方法を用いても良い。ただし、両面を同一条件で形成した膜を用いるのがより望ましい。
【００２９】
次に、フォトレジスト１４から露出した銅層１３及びシード層１２をエッチングにより除去し更にフォトレジストを除去することにより、配線パターンを構成する銅層１３が形成される（図４（Ｅ））。全面にフォトレジスト２４を形成した銅層２３はエッチングされることなく残留している。
【００３０】
次に、銅層１３，２３を形成したセラミック配線基板１を、銅の焼きなまし温度以上に昇温させ徐冷する、熱処理を行う（図４（Ｆ））。ここで、焼きなまし温度とは、結晶方位の異なる結晶同士を再配列できる温度のことを示し、銅の場合は概ね６００℃前後である。なお、焼きなまし温度は、結晶内部に存在する転位等の格子欠陥を再配列するために必要な温度（いわゆる再結晶温度）よりも高い温度である。再結晶温度では、結晶方位がほとんど変わることのない格子欠陥や、結晶方位の近い結晶同士を再配列することは出来るものの、結晶方位が大きく異なる結晶どうしは再配列することが出来ない。再結晶温度を超え、焼きなまし温度以上で処理をすることにより、結晶方位の違う結晶同士を再配列し一体化することで、結晶成長を促すことができる。焼きなまし温度までにほとんど結晶成長は完了し、それ以上に処理温度を高めても結晶サイズが大きくは変化しない。
焼きなまし温度以上に昇温させ、その温度を銅層の質量に応じて保持した後、セラミック基板に熱応力がかからない程度に、結晶成長を促しながらゆっくり冷却する。結晶粒子が大きくなる結果、結晶粒子間の粒界が減少し、銅層１３，２３を軟化させることができる。銅層を軟化させると、銅層の応力を除去することができ、セラミック基板の割れが生じにくくなる。
【００３１】
昇温時の温度は、好ましくは６００〜９００℃、さらに好ましくは６００〜８００℃、特に好ましくは７００〜８００℃である。６００℃未満の場合には、銅の転位等の格子欠陥が取り除かれるのみであるが、６００℃以上に熱処理を加えることによって、銅の結晶成長が促され、結晶粒子を大きくすることができる。また、９００℃を超えて熱処理をすると、銅層が大きく軟化する上に、シード層を設けた場合に特に、高融点金属が銅に拡散固溶し、シード層にセラミック基板との接合機能が無くなるので望ましくない。
また、昇温速度は好ましくは５〜１５℃／ｍｉｎ、より好ましくは１０℃／ｍｉｎであり、雰囲気は窒素、アルゴンなどの不活性雰囲気あるいは真空とすることが望ましい。圧力は特に限定されないが、大気圧〜負圧（真空）であれば簡便な熱処理炉で安全に処理することが出来る。
所望の熱処理温度に達した後は、１０分程度の間、その温度で保持する。その後、セラミック配線基板１を徐々に冷却する。冷却速度は好ましくは１５〜２５℃／ｍｉｎ、より好ましくは２０℃／ｍｉｎであり、圧力は特に限定されないが、大気圧〜負圧（真空）とするのが好ましく、室温までゆっくりと冷却する。
上記製造工程を経て、実施形態１のセラミック配線基板１を得る。
【００３２】
なお、図示しないが、銅層１３、２３の熱処理工程は、低温成長法により銅層１３，２３をそれぞれ形成した（図４（Ｃ））後に行ってもよい。
【００３３】
［製造方法２］
実施形態１のセラミック配線基板１の別の製造方法である製造方法２について説明する。
図５は、本発明の実施形態１のセラミック配線基板の製造方法２の工程を示す図である。製造方法２は、銅層の配線パターンの形成方法が前記製造方法１と異なる。
【００３４】
セラミック基板１０を準備する（図５（Ａ））。次に、製造方法１と同様に、セラミック基板１０の第一面１０Ａ（表面）および第二面１０Ｂ（裏面）全体上に、高融点金属からなるシード層１２，２２をそれぞれ形成する（図５（Ｂ））。なお、この後に製造方法１と同様に、シード層１２，２２上にスパッタリング法で銅薄膜を成膜しても良い。
【００３５】
シード層１２の所定位置に、フォトレジスト１５を形成する（図５（Ｃ））。フォトレジスト１５は、配線パターンの反転パターンを形成している。一方、シード層２２側には配線パターンを構成しないので、フォトレジストは形成しない。
【００３６】
次に、フォトレジスト１５から露出するシード層１２上に、製造方法１と同様の低温成長法により、銅層１３を形成する。シード層２２上には全面に銅層２３を形成する。次にフォトレジスト１５を除去する（図５（Ｄ））。
【００３７】
次に、銅層１３が形成されていないシード層１２を除去する（図５（Ｅ））。シード層のみ（例えばチタン）を選択的に除去しても良いし、シード層上に銅薄膜を形成した場合などには、弱いエッチング液や条件を用いるソフトエッチング法により、銅層１３とシード層１２を共に少量ずつエッチングすることで、銅層１３が形成されていないシード層１２を除去しても良い。
【００３８】
そして製造方法１と同様に、銅層１３，２３を形成したセラミック配線基板１を、銅の焼きなまし温度以上に昇温させる熱処理を行い、続いて徐冷することにより、実施形態１のセラミック配線基板１を得る（図５（Ｆ））。
【００３９】
［実施形態２］
図６は、本発明の実施形態２のセラミック配線基板を示す断面図である。
本実施形態２では、セラミック基板１０の第二面１０Ｂ（裏面）上に形成される第二配線導体層２１が、第一面１０Ａ（表面）上に形成される第一配線導体層１１と同様の配線パターンを構成する。セラミック基板１０の両面に同様の配線パターンを備えることにより、熱歪みがセラミック基板１０の表裏ほぼ対称に作用するため、セラミック基板１０をより一層割れにくくすることが可能となる。また、表面のみならず裏面にも配線導体層を具備することにより、配線面積の増大を図ることが可能となる。
【００４０】
実施形態２のセラミック配線基板を製造するには、実施形態１のセラミック配線基板の製造方法１において、セラミック基板１０の第二面１０Ｂ（裏面）側に形成された銅層２３及びシード層２２を、配線パターンを形成するフォトレジストを用いて部分的に除去し、それ以外は製造方法１と同様とすればよい。また、実施形態１のセラミック配線基板の製造方法２において、セラミック基板１０の第二面１０Ｂ（裏面）側に形成されたシード層２２を、配線パターンの反転パターンを形成するフォトレジストを用いて部分的に覆い、それ以外は製造方法２と同様とすればよい。
【００４１】
［実施形態３］
図７は、本発明の実施形態３のセラミック配線基板を示す断面図である。
本実施形態３のセラミック配線基板１では、セラミック基板１０の第一面１０Ａ（表面）上に配線パターンを形成する第一配線導体層１１を具備し、第二面１０Ｂ（裏面）には配線導体層を具備しない。
【００４２】
実施形態３のセラミック配線基板１を製造するには、実施形態１のセラミック配線基板の製造方法１または製造方法２において、セラミック基板１０の第二面１０Ｂ（裏面）側にシード層２２を形成せず、それ以外は同様とすればよい。
【００４３】
［実施形態４］
本発明の実施形態４のセラミック配線基板１は、図８に示すように、セラミック基板１０と、配線パターンを形成する第一配線導体層１１とで構成されている。この第一配線導体層１１は銅層１３から構成されている。
実施形態４では実施形態１〜３と異なり、銅層１３を、シード層を介さずにセラミック基板１０の第一面１０Ａ上に直接形成するので、密着性を高めるため、第一面１０Ａ（表面）を好ましくはＲａ０．５μｍ以上、より好ましくは１μｍ以上に粗面化し、その上に銅層１３を形成することが好ましい。
なお、図示しないが、セラミック基板１０の第二面１０Ｂ（裏面）上に形成された、銅層からなる第二配線導体層を形成してもよい。
【実施例】
【００４４】
以下、実施例により本発明をより具体的に説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものではない。
【００４５】
１．セラミック配線基板の製造
実施例１（８００℃）
窒化アルミニウム基板を準備し、続いてＡｒプラズマ、ＤＧ４〜５ｋＷ、５〜１５分間のスパッタリングにより、窒化アルミニウム基板の両面に、厚さ０．１μｍのチタン（Ｔｉ）からなるシード層と、厚さ１．０μｍの銅層を順に形成した。前記シード層と、銅層はそれぞれ窒化アルミニウム基板の全面に形成した。
次に、前記銅層の全面に、銅の電解メッキ膜を形成した。具体的には、窒化アルミニウム基板を陰極、銅板電極を陽極として、硫酸銅の溶液に浸し、電流量３Ａ／ｄｍ２、３０分間の電解銅メッキを行った。その後、一般的な露光・現像方法により、電解めっき膜の所定位置に、配線パターンを形成したフォトレジストを形成した。
次に、フォトレジストから露出した電解めっき膜及びシード層をエッチングにより除去することにより配線パターンの形成されたセラミック配線基板を得た。次に大気圧、窒素雰囲気下の熱処理炉で１０℃／ｍｉｎの昇温速度で８００℃まで加熱した。８００℃では１０分間保持し、２０℃／ｍｉｎで常温まで冷却した。
このようにして、セラミック配線基板を作製した。
【００４６】
実施例２（６００℃）
加熱温度を６００℃とした以外は実施例１と同様に、セラミック配線基板を作製した。
【００４７】
比較例１（３５０℃）
加熱温度を３５０℃とした以外は実施例１と同様に、セラミック配線基板を作製した。
【００４８】
比較例２（熱処理なし）
熱処理を行わなかったこと以外は実施例１と同様に、セラミック配線基板を作製した。
【００４９】
２．セラミック配線基板の評価
（１）銅の粒子半径の算出
実施例及び比較例のセラミック配線基板を約５ｍｍ角に切断した。次に前記セラミック配線基板の断面が観察できるよう室温硬化型エポキシ樹脂に包埋した。次にクロスセクションポリッシャ（ＣＰ）法によりＰｔ−Ｐｄスパッタリングを施し、イオンポリッシング（６ｋＶ×６ｈｒ）により断面のサンプルを作製した。次にサンプルを試料台に固定し、走査型電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）による観察を行った。
分析装置：
クロスセクションポリッシャ装置[ＣＰ]
装置：Ｊｅｏｌ，ＳＭ−０９０１０
走査型電子顕微鏡［ＦＥ−ＳＥＭ］
装置：Ｊｅｏｌ，ＪＳＭ−７００１Ｆ
加速電圧：５ｋＶ
観察像：反射電子像
実施例及び比較例のセラミック配線基板の断面を走査型電子顕微鏡で観察した様子（写真）を、図９〜１２に示す。なお、各図において、（Ａ）は倍率５００でセラミック配線基板の切断面全体を、（Ｂ）は倍率１０００で銅層１３の一部を拡大して、（Ｃ）は倍率５０００で銅層１３の一部を拡大して、それぞれ観察したものである。
図９、１０の写真に示すように、８００℃、６００℃の熱処理を行った実施例１、２では、隣接する結晶と一体化して結晶サイズが大きくなっており、結晶成長が十分であることが確認された。
図１１の写真に示すように、３５０℃の熱処理を行った比較例１では、結晶粒子内部の転位等の欠陥はほとんどなく、個々の結晶内部の結晶方位が揃ってきているが、結晶成長は未だ不十分であった。
図１２の写真に示すように、熱処理を行わなかった比較例２では、銅結晶内部に多くの結晶欠陥があり境界と欠陥の区別がつけにくく、銅結晶そのものが不明確であった。
【００５０】
こうして得られた、銅の断面写真を基に、銅の粒子半径を算出した。まず、銅の粒子サイズよりも充分に大きな矩形の領域を任意に選定し、その内部に存在する銅の結晶粒子は１個、境界線を跨いで存在する粒子は０．５個として総数を数えた。こうして得られた結晶の個数で矩形領域の断面積を除することにより結晶１個あたりの平均断面積を式（１）から算出することができる。
平均断面積＝矩形領域の面積／個数        式（１）
こうして得られた平均断面積を円形であると近似し、式（２）より平均粒子半径を得た。
平均粒子半径＝√（平均断面積×４／π）    式（２）
【００５１】
（２）評価試験
セラミック基板割れ試験：
得られたセラミック配線基板を−６５℃と１５０℃の液相浴に交互に投入することによりセラミック基板割れ評価の試験を行った。なお、１サイクルは３分間で実施し、−６５℃は、エタノールおよびドライアイスの寒剤を使用し、１５０℃は、オイルバスで実施した。図１３Ａおよび図１３Ｂは、比較例１のセラミック配線基板の割れ試験の結果を示している。図１３Ａは、割れ試験終了後の比較例１のセラミック配線基板から銅層１３およびシード層１２をエッチングにより除去した、セラミック基板１０（窒化アルミニウム基板）の平面図である。図１３Ｂは、図１３Ａのセラミック基板１０のＡ−Ａ’断面模式図を示している。図１３Ａおよび図１３Ｂに示すように、銅層の端部（パターンエッジ）付近の窒化アルミニウム基板でクラックＣが発生しているのが確認できる。
【００５２】
剥離試験：
熱処理前後、ヒートサイクル前後で銅層の密着強度の低下の有無を確認するため、セラミック基板と銅層の剥離試験を行った。実施例１および比較例２のセラミック配線基板から、片側全面に銅層が残るように１０ｍｍ角程度の板形状試料を作製し、両面を接着剤で引っ張り試験用ホルダーに接着した後、島津製作所製オートグラフ（装置名：ＡＧ−ＩＳ５ｋＮ）を用いて引っ張り速度１ｍｍ／ｍｉｎでセラミック基板と銅層の境界面に対し垂直方向の引っ張り強度を測定した。尚、両面に銅層が形成されている場合には、エッチングなどの方法であらかじめ片側の銅層を剥離することにより剥離試験を行うことが出来る（セラミック基板の両面に銅層が形成されている試験片で測定する場合には、常に接着強度の弱い側のみが剥離するため比較対象とすることは好ましくない。）。
【００５３】
実施例及び比較例について、上記評価の結果を表１、表２に示す。
【００５４】
【表１】
2011097038.tif 000003
【００５５】
【表２】
2011097038.tif 000004
【００５６】
本発明では、高融点金属からなるシード層を常温付近で形成し、電解メッキ法で銅配線パターンを形成しているため、熱応力は室温付近で最小となる。このため、常温と使用温度間のヒートサイクルで発生する熱歪みは小さく、セラミック基板の割れや、銅層の剥離が起こりにくくなる。さらに、表１の結果から、実施例１および２では、銅層形成後の焼きなまし温度以上の昇温と徐冷処理により銅の結晶成長が促進され、銅の粒子半径が本発明の範囲内であるため、銅層の応力が十分除去され、セラミック基板の割れや、銅層の剥離がさらに起こりにくくなることが確認された。
また、表２の結果から、剥離強度は、熱処理を行わなかった比較例２と、８００℃熱処理を行った実施例１とで、実施例１のヒートサイクル試験後において差違はほとんどなく、実施例１の銅層の剥離強度は良好に維持されたことが確認された。
【００５７】
（３）弾性率の測定
メッキ銅箔と銅箔について、熱処理を行った後の弾性率（ヤング率）を測定した。
ステンレスの基板上に、銅を電解メッキにより膜厚３００μｍのメッキ銅層を形成した。次に各温度域での熱処理を加え、徐却した後にメッキ銅層を剥離し、１０×５０ｍｍのサイズのメッキ銅箔の試験片を製作した。なお、熱処理方法は、実施例１〜２、比較例１〜２と同様である。各試験片を島津製作所製オートグラフにより、弾性率を測定した。
【００５８】
なお、窒化アルミ基板表面にチタンによりシード層を介して銅層を形成した場合は、剥離するのが困難であるが、ダイヤモンドのワイヤーソー等で銅層表面に窒化アルミが僅かに残るように切断し、強アルカリで処理することにより、銅層を弾性率測定用の試験片を製作することが出来る。
【００５９】
銅箔は、厚さ３００μｍのものを準備した。銅箔は、セラミック基板に貼り付けることなくそのまま熱処理し、１０×５０ｍｍのサイズの試験片を製作し、島津製作所製オートグラフにより、弾性率を測定した。
【００６０】
測定結果を表３、および図１４に示す。
【００６１】
【表３】
2011097038.tif 000005
【００６２】
表３および図１４の結果より、メッキ銅箔と銅箔とでは、弾性率の低下の様子が異なり、銅箔は３５０℃以上の熱処理からは弾性率が６０ＧＰａ付近で留まったが、メッキ銅箔は加熱温度の上昇と共に相関的に低下し、６００℃以上の熱処理では、銅箔よりも弾性率が低くなることが確認された。
【符号の説明】
【００６３】
１      セラミック配線基板
１０    セラミック基板
１０Ａ  第一面
１０Ｂ  第二面
１１    第一配線導体層
１２    シード層
１３    銅層
１４    フォトレジスト
１５    フォトレジスト
２１    第二配線導体層
２２    シード層
２３    銅層
２４    フォトレジスト
【図１】
2011097038.tif 000006
【図２】
2011097038.tif 000007
【図４】
2011097038.tif 000008
【図５】
2011097038.tif 000009
【図６】
2011097038.tif 000010
【図７】
2011097038.tif 000011
【図８】
2011097038.tif 000012
【図１３Ｂ】
2011097038.tif 000013
【図１４】
2011097038.tif 000014
【図３】
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【図９】
2011097038.tif 000016
【図１０】
2011097038.tif 000017
【図１１】
2011097038.tif 000018
【図１２】
2011097038.tif 000019
【図１３Ａ】
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