(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コールドスプレー法によりＣｕ板上にろう材を形成する工程と、このろう材がセラミックス基板に接触するようにＣｕ板を配置する工程と、このＣｕ板とろう材とセラミックス基板を加熱することにより、Ｃｕ板をセラミックス基板に接合する工程と、を具備することを特徴とする、金属セラミックス接合基板の製造方法。
【請求項２】
前記コールドスプレー法によりろう材を形成する工程が、ろう材の原料粉末を混合した混合粉末と、この混合粉末の融点以下に加温された作動ガスとを、前記Ｃｕ板上に吹き付ける工程であることを特徴とする、請求項１に記載の金属セラミックス接合基板の製造方法。
【請求項３】
前記コールドスプレー法によりろう材を形成する工程が、ろう材の原料粉末を混合した混合粉末と、この混合粉末の融点以下に加温された作動ガスとを、前記Ｃｕ板を移動させて前記Ｃｕ板に連続的に吹き付ける工程であることを特徴とする、請求項１に記載の金属セラミックス接合基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属セラミックス接合基板及びその製造方法等に関し、より詳細には、ろう材の形成工程のコストを低減できる金属セラミックス接合基板及びその製造方法等に関する。  
【背景技術】
【０００２】
従来の金属セラミックス接合基板の製造方法について説明する。   
まず、金属成分が７１Ａｇ-２７Ｃｕ-２Ｔｉ（ｗｔ％）になるよう金属粉等を秤量し、これに対し約１０％のアクリル系のビヒクルを加え乳鉢、３本ロールミル等通常の方法で混錬し、ペースト状のろう材を作製する。
【０００３】
次に、このろう材をセラミックス基板の両面にスクリーン印刷で配置（塗布）し、その両側にＣｕ板を配置し、８５０℃の真空炉中で接合する。 
【０００４】
次いで、セラミックス基板を真空炉中から取り出し、接合されたＣｕ板表面の両面に所望の回路パターン等のレジストインクを塗布し、塩化第２銅、塩酸と過酸化水素水の混合液によりＣｕ板の不要部分を除去することによりセラミックス基板上に回路が形成される。その後、レジストをアルカリの薬液で除去する。  
【０００５】
その後、回路の表面にＮｉ-Ｐの無電解めっきを選択的に施す（例えば特許文献１参照）。   
また、金属板の表面にろう材をスプレーで塗布して形成し、該金属板をセラミックス基板に接合する方法が知られている（例えば特許文献２参照）。
【０００６】
また、セラミックス基板上にコールドスプレーによりろう材を形成させることにより、ろう材を介して金属板とセラミックス基板を接合する方法が知られている。（特許文献３）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−６０１１１号公報
【特許文献２】特開２００５−２１３１０７号公報
【特許文献３】特開２０１０−２２８９９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
金属セラミックス接合基板を製造するコストを低減する要請がある。そのひとつの対策として、ろう材を塗布（形成）する工程のコスト低減が考えられる。また、前記金属板にろう材をスプレーする方法では、ろう材と金属板との密着強度が小さくろう材が脱落する恐れがあり、また有機溶剤と金属粉を混ぜるてスプレーするために該有機物成分が残留し、その後のセラミックス基板との接合において接合不良の要因となる恐れがある。また、セラミックス基板のろう材粉末をコールドスプレー法で形成する方法は、そのスプレーの噴射圧力で加熱されたセラミックス基板が割れる恐れがある。 
【０００９】
本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、ろう材の形成工程のコストを低減できる金属セラミックス接合基板及びその製造方法を提供することにある。 
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明に係る金属セラミックス接合基板の製造方法は、金属板上にコールドスプレー法によりろう材を形成する工程と、セラミックス基板に金属板上に形成された前記ろう材が接触するように配置する工程と、前記金属板、前記ろう材及び前記セラミックス基板を加熱することにより、前記セラミックス基板に前記金属板を接合する工程と、を具備することを特徴とする金属セラミックス接合基板の製造方法である。  
【００１１】
また、前記コールドスプレー法によりろう材を形成する工程は、原料粉末を混合した混合粉末及び該混合粉末の融点以下に加温された作動ガスを前記セラミックス基板上に吹き付ける工程であることが好ましい。  
【００１２】
本発明に係る金属セラミックス接合基板は、セラミックス基板と、前記セラミックス基板上にろう材によって接合された金属板と、を具備し、前記ろう材は、コールドスプレー法により形成されていることを特徴とする金属セラミックス接合基板である。 
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように本発明によれば、ろう材の形成工程のコストを低減できる金属セラミックス接合基板及びその製造方法を提供することができる。  
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】（ａ）〜（ｆ）は、本発明の実施形態による金属セラミックス接合基板の製造方法を説明するための断面図である。
【図２】図１（ｆ）に示す金属セラミックス接合基板の斜視図である。
【図３】コールドスプレー法を実施する低温溶射装置の概略を示す模式図である。
【図４】金属板上に連続的にコールドスプレーを実施する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。   
図１（ａ）〜（ｆ）は、本発明の実施形態による金属セラミックス接合基板の製造方法を説明するための材料及び金属セラミックス接合基板の断面図である。図２は、図１（ｆ）に示す金属セラミックス接合回路基板２０の斜視図である。図３は、コールドスプレー法を実施する低温溶射装置の概略を示す模式図である。
【００１６】
まず、図１（ａ）に示す金属板１を準備する。この金属板１は、例えば厚さが０．１〜２ｍｍ程度の導電性や放熱性の良いＣｕ板やＡｌ板を用いることが好ましい。
【００１７】
次いで、図１（ｂ）に示すように、金属板１の一方の面（片面）にコールドスプレー法によってろう材２を形成する。この際、図３に示す低温溶射装置を用いる。コールドスプレー法及び低温溶射装置の詳細については後述する。
【００１８】
次に、図１（ｃ）に示すように、セラミックス基板３を準備し、その両面に、金属板１のろう材が形成された方の面（一方の面）がセラミックス基板３の表面に接触するように配置する。次いで、セラミックス基板３及び金属板１を真空炉内に配置し（図示せず）、真空雰囲気中、ろう接温度まで加熱することにより、セラミックス基板３の両面に金属板１が接合され、金属セラミックス接合基板１００を得ることができる。
セラミックス基板３は、例えば市販されてＡｌＮ（窒化アルミニウム）基板、アルミナ基板、窒化珪素基板などを主成分とする、厚さ０．２〜３ｍｍのものが好ましい。
【００１９】
次いで、図１（ｄ）に示すように、金属セラミックス接合基板１０を真空炉中から取り出し、金属板１の表面に所望の回路パターン等の形状のエッチングレジスト４を塗布し、紫外線で硬化する。なお、エッチングレジスト４は、熱硬化型などでも良い。
【００２０】
次に、この前記レジスト４をマスクとしてエッチング液、例えば塩化第２銅、塩酸と過酸化水素水の混合液により、金属板１をエッチングすることで、セラミックス基板３の一方面には金属板からなる回路パターン１ａが形成され、セラミックス基板１の他方面には金属板パターン１ｂが形成される。次いで、レジスト４を例えばアルカリの薬液で除去する（図１（ｅ））。
【００２１】
次いで、回路パターン間や基板縁面の不要なろう材等を除去するため、フッ酸を含有する薬液にディップして、セラミックス基板３の両面（表面）の不要なろう材等を除去した後、水洗、乾燥し所望の金属回路パターンを得、金属セラミックス接合路基板１００が製造される（図１（ｆ）、図２）。
その後、必要に応じて回路パターン１ａ及び金属板パターン１ｂの表面にめっきを施しても良い。例えばＮｉ-Ｐの無電解めっきを行う。
【００２２】
次に、上記のコールドスプレー法及び低温溶射装置の詳細について説明する。  
本実施形態に係るろう材の形成方法は、材料粉末を金属板１の表面に固着させてろう材を形成するもので、材料粉末をその融点より低い温度に加温したガスに投入し、このガスを超音速流にして金属板１に対して噴射させるコールドスプレー法を用いる。  
【００２３】
図３に示す低温溶射装置１１は、空気，窒素，ヘリウムなどの高圧の作動ガスを供給するガス供給部１０を有しており、このガス供給部１０には主配管１２の一端が接続されている。この主配管１２の途中には、作動ガスを加温するガスヒーター部１３が設けられている。主配管１２には、その主配管１２から分岐された枝配管１４の一端が設けられている。この枝配管１４の他端には材料粉末を供給する粉体供給部（パウダーフィードユニット）１５が配置されている。この粉体供給部１５には粉末投入管１６の一端が接続されており、この粉末投入管１６には主配管１２の他端が合流されており、粉末投入管１６の他端にはスプレーノズル１７が接続されている。スプレーノズル１７に対向して配置された基板保持部（図示せず）には金属板１が保持されている。  
【００２４】
図３に示す低温溶射装置１１によって金属板１にろう材を下記のようにして形成する。  
【００２５】
粉体供給部１５にろう材の原料粉末を混合した混合粉末を入れ、低温溶射装置１１を駆動させる。ガス供給部１０によって空気，窒素，ヘリウムなどの高圧の作動ガスが主配管１２に供給される。主配管１２に供給された作動ガスは、ガスヒーター部１３によって原料粉末の融点より低くまたは軟化温度よりも低い温度に加温される。この加温された作動ガスはチャンバー１９に供給される。これとともに、ガス供給部１０によって主配管１２及び枝配管１４を介して粉体供給部１５に作動ガスが供給され、この作動ガスにより粉体供給部１５の混合粉末が粉末投入管１６を通ってチャンバー１９に供給される。このようにして粉末投入管１６からチャンバー１９に供給される混合粉末と、主配管１２からチャンバー１９に供給される加温された作動ガスが、スプレーノズル７から超音速流になって噴出され、その結果、混合粉末及び作動ガス１８が金属板板１の全面に対して吹き付けられる。この吹き付けられる混合粉末は、金属板１に衝突して固着される。従って、金属板１の表面には低温溶射によりろう材２が形成される。このろう材２の厚さは、接合に十分な量のろう材とするために５μｍ以上が好ましく、より好ましくは１０μｍ以上である。なお、厚すぎるとセラミックス基板との接合において大きな熱応力が発生し、セラミックス基板が割れる恐れがあるので、ろう材の厚さは５００μｍ以下、さらには１００μｍ以下であることが好ましい。
【００２６】
上記実施形態によれば、コールドスプレー法によりろう材２を金属板１上に形成するため、従来技術に比べてろう材を容易に形成することができる。  
【００２７】
具体的には、本実施形態では、従来技術のようにろう材をペースト（又は箔）とする必要がなく、原料粉末のままでろう材を形成することができる。このため、従来技術のようなろう材２の製造工程がなくなり、コストを低減できる。また、ろう材成分である金属粉とビヒクルとの相性の心配も不要となる。  
【００２８】
また、コールドスプレー法によりろう材を形成するため、従来技術に比べてろう材の形成スピードを速くすることができる。例えば、コールドスプレー法では厚さ２０μｍのろう材を一瞬（１秒以下）で形成することができ、厚さ４００μｍのろう材を数秒で形成することができる。また、通常の丸ノズルのスプレーの場合、一般に用いられている長方形の金属板の全面にろう材を形成することが困難な場合がある。この場合、金属板を移動し、スプレーが全面に当たるようにすれば良い。また、スプレーは複数並べて処理を行っても良い。また、付着しなかった粉末は、回収し、再利用するのもコスト面で好ましい。  
【００２９】
また、コールドスプレー法では、粉体供給部１５に粉の状態で所定の組成に混合すれば良いため、ろう材をペーストや箔とするのと比べ、ろう材の組成を容易に変更することができる。また、コールドスプレー法では、溶射などと比較して、ろう材の成分が酸化しにくいという利点もある。  
【００３０】
また、コールドスプレー法では、金属板１の表面のうねりや粗さにろう材を追従させることが容易である。従って、ろう材の接合欠陥（ボイド）を低減させる効果もある。
【００３１】
また、コールドスプレー法では、接合時にペーストろう材では必要な処理となる脱脂・脱バインダー工程が不要となり、ろう材形成工程の時間を短縮できるとともに、ろう材の酸化がほとんどなく、ろう材の品質を安定させることができる。  
【００３２】
また、コールドスプレー法によるアンカー効果により、混合粉末を金属板１に確実に固着することができ、接合強度を向上させることができる。なお、粒子が溶融した或いは半溶融した高温の状態で低速でスプレーする通常の溶射法では、ろう材成分が酸化して接合できなくなったり、金属板を加熱する必要があり、金属板が破壊されるおそれがある。また、単に混合粉末を室温などで金属板にスプレーした場合は、金属板表面に該粉末はほとんど付着しない場合がある。
【００３３】
本発明における金属板１へのろう材のコールドスプレー法として、図４に示される通り、コイル状の金属板に連続的にコールドスプレーを行い、ろう材を金属板上に形成することもできる。これにより、前述よりもさらにろう材の形成の効率は向上し、ろう材形成のコスト削減を図ることができる。
【００３４】
また、ろう材が形成された金属板のコイルの進行方向に、該コイルから所定の大きさの金属板に打抜くプレス機を準備しておくと、連続して金属セラミックス接合基板用の金属板を製造することができるのでより好ましい。このような方法は工業的に非常に有用であり、金属セラミックス接合基板のろう材形成、接合工程における大幅なコスト削減の効果が認められる。
【００３５】
以下、本発明の実施例について説明する。   
（実施例１）   
セラミックス基板として厚さ０．６ｍｍ、長さ３５ｍｍ、幅３５ｍｍのＡｌＮ基板、金属板として厚さ０．２５ｍｍ、長さ３５ｍｍ、幅３５ｍｍのＣｕ板を２枚準備した。  
【００３６】
次いで、このＣｕ板の片面に図３に示す低温溶射装置（コールドスプレー装置）によってろう材を形成する。詳細には、コールドスプレー装置の粉体供給部（パウダーフィードユニット）に原料粉末を投入し、この原料粉末及び高温・高圧のＮ２ガスでＣｕ板の表面にスプレーすることにより、Ｃｕ板の表面に原料粉末を付着させた。
【００３７】
前記原料粉末は、９７ｍａｓｓ％のＡｇ粉末、３ｍａｓｓ％のＴｉ粉末を混合した混合粉末であり、原料粉末の粒径はＡｇが５〜６３μｍ、Ｔｉが４５μｍ以下のものを使用した。また、前記混合粉末は、３８０℃に加熱され吐出圧３ＭＰａで噴射される前記Ｎ２ガスによってＣｕ板にスプレーした。また、ろう材を形成するためのスプレー時間は１秒である。なお、スプレー中にＣｕ板表面の全面に原料粉末が付着するように、Ｃｕ板を移動させながらスプレーを行った。
このようにして２枚のＣｕ板の片面に厚さ２０μｍのろう材を形成した。
【００３８】
なお、従来技術のようなろう材ペーストやろう材箔の作製工程はない。   
【００３９】
次いで、２枚のＣｕ板のろう材形成面がＡｌＮ基板の一方の面（表面）および他方の面（裏面）に接触するように、それぞれ配置した。
【００４０】
次いで、Ｃｕ板が表裏に配置された前記ＡｌＮ基板を真空炉内に配置し、真空雰囲気、８５０℃の温度で加熱処理することにより、ＡｌＮ基板とＣｕ板がろう材を介して接合されたＡｌＮ−Ｃｕ接合基板を得ることができた。  
【００４１】
次いで、得られたＡｌＮ−Ｃｕ接合基板を真空炉中から取り出し、Ｃｕ板の表面に所望の回路パターンの紫外線硬化型エッチングレジストを塗布、硬化し、このレジストをマスクとしてＣｕ板を塩化第２銅と塩酸と過酸化水素を含む混合液でエッチングすることにより、ＡｌＮ基板の表面及び裏面に回路パターンを形成し、レジストを除去した。その後、フッ酸を含む水溶液で、前記混合液で溶けなかったパターン間に残留する不要なろう材を除去した。
【００４２】
次いで、Ｃｕ板（回路パターン）とＡｌＮ基板のピール強度試験による接合強度を評価した結果、接合強度は８ｋｇｆ／ｃｍ以上であった。この際の評価方法は、下記のとおりである。  
ＡｌＮ−Ｃｕ接合基板に形成された回路パターンの一部である幅３ｍｍのパターンの端をペンチで引き剥がした。この接合基板をプル（引張）試験機の台に固定し、前記パターンの端をプル試験機のチャックに取り付けた。この時、ＡｌＮ基板の表面と引き剥がされた前記Ｃｕ回路パターンの角度が９０°（鉛直方向）になるように設置する。その後、プル試験機を作動させ、チャックを介して引き剥がされた前記パターンを上方に引っ張って移動させ、その時の最大引き剥がし荷重を測定した。その最大引き剥がし荷重を幅（０．３ｃｍ）で除して接合強度を測定した。  
【００４３】
（比較例１）   
セラミックス基板１として実施例１と同様のＡｌＮ基板およびＣｕ板を準備した。  
【００４４】
次いで、実施例１と同様の原料粉末（混合粉末）に、アクリル系のビヒクルを加え、乳鉢、３本ロールミルで混錬し、ペースト状のろう材を作製した。  
【００４５】
次いで、このろう材をＡｌＮ基板の両面にスクリーン印刷で配置（塗布）した。この際のろう材の厚さは２０μｍである。
【００４６】
次いで、ろう材の塗布されたＡｌＮ基板の両面に前記Ｃｕ板をそれぞれ配置し、その後、５０℃の温度で６０分間乾燥させ、ビヒクル中の有機成分（例えば溶剤）等を除去（蒸発）した。  
【００４７】
次いで、Ｃｕ板が表裏に配置された前記ＡｌＮ基板を真空炉内に配置し、真空雰囲気、８５０℃の温度で加熱処理することにより、ＡｌＮ基板とＣｕ板がろう材を介して接合されたＡｌＮ−Ｃｕ接合基板を得ることができた。  
この際、接合の前に、前記ビヒクル成分を分解させるために５００℃で６０分間保持する脱脂処理を行った。  
【００４８】
次いで、ＡｌＮ基板を真空炉中から取り出し、実施例１と同様の方法で回路パターンを形成し、レジストを除去した。
【００４９】
次いで、実施例１と同様にＣｕ板（回路パターン）とＡｌＮ基板の接合強度を評価した結果、その接合強度は８ｋｇｆ／ｃｍ以上であった。
【００５０】
上記実施例１によれば、コールドスプレー法によりろう材をセラミックス基板上に形成するため、比較例１に比べてろう材を容易に形成することができる。  
【００５１】
具体的には、実施例１では、比較例１のようにろう材をペーストとする必要がなく、原料粉末のままでろう材を形成することができる。このため、比較例１のようなろう材の作製工程がなくなり、コスト及び時間を大幅に低減できる。また、ろう材成分である金属粉とビヒクルとの相性（ペースト化のしやすさ、ペーストの印刷のしやすさなど）の心配も不要となる。
【００５２】
また、実施例１では、コールドスプレー法によりろう材を形成するため、比較例１に比べてろう材の形成スピードを速くすることができる。詳細には、コールドスプレー法では厚さ２０μｍのろう材を１秒で形成することができるのに対し、スクリーン印刷では厚さ２０μｍのろう材を形成するのに１０秒程度必要となる。  
【００５３】
また、実施例１のコールドスプレー法では原料粉末の混合比を変更することでろう材の組成を容易に変更することができる。また、コールドスプレー法では、溶射などと比較して、ろう材の成分が酸化しにくいという利点もある。
【００５４】
また、実施例１のコールドスプレー法では、金属板の表面のうねりや粗さにろう材を追従させることが容易であるため、ろう材の接合欠陥（ボイド）を低減させる効果もある。
【００５５】
また、実施例１のコールドスプレー法では、比較例１のように、接合時にろう材の脱脂・脱バインダー工程（５０℃×６０分の乾燥工程）、ビヒクルの分解時間（６０分）が不要となり、ろう材形成工程の時間を短縮できるとともに、ろう材の品質を安定させることができる。  
【００５６】
その他、実施例１においても、例えば比較例１と遜色のない、充分な接合強度を得ることができる。  
【００５７】
尚、本発明は上述した実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。  
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明の製造方法で製造される金属セラミックス接合基板は、半導体等の電子部品を搭載する回路基板に使用することができ、例えばパワーモジュールの絶縁回路基板として使用することができる。
【符号の説明】
【００５９】
１ 金属板
１ａ 回路パターン   
１ｂ 金属板パターン   
２ ろう材   
３ セラミックス基板   
４ レジスト   
１０ ガス供給部
１１ 低温溶射装置   
１２ 主配管 
１３ ガスヒーター部   
１４ 枝配管   
１５ 粉体供給部   
１６ 粉末投入管   
１７ スプレーノズル   
１８ 混合粉末及び作動ガス
１９ チャンバー   
【図１】
0005750599.tif 000002
【図２】
0005750599.tif 000003
【図３】
0005750599.tif 000004
【図４】
0005750599.tif 000005