(57)【要約】【課題】フィレットの幅を自由に変更することができ、繰り返しヒートサイクルに対してより高い信頼性の金属−セラミックス接合体の製造方法を提供する。【解決手段】活性金属含有ろう材１２を介して接合されたセラミックス基板１０と金属板１６とからなる金属−セラミックス接合体の製造方法において、セラミックス基板上の所定の領域に活性金属含有ろう材を塗布し、セラミックス基板上の活性金属含有ろう材を取り囲む領域に、セラミックス基板と反応しない非活性ペースト材１４を塗布した後に、活性金属含有ろう材よび非活性ペースト材の上に金属板を配置して、セラミックス基板と金属板とを接合し、その後、金属板上における活性金属含有ろう材に対応する領域にレジスト１８を塗布して、金属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金属回路を形成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性金属含有ろう材を介して接合されたセラミックス部材と金属部材とからなる金属−セラミックス接合体の製造方法において、セラミックス部材上の所定の領域に活性金属含有ろう材を塗布し、セラミックス部材上の活性金属含有ろう材を取り囲む領域にセラミックス部材と反応しない非活性ペースト材を塗布した後に、活性金属含有ろう材および非活性ペースト材の上に金属部材を配置して、セラミックス部材と金属部材とを接合することを特徴とする、金属−セラミックス接合体の製造方法。
【請求項２】
前記セラミックス部材と前記金属部材とを接合した後、前記金属部材上における前記活性金属含有ろう材に対応する領域にレジストを塗布して、エッチングにより前記金属部材の不要部分を除去することにより、前記セラミックス部材上に金属回路を形成することを特徴とする、請求項１に記載の金属−セラミックス接合体の製造方法。
【請求項３】
前記レジストが塗布される領域の外周の全部または一部が前記活性金属含有ろう材が塗布される領域の外周より−２．０〜＋０．５ｍｍだけ大きいことを特徴とする、請求項２に記載の金属−セラミックス接合体の製造方法。
【請求項４】
前記金属部材の外周の全部または一部において前記活性金属含有ろう材が前記金属部材から０．０１〜２．０ｍｍだけはみ出すことを特徴とする、請求項２または３に記載の金属−セラミックス接合体の製造方法。
【請求項５】
前記金属部材が銅部材であることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の金属−セラミックス接合体の製造方法。
【請求項６】
前記非活性ペースト材が、高融点の金属、セラミックスまたは樹脂からなることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載の金属−セラミックス接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属−セラミックス接合体の製造方法に関し、特に活性金属含有ろう材によりセラミックス部材と金属部材が接合された金属−セラミックス接合体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
絶縁基板として使用されている金属−セラミックス接合体では、接合後の熱衝撃によりセラミックス部材と金属部材との間に発生する熱膨張差による熱応力により、セラミックス部材中にクラックが発生し易い。このような熱応力を緩和させる方法として、金属部材の沿面部分を薄くする方法、すなわち金属部材の周縁部に段構造またはフィレットを形成する方法が知られている。
【０００３】
このような構造を実現するため、ろう材（活性ペースト材）を介してセラミックス基板と金属板とを接合した後、金属板上にレジストを塗布してエッチングすることにより金属回路を形成する際に、ろう材と金属板のエッチング時間を制御することにより、金属回路の周縁部にフィレットを形成する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、セラミックス基板全体に活性ペーストを印刷し、その上に金属板を積層し、加熱によりセラミックス基板と金属板とを接合し、金属板上にレジストを塗布してエッチングすることにより金属回路を形成し、金属回路間の不要なろう材をろう材除去液で除去し、金属回路板の表面にそれより少し小さいレジストを塗布し、金属回路板だけ溶解させる薬液を使用してエッチングすることにより、金属回路の周縁部にフィレットを形成する２回エッチングの方法も知られている。
【０００５】
さらに、セラミックス基板上に回路形状の活性ペーストを印刷し、同様に金属板を接合した後、活性ペースト材より少し小さいレジスト（フィレットを形成することができるような寸法に設定されたレジスト）を塗布してエッチングすることにより、金属回路の周縁部にフィレットを形成する方法も知られている。
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−３２６９４９号公報（段落番号０００８−００２０）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記の特開平１０−３２６９４９号公報に開示された方法では、フィレットの寸法、すなわちフィレットの幅を自由に変更することが困難であり、繰り返しヒートサイクルに対してより高い信頼性の金属−セラミックス接合体を提供することが困難である。また、金属回路間に残留する不要なろう材やろう材に含まれる活性金属成分とセラミックス基板との反応物を除去するために、金属板を溶かす薬液とは別に、フッ化アンモニウムなどを含む薬液を必要とする。
【０００８】
また、上記の２回エッチングの方法では、レジスト塗布工程とエッチング工程をそれぞれ２回ずつ行う必要があり、不要なろう材を除去する工程も必要となるので、工数の増加による製造コストの増大が無視できない。
【０００９】
さらに、上記の回路形状のペーストを印刷した後にエッチングする方法では、ろう材が溶けて金属回路間に流れ込む場合があり、ろう材除去工程を必要とする場合がある。
【００１０】
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、フィレットの幅を自由に変更することができ、且つろう材除去液およびろう材除去工程を不要にして工数および製造コストを削減することができる、金属−セラミックス接合体の製造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、フィレットの幅を自由に変更することができ且つ繰り返しヒートサイクルに対してより高い信頼性の金属−セラミックス接合体の製造方法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】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、セラミックス部材上の所定の領域（例えば回路形成領域）に活性金属含有ろう材を塗布し、セラミックス部材と金属部材とを接合せず且つ加熱接合時に流動する活性金属含有ろう材が回路形成領域以外の領域（例えば非回路形成領域）に移動するのを防止する非活性ペースト材を非回路形成領域に塗布することにより、フィレットの幅を自由に変更することができ且つろう材除去工程を不要にすることができることを見出し、さらに、レジストを活性金属含有ろう材に対して所望の大きさに印刷することにより、フィレットの幅を自由に変更することができ且つ繰り返しヒートサイクルに対する金属−セラミックス接合体の信頼性を向上させることができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１２】
すなわち、本発明による金属−セラミックス接合体の製造方法は、活性金属含有ろう材を介して接合されたセラミックス部材と金属部材とからなる金属−セラミックス接合体の製造方法において、セラミックス部材上の所定の領域に活性金属含有ろう材を塗布し、セラミックス部材上の活性金属含有ろう材を取り囲む領域にセラミックス部材と反応しない非活性ペースト材を塗布した後に、活性金属含有ろう材および非活性ペースト材の上に金属部材を配置して、セラミックス部材と金属部材とを接合することを特徴とする。
【００１３】
この金属−セラミックス接合体の製造方法において、セラミックス部材と金属部材とを接合した後、金属部材上における活性金属含有ろう材に対応する領域にレジストを塗布して、エッチングにより金属部材の不要部分を除去することにより、セラミックス部材上に金属回路を形成するのが好ましい。また、レジストが塗布される領域の外周の全部または一部を活性金属含有ろう材が塗布される領域の外周より−２．０〜＋０．５ｍｍだけ大きくするのが好ましい。さらに、金属部材の外周の全部または一部において活性金属含有ろう材が金属部材から０．０１〜２．０ｍｍだけはみ出すようにするのが好ましい。金属部材としては、銅部材を使用することができる。また、非活性ペースト材が高融点の金属、セラミックスまたは樹脂からなるのが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
上述したように、本発明によれば、セラミックス部材上の所定の領域（例えば回路形成領域）に活性金属含有ろう材を塗布し、セラミックス部材と金属部材とを接合せず且つ加熱接合時に流動する活性金属含有ろう材が回路形成領域以外の領域（例えば非回路形成領域）に移動するのを防止する非活性ペースト材を非回路形成領域に塗布し、さらに、レジストを活性金属含有ろう材に対して所望の大きさに、例えば、活性金属含有ろう材より一回り小さく塗布することにより、フィレットの寸法を制御することができ、このフィレットの形成によって、繰り返しヒートサイクルによるクラック発生を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照して、本発明による金属−セラミックス接合体の製造方法の実施の形態を説明する。
【００１６】
まず、図１および図３に示すように、セラミックス部材（例えばセラミックス基板）１０上の所定の領域（例えば回路形成領域）に活性金属含有ろう材１２を塗布する。また、セラミックス基板１０上の活性金属含有ろう材１２を取り囲む領域（例えば非回路形成領域）に非活性ペースト材１４を塗布する。この非活性ペースト材１４は、活性金属含有ろう材１２より薄くするのが好ましく、また、活性金属含有ろう材１２から僅かに離間して塗布するのが好ましい。次に、図２および図３に示すように、活性金属含有ろう材１２および非活性ペースト材１４上に金属部材（例えば金属板）１６を載せて加熱接合する。この加熱接合した金属板１６上に、回路形成領域に対して所望の大きさの領域、すなわち活性金属含有ろう材１２に対して所望の大きさの領域、例えば、活性金属含有ろう材１２より一回り小さいパターンレジスト１８を印刷した後、図４に示すように、エッチングにより金属板１６の不要部分および非活性ペースト材１４を除去する。ここで、非活性ペースト材１４は、セラミックス基板１０にバインダにより吸着されているだけであるので、エッチングにより除去される。次に、パターンレジスト１８を除去した後、図５に示すように、金属板１６および活性金属含有ろう材１２上に無電解ニッケルメッキ２０を施す。
【００１７】
上述したように、本発明による金属−セラミックス接合体の製造方法の実施の形態では、セラミックス部材に活性金属含有ろう材を所定の領域（例えば回路形成領域）に塗布し、セラミックス部材と金属部材とを接合せず且つ加熱接合時に流動する活性金属含有ろう材が回路形成領域以外の領域（例えば非回路形成領域）に移動するのを防止する非活性ペースト材を非回路形成領域に塗布することにより、各回路形成領域間（パターン間）における加熱接合時の活性金属含有ろう材の流入を阻止することができる。
【００１８】
また、金属部材を活性金属含有ろう材に対して所望の大きさにすることにより、例えば、金属部材の領域を活性金属含有ろう材の外周の全部または一部から−２．０〜＋０．５０ｍｍだけ大きい領域（（−）は小さい場合を示す）にすることにより、金属部材の外周の全部または一部において活性金属含有ろう材の焼結体が金属部材から０．０１〜２．０ｍｍだけはみ出すようにすることができる。このようなはみ出しは「フィレット」と呼ばれているが、このようなフィレット構造とすることにより、繰り返しヒートサイクルに対する金属−セラミックス接合体の信頼性を向上させることができる。フィレットの幅を０．０１〜２．０ｍｍとするのは、フィレットの幅が０．０１ｍｍより小さいと、繰り返しヒートサイクル１００回未満でクラックの発生がみられ、逆にフィレットの幅が２．０ｍｍより大きいと、回路のファインパターン化に支障をきたすからである。
【００１９】
また、セラミックス基板の裏面に放熱板を接合する場合には、セラミックス基板の表面側（回路形成側）および裏面側（放熱板側）のいずれにフィレットを形成してもよく、両面にフィレットを形成すれば、セラミックス基板にクラックが発生するのを抑制する効果が大きくなる。また、活性金属含有ろう材に対するレジストの大きさを制御することにより、フィレットを有しないものを作製することもできる。
【００２０】
セラミックス部材としては、アルミナなどの酸化物や、窒化アルミニウムや窒化ケイ素などの非酸化物などのセラミックス部材を使用することができ、通常、一辺の長さが１０〜２００ｍｍで厚さが０．２５〜２．０ｍｍのセラミックス部材が使用される。金属部材としては、銅、アルミニウム、ニッケルなどの単一金属の箔や板、またはマンガニン、黄銅、ステンレスなどの合金の箔や板を使用することができ、０．１〜５．０ｍｍの厚さの箔や板を使用することが多い。しかし、本発明では、セラミックス部材や金属部材の大きさや厚さは、特に限定されるものではない。
【００２１】
非活性ペースト材としては、タングステンやモリブデンなどの高融点金属、アルミナ、マグネシア、シリカなどの酸化物や、窒化珪素、窒化ホウ素、窒化アルミニウムなどの窒化物などのセラミックス、あるいは樹脂などの粉末をビヒクルに加えて乳鉢や３本ロールミルなどで混練することにより作製されたペースト材が使用される。
【００２２】
また、活性金属含有ろう材および非活性ペースト材の好ましい厚さは０．０１〜０．０５ｍｍである。
【実施例】
【００２３】
以下、本発明による金属−セラミックス接合体の製造方法の実施例について詳細に説明する。
【００２４】
［実施例１］
１００ｍｍ×１００ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム基板の表面側の回路形成領域に活性金属含有ろう材としてチタンを含む銀ペーストをスクリーン印刷し、その回路形成領域の周りの非回路領域に非活性ペーストとして窒化ホウ素ペーストを塗布した。また、窒化アルミニウム基板の裏面側の放熱用金属板形成領域に活性金属含有ろう材としてチタンを含む銀ペーストをスクリーン印刷し、その放熱用金属板形成領域の周りの領域に非活性ペーストとして窒化ホウ素ペーストを塗布した。次に、窒化アルミニウム基板の両面の活性金属含有ろう材および非活性ペースト上に厚さ０．３ｍｍの銅箔を載せ、真空加熱炉に投入して、１０−５ｔｏｒｒ以下、８５０℃で加熱接合した。
【００２５】
次に、この加熱接合した両面の銅箔上に、それぞれの活性金属含有ろう材より一回り小さいレジストを印刷し、塩化第２銅エッチング液によりエッチングした。さらに、レジストを除去した後、形成された銅回路および放熱用銅板上に無電解ニッケルメッキを３μｍ施し、最終製品とした。この製造工程により２０枚の基板を作製したところ、銅回路および放熱用銅板の外周部に幅０．３ｍｍのフィレットが形成され、いずれの基板にも活性金属含有ろう材の流れがなかった。
【００２６】
このようにして得られた基板について、室温→−４０℃×３０分→室温×１０分→１２５℃×３０分→室温×１０分を１サイクルとする繰り返しヒートサイクルを５００回行った。この処理後に銅回路、放熱用銅板および活性金属含有ろう材を除去して窒化アルミニウム基板の表面を顕微鏡観察したところ、窒化アルミニウム基板にクラックの発生はなく、銅回路および放熱用銅板の外周部分にフィレットを形成する効果が認められた。
【００２７】
［実施例２］
５０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍのアルミナ基板の表面側の回路形成領域に活性金属含有ろう材としてチタンを含む銀ペーストをスクリーン印刷し、その回路形成領域の周りの非回路領域に非活性ペーストとして二酸化珪素ペーストを塗布した。また、アルミナ基板の裏面側の放熱用金属板形成領域に活性金属含有ろう材としてチタンを含む銀ペーストをスクリーン印刷し、その放熱用金属板形成領域の周りの領域に非活性ペーストとして二酸化珪素ペーストを塗布した。次に、アルミナ基板の両面の活性金属含有ろう材および非活性ペースト上に厚さ０．３ｍｍの銅箔を載せ、真空加熱炉に投入して、１０−５ｔｏｒｒ以下、８５０℃で加熱接合した。
【００２８】
次に、この加熱接合した両面の銅箔上に、それぞれの活性金属含有ろう材より一回り小さいレジストを印刷し、塩化第２銅エッチング液によりエッチングした。さらに、レジストを除去した後、形成された銅回路および放熱用銅板上に無電解ニッケルメッキを３μｍ施し、最終製品とした。この製造工程により２０枚の基板を作製したところ、銅回路および放熱用銅板の外周部に幅０．３ｍｍのフィレットが形成され、いずれの基板にも活性金属含有ろう材の流れがなかった。
【００２９】
このようにして得られた基板について、実施例１と同様の繰り返しヒートサイクルを１０００回行った。この処理後に銅回路、放熱用銅板および活性金属含有ろう材を除去してアルミナ基板の表面を顕微鏡観察したところ、アルミナ基板にクラックの発生はなく、銅回路および放熱用銅板の外周部分にフィレットを形成する効果が認められた。
【００３０】
［実施例３］
４０ｍｍ×７０ｍｍ、厚さ０．３ｍｍの窒化珪素基板の表面側の回路形成領域に活性金属含有ろう材としてチタンを含む銀ペーストをスクリーン印刷し、その回路形成領域の周りの非回路領域に非活性ペーストとしてモリブデンペーストを塗布した。また、窒化珪素基板の裏面側の放熱用金属板形成領域に活性金属含有ろう材としてチタンを含む銀ペーストをスクリーン印刷し、その放熱用金属板形成領域の周りの領域に非活性ペーストとしてモリブデンペーストを塗布した。次に、窒化珪素基盤の両面の活性金属含有ろう材および非活性ペースト上に厚さ０．３ｍｍの銅箔を載せ、真空加熱炉に投入して、１０−５ｔｏｒｒ以下、８５０℃で加熱接合した。
【００３１】
次に、この加熱接合した両面の銅箔上に、それぞれ活性金属含有ろう材より一回り小さいレジストを印刷し、塩化第２銅エッチング液によりエッチングした。さらに、レジストを除去した後、形成された銅回路および放熱用銅板上に無電解ニッケルメッキを３μｍ施し、最終製品とした。この製造工程により２０枚の基板を作製したところ、銅回路および放熱用銅板の外周部に幅０．３ｍｍのフィレットが形成され、いずれの基板にも活性金属含有ろう材の流れがなかった。
【００３２】
このようにして得られた基板について、実施例１と同様の繰り返しヒートサイクルを１５００回行った。この処理後に銅回路、放熱用銅板および活性金属含有ろう材を除去して窒化珪素基板の表面を顕微鏡観察したところ、窒化珪素基板にクラックの発生はなく、銅回路および放熱用銅板の外周部分にフィレットを形成する効果が認められた。
【００３３】
［実施例４］
非活性ペーストとしてアルミナペーストを使用した以外は実施例１と同様の方法により２０枚の基板を作製したところ、実施例１と同様に銅回路および放熱用銅板の外周部に幅０．３ｍｍのフィレットが形成され、いずれの基板にも活性金属含有ろう材の流れがなかった。
【００３４】
このようにして得られた基板について、実施例１と同様の繰り返しヒートサイクルを５００回行った。この処理後に銅回路、放熱用銅板および活性金属含有ろう材を除去して窒化アルミニウム基板の表面を顕微鏡観察したところ、窒化アルミニウム基板にクラックの発生はなく、銅回路および放熱用銅板の外周部分にフィレットを形成する効果が認められた。
【００３５】
［実施例５］
非活性ペーストとして二酸化珪素ペーストを使用した以外は実施例１と同様の方法により２０枚の基板を作製したところ、実施例１と同様に銅回路および放熱用銅板の外周部に幅０．３ｍｍのフィレットが形成され、いずれの基板にも活性金属含有ろう材の流れがなかった。
【００３６】
このようにして得られた基板について、実施例１と同様の繰り返しヒートサイクルを５００回行った。この処理後に銅回路、放熱用銅板および活性金属含有ろう材を除去して窒化アルミニウム基板の表面を顕微鏡観察したところ、窒化アルミニウム基板にクラックの発生はなく、銅回路および放熱用銅板の外周部分にフィレットを形成する効果が認められた。
【００３７】
［実施例６］
非活性ペーストとして酸化マグネシウムペーストを使用した以外は実施例１と同様の方法により２０枚の基板を作製したところ、実施例１と同様に銅回路および放熱用銅板の外周部に幅０．３ｍｍのフィレットが形成され、いずれの基板にも活性金属含有ろう材の流れがなかった。
【００３８】
このようにして得られた基板について、実施例１と同様の繰り返しヒートサイクルを５００回行った。この処理後に銅回路、放熱用銅板および活性金属含有ろう材を除去して窒化アルミニウム基板の表面を顕微鏡観察したところ、窒化アルミニウム基板にクラックの発生はなく、銅回路の外周部分にフィレットを形成する効果が認められた。
【００３９】
［比較例１］
５０ｍｍ×３０ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム基板の表面側の回路形成領域および裏面側の放熱用金属板形成領域に実施例１と同じ銀ペーストを介して厚さ０．３ｍｍの銅箔を加熱接合した。加熱接合された基板上に銅回路および放熱用銅板を形成するため、回路形成領域および放熱用金属板形成領域にレジストを印刷した。このレジストの印刷後、塩化第２銅エッチング液によりエッチングし、フィレットを有しない（ろう材として使用した銀ペーストがはみ出していない）２０枚の銅回路基板を作製したところ、５枚の基板に活性金属含有ろう材の流れがあった。
【００４０】
このようにして得られた基板について、実施例１と同様の繰り返しヒートサイクルを５００回行った。この処理後に銅回路、放熱用銅板および銀ペーストを除去して窒化アルミニウム基板の表面を顕微鏡観察したところ、窒化アルミニウム基板上に形成されていた銅回路および放熱用銅板に沿って、目視で容易に確認できるクラックの発生が認められた。
【００４１】
［比較例２］
窒化アルミニウム基板に代えてアルミナ基板を使用した以外は比較例１と同様の方法により（フィレットを有しない）２０枚の基板を作製したところ、１０枚の基板に活性金属含有ろう材の流れがあった。
【００４２】
このようにして得られた基板について、実施例１と同様の繰り返しヒートサイクルを５００回行った。この処理後に銅回路、放熱用銅板および銀ペーストを除去してアルミナの表面を顕微鏡観察したところ、アルミナ基板上に形成されていた銅回路および放熱用銅板に沿って、目視で容易に確認できるクラックの発生が認められた。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明による金属−セラミックス接合体の製造方法の実施の形態における製造工程を示す平面図。
【図２】本発明による金属−セラミックス接合体の製造方法の実施の形態における製造工程を示す平面図。
【図３】本発明による金属−セラミックス接合体の製造方法の実施の形態における製造工程を示す図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図。
【図４】本発明による金属−セラミックス接合体の製造方法の実施の形態における製造工程を示す断面図。
【図５】本発明による金属−セラミックス接合体の製造方法の実施の形態における製造工程を示す断面図。
【符号の説明】
【００４４】
１０  セラミックス部材
１２  活性金属含有ろう材
１４  非活性ペースト材
１６  金属部材
１８  レジスト
２０  無電解ニッケルメッキ
【図１】
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【図２】
2008150288.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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