(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
接合基材の接合面に中間層被膜を介して金属層が接合されている接合基材と金属層の接合体であって、
中間層被膜は、金属層をアンカー効果により接合するアンカーを形成するアンカー形成物が分散して埋入されているとともに、接合基材の接合面に融着されており、
埋入されているアンカー形成物は、一部が中間層被膜から外に突出しているとともに、中間層被膜に融着されており、
金属層は、中間層被膜の表面、および中間層被膜から外に突出しているアンカー形成物の表面と接合されており、
前記中間層被膜は、１種又は２種以上の金属成分の融着層、あるいは金属成分の化合物が融解して生成されたガラス状酸化物であることを特徴とする接合基材と金属層の接合体。
【請求項２】
前記中間層被膜は、アンカー形成物を混合分散させた融着剤が接合基材の接合部表面に融着されていることを特徴とする請求項１に記載の接合基材と金属層の接合体。
【請求項３】
前記融着剤には、１種又は２種以上の金属成分、あるいは、その金属成分の化合物成分が含まれていることを特徴とする請求項２に記載の接合基材と金属層の接合体。
【請求項４】
アンカー形成物が、酸化物粉、炭化物粉、窒化物粉、ホウ化物粉、ケイ化物粉、珪藻土粉、シリカゲル粉、ガラス粉、ダイヤモンド粉、ＤＬＣ粉、陶器粉、磁器粉、シリカファイバー粉、セラミックス繊維、雲母粉、グラファイト粉、カオリン粉、金属粉の粒子、繊維またはウィスカーの一種又は２種以上の混合物であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の接合基材と金属層の接合体。
【請求項５】
アンカー形成物の直径が、０．０１〜３０μｍであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の接合基材と金属層の接合体。
【請求項６】
前記アンカー形成物の形状が、球状、角状又は多角形状で、分散、埋入されたアンカー形成物が、アンカー形成物同士が結合して出来た繊維状、あるいはアンカー形成物同士が重なり合って形成された網目状であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の接合基材と金属層の接合体。
【請求項７】
接合基材が、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ＢＮ、ＳｉＣ、ＺｒＣ、ＷＣ、ＤＬＣ、ダイヤモンド、シリコンウエハー、サファイア、陶器、磁器、ＧａＣ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＧａＯ、ＬＥＤ又はグラファイトのいずれかであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の接合基材と金属層の接合体。
【請求項８】
接合基材の形状が、板状、柱状、球状、筒状又は棒状のいずれかであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の接合基材と金属層の接合体。
【請求項９】
前記金属層の構造が、中間層被膜の上に形成された一次金属層の上に二次金属層が形成されている構造であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の接合基材と金属層の接合体。
【請求項１０】
前記一次金属層の被膜金属が一種又は二種以上の金属からなることを特徴とする請求項９に記載の接合基材と金属層の接合体。
【請求項１１】
前記一次金属層の厚さが０．００１〜１０μｍであることを特徴とする請求項９又は１０に記載の接合基材と金属層の接合体。
【請求項１２】
前記二次金属層の被膜金属が金属一種又は二種以上の金属を積層、あるいは二種以上の金属の合金であることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載の接合基材と金属層の接合体。
【請求項１３】
前記二次金属層の厚さが０．１μｍ〜１０ｃｍであることを特徴とする請求項９〜１２のいずれか１項に記載の接合基材と金属層の接合体。
【請求項１４】
接合基材がセラミックス基板であって、そのセラミックス基板上に、回路部及び／又はパット部が形成されていることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の接合基材と金属層の接合体。
【請求項１５】
前記回路部及び／又はパット部の二次金属層表面に、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｂ、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｓｎ、Ｎｉ−Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｂｉ又はＳｎ−Ｃｕのいずれかがメッキされていることを特徴とする請求項１４に記載の接合基材と金属層の接合体。
【請求項１６】
前記金属層の上に電子部品が接合されて搭載されていることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載の接合基材と金属層の接合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合基材と金属層の接合体に係わり、更に詳しくは、接合基材表面に密着力の強い金属層が接合されている接合基材と金属層の接合体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
セラミックス等の基材上に金属層を接合する従来技術として、セラミックス板の表面に、セラミックスに拡散性のある金属、例えば、Ｔｉ、Ｃｒの金属を、スパッタリングし、その上に、更にＣｕを積層後、その上に、メッキ等で金属層を形成する方法は、既に周知の技術であるが、その他の技術として、以下特許文献１〜７に記載された発明がある。
【０００３】
特許文献１、２に記載された発明は、アルミナセラミックス板に銅板を圧着させ、真空中で銅板の融点近くまで加熱、接合する方法である。
【０００４】
特許文献３に記載された発明は、セラミックス板と銅板の間に活性金属（Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ）粉末を塗布、あるいは箔を挟み、真空中で加圧、加熱、接合する方法である。
【０００５】
特許文献４に記載された発明は、アルミナセラミックス材をＮａＯＨ単独、あるいはＮａＯＨ+ＫＯＨの溶融塩浴に浸漬して、表面を過度に粗化したのち、無電解メッキ、金属メッキで金属層を形成する方法である。
【０００６】
特許文献５に記載された発明は、セラミックス板にＷ、Ｃｕ−Ｗ、Ｍｏ−Ｍｎペーストを印刷後、還元雰囲気で高温焼結後、メッキ等で金属層を形成する方法（ＨＴＣＣ）である。
【０００７】
特許文献６に記載された発明は、ガラス系セラミックス上に、Ａｇ、Ａｇ−Ｐｄ、Ｃｕペーストを印刷焼結後、メッキ等で金属層を形成する方法（ＬＴＣＣ）である。
【０００８】
特許文献７に記載された発明は、セラミックス上に、Ｔｉを含有するメッキ層を形成後、熱処理で、メッキ層中のＴｉをセラミックスに拡散させて密着力を得る方法である。
【０００９】
上記セラミックス等の基材上に金属皮膜を接合する従来技術には、下記の問題点がある。
【００１０】
（１）セラミックスと金属皮膜間の密着が弱い。
（２）密着力のバラツキが大きい。
（３）接合コストが高い。
（４）被膜を接合する技術が非常に難しい。
（５）被膜接合に高価な設備が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許３７６６６３４号明細書
【特許文献２】米国特許３９９４４３０号明細書
【特許文献３】特開平１−１８１４９９号公報
【特許文献４】特開平３−２８３３号公報
【特許文献５】特開昭６１−５８２９６号公報
【特許文献６】特開昭６１−１７００９４号公報
【特許文献７】特許第２７７８１４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、接合基材に金属層を接合したとき、その金属層の密着力が強く、その密着力のバラツキも小さく、かつ、安価に接合することができる、接合基材と金属層の接合体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、接合基材の接合面に中間層被膜を介して金属層が接合されている接合基材と金属層の接合体であって、中間層被膜は、金属層をアンカー効果により接合するアンカーを形成するアンカー形成物が分散して埋入されているとともに、接合基材の接合面に融着されており、埋入されているアンカー形成物は、一部が中間層被膜から外に突出しているとともに、中間層被膜に融着されており、金属層は、中間層被膜の表面、および中間層被膜から外に突出しているアンカー形成物の表面と接合されていることを特徴とする接合基材と金属層の接合体である。
【００１４】
本発明で、接合基材はＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ＢＮ、ＳｉＣ、ＺｒＣ、ＷＣ、ＤＬＣ、ダイヤモンド、シリコンウエハー、サファイア、陶器、磁器、ＧａＣ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＧａＯ、ＬＥＤ、グラファイト等を好適に使用でき、その他、電子部品の基板材料の中で、少なくとも本発明の中間層被膜形成のための加熱処理で溶融しない材料であれば、すべての材料を使用することができる。
【００１５】
接合基材の形状は、板状、柱状、球状、筒状又は棒状のいずれでもよく、特定の形状に限定されるものではない。
【００１６】
中間層被膜は、（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｂ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｔｌ、Ｓｅ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ａｓ、Ｙ、Ｎｄ、Ｔｅ、Ｇｅ、Ｓｉ、アルカリ金属、アルカリ土類金属）の中から選択された１種又は２種以上の金属成分、あるいは金属成分の化合物が融解して生成されたガラス状酸化物からなり、接合基材に融着されている。
【００１７】
中間層被膜を融着させるとき、接合基材およびアンカー形成物は、当然、固体状態であることが必須であり、当然、中間層被膜の融点は、接合基材およびアンカー形成物の融点以下である。
【００１８】
中間層被膜は、酸化物だけからなる層ではなく、酸化物となじみのよい材料であれば、必要に応じて、窒化物、炭化物、ホウ化物、ケイ化物、硫化物等のセラミックス成分、および金属成分、金属の化合物成分が、共存してもよい。
【００１９】
中間層被膜は、アンカー形成物を混合分散させた融着剤を接合基材の接合部表面に、塗布して、加熱、融着させて形成する。
【００２０】
融着剤は、塗液と、塗液に分散されてなるアンカー形成物から構成され、塗液には、（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｂ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｔｌ、Ｓｅ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ａｓ、Ｙ、Ｎｄ、Ｔｅ、Ｇｅ、Ｓｉ、アルカリ金属、アルカリ土類金属）の中から選択された金属成分、あるいは、その金属成分の化合物成分が混合、あるいは溶解され、更に必要に応じて、塗液の塗装性を改善するためのニトロセルロース等の増粘剤等が添加されている。
【００２１】
金属層をアンカー効果により接合するアンカーを形成するアンカー形成物には、（酸化物粉、炭化物粉、窒化物粉、ホウ化物粉、ケイ化物粉、珪藻土粉、シリカゲル粉、ガラス粉、ダイヤモンド粉、ＤＬＣ粉、陶器粉、磁器粉、シリカファイバー粉、セラミックス繊維、雲母粉、グラファイト粉、カオリン粉、金属粉、金属繊維、ウィスカー）の中から選択されたセラミックスあるいは金属の粒子、繊維が好適に使用でき、これらは、一種単独で、あるいは必要に応じて２種以上混合して使用できる。
【００２２】
本発明のアンカー形成物は、特定の形状に限定されるものではなく、アンカー形成物を中間層被膜に埋入して、分散、融着させる前の形状は、球状、角状、多角形状、繊維状である。中間層被膜に埋入して、分散、融着させたアンカー形成物はアンカー形成物同士が重なり合った形状、あるいはアンカー形成物同士が重なり合って網目を形成する形状でもよい。
【００２３】
とりわけ網目形状は、加熱、融着させた後、一次金属層を形成する時に、網目の隙間を一次金属層が埋めて、密着強度が飛躍的に増大する。
【００２４】
中間層被膜の融着温度を下げるために、融着剤の塗液の一部あるいは全部に、各種金属塩、各種金属酸化物、およびその塩を使用するとよい。
【００２５】
すなわち、（Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｂ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｔｌ、Ｓｅ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｂ、Ｓｂ、Ａｓ、Ｙ、Ｎｄ、Ｔｅ、Ｇｅ、Ｓｉ、アルカリ金属、アルカリ土類金属）の中から選択された金属成分、あるいは、その金属成分の化合物成分の一部あるいは全部に、金属塩、金属酸化物、およびその塩を使用するとよい。
【００２６】
金属塩、金属酸化物、およびその塩には、例えば、硫酸錫、硫酸銅、硫酸バナジウム、塩化カルシウム、タングステン酸塩、ホウ酸、ホウ酸塩、珪酸塩、モリブデン酸塩等を利用するとよい。
【００２７】
本発明では、セラミックス基材に中間層被膜となる融着層が強固に融着すると同時に、アンカー形成物も同時に融着層に強固に接合させる必要があり、そのためには、セラミックス基材ごとに、融着層を形成させるための、最適な融着剤成分および最適なアンカー形成物の材質を選択する必要がある。  
すなわち、最適な融着剤組成と、融着層の厚み、融着するアンカー形成物の種類と形状、混合割合、融着温度、時間等、融着条件を最適に選択する必要がある。  
【００２８】
セラミックス基材と融着剤、融着させるアンカー形成物との関係は、例えば、セラミックス基材がアルミナセラミックスの場合、アンカー形成物はアルミナ粒子が好ましい。  
【００２９】
融着剤は、タングステン酸塩、硫酸バナジウム、ホウ酸等の混合物が良い。融着条件は、大気中で１１００℃に加熱中に、硫酸バナジウムは、Ｖ２Ｏ３に分解されて、６９０℃で溶融し、ホウ酸はＢ２Ｏ３に酸化されて、５７７℃で溶融し、タングステン酸塩も、Ｗ２Ｏ５に酸化されて、融点が降下し、これら三者が相互に反応して、１１００℃に加熱中に、アルミナ粒子とともに、アルミナ基板に融着する。一方、アンカー形成物のアルミナ粒子の融点は、１６００℃であるために、この融着温度では、融解することもなく、形状変化することもなく、融着する。
【００３０】
セラミックス基材がＡｌＮセラミックスの場合は、アンカー形成物には、ＢＮ粒子がよい。セラミックス基材がＳｉＣセラミックスの場合、アンカー形成物には、ＳｉＣ、ＷＣ、ＺｒＣ粒子が好適で、その基材への密着力が強い。
【００３１】
アンカー形成物が、平均粒径約１μｍのＳｉＯ２の真球の場合で、添加量が、５０ｇ／Ｌの場合、一次金属層を形成後のアンカー形成物の外観は、図２に示すような状況である。図２において、白色の点がアンカー形成物、点の回りは一次金属層であり、アンカー形成物同士は離隔した状態で融着しており、アンカー形成物間に、無数の隙間ができ、一次金属層の無電解メッキのメッキ金属が、この空隙を埋めるようにメッキされ、同時に、アンカー形成物の突出部も囲い込まれて被覆されている。
本発明の強力な密着力は、アンカー形成物間の空隙部を埋め、アンカー形成物突出部を囲い込んで被覆する、この連続した無電解メッキ層によって発現されたアンカー効果によって、発生するものと考えられる。
【００３２】
一方、ＳｉＯ２粒子の添加量が少ない（１０ｇ／Ｌ以下）場合では、アンカー形成物は点在し、アンカー形成物が重なり合った積み上がりや空隙が少ない平坦化した面になり、いわゆる三次元構造になっていないために、添加量が多い（５０ｇ／Ｌ以上）場合に比べると密着力は、やや劣る。
【００３３】
密着強度を高めるには、アンカー形成物の添加を適切にすることはもとより大切なことではあるが、さらに大切なことは、アンカー形成物の形状である。真球よりも多角形状やアンカー形成物同士が結合した糸状のもの、網目状のもの、繊維状のものの方が三次元構造になり、さらに密着強度が高くなる傾向にある。
【００３４】
アンカー形成物の大小、融着層の厚さ等は、要求される金属層の厚さによって決められる。例えば要求される金属層の厚さが、２〜５ｍｍ（２０００〜５０００μｍ）の場合、アンカー形成物の大きさは、１００〜５００μｍ、融着層の厚さは、３０〜２００μｍが好ましい。一方、要求される金属層の厚さが、２０〜３０μｍの場合、アンカー形成物の大きさは、０．５〜５μｍ、融着層の厚さも、０．２〜２．０μｍが適当である。
【００３５】
融着層の厚さは、アンカー形成物の１／３〜１／２程度が良い。融着層が厚すぎると、アンカー形成物が埋没し、アンカー効果が低下することが判る。
【００３６】
アンカー形成物を含有する融着剤をセラミックス基材に塗布する方法は、いくつかある。例えば、スプレー方式、浸漬法、ロールコーター、スピンコーター、シャワー方式、刷毛塗等があり、量産に適しているのは、シャワー方式が良い。
塗布工程で最も大切なことは、アンカー形成物が面全体に均一に塗布され、融着することであり、塗布、融着を複数回繰り返してもよい。
【００３７】
金属層が数ミクロン幅で、ファインパターンを形成する場合、密着強度が部分的に極端に低いところがあると、半導体部品をロウ付け後、基板から剥離を起こし、信頼性が著しく低下し、使用できなくなる。従って本発明では、塗布工程が最も大切な工程である。
【００３８】
焼結時の条件として、雰囲気は大気中で十分である。なお必要に応じて、Ｎ２、Ａｒ、Ｎ２＋Ｈ２、また真空中で加熱してもよい。
【００３９】
焼結温度はアンカー形成物と融着剤の関係で決定され、アンカー形成物は融点の高い酸化物、炭化物、硼化物、窒化物が好ましく、融点は１５００℃以上のものが好ましい。
【００４０】
中間層被膜となる融着層の融点は組成や配合割合によって変えられる。
【００４１】
融着条件の中で、温度、時間は、予めプログラムを設定して行う。
例えば、３００℃まで２時間、３００〜６００℃まで１時間、６００〜１０００℃まで１時間、１０００〜１２００℃まで２時間、その後、徐冷を行う等の工程をあらかじめプログラムに設定して実施するとよい。
【００４２】
金属層として一次、二次金属層を形成する時、アンカー形成物の影響で、表面に、ブツブツが発生したり、凹凸が発生したりする場合がある。その時は、研磨後、平滑にして再メッキを行うこともできる。
【００４３】
アンカー形成物の融点は、融着剤よりかなり高いことが重要である。アンカー形成物と融着剤の融点にあまり差がないと、アンカー形成物形状が変化、あるいは、アンカー形成物が溶解してしまう危険があり、その場合、密着強度が低下する。アンカー形成物と、好ましい融着剤の組成や配合割合は、例えば、実施例に記載のとおりである。
【００４４】
融着剤の種類や配合割合の基本は、融着剤が加熱により、酸化物に変化してガラス状に融解し、セラミック基材に融着するような配合にすることであり、さらに数種類の融着剤を混合することにより、融着温度が低下するような組成にすることが必要である。
【００４５】
金属層の構造は、接合部材表面に、湿式法あるいは乾式法で一次金属層を形成し、一次金属層の上に、更に、一次金属層とは別の方法で、二次金属層を形成する構造が好ましい。一次金属層だけで、厚い金属層を形成できないことはないが、析出に長時間を要すること、被膜の物理的特性が良くないこと等の問題点があるので、一次金属層の上に、別の方法で、二次金属層を形成させる構造が好ましい。
【００４６】
二次金属層には、電気メッキ法が最適である。最も好ましい電気メッキ法は、硫酸銅電気メッキ法であり、短時間で厚い金属層を得ることができる。また金属層の物理的特性（展延性、電導性）が優れ、エッチング等で簡単に回路やパットを形成できる利点がある。また、メッキ後、３５０〜５５０℃に、３０〜９０分熱処理することにより、密着力が上がる利点もある。
【００４７】
一次金属層が必要な理由は、前記した通り、アンカー形成物の隙間にきっちりとメッキをつけ、アンカー形成物の周りもメッキ金属で囲うことにより、密着力を確保するための重要な工程であると共に、後に続く電気メッキ（二次金属層）のための導電性を付与するためである。
【００４８】
一次金属層の形成には、ウエット法、ドライ法が使用できるが、コストや量産性では、ウエット法が有利である。
【００４９】
一次金属層のウエット法は、公知の方法で、センシタイザー、アクチベーターの処理を行い、無電解メッキ被膜を析出させる工程であり、無電解銅メッキ、無電解ニッケル、無電解コバルトメッキが好適である。
【００５０】
ドライ法には、真空蒸着、スパッター、イオンプレーティング、ＣＶＤが適用できる。  好ましい方法は、まずＣｒを０．１〜１．０μｍ付着後、Ｃｕを０．１〜１．０μｍ積層する方法や、Ｔｉを０．１〜１．０μｍ付着後、Ｃｕを０．１〜１．０μｍ積層する。
【００５１】
一次金属層の被膜金属には、（Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ａｓ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｎｉ−Ｐ、Ｎｉ−Ｂ、Ｎｉ−Ｂ−Ｗ、Ｎｉ−Ｐ−Ｗ、Ｎｉ−Ｐ−Ｗ−Ｂ、Ｎｉ−Ｃｏ、Ｎｉ−Ｃｏ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｃｏ−Ｐ、Ｃｏ−Ｐ、Ｃｏ−Ｂ、Ｎｉ−Ｂ−Ｍｏ、Ｃｏ−Ｐ−Ｗ、Ｃｏ−Ｐ−Ｍｏ、Ｆｅ−Ｎｉ）の中のいずれかの金属一種、あるいは二種以上の金属、あるいは合金が好適である。
【００５２】
一次金属層の厚さは、０．００１〜１０μｍが好適である
【００５３】
無電解ニッケル、コバルト被膜には、Ｎｉ−Ｐ、Ｎｉ−Ｂ、Ｎｉ−Ｂ−Ｗ、Ｎｉ−Ｐ−Ｗ、Ｎｉ−Ｐ−Ｗ−Ｂ、Ｎｉ−Ｃｏ、Ｎｉ−Ｃｏ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｃｏ−Ｐ、Ｃｏ−Ｐ、Ｃｏ−Ｂ、Ｎｉ−Ｂ−Ｍｏ、Ｃｏ−Ｐ−Ｗ、Ｃｏ−Ｐ−Ｍｏ等の無電解メッキ金属を好適に使用できる。  
【００５４】
本発明における最大の用途は、パワートランジスターやＬＥＤ用の放熱板であり、そのためには、回路やパットを形成する必要がある。
【００５５】
その際は、接合基材をセラミックス基板に変えて、金属層に、フォトリソ法、つまり、金属層のマスキングとエッチング操作を併用することで、そのセラミックス基板上に、回路部、パット部を形成することができる。
【００５６】
フォトリソ法を使用して回路やパットを形成する代表的な方法として、下記３方法がある。
セラミックス基板全面に金属層を形成後、フォトリソ法を用いて、回路やパットを形成する方法。
セラミックス基板の、将来、回路やパットになる部分に、開孔部を設け、アンカー形成物を含有する融着剤を開孔部に塗布し、その部分のみに金属層を形成する方法。
ＳＡＰ法といわれる方法で、全面に２〜３μｍ厚さの金属層を作り、ドライフィルム等張付け、フォトリソ法の技法で回路やパット部に開孔部を作り、開孔部に厚いメッキを行い、レジストを剥離後、開孔部以外の金属層をエッチング等で剥離して、パットや回路を作成する方法。
【００５７】
前記回路やパットを形成する代表的な３つの方法を、本発明に適用するときの具体的な方法は、下記３つの方法になる。
【００５８】
第一の方法
そのセラミックス基板上に一次金属層を形成後に、フォトリソ法でマスクを形成し、その金属層の、回路部、パット部に相当する部分に二次金属層を施したのち、マスクを除去後、マスクの下に残った一次金属層を除去して、回路部、パット部を形成する方法（ＳＡＰ法）。
【００５９】
第二の方法
そのセラミックス基板の回路部、パット部以外はマスクして、回路部、パット部に相当する部分のみに、一次、二次金属層を形成して、回路部、パット部を形成する方法。
【００６０】
第三の方法
そのセラミックス基板上に、一次金属層、二次金属層を形成後、マスクを形成し、その金属層の、回路部、パット部に相当する部分のみを残して、他の部分は除去して、回路部、パット部を形成する方法。
【００６１】
前記回路部、パット部の二次金属層表面には、後工程の半田付け、およびワイヤーボンディング性に優れたＮｉ、Ｓｎ、Ｐｄ、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｂ、Ｎｉ−Ｐｄ−Ａｕ、Ｎｉ−Ｓｎ、Ｎｉ−Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ｃｕをメッキすることが好ましい。
【００６２】
本発明の金属層の上には、必要に応じて、電子部品を接合して搭載することも可能である。
【発明の効果】
【００６３】
本発明は、接合基材の接合部表面に中間層の被膜を形成し、この中間層被膜を介して金属層と接合する構造にして、この中間層被膜の構造が、中間層被膜中に金属層をアンカー効果により接合するためのアンカーを形成するアンカー形成物が埋入され、融着層に強固に接合されて分散する構造であって、中間層被膜が接合基材の接合部表面に融着し、アンカー形成物の先端は中間層被膜から外に突出してなる構造にすることで、金属層との接合時に、中間層被膜の表面、およびアンカー形成物の突出部の両方に金属皮膜が接合されるので、アンカー効果により接合された金属層は、その接合基材に対して極めて高い密着力が得られ、また、その密着力のバラツキも小さい。そして、接合に高価な設備も必要なく、安価な費用で接合することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】接合基材、中間層被覆、アンカー形成物、金属層（一次金属層、二次金属層）の関係を説明する模式図である。
【図２】セラミックス上に固着したアンカー形成物（一次金属層形成後）の写真である。
【発明を実施するための形態】
【００６５】
以下に本発明の実施の形態を従来方法と対比させて説明する。なお、本実施の形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、本発明がこれのみに限定されるものでないことは勿論である。
【００６６】
実施例１
接合基材として９９％アルミナセラミックス板を使用した。
（１）アルミナセラミックスの板を常法通り、脱脂、酸洗い、エッチング後、乾燥した。
（２）平均粒径０．５〜１．０μｍのＳｉＯ２のアンカー形成物：５０ｇ、タングステン酸ソーダ：２０ｇ、硫酸バナジウム：３０ｇ、硼酸：２０ｇ、水を加えて１Ｌとして、５時間かき混ぜて、中間層被膜となる融着層を形成するためのアンカー形成物含有の融着剤を調製した。
（３）この融着剤を、（１）のアルミナセラミックス板に、スプレーで塗布した。
（４）５時間自然乾燥した。
（５）電気炉で、１０００℃で２時間加熱した。
（６）ＳｉＯ２の粒子がアルミナ板上に融着していた（図２参照）。
（７）一次金属層を得るために常法通り、センシタイザー、アクチベーター処理を行い、無電解銅メッキを２μｍメッキした。
（８）二次金属層を得るために常法通り、硫酸銅で３０μｍ厚さの銅を電気メッキした。
（９）Ｎ２雰囲気中、５００℃で３０分熱処理した。
（１０）ドライフィルムを張り付け、フォトリソ法で、回路やパットを形成した。
（１１）その後、半導体素子を実装する部分のみ、無電解Ｎｉ−Ｐｄ−Ａｕメッキした。
（１２）パワー半導体の放熱板を作成した。
（１３）アルミナセラミックス板と銅メッキ間の密着強度を３点で測定した。
ピール強度は、２．５〜２．３ｋｇ／ｃｍであった。なお、ピール強度が、１．０ｋｇ／ｃｍ以上あれば、パワー半導体の基板として使用できる。
比較のために、本発明の融着層を形成せず、他の工程は、本発明と全く同一の工程を経て作成されたもののピール強度は、同じく３点測定で、０．１〜０．０５ｋｇ／ｃｍであり、全く密着していない。
本実施例が密着力を驚異的に高めることを確認できた。
【００６７】
実施例２
接合基材として窒化ケイ素基板を使用した。
（１）窒化ケイ素基板を常法通り、脱脂、酸洗い、エッチング後、乾燥した。その後、ホーニングでＲａ０．２μｍ程度、表面を粗化した。
（２）平均粒径０．５〜１．５μｍのＳｉＣのアンカー形成物：５０ｇ、ＣａＣｌ２  ：１０ｇ、ＳｎＳＯ４：５０ｇ、ＴｉＳＯ４：５０ｇ、珪酸ソーダ：５０ｇに水を加えて１Ｌとして、５時間攪拌し、融着層を形成するための融着剤を調製した。
（３）この融着剤を、（１）の窒化ケイ素基板に、スピンコーターで塗布した。
（４）５時間自然乾燥後、８００℃で２時間、１１００℃で２時間加熱した。
（５）ＳｉＣの粒子が窒化ケイ素基板上に融着していた。
（６）一次金属層を得るために常法通り、センシタイザー、アクチベーター処理を行い、無電解Ｎｉ−Ｂメッキを１μｍメッキした。
（７）その後、二次金属層を得るために常法通り、硫酸銅メッキで５０μｍ厚さの銅を電気メッキした。
（８）密着強度は、実施例１と同じく、３点測定で、ピール強度は、２．５〜２．４ｋｇ／ｃｍであった。
（９）この基板をフォトリソの技法を用いて、回路やパットを形成した後、Ｐｄメッキ０．２μｍ、さらにその上に、Ａｕメッキ０．０１μｍメッキ後、ＳｉＣ系のパワートランジスターを実装した。
比較のために、本実施例の融着層を形成せず、他の工程は、本実施例と全く同一の工程を経て作成されたもののピール強度は、３点測定で、０．１〜０．０１ｋｇ／ｃｍであり、全く密着していないといえる。
本実施例が密着力を驚異的に高めることを確認できた。
【００６８】
実施例３
接合基材としてＡｌＮ基板を使用した。
（１）ＡｌＮ基板（株式会社トクヤマ製、商品名：シエイパル）を用いて、常法通り、脱脂、酸洗い、エッチング後、乾燥した。
（２）アンカー形成物として、ＢＮの０．５〜１．５μｍの粒子：５０ｇ、モリブデン酸ソーダ：５０ｇ、硫酸チタニウム：１０ｇ、カオリン：５０ｇに水を加えて１Ｌとして、５時間攪拌し、融着層を形成するための融着剤を調製した。
（３）（１）のＡｌＮ板上に、ドライフィルムを張り付け、フォトリソの技法を用いて、回路部、パット部分になる箇所に開孔部を作製した。
（４）（２）の融着剤をスプレーして、開孔部のみに融着剤を残存させ、自然乾燥した。
（５）電気炉で、２００℃で１時間加熱し、ドライフィルム上に残存する融着剤を除去後、１１００℃で３時間加熱した。開孔部のみにＢＮ粒子が融着していた。
（６）一次金属層を得るために、センシタイザー、アクチベーター処理後、無電解銅メッキを３μｍ施した。この時点では、全面に銅メッキが析出していた。
（７）開孔部のみに銅メッキを残すために、全面にテープを張り、引きはがすと、アンカー形成物が固着していない開孔部以外の場所は、密着していないために、銅メッキがはがれ、開孔部のみメッキが残った。
（８）二次金属層を得るために、無電解銅メッキを２０μｍ厚さ施した。
（９）大気中、４５０℃で、３０分間熱処理した。
（１０）密着強度は、３点測定で、ピール強度は、２．６〜２．５ｋｇ／ｃｍであった。
比較のために、アンカー形成物のない箇所の、ＡｌＮ板のピール強度は、３点測定で、０．１〜０．０５ｋｇ／ｃｍであった。
【００６９】
実施例４
接合基材としてサファイア（９９．９９％Ａｌ２Ｏ３）を使用した。
（１）サファイア基板を常法通り、脱脂、エッチング後、乾燥した。
（２）アンカー形成物として、パイレックスガラス粉０．３〜１．５μｍの粒子：３０ｇ、硫酸第一鉄アンモン：５０ｇ、ＭｏＯ３  ：２０ｇ、Ｈ３ＢＯ３：２０ｇ、ＡｇＮＯ３：１ｇ、シランカップリング剤Ａ−１１００：５ｇに、水を加えて１Ｌとして、５時間攪拌し、融着層を形成するためのアンカー形成物含有の融着剤を調製した。
（３）（２）で調合した融着剤を、（１）のサファイア基板にスプレーで塗布した。
（４）自然乾燥後、７００℃で２時間、１１００℃で２時間加熱した。ガラス粒子が、サファイア基板に融着していた。
（５）一次金属層を得るために、イオンプレーティング法により、Ｔｉを０．５μｍ、Ｃｕを２μｍ、全面に積層して被覆した。
（６）その後、二次金属層を得るために、硫酸銅メッキを３０μｍ厚さ施した。密着強度は、３点測定で、ピール強度は、１．８〜１．７ｋｇ／ｃｍであった。
比較のために、本実施例のアンカー形成物の融着工程はなく、他の工程は、本実施例と全く同一の工程を経て作成されたもののピール強度は、３点測定で、０．３〜０．１ｋｇ／ｃｍであり、電子部品を実装するための基板には使用できなかった。
【００７０】
実施例５
接合基材として市販のＳｉＣ板を使用した。
（１）ＳｉＣ板を常法通り、脱脂、エッチング後、乾燥した。
（２）アンカー形成物として、市販の、粒径０．３〜１．５μｍのＳｉＣ粒子：３０ｇ、釉薬（陶磁器のうわぐすり：ＳＫ−１２）：５０ｇ、ＡｇＮＯ３：２０ｇ、ＥＤＴＡ−Ｃｕ：１０ｇ、硫酸チタン：５ｇ、Ｂ２Ｏ３：２０ｇに、水を加えて１Ｌとして、５時間攪拌し、アンカー形成物含有の融着剤を調製した。
（３）この融着剤を、（１）のＳｉＣ板にスプレーで均一に塗布した。その後、１０時間、自然乾燥した。
（４）電気炉で、１３００℃で３時間加熱した。
（５）ＳｉＣ板に、ＳｉＣ粒子が均一に融着していた。
（６）一次金属層を得るために、常法通りのセンシタイザー、アクチベーター処理を経て、全面、無電解Ｎｉ−Ｂメッキを１．０〜１．５μｍメッキした。
（７）ドライフィルムを張り、回路やパット部のみが開孔部になるように、フォトリソ技法を用いて処理後、硫酸銅メッキ浴を用いて、パット部、回路部に３０μｍのメッキを施し、二次金属層を形成した。    
（８）ドライフィルムを剥離後、クイックエッチングで回路、パッド部以外の部分を除去した。いわゆるＳＡＰ法（セミアディティーブ法）による回路形成方法である。
回路の密着強度は、３点測定で、ピール強度は、１．９〜１．８ｋｇ／ｃｍであった。  
比較のために、本実施例に係るアンカー形成物を固着させる工程を省略し、他の工程は、本実施例と全く同様の処理を行ったものの密着強度は、３点測定、ピール強度で、０．３〜０．１ｋｇ／ｃｍであり、実用に耐えうる強度ではなかった。
【００７１】
実施例６
接合基材として市販のＷＣ板を使用した。
（１）ＷＣ板を常法通り、脱脂、エッチング後、乾燥した。
（２）アンカー形成物として、粒径０．５〜１．５μｍのＳｉＣ粒子：３０ｇ、シランカップリング剤Ａ−１１００：１０ｇ、硫酸バナジウム：５０ｇ、市販の釉薬（ＳＫ−９）：５０ｇ、水ガラス：１０ｇに水を加えて１Ｌとして、５時間攪拌し、アンカー形成物含有の融着剤を調製した。
（３）この融着剤を、（１）のＷＣ板にスピンコーターで均一に塗布した。
その後、１０時間、自然乾燥した。
（４）電気炉で、１２００℃で３時間加熱した。
（５）ＳｉＣ粒子が、ＷＣ板上に、均一に融着していた。
（６）一次金属層として、スパッター法で、銅を１．０μｍ被覆した。
その後、電気銅メッキで、銅（二次金属層）を５０μｍメッキした。
（７）Ｎ２+Ｈ２雰囲気中、４００℃で、３０分熱処理した。
（８）密着強度は、３点測定、ピール強度で、２．９〜２．４ｋｇ／ｃｍであった。
比較のために、本実施例の処理をしなかった場合の密着強度は、３点測定、ピール強度で、０．１〜０．０３ｋｇ／ｃｍ程度で、セロテープ試験で簡単にはがれた。
【００７２】
実施例７
接合基材として市販のＡｌＮ板（シェイパル）を使用した。
（１）ＡｌＮ板を用いて、常法通り、脱脂、エッチング、乾燥した。
（２）アンカー形成物として、平均粒径１．５μｍのＮｉ微粉：６０ｇ、ＭｏＯ３：５０ｇ、Ｂ２Ｏ３：１０ｇ、シランカップリング剤（Ａ−１１００）：５０ｇに、水を加えて１Ｌとした。
５時間かき混ぜ、融着層を形成するための、アンカー形成物含有の融着剤を調製した。
（３）全面にドライフィルムを張り、回路部、パット部のみが開孔部になるようにフォトリソ技術を用いて処理した。
（４）（２）の融着剤を開口部のみに塗布した。      
（５）自然乾燥後、電気炉で、１１００℃で２時間加熱した。
（６）センシタイザー、アクチベーター処理後、全面に、無電解銅メッキを３μｍメッキした。
（７）（３）と同様の工程で、回路部、パット部が開孔部になるようにフォトリソ処理した。
（８）パット部、回路部のみに、電気メッキ法で、銅メッキを２０μｍメッキし、更に、その上に、Ｎｉ−Ｐｄ−Ａｕメッキを施した。その後、レジストを剥離後、回路部、パット部以外に存在する薄い銅メッキ膜を剥離（ＳＡＰ法）して、パット部や回路部のみが残存するメッキ基板を作製し、パット部にパワートランジスターを実装した。
（９）密着強度は、ピール強度で、２．７〜２．５ｋｇ／ｃｍであった。
比較のために、アンカー形成物が存在しない基板の密着強度は、ピール強度で、０．１〜０．０１ｋｇ／ｃｍであった。
【００７３】
実施例８
接合基材として市販のＳｉＣ基板を使用した。
（１）ＳｉＣ基板を用いて、常法通り、脱脂、エッチング後、乾燥した。
（２）アンカー形成物として、直径１．０μｍ、長さ４〜５μｍのＳｉＣファイバー：６０ｇ、水ガラス：５０ｇ、モリブデン酸アンモニウム：５０ｇ、酸化バナジウム：５０ｇ、硼酸：５ｇを、水を加えて１Ｌとして、３時間かき混ぜ、融着層を形成するための融着剤を調製した。
（３）この融着剤を、（１）のＳｉＣ板にシャワー方式で塗布した。      
（４）自然乾燥後、１１００℃で３時間加熱した。ＳｉＣファイバーが、網の目のように積層され、固着していた。
（５）公知の方法で、無電解銅メッキ３μｍをメッキ後、硫酸銅メッキ３０μｍをメッキした。密着強度は、３点測定、ピール強度で、２．８〜２．６ｋｇ／ｃｍであった。
一方、本発明の融着剤を塗布していない基板の密着強度は、３点測定、ピール強度で、０．１〜０．０１ｋｇ／ｃｍであった。
【００７４】
以上実施例１〜８で、本発明の密着強度は、本発明の中間層被膜である融着層を形成しなかった場合（つまり従来のメッキ法の場合）に比較して、数倍〜数十倍の密着強度を有し、その強度のバラツキも極めて僅少であることが確認できた。
【００７５】
実施例９
１００ｍｍ×８０ｍｍ×厚さ０．３ｍｍのＡｌ２Ｏ３基板を用いて、従来方法との密着強度とそのバラツキの比較を行った。
従来方法には、強アルカリの溶融塩に浸漬して、表面をエッチングしてメッキする方法を採用した。
試験方法は、Ａｌ２Ｏ３基板面に２ｍｍ×２ｍｍのパットを作り、ワイヤーを半田付けして、垂直方向に引っ張る方法で密着強度（プル強度）を測定した。
一次金属層は、無電解Ｃｕメッキを０．５μｍ、二次金属層は、Ｃｕを４０μｍ電気メッキし、半田付け性をよくするために、Ｃｕの上に、無電解Ａｕを０．１μｍメッキした。
測定数は、１０か所
引張試験結果を、表１に示す。
【００７６】
【表１】
0006782996.tif 000002
【００７７】
表１の結果より、本実施例（実施例３と同じ方法）は、引張強度が高く、なおかつ、そのバラツキが極端に小さいことが判る。一方、従来方法の比較例も、かなりな強度を有するが、そのバラツキが大きいことが判る。本発明は、従来技術に比べて、その強度が勝り、なおかつ、そのバラツキも極端に小さいことを確認できた。
【００７８】
セラミック基材、アンカー形成物、融着成分の組み合わせを変えた時の実施例１０〜２９を、表２〜２１に示す。
【００７９】
表中、比較例とは、融着剤を塗布していない場合の従来方法のピール強度を意味する。
表中、ピール強度は、実施例１〜８と同じく、本発明、比較例、いずれも３点測定した結果である。
【００８０】
実施例１０〜２９で、接合基材の前処理および融着剤の塗布は、実施例１〜８と同じ方法で行った。また、二次メッキ後、本実施例も比較例も、共に、Ｎ２雰囲気中、４００℃で、３０分熱処理後、ピール強度を測定した。
【００８１】
実施例１０
結果を表２に示す。
【表２】
0006782996.tif 000003
【００８２】
実施例１１
結果を表３に示す。
【表３】
0006782996.tif 000004
【００８３】
実施例１２
結果を表４に示す。
【表４】
0006782996.tif 000005
【００８４】
実施例１３
結果を表５に示す。
【表５】
0006782996.tif 000006
【００８５】
実施例１４
結果を表６に示す。
【表６】
0006782996.tif 000007
【００８６】
実施例１５
結果を、表７に示す。
【表７】
0006782996.tif 000008
【００８７】
実施例１６
結果を表８に示す。
【表８】
0006782996.tif 000009
【００８８】
実施例１７
結果を表９に示す。
【表９】
0006782996.tif 000010
【００８９】
実施例１８
結果を表１０に示す。
【表１０】
0006782996.tif 000011
【００９０】
実施例１９
結果を表１１に示す。
【表１１】
0006782996.tif 000012
【００９１】
実施例２０
結果を表１２に示す。
【表１２】
0006782996.tif 000013
【００９２】
実施例２１
結果を表１３に示す。
【表１３】
0006782996.tif 000014
【００９３】
実施例２２
結果を表１４に示す。
【表１４】
0006782996.tif 000015
【００９４】
実施例２３      
結果を表１５に示す。
【表１５】
0006782996.tif 000016
【００９５】
実施例２４
結果を表１６に示す。
【表１６】
0006782996.tif 000017
【００９６】
実施例２５
結果を表１７に示す。
【表１７】
0006782996.tif 000018
【００９７】
実施例２６
結果を表１８に示す。
【表１８】
0006782996.tif 000019
【００９８】
実施例２７
結果を表１９に示す。
【表１９】
0006782996.tif 000020
【００９９】
実施例２８
結果を表２０に示す。
【表２０】
0006782996.tif 000021
【０１００】
実施例２９
結果を表２１に示す。
【表２１】
0006782996.tif 000022
【０１０１】
以上、表２〜２１で示した実施例１０〜２９では、密着強度が、２．９〜２．０ｋｇ／ｃｍであった。
一方、融着剤を塗布していない場合（比較例）のピール強度は、１．０〜０．０１ｋｇ／ｃｍであった。
本実施例は、比較例に比べて、強度が際立って高く、そのデータのバラツキ幅も僅かであった。
パワー半導体の基板としては、ピール強度１．０ｋｇ／ｃｍ以上が必要とされるが、比較例で、同じ試験片の中で、最大１ｋｇの強度を有する部分も存在したが、ほかの箇所では、強度が低く、すべて条件を満たすことができなかった。
本発明は、最低必要強度の２倍以上の強度が得られ、強度の高さと共に、バラツキも小さく、また、融着剤の成分を変えても、安定した強度が得られることが判明し、信頼性の高い接合が得られることが判った。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
最大の用途は、パワートランジスターやＬＥＤ用の放熱板、電気自動車の部品、燃料電池等に使用されて、大きく成長が期待できる。
【符号の説明】
【０１０３】
１…接合基材
２…中間層被膜
３…アンカー形成物
４…一次金属層
５…二次金属層
【要約】
【課題】接合基材に金属層を接合したとき、その金属層の密着力が強く、その密着力のバラツキも小さく、かつ、安価に接合することができる、接合基材と金属層の接合体の提供。
【解決手段】接合基材１の接合面に形成した中間層被膜２を介して、接合基材２に金属層５が接合されている接合基材１と金属層５の接合体であって、中間層被膜２は、接合基材１の接合面に融着されるとともに、中間層被膜２には金属層５をアンカー効果により接合するアンカー形成物３が分散して埋入され、アンカー形成物３は、一部が中間層被膜２から外に突出しているとともに、中間層被膜２に融着され、金属層５は、中間層被膜２の表面、および中間層被膜２から外に突出しているアンカー形成物３の表面と接合されている接合基材１と金属層５の接合体。
【選択図】図１【図１】
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【図２】
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