(57)【要約】【課題】低コストで信頼性の高い金属−セラミックス接合基板およびその製造方法を提供する。【解決手段】セラミックス基板の両側（パターン面側とヒートシンク面側）において異なる状態でセラミックス基板の両面に金属部材を接合することにより、例えば、セラミックス基板の両面（パターン面とヒートシンク面）に異なる硬度、種類または厚さの金属部材を接合する方法、異なる厚さまたは種類のろう材（活性金属ペースト）を介してセラミックス基板の両面に金属部材を接合する方法、セラミックス基板の反り量を予め所定の反り量にした後にセラミックス基板の両面に金属部材を接合する方法、あるいは両面の表面粗さが異なるセラミックス基板の両面に金属部材を接合する方法により、金属−セラミックス接合基板の反り量が所定の反り量になるように反り量を制御する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板の両面に金属部材が接合された金属−セラミックス接合基板の製造方法において、セラミックス基板の両面に硬度、種類および厚さの少なくとも１つが異なる金属部材を接合することにより、金属−セラミックス接合基板の反り量を所定の反り量に制御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】
前記セラミックス基板の一方の面に接合する金属部材を金属回路板として形成し、他方の面に接合する金属部材を放熱板として形成する場合に、放熱板として形成する金属部材の硬度が金属回路板として形成する金属部材の硬度より高いことを特徴とする、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】
前記セラミックス基板の一方の面に接合する金属部材を金属回路板として形成し、他方の面に接合する金属部材を放熱板として形成する場合に、放熱板として形成する金属部材の強度が金属回路板として形成する金属部材の強度より高いことを特徴とする、請求項１記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
【請求項４】
前記セラミックス基板の一方の面に接合する金属部材を金属回路板として形成し、他方の面に接合する金属部材を放熱板として形成する場合に、金属回路板として形成する金属部材の厚さが放熱板として形成する金属部材の厚さより厚いことを特徴とする、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５】
セラミックス基板の両面にろう材を介して金属部材を接合する金属−セラミックス接合基板の製造方法において、セラミックス基板の両面に異なる厚さまたは種類のろう材を介して金属部材を接合することにより、金属−セラミックス接合基板の反り量を所定の反り量に制御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６】
前記セラミックス基板の一方の面に接合する金属部材を金属回路板として形成し、他方の面に接合する金属部材を放熱板として形成する場合に、放熱板側のろう材の厚さが金属回路板側のろう材の厚さより厚いことを特徴とする、請求項５に記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
【請求項７】
前記セラミックス基板の一方の面に接合する金属部材を金属回路板として形成し、他方の面に接合する金属部材を放熱板として形成する場合に、放熱板側のろう材の硬度が金属回路板側のろう材の硬度より高いことを特徴とする、請求項５に記載の金属−セラミックス接合基板の製造方法。
【請求項８】
セラミックス基板の両面に金属部材が接合された金属−セラミックス接合基板の製造方法において、セラミックス基板の反り量を所定の反り量に制御した後にセラミックス基板の両面に金属部材を接合することにより、金属−セラミックス接合基板の反り量を所定の反り量に制御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９】
セラミックス基板の両面に金属部材が接合された金属−セラミックス接合基板の製造方法において、両面の表面粗さが異なるセラミックス基板を用意し、このセラミックス基板の両面に金属部材を接合することにより、金属−セラミックス接合基板の反り量を所定の反り量に制御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１０】
セラミックス基板の両面に異なる硬度、強度、種類または厚さの金属部材が接合され、一方の金属部材が金属回路板として形成され、金属回路板側に凹状に反るように形成されることを特徴とする、金属−セラミックス接合基板。
【請求項１１】
セラミックス基板の両面に異なる厚さまたは種類のろう材を介して金属部材が接合され、一方の金属部材が金属回路板として形成され、金属回路板側に凹状に反るように形成されることを特徴とする、金属−セラミックス接合基板。
【請求項１２】
反り量を所定の反り量にしたセラミックス基板の両面に金属部材が接合され、一方の金属部材が金属回路板として形成され、金属回路板側に凹状に反るように形成されることを特徴とする、金属−セラミックス接合基板。
【請求項１３】
両面の表面粗さが異なるセラミックス基板の両面に金属部材が接合され、一方の金属部材が金属回路板として形成され、金属回路板側に凹状に反るように形成されることを特徴とする、金属−セラミックス接合基板。
【請求項１４】
請求項１０乃至１３のいずれかに記載の金属−セラミックス接合基板を用いたパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属−セラミックス接合基板およびその製造方法に関し、特に耐熱衝撃性などに優れた信頼性の高い金属−セラミックス接合基板、その製造方法およびその金属−セラミックス接合基板を用いたパワーモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
絶縁基板として使用されている金属−セラミックス接合基板では、接合後の熱衝撃によりセラミックス基板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、セラミックス基板にクラックが発生し易い。このようなセラミックス基板に加わる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（活性金属含有ペースト材など）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、金属回路板とセラミックス基板とを接合してセラミックス回路基板を形成した後にセラミックス回路基板に荷重を負荷するか、あるいはセラミックス基板の片面にホーニング加工または研磨加工を施すことにより、セラミックス回路基板を金属回路板側に凹形状に反らせて、セラミックス基板中のクラックの発生を防止する方法（例えば、特許文献２参照）や、セラミックス基板に荷重をかけたときのたわみ量を規定したセラミックス回路基板により、セラミックス基板中のクラックの発生を防止する方法（例えば、特許文献３参照）も知られている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−３２６９４９号公報（段落番号０００９、表１）
【特許文献２】
特開平１１−３３０３０８号公報（段落番号０００９−００１３）
【特許文献３】
特開平７−２０２０７３号公報（段落番号０００７）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平１０−３２６９４９号公報に開示された方法では、段部やフィレットの寸法を制御すること、すなわち、所定の段部やフィレットの幅や厚さを自由に変更することが難しく、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−セラミックス接合基板を提供することが困難な場合がある。
【０００７】
また、繰り返しヒートサイクルに対する金属−セラミックス接合基板の信頼性を高めるためには、段部やフィレットの寸法を大きくする必要があるが、そのためには工程数を増やす必要があり、製造コストが増加する。また、所定の幅の段部やフィレットを必要とするために金属回路の外形寸法が大きくなるので、パワーモジュールなどの電子部材の小型化という市場の要求に逆行し、また、原材料コストが上昇する場合もある。さらに、段部やフィレットを形成することにより、金属−セラミックス接合基板の熱膨張差に起因する応力に対する耐性を高めることができるが、パワーモジュールなどの電子部材へのアセンブリ時にこのような効果が得られない場合がある。
【０００８】
また、特開平１１−３３０３０８号公報および特開平７−２０２０７３号公報に開示された方法では、金属−セラミックス接合基板のクラックの発生の防止に一定の効果はあるものの、必ずしもアセンブリ時に高い耐熱衝撃性を有するとは限らず、チップの半田付けなどをするときの加熱や冷却においてクラックが発生する場合があることがわかってきた。
【０００９】
さらに、金属−セラミックス接合基板は、自動車や電車用のパワーモジュールや産業機械用のパワーモジュールに使用されることが多く、近年、特に耐熱衝撃性などの信頼性が重視されるようになっている。
【００１０】
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、低コストで耐熱衝撃性などの信頼性の高い金属−セラミックス接合基板およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
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、セラミックス基板の両面に金属部材が接合された金属−セラミックス接合基板の製造方法において、セラミックス基板の両側（パターン面側とヒートシンク面側）において異なる状態でセラミックス基板の両面に金属部材を接合して、金属−セラミックス接合基板の反り量を所定の反り量に制御することにより、熱応力に起因するセラミックス基板の変形、すなわちヒートシンク面側からの熱応力によるパターン面側のセラミックス基板の変形を制御し、金属部材とセラミックス基板の界面に発生する応力を制御して、繰り返しヒートサイクルに対する金属−セラミックス接合基板の信頼性を高め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−セラミックス接合基板の製造方法は、セラミックス基板の両面に金属部材が接合された金属−セラミックス接合基板の製造方法において、セラミックス基板の両面に硬度、種類および厚さの少なくとも１つが異なる金属部材を接合することにより、金属−セラミックス接合基板の反り量を所定の反り量に制御することを特徴とする。この金属−セラミックス接合基板の製造方法において、セラミックス基板の一方の面に接合する金属部材を金属回路板として形成し、他方の面に接合する金属部材を放熱板として形成する場合に、放熱板として形成する金属部材の硬度または強度が金属回路板として形成する金属部材の硬度または強度より高くなるようにしてもよく、あるいは、金属回路板として形成する金属部材の厚さが放熱板として形成する金属部材の厚さより厚くなるようにしてもよい。
【００１３】
また、本発明による金属−セラミックス接合基板の製造方法は、セラミックス基板の両面にろう材を介して金属部材を接合する金属−セラミックス接合基板の製造方法において、セラミックス基板の両面に異なる厚さまたは種類のろう材を介して金属部材を接合することにより、金属−セラミックス接合基板の反り量を所定の反り量に制御することを特徴とする。この金属−セラミックス接合基板の製造方法において、セラミックス基板の一方の面に接合する金属部材を金属回路板として形成し、他方の面に接合する金属部材を放熱板として形成する場合に、放熱板側のろう材の厚さが金属回路板側のろう材の厚さより厚くなるようにしてもよく、あるいは、放熱板側のろう材の硬度が金属回路板側のろう材の硬度より高くなるようにしてもよい。
【００１４】
さらに、本発明による金属−セラミックス接合基板の製造方法は、セラミックス基板の両面に金属部材が接合された金属−セラミックス接合基板の製造方法において、セラミックス基板の反り量を所定の反り量に制御した後にセラミックス基板の両面に金属部材を接合することにより、あるいは両面の表面粗さが異なるセラミックス基板を用意し、このセラミックス基板の両面に金属部材を接合することにより、金属−セラミックス接合基板の反り量を所定の反り量に制御することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明による金属−セラミックス接合基板は、セラミックス基板の両面に異なる硬度、強度、種類または厚さの金属部材が接合され、あるいはセラミックス基板の両面に異なる厚さまたは種類のろう材を介して金属部材が接合され、あるいは反り量を所定の反り量にしたセラミックス基板の両面に金属部材が接合され、あるいは両面の表面粗さが異なるセラミックス基板の両面に金属部材が接合されるとともに、一方の金属部材が金属回路板として形成され、金属回路板側に凹状に反るように形成されることを特徴とする。
【００１６】
さらに、本発明によるパワーモジュールは、上記のいずれかの金属−セラミックス接合基板を用いることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明による金属−セラミックス接合基板の製造方法の実施の形態では、セラミックス基板の両側（パターン面側とヒートシンク面側）において異なる状態でセラミックス基板の両面に金属部材を接合することにより、例えば、セラミックス基板の両面（パターン面とヒートシンク面）に異なる硬度、種類または厚さの金属部材を接合する方法、異なる厚さまたは種類のろう材（活性金属含有ペーストなど）を介してセラミックス基板の両面に金属部材を接合する方法、セラミックス基板の反り量を予め所定の反り量にした後にセラミックス基板の両面に金属部材を接合する方法、あるいは両面の表面粗さが異なるセラミックス基板の両面に金属部材を接合する方法により、金属−セラミックス接合基板の反り量が所定の反り量になるように反り量を制御する。このようにして金属−セラミックス接合基板の反り量を制御することにより、金属−セラミックス接合基板の変形による応力を緩和し、それによって、繰り返しヒートサイクルに対する金属−セラミックス接合基板の信頼性を高めることができる。
【００１８】
なお、本明細書中において、反り量とは、図１に示すように、セラミックス基板１２の両面に金属回路板１４および金属板１６が接合された金属−セラミックス接合基板１０の金属回路板１４の中心部と縁部の高さの差Ｄをいい、セラミックス基板１２が金属回路板１４側に凹状に反っているときの反り量を正（＋）とし、金属回路板１４側に凸状に反っているときの反り量を負（−）とする。
【００１９】
金属板を再結晶温度以上に一定時間加熱すると金属板が軟化することが知られている。このような熱処理を加えると、熱処理前の金属板の硬度の影響は小さく、金属板の硬度や強度が小さくなる。この現象を金属板とセラミックス基板との接合に当てはめると、金属板の再結晶温度以上に加熱して金属板とセラミックス基板を接合すると、接合前の金属板の硬度や強度の違い比べてほとんどその違いの影響なく金属板が軟化するため、接合後にセラミックス基板に発生する応力はほとんど変わらないと考えられていた。すなわち、金属板が高温にさらされて再結晶化することにより、接合前の金属板の硬度や強度にほとんど影響されずに金属板の硬度や強度が著しく小さくなり、金属板が接合されたセラミックス基板側に発生する応力も、硬度や強度の低下にしたがって小さくなると考えられていた。例えば、銅板の再結晶温度は約４００℃以上であり、銅板をセラミックス基板とともに１０００℃以上に加熱して直接接合する場合、再結晶温度より遥かに高い温度になり、完全に再結晶化して軟化するため、接合前の銅板の硬度や強度は無視できると考えられていた。しかしながら、本発明者らは、金属板単体の硬度や強度の低下と、金属板をセラミックス基板に接合した場合の硬度や強度の低下には、セラミックス基板への影響に違いがあるのではないかと考え、また、異なる硬度や強度の金属板をセラミックス基板の両面に接合すれば、特に回路基板の場合に回路側の金属板の硬度や強度をヒ−トシンク側の金属板の硬度や強度より低くすれば、金属−セラミックス接合基板の耐熱衝撃性などの信頼性を大きく向上させることができることを見出した。さらに、上述したように、金属板の回路側の硬度や強度を放熱側の金属板より低くすれば、セラミックス基板の反りが回路側に凹状になり、セラミックス基板の回路側と放熱側の表面の応力状態を変えて、金属−セラミックス接合基板の耐熱衝撃性などの信頼性を大きく向上させることを見出した。
【００２０】
また、一般に、金属−セラミックス接合基板では、同一の金属が接合されている。これは、同じ接合条件で効率良く接合するためには同一の金属を接合することが好ましいこと、接合後の工程において半田付けやワイヤボンデイング特性を良好にするために金属の種類が限られていること、金属の種類を特に変える必要性がないと考えられていたことなどの理由による。本発明者らは、セラミックス基板に接合する金属の種類について、金属−セラミックス接合基坂の信頼性の向上の面から鋭意研究を重ねた結果、両面に異種の金属を接合することにより金属−セラミックス接合基板の耐熱衝撃性などの信頼性を向上させることができることを見出した。すなわち、異種の金属をセラミックス基板の表裏に接合することにより、セラミックス基板に加わる応力を低減し、クラックの発生を抑えることができる。特に、回路側に凹状に反るようにし、放熱側にやや高い強度の金属を接合することにより、上記の効果が顕著になる。例えば、回路側にタフピッチ銅板、放熱側にリン脱酸銅板を接合する場合、両者をろう材を介して接合すれば、工数やコストを増加することなく上記の効果を得ることができる。
【００２１】
また、セラミックス基板の両面のろう材の種類や厚さを適当に組み合わせることによっても、信頼性の高い金属−セラミックス接合基板を得ることができる。強度または硬度が高いろう材を放熱側に使用し、強度または硬度が低いろう材を回路側に使用することにより、回路側を凹状にすることができ、金属−セラミックス接合基板の耐熱衝撃性などの信頼性を向上させることができる。また、放熱側のろう材を厚くすることによっても回路側を凹状にすることができる。
【００２２】
また、電子材料用や回路基板用のセラミックス基板の反りは、できるだけ小さくなるように、セラミックス基坂の焼成時に反り直し焼成工程を設けるなどにより矯正される。従来、セラミックス基板の反りは、工業製品として、板の平面度という観点から、また、その後の製造工程の取り扱いの面から、できるだけ±０になるように調整されている。本発明者らは、この当然と思われる従来の規格にも焦点を当て、セラミックス基板に予め所定の反りを与えること、また、その反りの方向を制御することにより、耐熱衝撃性などの信頼性の高い金属−セラミックス接合基板が得られることを見出した。すなわち、例えば数１０μｍの反りが予めできるようにセラミックス基板を焼成し、その両面に金属板を接合した後、最終的に回路側の反りが凹状になるように調整する。
【００２３】
さらに、本発明者らは、セラミックス基板の両面の表面粗さも、金属−セラミックス接合基板の耐熱衝撃性などの信頼性に影響があることを見出した。すなわち、回路側の表面粗さを小さく、放熱側の表面粗さを大きく設定することにより、金属−セラミックス接合基板の耐熱衝撃性などの信頼性を向上させることができる。
【００２４】
以上のように、セラミックス基板の反りや表面粗さなどの物性をセラミックス基板の製造時から制御し、そのセラミックス基板を接合基板として適当に扱うことにより、耐熱衝撃性などの信頼性に優れた金属−セラミックス接合基板を得ることができる。理由は明確でないが、セラミックス基板自体の残留応力、特に表裏の表面応力の相違が関わっていると考えられる。
【００２５】
また、本発明による金属−セラミックス接合基板の実施の形態を用いて、Ｓｉチップなどの半導体チップの半田付け、アルミワイヤのボンディングなどによる配線、プラスチックパッケージの接着などのアセンブリ工程を経て、信頼性の高いパワーモジュールを得ることができる。
【００２６】
【実施例】
以下、本発明による金属−セラミックス接合基板およびその製造方法の実施例について詳細に説明する。
【００２７】
［実施例１］
セラミックス基板として６０ｍｍ×６０ｍｍの大きさで厚さ０．６３５ｍｍのアルミナ基板を用意し、このアルミナ基板の一方の面（パターン面）側に厚さ０．２５ｍｍ、硬さ１／４Ｈのタフピッチ銅板を配置するとともに、他方の面（ヒートシンク面）側に厚さ０．２５ｍｍ、硬さＨのタフピッチ銅板を配置し、約１０５０℃に加熱してアルミナ基板の両面にタフピッチ銅板を接合した。
【００２８】
次いで、銅箔の表面を研磨紙で研磨し、パターン面側にパターン形状のレジストマスクを形成するとともにヒートシンク面側にヒートシンク形状のレジストマスクを形成した後、塩化第２銅エッチング液により不要な銅を除去した。その後、レジストマスクを薬液により除去することによって形成された銅回路に、無電解ニッケル−リンメッキを３μｍ施して、金属−セラミックス接合基板を得た。
【００２９】
この金属−セラミックス接合基板の反り量を測定したところ、反り量は＋１０μｍで、パターン面は凹面であった。
【００３０】
また、この金属−セラミックス接合基板について、２０℃→−４０℃×３０分→２０℃×１０分→１２５℃×３０分→２０℃×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、セラミックス基板の両面に異なる硬さの金属板を接合することにより繰り返しヒートサイクルに対する信頼性を高める効果が確認された。
【００３１】
［比較例１］
アルミナ基板の両面に接合するタフピッチ銅板の硬さを同一（１／４Ｈ）にした以外は実施例１と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を製造した。
【００３２】
この金属−セラミックス接合基板の反り量を測定したところ、反り量は−２０μｍで、パターン面は凸面であった。
【００３３】
また、この金属−セラミックス接合基板について、実施例１と同様に２０℃→−４０℃×３０分→２０℃×１０分→１２５℃×３０分→２０℃×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。この処理後にアルミナ基板の表面を顕微鏡観察したところ、目視で容易に確認できるクラックの発生が認められた。
【００３４】
［実施例２］
セラミックス基板として５０ｍｍ×３０ｍｍの大きさで厚さ０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム基板を用意し、この窒化アルミニウム基板の一方の面（パターン面）側に厚さ０．２５ｍｍの無酸素銅板を配置するとともに、他方の面（ヒートシンク面）側に厚さ０．２５ｍｍのリン青銅板を配置し、それぞれ銀ペースト（銀９０％、銅７％、チタン３％）を介して、１０−５ｔｏｒｒ以下において８５０℃で加熱接合した。なお、加熱接合前の原材料の無酸素銅板の硬さはＨＢ３０、リン青銅板の硬さはＨＢ６０であった。
【００３５】
次いで、パターン面側およびヒートシンク面側にそれぞれ回路形成用およびヒートシンク形成用のレジストインクを塗布し、塩化第２銅液でエッチングして回路を形成した後、薬液によりレジストを除去し、約４μｍのメッキを施して、銅−窒化アルミニウム接合基板を得た。
【００３６】
この銅−窒化アルミニウム接合基板の反り量を測定したところ、反り量は＋２５μｍで、パターン面は凹面であった。
【００３７】
また、この銅−窒化アルミニウム接合基板について、実施例１と同様に２０℃→−４０℃×３０分→２０℃×１０分→１２５℃×３０分→２０℃×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、セラミックス基板の両面に異なる種類の金属板を接合することにより繰り返しヒートサイクルに対する信頼性を高める効果が確認された。
【００３８】
［比較例２］
窒化アルミニウム基板の両面に無酸素銅板を接合した以外は実施例２と同様の方法により、銅−窒化アルミニウム接合基板を製造した。
【００３９】
この銅−窒化アルミニウム接合基板の反り量を測定したところ、反り量は−３０μｍで、パターン面は凸面であった。
【００４０】
また、この銅−窒化アルミニウム接合基板について、実施例１と同様に２０℃→−４０℃×３０分→２０℃×１０分→１２５℃×３０分→２０℃×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。この処理後に窒化アルミニウム基板の表面を顕微鏡観察したところ、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】
［実施例３］
セラミックス基板として７０ｍｍ×５０ｍｍの大きさで厚さ０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム基板を用意し、溶湯法により、窒化アルミニウム基板の一方の面（パターン面）側に厚さ０．４ｍｍのアルミニウム板、他方の面（ヒートシンク面）側に厚さ０．１５ｍｍのアルミニウム板を接合した。
【００４２】
次いで、パターン面側およびヒートシンク面側にそれぞれ回路形成用およびヒートシンク形成用のレジストインクを塗布し、塩化第２鉄液でエッチングして回路を形成した後、レジストを剥離し、約４μｍのニッケルメッキを施して、アルミニウム−窒化アルミニウム接合基板を得た。
【００４３】
このアルミニウム−窒化アルミニウム接合基板の反り量を測定したところ、反り量は＋３０μｍで、パターン面は凹面であった。
【００４４】
また、このアルミニウム−窒化アルミニウム接合基板について、実施例１と同様に２０℃→−４０℃×３０分→２０℃×１０分→１２５℃×３０分→２０℃×１０分を１サイクルとする繰り返しヒートサイクルを３０００回行った。この処理後に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、セラミックス基板の両面に異なる厚さの金属板を接合することにより繰り返しヒートサイクルに対する信頼性を高める効果が確認された。
【００４５】
［比較例３］
窒化アルミニウム基板の両面に接合するアルミニウム板の厚さを同一（０．４ｍｍ）にした以外は実施例３と同様の方法により、アルミニウム−窒化アルミニウム接合基板を製造した。
【００４６】
このアルミニウム−窒化アルミニウム接合基板の反り量を測定したところ、反り量は−３０μｍで、パターン面は凸面であった。
【００４７】
また、このアルミニウム−窒化アルミニウム接合基板について、実施例１と同様に２０℃→−４０℃×３０分→２０℃×１０分→１２５℃×３０分→２０℃×１０分を１サイクルとする繰り返しヒートサイクルを３０００回行った。この処理後に窒化アルミニウム基板の表面を顕微鏡観察したところ、目視で容易に確認できるクラックの発生が認められた。
【００４８】
［実施例４］
セラミックス基板として５０ｍｍ×３０ｍｍの大きさで厚さ０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム基板を用意し、この窒化アルミニウム基板の一方の面（パターン面）側に厚さ１０μｍの銀ペースト、他方の面（ヒートシンク面）側に厚さ２０μｍの銀ペーストをスクリーン印刷法によって印刷した後、パターン面側に厚さ０．２５ｍｍの無酸素銅板、ヒートシンク面側に厚さ０．３ｍｍの無酸素銅板を配置し、１０−５ｔｏｒｒ以下において８５０℃で加熱接合した。
【００４９】
次いで、パターン面側およびヒートシンク面側にそれぞれ回路形成用およびヒートシンク形成用のレジストインクを塗布し、塩化第２銅液でエッチングして回路を形成した後、約３μｍのメッキを施して、銅−窒化アルミニウム接合基板を得た。
【００５０】
この銅−窒化アルミニウム接合基板の反り量を測定したところ、反り量は＋２０μｍで、パターン面は凹面であった。
【００５１】
また、この銅−窒化アルミニウム接合基板について、実施例１と同様に２０℃→−４０℃×３０分→２０℃×１０分→１２５℃×３０分→２０℃×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、セラミックス基板の両面に異なる厚さの活性金属ペーストを印刷することにより繰り返しヒートサイクルに対する信頼性を高める効果が確認された。
【００５２】
［比較例４］
窒化アルミニウム基板の両面に印刷する銀ペーストの厚さを同一（２０μｍ）とした以外は実施例４と同様の方法により、銅−窒化アルミニウム接合基板を製造した。
【００５３】
この銅−窒化アルミニウム接合基板の反り量を測定したところ、反り量は−１０μｍで、パターン面は凸面であった。
【００５４】
また、この銅−窒化アルミニウム接合基板について、実施例１と同様に２０℃→−４０℃×３０分→２０℃×１０分→１２５℃×３０分→２０℃×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。この処理後に窒化アルミニウム基板の表面を顕微鏡観察したところ、目視で容易に確認できるクラックの発生が認められた。
【００５５】
［実施例５］
セラミックス基板として６０ｍｍ×４５ｍｍの大きさで厚さ０．８０ｍｍの窒化アルミニウム基板を用意し、この窒化アルミニウム基板の一方の面（パターン面）に銀ペースト（銀９０％、銅７％、チタン３％）、他方の面（ヒートシンク面）に銅ペースト（銅９７％、チタン３％）を約２０μｍの厚さになるようにスクリーン印刷法により印刷した後、パターン面側に厚さ０．２ｍｍの無酸素銅板、ヒートシンク面側に厚さ０．２５ｍｍの無酸素銅を配置し、１０−５ｔｏｒｒ以下において８５０℃で加熱接合した。
【００５６】
次いで、パターン面側およびヒートシンク面側にそれぞれ回路形成用およびヒートシンク形成用のレジストインクを塗布し、塩化第２銅液でエッチングして回路を形成した後、レジストを剥離し、約３μｍのニッケルメッキを施して、銅−窒化アルミニウム接合基板を得た。
【００５７】
この銅−窒化アルミニウム接合基板の反り量を測定したところ、反り量は＋１５μｍで、パターン面は凹面であった。
【００５８】
また、この銅−窒化アルミニウム接合基板について、実施例１と同様に２０℃→−４０℃×３０分→２０℃×１０分→１２５℃×３０分→２０℃×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、セラミックス基板の両面に異なる種類の活性金属ペーストを印刷することにより繰り返しヒートサイクルに対する信頼性を高める効果が確認された。
【００５９】
なお、本実施例で使用した銀ペーストろう材および銅ペーストろう材の硬さは、次の方法で測定した。まず、銀ペーストおよび銅ペーストを作製した後、それぞれオーブンによって８０℃で１０時間乾燥し、乳鉢で粉砕した。得られた粉体をそれぞれステンレス製の円筒型に詰め込んでプレス成形した後、真空中において８００℃で４０分間焼成し、型から取り出して、直径７．３ｍｍ、高さ１６ｍｍの円筒形のサンプルを得た。これらのサンプルの硬度をマイクロビッカース硬度計によって荷重１００ｇの条件で測定したところ、銀ペーストの硬度は９２ｋｇｆ／ｍｍ２、銅ペーストの硬度は１５１ｋｇｆ／ｍｍ２であり、銅ペーストの方が硬いことが確認された。
【００６０】
［比較例５］
窒化アルミニウム基板の両面に銀ペーストを印刷した以外は実施例５と同様の方法により、銅−窒化アルミニウム接合基板を製造した。
【００６１】
この銅−窒化アルミニウム接合基板の反り量を測定したところ、反り量は−２５μｍで、パターン面は凸面であった。
【００６２】
また、この銅−窒化アルミニウム接合基板について、実施例１と同様に２０℃→−４０℃×３０分→２０℃×１０分→１２５℃×３０分→２０℃×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。この処理後に窒化アルミニウム基板の表面を顕微鏡観察したところ、目視で容易に確認できるクラックの発生が認められた。
【００６３】
［実施例６］
セラミックス基板として６０ｍｍ×５０ｍｍの大きさで厚さ０．２５ｍｍの複数のアルミナ基板を用意し、これらのアルミナ基板に平均約６０μｍの反りを付けた。このアルミナ基板の反り付けは、アルミナ基板の製造工程において、ドクターブレード法によりグリーンシートを作製し、所定形状に打ち抜いた後、焼成を行い、その後の二次焼成（反り直し焼成）工程において、所定の反り量になるように凹面治具の上にアルミナ基板を置いて焼成することにより行った。次いで、それぞれのアルミナ基板の凸面側をパターン面側とし、凹面側をヒートシンク面側として、両面に厚さ０．２５ｍｍのタフピッチ銅板を配置し、約１０５０℃に加熱してアルミナ基板の両面にタフピッチ銅板を接合した。
【００６４】
次いで、銅箔の表面を研磨紙で研磨し、パターン面側およびヒートシンク面側にそれぞれ回路形成用およびヒートシンク形成用のレジストインクを塗布した後、塩化第２銅エッチング液により不要な銅を除去した。その後、レジストを剥離することによって形成された銅回路に、無電解ニッケル−リンメッキを３μｍ施して、金属−セラミックス接合基板を得た。
【００６５】
この金属−セラミックス接合基板の反り量を測定したところ、反り量の平均は＋１０μｍで、パターン面は凹面であった。
【００６６】
また、この金属−セラミックス接合基板について、実施例１と同様に２０℃→−４０℃×３０分→２０℃×１０分→１２５℃×３０分→２０℃×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、セラミックス基板の反りを制御することにより繰り返しヒートサイクルに対する信頼性を高める効果が確認された。
【００６７】
［比較例６］
セラミックス基板の反りの制御および選別を行わなかった以外は実施例６と同様の方法により、金属−セラミックス接合基板を製造した。
【００６８】
この金属−セラミックス接合基板の反り量を測定したところ、反り量の平均は−２０μｍで、パターン面は凸面であった。
【００６９】
また、この金属−セラミックス接合基板について、実施例１と同様に２０℃→−４０℃×３０分→２０℃×１０分→１２５℃×３０分→２０℃×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。この処理後にアルミナ基板の表面を顕微鏡観察したところ、目視で容易に確認できるクラックの発生が認められた。
【００７０】
［実施例７］
セラミックス基板として７０ｍｍ×５０ｍｍの大きさで厚さ０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム基板を用意し、この窒化アルミニウム基板の一方の面（パターン面）側の表面粗さをＲａ０．１μｍ、他方の面（ヒートシンク面）側の表面粗さをＲａ０．３μｍとして、溶湯法によって窒化アルミニウム基板の表面に厚さ０．４ｍｍのアルミニウム板を接合した。
【００７１】
次いで、パターン面側およびヒートシンク面側にそれぞれ回路形成用およびヒートシンク形成用のレジストインクを塗布し、塩化第２鉄液でエッチングして回路を形成した後、レジストを剥離し、約４μｍのニッケルメッキを施して、アルミニウム−窒化アルミニウム接合基板を得た。
【００７２】
このアルミニウム−窒化アルミニウム接合基板の反り量を測定したところ、反り量は＋３５μｍで、パターン面は凹面であった。
【００７３】
また、このアルミニウム−窒化アルミニウム接合基板について、実施例１と同様に２０℃→−４０℃×３０分→２０℃×１０分→１２５℃×３０分→２０℃×１０分を１サイクルとする繰り返しヒートサイクルを３０００回行った。この処理後に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、両面の表面粗さが異なるセラミックス基板を使用することより繰り返しヒートサイクルに対する信頼性を高める効果が確認された。
【００７４】
［比較例７］
窒化アルミニウム基板の両面の表面粗さを同一（Ｒａ０．２μｍ）にした以外は実施例７と同様の方法により、アルミニウム−窒化アルミニウム接合基板を製造した。
【００７５】
このアルミニウム−窒化アルミニウム接合基板の反り量を測定したところ、反り量は−１５μｍで、パターン面は凸面であった。
【００７６】
また、このアルミニウム−窒化アルミニウム接合基板について、実施例１と同様に２０℃→−４０℃×３０分→２０℃×１０分→１２５℃×３０分→２０℃×１０分を１サイクルとする繰り返しヒートサイクルを３０００回行った。この処理後に窒化アルミニウム基板の表面を顕微鏡観察したところ、目視で容易に確認できるクラックの発生が認められた。
【００７７】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、金属−セラミックス接合基板の変形による応力を緩和することによって、繰り返しヒートサイクルに対する金属−セラミックス接合基板の信頼性を高めることができる。また、高コストの段部やフィレットを形成することなく、低コストで信頼性の高い金属−セラミックス接合基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】金属−セラミックス接合基板の反り量を説明する断面図。
【符号の説明】
１０  金属−セラミックス接合基板
１２  セラミックス基板
１４  金属回路板
１６  金属板
Ｄ  反り量
【図１】
2004207587.tif 000003