(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板と金属回路及び／又は金属回路形成用金属板とを活性金属を含むろう材を介在させ又は介在させないで積層された積層体を１ユニットとする２以上のユニットを、スぺーサーを介して積層したのち、セラミックス基板と垂直方向に加圧しながら加熱接合する方法において、上記スペーサーが、加重２５ＭＰａにおける圧縮率が２５％以上で、かつ厚みが０．１〜２mmである耐熱材料を、厚み０．１〜０．４mmの窒化ケイ素板で挟んでなるものであり、また上記加圧が１ＭＰａ以上であることを特徴とする接合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックスと金属回路及び／又は金属回路形成用金属板からなる接合体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、セラミックス基板に金属回路又は金属回路形成用金属板（以下、これらを単に「金属板」ともいう。）を接合する方法としては、活性金属を含むろう材を介在させた、セラミックス基板と金属板との積層体を高真空下で加熱接合する活性金属法（特開昭６０−１７７６３４号公報）、酸化物セラミックス基板又は表面を酸化処理してなる窒化アルミニウム基板と銅回路及び／又は銅回路形成用銅板との直接積層体を銅の融点以下、Ｃｕ−Ｏの共晶温度以上で加熱接合するＤＢＣ法（特開昭５６−１６３０９３号公報）が一般的に採用されている。更には、セラミックス基板にＳｉ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｆｅ等の金属酸化物を介してＭｏ、Ｍｎ、Ｗ等の高融点金属によるメタライズ処理を行ってから、活性金属を含まないろう材を用いて金属板を加熱接合するメタライズ法もある。
【０００３】
【発明が解決しょうとする課題】
しかしながら、上記活性金属法又はＤＢＣ法は、セラミックス基板と金属板との積層体を１ユニットとして加熱接合されるものであるため生産性が劣った。この欠点を解決するには、２以上のユニットを積層し加熱処理すればよいが、この場合には、金属同士が融着し剥離が困難となる。
【０００４】
そこで、ユニット間にスペーサーを介して加熱接合することが行われている。これに使用するスペーサーの要求特性は、容積が小さい、化学的に安定である、繰り返し使用ができる、ズレない、入手が容易である等の観点から、セラミックスの薄板（特開平７−２２３８７８号公報）が採用されている。
【０００５】
ところが、セラミックスのスペーサーは金属板と接合されるセラミックス基板及び／又はこのスペーサーに著しい反りがあると、スペーサーに挟まれたユニットをセラミックス基板の垂直方向から荷重を負荷しながら加熱接合を行っても、金属板とセラミックス基板間に非接触部や密着不足部が生じ、接合不良が起こりやすくなるという問題があった。
【０００６】
そこで、加熱処理時の反りに追従して金属板とセラミックス基板とを接合させるべく、ＢＮやカーボン等の非酸化物層表面を持たせた金属スペーサーを用いることの提案（特開平６-１２３６７４号公報）がある。
【０００７】
しかしながら、セラミックス基板の垂直方向から１ＭＰａ以上の加圧を必要とする加熱接合においては、金属板表面にＢＮやカーボンが付着物として残るため、接合後に表面洗浄や表面研削などの後処理が必要となる。特に、回路金属がＡｌ及び／又はＡｌ合金の場合には、Ａｌ自体が接合温度域において軟化するため、Ａｌ表面への付着が顕著となる。更には、繰り返しの加圧・加熱接合によって、金属スペーサーは変形しやすいので、その品質管理にも手間の要るものであった。
【０００８】
本発明の目的は、スペーサーが加熱接合処理後に復元でき、加圧・加熱時にセラミックス基板の反りに合わせて容易に変形することによって良好な接合体を製造でき、しかも接合後において金属板の表面を清浄に保つことができる、接合体の製造方法を提供することである。本発明の目的は、薄板の窒化ケイ素板の間に、柔軟性及び圧縮性に富んだ耐熱材料を挟んだスペーサーを用いることによって達成することができる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、セラミックス基板と金属板とを活性金属を含むろう材を介在させ又は介在させないで積層された積層体を１ユニットとする２以上のユニットを、スぺーサーを介して積層したのち、セラミックス基板と垂直方向に加圧しながら加熱接合する方法において、上記スペーサーが、加重２５ＭＰａにおける圧縮率が２５％以上で、かつ厚みが０．１〜２mmである耐熱材料を、厚み０．１〜０．４mmの窒化ケイ素板で挟んでなるものであり、また上記加圧が１ＭＰａ以上であることを特徴とする接合体の製造方法である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、更に詳しく本発明を説明すると、本発明で使用されるセラミックス基板、金属板、活性金属を含むろう材等については、従来のもので充分であり、それらの概要を説明すれば以下のとおりである。
【００１１】
セラミックス基板としては、窒化アルミニウム基板、アルミナ基板、ムライト基板等が用いられ、中でも活性金属とメタライズ法においては窒化アルミニウム基板、ＤＢＣ法においてはアルミナ基板、ムライト基板及び表面が酸化処理された窒化アルミニウム基板等が用いられ、セラミックス基板の厚みは０．６３５ｍｍが一般的であるが、特に限定されるものではない。
【００１２】
金属板の材質としては、ＤＢＣ法の場合は銅であり、活性金属法とメタライズ法の場合には、銅、アルミニウム、タングステン、モリブデン等であるが、銅が一般的である。通常、金属板は、セラミックス基板の一方の面に接合され、他方の面には金属放熱板が接合されるが、金属放熱板を設けない構造もある。金属放熱板の材質についても上記のものが使用される。
【００１３】
金属回路として銅を用いる場合、活性金属法におけるろう材の金属成分は、銀と銅を主成分とし、溶融時のセラミックス基板との濡れ性を確保するために活性金属を副成分とする。この活性金属成分の具体例をあげれば、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、バナジウム及びこれらを成分とする化合物、合金である。これらの金属成分の割合、銀６９〜７５部（質量部、以下同じ）と銅２５〜３１部の合計量１００部あたり活性金属３〜３５部である。
【００１４】
活性金属法又はメタライズ法で使用されるろう材は、通常、ペーストとして用いられ、それはろう材の金属成分に有機溶剤及び必要に応じて有機結合剤を加え、ロール、ニーダ、バンバリミキサー、万能混合機、らいかい機等で混合することによって調製することができる。有機溶剤としては、メチルセルソルブ、エチルセルソルブ、テレピネオール、イソホロン、トルエン等、また有機結合剤としては、メチルセルロース、エチルセルロース、ポリメチルメタクリレート等が使用される。
【００１５】
活性金属法又はメタライズ法の場合には、ろう材ペーストは、スクリーン印刷、ロールコーター法、刷毛塗り等によってセラミックス基板の表裏両面に塗布され、次いでその一方の面に金属板が、また他方の面には金属放熱板が通常は積層されて積層体の１ユニットが形成される。ＤＢＣ法の場合には、ろう材ペーストを用いることなく、直接、銅回路及び／又は銅回路形成用銅板とセラミックス基板とが積層されて積層体の１ユニットが形成される。
【００１６】
接合時の加熱処理条件は、活性金属法又はメタライズ法によるユニットの積層体の場合には、１×１０-5Ｔｏｒｒの高真空下、温度８００〜９５０℃、０．１〜１時間であり、一方、ＤＢＣ法によるユニットの積層体の場合には、窒素等の非酸化性雰囲気中、１０６３〜１０８３℃である。
【００１７】
次に、金属回路がＡｌ又はＡｌ合金である場合は、Ａｌ−Ｃｕ系合金、Ａｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｇｅ系等の接合材を用いて接合されるが、Ａｌ−Ｃｕ系合金を使用することが望ましい。その理由は次のとおりである。
【００１８】
その１は、Ａｌ−Ｃｕ系合金は、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、あるいはこれらにＭｇを加えた系に比べて、高力Ａｌ合金や耐熱Ａｌ合金として広く普及しており、箔化も容易であることからコスト的にも有利であることである。
【００１９】
その２は、Ａｌ−Ｃｕ系合金は、ＳｉやＧｅに比べてＣｕがＡｌ中に均一に拡散し易いため、局部的な溶融が生じたり、余分なろう材が押し出されてハミダシが生じ難く、比較的短時間で安定した接合が可能となるからである。
【００２０】
Ａｌ−Ｃｕ系合金は、Ａｌ、Ｃｕの二成分合金はもとより、そ例ガの成分を含んでいてもよい。例えば、Ａｌ、Ｃｕ以外に、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｂｉ等の成分を合計で５％程度以下を含んでいてもよい。
【００２１】
また、Ａｌ−Ｃｕ系合金のＣｕの割合は、１〜６％であることが好ましい。１％未満では接合温度が高くなってＡｌの融点に近くなってしまい、また６％超では接合後のろう材の拡散部が特に硬くなって回路基板の熱履歴に対して不利となる。好ましくは１．５〜５％である。
【００２２】
Ａｌ−Ｃｕ系合金は、箔又は粉末として使用することができるが、箔が好ましく、特に回路の厚みに対し１/３〜１/３０の厚みであることが好ましい。１/３０未満では十分な接合が難しくなり、また１/３超では回路が硬くなり回路基板の熱履歴に対して不利となる。
【００２３】
Ａｌ−Ｃｕ系合金を接合材として用いた場合の接合温度は、５４０〜６４０℃であるが、接合材の組成によって適正範囲は異なる。Zn、Ｉｎ等の比較的低融点成分が添加されていたり、ＣｕやＭｇ等の含有量が比較的多い場合には、６００℃以下でも十分に接合できる。接合温度が６４０℃をこえると、接合不良が生じ易くなるので、好ましくない。
【００２４】
本発明においては、加熱接合時にセラミックス基板面と垂直方向に加圧される。加圧力は１ＭＰａ以上、特に１〜１０ＭＰａであることが特に好ましい。通常、回路基板の製造においては、金属板とセラミックス基板の接合時に重しを載せて加圧することが行われているが、その圧力はせいぜい０．０１ＭＰａ程度である。この程度の圧力では、セラミックス基板の比較的緩やかな反りやうねりにしか金属板は追随できない。これに対し、本発明においては、１ＭＰａ以上、特に１〜１０ＭＰａと従来技術では非常識な高い圧力をかけることが好ましい。これによって、セラミックス基板に特に厳しい平滑度や平面度を求めることなく、通常のレベルのものでもそのまま使用することができ、生産性が向上する。
【００２５】
加圧方向はセラミックス基板に垂直な方向であり、その方法等は特に限定するものではない。重しを載せる方法、治具等を用いて機械的に挟み込む方法等が採用される。
【００２６】
接合材（ろう材）を用いる場合は、セラミックス基板側、金属板側、更には金属板から形成された回路パターン側ないしは放熱板パターン側のいずれに配置してもよい。また、合金箔は、あらかじめ金属板と積層しても良く、更には回路パターンないしは放熱板パターンに積層化しておいてもよい。
【００２７】
本発明の大きな特徴は、上記接合体を１ユニットとして２ユニット以上を積層する際、そのスペーサーとして、加重２５ＭＰａにおける圧縮率が２５％以上で、かつ厚みが０．１〜２mmである耐熱材料を、厚み０．１〜０．４mmの窒化ケイ素板で挟んでなる構造のものを用いたことである。
【００２８】
本発明においては、耐熱材料の圧縮性が非常に重要である。セラミックス基板自体は、少なからず反りやうねりなどの変形を生じている。したがって、良好な接合状態を得るためのスペーサーの条件としては、このセラミックス基板の反りやうねりに対して、十分に追従できる柔軟性（圧縮性）を有していることである。加重２５ＭＰａにおける圧縮率が２５％未満である場合には、セラミックス基板の反りやうねりに対して十分に追従することができずに接合不良を招く。本発明においては、加重２５ＭＰａにおける圧縮率が４０％以上を有する耐熱材料であることが好ましい。このような特性を有する耐熱材料としては、黒鉛シートが最適であるが、セラミックファイバー等も使用することができる。
【００２９】
耐熱材料の厚みは、０．１〜２mmである。０．１mm未満では、加重２５ＭＰａにおける圧縮率が２５％以上であっても、セラミックス基板の反りやうねりに対して十分に追従できる圧縮量を得ることができないため、良好な接合状態を得る事はできない。逆に、厚みが２ｍｍ超であると、追従性は十分確保でき、良好な接合状態が得られるが、積層体におけるスペーサーの占める割合が大きくなりすぎるため、生産性の点で不利である。耐熱材料の厚み０．１〜２mmを形成するには、そのような厚みを有するもの一枚であってもよく、０．１〜０．５mmの比較的厚みの薄いものを複数枚重ね合わせてもよい。
【００３０】
スペーサーの他の構成材である窒化ケイ素板の厚みは、０．１〜０．４mmである。０．１mm未満であると、十分なたわみ量を有するが、耐加重量が極端に小さくなるため、接合における加圧時や、接合後の解体時に破損する。また、０．４ｍｍを超えると、加圧量に対して十分なたわみ量を確保することができなくなり、良好な接合状態を得ることができない。窒化ケイ素板の代わりに、窒化アルミニウム板やアルミナ板などであっては、加圧時に十分なたわみ量が取れない。
【００３１】
【実施例】
以下、実施例と比較例をあげて更に具体的に説明する。
【００３２】
実施例１
窒化アルミニウム基板（７０ｍｍ×３０ｍｍ×厚み０．６３５ｍｍ）の表裏両面に、銀粉末７２部、銅粉末２８部、ジルコニウム粉末２５部、テレピネオール１５部及び有機結合剤としてエチルセルロースのトルエン溶液を固形分で１部混合して得られたろう材ペーストを７ｍｇ／ｃｍ2 （乾燥後）塗布し乾燥後、銅板（７０ｍｍ×３０ｍｍ×厚み０．２５ｍｍ）を表裏両面に積層した。
【００３３】
得られた積層体を１ユニットとする２５ユニットを各ユニット間にスペーサーを介在させて積層し、所定の圧力で加圧し、高真空中、９００℃、３０分加熱して接合体を製造した。スペーサーは、２枚の窒化ケイ素板（１枚の厚みを表１に記載）の間に黒鉛シート（東洋炭素社製：加重２５ＭＰａにおける圧縮率と厚みを表１に記載）を挟んだものを使用した。
【００３４】
得られた接合体の銅板上に紫外線硬化型のエッチングレジストをスクリーン印刷にて回路パターンに塗布後、塩化第２銅溶液を用いてエッチング処理を行って銅箔不要部分を溶解除去し、銅回路を形成した。更に、銅回路間に残留した不要ろう材及び活性金属成分と窒化アルミニウム基板の反応物を６０℃の１０％フッ化アンモニウム溶液に１０分間浸漬して除去した後、エッチングレジストを剥離し、銅回路を有する接合体を製造した。
【００３５】
得られた２５枚の銅回路を有する接合体について、銅回路の表面状態、銅回路の接合状態を観察した。それらの結果を表１に示す。
【００３６】
実施例２〜１０  比較例１〜６
窒化アルミニウム基板又は窒化ケイ素基板（７０ｍｍ×３０ｍｍ×厚み０．６３５ｍｍ）の表裏両面に、表１に示される回路材質の金属板を接合した。回路材質が銅である場合は、実施例１に準じて銅回路を有する接合体を製造した。それらの結果を表１に示す。
【００３７】
また、回路材質がアルミニウムである場合には、窒化アルミニウム基板（７０ｍｍ×３０ｍｍ×厚み０．６３５ｍｍ）又は窒化ケイ素基板（７０ｍｍ×３０ｍｍ×厚み０．６３５ｍｍ）の表裏両面に、接合ろう材として、Ａｌ−４%Ｃｕ合金箔を積層し、次いで、Ａｌ金属板（７０ｍｍ×３０ｍｍ×厚み０．４ｍｍ）を表裏両面に積層した。そして、得られた積層体を１ユニットとする２５ユニットを各ユニット間に表１に示されるスペーサーを挟み、表１に示される所定の圧力で加圧し、真空中、６３０℃、２０分加熱して接合体を製造した。その後、接合体のＡｌ板上に紫外線硬化型のエッチングレジストをスクリーン印刷にて回路パターンに塗布後、ＦeＣｌ3を用いてエッチング処理を行ってＡｌ箔不要部分を溶解除去し、Ａｌ回路を有する接合体を製造した。これらの２５枚の接合体について、Ａｌ回路の表面状態、Ａｌ回路の接合状態を観察した。それらの結果を表１に示す。
【００３８】
比較例７〜１０
回路材質をアルミニウムとし、スペーサーを表１に示される構成のものを用いたこと以外は、実施例７等に準じてＡｌ回路を有する接合体を製造した。比較例１０では、銅板（７０ｍｍ×３０ｍｍ×厚み０．３ｍｍ）にカーボンスプレー（日本船舶工具社製商品名「ＤＧＦ」）を塗布したスペーサーを用いた。
【００３９】
【表１】
0004668476.tif 000002
【００４０】
表１から、次のことがわかる。本発明の実施例１〜１０と比較例１〜６の対比から、構成材料が同じスペーサーであってもそれらの構成比が違うと、金属の表面状態、金属とセラミックスの接合状態が異なり、本発明の実施例が優れている。特に、セラミックスペーサーの厚みが薄く、黒鉛スペーサーの圧縮率が大きいものを用いると、接合性の効果が顕著となる（実施例４、９）。一方、スペーサーの構成材料を本発明と違えると、追従性が十分に確保できないため、接合不良が生じ（比較例７〜９）、スペーサー厚みが薄いと加圧時に破損が生じた（比較例７、８）。カーボンスプレーを用いた比較例１０では、良好な接合状態は得られたが、Ａｌ表面にカーボンの付着が認められ、Ａｌ表面の研削を行う必要があった。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、金属の表面状態、金属とセラミックスの接合状態を損なわせることなく生産性を著しく高めてセラミックスと金属の接合体を製造することができる。