(57)【要約】【課題】予備混練の作業効率を向上させて、耐熱衝撃性に優れた金属−セラミックス接合基板を効率的に製造することができる、金属−セラミックス接合基板の製造方法を提供する。【解決手段】ろう材の金属成分を溶剤に加えて容器に入れ、この容器内で羽根を自転させながら公転させてろう材の金属成分と溶剤とを混練する予備混練を行った後、この予備混練によって得られた予備混練物を、３本のロールが隣接して平行に配置された３本ロールミルのロール間を通過させて混練する本混練を行ってペースト状のろう材を作製し、このろう材をセラミックス基板上に塗布し、その上に金属板を配置し、加熱してセラミックス基板に金属板を接合する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ろう材の金属成分を溶剤に加えて容器に入れ、この容器内で羽根を自転させながら公転させてろう材の金属成分と溶剤とを混練する予備混練を行った後、この予備混練によって得られた予備混練物を、隣接して配置されたロール間を通過させて混練する本混練を行ってペースト状のろう材を作製し、このろう材をセラミックス基板上に塗布し、その上に金属板を配置し、加熱してセラミックス基板に金属板を接合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。
【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の製造方法に関し、特に、セラミックス基板上にろう材を介して金属板が接合された金属−セラミックス接合基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーモジュール用や半導体実装用などに用いられる金属−セラミックス接合基板の製造方法として、Ｔｉなどの活性金属を含有するろう材を介して、セラミックス基板上に銅板などの金属板を配置し、真空中で加熱してセラミックス基板と金属板を接合させる所謂ろう接法が工業的に利用されている。このろう接法では、一般に、ろう材の金属成分である金属粉にビヒクルを加えて、自動乳鉢で予備混練した後に３本ロールミルにより本混練してペースト状のろう材を作製し、このろう材をセラミックス基板上に塗布し、その上に金属板を配置し、加熱してセラミックス基板に金属板を接合している（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１１０２０５号公報（段落番号００２４−００２５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、ろう材の金属成分である金属粉にビヒクルを加えて予備混練する際に自動乳鉢を使用すると、１回で混練することができる量が少なく、ろう材の製造に時間がかかる。また、自動乳鉢は開放型であるため、金属粉が飛び散って作業効率が悪くなる場合もある。そのため、予備混練の作業効率を向上させて金属−セラミックス接合基板を効率的に製造することができる方法が望まれている。
【０００５】
また、近年、パワーモジュールなどは、より厳しい環境で使用され、それに使用される部品も高信頼性が求められている。特に、自動車などに使用する場合には、金属−セラミックス接合基板の耐熱衝撃性の向上が求められている。
【０００６】
したがって、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、予備混練の作業効率を向上させて、耐熱衝撃性に優れた金属−セラミックス接合基板を効率的に製造することができる、金属−セラミックス接合基板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】
【０００７】
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、ろう材の金属成分を溶剤に加えて容器に入れ、この容器内で羽根を自転させながら公転させてろう材の金属成分と溶剤とを混練する予備混練を行うことにより、予備混練の作業効率を向上させて、耐熱衝撃性に優れた金属−セラミックス接合基板を効率的に製造す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。
【０００８】
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、ろう材の金属成分を溶剤に加えて容器に入れ、この容器内で羽根を自転させながら公転させてろう材の金属成分と溶剤とを混練する予備混練を行った後、この予備混練によって得られた予備混練物を、隣接して配置されたロール間を通過させて混練する本混練を行ってペースト状のろう材を作製し、このろう材をセラミックス基板上に塗布し、その上に金属板を配置し、加熱してセラミックス基板に金属板を接合することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、予備混練の作業効率を向上させて、耐熱衝撃性に優れた金属−セラミックス接合基板を効率的に製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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、ろう材の金属成分を溶剤に加えて容器に入れ、この容器内で羽根を自転させながら公転させてろう材の金属成分と溶剤とを混練する予備混練を行った後、この予備混練によって得られた予備混練物を、３本のロールが隣接して平行に配置された３本ロールミルのロール間を通過させて混練する本混練を行ってペースト状のろう材を作製し、このろう材をセラミックス基板上に塗布し、その上に金属板を配置し、加熱してセラミックス基板に金属板を接合する。
【実施例】
【００１１】
以下、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例について詳細に説明する。
【００１２】
［実施例１］
金属成分として９２．０質量％のＡｇ粉と６．５質量％のＣｕ粉と１．５質量％のＴｉ粉になるように金属粉を秤量し、この金属粉１００重量部にアクリル系バインダと溶剤を含むビヒクル約１０重量部を加えて被混練物４５ｋｇとして５時間予備混練を行った。この予備混練は、容器内でフック形状の羽根が自転しながら公転して被混練物を混練する混合攪拌機（株式会社ダルトン製の万能混合攪拌機ＸＤＭ／ＸＤＭＶ型、内容積２３．６Ｌ）を使用して、自転速度を１０５ｒｐｍ、公転速度を４５ｒｐｍとして行った後、３本のロールが隣接して平行に配置された３本ロールミル（株式会社井上製作所製の加圧式３本ロールミル）のロール間を５回通過させて混練して、ペースト状のろう材を作製した。なお、４回目および５回目の通過の際には、ロール間の幅を約５μｍに設定した。この予備混練前のＡｇ粉の粒径は１μｍ未満、Ｃｕ粉の粒径は１０〜８０μｍ、Ｔｉ粉の粒径５〜４０μｍであり、この予備混練後のＡｇ粉の粒径は１μｍ未満、Ｃｕ粉の粒径は１〜１０μｍ、Ｔｉ粉の粒径５〜２０μｍであった。
【００１３】
次に、スクリーン印刷によって窒化アルミニウム基板（４３ｍｍ×３３．８ｍｍ×０．６ｍｍ）の両面にろう材を塗布し、乾燥させた後、その上にそれぞれ厚さ０．３ｍｍの銅板を配置し、真空炉中において８３０℃に加熱して窒化アルミニウム基板に銅板を接合した。なお、ろう材の乾燥および加熱中に、ろう材の原料中のビヒクルの大部分が分解や気化して消失する。
【００１４】
このようにして１０枚の金属−セラミックス接合基板を製造し、超音波探傷により単位面積当りのボイド率を測定したところ、ボイド率は、最大１．２２％、最小０．６８％、平均０．６８％であった。
【００１５】
また、通炉処理（還元雰囲気（水素／窒素＝２０／８０）下において４００℃で５分間保持してから２分で室温に冷却する処理）を行い、通炉耐量（通炉回数）により、信頼性を評価した。すなわち、通炉処理後にセラミックス部にクラックが発生するか否かを外観検査して、クラックが発生したときの通炉処理の回数の直前の通炉処理の回数を通炉耐量（通炉回数）とし、この通炉耐量によって、金属−セラミックス接合基板の信頼性を評価した。その結果、本実施例において製造した金属−セラミックス接合基板の通炉耐量（通炉回数）は、最大２５回、最小１２回、平均１８回であった。
【００１６】
また、本実施例において製造した金属−セラミックス接合基板について、抗折測定装置（島津製作所製のオートグラフ）を使用して、スパン（下部支点間距離）３０ｍｍ、クロスヘッドスピード゛０．５ｍｍ／分、セラミックス基板の幅方向３３．８ｍｍに支点の丸棒が平行方向の測定条件で、初期３点曲げ抗折強度および通炉３回後の３点曲げ抗折強度を測定したところ、初期３点曲げ抗折強度は平均６９４ＭＰａであり、通炉３回後の３点曲げ抗折強度は平均４９５ＭＰａであった。
【００１７】
［実施例２］
予備混練を、容器内で２本の枠型の羽根（枠型ブレード）が自転しながら公転して被混練物を混練する混合攪拌機（株式会社井上製作所製のプラネタリーミキサー、内容積５Ｌ）を使用して、自転速度を７０ｒｐｍ、公転速度を３０ｒｐｍとして８時間行った以外は、実施例１と同様の方法により、１０枚の金属−セラミックス接合基板を製造した。なお、この予備混練後のＡｇ粉の粒径は１μｍ未満、Ｃｕ粉の粒径は１〜１０μｍ、Ｔｉ粉の粒径５〜２０μｍであった。
【００１８】
また、本実施例において製造した金属−セラミックス接合基板について、実施例１と同様の方法により、ボイド率を測定し、通炉耐量（通炉回数）を評価し、初期３点曲げ抗折強度および通炉３回後の３点曲げ抗折強度を測定した。その結果、ボイド率は、最大０．９２％、最小０．１８％、平均０．５８％であった。また、通炉耐量（通炉回数）は、最大３０回、最小１５回、平均２２回であった。さらに、初期３点曲げ抗折強度は平均７００ＭＰａであり、通炉３回後の３点曲げ抗折強度は平均５４４ＭＰａであった。
【００１９】
［比較例］
実施例１と同様の被混練物８．４ｋｇ（＝２．８ｋｇ×３）用意し、２．８ｋｇの被混練物ずつ乳鉢に入れ、乳鉢を７ｒｐｍで回転させながら、３本の乳棒を乳鉢と逆方向に８０ｒｐｍで回転させて、予備混練をそれぞれ２０分間（３回で合計６０分間）行った以外は、実施例１と同様の方法により、１０枚の金属−セラミックス接合基板を製造した。なお、この予備混練後のＡｇ粉の粒径は１μｍ未満、Ｃｕ粉の粒径は１０〜３０μｍ、Ｔｉ粉の粒径５〜３０μｍであった。
【００２０】
また、本比較例において製造した金属−セラミックス接合基板について、実施例１と同様の方法により、ボイド率を測定し、通炉耐量（通炉回数）を評価し、初期３点曲げ抗折強度および通炉３回後の３点曲げ抗折強度を測定した。その結果、ボイド率は、最大１．４１％、最小０．７１％、平均０．９９％であった。また、通炉耐量（通炉回数）は、最大２０回、最小７回、平均１２回であった。さらに、初期３点曲げ抗折強度は平均６７５ＭＰａであり、通炉３回後の３点曲げ抗折強度は平均４１１ＭＰａであった。
【００２１】
実施例１および２と比較例との比較から、実施例１および２のように容器内で羽根が自転しながら公転して被混練物を混練する混合攪拌機を使用して予備混練を行うと、通炉３回後の３点曲げ抗折強度を非常に高くすることができることがわかる。
【００２２】
また、実施例１および２のように容器内で羽根が自転しながら公転して被混練物を混練する混合攪拌機を使用して予備混練を行うと、接合欠陥であるボイド率も減少させることができることがわかる。このようにボイド率を減少させることができるのは、容器内で羽根が自転しながら公転して被混練物を混練する混合攪拌機を使用して予備混練を行うことにより、ろう材中の金属粉が微細化されて、ろう材が均一に融解したためであると考えられる。
【００２３】
また、実施例１および２で製造した金属−セラミックス接合基板を切断して断面のろう材層を観察したところ、Ａｇリッチのマトリックス中に略円形、略楕円形または帯状のＣｕリッチの微細な相が分散しているのが観察された。この略円形の直径、略楕円形の長軸方向の長さ、または帯状の長さは、最大で１０μｍ以下であった。一方、比較例で製造した金属−セラミックス接合基板を切断して断面のろう材層を観察したところ、Ａｇリッチのマトリックス中に略円形、略楕円形または帯状のＣｕリッチ相が分散しているのが観察されたが、その略円形の直径、略楕円形の長軸方向の長さ、または帯状の長さは、最大２０μｍ程度であった。これらの結果から、実施例１および２で製造した金属−セラミックス接合基板では、Ａｇリッチ相中のＣｕリッチ相が微細化されることによって、応力が緩和されて、金属−セラミックス接合基板へのダメージが少なくなり、通炉３回後の３点曲げ抗折強度を非常に高くすることができると考えられる。