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【発明の名称】 セラミックス回路基板
【発明者】 【氏名】今村 寿之
【住所又は居所】埼玉県熊谷市三ヶ尻５２００番地 日立金属株式会社先端エレクトロニクス研究所内

【氏名】渡辺 純一
【住所又は居所】埼玉県熊谷市三ヶ尻５２００番地 日立金属株式会社先端エレクトロニクス研究所内
【要約】 【課題】セラミック基板と金属板（銅板）との接続強度の高いセラミックス回路基板を提供する。

【解決手段】セラミックス基板の少なくとも一方の面に、Ａｇ：８５〜５５質量％、Ｉｎ：５〜２５質量％、Ｔｉ：０．２〜２．０質量％、残部Ｃｕ及び不可避不純物からなる平均粒子径１５〜４０μｍの合金粉末に、さらに平均粒子径１〜１５μｍのＡｇ粉末粒子あるいはＣｕ粉末粒子を５〜３０質量％添加したろう材からなるろう材層を介して金属板を７３０〜８００℃でろう付けしたセラミックス回路基板であって、ろう付け処理後の前記ろう材層は凹凸面を有しており、この凹凸面は超音波探査映像装置で観察したとき白く見える凹部の面積占有率が０．５％以上、１０％以下であるセラミックス回路基板。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板の少なくとも一方の面にろう材層を介して金属板を接合するセラミックス回路基板であって、ろう付け処理後の前記ろう材層は凹凸面を有しており、この凹凸面は超音波探査映像装置で反射法にて観察したとき白く見える凹部の面積占有率が０．５％以上、１０％以下であることを特徴とするセラミックス回路基板。
【請求項２】
セラミックス基板の少なくとも一方の面にろう材層を介して金属板を接合するセラミックス回路基板であって、前記セラミックス基板と金属板との界面に発生するボイド率が０．５％以上、１０％以下であり、且つろう付け処理後のろう材層は凹凸面を有しており、この凹凸面は最大径１．０ｍｍ以下のマイクロボイドが分散したものであることを特徴とするセラミックス回路基板。
【請求項３】
前記ろう材層は、Ａｇ：８５〜５５質量％、Ｉｎ：５〜２５質量％、Ｔｉ：０．２〜２．０質量％、残部Ｃｕ及び不可避不純物からなる平均粒子径１５〜４０μｍの合金粉末に、さらに平均粒子径１〜１５μｍのＡｇ粉末粒子あるいはＣｕ粉末粒子を５〜３０質量％添加したろう材からなることを特徴とする請求項１又は２記載のセラミックス回路基板。
【請求項４】
前記セラミックス基板と金属板とをろう付けする熱処理温度が７３０〜８００℃であることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のセラミックス回路基板。
【請求項５】
前記セラミックス基板は窒化ケイ素質焼結体からなり、前記金属板が銅板であることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のセラミックス回路基板。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【０００１】
本発明は、特にパワー半導体モジュールに使用されるセラミックス回路基板に係わり、セラミックス基板の少なくとも一方の面にろう材層を介して回路パターンを形成する金属板を接合したセラミックス回路基板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電動車両用インバータとして高電圧、大電流動作が可能なパワー半導体モジュール（ＩＧＢＴモジュール）が用いられている。パワー半導体モジュールに使用される基板としては、窒化アルミニウムや窒化ケイ素からなるセラミックス基板上に銅板やアルミニウム板等の金属板（以下、銅板を例に説明する。）を接合したセラミックス回路基板が広く使用されている。例えばセラミックス基板の一方の面に半導体チップ等を搭載して回路となす銅板を接合し、他方の面には放熱用の銅板を接合して形成されている。前記回路用銅板側には回路部となる回路パターンに沿ってエッチング処理する等して、複数の銅板からなる金属回路パターンを形成し、セラミックス回路基板が構成される。
【０００３】
セラミックス基板と銅板を一体に接合する手段としては、Ｃｕ−Ｃｕ2 Ｏ等の共晶液相を利用してセラミックス基板上に銅板を直接接合する、いわゆる銅直接接合法（ＤＢＣ法：Direct Bonding Copper 法）や、ＭｏやＷなどの高融点金属をセラミックス基板上に焼き付けて形成する高融点金属メタライズ法、及び４Ａ族元素や５Ａ族元素のような活性金属を含むろう材層をセラミックス基板上に塗布形成し、銅板との間に介在させ押圧力を掛けながら適切な温度で熱処理して両者を接合する活性金属法などが用いられている。これらＤＢＣ法や活性金属法により得られるセラミックス回路基板は、いずれも単純構造で熱抵抗が小さく、大電流型や高集積型の半導体チップに対応できる等の利点を有している。
【０００４】
また、銅板回路パターンの形成手段としては、予めプレス加工やエッチング加工により得た回路パターン形状の銅板をろう材層を介してセラミックス基板上に接合する直接搭載法や、セラミックス基板のほぼ全面にろう材層を形成し、これを覆うように銅板を接合し、その後パターニングした銅板の不要部分をろう材層ごとエッチング処理して金属回路パターンを形成する多段エッチング法、また或いは、目的とする回路パターン形状に沿ってろう材層を塗布形成し、後は前記多段エッチング法と同様に銅板の不要部分をエッチング処理して金属回路パターンを形成するろう材パターン印刷とエッチング法を併用した方法（以下、パターン印刷エッチング法と言う）等がとられている。
【０００５】
近年のパワー半導体モジュールにおいては、高出力化、高集積化が急速に進行し、セラミックス回路基板に繰り返しかかる熱応力がより増大する傾向にある。この熱応力に耐えれなくなるとセラミックス基板の反りやクラック等の不具合が発生する。従来、上述したセラミックス基板と金属板との接続手段のうち、高強度・高封着性等が得られることから、ＡｇとＣｕとの共晶組成（７２質量％Ａｇ−２８質量％Ｃｕ）を有する共晶ろう材にＴｉ等の活性金属を添加したろう材ペーストを用いた活性金属法が一般に使用されている。しかし、この活性金属法において前記パターン印刷エッチング法を採用した場合、共晶組成であるがゆえに固液共存域がなく、融点温度以上では、存在する全てのろう材が溶融し、これが回路パターン間の非接合部分まで流れ出し、隣合う回路パターンが接触して短絡不良を起こすことがある。このようなことから、熱応力に耐えられるセラミックス回路基板の接続構造や絶縁性の保証について以下のような提案がなされている。
【０００６】
特許文献１には、セラミックス基板のクラックの発生を抑えることを目的とし、窒化アルミニウム焼結体あるいは窒化ケイ素焼結体からなるセラミックス基板の少なくとも一面にＡｇ、Ｃｕ、Ｔｉを含有するろう材層を介して金属板を接合するもので、ろう材層が金属板の端部から金属板の厚みの０．１〜１．０倍以下の範囲ではみ出した、いわゆるはみ出し部を形成することが望ましいと記載されている。
【０００７】
特許文献２には、セラミックス基板のクラックの防止と曲げ強度の改善を目的とし、窒化アルミニウム焼結体あるいは窒化ケイ素焼結体からなるセラミックス基板にＡｇ、Ｃｕ、Ｔｉを含有するろう材層を介して金属板を接合するもので、金属板をエッチング処理して回路パターンを形成し、この回路パターンの側面よりも外方にろう材層がはみ出すように上記と同様にはみ出し部を形成すること、また金属回路パターンの側面を滑らかな曲面状に傾斜して形成することが記載されている。
【０００８】
特許文献３には、接合熱処理中のろう材の流れ出しを防止するために、４０〜８０重量％のＡｇと、２０〜６０重量％のＣｕおよびＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等の活性金属粉末を含む混合粉末よりなるろう材を用いており、このろう材を構成する活性金属粉末中における粒径５μｍ以下の粒子の割合を５重量％以下に制御することが効果的であると記載されている。
【０００９】
特許文献４には、セラミックス基板に対する熱衝撃が小さく、接合時の歪を抑えることができるろう材を開示しており、５０〜８５重量％のＡｇと、１〜５重量％のＴｉと、０．１〜７．５重量％のＩｎと、残部Ｃｕからなるセラミックス用ろう材について記載されている。
【００１０】
特許文献５には、金属−セラミックス接合基板において、接合層のボイド直径を０．６５ｍｍ以下に制御することによりコロナ放電の発生を抑制し、接合基板への耐電圧を４ｋV以上となし得ることについての記載がある。
【００１１】
特許文献６には、セラミックス基板の金属回路板の熱膨張差により発生する応力によって金属回路板とろう材間で生じる剥離現象を抑制することを目的とし、セラミックス回路基板において金属回路板の外周と外周から５ｍｍ内側領域における空隙率を５％とすることで、信頼性よく安定して機能するセラミックス回路基板を提供できるとの記載がある。
【００１２】
特許文献７には、金属回路および金属放熱板とセラミックス基板界面における接合層において、特定の空隙を設けることによって両者の熱膨張差に起因する熱応力を吸収さえることを見出し、その手法として接合に用いるろう材ペースト中の有機結合剤の量をより３〜５倍量を多くするか、特定寸法の縞状または格子状に印刷するか、または、その両方によることで、容易に上記空隙を形成できるとの記載がある。
【００１３】
【特許文献１】特開平１０−１９０１７６号公報
【特許文献２】特開平１１−３４０５９８号公報
【特許文献３】特開平１１−２９３７１号公報
【特許文献４】特開平６−１０７４７１号公報
【特許文献５】特開平２００１−４８６７１号公報
【特許文献６】特開平２００１−２１０９４８号公報
【特許文献７】特許第３２６０２２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上述したようにセラミックス回路基板については、従来にも増して熱応力や熱サイクルに対する十分な接合強度と耐久性が要求されている。この点で、特許文献１及び特許文献２に開示された発明は、セラミックス基板にろう材層を介して金属回路板を接続するときに、この金属板の端面（側面）から所定長さのろう材層のはみ出し部を設けることにより、セラミックス基板と金属回路板端面との接合面における熱応力の集中を緩和できることが開示されており、さらに、金属回路板の端面を滑らかな曲面状に傾斜させることにより熱応力の集中がさらに緩和できることを示している。確かにはみ出し部を設けることによる効果は期待できるものである。しかしながら、一方で昨今のセラミックス回路基板においては、集積密度の向上も要求されており、例えば銅板間の間隔は耐電圧によって異なるものの概ね１．０ｍｍ以下で±０．１ｍｍ程度の精度が要求され、さらに狭くすることが求められている。このように狭い間隔を精度を保ってエッチング処理すること自体が困難になるが、特にパターン印刷エッチング法の場合は、接合時のろう材層の液相化と押圧力との影響でろう材の流れ出し現象が生じ易く短絡不良を招きやすい。特許文献１及び特許文献２には、このような問題の認識および解決手段について何ら言及されていない。
【００１５】
この点で特許文献３によれば、活性金属粉末の粒径を制御することにより、ろう材の流れ出しを防止できるとある。具体的には添加したＴｉ粉末のうち粒径５μｍ以下の粉末を５質量％以下に抑えることが効果的であるというもので、比較的微細な粒子の含有量を抑えることによって余剰な活性金属粉末の流れ出しを防止出来ることにある。しかしながら、本願発明者らの研究によれば、接合時の熱処理によりろう材層の表面には鱗状の凹凸が形成され、回路形成のための銅板を接合する際に、銅板とろう材層及びろう材層とセラミック基板のそれぞれの界面において、この鱗状の凹凸に起因するボイドが多く残存することが分かった。これにより接合強度が弱まること、また、回路基板の表裏に高電圧負荷した際に、このマイクロボイドの存在箇所でコロナ放電を生じるといった致命的な問題がある。これについて、特許文献１〜４に開示されたろう材を用いたセラミックス回路基板ではマイクロボイドの形状および面積割合（存在比率）を意識的に制御することが出来ない問題点がある。
【００１６】
特許文献５によれば、高電圧下におけるコロナ放電を解消するために金属板とセラミックス基板の接合界面におけるボイド直径との関係について調査し、コロナ放電開始電圧および終始電圧がボイドの大きさに影響されることを見出し、０．６５ｍｍ以下のボイドであれば、開始電圧および終始電圧を４ｋＶ以上に設定できることを確認している。しかしながら、ボイド径を制御する詳細な手法、例えばろう剤量、圧力、温度範囲などについての開示はない。また、パワーモジュール用基板として必要な、冷熱サイクル負荷に対する耐久性と接合界面におけるボイド径およびボイド率の関係について言及されていない。
【００１７】
また、特許文献６によれば、セラミックス回路基板において金属回路板の外周と外周から５ｍｍ内側領域における空隙率を５％とすることで、セラミックス基板の金属回路板の熱膨張差により発生する応力によって金属回路板とろう材間で生じる剥離現象を抑制することが可能であるとの記載がある。しかしながら、空隙率についての記載はあるものの
特許文献５で説明されている高電圧下におけるコロナ放電を解消するための金属板とセラミックス基板の接合界面におけるボイド直径との関係、また、冷熱繰り返しに対する接合界面の強度信頼性とボイド径の関係についての開示はない。
【００１８】
この点、特許文献７によれば、金属回路および金属放熱板とセラミックス基板界面における接合層において、特定の空隙を設けることによって両者の熱膨張差に起因する熱応力を吸収し得ることを見出し、接合層中に存在する直径１ｍｍ以上の空隙の占有率が接合層全体の体積に対して０．３％〜３％と規定している。さらに、空隙の大きさならびに占有率を制御する方法として、接合に用いるろう材ペースト中の有機結合剤の量を３〜５倍量を多くするか、特定寸法の縞状または格子状に印刷するか、または、その両方によることで、容易に上記空隙を形成できるとの説明がなされている。しかしながら、ろう剤ペースト中の有機結合剤の量を増加させることは、昇温過程において揮発分を増大させることになり、特に、Ｔｉ、ＺｒおよびＨｆなどの活性金属を含むろう剤を使用する場合、これら活性金属の効果を発現するためには、熱処理時における真空度が肝要であり、したがって炉内の真空度を維持するためには、真空度回復のために昇温パターンに一定の保持パターン設定、あるいは排気能力の設備の拡充を招聘する。さらには灰化した有機結合剤が炉壁に堆積する頻度が増すため、頻繁に炉内清掃をする必要が有り、生産性を低下させる要因となる。また、縞状または格子状にペースト印刷することは、接合後の接合層中に線状のボイドを残留させることに繋がり、直径１ｍｍ以上の空隙を所定の空隙率の範囲に制御することは可能であるが、冷熱繰り返しに対してのろう材層中でのクラック進展を緩和する効果を発現する１．０ｍｍ以下のマイクロボイドを所定の空隙率以内で均一に微細分散することはできない。
【００１９】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、セラミックス基板のクラック防止と、冷熱の繰り返し対しての金属板/セラミックス基板界面における接合信頼性の向上を図るもので、はみ出し部の効果を損なうことなく、ろう材層表面の凹凸形状と、接合界面におけるマイクロボイドの形状と面積割合（存在比率）の制御を図ったセラミックス回路基板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】
【００２０】
本願発明者らは上記課題を解決するため、まず、用いるろう材粉末の組成および分布に着目し、熱処理後のろう材層表面部の凹凸形状を制御することを主眼に、誠意研究を重ねた。すなわち、Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｔｉ系のろう材を母材とした合金粉末において、適度な粒径と粒度分布のＡｇ粉末粒子あるいはＣｕ粉末粒子を適切な量だけ後添加することで、金属板接合前の熱処理で生成されるろう材層表面の凹凸面を制御できること、またろう付け時の熱処理温度によっても制御できること、これによりろう付け接合後の金属板／セラミックス基板界面におけるマイクロボイドの形状と面積割合の制御が可能であること、冷熱の繰り返し対しての金属板/セラミックス基板界面における接合信頼性を各段に向上することを見出し本発明に至った。
【００２１】
即ち、本発明は、セラミックス基板の少なくとも一方の面にろう材層を介して金属板を接合するセラミックス回路基板であって、ろう付け処理後の前記ろう材層は凹凸面を有しており、この凹凸面は超音波顕微鏡で反射法にて観察したとき白く見える凹部の面積占有率が０．５％以上、１０％以下であるセラミックス回路基板である。
【００２２】
また、本発明は、セラミックス基板の少なくとも一方の面にろう材層を介して金属板を接合するセラミックス回路基板であって、前記セラミックス基板と金属板との界面に発生するボイド率が０．５％以上、１０％以下であり、且つろう付け処理後のろう材層は凹凸面を有しており、この凹凸面は１．０ｍｍ以下のマイクロボイドが微細分散したセラミックス回路基板である。
【００２３】
本発明における前記ろう材層は、Ａｇ：８５〜５５質量％、Ｉｎ：５〜２５質量％、Ｔｉ：０．２〜２．０質量％、残部Ｃｕ及び不可避不純物からなる平均粒子径１５〜４０μｍの合金粉末に、さらに平均粒子径１〜１５μｍのＡｇ粉末粒子あるいはＣｕ粉末粒子を５〜３０質量％添加したろう材からなることが望ましい。
【００２４】
ここで後添加するＡｇ粉末粒子あるいはＣｕ粉末粒子は、平均粒子径１〜１５μｍを５〜３０質量％の範囲で添加するものであるが、さらに望ましくは３〜５μｍのＡｇ粉末あるいはＣｕ粉末を１０〜２０質量％添加することである。平均粒子径が１μｍ未満では合金粉末とＡｇ粉末あるいはＣｕ粉末の粒径差が大きくなり、ろう材ペースト中でのＡｇ粉末あるいはＣｕ粉末の分散状態が不均一となり、スクリーン印刷後の印刷パターンむらが生じるなどの不具合が生じる。１５μｍを超えるとＡｇ粉末あるいはＣｕ粉末と合金粉末との融点の差が顕著となり、溶融不均一となって好ましくない。また５質量％未満では、ろう材層表面の鱗状凹凸を緩和する効果がなく、また３０質量％を超えると、ろう材層表面の鱗状凹凸を緩和する効果を発現することはできるが、Ａｇ粉末を添加する場合には、金属板（Ｃｕ板）中に拡散するＡｇ成分が多くなり金属板表面を伝わって流れ出すろう材の拡がり挙動を抑制することができなくなる。また、Ａｇ成分の過剰添加は溶融温度の上昇を招くため好ましくない。一方、Ｃｕ粉末を添加する場合には、３０質量％を超えると、ろう材層表面の鱗状凹凸を緩和する効果を発現することはできるが、この場合においても合金粉末との融点差が上昇し、溶融不均一となるため好ましくない。
【００２５】
また、ろう材の母材であるＡｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｔｉ系合金粉末の平均粒径は１５〜４０μｍであって、これら合金粉末粒子間の間隙を埋めるように前記１〜１５μｍのＡｇ粉末粒子あるいはＣｕ粉末粒子が充填していることで効果が高まる。また、粉末粒子の平均粒子径ｄ50を１〜１５μｍとし、このときｄ10を０．２〜０．５μｍ、ｄ90を１０〜２５μｍとして粒度分布を調整することが望ましい。これは、図１に示す様に、合金粉末単独では粉末間の空隙が多く（図１（Ｂ）参照）、これに上記仕様のＡｇ粉末あるいはＣｕ粉末を添加することで、ろう材の充填密度を向上することができ、特に、添加するＡｇ粉末あるいはＣｕ粉末の粒度分布を上記のように規定することで、ろう材の最密充填を達成することができる。これらの効果によりペースト印刷時の塗布量の制御、ろう付け過程での粒子間の反応性促進が達成できる。これらは、いずれも金属板とセラミックス基板の接合強度を強化し、ひいては熱衝撃に対する接合信頼性が向上する点で必要である。
【００２６】
ここで、ボイドの効果について説明する。均一に分散したボイドは、界面強度を損なうことなく、また、電圧集中によるコロナ放電を生じず、冷熱繰り返しに対する疲労寿命を各段に向上させることができる。セラミックス回路基板おいて、ろう付け後には、金属板とセラミックス基板との熱膨張差により、金属回路端部とセラミックス基板との界面で応力集中が起こる。冷熱繰り返しに伴い、この部分のセラミックス側にマイクロクラックが発生し、さらにサイクル数の増加でクラックが基板を進展し、やがて破壊（金属回路板）剥離に至る。本発明では、接合界面中に適度の形状と面積占有率を維持したマイクロボイドを均一に分散させることで、ろう材層が受ける塑性ひずみを緩和することでクラックの進展を抑制することができ、しいてはセラミックス回路基板の信頼性向上さえることができることを見出した。すなわち、ボイド率は１０％を超えると、金属板／セラミックス基板界面の接合強度が低下し、冷熱の繰り返しに対する接合信頼性が著しく劣化すること、また、回路基板間の表裏に高電圧負荷した際に、このマイクロボイドの存在箇所でコロナ放電を生じるといった致命的な問題がある。０．５％未満では、ろう付け処理後の接合強度は十分確保できるものの、冷熱繰り返しにおける接合界面の疲労寿命は低下する。また、マイクロボイドは１．０ｍｍを超えると、破壊の起点として作用し接合強度が低下するため、冷熱の繰り返しに対する接合信頼性が著しく劣化するといった問題がある。さらにマイクロボイドの大きさ増大によるコロナ放電の発生頻度が顕著となると言った問題がある。さらに、ボイド形状については、単一な球形でなく、多くの曲率を持つ形状が特徴である。この形状は、いわばコンペイ糖状のような形態をもっているが曲率部が多く存在するため、ろう材層が受ける塑性ひずみを緩和する効果が顕著である。これにより、冷熱繰り返しで生じうるクラックの進展を抑制することが可能となる。
【００２７】
本発明において、セラミックス基板と金属板とをろう付けする熱処理温度の範囲規定は、マイクロボイドの面積割合および形状を制御する上で重要であり、７３０〜８００℃で行うことが望ましい。熱処理温度が、７３０℃未満では、ろう材成分が充分に溶解することができず、接合界面でのボイド率が１０％超かつボイド径が１．０ｍｍ超となり、上述した問題が生じる。一方、８００℃超では、ボイド率が０．５％未満となり初期の接合強度は確保されるものの、冷熱繰り返しに伴う接合界面の疲労寿命が低下する問題が生じる。また、ろう付け処理後に、ろう材成分が金属回路板表面部に流れ出す不具合を生じる。よって、ろう付けの熱処理温度を７３０〜８００℃で行うことで、ボイドの発生を減少させマイクロボイドを微小に且つ分散させることが出来る。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、ろう材層表面の凹凸の抑制が可能であり、マイクロボイドの形状と面積割合（存在比率）の制御を図ることができる。これにより、ろう付け処理後の接合強度を確保し、さらに冷熱繰り返しに対する接合信頼性の向上が図られる。また、半導体素子用セラミックス基板として用いた場合に半導体素子の作動に伴う繰り返し冷熱サイクルによって基板にクラックが発生することが少なく、耐熱衝撃性ならびに耐熱サイクル性を著しく向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、実施例により本発明を説明するが、それら実施例により本発明が限定されるものではない。
先ず、ろう材について説明する。本発明のセラミックス回路基板で用いるろう材は、母材合金がＡｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｔｉの４元系であって、質量％でＡｇを８５〜５５質量％、Ｉｎを５〜２５質量％、Ｔｉを０．２〜２．０質量％、Ｃｕを３５〜２０質量％及び不可避不純物から組成されたものである。合金粉末の作製は、ガスアトマイズ法により平均粒径d50値が５０μｍとなる様に噴霧し、５０μｍ以上の粉末は篩分けによりカットし、５０μｍアンダーの粉末を用いるもので、ここでは合金粉末の平均粒子径ｄ50は２８μｍである。また、合金粉末の作製は、低コストの水アトマイズ法でも可能であるが、活性金属として作用するＴｉの酸化を防止するため、この場合、合金粉末中の酸素量を０．５質量％以下に制御することが肝要である。
【００３０】
上記の混合粉末中（合金粉末と添加したAｇ粉末）に占めるＩｎおよびＴｉを除いた、ＡｇとＣｕの組成比は、ＡｇとＣｕの合計重量を１００質量％（AgとCuで100%）としたとき、Ａｇを９５〜７５質量％、Ｃｕを５〜２５質量％が好ましい。この組成比の範囲では、加熱冷却後のろう材表面部の凹凸形状の抑制に効果があり、更には、Ａｇ−Ｃｕ状態図における共晶組成(72%Ag−28%Cu)よりもAg−rich側の固液共存組成域において、処理温度を任意に選択することで、接合処理時の融液量を調整することができ、これにより、ろう材の流れ出し現象を抑制することが可能となる。ここで用いられるＡｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｔｉからなる合金粉末は、スクリーン印刷を行う場合のパターン印刷精度や接合する銅板への流れ出しを抑制する上で平均粒径４０μｍ以下が好ましく、１０〜３０μｍ程度のものがより好適である。
【００３１】
活性金属としては、周期律表第ＩＶａ族に属する元素を用いることができ、一般にはチタン、ジルコニウム、ハフニウムが用いられる。この中でも特にチタンは窒化アルミニウム基板や窒化ケイ素基板との反応性が高く、接合強度を非常に高くすることができるため本発明ではチタン（Ｔｉ）を用いている。さらにチタンの水素化物、即ち水素化チタンを用いれば、接合工程中における酸素の影響による酸化が起こり難くなり、より好適な接合状態が得られる。これは水素化チタンは接合工程での加熱処理によって初めて水素を放出して活性な金属チタンとなり、これが窒化アルミニウム基板や窒化ケイ素基板と反応するためである。更に、これら活性金属成分を予め合金粉末中に含有させると、Ａｇ−Ｃｕ―Ｉｎ−Ｔｉの比が均一となり、加熱昇温時において、基板あるいは金属板に印刷されたろう材粉末の局所的な溶融むらが抑制でき、しいてはろう材融液中を拡散するＴｉを容易に制御することができるため望ましい。ＡｇとＣｕおよびＩｎの合計量１００質量％に対する活性金属粉末の添加量は、活性金属粉末による窒化アルミニウム基板／窒化ケイ素基板−ろう材−銅板の間の接合強度を十分に保つためには、０．２〜２．０質量％が好ましい。より好ましくは０．６〜１．５質量％である。
【００３２】
さて、本発明においては、上記母材合金粉末に対しさらに平均粒子径１〜１５μｍのＡｇ粉末粒子あるいはＣｕ粉末粒子を５〜３０質量％添加したものである。これらの規定理由は上述の通りであるが、さらに、Ａｇ粉末粒子あるいはＣｕ粉末粒子は粒度分布が均一であることが望ましく、平均粒子径ｄ50を１〜１５μｍとするにはｄ10を０．２〜０．５μｍ、ｄ90を１０〜２５μｍとすることが適している。ここで、Ａｇ粉末の粒度分布について規定しているのは、ｄ10が０．２μｍ未満では、Ａｇ粉末の反応性が高くなり、ろう材の流れ出し現象を制御することが困難となり、回路部潰れ、および銅板表面へのＡｇ-Ｉｎ成分の流れ出しが頻発する不具合を招来するからである。一方、ｄ90が２５μｍ超では、スクリーン印刷後のＡｇ-Ｃｕ-Ｉｎ-Ｔｉ合金の間隙を、Ａｇ粉末にて、充填することができず、ろう付け後のボイド生成に大きく関与するし、またろう材印刷量を制御することが困難となる。さらに、Ａｇ粉末自身は、合金粉末よりも高融点であるため、特に粗大粒子は反応性が劣り、一部Ａｇ粉末粒子の溶け残り箇所が多くなり、この際にはろう付け処理後の密着強度の低下を招く。以上のことより、添加するＡｇ粉末粒子の粒度分布は、ｄ10を０．２〜０．５μｍ、ｄ90が１０〜２５μｍであることが望ましい。
【００３３】
また、Ｃｕ粉末を後添加する場合、Ｃｕ粉末粒度分布について規定しているのは、ｄ10が０．２μｍ未満では、Ｃｕ粉末の反応性が高くなり、局部的に、Ａｇ-Ｃｕ融液が生じ、この部分でろう材の流れ出し現象を制御することが困難となる。このため、回路部潰れ、および銅板表面へのＡｇ-Ｉｎ成分の流れ出しが頻発する不具合を招来するからである。一方、ｄ90が２５μｍ超では、スクリーン印刷後のＡｇ-Ｃｕ-Ｉｎ-Ｔｉ合金の間隙を、Ｃｕ粉末にて、充填することができず、ろう付け後のボイド生成に大きく関与するし、またろう材印刷量を制御することが困難となる。さらに、Ｃｕ粉末自身は、合金粉末よりも高融点であるため、特に粗大粒子は反応性が劣り、一部Ｃｕ粉末粒子の溶け残り箇所が多くなり、この際にはろう付け処理後の密着強度の低下を招く。以上のことより、添加するＣｕ粉末粒子の粒度分布はｄ10を０．２〜０．５μｍ、ｄ90を１０〜２５μｍであることが望ましい。
【００３４】
ｄ10を０．２〜０．５μｍ、ｄ90を１０〜２５μｍとなし、図１（Ａ）は平均粒子径５μｍのＡｇ粉末粒子を１５％添加した後のろう材粒子の形態を示し、図１（Ｂ）はＡｇ粉末が無添加状態のろう材粒子の形態を示している。両図とも左側が１００倍のＳＥＭ写真、右側が１０００倍のＳＥＭ写真である。両者を比較して分かるように（Ｂ）では３０〜５０μｍサイズの母材合金粒子との間に黒く見える隙間（ペースト有機成分）が全体に渡って見られるが、（Ａ）ではＡｇ粉末の添加によって前記隙間部分が埋められて、ろう材粉末の充填密度が高まった状態にある。このことが後述するろう材層表面の凹凸の緩和や外縁部の直線性の改善等に有効に作用していると考えている。尚、Ｃｕ粉末粒子を添加した場合も同様の形態が確認されている。
【００３５】
Ａｇ粒子あるいはＣｕ粒子の粒径及びこの混合粉末中のＡｇ粉末あるいはＣｕ粉末の重量割合は、液相沈降法を用いることで容易に測定することが可能である。なお液相沈降法では、粉末の形態が異形な場合には長径と短径の区別がつかず平均値を粒径とみなしてしまうが、本明細書では、この平均値を粒径とみなすこととし、粒径についての長径、短径の区別はしない。また、本特許での粒径は凝集粒径ではなく一次粒径を指す。これは粉末を超音波で溶媒中に分散させることで容易に測定することが可能となる。
また、図１で示した様に、ろう材ペーストを基板あるいは銅板に印刷した後、観察倍率１０００倍にて観察したＳＥＭ像について、単位面積当たりの合金粉末および添加したＡｇ粉末あるいはＣｕ粉末の割合を、面積占有率にて評価することが可能である。また、同様の粒径のＡｇ粉末あるいはＣｕ粉末およびＡｇ-Ｃｕ-Ｉｎ-Ｔｉ合金粉末との判別には、エネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＸ）の併用によりＡｇ粉末を後添加する場合には、Ｃｕ成分の有無を、Ｃｕ成分を後添加する際には、Ａｇ成分の有無を面分析により評価することで可能となる。
【００３６】
また、ろう材原料粉末を構成するＡｇ粉末あるいはＣｕ粉末と合金粉末の混合方法としては、各成分を粉末の状態でボールミル、アトライター等の撹拌機を用いて混合したり、有機溶媒、バインダーを配合し、ボールミル、プラネタリーミキサー、三本ロールミル等を使って混合し、ペースト状にすることもできる。一般的には、金属粉末状で基板にパターンを形成することは難しいのでペースト状に混練して使用することが望ましい。ペースト状にする際、有機溶剤としてはメチルセルソルブ、エチルセルソルブ、イソホロン、トルエン、酢酸エチル、テレピネオール、ジエチレンングリコール・モノブチルエーテル、テキサノール等が用いられ、バインダーとしては、ポリイソブチルメタクリレート、エチルセルロース、メチルセルロース、アクリル樹脂等の高分子化合物が用いられる。
【００３７】
良好なろう材のパターンをスクリーン印刷するためには、ペーストの粘度を２０〜２００Pa・sに制御することが好ましい。ペースト中の有機溶剤を全ペースト中の５〜１５質量％、バインダーを１〜５質量％の範囲で配合することにより、印刷性の優れたペーストを得ることができる。加えて、上記範囲でバインダーを配合することにより、印刷後の脱脂工程におけるバインダーの除去が速やかに行われ好適である。また、ペーストとする場合、各成分の分散性をよくするために分散剤を添加することもできる。また、ろう材層の印刷膜厚は２０〜８０μｍであることが良好な接着強度を発現させるために好ましい。
【００３８】
また、窒化アルミニウムや窒化ケイ素基板との接合に供される金属板としては、前記ろう材が接合でき且つ金属板の融点がろう材融点よりも高ければ特に制約はない。一般的には、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、銀、銀合金、ニッケル、ニッケル合金、ニッケルメッキを施したモリブデン、ニッケルメッキを施したタングステン、ニッケルメッキを施した鉄合金等を用いることが可能である。
この中でも銅を金属部材として用いることが、電気的抵抗及び延伸性、高熱伝導性（低熱抵抗性）、マイグレーションが少ない等の点から最も好ましい。
また、アルミニウムを金属部材として用いることは、電気的抵抗、高熱伝導性（低熱抵抗性）は、銅に劣るものの、アルミニウムが持つ塑性変形性を利用して、冷熱サイクルに対する実装信頼性を有する点で好ましい。
その他にも電気的抵抗を重視すれば銀を用いることも好ましく、また電気的特性よりも接合後の信頼性を考慮する場合にはモリブデンやタングステンを用いれば、該金属の熱膨張率が窒化アルミニウム、窒化ケイ素に近いことから接合時の熱応力を小さくすることができるので好ましい。
【００３９】
次に、セラミックス回路基板の構成例を図２に示す。図２において７は厚さ０．３〜０．６ｍｍ、熱伝導率７０W／ｍ・K以上、曲げ強度６００ＭＰａ以上の窒化ケイ素焼結体からなるセラミックス基板（以下、窒化ケイ素基板を例にする。）である。窒化ケイ素基板７の一方の面（主面）には、銅板３、４、５が上述したろう材からなるろう材層８、９、１０を介して接合されている。一方、窒化ケイ素基板７の他方の面（下面）には、放熱用の平板状の銅板１１がろう材層１２を介して接合されている。ろう材層８、９、１０及び１２は、各銅板３、４、５及び銅板１１の外周端面から所定量だけはみ出したはみ出し部２０を有している。このはみ出し部のはみ出し長さＬは、少なくとも０．２ｍｍ以上、好ましくは０．３〜１．２ｍｍとすることにより窒化ケイ素基板７と銅板３、４、５及び銅板１１の端面部に集中する熱応力を緩和させることができる。また、銅板３、４、５及び銅板１１の端面の全周には傾斜面３ａ、４ａ、５ａ及び１１ａが形成されている。この傾斜面の傾斜角度は３０°〜６０°に設定し曲面状に形成しても良い。尚、傾斜面３ａ、４ａ、５ａ、１１ａは銅板接合後のエッチング処理により形成しても良いし、銅板をプレス加工して予め形成したものでも良い。
【００４０】
続いて、本発明をセラミックス回路基板の製造方法と共に説明する。
平均粒子径が０．２〜３．０ｍｍの窒化ケイ素粉末：９６質量％に対し、ＭｇＯ：３質量％、および Ｙ２Ｏ３：１質量％の焼結助剤を添加した混合粉末を作製した。次に、アミン系の分散剤を２質量％添加したエタノール・ブタノール溶液を満たしたボールミルの樹脂製ポット中に、前記混合粉末および粉砕媒体の窒化ケイ素製ボールを投入し、４８時間湿式混合した。次に、前記ポット中の混合粉末：８３．３質量％に対しポリビニル系の有機バインダー：１２．５質量％および可塑剤（ジメチルフタレ−ト）：４．２質量％を添加し、次いで４８時間湿式混合し、シート成形用スラリーを得た。この成形用スラリーを脱泡、溶媒除去により粘度を調整後、ドクターブレード法によりグリーンシートを成形した。次に、成形したグリーンシートを空気中４００〜６００℃で２〜５時間加熱することにより前記有機バインダー成分を十分に脱脂（除去）し、次いで脱脂体を０．９ＭＰａ（９気圧）の窒素雰囲気中で１９００℃×５時間焼成し、５０μm/inch以上の反りが生じた場合について、同窒素雰囲気中で１８００℃×５時間の反り直し熱処理を行い、その後室温に冷却した。得られた窒化ケイ素焼結体シートをサンドブラスト処理により表面性状を調整し、縦５０ｍｍ×横３０ｍｍ×厚さ０．６３ｍｍの窒化ケイ素基板を得た。
【００４１】
次に、図３に示すように、窒化ケイ素基板７の主面にスクリーン印刷により上述したろう材ペーストを予め設計された回路パターン形状に沿ってその厚さが３０〜５０μｍになる様に所定メッシュを選定して塗布し、ろう材層８、９、１０を形成する。このとき、窒化ケイ素基板７の主面にろう材を塗布する範囲は、銅板３、４、５を接合する範囲よりはみ出し部長さＨほど外側にはみ出すようにする。また、ペーストを均一に塗布することが重要であるが、塗布方法としてはスクリーン印刷法、メタルマスク印刷法、ロールコート法、吹き付け、転写等の任意の方法が考えられる。一般的にはスクリーン印刷法が最も簡便で採用しやすい。尚、ペースト中に粗大粒があるとスクリーンの目詰まり等が発生して所望のパターンに印刷できない場合があるので、粗大な粉末は含まないようにする。より微細な配線パターンを印刷する場合には細かいメッシュのスクリーンを使用しなければならず、より目詰まりも発生しやすいので、例えば、＃３００メッシュのスクリーンを使用する場合には、粉末の最大粒径を５０μｍ以下に制御することが好適である。尚、多段エッチング法による場合は、ろう材層は窒化ケイ素基板の主面にパターンに関係なく塗布するものである。
【００４２】
ペーストを塗布した後は一般的には脱脂を行い、バインダー成分を除去する。脱脂中の加熱温度、時間等の処理条件についてはバインダー成分によって種々異なるが、処理中の雰囲気については窒素中、アルゴン中のような非酸化雰囲気もしくは真空中での処理を行えば、活性金属が酸化されることなく好適である。また酸化雰囲気であっても、酸素量を制限することで活性金属が必要以上に酸化されなければ、微量酸素濃度中やウエット雰囲気での脱脂を行っても好適な接合状態を得ることができる。ここでウエット雰囲気とは非酸化雰囲気ガスを水、又は湯中を通した後、処理室に送気することにより形成した雰囲気である。ただし、活性金属の効果を発現するには、ろう材粉末の酸素量は０．５質量％以下にすることが肝要である。
また、ろう材ペースト用のバインダー選定により、別途脱脂プロセスを設けることなくろう付け処理の昇温過程で、所定温度にて保持することで、脱脂・ろう付け処理を同時に行うことができる。この場合、バインダー選定が重要となるが、例えば、αテネピネオールを溶媒とし、ポリイソブチルメタクリレート、ジエチレンングリコール・モノブチルエーテルを用いた場合、高真空下熱処理においても、灰化カーボンが残存することなく、接合強度が得られる。本発明では、脱脂・ろう付けの同時処理を行っている。
【００４３】
金属板は多段エッチング法、パターン印刷エッチング法による場合は、セラミック基板と相似形の銅板を用意する。
一方、直接搭載法による場合は、図４に示すような、前記ろう材層８、９、１０のパターンと相似形の回路パターンの銅板を用意する。この銅板の回路パターン３、４、５は一部の架橋部６ａ〜６ｄを介してプレス加工により一体成形している。また、予め図４の様に予め回路パターンを形成する方法として、プレス加工以外には、エッチング法、放電加工等を用いてもよい。銅板３、４、５の大きさはろう材層８、９、１０によるはみ出し部が形成されるように若干小さめであり、端部は上方に向かって狭まる傾斜面３ａ〜５ａを有している。
【００４４】
次に、ろう材層が銅板と窒化ケイ素基板との間に配置されるように部材同士を重ねる。即ち、ろう材層８、９、１０を塗布した窒化ケイ素基板７の主面上に、各銅板３、４、５の端面全周からろう材層８、９、１０が間隔Ｈほどはみ出るように位置合わせをしながら、ろう材層を覆うように長方形状の回路用銅板を載置する。一方の窒化ケイ素基板７の他面（下面）には、同じくろう材層がはみ出るように放熱用銅板１１を載置し、それぞれ加圧状態で保持する。
【００４５】
次に、回路用銅板と放熱用銅板を載置した窒化ケイ素基板７を所定温度と時間に渡って熱処理した後、冷却することにより、図５のように窒化ケイ素基板７に回路用銅板と放熱用銅板を強固にろう材層を介して接合する。
本発明において、セラミックス基板と金属板とをろう付けする熱処理温度の範囲規定は、マイクロボイドの面積割合および形状を制御する上で重要であり、７３０〜８００℃で行うことが望ましい。熱処理温度が、７３０℃未満では、ろう材成分が充分に溶解することができず、接合界面でのボイド率が１０％超かつ最大ボイド径が１．０ｍｍ超となり、接合強度の劣化、コロナ放電の発生などの問題が生じる。一方、８００℃超では、ボイド率が０．５％未満となり初期の接合強度は確保されるものの、冷熱繰り返しに伴う接合界面の疲労寿命が低下する問題が生じる。また、ろう付け処理後に、ろう材成分が金属回路板表面部に流れ出す不具合を生じる。よって、ろう付けの熱処理温度を７３０〜８００℃で行うことで、ボイドの発生を減少させマイクロボイドを微小に且つ分散させることが出来る。
また、マイクロボイドの制御以外の因子について、ろう材が窒化ケイ素基板と銅板を十分に濡らし、また、回路パターン潰れがなく、回路端部に位置するろう材はみ出し部を形成するため、更に両者の熱膨張の違いからくる残留応力による耐熱衝撃性の低下を防止するためには、接合温度を上記範囲とすることが肝要である。また、雰囲気については真空中で処理を行うことが活性金属粉末及び銅粉末、銅板が酸化されること無く良好な接合状態を得ることができ、特に１０-２Ｐａ以下の真空度で接合することが望ましい。さらに接合時に適度な荷重をかけることで銅板とろう材および窒化ケイ素基板とろう材がより確実に接触でき、良好な接合状態が得られる。重さとしては２０〜１５０ｇ／ｃｍ2の荷重を採用できる。
【００４６】
さて、ここで上記熱処理によるろう材層の影響について調べた。熱処理後のろう材層を観察した写真を図６に示す。図６（Ａ）は本発明によるろう材を用いたもので、平均粒子径５μｍのＡｇ粉末粒子を１５％添加したろう材層の表面性状を示している。図６（Ｂ）は従来例であって同じろう材であるがＡｇ粉末を添加していないろう材層の表面性状である。両図とも左側が１．７倍の実体顕微鏡写真、右側が１３．５倍の拡大写真である。このようにＡｇ粒子無添加の（Ｂ）では鱗状の凹凸が表面全体に生成されており、その凹部の最大長さは1.2〜2.5ｍｍに達している。このろう材層について金属板とセラミックス基板の接合強度を評価するためにピ−ル強度試験を行った。ピ−ル強度試験は、銅板の一端部が基板の外部に５ｍｍ程度突出するように、また、接合面積を１０ｍｍ×１０ｍｍとして接合し、これを９０度上方に引張り上げるのに要する長さ単位当りの力を評価した。この方法により金属板とセラミックス基板の密着強度試験を行ったところ、ピール強度は１０(kN/m)以下となり密着強度が弱いことが確認された。
【００４７】
一方、図６（Ａ）の本発明のろう材層からは鱗状の凹凸は解消されている。図６における鱗状の凹凸部について、波長分散型Ｘ線分析装置（ＷＤＸ）を用い成分分析を行った結果、凹部では主成分がＣｕ-Ｔｉ相からなり、また、凸部はＡｇ-Ｉｎ相およびＣｕ-Ｉｎ相からなり、Ｔｉ添加量が多い程、凹部の生成頻度が大きくなることが判明した。つまりこれは冷却過程では、融点の高いＣｕ-Ｔｉ相が最初に析出し、温度低下と共に収縮が起こる。続いてＡｇ-Ｉｎ相およびＣｕ-Ｉｎ相が析出するが、これらは低融点のＩｎを含むため、Ｃｕ-Ｔｉ相よりも低温度領域まで液相を維持する。このため、Ａｇ-Ｉｎ相およびＣｕ-Ｉｎ相とＣｕ-Ｔｉ相の間で収縮差が生じ、凹凸形状となってしまうのである。そこで、本発明ではＡｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｔｉ合金粉末にＡｇ粉末を添加することで、比較的融点の高いＡｇ-Ｉｎ相を析出させ、先に析出するＣｕ-Ｔｉ相との収縮差を抑制することに効果があると考えたものである。他方、Ｃｕ粉末を添加した場合では、Ａｇ粉末添加とは逆に、比較的融点の高いＣｕ-Ｉｎ相を多く析出させ、先に析出するＣｕ-Ｔｉ相との収縮差を抑制することに効果があると考えたものである。
また、Ｃｕ-Ｔｉ相の生成は、合金粉末中のＴｉ量、ならびに、合金粉末とＡｇ粉末を混合した場合のＡｇ／Ｃｕ比に大きく関与し、Ｔｉ量が多い程、また、Ａg/Ｃｕ比が低い程高くなり、このため鱗状の凹凸部の生成頻度が高くなる。従って、この鱗状の凹凸部を抑制するには、Ａｇ粉末添加によりＡg/Ｃｕ比を増大すること、また、Ｔｉ量を０．２〜２．０質量％に制御することが肝要であることが分かった。一方、Ｃｕ粉末を添加する際には、Ａｇ／Ｃｕ比が低くなり、Ｃｕ−Ｔｉ相の生成を助長することとなるが、Ｔｉ量を０．２〜２．０質量％に規定することで、Ｃｕ−Ｔｉ相の生成を一定範囲に留め、代わり生成するＣｕ−Ｉｎ相とＣｕ−Ｔｉ相の生成比率を制御することで、鱗状の凹凸部の生成を抑制することが可能である。
【００４８】
さて、図６（Ａ）についても同様に密着強度を確認したところピール強度は２０(kN/m)超となり密着強度が向上することも確認された。これらのことより鱗状の凹凸部が密着強度に強く関与しており、定量的には凹部の最大長さが１．０ｍｍの未満にあれば十分な密着強度を確保できることが分かった。例えば、５μｍ未満とする場合には、合金粉末中のＩｎ量を低減することで可能となるが、この場合、Ａｇ-Ｃｕ合金の共晶温度の７８０℃以下での冷却過程で瞬時に液相凝固が起こり、局所的な核生成が起こり不均一凝固が進む。この過程では収縮挙動にも局所的な差異が発生し、ろう材と銅板間に引け巣が発生しやすく最大径が１．０ｍｍ超の大きなボイドを残留させてしまう。この大きなボイドは回路基板としては致命的な欠陥であり、高電圧負荷時はリーク電流が生じ絶縁性低下を招来する。したがって、十分な密着強度を確保し、回路基板の絶縁耐圧を維持ならびに冷熱繰り返しに対する接合信頼性の堅持するために、接合層中におけるボイド率を０．５％以上、５％以下、最大径が１．０ｍｍ以下に制御したボイドを微細分散させることが必要であり、これには、鱗状の定量的には凹部の最大長さが１．０ｍｍの未満に制御することが好ましい。
以上によるＡｇ粒子あるいはＣｕ粒子の平均粒径と添加量による凹凸面の粗さ、マイクロボイドの最大径、ボイド率、密着強度の相関を下記する実施例に示す。
【００４９】
最後にエッチング処理を行う。エッチングレジストは、熱硬化型およびUV硬化型を用いることができる、インクタイプとシートタイプがある。前者の塗布方法は、スクリーン印刷法であり、回路形成は所望のパターンを印刷マスクの形状により種々設計可能である。後者は、金属板表面にコートし、続いて露光、現像により所望のレジストパターンを形成する。続いて、銅板を上下面に接合した試料をエッチングする。エッチング装置は、ベルトコンベヤーで搬送し、エッチング液を上下方向から噴霧する仕様となっている。また、銅板のエッチング液は、塩化第２鉄（FeCl3）溶液（46.5Be）を用い、液温を５０℃に設定した。エッチングの処理時間は、回路側の銅版の厚さに依存し、例えば、厚み0.3mmの場合には15分程度、厚み1.0mmの場合には60分程度の時間を要する。
【００５０】
以下、実施例と比較例を挙げて本発明を具体的に説明する。
（実施例）
Ａｇ：５８．８質量％、Ｃｕ：２７．５質量％、Ｉｎ：１２．５質量％、Ｔｉ：１．２質量％及び不可避不純物からなる合金粉末に、下表１に示すＡｇ粒子粉末およびＣｕ粉末粒子を添加し、全ペーストに占める割合でα-テネピネオール６質量％、ジエチレングリコール・モノブチルエーテル５質量％、ポリイソブチルメタクリレート５質量％、分散剤０．１質量％を配合したのちプラネタリーミキサーを用いて混合を行い、１２０Pa・sのペーストを作成した。使用した母材合金粉末の平均粒径は３０μｍであった。
このペーストを縦５０ｍｍ×横３０ｍｍ×厚さ０．６３ｍｍ寸法の窒化ケイ素質焼結体製の基板上にスクリーン印刷により図３のようなパターンで厚み２５μｍではみ出し部Ｌが０．３ｍｍとなるように塗布した。ここで、ろう材はみ出し量を０．２５ｍｍ以上を設計値としているが、これは、金属回路板端部付近のセラミックス基板への応力集中を緩和する効果が最大となる値であり、この場合、応力集中を約６０％に低減できる。
この後、１２０℃×３０分大気中で乾燥し、続いて、回路用銅板−窒化ケイ素基板−放熱用銅板と重ねた後、７０ｇ／ｃｍ2の荷重をかけながら真空中（１０-2Pa）、７６０℃×１０分保持の熱処理を施して銅板と窒化ケイ素基板の接合を行った。用いた銅板の板厚は、エッチング後の回路基板の反り、ならびにはんだリフロー後のモジュール実装形状、さらには、回路基板と放熱基板（例えば、Cu、Cu-W、Mo、Cu-Cu0、Al-SiC等）のはんだ不良欠陥の防止を考慮して、回路側が０．３ｍｍｔ、放熱側を０．２ｍｍｔとした。その後、図４のパターンとするためにエッチング公差を考慮したレジストパターンの印刷、不要部分の銅部材の除去を行い各々のセラミックス回路基板を作製した。
【００５１】
それぞれのセラミックス回路基板の凹凸面の粗さ（凹部の最大長さ）、最大ボイド径、ボイド率を超音波顕微鏡機にて評価した。その結果を表２に示す。ここで、凹凸面の粗さは、窒化ケイ素基板に表１および表２に示すろう材粉末を用い、加熱処理後のろう材層部の凹凸面に対して凹部の長さを評価した。また、用いた超音波探査映像装置は日立建機社製Mi-Scopeである。評価条件については、金属回路板の種類と厚みおよびセラミックス基板の種類と厚みにより異なるが、本発明では、金属回路板は、Ｃｕで回路板の厚み０．３ｍｍ、放熱板の厚み０．２ｍｍ、セラミックス基板は窒化ケイ素で厚みは０．６ｍｍである。プローブは５０ＭＨｚのものを使用した。
接合界面のボイド率については、白黒の２５６階調の評価画像についてのしきい値を９２として２値化処理を行い、反射法にて評価面積（黒色部）に対する白色部の割合を評価した。また、ボイド径については、評価面積に存在するマイクロボイド全数について最大長さを評価した。図７（A）および（B）に本発明の回路基板における接合界面の超音波探査映像ならびに２値化像を示す。この例のボイド率は、（A）および（B）はそれぞれ、0.8％および5.0％である。また、図７（C）および（D）に比較例のものを示す。これら例のボイド率は、それぞれ、0.4％および18.0％であった。また、本発明のマイクロボイド形状については、上述したように単一な球形でなく、多くの曲率を持つ形状が特徴である。
さらに、接合した銅板を窒化ケイ素基板に対して９０°方向に引っ張り、ピール強度を測定して密着強度とした。
また、回路基板の接合界面における耐冷熱サイクル性の評価は、−４０℃での冷却を２０分、室温での保持を１０分および１２５℃における加熱を２０分とする昇温/降温サイクルを１サイクルとし、これを繰り返し付与し、接合界面におけるボイド率について初期の値の１．５倍以上となるまでのサイクル数を測定した。
【００５２】
（比較例）
ろう材ペーストの作製、窒化ケイ素基板への印刷、ろう付け条件等は上記実施例と同様に行い、表１の試料No.５１〜６１および７１〜８１に示す合金粉末及びＡｇ粉末あるいはＣｕ粉末を添加した。これらについて上記と同様の項目を測定した。
【００５３】
【表１−１】


【００５４】
【表１−２】


【００５５】
【表２−１】


【００５６】
【表２−２】


注記（１）：接合後のCu板表面にろう材流れ有り
注記（２）：回路パターン潰れ有り
【００５７】
表１の実施例Ｎｏ.１〜２４および３１〜４８より以下の知見が得られた。
Ｎｏ．１〜２４は、合金粉末にＡｇ粉末を添加した場合を、Ｎｏ．３１〜４８は合金粉末にＣｕ粉末を添加した場合の結果である。
Ａｇ：８５〜５５質量％、Ｉｎ：５〜２５質量％、Ｔｉ：０．２〜２．０質量％、残部Ｃｕ及び不可避不純物からなる平均粒子径１〜４０μｍ合金粉末に、さらに平均粒子径１〜１５μｍのＡｇ粉末粒子およびＣｕ粉末粒子を５〜３０質量％添加したろう材混合粉末を用いた回路基板について金属回路板と窒化ケイ素基板界面のピ−ル強度を測定したところ、いずれも２０(kN/m)以上の高い接合強度を有することが確認できた。また、ろう材層表面の凹凸の緩和によりセラミックス基板のCu/Si3N4界面におけるボイド率を０．５％〜１０％に制御でき、かつボイド径を０．５ｍｍ未満に制御することができた。この条件により製造した回路基板についての信頼性評価は、耐熱サイクル試験を実施、−４０℃での冷却を２０分、室温での保持を１０分および１２５℃における加熱を２０分とする昇温/降温サイクルを１サイクルとし、これを繰り返し付与し、接合界面におけるボイド率が試験開始前のボイド率の１．５倍以上となるまでのサイクル数を測定した。その結果、３０００サイクル経過後においても、ボイドの拡大ならびにボイド率の増加は僅であり、かつ窒化ケイ素質焼結体製基板の割れや銅製回路板の剥離はなく、優れた耐久性と信頼性を兼備することが確認された。また、３０００サイクル経過後においても耐電圧特性の低下は発生しなかった。
【００５８】
これに対し、表１の比較例のＮｏ.５１〜６１およびＮｏ．７１〜８２より以下の知見が得られた。Ｎｏ．５１〜６１は、合金粉末にＡｇ粉末を添加した場合を、Ｎｏ．７１〜８２は、合金粉末にＣｕ粉末を添加した場合の結果である。
Ｎｏ.５１は、合金粉末中のＡｇ含有量が８５％超の９０％であり、ろう付け接合後の銅板表面にろう材の流れ出しが生じる不具合があった。また、ボイド率が0.5%未満となり耐冷熱試験サイクル数は2000サイクルに留まった。
Ｎｏ.５２は、合金粉末中のＣｕ含有量が３５％超の３６．８％であり、この場合加熱過程でろう材粉末の反応性が悪く、７００℃〜８００℃のろう付け処理では、接合に充分なろう材融液を生じることができず、未接合部が多く、このときにもピ−ル強度は低下し、１５．０(kN/m)となった。これに伴い耐冷熱試験サイクル数は1000サイクルに低下した。
Ｎｏ.５３および５４のＡｇ粉末の無添加では、ろう材表面部の凹凸が１．０ｍｍ超、密着強度が２０(kN/m)未満となり、最大ボイド径が１．０ｍｍ超およびボイド率が１０％超となり、耐冷熱サイクル数が著しく低下した。
Ｎｏ.５５は、Ａｇ粉末の添加量が３０％超であり、ろう付け接合後の銅板表面にろう材の流れ出しが生じる不具合があった。また、ボイド率が0.5%未満となり耐冷熱試験サイクル数は2000サイクルに留まった。
【００５９】
Ｎｏ.５６は、合金中のＩｎ含有量が５％未満では、ろう材表面部の凹凸が低減するものの、この場合ろう材の融点が上昇し、７００℃〜８００℃のろう付け処理では、未接合部が多く、密着強度は低下し１６．０(kN/m)となった。最大ボイド径が１．０ｍｍ超およびボイド率が１０％超となり、耐冷熱サイクル数が低下した。
Ｎｏ.５７は、合金中のＩｎ含有量が２５％超では、ろう材表面部の凹凸が低減するものの、この場合ろう材の融点が低下し、７００℃〜８００℃のろう付け処理では、回路パターンくずれがあり、また、ろう付け接合後の銅板表面にろう材の流れ出しが生じる不具合があった。最大ボイド径が１．０ｍｍ超となり、耐冷熱サイクル数が低下した。
【００６０】
Ｎｏ.５８は、合金粉末中のＴｉ含有量が０．２％未満であり、この場合ろう材層と窒化ケイ素基板の界面に形成されるＴｉＮ相量が欠乏するため、ピ−ル強度は低下し１５．０(kN/m)となった。これにより、耐冷熱サイクル数は８００サイクルに留まった。
Ｎｏ.５９は、合金粉末中のＴｉ含有量が２．５％超であり、この場合ろう材層中に脆性相のＴｉ-Ｓｉ相が形成されるため、ピ−ル強度は低下し１４．２(kN/m)となった。
これにより、耐冷熱サイクル数は１０００サイクルに留まった。
【００６１】
Ｎｏ.６０は、合金粉末の平均粒径が１０μｍ未満であるが、このとき、加熱過程でろう材粉末の反応性が高くなり、ろう付け接合後の銅板表面にろう材の流れ出しが生じる不具合があった。
Ｎｏ.６１は、合金粉末の平均粒径が５５μｍ超であり、この場合加熱過程でろう材粉末の反応性が悪く、７００℃〜８００℃のろう付け処理では、接合に充分なろう材融液を生じることができず、最大ボイド径が１．０ｍｍ超およびボイド率が１０％超と未接合部が多くなり、このときにもピ−ル強度は低下し１８．５(kN/m)となった。これより、耐冷熱サイクル数は８００サイクルに低下した。
【００６２】
Ｎｏ.７１は、合金粉末中のＡｇ含有量が８５％超の９０％であり、ろう付け接合後の銅板表面にろう材の流れ出しが生じる不具合があった。また、ボイド率が0.5%未満となり耐冷熱試験サイクル数は2000サイクルに留まった。
Ｎｏ.７２は、合金粉末中のＣｕ含有量が３５％超の３６．８％であり、この場合加熱過程でろう材粉末の反応性が悪く、７００℃〜８００℃のろう付け処理では、接合に充分なろう材融液を生じることができず、さらにＣｕ粉末を５％添加することで、これらの傾向がより顕著となり、未接合部が多く、このときにもピ−ル強度は低下し、１５．０(kN/m)となった。また、ろう材表面凹部の長さが、2.0ｍｍ、最大ボイド径が、1.8ｍｍ、ボイド率が20％となり耐冷熱試験サイクル数は５００サイクルに低下した。
Ｎｏ.７３および７４のCu粉末の無添加では、ろう材表面部の凹凸が１．０ｍｍ超、密着強度が２０(kN/m)未満となり、最大ボイド径が１．０ｍｍ超およびボイド率が１０％超となり、耐冷熱サイクル数が低下した。
【００６３】
Ｎｏ.７５は、Ｃｕ粉末の添加量が３０％超であり、ろう材組成の融点が上昇するために
７００℃〜８００℃のろう付け処理では、接合に充分なろう材融液を生じることができず、未接合部が多く、このときにもピ−ル強度は低下し、１５．０(kN/m)となった。
これにより、耐冷熱サイクル数は５００サイクルに低減した。
Ｎｏ.７６は、合金中のＩｎ含有量が５％未満で、この場合ろう材の融点が上昇し、７００℃〜８００℃のろう付け処理では、未接合部が多く、密着強度は低下し１６．０(kN/m)
となった。これにより、耐冷熱サイクル数は８００サイクルに留まった。
Ｎｏ.７７は、合金中のＩｎ含有量が２５％超であり、この場合ろう材の融点が低下し、７００℃〜８００℃のろう付け処理では、回路パターンくずれがあり、また、ろう付け接合後の銅板表面にろう材の流れ出しが生じる不具合があった。
【００６４】
Ｎｏ.７８は、合金粉末中のＴｉ含有量が０．２％未満であり、この場合ろう材層と窒化ケイ素基板の界面に形成されるＴｉＮ相量が欠乏するため、ピ−ル強度は低下し１４．０(kN/m)となった。これにより、耐冷熱サイクル数は１０００サイクルに留まった。
Ｎｏ.７９は、合金粉末中のＴｉ含有量が２．５％超であり、この場合ろう材層中に脆性相のＴｉ-Ｓｉ相が形成されるため、ピ−ル強度は低下し１４．２ (kN/m)となった。これにより、耐冷熱サイクル数は１０００サイクルに留まった。
【００６５】
Ｎｏ.８０は、合金粉末の平均粒径が１０μｍ未満であるが、このとき、加熱過程でろう材粉末の反応性が高くなり、ろう付け接合後の銅板表面にろう材の流れ出しが生じる不具合があった。
Ｎｏ.８１は、合金粉末の平均粒径が５５μｍ超であり、この場合加熱過程でろう材粉末の反応性が悪く、７００℃〜８００℃のろう付け処理では、接合に充分なろう材融液を生じることができず、未接合部が多く、このときにもピ−ル強度は低下し、１８．５(kN/m)
となった。これより、耐冷熱サイクル数は８００サイクルに低下した。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】ろう材を構成する粒子形態を示すＳＥＭ写真であって、（Ａ）は本発明の一実施例のろう材を示し、（Ｂ）は従来のＡｇ粒子あるいはＣｕ粒子無添加の例を示す。
【図２】本発明のセラミックス回路基板の一実施形態を示す側面図である。
【図３】図２のセラミックス基板に塗布したろう材層を示す上面図である。
【図４】予め所定の回路パターンに形成した金属板（Ｃｕ）の例を示す上面図である。
【図５】図３のセラミックス基板に図４の銅板を接合した状態を示す上面図である。
【図６】セラミックス基板に銅板を接合する際の熱処理によるろう材層の態様を示し、（Ａ）は本発明例、（Ｂ）は従来例である。
【図７】セラミックス基板に銅板を接合した後のろ接合界面の形態を示し、（Ａ）（Ｂ）は本発明例、（Ｃ）（Ｄ）は従来例である。
【符号の説明】
【００６７】
１：回路用金属板
３、４、５：金属（銅）板
３ａ、４ａ、５ａ：傾斜面
３ｂ、４ｂ、５ｂ：半導体チップとの接合面
３ｃ、４ｃ、５ｃ：セラミックス基板との接合面
７：セラミックス基板
８、９、１０：ろう材層
１１：金属（銅）板
１２：ろう材層
２０：はみ出し部
【出願人】 【識別番号】０００００５０８３
【氏名又は名称】日立金属株式会社
【住所又は居所】東京都港区芝浦一丁目２番１号
【出願日】 平成１６年３月５日（２００４．３．５）
【代理人】
【公開番号】 特開２００５−２５２０８７（Ｐ２００５−２５２０８７Ａ）
【公開日】 平成１７年９月１５日（２００５．９．１５）
【出願番号】 特願２００４−６２５０６（Ｐ２００４−６２５０６）