JP2017191943A - セラミックス回路基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 空隙等による欠陥の少ないろう材はみ出し部を有し、耐熱サイクルが向上されたセラミックス回路基板を提供すること。【解決手段】 一実施形態に係るセラミックス回路基板は、セラミックス基板（１）と、銅回路板（５）と、ろう材はみ出し部（４ａ）とを備える。銅回路板（５）は、セラミックス基板（１）の少なくとも一方の面に、Ａｇ、Ｃｕ及びＴｉを含むろう材層を介して接合されている。ろう材はみ出し部（４ａ）は、銅回路板（５）の側面から外側にはみ出したろう材層で形成されている。ろう材はみ出し部（４ａ）中のＴｉ相およびＴｉＮ相の合計は３質量％以上で、かつセラミックス基板と銅回路板の間に介在されたろう材層４ｂ中のＴｉ相およびＴｉＮ相の合計量と異なっている。ろう材はみ出し部（４ａ）における１個当たりの面積が２００μｍ２以下の空隙が１つ以下（０を含む）である。【選択図】図６

Description

本発明の実施形態は、セラミックス回路基板及びその製造方法に関するもので、特に、高信頼性を要するパワーモジュール等に好適である。

近年、産業機器の高性能化や地球環境問題から電気自動車や電車などに大電流・大電圧を制御するためにパワーモジュールが使用されている。これらに実装される半導体素子から発生する熱も増加の一途をたどっている。このため、パワーモジュール用の回路基板では放熱性が重要となっている。高熱伝導セラミックス基板を用い、このセラミックス基板に銅やアルミニウム等の金属板を接合した、セラミックス−金属接合回路基板が広く用いられている。

高熱伝導セラミックス基板は、高熱伝導性と高電気絶縁性を有する窒化珪素や窒化アルミニウム基板が用いられ、Ａｇ−Ｃｕを含む活性金属ろう材を用いて金属板と接合したセラミックス−金属接合回路基板が広く用いられている。金属板としては、アルミニウムよりも電気伝導性および熱伝導性に優れる銅を使用することが一般的である。銅は、アルミニウムよりも高い降伏応力を有し、さらにセラミックスとの熱膨張差が大きいことから、銅板厚が厚くなるにしたがって、セラミックス−金属接合回路基板の耐熱サイクル性・耐熱衝撃性が低下し、セラミック基板へのクラック発生が生じやすくなるため信頼性が低下する問題点がある。

上記問題点は、特許文献１，２等で報告されている。特許文献１，２は、ろう材層を銅回路板よりも外側にはみ出させることでセラミック基板に生じる銅回路基板の端面部分での応力集中を緩和させることで信頼性を向上させるものである。

セラミックス−金属接合回路基板においては、半導体素子の搭載および接続のために、銅回路板に所定の回路パターンが形成される。この回路パターンは、位置および形状に対して高精細が要求され、高精細パターンを得るために、セラミック基板に１枚の銅板を接合した後にエッチング加工によって回路パターンを形成する方法が一般的に用いられている。

特開平１０−１９０１７６号公報 特開平１１−３４０５９８号公報

しかしながら、銅回路板よりも外側にはみ出すろう材層を設ける際、このはみ出した部分と回路パターンとをエッチング加工により形成した場合においては、銅回路板からはみ出したろう材層に空隙が発生し、ろう材層をはみ出させることにより期待できる銅回路板端部の応力集中緩和となる熱応力の均一分散が起こらなくなり、セラミック基板のクラック発生などが生じ易くなってしまう問題点があることを本発明者らは究明した。

本発明の実施形態は、このような技術的課題に鑑みてなされたもので、空隙等による欠陥の少ないろう材はみ出し部を有し、耐熱サイクルが向上されたセラミックス回路基板及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の実施形態によれば、セラミックス基板と、銅回路板と、ろう材はみ出し部とを備えるセラミックス回路基板が提供される。銅回路板は、セラミックス基板の少なくとも一方の面に、Ａｇ、Ｃｕ及びＴｉを含むろう材層を介して接合されている。ろう材はみ出し部は、銅回路板の側面から外側にはみ出したろう材層で形成されている。ろう材はみ出し部中のＴｉ相およびＴｉＮ相の合計は３質量％以上で、かつセラミックス基板と銅回路板の間に介在されたろう材層中のＴｉ相およびＴｉＮ相の合計量と異なっている。ろう材はみ出し部における１個当たりの面積が２００μｍ^２以下の空隙が１つ以下（０を含む）である。

本発明の実施形態によれば、セラミックス回路基板の製造方法が提供される。当該製造方法は、セラミックス基板上における、銅回路パターン及びろう材はみ出し部となる領域以外の部分に第一のマスキングを施す工程と、
第一のマスキングが施されていない領域に、Ａｇ、Ｃｕ及びＴｉを含むろう材層を形成する工程と、
ろう材層上に銅板を載せ、加熱によりセラミックス基板と銅板を接合する工程と、
銅板上の銅回路パターンとなる領域に第二のマスキングを施す工程と、
エッチングにより銅回路パターンを形成する工程と
を備える。

本発明の実施形態によれば、空隙等による欠陥の少ないろう材はみ出し部を有し、耐熱サイクルが向上されたセラミックス回路基板及びその製造方法を提供することができる。

第２の実施形態における第一マスキング工程を模式的に示す断面図。 第２の実施形態におけるろう材の塗布・印刷工程を模式的に示す断面図。 第２の実施形態における銅板の積層工程を模式的に示す断面図。 第２の実施形態における第二マスキング工程を模式的に示す断面図。 第２の実施形態におけるエッチング工程を模式的に示す断面図。 第１の実施形態のセラミックス回路基板を模式的に示す断面図。 試料１７の回路基板の銅回路板を厚さ方向に切断した際に得られる断面の光学顕微鏡写真。

（第１の実施形態）
第１の実施形態のセラミックス回路基板は、セラミックス基板と、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接合された銅回路板と、銅回路板の側面から外側にはみ出したろう材層で形成されたろう材はみ出し部とを有する。ろう材層はＡｇ、Ｃｕ及びＴｉを含むろう材から形成される。本発明者らは、ろう材はみ出し部中のＴｉ相およびＴｉＮ相の合計を３質量％以上にし、かつその合計量を銅回路板とセラミックス基板の間に介在されたろう材層（以下、接合層と称する）中のＴｉ相およびＴｉＮ相の合計量と異なるものにし、さらに、ろう材はみ出し部における１個当たりの面積が２００μｍ^２以下の空隙を１つ以下（０を含む）にすることにより、銅回路板と電子部品との熱膨張差による熱ストレスが緩和されると共に接合欠陥が極めて少なくなるため、信頼性の高いセラミックス−金属接合回路基板を実現できることを初めて見出した。

ここで、接合層とセラミックス基板または銅回路板との境界は、Ａｇの分布によって決定され、Ａｇの存在している部分を接合層として境界を定める。また、１個当たりの面積が２００μｍ^２以下の空隙数は、例えば、ろう材はみ出し部における面積が２００μｍ^２の断面中の空隙を計測することで得られる。

ろう材はみ出し部中のＴｉ相およびＴｉＮ相の合計は、接合層中のＴｉ相およびＴｉＮ相の合計量よりも多いことが望ましい。これにより、熱ストレスを緩和する効果をより大きくすることができる。

ろう材はみ出し部中のＴｉ相およびＴｉＮ相の合計は３質量％以上４０質量％以下であることがより好ましい。Ｔｉ相およびＴｉＮ相の合計が４０質量％を超えると、Ｔｉ相およびＴｉＮ相が多くなり過ぎることになり、ろう材はみ出し部が硬くなり熱サイクル特性（ＴＣＴ特性）の低下を招く恐れがある。

ろう材層中のＴｉ相及びＴｉＮ相の合計量は、例えば、電子プローブ微量分析（ＥＰＭＡ）もしくはエネルギー分散性Ｘ線回折（ＥＤＸ）により測定可能である。

ろう材層は、Ａｇ：９０〜５０重量％、Ｓｎおよび／またはＩｎからなる元素：５〜１５重量％、Ｔｉ：０．１〜６重量％、残部Ｃｕおよび不可避不純物からなる組成のろう材を用いて形成されることが好ましい。この組成であるときに十分な効果が得られる。特にＴｉ含有量が２〜５重量％であることが好ましい。なお、上記組成は、セラミックス基板に塗布・印刷する前のろう材組成であり、接合後の接合層の組成は、塗布・印刷工程後に行われる活性金属接合工程（熱処理）等によって変化する。

ろう材はみ出し部のはみ出し長さが０．０１ｍｍ以上で、かつ銅回路板の間隔の３０％以下であることが好ましい。はみ出し長さを０．０１ｍｍ以上にすることにより、ろう材はみ出し部による応力集中緩和効果を十分に得ることができる。はみ出し長さを銅回路板の間隔の３０％以下にすることにより、銅回路板間の電機絶縁性を確保することができ、かつファインパターン化に対応することができる。はみ出し長さのより好ましい範囲は、銅回路板の間隔の０．０１％以上２０％以下である。

セラミックス基板は、例えば、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）あるいはアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）から形成することができる。窒化珪素基板は、耐熱サイクル特性と耐熱衝撃性の双方に優れたセラミックス回路基板が得られるため、好ましい。

特に、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）基板は熱伝導率８０Ｗ／ｍ・Ｋ以上かつ３点曲げ強度６００ＭＰａ以上の基板が好ましい。また、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）は熱伝導率１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上かつ３点曲げ強度４００ＭＰａ以上が好ましい。また、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）基板は熱伝導率２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上かつ３点曲げ強度４００ＭＰａ以上のものが好ましい。

銅回路板は、銅もしくは銅合金から形成される。銅回路板の厚さは、０．２５ｍｍ以上が好ましい。銅回路板の厚さが厚いほど、セラミックス基板と銅回路板端部に生じる応力が大きくなるため、ろう材はみ出し部による応力緩和を必要とするからである。銅回路板の厚さは０．２５ｍｍ以上０．８ｍｍ以下にすることがより好ましい。銅回路板の厚さが０．８ｍｍを超えると、銅回路板にはんだ付けにより搭載される電子部品と銅回路板との間に生じる応力が増加するため、ろう材はみ出し部による効果が十分に得られない恐れがある。

十分な耐熱サイクル改善効果を得るため、セラミックス基板が窒化珪素、窒化アルミニウムあるいはアルミナから形成され、かつ銅回路板の厚さを０．２５ｍｍ以上にすることが望ましい。

（第２の実施形態）
第１の実施形態のセラミックス回路基板は、第２の実施形態の製造方法が一例として示される。

第２の実施形態の方法は、セラミックス基板上における銅回路パターンとろう材はみ出し部となる領域以外の部分に第一のマスキングを施す工程と、
第一のマスキングが施されていない領域に、Ａｇ、Ｃｕ及びＴｉを含むろう材を塗布または印刷することによりろう材層を形成する工程と、
ろう材層上に銅板を載せ、加熱によりセラミックス基板と銅板を接合する工程と、
銅板上の銅回路パターンとなる領域に第二のマスキングを施す工程と、
エッチングにより銅回路パターンを形成する工程と
を有する。

以下、図１〜図６を参照して製造方法を説明する。

図１に示すように、セラミックス基板１上に第一のマスキング２を施す。第一のマスキング２は、銅回路パターン及びろう材はみ出し部になる領域３以外の部分に形成される。第一のマスキング２を行わない場合、銅回路間隔に必要以上にはみ出したろう材による導通の恐れがあるため、ろう材はみ出し部を、ろう材除去用のフッ酸やアルカリ液でエッチングする必要がある。このエッチングによりろう材はみ出し部に空隙が発生するため、銅回路板端部の応力集中緩和となる熱応力の均一分散が起こらなくなり、セラミック基板のクラック発生などが生じ易くなってしまうことを本発明者らは究明したのである。第一のマスキング工程を行うことにより、ろう材はみ出し部のエッチングが不要になるため、ろう材はみ出し部の気孔を少なくすることができ、大きな気孔の形成を防止できる。

次いで、図２に示すように、第一のマスキングが施されていない領域３に、Ａｇ、Ｃｕ及びＴｉを含むろう材４を印刷又は塗布する。印刷又は塗布されるろう材層４の面積は、銅回路板形状よりもはみ出す長さ分だけ大きくする。なお、はみ出させる方法は、予め銅回路板形状よりもはみ出す長さ分だけ大きくろう材を印刷・塗布する方法に限定されず、例えば、銅回路板形状と同形状に印刷・塗布したろう材を接合によりはみ出させる方法を採用することが可能である。また、ろう材層の厚さは１０〜４０μｍが好ましい。１０μｍ未満では十分な接合強度が得られないおそれがあり、４０μｍを超えるとこれ以上の効果が得られずコストアップの要因となる。

図３に示すように、ろう材層４上に銅板５を載せ、加熱によりセラミックス基板と銅板を接合する（活性金属接合法）。活性金属接合の条件は、真空中や窒素雰囲気のような不活性雰囲気中にて温度７００〜９００℃で１０〜１２０分間の加熱であることが望ましい。この活性金属接合により、ろう材層４中にＴｉ相およびＴｉＮ相が生成する。生成量は、例えば、使用するろう材の組成、活性金属接合の条件等により調整可能である。また、セラミックス基板が窒化物セラミックス基板（ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４など）の場合、ＴｉＮ相はろう材中のＴｉと窒化物セラミックス基板の窒素が反応してできるので、この点も考慮して調整する。

セラミックス基板１と銅板５には、位置合わせ用のマーキングが施されていることが望ましい。例えば、セラミックス基板１に位置合わせ用の穴もしくは溝を形成し、一方、銅板５にこの穴や溝と対応する突起を設けることができる。

次いで、図４に示すように、銅回路パターンとなる領域の銅板５上に第二のマスキング６を施す。その後、図５に示すように、銅板５における第二のマスキング６がなされていない箇所７をエッチングにより除去し、銅回路パターンを形成する。エッチング液は、銅板エッチング用のエッチング液を使用することができ、具体例は、塩化第二鉄、塩化第二銅等が挙げられる。銅板エッチング用のエッチング液を使用しているため、ろう材はみ出し部が必要以上にエッチング液にさらされると、ろう材中のＣｕがエッチングされてしまう。この現象が気孔の原因となる。

引き続き、第一、第二のマスキング２，６を除去することにより、図６に示すような第１の実施形態のセラミックス回路基板８が得られる。なお、第一、第二のマスキングは、印刷可能な有機インクレジスト等から形成することができる。

上記エッチングの際、銅回路パターン５の側面から外側にはみ出しているろう材層（ろう材はみ出し部）４ａ中のＣｕ成分の一部が一緒に除去されるため、ろう材はみ出し部４ａ中のＴｉ相およびＴｉＮ相の合計量のろう材はみ出し部４ａ全体に対する比率が増加する。一方、銅回路パターン５とセラミックス基板１の間に介在されているろう材層（接合層）４ｂの組成は、エッチングによる影響を受けない。その結果、ろう材はみ出し部４ａ中のＴｉ相およびＴｉＮ相の合計は、３質量％以上に増加し、かつ接合層４ｂ中のＴｉ相およびＴｉＮ相の合計量と異なるものになる。また、銅回路パターン形成のためのエッチングであるため、ろう材はみ出し部４を必要以上にエッチング液にさらさないで済むことから、ろう材はみ出し部４ａに空隙が発生せず、ろう材はみ出し部４ａ中の１個当たりの面積が２００μｍ^２以下の空隙が１つ以下（０を含む）になる。なお、２００μｍ^２を超える空隙が存在しないことは言うまでもない。

ろう材はみ出し部４ａ中のＴｉ相およびＴｉＮ相の合計量は、ろう材はみ出し部の長さ、エッチング条件等により調整可能である。また、１個当たりの面積が２００μｍ^２以下の空隙数は、エッチング条件等により調整可能である。例えば、エッチング液中の塩化第二鉄や塩化第二銅の濃度を１５ｗｔ％以下と少なめにすることなどが挙げられる。なお、エッチング液中の塩化第二鉄や塩化第二銅の濃度の下限は特に限定されるものではないが、あまり少ないとエッチングの進行が遅くなり製造時間が長くなるので５ｗｔ％以上が好ましい。また、ろう材はみ出し部４ａの形状は図６に示した断面Ｒ形状に限られるものではなく、断面長方形形状であってもよい。

また、エッチング処理後の銅回路パターン５の端面は断面Ｒ形状、斜面形状（銅回路パターン５の上面からろう材層４側に向かう下り斜面、例えば、富士山の裾野のような裾野形状）であることが好ましい。このような形状であれば、銅回路板の端面の応力を緩和し易い。

以下、実施例で更に具体的に本発明の実施形態を説明する。

（試料１〜９）
各試料を以下に説明する方法で製造した。まず、５０×６０ｍｍのセラミックス基板の銅回路パターン形成面に第一のマスキングを行った。第一のマスキングは、銅回路パターンとろう材はみ出し部となる所定のサイズの領域を除いて行った。次に、第一のマスキングを形成していない領域にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材（Ａｇ６７重量％−Ｃｕ２０重量％−Ｓｎ１０重量％−Ｔｉ３重量％）を厚さ１５μｍで印刷、また裏面にも厚さ１５μｍで印刷し、セラミックス基板の両面に銅板を配置し、真空中１０^−３Ｐａ、８００℃で４０分間の加熱によりセラミック基板と接合した。銅回路板は、２０×２０ｍｍの銅板を１ｍｍ間隔で２枚配置した。

次に、銅板上にパターン形状の第二のマスキング（エッチングレジスト）を印刷し、塩化第二鉄液（塩化第二鉄の濃度５〜１５ｗｔ％）によってエッチング処理を行って回路パターンを形成した後、レジストを剥離して回路基板を得た。なお、試料１，２で用いるＡｌＮ基板および試料３，４のＡｌ_２Ｏ_３基板の厚さは０．６３５ｍｍ、試料５〜９で用いるＳｉ_３Ｎ_４基板の厚さは０．３２ｍｍとした。また、ＡｌＮ基板は熱伝導率１７０Ｗ／ｍ・Ｋかつ３点曲げ強度４５０ＭＰａ、Ａｌ_２Ｏ_３基板は熱伝導率２５Ｗ／ｍ・Ｋかつ３点曲げ強度４５０ＭＰａ、Ｓｉ_３Ｎ_４基板は熱伝導率９０Ｗ／ｍ・Ｋかつ３点曲げ強度７００ＭＰａのものを用いた。

銅回路板厚さ、セラミックス基板材種、銅回路板の側面から外側へのはみ出し量（ｍｍ単位及び銅回路間隔を１００％とした際の割合）、接合層中におけるＴｉ相およびＴｉＮ相の合計量、はみ出しろう材中におけるＴｉ相およびＴｉＮ相の合計量、はみ出しろう材中の１個当たりの面積２００μｍ^２以下の空隙数を下記表１に示す。

また、得られたセラミックス回路基板について、目視及び超音波探傷による接合不良とろう接欠陥を検査し、−５０℃、３０分→室温、１０分→１５５℃、３０分→室温、１０分を１サイクルとして熱サイクル試験を実施した。試験後の回路基板については、目視や超音波探傷により、回路板の剥離やセラミックス基板のクラック発生等、異常の有無を検査した。検査した後の結果を下記表１に示す。

ＡｌＮ基板を用いた試料１と試料２の結果から、はみ出しろう材中のＴｉ相およびＴｉＮ相の合計が３質量％以上かつ接合層中のＴｉ相およびＴｉＮ相の合計量と異なり、はみ出しろう材中の１個当たりの面積が２００μｍ^２以下の空隙が１つ以下である試料１，２は、耐熱サイクルに優れていることがわかる。

Ａｌ_２Ｏ_３基板を用いた試料３と試料４の結果から、はみ出しろう材中のＴｉ相およびＴｉＮ相の合計が３質量％以上かつ接合層中のＴｉ相およびＴｉＮ相の合計量と異なり、はみ出しろう材中の１個当たりの面積が２００μｍ^２以下の空隙が１つ以下である試料３，４は、耐熱サイクルに優れていることがわかる。

Ｓｉ_３Ｎ_４基板を用いた試料５〜９の結果から、はみ出しろう材中のＴｉ相およびＴｉＮ相の合計が３質量％以上かつ接合層中のＴｉ相およびＴｉＮ相の合計量と異なり、はみ出しろう材中の１個当たりの面積が２００μｍ^２以下の空隙が１つ以下である試料５〜９は、耐熱サイクルに優れていることがわかる。なお、試料１〜９は面積２００μｍ^２を超える空隙は存在しなかった。また、試料１〜９は銅回路板の端面は傾斜形状（裾野形状）となっていた。

（比較例１）
セラミックス基板（ＡｌＮ基板）の全面に試料１〜９で用いるのと同様な組成のＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材を厚さ１５μｍで塗布し、その上に銅板を接合し、加熱接合した。その後、塩化第二鉄で銅板をパターン形状にエッチングし、さらにフッ酸を用いてはみ出しろう材をエッチングした。はみ出し量は試料２と同様に０．１２ｍｍとした。はみ出しろう材中の１個当たりの面積２００μｍ^２以下の空隙数をカウントしたところ、８個であった。また、試料１〜９と同様の熱サイクル試験を行ったところ、３４０回となった。

（試料１１〜１５）
Ａｇ６３重量％、Ｃｕ３２重量％及びＴｉ５重量％を含む活性金属ろう材組成を用いて、銅板と窒化珪素基板（板厚０．３２ｍｍ）を接合したセラミックス回路基板を製造した。マスキング及び活性金属接合は、試料１〜９で説明したのと同様な条件で行った。

銅回路板厚さ、セラミックス基板材種、銅回路板の側面から外側へのはみ出し量（ｍｍ単位及び銅回路間隔を１００％とした際の割合）、接合層中におけるＴｉ相およびＴｉＮ相の合計量、はみ出しろう材中におけるＴｉ相およびＴｉＮ相の合計量、はみ出しろう材中の１個当たりの面積２００μｍ^２以下の空隙数を下記表２に示す。

また、試料１〜９で説明したのと同様な条件の熱サイクル試験を実施して測定した耐熱サイクル数を下記表２に示す。

表２の結果から、活性金属ろう材の組成を変更した場合にも、はみ出しろう材中のＴｉ相およびＴｉＮ相の合計が３質量％以上かつ接合層中のＴｉ相およびＴｉＮ相の合計量と異なり、はみ出しろう材における１個当たりの面積が２００μｍ^２以下の空隙が１つ以下である試料１１〜１５は、耐熱サイクル特性に優れていることがわかる。また、セラミックス基板として窒化珪素を用いた場合は３０００回の熱サイクル後も、接合欠陥がなく、セラミック基板と銅回路板端部の間にクラックが認められず、耐熱衝撃性にも優れていた。なお、試料１１〜１５は面積２００μｍ^２を超える空隙は存在しなかった。また、試料１１〜１５は銅回路板の端面は傾斜形状（裾野形状）となっていた。

（試料１６〜１９）
４０×６０×０．３２ｍｍの窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）基板の銅回路パターン形成面に第一のマスキングを行った。第一のマスキングは、銅回路パターンとろう材はみ出し部となる所定のサイズの領域を除いて行った。次に、第一のマスキングを形成していない領域にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材を印刷、また裏面にも印刷し、窒化珪素基板の両面に銅板を配置し、真空中１０^−３Ｐａ、７６０〜８１０℃で２０〜５０分間の加熱により窒化珪素基板と接合した。銅回路板は、１５×２０×０．３ｍｍの銅板を１ｍｍ間隔で２枚配置した。なお、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉろう材の組成およびろう材層厚さは表３の通りとした。なお、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）基板は熱伝導率８５Ｗ／ｍ・Ｋかつ３点曲げ強度７５０ＭＰａのものを用いた。

次に、銅板上にパターン形状の第二のマスキング（エッチングレジスト）を印刷し、塩化第二銅液（塩化第二銅の濃度５〜１５ｗｔ％）によってエッチング処理を行って回路パターンを形成した後、レジストを剥離して回路基板を得た。

得られた窒化珪素回路基板に対し、試料１と同様の測定を行った。その結果を表４に示す。

表３、表４から分かる通り、ろう材組成やろう材層厚さを変えても優れた特性を示すことが確認された。また、窒化珪素基板を用いているので５０００回の熱サイクル後も、接合欠陥がなく、窒化珪素基板と銅回路板端部の間にクラックが認められず、耐熱衝撃性にも優れていた。なお、試料１６〜１９は面積２００μｍ^２を超える空隙は存在しなかった。また、試料１７は、図７の銅回路板５の厚さ方向の断面の光学顕微鏡写真に示す通り、銅回路板５の端面は傾斜形状（裾野形状）となっていた。また、他の試料に関しても同様の形状となっていた。

以上説明した通りに、本発明の実施形態及び実施例によると、信頼性の高いセラミックス回路基板ができることから産業上極めて有効である。

１…セラミックス基板、２…第一のマスキング、３…銅回路パターン及びろう材はみ出し部になる領域、４…ろう材層、５…銅板、６…第二のマスキング、８…セラミックス回路基板。

本発明の実施形態は、セラミックス回路基板の製造方法に関する。

本発明の実施形態は、このような技術的課題に鑑みてなされたもので、空隙等による欠陥の少ないろう材はみ出し部を有し、耐熱サイクルが向上されたセラミックス回路基板の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の実施形態によれば、セラミックス基板の少なくとも一方の面に、Ａｇ、Ｃｕ及びＴｉを含むろう材層を介して銅回路パターンとしての銅回路板を接合する工程、および前記銅回路板の側面から外側にはみ出した前記ろう材層で形成されたろう材はみ出し部を形成する工程を含むセラミックス回路基板の製造方法である。前記ろう材層は、前記セラミックス基板と前記銅回路板との間に介在した接合層部から外側にはみ出した、長さが０．０１ｍｍ以上で、かつ銅回路板の間隔の３０％以下であるろう材はみ出し部を有し、前記ろう材層は、Ａｇ：９０〜５０重量％、Ｓｎおよび／またはＩｎからなる元素：５〜１５重量％、Ｔｉ：０．１〜６重量％、残部Ｃｕおよび不可避不純物からなる組成を有する。前記ろう材はみ出し部中のＴｉ相およびＴｉＮ相の合計割合は、３質量％以上４０質量％以下で、かつ前記ろう材層の接合層部中のＴｉ相およびＴｉＮ相の合計割合よりも多く、前記ろう材はみ出し部において、１個当たりの面積が２００μｍ ^２ を超える空隙が存在せず、かつ１個当たりの面積が２００μｍ^２以下の空隙が１つ以下（０を含む）である。

本発明の実施形態によれば、空隙等による欠陥の少ないろう材はみ出し部を有し、耐熱サイクルが向上されたセラミックス回路基板の製造方法を提供することができる。

以上説明した通り、本発明の実施形態及び実施例によると、信頼性の高いセラミックス回路基板ができることから産業上極めて有効である。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[１] セラミックス基板と、
前記セラミックス基板の少なくとも一方の面に、Ａｇ、Ｃｕ及びＴｉを含むろう材層を介して接合された銅回路板と、
前記銅回路板の側面から外側にはみ出した前記ろう材層で形成されたろう材はみ出し部とを備えるセラミックス回路基板であって、
前記ろう材はみ出し部中のＴｉ相およびＴｉＮ相の合計は３質量％以上で、かつ前記セラミックス基板と前記銅回路板の間に介在された前記ろう材層中のＴｉ相およびＴｉＮ相の合計量と異なり、前記ろう材はみ出し部における１個当たりの面積が２００μｍ ^２ 以下の空隙が１つ以下（０を含む）であることを特徴とするセラミックス回路基板。
[２] 前記ろう材はみ出し部中のＴｉ相およびＴｉＮ相の合計は３質量％以上４０質量％以下であることを特徴とする上記[１]記載のセラミックス回路基板。
[３] 前記ろう材はみ出し部のはみ出し長さが０．０１ｍｍ以上で、かつ前記銅回路板の間隔の３０％以下であることを特徴とする上記[１]または[２]のいずれか１項に記載のセラミックス回路基板。
[４] 前記セラミックス基板が窒化珪素、窒化アルミニウムあるいはアルミナからなり、前記銅回路板の厚さが０．２５ｍｍ以上であることを特徴とする上記[１]ないし上記[３]のいずれか１項に記載のセラミックス回路基板。
[５] 前記ろう材層は、Ａｇ：９０〜５０重量％、Ｓｎおよび／またはＩｎからなる元素：５〜１５重量％、Ｔｉ：０．１〜６重量％、残部Ｃｕおよび不可避不純物からなる組成のろう材を用いて形成されることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のセラミックス回路基板。
[６] セラミックス基板上における、銅回路パターン及びろう材はみ出し部となる領域以外の部分に第一のマスキングを施す工程と、
前記第一のマスキングが施されていない領域に、Ａｇ、Ｃｕ及びＴｉを含むろう材層を形成する工程と、
前記ろう材層上に銅板を載せ、加熱により前記セラミックス基板と前記銅板を接合する工程と、
前記銅板上の銅回路パターンとなる領域に第二のマスキングを施す工程と、
エッチングにより銅回路パターンを形成する工程と
を備えることを特徴とするセラミックス回路基板の製造方法。
[７] 前記エッチングに用いるエッチング液が塩化第二鉄または塩化第二銅であることを特徴とする上記[６]記載のセラミックス回路基板の製造方法。
[８] 前記セラミックス基板と前記銅板に位置合わせ用マーキングが施されていることを特徴とする上記[６]または[７]のいずれか１項に記載のセラミックス基板の製造方法。
[９] 前記第一のマスキング及び前記第二のマスキングの材料が印刷可能な有機インクレジストであることを特徴とする上記[６]ないし上記[８]のいずれか１項に記載のセラミックス回路基板の製造方法。

Claims (9)

1. セラミックス基板と、
   前記セラミックス基板の少なくとも一方の面に、Ａｇ、Ｃｕ及びＴｉを含むろう材層を介して接合された銅回路板と、
   前記銅回路板の側面から外側にはみ出した前記ろう材層で形成されたろう材はみ出し部とを備えるセラミックス回路基板であって、
   前記ろう材はみ出し部中のＴｉ相およびＴｉＮ相の合計は３質量％以上で、かつ前記セラミックス基板と前記銅回路板の間に介在された前記ろう材層中のＴｉ相およびＴｉＮ相の合計量と異なり、前記ろう材はみ出し部における１個当たりの面積が２００μｍ^２以下の空隙が１つ以下（０を含む）であることを特徴とするセラミックス回路基板。
2. 前記ろう材はみ出し部中のＴｉ相およびＴｉＮ相の合計は３質量％以上４０質量％以下であることを特徴とする請求項１記載のセラミックス回路基板。
3. 前記ろう材はみ出し部のはみ出し長さが０．０１ｍｍ以上で、かつ前記銅回路板の間隔の３０％以下であることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項に記載のセラミックス回路基板。
4. 前記セラミックス基板が窒化珪素、窒化アルミニウムあるいはアルミナからなり、前記銅回路板の厚さが０．２５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のセラミックス回路基板。
5. 前記ろう材層は、Ａｇ：９０〜５０重量％、Ｓｎおよび／またはＩｎからなる元素：５〜１５重量％、Ｔｉ：０．１〜６重量％、残部Ｃｕおよび不可避不純物からなる組成のろう材を用いて形成されることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のセラミックス回路基板。
6. セラミックス基板上における、銅回路パターン及びろう材はみ出し部となる領域以外の部分に第一のマスキングを施す工程と、
   前記第一のマスキングが施されていない領域に、Ａｇ、Ｃｕ及びＴｉを含むろう材層を形成する工程と、
   前記ろう材層上に銅板を載せ、加熱により前記セラミックス基板と前記銅板を接合する工程と、
   前記銅板上の銅回路パターンとなる領域に第二のマスキングを施す工程と、
   エッチングにより銅回路パターンを形成する工程と
   を備えることを特徴とするセラミックス回路基板の製造方法。
7. 前記エッチングに用いるエッチング液が塩化第二鉄または塩化第二銅であることを特徴とする請求項６記載のセラミックス回路基板の製造方法。
8. 前記セラミックス基板と前記銅板に位置合わせ用マーキングが施されていることを特徴とする請求項６または請求項７のいずれか１項に記載のセラミックス基板の製造方法。
9. 前記第一のマスキング及び前記第二のマスキングの材料が印刷可能な有機インクレジストであることを特徴とする請求項６ないし請求項８のいずれか１項に記載のセラミックス回路基板の製造方法。

Images