JP7851925B2 - 接合体の製造方法およびそれを用いたセラミックス回路基板の製造方法 - Google Patents

Description

後述する実施形態は、おおむね、接合体の製造方法およびそれを用いたセラミックス回路基板の製造方法に関する。

セラミックス回路基板は、半導体素子を実装する回路基板に用いられている。例えば、特許第６７８９９５５号公報（特許文献１）には、接合層はみだし部のサイズを制御したセラミックス回路基板が開示されている。特許文献１のセラミックス回路基板は、優れた温度サイクル試験（ＴＣＴ）特性を示している。
セラミックス回路基板では、セラミックス基板と銅板がろう材層を介して接合されている。ろう材層には、Ｔｉを含んだ活性金属ろう材が用いられる。活性金属ろう材を用いた接合法は、活性金属接合法と呼ばれている。活性金属接合法は、７００～９００℃で行われている。また、加熱工程は、真空中で行われている。真空中で接合することにより、ろう材中のＴｉとセラミックス基板の反応が促進される。例えば、窒化珪素基板を用いたときは、Ｔｉと窒素が反応して窒化チタン層が形成される。窒化チタン層が形成されることにより、窒化珪素基板と銅板が強固に接合される。
従来、真空中での接合には、バッチ炉が用いられている。バッチ炉は、炉内を密閉状態にすることにより真空にできる。真空にするためには、真空引き工程が必要である。また、炉内を均一に温度上昇させる必要があるため、昇温速度は１～２℃／分程度であった。このため、バッチ炉は加熱温度に保持するまでの工程に時間がかかっていた。また、接合温度から常温に下げることにも時間がかかっていた。バッチ炉では常温に下げないと接合体が取り出せない。強制的な冷却を行って常温に戻すと、バッチ炉の破損の原因になる可能性があった。また、炉のサイズによって、一度に処理できる量が決まっていた。つまり、バッチ炉を用いた活性金属接合法は、量産性に優れているとは言えなかった。
量産性の向上のために、活性金属接合法を連続炉で実施することが行われている。例えば、特開平７－１８７８３９号公報（特許文献２）では、連続炉を用いて窒素雰囲気中で接合することが開示されている。窒素雰囲気中で接合できるため、真空引き工程が不要である。また、連続炉はベルトコンベアなどで搬送しながら、加熱接合することができる。

特許第６７８９９５５号公報 特開平７－１８７８３９号公報

特許文献２のセラミックス回路基板であっても、一定のＴＣＴ特性を有していた。しかしながら、必ずしも歩留まりが良いとは言えなかった。また、接合状態にばらつきがあり、ＴＣＴ特性の更なる向上は実現されていない。近年は、半導体素子の動作保証温度が１７０℃程度まで上昇している。今後は、２００℃以上になると見込まれている。特許文献２のセラミックス回路基板では、十分な特性が得られていなかった。
本発明は、このような課題に対処するためのものであり、連続炉を用いた歩留まりのよい接合体の製造方法を提供するためのものである。

実施形態に係る接合体の製造方法は、連続炉を用いて、金属部材と、セラミックス部材と、それらの間に設けられたろう材層と、を含む積層体を搬送しながら処理する接合体の製造方法であって、不活性雰囲気中で２００℃から接合温度までの前記積層体の平均昇温速度を１５℃／分以上で、前記積層体を加熱する工程と、不活性雰囲気中で６００℃以上９５０℃以下の範囲内の前記接合温度で前記積層体を接合する工程と、前記接合温度から２００℃まで、前記積層体の平均降温速度を１５℃／分以上で、前記積層体を冷却する工程と、を備えたことを特徴とする。

実施形態に係る接合体の一例を示す図。 実施形態に係る接合体の別の一例を示す図。 連続炉を用いた実施形態に係る接合体の製造方法の一例を示す図。 連続炉における積層体の温度プロファイルの一例を示す図。 実施形態に係るセラミックス回路基板一例を示す図。

実施形態に係る接合体の製造方法は、連続炉を用いて、金属部材と、セラミックス部材と、それらの間に設けられたろう材層と、を含む積層体を搬送しながら処理する接合体の製造方法であって、不活性雰囲気中で２００℃から接合温度までの前記積層体の平均昇温速度を１５℃／分以上で、前記積層体を加熱する工程と、不活性雰囲気中で６００℃以上９５０℃以下の範囲内の前記接合温度で前記積層体を接合する工程と、前記接合温度から２００℃まで、前記積層体の平均降温速度を１５℃／分以上で、前記積層体を冷却する工程と、を備えたことを特徴とする。
連続炉とは、加熱対象品を搬送しながら加熱する炉のことである。連続炉は、搬送方式によって、ベルトコンベア方式、ウォーキングビーム方式、プッシャー方式、ローラーハース方式などに分類される。加熱対象品の搬送には、ベルトコンベア及び搬送トレイなどが使われる。炉内の熱処理領域をトンネル状に囲ったものをトンネル炉と呼ぶこともある。トンネル炉は連続炉の一種である。連続炉は、加熱対象品を搬送しながら加熱することができるので量産性に優れている。
搬送される加熱対象品は、金属部材、ろう材層およびセラミックス部材の３層以上の積層構造を有する積層体である。積層体が加熱接合されることにより、接合体となる。図１および図２は、接合体の一例を示す。図１及び図２において、１は接合体、２はセラミックス基板、３はろう材層、４は金属板である。また、セラミックス基板２の片面のみに金属板４を接合した接合体を１－１とした。セラミックス基板の両面に金属板４を接合した接合体を１－２とした。接合体１－２において、セラミックス基板２には、一対の金属板４が、それぞれろう材層３を介して接合されている。セラミックス基板２は、一対の金属板４の間に位置している。
図３は、連続炉を用いた実施形態に係る接合体の製造方法の一例を示す。図３において、５は積層体、６はベルトコンベア、７は導入管、８は排気管、１０は連続炉である。図３では、ベルトコンベア方式の連続炉を例示した。連続炉の構造は、この例に限定されない。また、便宜上、積層体の搬送方向を左から右に向かう方向に設定したが、これに限定されない。
図１～３では、金属部材として金属板を例示し、セラミックス部材としてセラミックス基板を例示している。実施形態に係る接合体の構成は、この例に限定されない。金属部材およびセラミックス部材のどちらか一方または両方が、板状でなく、凹凸形状を有していても良い。
以下、金属部材が金属板であり、セラミックス部材がセラミックス基板である例を参照して実施形態を説明する。金属部材及びセラミックス部材が平板形状以外である場合には、以下の説明における金属板を金属部材に置き換え、セラミックス基板をセラミックス部材に置き換えることができる。
接合体１－１を作るための積層体は、金属板４、ろう材層３、セラミックス基板２の３層構造を有する。接合体１－２を作るための積層体は、金属板４、ろう材層３、セラミックス基板２、ろう材層３、金属板４の５層構造を有する。積層体は、金属板４、ろう材層３、セラミックス基板２、ろう材層３、金属板４、ろう材層３、セラミックス基板２のように７層構造を有しても良い。また、必要に応じ、積層数を増やしても良い。
連続炉を用いた製造方法では、積層体が搬送されながら加熱される。積層体の搬送速度は、一定であっても良いし、途中で変化しても良い。また、必要に応じて、途中で積層体の搬送を止めても良い。また、搬送経路は直線であってもよいし、曲がっていてもよい。また、搬送経路は平坦でもよいし、坂道（上り坂または下り阪）があってもよい。搬送経路は直線かつ平坦であることが好ましい。直線かつ平坦であると、積層体の積層構造がずれるのを抑制することができる。

連続炉を用いた製造方法は、昇温工程、加熱接合工程、降温工程の３つの工程を有している。昇温工程は、接合温度まで積層体の温度を上げていく工程である。加熱接合工程は、積層体を接合温度に保持する工程である。降温工程は、接合温度から積層体の温度を下げていく工程である。
昇温工程は、２００℃から接合温度まで積層体を加熱する工程である。昇温工程における積層体の平均昇温速度は１５℃／分以上である。２００℃から接合温度までの積層体の昇温速度の平均値が、平均昇温速度である。平均昇温速度が１５℃／分以上と早くすることにより、昇温時間を短くすることができる。また、昇温速度は一定で合っても良いし、途中で変化しても良い。また、昇温工程を不活性雰囲気中で行っても良い。
バッチ炉では、真空引きする工程に時間がかかっていた。また、バッチ炉では、密閉空間に積層体を配置して昇温しているため、昇温速度は１～３℃／分程度であった。このため、量産性に優れているとは言えなかった。また、バッチ炉の密閉空間を大きくすると、真空引きの時間が長くなる。この点からもバッチ炉を使った方法では量産性の向上には限界があった。

２００℃から接合温度まで積層体の平均昇温速度を１５℃／分以上とすることにより、昇温工程の時間を短縮できる。また、不活性雰囲気中で行うことにより、真空引き工程が不要となる。この点からも時間を短縮できる。
平均昇温速度が１５℃／分未満であると時間短縮の効果が不足する。また、積層体を搬送しながらの昇温速度が遅いと、搬送距離が長くなる。搬送距離が長いと装置の大型化を招く。そのため、平均昇温速度は１５℃／分以上であることが有効である。なお、平均昇温速度の上限は特に限定されないが、１００℃／分以下が好ましい。平均昇温速度が１００℃／分を超えると積層体に伝わる熱にばらつきが出る可能性がある。積層体に伝わる熱にばらつきが生じると接合性にばらつきがでる。接合性のばらつきは、接合強度又は反りなどに不具合が生じる可能性がある。このため、平均昇温速度は１５℃／分以上１００℃／分以下、さらには２０℃／分以上７０℃／分以下の範囲内が好ましい。また、平均昇温速度は３０℃／分以上７０℃／分以下の範囲内がさらに好ましい。
また、積層体の温度測定について、熱電対を取付けた積層体を連続炉内を通過させる方法が有効である。昇温工程、加熱接合工程、及び降温工程を行い、積層体の温度プロファイルを測定する。温度プロファイルから、平均昇温速度、接合温度の保持時間、及び平均降温速度を算出する。

加熱接合工程は、接合温度で積層体を加熱接合する工程である。
昇温工程および加熱接合工程は、窒素雰囲気またはアルゴン雰囲気から選ばれる１種または２種である不活性雰囲気中で行われる。
接合温度は、６００℃以上９５０℃以下の範囲内である。接合温度が６００℃未満では接合性が低下する。接合温度が９５０℃を超えると、接合体に反りが生じる。このため、接合温度は６００℃以上９５０℃以下、さらには７００℃以上９２０℃以下の範囲内が好ましい。また、６００℃以上９５０℃以下の範囲内の接合温度から、±３０℃の範囲内に制御された温度域を接合温度域とする。例えば、接合温度が８５０℃の場合、接合温度域は、８５０℃±３０℃の範囲内に制御されている温度域のことを示す。また、接合温度域は、接合温度から±１０℃の範囲内に制御されていることが好ましい。言い換えると、変動が６０℃以内に抑えられた温度域のうち中心の温度を、接合温度とする。接合温度が一定温度であると接合性が安定する。
金属板が銅板である場合は、接合温度は７００℃以上９５０℃以下、さらには８５０℃以上９２０℃以下の範囲内が好ましい。また、金属板がアルミニウム板である場合、接合温度は６００℃以上９５０℃以下、さらには６２０℃以上９２０℃以下の範囲内であることが好ましい。
積層体を接合温度で保持する時間は、３分以上であることが好ましい。連続炉は、積層体を搬送しながら加熱接合する。つまり、接合温度に保持された積層体が炉内を３分以上かけて搬送することが好ましい。接合温度の保持時間の上限は特に限定されないが、６０分以下が好ましい。接合温度の保持時間が長くなると、搬送距離が長くなり連続炉の大型化を招く可能性がある。また、接合体の反りなどが生じる可能性がある。このため、接合温度の保持時間は３分以上６０分以下、さらには５分以上４０分以下が好ましい。

降温工程は、接合温度から２００℃まで積層体を冷却する工程である。降温工程における積層体の平均降温速度は１５℃／分以上である。降温工程の温度範囲の境界を２００℃に設定したのは、後述するろう材層の凝固反応が３００℃程度まで発生しうるためである。降温工程において、ろう材層の凝固反応がほぼ完了するまでの温度域までの降温速度を早くすることが有効である。降温工程の平均降温速度を早くすることにより、時間の短縮を図ることができる。降温工程も不活性雰囲気中で行うことが好ましい。不活性雰囲気は、窒素雰囲気であることが好ましい。
平均降温速度が１５℃／分未満であると、時間短縮の効果が不足する。また、積層体を搬送しながらの降温速度が遅いと、搬送距離が長くなる。搬送距離が長いと装置の大型化を招く。そのため、平均降温速度は、１５℃／分以上であることが有効である。なお、平均降温速度の上限は特に限定されないが、１００℃／分以下が好ましい。平均降温速度が１００℃／分を超えると、積層体の冷却が早すぎることで熱応力が生じ、この接合体を用いた回路基板の信頼性が低下する。また、接合性のばらつき、又は接合強度および接合体の反りなどの不具合が生じる可能性がある。このため、平均降温速度は、１５℃／分以上１００℃／分以下、さらには２０℃／分以上７０℃／分以下の範囲内が好ましい。また、平均降温速度は、３０℃／分以上７０℃／分以下の範囲内がさらに好ましい。

平均昇温速度と平均降温速度の差は、２０℃／分以内であることが好ましい。平均昇温速度と平均降温速度の差は、｜平均昇温速度－平均降温速度｜≦２０℃／分、で示される。ろう材層が加熱されることで、溶解反応と凝固反応が生じる。これらの反応は、昇温工程と降温工程でおきる。平均昇温速度と平均降温速度の差を小さくすることにより、反応で起きる応力を均質化することができる。これにより、反りなどの不具合を抑制することができる。なお、室温から２００℃までに昇温速度は任意である。同様に２００℃から室温までの降温速度は任意である。

上記のように、連続炉を用いた接合体の製造方法は、昇温工程、加熱接合工程、降温工程の３つの工程を含む。これらの工程は、連続炉内で処理ゾーンに分かれていても良い。また、それぞれの処理ゾーンを複数に分けてもよい。ゾーン同士の境界に、積層体の搬送経路を除いて仕切り等が設けられても良い。それぞれのゾーンの加熱温度は、昇温工程における積層体の平均昇温速度及び加熱接合工程における積層体の接合温度に応じて設定することが有効である。例えば、それぞれのゾーンに設けられたヒータの温度を調整することで、加熱温度の制御が可能となる。また、降温工程では降温のための温度管理（例えば冷却機構による温度管理）を行うことが挙げられる。
例えば、昇温工程を、常温ゾーン、常温から２００℃、２００℃から４００℃、４００℃から６００℃、６００℃から接合温度まで、接合温度で保持するゾーン、のように複数の処理ゾーンを分けてもよい。
昇温工程の最初に加熱する処理ゾーンにおいて、積層体の温度は１５０℃以上４００℃以下の範囲内であることが好ましい。最初に加熱する処理ゾーンとは、連続炉内の最初の加熱ゾーンである。実施形態にかかる接合体の製造方法は、昇温工程において２００℃から接合温度までの昇温速度を制御している。最初に加熱する処理ゾーンにおいて、積層体の温度を１５０℃以上４００℃以下の範囲内にしておくことにより、２００℃からの昇温速度を制御し易くなる。このため、最初に加熱する処理ゾーンにおいて、積層体の温度は１５０℃以上４００℃以下、さらには１８０℃以上３７０℃以下の範囲であることが好ましい。また、この温度範囲であると、ろう材ペースト中のバインダを脱脂する効果も得られる。
また、連続炉内は密閉空間ではない。例えば、連続炉内の圧力は、大気圧となる。
昇温工程、加熱接合工程、降温工程は不活性雰囲気中で行うことが好ましい。不活性雰囲気は、窒素雰囲気またはアルゴン雰囲気から選ばれる１種または２種である。窒素はアルゴンよりも安価である。このため、不活性雰囲気は窒素雰囲気であることが好ましい。窒素雰囲気中の窒素割合は、９０体積％以上１００体積％以下の範囲内であることが好ましい。窒素雰囲気中の窒素割合が９０体積％未満であると、接合性に悪影響が出る可能性がある。例えば、酸素ガスの含有量が増えると、ろう材層が酸化されるため接合性に悪影響がでる可能性がある。そのため、窒素雰囲気中の窒素の割合は、９０体積％以上１００体積％以下、さらには９８体積％以上１００体積％以下の範囲内であることが好ましい。なお、連続炉内に提供される窒素ガスの純度を、窒素雰囲気中の窒素の割合とみなす。また、昇温工程、加熱接合工程、降温工程が、複数の処理ゾーンに分かれている場合、それぞれの処理ゾーン内に提供される窒素ガスの純度（体積％）を、窒素雰囲気中の窒素の割合とみなす。また、窒素ガスの露点は、－５０℃以上０℃以下の範囲内であることが好ましい。連続炉内に供給される窒素ガスの露点を計測することにより、露点を把握することができる。露点とは、気体中の水蒸気が結露する温度のことである。窒素ガスの露点を前述の範囲内とすることにより、連続炉内に水蒸気が発生するのを抑制することができる。連続炉内の雰囲気に水蒸気が存在すると接合性に影響を与えることから、窒素ガスの露点を制御することは有効である。

図４は、連続炉における積層体の温度プロファイルの一例である。図４に示すグラフにおいて、横軸は時間を表し、縦軸は積層体の温度を表す。図４には、連続炉において、積層体の温度が２００度以上のときの温度プロファイルが示されている。
図４に示す例では、昇温工程の最初に加熱する処理ゾーンにおいて、積層体が２００℃まで加熱されている。その後の昇温工程Ｓ１において積層体が８６０℃まで加熱されている。平均昇温速度は、約７０℃／分である。昇温工程Ｓ１の後、加熱接合工程Ｓ２において、積層体は８６０℃の接合温度で５０分間保持される。加熱接合工程Ｓ２の後、降温工程Ｓ３において、積層体が２００℃まで冷却されている。平均降温速度は、約６０℃／分である。

また、積層体の平均搬送速度は、１ｃｍ／分以上であることが好ましい。平均搬送速度とは、昇温工程、加熱接合工程、降温工程を搬送する際の積層体の移動速度の平均値である。平均搬送速度が１ｃｍ／分未満であると、搬送速度が遅いため量産性が低下する可能性がある。なお、搬送を止める工程が含まれている場合は、止めている時間を搬送速度０ｃｍ／分としてカウントする。例えば、搬送速度５ｃｍ／分で３０分、搬送速度１０ｃｍ／分で１０分の工程であった場合、平均搬送速度は６．３ｃｍ／分となる。また、搬送速度５ｃｍ／分で６０分、搬送止め３０分の工程であった場合、平均搬送速度は３．３ｃｍ／分となる。
平均搬送速度の上限は特に限定されないが、３０ｃｍ／分以下であることが好ましい。平均搬送速度が速いと、搬送距離が長くなり、工程の大型化を招く可能性がある。また、平均搬送速度が速いと、積層体への熱の伝わり方が不均一になる可能性がある。このため、平均搬送速度は１ｃｍ／分以上３０ｃｍ／分以下、さらには８ｃｍ／分以上２０ｃｍ／分以下の範囲内が好ましい。この範囲内であると、積層体への熱の伝わり方を均一にした上で、量産性を向上させることができる。

不活性雰囲気は、導入管７から導入し、排気管８から排出することが好ましい。処理ゾーンが分かれているときは、処理ゾーンごとに導入管７および排気管８を設けても、導入管７と排気管８が処理ゾーンを跨いでいても良い。
積層体を加熱すると、ろう材層からガスが出ることもある。ガスとして、酸素ガス、炭化水素ガス、二酸化炭素ガス、一酸化炭素ガスなどが挙げられる。ろう材層から出たガスが滞留することを防ぐために排気管８を設けることが好ましい。また、連続炉１０内の積層体５の搬送方向の前方に導入管７、後方に排気管８があることが好ましい。これにより、ろう材層からでたガスが積層体５と接触するのを抑制することができる。ろう材から出たガスが滞留すると、金属板表面が変色する可能性がある。
また、連続炉内での搬送は、ベルトコンベア式であることが好ましい。ベルトコンベア式であると搬送速度の制御を行い易くなる。搬送時、ベルトコンベア上に直接、積層体を配置してもよい。搬送トレイ上に積層体を置き、搬送トレイをベルトコンベア上に配置しても良い。搬送ベルトにはメッシュベルトを用いてもよい。搬送トレイを用いる場合は、連続炉内においてウォーキングビーム方式で積層体を搬送する方式でもよい。

セラミックス基板２としては、窒化珪素基板、窒化アルミニウム基板、酸化アルミニウム基板、アルジル基板などが挙げられる。アルジル基板は、酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムが混合された基板である。
セラミックス基板２の厚さは、０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下が好ましい。基板厚さが０．１ｍｍ未満では、強度が低下する可能性がある。基板厚さが２ｍｍより厚いと、セラミックス基板が熱抵抗体となり、セラミックス回路基板の放熱性が低下する可能性がある。このため、セラミックス基板２の厚さは０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下、さらには０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下が好ましい。
窒化珪素基板は、５００ＭＰａ以上の３点曲げ強度を有することが好ましい。また、窒化珪素基板は、６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有することが好ましい。窒化珪素基板の強度を上げることにより、基板厚さを小さくできる。このため、窒化珪素基板の３点曲げ強度は、５００ＭＰａ以上、さらには６５０ＭＰａ以上が好ましい。窒化珪素基板の基板厚さを、０．４０ｍｍ以下、さらには０．３０ｍｍ以下に薄くできる。なお、窒化珪素基板の厚さは０．４０ｍｍ以下に限定されない。必要に応じ、セラミックス基板の厚さを変えてよい。
窒化アルミニウム基板の３点曲げ強度は、３００～４５０ＭＰａ程度である。その一方、窒化アルミニウム基板の熱伝導率は、１６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。窒化アルミニウム基板は強度が低いため、基板厚さは０．６０ｍｍ以上が好ましい。
酸化アルミニウム基板は、３００～４５０ＭＰａ程度の３点曲げ強度であるが、安価である。アルジル基板の３点曲げ強度は５５０ＭＰａ程度と高いが、熱伝導率は３０～５０Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。
セラミックス基板としては、窒化珪素基板が好ましい。窒化珪素基板の強度は高いため、厚い銅板を接合したとしても、優れた信頼性を得ることができる。

金属板４として、銅板、アルミニウム板、鉄合金板が挙げられる。また、銅板は、純銅板に限らず、銅合金板であってもよい。銅板としては、ＪＩＳ－Ｈ－３１００（２０１８）に示されるものが挙げられる。ＪＩＳ－Ｈ－３１００（２０１８）は、ＩＳＯ１３３７などに対応する。この中では、無酸素銅（銅純度９９．９６質量％以上）が好ましい。無酸素銅は純銅板の一種である。アルミニウム板は、純アルミニウム板に限らず、アルミニウム合金板であっても良い。アルミニウム板として、ＪＩＳ－Ｈ－４０００（２０１４）に示されるものが挙げられる。ＪＩＳ－Ｈ－４０００（２０１４）は、ＩＳＯ２０９（２００７）に対応する。また、金属板は銅板であることが好ましい。銅板の方がアルミニウム板よりも熱伝導率が高いためである。鉄合金板としてはステンレスが挙げられる。ステンレスは、Ｃｒを含有する鉄合金の一種である。ステンレスは、ＪＩＳ規格（日本工業規格）にてＳＵＳで表示されている。
また、金属板４の厚さは０．２ｍｍ以上であることが好ましい。金属板４を厚くすることにより、放熱性と通電容量の両方を向上させることができる。このため、金属板４の厚さは０．２ｍｍ以上、さらには０．５ｍｍ以上であることが好ましい。金属板４の厚さの上限は特に限定されないが、１０ｍｍ以下が好ましい。金属板が１０ｍｍを超えると、目的とする形状に加工する負担が増える可能性がある。また、金属板が３ｍｍを超えて厚いと、後述するエッチング工程を行うのが困難となる可能性がある。このため、エッチング工程を行う場合は、金属板の厚さは０．２ｍｍ以上３ｍｍ以下、さらには０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下が好ましい。また、エッチング工程を行わない場合は、目的とする形状に加工した金属板を用いる。

また、セラミックス基板２の縦横サイズは、金属板４の縦横サイズと同じであっても良いし、異なっていても良い。セラミックス基板２の縦横サイズと金属板４の縦横サイズが同じであるとは、セラミックス基板２の長さと金属板４の長さとの差が±２ｍｍの範囲内であることを示す。
セラミックス基板２の縦横サイズと金属板４の縦横サイズを同じにしておくと、エッチング工程によるパターン形成の自由度が向上する。また、セラミックス基板２の両面に金属板４を設ける場合、セラミックス基板２の縦横サイズと金属板４の縦横サイズを同じにしておくと、接合体の反りを抑制することができる。また、セラミックス基板２の縦横サイズと金属板４の縦横サイズを同じにしておくと、エッチング工程による回路パターンの自由度が上がる。
また、セラミックス基板２の縦横サイズと金属板４の縦横サイズが異なる場合は、表側の金属板の縦横サイズと裏側の金属板の縦横サイズを同じにしておくことが好ましい。これによっても、反りの発生を抑制することができる。
金属板４は、セラミックス基板２の上に設ける前に、予めパターン形状に加工されても良い。予めパターン形状に加工した金属板を用いることにより、エッチング工程を省略することができる。
接合体は多数個取りに用いても良い。多数個取りとは、接合体を複数に分割して、小さい接合体を得る方法である。例えば、エッチング加工により回路形状が付与された接合体を分割して、複数のセラミックス回路基板を得ることができる。実施形態に係る接合体の製造方法であれば、セラミックス基板の長辺が１００ｍｍ以上と大型化しても、反り量を抑制することができる。このため、多数個取りに適した接合体を作製することができる。反り量が大きな接合体は反り直し工程を行う必要がある。反り量を低減することにより、反り直し工程を不要にすることができる。

図５は、接合体を加工して作製されたセラミックス回路基板の一例である。図５において、１１は回路部、１２は放熱板、２０はセラミックス回路基板である。
回路部１１は表側の金属板４に回路構造を付与したものである。放熱板１２は裏側の金属板４を加工したものである。図５に示す例では、２つの回路部１１が設けられているが、セラミックス回路基板の構造は、この例に限定されない。回路部１１の数及び形状は、任意である。また、セラミックス基板２の両面の金属板４が回路部１１に加工されても良い。また、回路部１１および放熱板１２の側面に傾斜構造を設けてもよい。回路部１１または放熱板１２の端部からろう材層３がはみ出したろう材層はみだし部を設けてもよい。

ろう材層３には、活性金属ろう材を用いることが好ましい。活性金属ろう材を用いた接合方法を、活性金属接合法と呼ぶ。金属板が銅板であるとき、活性金属はチタン（Ｔｉ）である。活性金属ろう材とは、Ｔｉを含有したろう材のことである。Ｔｉはセラミックス基板と反応して接合強度を向上させることができる。セラミックス基板が窒化物系セラミックス基板であると、反応層として窒化チタンが形成される。セラミックス基板が酸化物系セラミックス基板であると、反応層として酸化チタンが形成される。
ろう材は、活性金属以外の成分として、Ａｇ（銀）、Ｃｕ（銅）、Ｓｎ（錫）、Ｉｎ（インジウム）、およびＣ（炭素）から選ばれる１種または２種以上を含有していることが好ましい。ＡｇまたはＣｕは、ろう材の母材となる成分である。ＳｎまたはＩｎは、ろう材の融点を下げる効果を有する。Ｃは、ろう材の流動性を制御したり、他の成分と反応して接合層の組織を制御する効果を有する。このため、ろう材の成分としては、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ、Ａｇ－Ｃｕ－Ｓｎ－Ｔｉ、Ａｇ－Ｃｕ－Ｔｉ－Ｃ、Ａｇ－Ｃｕ－Ｓｎ－Ｔｉ－Ｃ、Ａｇ－Ｔｉ、Ｃｕ－Ｔｉ、Ａｇ－Ｓｎ－Ｔｉ、Ｃｕ－Ｓｎ－Ｔｉ、Ａｇ－Ｔｉ－Ｃ、Ｃｕ－Ｔｉ－Ｃ、Ａｇ－Ｓｎ－Ｔｉ－Ｃ、Ｃｕ－Ｓｎ－Ｔｉ－Ｃが挙げられる。Ｓｎの代わりに、Ｉｎを用いてもよい。ＳｎとＩｎの両方を用いてもよい。Ｓｎ又はＩｎの代わりに、Ｂｉ（ビスマス）、Ｓｂ（アンチモン）、Ｇａ（ガリウム）などの低融点金属を用いてもよい。

ろう材組成は、Ａｇ（銀）を０質量％以上７０質量％以下、Ｃｕ（銅）を１５質量％以上８５質量％以下、Ｔｉ（チタン）またはＴｉＨ_２（水素化チタン）を１質量％以上１５質量％以下、含有することが好ましい。また、ＴｉとＴｉＨ_２の両方を用いる場合は、合計が１質量％以上１５質量％以下の範囲内とする。また、ＡｇとＣｕを両方用いる場合は、Ａｇを２０～６０質量％、Ｃｕを１５～４０質量％であることが好ましい。また、これらのろう材組成であると、接合温度を７００℃以上９５０℃以下の範囲内に制御することができる。
ろう材組成は、必要に応じ、Ｓｎ（錫）またはＩｎ（インジウム）の１種または２種を１質量％以上５０質量％以下、含有してもよい。また、必要に応じ、ろう材組成は、Ｃ（炭素）を０．１質量％以上２質量％以下、含有しても良い。
また、金属板がアルミニウム板であるとき、活性金属は珪素（Ｓｉ）である。Ｓｉ以外のろう材成分はアルミニウムになる。つまり、アルミニウム板を接合する際の活性金属ろう材はＡｌ－Ｓｉろう材となる。Ａｌ－Ｓｉろう材は、Ｓｉを０．１質量％以上３０質量％以下の範囲内で含有するものが好ましい。また、ＡｌおよびＳｉ以外にマグネシウムを０．０１質量％以上１０質量％以下の範囲内で含有していても良い。また、これらのろう材組成であると、接合温度を６００℃以上９５０℃以下の範囲内に制御することができる。
ろう材組成の比率は、混合する原料の合計を１００質量％で計算する。例えば、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉの３種で構成する場合はＡｇ＋Ｃｕ＋Ｔｉ＝１００質量％となる。また、Ａｇ、Ｃｕ、ＴｉＨ_２、Ｉｎの４種で構成する場合は、Ａｇ＋Ｃｕ＋ＴｉＨ_２＋Ｉｎ＝１００質量％となる。また、Ａｇ、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｓｎ、Ｃの５種で構成する場合は、Ａｇ＋Ｃｕ＋Ｔｉ＋Ｓｎ＋Ｃ＝１００質量％となる。また、Ａｌ、Ｓｉの２種で構成する場合は、Ａｌ＋Ｓｉ＝１００質量％となる。

ろう材の融点は、接合温度より低いことが好ましい。また、ろう材の融点は、７００℃以下であることが好ましい。ろう材の融点を低くすることにより、昇温速度および降温速度を速めたとしても、金属板とセラミックス基板とを接合できる。昇温速度が速いということは、常温から接合温度までの温度上昇が早いことになる。ろう材の融点を下げることにより、温度上昇の過程でろう材を融解することができる。これにより、昇温工程で接合を開始することができる。ろう材の融点の下限値は特に限定されるものではないが、５３０℃以上であることが好ましい。ろう材の融点が５３０℃未満であると、融点が低すぎるとＴＣＴ特性が低下する可能性がある。近年、半導体素子の高性能化に伴い、ジャンクション温度が１７０℃程度まで高くなっている。さらなる高性能化が進むと、ジャンクション温度が２５０℃になると考えられている。ろう材の融点が低いと、ジャンクション温度でろう材層が溶けだす可能性がある。このため、ろう材の融点は５３０℃以上７００℃以下、さらには、５３０℃以上５９０℃以下の範囲内であることが好ましい。

ろう材の融点はＤＳＣ曲線を調べることで分かる。ＤＳＣ曲線とは、示差走査熱量計（ＤＳＣ）を用いて、吸熱反応や発熱反応のピークを測定したものである。マイナス方向のピークは吸熱反応、プラス方向のピークは発熱反応となる。
また、ＤＳＣ曲線を測定は、昇温工程、一定の温度で保持工程、降温工程からなる温度プロファイルで行うものとする。温度プロファイルは、昇温工程は常温から昇温速度５℃／分で５００℃まで昇温させる。次に、５００℃で６０分保持する。次に、昇温速度５℃／分で８４５℃まで昇温させる。８４５℃で３０分保持するものとする保持工程を行うものとする。降温工程は、降温速度５℃／分にて、８４５℃から常温まで下げる工程である。
また、ＤＳＣの測定装置は、ＮＥＴＺＳＣＨ社製ＴＧＡ－ＤＳＣ同時熱分析装置ＳＴＡ４４９－Ｆ３－Ｊｕｐｉｔｅｒまたはこれと同等の性能を有するものを用いるものとする。また、測定は、アルミナ容器にろう材を適量滴下してＡｒ（アルゴン）フロー中で行うものとする。Ａｒ雰囲気中で測定することにより、ろう材と雰囲気が反応するのを防ぐことが必要である。

ＤＳＣ曲線の昇温工程の中で５３０℃以上９００℃以下の温度範囲にある最も大きな吸熱ピークの検出温度を融点とする。ろう材の融点が７００℃以下であるということは、最も大きな吸熱ピークが５３０～７００℃の範囲内になることを示している。また、融点が７００℃を超えるものは、最も大きな吸熱ピークが７００℃を超えて９００℃に検出される。なお、５５０℃未満にマイナス方向のピークがあったとしても、吸熱ピークにカウントしなくて良いものとする。吸熱反応は、活性金属ろう材の融解、分解などに起因するものである。例えば、活性金属として水素化チタン（ＴｉＨ_２）を用いると、５００℃前後にマイナス方向のピークが検出される。このピークはＴｉＨ_２がＴｉとＨに分解するときのピークである。
また、ろう材の融点を下げるには、ろう材に含まれるＣｕの質量に対するＡｇの質量の質量比Ａｇ／Ｃｕを０以上１．３以下の範囲内にすることが有効である。最も好ましくはＡｇを含まない組成（質量比Ａｇ／Ｃｕ＝０）である。「Ａｇを含まない」とは、Ａｇの含有割合が０．０１質量％以下（ゼロ含む）であることを指す。Ａｇの含有割合が０．０１質量％以下であれば、質量比Ａｇ／Ｃｕはゼロとみなすことができる。また、ＳｎまたはＩｎから選ばれる１種または２種を、ろう材に添加することが好ましい。ろう材に含まれる成分の中で、ＳｎまたはＩｎの粒径を最も大きくすることも有効である。例えば、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｔｉからなるろう材では、Ｓｎの粒径を最も大きくする。また、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎ、ＴｉＨ_２、Ｃからなるろう材では、Ｓｎの粒径を最も大きくする。
ろう材を構成する材料の平均粒径は、０．５μｍ以上１５μｍ以下の範囲内であることが好ましい。この範囲内でＳｎ粉末またはＩｎ粉末の粒径を制御することが有効である。ろう材を構成する材料の中で、Ｓｎ粉末またはＩｎ粉末の融点が低い。融点の低い材料の周囲に他の材料が存在することにより、昇温速度を速めても融解反応をスムーズに生じさせることができる。

活性金属ろう材を構成する各材料粉末を混合した後、活性金属ろう材ペーストを調製する。混合粉末に、溶媒、バインダーなどを添加することにより、活性金属ろう材ペーストが得られる。ペーストとすることにより、ろう材層の塗布範囲、厚さなどを調製することができる。
また、活性金属ろう材層の厚さは、１０μｍ以上６０μｍ以下の範囲内であることが好ましい。加熱接合後のろう材層の厚さが前記範囲内になるように、ペーストを塗布する。
セラミックス基板２の上に活性金属ろう材ペーストを塗布し、銅板４を配置する。また、銅板４に活性金属ろう材ペーストを塗布し、セラミックス基板２を配置しても良い。セラミックス基板２の両面に活性金属ろう材ペーストを塗布し、両面の上にそれぞれ銅板４を配置してもよい。
積層体を作製した後は、前述の連続炉を用いた製造方法を適用する。

（実施例１～５、比較例１～２、参考例１）
セラミックス基板として、窒化珪素基板、窒化アルミニウム基板、酸化アルミニウム基板を用意した。窒化珪素基板の熱伝導率は９０Ｗ／ｍ・Ｋ、３点曲げ強度は６５０ＭＰａである。窒化アルミニウム基板の熱伝導率は１７０Ｗ／ｍ・Ｋ、３点曲げ強度は４００ＭＰａである。酸化アルミニウム基板の熱伝導率は２０Ｗ／ｍ・Ｋ、３点曲げ強度は４３０ＭＰａである。各基板の縦の長さ、横の長さ、及び厚さは、表１に示す通りである。

次に、表２に示すろう材層を用意した。ろう材層はＴｉを含有した活性金属ろう材である。ろう材を構成する材料の平均粒径は、０．５μｍ以上１５μｍ以下の範囲内である。また、ろう材１～４において、Ｓｎ粉末の粒径が最も大きい。ろう材５では、Ｃｕ粉末の粒径が最も大きい。

次に銅板およびアルミニウム板を用意した。銅板として、純銅からなる無酸素銅板を用いた。銅板およびアルミニウム板の厚さは、表３に示した通りである。

次に、活性金属ろう材をペーストに調整した。その後、銅板／ろう材層／セラミックス基板／ろう材層／銅板の５層構造を有する積層体を作製した。なお、表側及び裏側の銅板の縦横サイズ、並びに表側及び裏側のアルミニウム板の縦横サイズは、セラミックス基板の縦横サイズよりも２ｍｍ小さい。また、活性金属ろう材ペーストの印刷後に、１００℃の大気雰囲気中で２０分乾燥させた。乾燥後のろう材層の厚さは、１０μｍ以上６０μｍ以下の範囲内である。積層体の構成は表４に示した通りである。

連続炉を用いて各積層体に対して接合工程を行った。接合条件は表５に示した通りである。ベルトコンベア式の連続炉を用いた。加熱接合工程における保持時間は、接合温度±１０℃の範囲内に保持された時間である。「最初の処理ゾーン温度」は、昇温工程の最初の処理ゾーンにおいて、積層体が加熱される温度を示す。
昇温工程、加熱接合工程、降温工程は、いずれも窒素雰囲気中で行った。窒素雰囲気は、窒素ガスの割合が９８体積％以上１００体積％以下の範囲内の雰囲気である。窒素ガスは導入管から供給し、排気管から排出した。また、導入管は、積層体の進行方向前方に設けた。
連続炉内は、複数の処理ゾーンに分かれており、複数の処理ゾーンで昇温工程、加熱接合工程、降温工程がそれぞれ実行される。また、昇温工程において積層体を最初に加熱する処理ゾーンでは、積層体を表５に示した温度まで加熱した。
また、比較例１では、接合温度が６００℃以上９５０℃以下の範囲外である。比較例２では、平均昇温速度および平均降温速度が、１５℃／分未満である。また、接合温度が６００℃以上９５０℃以下の範囲外である。参考例１は、実施例３において平均昇温速度および平均降温速度を１５℃／分未満に設定した例である。

上記方法により、接合体を製造した。それぞれ１００個の接合体を作製した。まず、得られた接合体の反り量を測定した。反り量の測定は、セラミックス基板の長辺側の反り量を測定した。反り量が「１ｍｍ以下」および「１ｍｍを超えて３ｍｍ以下」の接合体の割合を求めた。
また、接合不良の割合を測定した。ろう材層にボイドが存在すると、ボイドを含む部分は未接合部となる。接合不良は、超音波探傷装置で接合体の探傷画像を取得し、画像解析することによって未接合部の面積率（％）を求めた。超音波探傷は分解能０．５ｍｍ^２とし、未接合部の面積率は表面側の未接合部の面積率と裏面側の未接合部の面積率の和とした。
未接合部の面積率（％）が、０％以上５％以下の接合体を「良品」、５％を超えた接合体を「不良品」とした。良品のうち、以下の２つの条件を満たす接合体を「最良品」とした。１つ目の条件は、未接合部の面積率（％）が０％以上２％以下となっていることである。２つ目の条件は、各未接合部において面積が３．１４ｍｍ^２を超えるボイドが０以上２つ以下となっていることである。
その結果を表６に示す。

表６から分かる通り、実施例については、接合体の歩留まりがよいことが分かった。ここでの「歩留まり」は、反り量が１ｍｍ以下且つ未接合部の面積率３％以下の接合体の割合である。連続炉を用いて昇温速度および降温速度を早くすることにより量産性を向上させることができる。また、バッチ炉のように真空引き工程が不要である。この点からも量産性が向上する。
実施例に係る製造方法によれば、窒化珪素基板２または窒化アルミニウム基板１のように、長辺が１００ｍｍ以上の接合体でも接合が可能であった。このため、多数個取りも可能である。
実施例２のように、昇温速度と降温速度の差が２０℃／分を超えると、歩留まりがやや低下した。また、実施例３と参考例１を対比すると、実施例３のように昇温速度および降温速度を速めても接合できていることが分かる。これは、融点が７００℃以下のろう材を使っているためである。融点の低い活性金属ろう材を使うことにより、昇温速度および降温速度を早くしても、良好に加熱接合できることが分かった。
また、実施例９、１０、１４のように、３点曲げ強度が５００ＭＰａ以下のセラミックス基板を用いた接合体の反りが大きくなる傾向にあった。この点からすると、接合体には、３点曲げ強度が高い窒化珪素基板を用いることが好ましいことが分かる。
また、接合体の金属部材をエッチング加工してセラミックス回路基板を製造した。低温側―４０℃、高温側１７５℃のＴＣＴ試験（耐熱サイクル試験）を行ったところ、優れた耐久性を示した。実施例に係る接合体を用いたセラミックス回路基板は、優れたＴＣＴ特性を有していた。

以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態はその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１、１－１、１－２…接合体
２…セラミックス基板
３…ろう材層
４…金属板
５…積層体
６…ベルトコンベア
７…導入管
８…排気管
１０…連続炉

Claims (20)

1. 連続炉を用いて、金属部材と、セラミックス部材と、それらの間に設けられたろう材層と、を含む積層体を搬送しながら処理する接合体の製造方法であって、
   不活性雰囲気中で、２００℃から接合温度までの前記積層体の平均昇温速度を１５℃／分以上１００℃／分以下の範囲内で、前記積層体を加熱する工程と、
   不活性雰囲気中で、６００℃以上９５０℃以下の範囲内の前記接合温度で前記積層体を接合する工程と、
   前記接合温度から２００℃まで、前記積層体の平均降温速度を１５℃／分以上１００℃／分以下の範囲内で、前記積層体を冷却する工程と、
   を備え、
   前記ろう材層は、Ａｇを含まず、
   １５質量％以上８５質量％以下の銅と、
   １質量％以上１５質量％以下のチタンと、
   １質量％以上５０質量％以下の錫及びインジウムから選ばれる１種または２種と、
   不純物と、
   からなり、
   前記ろう材層の融点は、５３０℃以上７００℃以下であることを特徴とする接合体の製造方法。
   
2. 前記平均昇温速度が２０℃／分以上１００℃／分以下の範囲内であることを特徴とする請求項１記載の接合体の製造方法。
3. 前記平均降温速度が２０℃／分以上１００℃／分以下の範囲内であることを特徴とする請求項１ないし請求項２のいずれか１項に記載の接合体の製造方法。
4. 前記加熱する工程における前記不活性雰囲気及び前記接合する工程における前記不活性雰囲気が、窒素雰囲気であることを特徴とする請求項１ないし請求項２のいずれか１項に記載の接合体の製造方法。
5. 前記加熱する工程における前記不活性雰囲気及び前記接合する工程における前記不活性雰囲気は、窒素濃度９０体積％以上１００体積％以下の範囲内の窒素雰囲気であることを特徴とする請求項１ないし請求項２のいずれか１項に記載の接合体の製造方法。
6. 前記積層体の平均搬送速度が１ｃｍ／分以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項２のいずれか１項に記載の接合体の製造方法。
7. 前記連続炉は複数の処理ゾーンを有し、
   前記積層体が最初に加熱される前記処理ゾーンにおいて、前記積層体の温度は、１５０℃以上４００℃以下の範囲内であることを特徴とする請求項１ないし請求項２のいずれか１項に記載の接合体の製造方法。
8. 前記積層体は、複数の前記金属部材、および前記セラミックス部材と前記複数の金属部材との間にそれぞれ設けられた複数の前記ろう材層を含み、
   前記複数の金属部材は、それぞれ金属板であり、
   前記セラミックス部材は、セラミックス基板であることを特徴とする請求項１ないし請求項２のいずれか１項に記載の接合体の製造方法。
9. 前記金属部材は銅板であることを特徴とする請求項１ないし請求項２のいずれか１項に記載の接合体の製造方法。
10. 前記セラミックス部材が窒化珪素基板であることを特徴とする請求項１ないし請求項２のいずれか１項に記載の接合体の製造方法。
11. 請求項１ないし請求項２のいずれか１項に記載の接合体の製造方法により得られた接合体に、回路形状を付与する工程を備えたことを特徴とするセラミックス回路基板の製造方法。
12. 前記回路形状は、エッチングにより付与されることを特徴とする請求項１１記載のセラミックス回路基板の製造方法。
13. 前記平均降温速度は２０℃／分以上１００℃／分以下の範囲内であり、
    前記加熱する工程における前記不活性雰囲気及び前記接合する工程における前記不活性雰囲気は、窒素濃度９０体積％以上１００体積％以下の範囲内の窒素雰囲気であり、
    前記積層体の平均搬送速度が１ｃｍ／分以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項２のいずれか１項に記載の接合体の製造方法。
14. 前記連続炉は複数の処理ゾーンを有し、
    前記積層体が最初に加熱される前記処理ゾーンにおいて、前記積層体の温度は、１５０℃以上４００℃以下の範囲内であることを特徴とする請求項１３に記載の接合体の製造方法。
15. 前記ろう材層は、０．１質量％以上２質量％以下の炭素を含有することを特徴とする請求項１３に記載の接合体の製造方法。
16. 前記積層体は、複数の前記金属部材、および前記セラミックス部材と前記複数の金属部材との間にそれぞれ設けられた複数の前記ろう材層を含み、
    前記複数の金属部材は、それぞれ銅板であり、
    前記セラミックス部材は、窒化珪素基板であることを特徴とする請求項１４に記載の接合体の製造方法。
17. 前記ろう材層は、０．１質量％以上２質量％以下の炭素を含有することを特徴とする請求項１３に記載の接合体の製造方法。
18. 前記積層体は、複数の前記金属部材、および前記セラミックス部材と前記複数の金属部材との間にそれぞれ設けられた複数の前記ろう材層を含み、
    前記複数の金属部材は、それぞれ銅板であり、
    前記セラミックス部材は、窒化珪素基板であることを特徴とする請求項１４に記載の接合体の製造方法。
19. 請求項１６に記載の接合体の製造方法により得られた接合体に、回路形状を付与する工程を備えたことを特徴とするセラミックス回路基板の製造方法。
20. 請求項１８に記載の接合体の製造方法により得られた接合体に、回路形状を付与する工程を備えたことを特徴とするセラミックス回路基板の製造方法。