JPH02145333A - 電気回路用基板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は基体となるベース金属に直接セラミックの絶縁
層を形成してなる放熱特性に優れた電気回路用基板およ
びその製造方法に関するものである。

（従来の技術） 従来、ハイブリッドＩＣ用の基板としてアルミナ基板が
知られている。しかしながら、近年高集積化、ハイパワ
ー化したハイブリッドＩＣ用の基板として、従来のアル
ミナ基板よりも熱伝導特性の良好なものが望まれている
。

その−例として、第２図にその断面を示すように、銅等
のベース金属１１上にアルミナ等のセラミック材料をプ
ラズマ溶射しセラミック絶縁層１２を形成した溶射基板
が知られている。

（発明が解決しようとする課題） 第２図に示す構造の溶射基板は、熱伝導特性および耐熱
性が良好となる利点はあるものの、ベース金属１１とセ
ラミック絶縁層１２とが化学的な結合をしていないため
、密着強度が充分に得られない問題があった。特に、ハ
イブリッドＩＣ°を使用する際の基板に対して高温と低
温の繰り返し条件が与えられるヒートサイクルにより、
ベース金属１１とセラミック絶縁層１２とがはく離しや
すくなる問題があった。

本発明の目的は上述した課題を解消して、ベース金属と
表面に被覆される絶縁層とが強固に密着して熱的なヒー
トサイクルを受けても境界面がはく離しない放熱特性に
優れた電気回路用基板およびその製造方法を提供しよう
とするものである。

（課題を解決するための手段） 本発明の電気回路用基板は、少な（ともＴｉ０．２〜０
．８重量％およびＣ０，０１〜０．５重量％を含有する
ステンレス鋼またはニッケル基合金、もしくは少なくと
もＴｉｎ、２〜５．０重量％およびｃ０．　ｏｏｏｔ〜
０．０１重量％を含有する銅基合金からなるいずれかの
基体の表面に、Ａ　Ｉｌ−［３−Ｔｉ−Ｃ結合で密着し
たアルミナ絶縁層、Ｓｉ−Ｎ−Ｔｉ−Ｃ結合で密着した
窒化ケイ素絶縁層またはＡ　１−Ｎ−ｒｌ−ｃ結合で密
着した窒化アルミ絶縁層を有することを特徴とするもの
である。

また、本発明の電気回路基板の製造方法は、少なくとも
Ｔｉ０．２〜０．８重量％およびＣ０，０１〜０．５重
量％を含有するステンレス鋼またはニッケル基合金、も
しくは少なくともＴｉ　　０．２〜５．０重量％および
Ｃ０．０００１〜０．０１重量％を含有する銅基合金の
うちのいずれかの基体の表面に、アルミナ、窒化ケイ素
または窒化アルミを被覆し、６００〜１０００℃の温度
で１０分間以上熱処理して、基体の表面にＡ　ｌ−０−
Ｔｉ−Ｃ結合、Ｓｉ−Ｎ−Ｔｊ−Ｃ結合、または＾ｊ！
−Ｎ−Ｔｉ−Ｃ結合によってアルミナ絶縁層、窒化ケイ
素絶縁層または窒化アルミ絶縁層を形成することを特徴
とするものである。

（作　用） 上述した構成において、ベースとなる基体金属となるス
テンレス鋼、ニッケル基合金または銅基合金中に所定量
のＴｉおよびＣを含有させているため、例えば熱処理す
ることによりその表面に設けたアルミナ層、窒化ケイ素
層または窒化アルミ層あるいはこれらの混合物が基体金
属中に析出したＴｉＣと反応し界面に強固なへβ−〇−
Ｔｉ−Ｃ結合、５ｌ−Ｎ−Ｔ　ｉ−Ｃ結合またはＡ　ｉ
’　−Ｎ−Ｔ　ｉ−Ｃ結合が形成でき、基体金属とアル
ミナ絶縁層、窒化ケイ素絶縁層または窒化アルミ絶縁層
等の絶縁層との間に化学的な結合による強固な密着絶縁
層を形成できる。

ＴｉおよびＣの添加量を限定する理由は以下の通りであ
る。まず、下限については、後述する実施例から明らか
なように、ステンレス鋼またはニッケル基合金の場合は
Ｔｉの含有率が０．゛２重量％未満またはＣの含有率が
０．０１重量％未満の組成、銅基合金の場合はＴ１の含
有率が０．２重量％未満またはＣの含有率が０．０００
１重量％未渦の組成のときは、アルミナ絶縁層、窒化ケ
イ素絶縁層または窒化アルミ絶縁層等の絶縁層のはく離
がみられるためである。また、ステンレス鋼またはニッ
ケル基合金の場合Ｃの含有率が０．５重量％を超え、銅
基合金の場合Ｃの含有率が０．０１重量％を超えると、
基体金属とアルミナ絶縁層、窒化ケイ素絶縁層または窒
化アルミ絶縁層との界面にカーボンの析出が起きて接着
強度が低下し絶縁層が脆くはく離し易くなる。さらに、
ステンレス鋼またはニッケル基合金の場合Ｔｉの含有率
が０．８重量％を超え、銅基合金の場合Ｔｉの含有率が
５．０重量％を超えると、熱処理の繰り返しによりＴｉ
Ｃ結合層の厚さが増加し、その結合の硬さのために厚く
なるとアルミナ絶縁層、窒化ケイ素絶縁層または窒化ア
ルミ絶縁層がはく離し易くなる。以上の理由から、ステ
ンレス鋼またはニッケル基合金ではＴｉを０．２〜０．
８重量％、Ｃを０．０１〜０．５重量％、銅基合金では
Ｔ１を０．２〜５．０重量％、Ｃを０．０００１〜０．
０１重量％であることが大切である。

また、本発明においてＡ　ｌ−０−Ｔｉ−Ｃ結合、Ｓｉ
−Ｎ−Ｔｉ−Ｃ結合およびＡ　１−Ｎ−Ｔｉ−Ｃ結合を
生成する方法は特定しないが、基体金属上にアルミナ、
窒化ケイ素または窒化アルミ等の単味あるいはそれらの
混合物をスプレー等通常の方法で被覆するか、好ましく
はプラズマ溶射により５０〜２００μｍ程度の厚さにコ
ーティングし、ペース金属を６００〜１０００℃の温度
で１０分間以上熱処理する。これは、６００℃未満であ
ると基体金属とアルミナ絶縁層、窒化ケイ素絶縁層また
は窒化アルミ絶縁層との十分な密着強度が得られにくく
、一方１０００℃を超えると急激なＡ　Ｉ！−０−Ｔｉ
−Ｃ結合、Ｓ　１−Ｎ−Ｔ　ｉ−Ｃ結合またはＡｌ−Ｎ
−Ｔｉ−Ｃ結合の生成のために、絶縁層がもろくはく離
しやすくなるためである。

以下、本発明の各構成要件の好ましい態様について、さ
らに詳細に説明する。

（１）ベース金属について （ａ）　　ステンレス鋼の組成範囲（単位はすべて重量
％とする） 以下の第１表に示す必須成分および添加元素からなる組
成である必要がある。

そのうち、好ましいステンレス鋼として、以下の第２表
に示す組成のものがあげられる。

第 表 （ｂ）Ｎｉ基合金の組成範囲（単位はすべて重量％とす
る） 以下の第３表に示す主成分および添加元素からなる組成
であることが好ましい。

第３表 そのうち、好ましいＮｉ基合金として、４表に示す組成
の合金があげられる。

以下の第 （Ｃ）　　銅基合金の組成範囲（単位はすべて重量％と
する） 以下の第５表に示す必須成分および添加元素からなる組
成であることが好ましい。

第５表 そのうち、好ましい銅基合金として、以下の第６表に示
す組成の合金があげられる。

（２）Ａｊ！−［］−Ｔｉ−Ｃ，Ｓｉ−Ｎ−Ｔｉ−Ｃ，
Ａ１−Ｎ−Ｔｉ−Ｃ結合層について 前記の好ましい熱処理後、基体金属とアルミナ絶縁層、
窒化ケイ素絶縁層または窒化アルミ絶、縁層との界面に
、それぞれ０．５μｍ以下のＡｌ−〇−Ｔ　ｉ−Ｃ結合
層、Ｓｉ−Ｎ−Ｔｉ−Ｃ結合層またはＡ　１−Ｎ−Ｔｉ
−Ｃ結合層が存在する。これは、ベース金属中のＴ１原
子が加熱により表面層に拡散しＴｉＣを形成し、・ベー
ス金属中のＣとアルミナ絶縁層中のＯ原子または窒化ケ
イ素絶縁層および窒化アルミ絶縁層中のＮ原子をＴｉ原
子が介在することで結び付け、八β−０−Ｔ　ｉ−Ｃ結
合層、Ｓ　１−Ｎ−Ｔ　ｉ−Ｃ結合層またはＡｌ−Ｎ−
Ｔｉ−Ｃ結合層を形成し強固な化学結合をするためであ
る。

（実施例） 以下、実際の例について説明する。

実施例 以下の順序で本発明の電気回路用基板を作製して評価し
た。

（１）　　ベース金属の作製 真空溶解炉を使用して、所定の組成に調合したステンレ
ス鋼、Ｎｉ基合金、銅基合金を溶解しインゴフトを作っ
た。得られた各組成のインゴットを熱間圧延加工後、冷
間圧延加工と焼鈍を繰り返すことにより、約５０　Ｘ５
０　Ｘ　２　ｍｍの板を作製して試験用ベース金属基材
とした。

（２）セラミックコーティング 得られた試験用ベース金属基材の一表面に、プラズマ溶
射機を使用してＡｆ、０．、　Ｓｉ、Ｎ４．　　＾ｎＮ
のセラミックコーティングを実施した。セラミックコー
ティング層の厚さは約１００μｍとした。

（３）　　コーテイング後の熱処理 セラミックコーティング終了後の試験用ベース金属基材
に対して、９００℃で１５分間の熱処理を実施して、ベ
ース金属基材と各セラミックコーティング層との界面に
−Ｔｉ−Ｃ結合を生成させ、金属基体の表面上にＡ　Ｉ
！−０−Ｔｉ−Ｃ結合で密着したアルミナ絶縁層、Ｓｉ
−Ｎ−Ｔｉ−Ｃ結合で密着した窒化ケイ素絶縁層、Ａ　
Ｉ！　−Ｎ−Ｔ　ｉ−Ｃ結合で密着した窒化アルミ絶縁
層を有する電気回路用基板を得た。

（４）特性評価 特性を評価するため、得られた熱処理後の試験体に対し
て、５００℃の電気炉中に試験体を自動で出し入れする
装置を使用して加熱冷却による熱衝撃試験を実施した。

熱衝撃試験は大気中５００℃１５分間と室温１５分間と
の間を５００回くり返し、試験体の表面状態を肉眼にて
観察した。

結果を第７表〜第１５表に示す。

第７表 第８表 第 表 第 表 第 表 第 表 第 表 ベース金属としてステンレス鋼の結果を示す第７表〜第
９表、ニッケル基合金の結果を示す第１Ｏ表〜第１２表
および銅基合金の結果を示す第１３表〜第１５表に示す
とおり、本発明のＴ１およびＣの組成範囲を満たす例で
は熱衝撃試験によりまったく異常がなかったのに対し、
ＴｉまたはＣの組成範囲が本発明の組成範囲を満たさな
い例では各絶縁層の一部はく離が生じることがわかる。

また、本発明の組成範囲を満たすステンレス鋼、ニッケ
ル葺合゛金および銅基合金にそれぞれアルミナ絶縁層、
窒化ケイ素絶縁層および窒化アルミ絶縁層を形成した試
験体に対して、熱処理温度の影響を調べるため、種々の
温度で熱処理したものについて同様に熱衝撃試験を実施
した。結果を第１６表〜第１８表に示す。

第 表 第１６表〜第１８表の結果から、ベース金属を６００〜
１０００℃の温度で１０分間以上熱処理すると好ましい
ことがわかる。なお、上述した例では、ベース金属と絶
縁層の組合わせの一例を示したのみであるが、他の組合
せについても同様の結果を得ることができた。

さらに、セラミックコーティング層の厚さの影響を調べ
るため、上述した方法によりベース金属として本発明範
囲内の組成を有するステンレス鋼を使用し、アルミナ絶
縁層、窒化ケイ素絶縁層および窒化アルミ絶縁層の厚さ
を変えて試験体を作製し、耐電圧を測定した。結果を第
１図に示す。

第１図の結果から、セラミック層の厚さは５０μｍ未満
ではいずれも５００ｖ以下の耐電圧になり使用に耐えな
くなるため、５０μｍ以上が好ましい。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明の電気回路用基
板およびその製造方法によれば、各基体金属と各絶縁層
間に化学的で強固なＡ　Ｒ−０−Ｔｉ−Ｃ結合、Ｓｉ−
Ｎ−Ｔｉ−Ｃ結合またはＡ　１−Ｎ−Ｔｉ−Ｃ結合層を
有しているため、各ベース金属と各絶縁層間の強固な密
着を達成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の電気回路基板におけるセラミック層の
厚さと耐電圧との関係を示すグラフ、第２図は従来の溶
射基板の一例の構成を示す断面図である。 第１図 特許出願人　　日本碍子株式会社 でラミ・ノブ漫Ｊこ　（）ｔｍ） 第２図 手続補正書 平成元年１１月３０日 特許庁長官　　吉　　１）　文　　毅　　　殿１、事件
の表示 昭和６３年特許願第２９８０３７号 ２、発明の名称 電気回路用基板およびその製造方法 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 （４０６）日本碍子株式会社 １、明細書第３０頁第１〜２行のｒベース金属を６００
〜１０００°Ｃの温度で」を「ベース金属がステンレス
鋼およびニッケル基合金では６００〜１０００℃、銅基
合金では５００〜９００°Ｃの温度で」と訂正する。 ４、代理人

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．少なくともＴｉ０．２〜　０．８重量％およびＣ０
   ．０１〜０．５重量％を含有するステンレス鋼またはニ
   ッケル基合金、もしくは少なくともＴｉ０．２〜５．０
   重量％およびＣ０．０００１〜０．０１重量％を含有す
   る銅基合金からなるいずれかの基体の表面に、Ａｌ−Ｏ
   −Ｔｉ−Ｃ結合で密着したアルミナ絶縁層、Ｓｉ−Ｎ−
   Ｔｉ−Ｃ結合で密着した窒化ケイ素絶縁層またはＡｌ−
   Ｎ−Ｔｉ−Ｃ結合で密着した窒化アルミ絶縁層を有する
   ことを特徴とする電気回路用基板。
2. ２．少なくともＴｉ０．２〜０．８重量％およびＣ０．
   ０１〜０．５重量％を含有するステンレス鋼またはニッ
   ケル基合金、もしくは少なくともＴｉ０．２〜５．０重
   量％およびＣ０．０００１〜０．０１重量％を含有する
   銅基合金のうちのいずれかの基体の表面に、アルミナ、
   窒化ケイ素または窒化アルミを被覆し、６００〜１００
   ０℃の温度で１０分間以上熱処理して、基体の表面にＡ
   ｌ−Ｏ−Ｔｉ−Ｃ結合、Ｓｉ−Ｎ−Ｔｉ−Ｃ結合、また
   はＡｌ−Ｎ−Ｔｉ−Ｃ結合によってアルミナ絶縁層、窒
   化ケイ素絶縁層または窒化アルミ絶縁層を形成すること
   を特徴とする電気回路用基板の製造方法。