JP4249316B2

JP4249316B2 - 複合基板およびその製造方法

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Publication number: JP4249316B2
Application number: JP08299699A
Authority: JP
Inventors: 靖五代儀; 博紀浅井
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Materials Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Materials Co Ltd
Priority date: 1999-03-26
Filing date: 1999-03-26
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2019-03-26
Also published as: JP2000277663A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はセラミックス基板に回路板を一体に接合した複合基板に係り、特に回路板の接合強度を高め、膨れや剥れを防止でき、接合強度の劣化による強度低下を防止して耐熱サイクル特性および信頼性に優れた複合基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パワートランジスタモジュール用基板やスイッチング電源モジュール用基板用の複合基板として、セラミックス基板上に銅板等の金属回路板を接合した複合基板が広く使用されている。また、上記金属回路板に代えて、金属回路層を貼付した樹脂基板をセラミックス基板表面に一体に接合した複合基板も使用されている。特に薄型化と配線の狭ピッチ化へ対応するために、フォトリソグラフィ技術を使って配線層パターン等が形成できる樹脂基板が有望視されている。この樹脂基板は液晶ポリマーなどの樹脂フィルムの両側に回路用の銅箔を貼り合わせ、この銅箔に対して、フォトリソグラフィ技術を用いて狭ピッチ配線を可能にしている。
【０００３】
上記複合基板に用いるセラミックス基板としては、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）基板の他に、電気絶縁性を有すると共に熱伝導性に優れた窒化アルミニウム基板や窒化けい素基板等が一般的に使用されている。
【０００４】
上述したような銅板で回路板を構成した複合基板１は、例えば図２に示すようにセラミックス基板２の一方の表面に金属回路板３としての銅板を接合する一方、他方の表面に裏金属板４としての銅板を接合して形成される。上記セラミックス基板２表面に各種回路板を一体に形成する手法としては、下記のような直接接合法，高融点金属メタライズ法，活性金属法などが使用されている。直接接合法は、例えばセラミックス基板２上に銅板を、Ｃｕ−Ｏ等の共晶液相を利用して直接接合する、いわゆる銅直接接合法（ＤＢＣ法：ＤｉｒｅｃｔＢｏｎｄｉｎｇＣｏｐｐｅｒ法）であり、高融点金属メタライズ法はＭｏやＷなどの高融点金属をセラミックス基板表面に焼き付けて回路層を一体に形成する方法である。また、活性金属法は、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆなどの４Ａ族元素のような活性金属を含むろう材層を介してセラミックス基板２上に回路板を一体に接合する方法である。
【０００５】
また、具体的な回路の形成方法としては、予めプレス加工やエッチング加工によりパターニングした銅板を用いたり、接合後にエッチング等の手法によりパターニングする等の方法が知られている。これらＤＢＣ法や活性金属ろう付け法により得られる複合基板は、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。
【０００６】
近年、複合基板を使用した半導体装置の高出力化，半導体素子の高集積化が急速に進行し、複合基板に繰り返して作用する熱応力や熱負荷も増加する傾向にあり、複合基板に対しても上記熱応力や熱サイクルに対して十分な接合強度と耐久性が要求されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の複合基板においては、セラミックス基板の種類や回路板の接合方法を改良することにより高い接合強度は得られていたが、耐熱サイクル性および曲げ強度が十分に得られず、複合基板を用いた半導体装置の信頼性や製品歩留りが低くなるという問題点があった。
【０００８】
すなわち、複合基板に搭載する半導体素子の高集積化および高出力化に対応して熱サイクル負荷も大幅に上昇し、熱応力によって基板に割れが発生して複合基板の機能が喪失されてしまう問題点があった。また、上記ＡｌＮやＳｉ_３Ｎ_４等の窒化物セラミックス基板と樹脂基板とを、接着剤を介して接合した複合基板においては、冷熱サイクル試験に対してその接着強度が経時的に劣化してしまうという問題があった。すなわち、窒化物セラミックス基板と接着剤との接着強度が冷熱サイクル試験によって劣化し、窒化物セラミックス基板と接着剤との界面で剥れが生じ易い難点があった。
【０００９】
具体的に回路板のピール強度を測定すると下記のような値が得られている。例えばセラミックス基板と樹脂基板とを接合した複合基板においては、当初の規格値である１ｋｇ／ｃｍを満足していたとしても、冷熱サイクルを繰り返した後には、ピール強度が０．３〜０．７ｋｇ／ｃｍに低下するものが存在することも判明した。また、セラミックス基板と銅回路板とを前記直接接合法（ＤＢＣ法）によって一体に接合した複合基板においては、当初の規格値である６ｋｇ／ｃｍを満足していたとしても、冷熱サイクル試験後にはピール強度が３〜５ｋｇ／ｃｍ程度に低下し、膨れや剥離を生じるものが存在することも判明した。さらに、使用時に発生する熱応力によってセラミックス基板に割れが発生する場合も多く、複合基板を使用した半導体装置の信頼性が低下する難点もあった。
【００１０】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、高い接合強度および優れた耐熱サイクル特性を有し、長期間使用した場合においても回路板の膨れや剥離を招くことなく、信頼性および耐久性に優れた複合基板を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本願発明者らは、特に冷熱サイクル試験に対するセラミックス基板と回路板との接着強度の劣化を防止することを目的として、鋭意検討を重ねた。その結果、セラミックス基板の表面に炭化水素層などの形で炭素成分が存在すると、銅回路板や樹脂基板とセラミックス基板との接合性が低下するという知見を得た。また、セラミックス基板表面に、酸化物や水酸化物吸着層などの形態で一定量の酸素原子が存在すると、セラミックス基板と接着剤との接合強度が冷熱サイクル試験後においても劣化しないという知見を得た。
【００１２】
すなわち、直接接合法（ＤＢＣ法）によって銅回路板とセラミックス基板との接合する場合には、銅中に含有される酸素が１０６５〜１０８３℃に加熱されてＣｕ−Ｏ共晶液相を形成し、この液相がセラミックス基板中の酸素と接合することにより、接合がなされる。しかしながら、反応に必要な酸素が炭化水素（ＣＨｘ）によって消費されたり、接合時の反応阻害要因となる炭素成分がセラミックス基板表面に付着したりすることにより、回路板とセラミックス基板との接合強度が低くなることが判明した。そして、セラミックス基板表面におけるＯ／Ｃ比を０．９以上としたときに接合強度が大幅に増加することが判明した。
【００１３】
さらに、上記Ｏ／Ｃ比を所定の範囲に調整する処理として、セラミックス基板のアルカリ洗浄や酸素プラズマ処理が極めて有効であり、さらに酸素プラズマ処理を行えば、基板表面における酸素濃度が増加し、接合反応に寄与する酸素量の増大によって複合基板の接合強度を大幅に増加できることも判明した。
【００１４】
さらに上記セラミックス基板を粗面化するアルカリ処理や酸素プラズマ処理によってセラミックス基板の表面の凹凸が増加し、接合に関与する表面積が増加し、良好な接合状態が得られる。また、粗面化することにより、接合時に混入したガスが効果的に抜け、未接合部が減少する。さらに、粗面化したセラミックス基板表面のアンカー効果によって複合基板の接合強度を向上させることも可能になるという知見が得られた。この傾向は金属回路板に代えて、樹脂基板を一体に接合した場合にも、同様に観察された。
【００１５】
また、セラミックス基板表面に所定量のふっ素（Ｆ）原子を存在させた場合においても、セラミックス基板と回路板との接合強度が高くなることが判明した。本発明は上記知見に基づいて完成されたものである。
【００１６】
すなわち、本発明に係る複合基板は、酸化物層を形成した窒化物セラミックス基板表面に回路板を一体に接合して構成した複合基板において、上記回路板の接合面となる窒化物セラミックス基板の表面部における酸素原子数に対する炭素原子数の比（Ｏ／Ｃ比）がアルカリ洗浄および酸素プラズマ処理の少なくとも一方の処理により０．９以上７．８以下に調整されていることを特徴とする。
【００１７】
また、回路板は、金属回路板で構成してもよいし、または、金属回路層を貼付した樹脂基板で構成してもよい。
【００１８】
さらに、セラミックス基板の表面部におけるふっ素原子の存在割合が１ａｔ％以上であることが望ましい。また、金属回路板は直接接合法によりセラミックス基板に接合してもよい。さらに、金属回路板が銅回路板であり、この銅回路板がＣｕ−Ｏ共晶化合物によりセラミックス基板に接合されるように構成してもよい。一方、回路板が、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆから選択される少なくとも１種を含有する活性金属層を介してセラミックス基板と接合されるように構成してもよい。また、セラミックス基板はアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３），窒化アルミニウム（ＡｌＮ），窒化けい素（Ｓｉ_３Ｎ_４）の少なくとも１種から構成される。
【００１９】
本発明に係る複合基板の製造方法は、酸化物層を形成した窒化物セラミックス基板の表面部をアルカリ洗浄および酸素プラズマ処理の少なくとも一方で処理することにより表面粗さを高めると同時に窒化物セラミックス基板の表面部における酸素原子数に対する炭素原子数の比（Ｏ／Ｃ比）を０．９以上７．８以下となるように調整し、しかる後に窒化物セラミックス基板表面に回路板を一体に接合することを特徴とする。
【００２０】
上記製造方法において、セラミックス基板の表面部をアルカリ洗浄した後に、さらに酸素プラズマ処理を行なうことが好ましい。
【００２１】
すなわち、本発明に係る複合基板は、セラミックス基板表面におけるＯ／Ｃ比を０．９以上に調整するように表面処理を実施した後に、金属や樹脂から成る回路板を一体に接合したものである。
【００２２】
本発明に係る複合基板に使用されるセラミックス基板としては、特に限定されるものではなく、酸化アルミニウム（アルミナ：Ａｌ_２Ｏ_３）等の酸化物系セラミックス基板の他に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ），窒化けい素（Ｓｉ_３Ｎ_４），窒化チタン（ＴｉＮ）等の窒化物、炭化けい素（ＳｉＣ），炭化チタン（ＴｉＣ）等の炭化物、またはほう化ランタン等のほう化物等の非酸化物系セラミックス基板でもよい。これらのセラミックス基板には酸化イットリウムなどの焼結助剤等が含有されていてもよい。
【００２３】
本発明において、セラミックス基板と回路板との接合強度を高め、その劣化を防止するために、セラミックス基板表面または表層における酸素原子数に対する炭素原子数の比（Ｏ／Ｃ比）は、０．９以上とされるが、好ましくは２．０以上とする。このセラミックス基板表面部におけるＯ／Ｃ比を０．９以上にする方法としては、例えば、アルカリ溶液中にセラミックス基板を浸漬するアルカリ洗浄法やセラミックス基板表面を酸素プラズマに晒す酸素プラズマ処理法やセラミックス基板を高温蒸気に晒す方法などがある。特に、最初にセラミックス基板をアルカリ洗浄した後に、酸素プラズマ処理することがさらに望ましい。なお、上記セラミックス基板表面部のＯ／Ｃ比は、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ法）等によって測定することができる。
【００２４】
上記アルカリ洗浄処理や酸素プラズマ処理は、その処理時間の増減によってセラミックス基板表面部のＯ／Ｃ比を所定の範囲に調整することが容易となる上に、セラミックス基板表面を目荒しして表面粗さをより高め、セラミックス基板と回路板との接合強度を高める上でも有効である。なお、基板表面の目荒しは、単に凹凸の較差を大きくするのではなく、平滑であった各凹凸部の表面粗さを±１μｍ程度の微小レベルにおいて目荒しする操作である。このアルカリ洗浄処理または酸素プラズマ処理によって生じる微小な目荒し状態（粗面）によって、ガス抜き効果を生じ未接合部分が減少するとともに、粗面によるアンカー効果によって接合強度がより一層改善される。
【００２５】
また、上記酸素プラズマ処理に際して、雰囲気ガスとしてふっ素ガスを微量混入した酸素ガスを用いることにより、セラミックス基板表面にふっ素を析出させることができる。セラミックス基板の表面部に１ａｔｍ％以上の割合でふっ素原子が存在すると、セラミックス基板と回路板との接合強度をより改善することができる。
【００２６】
また本発明の複合基板の回路板を構成する金属としては、銅，アルミニウム，鉄，ニッケル，クロム，銀，モリブデン，コバルトの単体またはその合金など、基板成分との共晶化合物を生成し、直接接合法や活性金属法を適用できる金属であれば特に限定されないが、特に導電性および価格の観点から銅，アルミニウムまたはその合金が好ましい。上記金属製の回路板に代えて、上記材料から成る金属回路層を貼付した樹脂基板をセラミックス基板に一体に接合してもよい。
【００２７】
上記回路板の厚さは、通電容量等を勘案して決定されるが、セラミックス基板の厚さを０．２５〜１．２ｍｍの範囲とする一方、回路板の厚さを０．１〜０．５ｍｍの範囲に設定して両者を組み合せると熱膨張差による変形などの影響を受けにくくなる。
【００２８】
特に回路板として銅回路板を使用し直接接合法によってセラミックス基板に接合する場合には、酸素を１００〜１０００ｐｐｍ含有するタフピッチ電解銅から成る銅回路板を使用し、さらに銅回路板表面に所定厚さの酸化銅層を予め形成することにより、直接接合時に、発生するＣｕ−Ｏ共晶の量を増加させ、基板と銅回路板との接合強度を、より向上させることができる。
【００２９】
なお、直接接合法はＡｌ_２Ｏ_３などの酸化物系セラミックス基板のみについては直ちに適用可能であり、窒化アルミニウムや窒化けい素などの非酸化物系セラミックス基板にそのまま適用しても基板に対する濡れ性が低いため、金属回路板の充分な接合強度が得られない。
【００３０】
そこでセラミックス基板として非酸化物系セラミックスを使用する場合には、その非酸化物系セラミックス基板の表面に予め酸化物層を形成し、基板に対する濡れ性を高める必要がある。例えば、ＡｌＮ基板またはＳｉ_３Ｎ_４基板に対してはＡｌ_２Ｏ_３やＳｉＯ_２から成る酸化物層を予め形成しておく。この酸化物層は上記非酸化物系セラミックス基板を、空気中などの酸化雰囲気中で温度１０００〜１４００℃程度で２〜１５時間加熱して形成される。この酸化物層の厚さが０．５μｍ未満の場合には、上記濡れ性の改善効果が少ない一方、１０μｍを超えるように厚く形成しても改善効果が飽和するため、酸化物層の厚さは０．５〜１０μｍの範囲が必要であり、より好ましくは１〜５μｍの範囲が望ましい。
【００３１】
本発明に係る複合基板において、活性金属法によって回路板を接合する際に形成される活性金属層は、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆから選択される少なくとも１種の活性金属を含有し適切な組成比を有するＡｇ−Ｃｕ系ろう材等で構成され、このろう材組成物を有機溶媒中に分散して調製した接合用組成物ペーストをセラミックス基板表面にスクリーン印刷する等の方法で形成される。
【００３２】
上記接合用組成物ペーストの具体例としては、下記のようなものがある。すなわち重量％でＣｕを１５〜３５％、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆから選択される少くとも１種の活性金属を１〜１０％、残部が実質的にＡｇから成る組成物を有機溶媒中に分散して調製した接合用組成物ペーストを使用するとよい。
【００３３】
上記活性金属はセラミックス基板に対するろう材の濡れ性を改善するための成分であり、特に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板に対して有効である。上記の活性金属の配合量は、接合用組成物全体に対して１〜１０重量％が適量である。
【００３４】
上記構成に係る複合基板およびその製造方法によれば、セラミックス基板の表面部における酸素原子数に対する炭素原子数の比（Ｏ／Ｃ比）が０．９以上であるため、セラミックス基板と回路板との接合強度が高くなり、しかもこの接合強度は冷熱サイクル試験後においても劣化せず、回路板の膨れや剥離の発生も少なく、信頼性および耐久性に優れた複合基板が得られる。
【００３５】
また、セラミックス基板をアルカリ洗浄したり、酸素プラズマ処理することにより、上記Ｏ／Ｃ比が所定範囲に調整されるとともに、セラミックス基板表面が粗面化されるため、アンカー効果によって回路板の接合強度をより高めることができる。さらに、粗面化することにより、接合時に発生するガスの抜けが良好になり、ガスの滞留による未接合部の発生が少なくなる。また、セラミックス基板表面に１ａｔ％以上のふっ素原子を存在させることにより、セラミックス基板と回路板との接合強度を、より高めることが可能になる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施形態について添付図面を参照し以下の実施例に基づいて、より具体的に説明する。
【００３７】
図１は直接接合法（ＤＢＣ法）により回路板を接合した本発明に係る複合基板の構造を示す断面図である。この複合基板１ａは、セラミックス基板２ａとしてのＡｌＮ基板の表面に酸化物層（Ａｌ_２Ｏ_３皮膜）５を形成した後に、ＡｌＮ基板２ａの表面側に銅回路板３を接合する一方、背面側に裏銅板４を接合した構造を有する。
【００３８】
上記複合基板１ａの詳細な製造工程は以下の通りである。すなわち、窒化アルミニウム粉末に対して焼結助剤としてのＹ_２Ｏ_３粉末を５重量％とＡｌ_２Ｏ_３粉末を３重量％とを添加混合して原料混合体を調製した。この原料混合体にバインダーおよび溶剤を添加して原料スラリーを調製した。さらに、原料スラリーをドクターブレード法により厚さ０．８ｍｍのシート状に成形し、焼結後における寸法が縦５０ｍｍ×横２５ｍｍとなるように切断して多数のシート状成形体を調製した。次に成形体表面に窒化ほう素（ＢＮ）から成る敷粉を配置した状態で温度５００℃に加熱して脱脂した。次に、非酸化性雰囲気中で各脱脂体を温度１７５０℃で４時間焼結してＡｌＮ基板を調製した。次に、各ＡｌＮ基板表面を清浄化し、基板表面に液相成分となる化合物が所定量だけ分布するＡｌＮ基板を得た。
【００３９】
次に、得られた各ＡｌＮ基板を空気雰囲気に調整した加熱炉中に収容し、温度１３００℃で１２時間加熱することにより、ＡｌＮ基板の全表面を酸化し、図１に示すような厚さ２μｍの酸化物層（Ａｌ_２Ｏ_３皮膜）５を形成した。
【００４０】
次に上記のように酸化物層５を形成した各ＡｌＮ基板２ａに対して、次のような表面処理を実施して各実施例用のＡｌＮ基板を調製した。
【００４１】
実施例１
温度２０〜４０℃に加熱した２５％カ性ソーダ溶液中にＡｌＮ基板を浸漬し５０分間の超音波洗浄を行うアルカリ洗浄処理を施して実施例１用のＡｌＮ基板とした。
【００４２】
実施例２
圧力を３０Ｐａ，酸素流量を１００ＳＣＣＭ，投入電力を４００Ｗに調整した酸素アッシング装置内にＡｌＮ基板を配置してＡｌＮ基板表面を１２０秒間酸素プラズマに晒す酸素プラズマ処理を施して実施例２用のＡｌＮ基板とした。
【００４３】
実施例３
温度２０〜４０℃に加熱した２５％カ性ソーダ溶液中にＡｌＮ基板を浸漬し５０分間の超音波洗浄を行うアルカリ洗浄処理を施した後に、さらに圧力を３０Ｐａ，酸素流量を１００ＳＣＣＭ，投入電力を４００Ｗに調整した酸素アッシング装置内にＡｌＮ基板を配置してＡｌＮ基板表面を６０秒間酸素プラズマに晒す酸素プラズマ処理を施して実施例３用のＡｌＮ基板とした。
【００４４】
比較例１
酸化物層（Ａｌ_２Ｏ_３皮膜）５を形成しただけで、上記アルカリ洗浄処理および酸素プラズマ処理を実施せずに、そのまま比較例１用のＡｌＮ基板とした。
【００４５】
上記のように得られた実施例１〜３および比較例１用の各ＡｌＮ基板表面のＯ／Ｃ比をＸＰＳ法（Ｘ線光電子分光法）により測定して表１に示す結果を得た。
【００４６】
次に酸化物層を形成した各ＡｌＮ基板の表面側に、酸素を含有する厚さ０．２５ｍｍのタフピッチ電解銅から成る金属回路板としての銅回路板を接触配置する一方、背面側に厚さ０．２５ｍｍのタフピッチ銅から成る裏金属板としての銅板を接触配置して積層体とし、この積層体を窒素ガス雰囲気に調整し、温度１０７５℃に設定した加熱炉に挿入して１分間加熱することにより、各ＡｌＮ基板の両面に金属回路板（Ｃｕ板）または裏銅板を直接接合法（ＤＢＣ法）によって接合した接合体をそれぞれ調製した。さらに各接合体をエッチング処理することにより、図１に示すような所定の回路パターンを有する各実施例および比較例に係る複合基板をそれぞれ１０個ずつ調製した。
【００４７】
こうして調製した各実施例および比較例に係るＤＢＣ複合基板について、回路板の接合強度を評価するために各回路板を基板に対して垂直方向に引き剥してピール強度を測定して下記表１に示す結果を得た。
【００４８】
【表１】

【００４９】
上記表１に示す結果から明らかなように、予めセラミックス基板表面をアルカリ洗浄したり酸素プラズマ処理してＯ／Ｃ比を所定値以上にした各実施例の複合基板においては、上記処理を実施しない比較例１と比較して、いずれもピール強度が高く、接合強度および耐久性に優れた複合基板が得られた。
【００５０】
なお、上記実施例においては、セラミックス基板としてＡｌＮ基板を使用した例で示しているが、Ａｌ_２Ｏ_３基板およびＳｉ_３Ｎ_４基板についても同様にアルカリ洗浄や酸素プラズマ処理を実施することにより、ピール強度が高い複合基板が得られることが確認されている。
【００５１】
次に、回路板として樹脂基板を使用した複合基板（樹脂複合基板）の実施例について説明する。
【００５２】
表面粗さ（Ｒｍａｘ）が１０μｍで表面部のＯ／Ｃ比が０．５である窒化けい素（Ｓｉ_３Ｎ_４）基板素材を多数用意し、各Ｓｉ_３Ｎ_４基板に下記のような表面処理を実施して各実施例用のＳｉ_３Ｎ_４基板を調製した。
【００５３】
実施例４
上記Ｓｉ_３Ｎ_４基板素材に対して実施例１で示すアルカリ洗浄処理を５０分間実施して実施例４用のＳｉ_３Ｎ_４基板を調製した。
【００５４】
実施例５
上記Ｓｉ_３Ｎ_４基板素材に対して実施例２で示す酸素プラズマ処理を１２０秒間実施して実施例５用のＳｉ_３Ｎ_４基板を調製した。
【００５５】
実施例６
上記Ｓｉ_３Ｎ_４基板素材に対して実施例１で示すアルカリ洗浄処理を５０分間実施した後に、さらに実施例２で示す酸素プラズマ処理を６０秒間実施することにより実施例６用のＳｉ_３Ｎ_４基板を調製した。
【００５６】
実施例７
上記Ｓｉ_３Ｎ_４基板素材に対して実施例１で示すアルカリ洗浄処理を５０分間実施した後に、さらに実施例２で示す酸素プラズマ処理を１２０秒間実施することにより実施例７用のＳｉ_３Ｎ_４基板を調製した。
【００５７】
比較例２
アルカリ洗浄処理および酸素プラズマ処理を全く実施せずに、前記Ｓｉ_３Ｎ_４基板素材をそのまま比較例２用のＳｉ_３Ｎ_４基板とした。
【００５８】
比較例３
上記Ｓｉ_３Ｎ_４基板素材に対して実施例２で示す酸素プラズマ処理を１５秒間実施して比較例３用のＳｉ_３Ｎ_４基板を調製した。
【００５９】
上記のように調製した各実施例および比較例用のＳｉ_３Ｎ_４基板の表面粗さを測定するとともに、ＸＰＳ法によって基板表面のＯ／Ｃ比を測定して表２に示す結果を得た。
【００６０】
一方、上記各Ｓｉ_３Ｎ_４基板に接合するための樹脂基板を下記のように調製した。すなわち、液晶ポリマーから成る樹脂フィルムの両側に銅箔を貼り合わせ、この銅箔に対してフォトリソグラフィ技術によってチップ実装部，引き回し配線部などの配線層パターンを形成して多数の樹脂基板を調製した。
【００６１】
そして前記のように調製した各Ｓｉ_３Ｎ_４基板の表面に、エポキシ樹脂系接着剤を用いて上記樹脂基板をそれぞれ一体に接合することにより、それぞれ実施例４〜７および比較例２〜３に係る複合基板（樹脂複合基板）を１０個ずつ調製した。
【００６２】
こうして調製した実施例および比較例に係る各樹脂複合基板について、ピール試験による測定値から接合強度を算出した。具体的には樹脂基板の銅箔を垂直方向に折り曲げ、垂直方向に牽引する９０度ピール試験に準拠して実施した。なお、このピール試験は、各複合基板について高温側１２５℃および低温側−４０℃の冷熱サイクルを８００サイクルまで繰り返す冷熱サイクル試験（ＴＣＴ）の前後において実施した。その測定結果を下記表２に示す。なお、表２には各複合基板のセラミックス基板表面のＯ／Ｃ比および表面粗さ（Ｒｍａｘ）も併示する。
【００６３】
【表２】

【００６４】
上記表２に示す結果から明らかなように、各比較例では、初期状態（冷熱サイクル試験前）においてはその接着強度は１．３〜１．４ｋｇｆ／ｃｍという十分な値であるものの、８００サイクルの冷熱サイクル試験後では０．２ｋｇｆ／ｃｍにまで劣化してしまうことがわかる。一方、各実施例では、すべての条件でほとんど接着強度の劣化が少ないことが判明した。したがって、この結果から、窒化物セラミックス基板に対して上述したようなアルカリ洗浄処理等を施すことで、基板表面または表層における酸素の窒素に対する原子数比が０．９より大きくなり、それにより冷熱サイクル試験前後における接着強度の劣化が抑制されることが実証された。
【００６５】
表面粗さ（Ｒｍａｘ）が１０μｍで表面部に酸化物層（Ａｌ_２Ｏ_３皮膜）を有し、表面部のＯ／Ｃ比が０．５である比較例１に係る窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板素材を多数用意し、各ＡｌＮ基板に下記のような表面処理を実施して各実施例用のＡｌＮ基板を調製した。
【００６６】
実施例８
上記ＡｌＮ基板素材に対して実施例１で示すアルカリ洗浄処理を３０〜１２０分間実施して、表３に示すＯ／Ｃを有する実施例８用のＡｌＮ基板をそれぞれ調製した。
【００６７】
実施例９
ＡｌＮ基板素材に対して実施例２で示す酸素プラズマ処理を１５０〜３００秒間実施して、表３に示すＯ／Ｃを有する実施例９用のＡｌＮ基板を、それぞれ調製した。
【００６８】
実施例１０
ＡｌＮ基板素材に対して実施例１で示すアルカリ洗浄処理を５０〜９０分間実施した後に、さらに実施例２で示す酸素プラズマ処理を６０〜１５０秒間実施することにより、表３に示すＯ／Ｃを有する実施例１０用のＡｌＮ基板をそれぞれ調製した。
【００６９】
次に各ＡｌＮ基板の表面側に、酸素を含有する厚さ０．２５ｍｍのタフピッチ電解銅から成る金属回路板としての銅回路板を接触配置する一方、背面側に厚さ０．２５ｍｍのタフピッチ銅から成る裏金属板としての銅板を接触配置して積層体とし、この積層体を窒素ガス雰囲気に調整し、温度１０７０℃に設定したベルト炉に挿入して１分間加熱することにより、各ＡｌＮ基板の両面に金属回路板（Ｃｕ板）または裏銅板を直接接合法（ＤＢＣ法）によって接合した接合体をそれぞれ調製した。さらに各接合体をエッチング処理することにより、図１に示すような所定の回路パターンを有する各実施例および比較例に係る複合基板をそれぞれ１０個ずつ調製した。
【００７０】
こうして調製した各実施例および比較例に係るＤＢＣ複合基板について、回路板の接合強度を評価するために各回路板を基板に対して垂直方向に引き剥してピール強度を測定して下記表３に示す結果を得た。
【００７１】
【表３】

【００７２】
上記表３に示す結果から明らかなように、予めセラミックス基板表面をアルカリ洗浄したり酸素プラズマ処理してＯ／Ｃ比を所定値以上にした各実施例においては、上記処理を実施しない比較例１と比較して、いずれもピール強度が高く、接合強度および耐久性に優れた複合基板が得られた。
【００７３】
次にセラミックス基板の表面部におけるふっ素の存在量が接合強度に及ぼす影響について、下記の実施例に基づいて説明する。
【００７４】
比較例４および実施例１２〜１４
基板表面のＯ／Ｃ比が０．７であるＡｌＮ基板を比較例４用のセラミックス基板として用意した。一方、比較例１で用意したＡｌＮ基板について、ふっ素ガスを微量（１５０ｐｐｍ）混入した酸素ガスを用いた点以外は実施例２に示すプロセスと同一の条件で酸素プラズマ処理をそれぞれ１２０秒間および１８０秒間実施することにより、表４に示すように基板表面におけるＯ／Ｃ比が０．９および２．０である実施例１２，１４用のＡｌＮ基板を調製した。さらに、比較例１で用意したＡｌＮ基板について、実施例１に示すプロセスと同一条件でアルカリ洗浄処理を、７０分間実施することにより、表４に示すように基板表面におけるＯ／Ｃ比が２．０である実施例１３用のＡｌＮ基板を調製した。
【００７５】
こうして調製した各ＡｌＮ基板について表面のふっ素（Ｆ）原子存在量をＸＰＳ法により測定し、表４に示す結果を得た。また各ＡｌＮ基板に対して実施例１と同様にして銅回路板および裏銅板を直接接合法（ＤＢＣ法）によって一体に接合して比較例４および実施例１２〜１４に係る複合基板をそれぞれ１０個ずつ調製した。各複合基板について銅回路板の接合強度をピール試験によって測定して下記表４に示す結果を得た。
【００７６】
【表４】

【００７７】
上記表４に示す結果から明らかなように、セラミックス基板表面のＯ／Ｃ比が同一である実施例１３〜１４の複合基板であっても基板表面上に析出したふっ素（Ｆ）量の多少によって回路板の接合強度が大きく変化することが判明し、ふっ素量が１ａｔ％以上では接合強度が大幅に改善されることが確認できた。
【００７８】
なお、上記ふっ素（Ｆ）原子の存在量は、上記実施例１２〜１４のように、回路板を直接接合法（ＤＢＣ法）によってセラミックス基板に接合する場合には、接合強度を改善する方向に作用したが、樹脂基板とセラミックス基板とを接着剤で接合する場合には却って接合強度が低下してしまうことが確認されている。
【００７９】
次に、金属回路板の接合方法（ＤＢＣ法，活性金属法）の相違が接合強度等の基板特性に及ぼす影響について下記の実施例に基づいて説明する。
【００８０】
実施例１５〜１７
基板表面のＯ／Ｃ比が０．５であるＡｌＮ基板素材に対して、表５に示すように実施例１で行ったアルカリ洗浄処理および実施例２で行った酸素プラズマ処理の少なくとも一方の処理を実施することにより、基板表面のＯ／Ｃ比が２．０であり、かつＦ量が３．４ａｔｍ％の実施例１５〜１７用のＡｌＮ基板をそれぞれ調製した。
【００８１】
実施例１５〜１６用のＡｌＮ基板に対しては、実施例１と同様に銅回路板をＤＢＣ法により一体に接合して、それぞれ実施例１５〜１６に係る複合基板を調製した。
【００８２】
一方、重量比でＴｉ粉末を３％、Ａｇ粉末を２７％、Ｃｕ粉末を７０％含有する粉末混合体１００重量部に対して、溶媒としてのテレピネオールにバインダーとしてのエチルセルロースを溶解したバインダー溶液を２０重量部添加して、擂回機で混合後、三段ロールで混練してペースト状の接合用組成物を調製した。
【００８３】
そして、実施例１７用の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板の両面に前記ペースト状接合用組成物を介在させて、それぞれ金属回路板および裏金属板を接触配置して３層構造の積層体とし、この各積層体を加熱炉内に配置し、炉内を１．３×１０^-8ＭＰａの真空度に調整した後に温度８５０℃にて１５分間加熱して図１に示すように、ＡｌＮ基板２ａに金属回路板３および裏金属板４を一体に接合して、多数の接合体を得た。そして各接合体についてエッチング処理を実施して所定の回路パターンを有する実施例１７に係る複合基板とした。
【００８４】
上記のように調製した実施例１５〜１７に係る複合基板について、ピール試験によって回路板の接合強度を測定するとともに、複合後における複合基板のうねり（反り量）を測定して下記表５に示す結果を得た。
【００８５】
【表５】

【００８６】
上記表５に示す結果から明らかなように、回路板をＤＢＣ法または活性金属法によって基板に接合した場合においても、両者に大きな差異は生じなかった。
【００８７】
【発明の効果】
以上説明の通り本発明に係る複合基板およびその製造方法によれば、セラミックス基板の表面部にける酸素原子数に対する炭素原子数の比（Ｏ／Ｃ比）が０．９以上であるため、セラミックス基板と回路板との接合強度が高くなり、しかもこの接合強度は冷熱サイクル試験後においても劣化せず、回路板の膨れや剥離の発生も少なく、信頼性および耐久性に優れた複合基板が得られる。
【００８８】
また、セラミックス基板をアルカリ洗浄したり、酸素プラズマ処理することにより、上記Ｏ／Ｃ比が所定範囲に調整されるとともに、セラミックス基板表面が粗面化されるため、アンカー効果によって回路板の接合強度をより高めることができる。さらに、粗面化することにより、接合時に発生するガスの抜けが良好になり、ガスの滞留による未接合部の発生が少なくなる。また、セラミックス基板表面に１ａｔ％以上のふっ素原子を存在させることにより、セラミックス基板と回路板との接合強度を、より高めることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る複合基板の一実施例を示す断面図。
【図２】複合基板の構造例を示す断面図。
【符号の説明】
１，１ａ複合基板
２，２ａセラミックス基板（ＡｌＮ基板，Ｓｉ_３Ｎ_４基板）
３回路板（金属回路板，銅回路板，樹脂基板）
４裏金属板（裏銅板）
５酸化物層（Ａｌ_２Ｏ_３層）

Claims

酸化物層を形成した窒化物セラミックス基板表面に回路板を一体に接合して構成した複合基板において、上記回路板の接合面となる窒化物セラミックス基板の表面部における酸素原子数に対する炭素原子数の比（Ｏ／Ｃ比）がアルカリ洗浄および酸素プラズマ処理の少なくとも一方の処理により０．９以上７．８以下に調整されていることを特徴とする複合基板。
回路板は、金属回路板であることを特徴とする請求項１記載の複合基板。
回路板は、金属回路層を貼付した樹脂基板であることを特徴とする請求項１記載の複合基板。
金属回路板が銅回路板であり、この銅回路板がＣｕ−Ｏ共晶化合物により窒化物セラミックス基板に接合されていることを特徴とする請求項２記載の複合基板。
金属回路板は直接接合法により窒化物セラミックス基板に接合されていることを特徴とする請求項２記載の複合基板。
窒化物セラミックス基板の表面部におけるふっ素原子の存在割合が１ａｔ％以上であることを特徴とする請求項５記載の複合基板。
回路板が、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆから選択される少なくとも１種を含有する活性金属層を介して窒化物セラミックス基板と接合されていることを特徴とする請求項１記載の複合基板。
窒化物セラミックス基板が窒化アルミニウム（ＡｌＮ），窒化けい素（Ｓｉ_３Ｎ_４）の少なくとも１種から成ることを特徴とする請求項１記載の複合基板。
酸化物層を形成した窒化物セラミックス基板の表面部をアルカリ洗浄および酸素プラズマ処理の少なくとも一方で処理することにより表面粗さを高めると同時に窒化物セラミックス基板の表面部における酸素原子数に対する炭素原子数の比（Ｏ／Ｃ比）を０．９以上７．８以下となるように調整し、しかる後に窒化物セラミックス基板表面に回路板を一体に接合することを特徴とする複合基板の製造方法。
窒化物セラミックス基板の表面部をアルカリ洗浄した後に、さらに酸素プラズマ処理を行なうことを特徴とする請求項９記載の複合基板の製造方法。