JP7330382B2 - 複合基板 - Google Patents
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Description
本開示は、複合基板に関する。
ロボット及びモーター等の産業機器の高性能化に伴い、パワーモジュールに搭載される半導体素子から発生する熱も増加の一途を辿っている。この熱を効率よく放散させるため、良好な熱伝導を有するセラミックス板を備える回路基板が用いられている。このような回路基板には、セラミックス板と金属板とをろう材を介して接合する際の加熱及び冷却工程、並びに使用時のヒートサイクルによって熱応力が発生する。この熱応力によって、セラミックス基板にクラックが発生したり、金属板がはく離したりする場合がある。
これに対して、特許文献１には、ろう材の熱膨張率をセラミックス基板に近づけることによってヒートサイクル特性を向上させたセラミックス回路基板が記載されている。
回路基板は、用いられる用途に応じて、信頼性に十分に優れることが求められる。例えば、電車の駆動部及び電気自動車等のパワーモジュールの分野では、セラミックス板と金属板とが十分な接合強度を持って接合しつつ、過酷な使用条件下でのヒートサイクルを経ても特性を維持できるように、熱応力を緩和できることが望ましい。十分な接合強度を発揮せるためには、高温で接合することで、セラミック板との接合を強固にすることが考えられるが、本発明者らの検討によれば、高温で接合するとろう材層近傍の硬度が高くなり、ヒートサイクル時に発生する熱応力の緩和が困難となる傾向にある。接合強度とヒートサイクル特性とを両立できる複合基板があれば有用である。
本開示は、セラミックス板と金属基材との接合強度及びヒートサイクル特性に優れる複合基板を提供することを目的とする。
本開示の一側面は、セラミックス板と、銀及び活性金属を含有するろう材層を介して上記セラミックス板上に接合された金属基材とを有し、上記セラミックス板から上記金属基材に向かって２０μｍの位置におけるビッカース硬さをＸとし、上記セラミックス板から上記金属基材に向かって７０μｍの位置におけるビッカース硬さをＹとしたときに、上記Ｘが７０～１１０ＨＶであり、上記Ｘに対する上記Ｙの比が０．９２以下である、複合基板を提供する。
上記複合基板は、上記Ｘが所定の範囲内となるビッカース硬さを有することで、上記セラミックス板から上記金属基材に向かって２０μｍ以下の範囲において十分に接合を固定化し、セラミックス板と金属基材との間で優れた接合強度を発揮し得る。また上記Ｘに対する上記Ｙの比（Ｙ／Ｘの値）が上記範囲内であることは、セラミックス板とろう材層との界面近傍でビッカース硬さに優れることに加え、ろう材成分が金属基材へ広く拡散することによって金属基材におけるビッカース硬さが大きく上昇することが抑制されていることを意味し、ヒートサイクルによって生じる熱応力を緩和することができる。したがって、上記複合基板は、ヒートサイクルによって金属基材がセラミックス板からはく離等することも十分に抑制されている。すなわち、上記複合基板は、セラミックス板と金属基材との間の接合強度及びヒートサイクル特性とに優れたものとなり得る。
上記複合基板は、上記Ｘに対する上記Ｙの比が０．５０以上であってよい。上記Ｘに対する上記Ｙの比が上記範囲内であることによって、セラミックス板と金属基材との接合強度をより向上させることができ、接合強度とヒートサイクル特性とをより高水準で両立することができる。
上記活性金属が、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、及びタンタルからなる群より選択される少なくとも一種を含有してもよい。ろう材層が上記活性金属を含むことによって、セラミックス板と金属基材との接着性をより向上させることができる。
上記セラミックス板が窒化ケイ素を含有してもよい。
上記ろう材層の厚みは２０μｍ以下であってよい。
本開示によれば、セラミックス板と金属基材との接合強度及びヒートサイクル特性に優れる複合基板を提供できる。
以下、場合によって図面を参照して、本開示の実施形態を説明する。ただし、以下の実施形態は、本開示を説明するための例示であり、本開示を以下の内容に限定する趣旨ではない。説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用い、場合によって重複する説明は省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。さらに、各要素の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。
本明細書において例示する材料は特に断らない限り、１種を単独で又は２種以上を組み合わせて用いることができる。組成物中の各成分の含有量は、組成物中の各成分に該当する物質が複数存在する場合には、特に断らない限り、組成物中に存在する当該複数の物質の合計量を意味する。
複合基板の一実施形態は、セラミックス板と、活性金属を含有するろう材層を介して上記セラミックス板上に接合された金属基材とを有す。上記接合は、活性金属法によって接合されたものであってよい。複合基板は、一又は複数の金属基材を有してもよい。
図１は、複合基板の一例を示す模式断面図であり、複合基板を後述する接合面に直交する断面を示している。複合基板１００は、セラミックス板１０と、回路板４０と、放熱板５０とを備える。回路板４０は、接合面４０ａにおいてセラミックス板１０の表面１０Ａと接合しており、金属基材３０がろう材層２０を介してセラミックス板１０に接合する構成を有する。放熱板５０は接合面５０ａにおいてセラミックス板１０の裏面１０Ｂと接合しており、金属基材３２がろう材層２２を介してセラミックス板１０に接合する構成を有する。図１においては、セラミックス板１０の表面１０Ａには２つの回路板４０が接合され、セラミックス板１０の裏面１０Ｂには放熱板５０が接合されているが、回路板４０及び放熱板５０の個数等は場合によって適宜変更することができる。
回路板４０は電気信号を伝達する機能を有するのに対して、放熱板５０は熱を伝達する機能を有するものであってよい。なお、放熱板５０は、電気信号を伝達する機能を更に有していてもよい。
回路板４０と放熱板５０とは、同じ材質で構成されていてもよく、異なる材質で構成されていてもよい。導電性及び放熱性を向上させる観点から、金属基材３０，３２は、例えば、主成分として銅を含有してよい。この場合、回路板４０及び放熱板５０は、ろう材層と、銅板とで構成されてもよい。
上記複合基板１００において、上記セラミックス板１０から上記金属基材３０に向かって２０μｍの位置におけるビッカース硬さをＸとし、上記セラミックス板１０から上記金属基材３０に向かって７０μｍの位置におけるビッカース硬さをＹとしたときに、上記Ｘが７０～１１０ＨＶである。上記Ｘは、例えば、７２～９７ＨＶ、又は７３～９５ＨＶであってよい。上記Ｘが上記範囲内であることで、セラミックス板１０と金属基材３０との接合強度をより向上させることができる。
上記Ｘに対する上記Ｙの比（Ｙ／Ｘの値）は、０．９２以下である。上記比の上限値は、例えば、０．９０以下、又は０．８８以下であってよい。上記比の上限値が上記範囲内であることで、複合基板１００のヒートサイクル特性をより向上させることができる。上記比の下限値は、例えば、０．５０以上、０．５２以上、又は０．５３以上であってよい。上記比の下限値が上記範囲内であることによって、ろう材層及び金属基材の界面において活性金属を金属基材中に適度に拡散させ、接合強度をより向上させることができる。上記比は上述の範囲内で調整でき、例えば、０．５０～０．９２、又は０．５３～０．９０であってよい。
本明細書においてビッカース硬さは、ＪＩＳ Ｚ ２２４４：２００９「ビッカース硬さ試験－試験方法」に記載の方法に準拠して、測定される値を意味する。図２を参照して、説明する。図２は、複合基板における接合面近傍の拡大断面図であり、セラミックス板と金属基材との接合面に直交する断面で示している。上記セラミックス板１０と金属基材３０との接合面を基準位置として、当該基準位置から接合面に垂直な方向、且つろう材層２０及び金属基材３０の方向に向かって計測し、位置を決定する。図２中、距離Ａ（例えば、２０μｍ）だけ離れた点、及び距離Ｂ（例えば、７０μｍ）だけ離れた点において、ビッカース硬さを測定する。図２では、セラミックス板１０の表面１０Ａにおける接合面４０ａの拡大図を示し説明したが、セラミックス板１０の裏面１０Ｂにおける接合面５０ａにおいても同様に測定を行う。ビッカース硬さは、ろう材を介してセラミックス板と金属基材とが接合している部分を含む複合基板１００の切断面において、接合面（図１の複合基板１００の場合、セラミックス板１０の表面１０Ａにおける２つの接合面４０ａ、及びセラミックス板１０の裏面１０Ｂにおける接合面５０ａの合計３か所）のそれぞれについて、任意の１０点において上記Ｙ／Ｘの値を測定し、その算術平均値を採用する。
セラミックス板１０は、窒化ケイ素又は窒化アルミニウムのいずれかで構成されてよく、好ましくは窒化ケイ素を含む。セラミックス板は、例えば、窒化アルミニウム焼結体又は窒化ケイ素焼結体であってよい。
ろう材層２０，２２は、ろう材を加熱処理して得られる層である。ろう材は、主成分として銀を含み、副成分として活性金属を含有する。銀の含有量は、ろう材層の全量を基準として、例えば、８５質量％以上、８７質量％以上、又は９０質量％以上であってよい。銀の含有量は、ろう材層の全量を基準として、例えば、９８質量％以下、又は９９質量％以下であってよい。活性金属は、例えば、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、バナジウム、ニオブ、及びタンタルからなる群より選択される少なくとも一種を含有してよく、銀を主成分として含有するものであってよい。ろう材層２０，２２は、活性金属の他、例えば、炭素等を含有してもよい。また、ろう材層２０は、融点降下を目的に、銅（Ｃｕ）、スズ（Ｓｎ）、及びインジウム（Ｉｎ）等の金属を含んでもよい。ろう材中の活性金属の含有量は、銀の含有量を１００質量部として調整してよい。
ろう材層２０，２２が銅を含む場合、接合面付近の構成部材への熱処理による影響を低減することができることから、得られる複合基板の信頼性をより向上することができる。ろう材層２０，２２中の銅の含有量は、銀の含有量１００質量部に対して、例えば、１７質量部以下、１５質量部以下、１４質量部以下、１３質量部以下、又は１２質量部以下であってよい。ろう材層２０，２２中の銅の含有量は、銀の含有量１００質量部に対して、例えば、２質量部以上、４質量部以上、６質量部以上、８質量部以上、１０質量部以上であってよい。ろう材層２０，２２中の銅の含有量は上述の範囲内で調整してよく、銀の含有量１００質量部に対して、例えば、２～１７質量部であってよい。
ろう材層２０，２２がスズを含む場合、接合面付近の構成部材への熱処理による影響を低減することができることから、得られる複合基板の信頼性をより向上することができる。ろう材層２０，２２中のスズの含有量は、銀の含有量１００質量部に対して、例えば、６．０質量部以下、５．５質量部以下、５．０質量部以下、３．０質量部以下、又は１．０質量部以下であってよい。ろう材層２０，２２中のスズの含有量は、銀の含有量１００質量部に対して、例えば、０．５質量部以上、０．８質量部以上、又は０．９質量部以上であってよい。ろう材層２０，２２中のスズの含有量は上述の範囲内で調整してよく、銀の含有量１００質量部に対して、例えば、０．５～６．０質量部であってよい。
ろう材層２０，２２がチタンを含む場合、セラミックス板と金属基材との接合強度をより向上させることができる。ろう材層２０，２２中のチタンの含有量の上限値は、銀の含有量１００質量部に対して、例えば、７．０質量部以下、６．０質量部以下、５．０質量部以下、又は４．０質量部以下であってよい。ろう材層２０，２２中のチタンの含有量の下限値は、銀の含有量１００質量部に対して、例えば、０．６質量部以上、０．８質量部以上、又は１．０質量部以上であってよい。ろう材層２０，２２中のチタンの含有量は上述の範囲内で調整してよく、銀の含有量１００質量部に対して、例えば、１．０～５．０質量部であってよい。
ろう材層２０，２２は、本発明の効果を損なわない範囲で、銀及び活性金属等の金属以外のその他の成分を含んでよい。その他の成分には不純物も含む。その他の成分の含有量は、ろう材層の全量を基準として、例えば、１５．０質量％未満、１４．０質量％以下、１２．０質量％以下、１０．０質量％以下、５．０質量％以下、３．０質量％以下、１．０質量％以下、又は０．５質量％以下であってよい。
ろう材層２０，２２の厚みの上限値は、例えば、２０μｍ以下、１８μｍ以下、又は１５μｍ以下であってよい。厚みの上限値が上記範囲内であることで、ヒートサイクル特性をより十分なものとすることができ、高放熱環境下での使用後であっても、熱応力によるろう材層２０，２２のはく離等の発生をより十分に抑制することができる。ろう材層２０，２２の厚みの下限値は、例えば、３μｍ以上、５μｍ以上、又は８μｍ以上であってよい。厚みの下限値が上記範囲内であることによって、セラミックス板１０と金属基材３０，３２との接合強度をより十分なものとすることができ、はく離等の発生を抑制できる。ろう材層の厚みは上述の範囲内で調整してよく、例えば、３～２０μｍであってよい。本明細書におけるろう材層の厚みは、複合基板におけるセラミクス板と金属基材との接合面に直交する断面の電子顕微鏡画像において測定する値を意味する。ろう材層の厚みは、ろう材を介してセラミックス板と金属基材とが接合している部分を含む複合基板１００の切断面において、接合面（図１の複合基板１００の場合、セラミックス板１０の表面１０Ａにおける２つの接合面４０ａ、及びセラミックス板１０の裏面１０Ｂにおける接合面５０ａの合計３か所）のそれぞれについて、ろう材層の厚みの最大値を測定し、その算術平均値を採用する。
複合基板１００は、セラミックス板１０と金属基材３０，３２との間の接合強度に優れる。セラミックス板１０と金属基材３０，３２との間の接合強度は、例えば、８０Ｎ／ｃｍ以上、１００Ｎ／ｃｍ以上、１２０Ｎ／ｃｍ以上、又は１４０Ｎ／ｃｍ以上とすることができる。接合強度は、金属基材の一部を９０°（鉛直方向）に引きはがした際の最大引きはがし荷重（単位：Ｎ）を金属基材幅（単位：ｃｍ）で除した値を意味する。具体的には、後述する実施例に記載の方法によって測定を行う。
複合基板１００は優れたヒートサイクル特性を発揮し得る。ヒートサイクル特性は、ＪＩＳ Ｃ ６００６８－２－１４：２０１１「環境試験方法－電気・電子－第２―１４部：温度変化試験方法（試験記号：Ｎ）」に記載の方法に準拠して、温度変化試験を行うことによって評価できる。
上述の複合基板１００は、例えば、以下のような方法によって製造することができる。複合基板の製造方法の一実施形態は、無機化合物の粉末、焼結助剤、バインダ樹脂、及び溶媒を含むスラリーを成形してグリーンシートを得る工程（グリーンシート調製工程）と、グリーンシートを加熱処理してセラミックス板を得る工程（セラミックス板調製工程）と、銀及び活性金属を含有するろう材を介してセラミックス板上に金属基材を張り合わせて積層体を得る工程（積層工程）と、上記積層体を加熱処理して、複合基板を得る工程（熱処理工程）と、を有する。
グリーンシート調製工程では、セラミックス板の原料となる成分を含むスラリーを調製し、シート状に成形してグリーンシートを調製する。スラリーの成形方法は、例えば、ドクターブレード法、及び押出成形法等であってよい。
無機化合物としては、例えば、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化ケイ素、及び酸化アルミニウム等が挙げられる。焼結助剤としては、希土類元素の金属酸化物、フッ化物、塩化物、硝酸塩、及び硫酸塩、又はアルカリ土類金属の金属酸化物、フッ化物、塩化物、硝酸塩、及び硫酸塩等が挙げられる。これらは一種のみ用いてもよいし、二種以上を併用してもよい。焼結助剤としては、アルカリ土類金属の酸化物を含んでよく、例えば、酸化マグネシウム等であってよい。焼結助剤を用いることによって、無機化合物の焼結を促進させることができる。
バインダ樹脂としては、例えば、メチルセルロース、エチルセルロース、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、及び（メタ）アクリル系樹脂等が挙げられる。バインダ樹脂を用いることによって、スラリーをシート状などの種々の形状に成形することを容易にできる。溶媒としては、例えば、エタノール及びトルエン等の有機溶媒が挙げられる。バインダ樹脂及び溶媒を用いることでスラリーの粘度を容易に調整することができる。
スラリーは、無機化合物の粉末、焼結助剤、バインダ樹脂、及び溶媒に加えて、その他の成分を含んでもよい。その他の成分としては、例えば、可塑剤及び分散剤等が挙げられる。可塑剤としては、例えば、精製グリセリン、グリセリントリオレート、ジエチレングリコール、ジ－ｎ－ブチルフタレート等のフタル酸系可塑剤、及びセバシン酸ジ－２－エチルヘキシル等の二塩基酸系可塑剤等が挙げられる。分散剤としては、例えば、ポリ（メタ）アクリル酸塩、及び（メタ）アクリル酸－マレイン酸塩コポリマーが挙げられる。
セラミックス板調製工程は、成形して得られたグリーンシートを加熱処理してセラミックス板を得る工程である。グリーンシートの加熱処理は、複数の加熱処理で行い、例えば、８００℃以下の加熱温度で加熱処理を行う脱脂工程と、脱脂工程における加熱温度よりも高温で加熱処理を行う焼結工程とを有してもよい。脱脂工程では、主に、バインダ樹脂等を燃焼させ、グリーンシートの脱脂を行う。そして、焼結工程において、無機化合物及び焼結助剤を含む原料を焼結させ、セラミックス板を得る。
脱脂工程における加熱温度は、例えば、７５０～８００℃、７６０～７９０℃、又は７８０～７９０℃であってよい。加熱温度の上限値を上記範囲内とすることで、無機化合物の焼結の前にバインダ樹脂等の有機物を十分に除去し、より均質な系としたうえで、続く第二の加熱処理における焼結を行うことができる。脱脂工程における加熱時間は、例えば、０．５～２０時間であってよい。
焼結工程における加熱温度は、脱脂工程における加熱温度よりも高温で行う。焼結工程における加熱温度は、例えば、１６００～１９５０℃、１７００～１９５０℃、又は１８００～１９００℃であってよい。焼結工程における加熱時間は、例えば、５～１５時間であってよい。焼結工程は、例えば、窒素、アルゴン、アンモニア及び水素等の非酸化性ガス雰囲気下で行ってよい。
本実施形態に係る複合基板の製造方法は、セラミックス板を調製する工程を含む方法で説明したが、グリーンシート調製工程及びセラミックス板調製工程に代えて、あらかじめ調製されたセラミックス板（例えば、市販のセラミックス板）を用いてもよい。
積層工程では、セラミックス板及び金属基材を、活性金属を含有するろう材を用いて積層し、積層体を得る。例えば、ろう材をセラミックス板の表面に塗布し塗膜を形成し、上記塗膜上に金属基材を貼り合わせる。セラミックス板の両面に金属基材を張り付ける場合には、セラミックス板の表面及び裏面の両面において、同様の操作によって金属基材を張り合わせる。金属基材の形状は、例えば、平板形状であってよい。金属基材はあらかじめ回路が形成されていてもよい。
ろう材を含む塗膜は、例えば、ロールコーター法、スクリーン印刷法、及び転写法等によって、セラミックス板の表面に塗布して設けることができる。ろう材は、主成分として銀（Ａｇ）を含み、副成分として活性金属を含む。活性金属は、例えば、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、及びタンタル（Ｔａ）等が挙げられる。ろう材は、融点降下を目的に、銅（Ｃｕ）、スズ（Ｓｎ）、及びインジウム（Ｉｎ）等の金属を含んでもよい。ろう材中の活性金属の含有量は、銀の含有量を１００質量部として調整してよい。
ろう材が銅を含む場合、接合面付近の構成部材への熱処理による影響を低減することができることから、得られる複合基板の信頼性をより向上することができる。ろう材中の銅の含有量は、銀の含有量１００質量部に対して、例えば、１７質量部以下、１５質量部以下、１４質量部以下、１３質量部以下、又は１２質量部以下であってよい。ろう材中の銅の含有量は、銀の含有量１００質量部に対して、例えば、２質量部以上、４質量部以上、６質量部以上、８質量部以上、又は１０質量部以上であってよい。ろう材中の銅の含有量は上述の範囲内で調整してよく、銀の含有量１００質量部に対して、例えば、２～１６質量部であってよい。
ろう材がスズを含む場合、ろう材の融点を低下させることができ、接合面付近の構成部材への熱処理による影響を低減することができることから、得られる複合基板の信頼性をより向上することができる。ろう材中のスズの含有量は、銀の含有量１００質量部に対して、例えば、６．０質量部以下、５．５質量部以下、５．０質量部以下、３．０質量部以下、又は１．０質量部以下であってよい。ろう材中のスズの含有量は、銀の含有量を１００質量部に対して、例えば、０．５質量部以上であってよい。ろう材中のスズの含有量は上述の範囲内で調整してよく、銀の含有量１００質量部に対して、例えば、０．５～６．０質量部であってよい。
ろう材がチタンを含む場合、セラミックス板と金属基材との接合強度をより向上させることができる。ろう材中のチタンの含有量の上限値は、銀の含有量１００質量部に対して、例えば、７．０質量部以下、６．０質量部以下、５．０質量部以下、又は４．０質量部以下であってよい。ろう材中のチタンの含有量の下限値は、銀の含有量１００質量部に対して、例えば、０．６質量部以上、０．８質量部以上、又は１．０質量部以上であってよい。ろう材中のチタンの含有量は上述の範囲内で調整してよく、銀の含有量１００質量部に対して、例えば、１．０～５．０質量部であってよい。
ろう材の２５℃における粘度は、例えば、５～４０Ｐａ秒であってよい。ろう材の上記粘度が上記範囲内であると、セラミックス板上により一層均一に塗膜を形成することでき、接合のための加熱処理時の溶融粘度も適度なものとなりセラミックス板と金属基材との間に十分ろう材をいきわたらせることができるため、接合強度をより向上させ、複合基板の信頼性を高めることができる。
ろう材は、銀及び活性金属等の金属に加えて、例えば、有機溶媒及びバインダ等を含有してよい。ろう材における有機溶媒の含有量は、例えば、５～２５質量％であってよい。ろう材におけるバインダの含有量は、例えば、２～１５質量％であってよい。
熱処理工程では、上記積層体を加熱炉で加熱してセラミックス板と金属基材とを十分に接合させて複合基板を得る。セラミックス板と金属基材とを十分な接合強度を持って接合させ、且つヒートサイクル特性にも優れたものとするために、温度パターンを複数回に分けて加熱処理を行う。熱処理工程は、例えば、６００℃未満の温度で積層体を加熱処理する第一の加熱処理工程と、第一の加熱処理工程における加熱温度よりも高温で積層体を加熱処理する第二の加熱処理工程とを有してもよい。
第一の加熱処理工程における加熱温度の上限値は、例えば、６００℃未満、５９０℃以下、５８５℃以下、５００℃以下、４５０℃以下、又は４１０℃以下であってよい。加熱温度の上限値を上記範囲内とすることで、接合性をより向上させることができる。加熱温度の上限値を上記範囲内とすることでまた、ろう材がバインダ成分を含む場合、ろう材が溶融する前にバインダ成分を分解させ、接合性の低下を十分に抑制できる。第一の加熱処理工程における加熱温度の下限値は、例えば、３５０℃以上、３６０℃以上、３８０℃以上、又は４００℃以上であってよい。加熱温度の下限値を上記範囲内とすることで、ろう材がバインダ成分を含む場合、ろう材に含まれるバインダ成分の分解不足を抑制し、接合性をより向上させることができる。第一の加熱処理工程における加熱温度は上述の範囲内で調整してよく、例えば、３５０℃以上６００℃未満、又は４００～４１０℃であってよい。
第二の加熱処理工程における加熱温度の上限値は、例えば、８５０℃未満、８４５℃以下、又は８４０℃以下であってよい。加熱温度の上限値を上記範囲内とすることで、ろう材中の成分の金属基材への拡散をより抑制することができる。第一の加熱処理工程における加熱温度の下限値は、例えば、７７０℃以上、７８０℃以上、７９０℃以上、又は８００℃以上であってよい。加熱温度の下限値を上記範囲内とすることで、ろう材の未溶融による接合不良をより抑制することができる。第二の加熱処理工程における加熱温度は上述の範囲内で調整してよく、例えば、７７０℃以上８５０℃未満、又は８００～８４０℃であってよい。
第二の加熱処理工程における加熱時間は、比較的短時間で行う。加熱時間を短くすることによって、加熱状態にあるセラミックス板、ろう材、及び金属基材の間でろう材中の成分の過度な拡散を抑制することができ、活性金属をセラミックス板と金属基材との接合に十分寄与させることができる。第二の加熱処理工程における加熱時間は、例えば、９０分間以下、８０分間以下、又は７０分間以下であってよい。第二の加熱処理工程における加熱時間は、例えば、５分間以上、１０分間以上、又は１５分間以上であってよい。第二の加熱処理工程における加熱時間は上述の範囲内で調整してよく、例えば、５～９０分間であってよい。本明細書における加熱時間は、加熱炉内の温度が所定温度に到達してから、その温度に維持する時間を意味する。
第一の加熱処理工程及び第二の加熱処理工程は、炉内の雰囲気を窒素等の不活性ガスとしてよい。また炉内の圧力は、例えば、大気圧未満の減圧下としてもよく、真空下としてもよい。
第一の加熱処理工程及び第二の加熱処理工程では、積層体を積層方向に押圧しながら行ってもよい。加熱炉は、複数の接合体を連続的に製造する連続式のものであってもよいし、一つ又は複数の接合体をバッチ式で製造するものであってもよい。
複合基板における金属基材の一部を除去して回路を形成してもよい。この工程は、例えば、エッチング等によって行ってよい。具体的には、まず、複合基板の表面に感光性を有するレジストを印刷する。そして、露光装置を用いて、所定形状を有するレジストパターンを形成する。レジストはネガ型であってもよいしポジ型であってもよい。未硬化のレジストは、例えば洗浄によって除去する。
レジストパターンを形成した後、エッチングによって、金属基板のうちレジストパターンに覆われていない部分を除去する。金属基材がセラミックス板と同じ形状、同じサイズであった場合、上述の操作によって、当該部分にはセラミックス板の表面及び／又は裏面の一部を露出させることができる。その後、レジストパターンを除去することによって、回路を有する複合基板とすることができる。
以上、幾つかの実施形態について説明したが、共通する構成については互いの説明を適用することができる。また本開示は、上記実施形態に何ら限定されるものではない。
実施例及び比較例を参照して本開示の内容をより詳細に説明するが、本開示は下記の実施例に限定されるものではない。
以下の実施例及び比較例において用いたろう材ａ～ｃについて、その組成を表１に示す。なお、表１中の数字は、各成分の質量部を示している。
（実施例１）
［複合基板の作製］
厚さ０．３２ｍｍの窒化ケイ素製のセラミックス板、厚さ０．３ｍｍの第一銅板、及び厚さ０．２５ｍｍの第二銅板を準備した。セラミックス板の両面の所定箇所にろう材ａを塗布した。
［複合基板の作製］
厚さ０．３２ｍｍの窒化ケイ素製のセラミックス板、厚さ０．３ｍｍの第一銅板、及び厚さ０．２５ｍｍの第二銅板を準備した。セラミックス板の両面の所定箇所にろう材ａを塗布した。
ろう材ａを介して、第一銅板、セラミックス板、及び第二銅板をこの順に貼り合わせ、加熱炉内にて、真空中、４００℃の条件下で１２０分間、加熱処理（第一の加熱処理工程）し、その後、８００℃まで昇温して、当該温度で６０分間、加熱処理（第二の加熱処理工程）した。このようにしてセラミックス板に第一及び第二銅板を接合させた。
露光装置を用いて第一銅板の上に所定形状を有するレジストパターンを形成した後、塩化銅水溶液、次いで過酸化水素とフッ化アンモニウムの混合液を用いてエッチングを行い、レジストパターンに覆われていない部分を除去した。その後、アルカリはく離液でレジストパターンを除去した。
レジストパターンを除去した後、Ｎｉ－Ｐめっき液（リン濃度：８～１２質量％）を用いて無電解メッキ処理を行い、セラミックス板上にめっき膜を有する回路板を形成した。このようにして複合基板を作製した。
（実施例２）
第二の加熱処理工程における加熱温度を８４０℃に変更したこと以外は、実施例１と同様にして、複合基板を作製した。
第二の加熱処理工程における加熱温度を８４０℃に変更したこと以外は、実施例１と同様にして、複合基板を作製した。
（実施例３）
ろう材としてろう材ｂを用い、第二の加熱処理工程における加熱温度を８００℃に変更したこと以外は、実施例１と同様にして、複合基板を作製した。
ろう材としてろう材ｂを用い、第二の加熱処理工程における加熱温度を８００℃に変更したこと以外は、実施例１と同様にして、複合基板を作製した。
（実施例４）
ろう材としてろう材ｃを用い、第二の加熱処理工程における加熱温度を８００℃に変更したこと以外は、実施例１と同様にして、複合基板を作製した。
ろう材としてろう材ｃを用い、第二の加熱処理工程における加熱温度を８００℃に変更したこと以外は、実施例１と同様にして、複合基板を作製した。
（実施例５）
第二の加熱処理工程における加熱温度を８００℃に、加熱時間を５分間に変更したこと以外は、実施例１と同様にして、複合基板を作製した。
第二の加熱処理工程における加熱温度を８００℃に、加熱時間を５分間に変更したこと以外は、実施例１と同様にして、複合基板を作製した。
（実施例６）
第二の加熱処理工程における加熱温度を８００℃に、加熱時間を９０分間に変更したこと以外は、実施例１と同様にして、複合基板を作製した。
第二の加熱処理工程における加熱温度を８００℃に、加熱時間を９０分間に変更したこと以外は、実施例１と同様にして、複合基板を作製した。
（比較例１）
第二の加熱処理工程における加熱温度を８６０℃に変更したこと以外は、実施例１と同様にして、複合基板を作製した。
第二の加熱処理工程における加熱温度を８６０℃に変更したこと以外は、実施例１と同様にして、複合基板を作製した。
（比較例２）
第二の加熱処理工程における加熱温度を７５０℃に変更したこと以外は、実施例１と同様にして、複合基板を作製した。
第二の加熱処理工程における加熱温度を７５０℃に変更したこと以外は、実施例１と同様にして、複合基板を作製した。
（比較例３）
第二の加熱処理工程における加熱温度を８００℃に、加熱時間を１８０分間に変更したこと以外は、実施例１と同様にして、複合基板を作製した。
第二の加熱処理工程における加熱温度を８００℃に、加熱時間を１８０分間に変更したこと以外は、実施例１と同様にして、複合基板を作製した。
＜複合基板の評価＞
実施例１～６及び比較例１～３で作製した複合基板のそれぞれについて、所定位置におけるビッカース硬さを測定し、ビッカース硬さＸ、Ｙ及びＹ／Ｘの値を決定した。具体的には、複合基板を切断後、樹脂に包埋し、断面を研磨して測定用試料を作製した。この測定用試料における金属板の表面へダイヤモンドの圧子を押し込み、その試験力を解除した後、表面に残ったくぼみの対角線長さを測長し、測定対象のビッカース硬さを算出した。結果を表２及び表３に示す。
実施例１～６及び比較例１～３で作製した複合基板のそれぞれについて、所定位置におけるビッカース硬さを測定し、ビッカース硬さＸ、Ｙ及びＹ／Ｘの値を決定した。具体的には、複合基板を切断後、樹脂に包埋し、断面を研磨して測定用試料を作製した。この測定用試料における金属板の表面へダイヤモンドの圧子を押し込み、その試験力を解除した後、表面に残ったくぼみの対角線長さを測長し、測定対象のビッカース硬さを算出した。結果を表２及び表３に示す。
＜複合基板の接合強度の評価：引きはがし強度＞
実施例及び比較例で得られた複合基板について、引きはがし強度を測定し、接合強度を評価した。具体的には、複合基板に接合された銅回路パターンの一部である幅５ｍｍのパターンの端をペンチで引き剥がした。この複合基板を引張試験機の台に固定し、上記パターンの端をプル試験機のチャックに取り付けた。この時、セラミックス板の表面と引き剥がされた上記銅回路パターンの角度が９０°（鉛直方向）になるように設置した。その後、引張試験機を作動させ、チャックを介して引き剥がされた上記パターンを上方に引っ張って移動させ、その時の最大引き剥がし荷重を測定した。その最大引き剥がし荷重を幅（０．５ｃｍ）で除して引きはがし強度を算出した。試験後、はく離面を目視で観察し、以下の基準で接合強度を評価した。結果を表２及び表３に示す。
Ａ：引きはがし強度が１００Ｎ／ｃｍ以上である。
Ｂ：引きはがし強度が８０Ｎ／ｃｍ以上１００Ｎ／ｃｍ未満である。
Ｃ：引きはがし強度が４０Ｎ／ｃｍ以上８０Ｎ／ｃｍ未満である。
Ｄ：引きはがし強度が４０Ｎ／ｃｍ未満である。
実施例及び比較例で得られた複合基板について、引きはがし強度を測定し、接合強度を評価した。具体的には、複合基板に接合された銅回路パターンの一部である幅５ｍｍのパターンの端をペンチで引き剥がした。この複合基板を引張試験機の台に固定し、上記パターンの端をプル試験機のチャックに取り付けた。この時、セラミックス板の表面と引き剥がされた上記銅回路パターンの角度が９０°（鉛直方向）になるように設置した。その後、引張試験機を作動させ、チャックを介して引き剥がされた上記パターンを上方に引っ張って移動させ、その時の最大引き剥がし荷重を測定した。その最大引き剥がし荷重を幅（０．５ｃｍ）で除して引きはがし強度を算出した。試験後、はく離面を目視で観察し、以下の基準で接合強度を評価した。結果を表２及び表３に示す。
Ａ：引きはがし強度が１００Ｎ／ｃｍ以上である。
Ｂ：引きはがし強度が８０Ｎ／ｃｍ以上１００Ｎ／ｃｍ未満である。
Ｃ：引きはがし強度が４０Ｎ／ｃｍ以上８０Ｎ／ｃｍ未満である。
Ｄ：引きはがし強度が４０Ｎ／ｃｍ未満である。
＜複合基板のヒートサイクル特性の評価＞
実施例及び比較例で得られた複合基板について、ＪＩＳ Ｃ ６００６８－２－１４：２０１１「環境試験方法－電気・電子－第２―１４部：温度変化試験方法（試験記号：Ｎ）」に記載の方法に準拠して、ヒートサイクル特性を評価した。具体的には、－４０℃で１５分間維持し、その後１５０℃で１５分間維持することを１サイクルとして、２０００回のヒートサイクル試験を行った。試験後、塩化銅液、及びフッ化アンモニウム／過酸化水素エッチングを用いて、銅板及びろう材層をはく離し、セラミックス板表面のクラックを画像解析ソフトＧＩＭＰ２にて二値化（閾値１４０）し、上記クラックの面積を算出した後、クラック面積／回路パターンの面積の値を算出してクラック率を決定した。結果を表２及び表３に示す。
Ａ：クラック率が１％未満である。
Ｂ：クラック率が１％以上５％未満である。
Ｃ：クラック率が５％以上である。
実施例及び比較例で得られた複合基板について、ＪＩＳ Ｃ ６００６８－２－１４：２０１１「環境試験方法－電気・電子－第２―１４部：温度変化試験方法（試験記号：Ｎ）」に記載の方法に準拠して、ヒートサイクル特性を評価した。具体的には、－４０℃で１５分間維持し、その後１５０℃で１５分間維持することを１サイクルとして、２０００回のヒートサイクル試験を行った。試験後、塩化銅液、及びフッ化アンモニウム／過酸化水素エッチングを用いて、銅板及びろう材層をはく離し、セラミックス板表面のクラックを画像解析ソフトＧＩＭＰ２にて二値化（閾値１４０）し、上記クラックの面積を算出した後、クラック面積／回路パターンの面積の値を算出してクラック率を決定した。結果を表２及び表３に示す。
Ａ：クラック率が１％未満である。
Ｂ：クラック率が１％以上５％未満である。
Ｃ：クラック率が５％以上である。
本開示によれば、セラミックス基板と金属基材との接合強度及びヒートサイクル特性に優れる複合基板を提供できる。
１０…セラミックス板、１０Ａ…表面、１０Ｂ…裏面、２０，２２…ろう材層、３０，３２…金属基材、４０…回路板、４０ａ，５０ａ…接合面、５０…放熱板、１００…複合基板。
Claims (3)
- セラミックス板と、銀、銅、スズ、及びチタンを含有するろう材層を介して前記セラミックス板上に接合された銅板とを有し、
前記ろう材層におけるチタンの含有量が、銀の含有量１００質量部に対して、６．０質量部以下であり、
前記ろう材層の厚みが１８μｍ以下であり、
前記セラミックス板から前記銅板に向かって２０μｍの位置におけるビッカース硬さをＸとし、前記セラミックス板から前記銅板に向かって７０μｍの位置におけるビッカース硬さをＹとしたときに、前記Ｘが７０～１１０ＨＶであり、前記Ｘに対する前記Ｙの比が０．９２以下である、複合基板。 - 前記Ｘに対する前記Ｙの比が０．５０以上である、請求項１に記載の複合基板。
- 前記セラミックス板が窒化ケイ素を含有する、請求項１又は２に記載の複合基板。
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