JP7513984B2 - セラミックス－金属接合体の残留応力緩和方法、セラミックス－金属接合体、およびセラミックス－金属接合体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、セラミックス部材と金属部材との接合体に関し、詳しくは、セラミックス－金属接合体においてセラミックスに生じる残留応力を緩和する方法、そのセラミックス－金属接合体、およびセラミックス－金属接合体の製造方法に関するものである。

例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）など、熱伝導率が高く電気絶縁性が高いセラミックス部材に金属部材を接合したセラミックス－金属接合体は、パワーモジュール用の電子部品の搭載基板などに広く用いられている。

セラミックス－金属接合体は、例えばセラミックス基板にろう材を介して金属板を貼り付ける活性金属法、あるいはセラミックス基板の表面に金属の溶湯を接触させ、冷却して溶湯を固化させることによりセラミックス基板に金属板を直接接合する溶湯接合法等によって接合される。セラミックス－金属接合体が回路基板の場合は、さらに金属板にエッチング加工等を施して回路が形成される。セラミックス部材と金属部材とは、互いに熱膨張率が異なることから、接合時の加熱および接合後の冷却過程により、熱膨張差に起因して、セラミックス部材に引張残留応力が発生する。

例えば従来のＡｌＮ（窒化アルミニウム）－Ｃｕ（銅）接合体によるパワー半導体搭載用の回路基板の場合、熱サイクル試験（ＴＣＴ）５０回程度で、Ｃｕの接合金属部端近傍のＡｌＮから亀裂が生じることがある。

このようなセラミックス部材に生じる亀裂を防止する方法として、例えば特許文献１には、セラミック絶縁基板面上に金属層を形成する工程と、該金属層のうち、金属回路を形成する部位を覆うように保護層を形成する保護層形成工程と、該保護層に保護されていない金属層とセラミック絶縁基板を選択的に除去して段差を形成するエッチング工程とを行い、セラミック絶縁基板と金属回路との接合界面である金属回路形成面が、金属回路を形成しないセラミック露出面よりも高くなるように形成することや、金属回路の端面と、金属回路形成面の端面と、セラミック露出面とが、連続的になめらかに繋がっているように形成することにより、絶縁基板と金属回路との接合信頼性が良好になり、優れた耐熱サイクル性を確保できるセラミック回路基板が開示されている。

また、特許文献２には、セラミックス基板の残留応力が－５０ＭＰａ以下であり、且つ、セラミックス基板の金属板との接合面の算術平均粗さＲａが０．１５～０．３０μｍになるように、液体中に砥粒を含むスラリーをセラミックス基板の表面に噴射する処理を行い、この処理により得られたセラミックス基板に金属板を接合することにより、セラミックス基板と金属板の接合強度に優れるとともに耐ヒートサイクル特性に優れた金属－セラミックス接合基板が開示されている。

特許文献３には、セラミック基板上に、メカニカルアロイ法によって機械的に噛合結合した複合粉末からなる接着材を用いて導電性金属板を貼着した後、金属板表面をピーニング処理することにより、金属板に圧縮応力が与えられ、残留応力が緩和されて耐熱衝撃性が向上し、接合部の剥離や基板の割れを抑制する回路基板が開示されている。

また、特許文献４には、溶湯接合法を用いて作製された金属－セラミックス複合基板の金属部分の表面にショットピーニング層を形成することにより、耐ヒートサイクル性を向上させる技術が開示されている。

特開２００１－２７４５４５号公報 特開２０１４－１０１２４８号公報 特開昭６３－２５４０３１号公報 特開平１０－８７３８５号公報

しかしながら、上記特許文献１は、保護層に保護されていない金属層とセラミックス絶縁基板面を選択的に除去して段差を形成するエッチング工程として、サンドブラスト加工等を行うものであり、回路間等に露出したセラミックス基板の表面にダメージが生じて回路基板の強度や耐熱サイクル性が低下したり、或いは均一な加工が難しく回路基板の強度や耐熱サイクル性にばらつきが発生する恐れがある。また、金属回路の全周にわたって、金属回路の端面と金属回路形成面の端面と、セラミック露出面とが連続的になめらかに繋がっているように形成することは困難である。

特許文献２は、予めセラミックス部材にウェットブラスト加工等を行ってからセラミックス－金属接合体を製造するものであり、既に形成された接合基板に対して、耐ヒートサイクル性を向上させることはできない。さらに、セラミックス基板の表面全面に均一にブラスト処理する必要があり、金属－セラミックス接合基板としてばらつきの少ない製品の作製が難しくなる場合がある。また、特許文献３および特許文献４は、回路等を形成する金属部材をピーニングにより摩耗、損傷させるおそれがある。

以上の問題を解決するために、本発明は、セラミックス部材と金属部材との接合体において、回路基板等としての使用に伴う冷熱サイクルでセラミックス部材にクラックや破壊などが生じにくく、金属部材表面やセラミックス部材表面へのダメージの発生を少なくでき、セラミックス部材の金属部材との接合界面に対して垂直方向の引張残留応力を低減させる残留応力緩和方法、そのセラミックス－金属接合体、およびセラミックス－金属接合体の製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、回路基板に冷熱サイクルが負荷されたときにセラミックス部材にクラックなどが発生するメカニズムについて種々の検討を行った。その結果、セラミックス部材にクラックや破壊が生じる前の回路基板の接合部端近傍の応力分布を、Ｘ線を用いて実測すると、ＡｌＮと金属との接合部端（接合境界）から０．１ｍｍ以内のセラミックス表面において、金属との接合境界に直交する方向に４００ＭＰａ以上の引張応力が残留していることがわかった。この残留応力がＴＣＴ中にＡｌＮの材料強度を超えてクラックが発生したものと考えられる。

上記問題を解決するため、本発明は、セラミックス部材の表面に金属部材が接合された接合体において、前記セラミックス部材および前記金属部材が板材であり、前記セラミックス部材が前記金属部材より大きく、前記金属部材の側面の下端との接合境界近傍において、前記セラミックス部材の表面が露出し、前記セラミックス部材と前記金属部材の側面の下端との接合境界近傍における前記セラミックス部材の表面に、ホーニング、ピーニング、またはブラスティング処理を行って圧縮応力を負荷し、前記セラミックス部材の前記接合境界近傍の表面における前記接合境界に対して垂直方向の引張残留応力を低減させることを特徴とする、セラミックス－金属接合体の残留応力緩和方法を提供する。

前記金属部材の表面と、前記接合境界近傍を除く前記セラミックス部材の表面とに、マスキング部を形成した後、前記圧縮応力を負荷することが好ましい。

前記セラミックス部材は、主成分がＡｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４のいずれかであり、前記金属部材は、Ｃｕ、Ａｌ、あるいはＣｕまたはＡｌのいずれかを主成分とする合金であり、前記セラミックス部材と前記金属部材との接合は、ろう付け法または溶湯接合法によって行われてもよい。

また、本発明は、セラミックス部材の表面に金属部材が接合された接合体において、前記セラミックス部材および前記金属部材が板材であり、前記セラミックス部材が前記金属部材より大きく、前記金属部材の側面の下端との接合境界近傍において、前記セラミックス部材の表面が露出し、前記セラミックス部材の前記接合境界近傍の表面における前記接合境界に対して垂直方向の引張残留応力が２５０ＭＰａ以下であることを特徴とする、セラミックス－金属接合体を提供する。

前記セラミックス部材の前記接合境界近傍の表面における前記接合境界に対して垂直方向の応力勾配が、２００ＭＰａ／０．１ｍｍ以下でもよい。また、前記セラミックス－金属接合体が回路基板でもよい。

また、本発明は、前記残留応力緩和方法でセラミックス－金属接合体の残留応力を緩和する工程を有することを特徴とする、セラミックス－金属接合体の製造方法を提供する。

本発明によれば、セラミックス部材と金属部材の側面の下端との接合境界近傍における前記セラミックス部材の表面に、ホーニング、ピーニング、またはブラスティング処理により圧縮応力を負荷することにより、セラミックス部材と金属部材の接合境界に垂直方向の残留引張応力を低減させ、セラミックス部材のクラックを防止し、耐熱サイクル性を向上させることができる。

本発明が適用されるセラミックス－金属接合体の例を示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は縦断面図、（ｃ）は底面図である。 図１（ａ）のＡ部の拡大図である。 図１（ｂ）のＢ部の拡大図である。 図２のＣ部におけるセラミックス部材の接合境界に垂直方向の残留応力分布を示すグラフである。 圧縮応力を負荷する際の、図２のＣ部におけるマスキング部の一例を示す断面模式図である。

本発明は、セラミックス部材の表面に金属部材が接合された接合体において、セラミックス部材と金属部材の側面の下端との接合境界近傍におけるセラミックス部材の表面に、ホーニング、ピーニング、またはブラスティング処理を行って圧縮応力を負荷し、セラミックス部材の接合境界近傍の表面における接合境界に対して垂直方向の引張残留応力を低減させることを特徴とする、セラミックス－金属接合体の残留応力緩和方法である。

以下、本発明の実施の形態を、図を参照して説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１は、セラミックス－金属接合体１の一例を示す図である。セラミックス部材２としては、例えばＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化珪素）等を主成分とする（例えばＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、またはＳｉ_３Ｎ_４を８０質量％以上含有する）セラミックスが用いられる。特に窒化珪素と比べて強度、靭性の小さいＡｌＮやＡｌ_２Ｏ_３を主成分とするセラミックスに適用することが好ましい。金属部材３としては、例えばＣｕ、Ａｌ、あるいはＣｕまたはＡｌのいずれかを主成分とする合金等が用いられる。セラミックス部材２と金属部材３とは、活性金属を含有するろう材を用いて金属部材３をセラミックス部材２に接合するろう付け法（活性金属法）、または金属溶湯を固化させて金属部材３をセラミックス基板２に接合させる溶湯接合法等によって接合される。

図１はセラミックス－金属接合体１の一実施形態としての回路基板を示すものである。活性金属法による接合では、セラミックス基板（板材）からなるセラミックス部材２と金属板からなる金属部材３がチタン等の活性金属を含有するろう材を介して接合され、接合後に金属部材３およびろう材層（図示省略）にエッチングを施して回路パターン等を形成することにより、パワーモジュール用などの回路基板を作製することができる。

また、溶湯接合法による接合では、鋳型内にセラミックス基板（セラミックス部材２）を設置した後、このセラミックス基板に接触するようにアルミニウムまたはアルミニウム合金の溶湯を鋳型内に注湯し、冷却して溶湯を固化させることにより、セラミックス基板に直接接合したアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる金属板（金属部材３）を形成し、例えば図１に示すような形状の回路基板（セラミックス－金属接合体１）が製造される。

セラミックス－金属接合体１が回路基板の場合、セラミックス部材２の厚さは０．２～２．０ｍｍ、さらには０．３～１．０ｍｍであることが好ましく、金属部材３の厚さは０．２～５．０ｍｍであることが好ましい。また金属部材３が回路パターンの場合、金属部材３の厚さは０．２～２．０ｍｍ、さらには０．２５～１．０ｍｍ程度であることが好ましい。回路パターン間の（絶縁）距離は１．０ｍｍ以上が好ましく、１．２ｍｍ以上がより好ましく、１．５ｍｍ以上がさらに好ましい。

図２は図１（ａ）のＡ部を拡大した平面図である。図３は、図１（ｂ）のＢ部を拡大した縦断面図であり、セラミックス部材２の表面と金属部材３の側面の下端との接合の境界である接合境界１１付近を示す縦断面図である。図３の例では、金属部材３の側面がセラミックス部材２の表面に対してなす角は９０°である。なお、本発明において、金属部材３の側面とセラミックス部材２の表面のなす角度は９０°に限定されず、例えば１５°以上１２０°以下、好ましくは４５°以上９０°以下であるセラミックス－金属接合体に適用できる。

このようなセラミックス－金属接合体１は、金属部材３との接合部において、セラミックス部材２の表面に残留応力が生じる。図４は、図２のＣ部における、セラミックス部材２の表面と金属部材３の側面との接合境界１１に対して垂直方向（図２のＣ部の矢印方向）のセラミックス部材２の表面の残留応力分布を示し、縦軸の「＋」が引張応力で「－」が圧縮応力、横軸は図２のＣ部であり、左右の一点鎖線は金属部材３の側面の下端の位置（接合境界１１）を示す。図４に示すように、セラミックス部材２の表面に生じる残留応力は、セラミックス部材２と金属部材３の側面との接合境界１１において、最も大きい引張方向の応力が生じており、接合境界１１の近傍にも大きな引張応力が生じている。また、接合境界１１から離れた金属部材３の中央部（図４の縦軸）付近は、接合境界１１およびその近傍と比べて引張応力が小さく、圧縮応力となる領域も存在している。本発明は、この接合境界１１近傍のセラミックス部材の表面にホーニング、ピーニング、またはブラスティング処理を行うことにより、セラミックス部材２の特に接合境界１１の近傍に生じる引張応力の緩和を図る。

ホーニング、ピーニング、またはブラスティング処理は、セラミックス部材２の金属部材３との接合境界１１から離れた位置には圧縮応力が負荷されないように、且つ、金属部材３の回路部分を損傷しないように、接合境界１１からなるべく狭い範囲の接合境界１１の近傍に、セラミックス部材２と金属部材３との接合界面に対し略垂直な方向から負荷することが好ましい。

さらに、セラミックス部材２の、金属部材３との接合境界１１の近傍に集中して圧縮応力を加えるために、図５に示すように、金属部材３の表面と、接合境界１１近傍を除くセラミックス部材２の表面とに、マスキング部５を形成した後、圧縮応力を負荷することが好ましい。図５は、図２のＣ部においてマスキング部５を形成した状態の一例を示す断面模式図である。マスキング部５の材料としては、例えばマスキングテープやドライフィルム、レジストインク等を用いることができる。セラミックス基板２の表面など、狭い領域にマスキング部５を形成するためには、レジストインクをインクジェットプリンタやディスペンサーを用いて塗布することが好ましい。

なお、本明細書において、接合境界１１の近傍とは、前述の引張応力が大きくなる部分であり、接合境界１１から垂直方向に概ね０．３ｍｍ以内の範囲（距離）のセラミックス部材２の表面の領域を意味する。

ピーニング処理は、例えば、先端径が３ｍｍのノズルを用いて、直径約５０μｍの鋼球微粒子を１００ｍ／ｓｅｃで噴射させるショットピーニングとしてもよい。また、ショット材としてナイロン球のような柔らかいプラスティック球も含めてもよい。

ブラスティング処理は、例えば、先端径が４ｍｍのノズルを用いて、粒度ＪＩＳ＃１００～１５０のＡｌ_２Ｏ_３を０．３～０．５ＭＰａ、好ましくは０．３５～０．４５ＭＰａ、０．７５Ｎｍ^３／ｍｉｎで投射するショットブラスティングとしてもよい。

以上のような処理を行うことにより、例えばＡｌＮからなるセラミックス部材２の金属部材３の側面との接合境界１１付近の残留応力（引張応力）を２５０ＭＰａ以下、接合境界１１近傍の応力勾配２００ＭＰａ／０．１ｍｍ以下を実現し、耐熱サイクル性能を大きく向上させたセラミックス－金属接合体１が得られる。本発明にかかるセラミックス－金属接合体の残留応力緩和方法において、接合境界１１近傍の残留応力（引張応力）を２００ＭＰａ以下、さらには１００ＭＰａ以下に低減することができる。

残留応力は、例えば照射部直径０．１ｍｍのＣｒＫαＸ線束、または照射部直径０．２ｍｍのＣｕＫαＸ線束によるｓｉｎ^２ψ法、あるいはＸ線２次元検出器を用いた２Ｄ法やｃｏｓα法で測定することができる。なお、Ｘ線束はＣｒＫα、ＣｕＫαの他、ＭｎＫα、ＣｏＫαやＶＫαでも測定可能である。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

＜比較例＞
高熱伝導性ＡｌＮからなる縦３４ｍｍ、横３４ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍの平板状のセラミックス部材（株式会社トクヤマ製のＡｌＮ基板）の両面に、縦３２ｍｍ、横３２ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍのＣｕ板からなる金属部材を、Ｔｉを含むＡｇ－Ｃｕ系ろう材を用いた活性金属法（ＡＭＣ）で接合し、ＡｌＮ－Ｃｕ接合体（接合基板）を作成した。

さらに、ＡｌＮ－Ｃｕ接合体のＡｌＮ基板の一方の主面（表面）に形成（接合）されたＣｕ板の表面に、スクリーン印刷により回路形状のエッチングレジスト（インク）を形成し、紫外線で硬化させた後、薬液によりＣｕ板およびろう材の不要部分をエッチングで除去し、次いでエッチングレジストを除去して、複数のアイランド（Ｃｕ回路板）からなる回路パターンを形成し、セラミックス－金属接合体であるＡｌＮ－Ｃｕ接合回路基板を作製した。ＡｌＮ基板の表面とＣｕ回路板の側面とのなす角を９０°とした。アイランド間（回路間）の距離は１．２ｍｍとした。

この回路基板のＣｕ回路板の全長２０ｍｍにわたる回路間（幅１．２ｍｍ）の長さ方向の中央部において、ＡｌＮ基板の表面とＣｕ回路板の側面との接合境界（回路パターン端部）から垂直方向に所定の距離の部位を中心として、ＡｌＮ基板表面にＸ線束を照射し、Ｘ線応力測定法の２Ｄ法により、セラミックス基板表面の残留応力を測定した。その測定条件は、管電圧３８ｋＶ、管電流１６ｍＡとし、直径０．２ｍｍのＣｒＫα線のＸ線束を用い回折角２θ_０＝１５０．３ｄｅｇ付近に現れるＡｌＮの（２０２）回折環を測定し、ヤング率（縦弾性係数）Ｅ＝３１５ＧＰａ、ポアソン比ν＝０．２４として応力を求めた。その結果、接合境界から垂直方向に０．１ｍｍ離れた部位のφ０．２ｍｍ領域におけるＡｌＮ基板の表面において、接合境界に垂直な方向に３５０ＭＰａに達する残留引張応力が生じ、接合端（接合境界）の外挿値は４５０ＭＰａとなった。接合境界近傍（接合境界から垂直方向に０．１～０．２ｍｍの間）のセラミックス基板表面における前記接合境界に対して垂直方向の応力勾配の絶対値は約３００ＭＰａ／０．１ｍｍであった。この接合体に対して、１２５℃から－４０℃の熱サイクル試験（ＴＣＴ）を行ったところ、２５０回で接合部の片端から亀裂が生じた。

＜実施例＞
比較例と同様の製造条件でＡｌＮ－Ｃｕ接合回路基板を作製した。この回路基板のＣｕ回路板表面の全面にマスキングテープ（日東電工株式会社製のプリント基板用エレップマスキング Ｎ－３００）を貼り付けた。次いで、Ｃｕ回路板の側面の下端（接合境界）から垂直方向に０．３ｍｍ以内の領域を除いたセラミックス基板表面に前記マスキングテープを貼り付け、接合境界近傍を除くセラミックス基板表面にマスキング部を形成した。このマスキングしたＡｌＮ－Ｃｕ接合回路基板において、ＡｌＮ基板の表面とＣｕ回路板の側面との接合境界に沿ってアルミナメディアの湿式ホーニングを行った。湿式ホーニングの条件として、アルミナ粉は粒度ＪＩＳ＃１２０（篩目の開き１２５μｍ）を用い、ノズル径４ｍｍ、噴射圧力０．４ＭＰａ、０．７５Ｎｍ^３／ｍｉｎとした。このように湿式ホーニングによる圧縮応力を接合境界近傍のセラミックス基板の表面に負荷した後、マスキング部（マスキングテープ）を除去した。

このようにして得られたＡｌ－Ｃｕ接合回路基板を、比較例と同様の方法で、接合境界から垂直方向に０．１ｍｍ離れた部位のφ０．２ｍｍ領域におけるＡｌＮ基板の表面の残留応力を測定し、応力勾配を算出した。その結果、残留応力は引張応力２００ＭＰａ、応力勾配は約１２０ＭＰａ／０．１ｍｍに下がっていた。また、ＴＣＴは５００回まで亀裂が発生しなかった。

以上のように、セラミックスと金属側面との接合界面近傍のセラミックス基板表面へのホーニング処理により、界面垂直方向の残留応力が２５０ＭＰａ以下、界面応力勾配が２００ＭＰａ／０．１ｍｍ以下を実現することができ、耐ＴＣＴが２倍以上に向上した。また、マスキングをすることにより、ホーニング処理を不要部分に行うことがないため、回路板やセラミックス基板表面へのダメージを抑制し、ばらつきの少ない処理を行うことができた。

本発明は、セラミックス部材の表面に金属部材を接合した接合体に適用できる。

１ セラミックス－金属接合体
２ セラミックス部材
３ 金属部材
５ マスキング部
１１ 接合界面

Claims (7)

1. セラミックス部材の表面に金属部材が接合された接合体において、
   前記セラミックス部材および前記金属部材が板材であり、
   前記セラミックス部材が前記金属部材より大きく、前記金属部材の側面の下端との接合境界近傍において、前記セラミックス部材の表面が露出し、
   
   前記セラミックス部材と前記金属部材の側面の下端との接合境界近傍における前記セラミックス部材の表面に、ホーニング、ピーニング、またはブラスティング処理を行って圧縮応力を負荷し、前記セラミックス部材の前記接合境界近傍の表面における前記接合境界に対して垂直方向の引張残留応力を低減させることを特徴とする、セラミックス－金属接合体の残留応力緩和方法。
2. 前記金属部材の表面と、前記接合境界近傍を除く前記セラミックス部材の表面とに、マスキング部を形成した後、前記圧縮応力を負荷することを特徴とする、請求項１に記載のセラミックス－金属接合体の残留応力緩和方法。
3. 前記セラミックス部材は、主成分がＡｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４のいずれかであり、前記金属部材は、Ｃｕ、Ａｌ、あるいはＣｕまたはＡｌのいずれかを主成分とする合金であり、前記セラミックス部材と前記金属部材との接合は、ろう付け法または溶湯接合法によって行われることを特徴とする、請求項１または２のいずれか一項に記載のセラミックス－金属接合体の残留応力緩和方法。
4. セラミックス部材の表面に金属部材が接合された接合体において、
   前記セラミックス部材および前記金属部材が板材であり、
   前記セラミックス部材が前記金属部材より大きく、前記金属部材の側面の下端との接合境界近傍において、前記セラミックス部材の表面が露出し、
   前記セラミックス部材の前記接合境界近傍の表面における前記接合境界に対して垂直方向の引張残留応力が２５０ＭＰａ以下であることを特徴とする、セラミックス－金属接合体。
5. 前記セラミックス部材の前記接合境界近傍の表面における前記接合境界に対して垂直方向の応力勾配が、２００ＭＰａ／０．１ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項４に記載のセラミックス－金属接合体。
6. 前記セラミックス－金属接合体が回路基板であることを特徴とする、請求項４または５のいずれか一項に記載のセラミックス－金属接合体。
7. 請求項１～３のいずれか一項に記載の方法でセラミックス－金属接合体の残留応力を緩和する工程を有することを特徴とする、セラミックス－金属接合体の製造方法。
   

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