WO2002045161A1

WO2002045161A1 - Carte de circuit ceramique de type integre et procede pour la produire

Info

Publication number: WO2002045161A1
Application number: PCT/JP2001/010408
Authority: WO
Inventors: Akira Miyai; Yukihiko Nakajima; Hideki Hirotsuru; Ryozo Nonogaki; Takuya Okada; Masahiro Ibukiyama
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2000-11-29
Filing date: 2001-11-28
Publication date: 2002-06-06
Anticipated expiration: 2003-05-29
Also published as: US7207105B2; US20040038011A1; US20050167792A1; US7130174B2; EP1345264A1; EP1345264B1; AU2002218493A1; ATE553498T1; EP1345264A4

Description

明細書一体型セラミックス回路基板とその製造方法技術分野

本発明は、 A 1 (アルミニウム）一 S i C (炭化珪素）複合体からなるベース材と高熱伝導性セラミックス基板とがー体に形成された一体型セラミックス回路基板とその製造方法に関する。背景技術

近年、産業機器の分野では、電動機用インバー夕としての大電力モジュールの開発が進んでおり、従来公知の、チップを搭載した高熱伝導性セラミックス回路基板を銅ベースにはんだ付けした構造を有するものから、信頼性の向上を目的として種々の改良が図られている。

例えば、 A 1— S i C複合体をべ一ス材とし、 A 1回路付き窒化アルミニウム基板（以下、 A 1 _ S i C複合体 ZA 1回路付き窒化アルミニウム基板のように記す）をはんだ付けした構造である。

上記構造のものは、サーマルサイクル 3 0 0 0回後でも、実用特性を維持しており、従来公知の銅べ一ス /銅回路付き窒化アルミニウム基板に比べ格段の信頼性を有しているものの、従来構造に比べると、熱抵抗が大きいためチップサイズを大きくする必要があること、また A 1— S i C複合体が高価であるためにモジユールコストが高くなること等の問題があり充分に普及するに至っていない。以上の状況から、信頼性の向上を目的とする更なる検討が行われているが、その中に、 A 1— S i C複合体を製造する際に、前記 A 1 - S 1 C複合体とセラミックス基板或いはセラミックス回路基板との一体化を図るという考えがある。上記の考え方の利点は二つあり、一つは、半田を使用しないことで熱抵抗の低減が図れること、他の一つは、セラミックスへの金属接合の工程が削減出来る点である。

しかしながら、上記考えに基づいてはいても、従来公知のものは、ベース板とセラミックス基板とを接合する際に互いに複雑な形状とする必要がある等、非常に製造し難い、或いは、量産性に問題のある構造のものに限られていた。また、比較的製造容易と判断されるものの場合には、実使用下での熱履歴を受け放熱特性や電気特性が容易に劣化してしまい、高信頼性の特性が確保できないという問題がある。

本発明者は、上記の事情に鑑み T、いろいろ実験的に検討した結果、驚くべきことに、特定金属層を特定な配置でセラミツクス基板と多孔質炭化珪素成形体とに積層した積層体を原料に用いて、従来からの A 1 - S i C複合体を製造するェ程を適用するだけで、熱サイクルを被っても耐性があり、従って信頼性に優れる —体型セラミックス回路基板を得ることができる、という知見を得て本発明に至つたものである。発明の開示

本発明は、一主面に凹部を有する又は有していないベース板と、前記ベース板の前記主面上に配置された前記ベース板よりも小さいセラミックス基板と、前記ベース板と前記セラミックス基板の両者を覆うように設けられた金属層とからなり、前記金属層の前記ベース板及び前記セラミックス基板に接しない面が平面状であって、しかも、前記ベース板が金属一セラミックス複合体であり、前記複合体中の金属と前記金属層とが異なる組成であることを特徴とする電子機器搭載用基板であり、好ましくは、セラミックス基板が複数であることを特徴とする前記の電子機器搭載用基板である。

また、本発明は、前記の電子機器搭載用基板の金属層より回路形成してなることを特徴とする一体型セラミックス回路基板であり、一主面上に回路を有するセラミックス回路基板と、該セラミックス回路基板の回路を設けていない主面に接して設けられているベース板とからなる一体型セラミックス回路基板であって、前記回路表面と前記ベース板のセラミックス基板が搭載されたセラミックス基板を設けていない面の高さが同一であり、しかも、前記ベース板と前記金属層とが異なる組成であることを特徴とする一体型セラミックス回路基板であり、好ましくは、ベース板が多孔質炭化珪素成形体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸してなる複合体であることを特徴とする前記の一体型セラミックス回路基板であり、更に好ましくは、回路形成する金属が、ベース板を構成する複合体のアルミニウムを主成分とする金属よりも高融点であることを特徴とする前記の一体型セラミックス回路基板である。

また、本発明は、一主面に凹部を有する又は有していない多孔質炭化珪素成形体の前記主面上にセラミックス基板を配置し、更に前記多孔質炭化珪素成形体とセラミックス基板との両者を覆うように金属箔を配置して積層体となし、前記積層体を加圧容器内に配置し、アルミニウムを主成分とする金属を高圧錶造して、前記多孔質炭化珪素成形体の空隙に前記アルミニウムを主成分とする金属を含浸すると共に、前記金属箔からなる金属層を多孔質炭化珪素成形体並びにセラミックス基板と一体化させ、その後前記金属層より回路形成することを特徴とする一体型セラミックス回路基板の製造方法であり、好ましくは、前記金属箔表面の全面あるいは一部に予めバリァ層を設けていることを特徴とする前記の一体型セラミックス回路基板の製造方法である。

また、本発明は、前記バリア層が酸化物からなることを特徴とする前記の一体型セラミックス回路基板の製造方法であり、好ましくは、前記バリア層の厚みが 0 . 1 x m以上 1 0 i m以下であることを特徵とする前記の一体型セラミックス回路基板の製造方法であり、また、前記バリア層が前記金属箔表面の全面あるいは一部を酸化させた酸化物であることを特徴とする前記の一体型セラミックス回路基板の製造方法である。

更に、本発明は、前記金属箔が純度 9 8 . 5質量％以上のアルミニウムを主成分とする金属であることを特徴とする前記の一体型セラミックス回路基板の製造方法であり、好ましくは、前記バリア層がアルミニウムを主成分とする前記金属箔表面の全面あるいは一部を陽極酸化法で形成した酸化物であることを特徴とする前記の一体型セラミツクス回路基板の製造方法であり、更に好ましくは、前記金属層の一部をエッチングすることにより回路形成する過程において、ハロゲン化水素、八ロゲン化アンモニゥム、過酸化水素のうち 1種以上を含む溶液により、前記金属層に形成された酸化物を溶解させる工程を含むことを特徴とする前記の一体型セラミックス回路基板の製造方法である。図面の簡単な説明

〔図 1〕本発明の実施例、比較例において、含浸操作に用いた枠材の平面図。〔図 2〕本発明の実施例 1係る一体型セラミック基板（電子機器搭載用基板）の構造を説明するための断面図。

〔図 3〕本発明の実施例 1に係る一体型セラミックス回路基板の構造を説明するための断面図。

〔図 4〕本発明の実施例 2における、含浸直前での各部材の配置を説明する図。〔図 5〕本発明の実施例 2に係る一体型セラミックス回路基板の構造を説明するための断面図。

〔図 6〕比較例に係る一体型セラミックス回路基板の構造を説明するための断面図。

〔符号の説明〕

1 枠材

2 溶湯導入部（湯口）

3 プリフォーム収納部

4 金属層（高純度アルミニウム箔）

5 セラミックス基板

6 金属一セラミックス複合体（A 1 S i C複合体）

7 回路（高純度アルミニウム箔）

8 高純度アルミニウム箔 9 高純度アルミニウム箔

1 0 多孔質成形体（プリフォーム：多孔質炭化珪素成形体）

1 1 含浸金属（A l— 1 2 S i— 0 . 7 M g合金）

1 2 回路（A l _ 1 2 S i— 0 . 7 M g合金）発明を実施するための最良の形態

まず、ベース板となる金属一セラミックス複合体とその製法について、 A 1— S i C複合体の場合を例にして説明する。

金属一セラミックス複合体の製法については、大別すると含浸法と粉末冶金法の 2種がある。このうち粉末冶金による方法は特性面で充分なものが得られておらず、検討段階といえる。実際に商品化されているのは、含浸法によるものである。含浸法にも種々あり、常圧でおこなうものと、高圧下で行うタイプ（高圧銬造法）のものがある。高圧下で行うタイプのものは、更に、溶湯鍛造法とダイキヤスト法とがある。

本発明に適用できる方法は、高圧下で行うタイプのものであり、具体的には、溶湯鍛造法とダイキャスト法で複合体を得る製法に関するものである。溶湯鍛造にしろ、ダイキャストにしろ、最終形状、或いは、ほぼ最終形状に近い形をした型、或いは、枠と板で構成された型内（或いは部屋内）に、ある程度の強度を有する多孔質成形体（プリフォーム）を装填し、これに A 1或いは A 1合金の溶湯 (以下、 A 1溶湯という）を高圧で含浸させて複合体を得る方法である。

従って、この操作を行う際にセラミックス板の接合と回路用金属層の接合或いは形成を行えば、より安価にセラミックスを接合した回路基板の前駆体を得ることが可能である。これに関しても種々の提案があるが、前述の如く、特性、生産性の両者を満足するものは見あたらないのが現状である。

A 1溶湯をプリフォームに含浸する際に一体構造を形成する場合、従来の例では、（1)セラミックス回路基板をプリフォームと接触配置し、これに A 1溶湯をプリフォームに含浸させながらセラミックスとの接合を行う、（2)セラミックスをプリフォームに接触配置し、 A 1溶湯でプリフォームに含浸しながら、セラミックスとの接合を行いながら回路となる金属層も形成する方法が知られている。

(1)の方法の場合は、予めセラミックスに回路金属を接合するという工程が必要になり、コスト的に不利である。これを解消するのが、（2)の方法であるが、これには特性上の問題がある、それは、回路用金属層となる金属が含浸される金属（以下、含浸金属という）である点である。

一般に含浸金属は、取り扱いの容易さからとプリフォーム（例えば S i C ) との濡れの観点からアルミニウムを主成分とする金属（以下、 A 1合金という）、一般的には、 A 1 - S i合金や A 1— S i — M g合金が用いられている。そして、 S iの量は、 7から 2 0質量％が一般的である。従ってこれらを回路用金属層とした場合、二つの問題がある。一つは、熱伝導率の優れた A 1 Nをセラミックス基板したときに、 A 1合金の降伏耐力が大きいため、回路基板として実用に供した際の冷熱サイクルによって、セラミックス基板に割れを生じる点である。これは、若干熱伝導性は劣るが、高強度、高靱性を有する窒化ケィ素セラミックスを使用することで解決できるが他の一つの問題点の解決には至らない。他の一つの問題点とは、モジュールが実使用下において電子部品と回路とを接合する半田部分にクラック（以下半田クラックという）が生じることがあるという問題である。半田クラックも冷熱サイクルによって発生するが、これも、 A 1合金の降伏耐カが大きく、 A 1合金とシリコンチップの熱膨張差によって発生する応力緩和を、主として半田の組成変形によって行う為に発生する。従って、回路用金属層を、降伏耐力の小さな高純度の A 1とすることで解決可能だが、高純度 A 1を含浸金属とした場合には、 S i Cとの濡れが悪く複合体としての特性に問題を生じることがある。同時に、セラミックス基板との接合も不十分で冷熱サイクル中に、セラミックスと金属との剥離が発生することもある。

本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、以下の構造とすることで、比較的容易に製造可能で、精度良く、その結果安価に A 1— S i Cベース一体型構造のセラミックス回路基板が得られることを見出し、本発明に至ったものである。本発明は、プリフォームに A 1合金を含浸する際に、 A 1合金の溶湯がプリフオーム中に含浸し易いように予備加熱を行うのが一般的であるが、この予備加熱の際に、高純度の A 1箔がプリフォームと同時に存在していても該高純度 A 1箔は溶融しないということ、さらに、これに A 1合金を接触させても高純度 A 1箔は投入した形態を保っているということを発見したことに基づいている。本発明者は、前記の事実に基づき、プリフォームにセッラミクス基板を接触配置し、さらに、これに高純度 A 1箔を接触配置した後、予備加熱し A 1合金溶湯を高圧で含浸することで、そして、前記高純度 A 1箔からエッチング等の従来公知の方法で回路を形成することで、一定厚みの高純度 A 1からなる回路が接合されている —体型セラミックス回路基板を得ることができ、本発明に至ったのである。更に驚くべきことに、こうして得られた一体型セラミックス回路基板は、実用上極めて有用な特性を有することが判明した。 A 1 - S i C複合体の板の熱膨張係数は、複合体中の S i C体積百分率によって決まり、 6〜9 p p mZK程度が一般的である。従って、これに A 1 N (窒化アルミニウム）や S i ₃N ₄ (窒化珪素）の如き低熱膨張率のセラミックス基板を半田付けやロウ付けすると、セラッミクス側を凸とする大きな反りを生じる。この反りは、これを放熱フィン等にネジ締めして固定する際に、ベース板と放熱フィン間に隙間を生じ、伝熱の妨げとなる。このため、何らかの方法で予めべ一ス板に放熱フィン等との接合面が平坦或いは凹状の若干の反りを付与しておく必要があった。しかしながら、本発明の一体型セラミックス回路基板は、表面の回路を構成する A 1が高純度であり、従つて熱膨張率が大きいので、 4 . 5 p p mZKの熱膨張率を有する A 1 Nの場合は、略フラット、熱膨張率が 3 p p mZKの S i ₃N ₄の場合は、若干、回路を凸とする反りを生じることになるが、前記の反りの程度は、モジュール組立工程で回路側を凹とする反りに変化しうる程度のものであり、実用上極めて好ましい特性を発現する。

以下、本発明について、溶湯鍛造法による場合を例にして、詳述する。

先ず、 A 1— S i C複合体の製造方法を説明すると、 S i C粉を成形、仮焼してプリフォームを得て、表面が離型処理された仕切板上に置き、次に、内寸が最終形状になるようくり抜かれた枠状の型内にセットする。これを幾段も重ね終端を厚板で挟み、全体をネジで締め付け含浸用ブロックを形成する。この含浸用ブロックを予備加熱した後、含浸金型内に配置、ブロックの温度低下を防ぐため出来るだけ速やかに A 1合金溶湯を金型内に注ぎ、パンチで含浸金型内の A 1合金溶湯を加圧し、 A 1合金を枠状の型内に置いたプリフォーム中に含浸するといつた手順で、 A 1— S i C複合体が形成される。

この工程のなかで、プリフォームを枠状の型内にセットする際に、更に、セラミックス基板と高純度 A 1箔とを挿入すれば、通常の A 1— S i C複合体を得る操作と全く同じ操作でベース板とセラミックス回路基板とが一体に接合されたベース一体型セラミックスが得られる。

前記操作において、プリフォームの一主面にセラミックス基板がピッタリと収まる様な、凹み（キヤビティー）を設けておけば、正確な位置決めができて、回路化の時に好都合である。さらに、回路用の金属箔は、外寸を枠の内寸と同じにしておけば、後の取り扱いでズレを生じることがなく、後工程での位置あわせ等が不要となる。

本発明において、使用する多孔質炭化珪素成形体（プリフォーム）については、特殊な制限を設ける必要はなく、どのようなものでも使用することができるが、次に記載するように、特定の特性を有するものを選択することが好ましい。即ち、 A 1— S i C複合体の特性の中で特に重要な特性は、熱伝導率と熱膨張率である。この両特性共、複合体中の炭化珪素（S i C ) 含有率の高い方が好ましい方向であるが、あまりにも高いものは含浸操作が容易でなくなる。実用的には、多孔質炭化珪素成形体の相対密度が 5 5〜7 5体積％の範囲にあって、粗粉を多く含むものが好ましい。また前記成形体の強度は、曲げ強度で 3 M P a以上あれば、取り扱い時や含浸中の割れの心配もなく、好ましい。

前記の多孔質炭化珪素成形体を得る為の、原料炭化珪素（S i C ) 粉については、粒度配合を行うことが好ましい。粗粉のみでは、強度発現に乏しく、微粉のみでは、高い熱伝導率は望めないからである。本発明者の検討によれば、例えば、 # 3 5 0以上の粒径の炭化珪素粗粉 4 0〜8 0質量％と、 # 1 0 0 0以下の粒径の炭化珪素微粉を 6 0〜2 0質量％とを混合して用いると良い。

成形品は、一般的に、脱脂、仮焼の工程を経て、プリフォーム（多孔質成形体）となり、含浸操作に供される。そこで、前記の多孔質炭化珪素成形体の強度を発現させるために、非酸化性雰囲気下或いは酸化性雰囲気下で焼成するが、その場合の焼成温度は、 8 5 0 °C以上であれば、 3 M P a以上の曲げ強度のプリフォームとすることができる。焼成温度が高い程、プリフォームの高強度が達成でき好ましいが、空気中で焼成する場合は炭化珪素（S i C ) が酸化する問題がある。空気中で 1 1 0 o を超える温度で焼成すると、得られる複合体の熱伝導率が低下してしまう程に影響するので、空気中では 1 1 0 0 °C以下で焼成することが望ましい。

また、前記したように、プリフォームはセラミックス基板の位置決め用の凹みを有していた方が有利なので、射出成形や、乾式成形、湿式成形等、型を用いて成形する方法で得たものが好ましい。尚、押し出し成形の場合には、主面に凹みを設けるのは容易でないが、例えば凹みを溝状とすること、枠詰めの際の工夫等により位置決めの問題も軽減出来るので、同様に使用可能である。

プリフォームを収納する枠材は、 A 1合金溶湯を型枠内（室内）に導入するための湯口を有するもので、鉄が有効である。レーザー加工や打ち抜きプレスによつて得られ、離型処理を施した後供される。離型処理は、微粉の黒鉛粉末が有効である。また、仕切板は、鉄又はステンレス板が好ましい。酸化防止処理を施した後、微粉黒鉛或いは B Nを塗布するのが離型に対して極めて有効である。鉄又はステンレス板の厚みは、目的とする製品の厚みの規格に応じて選択すれば良く、製品の厚みバラツキを 2 0 x m以下に抑えたければ、 3 mm以上の板、 5 0 z m 程度が許されるならば、 0 . 3 mm程度の薄さまで使用出来る。仕切板厚は、生産性に影響するので、この選択は重要である。

本発明に用いるセラミックス基板としては、 A 1 N、 S i ₃N ₄、 A 1 ₂0₃等汎用のセラミックスが用いられるが、本発明の目的からして、高熱伝導性のセラミックスであることが好ましく、 A 1 Nや S i ₃ N ₄の窒化物セラミックスが好ましい。

本発明における金属層としては、プリフォーム中の空隙に含浸される金属と異なる組成のもの、より具体的には、前記含浸される金属よりも高融点のものであればあればどの様なものであっても構わないが、回路を形成することができ、しかも応力緩和性に優れるものが好ましい。プリフォームに含浸される金属として A 1合金が選択されることから高純度 A 1箔が最も好ましい。高純度 A 1箔は、 9 8 . 5 %以上の純度を有する A 1箔であれば、問題無く使用できるが、より高い信頼性を確保するとなると、 9 9 . 5 %以上が好ましい。尚、回路としての厚みは、 0 . 2〜0 . 5 mm程度が一般的であるが、セラミックス基板が A 1 Nの場合は 0 . 2〜0 . 4 mm、 S i ₃ N ₄の場合は 0 . 3〜0 . 5 mmであることが、反りの量を小さく抑制できることから好ましい。

また、高純度 A 1箔は、回路材として用いる他、位置決め材としても使用できる。例えば、押し出し成形等でプリフォームを成形した場合、セラミックス基板配置用のキヤビティの加工が困難なので、セラミック基板収納用のくり抜き穴を有する高純度 A 1箔を位置決め治具とし、この上に回路用の金属箔を配置するというやり方がある。この場合、 A 1合金溶湯の浸透を容易にするため位置決め用の高純度 A 1箔には、予め貫通穴を設けておくことが好ましい。さらに、回路用金属箔は、枠内でズレないということと、セラミックス基板を覆うという条件さえ満たせば、不要部分を切り取って使用しても構わない。

プリフォーム、セラミックス基板、高純度 A I箔或いは板を、枠と仕切板で隔離された部屋内に収納したものを積層し、ネジで締め付けて含浸用のブロックとし、前記ブロックを予備加熱炉に入れ予熱するが、予備加熱温度としては、 5 7 0 °C以上であれば良いが、その上限は純 A 1の融点以下である必要がある。本発明者の実験的検討によれば、プリフォームが多孔質炭化珪素成形体であり、含浸する金属がアルミニウムを主成分とする金属、より具体的には、 S iを 1 2質量％、 M gを 0 . 7質量％含有するアルミニウム合金であり、金属板として純 A 1板を用いる場合、 6 1 0〜6 5 0 °Cが好ましい範囲である。 5 7 0 °C以下では含浸が不良の場合が生じるし、 6 5 0 °C以上の場合は純 A 1板の溶融の恐れがある。

予備加熱された、含浸用ブロックを、含浸用金型内に設置し、前記 A 1— S i 合金溶湯を金型内に注ぎ、パンチで加圧して合金溶湯と枠と仕切板で隔離された部屋内のプリフォームに含浸すると同時にセラミックス基板と高純度 A 1板の接合を完了させる。前記材質の組み合わせの場合、供給する A 1合金の湯温は 7 5 0〜9 0 0 °Cであれば問題ない。前記範囲よりも温度が低いと、含浸不良を生じることがあるし、高いときには、高純度 A 1板の融解が生じることがある。含浸される金属については、他の材料、好ましくは、セラミックス基板と多孔質炭化珪素成形体とに接して配置される金属層よりも低融点であれば良いが、金属層が純 A 1箔であるときアルミニウムを主成分とする金属（A 1合金）が選択される。また、 A 1合金は、多孔質炭化珪素成形体中の空隙部に含浸させる上でも好ましい。

前記 A 1合金が好ましく選択される理由は、純 A 1の融点以下で融解すること、炭化珪素粒子及びセラミックス基板と充分に濡れて強固な結合を示すこと、そして純 A 1板と表面で融合し、脆い合金を生成しないことという条件を満たすので、本発明の目的を充分に達成できるからである。

前記 A 1合金としては、 A l _ S i系合金が極めて一般的な材料であり、 S i 量 7質量％程度から 2 5質量％のものなら問題無く使用出来る。更に、前記 A 1 一 S i系合金に M gを微量添加したものは、より強固なセラミックスとの結合が得られ、さらに好ましいものである。 M gの量は、 1質量％以下で充分な効果がある。尚、好ましくない不純物としては、 F eが挙げられ、 A l—S i C複合体の著しい強度低下を招く為、 1質量％以下に抑える必要がある。

含浸操作終了後は、冷却後、外周の A 1合金を切除し、内容物を分解し、表面についた離型材をパフ研磨、サンドブラスト等で除去することで、 A 1— S i C 複合体の一主面上にセラミックス基板が搭載されており、しかも両者の表面に回路用金属箔が接合されている一体型セラミックス基板（電子機器搭載用基板）が得られる。前記基板は、前記回路用金属箔よりエッチング等により回路を形成させるのみで、また、必要に応じて加工ゃメツキ処理を施して、半導体素子を始めとする各種の電子機器を搭載可能な一体型セラミックス回路基板を容易に提供することができる。

また、前記基板を得る操作において、予めプリフォームの一主面上に複数のセラミックス基板を配置しておくのみで、一つのベース板に複数のセラミックス回路基板が搭載された基板を得ることができ、この基板は、更に一つのベース板上に複数のセラミックス回路基板を搭載した構造を有するモジュールを容易に提供でき、モジュールの高密度化に寄与するという利点がある。尚、前記いずれの場合においても、本発明の一体型セラミックス回路基板は、その回路の表面とベ —ス板表面上の金属層の表面とは同一平面上に形成されることとなる。

ベース板表面上の金属層はエッチング等の過程において一部或いは全て除去することも可能であるが、本発明者の検討によれば、通常の場合には回路より 3 mm以上、低電圧用途の場合は 1 mm以上離れた領域を除去することは単にエツチング量を増大するのみであり、回路特性の向上には寄与しない。

通常、アルミニウム等の金属層のエッチングには、所望のパターンのエツチングレジストを印刷し、塩化第 2鉄溶液等のエッチング液で不要部分を溶解させることで行われる。しがし、前記バリア層が酸化物からなる場合、通常のエツチング液では、酸化物がエッチングしきれずに残留することがある。前記バリア層が酸化物からなる場合、含浸後の回路面上にある酸化物はパフ研磨等の機械的研磨手法により除去しておくことが好ましい。本発明によれば、エッチング過程において、ハロゲン化水素、ハロゲン化アンモニゥム、過酸化水素のうち 1種以上を含む溶液により、酸化物を溶解させる工程が含まれていることが好ましい。特にハロゲンとしてはフッ素が好ましい。ハロゲン化アンモニゥムとしては、安全性の点から NH ₄ Fが最適である。即ち、塩化第 2鉄溶液等でエッチング後、上記方法による酸化物の除去を行った後、再度塩化第 2鉄溶液等で金属箔とセラミツクス基板の間に入り込んだ A 1合金等をエッチングする。あるいは、これらの成分を含む溶液により一連の処理を同時に行っても同様の効果が得られる。

しかし、本発明者は前記発明において数多くの実験を繰り返す内に、以下の新たな課題を見出した。即ち、 S i Cプリフォーム、セラミックス基板、高純度 A 1箔を型内に収納したものを多数積層したブロックに前記 A 1合金を含浸する際、 A 1合金の溶湯が S i Cプリフォーム中に含浸しやすくするために一般的に行われる予備加熱の際に、前記プロックの温度が低すぎると接合不良が発生すること、逆にブロックの温度が高すぎると、含浸中に高純度 A 1箔が A 1合金の溶湯との接触面から溶融が進み、含浸後の回路材の A 1純度が低下して回路材の降伏耐力が大きくなり、実用に供した際の冷熱サイクルによってセラミックス基板の割れや、半田クラックが生じ易くなること、従って、適正な温度範囲に前記ブロックの予備加熱を行う必要がある。しかし、加熱ムラや予備加熱後のブロック外周からの放熱によって、 A 1合金の含浸開始まで前記ブロック全体を適正な温度範囲に維持することは難しく、特に量産性を向上させるために積層数の多い前記ブロックを用いた場合には容易でないこと等の解決するべき課題を見出した。かくして、本発明者は、上記事情に鑑みて、いろいろ実験的に検討した結果、回路材となる金属箔に予め適正なバリア層を設けるだけで、生産性を下げることなく、熱サイクルを被っても耐性があり、信頼性に優れる一体型セラミックス回路基板を得ることができる、という知見を得て本発明に至ったものである。本発明は、一主面に凹部を有する又は有していない多孔質炭化珪素成形体の前記主面上にセラミックス基板を配置し、更に前記多孔質炭化珪素成形体とセラミックス基板との両者を覆うように金属箔を配置して積層体となし、前記積層体を加圧容器内に配置し、前記金属箔よりも低融点である溶融金属を铸造して、前記多孔質炭化珪素成形体の空隙に前記溶融金属を含浸すると共に、前記金属箔からなる金属層を多孔質炭化珪素成形体並びにセラミックス基板と一体化させ、その後前記金属層より回路形成する一体型セラミックス回路基板の製造方法であつて、前記金属箔表面の全面あるいは一部に予めバリア層を設けていることを特徴とする一体型セラミックス回路基板の製造方法である。

本発明によれば、回路を形成する金属箔表面の全面あるいは一部に予めバリア層が設けられる。このバリア層は、 A 1合金等の溶融金属を含浸する際に、金属箔が溶融金属との接触面から溶け出すことを抑制するものである。前述のように、金属箔にバリア層を設けない場合、前記含浸用ブロックが非常に良く温度コント口一ルされていないと、ある部分では金属箔と溶融金属との接触面での温度が低すぎたため接合不良となり、同時に、他の部分では金属箔と溶融金属との接触面での温度が高すぎたため金属箔が融金属との接触面から溶け出してしまい、応力緩和性に劣る部分が発生してしまう。例えば、生産性を上げるために前記含浸用ブロック内の積層数を増やそうとすると、それだけ含浸用ブロックの温度を均一に保つことが困難になる。即ち、前記ブロックの中央部の温度低下が外周部に比ベて小さく高温に維持されるため、金属箔が融金属との接触面から溶け出す割合が高くなり、不良率が増えてきてしまう。

本発明は、バリア層を設けることによつて金属箔が溶融金属との接触面から溶け出すことを抑制できるということを発見したことに基づいている。本発明者は、前記事実に基づき、金属箔にパリア層を設けることで、従来の方法よりも許容温度幅が広がり、不良率が低減し生産性が向上するという好ましい結果が得られ、本発明に至ったのである。

前記バリア層としては、前記溶融金属との濡れ性が良く、更に、高温の溶融金属と接蝕しても容易にバリア層の成分が溶出せず、かつ機械的強度が強く母材である前記金属箔との密着性も良く、溶融金属が浸透して母材と接触しないような充分なパリア性を有するものであればよい。特に、 A 1 ₂0₃、 S i 0₂等の酸化物は一般的に高温で比較的安定で A 1合金の溶融金属との濡れ性も良く、バリア性も良好で好ましい。これらの酸化物によるパリア層の厚みは 0 . 1 / m以上 1 0 m以下であることが好ましい。 0 . 1 mより薄いと充分なバリア性が得られず、また、 1 0 mより厚いと後述の金属箔から回路化するときの妨げになるためである。これらのバリア層は、例えばアルミナゾルやシリカゾル等を塗布することによって金属箔の全面或いは溶融しやすい部分に設けることが可能である。

前記バリア層は前記金属箔の表面を化学皮膜処理や陽極酸化法によって酸化させることで設けることも可能である。特に前記金属箔がアルミニウムを主成分とする金属の場合、陽極酸化法を用いることによって、金属箔の全面或いは溶融しゃすい部分に、バリア性の高いアルミニウムの酸化物を、比較的均一に厚み精度良く形成することが可能であり好ましい。

以下、実施例並びに比較例をあげて、本発明を一層詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

〔実施例 1〕

炭化珪素粉末 A (大平洋ランダム社製： NG— 220、平均粒径： 60 m) 70 g、炭化珪素粉末 B (屋久島電工社製： GC— 1000 F、平均粒径： 10 m) 30 g、及びシリカゾル（日産化学社製：スノーテックス） 10 gを秤取し、攪拌混合機で 30分間混合した後、中央部の片面に縦 5 OmmX横 5 Omm X深さ 0. 6mmのキヤビティを有する縦 1 1 OmmX横 9 OmmX厚み 4. 6 mmの寸法の平板状に成形した。このとき成形時の圧力は 1 OMP aとした。得られた成形体を、大気中、温度 95 (TCで 2時間焼成して、相対密度（嵩密度）が 65体積％の多孔質炭化珪素成形体を得た。

次に、得られた多孔質炭化珪素成形体を、離型剤を塗布した 0. 7mm厚の仕切板上に置かれた、これも離型剤を塗布した図 1の型枠（材質：炭素鋼）内に配置し、前記多孔質炭化珪素成形体キヤビティ内に縦 5 OmmX横 5 OmmX厚み 0. 6111111の1 7 OW/mKの特性を有する窒化アルミニウム基板を挿入した後、前記多孔質炭化珪素成形体の外寸に等しい 0. 4mm厚の純アルミニウム箔をこの上に置いた。この状態で内容物の高さと枠高さが略等しくなる。これに離型剤を塗布した仕切板 (前述の仕切板と同様のものでサイズは型枠外寸と同じ）を重ね、両端に 6 mm厚の鉄板を配した後、 1 Οπιπ φのポルト、ナツトで固定して、一つのブロックを形成した。

次に、前記ブロックを電気炉で、温度 6 5 0°Cに予備加熱し、予め加熱しておいた内寸 2 5 Οπιπι X 3 0 0 mmの空隙を有するプレス型内に載置した後、温度 8 5 0°Cに加熱してある、アルミニウム合金（1 2質量％S i — 0. 7質量％ Mg含有アルミニウム合金）の溶湯を流し込み、 1 0 OMP aの圧力で 1 0分間プレスして、前記多孔質炭化珪素成形体にアルミニウム合金を含浸させた。得られた複合体を含む金属塊は、室温まで冷却したのち、湿式バンドソーにて切断して型枠を取り出し、更に型枠内から一体型セラミック基板を離型した（図 2参照）。前記一体型セラミック基板の表面についた離型剤を除去するため、 # 2 2 0のパフ口一ルを備えたバフ研磨機に通した。離型剤除去後、純アルミニウム箔表面に所望のパターンのエッチングレジストを印刷し、裏面及び側面はべ夕塗りとし、塩化第 2鉄溶液で不要部分を溶解した。さらに、含浸用の A 1合金導入口を切断し、放熱フィン取り付け用の穴加工を施した後、メツキ処理を行い、一体型セラミック回路基板を得た。尚、前記メツキは、無電解 N i -P ； 5 ΐη, 無電解 Ν i— Β； 2 mの 2層とした（図 3参照）。尚、表面には、 N i — Pメツキ 5 m、 N i — Bメツキ 2 mが施されている。また、この時点での反り量は、回路面が凹で約 3 0 _imであった。

次に、前記の一体型セラミック回路基板の回路パターンに、 1 2 mm角、厚さ 0. 4mmのシリコンチップを半田付けし、冷熱サイクル試験を実施した。尚、冷熱サイクル試験の条件は、一 4 0で； 3 0分、空気中； 1 0分、 1 2 5°C； 3 0分、空気中 1 0分を 1サイクルとした。 1 0 0 0サイクル実施後、シリコンチップ下の半田部でのクラックの発生の有無、基板自体の割れ、回路の剥離等を詳細に観察したが、全く異常は認められなかった。

〔実施例 2〕

炭化珪素粉末 A (大平洋ランダム社製： NG— 2 2 0、平均粒径： 6 0 ^m) 7 0 g、炭化珪素粉末 B (屋久島電工社製： GC— 1 0 0 0 F、平均粒径： 1 0 urn) 3 0 g、及びシリカゾル（日産化学社製：スノーテックス） 1 0 gを秤取し、攪拌混合機で 3 0分間混合した後、縦 1 1 0 mm X横 9 0 mm X厚み 4 mm の形状に 1 OMP aの圧力で成形した。

得られた成形体を、大気中、温度 9 50°Cで 2時間加熱して、相対密度 6 5体積％の多孔質炭化珪素成形体を得た。次に、前記の多孔質炭化珪素成形体を、離型剤を塗布した 0. 7 mm厚の仕切板上に置かれた、これも離型剤を塗布した図 1の型枠（材質：炭素鋼）内に配置し、中央部に 5 OmmX 5 Ommの窓を有し、外寸が前記の多孔質炭化珪素成形体の外寸に略等しい 0. 6 mm厚の純アルミ二ゥム箔をかさねた。次に前記純アルミニウム箔の窓部に縦 5 OmmX横 5 Omm X厚み 0. 6mmの 1 Ί 0 WZmKの特性をもつ窒化アルミニウム基板を揷入した後、前記多孔質炭化珪素成形体外寸に略等しい外寸を有する 0. 4mm厚の純アルミニウム箔をこの上に置いた。この状態で内容物の高さと枠高さが略等しくなる（図 4参照）。更に、離型剤を塗布した仕切板（前述の仕切板と同様のものでサイズは型枠外寸と同じ）を重ね、両面に 6mm厚の鉄板を配した後、 1 Om πιφのポルト、ナットで固定して、一つのブロックを形成した。

以降の操作は、実施例 1と同じ操作を行い、一体型セラミック回路基板を得た (図 5参照）。表面は、 N i— Ρメツキ 5 m、 N i— Bメツキ 2 xmが施されている。この時の反り量は、略 Ommであった。

前記一体型回路基板の回路パターンに、 1 2mm角、厚さ 0. 4mmのシリコンチップを半田付けし、実施例 1に示した冷熱サイクル試験を実施したところ、 1 000サイクル実施後、シリコンチップ下の半田部分のクラックの発生の有無、基板割れ、回路の剥離等を詳細に観察したが、全く異常は認められなかった。

〔比較例〕

炭化珪素粉末 A (大平洋ランダム社製： NG— 22 0、平均粒径： 6 0 im) 7 0 g、炭化珪素粉末 B (屋久島電工社製： GC— 1 0 00 F、平均粒径： 1 0 li ) 30 g、及びシリカゾル（日産化学社製：スノーテックス） 1 0 gを秤取し、攪拌混合機で 3 0分間混合した後、縦 1 1 OmmX横 9 OmmX厚み 4. 6 mmで中央部の片面に縦 5 OmmX横 5 OmmX深さ 0. 6 mmのキヤビティを有する平板状に 1 O M P aの圧力で成形した。

得られた成形体を、大気中、温度 9 5 0でで 2時間加熱して、多孔質炭化珪素成形体とした。得られた多孔質炭化珪素成形体の相対密度は 6 5体積％であった。次に、得られた多孔質炭化珪素成形体を、離型剤を塗布した 0 . 7 mm厚の仕切板上に置かれた、これも離型剤を塗布した図 1の型枠（材質：炭素鋼）内に配置し、多孔体のキヤビティ部に縦 5 0 X横 5 0 X厚み 0 . 6 mmの 1 7 0 W/m Kの窒化アルミニウム基板を揷入した。この状態で枠高さが内容物の高さよりも約 0 . 4 mm高い状態であった。これに離型剤を塗布した仕切板（前述の仕切板と同様のものでサイズは型枠外寸と同じ）を重ね、両面に 6 mm厚の鉄板を配した後、 1 O mm cf)のポルト、ナットで固定して、一つのブロックを形成した。このとき、キヤビティ内に置いた窒化アルミニウム基板がキヤビティから脱離することが無いよう、基板側が常に上部に位置するよう注意しながら行った。

次に、セラミックス基板がキヤビティから脱離しないように注意しながら、前記ブロックを電気炉で、温度 6 5 0 °Cに予備加熱し、予め加熱しておいた内寸 2 5 Ο πιιη φ X 3 0 O mmの空隙を有するプレス型内に載置した後、温度 8 5 0 °C に加熱してある、実施例 1と同じアルミニウム合金の溶湯を流し込み、 1 0 0 M P aの圧力で 1 0分間プレスして、多孔質炭化珪素成形体にアルミニウム合金を含浸させた。得られた複合体を含む金属塊は、室温まで冷却したのち、湿式バンドソーにて切断して型枠を取り出し、更に型枠内から一体型セラミック基板を離型した。

以降、実施例 1と同じ操作を行い、一体型セラミック回路基板を得た（図 6参照）。金属の表面には、 N i— Pメツキ 5 m N i— Bメツキ 2 mが施され、反り量は略 O mmであつだ。

前記一体型セラミック回路基板の回路パターンに、 1 2 mm角、厚さ 0 . 4 m mのシリコンチップを半田付けし、実施例 1に示す冷熱サイクル試験を実施したところ、 5 0 0サイクル実施後、セラミックス基板に貫通クラックが生じていた。以上説明してきた通りに、本発明によれば、型内に多孔質炭化珪素成形体（以下、 S i Cプリフォームという）を装填し、これに A 1あるいは A 1合金の溶湯 (以下、 A 1溶湯という）を高圧で含浸させて A 1— S i C複合体を製造する過程において、 S i Cプリフォームにセラミックス基板を接触配置し、さらに、これに高純度 A 1箔を接触配置した後に A 1溶湯を含浸させ、その含浸体の高純度 A 1箔から回路を形成することで、一体型セラミックス回路基板を得ることができる。

〔実施例 3〕

実施例 1と同じ操作により相対密度（嵩密度）が 6 5体積％の多孔質炭化珪素成形体を得た。

次に、純アルミニウム箔に予め陽極酸化法による酸化膜を 1 z m全面に設けものを用いたことを除いて実施例 1と同じ操作により、一つのブロックを形成した。なお、 'このブロックは 3 0層が含まれている。

前記一体型セラミック基板の表面についた離型材及び酸化膜を除去するため、 # 2 2 0のパフロールを備えたバフ研磨機に通した。研磨後、純アルミニウム箔表面に所望のパターンのエッチングレジストを印刷し、裏面及び側面はべ夕塗りとし、塩化第 2鉄溶液で不要部分の純アルミニウムを溶解した。そして、 N H ₄ Fと H ₂0 ₂からなる溶液（H ₂0 ₂： 8質量％、 N H ₄ F ： 1 0質量％) でエッチングしきれなかった酸化物を除去後、再度塩化第 2鉄溶液で残留するアルミニゥムを溶解した。さらに、含浸用の A 1合金導入口を切断し、放熱フィン取り付け用の穴加工を施した後、メツキ処理を行い、一体型セラミックス回路基板を得た。尚、前記メツキは、無電解 N i— P ； 5 τη, 無電解 N i— Β； 2 mの 2層とした。

得られた 3 0枚の前記一体型セラミックス回路基板について、回路の溶融状態及び冷熱サイクル試験実施後の観察を行った結果を表 1に示す。 1 実施例 3 実施例 4 実施例 5 積層順番号回路の耐冷熱回路の耐冷熱回路の耐冷熱溶融状態サイクル性溶融状態サイクル性溶融状態サイクル性

1 〇 A 〇 A 〇 A .

2 〇 A 〇 A 〇 A

3 〇 A 〇 A 〇 A

4 〇 A 〇 A 〇 A

5 O A 〇 A 〇 A

6 〇 A 〇 A 〇 A

7 O A 〇 A 〇 A

8 o A 〇 A 〇 A

9 〇 A 〇 A 〇 A

1 0 〇 A 〇 A 〇 A

1 1 〇 A 〇 . A 〇 A

1 2 〇 A 〇 A Δ B

1 3 o A 〇 A Δ B

1 4 〇 A 〇 A Δ B

1 5 〇 A 〇 A Δ B

1 6 o A 〇 A Δ B

1 7 o A 〇 A Δ B

1 8 o A 〇 A Δ B

1 9 o A 〇 A Δ B

2 0 〇 A 〇 A Δ B

2 1 〇 A 〇 A 〇 A

2 2 〇 A 〇 A 〇 A

2 3 〇 A 〇 A 〇 A

2.4 〇 A 〇 A 〇 A

2 5 〇 A 〇 A 〇 A

2 6 〇 A 〇 A 〇 A

2 7 〇 A 〇 A 〇 A

2 8 〇 A 〇 A 〇 A

2 9 〇 . A 〇 A 〇 A

3 0 〇 A 〇 A 〇 A 尚、冷熱サイクル試験の条件は、 — 4 (TC； 3 0分、室温； 1 0分、 1 2 5 °C ； 3 0分、室温； 1 0分を 1サイクルとし、 1 0 0 0サイクル実施した。いずれの一体型セラミックス回路基板にも回路が溶融した形跡はなく、冷熱サイクル試験実施後に基板自体の割れ、回路の剥離等の異常は全く認められなかった。

また、評価の方法と基準は次の通り。

( 1 ) 回路の溶融状態評価

方法：目視による

基準：〇：回路に溶融箇所なし

△：回路の部分的に溶融箇所あり

X ：回路の全体的に溶融箇所あり

( 2 ) 耐冷熱サイクル性評価

方法：超音波探傷解析

基準： A：回路剥離なし

B ：一部回路剥離

C ：完全に回路剥離

〔実施例 4〕

実施例 2と同様にして、相対密度 6 5体積％の多孔質炭化珪素成形体を得た。次に、予め陽極酸化法による酸化膜を 1 m全面に設けた 0 . 4 mm厚の純ァルミ二ゥム箔を用いたこと以外は実施例 2と同じ操作をして、一つのブロックを形成した。なお、このブロックは 3 0層が含まれている。

以降は、実施例 1と同じ操作を行い、一体型回路基板を得た。表面は、 N i— Pメツキ 5 m、 N i— Bメツキ 2 mが施された。

得られた 3 0枚の前記一体型セラミックス回路基板について、回路の溶融状態及び実施例 3に示した冷熱サイクル試験実施後の観察を行った結果を表 1に示す。いずれの一体型セラミックス回路基板にも回路が溶融した形跡はなく、冷熱サイクル試験実施後に基板自体の割れ、回路の剥離等の異常は全く認められなかつに。〔実施例 5 (実施例 3， 4の比較例）〕

パリァ層を設けていない純アルミニウム箔を用いた他は実施例 3と同じ操作をして一体型回路基板を得た。尚、表面は、 N i— Pメツキ 5 i m、 N i — Bメツキ 2 / mが施された。

得られた 3 0枚の前記一体型セラミックス回路基板について、回路の溶融状態及び実施例 3に示した冷熱サイクル試験実施後の観察を行った結果を表 1に示す。ブロックの中央付近の層に位置している一体型セラミックス回路基板に回路の一部が溶融した形跡がみられ、冷熱サイクル試験実施後に溶融した部分に対応したセラミックス基板上の回路部に剥離が認められた。産業上の利用可能性

本発明の一体型セラミックス回路基板の製造方法は、 A 1 - S i C複合体の金属ーセラミックス複合体を得る、溶湯鍛造法やダイキャスト法などの高圧鍛造法を適用して、予め適正なバリア層を設けた金属箔を回路材に用いたことによって、容易に高い歩留まりで製造することができ、また量産性に優れたものである。そして、放熱性に優れ、高信頼性のモジュールを容易に得ることができ、産業上非常に有用である。

Claims

請求の範囲

1 . 一主面に凹部を有する又は有していないベース板と、前記べ一ス板の前記主面上に配置された前記べ一ス板よりも小さいセラミックス基板と、前記ベース板と前記セラミックス基板の両者を覆うように設けられた金属層とからなり、前記金属層の前記ベース板及び前記セラミックス基板に接しない面が平面状であつて、しかも、前記ベース板が金属一セラミックス複合体であり、前記複合体中の金属と前記金属層とが異なる組成であることを特徴とする電子機器搭載用基板。

2 . セラミックス基板が複数であることを特徴とする請求項 1に記載の電子機器搭載用基板。

3 . 請求項 1又は 2に記載の電子機器搭載用基板の金属層より回路形成してなることを特徴とする一体型セラミックス回路基板。

4 . 一主面上に回路を有するセラミックス回路基板と、該セラミックス回路基板の回路を設けていない主面に接して設けられているベース板とからなる一体型セラミックス回路基板であって、前記回路表面と前記べ一ス板のセラミックス基板が搭載されたセラミックス基板を設けていない面の高さが同一であり、しかも、前記ベース板と前記金属層とが異なる組成であることを特徴とする一体型セラミックス回路基板。

5 . ベース板が多孔質炭化珪素成形体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸してなる複合体であることを特徴とする請求項 4に記載の一体型セラミックス回路基板。

6 . 回路形成する金属が、ベース板を構成する複合体のアルミニウムを主成分とする金属よりも高融点であることを特徴とする請求項 5に記載の一体型セラミックス回路基板。

7 . —主面に凹部を有する又は有していない多孔質炭化珪素成形体の前記主面上にセラミックス基板を配置し、更に前記多孔質炭化珪素成形体とセラミックス基板との両者を覆うように金属箔を配置して積層体となし、前記積層体を加圧容器内に配置し、アルミニウムを主成分とする金属を高圧铸造して、前記多孔質炭化珪素成形体の空隙に前記アルミニウムを主成分とする金属を含浸すると共に、前記金属箔からなる金属層を多孔質炭化珪素成形体並びにセラミックス基板と一体化させ、その後前記金属層より回路形成することを特徴とする一体型セラミックス回路基板の製造方法。

8 . 前記金属箔表面の全面あるいは一部に予めバリア層を設けていることを特徴とする請求項 7記載一体型セラミックス回路基板の製造方法。

9 . 前記バリア層が酸化物からなることを特徵とする請求項 8に記載の一体型セラミックス回路基板の製造方法。

1 0 . 前記バリア層の厚みが 0 . 1 i m以上 1 0 ^ m以下であることを特徴とする請求項 9に記載の一体型セラミックス回路基板の製造方法。

1 1 .前記バリア層が前記金属箔表面の全面あるいは一部を酸化させた酸化物であることを特徴とする請求項 9又は 1 0に記載の一体型セラミックス回路基板の製造方法。

1 2 . 前記金属箔が純度 9 8 . 5質量％以上のアルミニウムを主成分とする金属であることを特徴とする請求項 8、 9、 1 0又は 1 1に記載の一体型セラミックス回路基板の製造方法。

1 3 .前記バリア層がアルミニウムを主成分とする前記金属箔表面の全面あるいは一部を陽極酸化法で形成した酸化物であることを特徴とする請求項 1 2に記載の一体型セラミックス回路基板の製造方法。

1 4 .前記金属層の一部をエッチングすることにより回路形成する過程において、ハロゲン化水素、ハロゲン化アンモニゥム、過酸化水素のうち 1種以上を含む溶液により、前記金属層に形成された酸化物を溶解させる工程を含むことを特徴とする請求項 1 2又は 1 3に記載の一体型セラミックス回路基板の製造方法。