特許 7299141 複合基板及びその製造方法、並びに、回路基板及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-06-19

(45)【発行日】2023-06-27

(54)【発明の名称】複合基板及びその製造方法、並びに、回路基板及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   C23C 4/18 20060101AFI20230620BHJP

   B32B 15/04 20060101ALI20230620BHJP

   C23C 4/08 20160101ALI20230620BHJP

   C23C 28/00 20060101ALI20230620BHJP

   C23C 28/02 20060101ALI20230620BHJP

   H05K 1/09 20060101ALI20230620BHJP

【ＦＩ】

C23C4/18

B32B15/04 B

C23C4/08

C23C28/00 E

C23C28/02

H05K1/09 A

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2019210571

(22)【出願日】2019-11-21

(65)【公開番号】P2021080537

(43)【公開日】2021-05-27

【審査請求日】2022-07-12

(73)【特許権者】

【識別番号】000003296

【氏名又は名称】デンカ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100128381

【弁理士】

【氏名又は名称】清水 義憲

(74)【代理人】

【識別番号】100185591

【弁理士】

【氏名又は名称】中塚 岳

(72)【発明者】

【氏名】酒井 篤士

(72)【発明者】

【氏名】弓場 優也

(72)【発明者】

【氏名】中山 賢太郎

(72)【発明者】

【氏名】谷口 佳孝

【審査官】池ノ谷 秀行

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－０６７８０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－０３２９９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－００５３３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－１５７８５７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ２３Ｃ ４／１８

Ｂ３２Ｂ １５／０４

Ｈ０５Ｋ １／０９

Ｃ２３Ｃ ４／０８

Ｃ２３Ｃ ２８／００

Ｃ２３Ｃ ２８／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

セラミックス板と、
アルミニウム及びアルミニウム合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む金属層と、
銅及び銅合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む溶射層と、をこの順に備え、
前記金属層と前記溶射層との間に、構成元素として銅及びアルミニウムを有する金属間化合物が点在している、複合基板。

【請求項2】

前記金属層と前記溶射層の積層方向に沿って切断したときの切断面をみたときに、前記金属層と前記溶射層との間に、前記金属層と前記溶射層とが直接接する接触部と、前記金属間化合物が介在している介在部と、を有する、請求項１に記載の複合基板。

【請求項3】

前記金属間化合物は、Ｃｕ_９Ａｌ_４、ＣｕＡｌ及びＣｕＡｌ_２からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む、請求項１又は２に記載の複合基板。

【請求項4】

前記金属層と前記溶射層の積層方向に沿って切断したときの切断面をみたときに、前記溶射層の前記金属層側の境界線に沿う前記金属間化合物の長さが１５μｍ以下である、請求項１～３のいずれか一項に記載の複合基板。

【請求項5】

前記金属層と前記溶射層の積層方向に沿って切断したときの切断面をみたときに、前記溶射層の前記金属層側の境界線の長さを基準とする、前記金属間化合物による前記溶射層の被覆率が７５％以下である、請求項１～４のいずれか一項に記載の複合基板。

【請求項6】

セラミックス板と、前記セラミックス板上に導体部と、を備え、
前記導体部は、前記セラミックス板側から、アルミニウム及びアルミニウム合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む金属層と、銅及び銅合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む溶射層と、をこの順に備え、
前記金属層と前記溶射層との間に、構成元素として銅及びアルミニウムを有する金属間化合物が点在している、回路基板。

【請求項7】

セラミックス板上に設けられた、アルミニウム及びアルミニウム合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む金属層の表面に、銅及び銅合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む金属粒子を吹き付けて前駆体膜を形成する工程と、
前記前駆体膜を加熱して溶射層を得るとともに、前記金属層と前記溶射層との間に点在するように金属間化合物を生成させる加熱工程と、を有する、複合基板の製造方法。

【請求項8】

前記加熱工程では、前記前駆体膜を２５０～２９０℃の加熱温度で５分間～１時間加熱して前記溶射層を得る、請求項７に記載の複合基板の製造方法。

【請求項9】

セラミックス板上に設けられた、アルミニウム及びアルミニウム合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む金属層の表面に、銅及び銅合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む金属粒子を吹き付けて前駆体膜を形成する工程と、
前記前駆体膜を加熱して溶射層を得るとともに、前記金属層と前記溶射層との間に点在するように金属間化合物を生成させ、前記セラミックス板上に所定パターンを有する導体部を形成する加熱工程と、を有する、回路基板の製造方法。

【請求項10】

前記加熱工程では、前記前駆体膜を２５０～２９０℃の加熱温度で５分間～１時間加熱して前記溶射層を得る、請求項９に記載の回路基板の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、複合基板及びその製造方法、並びに、回路基板及びその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、モーター等の産業機器、及び電気自動車等の製品には、大電力制御用のパワーモジュールが用いられている。このようなパワーモジュールには、半導体素子から発生する熱を効率的に拡散させるため、高い熱伝導性を有するセラミックス板を備える回路基板等が用いられている。

【0003】

回路基板の金属回路部分には、高電圧で及び高電流が流れる場合もあるため、主として銅が用いられている。しかし、使用時の環境変化、及びスイッチングによる熱等によって熱衝撃を繰り返して受けるため、銅とセラミックスの熱膨張率の差に起因する熱応力によって、セラミックス板から銅回路が剥離することがあった。このため、塑性変形しやすいアルミニウム層をセラミックス板と銅回路との間に設けて、熱応力を緩和する技術が知られている。このような状況の下、特許文献１では、アルミニウム部材と銅部材との間の接合層に、金属間化合物層と共晶層を形成し、接合層におけるクラックの発生を抑制する技術が提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１９－８７６０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

金属間化合物は、硬くて脆いという特性を有する。このため、金属間化合物を層状に形成すると、加熱と冷却を繰り返すヒートサイクルの条件下ではクラック発生の要因となることが懸念される。

【0006】

そこで、本開示では、ヒートサイクルに対する耐久性に優れるとともに高い導電性を有する複合基板及び回路基板を提供する。また、本開示では、ヒートサイクルに対する耐久性に優れるとともに高い導電性を有する複合基板及び回路基板を製造することが可能な複合基板及び回路基板の製造方法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の一側面に係る複合基板は、セラミックス板と、アルミニウム及びアルミニウム合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む金属層と、銅及び銅合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む溶射層と、をこの順に備え、金属層と溶射層との間に構成元素として銅及びアルミニウムを有する金属間化合物が点在している。

【0008】

上記複合基板は、金属層と溶射層との間に構成元素として銅及びアルミニウムを有する金属間化合物が点在していることから、金属層と溶射層が強固に接合しており、高い導電性を有する。また、金属間化合物が層状に形成されるのではなく点在していることからヒートサイクルに伴うクラックの発生を抑制し、ヒートサイクルに対する耐久性を向上することができる。

【0009】

金属層と溶射層の積層方向に沿って切断したときの切断面をみたときに、上記複合基板は、金属層と溶射層との間に、金属層と溶射層とが直接接する接触部と、金属間化合物が介在している介在部と、を有していてよい。これによって、金属層と溶射層との接合強度と、ヒートサイクルに対する耐久性を一層高い水準で両立することができる。

【0010】

上記金属間化合物は、Ｃｕ_９Ａｌ_４、ＣｕＡｌ及びＣｕＡｌ_２からなる群より選ばれる少なくとも一つを含んでもよい。これによって、金属層と溶射層との接合強度と、ヒートサイクルに対する耐久性をより一層高い水準で両立することができる。

【0011】

金属層と溶射層の積層方向に沿って切断したときの切断面をみたときに、溶射層の金属層側の境界線に沿う金属間化合物の長さが１５μｍ以下であってよい。また、上記切断面をみたときに、溶射層の金属層側の境界線の長さを基準とする、金属間化合物による溶射層の被覆率が７５％以下であってよい。このような複合基板は、ヒートサイクルに対する耐久性を十分に高くすることができる。

【0012】

本開示の一側面に係る回路基板は、セラミックス板と、セラミックス板上に導体部とを備え、導体部は、セラミックス板側から、アルミニウム及びアルミニウム合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む金属層と、銅及び銅合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む溶射層と、をこの順に備え、金属層と溶射層との間に、構成元素として銅及びアルミニウムを有する金属間化合物が点在している。

【0013】

上記回路基板における導体部は、金属層と溶射層との間に構成元素として銅及びアルミニウムを有する金属間化合物が点在していることから、金属層と溶射層が強固に接合しており、高い導電性を有する。また、金属間化合物が層状に形成されるのではなく点在していることからヒートサイクルに伴うクラックの発生を抑制し、ヒートサイクルに対する耐久性を向上することができる。

【0014】

本開示の一側面に係る複合基板の製造方法は、セラミックス板上に設けられた、アルミニウム及びアルミニウム合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む金属層の表面に、銅及び銅合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む金属粒子を吹き付けて前駆体膜を形成する工程と、前駆体膜を加熱して溶射層を得るとともに、金属層と溶射層との間に点在するように金属間化合物を生成させる加熱工程と、を有する。

【0015】

上記複合基板の製造方法では、前駆体膜を加熱して、金属層と溶射層との間に構成元素として銅及びアルミニウムを有する金属間化合物が点在するように生成させている。金属間化合物が点在するほどに生成するまで前駆体膜を加熱していることから、加工硬化が十分に緩和された溶射層を得ることができる。このように加工硬化が緩和された溶射層は高い導電性を有する。また、金属間化合物が層状に生成するのではなく点在するように生成していることからヒートサイクルに伴うクラックの発生を抑制し、ヒートサイクルに対する耐久性を向上することができる。

【0016】

本開示の一側面に係る回路基板の製造方法は、セラミックス板上に設けられた、アルミニウム及びアルミニウム合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む金属層の表面に、銅及び銅合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む金属粒子を吹き付けて前駆体膜を形成する工程と、前駆体膜を加熱して溶射層を得るとともに、金属層と溶射層との間に点在するように金属間化合物を生成させ、セラミックス板上に所定パターンを有する導体部を形成する加熱工程と、を有する。

【0017】

上記回路基板の製造方法では、前駆体膜を加熱して、金属層と溶射層との間に構成元素として銅及びアルミニウムを有する金属間化合物が点在するように生成させて導体部を形成している。金属間化合物が点在するほどに生成するまで前駆体膜を加熱していることから、加工硬化が十分に緩和された溶射層を得ることができる。このように加工硬化が緩和された溶射層は高い導電性を有する。また、金属間化合物が層状に形成されるのではなく点在していることからヒートサイクルに伴うクラックの発生を抑制し、ヒートサイクルに対する耐久性を向上することができる。

【発明の効果】

【0018】

本開示によれば、ヒートサイクルに対する耐久性に優れるとともに高い導電性を有する複合基板及び回路基板を提供することができる。また、本開示では、ヒートサイクルに対する耐久性に優れるとともに高い導電性を有する複合基板及び回路基板を製造することが可能な複合基板及び回路基板の製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】図１は、一実施形態に係る複合基板を示す断面図である。

【図2】図２は、一実施形態に係る回路基板を示す平面図である。

【図3】図３は、一実施形態に係る複合基板（回路基板）の断面の一部を拡大して示す拡大断面図である。

【図4】図４は、第１前駆体膜及び第２前駆体膜の成膜に用いられる粉体スプレー装置の一例を示す図である。

【図5】図５は、実施例１の回路基板の切断面を示す走査型電子顕微鏡の写真である。

【図6】図６は、実施例３の回路基板の切断面を示す走査型電子顕微鏡の写真である。

【図7】図７は、比較例１の回路基板の切断面を示す走査型電子顕微鏡の写真である。

【図8】図８は、比較例２の回路基板の切断面を示す走査型電子顕微鏡の写真である。

【図9】図９は、比較例３の回路基板の切断面を示す走査型電子顕微鏡の写真である。

【図10】図１０は、比較例４の回路基板の切断面を示す走査型電子顕微鏡の写真である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、場合により図面を参照して、本開示の一実施形態について説明する。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、場合により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。更に、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。

【0021】

図１は、一実施形態に係る複合基板１００の金属層及び溶射層の積層方向に沿う断面図である。図１に示す複合基板１００は、セラミックス板１０と、セラミックス板１０を挟むように一対の積層部２０と、を備える。積層部２０は、セラミックス板１０側から、アルミニウム及びアルミニウム合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む金属層２１と、銅及び銅合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む溶射層２２と、をこの順に備える。図１は、金属層２１及び溶射層２２の積層方向に沿う切断面を示している。

【0022】

積層部２０の一方又は双方は、所定パターンを有する導体部（金属回路）であってよい。この場合、複合基板１００は回路基板となる。導体部には例えば銀接合層を介して半導体素子が接合され回路が形成される。

【0023】

セラミックス板１０としては、通常のセラミックスで構成されるものであってよい。セラミックスとしては、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、及び酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）等が挙げられる。セラミックス板１０の厚みは、優れた絶縁性を維持しつつ、ヒートサイクルに対する耐久性向上と薄型化を図る観点から、例えば０．２～１．０ｍｍであってよい。

【0024】

金属層２１は、複合基板１００の熱伝導性を高く維持しつつ、セラミックス板１０と溶射層２２の熱膨張率の差に起因してヒートサイクルの際に発生する熱応力を低減する機能を有する。このような機能を十分に発揮するため、金属層２１は、アルミニウム及びアルミニウム合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを主成分として含んでよい。アルミニウム合金としては、アルミニウム－マグネシウム合金、及びアルミニウム－リチウム合金等が挙げられる。ここで、「主成分」とは、金属層２１の全体に対する含有量が９０質量％以上である成分である。金属層２１の厚みは、ヒートサイクルの際に発生する熱応力を十分に低減しつつ、薄型化を図る観点から、例えば０．０５～１ｍｍであってもよい。

【0025】

金属層２１は、セラミックス板１０の主面上にろう材を塗布し金属板を接合することによって形成されるものであってもよいし、セラミックス板１０の主面に対して、金属粒子を溶射し加熱処理することによって形成される溶射層であってもよい。溶射層であれば、ろう材を用いずにセラミックス板１０の主面上に金属層２１を形成することができる。溶射時にマスクを用いれば、エッチングを行うことなく所定パターンを有する導体部を形成することができる。

【0026】

溶射層２２は、複合基板１００の熱伝導性を高く維持しつつ、導電率を十分に高くする観点から、銅及び銅合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを主成分として含んでよい。銅合金の例としては、銅－リン合金、及び銅－モリブデン合金等が挙げられる。ここで、「主成分」とは、溶射層２２の全体に対する含有量が９０質量％以上である成分である。溶射層２２の厚みは、導電性及び熱伝導性を十分に高くしつつ、ヒートサイクルに対する耐久性向上と薄型化を図る観点から、例えば０．１～３ｍｍであってよい。

【0027】

溶射層２２は、セラミックス板１０の主面に対して、金属粒子を溶射し加熱処理することによって形成される。溶射層２２は、ろう材を用いることなく金属層２１の主面上に形成することができる。溶射時にマスク材を用いれば、エッチングを行うことなく所定パターンを有する導体部を形成することができる。

【0028】

図２は、一実施形態に係る回路基板２００の斜視図である。回路基板２００は、セラミックス板１０と、セラミックス板１０の一方の主面１０Ａ上に設けられた複数の導体部２０Ａを備える。複数の導体部２０Ａの形状は全て同じであってもよいし、図２に示すように、異なる形状のものを含んでいてもよい。導体部２０Ａは、セラミックス板１０側から、金属層２１と溶射層２２をこの順に有する。すなわち、導体部２０Ａは、図１の積層部２０と同様の積層構造を有する。回路基板２００は、セラミックス板１０の他方の主面にも同様に複数の導体部２０Ａを備える。変形例では、一方の主面のみに一つ又は複数の導体部２０Ａを備えていてもよい。

【0029】

図３は、複合基板１００（回路基板２００）の金属層２１及び溶射層２２の積層方向に沿う断面の一部を拡大して示す拡大断面図である。図３は、複合基板１００（回路基板２００）における一方の金属層２１とこれに隣接するセラミックス板１０及び溶射層２２の一部を示している。溶射層２２の金属層２１側との境界線Ｌに沿って、金属間化合物３０が点在している。金属間化合物３０は、構成元素として銅及びアルミニウムを有する。具体的には、Ｃｕ_９Ａｌ_４、ＣｕＡｌ及びＣｕＡｌ_２からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む。金属間化合物３０の同定は、Ｘ線回折によって行うことができる。

【0030】

複合基板１００（回路基板２００）では、金属層２１と溶射層２２との間に金属間化合物３０が点在している。金属層２１と溶射層２２との間には、金属層２１と溶射層２２とが直接接する接触部４０と、金属層２１と溶射層２２との間に金属間化合物３０が介在する介在部４２とが形成される。

【0031】

介在部４２における金属間化合物３０は、構成元素として銅及びアルミニウムを有するため、金属層２１と溶射層２２の両方となじみがよく、両者を強固に接合する機能を有する。これによって金属層２１と溶射層２２の間の導電性を向上することができる。また、ヒートサイクルによる熱応力に伴う歪を接触部４０が担うため、介在部４２における金属間化合物３０に熱応力が集中することを抑制できる。このようにして、通常は硬くて脆い金属間化合物にクラックが生じることを抑制し、ヒートサイクルに対する耐久性を向上することができる。

【0032】

図３に示すような切断面をみたときに、溶射層２２の金属層２１側の境界線Ｌに沿う金属間化合物３０（介在部４２）の長さは２５μｍ未満である。境界線Ｌに沿う金属間化合物３０の長さは、以下の手順で測定することができる。複合基板を、ダイヤモンドカッター又はバンドソー等を用いて切断し、ダイヤモンド砥粒等で研磨して、図３に示すような切断面を得る。この切断面を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察し、３０００倍の拡大画像の写真を撮影する。この写真に映し出されている溶射層２２の金属層２１側の外縁を境界線Ｌとし、この境界線Ｌに沿う金属間化合物３０の長さを測定する。長さは、境界線Ｌに沿って例えば紐を配置し、金属間化合物３０の部分の紐の長さと写真の拡大倍率から算出することができる。測定は、上記切断面において、任意に選択され、互いに異なる５箇所の領域において撮影された写真を用いて行う。本開示では、このようにして測定される長さが２５μｍ以上である金属間化合物は層状とみなされる。

【0033】

本開示における「金属間化合物が点在する」とは、上述の５箇所の領域において撮影されたＳＥＭ写真において、金属間化合物３０の境界線Ｌに沿う長さの最大値が２５μｍ未満であることを意味する。すなわち、上述の５箇所の領域において撮影されたＳＥＭ写真において、金属間化合物３０として、境界線Ｌに沿う長さが２５μｍ未満のもののみを含むことを意味する。上述の５箇所の領域において撮影されたＳＥＭ写真において、境界線Ｌに沿う金属間化合物３０の長さは、ヒートサイクルに対する耐久性をさらに向上する観点から、２０μｍ以下であってよく、１５μｍ以下であってもよい。これによって、金属間化合物３０に応力が集中することが一層抑制され、ヒートサイクルに対する耐久性を十分に高くすることができる。上記境界線Ｌに沿う金属間化合物３０の長さは、加工硬化が十分に緩和された溶射層２２とする観点から、２μｍ以上であってよく、５μｍ以上であってもよい。

【0034】

上記切断面をみたときに、溶射層２２の金属層２１側の境界線Ｌの長さを基準とする、金属間化合物による溶射層２２の被覆率が７５％以下であってよく、５０％未満であってもよい。これによって、境界線Ｌにおいて溶射層２２と金属層２１とが直接接触する接触部４０の割合が高くなり、ヒートサイクルの際に金属間化合物３０に熱応力が集中することを一層抑制することができる。したがって、ヒートサイクルに対する耐久性を十分に高くすることができる。上記被覆率は、溶射層２２の加工硬化を十分に緩和させる観点及び金属層２１と溶射層２２とを一層強固に接合させる観点から、１０％以上であってよく、３０％以上であってもよい。

【0035】

上記被覆率は、金属間化合物３０の長さの測定と同様に、３０００倍の拡大画像の写真と紐を用いて行うことができる。すなわち、境界線Ｌに沿って例えば紐を配置し、境界線Ｌの全体の長さ（Ｌ０）と、写真に映し出されている金属間化合物３０（介在部４２）の部分の紐の長さ（Ｌ１）とを測定する。金属間化合物３０が複数ある場合、長さ（Ｌ１）は、各金属間化合物３０の境界線Ｌに沿う長さの合計値となる。測定は、上記切断面において、任意に選択される５箇所の領域において撮影された写真を用いて行う。それぞれの写真を用いて、（Ｌ１／Ｌ０）×１００の計算を行い、この計算値の平均値を、本開示における被覆率とする。

【0036】

複合基板１００の製造方法の一例は、アルミニウム及びアルミニウム合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む第１金属粒子を、不活性ガスとともにセラミックス板１０の主面に吹き付けて第１前駆体膜を形成する工程と、
不活性ガス雰囲気下で第１前駆体膜を加熱して金属層２１を形成する工程と、
セラミックス板１０上に設けられた、金属層２１の表面に、銅及び銅合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む第２金属粒子を吹き付けて第２前駆体膜を形成する工程と、
第２前駆体膜を加熱して溶射層２２を得るとともに、金属層２１と溶射層２２との間に点在するように金属間化合物３０を生成させる加熱工程と、を有する。

【0037】

この例では、金属層２１及び溶射層２２の両方を溶射によって形成している。これらの層の形成には、粉体スプレー装置を用いることができる。具体的には、まず、粉体スプレー装置を用いて、第１金属粒子をセラミックス板１０の主面に吹き付ける。これによって、セラミックス板１０の主面上に第１前駆体膜が成膜される。このとき、一方の主面上に第１前駆体膜を成膜した後、他方の主面上に第１前駆体膜を成膜してよい。セラミックス板１０の一方の主面上のみに積層部２０を有する複合基板を製造する場合、片方の主面のみに第１前駆体膜を成膜すればよい。

【0038】

第１金属粒子は、アルミニウム粒子であってもよいし、アルミニウム－マグネシウム合金粒子、及びアルミニウム－リチウム合金粒子等の、他の金属元素を含むアルミニウム合金粒子であってもよい。マグネシウム、及びリチウムのようなアルミニウムよりも酸素親和性の高い金属元素を含有するアルミニウム合金粒子を用いると、成膜後の加熱の際、マグネシウム又はリチウム等の金属元素と、セラミックス板の表面の酸化物とが反応し、これらが強固に接合する傾向がある。ヒートサイクルに対する耐久性を更に向上する観点から、第１金属粒子におけるマグネシウム、リチウム等の金属元素の含有量は、第１金属粒子全体に対して６．０質量％以下であってもよい。

【0039】

セラミックス板上に形成された第１前駆体膜は、不活性ガス雰囲気下で加熱されて金属層２１となる。このときの加熱温度は、４００～６００℃であってよい。第１前駆体膜を４００℃以上の温度で加熱することで、アルミニウムとセラミックス板１０の表面の酸化物との反応が十分に進行する。これによって、金属層２１とセラミックス板１０とを強固に接合することができる。また、第１前駆体膜を６００℃以下の温度で加熱処理することで、第１前駆体膜が軟化することによる影響を低減することができる。

【0040】

本例では、金属層２１を溶射によって形成しているが、これに限定されない。例えば、アルミニウム及びアルミニウム合金からなる群より選ばれる少なくとも一つを含む金属板を準備し、これをろう材を用いて接合してセラミックス板１０上に金属層２１を設けてもよい。この場合、セラミックス板１０上に所定パターンの導体部を形成するためには、金属層２１のエッチングが必要となる場合がある。

【0041】

溶射の場合、セラミックス板１０の主面の一部を覆うマスク材を配置することにより、セラミックス板１０上にパターン（回路パターン）を有する金属層２１を形成することができる。この方法であれば、成膜後のエッチングのような追加の工程を行うことなく、形状精度の高い導体部を容易に形成することができる。

【0042】

金属層２１を形成した後、溶射によって金属層２１の主面上に溶射層２２を形成する。溶射層２２の形成は例えば以下の手順で行う。第２金属粒子を金属層２１のセラミックス板１０側とは反対側の主面に吹き付けて、第２前駆体膜を形成する。第２金属粒子としては、銅粒子、銅－リン合金粒子及び銅－モリブデン合金粒子等が挙げられる。第２金属粒子における銅以外の金属元素の含有量は、第２金属粒子全体に対して６．０質量％以下であってよい。

【0043】

溶射層２２は、金属層２１の主面上に成膜された第２前駆体膜を、不活性ガス雰囲気下で加熱して形成する。このときの第２前駆体膜の加熱温度は、２５０～３００℃であってよく、２５０～２９０℃であってもよい。加熱処理温度が高くなり過ぎると、金属間化合物３０が層状に形成されやすくなり、ヒートサイクルに対する耐久性が低下する傾向がある。一方、加熱処理温度が低過ぎると溶射層２２における加工硬化を十分に緩和できず、優れた導電性が損なわれる傾向にある。また、金属間化合物３０の生成量が少なくなる傾向にある。

【0044】

第２前駆体膜の上記加熱温度における加熱時間は、５分間～１時間であってよい。加熱時間が短過ぎると、溶射層２２の加工硬化を十分に緩和できず、優れた導電性が損なわれる傾向にある。また、金属間化合物３０の生成量が少なくなる傾向にある。一方、加熱時間が長過ぎると、金属間化合物３０が層状に形成されやすくなり、ヒートサイクルに対する耐久性が低下する傾向がある。なお、第２前駆体膜の加熱温度及び加熱時間を変えることによって、金属間化合物３０による溶射層２２の被覆率、及び、境界線Ｌに沿う金属間化合物３０の長さを調節することができる。

【0045】

第２前駆体を成膜する際に、第１前駆体を成膜する際と同様のマスク材を用いることによって、金属層２１と同様のパターン（回路パターン）を有する溶射層２２を形成することができる。この方法であれば、成膜後のエッチングのような追加の工程を行うことなく、形状精度の高い導体部を容易に形成することができる。このようにして、セラミックス板１０上に導体部を有する回路基板を製造してもよい。なお、溶射層２２は、金属層２１よりも一回り小さくなるように形成してもよい。

【0046】

図４は、第１前駆体膜及び第２前駆体膜の成膜に用いられる粉体スプレー装置の一例を示す図である。粉体スプレー装置５０は、ガス供給部５４、ヒーター５６、粒子供給部５７、先細末広型のスプレーガンのノズル５１及びこれらを連結する配管を備える。ガス供給部５４の下流側には第１圧力調節部５５ａが設けられている。第１圧力調節部５５ａの下流側で配管が２つに分岐する。分岐した２つの配管の一方に第２圧力調節部５５ｂとヒーター５６がこの順に接続され、分岐した２つの配管の他方に第３圧力調節部５５ｃと粒子供給部５７とがこの順に接続されている。ヒーター５６及び粒子供給部５７は配管を介してノズル５１に接続されている。

【0047】

ガス供給部５４は、作動ガスとして機能する不活性ガスを供給する。不活性ガスは、例えばヘリウムガス、窒素ガス、又はこれらの混合ガスであってよい。ガス供給部５４から供給される作動ガスの一部は、第２圧力調節部５５ｂにより圧力が調節された後、必要に応じてヒーター５６によって加熱される。加熱温度は、第１前駆体膜を形成する際は例えば１０～２７０℃であってよい。第２前駆体膜を形成する際は例えば１０～６５０℃であってよい。その後、加熱された作動ガスはスプレーガンのノズル５１に供給される。ガス供給部５４から供給される作動ガスの他部は、第３圧力調節部５５ｃによって圧力が調整された後、粒子供給部５７に供給される。粒子供給部５７から、作動ガスとともに成膜用の金属粒子がスプレーガンのノズル５１に供給される。

【0048】

ノズル５１の入口５１ａにおける作動ガスのゲージ圧力は１．５～５．０ＭＰａであってよい。ヒーター５６による加熱温度は、通常、成膜される金属粒子の融点又は軟化点よりも低く設定される。

【0049】

スプレーガンのノズル５１に供給された第１金属粒子又は第２金属粒子と作動ガスは、先細の部分を通ることで圧縮され、その下流側の末広の部分で一気に膨張することで加速される。金属粒子は所定の温度に加熱されるとともに所定の速度まで加速された後、ノズル５１の出口から噴出される。ノズル５１から噴出された第１金属粒子又は第２金属粒子は、セラミックス板１０の主面に吹き付けられる。これにより第１金属粒子及び第２金属粒子がセラミックス板１０の主面及び金属層２１の表面にそれぞれ固相状態で衝突しながら堆積して、第１前駆体膜及び第２前駆体膜が成膜される。図４では、セラミックス板１０の主面に成膜された第１前駆体膜２１ａが示されている。

【0050】

上述の製造方法によって、セラミックス板１０と、その両方の主面上に、セラミックス板１０側から、金属層２１と溶射層２２とをこの順に備える積層部２０を有し、金属層２１と溶射層２２との間に、構成元素として銅及びアルミニウムを有する金属間化合物３０が点在している複合基板１００を得ることができる。上述の複合基板１００に関する説明内容は、複合基板１００の製造方法にも適用することができる。

【0051】

回路基板の製造方法の一例は、上述の製造方法によって得られる複合基板１００の積層部２０をエッチングによってパターニングして、導体部を形成する工程を有していてもよい。別の例では、第１前駆体膜及び第２前駆体膜を成膜する際にマスク材を用いることによって、エッチングを行うことなくセラミックス板１０の両方の主面上に導体部を形成することによって製造してもよい。この場合、回路基板の製造方法は、上述の複合基板の製造方法における第１前駆体膜及び第２前駆体膜を形成するそれぞれの工程において、マスク材を用いて所定のパターン形状を有する第１前駆体膜及び第２前駆体膜をそれぞれ成膜すればよい。その他の点については、複合基板と同様にして製造することができる。

【0052】

上述の複合基板１００及び回路基板２００の製造方法では、構成元素として銅及びアルミニウムを有する金属間化合物３０が点在するように第２前駆体膜が加熱されている。このため、加工硬化が緩和された溶射層２２を得ることができる。このような溶射層２２は優れた導電性を有する。また、金属間化合物３０が層状に生成するのではなく点在するように生成していることからヒートサイクルに伴うクラックの発生を抑制し、ヒートサイクルに対する耐久性を向上することができる。このため、複合基板１００及び回路基板２００が用いられたパワーモジュールは信頼性に優れる。また、点在する金属間化合物３０が金属層２１と溶射層２２との接合を強固にして導電性を向上することができる。

【0053】

以上、本開示の幾つかの実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に何ら限定されるものではない。例えば、セラミックス板１０の両方の主面に積層部２０（導体部２０Ａ）を設けることは必須ではなく、例えば、セラミックス板１０の一方の主面のみに積層部２０（導体部２０Ａ）を設けてもよい。また、セラミックス板１０を挟む一対の積層部２０（導体部２０Ａ）における金属層２１及び溶射層２２の厚み、形状及び組成の少なくとも一つは、互いに異なっていてもよい。

【実施例】

【0054】

以下、実施例を挙げて本開示の内容をさらに具体的に説明する。ただし、本開示は以下の実施例に限定されるものではない。

【0055】

［実施例１］
（回路基板の作製）
セラミックス板として窒化アルミニウム（ＡＩＮ）製の基板（サイズ：縦×横×厚み＝６０ｍｍ×５０ｍｍ×０．６３５ｍｍ、三点曲げ強度：５００ＭＰａ、熱伝導率：１５０Ｗ／ｍＫ、純度：９５％以上）を準備した。

【0056】

基板の主面の一部を鉄製のマスク材でマスキングした。粉体スプレー装置によって、アルミニウム粒子（高純度化学研究所社製のガスアトマイズ粉、メジアン径：２４μｍ）を、マスキングした主面に吹き付けて、アルミニウム膜（第１前駆体膜）を形成した。アルミニウム膜の成膜条件は、作動ガスとして窒素ガスを用い、作動ガスの加熱温度を２０℃、スプレーガンのノズル入口における作動ガスの圧力を１．５ＭＰａとした。

【0057】

形成されたアルミニウム膜に、窒素雰囲気下、５００℃で３時間保持する加熱処理を施し、０．２ｍｍの厚さを有するアルミニウム製の金属層を得た。

【0058】

次に、金属層の一部を鉄製のマスク材でマスキングした。粉体スプレー装置によって、銅粒子（福田金属箔粉工業株式会社製、水アトマイズ粉、メジアン径：１７μｍ）を金属層の表面に吹き付けて、金属層の表面上に銅膜（第２前駆体膜）を成膜した。銅膜の成膜条件は、作動ガスとして窒素ガスを用い、作動ガスの加熱温度を３５０℃、スプレーガンのノズル入口における作動ガスの圧力を３ＭＰａとした。

【0059】

形成された銅膜に、窒素雰囲気下、２８０℃で１０分間保持する加熱処理を施し、０．４ｍｍの厚さを有する銅製の溶射層を得た。溶射層は、金属層よりも縦及び横の長さが約５０μｍ小さくなるように形成した。

【0060】

セラミックス板の両方の主面において、上述の手順で金属層及び溶射層を順次形成し、セラミックス板の両方の主面上に、セラミックス板側から、金属層及び溶射層を有する導体部を備える実施例１の回路基板を得た。

【0061】

（回路基板の評価）
＜ＳＥＭ観察による評価＞
回路基板を金属層及び溶射層の積層方向に沿ってダイヤモンドカッターを用いて切断し、ダイヤモンド砥粒で研磨してＳＥＭ観察用の切断面とした。切断面をＳＥＭで観察し、金属層と溶射層の間における金属間化合物の形態を確認した。結果は表１に示すとおりであった。図５は、実施例１の回路基板の切断面を示すＳＥＭ写真である。

【0062】

図５のようなＳＥＭ写真（倍率：３０００倍）を互いに異なる５箇所の位置で撮影した。これらのＳＥＭ写真において、溶射層の金属層側の境界線Ｌに沿う金属間化合物の長さの最大値を求めた。また、各ＳＥＭ写真において、溶射層の金属層側の境界線Ｌの長さ（Ｌ０）と、境界線Ｌに沿う金属間化合物の長さの合計値（Ｌ１）を、紐を用いて測定した。それぞれの写真において、（Ｌ１／Ｌ０）×１００の計算を行い、この計算値の平均値を被覆率として求めた。結果は表１に示すとおりであった。

【0063】

＜導電率の測定＞
渦電流法によって導体部の導電率測定を行った。測定は、デジタル導電率計（ＧＥセンシング＆インスペクション・テクノロジーズ社製、商品名：ＡｕｔｏＳｉｇｍａ３０００）を用いて行った。結果は表１に示すとおりであった。

【0064】

＜ビッカース硬度の測定＞
溶射層の表面におけるビッカース硬度を測定した。測定は、ダイナミック超微小硬度計（株式会社島津製作所製、商品名：ＤＵＨ２１１）を用いて行った。結果は表１に示すとおりであった。

【0065】

＜ヒートサイクル試験＞
「１８０℃の環境に３０分放置した後に－４５℃の環境に３０分放置」を１サイクルとして、１０００サイクルのヒートサイクル試験を実施した。ヒートサイクル試験後、上述の「ＳＥＭ観察による評価」と同様にしてＳＥＭ観察を行い、金属層及び溶射層の剥離等の有無を検査した。ＳＥＭ観察の結果、剥離が検知されなかったものを「Ａ」、剥離が検知されたものを「Ｂ」と評価した。結果は表１に示すとおりであった。

【0066】

［実施例２］，［実施例３］、［比較例１］～［比較例３］
窒素雰囲気下における銅膜の加熱温度及び加熱時間を表１に示すとおりに変更したこと以外は、実施例１と同様にして回路基板を作製し、各評価を行った。各評価の結果は表１に示すとおりであった。

【0067】

［比較例４］
銅膜の加熱処理を行わなかったこと以外は、実施例１と同様にして回路基板を作製し、各評価を行った。各評価の結果は表１に示すとおりであった。

【0068】

図６は、実施例３の回路基板の切断面を示すＳＥＭ写真である。図７は、比較例１の回路基板の切断面を示すＳＥＭ写真である。図８は、比較例２の回路基板の切断面を示すＳＥＭ写真である。図９は、比較例３の回路基板の切断面を示すＳＥＭ写真である。図１０は比較例４の回路基板の切断面を示すＳＥＭ写真である。各実施例の回路基板では、金属間化合物３０が、溶射層２２と金属層２１の間において点在していることが確認された。一方、比較例１～３の回路基板では、金属間化合物１３０が溶射層１２２と金属層１２１の間において点在しているとはいえず、層状になっていた。

【0069】

【表1】

【0070】

各実施例の回路基板の導体部は優れた導電性を有していた。また、ビッカース硬度の結果から、各実施例では溶射層の加工硬化が十分に緩和されていることが確認された。一方、金属間化合物が層状に形成されていた比較例１～３は、実施例１～３よりもヒートサイクルの耐久性に劣ることが確認された。また、金属層と溶射層との間に金属間化合物が点在していない比較例４の回路基板は導電性が低かった。

【産業上の利用可能性】

【0071】

本開示によれば、ヒートサイクルに対する耐久性に優れるとともに高い導電性を有する複合基板及び回路基板を提供することができる。

【符号の説明】

【0072】

１０…セラミックス板、１０Ａ…主面、２０…積層部、２０Ａ…導体部、２１…金属層、２１ａ…第１前駆体膜、２２…溶射層、３０…金属間化合物、４０…接触部、４２…介在部、５０…粉体スプレー装置、５１…ノズル、５１ａ…入口、５４…ガス供給部、５５ａ…第１圧力調節部、５５ｂ…第２圧力調節部、５５ｃ…第３圧力調節部、５６…ヒーター、５７…粒子供給部、１００…複合基板、２００…回路基板。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】