特許 7373038 接合基板

(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】2023-10-24

(45)【発行日】2023-11-01

(54)【発明の名称】接合基板

(51)【国際特許分類】

   H05K 1/02 20060101AFI20231025BHJP

   H05K 1/03 20060101ALI20231025BHJP

   H01L 23/13 20060101ALI20231025BHJP

   H01L 23/12 20060101ALI20231025BHJP

   H01L 23/15 20060101ALI20231025BHJP

   C04B 37/02 20060101ALI20231025BHJP

   H05K 3/38 20060101ALI20231025BHJP

【ＦＩ】

H05K1/02 J

H05K1/03 610D

H01L23/12 C

H01L23/12 Q

H01L23/14 C

C04B37/02 B

H05K3/38 B

H05K1/03 650

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2022135729

(22)【出願日】2022-08-29

(62)【分割の表示】P 2021513580の分割

【原出願日】2020-03-30

(65)【公開番号】P2022173209

(43)【公開日】2022-11-18

【審査請求日】2022-08-29

(31)【優先権主張番号】PCT/JP2019/015414

(32)【優先日】2019-04-09

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000004064

【氏名又は名称】日本碍子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088672

【弁理士】

【氏名又は名称】吉竹 英俊

(74)【代理人】

【識別番号】100088845

【弁理士】

【氏名又は名称】有田 貴弘

(74)【代理人】

【識別番号】100134991

【弁理士】

【氏名又は名称】中尾 和樹

(74)【代理人】

【識別番号】100148507

【弁理士】

【氏名又は名称】喜多 弘行

(72)【発明者】

【氏名】海老ヶ瀬 隆

(72)【発明者】

【氏名】増田 いづみ

(72)【発明者】

【氏名】賀來 健

【審査官】黒田 久美子

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－０３０６０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１８３３１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１１６８４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－２６８８２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１７４１６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１３／００２４０７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００１－３３９１５５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ０４Ｂ ３７／０２

Ｈ０５Ｋ １／０３

Ｈ０５Ｋ １／０２

Ｈ０１Ｌ ２３／１３

Ｈ０１Ｌ ２３／１２

Ｈ０１Ｌ ２３／１５

Ｈ０５Ｋ ３／３８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

窒化ケイ素セラミックス基板と、
前記窒化ケイ素セラミックス基板上に配置される接合層と、
前記窒化ケイ素セラミックス基板上に配置され、第１の主面、第２の主面及び端面を有し、前記第２の主面が前記第１の主面がある側と反対の側にあり前記接合層により前記窒化ケイ素セラミックス基板に接合され、前記端面が前記第１の主面から前記第２の主面に至る銅板と、
を備え、
前記端面は、
第１の部分と、
前記第１の部分より前記第２の主面寄りにある第２の部分と、
前記第２の部分より前記第２の主面寄りにある第３の部分と、
を有し、
前記第１の部分及び前記第２の部分は、前記銅板の外部において１３５°以上１６５°以下の角度をなし、
前記銅板の厚さ方向についての前記第２の主面から前記第１の部分と前記第２の部分との交点までの距離は、１０μｍ以上１００μｍ以下であり、
前記第２の主面の、前記第１の部分の延長面を越えて広がる距離は、１０μｍ以上であり、
前記第２の部分及び前記第３の部分は、前記銅板の内部において１３５°以上１６５°以下の角度をなす、
ことを特徴とする接合基板。

【請求項2】

請求項１に記載の接合基板であって、
前記銅板は、
前記第２の主面から離れるにつれて銀濃度が低くなる銀濃度の分布を有してなり、
前記第２の部分および前記第３の部分を有する第１の厚さ方向領域と、
前記第１の部分を有し、前記第１の厚さ方向領域よりも銀濃度が低い第２の厚さ方向領域と、
を備えることを特徴とする接合基板。

【請求項3】

請求項１または請求項２に記載の接合基板であって、
前記接合層は、
前記窒化ケイ素セラミックス基板と前記銅板との間にある板間部と、
前記窒化ケイ素セラミックス基板と前記銅板との間からはみ出すはみ出し部と、
を備えることを特徴とする接合基板。

【請求項4】

請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の接合基板であって、
前記銅板は、０．５ｍｍ以上の厚さを有する、
ことを特徴とする接合基板。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、接合基板に関する。

【背景技術】

【0002】

窒化ケイ素セラミックスは、高い熱伝導性及び高い絶縁性を有する。このため、銅板が接合層を介して窒化ケイ素セラミックス基板に接合された接合基板は、パワー半導体素子が実装される絶縁放熱基板として好適に用いられる。

【0003】

当該接合基板は、多くの場合は、ろう材層が銅板と窒化ケイ素セラミックス基板との間にある中間品を作製し、作製した中間品を熱処理してろう材層を接合層に変化させ、銅板及び接合層をパターニングすることにより製造される。

【0004】

銅板の端部への応力の集中に起因する接合基板の不良を抑制するために、接合層に、窒化ケイ素セラミックス基板と銅板との間からはみ出すはみ出し部を形成することが提案されている。

【0005】

例えば、特許文献１に記載されたセラミックス回路基板においては、銅回路板が、ろう材層を介して窒化珪素から形成されたセラミックス基板の少なくとも一方の面に接合される（段落００１３及び００２０）。セラミックス回路基板は、銅回路板の側面から外側にはみ出したろう材はみ出し部を有する（段落００１３）。これにより、熱ストレスが緩和されるため、信頼性の高いセラミックス－金属接合回路基板を実現することができる（段落００１３）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特許第６２７１６２９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献１に記載されたセラミックス回路基板に代表される従来の接合基板においては、窒化ケイ素セラミックス基板と銅板との間からはみ出すはみ出し部を形成することにより、接合基板の冷熱サイクル耐久性を向上している。

【0008】

しかし、はみ出し部を形成することができない場合でも、接合基板の冷熱サイクル耐久性を向上することが期待される。また、はみ出し部を形成することができる場合でも、接合基板の冷熱サイクル耐久性をさらに向上することが期待される。

【0009】

本発明は、これらの問題に鑑みてなされた。本発明が解決しようとする課題は、銅板が接合層を介して窒化ケイ素セラミックス基板に接合された接合基板の冷熱サイクル耐久性を向上することである。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記課題を解決するため、本発明の第１の態様は接合基板であって、窒化ケイ素セラミックス基板と、前記窒化ケイ素セラミックス基板上に配置される接合層と、前記窒化ケイ素セラミックス基板上に配置され、第１の主面、第２の主面及び端面を有し、前記第２の主面が前記第１の主面がある側と反対の側にあり前記接合層により前記窒化ケイ素セラミックス基板に接合され、前記端面が前記第１の主面から前記第２の主面に至る銅板と、を備え、前記端面は、第１の部分と、前記第１の部分より前記第２の主面寄りにある第２の部分と、前記第２の部分より前記第２の主面寄りにある第３の部分と、を有し、前記第１の部分及び前記第２の部分は、前記銅板の外部において１３５°以上１６５°以下の角度をなし、前記銅板の厚さ方向についての前記第２の主面から前記第１の部分と前記第２の部分との交点までの距離は、１０μｍ以上１００μｍ以下であり、前記第２の主面の、前記第１の部分の延長面を越えて広がる距離は、１０μｍ以上であり、前記第２の部分及び前記第３の部分は、前記銅板の内部において１３５°以上１６５°以下の角度をなす、ことを特徴とする。

【0011】

本発明の第２の態様は、第１の態様に係る接合基板であって、前記銅板は、前記第２の主面から離れるにつれて銀濃度が低くなる銀濃度の分布を有してなり、前記第２の部分および前記第３の部分を有する第１の厚さ方向領域と、前記第１の部分を有し、前記第１の厚さ方向領域よりも銀濃度が低い第２の厚さ方向領域と、を備えることを特徴とする。

【0012】

本発明の第３の態様は、第１または第２の態様に係る接合基板であって、前記接合層は、前記窒化ケイ素セラミックス基板と前記銅板との間にある板間部と、前記窒化ケイ素セラミックス基板と前記銅板との間からはみ出すはみ出し部と、を備えることを特徴とする。

【0013】

本発明の第４の態様は、第１ないし第３の態様のいずれかに係る接合基板であって、前記銅板は、０．５ｍｍ以上の厚さを有する、ことを特徴とする。

【発明の効果】

【0014】

本発明の第１ないし第４の態様によれば、接合基板が冷熱サイクルに曝された場合に、第１の部分と第２の部分とがなす角、第２の部分と第３の部分とがなす角、及び第２の主面と第３の部分とがなす角の付近に分散して応力が発生する。このため、各々の角の付近に発生する応力が小さくなる。これにより、接合基板の冷熱サイクル耐久性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】接合基板を模式的に示す断面図である。

【図2】接合基板の一部を模式的に示す拡大断面図である。

【図3】接合基板の一部を模式的に示す拡大断面図である。

【図4】接合基板の製造の流れを示すフローチャートである。

【図5】接合基板の製造の途上で得られる中間品を模式的に示す断面図である。

【図6】接合基板の製造の途上で得られる中間品を模式的に示す断面図である。

【図7】接合基板の製造の途上で得られる中間品を模式的に示す断面図である。

【図8】接合基板の製造における接合層及び銅板のパターニングの流れを示すフローチャートである。

【図9】接合基板の製造における接合層及び銅板のパターニングの途上で得られる中間品を模式的に示す断面図である。

【図10】接合基板の製造における接合層及び銅板のパターニングの途上で得られる中間品を模式的に示す断面図である。

【図11】実施例３において製造した接合基板の断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す図である。

【図12】実施例４において製造した接合基板の断面のＳＥＭ画像を示す図である。

【図13】実施例１５において製造した接合基板の断面のＳＥＭ画像を示す図である。

【図14】実施例１６において製造した接合基板の断面のＳＥＭ画像を示す図である。

【図15】比較例２において製造した接合基板の断面のＳＥＭ画像を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

１ 接合基板
図１は、本実施形態に係る接合基板１００を模式的に示す断面図である。図２及び図３は、接合基板１００の一部を模式的に図示する拡大断面図である。図２及び図３は、図１の一部Ａの拡大図である。

【0017】

接合基板１００は、図１に図示されるように、窒化ケイ素セラミックス基板１１０、接合層１２１、銅板１３１、接合層１２２及び銅板１３２を備える。接合基板１００がこれらの要素以外の要素を備えてもよい。接合層１２１及び銅板１３１の組、並びに接合層１２２及び銅板１３２の組の片方の組が省略されてもよい。

【0018】

接合層１２１及び銅板１３１は、窒化ケイ素セラミックス基板１１０の主面１１０１上に配置される。接合層１２２及び銅板１３２は、窒化ケイ素セラミックス基板１１０の主面１１０２上に配置される。

【0019】

銅板１３１及び１３２は、それぞれ接合層１２１及び１２２により窒化ケイ素セラミックス基板１１０に接合されている。銅板１３１及び１３２は、それぞれ接合層１２１及び１２２により窒化ケイ素セラミックス基板１１０の主面１１０１及び１１０２に活性金属ろう付け法によりろう付けされている。

【0020】

接合基板１００は、どのように用いられてもよいが、例えばパワー半導体素子が実装される絶縁放熱基板として用いられる。

【0021】

以下では、銅板１３１及び１３２の各々を銅板１３０と称し、銅板１３０を窒化ケイ素セラミックス基板１１０に接合する接合層１２１及び１２２の各々を接合層１２０と称する。

【0022】

２ 銅板の端面のコブによる銅板の端部への応力の集中の緩和
銅板１３０は、図１に図示されるように、第１の主面１３０１、第２の主面１３０２及び端面１３０３を有する。第２の主面１３０２は、第１の主面１３０１がある側とは反対の側にあり、接合層１２０により窒化ケイ素セラミックス基板１１０に接合される。端面１３０３は、第１の主面１３０１から第２の主面１３０２に至る。

【0023】

端面１３０３は、図２又は図３に図示されるコブ１４００を有する。

【0024】

端面１３０３が図２に図示されるコブ１４００を有する場合は、端面１３０３は、第１の部分１４１１及び第２の部分１４１２を有する。第２の部分１４１２は、第１の部分１４１１より第２の主面１３０２寄りにある。第１の部分１４１１及び第２の部分１４１２の各々は、略平坦である。

【0025】

第１の部分１４１１及び第２の部分１４１２は、銅板１３０の外部において１３５°以上１６５°以下の角度θ１をなす。第１の部分１４１１の延長面１４１４及び第２の主面１３０２は、第２の部分１４１２が配置される側において１１０°以上１４５°以下の角度θ３をなす。第１の部分１４１１と第２の部分１４１２との交点１４２１は、望ましくは、銅板１３０の厚さ方向に１０μｍ以上１００μｍ以下の距離Ｌ１だけ第２の主面１３０２から離れており、さらに望ましくは、銅板１３０の厚さ方向に１０μｍ以上６０μｍ以下の距離Ｌ１だけ第２の主面１３０２から離れている。第２の主面１３０２は、第１の部分１４１１の延長面１４１４を１０μｍ以上の距離Ｌ２だけ越えて広がる。延長面１４１４は、第１の部分１４１１の最も第２の主面１３０２寄りの位置における第１の部分１４１１の法線方向と同じ法線方向を有する。

【0026】

銅板１３０は、第１の部分１４１１と第２の部分１４１２とがなす角１４２１、及び第２の主面１３０２と第２の部分１４１２とがなす角１４２３を有する。このため、接合基板１００が冷熱サイクルに曝された場合に発生する応力は、角１４２１及び１４２３の付近に分散する。係る場合に角１４２１及び１４２３の各々の付近に発生する応力は小さいので、結果として、接合基板１００の冷熱サイクル耐久性が向上する。

【0027】

角度θ１が１３５°より小さい場合は、角１４２１の付近に応力が集中しすぎ、接合基板１００の冷熱サイクル耐久性を向上する効果を得ることが困難になる傾向が現れる。角度θ１が１６５°より大きい場合は、角１４２１の付近に応力が分散せず、接合基板１００の冷熱サイクル耐久性を向上する効果を得ることが困難になる傾向が現れる。角度θ３が１１０°より小さい場合は、コブ１４００に応力が集中し、接合基板１００の冷熱サイクル耐久性を向上する効果を得ることが困難になる傾向が現れる。角度θ３が１４５°より大きい場合は、コブ１４００に応力が分散せず、接合基板１００の冷熱サイクル耐久性を向上する効果を得ることが困難になる傾向が現れる。距離Ｌ１が１０μｍ以上１００μｍ以下である場合は、接合基板１００の冷熱サイクル耐久性をさらに向上することができ、距離Ｌ１が１０μｍ以上６０μｍ以下である場合は、接合基板１００の冷熱サイクル耐久性を特に向上することができる。距離Ｌ１がこれらの範囲より短い場合は、角１４２１及び１４２３が互いに接近し、応力が分散せず、接合基板１００の冷熱サイクル耐久性を向上する効果を得ることが困難になる傾向が現れる。距離Ｌ１がこれらの範囲より長い場合は、角１４２１の付近に応力が発生せず、接合基板１００の冷熱サイクル耐久性を向上する効果を得ることが困難になる傾向が現れる。距離Ｌ２が１０μｍより短い場合は、応力が分散せず、接合基板１００の冷熱サイクル耐久性を向上する効果を得ることが困難になる傾向が現れる。

【0028】

端面１３０３が図３に図示されるコブ１４００を有する場合は、端面１３０３は、第１の部分１４１１、第２の部分１４１２及び第３の部分１４１３を有する。第２の部分１４１２は、第１の部分１４１１より第２の主面１３０２寄りにある。第３の部分１４１３は、第２の部分１４１２より第２の主面１３０２寄りにある。第１の部分１４１１、第２の部分１４１２及び第３の部分１４１３の各々は、略平坦である。

【0029】

第１の部分１４１１及び第２の部分１４１２は、銅板１３０の外部において１３５°以上１６５°以下の角度θ１をなす。第２の部分１４１２及び第３の部分１４１３は、銅板１３０の内部において１３５°以上１６５°以下の角度θ２をなす。第１の部分１４１１の延長面１４１４及び第２の主面１３０２は、第２の部分１４１２が配置される側において１１０°以上１４５°以下の角度θ３をなす。第１の部分１４１１と第２の部分１４１２との交点１４２１は、望ましくは、銅板１３０の厚さ方向に１０μｍ以上１００μｍ以下の距離Ｌ１だけ第２の主面１３０２から離れており、さらに望ましくは、銅板１３０の厚さ方向に１０μｍ以上６０μｍ以下の距離Ｌ１だけ第２の主面１３０２から離れている。第２の主面１３０２は、第１の部分１４１１の延長面１４１４を１０μｍ以上の距離Ｌ２だけ越えて広がる。延長面１４１４は、第１の部分１４１１の最も第２の主面１３０２寄りの位置における第１の部分１４１１の法線方向と同じ法線方向を有する。

【0030】

銅板１３０は、第１の部分１４１１と第２の部分１４１２とがなす角１４２１、第２の部分１４１２と第３の部分１４１３とがなす角１４２２、及び第２の主面１３０２と第３の部分１４１３とがなす角１４２３を有する。接合基板１００が冷熱サイクルに曝された場合には、角１４２１、１４２２及び１４２３の付近に分散して応力が発生する。このため、角１４２１、１４２２及び１４２３の各々の付近に発生する応力が小さくなる。これにより、接合基板１００の冷熱サイクル耐久性が向上する。また、角１４２１及び１４２３に加えて角１４２２の付近にも応力が分散するため、角１４２１及び１４２３のみに応力が分散する場合と比較して、接合基板１００の冷熱サイクル耐久性がより向上する。

【0031】

角度θ１が１３５°より小さい場合は、角１４２１の付近に応力が集中しすぎ、接合基板１００の冷熱サイクル耐久性を向上する効果を得ることが困難になる傾向が現れる。角度θ１が１６５°より大きい場合は、角１４２１の付近に応力が分散せず、接合基板１００の冷熱サイクル耐久性を向上する効果を得ることが困難になる傾向が現れる。角度θ２についても、同様のことがいえる。角度θ３が１１０°より小さい場合は、コブ１４００に応力が集中し、接合基板１００の冷熱サイクル耐久性を向上する効果を得ることが困難になる傾向が現れる。角度θ３が１４５°より大きい場合は、コブ１４００に応力が分散せず、接合基板１００の冷熱サイクル耐久性を向上する効果を得ることが困難になる傾向が現れる。距離Ｌ１が１０μｍ以上１００μｍ以下である場合は、接合基板１００の冷熱サイクル耐久性をさらに向上することができ、距離Ｌ１が１０μｍ以上６０μｍ以下である場合は、接合基板１００の冷熱サイクル耐久性を特に向上することができる。距離Ｌ１がこれらの範囲より短い場合は、角１４２１、１４２２及び１４２３が互いに接近し、応力が広い範囲に分散せず、接合基板１００の冷熱サイクル耐久性を向上する効果を得ることが困難になる傾向が現れる。距離Ｌ１がこれらの範囲より長い場合は、角１４２１及び１４２２の付近に応力が分散せず、接合基板１００の冷熱サイクル耐久性を向上する効果を得ることが困難になる傾向が現れる。距離Ｌ２が１０μｍより短い場合は、応力が分散せず、接合基板１００の冷熱サイクル耐久性を向上する効果を得ることが困難になる傾向が現れる。

【0032】

３ 銀濃度の分布
銅板１３０は、第２の主面１３０２から離れるにつれて銀濃度が低くなる銀濃度の分布を有する。第２の主面１３０２から離れるにつれて銀濃度が低くなるのは、接合基板１００が製造される途上において接合層１２０の前駆体となるろう材層から銅板１３０に銀が拡散するためである。

【0033】

このため、銅板１３０は、図２及び図３に図示されるように、銀を含み第１の銀濃度を有する第１の厚さ方向領域１５１、及び第１の銀濃度より低い第２の銀濃度を有する第２の厚さ方向領域１５２を有する。第１の銀濃度よりも第２の銀濃度が低いことは、第２の厚さ方向領域１５２が銀を含まないこと、及び第１の銀濃度より小さい濃度で第２の厚さ方向領域１５２が銀を含むことのいずれも含むが、望ましくは前者である。

【0034】

端面１３０３が図２に図示されるコブ１４００を有する場合は、第１の厚さ方向領域１５１は、第２の部分１４１２を有する。端面１３０３が図３に図示されるコブ１４００を有する場合は、第１の厚さ方向領域１５１は、第２の部分１４１２及び第３の部分１４１３を有する。第２の厚さ方向領域１５２は、第１の部分１４１１を有する。

【0035】

銅板１３０に対するエッチング液によるエッチングに際し、第１の厚さ方向領域１５１が第１のエッチングレートにてエッチングされ、第２の厚さ方向領域１５２が第２のエッチングレートにてエッチングされるとした場合、第２のエッチングレートは、第１のエッチングレートより速い。これは、第２の銀濃度が第１の銀濃度より低いためである。

【0036】

端面１３０３のコブ１４００は、第２のエッチングレートが第１のエッチングレートより速いことを利用してエッチングにより形成される。端面１３０３のコブ１４００がエッチング以外により形成されてもよい。例えば、端面１３０３のコブ１４００が機械加工により形成されてもよい。

【0037】

４ 接合層のはみ出し部による銅板の端部への応力の集中の緩和
接合層１２０は、図１、図２及び図３に図示されるように、板間部１６０及びはみ出し部１６１を備える。板間部１６０は、窒化ケイ素セラミックス基板１１０と銅板１３０との間にある。はみ出し部１６１は、窒化ケイ素セラミックス基板１１０と銅板１３０との間からはみ出す。接合基板１００においては、銅板１３０の端部への応力の集中が、はみ出し部１６１により緩和される。これにより、銅板１３０の端部への応力の集中に起因する接合基板１００の不良を抑制することができる。

【0038】

接合層１２０は、望ましくは、０．１μｍ以上５μｍ以下の厚さを有し、さらに望ましくは、０．１μｍ以上３μｍ以下の厚さを有する。接合層１２０がこのようにわずかな厚さしか有しないことにより、銅板１３０の端部への応力の集中がはみ出し部１６１により効果的に緩和される。

【0039】

５ 銅板の厚さ
銅板１３０は、望ましくは、０．５ｍｍ以上の厚さを有する。銅板１３０が０．５ｍｍ以上の厚さを有する場合は、高い放熱性を有する接合基板１００を得ることができる。一方で、銅板１３０が０．５ｍｍ以上の厚さを有する場合は、銅板１３０に大きな応力が発生し、接合基板１００の冷熱サイクル耐久性が低下する傾向があらわれる。しかし、接合基板１００においては、上述した冷熱サイクル耐久性を向上させる効果により、銅板１３０が０．５ｍｍ以上の厚さを有する場合の冷熱サイクル耐久性の低下が補われる。

【0040】

６ 距離Ｌ２
距離Ｌ２は、望ましくは、１００μｍ以下であり、さらに望ましくは、６０μｍ以下であり、特に望ましくは、４０μｍ以下であり、最も望ましくは、３０μｍ以下である。距離Ｌ２がこれらの上限より長い場合は、隣接するふたつの銅板１３０が接近し、隣接するふたつの銅板１３０の間の絶縁性が低下する傾向が現れる。

【0041】

７ 接合基板の製造方法
図４は、接合基板１００の製造の流れを示すフローチャートである。図５、図６及び図７は、接合基板１００の製造の途上で得られる中間品を模式的に示す断面図である。

【0042】

接合基板１００の製造においては、図４に示される工程Ｓ１０１からＳ１０４までが順次に実行される。

【0043】

工程Ｓ１０１においては、図５に図示されるように、窒化ケイ素セラミックス基板１１０の主面１１０１及び１１０２上に、それぞれろう材層１７１及び１７２が形成される。接合基板１００から接合層１２１及び銅板１３１が省略される場合は、ろう材層１７１を形成することが省略される。接合基板１００から接合層１２２及び銅板１３２が省略される場合は、ろう材層１７２を形成することが省略される。

【0044】

ろう材層１７１及び１７２が形成される際には、活性金属ろう材及び溶剤を含むペーストが調製される。ペーストがバインダ、分散剤、消泡剤等をさらに含んでもよい。続いて、調製されたペーストが窒化ケイ素セラミックス基板１１０の主面１１０１及び１１０２上にスクリーン印刷され、窒化ケイ素セラミックス基板１１０の主面１１０１及び１１０２上にそれぞれ第１及び第２のスクリーン印刷膜が形成される。続いて、形成された第１及び第２のスクリーン印刷膜に含まれる溶剤が揮発させられる。これにより、第１及び第２のスクリーン印刷膜が、それぞれろう材層１７１及び１７２に変化する。ろう材層１７１及び１７２は、活性金属ろう材を含む。ろう材層１７１及び１７２がこの方法とは異なる方法により形成されてもよい。

【0045】

活性金属ろう材は、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）及びインジウム（Ｉｎ）を含む金属粉末、並びに水素化チタン粉末及び水素化ジルコニウム粉末からなる群より選択される少なくとも１種の水素化金属粉末を含む。活性金属ろう材の組成が変更されてもよい。例えば、銅及びインジウムの両方又は片方が金属粉末に含まれなくてもよく、銅及びインジウム以外の金属元素、例えばスズ（Ｓｎ）が金属粉末に含まれてもよい。

【0046】

活性金属ろう材は、望ましくは４０重量％以上８０重量％以下の銀を含む。係る場合、下述する工程Ｓ１０３において銀を銅板１３１Ａ及び１３２Ａに拡散させ接合層１２１Ｂ及び１２２Ｂが銀を含まないようにすることが容易になる。

【0047】

活性金属ろう材は、望ましくは０．１μｍ以上１０μｍ以下の平均粒子径を有する粉末からなる。平均粒子径は、市販のレーザー回折式の粒度分布測定装置により粒度分布を測定し、測定した粒度分布からＤ５０（メジアン径）を算出することにより得ることができる。活性金属ろう材がこのように小さい平均粒子径を有する粉末からなることにより、ろう材層１７１及び１７２を薄くすることができる。

【0048】

ろう材層１７１及び１７２は、望ましくは、０．１μｍ以上１０μｍ以下の厚さを有し、さらに望ましくは、０．１μｍ以上５μｍ以下の厚さを有する。ろう材層１７１及び１７２がこのようにわずかな厚さしか有しないことにより、ろう材層１７１及び１７２に含まれる銀が少なくなり、下述する工程Ｓ１０３において銀を銅板１３１Ａ及び１３２Ａに拡散させ接合層１２１Ｂ及び１２２Ｂが銀を含まないようにすることが容易になる。

【0049】

工程Ｓ１０２においては、図６に図示されるように、形成されたろう材層１７１及び１７２上にそれぞれ銅板１３１Ａ及び１３２Ａが配置される。これにより、窒化ケイ素セラミックス基板１１０、ろう材層１７１、銅板１３１Ａ、ろう材層１７２及び銅板１３２Ａを備える中間品１００Ａが得られる。接合基板１００から接合層１２１及び銅板１３１が省略される場合は、銅板１３１Ａを配置することが省略される。接合基板１００から接合層１２２及び銅板１３２が省略される場合は、銅板１３２Ａを配置することが省略される。

【0050】

工程Ｓ１０３においては、得られた中間品１００Ａに対して熱処理が行われる。これにより、ろう材層１７１及び１７２が、図７に図示されるように、それぞれ接合層１２１Ｂ及び１２２Ｂに変化し、窒化ケイ素セラミックス基板１１０、接合層１２１Ｂ、銅板１３１Ａ、接合層１２２Ｂ及び銅板１３２Ａを備える中間品１００Ｂが得られる。接合層１２１Ｂ及び１２２Ｂは、それぞれ銅板１３１Ａ及び１３２Ａを窒化ケイ素セラミックス基板１１０に接合する。ろう材層１７１及び１７２に含まれる銀及びインジウムは、ろう材層１７１及び１７２がそれぞれ接合層１２１Ｂ及び１２２Ｂに変化する過程でそれぞれ銅板１３１Ａ及び１３２Ａに拡散する。これにより、最終的に得られる接合層１２１Ｂ及び１２２Ｂは銀及びインジウムを含まなくなる。すなわち、熱処理後に得られる中間品１００Ｂの接合層１２１Ｂ及び１２２Ｂは、チタン及びジルコニウムからなる群（第１の群）より選択される少なくとも１種の元素と窒素及びケイ素からなる群（第２の群）より選択される少なくとも１種の元素との化合物を含むが、銀及びインジウムを含まない。第２の群より選択される少なくとも１種の元素は、窒化ケイ素セラミックス基板１１０から供給される。また、銅板１３１Ａ及び１３２Ａの各々には、銀を含み第１の銀濃度を有する第１の厚さ方向領域１５１、及び第１の銀濃度より低い第２の銀濃度を有する第２の厚さ方向領域１５２が形成される。

【0051】

中間品１００Ａに対して熱処理が行われる場合は、望ましくは、中間品１００Ａに対してホットプレスが行われる。中間品１００Ａに対してホットプレスが行われる場合は、望ましくは、中間品１００Ａが、真空中又は不活性ガス中で、最高面圧が５ＭＰａ以上２５ＭＰａ以下となる面圧プロファイルにしたがって窒化ケイ素セラミックス基板１１０の厚さ方向に加圧され、最高温度が８００℃以上９００℃以下となる温度プロファイルにしたがって加熱される。係る場合、ろう材層１７１及び１７２の厚さが０．１μｍ以上５μｍ以下と小さい場合においても、ボイドの形成なしに銅板１３１Ａ及び１３２Ａを窒化ケイ素セラミックス基板１１０に接合することができる。また、当該範囲のようなボイドが形成されない範囲でろう材層１７１及び１７２を薄くすることによってろう材層１７１及び１７２に含まれる銀を少なくした場合には、熱処理によって銀を銅板１３１Ａ及び１３２Ａに拡散させ、接合層１２１Ｂ及び１２２Ｂが銀を含まないようにすることが容易になる。また、活性金属ろう材を構成する粒子の形状が層状に変化すること、並びに銅板１３１Ａ及び１３２Ａに銀等が拡散することにより、接合層１２１Ｂ及び１２２Ｂが実質的に０．１μｍ以上５μｍ以下の厚さを有するようになる。

【0052】

工程Ｓ１０４においては、接合層１２１Ｂ、銅板１３１Ａ、接合層１２２Ｂ及び銅板１３２Ａがパターニングされる。これにより、接合層１２１Ｂ及び１２２Ｂが、それぞれ図１に図示されるパターニングされた接合層１２１及び１２２に変化する。また、銅板１３１Ａ及び１３２Ａが、それぞれ図１に図示されるパターニングされた銅板１３１及び１３２に変化する。

【0053】

８ 接合層及び銅板のパターニング
図８は、接合基板１００の製造における接合層及び銅板のパターニングの流れを示すフローチャートである。図９及び図１０は、接合基板１００の製造における接合層及び銅板のパターニングの途上で得られる中間品を模式的に示す断面図である。

【0054】

接合基板１００の製造における接合層１２１Ｂ、銅板１３１Ａ、接合層１２２Ｂ及び銅板１３２Ａのパターニングにおいては、図８に図示される工程Ｓ１１１からＳ１１３までが順次に実行される。

【0055】

工程Ｓ１１１においては、銅板１３１Ａ及び１３２Ａがハードエッチングされる。これにより、銅板１３１Ａ及び１３２Ａの一部が除去されることで、銅板１３１Ａ及び１３２Ａが、図９に図示される銅板１３１Ｃ及び１３２Ｃ（エッチング済み銅板１３１Ｃ及び１３２Ｃ）に変化する。これに伴い、接合層１２１Ｂが、窒化ケイ素セラミックス基板１１０とエッチング済み銅板１３１Ｃとの間にある第１の部分１８１と、窒化ケイ素セラミックス基板１１０とエッチング済み銅板１３１Ｃとの間以外にある第２の部分１９１とを、有するようになる。また、接合層１２２Ｂが、窒化ケイ素セラミックス基板１１０とエッチング済み銅板１３２Ｃとの間にある第１の部分１８２と、窒化ケイ素セラミックス基板１１０とエッチングされた銅板１３２Ｃとの間以外にある第２の部分１９２とを、有するようになる。銅板１３１Ａ及び１３２Ａのハードエッチングには、塩化鉄水溶液系、塩化銅水溶液系等のエッチング液を用いることができる。

【0056】

工程Ｓ１１２においては、接合層１２１Ｂおよび１２２Ｂの第２の部分１９１及び１９２がエッチングされる。これにより、図１０に図示されるように、第２の部分１９１及び１９２が除去され、第１の部分１８１及び１８２が残る。残った第１の部分１８１及び１８２がそれぞれ、図１に示す接合基板１００における接合層１２１及び１２２に該当する。これにより、窒化ケイ素セラミックス基板１１０、接合層１２１、銅板１３１Ｃ、接合層１２２及び銅板１３２Ｃを備える中間品１００Ｃが得られる。第２の部分１９１及び１９２のエッチングには、フッ化アンモニウム水溶液系等のエッチング液を用いることができる。工程Ｓ１１２において、第１の部分１８１及び１８２の両端部がエッチングにより除去される場合もある。

【0057】

工程Ｓ１１３においては、エッチング済み銅板１３１Ｃ及び１３２Ｃがさらにソフトエッチングされる。これにより、エッチング済み銅板１３１Ｃ及び１３２Ｃの端部が除去されることで、エッチング済み銅板１３１Ｃ及び１３２Ｃが、それぞれ図１に図示されるパターニングされた銅板（パターニング済み銅板）１３１及び１３２に変化する。また、接合層１２１及び１２２の各々に、図１に図示される板間部１６０及びはみ出し部１６１が形成される。エッチング済み銅板１３１Ｃ及び１３２Ｃのソフトエッチングには、塩化鉄水溶液系、塩化銅水溶液系等のエッチング液を用いることができる。工程Ｓ１１３により、工程Ｓ１１２において第１の部分１８１及び１８２の両端部がエッチングにより除去された場合であっても、はみ出し部１６１を確実に形成することができる。

【0058】

銅板１３１Ｃ及び１３２Ｃに含まれる各銅板１３０Ｃがソフトエッチングされる際には、第１の銀濃度を有する第１の厚さ方向領域１５１が第１のエッチングレートでエッチングされる。また、第１の銀濃度より低い第２の銀濃度を有する第２の厚さ方向領域１５２が第１のエッチングレートより速い第２のエッチングレートでエッチングされる。これにより、端面１３０３のコブ１４００が形成される。

【0059】

９ 製造条件のコブへの影響
コブ１４００が形成されるか否か、及び形成されるコブ１４００の形状は、主に、銅板１３１Ａ及び１３２Ａに拡散する銀の量、及びソフトエッチングの過酷度に依存する。このため、接合基板１００が製造される際には、適切な形状を有するコブ１４００が形成されるように、銅板１３１Ａ及び１３２Ａに拡散する銀の量、及びソフトエッチングの過酷度の影響を考慮して、製造条件が決定される。すなわち、銅板１３１Ａ及び１３２Ａに拡散する銀の量が多くなるほど、銅板１３１Ａ及び１３２Ａに含まれる銀の濃度が高くなり、銅板１３１Ａ及び１３２Ａへの銀の拡散距離が長くなり、コブ１４００が形成されやすくなり、図３に図示される形状を有するコブ１４００が形成されやすくなることが考慮される。また、ソフトエッチングの過酷度が高くなるほど、コブ１４００が形成されやすくなり、図３に図示される形状を有するコブ１４００が形成されやすくなることが考慮される。

【0060】

銅板１３１Ａ及び１３２Ａに拡散する銀の量を多くすることは、ろう材層１７１及び１７２を厚くすること、活性金属ろう材に含まれる銀の濃度を高くすること、中間品１００Ａに対して熱処理が行われる際の温度を高くすること等により実現することができる。

【0061】

ソフトエッチングの過酷度を高くすることは、ソフトエッチングに用いられるエッチング液の温度を高くすること、ソフトエッチングに用いられるエッチング液に含まれる塩化鉄、塩化銅等の濃度を高くすること、ソフトエッチングに用いられるエッチング液に銅板１３１Ｃ及び１３２Ｃを接触させる時間を長くすること等により実現することができる。

【0062】

１０ 実施例
実施例１－２３においては、上述した接合基板１００の製造方法にしたがって接合基板１００を製造した。

【0063】

実施例１－２３においては、０．３２ｍｍの厚さを有する窒化ケイ素セラミックス基板１１０に０．８ｍｍの厚さを有する銅板１３１及び１３２を接合した。また、０．１μｍ以上５μｍ以下の厚さを有し、４０重量％以上８０重量％以下の銀、及び水素化チタンを含む活性金属ろう材を含むろう材層１７１及び１７２を形成した。また、中間品１００Ａに対してホットプレスを行った。その際には、真空中で、最高面圧が２０ＭＰａとなる面圧プロファイルにしたがって中間品１００Ａを加圧し、最高温度が８１５℃以上８４５℃以下となる温度プロファイルにしたがって中間品１００Ａを加熱した。また、約４５℃の温度を有するエッチング液を中間品１００Ｂに向かってスプレーすることによりハードエッチングを行った。また、約２０℃の温度を有する塩化鉄水溶液系のエッチング液に中間品１００Ｃを１．５分間以上５分間以下浸漬することによりソフトエッチングを行った。また、距離Ｌ１を１００μｍ以下とした。

【0064】

比較例１においては、ソフトエッチングを行わなかった点を除いて実施例１－２３と同様に接合基板１００を製造した。

【0065】

比較例２－４においては、０．１μｍ以上１μｍ以下の厚さを有し、４０重量％以下の銀、及び水素化チタンを含む活性金属ろう材を含むろう材層１７１及び１７２を形成し、最高温度が８００℃以下となる温度プロファイルにしたがって中間品１００Ａを加熱し、塩化鉄水溶液系のエッチング液に中間品１００Ｃを０．５分間以上１分間以下浸漬することによりソフトエッチングを行った点を除いて実施例１－２３と同様に接合基板１００を製造した。

【0066】

比較例５においては、５μｍ以下の厚さを有し、６０重量％以上８０重量％以下の銀、及び水素化チタンを含む活性金属ろう材を含むろう材層１７１及び１７２を形成し、最高温度が９００℃以上となる温度プロファイルにしたがって中間品１００Ａを加熱し、塩化鉄水溶液系のエッチング液に中間品１００Ｃを１．５分間浸漬することによりソフトエッチングを行った点を除いて実施例１－２３と同様に接合基板１００を製造した。

【0067】

比較例６－７においては、ろう材層１７１及び１７２上に配置される銅板１３１Ａ及び１３２Ａを、銅板の端面を切削加工することにより得られる、所定の形状のコブを有する銅板とした点、並びにハードエッチング及びソフトエッチングを行わなかった点を除いて実施例１－２３と同様に接合基板１００を製造した。比較例８においては、エッチング液に中間品１００Ｃを０．５分間以下浸漬することによりソフトエッチングを行った点を除いて実施例１－２３と同様に接合基板１００を製造した。

【0068】

製造した接合基板１００を加工して接合基板１００の断面を露出させ、露出させた断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察してＳＥＭ画像を得た。また、得たＳＥＭ画像から角度θ１、角度θ２、角度θ３及び距離Ｌ２を特定した。その結果を表１及び表２に示す。

【0069】

また、製造した接合基板１００の第１の冷熱サイクル耐久性を評価した。第１の冷熱サイクル耐久性を評価するにあたっては、接合基板１００を３０００サイクルの冷熱サイクルに晒した。各サイクルにおいては、接合基板１００を－４０℃の低温及び１５０℃の高温に順次晒した。その結果を表１及び表２に示す。

【0070】

また、製造した接合基板１００の第２の冷熱サイクル耐久性を評価した。第２の冷熱サイクル耐久性を評価するにあたっては、接合基板１００を３０００サイクルの冷熱サイクルに晒した。各サイクルにおいては、接合基板１００を－５５℃の低温及び１７５℃の高温に順次晒した。その結果を表１及び表２に示す。

【0071】

表１及び表２に示された「ＯＫ」は、接合基板１００を３０００サイクルの冷熱サイクルに晒した後に、銅板１３１及び１３２が窒化ケイ素セラミックス基板１１０から剥離しておらず窒化ケイ素セラミックス基板１１０にクラックが発生していないことを超音波探傷試験により確認することができたことを示す。表１及び表２に示された「ＮＧ」は、そうでないことを示す。

【0072】

また、実施例３、実施例４、実施例１５、実施例１６及び比較例２において製造した接合基板１００の断面のＳＥＭ画像をそれぞれ図１１、図１２、図１３、図１４及び図１５に示す。実施例３、実施例４、実施例１５、実施例１６及び比較例２においては、それぞれ、距離Ｌ１は、４０μｍ（図１１）、３０μｍ（図１２）、５０μｍ（図１３）、４１μｍ（図１４）、４９μｍ（図１５）であった。

【0073】

【表1】

【0074】

【表2】

【0075】

表１からは、コブ１４００が図２に図示される形状を有し、角度θ１が１３５°以上１６５°以下であり、角度θ３が１１０°以上１４５°以下であり、距離Ｌ２が１０μｍ以上である実施例１－２及び１８－２１においては、第１の冷熱サイクル耐久性が「ＯＫ」であるが第２の冷熱サイクル耐久性が「ＮＧ」であることを理解することができる。

【0076】

また、表１及びＳＥＭ画像からは、コブ１４００が図３に図示される形状を有し、角度θ１及びθ２が１３５°以上１６５°以下であり、角度θ３が１１０°以上１４５°以下であり、距離Ｌ２が１０μｍ以上である実施例３－１６及び２２－２３においては、第１の冷熱サイクル耐久性及び第２の冷熱サイクル耐久性のいずれも「ＯＫ」であることを理解することができる。

【0077】

また、表１及びＳＥＭ画像からは、コブ１４００が図２又は図３に図示される形状を有しない比較例１においては、第１の冷熱サイクル耐久性及び第２の冷熱サイクル耐久性のいずれも「ＮＧ」であることを理解することができる。

【0078】

また、表１及びＳＥＭ画像からは、コブ１４００が図３に図示される形状を有し、角度θ１及びθ２が１３５°以上１６５°以下であるが、距離Ｌ２が１０μｍより短い比較例２においては、第１の冷熱サイクル耐久性及び第２の冷熱サイクル耐久性のいずれも「ＮＧ」であることを理解することができる。

【0079】

また、表１及びＳＥＭ画像からは、コブ１４００が図３に図示される形状を有するが、角度θ１及びθ２が１６５°より大きく、距離Ｌ２が１０μｍより短い比較例３においては、第１の冷熱サイクル耐久性及び第２の冷熱サイクル耐久性のいずれも「ＮＧ」であることを理解することができる。

【0080】

また、表１及びＳＥＭ画像からは、コブ１４００が図３に図示される形状を有し、距離Ｌ２が１０μｍ以上であるが、角度θ１及びθ２が１６５°より大きい比較例４においては、第１の冷熱サイクル耐久性及び第２の冷熱サイクル耐久性のいずれも「ＮＧ」であることを理解することができる。

【0081】

また、表１及びＳＥＭ画像からは、コブ１４００が図３に図示される形状を有するが、角度θ１及びθ２が１３５°より小さく、距離Ｌ２が１０μｍより短い比較例５においては、第１の冷熱サイクル耐久性及び第２の冷熱サイクル耐久性のいずれも「ＮＧ」であることを理解することができる。

【0082】

また、表１からは、コブ１４００が図２に図示される形状を有し、角度θ１が１３５°以上１６５°以下であり、距離Ｌ２が１０μｍ以上であるが、角度θ３が１１０°より小さい比較例６においては、第１の冷熱サイクル耐久性及び第２の冷熱サイクル耐久性のいずれも「ＮＧ」であることを理解することができる。

【0083】

また、表１からは、コブ１４００が図２に図示される形状を有し、距離Ｌ２が１０μｍ以上であるが、角度θ１が１３５°より小さく、角度θ３が１１０°より小さい比較例７においては、第１の冷熱サイクル耐久性及び第２の冷熱サイクル耐久性のいずれも「ＮＧ」であることを理解することができる。

【0084】

また、表１からは、コブ１４００が図２に図示される形状を有し、距離Ｌ２が１０μｍ以上であるが、角度θ１が１６５°より大きく、角度θ３が１４５°より大きい比較例８においては、第１の冷熱サイクル耐久性及び第２の冷熱サイクル耐久性のいずれも「ＮＧ」であることを理解することができる。

【0085】

この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。

【符号の説明】

【0086】

１００ 接合基板
１１０ 窒化ケイ素セラミックス基板
１２１，１２２ 接合層
１３１，１３２ 銅板
１３０１ 第１の主面
１３０２ 第２の主面
１３０３ 端面
１４１１ 第１の部分
１４１２ 第２の部分
１４１３ 第３の部分

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】