JP5129189B2 - 金属セラミックス接合基板及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属セラミックス接合基板及びその製造方法等に関し、より詳細には、銅板表面にムラが発生することを防止できる金属セラミックス接合基板及びその製造方法等に関し、またメッキ表面に白濁が生じる外観不良の発生を防止できる金属セラミックス接合基板等に関する。

従来の金属セラミックス接合基板の製造方法について説明する。
まず、金属成分がＡｇとＣｕ、Ｔｉからなる金属粉を秤量し、この金属粉に約１０％のアクリル系のビヒクルを加え、自動乳鉢や３本ロールミルなどにより通常の方法で混錬し、ペースト状のろう材を作製する。

次に、このろう材をセラミックス基板の両面にスクリーン印刷により塗布し、その両側に銅板を配置し、真空炉中で接合する。

次いで、セラミックス基板を真空炉中から取り出し、接合された銅板表面の両面に所望の回路パターン等のレジストを形成し、このレジストをマスクとして銅板の不要部分を除去することによりセラミックス基板上に回路パターンが形成される。その後、レジストをアルカリの薬液で除去する。

次に、回路パターンの表面にＮｉ-Ｐの無電解メッキを施す（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−１１０２２２号公報（段落００３３〜００３７）

ところで、上記従来の金属セラミックス接合基板の製造方法では、銅板表面又は銅板からなる回路パターン表面にムラが発生することがある。特に、Ｎｉ−Ｐメッキを施す製品の場合は、メッキ表面に白濁が生じる外観不良が発生することがある。

本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、銅板表面にムラが発生することを防止できる金属セラミックス接合基板及びその製造方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、メッキ表面に白濁が生じる外観不良の発生を防止できる金属セラミックス接合基板を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る金属セラミックス接合基板の製造方法は、セラミックス基板上にろう材を形成する工程と、
前記ろう材の上に、無酸素銅板表面のＸ線回折積分強度比Ｉ（２２０）／Ｉ（２００）が０．５以下である前記無酸素銅板を配置する工程と、
前記無酸素銅板、前記ろう材及び前記セラミックス基板を加熱することにより、前記セラミックス基板に前記無酸素銅板を接合する工程と、
を具備することを特徴とする。

上記金属セラミックス接合基板の製造方法によれば、セラミックス基板に接合する前の無酸素銅板の表面のＸ線回折積分強度比Ｉ（２２０）／Ｉ（２００）を０．５以下とすることにより、無酸素銅板の表面にムラが発生するのを防止できる。

また、本発明の一態様に係る金属セラミックス接合基板の製造方法において、前記無酸素銅板を配置する工程における前記無酸素銅板の表面の平均結晶粒径は１００μｍ以下であることが好ましい。

また、本発明の一態様に係る金属セラミックス接合基板の製造方法において、前記無酸素銅板を配置する工程における前記無酸素銅板は、
鋳造により無酸素銅の鋳片を形成する工程と、
前記鋳片に熱間圧延を施して銅板を形成する工程と、
前記銅板に冷間圧延を施す冷間圧延工程と、
前記銅板に焼鈍を施す焼鈍工程と、
を具備し、
前記冷間圧延工程と前記焼鈍工程は複数回繰り返され、最終の焼鈍工程の前に行われる冷間圧延工程の加工率は５０％以上とされ、最終の焼鈍工程によって前記無酸素銅板表面のＸ線回折積分強度比Ｉ（２２０）／Ｉ（２００）が０．５以下とされることが好ましい。

また、本発明の一態様に係る金属セラミックス接合基板の製造方法において、前記最終の焼鈍工程の後に、前記銅板に１５％以下の加工率で仕上冷間圧延を施す工程をさらに具備することが好ましい。

本発明の一態様に係る金属セラミックス接合基板は、セラミックス基板と、
前記セラミックス基板上にろう材によって接合された無酸素銅板表面のＸ線回折積分強度比Ｉ（２２０）／Ｉ（２００）が２以下である前記無酸素銅板と、
を具備することを特徴とする。

上記金属セラミックス接合基板によれば、セラミックス基板に接合した無酸素銅板の表面のＸ線回折積分強度比Ｉ（２２０）／Ｉ（２００）を２以下とすることにより、無酸素銅板の表面にムラが発生するのを防止できる。

本発明の一態様に係る金属セラミックス接合基板において、前記無酸素銅板の表面の平均結晶粒径は２００μｍ以下であることが好ましい。

また、本発明の一態様に係る金属セラミックス接合基板において、前記無酸素銅板は回路パターンを形成しており、前記回路パターンの表面にはメッキが施されていることも可能である。上記金属セラミックス接合基板によれば、セラミックス基板に接合した無酸素銅板の表面のＸ線回折積分強度比Ｉ（２２０）／Ｉ（２００）を２以下とすることにより、回路パターンの表面にムラが発生するのを防止できるとともに、メッキの表面に白濁が生じる外観不良の発生を防止することができる。

以上説明したように本発明によれば、銅板表面にムラが発生することを防止できる金属セラミックス接合基板及びその製造方法を提供することができる。また、本発明の他の目的によれば、メッキ表面に白濁が生じる外観不良の発生を防止できる金属セラミックス接合基板を提供することができる。

（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施形態による金属セラミックス接合基板の製造方法を説明するための断面図である。 （ａ），（ｂ）は、本発明の実施形態による金属セラミックス接合基板の製造方法を説明するための断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施形態による金属セラミックス接合基板の製造方法を説明するための断面図である。

以下、本発明の実施形態について図１〜図３を参照しつつ説明する。
まず、図１（ａ）に示すように、セラミックス基板１０を用意する。このセラミックス基板１０は、例えばＡｌＮ基板やＡｌ₂Ｏ₃基板、Ｓｉ_３Ｎ_４基板などを用いることができる。

次いで、図１（ｂ）に示すように、セラミックス基板１０の両面にペースト状のろう材１２をスクリーン印刷により塗布する。このろう材１２の作製方法の一例は次のとおりである。金属成分が５〜３０ｍａｓｓ％Ｃｕ−１〜５ｍａｓｓ％Ｔｉ−残部Ａｇになるように金属粉を秤量し、この金属粉に約１０％のアクリル系のバインダと溶剤を含むビヒクルを加え、自動乳鉢や３本ロールミルなどにより混錬して、ペースト状のろう材１２を作製する。

次に、図１（ｃ）に示すように、セラミックス基板１０の両面のろう材１２上に無酸素銅板１４を配置する。この無酸素銅板１４の表面をＸ線回折装置で分析したときのＸ線回折積分強度比はＩ（２２０）／Ｉ（２００）≦０．５である。この無酸素銅板１４の表面の平均結晶粒径は１００μｍ以下であることが好ましい。

ここで、無酸素銅板１４の製造工程について説明する。
鋳造により無酸素銅の鋳片を形成し、この鋳片に熱間圧延を施して銅板を形成し、この銅板の表面に研削加工を施す。

次いで、銅板に冷間圧延を施し、熱処理（焼鈍）を施す。この冷間圧延と熱処理（焼鈍）の工程は、銅板を所望の厚さとするために、所定回数繰り返される。この際の最終の熱処理（焼鈍）の前に行われる冷間圧延の加工率を５０％以上とし、次に例えば焼鈍炉において４００〜７００℃の温度で所定時間（例えば１０秒〜１０時間）、最終の熱処理（再結晶を伴う焼鈍）を銅板に行うことで再結晶させることにより、無酸素銅板表面のＸ線回折積分強度比をＩ（２２０）／Ｉ（２００）≦０．５とするとともに、表面の平均結晶粒径を１００μｍ以下に調整する。このように焼鈍温度と焼鈍時間の制御によって最終の焼鈍後にＸ線回折積分強度比及び平均結晶粒径を調整することができる。つまり、焼鈍時間が短すぎるとＸ線回折積分強度比Ｉ（２２０）／Ｉ（２００）が０．５を超えてしまい、焼鈍時間が長すぎると平均結晶粒径が１００μｍを超えてしまうけれど、焼鈍時間を適切に制御することで、上記のＸ線回折積分強度比及び平均結晶粒径を得ることができる。また、Ｘ線回折積分強度比がＩ（２２０）／Ｉ（２００）≦０．４５、平均結晶粒径は５０μｍ以下であることがより好ましい。

次いで、この銅板に１５％以下、好ましくは１０％以下の加工率で最終の仕上冷間圧延を施すことが好ましい。このように最終の仕上冷間圧延の加工率は小さくすることが好ましい。最終の仕上冷間圧延の加工率が大きいとＩ（２２０）が増加し、Ｉ（２２０）／Ｉ（２００）≦０．５を満たさなくなることがあるからである。また、本発明の最終の仕上げ冷間圧延の前後で、前記平均結晶粒径に変化は認められなかった。
またこのようにして得られた無酸素銅板の表面（圧延面）のＸ線回折積分強度比がＩ（２２０）／Ｉ（２００）≦０．４５、表面（圧延面）の平均結晶粒径は５０μｍ以下であることがより好ましい。

ただし、上記の無酸素銅板１４の製造工程の途中で、酸洗、脱脂、バフ研磨等の表面処理を適宜行い、銅板の表面粗さの調整や油や汚れの除去等が実施される。

このようにして製造された無酸素銅板１４を前述したようにセラミックス基板１の両面のろう材２上に配置した後、セラミックス基板１を真空炉（図示せず）に挿入し、この真空炉によって例えば７８０℃〜９００℃（好ましくは８３０〜８７０℃）の温度で５分から１時間程度加熱することにより、セラミックス基板１０の両面には無酸素銅板１４が接合される。この接合後の無酸素銅板１４は、その表面のＸ線回折積分強度比がＩ（２２０）／Ｉ（２００）≦２となり、その表面の平均結晶粒径が２００μｍ以下となる。ただし、前記真空炉によって加熱する温度が高すぎたり、加熱する時間が長すぎると、前記平均結晶粒径が２００μｍを超えることがあり好ましくない。また、Ｘ線回折積分強度比がＩ（２２０）／Ｉ（２００）≦１であることがより好ましい。

その後、セラミックス基板１０を真空炉中から取り出し、図２（ａ）に示すように、無酸素銅板１４の両面に所望の回路パターン等の形状のＵＶ硬化アルカリ剥離型レジストを約１０〜１５μｍの厚さに塗布し、ＵＶによって露光することにより所望の回路パターン等の形状のレジスト１６を形成する。

次に、図２（ｂ）に示すように、このレジスト１６をマスクとして例えば塩化銅と塩酸と過酸化水素水からなるエッチング液により無酸素銅板１４の不要部分を除去することにより、セラミックス基板１０の両面には無酸素銅板からなる回路パターン１４が形成される。

次いで、図３（ａ）に示すように、回路パターン間や基板縁面の不要なろう材を除去する。詳細には、例えば、チオ硫酸ナトリウム水溶液に浸漬した後、ＥＤＴＡ及び過酸化水素水及びアンモニア水を含む混合溶液に浸漬してろう材１２を除去する。

その後、図３（ｂ）に示すように、レジスト１６をアルカリの薬液で剥離する。この際、無酸素銅板からなる回路パターン１４の表面にムラが発生することを防止できる。

次に、図３（ｃ）に示すように、回路パターン１４及びろう材１２の表面にＮｉ-Ｐの無電解メッキ１８を施す。

上記実施形態によれば、セラミックス基板１０に接合する前の無酸素銅板１４の表面のＸ線回折積分強度比をＩ（２２０）／Ｉ（２００）≦０．５とすることにより、セラミックス基板１０に接合した後の無酸素銅板１４の表面のＸ線回折積分強度比をＩ（２２０）／Ｉ（２００）≦２とすることができる。これにより、回路パターン１４の表面にムラが発生するのを防止できるとともに、無電解メッキ１８の表面に白濁が生じる外観不良の発生を防止することができる。
さらに、セラミックス基板１０に接合する前の無酸素銅板１４の表面の平均結晶粒径を１００μｍ以下とすることで、セラミックス基板１０に接合した後の無酸素銅板１４の表面の平均結晶粒径を２００μｍ以下とすることができ、外観不良の発生の防止に寄与すると考えられる。

以下、本発明の実施例について説明する。
表２に示す実施例１〜５のサンプルを下記の方法で作製する。

まず、無酸素銅板を用意する。この無酸素銅板の製造方法は、表１の製造条件を用いた。詳細な製造方法は次のとおりである。

溶解した銅を連続鋳造機で板厚１８０ｍｍ、２．５トンのインゴットを鋳造した。次いで、熱間圧延機で板厚１８０ｍｍから１１ｍｍまで圧延後、水冷ゾーンにて冷却し、表裏厚さ０．５ｍｍずつ研削した。次いで、冷間圧延機で板厚１０ｍｍから２ｍｍまで圧延した後、バッチ式炉で４５０℃、６時間熱処理を施し、得られたコイルの表面について酸洗・バフ処理を施した。次いで、冷間圧延機で板厚２ｍｍから０．８ｍｍまで圧延した後、連続焼鈍炉で７２０℃、３分の条件で熱処理を施した。

次いで、表１の製造条件を用い、冷間圧延、熱処理、仕上げ冷間圧延を施す。その後、脱脂処理を施して無酸素銅板を得た。
実施例１について詳細に説明すると、冷間圧延機で板厚０．８ｍｍから０．２８５ｍｍまで最終の熱処理の前の冷間圧延した後、連続焼鈍炉で７００℃、０．７５分の条件で最終の熱処理を施した。次いで、冷間圧延機で板厚０．２８５ｍｍから０．２５５ｍｍまで（加工率１０．５％）仕上げ冷間圧延を施した後、脱脂処理を施して無酸素銅板を得た。また、実施例２〜５の冷間圧延、熱処理、仕上げ冷間圧延についての詳細な条件は表１に示すとおりである。

次に、この無酸素銅板を板からセラミックス基板の大きさに合わせて切断する。また、無酸素銅板の表面（圧延面）のＸ線回折結果及びＸ線回折積分強度比は表２に示すとおりである。また、実施例１〜５の無酸素銅板表面の平均結晶粒径は５０〜１００μｍの範囲であった。

次にＴＤパワーデバイス（株）製の厚さ０．６ｍｍ、縦５０ｍｍ、横２５ｍｍのＡｌＮ基板（窒化アルミ基板）を準備する。

次に、金属成分が９０Ａｇ−８．５Ｃｕ−１．５Ｔｉ（ｍａｓｓ％）になるように金属粉を秤量し、この金属粉の総重量に対して１０％の重量の、アクリル系バインダと溶剤を含むビヒクルを加え、自動乳鉢、３本ロールミルにより混錬して、ペースト状のろう材を作製する。次いで、このペースト状のろう材をＡｌＮ基板の両面にスクリーン印刷により塗布する。次に、ＡｌＮ基板の両面のろう材上に前記無酸素銅板を配置する。その後、ＡｌＮ基板を真空炉に挿入し、この真空炉によって８５０℃の温度で３０分間加熱することにより、ＡｌＮ基板の両面には無酸素銅板が接合される。この後、銅板が接合されたＡｌＮ基板を真空炉中から取り出す。この接合後の無酸素銅板の表面のＸ線回折積分強度の結果、Ｘ線回折積分強度比及び平均結晶粒径は表２に示すとおりである。

その後、銅板が接合されたＡｌＮ基板の無酸素銅板の両面にＵＶ硬化アルカリ剥離型レジストを約１０μｍの厚さに塗布し、ＵＶによって露光することにより所望の回路パターンのレジストを形成する。次に、このレジストをマスクとして塩化第二銅と過酸化水素水の混合溶液からなるエッチング液により無酸素銅板の不要部分を除去することにより、ＡｌＮ基板の両面には無酸素銅板からなる回路パターンが形成される。その後、前記銅板が接合されたＡｌＮ基板をチオ硫酸ナトリウム水溶液に浸漬した後、ＥＤＴＡ及び過酸化水素水とアンモニア水を含む溶液に浸漬して不要なパターン間のろう材１２を除去する。その後、レジストを水酸化ナトリウム溶液で剥離する。この際、無酸素銅板からなる回路パターンの表面に外観のムラは認められなかった。

次に、回路パターン及びろう材の表面にＮｉ-Ｐの無電解メッキを施す。このＮｉ−Ｐメッキ後の白濁（外観のムラ）の有無を目視により確認し、その結果を表２に示す。表２に示すように、Ｎｉ−Ｐメッキに白濁（外観のムラ）は認められなかった。

表２に示す比較例１〜６のサンプルの作製方法は、無酸素銅板表面のＸ線回折積分強度比Ｉ（２２０）／Ｉ（２００）が０．５より大きくなるように無酸素銅板を作製した点を除き、実施例１〜５のサンプルの作製方法と同様である。

無酸素銅板の詳細な製造方法は、次のとおりである。
実施例１〜５と同様に、溶解した銅を連続鋳造機で板厚１８０ｍｍ、２．５トンのインゴットを鋳造した。次いで、熱間圧延機で板厚１８０ｍｍから１１ｍｍまで圧延後、水冷ゾーンにて冷却し、表裏厚さ０．５ｍｍずつ研削した。次いで、冷間圧延機で板厚１０ｍｍから２ｍｍまで圧延した後、バッチ式炉で４５０℃、６時間熱処理を施し、得られたコイルの表面について酸洗・バフ処理を施した。次いで、冷間圧延機で板厚２ｍｍから０．８ｍｍまで圧延した後、連続焼鈍炉で７２０℃、３分の条件で熱処理を施した。

次いで、表１の製造条件を用い、冷間圧延、熱処理、仕上げ冷間圧延を施す。その後、脱脂処理を施して無酸素銅板を得た。
比較例１について詳細に説明すると、冷間圧延機で板厚０．８ｍｍから０．３１ｍｍまで圧延した後、連続焼鈍炉で７２０℃、２分の条件で熱処理を施した。次いで、冷間圧延機で加工率１７．７％の仕上げ冷間圧延を施した後、脱脂処理を施して無酸素銅板を得た。また、比較例２〜６の冷間圧延、熱処理、仕上げ冷間圧延についての詳細な条件は表１に示すとおりである。なお、比較例１〜６それぞれの無酸素銅板は、表１に示す本発明にかかわる銅板の製造条件と異なる条件があるため、その結晶粒径が１００μｍを超えていた。
上記無酸素銅板の作製以外の工程は、実施例１と同様に比較例１〜６のサンプルを作製した。接合後の無酸素銅板の表面のＸ線回折積分強度の結果、Ｘ線回折積分強度比及び平均結晶粒径は表２に示すとおりである。
また、比較例１〜６のサンプルについて、回路パターン作製後、無酸素銅板の表面に外観のムラが認められた。
さらに、比較例１〜６のサンプルについて、Ｎｉ−Ｐメッキ後の白濁（外観のムラ）の有無を目視により確認し、その結果を表２に示す。表２に示すように、Ｎｉ−Ｐメッキに白濁（外観のムラ）が認められた。

なお、平均結晶粒径の測定は、銅板の表面を研磨したのちエッチングし、その面を光学顕微鏡で観察し、ＪＩＳ Ｈ０５０１の切断法で測定した。Ｘ線回折積分強度は、Ｘ線回折装置を用いて、Ｍｏ−Ｋα１およびＫα２線、管電圧４０ｋＶ、管電流３０ｍＡの条件で、接合前後の無酸素銅板の表面（圧延面）について{２２０}面の回折ピークの積分強度Ｉ（２２０）と、{２００}面の回折ピークの積分強度Ｉ（２００）を測定し、Ｉ（２２０）／Ｉ（２００）を求めた。なお、表２中の各結晶面のＸ線回折ピークの積分強度の単位は、ｃｐｓ（カウント／秒）であり、Ｉ（２２０）／Ｉ（２００）の単位はない（無次元）。

表２によれば、実施例１〜５のように、ＡｌＮ基板に接合する前の無酸素銅板の表面のＸ線回折積分強度比をＩ（２２０）／Ｉ（２００）≦０．５とすることにより、ＡｌＮ基板に接合した後の無酸素銅板の表面のＸ線回折積分強度比をＩ（２２０）／Ｉ（２００）≦２とすることができることが確認された。これにより、回路パターンの表面にムラが発生するのを防止できるとともに、無電解メッキの表面に白濁が生じる外観不良の発生を防止することができることが確認された。
また、本発明のＸ線回折積分強度比を有するとき、すなわち特定な結晶面が特定の比率で無酸素銅板の表面に存在したとき、表面の光の反射が均一になり、外観ムラ、白濁の不具合を防止する作用を有すると推測される。

尚、本発明は上述した実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。

１０ セラミックス基板
１２ ろう材
１４ 無酸素銅板，回路パターン
１６ レジスト
１８ 無電解メッキ

Claims (4)

1. セラミックス基板上にろう材を形成する工程と、
   前記ろう材の上に、無酸素銅板表面のＸ線回折積分強度比Ｉ（２２０）／Ｉ（２００）が０．５以下である前記無酸素銅板を配置する工程と、
   前記無酸素銅板、前記ろう材及び前記セラミックス基板を加熱することにより、前記セラミックス基板に前記無酸素銅板を接合する工程と、
   エッチング液により前記無酸素銅板の不要部分を除去することにより前記無酸素銅板からなる回路パターンを形成する工程と、
   を具備し、
   前記無酸素銅板を配置する工程における前記無酸素銅板の表面の平均結晶粒径は１００μｍ以下であることを特徴とする金属セラミックス接合基板の製造方法。
2. 請求項１において、前記無酸素銅板を配置する工程における前記無酸素銅板は、
   鋳造により無酸素銅の鋳片を形成する工程と、
   前記鋳片に熱間圧延を施して銅板を形成する工程と、
   前記銅板に冷間圧延を施す冷間圧延工程と、
   前記銅板に焼鈍を施す焼鈍工程と、
   を具備し、
   前記冷間圧延工程と前記焼鈍工程は複数回繰り返され、最終の焼鈍工程の前に行われる冷間圧延工程の加工率は５０％以上とされ、最終の焼鈍工程によって前記無酸素銅板表面のＸ線回折積分強度比Ｉ（２２０）／Ｉ（２００）が０．５以下とされることを特徴とする金属セラミックス接合基板の製造方法。
3. 請求項２において、前記最終の焼鈍工程の後に、前記銅板に１５％以下の加工率で仕上冷間圧延を施す工程をさらに具備することを特徴とする金属セラミックス接合基板の製造方法。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項において、前記回路パターンを形成する工程の後に、前記回路パターンの表面にメッキを施すことを特徴とする金属セラミックス接合基板の製造方法。

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