JP7507232B2 - セラミックス回路基板、電子デバイス、及び、金属部材 - Google Patents

Description

本発明は、セラミックス回路基板、電子デバイス、及び、金属部材に関する。

セラミックス基板に金属部材を接合したセラミックス回路基板は、電子部品や機械部品等に広く用いられている。例えば、電鉄、車両、産業機械向けといった高電圧、大電流動作を必要とするパワーデバイスにおいて、セラミックス回路基板上に半導体素子を搭載した電子デバイスが用いられている。
セラミックス基板と金属部材を接合する方法の一つとして、セラミックス基板と金属部材とをろう材を用いて接合する方法がある。この場合、一般的には、銀・銅と、活性金属とを含むろう材をセラミックス基板に塗布し、ろう材上に金属部材を配置し、適当な温度で加熱処理することでセラミックス基板と金属部材とを接合する。

例えば、特許文献１には、セラミックス基板表面にろう材層を介して金属板を一体に接合したセラミックス回路基板において、金属板とろう材層との接合面の面積が、金属板の非接合面側の表面積より小さく、ろう材層とセラミックス基板との接合面の面積が金属板とろう材層との接合面の面積より大きいことを特徴とするセラミックス回路基板が開示されている。

特開２００１－３３２８５４号公報

しかしながら発明者らが検討したところ、特許文献１に開示された形状のセラミックス回路基板では、セラミックス基板に金属部材を接合する工程において、ろう材が金属部材表面にはい上がり、はい上がったろう材によってハンダ濡れ性が低下する場合があることが明らかになった。

本発明によれば、セラミックス基板の少なくとも一面にろう材を介して板状の金属部材を接合してなるセラミックス回路基板において、
前記金属部材はセラミックス基板に対向する第一の面と、当該第一の面とは逆の第二の面と、その両面の外周端の相互間に存する端面とを有し、
前記金属部材は上面視において多角形であって、その対角線に沿った厚み方向のいずれかの切断面において、
前記切断面と前記端面とが成す交線Ｌの長さをｘｍｍとし、前記金属部材の厚みをｄｍｍとしたとき、ｘ／ｄが１．５以上３．０以下であり、
前記端面は、前記端面と前記第二の面との境界よりも前記金属部材の外側に位置する凸部を有する、セラミックス回路基板が提供される。

また、本発明によれば、前記セラミックス回路基板を備える電子デバイスが提供される。

また、本発明によれば、セラミックス基板の少なくとも一面にろう材を介して板状の金属部材を接合してなるセラミックス回路基板において、
前記金属部材はセラミックス基板に対向する第一の面と、当該第一の面とは逆の第二の面と、その両面の外周端の相互間に存する端面とを有し、
前記金属部材は上面視において多角形であって、その対角線に沿った厚み方向のいずれかの切断面において、
前記切断面と前記端面とが成す交線Ｌの長さをｘｍｍとし、前記金属部材の厚みをｄｍｍとしたとき、ｘ／ｄが１．５以上３．０以下であり、
前記端面は、前記端面と前記第二の面との境界よりも前記金属部材の外側に位置する凸部を有する、金属部材が提供される。

本発明によれば、セラミックス基板にろう材を介して板状の金属部材を接合する際に、ろう材が金属部材表面にはい上がることを抑制したセラミックス回路基板、該セラミックス回路基板を備える電子デバイス、また、セラミックス基板に接合される金属部材を提供することができる。

実施形態に係るセラミックス回路基板の構成を模式的に示す断面図である。 実施形態に係るセラミックス回路基板の構成を模式的に示す上面図である。 実施形態に係るセラミックス回路基板を金属部材の対角線に沿って厚み方向に切断した断面図である。 実施形態に係るセラミックス回路基板を金属部材の対角線に沿って厚み方向に切断した断面図である。 実施形態の変形例に係るセラミックス回路基板を金属部材の対角線に沿って厚み方向に切断した断面図である。 実施例１に係る銅板１の断面写真を示す。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。また、図は概略図であり、実際の寸法比率とは一致していない。

＜セラミックス回路基板＞
はじめに、図１及び図２を用いて本実施形態に係るセラミックス回路基板１００の概要について説明する。
図１は、本実施形態に係るセラミックス回路基板１００の全体の構成を模式的に示す断面図である。本実施形態に係るセラミックス回路基板１００は、セラミックス基板１０、ろう材２０、板状の金属部材３０を備えるものである。セラミックス基板１０の少なくとも一面にろう材２０を介して板状の金属部材３０が接合されており、接合によりセラミックス基板１０、ろう材２０、金属部材３０が互いに固定されている。

セラミックス基板１０は第一の面１１と第二の面１２とを有する。セラミックス基板１０は、第二の面１２上に、ろう材２０を介し、板状の金属部材３０が接合されている。本実施形態に係るセラミックス回路基板１００の構造は、上記構造に限定されず、例えばセラミックス回路基板１００は、図１の（ａ）に示すように、第一の面１１又は第二の面１２のいずれかに板状の金属部材３０が接合されていてもよいし、図１の（ｂ）に示すように、第一の面１１及び第二の面１２の両面に金属部材３０が接合されていてもよい。また、図２に、本実施形態に係るセラミックス回路基板１００を模式的に示す上面図を示す。セラミックス回路基板１００は第一の面１１及び第二の面１２に、それぞれ一つの金属部材３０が接合されていてもよいし、第一の面１１に一つの金属部材３０が接合され、第二の面１２に２以上の金属部材３０が接合されていてもよいし、第一の面１１に２以上の金属部材３０が接合され、第二の面１２に一つの金属部材３０が接合されていてもよいし、第一の面１１及び第二の面１２に、それぞれ２以上の金属部材３０が接合されていてもよい。金属部材３０は平面視で多角形であり、矩形であることが好ましい。

以下、本実施形態に係るセラミックス回路基板１００の各構成について詳述する。

＜金属部材＞
図３及び図４を参照し、本実施形態に係るセラミックス回路基板１００における金属部材３０について詳述する。図３及び図４は本実施形態に係るセラミックス回路基板１００を、金属部材３０の対角線に沿って厚み方向に切断した際の切断面である。ここで、金属部材３０の対角線に沿った厚み方向のいずれかの切断面とは、例えば、本実施形態に係るセラミックス回路基板１００を、図２の破線ａ～ｄで切断したときの断面をいう。

本実施形態において、金属部材３０はセラミックス基板１０に対向する第一の面３１と、当該第一の面３１とは逆の第二の面３２と、その両面の外周端の相互間に存在する端面３３とを有する。

本実施形態において、金属部材３０はその対角線に沿った厚み方向のいずれかの切断面において、前記切断面と前記端面３３とが成す交線Ｌの長さをｘｍｍとし、前記金属部材３０の厚みをｄｍｍとしたとき、ｘ／ｄが１．５以上３．０以下である。
ｘ／ｄの下限値は、２．０以上が好ましく、２．５以上がより好ましい。ｘ／ｄの上限値は、３．０以下が好ましくい。
交線Ｌの長さｘは、ｘ／ｄが上記数値範囲内にあれば特に限定されないが、ろう材のはい上がり経路を長くする観点、加工時間・コストの観点、及び、凸部の突出量を抑える観点のバランスから、０．７５ｍｍ以上６．０ｍｍ以下とすることができる。交線Ｌの長さｘの下限値は、好ましくは０．７５ｍｍ以上である。交線Ｌの長さｘの上限値は、４．５ｍｍ以下がより好ましく、３．０ｍｍ以下が特に好ましい。
金属部材３０の厚みｄは、ｘ／ｄが上記数値範囲内にあれば特に限定されないが、放熱性、耐熱サイクル特性等の観点から０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下とすることができる。厚みｄの下限値は、０．５ｍｍ以上が好ましい。厚みｄの上限値は、１．５ｍｍ以下がより好ましく、１．０ｍｍ以下が特に好ましい。

以下、図４を用いて交線Ｌについて説明する。上述のように交線Ｌは、金属部材３０をその対角線に沿った厚み方向に切断した際の切断面において、切断面と端面３３とが成す交線Ｌを示す。図４は、セラミックス回路基板１００を金属部材３０の対角線に沿って厚み方向に切断した際の切断面であり、交線Ｌは、境界３５と稜線４０（切断面と稜線４０の交点）とを結ぶ曲線Ｌ１と、稜線４０（切断面と稜線４０の交点）と境界３４とを結ぶ曲線Ｌ２から成る。また、交線Ｌの長さｘは、曲線Ｌ１の長さｘ１ｍｍと曲線Ｌ２の長さｘ２ｍｍの和（ｘ１＋ｘ２）である。
交線Ｌの長さｘ、及び、金属部材３０の厚みｄは、例えば、セラミックス回路基板１００を、金属部材３０の対角線に沿ってその厚み方向に切断した断面を、顕微鏡で観察することにより求めることができる。金属部材３０の厚みｄは、金属部材３０の、第一の面３１と、第一の面３２の距離を、スケール等を用い測定することにより求めることができる。また、交線Ｌの長さｘは必要に応じ、画像の２値化や交線Ｌをトレースする等画像解析を用いて求めることができる。

本実施形態において、端面３３は、金属部材３０の外方向（図３では図示左方向）に凸の、凸部３６を有する。また、凸部３６は、上記端面３３と上記第二の面３２との境界３５よりも上記金属部材３０の外側に位置する。さらに、凸部３６は、端面３３と第一の面３１との境界３４よりも金属部材３０の外側に位置することがより好ましい。
本実施形態において、上記端面３３は、上記端面３３と上記第一の面との境界３４、及び、上記端面３３と上記第二の面３２との境界よりも上記金属部材３０の外側に位置する凸部３６を有することが特に好ましい。

本実施形態に係るセラミックス回路基板１００は、金属部材３０に係る上記ｘ／ｄを上記数値範囲内とし、かつ、端面３３に凸部３６を有する形状とすることによって、ろう材のはい上がりをより確実に抑制することができるセラミックス回路基板１００となる。すなわち、従来、セラミックス基板１０と金属部材３０とを、ろう材２０を介して接合するろう付け工程では、接合端部において、ろう材２０が金属部材３０の端面３３を伝って金属部材３０の上面（第二の面３２）にはい上がる場合があり、後工程において、金属部材３０の上面（第二の面３２）に半導体チップ等を搭載する際に、はい上がったろう材によってハンダ濡れ性が低下してハンダ付け不良が発生したり、外観不良が発生したりし、歩留り低下の一因となっていた。
また、金属部材３０に長い処理時間を要する煩雑な加工を行うことは、製造の手間及びコストを低減させる観点から好ましくなかった。
さらに、端面３３に凸部３６を有する形状とする場合、凸部の突出量が大きくなりすぎると、隣り合う金属部材３０同士が放電する恐れがあった。

本実施形態によれば、金属部材３０に係る上記ｘ／ｄを上記の下限以上とし、かつ、端面３３に凸部３６を有する形状とすることによって、凸部３６がダム効果を奏し、かつ、ろう材が金属部材３０の第二の面３２に到達するまでの経路は、複雑、かつ、長くなるため、より確実にろう材のはい上がりを抑制することができるセラミックス回路基板１００とすることができる。また、ろう材のはい上がり抑制と放電のリスクの低減のために、金属部材３０を複雑な形状に加工しようとすると、製造の手間及びコストが増大するが、本実施形態によれば、上記ｘ／ｄを上記上限以下とすることによって、ろう材のはい上がりの抑制等の機能と、金属部材３０の加工に係る時間やコストのバランスに優れたセラミックス回路基板１００とすることができる。さらに、本実施形態によれば、端面３３に凸部３６を有する形状としつつ、上記ｘ／ｄを上記数値範囲内に調整することによって、隣り合う金属部材３０同士の放電のリスクを抑えつつ、ろう材のはい上がりを抑制することができるセラミックス回路基板１００とすることができる。

本実施形態において、端面３３は、当該端面３３と第二の面３２との境界３５よりも金属部材３０の内側（図３では図示右側方向）に位置する凹部３７を有することが好ましい。凹部３７は、少なくともその一部が当該端面３３と第二の面３２との境界３５よりも金属部材３０の内側に位置すればよい。厚さ方向（図３では図示上下方向）において、凹部３７は、凸部３６よりも第二の面３２に近い位置にあってもよいし、凸部３６よりも第一の面３１に近い場所にあってもよい。端面３３は、凹部３７を１つ有していてもよいし、２以上有していてもよい。
凹部３７は、少なくともその一部が、境界３４と境界３５を結ぶ直線よりも、金属部材３０の内側に位置することが好ましい。

また、端面３３は、金属部材３０の内側に凹の第一曲面３９、当該第一曲面３９よりも上記第一の面３１側に位置し、金属部材３０の内側に凹の第二曲面３８、及び、当該第一曲面３９と当該第二曲面３８に挟まれた稜線４０を有することが好ましい。
端面３３が、複数の凹部３７及び稜線４０を有することにより、ろう材が金属部材３０の第二の面３２に到達するまでの経路は、より長くなり、かつ、稜線４０を含むことにより、はい上がりの過程にその方向が反転する経路を有することとなり、より確実にろう材のはい上がりを抑制することができる。

また、ろう材のはい上がりを抑制するために、例えば金属部材の端部に凸部を設けた場合、凸部の突出量を増大させざるを得ず、端部に凸部を有する金属部材と、隣り合う他の端部に凸部を有する金属部材との間で放電が起き、耐電圧が低下するリスクがある。
本実施形態によれば、端面３３が凹部３７及び稜線４０を有し、かつ上記ｘ／ｄを上記数値範囲内とすることにより、ろう材のはい上がりを抑制するとともに凸部３６の突出量を抑えることができるので、放電のリスクを低下させることができ、突出量を勘案してパターン間の距離を一定以上にしなければならない等の回路設計上の制約を緩和することができる。

本実施形態において、上記端面３３と上記第一の面３１との境界３４と、前記凸部３６の頂点との水平間距離が５０μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。水平間距離の上限値は、３００μｍ以下がより好ましく、２００μｍ以下が特に好ましい。
前記端面３３と前記第一の面３１との境界３４と、前記凸部３６の頂点との水平間距離を上記数値範囲内とすることにより、耐電圧低下のリスクを抑制しつつ、かつ、確実にろう材のはい上がりを抑制することができる。

なお、ろう材のはい上がり性には、金属部材３０の形状に加え、ろう材の塗布量、接合時にセラミックス基板１０と金属部材３０との積層体にかかる圧力等も影響する。ろう材の塗布量は、接合工程前におけるろう材ペーストの乾燥膜厚で、例えば３μｍ以上４０μｍ以下とすることができる。また、接合時には、セラミックス基板１０と金属部材３０間にかかる圧力は、例えば０．０５ＭＰａ以上１．０ＭＰａ以下とすることができる。例えば、ろう材の塗布量が多い場合、又は、積層体にかかる圧力が大きい場合、ｘ／ｄを大きくする、凹部３７を複数とする、端面３３と第一の面３１との境界３４と凸部３６の頂点との水平間距離を大きくする等、ろう材のはい上がりを促進する因子と抑制する因子のバランスを考慮して金属部材３０の形状を調整することが好ましい。

本実施形態において、上記切断面と上記端面３３とが成す交線Ｌは、少なくとも２つの変曲点４１を有することが好ましい。なお、ここで変曲点とは、上記切断面と、上記端面３３とが成す交線Ｌにおいて、凹形状と凸形状とが切り替わる点である。
上記交線Ｌ上に、複数の変曲点４１が存在し、凹部、凸部の形状が、少なくとも２回以上切り替わる形状とすることにより、ろう材が金属部材３０の第二の面３２に到達するまでの経路は、複数回の反転を有し、かつ、沿面距離が長くなるため、より確実にろう材のはい上がりを抑制することができる。

以上の本実施形態に係る特定の端部形状を有する金属部材３０の作製方法としては、エッチングにより、所定のマスキングをされた板状の金属素材を個片化する方法が挙げられ、具体的には以下に示す通りである。
まず、金属素材の表面に、公知の手法によりマスキングを施す。ここで、マスキングは、公知の手法で両面の位置合わせを行うことにより、金属素材の両面に同一のパターンが施されることが好ましい。
次に、マスキングされた金属素材をエッチングにより個片化する。エッチング液は、公知のエッチング液を使用することができ、例えば金属素材が銅板である場合、具体例は、塩化第二鉄、塩化第二銅、硫酸、過酸化水素水等が挙げられる。両面に同一のマスキングを有する板状の金属素材をエッチングすることにより、両面からマスキングパターン間がエッチングされ、本実施形態に係る特定の端部形状を有する金属部材３０を得ることができる。
金属部材３０の形状は、エッチング条件等によって調整することができる。例えば、エッチング液の濃度や、エッチング時間を調整することにより、金属部材３０における、ｘ／ｄの大きさ、凸部３６の突出量、凹部３７の凹み量を調整することが可能である。
引き続き、マスキングを除去することにより、金属部材３０が得られる。

本実施形態に係る金属部材３０に使用する金属は、銅、アルミニウム、鉄、ニッケル、クロム、銀、モリブテン、コバルトの単体またはその合金等が挙げられる。後述のように、金属部材３０を、活性金属を含有するろう材でセラミックス基板１０に接合する観点や、導電性、放熱性の観点から銅が好ましい。

銅板を使用する場合、その純度は、９０％以上であることが好ましい。純度を９０％以上とすることにより、十分な導電性、放熱性を有するセラミックス回路基板１００となり、またセラミックス基板１０と銅板とを接合する際、銅板とろう材の反応が十分進行し、信頼性の高いセラミックス回路基板１００を得ることができる。

＜セラミックス基板＞
本実施形態に係るセラミックス回路基板１００に使用されるセラミックス基板１０としては、特に限定されるものではなく、窒化ケイ素、窒化アルミニウムなどの窒化物系セラミックス、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウムなどの酸化物系セラミックス、炭化ケイ素等の炭化物系セラミックス、ほう化ランタン等のほう化物系セラミックス等が挙げられる。後述のように、金属部材３０を、活性金属を含有する銀－銅系ろう材でセラミックス基板１０に接合する観点からは、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等の非酸化物系セラミックスが好適であり、更に、優れた熱伝導性の観点からは窒化アルミニウム基板が好ましい。

本実施形態に係るセラミックス基板１０の厚みは特に限定されないが、典型的には０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下である。基板全体の放熱特性や熱抵抗率低減などを鑑みると、好ましくは０．２ｍｍ以上１．２ｍｍ以下、より好ましくは０．２５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下である。上記数値範囲内とすることにより、十分に強度・耐久性を維持することができ、かつ、熱抵抗を抑制することができる。

＜ろう材＞
本実施形態に係るセラミックス回路基板１００において、ろう材２０は、ろう材中にチタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、バナジウム、アルミニウム、錫から選択される少なくとも一種の活性金属を含有することが好ましい。具体的には、窒化アルミニウム基板や、窒化珪素基板との反応性が高く、接合強度を非常に高くできるため、チタンを含むことが好ましい。

ろう材２０は、好ましくは、銀、銅およびチタン、錫および／またはインジウムからなるろう材により構成されることが好ましい。ろう材の配合におけるＡｇ／Ｃｕ比は、ＡｇとＣｕの共晶組成である７２質量％：２８質量％よりＡｇ粉末の配合比を高めることで、Ｃｕリッチ相の粗大化を防止し、Ａｇリッチ相が連続したろう材層組織を形成することができる。
また、Ａｇ粉末の配合量が多くＣｕ粉末の配合量が少ないと、接合時にＡｇ粉末が溶解しきれずに接合ボイドとして残る場合がある。よって、Ａｇ粉末と、Ｃｕ粉末、Ｓｎ粉末またはＩｎ粉末の配合比は、Ａｇ粉末：８５．０質量部以上９５．０質量部以下、Ｃｕ粉末：５．０質量部以上１３．０質量部以下、Ｓｎ粉末またはＩｎ粉末：０．４質量部以上３．５質量部以下からなるものが好ましく挙げられる。上記数値範囲内とすることで、ろう材の融解温度が過度に上昇することを防ぎ、適度な温度での接合が可能となり、接合時の熱膨張率差に由来する熱ストレスを低下させることができ、耐熱サイクル性を向上することができる。

チタン等の活性金属の添加量は、Ａｇ粉末と、Ｃｕ粉末と、Ｓｎ粉末またはＩｎ粉末の合計１００質量部に対して、１．５質量部以上５．０質量部以下が好ましい。活性金属の添加量を適切に調整することで、セラミックス基板１０に対する濡れ性を一層高めることができ、接合不良の発生を一層抑えることができる。また、未反応の活性金属の残存が抑えられ、Ａｇリッチ相の不連続化なども抑えることができる。

本実施形態に係るセラミックス回路基板１００において、ろう材２０の厚みは、セラミックス基板１０と金属部材３０を接合可能である限り特に限定されない。典型的には３μｍ以上４０μｍ以下、好ましくは４μｍ以上２５μｍ以下、より好ましくは５μｍ以上１５μｍ以下である。上記数値範囲内とすることにより、放熱性に優れ、かつ、信頼性にすぐれたセラミックス回路基板１００とすることができる。

＜セラミックス回路基板の製造方法＞
以下に本実施形態に係るセラミックス回路基板１００の製造方法について説明する。
まず、セラミックス基板１０、及び、金属部材３０を準備する。セラミックス基板１０、及び、金属部材３０の態様については前述のとおりである。
次にろう材ペーストを調製する。ろう材の金属成分の配合は上述の通りであり、Ａｇ粉末：８５．０質量部以上９５．０質量部以下、Ｃｕ粉末：５．０質量部以上１３．０質量部以下、Ｓｎ粉末またはＩｎ粉末：０．４質量部以上３．５質量部以下からなるものが好ましく挙げられる。チタン等の活性金属の添加量は、Ａｇ粉末と、Ｃｕ粉末と、Ｓｎ粉末またはＩｎ粉末の合計１００質量部に対して、１．５質量部以上５．０質量部以下が好ましい。
これらの金属粉末と、樹脂、溶剤、必要に応じて分散剤等を公知の手法で混合することにより、ろう材ペーストを得ることができる。
続いて、セラミックス基板１０の片面又は両面に、ろう材ペーストを塗布する。塗布方法は特に限定されず、例えばスクリーン印刷により塗布を行うことができる。塗布されたろう材ペーストの乾燥膜厚は、例えば１μｍ以上５０μｍ以下とすることが好ましい。

次に、セラミックス基板１０に塗布されたろう材ペーストに接するように金属部材３０を重ね、加熱炉内で加熱し、セラミックス基板１０と金属部材３０とを接合する。
本実施形態において、セラミックス基板１０と金属部材３０とを接合する接合温度は、７７０℃以上８３０℃以下であることが好ましく、より好ましくは８００℃未満である。また、接合時の真空度は、１×１０^－３Ｐａ以下とすることが好ましい。また、上記接合温度での保持時間は１０分以上６０分以下であることが望ましい。
接合温度・真空度・接合時間を上記範囲内とすることにより、活性金属を含む化合物が十分に生成され、セラミックス基板１０と金属部材３０とを全面にわたって接合することができる。また、接合温度が高温であったり、保持時間が長すぎたりする場合には、接合後のろう材層の厚みムラが大きくなり、超音波接合によるクラックが発生する場合があるが、接合温度・真空度・接合時間を上記範囲内とすることにより、接合後のろう材の厚みムラを低減することができる。
以上のようにして、本実施形態に係るセラミックス回路基板１００を得ることができる。

本実施形態に係るセラミックス回路基板１００は、電子デバイスに用いることができ、エッチングによる回路パターン形成工程を経ることもできる。本実施形態に係るセラミックス回路基板１００に回路パターンを形成する場合、金属部材３０にエッチングレジストを塗布してエッチングすることができる。エッチングレジストに関して特に制限はなく、公知の紫外線硬化型や熱硬化型のものが使用できる。また、エッチングレジストの塗布方法に関しては特に制限はなく、例えばスクリーン印刷法等の公知の塗布方法を採用することができる。
エッチング液に関しても特に制限はなく、公知のエッチング液を用いることができ、金属部材３０が銅板である場合、塩化第二鉄溶液や塩化第二銅溶液、硫酸、過酸化水素水等を使用することができ、塩化第二鉄溶液や塩化第二銅溶液が好ましい。

エッチングによって不要な金属部分を除去したセラミックス回路基板には、ろう材、その合金層、窒化物層等が残っている場合があり、その場合、ハロゲン化アンモニウム水溶液、硫酸、硝酸等の無機酸、過酸化水素水を含む溶液を用いて、それらを除去するのが一般的である。回路形成後、公知の方法でエッチングレジストの剥離を行うことができる。剥離方法は特に限定されず、例えば、アルカリ水溶液に浸漬させる方法などを挙げることができる。

本実施形態に係るセラミックス回路基板１００は、例えば、金属部材３０の第二の面３２に半導体チップ等を搭載し、電子デバイスとすることができる。
本実施形態に係るセラミックス回路基板１００は、例えば、電鉄、車両、産業機械向けといった高電圧、大電流動作を必要とするパワーデバイスに特に好適に適用することができる。パワーデバイスの具体的構成や詳細については、例えば、前述の特許文献１から３の記載や、特開平１０－２２３８０９号公報の記載、特開平１０－２１４９１５号公報の記載などを参照されたい。
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

本実施形態の変形例を図５を参照して説明する。図５は変形例のセラミックス回路基板１０２の構成を模式的に示す断面図である。以下では、上述及び実施形態と異なる構成である金属部材３０の端面３３の形状に着目して説明する。

図示の金属部材３０では、端面３３が、金属部材３０の内側に凹の第一曲面３８と、第一曲面３８よりも第二の面３２側に位置し、金属部材３０の内側に凹の第二曲面３９、及び、第一曲面３８と第二曲面３９とに挟まれたて外側に曲面凸形状４５の凸部３６とを有する。

第一曲面３８と凸部３６は、変曲点４３で連続している。第二曲面３９と凸部３６は、変曲点４４で連続している。凸部３６において、第二曲面３９の頂点４７が最も外側（図示では左側）に位置している。

交線Ｌは、境界３５と頂点４７とを結ぶ曲線Ｌ１と、頂点４７と境界３４とを結ぶ曲線Ｌ２から成る。また、交線Ｌの長さｘは、曲線Ｌ１の長さｘ１と曲線Ｌ２の長さｘ２の和（ｘ１＋ｘ２）である。

このような構成において、第三の実施形態に係る金属部材３０は、端面３３が、２つの凹部３７（第一曲面３８、第二曲面３９）と凸部３６を有することにより、ろう材が金属部材３０の第二の面３２に到達するまでの経路が、３回以上の反転を有し、より複雑、かつ、長くなるため、より確実にろう材のはい上がりを抑制することができる。

以下に、本実施形態の特徴をまとめて付記する。
１． セラミックス基板の少なくとも一面にろう材を介して板状の金属部材を接合してなるセラミックス回路基板において、
前記金属部材はセラミックス基板に対向する第一の面と、当該第一の面とは逆の第二の面と、その両面の外周端の相互間に存する端面とを有し、
前記金属部材は上面視において多角形であって、その対角線に沿った厚み方向のいずれかの切断面において、前記切断面と前記端面とが成す交線Ｌの長さをｘｍｍとし、前記金属部材の厚みをｄｍｍとしたとき、ｘ／ｄが１．５以上３．０以下であり、
前記端面は、前記端面と前記第二の面との境界よりも前記金属部材の外側に位置する凸部を有する、セラミックス回路基板。
２． 当該端面は、当該端面と第二の面との境界よりも金属部材の内側に位置する凹部を有する１．に記載のセラミックス回路基板。
３． 前記端面が、
金属部材の内側に凹の第一曲面、
当該第一曲面よりも前記第一の面側に位置し金属部材の内側に凹の第二曲面、及び、
当該第一曲面と当該第二曲面に挟まれた稜線を有する、１．又は２．に記載のセラミックス回路基板。
４． 前記端面と前記第一の面との境界と、前記凸部の頂点との水平間距離が５００μｍ以下である、１．又は２．に記載のセラミックス回路基板。
５． 前記切断面と前記端面とが成す交線Ｌが、少なくとも２つの変曲点を有する、１．～４に記載のセラミックス回路基板。
６． 前記金属部材が銅板である、１．～５．のいずれか一つに記載のセラミックス回路基板。
７． 前記ろう材が、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、バナジウム、アルミニウム、及び、錫から選択される少なくとも１つの金属を含む、１．～６．のいずれか一つに記載のセラミックス回路基板。
８． 前記セラミックス基板が窒化ケイ素及び窒化アルミニウムから選択される少なくとも１つである、１．～７．のいずれか一つに記載のセラミックス回路基板。
９． １．～８．のいずれか一つに記載のセラミックス回路基板であって、前記セラミックス基板の両面にろう材を介し板状の金属部材を接合した、セラミックス回路基板。
１０． １．～９．のいずれか一つに記載のセラミックス回路基板を備える電子デバイス。
１１． １０．に記載の電子デバイスであって、パワーデバイスである電子デバイス。
１２． セラミックス基板の一面にろう材で接合される板状の金属部材であって、
前記金属部材はセラミックス基板に対向する第一の面と、当該第一の面とは逆の第二の面と、その両面の外周端の相互間に存する端面とを有し、
前記金属部材は上面視において多角形であって、その対角線に沿った厚み方向のいずれかの切断面において、
前記切断面と前記端面とが成す交線Ｌの長さをｘｍｍとし、前記金属部材の厚みをｄｍｍとしたとき、ｘ／ｄが１．５以上３．０以下であり、
前記端面は、前記端面と前記第二の面との境界よりも前記金属部材の外側に位置する凸部を有する、金属部材。

以下、次に、本発明の効果を確認するために行った確認実験について説明する。表１に実施例１～２、比較例１～３のセラミック基板の特性及び評価結果を示す。特性項目として「ｘ／ｄ」「凸部の有無」「凹部の有無」「変曲点の数」を示す。評価として「◎」が「ろう材のはい上がり無し」、「×」が「ろう材のはい上がり有り」を示す。
セラミックス基板として、０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム基板、及び、銅板１（厚み０．８ｍｍ）を準備した。
なお、銅板１は、両面（比較例３は片面）に同一のマスキングパターンを施し、塩化第二鉄溶液を含むエッチング液に浸漬することにより、銅板１の両側からエッチングし、個片化したものである。銅板１の断面形状の例を図６に示す。また、塩化第二鉄溶液への浸漬時間を長くすればｘ／ｄが大きくなり、短くすれば小さくなることを利用し、実施例２、比較例１～３は浸漬時間を変更して行った。

セラミックス基板の両面に、銀粉末（福田金属箔粉工業（株）製：ＡｇＣ－ＢＯ）９０質量部および銅粉末（福田金属箔粉工業（株）製：ＳＲＣ－Ｃｕ－２０）１０質量部の合計１００質量部に対して、チタン（（株）大阪チタニウムテクノロジーズ製：ＴＳＨ－３５０）を３．５質量部含むろう材をスクリーン印刷で、塗布した。なお、ろう材ペーストの塗布量は、１０ｍｇ／ｃｍ^３とした。
その後、ろう材の上に、銅板１を重ね、真空雰囲気下（１．０×１０^－３Ｐａ以下）、７８０℃で３０分保持させることで銅板と窒化アルミニウム基板の接合体である、セラミックス回路基板を製造した。

銅板１の対角線に沿ってコンターマシンで切断し断面を露出させ、金属顕微鏡で断面観察を行った（図６）。断面観察の結果から、銅板１の端面は、端面と第二の面との境界、及び、端面と第一の面との境界よりも、前記金属部材の外側に位置する凸部を有する形状となっていること、並びに、銅板の端面は、内側に凹の第一曲面、第一曲面よりも第一の面側に位置し銅板の内側に凹の第二曲面、第一曲面と第二曲面に挟まれた稜線を有することが確認された。また、図６の写真の例では、得られた断面写真の画像から、交線Ｌの長さを算出したところ、交線Ｌの長さは２．０８ｍｍであった。また、ｘ／ｄは、２．６であった。また、銅板端面と第一の面との境界と、凸部の頂点との水平間距離は１００μｍであった。

＜ろう材はい上がり性＞
得られたセラミックス回路基板のろう材はい上がり性について、外観観察を行ったところ、実施例１～２では、ろう材が銅板の第二の面（上面）にはい上がる、ろう材のはい上がりの発生は確認されなかった。比較例１～３では、ろう材のはい上がりの発生は確認された。

この出願は、２０２０年３月３０日に出願された日本出願特願２０２０－０５９７９５号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１０ セラミックス基板
１１ 第一の面
１２ 第二の面
２０ ろう材
３０ 金属部材
３１ 第一の面
３２ 第二の面
３３ 端面
３４ 境界
３５ 境界
３６ 凸部
３７ 凹部
３８ 第二曲面
３９ 第一曲面
４０ 稜線
４１ 変曲点
１００ セラミックス回路基板

Claims (6)

1. セラミックス基板の少なくとも一面にろう材を介して板状の金属部材を接合してなるセラミックス回路基板において、
   前記金属部材はセラミックス基板に対向する第一の面と、当該第一の面とは逆の第二の面と、その両面の外周端の相互間に存する端面とを有し、
   前記金属部材は上面視において多角形であって、その対角線に沿った厚み方向のいずれかの切断面において、前記切断面と前記端面とが成す交線Ｌの長さをｘｍｍとし、前記金属部材の厚みをｄｍｍとしたとき、ｘ／ｄが１．５以上３．０以下であり、
   前記端面は、前記端面と前記第二の面との境界よりも前記金属部材の外側に位置する凸部を有する、セラミックス回路基板。
2. 当該端面は、当該端面と第二の面との境界よりも金属部材の内側に位置する凹部を有する請求項１に記載のセラミックス回路基板。
3. 前記凸部は前記端面の周全体にわたって周回するように設けられている、請求項１または２に記載のセラミックス回路基板。
4. 請求項１～３までのいずれか一項に記載のセラミックス回路基板を備える電子デバイス。
5. セラミックス基板の一面にろう材で接合される板状の金属部材であって、
   前記金属部材はセラミックス基板に対向する第一の面と、当該第一の面とは逆の第二の面と、その両面の外周端の相互間に存する端面とを有し、
   前記金属部材は上面視において多角形であって、その対角線に沿った厚み方向のいずれかの切断面において、
   前記切断面と前記端面とが成す交線Ｌの長さをｘｍｍとし、前記金属部材の厚みをｄｍｍとしたとき、ｘ／ｄが１．５以上３．０以下であり、
   前記端面は、前記端面と前記第二の面との境界よりも前記金属部材の外側に位置する凸部を有する、金属部材。
6. 前記凸部は前記端面の周全体にわたって周回するように設けられている、請求項５に記載の金属部材。

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