接合冶具およびそれを用いた接合冶具ユニット
【課題】セラミックス基板の一面に未溶融のろう材を介し金属基板が配置された被接合体を２層以上積層し加熱して接合する場合において、積層された各層の被接合体におけるろう材の濡れ拡がり量のバラツキを抑制可能な接合冶具を提供する。
【解決手段】セラミックス基板の一面に未溶融のろう材を介し金属基板が配置された被接合体を加熱接合する接合冶具であって、２層以上積層された前記被接合体が載置される平板状の第１部材１ａと、前記被接合体を積層方向に加圧する加圧部材３とを備え、被接合体に作用する加圧力がろう材面積当たり１０．０〜１００．０ｇｆ／ｃｍ２、第１部材に載置された被接合体のうち最も上層の被接合体に作用するろう材面積当たりの加圧力をＰ１、最も下層の被接合体に作用するろう材面積当たりの加圧力をＰ２としたときに、Ｐ２／Ｐ１≦１０となるよう構成されていることを特徴とする接合冶具である。
【解決手段】セラミックス基板の一面に未溶融のろう材を介し金属基板が配置された被接合体を加熱接合する接合冶具であって、２層以上積層された前記被接合体が載置される平板状の第１部材１ａと、前記被接合体を積層方向に加圧する加圧部材３とを備え、被接合体に作用する加圧力がろう材面積当たり１０．０〜１００．０ｇｆ／ｃｍ２、第１部材に載置された被接合体のうち最も上層の被接合体に作用するろう材面積当たりの加圧力をＰ１、最も下層の被接合体に作用するろう材面積当たりの加圧力をＰ２としたときに、Ｐ２／Ｐ１≦１０となるよう構成されていることを特徴とする接合冶具である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックス基板の一面に未溶融のろう材を介し金属基板が配置された被接合体を、活性金属法により接合する接合冶具およびそれを用いた接合冶具ユニットに係わる発明である。
【背景技術】
【０００２】
上記技術分野に係わる先行技術が、下記特許文献１に開示されている。特許文献１に開示された接合冶具は、「セラミック基板と金属板とをろう材を介して接触させて積層構造体を形成するとともに、複数の前記積層構造体を高温下で加圧接合して回路基板を製造する回路基板接合治具であって、前記積層構造体を挟持する第１挟持部材及び第２挟持部材と、 一端側が前記第２挟持部材に固定されるとともに、他端側が前記第１挟持部材を貫通する複数の支柱部材と前記第１挟持部材よりも前記支柱部材の他端側に固定される固定部材と、 前記第１挟持部材の前記固定部材側を向く面に配置された膨張部材と、前記固定部材と前記膨張部材との間に介装されたバネ部材とを備え、前記バネ部材がカーボンコンポジットからなり、前記膨張部材が前記支柱部材よりも線膨張係数の高い材料からなることを特徴とする回路基板接合治具」、である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２３８８９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１の接合冶具によれば、本願で言う被接合体である積層構造体の拘束力が緩むことなく、セラミック基板と金属基板とを確実に接合することができるものの、依然として問題があった。従来技術の問題点について、図６を参照して説明する。
【０００５】
図６（ｅ）において符号Ｗで示す、セラミックス基板Ｗｂの上面（一面）に、半導体素子などが搭載される回路パターンとしての２種の異なった形状の第１の金属基板Ｗａ−１および第２の金属基板Ｗａ−２が、各々、その下方に配置されたろう材層Ｍ１およびＭ２を介して接合されたセラミックス回路基板（以下回路基板という場合がある。）を製造する場合を想定する。なお、図６（ｅ）では不図示であるが、セラミックス基板Ｗｂの下面（他面）にもろう材層Ｍ３を介し放熱板として機能する平板状の金属基板Ｗｃが接合されている（図６（ｂ）参照）。また、第１の金属基板Ｗａ−１と第２の金属基板Ｗａ−２との相対する端面（側面）は、両者間の電気的絶縁性を確保するため間隙Ｓを介し対面しており、その寸法は概ね０．５〜１０ｍｍ程度である。以下の説明では、従来技術の問題点を明らかにするため、矩形状をなす小判の金属基板とセラミックス基板とを接合し一個の回路基板Ｗを形成するプロセスを例として説明するが、本発明はこれに限定されず、矩形状をなす大判の金属基板とセラミックス基板を接合して大型の接合基板を形成し、この接合基板を分割して複数の回路基板Ｗを形成する多数個取りのプロセスについても適用することができる。
【０００６】
上記回路基板Ｗは、接合工程・回路パターン形成工程・ろう材除去工程を経て形成される。活性金属法を用いた接合工程においては、図６（ａ）に示すように、回路基板Ｗのろう材層Ｍ１およびＭ２の形状に対応した印刷パターンで、間隙ｓが形成されるように上面に所定の厚みでろう材ｍ１およびｍ２を塗布するとともに下面にも所定の厚みでろう材ｍ３（図６（ｂ）参照）を塗布した矩形状のセラミックス基板Ｗｂを複数枚用意する。そして、この複数枚のセラミックス基板Ｗｂの上面と下面に、ろう材ｍ１〜ｍ３を介し矩形状の金属基板Ｗａ・Ｗｃを配置することにより被接合体ｗ１〜ｗｎを形成する。
【０００７】
次いで、図６（ａ）のＤ−Ｄ断面である図６（ｂ）に示すように、上記被接合体ｗ１〜ｗｎを、被接合体ｗ１を最上層、被接合体ｗｎを最下層とし複数枚積層する。なお、被接合体ｗ１〜ｗｎの各々の間には被接合体ｗ１〜ｗｎ同士が付着することを防止するためプレートＴが介在されている。
【０００８】
上記の態様で積層された被接合体ｗ１〜ｗｎを、非酸化雰囲気下に置き、ろう材ｍ１〜ｍ３が溶融する温度で加熱しつつ最上段の被接合体ｗ１の表面に対し圧力Ｙを印加し、その後適宜な温度パターンで冷却することによりろう材層Ｍ１〜Ｍ３を形成し、各々のセラミックス基板Ｗｂと金属基板Ｗａ・Ｗｃとを接合して接合体Ｗ１〜Ｗｎを得る。ここで、最上層の被接合体ｗ１には加圧力として圧力Ｙのみが作用するが、それよりも下層の被接合体には、その被接合体よりも上方にある被接合体およびプレートＴの重量が圧力Ｙに加算され加圧力として作用することとなる。そして、この加圧力を受けて加熱溶融したろう材ｍ１〜ｍ３は、セラミックス基板Ｗｂよりも濡れ易い金属基板Ｗａ・Ｗｃの表面に付着しつつ水平方向に濡れ広がっていくが、図６（ｂ）に示すように、加圧力の低い最上層の被接合体ｗ１においてはろう材ｍ１・ｍ２の濡れ拡がり量がｔ１と小さい。一方で、下層の被接合体となるほど加圧力が増加するため濡れ拡がり量が増加し、加圧力の高い下層の被接合体ｗｎのろう材ｍ１・ｍ２の濡れ拡がり量は大きくｔ２となる。
【０００９】
ろう材ｍ１・ｍ２の濡れ拡がり量ｔ２が過大な場合には、図６（ｂ）において符号ｆ１で示すように、濡れ広がったろう材ｍ１・ｍ２が金属基板Ｗａの側面に回りこみ、その一部が金属基板Ｗａの外周縁部の上面まで達する状態となることがある。また、図６（ｂ）において符号Ｃで示す領域の拡大図である図６（ｃ）に示すように、隣接するろう材ｍ１・ｍ２の濡れ広がった端が連結して下方に垂れ下がり、その先端ｆ２がセラミックス基板Ｗｂの表面に付着する場合がある。
【００１０】
接合工程に次いで、図６（ｅ）に示す回路基板Ｗの第１の金属基板Ｗａ−１および第２の金属基板Ｗａ―２を形成するための回路パターン形成工程が行われる。この回路パターン形成工程では、第１の金属基板Ｗａ−１及び第２の金属基板Ｗａ−２の形状に対応したレジスト膜を接合体Ｗ１〜Ｗｎの金属基板Ｗａの表面（上面）に形成した後、例えば金属基板Ｗａが銅基板である場合には塩化第２鉄を含むエッチング液を用いてエッチング処理し、間隙Ｓを形成することで金属基板Ｗａを分割し、第１の金属基板Ｗａ−１および第２の金属基板Ｗａ―２を形成する。
【００１１】
図６（ｄ）に示すように、回路パターン形成工程で形成された第１の金属基板Ｗａ−１および第２の金属基板Ｗａ−２の側面からはみ出たろう材層Ｍ１・Ｍ２は、両者の電気的絶縁性を確保するため、第１の金属基板Ｗａ−１および第２の金属基板Ｗａ−２の側面の側面からろう材層Ｍ１・Ｍ２がはみ出さないよう、ろう材除去工程において、例えばＣｕおよびＡｇを主体とし活性金属としてＴｉを含むろう材層Ｍ１・Ｍ２の場合には、過酸化水素および酸性フッ化アンモニウムを含むろう材除去液で除去される。
【００１２】
ここで、上記接合工程の説明において触れたように、積層された被接合体ｗ１〜ｗｎでは、ろう材ｍ１・ｍ２の濡れ拡がり量が層ごとに異なるため、第１の金属基板Ｗａ−１および第２の金属基板Ｗａ−２の側面からはみ出たろう材層Ｍ１・Ｍ２のはみ出し量が各層で異なり、ろう材層Ｍ１・Ｍ２を除去すべき量が接合体Ｗ１〜Ｗｎごとに相違することとなる。そのため、接合体Ｗ１〜Ｗｎにおいて、同一の除去条件でろう材層Ｍ１・Ｍ２を除去した場合には、下層の接合体では、ろう材層Ｍ１・Ｍ２の除去量が不足し両者が接近するため、回路基板Ｗの絶縁特性が劣化する可能性がある。この絶縁特性が劣化という問題は、近年の回路基板Ｗの小型化の要請により、第１の金属基板Ｗａ−１および第２の金属基板Ｗａ−２の間隙Ｓがより狭小となる傾向にあり、顕在化している。また、上記の問題は、接合体Ｗ１〜Ｗｎごとにろう材層Ｍ１・Ｍ２の除去条件を設定すれば解消できるが、製造プロセスが複雑化し、回路基板Ｗの高コスト化を招来する。なお、下層の被接合体ｗｎにおけるろう材の濡れ拡がり量を抑制するため印加する圧力Ｙを低くした場合には、上層の被接合体ｗ１の加圧力が不足し、ろう材層Ｍ１・Ｍ２と金属基板Ｗａの接合界面に空孔が生じ、良好な接合強度を得ることができない。
【００１３】
加えて、図６（ｂ）を参照し説明したように、ろう材ｍ１・ｍ２の濡れ拡がりにより金属基板Ｗａの外周縁部の上面に付着したろう材ｆ１が存在する場合、このろう材ｆ１により、回路パターン形成工程における金属基板Ｗａの除去が阻害されるため、図６（ｅ）において符号Ｆ１で例示するように、第２の金属基板Ｗａ−２の外周縁部に未除去部が生じ、所望の回路パターンを形成できなくなる可能性がある。さらに、図６（ｃ）を参照し説明したように、ろう材ｍ１・ｍ２の濡れ拡がりによりセラミックス基板Ｗｂの表面に付着したろう材ｆ２が存在する場合、ろう材ｆ２はろう材除去工程において除去され難く、図６（ｅ）に示すように、回路基板Ｗにおいて第１の金属基板Ｗａ−１と第２の金属基板Ｗａ−２との間隙Ｓの間にろう材残留物Ｆ２が残留する可能性がある。第１の金属基板Ｗａ−１と第２の金属基板Ｗａ−２との絶縁特性を確保する間隙Ｓに、導体であるろう材残留物Ｆ１が存在すると、回路基板Ｗの絶縁特性が劣化する。
【００１４】
本発明は、上記従来技術の問題点を発明者らが鋭意検討してなしたものであり、セラミックス基板の一面に未溶融のろう材を介し金属基板が配置された被接合体を２層以上積層し加熱して接合する場合において、積層された各層の被接合体におけるろう材の濡れ拡がり量のバラツキを抑制可能な接合冶具およびその接合冶具を用いた接合冶具ユニットを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成する本発明の一態様は、セラミックス基板の一面に未溶融のろう材を介し金属基板が配置された被接合体を加熱接合する接合冶具であって、２層以上積層された前記被接合体が載置される平板状の第１部材と、一面が、第１部材の一面に相対するように配置されるとともに、第１部材に載置された被接合体のうち最も上層の被接合体の上方に位置するよう配置される平板状の第２部材と、第１部材と第２部材の間に介在し第２部材を支持する支持部材と、第２部材に配置され前記被接合体を積層方向に加圧する加圧部材とを備え、被接合体に作用する加圧力がろう材面積当たり１０．０〜１００．０ｇｆ／ｃｍ２、第１部材に載置された被接合体のうち最も上層の被接合体に作用するろう材面積当たりの加圧力をＰ１、最も下層の被接合体に作用するろう材面積当たりの加圧力をＰ２としたときに、Ｐ２／Ｐ１≦１０となるよう構成されていることを特徴とする接合冶具である。
【００１６】
加熱接合する際の被接合体の外縁部の変形を防止するため、上記接合冶具の前記第２部材の上方から見た平面視において、前記加圧部材は、前記被接合体の外周縁に沿い配置されていることが望ましい。
【００１７】
さらに、加圧部材を収納する収納箱を有し、第２部材の一面には、収納箱を案内する案内溝が設けられていることが、作業効率の面から望ましい。
【００１８】
さらに加えて、被接合体に作用する加圧力の調整を容易にするためには、被接合体のセラミックス基板または金属基板の表面に接触する状態で配置される複数枚のプレートを有し、その複数枚のプレートは、所定の質量を有する第１のプレートと、前記第１のプレートとは質量の異なる第２のプレートとで構成されていることが望ましい。
【００１９】
上記目的を達成する本発明の別の態様は、上記いずれかの接合冶具を複数個積層した接合冶具ユニットである。この接合冶具ユニットにおいて、下段の接合冶具の第２部材は、その上段の接合冶具の第１部材を兼ねていることが、接合冶具ユニットの低背化のためには望ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、その目的を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係わる一実施態様の接合冶具の正面図である。
【図２】一部を切り欠いた図１の右側面図である。
【図３】図１のＡ−Ａ矢視図である。
【図４】図１のＢ部拡大図である。
【図５】図１の接合冶具を用いた接合冶具ユニットの正面図である。
【図６】従来技術の問題点を説明するとともに、図１の接合冶具で接合される被接合体の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明に係わる接合冶具およびそれを用いた接合冶具ユニットついて、その実施態様に基づき図面を参照しつつ説明する。なお、本発明は、以下説明するその実施態様に限定されることなく、その作用効果を奏する限り、その技術的思想において同一の範囲で適宜変形して実施することが可能である。
【００２３】
本発明の一実施態様である接合冶具について図１〜４を参照しつつ説明する。
【００２４】
［被接合体］
本態様の接合冶具１０においては、図１に示すように、図６（ａ）に示したものと同様な被接合体ｗ１〜ｗｎの接合処理を行うものである。すなわち、図１に示すように、活性金属法を用いて接合される接合体Ｗ１〜Ｗｎが形成される被接合体ｗ１〜ｗｎは、各々、最終製品としての回路基板のろう材層のパターンに対応し、ろう材ｍ１〜ｍ３が上面および下面に塗布された矩形状のセラミックス基板Ｗｂと、ろう材ｍ１〜ｍ３を介しセラミックス基板Ｗｂに配置された矩形状の金属基板Ｗａ・Ｗｃとを有している。
【００２５】
焼結体であるセラミックス基板Ｗｂを構成するセラミックスとしては、例えば酸化アルミニウム（アルミナ：Ａｌ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ジルコニア：ＺｒＯ２）その他の酸化物系セラミックス、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化チタン（ＴｉＮ）その他の窒化物系セラミックス、炭化珪素（ＳｉＣ）、炭化チタン（ＴｉＣ）その他の炭化物系セラミックス、その他硼化物系セラミックスなど各種のセラミックスを回路基板の用途・使用条件に応じ適宜利用することができる。しかしながら、高電圧・大電流が負荷されるパワー半導体モジュール（ＩＧＢＴモジュール）等に使用される回路基板を構成するセラミックス基板Ｗｂは、窒化アルミニウムや窒化珪素、特に強度が高く破壊靭性および熱伝導性に優れた窒化珪素で構成することが望ましい。
【００２６】
上記セラミックス基板Ｗｂの両面に配置される金属基板Ｗａ・Ｗｃとしては、ろう材ｍ１〜ｍ３が接合でき且つ金属基板Ｗａ・Ｗｃの融点がろう材ｍ１〜ｍ３よりも高ければ特に制約はなく、例えば銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、銀、銀合金、ニッケル、ニッケル合金、ニッケルメッキを施したモリブデン、ニッケルメッキを施したタングステン、ニッケルメッキを施した鉄合金等を用いることが可能である。この中でも銅を金属部材として用いることが、電気的抵抗及び延伸性、高熱伝導性（低熱抵抗性）、マイグレーションが少ない等の点から最も好ましい。また、アルミニウムを金属部材として用いることは、電気的抵抗、高熱伝導性（低熱抵抗性）は、銅に劣るものの、アルミニウムが持つ塑性変形性を利用して、冷熱サイクルに対する実装信頼性を有する点で好ましい。その他にも電気的抵抗を重視すれば銀を用いることも好ましく、また電気的特性よりも接合後の信頼性を考慮する場合にはモリブデンやタングステンを用いれば、それらの熱膨張率が窒化アルミニウム、窒化珪素に近いことから接合時の熱応力を小さくすることができるので好ましい。なお、セラミックス基板Ｗｂと金属基板Ｗａ・Ｗｃの厚みは、冷熱サイクル等で作用する熱応力や搭載される半導体素子が生じる熱の伝導性などを考慮し適宜設定されるが、セラミックス基板Ｗｂの厚みを０．１５〜０．８ｍｍの範囲とする一方で、金属基板Ｗａ・Ｗｃの厚みを０．２〜１．５ｍｍの範囲として、両者を組み合わせると熱膨張差による変形などの影響が少なくなる。
【００２７】
回路基板Ｗにおいてろう材層Ｍ１〜Ｍ３を構成するため、被接合体ｗ１〜ｗｎにおいてセラミックス基板Ｗｂと金属基板Ｗａ・Ｗｃとの間に介在されるろう材ｍ１〜ｍ３としては、代表的には、高強度・高封着性等が得られる、共晶組成であるＡｇとＣｕを主体としＴｉ・Ｚｒ・Ｈｆ等の活性金属を添加したＡｇ−Ｃｕ系活性ろう材、さらにセラミックス基板Ｗｂと金属基板Ｗａ・Ｗｃの接合強度の観点から好ましくはこれにＩｎが添加された三元系のＡｇ−Ｃｕ−Ｉｎ系活性ろう材を使用することができる。なお、セラミックス基板Ｗｂと金属基板Ｗａ・Ｗｃの接合強度の観点から、ろう材層ｍ１〜ｍ３の厚みは、２０〜８０μｍであることが好ましい。また、ろう材を溶融するための加熱温度は、一般的な温度範囲である、ろう材の融点より２５〜７５℃高い範囲で設定すればよい。加熱温度が融点より２５℃未満であるとろう材の溶融が充分でなくセラミックス基板Ｗｂと金属基板Ｗａ・Ｗｃとの接合強度が低下する虞がある。一方で、融点より７５℃を超えると溶融したろう材が濡れ拡がりやすい。なお、本発明に係わる接合冶具によれば、上記範囲の加熱温度であれば同様な効果を奏することができる。
【００２８】
ここで、ろう材ｍ１〜ｍ３としてＡｇ−Ｃｕ−Ｉｎ系活性ろう材を使用する場合には、Ａｇ：５５〜８０質量％、Ｉｎ：１〜５質量％、酸素含有量０．１質量％以下、残部Ｃｕ及び不可避不純物からなる平均粒子径１５〜４０μｍの合金粉末１００質量部に対し、さらに平均粒子径１〜１５μｍのＡｇ粉末粒子を５〜３０質量部および４５μｍ以下の粒子サイズが８５％以上の活性金属水素化物を０．５〜５質量部添加し、前記合金粉末粒子間の間隙を埋めるようにＡｇ粉末粒子および活性金属水素化物を混合してなるろう材を使用することが好ましい。さらに、活性金属水素化物を構成する活性金属としては、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆなど周期律表第ＩＶａ族に属する元素を用いることができるが、この中でも特にＴｉはセラミックス基板Ｗｂとして窒化アルミニウム基板や窒化珪素基板を用いた場合にその反応性が高く接合強度を高くすることができる。したがって、活性金属水素化物としては、ＴｉＨ（水素化チタン）を使用することが望ましい。さらに、合金粉末と添加したＡｇ粉末、活性金属水素化物からなる混合粉末中に占めるＩｎおよび活性金属水素化物を除いた、ＡｇとＣｕの組成比は、ＡｇとＣｕの合計重量を１００質量％（ＡｇとＣｕで１００％）としたとき、Ａｇを５７〜８５質量％、Ｃｕを１５〜４３質量％とすることが好ましい。
【００２９】
この組成比の範囲では、加熱冷却後のろう材表面部の凹凸形状の抑制に効果があり、更には、Ａｇ−Ｃｕ状態図おける共晶組成(７２％Ａｇ−２８％Ｃｕ)よりもＡｇ−ｒｉｃｈ側の固液共存組成域において、処理温度を任意に選択することで、接合処理時の融液量を調整することができ、これにより、ろう材の流れ出し現象を抑制することが可能となる。ここで用いられるＡｇ−Ｃｕ−Ｉｎからなる合金粉末は、スクリーン印刷を行う場合のパターン印刷精度や接合する銅板への流れ出しを抑制する上で平均粒径１５〜４０μｍの粉末を使用することが好ましく、さらに２０〜３０μｍ程度の粉末を使用することがより好適である。
【００３０】
粉末状のままのろう材ｍ１〜ｍ３を所定の印刷パターンでセラミックス基板Ｗｂに塗布することは困難であるため、ペースト化したろう材ｍ１〜ｍ３（ろう材ペースト）をスクリーン印刷法などでセラミックス基板Ｗｂに塗布することが通例である。このろう材ペーストは、上記粉末状のろう材ｍ１〜ｍ３、メチルセルソルブ、エチルセルソルブ、イソホロン、トルエン、酢酸エチル、テレピネオール、ジエチレンングリコール・モノブチルエーテル、テキサノールその他有機溶剤、ポリイソブチルメタクリレート、エチルセルロース、メチルセルロース、アクリル樹脂その他高分子化合物からなるバインダー、および粉末状のろう材ｍ１〜ｍ３の分散性を改善するために必要に応じ分散剤を、ボールミル、アトライター等の撹拌機を用いて混合し、形成することができる。
【００３１】
接合工程における濡れ拡がりを抑制する観点から、ろう材ペーストの粘度は２０〜２００Ｐａ・ｓの範囲とすることが好ましい。ろう材ペーストの粘度が２０Ｐａ・ｓ未満であると流動性が高すぎるため、接合工程の初期段階において加圧によりろう材ペーストが拡がり易く、また保形性に欠けるため印刷後のろう材ペーストの形状精度を維持できない。さらに、ろう材ペーストの粘度が低いと、形成後のろう材層に空孔が生じやすい傾向にある。一方で、粘度が２００Ｐａ・ｓを越えると保形性が高すぎるため、印刷後のろう材ペーストの厚みが厚くなり、接合工程の初期段階において加圧によりろう材ペーストが拡がり易くなる。加えて、ろう材ペーストの粘度が高い場合は、スクリーン印刷法で印刷する場合に、スクリーンマスクの目開きにろう材ペーストが導入されがたく、印刷パターンに擦れなどが生じる可能性もある。このような範囲の粘度を有するろう材ペーストは、有機溶剤を５〜１５質量％の範囲、バインダーを１〜５質量％の範囲で配合することにより、形成することができる。さらに、この範囲でバインダーを配合することにより、接合工程におけるバインダーの除去が速やかに行われ好適である。
【００３２】
［接合冶具］
上記被接合体ｗ１〜ｗｎのセラミックス基板Ｗｂと金属基板Ｗａ・Ｗｃとを接合させ接合体Ｗ１〜Ｗｎを形成する接合冶具１０の構成について以下説明する。接合冶具１０の正面図である図１、一部を切り欠いた図１の右側面図である図２、図１のＡ−Ａ矢視図である図３において、符号１ａは、本体部１を構成する、主面が水平な状態で積層された複数の被接合体ｗ１〜ｗｎが載置される平板状の第１部材である。なお、以下の説明では、平面図である図３に示す接合冶具１の奥行方向の位置関係を、図示のとおり、紙面下方である正面を「前」、上方である背面を「後」と称することとする。
【００３３】
被接合体ｗ１〜ｗｎは、図示のように最上層が被接合体ｗ１、最下層が被接合体ｗｎとなるよう積層されており、各層の被接合体ｗ１〜ｗｎの間には相互の固着を防止するため接合工程における高温加熱により金属基板Ｗａ・Ｗｃと反応しない例えばセラミックスやカーボン等で構成された重量の異なる２種の第１のプレートＴ１および第２のプレートＴ２が被接合体ｗ１〜ｗｎと密着する状態で介在されている。なお、第１のプレートＴ１に対し第２のプレートＴ２は軽量であるが、その理由は後述する。
【００３４】
図において符号１ｂは、第１部材１ａの上面に下面が相対するように配置された平板状の第２部材である。第２部材１ｂは、第１部材１ａに載置された被接合体ｗ１〜ｗｎのうち最も上層の被接合体ｗ１の上方に位置するよう、その下面と被接合体ｗ１の上面（金属基板Ｗａの上面）との間に一定の間隙が形成される状態で配置される。
【００３５】
図において符号１ｃ・１ｆ・１ｇは、第１部材１ａと第２部材１ｂとの間に介在され第２部材１ｂを支持する支持部材である。下面が第１部材１ａの上面に接するように立設され固定された略円柱形状をなす支持部材１ｃ・１ｆ・１ｇは、図３に示すように、矩形状をなす第１部材１ａの３辺、具体的には左辺に沿い支持部材１ｃが、後辺に沿い支持部材１ｆが、右辺に沿い支持部材１ｇが、各々３本ほぼ等間隔で並設されている。なお、被接合材ｗ１〜ｗｎを第１部材１ａに載置するため、第１部材１ａの前辺には支持部材は配置されていない。そして、上記態様で配置されたほぼ同一長さの各支持部材１ｃ・１ｆ・１ｇの上面は、第２部材１ｂの下面に接する状態で配置されているとともに、第２部材１ｂに形成された不図示の貫通孔を通して挿入された螺子部を有する螺子１ｄで各々固定されている。
【００３６】
上記のように支持部材１ｃ・１ｇ・１ｆを略円柱形状とし、３本の支持部材１ｃ・１ｇ・１ｆの間に隙間が形成されるよう配置することにより、被接合体ｗ１〜ｗｎが配置される支持部材１ｃ・１ｇ・１ｆの内部と外部との気体の流通性が確保される。ここで、ろう材ｍ１〜ｍ３としてろう材ペーストを使用する場合、このろう材ペーストに含まれるバインダーは接合工程における加熱によりガス化し、ろう材ペーストから放出（脱脂）されるが、気体の流通性を確保した上記支持部材１ｃ・１ｇ・１ｆの配置構成により、ろう材ペーストからガスが円滑に放出されるので、溶融したろう材ｍ１〜ｍ３にガスが留まり、その後形成されるろう材層に空孔が生成することを抑制することができる。
【００３７】
図において符号３は、第２部材１ｂに配置された、加圧部材が組み込まれた加圧部である。図１のＢ部の拡大図である図４に示すように、加圧部３は、加圧部材として弾性を有する圧縮バネ３ａと、圧縮バネ３ａが伸縮自在に収められる有底の収納孔部３ｃが形成された収納容器３ｂ・３ｄ・３ｅとを有している。そして圧縮バネ３ａが収められた収納容器３ｂ・３ｄ・３ｅは、接合冶具１０の正面から背面に向かい第２部材１ｂの下面に形成された凹状の案内溝１ｅに装着される。収納容器３ｂ・３ｄ・３ｅが案内溝１ｅに装着され、第２部材１ｂの案内溝１ｅの上面と収納容器３ｂ・３ｄ・３ｅの収納孔部３ｃの底面との間において所定の量だけ圧縮された状態となるよう圧縮バネ３ａが配置されたときに、所定の力が生じるよう圧縮バネ３ａは設定されている。したがって、圧縮バネ３ａで生じた力は加圧力として、最上層の被接合体ｗ１の上方に密着して配置された第１のプレートＴ１を通じ、被接合体ｗ１〜ｗｎに作用することとなる。
【００３８】
ここで、加圧部材である圧縮バネ３ａを収納容器３ｂ・３ｄ・３ｅに配置することは必須ではないが、第２部材１ｂをわざわざ取り外すことなく、被接合体ｗ１〜ｗｎを第１部材１ａに積層した後、形状や姿勢を適切に保持しつつ簡便に圧縮バネ３ａを配置でき好ましい。また、第２部材１ｂに凹溝１ｅを設けることも必須ではないが、圧縮バネ３ａの配置位置を凹溝１ｅで正確に位置決めして被接合体ｗ１〜ｗｎにおいて加圧力が負荷される位置を常に一定とできるので好ましい。
【００３９】
さらに、図３に示すように、本態様の接合冶具１では好ましい構成として、平面視において、被接合体ｗ１〜ｗｎの外周縁に沿い圧縮バネ３ａを配置している。具体的には、接合冶具１は、図１および３に示すように、３個の収納孔部３ｃが形成された３個の長尺箱状の収納容器３ｂ・３ｄ・３ｅと、収納容器３ｂ・３ｄ・３ｅが各々装着される、第２部材１ｂに形成された３条の案内溝１ｅを有している。収納容器３ｂ・３ｄ・３ｅに形成された３個の収納孔部３ｃは、第１部材１ａに載置された被接合体ｗ１〜ｗｎに対し、奥行方向において、その後辺ｈ２と前辺ｈ４の内側近傍およびそれらの中央に位置するよう形成されている。また、収納容器３ｂ・３ｄ・３ｅが装着される３条の案内溝１ｅは、第１部材１ａに載置された被接合体ｗ１〜ｗｎに対し、水平方向において、その左辺ｈ１および右辺ｈ３の内側近傍およびそれらの中央に位置するよう形成されている。そして、収納容器３ｂ・３ｄ・３ｅの収納孔部３ｃには圧縮バネ３ａを配置するが、水平方向において中央に配置した収納容器３ｄの奥行方向において中央に形成した収納孔部３ｃには圧縮バネ３ａを配置しない。しかして、被接合体ｗ１〜ｗｎは、その４辺ｈ１〜ｈ４に沿い配置された圧縮バネ３ａにより外周縁部のみが高い加圧力で加圧され、その中央部を加圧する加圧力は外周縁部に比較し低いものとなる。ここで、セラミックス基板Ｗｂと金属基板Ｗａ・Ｗｃとの熱膨張率の差により、接合工程において被接合体ｗ１〜ｗｎは外周縁に向かうほど上方に反り、椀形状に変形しやすく、被接合体ｗ１〜ｗｎの全体を平均した加圧力で加圧した場合には、形成された接合体Ｗ１〜Ｗｎの平面度が低下する可能性がある。しかしながら、本態様の接合冶具１０によれば、被接合体ｗ１〜ｗｎの外周縁部をより高い加圧力で加圧するため、被接合体ｗ１〜ｗｎの椀形状の変形を矯正して適切な平面度を有する接合体Ｗ１〜Ｗｎを形成することができる。
【００４０】
なお、加圧部材としては圧縮バネ３ａに限定されず、例えば流体圧により伸縮する構成の加圧部材や適宜な弾性を有する弾性体を利用することができる。また、加圧部材を構成する材料としては、接合工程において負荷される高温に耐えうる材料であればよいが、例えば高温強度の高い材料であるセラミックスで加圧部材を形成すれば、使用中に破壊し難く、高温時における弾性率の変化が少ないので好ましい。
【００４１】
図において符号２ａ・２ｂは、本態様の接合冶具１０において好ましい構成要素として配置された、各々一定の厚みｔを有する矩形状の第１平板および第２平板である。図３に示すように、第１平板２ａは、その左側面（一方の面）２ｃが、第１部材１ａの左辺（一辺）に沿い配置された同一径の各支持部材１ｃの右方頂部に密接するように配置される。また、第２平板２ｂは、その後側面（一方の面）２ｅが、支持部材１ｃの並び方向に直交する方向である第１部材１ａの奥辺（他辺）に沿い配置された同一径の支持部材１ｆの前方頂部に密接するように配置される。このように配置された第１平板２ａおよび第２平板２ｂに対し、被接合体ｗ１〜ｗｎは、各々のセラミックス基板Ｗｂおよび金属基板Ｗａ・Ｗｃの左辺ｈ１が、第１平板２ａの左側面２ｃに相対する右側面（他方の面）２ｄに、その後辺ｈ２が、第２平板２ｂの後側面２ｅに相対する前側面（他方の面）２ｆに密着するよう配置される。そして、上記のように被接合体ｗ１〜ｗｎが配置された後、第１平板２ａおよび第２平板２ｂは接合冶具１０から各々水平方向に引き抜かれ、その結果、支持部材１ｃと被接合体ｗ１〜ｗｎの左辺ｈ１、支持部材１ｆと被接合体ｗ１〜ｗｎの上辺ｈ２、各々の間には、大きさがｔの間隙が形成される。
【００４２】
上記第１平板２ａおよび第２平板２ｂは被接合体ｗ１〜ｗｎを接合するうえで必ずしも備える必要はないが、接合工程における金属基板Ｗａ・Ｗｃの破損を抑制するためには有利である。すなわち、セラミックス基板Ｗｂに対し熱膨張率の大きな金属基板Ｗａ・Ｗｃは、接合工程における被接合体ｗ１〜ｗｎの加熱により膨張して水平方向に延びる。ここで、支持部材１ｃおよび１ｆと被接合体ｗ１〜ｗｎの間に、加熱による金属基板Ｗａ・Ｗｃの水平方向の膨張量を考慮した所定の間隙ｔを第１平板２ａおよび第２平板２ｂにより形成してある。その結果、熱膨張により延びた金属基板Ｗａ・Ｗｃの左辺ｈ１および上辺ｈ２が支持部材１ｃ・１ｆに触れることなく、金属基板Ｗａ・Ｗｃの損傷を防止することができる。
【００４３】
なお、上記第１部材１ａ、第２部材１ｂ、支持部材１ｃ・１ｆ・１ｇは、接合工程において負荷される６００〜８００℃程度の高温に耐え、変形し難い材料、例えばセラミックスやカーボンで形成することが好ましく、加工性が良好であり低コストで接合冶具１０を形成可能なカーボンで構成すれば好適である。
【００４４】
上記構成の接合冶具１０では、被接合体ｗ１〜ｗｎに作用する加圧力が、ろう材ｍ１〜ｍ３の面積当たり１０．０〜１００．０ｇｆ／ｃｍ２の範囲とする。加圧力が１０．０ｇｆ／ｃｍ２未満の場合には加圧が不足するため、接合後のろう材層とセラミックス基板Ｗｂまたは金属基板Ｗａ・Ｗｃとの接合界面に空孔が生じ、十分な接合強度を有する接合体Ｗ１〜Ｗｎを形成することができない。一方で、加圧力が１００．０ｇｆ／ｃｍ２を超える場合には加圧が過剰であり、ろう材ｍ１〜ｍ３の濡れ拡がりが大きくなり、上記説明したように回路基板の絶縁特性が劣化する可能性がある。同様な観点から加圧力は、３０．０〜８０．０ｇｆ／ｃｍ２の範囲とすることが望ましく、６０．０〜７０．０ｇｆ／ｃｍ２の範囲であれば好適である。
【００４５】
さらに、上記構成の接合冶具１０では、第１部材１ａに載置された被接合体ｗ１〜ｗｎのうち最も上層の被接合体ｗ１に作用するろう材ｍ１〜ｍ３の面積当たりの加圧力をＰ１、最も下層の被接合体ｗｎに作用するろう材ｍ１〜ｍ３の面積当たりの加圧力をＰ２としたときに、Ｐ２／Ｐ１≦１０となるよう構成されている。Ｐ２とＰ１の比が１０以下であることは、最上層の被接合体ｗ１から最下層の被接合体ｗｎに到る積層された各層の被接合体に作用する加圧力の差が極めて少なく、ろう材ｍ１〜ｍ３の濡れ拡がり量のバラツキが少ない被接合体ｗ１〜ｗｎを得ることができることを意味している。したがって、Ｐ２／Ｐ１の範囲が１０を超える場合には、ろう材ｍ１〜ｍ３の濡れ拡がり量のバラツキが増大し、ろう材除去工程において同一の条件で接合体Ｗ１〜Ｗｎのろう材層を除去した場合に、ろう材層のはみ出し量Ｌ（図６（ｄ）参照）が接合体Ｗ１〜Ｗｎごとに異なることとなり、上記したように最終製品である回路基板において金属基板Ｗａ・Ｗｃが熱応力により剥離したり、その絶縁特性が劣化する可能性がある。なお、同様な観点からＰ２／Ｐ１は５以下であることが望ましく、２以下であれば好適である。
【００４６】
ここで、被接合体ｗ１〜ｗｎへの加圧力は、加圧部材である圧縮バネ３ａの線径や有効巻き数などを適宜設定したり、被接合体ｗ１〜ｗｎの積層枚数を適宜設定することにより、上記の範囲となるよう調整することができる。しかしながら、各層の被接合体ｗ１〜ｗｎに作用する加圧力をより精度高く調整するためには、被接合体ｗ１〜ｗｎの各層の間に介在させる固着防止用のプレートとして、重量の異なる２種以上のプレートＴ１・Ｔ２を用いることが望ましい。すなわち、被接合体ｗ１〜ｗｎの相互の固着を防止するため基本的には第１のプレートＴ１を用いつつ、下層の被接合体に付加される加圧力を調整するため第１のプレートＴ１より軽量な第２のプレートＴ２を使用すれば良い。このようなプレートＴ１・Ｔ２の配置方法としては、例えば、図１に示すように、重量の大きな２枚の第１のプレートＴ１の間に、重量の小さな第２のプレートＴ２を配置するようにしてもよいし、また、上方から下方に向けて如々にプレートＴ１・Ｔ２の重量を減ずるようにしてもよい。なお、第１のプレートＴ１と第２のプレートＴ２の重量は、各々厚みを変えたりや密度の異なる材料で構成して、両者の重量を異ならせてもよい。さらに、第１のプレートＴ１と第２のプレートＴ２に孔部や凹部を形成して、両者の重量を異ならせてもよい。
【００４７】
［接合冶具ユニット］
上記説明した接合冶具１０を利用した接合冶具ユニットについて、その正面図である図５を参照して説明する。接合冶具ユニット２０は、図５に示すように、基本的に上記接合冶具１０と同様な構成の２式の接合冶具４０と５０を上下に組み合わせて形成されている。すなわち、上方に配置された接合冶具４０は、被接合体が載置される第１部材４ａと第１部材４ａに相対するように配置された第２部材４ｂとを備えた本体部１を有し、接合冶具４０の下方に配置された接合冶具５０も、被接合体が載置される第１部材５ａと第１部材５ａに相対するように配置された第２部材５ｂとを備えた本体部１を有している。ここで、接合冶具４０の第１部材４ａは、接合冶具５０の第２部材５ｂを兼ねている。このように複数の接合冶具４０・５０を組み合わせて接合冶具ユニット２０とすることにより、接合工程における被接合体の処理数を増加させて効率的に被接合体の接合を行えるとともに、接合冶具ユニット２０を低背化することにより接合冶具ユニット２０を収納する容量に限りのある加熱炉を有効に利用することができる。なお、このように２式の接合冶具４０・５０を組み合わせた接合冶具ユニット２０において、上記説明した加圧部３の構成は、第２部材４ｂ・５ｂをいちいち取り外すことなく、第１部材４ａ・５ａともに載置した状態で被接合体を加圧できる点で有利である。
【００４８】
［実施例］
以下、セラミックス基板である窒化珪素基板の両面に、回路基板および放熱基板として金属基板である銅基板を配置した被接合体を接合し、接合体を形成した場合の実施例について説明する。なお、本発明は、以下説明する実施例に限定されることは無い。
【００４９】
［実施例１〜５、比較例１・２］
窒化珪素基板は、以下の方法で形成した。窒化珪素粉末：９２〜９８質量％に対し、ＭｇＯ：１〜４質量％、および
Ｙ２Ｏ３：１〜４質量％の焼結助剤を添加した混合粉末を、エタノール・ブタノール溶液を満たしたボールミルの樹脂製ポット中に、前記混合粉末および粉砕媒体の窒化珪素製ボールを投入し、所定時間湿式混合した。次に、前記ポット中の混合粉末に対し、所定量のポリビニル系の有機バインダおよび可塑剤を添加し、次いで所定時間湿式混合し、シート成形用スラリーを得た。この成形用スラリーを脱泡、溶媒除去により粘度を調整し、ドクターブレード法によりグリーンシートを成形した。次に、成形したグリーンシートを空気中で加熱することにより有機バインダ成分を十分に脱脂（除去）し、次いで脱脂体を窒素雰囲気中において焼成した。得られた窒化珪素焼結体シートをサンドブラスト処理により表面性状を調整し、縦１２０ｍｍ、横１０５ｍｍ、厚さ０．３２ｍｍの窒化珪素基板を得た。なお、この窒化珪素基板は、図６（ｆ）に示すように、図６（ｅ）に示す回路基板Ｗが縦横に５４個並列するよう形成する多数個取りの窒化珪素基板Ｗｂである。
【００５０】
上記のように形成した窒化珪素基板の両面に、Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ系活性ろう材を含むろう材ペーストをスクリーン印刷で塗布し、その後、１２０℃の乾燥炉で３０分間乾燥し、ろう材ペースト中の溶媒を除去した。ここで、本実施例で使用したろう材ペーストは、Ａｇ：７０質量％、Ｉｎ：５質量％、酸素含有量０．１質量％以下、残部Ｃｕ及び不可避不純物からなる平均粒子径２０μｍの合金粉末１００質量部に対し、さらに平均粒子径１０μｍのＡｇ粉末粒子を１０質量部および４５μｍ以下の粒子サイズが８５％以上の水素化チタンを１質量部添加し、前記合金粉末粒子間の間隙を埋めるようにＡｇ粉末粒子および活性金属水素化物を混合してなる融点が７７０℃のろう材を、全ペーストに占める割合でバインダーとしてアクリル系樹脂を５質量％、溶剤としてα-テルピネオール１０質量％、分散剤０．１質量％と配合したのちプラネタリーミキサーを用いて混合を行い、粘度を５５Ｐａ・ｓとしたものである。また、銅基板Ｗａが配置される窒化珪素基板Ｗｂの上面には、図６（ａ）に示すパターンで５０μｍの厚みのろう材ペーストｍ１〜ｍ３を、多数個取りのために複数箇所、並列した状態で塗布した。ろう材ペーストの塗布面積は、上面に塗布したろう材ペーストｍ１・ｍ２が７４ｃｍ２、下面に塗布したろう材ペーストｍ３が７８ｃｍ２、両面合わせて１５２ｃｍ２であった。
【００５１】
次に、図１に示すように、窒化珪素基板Ｗｂに塗布したろう材ペーストｍ１〜ｍ３が、縦１１５ｍｍ、横１００ｍｍ、厚みが０．５ｍｍの金属基板である銅基板Ｗａ・Ｗｃと窒化珪素基板Ｗｂとの間に配置されるように銅基板Ｗａ・Ｗｃを窒化珪素基板Ｗｂの両面に重ね、被接合体ｗ１〜ｗｎを形成し、図１に示すように、１０〜４０枚の被接合体ｗ１〜ｗｎを接合冶具１０の第１部材１ａに積層した状態で載置した。被接合体１枚当たりの質量は、１２０ｇｆであった。なお、接合冶具１０としては、第１部材１ａ・第２部材１ｂその他各部材をカーボンで形成したものを使用し、厚みｔが３ｍｍの第１平板２ａおよび第２平板２ｂを用いて被接合体ｗ１〜ｗｎと支持部材１ｃ・１ｆとの間に間隙を形成した。圧縮バネ３ａは、図１のように配置し、０〜８０００ｇｆの荷重が作用するようにした。そして、表１に示すように、重量が３３０ｇｆの第１のプレートＴ１および１５０ｇｆの第２のプレートＴ２の使用枚数、圧縮バネによる荷重、被接合体の積層枚数を調整し、最上層の被接合体ｗ１および最下層の被接合体ｗｎに作用するろう材単位面積当たりの加圧力を、実施例１〜９および比較例１・２ごとに設定した。なお、第１のプレートＴ１および第２のプレートＴ２としては、表面にカーボンを被膜したステンレスの板材を使用し、異なる厚みの板材を使用することにより重量を変更した。また、第２のプレートＴ２を使用する場合には、最下層の被接合体Ｗｎを含む下層の被接合体の間に配置するようにした。
【００５２】
上記実施例１〜９および比較例１・２の条件で加圧された各被接合体ｗ１〜ｗｎを、融点時の真空度が１Ｐａ以下の非酸化雰囲気中において８２０℃で１時間、加熱した後、炉冷により冷却することにより、窒化珪素基板Ｗｂに銅基板Ｗａ・Ｗｃを接合し、接合体Ｗ１〜Ｗｎを形成した。この接合体Ｗ１〜Ｗｎのうち最上層および最下層の接合体Ｗ１・Ｗｎ各々８０枚について、ろう材の拡がり量ｔ１・ｔ２（図６（ｂ）参照）、および窒化珪素基板Ｗｂまたは銅基板Ｗａ・Ｗｃとろう材層Ｍ１・Ｍ２との接合界面に生じている空孔の直径（最大径）は、接合体Ｗ１〜Ｗｎを溶媒中に浸漬して超音波で測定する超音波探傷装置である日立建機製Ｍｉ−ｓｃｏｐｅで確認した。
【００５３】
最上層および最下層の接合体Ｗ１・Ｗｎにおけるろう材の濡れ拡がり量ｔ１・ｔ２は、上記接合後に測定したろう材の寸法から印刷後に測定したろう材の寸法を差し引いて求めた。なお、ろう材の濡れ広がり量ｔ１・ｔ２を測定した部位は、図６（ａ）・（ｂ）に示すセラミックス基板Ｗｂの上面に印刷されたロウ材ｍ１・ｍ２において、回路基板の電気的絶縁性に最も関係する間隙Ｓを形成する２辺に沿った部位であり、この２辺で測定された濡れ広がり量ｔ１・ｔ２うち最大値を求めた。それらの結果を表１に示す。なお、表中の数値は、一枚あたり５４個の回路基板Ｗが形成された各々８０枚の接合体Ｗ１・Ｗｎ、すなわち選択した接合体Ｗ１・Ｗｎに含まれる４３２０個の回路基板Ｗにおいて、ろう材拡がり量ｔ１・ｔ２が０．２ｍｍ以上のろう材層、直径（最大値）が２ｍｍ以上の気孔が形成された回路基板Ｗの個数を確認し求めた、ろう材拡がり率および気孔発生率である。
【００５４】
次いで、上記接合体Ｗ１・Ｗｎにエッチング処理を施し、窒化珪素基板の上面に接合された銅基板Ｗａに、図６（ｄ）に示す回路パターンＷａ−１、Ｗａ−２を形成した。具体的には、銅基板Ｗａの表面に、ＵＶ硬化型のエッチングレジストをスクリーン印刷法で所定のパターンで塗布し、その後、エッチング液である液温を５０℃に設定した塩化第２鉄（ＦｅＣｌ３）溶液（４６．５Ｂｅ）に接合体Ｗ１〜Ｗｎを浸漬し、回路パターンＷａ−１・Ｗａ−２・Ｗｃを形成した。なお、回路パターンＷａ−１とＷａ−２の間の間隙Ｓの大きさは、１ｍｍである。
【００５５】
上記エッチングレジストを除去した後、図６（ｄ）に示す回路パターンＷａ−１およびＷａ−２の間隙Ｓに残存する不要なろう材層Ｍ１・Ｍ２その他不要なろう材層を、過酸化水素および酸性フッ化アンモニウムを含むろう材除去液で除去した。その後、接合体Ｗ１・Ｗｎを切断することにより、各実施例１〜９および比較例１・２ごと、積層した各被接合体Ｗ１・Ｗｎ毎に４３２０個の回路基板Ｗを得た。この回路基板Ｗについて、耐熱サイクル試験および絶縁耐圧試験を行った。耐熱サイクル試験は、−４０℃での冷却を２０分、室温での保持を１０分および１２５℃での加熱を２０分とする昇温／降温サイクルを１サイクルとし、これを３０００回繰り返して回路基板に付与し、その窒化珪素基板にクラック等が発生する割合を確認した。また、絶縁耐圧試験は、５ｋＶの電圧を回路基板に１分間印加し、各層ごとの回路基板Ｗについて窒化珪素基板にクラック等が生じる割合を確認した。それらの結果を表１に示す。なお、表中の数値は、一枚あたり５４個の回路基板Ｗが形成された各々８０枚の被接合体Ｗ１・Ｗｎ、すなわち選択した接合体Ｗ１・Ｗｎに含まれる４３２０個の回路基板Ｗにおいて、耐熱サイクル試験において３０００回未満で窒化珪素基板にクラックが生じた回路基板Ｗの個数、絶縁耐圧試験で窒化珪素基板にクラックが生じた回路基板Ｗの個数を各々確認し求めた、絶縁不良発生率および耐熱サイクル不良発生率である。
【００５６】
［実施例６〜９］
ろう材ペーストの粘度を、２０、４０、８０および２００Ｐａ・ｓとした以外は、実施例１の条件と同様に接合体Ｗ１〜Ｗｎを作成し、上記と同様に最上層および最下層の接合体Ｗ１・Ｗｎの複数の回路基板Ｗについて各種特性を評価した。なお、粘度が２０Ｐａ・ｓのろう材ペーストは、全ペーストに占める割合でバインダーとしてアクリル系樹脂５質量％、溶剤としてα-テルピネオール１５質量％、粘度が４０Ｐａ・ｓのろう材ペーストは、アクリル系樹脂５質量％、溶剤としてα-テルピネオール１２質量％、粘度が８０Ｐａ・ｓのろう材ペーストは、アクリル系樹脂５質量％、溶剤としてα-テルピネオール８質量％、粘度が２００Ｐａ・ｓのろう材ペーストは、アクリル系樹脂５質量％、溶剤としてα-テルピネオール５質量％、加えて各々について分散剤０．１質量％と配合し、プラネタリーミキサーを用いて混合を行い、製造した。
【００５７】
【表１】
【００５８】
表１の実施例１〜７および比較例１・２により以下の知見が得られた。
【００５９】
［実施例１］
実施例１によれば、最上層の被接合体に作用する加圧力Ｐ１を１０．２ｇｆ／ｃｍ２、最下層の被接合体に作用する加圧力Ｐ２を９４．４ｇｆ／ｃｍ２、両者の比Ｐ２／Ｐ１が９．３とすることにより、ろう材拡がり率は、最上層の接合体では０％であったが、比較的加圧力の高い最下層の接合体では２５％であり、それに応じ絶縁不良発生率は最下層の被接合体に含まれる回路基板で０．１％であったが、工業生産上問題の無い値であった。また、気孔発生率は、比較的加圧力の低い最上層の接合体で６％、最下層の接合体で０％であり、それに応じ耐熱サイクル不良率は最上層の被接合体に含まれる回路基板で０．０６％であったが、工業生産上問題の無い値であった。
【００６０】
［実施例２］
最上層の被接合体に作用する加圧力Ｐ１を１０．２ｇｆ／ｃｍ２、最下層の被接合体に作用する加圧力Ｐ２を８４．９ｇｆ／ｃｍ２と実施例１に対し低目とし、両者の比Ｐ２／Ｐ１を８．３とした実施例２によれば、ろう材拡がり率は、最下層の接合体で１７％と低下し、それに伴い絶縁不良発生率は最下層の接合体に含まれる回路基板で０．０６％と改善された。一方で、実施例１に対し、最上層の接合体への加圧力の変化は無いため、気孔発生率および耐熱サイクル不良率は、実施例１と同等であった。
【００６１】
［実施例３］
最上層の被接合体に作用する加圧力Ｐ１を２５．２ｇｆ／ｃｍ２と実施例１に対し高目とし、最下層の被接合体に作用する加圧力Ｐ２を９４．７ｇｆ／ｃｍ２、両者の比Ｐ２／Ｐ１を３．８と加圧力Ｐ１とＰ２とを近接せしめた実施例３によれば、ろう材拡がり率は、最上層の接合体で０．６％と増加したが、絶縁不良発生率は実施例１と変わらず０％であった。一方で、最上層の接合体への加圧力を高めたため、実施例１に対し気孔発生率は１％と低くなり、それに伴い耐熱サイクル不良率は０．０１％と改善された。
【００６２】
［実施例４］
最上層の被接合体に作用する加圧力Ｐ１を４０．３ｇｆ／ｃｍ２と実施例１に対し高目とし、最下層の被接合体に作用する加圧力Ｐ２を８０．２ｇｆ／ｃｍ２と実施例１に対し低目とし、両者の比Ｐ２／Ｐ１を２．０と加圧力Ｐ１とＰ２とをより近接せしめた実施例４によれば、ろう材拡がり率は、最上層の接合体で２％と増加したが、絶縁不良発生率は実施例１と変わらず０％であった。一方で、加圧力の低下により最下層の接合体におけるろう材拡がり率は１２％と低下し、それに伴い絶縁不良発生率は０．０１％と改善された。さらに、最上層の被接合体への加圧力を高めたため気孔発生率は０．６％とより低くなり、耐熱サイクル不良率も０％と改善された。
【００６３】
［実施例５］
実施例５によれば、最上層の被接合体に作用する加圧力Ｐ１を５４．８ｇｆ／ｃｍ２と実施例１に対し高目とし、最下層の被接合体に作用する加圧力Ｐ２を７１．０ｇｆ／ｃｍ２と実施例１に対し低目とし、両者の比Ｐ２／Ｐ１を１．３とほぼ変わらないレベルとすることにより、ろう材拡がり率は、最上層の接合体で３％と増加したが、絶縁不良発生率は０％であった。一方で、加圧力の低下により最下層の接合体におけるろう材拡がり率は５％と低下し、それに伴い絶縁不良発生率は０％と改善された。さらに、最上層の被接合体への加圧力を高めたため気孔発生率は０％とより低くなり、耐熱サイクル不良率も０％となった。
【００６４】
［実施例６〜９］
ろう材ペーストの粘度を各々２０および２００Ｐａ・ｓとした以外は実施例１と同様な条件で被接合体を接合した実施例８・９によれば、最上層の接合体および最下層の接合体いずれのろう材拡がり率、絶縁不良発生率、気孔発生率、耐熱サイクル不良率は、実施例１とほぼ同様な値となり、印刷時におけるパターンの形状精度および形状の保持性の観点から実用的なろう材ペーストの粘度の範囲である２０〜２００Ｐａ・ｓにおいても、最上層の被接合体に作用する加圧力Ｐ１を１０．２ｇｆ／ｃｍ２、最下層の被接合体に作用する加圧力Ｐ２を９４．４ｇｆ／ｃｍ２、両者の比Ｐ２／Ｐ１を９．３とすることにより、工業生産上問題とならない不良率で、所望のろう材拡がり量および気孔を有するろう材層が形成されることが判った。さらに、ろう材ペーストの粘度を各々４０および８０Ｐａ・ｓとした以外は実施例１と同様な条件で被接合体を接合した実施例６・７によれば、ろう材ペーストの粘度は４０〜８０Ｐａ・Ｓの範囲であることが望ましいことが確認された。
【００６５】
［比較例１］
一方で、最下層の被接合体に作用する加圧力Ｐ２は８８．５ｇｆ／ｃｍ２であるが、最上層の被接合体に作用する加圧力Ｐ１が４．８ｇｆ／ｃｍ２と低く、両者の比Ｐ２／Ｐ１が１８．４である比較例１によれば、最上層の被接合体への加圧力が低く、最上層の接合体におけるろう材拡がり率は０％であり絶縁不良発生率も０％であったが、その気孔発生率が２４％と極めて高く、それに伴い耐熱サイクル不良率も０．２％と工業生産上問題となる値となった。
【００６６】
［比較例２］
さらに、最上層の被接合体に作用する加圧力Ｐ１が２．２ｇｆ／ｃｍ２と低く、最下層の被接合体に作用する加圧力Ｐ２が１１８．１ｇｆ／ｃｍ２と高く、両者の比Ｐ２／Ｐ１が５３．７ある比較例２によれば、ろう材拡がりの観点からは加圧力の高い最下層の接合体のろう材拡がり率が７０％と極めて高く、そのため絶縁不良発生率も０．３％と工業生産上問題となる値となった。また、気孔発生の観点からは、加圧力が低い最上層の接合体の不良率が３３％と極めて高く、そのため耐熱サイクル不良率も０．５％と工業生産上問題となる値となった。
【符号の説明】
【００６７】
１０（４０，５０） 接合冶具
１ａ 第１部材
１ｂ 第２部材
１ｃ（１ｆ、１ｇ） 支持部材
１ｄ 螺子
１ｅ 案内溝
２ａ 第１平板
２ｂ 第２平板
３ 加圧部
３ａ 圧縮バネ
３ｂ（３ｄ、３ｅ） 収納容器
３ｃ 収納孔部
２０ 接合冶具ユニット
Ｔ１ 第１のプレート
Ｔ２ 第２のプレート
Ｗ１〜Ｗｎ 接合体
Ｗｂセラミックス基板
Ｗａ（Ｗｃ）金属基板
Ｍ１（Ｍ２，Ｍ３）ろう材層
ｗ１〜ｗｎ 被接合体
ｍ１〜ｍ３ ろう材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックス基板の一面に未溶融のろう材を介し金属基板が配置された被接合体を、活性金属法により接合する接合冶具およびそれを用いた接合冶具ユニットに係わる発明である。
【背景技術】
【０００２】
上記技術分野に係わる先行技術が、下記特許文献１に開示されている。特許文献１に開示された接合冶具は、「セラミック基板と金属板とをろう材を介して接触させて積層構造体を形成するとともに、複数の前記積層構造体を高温下で加圧接合して回路基板を製造する回路基板接合治具であって、前記積層構造体を挟持する第１挟持部材及び第２挟持部材と、 一端側が前記第２挟持部材に固定されるとともに、他端側が前記第１挟持部材を貫通する複数の支柱部材と前記第１挟持部材よりも前記支柱部材の他端側に固定される固定部材と、 前記第１挟持部材の前記固定部材側を向く面に配置された膨張部材と、前記固定部材と前記膨張部材との間に介装されたバネ部材とを備え、前記バネ部材がカーボンコンポジットからなり、前記膨張部材が前記支柱部材よりも線膨張係数の高い材料からなることを特徴とする回路基板接合治具」、である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２３８８９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１の接合冶具によれば、本願で言う被接合体である積層構造体の拘束力が緩むことなく、セラミック基板と金属基板とを確実に接合することができるものの、依然として問題があった。従来技術の問題点について、図６を参照して説明する。
【０００５】
図６（ｅ）において符号Ｗで示す、セラミックス基板Ｗｂの上面（一面）に、半導体素子などが搭載される回路パターンとしての２種の異なった形状の第１の金属基板Ｗａ−１および第２の金属基板Ｗａ−２が、各々、その下方に配置されたろう材層Ｍ１およびＭ２を介して接合されたセラミックス回路基板（以下回路基板という場合がある。）を製造する場合を想定する。なお、図６（ｅ）では不図示であるが、セラミックス基板Ｗｂの下面（他面）にもろう材層Ｍ３を介し放熱板として機能する平板状の金属基板Ｗｃが接合されている（図６（ｂ）参照）。また、第１の金属基板Ｗａ−１と第２の金属基板Ｗａ−２との相対する端面（側面）は、両者間の電気的絶縁性を確保するため間隙Ｓを介し対面しており、その寸法は概ね０．５〜１０ｍｍ程度である。以下の説明では、従来技術の問題点を明らかにするため、矩形状をなす小判の金属基板とセラミックス基板とを接合し一個の回路基板Ｗを形成するプロセスを例として説明するが、本発明はこれに限定されず、矩形状をなす大判の金属基板とセラミックス基板を接合して大型の接合基板を形成し、この接合基板を分割して複数の回路基板Ｗを形成する多数個取りのプロセスについても適用することができる。
【０００６】
上記回路基板Ｗは、接合工程・回路パターン形成工程・ろう材除去工程を経て形成される。活性金属法を用いた接合工程においては、図６（ａ）に示すように、回路基板Ｗのろう材層Ｍ１およびＭ２の形状に対応した印刷パターンで、間隙ｓが形成されるように上面に所定の厚みでろう材ｍ１およびｍ２を塗布するとともに下面にも所定の厚みでろう材ｍ３（図６（ｂ）参照）を塗布した矩形状のセラミックス基板Ｗｂを複数枚用意する。そして、この複数枚のセラミックス基板Ｗｂの上面と下面に、ろう材ｍ１〜ｍ３を介し矩形状の金属基板Ｗａ・Ｗｃを配置することにより被接合体ｗ１〜ｗｎを形成する。
【０００７】
次いで、図６（ａ）のＤ−Ｄ断面である図６（ｂ）に示すように、上記被接合体ｗ１〜ｗｎを、被接合体ｗ１を最上層、被接合体ｗｎを最下層とし複数枚積層する。なお、被接合体ｗ１〜ｗｎの各々の間には被接合体ｗ１〜ｗｎ同士が付着することを防止するためプレートＴが介在されている。
【０００８】
上記の態様で積層された被接合体ｗ１〜ｗｎを、非酸化雰囲気下に置き、ろう材ｍ１〜ｍ３が溶融する温度で加熱しつつ最上段の被接合体ｗ１の表面に対し圧力Ｙを印加し、その後適宜な温度パターンで冷却することによりろう材層Ｍ１〜Ｍ３を形成し、各々のセラミックス基板Ｗｂと金属基板Ｗａ・Ｗｃとを接合して接合体Ｗ１〜Ｗｎを得る。ここで、最上層の被接合体ｗ１には加圧力として圧力Ｙのみが作用するが、それよりも下層の被接合体には、その被接合体よりも上方にある被接合体およびプレートＴの重量が圧力Ｙに加算され加圧力として作用することとなる。そして、この加圧力を受けて加熱溶融したろう材ｍ１〜ｍ３は、セラミックス基板Ｗｂよりも濡れ易い金属基板Ｗａ・Ｗｃの表面に付着しつつ水平方向に濡れ広がっていくが、図６（ｂ）に示すように、加圧力の低い最上層の被接合体ｗ１においてはろう材ｍ１・ｍ２の濡れ拡がり量がｔ１と小さい。一方で、下層の被接合体となるほど加圧力が増加するため濡れ拡がり量が増加し、加圧力の高い下層の被接合体ｗｎのろう材ｍ１・ｍ２の濡れ拡がり量は大きくｔ２となる。
【０００９】
ろう材ｍ１・ｍ２の濡れ拡がり量ｔ２が過大な場合には、図６（ｂ）において符号ｆ１で示すように、濡れ広がったろう材ｍ１・ｍ２が金属基板Ｗａの側面に回りこみ、その一部が金属基板Ｗａの外周縁部の上面まで達する状態となることがある。また、図６（ｂ）において符号Ｃで示す領域の拡大図である図６（ｃ）に示すように、隣接するろう材ｍ１・ｍ２の濡れ広がった端が連結して下方に垂れ下がり、その先端ｆ２がセラミックス基板Ｗｂの表面に付着する場合がある。
【００１０】
接合工程に次いで、図６（ｅ）に示す回路基板Ｗの第１の金属基板Ｗａ−１および第２の金属基板Ｗａ―２を形成するための回路パターン形成工程が行われる。この回路パターン形成工程では、第１の金属基板Ｗａ−１及び第２の金属基板Ｗａ−２の形状に対応したレジスト膜を接合体Ｗ１〜Ｗｎの金属基板Ｗａの表面（上面）に形成した後、例えば金属基板Ｗａが銅基板である場合には塩化第２鉄を含むエッチング液を用いてエッチング処理し、間隙Ｓを形成することで金属基板Ｗａを分割し、第１の金属基板Ｗａ−１および第２の金属基板Ｗａ―２を形成する。
【００１１】
図６（ｄ）に示すように、回路パターン形成工程で形成された第１の金属基板Ｗａ−１および第２の金属基板Ｗａ−２の側面からはみ出たろう材層Ｍ１・Ｍ２は、両者の電気的絶縁性を確保するため、第１の金属基板Ｗａ−１および第２の金属基板Ｗａ−２の側面の側面からろう材層Ｍ１・Ｍ２がはみ出さないよう、ろう材除去工程において、例えばＣｕおよびＡｇを主体とし活性金属としてＴｉを含むろう材層Ｍ１・Ｍ２の場合には、過酸化水素および酸性フッ化アンモニウムを含むろう材除去液で除去される。
【００１２】
ここで、上記接合工程の説明において触れたように、積層された被接合体ｗ１〜ｗｎでは、ろう材ｍ１・ｍ２の濡れ拡がり量が層ごとに異なるため、第１の金属基板Ｗａ−１および第２の金属基板Ｗａ−２の側面からはみ出たろう材層Ｍ１・Ｍ２のはみ出し量が各層で異なり、ろう材層Ｍ１・Ｍ２を除去すべき量が接合体Ｗ１〜Ｗｎごとに相違することとなる。そのため、接合体Ｗ１〜Ｗｎにおいて、同一の除去条件でろう材層Ｍ１・Ｍ２を除去した場合には、下層の接合体では、ろう材層Ｍ１・Ｍ２の除去量が不足し両者が接近するため、回路基板Ｗの絶縁特性が劣化する可能性がある。この絶縁特性が劣化という問題は、近年の回路基板Ｗの小型化の要請により、第１の金属基板Ｗａ−１および第２の金属基板Ｗａ−２の間隙Ｓがより狭小となる傾向にあり、顕在化している。また、上記の問題は、接合体Ｗ１〜Ｗｎごとにろう材層Ｍ１・Ｍ２の除去条件を設定すれば解消できるが、製造プロセスが複雑化し、回路基板Ｗの高コスト化を招来する。なお、下層の被接合体ｗｎにおけるろう材の濡れ拡がり量を抑制するため印加する圧力Ｙを低くした場合には、上層の被接合体ｗ１の加圧力が不足し、ろう材層Ｍ１・Ｍ２と金属基板Ｗａの接合界面に空孔が生じ、良好な接合強度を得ることができない。
【００１３】
加えて、図６（ｂ）を参照し説明したように、ろう材ｍ１・ｍ２の濡れ拡がりにより金属基板Ｗａの外周縁部の上面に付着したろう材ｆ１が存在する場合、このろう材ｆ１により、回路パターン形成工程における金属基板Ｗａの除去が阻害されるため、図６（ｅ）において符号Ｆ１で例示するように、第２の金属基板Ｗａ−２の外周縁部に未除去部が生じ、所望の回路パターンを形成できなくなる可能性がある。さらに、図６（ｃ）を参照し説明したように、ろう材ｍ１・ｍ２の濡れ拡がりによりセラミックス基板Ｗｂの表面に付着したろう材ｆ２が存在する場合、ろう材ｆ２はろう材除去工程において除去され難く、図６（ｅ）に示すように、回路基板Ｗにおいて第１の金属基板Ｗａ−１と第２の金属基板Ｗａ−２との間隙Ｓの間にろう材残留物Ｆ２が残留する可能性がある。第１の金属基板Ｗａ−１と第２の金属基板Ｗａ−２との絶縁特性を確保する間隙Ｓに、導体であるろう材残留物Ｆ１が存在すると、回路基板Ｗの絶縁特性が劣化する。
【００１４】
本発明は、上記従来技術の問題点を発明者らが鋭意検討してなしたものであり、セラミックス基板の一面に未溶融のろう材を介し金属基板が配置された被接合体を２層以上積層し加熱して接合する場合において、積層された各層の被接合体におけるろう材の濡れ拡がり量のバラツキを抑制可能な接合冶具およびその接合冶具を用いた接合冶具ユニットを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成する本発明の一態様は、セラミックス基板の一面に未溶融のろう材を介し金属基板が配置された被接合体を加熱接合する接合冶具であって、２層以上積層された前記被接合体が載置される平板状の第１部材と、一面が、第１部材の一面に相対するように配置されるとともに、第１部材に載置された被接合体のうち最も上層の被接合体の上方に位置するよう配置される平板状の第２部材と、第１部材と第２部材の間に介在し第２部材を支持する支持部材と、第２部材に配置され前記被接合体を積層方向に加圧する加圧部材とを備え、被接合体に作用する加圧力がろう材面積当たり１０．０〜１００．０ｇｆ／ｃｍ２、第１部材に載置された被接合体のうち最も上層の被接合体に作用するろう材面積当たりの加圧力をＰ１、最も下層の被接合体に作用するろう材面積当たりの加圧力をＰ２としたときに、Ｐ２／Ｐ１≦１０となるよう構成されていることを特徴とする接合冶具である。
【００１６】
加熱接合する際の被接合体の外縁部の変形を防止するため、上記接合冶具の前記第２部材の上方から見た平面視において、前記加圧部材は、前記被接合体の外周縁に沿い配置されていることが望ましい。
【００１７】
さらに、加圧部材を収納する収納箱を有し、第２部材の一面には、収納箱を案内する案内溝が設けられていることが、作業効率の面から望ましい。
【００１８】
さらに加えて、被接合体に作用する加圧力の調整を容易にするためには、被接合体のセラミックス基板または金属基板の表面に接触する状態で配置される複数枚のプレートを有し、その複数枚のプレートは、所定の質量を有する第１のプレートと、前記第１のプレートとは質量の異なる第２のプレートとで構成されていることが望ましい。
【００１９】
上記目的を達成する本発明の別の態様は、上記いずれかの接合冶具を複数個積層した接合冶具ユニットである。この接合冶具ユニットにおいて、下段の接合冶具の第２部材は、その上段の接合冶具の第１部材を兼ねていることが、接合冶具ユニットの低背化のためには望ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、その目的を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係わる一実施態様の接合冶具の正面図である。
【図２】一部を切り欠いた図１の右側面図である。
【図３】図１のＡ−Ａ矢視図である。
【図４】図１のＢ部拡大図である。
【図５】図１の接合冶具を用いた接合冶具ユニットの正面図である。
【図６】従来技術の問題点を説明するとともに、図１の接合冶具で接合される被接合体の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明に係わる接合冶具およびそれを用いた接合冶具ユニットついて、その実施態様に基づき図面を参照しつつ説明する。なお、本発明は、以下説明するその実施態様に限定されることなく、その作用効果を奏する限り、その技術的思想において同一の範囲で適宜変形して実施することが可能である。
【００２３】
本発明の一実施態様である接合冶具について図１〜４を参照しつつ説明する。
【００２４】
［被接合体］
本態様の接合冶具１０においては、図１に示すように、図６（ａ）に示したものと同様な被接合体ｗ１〜ｗｎの接合処理を行うものである。すなわち、図１に示すように、活性金属法を用いて接合される接合体Ｗ１〜Ｗｎが形成される被接合体ｗ１〜ｗｎは、各々、最終製品としての回路基板のろう材層のパターンに対応し、ろう材ｍ１〜ｍ３が上面および下面に塗布された矩形状のセラミックス基板Ｗｂと、ろう材ｍ１〜ｍ３を介しセラミックス基板Ｗｂに配置された矩形状の金属基板Ｗａ・Ｗｃとを有している。
【００２５】
焼結体であるセラミックス基板Ｗｂを構成するセラミックスとしては、例えば酸化アルミニウム（アルミナ：Ａｌ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ジルコニア：ＺｒＯ２）その他の酸化物系セラミックス、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、窒化チタン（ＴｉＮ）その他の窒化物系セラミックス、炭化珪素（ＳｉＣ）、炭化チタン（ＴｉＣ）その他の炭化物系セラミックス、その他硼化物系セラミックスなど各種のセラミックスを回路基板の用途・使用条件に応じ適宜利用することができる。しかしながら、高電圧・大電流が負荷されるパワー半導体モジュール（ＩＧＢＴモジュール）等に使用される回路基板を構成するセラミックス基板Ｗｂは、窒化アルミニウムや窒化珪素、特に強度が高く破壊靭性および熱伝導性に優れた窒化珪素で構成することが望ましい。
【００２６】
上記セラミックス基板Ｗｂの両面に配置される金属基板Ｗａ・Ｗｃとしては、ろう材ｍ１〜ｍ３が接合でき且つ金属基板Ｗａ・Ｗｃの融点がろう材ｍ１〜ｍ３よりも高ければ特に制約はなく、例えば銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、銀、銀合金、ニッケル、ニッケル合金、ニッケルメッキを施したモリブデン、ニッケルメッキを施したタングステン、ニッケルメッキを施した鉄合金等を用いることが可能である。この中でも銅を金属部材として用いることが、電気的抵抗及び延伸性、高熱伝導性（低熱抵抗性）、マイグレーションが少ない等の点から最も好ましい。また、アルミニウムを金属部材として用いることは、電気的抵抗、高熱伝導性（低熱抵抗性）は、銅に劣るものの、アルミニウムが持つ塑性変形性を利用して、冷熱サイクルに対する実装信頼性を有する点で好ましい。その他にも電気的抵抗を重視すれば銀を用いることも好ましく、また電気的特性よりも接合後の信頼性を考慮する場合にはモリブデンやタングステンを用いれば、それらの熱膨張率が窒化アルミニウム、窒化珪素に近いことから接合時の熱応力を小さくすることができるので好ましい。なお、セラミックス基板Ｗｂと金属基板Ｗａ・Ｗｃの厚みは、冷熱サイクル等で作用する熱応力や搭載される半導体素子が生じる熱の伝導性などを考慮し適宜設定されるが、セラミックス基板Ｗｂの厚みを０．１５〜０．８ｍｍの範囲とする一方で、金属基板Ｗａ・Ｗｃの厚みを０．２〜１．５ｍｍの範囲として、両者を組み合わせると熱膨張差による変形などの影響が少なくなる。
【００２７】
回路基板Ｗにおいてろう材層Ｍ１〜Ｍ３を構成するため、被接合体ｗ１〜ｗｎにおいてセラミックス基板Ｗｂと金属基板Ｗａ・Ｗｃとの間に介在されるろう材ｍ１〜ｍ３としては、代表的には、高強度・高封着性等が得られる、共晶組成であるＡｇとＣｕを主体としＴｉ・Ｚｒ・Ｈｆ等の活性金属を添加したＡｇ−Ｃｕ系活性ろう材、さらにセラミックス基板Ｗｂと金属基板Ｗａ・Ｗｃの接合強度の観点から好ましくはこれにＩｎが添加された三元系のＡｇ−Ｃｕ−Ｉｎ系活性ろう材を使用することができる。なお、セラミックス基板Ｗｂと金属基板Ｗａ・Ｗｃの接合強度の観点から、ろう材層ｍ１〜ｍ３の厚みは、２０〜８０μｍであることが好ましい。また、ろう材を溶融するための加熱温度は、一般的な温度範囲である、ろう材の融点より２５〜７５℃高い範囲で設定すればよい。加熱温度が融点より２５℃未満であるとろう材の溶融が充分でなくセラミックス基板Ｗｂと金属基板Ｗａ・Ｗｃとの接合強度が低下する虞がある。一方で、融点より７５℃を超えると溶融したろう材が濡れ拡がりやすい。なお、本発明に係わる接合冶具によれば、上記範囲の加熱温度であれば同様な効果を奏することができる。
【００２８】
ここで、ろう材ｍ１〜ｍ３としてＡｇ−Ｃｕ−Ｉｎ系活性ろう材を使用する場合には、Ａｇ：５５〜８０質量％、Ｉｎ：１〜５質量％、酸素含有量０．１質量％以下、残部Ｃｕ及び不可避不純物からなる平均粒子径１５〜４０μｍの合金粉末１００質量部に対し、さらに平均粒子径１〜１５μｍのＡｇ粉末粒子を５〜３０質量部および４５μｍ以下の粒子サイズが８５％以上の活性金属水素化物を０．５〜５質量部添加し、前記合金粉末粒子間の間隙を埋めるようにＡｇ粉末粒子および活性金属水素化物を混合してなるろう材を使用することが好ましい。さらに、活性金属水素化物を構成する活性金属としては、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆなど周期律表第ＩＶａ族に属する元素を用いることができるが、この中でも特にＴｉはセラミックス基板Ｗｂとして窒化アルミニウム基板や窒化珪素基板を用いた場合にその反応性が高く接合強度を高くすることができる。したがって、活性金属水素化物としては、ＴｉＨ（水素化チタン）を使用することが望ましい。さらに、合金粉末と添加したＡｇ粉末、活性金属水素化物からなる混合粉末中に占めるＩｎおよび活性金属水素化物を除いた、ＡｇとＣｕの組成比は、ＡｇとＣｕの合計重量を１００質量％（ＡｇとＣｕで１００％）としたとき、Ａｇを５７〜８５質量％、Ｃｕを１５〜４３質量％とすることが好ましい。
【００２９】
この組成比の範囲では、加熱冷却後のろう材表面部の凹凸形状の抑制に効果があり、更には、Ａｇ−Ｃｕ状態図おける共晶組成(７２％Ａｇ−２８％Ｃｕ)よりもＡｇ−ｒｉｃｈ側の固液共存組成域において、処理温度を任意に選択することで、接合処理時の融液量を調整することができ、これにより、ろう材の流れ出し現象を抑制することが可能となる。ここで用いられるＡｇ−Ｃｕ−Ｉｎからなる合金粉末は、スクリーン印刷を行う場合のパターン印刷精度や接合する銅板への流れ出しを抑制する上で平均粒径１５〜４０μｍの粉末を使用することが好ましく、さらに２０〜３０μｍ程度の粉末を使用することがより好適である。
【００３０】
粉末状のままのろう材ｍ１〜ｍ３を所定の印刷パターンでセラミックス基板Ｗｂに塗布することは困難であるため、ペースト化したろう材ｍ１〜ｍ３（ろう材ペースト）をスクリーン印刷法などでセラミックス基板Ｗｂに塗布することが通例である。このろう材ペーストは、上記粉末状のろう材ｍ１〜ｍ３、メチルセルソルブ、エチルセルソルブ、イソホロン、トルエン、酢酸エチル、テレピネオール、ジエチレンングリコール・モノブチルエーテル、テキサノールその他有機溶剤、ポリイソブチルメタクリレート、エチルセルロース、メチルセルロース、アクリル樹脂その他高分子化合物からなるバインダー、および粉末状のろう材ｍ１〜ｍ３の分散性を改善するために必要に応じ分散剤を、ボールミル、アトライター等の撹拌機を用いて混合し、形成することができる。
【００３１】
接合工程における濡れ拡がりを抑制する観点から、ろう材ペーストの粘度は２０〜２００Ｐａ・ｓの範囲とすることが好ましい。ろう材ペーストの粘度が２０Ｐａ・ｓ未満であると流動性が高すぎるため、接合工程の初期段階において加圧によりろう材ペーストが拡がり易く、また保形性に欠けるため印刷後のろう材ペーストの形状精度を維持できない。さらに、ろう材ペーストの粘度が低いと、形成後のろう材層に空孔が生じやすい傾向にある。一方で、粘度が２００Ｐａ・ｓを越えると保形性が高すぎるため、印刷後のろう材ペーストの厚みが厚くなり、接合工程の初期段階において加圧によりろう材ペーストが拡がり易くなる。加えて、ろう材ペーストの粘度が高い場合は、スクリーン印刷法で印刷する場合に、スクリーンマスクの目開きにろう材ペーストが導入されがたく、印刷パターンに擦れなどが生じる可能性もある。このような範囲の粘度を有するろう材ペーストは、有機溶剤を５〜１５質量％の範囲、バインダーを１〜５質量％の範囲で配合することにより、形成することができる。さらに、この範囲でバインダーを配合することにより、接合工程におけるバインダーの除去が速やかに行われ好適である。
【００３２】
［接合冶具］
上記被接合体ｗ１〜ｗｎのセラミックス基板Ｗｂと金属基板Ｗａ・Ｗｃとを接合させ接合体Ｗ１〜Ｗｎを形成する接合冶具１０の構成について以下説明する。接合冶具１０の正面図である図１、一部を切り欠いた図１の右側面図である図２、図１のＡ−Ａ矢視図である図３において、符号１ａは、本体部１を構成する、主面が水平な状態で積層された複数の被接合体ｗ１〜ｗｎが載置される平板状の第１部材である。なお、以下の説明では、平面図である図３に示す接合冶具１の奥行方向の位置関係を、図示のとおり、紙面下方である正面を「前」、上方である背面を「後」と称することとする。
【００３３】
被接合体ｗ１〜ｗｎは、図示のように最上層が被接合体ｗ１、最下層が被接合体ｗｎとなるよう積層されており、各層の被接合体ｗ１〜ｗｎの間には相互の固着を防止するため接合工程における高温加熱により金属基板Ｗａ・Ｗｃと反応しない例えばセラミックスやカーボン等で構成された重量の異なる２種の第１のプレートＴ１および第２のプレートＴ２が被接合体ｗ１〜ｗｎと密着する状態で介在されている。なお、第１のプレートＴ１に対し第２のプレートＴ２は軽量であるが、その理由は後述する。
【００３４】
図において符号１ｂは、第１部材１ａの上面に下面が相対するように配置された平板状の第２部材である。第２部材１ｂは、第１部材１ａに載置された被接合体ｗ１〜ｗｎのうち最も上層の被接合体ｗ１の上方に位置するよう、その下面と被接合体ｗ１の上面（金属基板Ｗａの上面）との間に一定の間隙が形成される状態で配置される。
【００３５】
図において符号１ｃ・１ｆ・１ｇは、第１部材１ａと第２部材１ｂとの間に介在され第２部材１ｂを支持する支持部材である。下面が第１部材１ａの上面に接するように立設され固定された略円柱形状をなす支持部材１ｃ・１ｆ・１ｇは、図３に示すように、矩形状をなす第１部材１ａの３辺、具体的には左辺に沿い支持部材１ｃが、後辺に沿い支持部材１ｆが、右辺に沿い支持部材１ｇが、各々３本ほぼ等間隔で並設されている。なお、被接合材ｗ１〜ｗｎを第１部材１ａに載置するため、第１部材１ａの前辺には支持部材は配置されていない。そして、上記態様で配置されたほぼ同一長さの各支持部材１ｃ・１ｆ・１ｇの上面は、第２部材１ｂの下面に接する状態で配置されているとともに、第２部材１ｂに形成された不図示の貫通孔を通して挿入された螺子部を有する螺子１ｄで各々固定されている。
【００３６】
上記のように支持部材１ｃ・１ｇ・１ｆを略円柱形状とし、３本の支持部材１ｃ・１ｇ・１ｆの間に隙間が形成されるよう配置することにより、被接合体ｗ１〜ｗｎが配置される支持部材１ｃ・１ｇ・１ｆの内部と外部との気体の流通性が確保される。ここで、ろう材ｍ１〜ｍ３としてろう材ペーストを使用する場合、このろう材ペーストに含まれるバインダーは接合工程における加熱によりガス化し、ろう材ペーストから放出（脱脂）されるが、気体の流通性を確保した上記支持部材１ｃ・１ｇ・１ｆの配置構成により、ろう材ペーストからガスが円滑に放出されるので、溶融したろう材ｍ１〜ｍ３にガスが留まり、その後形成されるろう材層に空孔が生成することを抑制することができる。
【００３７】
図において符号３は、第２部材１ｂに配置された、加圧部材が組み込まれた加圧部である。図１のＢ部の拡大図である図４に示すように、加圧部３は、加圧部材として弾性を有する圧縮バネ３ａと、圧縮バネ３ａが伸縮自在に収められる有底の収納孔部３ｃが形成された収納容器３ｂ・３ｄ・３ｅとを有している。そして圧縮バネ３ａが収められた収納容器３ｂ・３ｄ・３ｅは、接合冶具１０の正面から背面に向かい第２部材１ｂの下面に形成された凹状の案内溝１ｅに装着される。収納容器３ｂ・３ｄ・３ｅが案内溝１ｅに装着され、第２部材１ｂの案内溝１ｅの上面と収納容器３ｂ・３ｄ・３ｅの収納孔部３ｃの底面との間において所定の量だけ圧縮された状態となるよう圧縮バネ３ａが配置されたときに、所定の力が生じるよう圧縮バネ３ａは設定されている。したがって、圧縮バネ３ａで生じた力は加圧力として、最上層の被接合体ｗ１の上方に密着して配置された第１のプレートＴ１を通じ、被接合体ｗ１〜ｗｎに作用することとなる。
【００３８】
ここで、加圧部材である圧縮バネ３ａを収納容器３ｂ・３ｄ・３ｅに配置することは必須ではないが、第２部材１ｂをわざわざ取り外すことなく、被接合体ｗ１〜ｗｎを第１部材１ａに積層した後、形状や姿勢を適切に保持しつつ簡便に圧縮バネ３ａを配置でき好ましい。また、第２部材１ｂに凹溝１ｅを設けることも必須ではないが、圧縮バネ３ａの配置位置を凹溝１ｅで正確に位置決めして被接合体ｗ１〜ｗｎにおいて加圧力が負荷される位置を常に一定とできるので好ましい。
【００３９】
さらに、図３に示すように、本態様の接合冶具１では好ましい構成として、平面視において、被接合体ｗ１〜ｗｎの外周縁に沿い圧縮バネ３ａを配置している。具体的には、接合冶具１は、図１および３に示すように、３個の収納孔部３ｃが形成された３個の長尺箱状の収納容器３ｂ・３ｄ・３ｅと、収納容器３ｂ・３ｄ・３ｅが各々装着される、第２部材１ｂに形成された３条の案内溝１ｅを有している。収納容器３ｂ・３ｄ・３ｅに形成された３個の収納孔部３ｃは、第１部材１ａに載置された被接合体ｗ１〜ｗｎに対し、奥行方向において、その後辺ｈ２と前辺ｈ４の内側近傍およびそれらの中央に位置するよう形成されている。また、収納容器３ｂ・３ｄ・３ｅが装着される３条の案内溝１ｅは、第１部材１ａに載置された被接合体ｗ１〜ｗｎに対し、水平方向において、その左辺ｈ１および右辺ｈ３の内側近傍およびそれらの中央に位置するよう形成されている。そして、収納容器３ｂ・３ｄ・３ｅの収納孔部３ｃには圧縮バネ３ａを配置するが、水平方向において中央に配置した収納容器３ｄの奥行方向において中央に形成した収納孔部３ｃには圧縮バネ３ａを配置しない。しかして、被接合体ｗ１〜ｗｎは、その４辺ｈ１〜ｈ４に沿い配置された圧縮バネ３ａにより外周縁部のみが高い加圧力で加圧され、その中央部を加圧する加圧力は外周縁部に比較し低いものとなる。ここで、セラミックス基板Ｗｂと金属基板Ｗａ・Ｗｃとの熱膨張率の差により、接合工程において被接合体ｗ１〜ｗｎは外周縁に向かうほど上方に反り、椀形状に変形しやすく、被接合体ｗ１〜ｗｎの全体を平均した加圧力で加圧した場合には、形成された接合体Ｗ１〜Ｗｎの平面度が低下する可能性がある。しかしながら、本態様の接合冶具１０によれば、被接合体ｗ１〜ｗｎの外周縁部をより高い加圧力で加圧するため、被接合体ｗ１〜ｗｎの椀形状の変形を矯正して適切な平面度を有する接合体Ｗ１〜Ｗｎを形成することができる。
【００４０】
なお、加圧部材としては圧縮バネ３ａに限定されず、例えば流体圧により伸縮する構成の加圧部材や適宜な弾性を有する弾性体を利用することができる。また、加圧部材を構成する材料としては、接合工程において負荷される高温に耐えうる材料であればよいが、例えば高温強度の高い材料であるセラミックスで加圧部材を形成すれば、使用中に破壊し難く、高温時における弾性率の変化が少ないので好ましい。
【００４１】
図において符号２ａ・２ｂは、本態様の接合冶具１０において好ましい構成要素として配置された、各々一定の厚みｔを有する矩形状の第１平板および第２平板である。図３に示すように、第１平板２ａは、その左側面（一方の面）２ｃが、第１部材１ａの左辺（一辺）に沿い配置された同一径の各支持部材１ｃの右方頂部に密接するように配置される。また、第２平板２ｂは、その後側面（一方の面）２ｅが、支持部材１ｃの並び方向に直交する方向である第１部材１ａの奥辺（他辺）に沿い配置された同一径の支持部材１ｆの前方頂部に密接するように配置される。このように配置された第１平板２ａおよび第２平板２ｂに対し、被接合体ｗ１〜ｗｎは、各々のセラミックス基板Ｗｂおよび金属基板Ｗａ・Ｗｃの左辺ｈ１が、第１平板２ａの左側面２ｃに相対する右側面（他方の面）２ｄに、その後辺ｈ２が、第２平板２ｂの後側面２ｅに相対する前側面（他方の面）２ｆに密着するよう配置される。そして、上記のように被接合体ｗ１〜ｗｎが配置された後、第１平板２ａおよび第２平板２ｂは接合冶具１０から各々水平方向に引き抜かれ、その結果、支持部材１ｃと被接合体ｗ１〜ｗｎの左辺ｈ１、支持部材１ｆと被接合体ｗ１〜ｗｎの上辺ｈ２、各々の間には、大きさがｔの間隙が形成される。
【００４２】
上記第１平板２ａおよび第２平板２ｂは被接合体ｗ１〜ｗｎを接合するうえで必ずしも備える必要はないが、接合工程における金属基板Ｗａ・Ｗｃの破損を抑制するためには有利である。すなわち、セラミックス基板Ｗｂに対し熱膨張率の大きな金属基板Ｗａ・Ｗｃは、接合工程における被接合体ｗ１〜ｗｎの加熱により膨張して水平方向に延びる。ここで、支持部材１ｃおよび１ｆと被接合体ｗ１〜ｗｎの間に、加熱による金属基板Ｗａ・Ｗｃの水平方向の膨張量を考慮した所定の間隙ｔを第１平板２ａおよび第２平板２ｂにより形成してある。その結果、熱膨張により延びた金属基板Ｗａ・Ｗｃの左辺ｈ１および上辺ｈ２が支持部材１ｃ・１ｆに触れることなく、金属基板Ｗａ・Ｗｃの損傷を防止することができる。
【００４３】
なお、上記第１部材１ａ、第２部材１ｂ、支持部材１ｃ・１ｆ・１ｇは、接合工程において負荷される６００〜８００℃程度の高温に耐え、変形し難い材料、例えばセラミックスやカーボンで形成することが好ましく、加工性が良好であり低コストで接合冶具１０を形成可能なカーボンで構成すれば好適である。
【００４４】
上記構成の接合冶具１０では、被接合体ｗ１〜ｗｎに作用する加圧力が、ろう材ｍ１〜ｍ３の面積当たり１０．０〜１００．０ｇｆ／ｃｍ２の範囲とする。加圧力が１０．０ｇｆ／ｃｍ２未満の場合には加圧が不足するため、接合後のろう材層とセラミックス基板Ｗｂまたは金属基板Ｗａ・Ｗｃとの接合界面に空孔が生じ、十分な接合強度を有する接合体Ｗ１〜Ｗｎを形成することができない。一方で、加圧力が１００．０ｇｆ／ｃｍ２を超える場合には加圧が過剰であり、ろう材ｍ１〜ｍ３の濡れ拡がりが大きくなり、上記説明したように回路基板の絶縁特性が劣化する可能性がある。同様な観点から加圧力は、３０．０〜８０．０ｇｆ／ｃｍ２の範囲とすることが望ましく、６０．０〜７０．０ｇｆ／ｃｍ２の範囲であれば好適である。
【００４５】
さらに、上記構成の接合冶具１０では、第１部材１ａに載置された被接合体ｗ１〜ｗｎのうち最も上層の被接合体ｗ１に作用するろう材ｍ１〜ｍ３の面積当たりの加圧力をＰ１、最も下層の被接合体ｗｎに作用するろう材ｍ１〜ｍ３の面積当たりの加圧力をＰ２としたときに、Ｐ２／Ｐ１≦１０となるよう構成されている。Ｐ２とＰ１の比が１０以下であることは、最上層の被接合体ｗ１から最下層の被接合体ｗｎに到る積層された各層の被接合体に作用する加圧力の差が極めて少なく、ろう材ｍ１〜ｍ３の濡れ拡がり量のバラツキが少ない被接合体ｗ１〜ｗｎを得ることができることを意味している。したがって、Ｐ２／Ｐ１の範囲が１０を超える場合には、ろう材ｍ１〜ｍ３の濡れ拡がり量のバラツキが増大し、ろう材除去工程において同一の条件で接合体Ｗ１〜Ｗｎのろう材層を除去した場合に、ろう材層のはみ出し量Ｌ（図６（ｄ）参照）が接合体Ｗ１〜Ｗｎごとに異なることとなり、上記したように最終製品である回路基板において金属基板Ｗａ・Ｗｃが熱応力により剥離したり、その絶縁特性が劣化する可能性がある。なお、同様な観点からＰ２／Ｐ１は５以下であることが望ましく、２以下であれば好適である。
【００４６】
ここで、被接合体ｗ１〜ｗｎへの加圧力は、加圧部材である圧縮バネ３ａの線径や有効巻き数などを適宜設定したり、被接合体ｗ１〜ｗｎの積層枚数を適宜設定することにより、上記の範囲となるよう調整することができる。しかしながら、各層の被接合体ｗ１〜ｗｎに作用する加圧力をより精度高く調整するためには、被接合体ｗ１〜ｗｎの各層の間に介在させる固着防止用のプレートとして、重量の異なる２種以上のプレートＴ１・Ｔ２を用いることが望ましい。すなわち、被接合体ｗ１〜ｗｎの相互の固着を防止するため基本的には第１のプレートＴ１を用いつつ、下層の被接合体に付加される加圧力を調整するため第１のプレートＴ１より軽量な第２のプレートＴ２を使用すれば良い。このようなプレートＴ１・Ｔ２の配置方法としては、例えば、図１に示すように、重量の大きな２枚の第１のプレートＴ１の間に、重量の小さな第２のプレートＴ２を配置するようにしてもよいし、また、上方から下方に向けて如々にプレートＴ１・Ｔ２の重量を減ずるようにしてもよい。なお、第１のプレートＴ１と第２のプレートＴ２の重量は、各々厚みを変えたりや密度の異なる材料で構成して、両者の重量を異ならせてもよい。さらに、第１のプレートＴ１と第２のプレートＴ２に孔部や凹部を形成して、両者の重量を異ならせてもよい。
【００４７】
［接合冶具ユニット］
上記説明した接合冶具１０を利用した接合冶具ユニットについて、その正面図である図５を参照して説明する。接合冶具ユニット２０は、図５に示すように、基本的に上記接合冶具１０と同様な構成の２式の接合冶具４０と５０を上下に組み合わせて形成されている。すなわち、上方に配置された接合冶具４０は、被接合体が載置される第１部材４ａと第１部材４ａに相対するように配置された第２部材４ｂとを備えた本体部１を有し、接合冶具４０の下方に配置された接合冶具５０も、被接合体が載置される第１部材５ａと第１部材５ａに相対するように配置された第２部材５ｂとを備えた本体部１を有している。ここで、接合冶具４０の第１部材４ａは、接合冶具５０の第２部材５ｂを兼ねている。このように複数の接合冶具４０・５０を組み合わせて接合冶具ユニット２０とすることにより、接合工程における被接合体の処理数を増加させて効率的に被接合体の接合を行えるとともに、接合冶具ユニット２０を低背化することにより接合冶具ユニット２０を収納する容量に限りのある加熱炉を有効に利用することができる。なお、このように２式の接合冶具４０・５０を組み合わせた接合冶具ユニット２０において、上記説明した加圧部３の構成は、第２部材４ｂ・５ｂをいちいち取り外すことなく、第１部材４ａ・５ａともに載置した状態で被接合体を加圧できる点で有利である。
【００４８】
［実施例］
以下、セラミックス基板である窒化珪素基板の両面に、回路基板および放熱基板として金属基板である銅基板を配置した被接合体を接合し、接合体を形成した場合の実施例について説明する。なお、本発明は、以下説明する実施例に限定されることは無い。
【００４９】
［実施例１〜５、比較例１・２］
窒化珪素基板は、以下の方法で形成した。窒化珪素粉末：９２〜９８質量％に対し、ＭｇＯ：１〜４質量％、および
Ｙ２Ｏ３：１〜４質量％の焼結助剤を添加した混合粉末を、エタノール・ブタノール溶液を満たしたボールミルの樹脂製ポット中に、前記混合粉末および粉砕媒体の窒化珪素製ボールを投入し、所定時間湿式混合した。次に、前記ポット中の混合粉末に対し、所定量のポリビニル系の有機バインダおよび可塑剤を添加し、次いで所定時間湿式混合し、シート成形用スラリーを得た。この成形用スラリーを脱泡、溶媒除去により粘度を調整し、ドクターブレード法によりグリーンシートを成形した。次に、成形したグリーンシートを空気中で加熱することにより有機バインダ成分を十分に脱脂（除去）し、次いで脱脂体を窒素雰囲気中において焼成した。得られた窒化珪素焼結体シートをサンドブラスト処理により表面性状を調整し、縦１２０ｍｍ、横１０５ｍｍ、厚さ０．３２ｍｍの窒化珪素基板を得た。なお、この窒化珪素基板は、図６（ｆ）に示すように、図６（ｅ）に示す回路基板Ｗが縦横に５４個並列するよう形成する多数個取りの窒化珪素基板Ｗｂである。
【００５０】
上記のように形成した窒化珪素基板の両面に、Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ系活性ろう材を含むろう材ペーストをスクリーン印刷で塗布し、その後、１２０℃の乾燥炉で３０分間乾燥し、ろう材ペースト中の溶媒を除去した。ここで、本実施例で使用したろう材ペーストは、Ａｇ：７０質量％、Ｉｎ：５質量％、酸素含有量０．１質量％以下、残部Ｃｕ及び不可避不純物からなる平均粒子径２０μｍの合金粉末１００質量部に対し、さらに平均粒子径１０μｍのＡｇ粉末粒子を１０質量部および４５μｍ以下の粒子サイズが８５％以上の水素化チタンを１質量部添加し、前記合金粉末粒子間の間隙を埋めるようにＡｇ粉末粒子および活性金属水素化物を混合してなる融点が７７０℃のろう材を、全ペーストに占める割合でバインダーとしてアクリル系樹脂を５質量％、溶剤としてα-テルピネオール１０質量％、分散剤０．１質量％と配合したのちプラネタリーミキサーを用いて混合を行い、粘度を５５Ｐａ・ｓとしたものである。また、銅基板Ｗａが配置される窒化珪素基板Ｗｂの上面には、図６（ａ）に示すパターンで５０μｍの厚みのろう材ペーストｍ１〜ｍ３を、多数個取りのために複数箇所、並列した状態で塗布した。ろう材ペーストの塗布面積は、上面に塗布したろう材ペーストｍ１・ｍ２が７４ｃｍ２、下面に塗布したろう材ペーストｍ３が７８ｃｍ２、両面合わせて１５２ｃｍ２であった。
【００５１】
次に、図１に示すように、窒化珪素基板Ｗｂに塗布したろう材ペーストｍ１〜ｍ３が、縦１１５ｍｍ、横１００ｍｍ、厚みが０．５ｍｍの金属基板である銅基板Ｗａ・Ｗｃと窒化珪素基板Ｗｂとの間に配置されるように銅基板Ｗａ・Ｗｃを窒化珪素基板Ｗｂの両面に重ね、被接合体ｗ１〜ｗｎを形成し、図１に示すように、１０〜４０枚の被接合体ｗ１〜ｗｎを接合冶具１０の第１部材１ａに積層した状態で載置した。被接合体１枚当たりの質量は、１２０ｇｆであった。なお、接合冶具１０としては、第１部材１ａ・第２部材１ｂその他各部材をカーボンで形成したものを使用し、厚みｔが３ｍｍの第１平板２ａおよび第２平板２ｂを用いて被接合体ｗ１〜ｗｎと支持部材１ｃ・１ｆとの間に間隙を形成した。圧縮バネ３ａは、図１のように配置し、０〜８０００ｇｆの荷重が作用するようにした。そして、表１に示すように、重量が３３０ｇｆの第１のプレートＴ１および１５０ｇｆの第２のプレートＴ２の使用枚数、圧縮バネによる荷重、被接合体の積層枚数を調整し、最上層の被接合体ｗ１および最下層の被接合体ｗｎに作用するろう材単位面積当たりの加圧力を、実施例１〜９および比較例１・２ごとに設定した。なお、第１のプレートＴ１および第２のプレートＴ２としては、表面にカーボンを被膜したステンレスの板材を使用し、異なる厚みの板材を使用することにより重量を変更した。また、第２のプレートＴ２を使用する場合には、最下層の被接合体Ｗｎを含む下層の被接合体の間に配置するようにした。
【００５２】
上記実施例１〜９および比較例１・２の条件で加圧された各被接合体ｗ１〜ｗｎを、融点時の真空度が１Ｐａ以下の非酸化雰囲気中において８２０℃で１時間、加熱した後、炉冷により冷却することにより、窒化珪素基板Ｗｂに銅基板Ｗａ・Ｗｃを接合し、接合体Ｗ１〜Ｗｎを形成した。この接合体Ｗ１〜Ｗｎのうち最上層および最下層の接合体Ｗ１・Ｗｎ各々８０枚について、ろう材の拡がり量ｔ１・ｔ２（図６（ｂ）参照）、および窒化珪素基板Ｗｂまたは銅基板Ｗａ・Ｗｃとろう材層Ｍ１・Ｍ２との接合界面に生じている空孔の直径（最大径）は、接合体Ｗ１〜Ｗｎを溶媒中に浸漬して超音波で測定する超音波探傷装置である日立建機製Ｍｉ−ｓｃｏｐｅで確認した。
【００５３】
最上層および最下層の接合体Ｗ１・Ｗｎにおけるろう材の濡れ拡がり量ｔ１・ｔ２は、上記接合後に測定したろう材の寸法から印刷後に測定したろう材の寸法を差し引いて求めた。なお、ろう材の濡れ広がり量ｔ１・ｔ２を測定した部位は、図６（ａ）・（ｂ）に示すセラミックス基板Ｗｂの上面に印刷されたロウ材ｍ１・ｍ２において、回路基板の電気的絶縁性に最も関係する間隙Ｓを形成する２辺に沿った部位であり、この２辺で測定された濡れ広がり量ｔ１・ｔ２うち最大値を求めた。それらの結果を表１に示す。なお、表中の数値は、一枚あたり５４個の回路基板Ｗが形成された各々８０枚の接合体Ｗ１・Ｗｎ、すなわち選択した接合体Ｗ１・Ｗｎに含まれる４３２０個の回路基板Ｗにおいて、ろう材拡がり量ｔ１・ｔ２が０．２ｍｍ以上のろう材層、直径（最大値）が２ｍｍ以上の気孔が形成された回路基板Ｗの個数を確認し求めた、ろう材拡がり率および気孔発生率である。
【００５４】
次いで、上記接合体Ｗ１・Ｗｎにエッチング処理を施し、窒化珪素基板の上面に接合された銅基板Ｗａに、図６（ｄ）に示す回路パターンＷａ−１、Ｗａ−２を形成した。具体的には、銅基板Ｗａの表面に、ＵＶ硬化型のエッチングレジストをスクリーン印刷法で所定のパターンで塗布し、その後、エッチング液である液温を５０℃に設定した塩化第２鉄（ＦｅＣｌ３）溶液（４６．５Ｂｅ）に接合体Ｗ１〜Ｗｎを浸漬し、回路パターンＷａ−１・Ｗａ−２・Ｗｃを形成した。なお、回路パターンＷａ−１とＷａ−２の間の間隙Ｓの大きさは、１ｍｍである。
【００５５】
上記エッチングレジストを除去した後、図６（ｄ）に示す回路パターンＷａ−１およびＷａ−２の間隙Ｓに残存する不要なろう材層Ｍ１・Ｍ２その他不要なろう材層を、過酸化水素および酸性フッ化アンモニウムを含むろう材除去液で除去した。その後、接合体Ｗ１・Ｗｎを切断することにより、各実施例１〜９および比較例１・２ごと、積層した各被接合体Ｗ１・Ｗｎ毎に４３２０個の回路基板Ｗを得た。この回路基板Ｗについて、耐熱サイクル試験および絶縁耐圧試験を行った。耐熱サイクル試験は、−４０℃での冷却を２０分、室温での保持を１０分および１２５℃での加熱を２０分とする昇温／降温サイクルを１サイクルとし、これを３０００回繰り返して回路基板に付与し、その窒化珪素基板にクラック等が発生する割合を確認した。また、絶縁耐圧試験は、５ｋＶの電圧を回路基板に１分間印加し、各層ごとの回路基板Ｗについて窒化珪素基板にクラック等が生じる割合を確認した。それらの結果を表１に示す。なお、表中の数値は、一枚あたり５４個の回路基板Ｗが形成された各々８０枚の被接合体Ｗ１・Ｗｎ、すなわち選択した接合体Ｗ１・Ｗｎに含まれる４３２０個の回路基板Ｗにおいて、耐熱サイクル試験において３０００回未満で窒化珪素基板にクラックが生じた回路基板Ｗの個数、絶縁耐圧試験で窒化珪素基板にクラックが生じた回路基板Ｗの個数を各々確認し求めた、絶縁不良発生率および耐熱サイクル不良発生率である。
【００５６】
［実施例６〜９］
ろう材ペーストの粘度を、２０、４０、８０および２００Ｐａ・ｓとした以外は、実施例１の条件と同様に接合体Ｗ１〜Ｗｎを作成し、上記と同様に最上層および最下層の接合体Ｗ１・Ｗｎの複数の回路基板Ｗについて各種特性を評価した。なお、粘度が２０Ｐａ・ｓのろう材ペーストは、全ペーストに占める割合でバインダーとしてアクリル系樹脂５質量％、溶剤としてα-テルピネオール１５質量％、粘度が４０Ｐａ・ｓのろう材ペーストは、アクリル系樹脂５質量％、溶剤としてα-テルピネオール１２質量％、粘度が８０Ｐａ・ｓのろう材ペーストは、アクリル系樹脂５質量％、溶剤としてα-テルピネオール８質量％、粘度が２００Ｐａ・ｓのろう材ペーストは、アクリル系樹脂５質量％、溶剤としてα-テルピネオール５質量％、加えて各々について分散剤０．１質量％と配合し、プラネタリーミキサーを用いて混合を行い、製造した。
【００５７】
【表１】
【００５８】
表１の実施例１〜７および比較例１・２により以下の知見が得られた。
【００５９】
［実施例１］
実施例１によれば、最上層の被接合体に作用する加圧力Ｐ１を１０．２ｇｆ／ｃｍ２、最下層の被接合体に作用する加圧力Ｐ２を９４．４ｇｆ／ｃｍ２、両者の比Ｐ２／Ｐ１が９．３とすることにより、ろう材拡がり率は、最上層の接合体では０％であったが、比較的加圧力の高い最下層の接合体では２５％であり、それに応じ絶縁不良発生率は最下層の被接合体に含まれる回路基板で０．１％であったが、工業生産上問題の無い値であった。また、気孔発生率は、比較的加圧力の低い最上層の接合体で６％、最下層の接合体で０％であり、それに応じ耐熱サイクル不良率は最上層の被接合体に含まれる回路基板で０．０６％であったが、工業生産上問題の無い値であった。
【００６０】
［実施例２］
最上層の被接合体に作用する加圧力Ｐ１を１０．２ｇｆ／ｃｍ２、最下層の被接合体に作用する加圧力Ｐ２を８４．９ｇｆ／ｃｍ２と実施例１に対し低目とし、両者の比Ｐ２／Ｐ１を８．３とした実施例２によれば、ろう材拡がり率は、最下層の接合体で１７％と低下し、それに伴い絶縁不良発生率は最下層の接合体に含まれる回路基板で０．０６％と改善された。一方で、実施例１に対し、最上層の接合体への加圧力の変化は無いため、気孔発生率および耐熱サイクル不良率は、実施例１と同等であった。
【００６１】
［実施例３］
最上層の被接合体に作用する加圧力Ｐ１を２５．２ｇｆ／ｃｍ２と実施例１に対し高目とし、最下層の被接合体に作用する加圧力Ｐ２を９４．７ｇｆ／ｃｍ２、両者の比Ｐ２／Ｐ１を３．８と加圧力Ｐ１とＰ２とを近接せしめた実施例３によれば、ろう材拡がり率は、最上層の接合体で０．６％と増加したが、絶縁不良発生率は実施例１と変わらず０％であった。一方で、最上層の接合体への加圧力を高めたため、実施例１に対し気孔発生率は１％と低くなり、それに伴い耐熱サイクル不良率は０．０１％と改善された。
【００６２】
［実施例４］
最上層の被接合体に作用する加圧力Ｐ１を４０．３ｇｆ／ｃｍ２と実施例１に対し高目とし、最下層の被接合体に作用する加圧力Ｐ２を８０．２ｇｆ／ｃｍ２と実施例１に対し低目とし、両者の比Ｐ２／Ｐ１を２．０と加圧力Ｐ１とＰ２とをより近接せしめた実施例４によれば、ろう材拡がり率は、最上層の接合体で２％と増加したが、絶縁不良発生率は実施例１と変わらず０％であった。一方で、加圧力の低下により最下層の接合体におけるろう材拡がり率は１２％と低下し、それに伴い絶縁不良発生率は０．０１％と改善された。さらに、最上層の被接合体への加圧力を高めたため気孔発生率は０．６％とより低くなり、耐熱サイクル不良率も０％と改善された。
【００６３】
［実施例５］
実施例５によれば、最上層の被接合体に作用する加圧力Ｐ１を５４．８ｇｆ／ｃｍ２と実施例１に対し高目とし、最下層の被接合体に作用する加圧力Ｐ２を７１．０ｇｆ／ｃｍ２と実施例１に対し低目とし、両者の比Ｐ２／Ｐ１を１．３とほぼ変わらないレベルとすることにより、ろう材拡がり率は、最上層の接合体で３％と増加したが、絶縁不良発生率は０％であった。一方で、加圧力の低下により最下層の接合体におけるろう材拡がり率は５％と低下し、それに伴い絶縁不良発生率は０％と改善された。さらに、最上層の被接合体への加圧力を高めたため気孔発生率は０％とより低くなり、耐熱サイクル不良率も０％となった。
【００６４】
［実施例６〜９］
ろう材ペーストの粘度を各々２０および２００Ｐａ・ｓとした以外は実施例１と同様な条件で被接合体を接合した実施例８・９によれば、最上層の接合体および最下層の接合体いずれのろう材拡がり率、絶縁不良発生率、気孔発生率、耐熱サイクル不良率は、実施例１とほぼ同様な値となり、印刷時におけるパターンの形状精度および形状の保持性の観点から実用的なろう材ペーストの粘度の範囲である２０〜２００Ｐａ・ｓにおいても、最上層の被接合体に作用する加圧力Ｐ１を１０．２ｇｆ／ｃｍ２、最下層の被接合体に作用する加圧力Ｐ２を９４．４ｇｆ／ｃｍ２、両者の比Ｐ２／Ｐ１を９．３とすることにより、工業生産上問題とならない不良率で、所望のろう材拡がり量および気孔を有するろう材層が形成されることが判った。さらに、ろう材ペーストの粘度を各々４０および８０Ｐａ・ｓとした以外は実施例１と同様な条件で被接合体を接合した実施例６・７によれば、ろう材ペーストの粘度は４０〜８０Ｐａ・Ｓの範囲であることが望ましいことが確認された。
【００６５】
［比較例１］
一方で、最下層の被接合体に作用する加圧力Ｐ２は８８．５ｇｆ／ｃｍ２であるが、最上層の被接合体に作用する加圧力Ｐ１が４．８ｇｆ／ｃｍ２と低く、両者の比Ｐ２／Ｐ１が１８．４である比較例１によれば、最上層の被接合体への加圧力が低く、最上層の接合体におけるろう材拡がり率は０％であり絶縁不良発生率も０％であったが、その気孔発生率が２４％と極めて高く、それに伴い耐熱サイクル不良率も０．２％と工業生産上問題となる値となった。
【００６６】
［比較例２］
さらに、最上層の被接合体に作用する加圧力Ｐ１が２．２ｇｆ／ｃｍ２と低く、最下層の被接合体に作用する加圧力Ｐ２が１１８．１ｇｆ／ｃｍ２と高く、両者の比Ｐ２／Ｐ１が５３．７ある比較例２によれば、ろう材拡がりの観点からは加圧力の高い最下層の接合体のろう材拡がり率が７０％と極めて高く、そのため絶縁不良発生率も０．３％と工業生産上問題となる値となった。また、気孔発生の観点からは、加圧力が低い最上層の接合体の不良率が３３％と極めて高く、そのため耐熱サイクル不良率も０．５％と工業生産上問題となる値となった。
【符号の説明】
【００６７】
１０（４０，５０） 接合冶具
１ａ 第１部材
１ｂ 第２部材
１ｃ（１ｆ、１ｇ） 支持部材
１ｄ 螺子
１ｅ 案内溝
２ａ 第１平板
２ｂ 第２平板
３ 加圧部
３ａ 圧縮バネ
３ｂ（３ｄ、３ｅ） 収納容器
３ｃ 収納孔部
２０ 接合冶具ユニット
Ｔ１ 第１のプレート
Ｔ２ 第２のプレート
Ｗ１〜Ｗｎ 接合体
Ｗｂセラミックス基板
Ｗａ（Ｗｃ）金属基板
Ｍ１（Ｍ２，Ｍ３）ろう材層
ｗ１〜ｗｎ 被接合体
ｍ１〜ｍ３ ろう材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板の少なくとも一面に未溶融のろう材を介し金属基板が配置された被接合体を加熱接合する接合冶具であって、２層以上積層された前記被接合体が載置される平板状の第１部材と、一面が、前記第１部材の一面に相対するように配置されるとともに、前記第１部材に載置された被接合体のうち最も上層の被接合体の上方に位置するよう配置される平板状の第２部材と、前記第１部材と第２部材の間に介在し前記第２部材を支持する支持部材と、前記第２部材に配置され前記被接合体を積層方向に加圧する加圧部材とを備え、前記被接合体に作用する加圧力がろう材面積当たり１０．０〜１００．０ｇｆ／ｃｍ２、前記第１部材に載置された被接合体のうち最も上層の被接合体に作用するろう材面積当たりの加圧力をＰ１、最も下層の被接合体に作用するろう材面積当たりの加圧力をＰ２としたときに、Ｐ２／Ｐ１≦１０となるよう構成されていることを特徴とする接合冶具。
【請求項２】
前記第２部材の上方から見た平面視において、前記加圧部材は、前記被接合体の外周縁に沿い配置されている請求項１に記載の接合冶具。
【請求項３】
前記加圧部材を収納する収納箱を有し、前記第２部材の一面には、前記収納箱を案内する案内溝が設けられている請求項１または２のいずれかに記載の接合冶具。
【請求項４】
前記被接合体のセラミックス基板または金属基板の表面に接触する状態で配置される複数枚のプレートを有し、前記複数枚のプレートは、所定の質量を有する第１のプレートと、前記第１のプレートとは質量の異なる第２のプレートとで構成されている請求項１乃至３のいずれかに記載の接合冶具。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかの接合冶具を複数個積層した接合冶具ユニット。
【請求項６】
前記接合冶具ユニットのうち下段の接合冶具の第２部材は、その上段の接合冶具の第１部材を兼ねている請求項５に記載の接合冶具ユニット。
【請求項１】
セラミックス基板の少なくとも一面に未溶融のろう材を介し金属基板が配置された被接合体を加熱接合する接合冶具であって、２層以上積層された前記被接合体が載置される平板状の第１部材と、一面が、前記第１部材の一面に相対するように配置されるとともに、前記第１部材に載置された被接合体のうち最も上層の被接合体の上方に位置するよう配置される平板状の第２部材と、前記第１部材と第２部材の間に介在し前記第２部材を支持する支持部材と、前記第２部材に配置され前記被接合体を積層方向に加圧する加圧部材とを備え、前記被接合体に作用する加圧力がろう材面積当たり１０．０〜１００．０ｇｆ／ｃｍ２、前記第１部材に載置された被接合体のうち最も上層の被接合体に作用するろう材面積当たりの加圧力をＰ１、最も下層の被接合体に作用するろう材面積当たりの加圧力をＰ２としたときに、Ｐ２／Ｐ１≦１０となるよう構成されていることを特徴とする接合冶具。
【請求項２】
前記第２部材の上方から見た平面視において、前記加圧部材は、前記被接合体の外周縁に沿い配置されている請求項１に記載の接合冶具。
【請求項３】
前記加圧部材を収納する収納箱を有し、前記第２部材の一面には、前記収納箱を案内する案内溝が設けられている請求項１または２のいずれかに記載の接合冶具。
【請求項４】
前記被接合体のセラミックス基板または金属基板の表面に接触する状態で配置される複数枚のプレートを有し、前記複数枚のプレートは、所定の質量を有する第１のプレートと、前記第１のプレートとは質量の異なる第２のプレートとで構成されている請求項１乃至３のいずれかに記載の接合冶具。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかの接合冶具を複数個積層した接合冶具ユニット。
【請求項６】
前記接合冶具ユニットのうち下段の接合冶具の第２部材は、その上段の接合冶具の第１部材を兼ねている請求項５に記載の接合冶具ユニット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−７１８８０（Ｐ２０１３−７１８８０Ａ）
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１３８２６（Ｐ２０１１−２１３８２６）
【出願日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【出願人】（０００００５０８３）日立金属株式会社 (2,051)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【出願人】（０００００５０８３）日立金属株式会社 (2,051)
【Ｆターム（参考）】
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