セラミック回路基板およびその製造方法
【課題】 絶縁性、接合強度、信頼性および熱伝導性を向上し、長期間にわたって優れた耐久性と放熱性を実現するセラミック回路基板およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 セラミック回路基板１は、非酸化物セラミックスで構成される基板２の厚み方向一方側表面に、ＲＥ−Ｓｉ−Ｏ系酸化物およびＲＥ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系酸化物の少なくとも一方を含む結晶質相で構成される中間層３が設けられ、この中間層３の厚み方向一方側表面に、所定のパターン形状を有する金属層４が接合されている。半導体素子１１は、金属層４に電気的に接続されている。
【解決手段】 セラミック回路基板１は、非酸化物セラミックスで構成される基板２の厚み方向一方側表面に、ＲＥ−Ｓｉ−Ｏ系酸化物およびＲＥ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系酸化物の少なくとも一方を含む結晶質相で構成される中間層３が設けられ、この中間層３の厚み方向一方側表面に、所定のパターン形状を有する金属層４が接合されている。半導体素子１１は、金属層４に電気的に接続されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミック基板に金属パターンを接合するセラミック回路基板に関し、特に高信頼性、高放熱性および高接合強度を要するパワーモジュールに好適なセラミック回路基板およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高出力のパワーＦＥＴ（Field Effect Transistor）などの半導体素子を収容するパワーモジュール用のセラミック回路基板は、作動時に発熱する半導体素子の放熱性を向上させるため、熱伝導率の高い金属回路板およびセラミック基板などを含んで構成される。セラミック基板の厚み方向一方側の表面には金属回路板が接合され、厚み方向他方側の表面には金属放熱板が接合される。半導体素子は、金属回路板に実装され、制御回路などの外部の回路と電気的に接続されている。
【０００３】
このようなパワーモジュールに用いられる半導体素子には、たとえばシリコン（Ｓｉ）単結晶の原子の一部を、窒素（Ｎ）およびリン（Ｐ）などの１５族元素またはガリウム（Ｇａ）およびアルミニウム（Ａｌ）などの１３族元素で置き換えた、いわゆる不純物半導体が用いられ、自由電子および正孔の二つのキャリヤ数により区別されるｎ型、ｐ型半導体の組み合わせにより構成される。その役割は、ＩＣ（Integrated Circuit）などの電子回路のベース電圧信号に基づいてパワー回路の電流のスイッチングを行い、電力の制御を行うことにあるが、スイッチング速度の高速化に伴い、動作時に発生する多量の熱を如何に効率的に放出するかが課題となっている。
【０００４】
半導体素子が実装される金属回路板は、パワー回路におけるエミッタ電極を構成しており、大電流を通電するとともに、半導体素子で発生した熱を外部に伝達し、放出する役目を担っている。したがって、金属回路板には、熱を広範囲に拡散し、熱放散性を高めるための高い熱伝導性が求められている。たとえば、金属回路板に熱伝導率が高い銅を用いると、半導体素子の動作により発生する熱は、銅回路板を伝わって良好に外部に放出され、半導体素子の温度上昇を有効に防ぐことが可能となる。
【０００５】
また、セラミック基板は、絶縁性を有しており、金属回路板と金属放熱板との間の電気的絶縁性を確保するために設けられるとともに、金属回路板と同様に熱を外部に伝導する役目を担っている。
【０００６】
このようなセラミック回路基板において、セラミック基板としては、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）および窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）などのセラミック焼結体が用いられ、金属回路板としては、銅およびアルミニウムなどの高熱伝導性金属が用いられる。
【０００７】
しかし、パワーモジュールやスイッチング電源用モジュールなどの高電力化、高速化に加え、半導体素子の高密度化、高集積化に伴って、半導体素子からの発生熱量は年々増加する傾向にあるため、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）に比べ熱伝導率が数倍から１０倍程度高い窒化アルミニウム（ＡｌＮ）および窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）などの非酸化物セラミック焼結体をセラミック基板として用いることが好ましい。
【０００８】
非酸化物セラミック基板をセラミック回路基板に適用するためには、アルミナなどの酸化物セラミック基板と同様に、その表面に金属回路板を接合することが不可欠である。非酸化物セラミック基板と金属回路板とを接合する方法としては、銅直接接合法（ＤＢＣ法：Direct Bonding Cupper法）、アルミニウム直接接合法（ＤＢＡ法：Direct Bonding
Aluminum）および活性金属法などが挙げられる（特許文献１〜３参照。）。
【０００９】
【特許文献１】特開平０３−２９０３７８号公報
【特許文献２】特開平０４−１２５５４号公報
【特許文献３】特開２００１−４８６７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）および窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）などの非酸化物セラミック基板に、銅およびアルミニウムなどの金属回路板を接合する場合にＤＢＣ法を用いると、Ｃｕ−Ｏ系の共晶化合物を利用した接合法であるため、非酸化物セラミック基板の表面に少なくとも３〜５μｍの厚さの酸化物層を熱酸化法などにより形成する必要がある。
【００１１】
窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）焼結体の酸化のメカニズムは、９００〜１０００℃程度の低温で発生する粒界層の酸化と、１１００℃以上の高温で発生する窒化珪素粒子自体の酸化に大別することができ、それぞれ異なる温度域で酸化が促進される。このため、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）基板表面に均質な酸化物層を形成することは困難であり、ひいては窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）基板と金属回路板とを均質に接合することができないという問題がある。
【００１２】
また、粒界層が酸化される場合には必然的に体積変化を生じるため、この体積変化により粒界層と窒化珪素粒子との間に微細なクラックが生じる。酸化時間とともにこのクラックが進展しながら繋がることにより大きなクラックに成長し、安定な酸化物層を得ることができない。このようにして生じたクラックは、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）基板と金属回路板とを接合した際に、絶縁性の劣化、接合強度の低下、動作時の熱応力に対する信頼性の低下、熱伝導性の低下などによりパワーモジュール全体の放熱性を悪化させてしまうことになる。
【００１３】
本発明の目的は、絶縁性、接合強度、信頼性および熱伝導性を向上し、長期間にわたって優れた耐久性と放熱性を実現するセラミック回路基板およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、非酸化物セラミックで構成される基板と、
所定のパターン形状を有する金属層と、
前記基板と前記金属層とに接合される中間層とを含み、
前記中間層は、ＲＥ−Ｓｉ−Ｏ系酸化物およびＲＥ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系酸化物（ＲＥは希土類元素を示す）の少なくとも一方を含む結晶質相で構成されることを特徴とするセラミック回路基板である。
【００１５】
また、本発明は、前記中間層の厚みが、１０μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明は、前記結晶質相は、ＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７、ＲＥ２ＳｉＯ５およびＲＥ１４Ｓｉ９Ｏ３９から選ばれる結晶質相であることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明は、前記結晶質相に含まれる希土類元素が、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｙ、ＥｒおよびＹｂから選ばれる少なくとも１種の希土類元素であることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明は、前記中間層の熱膨張係数が、３．０ｐｐｍ／℃以上１６．０ｐｐｍ／℃以下であり、前記基板の熱膨張係数より大きく、前記金属層の熱膨張係数よりも小さいことを特徴とする。
【００１９】
また、本発明は、前記結晶質相に含まれる希土類元素が、前記非酸化物セラミック粒子の粒界層に存在する結晶質相に含まれる希土類元素と同じであることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明は、前記非酸化物セラミックスが、窒化ケイ素焼結体であることを特徴とする。
【００２１】
また、本発明は、前記金属層が、銅、アルミニウム、タングステン、モリブデンおよびそれらの合金の少なくとも１種の金属からなることを特徴とする。
【００２２】
また、本発明は、非酸化物セラミックスで構成される基板の表面に、ＲＥ２Ｏ３粉末（ＲＥは希土類元素）とＳｉＯ２粉末との混合粉末、有機溶媒および有機バインダーを含む溶液を塗布し、窒素雰囲気中で加熱溶融して融液を形成する工程と、
前記融液を結晶化してＲＥ−Ｓｉ−Ｏ系酸化物およびＲＥ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系酸化物の少なくとも一方から成る結晶を主体とする中間層を前記基板の表面に形成する工程と、
前記中間層を介して、前記基板上に所定のパターン形状を有する金属層を接触配置し、熱処理を施して前記金属層を接合する工程と備えることを特徴とするセラミック回路基板の製造方法である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、非酸化物セラミックスで構成される基板と、所定のパターン形状を有する金属層とに接合される中間層を含んでおり、この中間層は、ＲＥ−Ｓｉ−Ｏ系酸化物およびＲＥ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系酸化物（ＲＥは希土類元素を示す）の少なくとも一方を含む結晶質相で構成されることを特徴としている。
【００２４】
このような中間層を形成することで、熱酸化法による酸化と異なり、非酸化物セラミックスで構成される基板の表面にクラックなどのダメージを与えることなく均質に酸化皮膜で覆うことが可能となる。
【００２５】
また、中間層は酸化物であるため、中間層と金属層との界面には均質なＣｕ−Ｏなどの共晶化合物が形成され、金属層を均質かつ強固に接合することができ、さらに、絶縁性を向上することができる。
【００２６】
また、基板表面にクラックを発生することがないので、熱伝導性の劣化を防止することができ、放熱性の高いセラミック回路基板を実現することができる。
【００２７】
以上より、絶縁性、接合強度、信頼性および熱伝導性を向上し、長期間にわたって優れた耐久性と放熱性を実現するセラミック回路基板を得ることができる。
【００２８】
また、本発明によれば、前記中間層の厚みを、１０μｍ以上５０μｍ以下とすることで、十分な絶縁性と熱伝導性とを実現することができる。
【００２９】
また、本発明によれば、前記結晶質相は、ＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７、ＲＥ２ＳｉＯ５およびＲＥ１４Ｓｉ９Ｏ３９から選ばれる結晶質相であるので、非常に安定であり、金属層を接合する際の高温雰囲気から基板表面を守ることができる。その結果、基板の抗折強度の劣化を防止することができる。
【００３０】
また、本発明によれば、前記結晶質相に含まれる希土類元素が、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｙ、ＥｒおよびＹｂから選ばれる少なくとも１種の希土類元素であるので、高温雰囲気から基板表面を守ることができる。
【００３１】
また、本発明によれば、前記中間層の熱膨張係数が、３．０ｐｐｍ／℃以上１６．０ｐｐｍ／℃以下であり、前記基板の熱膨張係数より大きく、前記金属層の熱膨張係数よりも小さくしているので、接合界面に発生する熱応力を効果的に緩和することができる。これにより、接合強度および信頼性を向上させることができる。
【００３２】
また、本発明によれば、前記結晶質相に含まれる希土類元素が、前記非酸化物セラミック粒子の粒界層に存在する結晶質相に含まれる希土類元素と同じである。
【００３３】
これにより、基板と中間層との濡れ性、連続性を向上し、中間層の接合強度を向上させることができ、信頼性および放熱性を向上させることができる。
【００３４】
また、本発明によれば、非酸化物セラミックスが、窒化珪素焼結体であるので、基板が高強度かつ高熱伝導率を有し、信頼性および放熱性を向上させることができる。
【００３５】
また、本発明によれば、前記金属層が、銅、アルミニウム、タングステン、モリブデンおよびそれらの合金の少なくとも１種の金属からなるので、熱伝導性、導電性および原料コストの点から、安価で放熱性の高いセラミック回路基板を得ることができる。
【００３６】
また、本発明によれば、非酸化物セラミックスで構成される基板の表面に、ＲＥ２Ｏ３粉末（ＲＥは希土類元素）とＳｉＯ２粉末との混合粉末、有機溶媒および有機バインダーを含む溶液を塗布し、窒素雰囲気中で加熱溶融して融液を形成し、前記融液を結晶化してＲＥ−Ｓｉ−Ｏ系酸化物およびＲＥ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系酸化物の少なくとも一方から成る結晶を主体とする中間層を前記基板の表面に形成する。次に前記中間層を介して、前記基板上に所定のパターン形状を有する金属層を接触配置し、熱処理を施して前記金属層を接合することで、絶縁性、接合強度、信頼性および熱伝導性を向上し、長期間にわたって優れた耐久性と放熱性とを実現するセラミック回路基板を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
本発明は、非酸化物セラミックスで構成される基板と、所定のパターン形状を有する金属層と、前記基板と前記金属層とに接合される中間層とを含んで構成されるセラミック回路基板であり、前記中間層は、ＲＥ−Ｓｉ−Ｏ系酸化物およびＲＥ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系酸化物（ＲＥは希土類元素を示す）の少なくとも一方を含む結晶質相で構成されることを特徴としている。
【００３８】
このようなセラミック回路基板は、高信頼性、高放熱性および高接合強度を要するパワーモジュールに特に好適である。
【００３９】
図１は、本発明の第１の実施形態であるセラミック回路基板１を用いた半導体装置１０の構成を示す断面図である。
【００４０】
半導体装置１０は、セラミック回路基板１に、半導体素子１１が実装されたものであって、たとえば、パワーモジュールなどで実現される。
【００４１】
セラミック回路基板１は、非酸化物セラミックスで構成される基板２の厚み方向一方側表面に、ＲＥ−Ｓｉ−Ｏ系酸化物およびＲＥ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系酸化物の少なくとも一方を含む結晶質相で構成される中間層３が設けられ、この中間層３の厚み方向一方側表面に、所定のパターン形状を有する金属層４が接合されている。半導体素子１１は、金属層４に電気的に接続されている。
【００４２】
半導体素子１１は、たとえば、発熱性素子、ＩＧＢＴ（In sulated Gate Bipolar
Transistor）およびパワーＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）ＦＥＴなどのように大きな電流を制御する機能を有しており、半導体素子１１には電流制御のための信号が入力される配線（図示せず）が接続されている。
【００４３】
基板２は、窒化アルミおよび窒化珪素などの非酸化物セラミックスで構成される基板である。窒化アルミおよび窒化珪素などの非酸化物セラミック基板は、アルミナおよびジルコニアなどの酸化物セラミックスで構成された基板と比較して、特に、高強度で、かつ高い熱伝導率を有するため、放熱性および高い実装信頼性を必要とするパワー素子などの発熱性素子を実装する回路基板として好適である。
【００４４】
基板２を構成する非酸化物セラミックスとしては、特に限定されるものではないが、窒化珪素が高強度、高靭性のセラミック焼結体としてよく知られており、これに加えて比較的高い熱伝導率も有していることより、高強度で、かつ高い熱伝導率を両立できる点で、特に好ましい。
【００４５】
中間層３は、ＲＥ−Ｓｉ−Ｏ系酸化物およびＲＥ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系酸化物の少なくとも一方を含む結晶質相で構成される。ＲＥ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系酸化物としては、ＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７（ダイシリケート）およびＲＥ２ＳｉＯ５（モノシリケート）などの希土類酸化物が好ましく、ＲＥ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系酸化物としては、ＲＥ４Ｓｉ２Ｏ７Ｎ４（ＹＡＭ）、ＲＥＳｉＯ２Ｎ（ワラステナイト）およびＲＥ１０Ｓｉ７ＯＮ４（アパタイト）などのＳｉ３Ｎ４−ＲＥ２Ｏ３−ＳｉＯ２系希土類酸化物が好ましい。
【００４６】
結晶質相としては、これらの中でもＲＥ−Ｓｉ−Ｏ系酸化物が好ましく、特にＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７（ダイシリケート）、ＲＥ２ＳｉＯ５（モノシリケート）が好ましい。これは、従来のＳｉＯ２皮膜やＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ムライト、コージェライトおよびＹＡＧなどの酸化物被覆層に比べ、絶縁性を向上できることに加えて、高温酸化性雰囲気においても非常に安定であるので、金属層４を接合する際の高温雰囲気から基板２の表面を守ることができ、基板２自体の抗折強度の劣化を防止することが可能となる。なお、中間層３がＲＥ４Ｓｉ２Ｏ７Ｎ４（ＹＡＭ）、ＲＥＳｉＯ２Ｎ（ワラステナイト）およびＲＥ１０Ｓｉ７ＯＮ４（アパタイト）などのＳｉ３Ｎ４−ＲＥ２Ｏ３−ＳｉＯ２系結晶質相で構成される場合、中間層３に含まれる酸素量は多くできるものの、非酸化物となるため絶縁性および接合強度がＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７（ダイシリケート）、ＲＥ２ＳｉＯ５（モノシリケート）に劣るため、本発明としては、総合的な特性向上の観点からＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７（ダイシリケート）、ＲＥ２ＳｉＯ５（モノシリケート）が好ましい。
【００４７】
結晶質相に含まれる希土類元素（ＲＥ）としては、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｙ、ＥｒおよびＹｂから選ばれる少なくとも１種の希土類元素であることが好ましい。これらの元素は、希土類の中でもイオン半径が小さいため分子間の結合力が大きく、金属層４を接合する際の高温雰囲気中においても結合力が高く、耐エロージョン性にも優れ基板２へのダメージを防止することができる。
【００４８】
さらに、これらの希土類元素に加えて他に添加物を用いることもできるが、これらの希土類元素を用いることで添加物を多量に加えることなく、中間層３の熱膨張係数を３．０ｐｐｍ／℃以上１６．０ｐｐｍ／℃以下の範囲に調整することができる。
【００４９】
中間層３の熱膨張係数は、たとえば窒化珪素で構成される基板２の熱膨張係数３．０ｐｐｍ／℃より大きく、たとえば銅からなる金属層４の熱膨張係数１６．０ｐｐｍ／℃より小さいことが好ましく、基板２と金属層４との間に発生する熱応力を効果的に緩和するために、７．０ｐｐｍ／℃以上１３．０ｐｐｍ／℃以下であることが好ましい。特に好ましくは、１０．０ｐｐｍ／℃であり、この熱膨張係数は、希土類元素としてＳｍ、ＴｂおよびＤｙから選ばれる少なくとも１種の希土類元素を用いることで容易に実現することができる。
【００５０】
中間層３の厚みは、１０μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは、１５μｍ以上３０μｍ以下である。厚みが５０μｍを超えると、中間層３の剥離が生じやすくなったり、熱伝導の妨げになる。また、５μｍ程度では絶縁性の向上が十分ではないため、中間層３の厚みは、１０μｍ以上が好ましい。なお、非酸化物セラミック基板の表面を酸化することにより酸化物層を形成する方法では、酸化物層の厚みが３〜５μｍの場合は酸化物層が薄いのに加えて厚みが不均一であるため十分な絶縁性が得られず、酸化物層の厚みを厚くしたとしても、酸化物層形成時に体積膨張によるクラックが生じるため十分な絶縁性が得られない。
【００５１】
また、基板２の粒子の粒界層に存在する結晶質相には、セラミックスの焼結助剤に由来する希土類元素が含まれ、緻密で高強度、高熱伝導性を有するセラミック焼結体を得るために、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕなどの元素を好適に用いることができる。これらの希土類元素は、酸化物換算で基板２全体の０．５ｍｏｌ％以上１０ｍｏｌ％以下の範囲で含有することが好ましい。希土類元素の含有量が、０．５ｍｏｌ％よりも少ないと焼結性が低下し、緻密で高強度な基板２が得られない。逆に、１０ｍｏｌ％よりも多いと熱伝導性が劣化する。
【００５２】
基板２として窒化珪素で構成された基板を例とした場合、たとえば、窒化珪素を７０ｍｏｌ％以上９９ｍｏｌ％以下含み、上記の希土類元素のうち少なくとも１種を酸化（ＲＥ２Ｏ３）物換算で０．５ｍｏｌ％以上１０ｍｏｌ％以下含み、さらに残部としてＳｉＯ２を含む窒化珪素焼結体を例示できる。また、このような窒化珪素中にＡｌやＯが固溶した、サイアロン（ＳＩＡＬＯＮ）を形成していても良い。
【００５３】
このように基板２および中間層３には、それぞれ希土類元素が含まれ、基板２と中間層３との濡れ性、連続性を考慮すると、これらの希土類元素は、同じであることが好ましい。中間層３に含まれる希土類元素は前述の元素であるので、基板２に含まれる希土類元素としてもＳｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｙ、ＥｒおよびＹｂから選ばれる少なくとも１種の希土類元素であることが好ましい。
【００５４】
金属層４は、所定のパターン形状を有しており、所定のパターン形状としては、半導体素子１１における信号の入出力および半導体素子１１に対する電力の供給に必要な回路パターン、矩形および円形などの単純な幾何学パターンなど使用目的に応じたパターン形状が選ばれる。
【００５５】
また、金属層４は、銅、アルミニウム、タングステン、モリブデンおよびそれらの合金の少なくとも１種の金属からなることが好ましい。特に熱伝導性、原料コスト、および導電性の点から、銅やアルミニウムを主成分とすることが好ましい。
【００５６】
図２は、本発明の第２の実施形態であるセラミック回路基板５を用いた半導体装置２０の構成を示す断面図である。半導体装置２０は、セラミック回路基板５に、半導体素子１１が実装されたものである。
【００５７】
セラミック回路基板５は、第１の実施形態であるセラミック回路基板１にさらに中間層６と金属層７とを設けたものであり、セラミック回路基板１と同じ構成については同じ参照番号を付して、説明は省略する。
【００５８】
中間層６は、中間層３と同様にＲＥ−Ｓｉ−Ｏ系酸化物およびＲＥ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系酸化物の少なくとも一方を含む結晶質相で構成され、中間層３の反対側、すなわち基板２の厚み方向他方側表面に設けられる。
【００５９】
金属層７は、所定のパターン形状を有し、金属層４の反対側、すなわち中間層６の厚み方向他方側表面に接合されている。
【００６０】
金属層４と金属層７とが同じ金属、同じパターン形状であったり、金属やパターン形状などが異なっていても高温条件下で発生する熱応力がほぼ等しいような場合は、中間層３と中間層６とは、同じ結晶質相で構成することが好ましい。逆に、金属層４と金属層７とが異なるパターン形状であったり、異なる金属であったり、厚みが異なるなどして高温条件下で発生する熱応力が異なるような場合は、その熱応力の差異を吸収すべく、中間層３と中間層６とで、熱膨張係数が異なるように構成することが好ましい。中間層３と中間層６とで、熱膨張係数を異ならせるには、結晶質相の種類を異ならせる、希土類元素の種類を異ならせるなどがある。
【００６１】
このようにすることで、セラミック回路基板の反り、および金属層の剥がれを防止することができる。
【００６２】
たとえば、金属層４の厚みが金属層７より厚い場合、金属層４の面積が金属層７より広い場合などは、高温条件下において金属層４が接合されている側に発生する熱応力が大きくなるため、金属層７が接合している中間層６の熱膨張係数を金属層４が接合している中間層３より大きくし、金属層７が接合している側にも熱応力を発生させることにより、セラミック回路基板全体としては厚み方向両側での熱応力のバランスを均一に保ち、セラミック回路基板の反り、および金属層の剥がれを防止することができる。
【００６３】
さらには、意図的にセラミック回路基板の厚み方向両側での熱応力のバランスを崩すことにより、所定の反りを生じさせることも可能となる。半導体素子の熱膨張率は、３ｐｐｍ／℃程度であり、これをセラミック回路基板に実装した場合や、銅またはアルミからなる放熱板やヒートシンクベースにセラミック回路基板を接合固定した場合、全体の熱膨張のバランスが崩れて基板が反る可能性がある。このようなことを考慮して、予めセラミック回路基板を、半導体素子を実装した場合や放熱板に固定した場合に生じるであろう反りとは逆方向に所定の反りを生じさせることが可能となる。また、セラミック回路基板を固定する部分が曲面であるような場合、その曲面に沿った所定の反りを生じさせることも可能となる。
【００６４】
第２の実施形態では、半導体装置２０がさらにヒートシンク２１を備えていてもよい。このとき、金属層７は、放熱板として機能する。ヒートシンク２１は、半導体素子１１の反対側、すなわち金属層７に固着される。ヒートシンク２１は、放熱性が最重要視されるので、銅およびアルミニウムなど熱伝導性が高い金属で構成される。
【００６５】
熱設計の観点から見ると、中間層３の厚みを中間層６の厚みよりも薄くすることが好ましい。これは、半導体素子１１駆動時に発生した熱が、基板２、中間層３および中間層６よりも熱伝導率の高い金属層４を通じてセラミック回路基板５の主面と平行な方向に広がった後、セラミック回路基板５の厚み方向に伝導したり、金属層４から空気中に放射されたりするためである。
【００６６】
なお、ヒートシンク２１に吸収された熱は、空気中へ放射してもよいし、熱媒体を介してさらに移動させるようにしてもよい。
【００６７】
図３は、本発明の第３の実施形態であるセラミック回路基板８を用いた半導体装置３０の構成を示す断面図である。半導体装置３０は、セラミック回路基板８に、半導体素子１１が実装されたものである。
【００６８】
セラミック回路基板８は、第１の実施形態であるセラミック回路基板１にさらに中間層９を設けたものであり、セラミック回路基板１と同じ構成については同じ参照番号を付して、説明は省略する。
【００６９】
中間層９は、中間層３と同様にＲＥ−Ｓｉ−Ｏ系酸化物およびＲＥ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系酸化物の少なくとも一方を含む結晶質相で構成され、中間層３と金属層４との間、すなわち中間層３の厚み方向一方側表面に設けられる。
【００７０】
基板２と金属層４との間に中間層を２層設ける場合、中間層９の熱膨脹係数が、中間層３の熱膨張係数よりも大きくなるように各中間層を構成することが好ましい。第１の実施形態のように中間層３のみの場合、その熱膨張係数は、基板２の熱膨張係数と金属層４の熱膨張係数との平均値あたりとなるように構成することが好ましいが、基板２の熱膨張係数と金属層４の熱膨張係数との差が大きいと、基板２の熱膨張係数と中間層３の熱膨張係数との差、および金属層４の熱膨張係数と中間層３の熱膨張係数との差も大きくなり、熱応力を十分に緩和することができない可能性がある。
【００７１】
そこで、本実施形態のように、中間層を２層設け、中間層３の熱膨張係数と中間層９の熱膨張係数との差を、基板２の熱膨張係数と中間層３の熱膨張係数との差、および金属層４の熱膨張係数と中間層９の熱膨張係数との差とほぼ同じとすること、すなわち、それぞれの差を基板２の熱膨張係数と金属層４の熱膨張係数との差の１／３程度とすることで、それぞれの差を第１実施形態における基板２の熱膨張係数と中間層３の熱膨張係数との差、および金属層４の熱膨張係数と中間層３の熱膨張係数との差よりも小さくすることができるので、より効果的に熱応力を緩和することができる。
【００７２】
このような第３の実施形態の作用効果を考えると、中間層は２層に限らず３層以上であってもよいことは明らかである。中間層が３層以上の場合は、基板２に設けられた中間層から、金属層４と接合した中間層にかけて熱膨張係数が順次大きくなるように構成すればよい。
【００７３】
以下では、セラミック回路基板の製造方法について説明する。
セラミック回路基板の製造方法は、非酸化物セラミックスで構成される基板の表面に、ＲＥ２Ｏ３粉末（ＲＥは希土類元素）とＳｉＯ２粉末との混合粉末、有機溶媒および有機バインダーを含む溶液を塗布する工程と、窒素雰囲気中で加熱溶融して融液を形成し、前記融液を結晶化してＲＥ−Ｓｉ−Ｏ系酸化物およびＲＥ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系酸化物の少なくとも一方から成る結晶を主体とする中間層を前記基板の表面に形成する工程と、前記中間層を介して、前記基板上に所定のパターン形状を有する金属層を接触配置し、熱処理を施して前記金属層を接合する工程とを有する。
【００７４】
たとえば、非酸化物セラミックスが窒化珪素である場合は、まず、基板の出発原料として、窒化珪素粉末と、希土類元素（周期律表第３族元素）の酸化物（ＲＥ２Ｏ３）粉末と、必要により粒界結晶相を析出させるためのＳｉＯ２粉末を混合する。
【００７５】
窒化珪素粉末は、α型、β型のいずれでも使用できるが、粒径は０．４μｍ以上１．２μｍ以下であり、陽イオン不純物量は１質量％以下、特には０．５質量％以下であり、不純物酸素量は０．５重量％以上２．０重量％以下が適量である。粉末の製法は、直接窒化法およびイミド分解法などいずれの製法によるものであってもかまわない。また、サイアロン粉末を用いることもできる。
【００７６】
また、ＲＥ２Ｏ３粉末、ＳｉＯ２粉末の代わりに、ＲＥ２Ｏ３とＳｉＯ２との複合酸化物の粉末を使用することもできるし、窒化珪素とＲＥ２Ｏ３とＳｉＯ２との化合物粉末を用いることもできる。
【００７７】
これらの粉末を調合するに当っては、上述の基板組成を満足するように、各粉末の混合比率が調整される。たとえば、過剰酸素量が所定のＳｉＯ２／ＲＥ２Ｏ３モル比を満足するためには、窒化珪素中に不可避に含まれる酸素、あるいは製造過程で吸着される酸素分などをＳｉＯ２分として考慮して、希土類酸化物量およびＳｉＯ２粉末の添加量を調整する。
【００７８】
所定の割合で各粉末を秤量し、振動ミル、回転ミルおよびバレルミルなどで十分に混合した後、得られた混合粉末を所望の成形手段、たとえば金型プレス、鋳込み成形、排泥成形、押し出し成形、射出成形、冷間静水圧プレスおよびドクターブレードなどにより任意の形状に成形し、この成形体を焼成することにより、窒化珪素基板を得ることができる。
【００７９】
焼成は、通常、窒素ガス雰囲気下で行われ、焼成温度は１７００℃以上２０００℃以下の範囲が適当である。このような条件下での焼成によって、相対密度が９８％を超えるように緻密化した焼結体を得ることができる。焼成温度が２０００℃を超えると窒化珪素結晶が粒成長し、抗折強度の劣化を引き起こす恐れがあり、逆に１７００℃よりも低いと、緻密化が困難になる。
【００８０】
また、この焼成後に、熱間静水圧焼成（ＨＩＰ）法により、さらに緻密化することもできる。さらに、焼成後の冷却過程において徐冷を行うか、または焼結体を１０００℃以上１７００℃以下の温度で再度、熱処理を行うことにより、粒界の結晶化を図り、抗折強度や熱伝導などの特性の更なる改善を行うこともできる。
【００８１】
また、窒化珪素基板に高い寸法精度が要求される場合には、窒化珪素粉末の一部をＳｉ粉末に置き換えて成形体を作製し、これを窒素含有雰囲気中、８００℃以上１５００℃以下で熱処理し、窒化珪素を反応生成して成形体密度を高めた上で、前述の焼成条件で焼成することにより、焼成時の収縮を小さくすることができる。
【００８２】
次に、このようにして得られた窒化珪素基板の表面に、中間層を形成する。中間層の形成は、蒸着法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、ＥＢ（Electron Beam）−ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法およびスパッタ法などの薄膜形成法、溶射法、スラリー塗布法、印刷法を用いて行うことができるが、中間層に含まれる過剰のＳｉＯ２量を厳密に制御できる点において、溶射法、またはスラリー塗布法、印刷法が好ましく、簡便に形成できる点においてスラリー塗布法、印刷法が好ましい。
【００８３】
たとえば、ＳｉＯ２粉末とＲＥ２Ｏ３粉末と酸化物粉末との複合混合粉末、あるいはＳｉＯ２粉末とＲＥ２Ｏ３粉末と酸化物粉末との混合粉末を用い、これらの粉末中の過剰ＳｉＯ２量を所定の範囲に調整し、その粉末のスラリーを調整する。
【００８４】
このスラリーは、有機溶媒、有機バインダーと混合粉末とを所定の割合で混合し、所定の粘度に調整して作成する。
【００８５】
次いで、調製したスラリーを、窒化珪素基板の表面にスプレーにより塗布するか、あるいはディッピング法により均一に塗布するか、あるいは印刷法により基板の全面、あるいは所定の位置のみに印刷することにより、基材を準備する。次いで、この基材を熱処理することにより、窒素雰囲気中でスラリーを加熱溶融して融液を形成し、この融液を結晶化して目的とする結晶質相で構成される中間層を形成することができる。
【００８６】
熱処理温度は、用いるＲＥ２Ｏ３の種類にもよるが、１４００℃以上１７００℃以下の温度とするのが良い。熱処理温度が１４００℃より低いと、所望の結晶質相を析出させることが困難となり、あるいは得られる中間層が緻密化不足となり、気孔が多数残存するポーラスな層となってしまう。また、熱処理温度が１７００℃より高いと、ＳｉＯ２が揮発してしまい、所望の結晶質相を析出することができない。
【００８７】
なお、原料として用いるＳｉＯ２粉末およびＲＥ２Ｏ３粉末等は、いずれも純度９５％以上であることが好ましい。
【００８８】
また、上述のスラリーを、焼成前の窒化珪素基板の生成形体の表面に、上記と同様の方法で均一に塗布、あるいは印刷し、これを焼成することにより、窒化珪素基板と中間層とを同時に形成することも可能である。
【００８９】
次に、上記のようにして得られた中間層に、金属層を接合する。
金属層の接合は、通常のＤＢＣ法に従って、たとえば銅で構成され、所定の回路パターン形状を有する金属層を中間層に接合して、セラミック回路基板を得る。
【００９０】
具体的には、まず中間層上に、所定のパターン形状に加工された銅板を接触配置する。次いで、窒素雰囲気などの不活性雰囲気中または真空中で、銅の融点（１０８３℃）以下Ｃｕ−Ｏ系共晶化合物の融点（１０６５℃）以上の温度で熱処理を施し、Ｃｕ−Ｏ系共晶化合物液相で中間層表面を濡らし、この液相を冷却固化することによって、中間層と金属層とを接合する。
【００９１】
このような工程で製造することにより、高い熱伝導率、高い電気絶縁性を有し、高強度で、信頼性の高い、セラミック回路基板を製造することができる。
【実施例】
【００９２】
窒化珪素基板の原料粉末として、下記の窒化珪素粉末、希土類元素酸化粉末、酸化珪素粉末を用いた。
【００９３】
平均粒子径が１．２μｍ、酸素量が１質量％、α率が９０％の直接窒化法により製造された窒化珪素粉末と、純度が９９．９％、平均粒子径が１．２μｍの各種希土類酸化物粉末と、純度が９９．９％、平均粒子径が１．６μｍのＳｉＯ２粉末を準備した。
【００９４】
次いで、上記の窒化珪素粉末８９．５ｍｏｌ％とＲＥ２Ｏ３粉末３ｍｏｌ％と、ＳｉＯ２粉末７．５ｍｏｌ％とからなる混合粉末を調合し、アクリル樹脂バインダーおよび溶媒のトルエンを添加し、窒化珪素製ボールを用いて、４８時間回転ミルで混合粉砕し、スラリーを調整した。
【００９５】
得られたスラリーを、ドクターブレード法を用いて成形し、厚み０．３ｍｍのグリーンシート成形体を作製した。このようにして得られたグリーンシート成形体を適宜積層、切断し、絶縁性評価用の試料として焼成後にたて６０ｍｍ×よこ６０ｍｍ×厚さ２ｍｍのサイズとなるシート状焼結体を得た。また、グリーンシート成形体を適宜積層、切断し、金属回路剥離強度測定用試料として焼成後にたて２０ｍｍ×よこ４０ｍ×厚さ２ｍｍのサイズとなるシート状成形体を得た。さらに、熱サイクル試験評価用試料として、絶縁性評価用の試料と同様に、焼成後にたて６０ｍｍ×よこ６０×厚さ２ｍｍのサイズとなるシート状成形体を得た。また、中間層形成後の窒化珪素基板の高温雰囲気中での抗折強度測定用試料として、焼成後にたて１０ｍｍ×よこ４０×厚さ２ｍｍのサイズとなるシート状成形体を得た。
【００９６】
これらの成形体を、６００℃で脱脂後、ガス圧焼成により窒素雰囲気中、１９００℃の焼成温度で１０時間焼成し、窒化珪素基板を得た。
【００９７】
また、同様にして平均粒子径が１．０μｍの窒化アルミ粉末にＹ２Ｏ３粉末、ＣａＯ粉末を調合し、アクリル樹脂バインダーおよび溶媒のトルエンを添加し、混合、粉砕してスラリーを調整した。得られたスラリーを、ドクターブレード法を用いて成形し、シート成形体を得た。また、得られたシート成形体を、脱脂後、ガス圧焼成により窒素雰囲気中、１９００℃の焼成温度で１０時間焼成し、窒化アルミ基板を得た。
【００９８】
次に、表１に示すＲＥ２Ｏ３粉末とＳｉＯ２粉末の混合粉末をアクリル樹脂バインダー、溶媒のテルピネオール、可塑剤ＤＢＰ（フタル酸ジブチル）と混合し、ペーストを作製した。得られたペーストをスクリーン印刷法で、所定の厚みになるように窒化珪素基板および窒化アルミ基板の両面に塗布した。この際、ペーストの塗布は、絶縁性評価用、熱サイクル試験評価用の試料については、基板の主面よりひと回り小さくたて５６ｍｍ×よこ５６ｍｍの範囲に塗布を行った。また、金属回路剥離強度測定用試料についてもたて１６ｍｍ×よこ３６ｍｍの範囲で、それぞれ塗布範囲が基板の中心位置に来るように塗布を行った。
【００９９】
次いで、ペーストの溶剤分を乾燥した後、この基板を窒素ガス雰囲気中で、表１に示す熱処理温度で処理し、表面に中間層が形成された基板を得た。
【０１００】
さらに、中間層上に、それぞれ厚さ０．３ｍｍの銅板を接触配置した。この際、銅板の形状は、絶縁性評価用の試料については、ＪＩＳ−Ｃ２１４１電気絶縁用セラミック材料の試験方法に記載の方法に基づき、電極が形成できる形状とした。また、金属回路剥離強度測定用試料については、たて１４ｍｍ×よこ５０ｍｍの銅板を配置し、長手方向の端部に未接合部ができるように配置を行った。この未接合部は、後に金属回路剥離強度を測定する際に、この未接合部分を掴んで窒化珪素基板と垂直方向に銅板を引っ張るために設けている。熱サイクル試験評価用の試料については、中間層より一回り小さいたて５４ｍｍ×よこ５４ｍｍの銅板を窒化珪素基板の厚み方向両側に配置し、中間層からはみ出すことのないように、中心に位置するように配置した。
【０１０１】
次いで、中間層を形成した基板と銅板とを重ねたものに約５０Ｐａの荷重をかけながら、１１７０℃で熱処理を施し、銅板を窒化珪素基板および窒化アルミ基板に接合し、セラミック回路基板を得た。
【０１０２】
なお、基板の粒界層に存在する結晶質相に含まれる希土類元素、中間層に含まれる希土類元素、中間層の熱処理温度は、表１に記載した通りである。
【０１０３】
また、比較例１として、中間層を設けず、熱酸化法を用いて窒化珪素基板の表面を１２００℃で酸化処理した基板に銅板を接合した窒化珪素回路基板、比較例２として実施例の中間層の代わりにＳｉＯ２粉末、Ｚｒ２Ｏ粉末、Ａｌ２Ｏ３粉末を使用して実施例の中間層と同様に形成した希土類元素を含まない中間層に銅板を接合した窒化珪素回路基板を得た。
【０１０４】
このようにして得られた実施例および比較例の各特性を以下の方法で測定し、その結果を表１に示す。
【０１０５】
結晶の同定：基板の粒界相の結晶、および中間層の結晶を、Ｘ線回折測定により同定した。
【０１０６】
中間層の厚み測定：中間層を形成した基板を切断し、その断面を電子顕微鏡で観察し、任意断面の中間層の厚み１０点の平均を中間層の厚みとした。
【０１０７】
高温雰囲気中での抗折強度の測定：上記の抗折強度測定用試料を用いて、金属層の接合温度と同等の１０００℃での高温雰囲気中での抗折強度を測定した。抗折強度の測定は、下スパン３０ｍｍの支点間に抗折強度測定用試料を置き、下スパン間の中央を上スパン１０ｍｍの２点で荷重を加える４点曲げ試験法にて行い、下支点、および荷重点全体を断熱材で覆ったものの内部をヒータで加熱しながら測定を行った。測定は、抗折強度測定用試料が破断した際の荷重を測定し、この荷重と抗折強度測定用試料の寸法から強度を算出した。
【０１０８】
金属回路剥離強度の測定：上記の金属回路剥離強度測定用試料を土台に固定し、この試料に接合された銅板端部の未接合部を、窒化珪素基板に対して垂直方向上方に引っ張り、銅板が剥離に至った時の荷重を測定した。また、剥離強度はこの荷重を接合幅（１４ｍｍ）で割った値を剥離強度として算出した。
【０１０９】
絶縁性の測定：ＪＩＳ−Ｃ２１４１電気絶縁用セラミック材料の試験方法に準拠した記載測定法に基づき、体積抵抗率を測定した。
【０１１０】
熱抵抗の測定：銅板上に発熱素子を実装し、発熱素子に通電して発熱させ、発熱素子の抵抗値の温度依存変化から動作時の発熱素子の温度を算出して、熱抵抗を算出した。発熱素子としては、窒化アルミ基板中にタングステン電極が埋め込まれ、通電時にタングステン電極の抵抗により発熱する素子を用いた。発熱素子の実装は、Ｐｂ系半田と比較し、約８０Ｗ／ｍＫと比較的熱伝導率の高いＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のＰｂフリー半田を用いて、水素還元雰囲気中で３００℃以上、保持時間が５分間に設定されたリフロー炉を用いた。直径０．３ｍｍのアルミニウムワイヤーを用いて発熱素子にワイヤーボンディングを施し、外部配線を施した。また、発熱素子の抵抗値の温度依存性は、実装前に予め０〜１５０℃までの温度に素子を保持し、その時の温度に対する抵抗値の変化を測定して求めておいた。このように発熱素子を実装した窒化珪素基板の反対側の面に、２５℃の冷却水を流すことのできる銅製のヒートシンクをグリースを介して当接し、冷却水の温度を熱電対により測定できるようにした。このような発熱モジュールに対し、１０〜２００Ｗの電力を与え、発熱素子が発熱した際の素子の抵抗値を測定し、予め測定しておいた発熱素子の抵抗値の温度依存性から素子温度を算出した。さらに、この素子温度と冷却水の温度の差を、発熱量で割った値を熱抵抗値（℃／Ｗ）として求めた。
【０１１１】
熱サイクル試験：上記の熱サイクル試験評価用試料を、気相中、−４０〜１５０℃、各３０分間保持の熱サイクル試験を実施した。１００サイクルまでは５０サイクル毎に、１００サイクルを超えたものは１００サイクル毎に試料を取り出し、１０００サイクルまで継続試験を行い、各サイクル毎に超音波探傷法を用いて、銅板の剥離の有無を観察した。試験結果としては、剥離が認められたサイクル数を示した。
【０１１２】
【表１】
【０１１３】
実施例１〜２３は、絶縁性が１０１２Ω以上と高く、金属回路の剥離強度が６０Ｎ／ｃｍ以上であり、熱抵抗も０．４℃／Ｗ以下と低く、熱サイクル試験による金属回路の剥離も５００回以上でないと発生しなかった。
【０１１４】
また、中間層の厚みは、１０μｍ以上５０μｍ以下であった。実施例１３は、中間層厚みが５μｍと薄く、絶縁性が１０１０Ωと若干低くなった。逆に、実施例１６は、中間層厚みが８０μｍと厚く、絶縁性は１０１４Ωと高いが、セラミック回路基板としての熱抵抗値が０．４０℃／Ｗと若干高めになってしまい放熱性が比較的悪くなる傾向があったが、特に性能に悪影響を及ぼすものではない。
【０１１５】
また、中間層の結晶質相に含まれる希土類元素と、基板の粒界層に存在する結晶質相に含まれる希土類元素とが同じである実施例８および実施例１８は、絶縁性が高いことに加えて、金属回路の剥離強度も高く、特に絶縁性および信頼性の高いセラミック回路基板が得られた。
【０１１６】
さらに、基板に窒化アルミを用いた実施例２４および実施例２５では、高い絶縁性および信頼性に加えて、窒化アルミの熱伝導率の高さから熱抵抗の低い放熱性に優れたセラミック回路基板が得られた。
【０１１７】
一方、比較例１および比較例２は、絶縁性が１０９Ωと低く、金属回路の剥離強度も２４Ｎ／ｃｍ以下と低く、熱抵抗も０．４℃／Ｗより高く、熱サイクル試験による金属層剥離も５０回以内で発生し、著しく特性の劣る回路基板であった。
【図面の簡単な説明】
【０１１８】
【図１】本発明の第１の実施形態であるセラミック回路基板１を用いた半導体装置１０の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態であるセラミック回路基板５を用いた半導体装置２０の構成を示す断面図である。
【図３】本発明の第３の実施形態であるセラミック回路基板８を用いた半導体装置３０の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１１９】
１，５，８ セラミック回路基板
２ 基板
３，６，９ 中間層
４，７ 金属層
１０，２０，３０ 半導体装置
１１ 半導体素子
２１ ヒートシンク
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミック基板に金属パターンを接合するセラミック回路基板に関し、特に高信頼性、高放熱性および高接合強度を要するパワーモジュールに好適なセラミック回路基板およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高出力のパワーＦＥＴ（Field Effect Transistor）などの半導体素子を収容するパワーモジュール用のセラミック回路基板は、作動時に発熱する半導体素子の放熱性を向上させるため、熱伝導率の高い金属回路板およびセラミック基板などを含んで構成される。セラミック基板の厚み方向一方側の表面には金属回路板が接合され、厚み方向他方側の表面には金属放熱板が接合される。半導体素子は、金属回路板に実装され、制御回路などの外部の回路と電気的に接続されている。
【０００３】
このようなパワーモジュールに用いられる半導体素子には、たとえばシリコン（Ｓｉ）単結晶の原子の一部を、窒素（Ｎ）およびリン（Ｐ）などの１５族元素またはガリウム（Ｇａ）およびアルミニウム（Ａｌ）などの１３族元素で置き換えた、いわゆる不純物半導体が用いられ、自由電子および正孔の二つのキャリヤ数により区別されるｎ型、ｐ型半導体の組み合わせにより構成される。その役割は、ＩＣ（Integrated Circuit）などの電子回路のベース電圧信号に基づいてパワー回路の電流のスイッチングを行い、電力の制御を行うことにあるが、スイッチング速度の高速化に伴い、動作時に発生する多量の熱を如何に効率的に放出するかが課題となっている。
【０００４】
半導体素子が実装される金属回路板は、パワー回路におけるエミッタ電極を構成しており、大電流を通電するとともに、半導体素子で発生した熱を外部に伝達し、放出する役目を担っている。したがって、金属回路板には、熱を広範囲に拡散し、熱放散性を高めるための高い熱伝導性が求められている。たとえば、金属回路板に熱伝導率が高い銅を用いると、半導体素子の動作により発生する熱は、銅回路板を伝わって良好に外部に放出され、半導体素子の温度上昇を有効に防ぐことが可能となる。
【０００５】
また、セラミック基板は、絶縁性を有しており、金属回路板と金属放熱板との間の電気的絶縁性を確保するために設けられるとともに、金属回路板と同様に熱を外部に伝導する役目を担っている。
【０００６】
このようなセラミック回路基板において、セラミック基板としては、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）および窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）などのセラミック焼結体が用いられ、金属回路板としては、銅およびアルミニウムなどの高熱伝導性金属が用いられる。
【０００７】
しかし、パワーモジュールやスイッチング電源用モジュールなどの高電力化、高速化に加え、半導体素子の高密度化、高集積化に伴って、半導体素子からの発生熱量は年々増加する傾向にあるため、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）に比べ熱伝導率が数倍から１０倍程度高い窒化アルミニウム（ＡｌＮ）および窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）などの非酸化物セラミック焼結体をセラミック基板として用いることが好ましい。
【０００８】
非酸化物セラミック基板をセラミック回路基板に適用するためには、アルミナなどの酸化物セラミック基板と同様に、その表面に金属回路板を接合することが不可欠である。非酸化物セラミック基板と金属回路板とを接合する方法としては、銅直接接合法（ＤＢＣ法：Direct Bonding Cupper法）、アルミニウム直接接合法（ＤＢＡ法：Direct Bonding
Aluminum）および活性金属法などが挙げられる（特許文献１〜３参照。）。
【０００９】
【特許文献１】特開平０３−２９０３７８号公報
【特許文献２】特開平０４−１２５５４号公報
【特許文献３】特開２００１−４８６７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）および窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）などの非酸化物セラミック基板に、銅およびアルミニウムなどの金属回路板を接合する場合にＤＢＣ法を用いると、Ｃｕ−Ｏ系の共晶化合物を利用した接合法であるため、非酸化物セラミック基板の表面に少なくとも３〜５μｍの厚さの酸化物層を熱酸化法などにより形成する必要がある。
【００１１】
窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）焼結体の酸化のメカニズムは、９００〜１０００℃程度の低温で発生する粒界層の酸化と、１１００℃以上の高温で発生する窒化珪素粒子自体の酸化に大別することができ、それぞれ異なる温度域で酸化が促進される。このため、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）基板表面に均質な酸化物層を形成することは困難であり、ひいては窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）基板と金属回路板とを均質に接合することができないという問題がある。
【００１２】
また、粒界層が酸化される場合には必然的に体積変化を生じるため、この体積変化により粒界層と窒化珪素粒子との間に微細なクラックが生じる。酸化時間とともにこのクラックが進展しながら繋がることにより大きなクラックに成長し、安定な酸化物層を得ることができない。このようにして生じたクラックは、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）基板と金属回路板とを接合した際に、絶縁性の劣化、接合強度の低下、動作時の熱応力に対する信頼性の低下、熱伝導性の低下などによりパワーモジュール全体の放熱性を悪化させてしまうことになる。
【００１３】
本発明の目的は、絶縁性、接合強度、信頼性および熱伝導性を向上し、長期間にわたって優れた耐久性と放熱性を実現するセラミック回路基板およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、非酸化物セラミックで構成される基板と、
所定のパターン形状を有する金属層と、
前記基板と前記金属層とに接合される中間層とを含み、
前記中間層は、ＲＥ−Ｓｉ−Ｏ系酸化物およびＲＥ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系酸化物（ＲＥは希土類元素を示す）の少なくとも一方を含む結晶質相で構成されることを特徴とするセラミック回路基板である。
【００１５】
また、本発明は、前記中間層の厚みが、１０μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明は、前記結晶質相は、ＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７、ＲＥ２ＳｉＯ５およびＲＥ１４Ｓｉ９Ｏ３９から選ばれる結晶質相であることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明は、前記結晶質相に含まれる希土類元素が、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｙ、ＥｒおよびＹｂから選ばれる少なくとも１種の希土類元素であることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明は、前記中間層の熱膨張係数が、３．０ｐｐｍ／℃以上１６．０ｐｐｍ／℃以下であり、前記基板の熱膨張係数より大きく、前記金属層の熱膨張係数よりも小さいことを特徴とする。
【００１９】
また、本発明は、前記結晶質相に含まれる希土類元素が、前記非酸化物セラミック粒子の粒界層に存在する結晶質相に含まれる希土類元素と同じであることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明は、前記非酸化物セラミックスが、窒化ケイ素焼結体であることを特徴とする。
【００２１】
また、本発明は、前記金属層が、銅、アルミニウム、タングステン、モリブデンおよびそれらの合金の少なくとも１種の金属からなることを特徴とする。
【００２２】
また、本発明は、非酸化物セラミックスで構成される基板の表面に、ＲＥ２Ｏ３粉末（ＲＥは希土類元素）とＳｉＯ２粉末との混合粉末、有機溶媒および有機バインダーを含む溶液を塗布し、窒素雰囲気中で加熱溶融して融液を形成する工程と、
前記融液を結晶化してＲＥ−Ｓｉ−Ｏ系酸化物およびＲＥ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系酸化物の少なくとも一方から成る結晶を主体とする中間層を前記基板の表面に形成する工程と、
前記中間層を介して、前記基板上に所定のパターン形状を有する金属層を接触配置し、熱処理を施して前記金属層を接合する工程と備えることを特徴とするセラミック回路基板の製造方法である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、非酸化物セラミックスで構成される基板と、所定のパターン形状を有する金属層とに接合される中間層を含んでおり、この中間層は、ＲＥ−Ｓｉ−Ｏ系酸化物およびＲＥ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系酸化物（ＲＥは希土類元素を示す）の少なくとも一方を含む結晶質相で構成されることを特徴としている。
【００２４】
このような中間層を形成することで、熱酸化法による酸化と異なり、非酸化物セラミックスで構成される基板の表面にクラックなどのダメージを与えることなく均質に酸化皮膜で覆うことが可能となる。
【００２５】
また、中間層は酸化物であるため、中間層と金属層との界面には均質なＣｕ−Ｏなどの共晶化合物が形成され、金属層を均質かつ強固に接合することができ、さらに、絶縁性を向上することができる。
【００２６】
また、基板表面にクラックを発生することがないので、熱伝導性の劣化を防止することができ、放熱性の高いセラミック回路基板を実現することができる。
【００２７】
以上より、絶縁性、接合強度、信頼性および熱伝導性を向上し、長期間にわたって優れた耐久性と放熱性を実現するセラミック回路基板を得ることができる。
【００２８】
また、本発明によれば、前記中間層の厚みを、１０μｍ以上５０μｍ以下とすることで、十分な絶縁性と熱伝導性とを実現することができる。
【００２９】
また、本発明によれば、前記結晶質相は、ＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７、ＲＥ２ＳｉＯ５およびＲＥ１４Ｓｉ９Ｏ３９から選ばれる結晶質相であるので、非常に安定であり、金属層を接合する際の高温雰囲気から基板表面を守ることができる。その結果、基板の抗折強度の劣化を防止することができる。
【００３０】
また、本発明によれば、前記結晶質相に含まれる希土類元素が、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｙ、ＥｒおよびＹｂから選ばれる少なくとも１種の希土類元素であるので、高温雰囲気から基板表面を守ることができる。
【００３１】
また、本発明によれば、前記中間層の熱膨張係数が、３．０ｐｐｍ／℃以上１６．０ｐｐｍ／℃以下であり、前記基板の熱膨張係数より大きく、前記金属層の熱膨張係数よりも小さくしているので、接合界面に発生する熱応力を効果的に緩和することができる。これにより、接合強度および信頼性を向上させることができる。
【００３２】
また、本発明によれば、前記結晶質相に含まれる希土類元素が、前記非酸化物セラミック粒子の粒界層に存在する結晶質相に含まれる希土類元素と同じである。
【００３３】
これにより、基板と中間層との濡れ性、連続性を向上し、中間層の接合強度を向上させることができ、信頼性および放熱性を向上させることができる。
【００３４】
また、本発明によれば、非酸化物セラミックスが、窒化珪素焼結体であるので、基板が高強度かつ高熱伝導率を有し、信頼性および放熱性を向上させることができる。
【００３５】
また、本発明によれば、前記金属層が、銅、アルミニウム、タングステン、モリブデンおよびそれらの合金の少なくとも１種の金属からなるので、熱伝導性、導電性および原料コストの点から、安価で放熱性の高いセラミック回路基板を得ることができる。
【００３６】
また、本発明によれば、非酸化物セラミックスで構成される基板の表面に、ＲＥ２Ｏ３粉末（ＲＥは希土類元素）とＳｉＯ２粉末との混合粉末、有機溶媒および有機バインダーを含む溶液を塗布し、窒素雰囲気中で加熱溶融して融液を形成し、前記融液を結晶化してＲＥ−Ｓｉ−Ｏ系酸化物およびＲＥ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系酸化物の少なくとも一方から成る結晶を主体とする中間層を前記基板の表面に形成する。次に前記中間層を介して、前記基板上に所定のパターン形状を有する金属層を接触配置し、熱処理を施して前記金属層を接合することで、絶縁性、接合強度、信頼性および熱伝導性を向上し、長期間にわたって優れた耐久性と放熱性とを実現するセラミック回路基板を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
本発明は、非酸化物セラミックスで構成される基板と、所定のパターン形状を有する金属層と、前記基板と前記金属層とに接合される中間層とを含んで構成されるセラミック回路基板であり、前記中間層は、ＲＥ−Ｓｉ−Ｏ系酸化物およびＲＥ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系酸化物（ＲＥは希土類元素を示す）の少なくとも一方を含む結晶質相で構成されることを特徴としている。
【００３８】
このようなセラミック回路基板は、高信頼性、高放熱性および高接合強度を要するパワーモジュールに特に好適である。
【００３９】
図１は、本発明の第１の実施形態であるセラミック回路基板１を用いた半導体装置１０の構成を示す断面図である。
【００４０】
半導体装置１０は、セラミック回路基板１に、半導体素子１１が実装されたものであって、たとえば、パワーモジュールなどで実現される。
【００４１】
セラミック回路基板１は、非酸化物セラミックスで構成される基板２の厚み方向一方側表面に、ＲＥ−Ｓｉ−Ｏ系酸化物およびＲＥ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系酸化物の少なくとも一方を含む結晶質相で構成される中間層３が設けられ、この中間層３の厚み方向一方側表面に、所定のパターン形状を有する金属層４が接合されている。半導体素子１１は、金属層４に電気的に接続されている。
【００４２】
半導体素子１１は、たとえば、発熱性素子、ＩＧＢＴ（In sulated Gate Bipolar
Transistor）およびパワーＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）ＦＥＴなどのように大きな電流を制御する機能を有しており、半導体素子１１には電流制御のための信号が入力される配線（図示せず）が接続されている。
【００４３】
基板２は、窒化アルミおよび窒化珪素などの非酸化物セラミックスで構成される基板である。窒化アルミおよび窒化珪素などの非酸化物セラミック基板は、アルミナおよびジルコニアなどの酸化物セラミックスで構成された基板と比較して、特に、高強度で、かつ高い熱伝導率を有するため、放熱性および高い実装信頼性を必要とするパワー素子などの発熱性素子を実装する回路基板として好適である。
【００４４】
基板２を構成する非酸化物セラミックスとしては、特に限定されるものではないが、窒化珪素が高強度、高靭性のセラミック焼結体としてよく知られており、これに加えて比較的高い熱伝導率も有していることより、高強度で、かつ高い熱伝導率を両立できる点で、特に好ましい。
【００４５】
中間層３は、ＲＥ−Ｓｉ−Ｏ系酸化物およびＲＥ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系酸化物の少なくとも一方を含む結晶質相で構成される。ＲＥ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系酸化物としては、ＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７（ダイシリケート）およびＲＥ２ＳｉＯ５（モノシリケート）などの希土類酸化物が好ましく、ＲＥ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系酸化物としては、ＲＥ４Ｓｉ２Ｏ７Ｎ４（ＹＡＭ）、ＲＥＳｉＯ２Ｎ（ワラステナイト）およびＲＥ１０Ｓｉ７ＯＮ４（アパタイト）などのＳｉ３Ｎ４−ＲＥ２Ｏ３−ＳｉＯ２系希土類酸化物が好ましい。
【００４６】
結晶質相としては、これらの中でもＲＥ−Ｓｉ−Ｏ系酸化物が好ましく、特にＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７（ダイシリケート）、ＲＥ２ＳｉＯ５（モノシリケート）が好ましい。これは、従来のＳｉＯ２皮膜やＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ムライト、コージェライトおよびＹＡＧなどの酸化物被覆層に比べ、絶縁性を向上できることに加えて、高温酸化性雰囲気においても非常に安定であるので、金属層４を接合する際の高温雰囲気から基板２の表面を守ることができ、基板２自体の抗折強度の劣化を防止することが可能となる。なお、中間層３がＲＥ４Ｓｉ２Ｏ７Ｎ４（ＹＡＭ）、ＲＥＳｉＯ２Ｎ（ワラステナイト）およびＲＥ１０Ｓｉ７ＯＮ４（アパタイト）などのＳｉ３Ｎ４−ＲＥ２Ｏ３−ＳｉＯ２系結晶質相で構成される場合、中間層３に含まれる酸素量は多くできるものの、非酸化物となるため絶縁性および接合強度がＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７（ダイシリケート）、ＲＥ２ＳｉＯ５（モノシリケート）に劣るため、本発明としては、総合的な特性向上の観点からＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７（ダイシリケート）、ＲＥ２ＳｉＯ５（モノシリケート）が好ましい。
【００４７】
結晶質相に含まれる希土類元素（ＲＥ）としては、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｙ、ＥｒおよびＹｂから選ばれる少なくとも１種の希土類元素であることが好ましい。これらの元素は、希土類の中でもイオン半径が小さいため分子間の結合力が大きく、金属層４を接合する際の高温雰囲気中においても結合力が高く、耐エロージョン性にも優れ基板２へのダメージを防止することができる。
【００４８】
さらに、これらの希土類元素に加えて他に添加物を用いることもできるが、これらの希土類元素を用いることで添加物を多量に加えることなく、中間層３の熱膨張係数を３．０ｐｐｍ／℃以上１６．０ｐｐｍ／℃以下の範囲に調整することができる。
【００４９】
中間層３の熱膨張係数は、たとえば窒化珪素で構成される基板２の熱膨張係数３．０ｐｐｍ／℃より大きく、たとえば銅からなる金属層４の熱膨張係数１６．０ｐｐｍ／℃より小さいことが好ましく、基板２と金属層４との間に発生する熱応力を効果的に緩和するために、７．０ｐｐｍ／℃以上１３．０ｐｐｍ／℃以下であることが好ましい。特に好ましくは、１０．０ｐｐｍ／℃であり、この熱膨張係数は、希土類元素としてＳｍ、ＴｂおよびＤｙから選ばれる少なくとも１種の希土類元素を用いることで容易に実現することができる。
【００５０】
中間層３の厚みは、１０μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは、１５μｍ以上３０μｍ以下である。厚みが５０μｍを超えると、中間層３の剥離が生じやすくなったり、熱伝導の妨げになる。また、５μｍ程度では絶縁性の向上が十分ではないため、中間層３の厚みは、１０μｍ以上が好ましい。なお、非酸化物セラミック基板の表面を酸化することにより酸化物層を形成する方法では、酸化物層の厚みが３〜５μｍの場合は酸化物層が薄いのに加えて厚みが不均一であるため十分な絶縁性が得られず、酸化物層の厚みを厚くしたとしても、酸化物層形成時に体積膨張によるクラックが生じるため十分な絶縁性が得られない。
【００５１】
また、基板２の粒子の粒界層に存在する結晶質相には、セラミックスの焼結助剤に由来する希土類元素が含まれ、緻密で高強度、高熱伝導性を有するセラミック焼結体を得るために、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕなどの元素を好適に用いることができる。これらの希土類元素は、酸化物換算で基板２全体の０．５ｍｏｌ％以上１０ｍｏｌ％以下の範囲で含有することが好ましい。希土類元素の含有量が、０．５ｍｏｌ％よりも少ないと焼結性が低下し、緻密で高強度な基板２が得られない。逆に、１０ｍｏｌ％よりも多いと熱伝導性が劣化する。
【００５２】
基板２として窒化珪素で構成された基板を例とした場合、たとえば、窒化珪素を７０ｍｏｌ％以上９９ｍｏｌ％以下含み、上記の希土類元素のうち少なくとも１種を酸化（ＲＥ２Ｏ３）物換算で０．５ｍｏｌ％以上１０ｍｏｌ％以下含み、さらに残部としてＳｉＯ２を含む窒化珪素焼結体を例示できる。また、このような窒化珪素中にＡｌやＯが固溶した、サイアロン（ＳＩＡＬＯＮ）を形成していても良い。
【００５３】
このように基板２および中間層３には、それぞれ希土類元素が含まれ、基板２と中間層３との濡れ性、連続性を考慮すると、これらの希土類元素は、同じであることが好ましい。中間層３に含まれる希土類元素は前述の元素であるので、基板２に含まれる希土類元素としてもＳｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｙ、ＥｒおよびＹｂから選ばれる少なくとも１種の希土類元素であることが好ましい。
【００５４】
金属層４は、所定のパターン形状を有しており、所定のパターン形状としては、半導体素子１１における信号の入出力および半導体素子１１に対する電力の供給に必要な回路パターン、矩形および円形などの単純な幾何学パターンなど使用目的に応じたパターン形状が選ばれる。
【００５５】
また、金属層４は、銅、アルミニウム、タングステン、モリブデンおよびそれらの合金の少なくとも１種の金属からなることが好ましい。特に熱伝導性、原料コスト、および導電性の点から、銅やアルミニウムを主成分とすることが好ましい。
【００５６】
図２は、本発明の第２の実施形態であるセラミック回路基板５を用いた半導体装置２０の構成を示す断面図である。半導体装置２０は、セラミック回路基板５に、半導体素子１１が実装されたものである。
【００５７】
セラミック回路基板５は、第１の実施形態であるセラミック回路基板１にさらに中間層６と金属層７とを設けたものであり、セラミック回路基板１と同じ構成については同じ参照番号を付して、説明は省略する。
【００５８】
中間層６は、中間層３と同様にＲＥ−Ｓｉ−Ｏ系酸化物およびＲＥ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系酸化物の少なくとも一方を含む結晶質相で構成され、中間層３の反対側、すなわち基板２の厚み方向他方側表面に設けられる。
【００５９】
金属層７は、所定のパターン形状を有し、金属層４の反対側、すなわち中間層６の厚み方向他方側表面に接合されている。
【００６０】
金属層４と金属層７とが同じ金属、同じパターン形状であったり、金属やパターン形状などが異なっていても高温条件下で発生する熱応力がほぼ等しいような場合は、中間層３と中間層６とは、同じ結晶質相で構成することが好ましい。逆に、金属層４と金属層７とが異なるパターン形状であったり、異なる金属であったり、厚みが異なるなどして高温条件下で発生する熱応力が異なるような場合は、その熱応力の差異を吸収すべく、中間層３と中間層６とで、熱膨張係数が異なるように構成することが好ましい。中間層３と中間層６とで、熱膨張係数を異ならせるには、結晶質相の種類を異ならせる、希土類元素の種類を異ならせるなどがある。
【００６１】
このようにすることで、セラミック回路基板の反り、および金属層の剥がれを防止することができる。
【００６２】
たとえば、金属層４の厚みが金属層７より厚い場合、金属層４の面積が金属層７より広い場合などは、高温条件下において金属層４が接合されている側に発生する熱応力が大きくなるため、金属層７が接合している中間層６の熱膨張係数を金属層４が接合している中間層３より大きくし、金属層７が接合している側にも熱応力を発生させることにより、セラミック回路基板全体としては厚み方向両側での熱応力のバランスを均一に保ち、セラミック回路基板の反り、および金属層の剥がれを防止することができる。
【００６３】
さらには、意図的にセラミック回路基板の厚み方向両側での熱応力のバランスを崩すことにより、所定の反りを生じさせることも可能となる。半導体素子の熱膨張率は、３ｐｐｍ／℃程度であり、これをセラミック回路基板に実装した場合や、銅またはアルミからなる放熱板やヒートシンクベースにセラミック回路基板を接合固定した場合、全体の熱膨張のバランスが崩れて基板が反る可能性がある。このようなことを考慮して、予めセラミック回路基板を、半導体素子を実装した場合や放熱板に固定した場合に生じるであろう反りとは逆方向に所定の反りを生じさせることが可能となる。また、セラミック回路基板を固定する部分が曲面であるような場合、その曲面に沿った所定の反りを生じさせることも可能となる。
【００６４】
第２の実施形態では、半導体装置２０がさらにヒートシンク２１を備えていてもよい。このとき、金属層７は、放熱板として機能する。ヒートシンク２１は、半導体素子１１の反対側、すなわち金属層７に固着される。ヒートシンク２１は、放熱性が最重要視されるので、銅およびアルミニウムなど熱伝導性が高い金属で構成される。
【００６５】
熱設計の観点から見ると、中間層３の厚みを中間層６の厚みよりも薄くすることが好ましい。これは、半導体素子１１駆動時に発生した熱が、基板２、中間層３および中間層６よりも熱伝導率の高い金属層４を通じてセラミック回路基板５の主面と平行な方向に広がった後、セラミック回路基板５の厚み方向に伝導したり、金属層４から空気中に放射されたりするためである。
【００６６】
なお、ヒートシンク２１に吸収された熱は、空気中へ放射してもよいし、熱媒体を介してさらに移動させるようにしてもよい。
【００６７】
図３は、本発明の第３の実施形態であるセラミック回路基板８を用いた半導体装置３０の構成を示す断面図である。半導体装置３０は、セラミック回路基板８に、半導体素子１１が実装されたものである。
【００６８】
セラミック回路基板８は、第１の実施形態であるセラミック回路基板１にさらに中間層９を設けたものであり、セラミック回路基板１と同じ構成については同じ参照番号を付して、説明は省略する。
【００６９】
中間層９は、中間層３と同様にＲＥ−Ｓｉ−Ｏ系酸化物およびＲＥ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系酸化物の少なくとも一方を含む結晶質相で構成され、中間層３と金属層４との間、すなわち中間層３の厚み方向一方側表面に設けられる。
【００７０】
基板２と金属層４との間に中間層を２層設ける場合、中間層９の熱膨脹係数が、中間層３の熱膨張係数よりも大きくなるように各中間層を構成することが好ましい。第１の実施形態のように中間層３のみの場合、その熱膨張係数は、基板２の熱膨張係数と金属層４の熱膨張係数との平均値あたりとなるように構成することが好ましいが、基板２の熱膨張係数と金属層４の熱膨張係数との差が大きいと、基板２の熱膨張係数と中間層３の熱膨張係数との差、および金属層４の熱膨張係数と中間層３の熱膨張係数との差も大きくなり、熱応力を十分に緩和することができない可能性がある。
【００７１】
そこで、本実施形態のように、中間層を２層設け、中間層３の熱膨張係数と中間層９の熱膨張係数との差を、基板２の熱膨張係数と中間層３の熱膨張係数との差、および金属層４の熱膨張係数と中間層９の熱膨張係数との差とほぼ同じとすること、すなわち、それぞれの差を基板２の熱膨張係数と金属層４の熱膨張係数との差の１／３程度とすることで、それぞれの差を第１実施形態における基板２の熱膨張係数と中間層３の熱膨張係数との差、および金属層４の熱膨張係数と中間層３の熱膨張係数との差よりも小さくすることができるので、より効果的に熱応力を緩和することができる。
【００７２】
このような第３の実施形態の作用効果を考えると、中間層は２層に限らず３層以上であってもよいことは明らかである。中間層が３層以上の場合は、基板２に設けられた中間層から、金属層４と接合した中間層にかけて熱膨張係数が順次大きくなるように構成すればよい。
【００７３】
以下では、セラミック回路基板の製造方法について説明する。
セラミック回路基板の製造方法は、非酸化物セラミックスで構成される基板の表面に、ＲＥ２Ｏ３粉末（ＲＥは希土類元素）とＳｉＯ２粉末との混合粉末、有機溶媒および有機バインダーを含む溶液を塗布する工程と、窒素雰囲気中で加熱溶融して融液を形成し、前記融液を結晶化してＲＥ−Ｓｉ−Ｏ系酸化物およびＲＥ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系酸化物の少なくとも一方から成る結晶を主体とする中間層を前記基板の表面に形成する工程と、前記中間層を介して、前記基板上に所定のパターン形状を有する金属層を接触配置し、熱処理を施して前記金属層を接合する工程とを有する。
【００７４】
たとえば、非酸化物セラミックスが窒化珪素である場合は、まず、基板の出発原料として、窒化珪素粉末と、希土類元素（周期律表第３族元素）の酸化物（ＲＥ２Ｏ３）粉末と、必要により粒界結晶相を析出させるためのＳｉＯ２粉末を混合する。
【００７５】
窒化珪素粉末は、α型、β型のいずれでも使用できるが、粒径は０．４μｍ以上１．２μｍ以下であり、陽イオン不純物量は１質量％以下、特には０．５質量％以下であり、不純物酸素量は０．５重量％以上２．０重量％以下が適量である。粉末の製法は、直接窒化法およびイミド分解法などいずれの製法によるものであってもかまわない。また、サイアロン粉末を用いることもできる。
【００７６】
また、ＲＥ２Ｏ３粉末、ＳｉＯ２粉末の代わりに、ＲＥ２Ｏ３とＳｉＯ２との複合酸化物の粉末を使用することもできるし、窒化珪素とＲＥ２Ｏ３とＳｉＯ２との化合物粉末を用いることもできる。
【００７７】
これらの粉末を調合するに当っては、上述の基板組成を満足するように、各粉末の混合比率が調整される。たとえば、過剰酸素量が所定のＳｉＯ２／ＲＥ２Ｏ３モル比を満足するためには、窒化珪素中に不可避に含まれる酸素、あるいは製造過程で吸着される酸素分などをＳｉＯ２分として考慮して、希土類酸化物量およびＳｉＯ２粉末の添加量を調整する。
【００７８】
所定の割合で各粉末を秤量し、振動ミル、回転ミルおよびバレルミルなどで十分に混合した後、得られた混合粉末を所望の成形手段、たとえば金型プレス、鋳込み成形、排泥成形、押し出し成形、射出成形、冷間静水圧プレスおよびドクターブレードなどにより任意の形状に成形し、この成形体を焼成することにより、窒化珪素基板を得ることができる。
【００７９】
焼成は、通常、窒素ガス雰囲気下で行われ、焼成温度は１７００℃以上２０００℃以下の範囲が適当である。このような条件下での焼成によって、相対密度が９８％を超えるように緻密化した焼結体を得ることができる。焼成温度が２０００℃を超えると窒化珪素結晶が粒成長し、抗折強度の劣化を引き起こす恐れがあり、逆に１７００℃よりも低いと、緻密化が困難になる。
【００８０】
また、この焼成後に、熱間静水圧焼成（ＨＩＰ）法により、さらに緻密化することもできる。さらに、焼成後の冷却過程において徐冷を行うか、または焼結体を１０００℃以上１７００℃以下の温度で再度、熱処理を行うことにより、粒界の結晶化を図り、抗折強度や熱伝導などの特性の更なる改善を行うこともできる。
【００８１】
また、窒化珪素基板に高い寸法精度が要求される場合には、窒化珪素粉末の一部をＳｉ粉末に置き換えて成形体を作製し、これを窒素含有雰囲気中、８００℃以上１５００℃以下で熱処理し、窒化珪素を反応生成して成形体密度を高めた上で、前述の焼成条件で焼成することにより、焼成時の収縮を小さくすることができる。
【００８２】
次に、このようにして得られた窒化珪素基板の表面に、中間層を形成する。中間層の形成は、蒸着法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、ＥＢ（Electron Beam）−ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法およびスパッタ法などの薄膜形成法、溶射法、スラリー塗布法、印刷法を用いて行うことができるが、中間層に含まれる過剰のＳｉＯ２量を厳密に制御できる点において、溶射法、またはスラリー塗布法、印刷法が好ましく、簡便に形成できる点においてスラリー塗布法、印刷法が好ましい。
【００８３】
たとえば、ＳｉＯ２粉末とＲＥ２Ｏ３粉末と酸化物粉末との複合混合粉末、あるいはＳｉＯ２粉末とＲＥ２Ｏ３粉末と酸化物粉末との混合粉末を用い、これらの粉末中の過剰ＳｉＯ２量を所定の範囲に調整し、その粉末のスラリーを調整する。
【００８４】
このスラリーは、有機溶媒、有機バインダーと混合粉末とを所定の割合で混合し、所定の粘度に調整して作成する。
【００８５】
次いで、調製したスラリーを、窒化珪素基板の表面にスプレーにより塗布するか、あるいはディッピング法により均一に塗布するか、あるいは印刷法により基板の全面、あるいは所定の位置のみに印刷することにより、基材を準備する。次いで、この基材を熱処理することにより、窒素雰囲気中でスラリーを加熱溶融して融液を形成し、この融液を結晶化して目的とする結晶質相で構成される中間層を形成することができる。
【００８６】
熱処理温度は、用いるＲＥ２Ｏ３の種類にもよるが、１４００℃以上１７００℃以下の温度とするのが良い。熱処理温度が１４００℃より低いと、所望の結晶質相を析出させることが困難となり、あるいは得られる中間層が緻密化不足となり、気孔が多数残存するポーラスな層となってしまう。また、熱処理温度が１７００℃より高いと、ＳｉＯ２が揮発してしまい、所望の結晶質相を析出することができない。
【００８７】
なお、原料として用いるＳｉＯ２粉末およびＲＥ２Ｏ３粉末等は、いずれも純度９５％以上であることが好ましい。
【００８８】
また、上述のスラリーを、焼成前の窒化珪素基板の生成形体の表面に、上記と同様の方法で均一に塗布、あるいは印刷し、これを焼成することにより、窒化珪素基板と中間層とを同時に形成することも可能である。
【００８９】
次に、上記のようにして得られた中間層に、金属層を接合する。
金属層の接合は、通常のＤＢＣ法に従って、たとえば銅で構成され、所定の回路パターン形状を有する金属層を中間層に接合して、セラミック回路基板を得る。
【００９０】
具体的には、まず中間層上に、所定のパターン形状に加工された銅板を接触配置する。次いで、窒素雰囲気などの不活性雰囲気中または真空中で、銅の融点（１０８３℃）以下Ｃｕ−Ｏ系共晶化合物の融点（１０６５℃）以上の温度で熱処理を施し、Ｃｕ−Ｏ系共晶化合物液相で中間層表面を濡らし、この液相を冷却固化することによって、中間層と金属層とを接合する。
【００９１】
このような工程で製造することにより、高い熱伝導率、高い電気絶縁性を有し、高強度で、信頼性の高い、セラミック回路基板を製造することができる。
【実施例】
【００９２】
窒化珪素基板の原料粉末として、下記の窒化珪素粉末、希土類元素酸化粉末、酸化珪素粉末を用いた。
【００９３】
平均粒子径が１．２μｍ、酸素量が１質量％、α率が９０％の直接窒化法により製造された窒化珪素粉末と、純度が９９．９％、平均粒子径が１．２μｍの各種希土類酸化物粉末と、純度が９９．９％、平均粒子径が１．６μｍのＳｉＯ２粉末を準備した。
【００９４】
次いで、上記の窒化珪素粉末８９．５ｍｏｌ％とＲＥ２Ｏ３粉末３ｍｏｌ％と、ＳｉＯ２粉末７．５ｍｏｌ％とからなる混合粉末を調合し、アクリル樹脂バインダーおよび溶媒のトルエンを添加し、窒化珪素製ボールを用いて、４８時間回転ミルで混合粉砕し、スラリーを調整した。
【００９５】
得られたスラリーを、ドクターブレード法を用いて成形し、厚み０．３ｍｍのグリーンシート成形体を作製した。このようにして得られたグリーンシート成形体を適宜積層、切断し、絶縁性評価用の試料として焼成後にたて６０ｍｍ×よこ６０ｍｍ×厚さ２ｍｍのサイズとなるシート状焼結体を得た。また、グリーンシート成形体を適宜積層、切断し、金属回路剥離強度測定用試料として焼成後にたて２０ｍｍ×よこ４０ｍ×厚さ２ｍｍのサイズとなるシート状成形体を得た。さらに、熱サイクル試験評価用試料として、絶縁性評価用の試料と同様に、焼成後にたて６０ｍｍ×よこ６０×厚さ２ｍｍのサイズとなるシート状成形体を得た。また、中間層形成後の窒化珪素基板の高温雰囲気中での抗折強度測定用試料として、焼成後にたて１０ｍｍ×よこ４０×厚さ２ｍｍのサイズとなるシート状成形体を得た。
【００９６】
これらの成形体を、６００℃で脱脂後、ガス圧焼成により窒素雰囲気中、１９００℃の焼成温度で１０時間焼成し、窒化珪素基板を得た。
【００９７】
また、同様にして平均粒子径が１．０μｍの窒化アルミ粉末にＹ２Ｏ３粉末、ＣａＯ粉末を調合し、アクリル樹脂バインダーおよび溶媒のトルエンを添加し、混合、粉砕してスラリーを調整した。得られたスラリーを、ドクターブレード法を用いて成形し、シート成形体を得た。また、得られたシート成形体を、脱脂後、ガス圧焼成により窒素雰囲気中、１９００℃の焼成温度で１０時間焼成し、窒化アルミ基板を得た。
【００９８】
次に、表１に示すＲＥ２Ｏ３粉末とＳｉＯ２粉末の混合粉末をアクリル樹脂バインダー、溶媒のテルピネオール、可塑剤ＤＢＰ（フタル酸ジブチル）と混合し、ペーストを作製した。得られたペーストをスクリーン印刷法で、所定の厚みになるように窒化珪素基板および窒化アルミ基板の両面に塗布した。この際、ペーストの塗布は、絶縁性評価用、熱サイクル試験評価用の試料については、基板の主面よりひと回り小さくたて５６ｍｍ×よこ５６ｍｍの範囲に塗布を行った。また、金属回路剥離強度測定用試料についてもたて１６ｍｍ×よこ３６ｍｍの範囲で、それぞれ塗布範囲が基板の中心位置に来るように塗布を行った。
【００９９】
次いで、ペーストの溶剤分を乾燥した後、この基板を窒素ガス雰囲気中で、表１に示す熱処理温度で処理し、表面に中間層が形成された基板を得た。
【０１００】
さらに、中間層上に、それぞれ厚さ０．３ｍｍの銅板を接触配置した。この際、銅板の形状は、絶縁性評価用の試料については、ＪＩＳ−Ｃ２１４１電気絶縁用セラミック材料の試験方法に記載の方法に基づき、電極が形成できる形状とした。また、金属回路剥離強度測定用試料については、たて１４ｍｍ×よこ５０ｍｍの銅板を配置し、長手方向の端部に未接合部ができるように配置を行った。この未接合部は、後に金属回路剥離強度を測定する際に、この未接合部分を掴んで窒化珪素基板と垂直方向に銅板を引っ張るために設けている。熱サイクル試験評価用の試料については、中間層より一回り小さいたて５４ｍｍ×よこ５４ｍｍの銅板を窒化珪素基板の厚み方向両側に配置し、中間層からはみ出すことのないように、中心に位置するように配置した。
【０１０１】
次いで、中間層を形成した基板と銅板とを重ねたものに約５０Ｐａの荷重をかけながら、１１７０℃で熱処理を施し、銅板を窒化珪素基板および窒化アルミ基板に接合し、セラミック回路基板を得た。
【０１０２】
なお、基板の粒界層に存在する結晶質相に含まれる希土類元素、中間層に含まれる希土類元素、中間層の熱処理温度は、表１に記載した通りである。
【０１０３】
また、比較例１として、中間層を設けず、熱酸化法を用いて窒化珪素基板の表面を１２００℃で酸化処理した基板に銅板を接合した窒化珪素回路基板、比較例２として実施例の中間層の代わりにＳｉＯ２粉末、Ｚｒ２Ｏ粉末、Ａｌ２Ｏ３粉末を使用して実施例の中間層と同様に形成した希土類元素を含まない中間層に銅板を接合した窒化珪素回路基板を得た。
【０１０４】
このようにして得られた実施例および比較例の各特性を以下の方法で測定し、その結果を表１に示す。
【０１０５】
結晶の同定：基板の粒界相の結晶、および中間層の結晶を、Ｘ線回折測定により同定した。
【０１０６】
中間層の厚み測定：中間層を形成した基板を切断し、その断面を電子顕微鏡で観察し、任意断面の中間層の厚み１０点の平均を中間層の厚みとした。
【０１０７】
高温雰囲気中での抗折強度の測定：上記の抗折強度測定用試料を用いて、金属層の接合温度と同等の１０００℃での高温雰囲気中での抗折強度を測定した。抗折強度の測定は、下スパン３０ｍｍの支点間に抗折強度測定用試料を置き、下スパン間の中央を上スパン１０ｍｍの２点で荷重を加える４点曲げ試験法にて行い、下支点、および荷重点全体を断熱材で覆ったものの内部をヒータで加熱しながら測定を行った。測定は、抗折強度測定用試料が破断した際の荷重を測定し、この荷重と抗折強度測定用試料の寸法から強度を算出した。
【０１０８】
金属回路剥離強度の測定：上記の金属回路剥離強度測定用試料を土台に固定し、この試料に接合された銅板端部の未接合部を、窒化珪素基板に対して垂直方向上方に引っ張り、銅板が剥離に至った時の荷重を測定した。また、剥離強度はこの荷重を接合幅（１４ｍｍ）で割った値を剥離強度として算出した。
【０１０９】
絶縁性の測定：ＪＩＳ−Ｃ２１４１電気絶縁用セラミック材料の試験方法に準拠した記載測定法に基づき、体積抵抗率を測定した。
【０１１０】
熱抵抗の測定：銅板上に発熱素子を実装し、発熱素子に通電して発熱させ、発熱素子の抵抗値の温度依存変化から動作時の発熱素子の温度を算出して、熱抵抗を算出した。発熱素子としては、窒化アルミ基板中にタングステン電極が埋め込まれ、通電時にタングステン電極の抵抗により発熱する素子を用いた。発熱素子の実装は、Ｐｂ系半田と比較し、約８０Ｗ／ｍＫと比較的熱伝導率の高いＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のＰｂフリー半田を用いて、水素還元雰囲気中で３００℃以上、保持時間が５分間に設定されたリフロー炉を用いた。直径０．３ｍｍのアルミニウムワイヤーを用いて発熱素子にワイヤーボンディングを施し、外部配線を施した。また、発熱素子の抵抗値の温度依存性は、実装前に予め０〜１５０℃までの温度に素子を保持し、その時の温度に対する抵抗値の変化を測定して求めておいた。このように発熱素子を実装した窒化珪素基板の反対側の面に、２５℃の冷却水を流すことのできる銅製のヒートシンクをグリースを介して当接し、冷却水の温度を熱電対により測定できるようにした。このような発熱モジュールに対し、１０〜２００Ｗの電力を与え、発熱素子が発熱した際の素子の抵抗値を測定し、予め測定しておいた発熱素子の抵抗値の温度依存性から素子温度を算出した。さらに、この素子温度と冷却水の温度の差を、発熱量で割った値を熱抵抗値（℃／Ｗ）として求めた。
【０１１１】
熱サイクル試験：上記の熱サイクル試験評価用試料を、気相中、−４０〜１５０℃、各３０分間保持の熱サイクル試験を実施した。１００サイクルまでは５０サイクル毎に、１００サイクルを超えたものは１００サイクル毎に試料を取り出し、１０００サイクルまで継続試験を行い、各サイクル毎に超音波探傷法を用いて、銅板の剥離の有無を観察した。試験結果としては、剥離が認められたサイクル数を示した。
【０１１２】
【表１】
【０１１３】
実施例１〜２３は、絶縁性が１０１２Ω以上と高く、金属回路の剥離強度が６０Ｎ／ｃｍ以上であり、熱抵抗も０．４℃／Ｗ以下と低く、熱サイクル試験による金属回路の剥離も５００回以上でないと発生しなかった。
【０１１４】
また、中間層の厚みは、１０μｍ以上５０μｍ以下であった。実施例１３は、中間層厚みが５μｍと薄く、絶縁性が１０１０Ωと若干低くなった。逆に、実施例１６は、中間層厚みが８０μｍと厚く、絶縁性は１０１４Ωと高いが、セラミック回路基板としての熱抵抗値が０．４０℃／Ｗと若干高めになってしまい放熱性が比較的悪くなる傾向があったが、特に性能に悪影響を及ぼすものではない。
【０１１５】
また、中間層の結晶質相に含まれる希土類元素と、基板の粒界層に存在する結晶質相に含まれる希土類元素とが同じである実施例８および実施例１８は、絶縁性が高いことに加えて、金属回路の剥離強度も高く、特に絶縁性および信頼性の高いセラミック回路基板が得られた。
【０１１６】
さらに、基板に窒化アルミを用いた実施例２４および実施例２５では、高い絶縁性および信頼性に加えて、窒化アルミの熱伝導率の高さから熱抵抗の低い放熱性に優れたセラミック回路基板が得られた。
【０１１７】
一方、比較例１および比較例２は、絶縁性が１０９Ωと低く、金属回路の剥離強度も２４Ｎ／ｃｍ以下と低く、熱抵抗も０．４℃／Ｗより高く、熱サイクル試験による金属層剥離も５０回以内で発生し、著しく特性の劣る回路基板であった。
【図面の簡単な説明】
【０１１８】
【図１】本発明の第１の実施形態であるセラミック回路基板１を用いた半導体装置１０の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態であるセラミック回路基板５を用いた半導体装置２０の構成を示す断面図である。
【図３】本発明の第３の実施形態であるセラミック回路基板８を用いた半導体装置３０の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【０１１９】
１，５，８ セラミック回路基板
２ 基板
３，６，９ 中間層
４，７ 金属層
１０，２０，３０ 半導体装置
１１ 半導体素子
２１ ヒートシンク
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非酸化物セラミックスで構成される基板と、
所定のパターン形状を有する金属層と、
前記基板と前記金属層とに接合される中間層とを含み、
前記中間層は、ＲＥ−Ｓｉ−Ｏ系酸化物およびＲＥ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系酸化物（ＲＥは希土類元素を示す）の少なくとも一方を含む結晶質相で構成されることを特徴とするセラミック回路基板。
【請求項２】
前記中間層の厚みが、１０μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のセラミック回路基板。
【請求項３】
前記結晶質相は、ＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７、ＲＥ２ＳｉＯ５およびＲＥ１４Ｓｉ９Ｏ３９から選ばれる結晶質相であることを特徴とする請求項１に記載のセラミック回路基板。
【請求項４】
前記結晶質相に含まれる希土類元素が、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｙ、ＥｒおよびＹｂから選ばれる少なくとも１種の希土類元素であることを特徴とする請求項１に記載のセラミック回路基板。
【請求項５】
前記中間層の熱膨張係数が、３．０ｐｐｍ／℃以上１６．０ｐｐｍ／℃以下であり、前記基板の熱膨張係数より大きく、前記金属層の熱膨張係数よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のセラミック回路基板。
【請求項６】
前記結晶質相に含まれる希土類元素が、前記非酸化物セラミック粒子の粒界層に存在する結晶質相に含まれる希土類元素と同じであることを特徴とする請求項１に記載のセラミック回路基板。
【請求項７】
前記非酸化物セラミックスが、窒化ケイ素焼結体であることを特徴とする請求項１に記載のセラミック回路基板。
【請求項８】
前記金属層が、銅、アルミニウム、タングステン、モリブデンおよびそれらの合金の少なくとも１種の金属からなることを特徴とする請求項１に記載のセラミック回路基板。
【請求項９】
非酸化物セラミックスで構成される基板の表面に、ＲＥ２Ｏ３粉末（ＲＥは希土類元素）とＳｉＯ２粉末との混合粉末、有機溶媒および有機バインダーを含む溶液を塗布する工程と、
窒素雰囲気中で加熱溶融して融液を形成し、前記融液を結晶化してＲＥ−Ｓｉ−Ｏ系酸化物およびＲＥ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系酸化物の少なくとも一方から成る結晶を主体とする中間層を前記基板の表面に形成する工程と、
前記中間層を介して、前記基板上に所定のパターン形状を有する金属層を接触配置し、熱処理を施して前記金属層を接合する工程と備えることを特徴とするセラミック回路基板の製造方法。
【請求項１】
非酸化物セラミックスで構成される基板と、
所定のパターン形状を有する金属層と、
前記基板と前記金属層とに接合される中間層とを含み、
前記中間層は、ＲＥ−Ｓｉ−Ｏ系酸化物およびＲＥ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系酸化物（ＲＥは希土類元素を示す）の少なくとも一方を含む結晶質相で構成されることを特徴とするセラミック回路基板。
【請求項２】
前記中間層の厚みが、１０μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のセラミック回路基板。
【請求項３】
前記結晶質相は、ＲＥ２Ｓｉ２Ｏ７、ＲＥ２ＳｉＯ５およびＲＥ１４Ｓｉ９Ｏ３９から選ばれる結晶質相であることを特徴とする請求項１に記載のセラミック回路基板。
【請求項４】
前記結晶質相に含まれる希土類元素が、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｙ、ＥｒおよびＹｂから選ばれる少なくとも１種の希土類元素であることを特徴とする請求項１に記載のセラミック回路基板。
【請求項５】
前記中間層の熱膨張係数が、３．０ｐｐｍ／℃以上１６．０ｐｐｍ／℃以下であり、前記基板の熱膨張係数より大きく、前記金属層の熱膨張係数よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のセラミック回路基板。
【請求項６】
前記結晶質相に含まれる希土類元素が、前記非酸化物セラミック粒子の粒界層に存在する結晶質相に含まれる希土類元素と同じであることを特徴とする請求項１に記載のセラミック回路基板。
【請求項７】
前記非酸化物セラミックスが、窒化ケイ素焼結体であることを特徴とする請求項１に記載のセラミック回路基板。
【請求項８】
前記金属層が、銅、アルミニウム、タングステン、モリブデンおよびそれらの合金の少なくとも１種の金属からなることを特徴とする請求項１に記載のセラミック回路基板。
【請求項９】
非酸化物セラミックスで構成される基板の表面に、ＲＥ２Ｏ３粉末（ＲＥは希土類元素）とＳｉＯ２粉末との混合粉末、有機溶媒および有機バインダーを含む溶液を塗布する工程と、
窒素雰囲気中で加熱溶融して融液を形成し、前記融液を結晶化してＲＥ−Ｓｉ−Ｏ系酸化物およびＲＥ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ系酸化物の少なくとも一方から成る結晶を主体とする中間層を前記基板の表面に形成する工程と、
前記中間層を介して、前記基板上に所定のパターン形状を有する金属層を接触配置し、熱処理を施して前記金属層を接合する工程と備えることを特徴とするセラミック回路基板の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００７−２３０７９１（Ｐ２００７−２３０７９１Ａ）
【公開日】平成１９年９月１３日（２００７．９．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５１２６０（Ｐ２００６−５１２６０）
【出願日】平成１８年２月２７日（２００６．２．２７）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年９月１３日（２００７．９．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年２月２７日（２００６．２．２７）
【出願人】（０００００６６３３）京セラ株式会社 (13,660)
【Ｆターム（参考）】
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