接合方法、接合治具、回路基板
【課題】回路基板を製造する際の接合を高温で行う場合において、一様に高い接合強度をもった回路基板を低コストで得る。
【解決手段】積層構造体は、セラミックス基板の上下にそれぞれ金属板が積層されて構成される。この積層構造体が、スペーサを挟んで多数積層されて、略矩形体の被加圧体１００とされる。柱状部材５３は、被加圧体１００における積層方向に垂直な断面（矩形）の３辺を取り囲む形態で３本ずつ３列設けられる。被加圧体１００の上辺、左辺においては、被加圧体１００におけるこれらの辺（側面）と接するように、板状の縦方向スペーサ３１、３２がそれぞれ設けられる。被加圧体１００に圧力が印加された後で、縦方向スペーサ３１、３２は抜き取られる。
【解決手段】積層構造体は、セラミックス基板の上下にそれぞれ金属板が積層されて構成される。この積層構造体が、スペーサを挟んで多数積層されて、略矩形体の被加圧体１００とされる。柱状部材５３は、被加圧体１００における積層方向に垂直な断面（矩形）の３辺を取り囲む形態で３本ずつ３列設けられる。被加圧体１００の上辺、左辺においては、被加圧体１００におけるこれらの辺（側面）と接するように、板状の縦方向スペーサ３１、３２がそれぞれ設けられる。被加圧体１００に圧力が印加された後で、縦方向スペーサ３１、３２は抜き取られる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱膨張係数の異なる平板状の材料同士が接合された構造をもった構造体を同時に多数製造する接合方法、あるいはこれに用いられる接合治具に関する。また、この接合方法を用いて製造された回路基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電動車両用インバータとして高電圧、大電流動作が可能なパワー半導体モジュール（例えばＩＧＢＴモジュール）が用いられている。こうした半導体モジュールにおいては、半導体チップが自己の発熱によって高温になるため、その放熱を効率よく行なうという機能が要求される。このため、この半導体モジュールにおいて、半導体チップを搭載する回路基板としては、機械的強度が高く、熱伝導率の高い絶縁性のセラミックス基板の一方の面に金属回路板が接合され、他方の面に放熱板が接合された構成が用いられる。金属回路板と放熱板は、導電性と熱伝導率が高い銅を主成分とする金属で構成される。
【０００３】
セラミックス基板を構成する材料としては、窒化珪素セラミックス等が広く使用される。金属回路板や放熱板は銅や銅合金で構成される。これらの間の接合には、例えばろう材が用いられる。金属回路板上には半導体チップ等が搭載され、金属回路板は、この半導体モジュールにおいてこの半導体チップが構成する回路における配線となる。このため、金属回路板は、この配線を構成するように適宜パターニングされる。一方、放熱板は放熱のために用いられるために、その面積が広いことが好ましく、パターニングされない平板状態とされる場合が多い。
【０００４】
こうした構成の回路基板を製造する際には、パターニング前の平板状態である金属回路板とセラミックス基板と放熱板とが、積層されて接合される。この際には、まず、セラミックス基板の両面にろう材が印刷で形成された後に、金属回路板／セラミックス基板／放熱板の積層構造体が形成される。その後、高温下でろう材がこれらの間で融解してから冷却されることにより、接合がなされる。この際、これらの間の接合が一様に強固になされることが必要である。また、製造コストを低減するためには、この接合を同時に多数の積層構造体に対して施すことが望ましい。
【０００５】
このような接合を行う接合治具は、例えば特許文献１〜３に記載されている。これらの接合治具においては、上下方向に平行に配置された２枚の板状部材の間に、上記の構成でろう材を挟んで積層された構造（積層構造体）が、スペーサを挟んで複数積層されて被加圧体とされる。上側の板状部材の上側にはバネが接続され、２枚の板状部材の間のこの被加圧体に均一に圧力が印加される構造となっている。
【０００６】
例えば銅で構成された金属回路板等と、窒化珪素質セラミックスで構成されたセラミックス基板とが用いられる場合には、これらを接合するろう材としては、銀を主成分としてこれにチタン等の活性金属が添加されたろう材が好ましく用いられる。この場合には、ろう材と銅や窒化珪素質セラミックスとの間で強固な反応層が形成されるため、強固な接合が得られる。この際の接合に要する温度は、例えば８００℃程度の高温である。また、特にチタン等の活性金属は酸化しやすい物質であるため、この接合は真空（減圧）中で行われることが好ましい。このため、上記の接合治具に上記の被加圧体がセットされた後に、この接合治具は真空中で上記の温度まで加熱される。冷却後、この接合治具は大気中に取り出され、被加圧体が取り出される。これにより、複数の上記の積層構造体（金属回路板／セラミックス基板／放熱板）が、金属回路板、セラミックス基板、放熱板が接合されて一体化された状態で、スペーサを挟んで得られる。
【０００７】
上記の工程においては、高温時にろう材からガスが発生することがあり、このガスが充分に除去されない場合には、接合後のろう材におけるボイドとなり、接合強度の低下等の原因となる。従って、上記の被加圧体の周囲には、このガスの抜け道が形成されることが必要である。このため、上記の接合治具における被加圧体の側面の周囲は平坦な壁ではなく、上下方向に平行に延びる複数の円筒形状の柱状部材で構成されている。すなわち、上記の被加圧体は、多数の柱状部材で囲まれて固定され、柱状部材の間からガスが抜けるため、ボイドの発生が抑制される。
【０００８】
また、この接合治具は高温の真空中に置かれるため、これを構成する部品（２枚の板状部材、バネ、柱状部材等）は、いずれもセラミックスやカーボン等、高温でも変形や化学反応を生じにくい材料で構成される。この部品が組み合わされて固定されることにより、上記の接合治具が形成される。
【０００９】
ここで、金属回路板を構成する銅と、セラミックス基板を構成する窒化珪素質セラミックスとの間には熱膨張係数の差が存在する。このため、加圧された状態で高温とされた後に冷却された場合には、この熱膨張係数の差によって被加圧体（積層構造体）に反りが発生しやすい。実際には金属回路板の方が放熱板よりも厚くされる場合が多く、この場合には、金属回路板側に向かって反りが発生する。この反りによって金属回路板又は放熱板とセラミックス基板との間の間隔が広くなった箇所が発生する。この箇所においては、ろう材中にボイドが生成されるため、その接合強度が低下する。上記の接合治具においては、上下の２枚の板状部材によって２枚の被加圧体を広い面積にわたって一様に加圧することにより、こうした接合強度の不均一性を低減している。
【００１０】
接合後の積層構造体において、金属回路板はその後に所定のパターンにパターニングされる。また、低コスト化のために、１つの積層構造体を多数に分離切断することによって多数の回路基板を得る場合が多い。この場合には、これに応じた放熱板のパターニングや、この切断作業も行われる。
【００１１】
こうした接合治具を用いて、回路基板を低コストで製造することができる。また、回路基板以外においても、熱膨張係数の異なる材料同士をろう材を用いて高温の減圧中で接合することが必要となる構造においては、同様である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００７−２１６２６０号公報
【特許文献２】特開２０１０−２３８８９９号公報
【特許文献３】特開２０１０−２３８９００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、上記の製造方法によって得られた接合後の積層構造体において、実際には、上記の被加圧体の特に周縁部に対応した箇所で接合強度の弱い箇所が発生した。この理由は、この周縁部においてこの積層構造体が柱状部材に突き当たるためである。
【００１４】
接合の高温時において、銅を主成分とする金属回路板や放熱板は、熱膨張し、かつ軟化する。このため、この状態でこれらの端部が柱状部材に突き当たり、その後で冷却された場合には、この周縁部近くでこれらは大きく変形をする。一方、窒化珪素セラミックスはこれらよりも熱膨張係数が小さく、かつ変形もほとんど生じない。従って、周縁部で金属回路板や放熱板が局所的に大きく変形をし、セラミックス基板との間の間隔が大きくなった箇所が局所的に発生する。この箇所における接合強度は、前記の通り低下する。このため、この箇所を含む回路基板は不良品となる、あるいは信頼性が低下する。すなわち、信頼性の高い回路基板を高い歩留まりあるいは低コストで製造することは困難であった。
【００１５】
このように、セラミックス基板と金属板とがろう材を介して接合された構成をもつ回路基板を製造する際の接合を高温で行う場合において、一様に高い接合強度をもった回路基板を低コストで得ることは困難であった。
【００１６】
本発明は、斯かる問題点に鑑みてなされたものであり、上記の問題点を解決する発明を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の接合方法は、いずれも矩形形状の平板状であり熱膨張係数の異なる第１の部材と第２の部材とを高温で接合する接合方法であって、前記第１の部材と前記第２の部材とを積層した積層構造体をスペーサを介して複数積層した略矩形体の被加圧体を形成する被加圧体準備工程と、前記被加圧体における前記積層方向と平行な３つの側面と略平行に、複数の柱状部材が列状に配置され、当該複数の柱状部材に囲まれた内部に間隔をおいて前記被加圧体が収容できる構成を具備する接合治具において、前記３列のうちの互いに平行でない２列を構成する前記柱状部材と前記被加圧体がそれぞれ縦方向スペーサを介して接し、かつ他の１列を構成する前記柱状部材と前記被加圧体が接さない状態で、前記被加圧体を前記複数の柱状部材に囲まれた内部に設置する被加圧体設置工程と、前記被加圧体の積層方向において圧力を印加し、かつ２つの前記縦方向スペーサを前記接合治具から抜き取る接合準備工程と、前記被加圧体が設置された前記接合治具を加熱した後に冷却することによって前記第１の部材と前記第２の部材とを接合する接合工程と、を具備することを特徴とする。
本発明の接合方法は、前記被加圧体準備工程において、前記第１の部材と前記第２の部材とは、ろう材を挟んで積層され、前記接合工程において、前記第１の部材と前記第２の部材とはろう材によって接合されることを特徴とする。
本発明の接合方法において、前記接合工程における加熱は減圧雰囲気中で行われることを特徴とする。
本発明の接合方法は、前記被加圧体準備工程において、前記スペーサとして、厚さの異なる２種類のスペーサが設けられ、積層方向において、前記２種類のスペーサが、交互に配されたことを特徴とする。
本発明の接合方法において、前記第１の部材はセラミックス基板であり、前記第２の部材は銅を主成分とする金属板であることを特徴とする。
本発明の接合方法において、前記セラミックス基板は前記金属板よりも平面視において大きく、前記接合準備工程において、前記縦方向スペーサが配されない側の前記被加圧体の積層方向に平行な側面側において、前記セラミックス基板は、前記金属板よりも突出する構成とされることを特徴とする。
本発明の回路基板は、前記接合方法を用いて製造されたことを特徴とする。
本発明の接合治具は、いずれも矩形形状の平板状であり熱膨張係数の異なる第１の部材と第２の部材とを高温で接合するために用いられ、前記第１の部材と前記第２の部材とが積層された積層構造体が複数積層されて構成される略矩形体の被加圧体が、当該被加圧体における積層方向と平行な３つの側面と略平行に複数の柱状部材が３列にわたり配置され、当該複数の柱状部材に囲まれた内部に前記被加圧体が収容できる構成とされ、前記内部に前記被加圧体が収容された状態で前記被加圧体における積層方向に沿って圧力が印加される構成を具備する接合治具であって、前記３列のうちの互いに平行でない２列のそれぞれと、当該２列のそれぞれと対向する前記被加圧体の側面との間に設けられ、他の１列を構成する前記柱状部材と前記被加圧体とが接さない状態において前記２列のそれぞれを構成する前記柱状部材と前記被加圧体の両方と接し、前記圧力が印加された状態において前記２列のそれぞれを構成する前記柱状部材と前記被加圧体の間から引き抜くことができる構成とされた２つの縦方向スペーサを具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は以上のように構成されているので、セラミックス基板と金属板とがろう材を介して接合された構成をもつ回路基板を製造する際の接合を高温で行う場合において、一様に高い接合強度をもった回路基板を低コストで得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態に係る接合治具に被加圧体が設置された構成の側面図、（ｂ）被加圧体の断面方向における構成を示す図、である。
【図２】本発明の実施の形態に係る接合治具に被加圧体が設置された際の、被加圧体周辺の構成を詳細に示す断面図である。
【図３】比較例と実施例における接合の状況を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明について具体的な実施形態を示しながら説明する。ただし、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。本発明の接合方法においては、熱膨張率の異なる複数種類の材質がろう材を用いて高温で接合される。以下に示す実施の形態においては、セラミックス基板の両面にそれぞれ金属板（金属回路板、放熱板）が接合される例について記載する。この接合を行なう際には、セラミックス基板の両面にろう材が印刷で形成された上で、金属回路板／セラミックス基板／放熱板が積層された積層構造体が形成される。その後、この積層構造体がスペーサを介して多数積層され、被加圧体となる。高温中においてこの被加圧体に対して上記の積層方向に圧力が印加される。これにより、ろう材が融解し、金属回路板とセラミックス基板間、セラミックス基板と放熱板間で反応層が形成される。冷却後にろう材が固化した状態で、セラミックス基板に金属回路板、放熱板が強固に接合された構造が得られる。
【００２１】
図１は、この接合方法において用いられる接合治具が使用される際の側面から見た構成（ａ）と、被加圧体の積層方向に垂直な断面（Ａ−Ａ方向）付近の構成を示す平面図（ｂ）である。また、図２は、この被加圧体１００の側面とこの接合治具との間の接触部分を特に詳細に示した断面図である。なお、図１、２に示された状態は、加熱後の高温下で接合がなされる前の常温における状態である。
【００２２】
図２に示されるように、積層構造体１０は、セラミックス基板（第１の部材）１１の上下にそれぞれ金属板（第２の部材：金属回路板１２、放熱板１３）が積層されて構成される。図示されていないが、金属回路板１２とセラミックス基板１１との間、放熱板１３とセラミックス基板１１との間には、これらの界面全体にわたってろう材が存在する。このろう材は、セラミックス基板１１の両面において、金属回路板１２と放熱板１３と同じ形状で予め印刷によって形成されている。なお、セラミックス基板１１、金属回路板１２、放熱板１３はいずれも矩形の平板状であり、図１（ｂ）、図２に示されるように、通常は、セラミックス基板１１は金属回路板１２、放熱板１３よりも平面視において大きくされる。この理由は、通常はセラミック基板１１の端部にはマーキングが施され、接合後においてもこのマーキングを作業者が識別できるようにするためである。
【００２３】
ここで、セラミックス基板１１としては、例えば窒化珪素セラミックスが用いられる。窒化珪素セラミックスは、高い絶縁性、熱伝導率、機械的強度をもつ。その熱膨張係数は、３ｐｐｍ／℃程度である。その厚さは０．３２ｍｍ程度である。
【００２４】
一方、金属板（金属回路板１２、放熱板１３）は例えば銅で構成される。銅の熱膨張係数は２０ｐｐｍ／℃程度と、セラミックス基板１１よりも大きい。また、窒化珪素セラミックスとは異なり、銅は高温で軟化するという性質がある。金属回路板１２、放熱板１３の厚さは、例えば０．５ｍｍ程度であり、適宜設定される。ただし、通常は金属回路板１２の方が厚くされる場合が多い。
【００２５】
ろう材としては、銀を主成分とし、これに活性金属であるチタン等が添加されたものが特に好ましく用いられる。この場合には、高温で窒化珪素セラミックス等の表面で反応層が形成されやすく、冷却後に特に強固な接合が得られる。この場合の接合は、例えば８００℃程度で行われる。
【００２６】
この積層構造体１０が、スペーサを挟んで多数積層されて、略矩形体の被加圧体１００とされる（被加圧体準備工程）。ただし、スペーサには、厚さの異なる２種類のスペーサ（厚い第１のスペーサ２１、薄い第２のスペーサ２２）がある。これらのスペーサは機械的強度の高い高密度カーボンで構成され、第１のスペーサ２１の厚さは例えば３ｍｍ程度、第２のスペーサ２２の厚さは例えば１ｍｍ程度とされる。どちらのスペーサもセラミックス基板１１等と同様の矩形平板状である。これらのスペーサが直接接するのは、金属回路板１２又は放熱板１３である。このため、これらのスペーサは、平面視において金属回路板１２又は放熱板１３よりも大きくされる。これらのスペーサは、隣接する積層構造体１０が接合後に固着することを抑制するために設けられる。なお、この被加圧体が形成された直後においては、ろう材はまだ融解していないため、セラミックス基板１１と金属回路板１２、セラミックス基板１２と放熱板１３とは接合されていない。
【００２７】
図１（ａ）に示されるように、この接合治具においては、この構成の被加圧体１００が、底板５０と上部板５１との間に挟持される構成とされる。上部板５１の上側にはバネ５２の下端が接続され、バネ５２の上端は、底板５０と柱状部材５３を介して固定された天板５４に固定される。面内方向において均一に圧力を印加するためには、バネ５２を複数設けることが好ましい。この場合、上部板５１における外側（周辺側）に接続することが好ましい。
【００２８】
柱状部材５３は、図１（ｂ）に示されるように、被加圧体１００における積層方向に垂直な断面（矩形）の３辺を取り囲む形態で３本ずつ３列、列状に設けられる。柱状部材５３は、その中心軸が鉛直方向（被加圧体１００の積層方向）とされた円筒形状の部材である。この複数の柱状部材５３で囲まれた領域の内部に被加圧体１００が収容される構成とされる。この際、複数の柱状部材５３に囲まれた領域の内部に、各列を構成する柱状部材５３と間隔をおいて被加圧体１００が収容できる構成とされる。すなわち、図１（ｂ）において、柱状部材５３で構成された領域に内接する矩形は、略矩形体の被加圧体１００に対応する矩形（図１（ｂ）の場合にはスペーサ２１、２２に対応する矩形）よりも大きくされる。
【００２９】
この接合治具は、被加圧体１００がセットされた状態で加熱され高温とされるため、これを構成する材料は、高温で変形や化学反応を生じない機械的強度の高い材料で構成される。このため、底板５０、上部板５１、柱状部材５３、天板５４は、例えば安価な低密度カーボンで構成される。バネ５２は、例えばセラミックスで構成される。
【００３０】
ここで、図１（ｂ）に示されるように、被加圧体１００の上辺、左辺においては、被加圧体１００におけるこれらの辺（側面）と接するように、板状の縦方向スペーサ３１、３２がそれぞれ設けられる。この構成により、上辺においては３本の柱状部材５３と、被加圧体１００とは縦方向スペーサ３１を介して接することによって固定される。また、被加圧体１００の下辺、右辺においては、縦方向スペーサが用いられず、被加圧体１００の右辺は柱状部材５３と接さない状態とされる。なお、下辺側には柱状部材５３は存在しない。このため、図１（ｂ）に示される下辺側から矢印に示す向きで被加圧体１００をこのようにセットすることが容易に行われる。
【００３１】
この構成により、図１（ｂ）に示される被加圧体１００の断面方向の構成において、上辺（上側面）、左辺（左側面）においては、セラミックス基板１１、金属回路板１２、放熱板１３、スペーサ（第１のスペーサ２１、第２のスペーサ２２）の各辺が揃うように配置される（被加圧体設置工程）。セラミックス基板１１、金属回路板１２、放熱板１３、スペーサの大きさは前記の通り異なるため、図１（ｂ）に示される被加圧体１００の下辺、右辺においては、これらの各辺の位置は揃わない。
【００３２】
この状態で、例えばバネ５２の圧縮量等を調整することによりバネ５２の荷重を調整すれば、一様な圧力を被加圧体１００の上下方向（積層方向）に印加することができる。これにより、積層された各々の積層構造体１０にこの圧力を印加することができる。
【００３３】
上記のように被加圧体１００に圧力が印加された後で、縦方向スペーサ３１、３２は抜き取られる（接合準備工程）。すなわち、縦方向スペーサ３１は、柱状部材５３と干渉せずに図１（ｂ）中の横方向に抜き取られ、縦方向スペーサ３２も、同様に図１（ｂ）中の縦方向に抜き取られる。これによって、図１（ｂ）に示された被加圧体１００のどの側面も柱状部材５３と直接接さない状態とされる。被加圧体１００の側面と、これに近接する柱状部材５３との間の間隔は、加熱時の金属回路板１２、放熱板１３が熱膨張した場合においても、これらが柱状部材５３に当接しない設定とされる。
【００３４】
この状態で、図１の構造全体（縦方向スペーサ３１、３２以外）が、ろう材の接合温度である８００℃まで加熱される。この際、ろう材に含まれるチタンが酸化することを抑制するために、雰囲気を真空中（減圧雰囲気中）とすることがより好ましい。この場合において、上記の構成においては、積層構造体１００の周囲に直接接するものがなく、かつ柱状部材５３の間には間隔が設けられているため、このガスは離脱しやすい。すなわち、高温下におけるろう材からのガスの離脱が上記の構成においては特に容易に行われる。
【００３５】
その後、ろう材の反応が充分に進んだ後に、上記の構造を取り出し、冷却することによって、各積層構造体１０（金属回路板１２／セラミックス基板１１／放熱板１３）における接合がなされる（接合工程）。その後、被加圧体１００を第１のスペーサ２１、第２のスペーサ２２のところで分断し、個々の積層構造体１０を得ることができる。その後、各積層構造体１０における金属回路板１２を選択的にエッチングしてパターニングした上で、切断分離して小さな回路基板とすることができる。
【００３６】
上記の工程においては、特に高温時に、セラミックス基板１１、金属回路板１２、放熱板１３は熱膨張する。この際、前記の通り、熱膨張が大きいのは特に金属回路板１２、放熱板１３である。更に、これらは接合中に到達する温度（２５０℃程度以上の温度）において、これらを構成する銅は軟化する。このため、この高温下においては、熱膨張した金属回路板１２、放熱板１３が、被加圧体１００の周囲の構造物に当接することがある。この場合、金属回路板１２、放熱板１３は軟化しているために変形をし、この変形した形態のままろう材を介した接合が行われる。このため、被加圧体１００の周縁部において、セラミックス基板１１と金属回路板１２、放熱板１３との間の間隔が局所的に大きな箇所が形成される。こうした箇所においてはろう材中にボイドが形成されやすくなる。
【００３７】
上記の構成においては、常温で被加圧体１００をこの接合治具に装着する段階で縦方向スペーサ３１、３２が図１に示されるように使用され、加熱前においてこれらは抜き取られる。これにより、被加圧体１００の側面とその周囲の構造物（柱状部材５３）との間の間隔を大きくとることにより、上記の問題が発生することを抑制している。すなわち、周縁部におけるボイドの形成を抑制し、接合強度を一様に高くすることができる。
【００３８】
また、図１（ｂ）の状態において、セラミックス基板１１、金属回路板１２、放熱板１３の上辺、左辺は、それぞれ縦方向スペーサ３１、３２と当接し、揃った状態とされる。一方、下辺、右辺においては、セラミックス基板１１は、金属回路板１２、放熱板１３よりも突出した構成とされる。常温においてこうした状態とされることは前記の通りであるが、常温において加圧後に縦方向スペーサ３１、３２を抜き取れば、この状態はその後でも維持されることは明らかである。従って、高温時において金属回路板１２、放熱板１３が柱状部材５３と当接しない限りにおいて、この状態は、その後も維持される。このため、高温に曝された後で冷却された後においても、下辺、右辺において、セラミックス基板１１が金属回路板１２、放熱板１３よりも突出した状態は維持される。このため、この突出した箇所におけるセラミックス基板１１の表面にマーキング等を施せば、接合の前後において、これを作業者は容易に確認することができる。
【００３９】
この際、上記の接合治具においては、特許文献１〜３に記載された従来の接合治具と比べて、付加された構成要素は縦方向スペーサ３１、３２のみである。これによって上記の効果を奏する。すなわち、上記の接合治具を用いて、一様に高い接合強度をもった回路基板を低コストで得ることができる。これにより、信頼性の高い回路基板を高い歩留まりで低コストで容易に製造することができる。
【００４０】
なお、上記の接合治具において、複数の柱状部材５３は、図１（ｂ）における被加圧体１００の左側面、上側面、右側面に沿った３列に配されていた。被加圧体設置工程において、縦方向スペーサ３１、３２は、左側面に沿った列の柱状部材５３と被加圧体１００の左側面との間、上側面に沿った列の柱状部材５３と被加圧体１００の上側面との間に、各々が柱状部材５３と被加圧体１００と接するように設けられた。しかしながら、縦方向スペーサを右側面、上側面に設ける構成としても同様である。すなわち、柱状部材５３が設けられた３列のうち、互いに平行でない２列に縦方向スペーサを設ける構成とすればよい。これにより、この２列を構成する柱状部材５３と被加圧体１００がそれぞれ縦方向スペーサを介して接し、かつ他の１列を構成する柱状部材５３と被加圧体１００が接さない状態を作り出すことができる。この際、複数の柱状部材５３の配置構成を、被加圧体１００に圧力を印加した後に縦方向スペーサを引き抜くことができるようにすることは容易である。
【００４１】
また、被加圧体１００中においては、積層構造体１０の間にスペーサ（第１のスペーサ２１、第２のスペーサ２２）が配される。これらのスペーサは、前記の通り、隣接する積層構造体１０間の固着を防止し、ろう材による接合後にこれらの分離を容易にするために用いられる。一方、セラミックス基板１１と金属回路板１２、放熱板１３の熱膨張係数の違いによる接合後の積層構造体１０（回路基板）の反りは、厚く剛性が高いスペーサを用いることによって低減されることは明らかである。
【００４２】
一方で、通常は接合治具の構成によって被加圧体１００の最大高さは限定される。スペーサが厚い場合には、接合作業を同時に行うことのできる積層構造体１０の数が少なくなる。すなわち、回路基板の製造コストを低減するという観点からは、スペーサは薄い方が好ましい。
【００４３】
このため、図２に示されるように、厚い第１のスペーサ２１、薄い第２のスペーサ２２は、交互に配することが好ましい。この場合、どの積層構造体１０の上下両側にも第１のスペーサ２１、第２のスペーサ２２が配された構成となるため、各々の積層構造体１０に印加される圧力を均一化することができる。なお、図２における最上部の積層構造体１０の上部には上部板５１が、最下部の積層構造体１０の下部には底板５０が配されるため、第１のスペーサ２１、第２のスペーサ２２のいずれを配してもよい。あるいは、被加圧体１０における最上部と最下部にはこれらのスペーサを配さない構成とすることもできる。
【００４４】
なお、上記の例では、金属回路板と放熱板とをろう材でセラミックス基板に接合する場合について記載したが、高温・高圧でこれらを接合する場合であれば、上記の接合方法、接合治具が同様に有効であることは明らかである。このため、例えばろう材を用いないＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｉｎｇ Ｃｏｐｐｅｒ）等を用いる場合においても、上記の構成は有効である。また、例えば金属回路板のみを用い、放熱板を用いない構成であっても同様である。更に、上記の例では金属回路板（金属板）とセラミックス基板とを接合する場合について記載したが、熱膨張係数の異なる２種類の矩形形状の平板状の部材を高温で接合する場合において有効であることも明らかである。
【００４５】
（実施例）
実際に上記の２枚の縦方向スペーサを用いて接合を行った回路基板（実施例）と、縦方向スペーサを用いずに柱状部材に被加圧体を当接させて固定して接合を行った回路基板（比較例）における接合の状況を調べた。ここでは、０．３２ｍｍ厚のセラミックス基板（窒化珪素セラミックス）に、０．５ｍｍ厚の金属回路板、０．５ｍｍ厚の放熱板を、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材で接合した。この際の接合は、ろう材溶融時の約８００℃において０．０１Ｐａ程度の減圧雰囲気で行った。積層した積層構造体の数は２５層とし、第１のスペーサは３ｍｍ厚、第２のスペーサは１ｍｍ厚とし、これらを交互に用いた。接合時に印加した圧力は約９ｋｇｆとした。実施例において用いられた２枚の縦方向スペーサの厚さは３ｍｍとした。
【００４６】
図３は、比較例（ａ）、実施例（ｂ）の回路基板における接合時の周縁部付近の接合の状況を超音波探傷装置で見た結果である。図中、左側は金属回路板側、右側は放熱板側を示す。なお、実施例と比較例ではパターンが異なっているが、このパターニングは接合後に行われているため、接合の状況にはこのパターニングの違いは無関係である。図３においては、金属回路板側の結果における上辺部、左辺部、放熱板側の結果における上辺部、右辺部が、接合時における周縁部に相当する。
【００４７】
比較例（ａ）においては、周縁部に白く見える領域が存在する。この領域は、ろう材中のボイドが存在するために接合強度が低くなっている領域である。前記の通り、この領域は、金属回路板や放熱板が熱膨張して柱状部材に当接したために生じた。
【００４８】
これに対して、実施例（ｂ）においては、周縁部に白く見える領域は存在せず、一様な接合強度が得られている。
【符号の説明】
【００４９】
１０ 積層構造体
１１ セラミックス基板（第１の部材）
１２ 金属回路板（金属板；第２の部材）
１３ 放熱板（金属板：第２の部材）
２１ 第１のスペーサ（スペーサ）
２２ 第２のスペーサ（スペーサ）
３１、３２ 縦方向スペーサ
５０ 底板
５１ 上部板
５２ バネ
５３ 柱状部材
５４ 天板
１００ 被加圧体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱膨張係数の異なる平板状の材料同士が接合された構造をもった構造体を同時に多数製造する接合方法、あるいはこれに用いられる接合治具に関する。また、この接合方法を用いて製造された回路基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電動車両用インバータとして高電圧、大電流動作が可能なパワー半導体モジュール（例えばＩＧＢＴモジュール）が用いられている。こうした半導体モジュールにおいては、半導体チップが自己の発熱によって高温になるため、その放熱を効率よく行なうという機能が要求される。このため、この半導体モジュールにおいて、半導体チップを搭載する回路基板としては、機械的強度が高く、熱伝導率の高い絶縁性のセラミックス基板の一方の面に金属回路板が接合され、他方の面に放熱板が接合された構成が用いられる。金属回路板と放熱板は、導電性と熱伝導率が高い銅を主成分とする金属で構成される。
【０００３】
セラミックス基板を構成する材料としては、窒化珪素セラミックス等が広く使用される。金属回路板や放熱板は銅や銅合金で構成される。これらの間の接合には、例えばろう材が用いられる。金属回路板上には半導体チップ等が搭載され、金属回路板は、この半導体モジュールにおいてこの半導体チップが構成する回路における配線となる。このため、金属回路板は、この配線を構成するように適宜パターニングされる。一方、放熱板は放熱のために用いられるために、その面積が広いことが好ましく、パターニングされない平板状態とされる場合が多い。
【０００４】
こうした構成の回路基板を製造する際には、パターニング前の平板状態である金属回路板とセラミックス基板と放熱板とが、積層されて接合される。この際には、まず、セラミックス基板の両面にろう材が印刷で形成された後に、金属回路板／セラミックス基板／放熱板の積層構造体が形成される。その後、高温下でろう材がこれらの間で融解してから冷却されることにより、接合がなされる。この際、これらの間の接合が一様に強固になされることが必要である。また、製造コストを低減するためには、この接合を同時に多数の積層構造体に対して施すことが望ましい。
【０００５】
このような接合を行う接合治具は、例えば特許文献１〜３に記載されている。これらの接合治具においては、上下方向に平行に配置された２枚の板状部材の間に、上記の構成でろう材を挟んで積層された構造（積層構造体）が、スペーサを挟んで複数積層されて被加圧体とされる。上側の板状部材の上側にはバネが接続され、２枚の板状部材の間のこの被加圧体に均一に圧力が印加される構造となっている。
【０００６】
例えば銅で構成された金属回路板等と、窒化珪素質セラミックスで構成されたセラミックス基板とが用いられる場合には、これらを接合するろう材としては、銀を主成分としてこれにチタン等の活性金属が添加されたろう材が好ましく用いられる。この場合には、ろう材と銅や窒化珪素質セラミックスとの間で強固な反応層が形成されるため、強固な接合が得られる。この際の接合に要する温度は、例えば８００℃程度の高温である。また、特にチタン等の活性金属は酸化しやすい物質であるため、この接合は真空（減圧）中で行われることが好ましい。このため、上記の接合治具に上記の被加圧体がセットされた後に、この接合治具は真空中で上記の温度まで加熱される。冷却後、この接合治具は大気中に取り出され、被加圧体が取り出される。これにより、複数の上記の積層構造体（金属回路板／セラミックス基板／放熱板）が、金属回路板、セラミックス基板、放熱板が接合されて一体化された状態で、スペーサを挟んで得られる。
【０００７】
上記の工程においては、高温時にろう材からガスが発生することがあり、このガスが充分に除去されない場合には、接合後のろう材におけるボイドとなり、接合強度の低下等の原因となる。従って、上記の被加圧体の周囲には、このガスの抜け道が形成されることが必要である。このため、上記の接合治具における被加圧体の側面の周囲は平坦な壁ではなく、上下方向に平行に延びる複数の円筒形状の柱状部材で構成されている。すなわち、上記の被加圧体は、多数の柱状部材で囲まれて固定され、柱状部材の間からガスが抜けるため、ボイドの発生が抑制される。
【０００８】
また、この接合治具は高温の真空中に置かれるため、これを構成する部品（２枚の板状部材、バネ、柱状部材等）は、いずれもセラミックスやカーボン等、高温でも変形や化学反応を生じにくい材料で構成される。この部品が組み合わされて固定されることにより、上記の接合治具が形成される。
【０００９】
ここで、金属回路板を構成する銅と、セラミックス基板を構成する窒化珪素質セラミックスとの間には熱膨張係数の差が存在する。このため、加圧された状態で高温とされた後に冷却された場合には、この熱膨張係数の差によって被加圧体（積層構造体）に反りが発生しやすい。実際には金属回路板の方が放熱板よりも厚くされる場合が多く、この場合には、金属回路板側に向かって反りが発生する。この反りによって金属回路板又は放熱板とセラミックス基板との間の間隔が広くなった箇所が発生する。この箇所においては、ろう材中にボイドが生成されるため、その接合強度が低下する。上記の接合治具においては、上下の２枚の板状部材によって２枚の被加圧体を広い面積にわたって一様に加圧することにより、こうした接合強度の不均一性を低減している。
【００１０】
接合後の積層構造体において、金属回路板はその後に所定のパターンにパターニングされる。また、低コスト化のために、１つの積層構造体を多数に分離切断することによって多数の回路基板を得る場合が多い。この場合には、これに応じた放熱板のパターニングや、この切断作業も行われる。
【００１１】
こうした接合治具を用いて、回路基板を低コストで製造することができる。また、回路基板以外においても、熱膨張係数の異なる材料同士をろう材を用いて高温の減圧中で接合することが必要となる構造においては、同様である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００７−２１６２６０号公報
【特許文献２】特開２０１０−２３８８９９号公報
【特許文献３】特開２０１０−２３８９００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、上記の製造方法によって得られた接合後の積層構造体において、実際には、上記の被加圧体の特に周縁部に対応した箇所で接合強度の弱い箇所が発生した。この理由は、この周縁部においてこの積層構造体が柱状部材に突き当たるためである。
【００１４】
接合の高温時において、銅を主成分とする金属回路板や放熱板は、熱膨張し、かつ軟化する。このため、この状態でこれらの端部が柱状部材に突き当たり、その後で冷却された場合には、この周縁部近くでこれらは大きく変形をする。一方、窒化珪素セラミックスはこれらよりも熱膨張係数が小さく、かつ変形もほとんど生じない。従って、周縁部で金属回路板や放熱板が局所的に大きく変形をし、セラミックス基板との間の間隔が大きくなった箇所が局所的に発生する。この箇所における接合強度は、前記の通り低下する。このため、この箇所を含む回路基板は不良品となる、あるいは信頼性が低下する。すなわち、信頼性の高い回路基板を高い歩留まりあるいは低コストで製造することは困難であった。
【００１５】
このように、セラミックス基板と金属板とがろう材を介して接合された構成をもつ回路基板を製造する際の接合を高温で行う場合において、一様に高い接合強度をもった回路基板を低コストで得ることは困難であった。
【００１６】
本発明は、斯かる問題点に鑑みてなされたものであり、上記の問題点を解決する発明を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
本発明の接合方法は、いずれも矩形形状の平板状であり熱膨張係数の異なる第１の部材と第２の部材とを高温で接合する接合方法であって、前記第１の部材と前記第２の部材とを積層した積層構造体をスペーサを介して複数積層した略矩形体の被加圧体を形成する被加圧体準備工程と、前記被加圧体における前記積層方向と平行な３つの側面と略平行に、複数の柱状部材が列状に配置され、当該複数の柱状部材に囲まれた内部に間隔をおいて前記被加圧体が収容できる構成を具備する接合治具において、前記３列のうちの互いに平行でない２列を構成する前記柱状部材と前記被加圧体がそれぞれ縦方向スペーサを介して接し、かつ他の１列を構成する前記柱状部材と前記被加圧体が接さない状態で、前記被加圧体を前記複数の柱状部材に囲まれた内部に設置する被加圧体設置工程と、前記被加圧体の積層方向において圧力を印加し、かつ２つの前記縦方向スペーサを前記接合治具から抜き取る接合準備工程と、前記被加圧体が設置された前記接合治具を加熱した後に冷却することによって前記第１の部材と前記第２の部材とを接合する接合工程と、を具備することを特徴とする。
本発明の接合方法は、前記被加圧体準備工程において、前記第１の部材と前記第２の部材とは、ろう材を挟んで積層され、前記接合工程において、前記第１の部材と前記第２の部材とはろう材によって接合されることを特徴とする。
本発明の接合方法において、前記接合工程における加熱は減圧雰囲気中で行われることを特徴とする。
本発明の接合方法は、前記被加圧体準備工程において、前記スペーサとして、厚さの異なる２種類のスペーサが設けられ、積層方向において、前記２種類のスペーサが、交互に配されたことを特徴とする。
本発明の接合方法において、前記第１の部材はセラミックス基板であり、前記第２の部材は銅を主成分とする金属板であることを特徴とする。
本発明の接合方法において、前記セラミックス基板は前記金属板よりも平面視において大きく、前記接合準備工程において、前記縦方向スペーサが配されない側の前記被加圧体の積層方向に平行な側面側において、前記セラミックス基板は、前記金属板よりも突出する構成とされることを特徴とする。
本発明の回路基板は、前記接合方法を用いて製造されたことを特徴とする。
本発明の接合治具は、いずれも矩形形状の平板状であり熱膨張係数の異なる第１の部材と第２の部材とを高温で接合するために用いられ、前記第１の部材と前記第２の部材とが積層された積層構造体が複数積層されて構成される略矩形体の被加圧体が、当該被加圧体における積層方向と平行な３つの側面と略平行に複数の柱状部材が３列にわたり配置され、当該複数の柱状部材に囲まれた内部に前記被加圧体が収容できる構成とされ、前記内部に前記被加圧体が収容された状態で前記被加圧体における積層方向に沿って圧力が印加される構成を具備する接合治具であって、前記３列のうちの互いに平行でない２列のそれぞれと、当該２列のそれぞれと対向する前記被加圧体の側面との間に設けられ、他の１列を構成する前記柱状部材と前記被加圧体とが接さない状態において前記２列のそれぞれを構成する前記柱状部材と前記被加圧体の両方と接し、前記圧力が印加された状態において前記２列のそれぞれを構成する前記柱状部材と前記被加圧体の間から引き抜くことができる構成とされた２つの縦方向スペーサを具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は以上のように構成されているので、セラミックス基板と金属板とがろう材を介して接合された構成をもつ回路基板を製造する際の接合を高温で行う場合において、一様に高い接合強度をもった回路基板を低コストで得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態に係る接合治具に被加圧体が設置された構成の側面図、（ｂ）被加圧体の断面方向における構成を示す図、である。
【図２】本発明の実施の形態に係る接合治具に被加圧体が設置された際の、被加圧体周辺の構成を詳細に示す断面図である。
【図３】比較例と実施例における接合の状況を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明について具体的な実施形態を示しながら説明する。ただし、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。本発明の接合方法においては、熱膨張率の異なる複数種類の材質がろう材を用いて高温で接合される。以下に示す実施の形態においては、セラミックス基板の両面にそれぞれ金属板（金属回路板、放熱板）が接合される例について記載する。この接合を行なう際には、セラミックス基板の両面にろう材が印刷で形成された上で、金属回路板／セラミックス基板／放熱板が積層された積層構造体が形成される。その後、この積層構造体がスペーサを介して多数積層され、被加圧体となる。高温中においてこの被加圧体に対して上記の積層方向に圧力が印加される。これにより、ろう材が融解し、金属回路板とセラミックス基板間、セラミックス基板と放熱板間で反応層が形成される。冷却後にろう材が固化した状態で、セラミックス基板に金属回路板、放熱板が強固に接合された構造が得られる。
【００２１】
図１は、この接合方法において用いられる接合治具が使用される際の側面から見た構成（ａ）と、被加圧体の積層方向に垂直な断面（Ａ−Ａ方向）付近の構成を示す平面図（ｂ）である。また、図２は、この被加圧体１００の側面とこの接合治具との間の接触部分を特に詳細に示した断面図である。なお、図１、２に示された状態は、加熱後の高温下で接合がなされる前の常温における状態である。
【００２２】
図２に示されるように、積層構造体１０は、セラミックス基板（第１の部材）１１の上下にそれぞれ金属板（第２の部材：金属回路板１２、放熱板１３）が積層されて構成される。図示されていないが、金属回路板１２とセラミックス基板１１との間、放熱板１３とセラミックス基板１１との間には、これらの界面全体にわたってろう材が存在する。このろう材は、セラミックス基板１１の両面において、金属回路板１２と放熱板１３と同じ形状で予め印刷によって形成されている。なお、セラミックス基板１１、金属回路板１２、放熱板１３はいずれも矩形の平板状であり、図１（ｂ）、図２に示されるように、通常は、セラミックス基板１１は金属回路板１２、放熱板１３よりも平面視において大きくされる。この理由は、通常はセラミック基板１１の端部にはマーキングが施され、接合後においてもこのマーキングを作業者が識別できるようにするためである。
【００２３】
ここで、セラミックス基板１１としては、例えば窒化珪素セラミックスが用いられる。窒化珪素セラミックスは、高い絶縁性、熱伝導率、機械的強度をもつ。その熱膨張係数は、３ｐｐｍ／℃程度である。その厚さは０．３２ｍｍ程度である。
【００２４】
一方、金属板（金属回路板１２、放熱板１３）は例えば銅で構成される。銅の熱膨張係数は２０ｐｐｍ／℃程度と、セラミックス基板１１よりも大きい。また、窒化珪素セラミックスとは異なり、銅は高温で軟化するという性質がある。金属回路板１２、放熱板１３の厚さは、例えば０．５ｍｍ程度であり、適宜設定される。ただし、通常は金属回路板１２の方が厚くされる場合が多い。
【００２５】
ろう材としては、銀を主成分とし、これに活性金属であるチタン等が添加されたものが特に好ましく用いられる。この場合には、高温で窒化珪素セラミックス等の表面で反応層が形成されやすく、冷却後に特に強固な接合が得られる。この場合の接合は、例えば８００℃程度で行われる。
【００２６】
この積層構造体１０が、スペーサを挟んで多数積層されて、略矩形体の被加圧体１００とされる（被加圧体準備工程）。ただし、スペーサには、厚さの異なる２種類のスペーサ（厚い第１のスペーサ２１、薄い第２のスペーサ２２）がある。これらのスペーサは機械的強度の高い高密度カーボンで構成され、第１のスペーサ２１の厚さは例えば３ｍｍ程度、第２のスペーサ２２の厚さは例えば１ｍｍ程度とされる。どちらのスペーサもセラミックス基板１１等と同様の矩形平板状である。これらのスペーサが直接接するのは、金属回路板１２又は放熱板１３である。このため、これらのスペーサは、平面視において金属回路板１２又は放熱板１３よりも大きくされる。これらのスペーサは、隣接する積層構造体１０が接合後に固着することを抑制するために設けられる。なお、この被加圧体が形成された直後においては、ろう材はまだ融解していないため、セラミックス基板１１と金属回路板１２、セラミックス基板１２と放熱板１３とは接合されていない。
【００２７】
図１（ａ）に示されるように、この接合治具においては、この構成の被加圧体１００が、底板５０と上部板５１との間に挟持される構成とされる。上部板５１の上側にはバネ５２の下端が接続され、バネ５２の上端は、底板５０と柱状部材５３を介して固定された天板５４に固定される。面内方向において均一に圧力を印加するためには、バネ５２を複数設けることが好ましい。この場合、上部板５１における外側（周辺側）に接続することが好ましい。
【００２８】
柱状部材５３は、図１（ｂ）に示されるように、被加圧体１００における積層方向に垂直な断面（矩形）の３辺を取り囲む形態で３本ずつ３列、列状に設けられる。柱状部材５３は、その中心軸が鉛直方向（被加圧体１００の積層方向）とされた円筒形状の部材である。この複数の柱状部材５３で囲まれた領域の内部に被加圧体１００が収容される構成とされる。この際、複数の柱状部材５３に囲まれた領域の内部に、各列を構成する柱状部材５３と間隔をおいて被加圧体１００が収容できる構成とされる。すなわち、図１（ｂ）において、柱状部材５３で構成された領域に内接する矩形は、略矩形体の被加圧体１００に対応する矩形（図１（ｂ）の場合にはスペーサ２１、２２に対応する矩形）よりも大きくされる。
【００２９】
この接合治具は、被加圧体１００がセットされた状態で加熱され高温とされるため、これを構成する材料は、高温で変形や化学反応を生じない機械的強度の高い材料で構成される。このため、底板５０、上部板５１、柱状部材５３、天板５４は、例えば安価な低密度カーボンで構成される。バネ５２は、例えばセラミックスで構成される。
【００３０】
ここで、図１（ｂ）に示されるように、被加圧体１００の上辺、左辺においては、被加圧体１００におけるこれらの辺（側面）と接するように、板状の縦方向スペーサ３１、３２がそれぞれ設けられる。この構成により、上辺においては３本の柱状部材５３と、被加圧体１００とは縦方向スペーサ３１を介して接することによって固定される。また、被加圧体１００の下辺、右辺においては、縦方向スペーサが用いられず、被加圧体１００の右辺は柱状部材５３と接さない状態とされる。なお、下辺側には柱状部材５３は存在しない。このため、図１（ｂ）に示される下辺側から矢印に示す向きで被加圧体１００をこのようにセットすることが容易に行われる。
【００３１】
この構成により、図１（ｂ）に示される被加圧体１００の断面方向の構成において、上辺（上側面）、左辺（左側面）においては、セラミックス基板１１、金属回路板１２、放熱板１３、スペーサ（第１のスペーサ２１、第２のスペーサ２２）の各辺が揃うように配置される（被加圧体設置工程）。セラミックス基板１１、金属回路板１２、放熱板１３、スペーサの大きさは前記の通り異なるため、図１（ｂ）に示される被加圧体１００の下辺、右辺においては、これらの各辺の位置は揃わない。
【００３２】
この状態で、例えばバネ５２の圧縮量等を調整することによりバネ５２の荷重を調整すれば、一様な圧力を被加圧体１００の上下方向（積層方向）に印加することができる。これにより、積層された各々の積層構造体１０にこの圧力を印加することができる。
【００３３】
上記のように被加圧体１００に圧力が印加された後で、縦方向スペーサ３１、３２は抜き取られる（接合準備工程）。すなわち、縦方向スペーサ３１は、柱状部材５３と干渉せずに図１（ｂ）中の横方向に抜き取られ、縦方向スペーサ３２も、同様に図１（ｂ）中の縦方向に抜き取られる。これによって、図１（ｂ）に示された被加圧体１００のどの側面も柱状部材５３と直接接さない状態とされる。被加圧体１００の側面と、これに近接する柱状部材５３との間の間隔は、加熱時の金属回路板１２、放熱板１３が熱膨張した場合においても、これらが柱状部材５３に当接しない設定とされる。
【００３４】
この状態で、図１の構造全体（縦方向スペーサ３１、３２以外）が、ろう材の接合温度である８００℃まで加熱される。この際、ろう材に含まれるチタンが酸化することを抑制するために、雰囲気を真空中（減圧雰囲気中）とすることがより好ましい。この場合において、上記の構成においては、積層構造体１００の周囲に直接接するものがなく、かつ柱状部材５３の間には間隔が設けられているため、このガスは離脱しやすい。すなわち、高温下におけるろう材からのガスの離脱が上記の構成においては特に容易に行われる。
【００３５】
その後、ろう材の反応が充分に進んだ後に、上記の構造を取り出し、冷却することによって、各積層構造体１０（金属回路板１２／セラミックス基板１１／放熱板１３）における接合がなされる（接合工程）。その後、被加圧体１００を第１のスペーサ２１、第２のスペーサ２２のところで分断し、個々の積層構造体１０を得ることができる。その後、各積層構造体１０における金属回路板１２を選択的にエッチングしてパターニングした上で、切断分離して小さな回路基板とすることができる。
【００３６】
上記の工程においては、特に高温時に、セラミックス基板１１、金属回路板１２、放熱板１３は熱膨張する。この際、前記の通り、熱膨張が大きいのは特に金属回路板１２、放熱板１３である。更に、これらは接合中に到達する温度（２５０℃程度以上の温度）において、これらを構成する銅は軟化する。このため、この高温下においては、熱膨張した金属回路板１２、放熱板１３が、被加圧体１００の周囲の構造物に当接することがある。この場合、金属回路板１２、放熱板１３は軟化しているために変形をし、この変形した形態のままろう材を介した接合が行われる。このため、被加圧体１００の周縁部において、セラミックス基板１１と金属回路板１２、放熱板１３との間の間隔が局所的に大きな箇所が形成される。こうした箇所においてはろう材中にボイドが形成されやすくなる。
【００３７】
上記の構成においては、常温で被加圧体１００をこの接合治具に装着する段階で縦方向スペーサ３１、３２が図１に示されるように使用され、加熱前においてこれらは抜き取られる。これにより、被加圧体１００の側面とその周囲の構造物（柱状部材５３）との間の間隔を大きくとることにより、上記の問題が発生することを抑制している。すなわち、周縁部におけるボイドの形成を抑制し、接合強度を一様に高くすることができる。
【００３８】
また、図１（ｂ）の状態において、セラミックス基板１１、金属回路板１２、放熱板１３の上辺、左辺は、それぞれ縦方向スペーサ３１、３２と当接し、揃った状態とされる。一方、下辺、右辺においては、セラミックス基板１１は、金属回路板１２、放熱板１３よりも突出した構成とされる。常温においてこうした状態とされることは前記の通りであるが、常温において加圧後に縦方向スペーサ３１、３２を抜き取れば、この状態はその後でも維持されることは明らかである。従って、高温時において金属回路板１２、放熱板１３が柱状部材５３と当接しない限りにおいて、この状態は、その後も維持される。このため、高温に曝された後で冷却された後においても、下辺、右辺において、セラミックス基板１１が金属回路板１２、放熱板１３よりも突出した状態は維持される。このため、この突出した箇所におけるセラミックス基板１１の表面にマーキング等を施せば、接合の前後において、これを作業者は容易に確認することができる。
【００３９】
この際、上記の接合治具においては、特許文献１〜３に記載された従来の接合治具と比べて、付加された構成要素は縦方向スペーサ３１、３２のみである。これによって上記の効果を奏する。すなわち、上記の接合治具を用いて、一様に高い接合強度をもった回路基板を低コストで得ることができる。これにより、信頼性の高い回路基板を高い歩留まりで低コストで容易に製造することができる。
【００４０】
なお、上記の接合治具において、複数の柱状部材５３は、図１（ｂ）における被加圧体１００の左側面、上側面、右側面に沿った３列に配されていた。被加圧体設置工程において、縦方向スペーサ３１、３２は、左側面に沿った列の柱状部材５３と被加圧体１００の左側面との間、上側面に沿った列の柱状部材５３と被加圧体１００の上側面との間に、各々が柱状部材５３と被加圧体１００と接するように設けられた。しかしながら、縦方向スペーサを右側面、上側面に設ける構成としても同様である。すなわち、柱状部材５３が設けられた３列のうち、互いに平行でない２列に縦方向スペーサを設ける構成とすればよい。これにより、この２列を構成する柱状部材５３と被加圧体１００がそれぞれ縦方向スペーサを介して接し、かつ他の１列を構成する柱状部材５３と被加圧体１００が接さない状態を作り出すことができる。この際、複数の柱状部材５３の配置構成を、被加圧体１００に圧力を印加した後に縦方向スペーサを引き抜くことができるようにすることは容易である。
【００４１】
また、被加圧体１００中においては、積層構造体１０の間にスペーサ（第１のスペーサ２１、第２のスペーサ２２）が配される。これらのスペーサは、前記の通り、隣接する積層構造体１０間の固着を防止し、ろう材による接合後にこれらの分離を容易にするために用いられる。一方、セラミックス基板１１と金属回路板１２、放熱板１３の熱膨張係数の違いによる接合後の積層構造体１０（回路基板）の反りは、厚く剛性が高いスペーサを用いることによって低減されることは明らかである。
【００４２】
一方で、通常は接合治具の構成によって被加圧体１００の最大高さは限定される。スペーサが厚い場合には、接合作業を同時に行うことのできる積層構造体１０の数が少なくなる。すなわち、回路基板の製造コストを低減するという観点からは、スペーサは薄い方が好ましい。
【００４３】
このため、図２に示されるように、厚い第１のスペーサ２１、薄い第２のスペーサ２２は、交互に配することが好ましい。この場合、どの積層構造体１０の上下両側にも第１のスペーサ２１、第２のスペーサ２２が配された構成となるため、各々の積層構造体１０に印加される圧力を均一化することができる。なお、図２における最上部の積層構造体１０の上部には上部板５１が、最下部の積層構造体１０の下部には底板５０が配されるため、第１のスペーサ２１、第２のスペーサ２２のいずれを配してもよい。あるいは、被加圧体１０における最上部と最下部にはこれらのスペーサを配さない構成とすることもできる。
【００４４】
なお、上記の例では、金属回路板と放熱板とをろう材でセラミックス基板に接合する場合について記載したが、高温・高圧でこれらを接合する場合であれば、上記の接合方法、接合治具が同様に有効であることは明らかである。このため、例えばろう材を用いないＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｉｎｇ Ｃｏｐｐｅｒ）等を用いる場合においても、上記の構成は有効である。また、例えば金属回路板のみを用い、放熱板を用いない構成であっても同様である。更に、上記の例では金属回路板（金属板）とセラミックス基板とを接合する場合について記載したが、熱膨張係数の異なる２種類の矩形形状の平板状の部材を高温で接合する場合において有効であることも明らかである。
【００４５】
（実施例）
実際に上記の２枚の縦方向スペーサを用いて接合を行った回路基板（実施例）と、縦方向スペーサを用いずに柱状部材に被加圧体を当接させて固定して接合を行った回路基板（比較例）における接合の状況を調べた。ここでは、０．３２ｍｍ厚のセラミックス基板（窒化珪素セラミックス）に、０．５ｍｍ厚の金属回路板、０．５ｍｍ厚の放熱板を、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材で接合した。この際の接合は、ろう材溶融時の約８００℃において０．０１Ｐａ程度の減圧雰囲気で行った。積層した積層構造体の数は２５層とし、第１のスペーサは３ｍｍ厚、第２のスペーサは１ｍｍ厚とし、これらを交互に用いた。接合時に印加した圧力は約９ｋｇｆとした。実施例において用いられた２枚の縦方向スペーサの厚さは３ｍｍとした。
【００４６】
図３は、比較例（ａ）、実施例（ｂ）の回路基板における接合時の周縁部付近の接合の状況を超音波探傷装置で見た結果である。図中、左側は金属回路板側、右側は放熱板側を示す。なお、実施例と比較例ではパターンが異なっているが、このパターニングは接合後に行われているため、接合の状況にはこのパターニングの違いは無関係である。図３においては、金属回路板側の結果における上辺部、左辺部、放熱板側の結果における上辺部、右辺部が、接合時における周縁部に相当する。
【００４７】
比較例（ａ）においては、周縁部に白く見える領域が存在する。この領域は、ろう材中のボイドが存在するために接合強度が低くなっている領域である。前記の通り、この領域は、金属回路板や放熱板が熱膨張して柱状部材に当接したために生じた。
【００４８】
これに対して、実施例（ｂ）においては、周縁部に白く見える領域は存在せず、一様な接合強度が得られている。
【符号の説明】
【００４９】
１０ 積層構造体
１１ セラミックス基板（第１の部材）
１２ 金属回路板（金属板；第２の部材）
１３ 放熱板（金属板：第２の部材）
２１ 第１のスペーサ（スペーサ）
２２ 第２のスペーサ（スペーサ）
３１、３２ 縦方向スペーサ
５０ 底板
５１ 上部板
５２ バネ
５３ 柱状部材
５４ 天板
１００ 被加圧体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
いずれも矩形形状の平板状であり熱膨張係数の異なる第１の部材と第２の部材とを高温で接合する接合方法であって、
前記第１の部材と前記第２の部材とを積層した積層構造体をスペーサを介して複数積層した略矩形体の被加圧体を形成する被加圧体準備工程と、
前記被加圧体における前記積層方向と平行な３つの側面と略平行に、それぞれ複数の柱状部材が列状に配置され、当該複数の柱状部材に囲まれた内部に間隔をおいて前記被加圧体が収容できる構成を具備する接合治具において、前記３列のうちの互いに平行でない２列を構成する前記柱状部材と前記被加圧体がそれぞれ縦方向スペーサを介して接し、かつ他の１列を構成する前記柱状部材と前記被加圧体が接さない状態で、前記被加圧体を前記複数の柱状部材に囲まれた内部に設置する被加圧体設置工程と、
前記被加圧体の積層方向において圧力を印加し、かつ２つの前記縦方向スペーサを前記接合治具から抜き取る接合準備工程と、
前記被加圧体が設置された前記接合治具を加熱した後に冷却することによって前記第１の部材と前記第２の部材とを接合する接合工程と、
を具備することを特徴とする接合方法。
【請求項２】
前記被加圧体準備工程において、前記第１の部材と前記第２の部材とは、ろう材を挟んで積層され、
前記接合工程において、前記第１の部材と前記第２の部材とはろう材によって接合されることを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
【請求項３】
前記接合工程における加熱は減圧雰囲気中で行われることを特徴とする請求項１又は２に記載の接合方法。
【請求項４】
前記被加圧体準備工程において、
前記スペーサとして、厚さの異なる２種類のスペーサが設けられ、
積層方向において、前記２種類のスペーサが、交互に配されたことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の接合方法。
【請求項５】
前記第１の部材はセラミックス基板であり、前記第２の部材は銅を主成分とする金属板であることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の接合方法。
【請求項６】
前記セラミックス基板は前記金属板よりも平面視において大きく、
前記接合準備工程において、
前記縦方向スペーサが配されない側の前記被加圧体の積層方向に平行な側面側において、前記セラミックス基板は、前記金属板よりも突出する構成とされることを特徴とする請求項５に記載の接合方法。
【請求項７】
請求項５又は６に記載の接合方法を用いて製造されたことを特徴とする回路基板。
【請求項８】
いずれも矩形形状の平板状であり熱膨張係数の異なる第１の部材と第２の部材とを高温で接合するために用いられ、前記第１の部材と前記第２の部材とが積層された積層構造体が複数積層されて構成される略矩形体の被加圧体が、当該被加圧体における積層方向と平行な３つの側面と略平行に複数の柱状部材が３列にわたり配置され、当該複数の柱状部材に囲まれた内部に前記被加圧体が収容できる構成とされ、前記内部に前記被加圧体が収容された状態で前記被加圧体における積層方向に沿って圧力が印加される構成を具備する接合治具であって、
前記３列のうちの互いに平行でない２列のそれぞれと、当該２列のそれぞれと対向する前記被加圧体の側面との間に設けられ、他の１列を構成する前記柱状部材と前記被加圧体とが接さない状態において前記２列のそれぞれを構成する前記柱状部材と前記被加圧体の両方と接し、前記圧力が印加された状態において前記２列のそれぞれを構成する前記柱状部材と前記被加圧体の間から引き抜くことができる構成とされた２つの縦方向スペーサを具備することを特徴とする接合治具。
【請求項１】
いずれも矩形形状の平板状であり熱膨張係数の異なる第１の部材と第２の部材とを高温で接合する接合方法であって、
前記第１の部材と前記第２の部材とを積層した積層構造体をスペーサを介して複数積層した略矩形体の被加圧体を形成する被加圧体準備工程と、
前記被加圧体における前記積層方向と平行な３つの側面と略平行に、それぞれ複数の柱状部材が列状に配置され、当該複数の柱状部材に囲まれた内部に間隔をおいて前記被加圧体が収容できる構成を具備する接合治具において、前記３列のうちの互いに平行でない２列を構成する前記柱状部材と前記被加圧体がそれぞれ縦方向スペーサを介して接し、かつ他の１列を構成する前記柱状部材と前記被加圧体が接さない状態で、前記被加圧体を前記複数の柱状部材に囲まれた内部に設置する被加圧体設置工程と、
前記被加圧体の積層方向において圧力を印加し、かつ２つの前記縦方向スペーサを前記接合治具から抜き取る接合準備工程と、
前記被加圧体が設置された前記接合治具を加熱した後に冷却することによって前記第１の部材と前記第２の部材とを接合する接合工程と、
を具備することを特徴とする接合方法。
【請求項２】
前記被加圧体準備工程において、前記第１の部材と前記第２の部材とは、ろう材を挟んで積層され、
前記接合工程において、前記第１の部材と前記第２の部材とはろう材によって接合されることを特徴とする請求項１に記載の接合方法。
【請求項３】
前記接合工程における加熱は減圧雰囲気中で行われることを特徴とする請求項１又は２に記載の接合方法。
【請求項４】
前記被加圧体準備工程において、
前記スペーサとして、厚さの異なる２種類のスペーサが設けられ、
積層方向において、前記２種類のスペーサが、交互に配されたことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の接合方法。
【請求項５】
前記第１の部材はセラミックス基板であり、前記第２の部材は銅を主成分とする金属板であることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の接合方法。
【請求項６】
前記セラミックス基板は前記金属板よりも平面視において大きく、
前記接合準備工程において、
前記縦方向スペーサが配されない側の前記被加圧体の積層方向に平行な側面側において、前記セラミックス基板は、前記金属板よりも突出する構成とされることを特徴とする請求項５に記載の接合方法。
【請求項７】
請求項５又は６に記載の接合方法を用いて製造されたことを特徴とする回路基板。
【請求項８】
いずれも矩形形状の平板状であり熱膨張係数の異なる第１の部材と第２の部材とを高温で接合するために用いられ、前記第１の部材と前記第２の部材とが積層された積層構造体が複数積層されて構成される略矩形体の被加圧体が、当該被加圧体における積層方向と平行な３つの側面と略平行に複数の柱状部材が３列にわたり配置され、当該複数の柱状部材に囲まれた内部に前記被加圧体が収容できる構成とされ、前記内部に前記被加圧体が収容された状態で前記被加圧体における積層方向に沿って圧力が印加される構成を具備する接合治具であって、
前記３列のうちの互いに平行でない２列のそれぞれと、当該２列のそれぞれと対向する前記被加圧体の側面との間に設けられ、他の１列を構成する前記柱状部材と前記被加圧体とが接さない状態において前記２列のそれぞれを構成する前記柱状部材と前記被加圧体の両方と接し、前記圧力が印加された状態において前記２列のそれぞれを構成する前記柱状部材と前記被加圧体の間から引き抜くことができる構成とされた２つの縦方向スペーサを具備することを特徴とする接合治具。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−２００７３０（Ｐ２０１２−２００７３０Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−６４３６４（Ｐ２０１１−６４３６４）
【出願日】平成２３年３月２３日（２０１１．３．２３）
【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２４年１０月２２日（２０１２．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２３日（２０１１．３．２３）
【出願人】（０００００５０８３）日立金属株式会社 (2,051)
【Ｆターム（参考）】
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