陶瓷電路基板的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種陶瓷電路基板，其在氧化鋁基板上接合有金屬電路板，其中，所述氧化鋁基板含有99.5質(zhì)量%以上的氧化鋁Al2O3和低于0.5質(zhì)量%的由燒結(jié)前配合的燒結(jié)助劑生成的來源于燒結(jié)助劑的成分；所述來源于燒結(jié)助劑的成分為含有鈉的無機(jī)氧化物，所述來源于燒結(jié)助劑的成分中的鈉以換算成氧化鈉Na2O的質(zhì)量計(jì)，在100質(zhì)量%的所述氧化鋁基板中含有0.001～0.1質(zhì)量%；在所述氧化鋁基板中，孔隙的最大直徑為12μm以下，孔隙平均直徑為10μm以下，維氏硬度為1500以上。
【專利說明】陶瓷電路基板
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種使用了氧化鋁基板的陶瓷電路基板。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，作為功率晶體管模塊用基板和開關(guān)電源模塊用基板等的電路基板，在陶瓷基板上接合有銅板、鋁板、各種包覆板等金屬板的陶瓷電路基板得到了廣泛的應(yīng)用。另夕卜，作為上述陶瓷基板，一般使用廉價(jià)且通用性高的氧化鋁(Al2O3)基板、具有電絕緣性而且熱傳導(dǎo)性優(yōu)良的氮化鋁(AlN)基板、或者高強(qiáng)度的氮化硅(Si3N4)基板等。在這些陶瓷基板中，氧化鋁基板的優(yōu)點(diǎn)是廉價(jià)且通用性較高。
[0003]在此，就陶瓷電路基板的構(gòu)造進(jìn)行說明。圖1是表示陶瓷電路基板的圖案面?zhèn)鹊臉?gòu)成的一個(gè)例子的俯視圖。圖2是圖1所示的陶瓷電路基板沿A — A線的剖視圖。圖3是表示圖1所示的陶瓷電路基板的背面?zhèn)鹊臉?gòu)成的一個(gè)例子的仰視圖。
[0004]陶瓷電路基板I例如正如圖1?圖3所示的那樣，通過在陶瓷基板2的一個(gè)表面接合或者形成銅板等金屬電路板3，而且在陶瓷基板2的背面即另一個(gè)表面接合銅板等背面金屬板4而形成。
[0005]金屬電路板3由接合在陶瓷基板2的表面上的各種金屬板或者形成于陶瓷基板2的表面上的金屬層構(gòu)成。
[0006]作為將各種金屬板或者金屬層一體形成于陶瓷基板2的表面上的手法，例如可以使用下述的直接接合法、高熔點(diǎn)金屬金屬化法、活性金屬法等。
[0007]直接接合法是例如通過在陶瓷基板2和金屬電路板3的界面生成共晶液相而將陶瓷基板2和金屬電路板3直接接合的方法。
[0008]關(guān)于直接接合法，以金屬電路板3為銅電路板的情況為例進(jìn)行具體的說明。首先，將沖裁成規(guī)定形狀的銅電路板3接觸配置在陶瓷基板2上并對(duì)其進(jìn)行加熱，從而在接合界面生成Cu-Cu2OXu-O等共晶液相，然后通過該共晶液相而提高陶瓷基板2和銅電路板3的潤濕性。其次，如果使該共晶液相冷卻固化，則陶瓷基板2和銅電路板3直接接合在一起而可以得到陶瓷電路基板I。該方法就是所謂的銅直接接合法(DBC法:Direct BondingCopper 法)。
[0009]另外，高熔點(diǎn)金屬金屬化法是將Mo、W等高熔點(diǎn)金屬燒接在陶瓷基板2的表面而使陶瓷基板2和金屬電路層一體化以得到陶瓷電路基板I的方法。
[0010]再者，活性金屬法是例如經(jīng)由含有T1、Zr、Hf等4A族元素之類的具有活性的金屬的Ag-Cu焊料層而將銅電路板等金屬板3 —體接合在陶瓷基板2上以得到陶瓷電路基板I的方法。根據(jù)該活性金屬法，通過焊料層的Cu以及Ag成分而使焊料層和銅電路板3的接合強(qiáng)度得以提高，而且通過T1、Zr、Hf成分而使焊料層和陶瓷基板2的接合強(qiáng)度得以提高。
[0011]另外，作為在得到的陶瓷電路基板I的金屬電路板3上形成電路的方法，為人所知的有以下的方法，如使用事先通過壓力加工或侵蝕加工而形成圖案的銅板的方法、以及在接合后通過侵蝕等手法而形成圖案的方法等。[0012]在如上述那樣通過直接接合法或活性金屬釬焊法而得到的陶瓷電路基板I中，陶瓷基板2和金屬電路板3的接合強(qiáng)度均較高，而且具有簡單的構(gòu)造。因此，陶瓷電路基板I可以得到能夠?qū)崿F(xiàn)小型高安裝化、且制造工序也可以縮短等效果，并具有能夠與大電流型和高集成型的半導(dǎo)體芯片相適應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。
[0013]可是，近年來，由于使用陶瓷電路基板I的半導(dǎo)體裝置的高輸出化和半導(dǎo)體元件的高集成化快速發(fā)展，因而反復(fù)作用于陶瓷電路基板I的熱應(yīng)力和熱負(fù)荷呈增加的趨勢(shì)。因此，陶瓷電路基板I要求具有耐久性，其即使受到增加的熱應(yīng)力，也使陶瓷基板2和金屬電路板3的接合強(qiáng)度充分地高，而且即使經(jīng)受較多的熱循環(huán)，也可以維持陶瓷基板2和金屬電路板3的接合。
[0014]作為可以應(yīng)對(duì)增大的熱負(fù)荷、而且使電路基板的耐久性得以提高的陶瓷電路基板1，例如為人所知的有如下的陶瓷電路基板1:其使陶瓷基板2的厚度薄壁化至0.25?
0.38_左右而降低熱阻抗，同時(shí)改善陶瓷基板2的柔韌性而防止金屬電路板3的剝離的發(fā)生。
[0015]另外，作為可以應(yīng)對(duì)增大的熱負(fù)荷、而且使電路基板的耐久性得以提高的其它陶瓷電路基板1，為人所知的有如下的陶瓷電路基板1:其使用純度為96%左右的純度比較高的氧化鋁基板作為陶瓷基板2，并采用所述直接接合法或者活性金屬法將金屬電路板3 (電路層)一體接合在該氧化鋁基板上。
[0016]再者，在日本專利第3833410號(hào)公報(bào)(專利文獻(xiàn)I)中，公開了使用純度為99.5%以上的高純度氧化鋁基板的陶瓷電路基板。在專利文獻(xiàn)I中，通過使氧化鋁純度為99.8%，便可以得到強(qiáng)度和維氏硬度等特性優(yōu)良的陶瓷電路基板。
[0017]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0018]專利文獻(xiàn)
[0019]專利文獻(xiàn)1:日本專利第3833410號(hào)公報(bào)
[0020]專利文獻(xiàn)2:日本特開2005-281063號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0021]發(fā)明所要解決的課題
[0022]然而，專利文獻(xiàn)I中記載的陶瓷電路基板由于以高純度氧化鋁為原料，因而燒結(jié)性差，在1600°C下需要進(jìn)行長達(dá)20小時(shí)的長時(shí)間燒結(jié)。
[0023]因此，專利文獻(xiàn)I中記載的陶瓷電路基板存在的課題是:制造成本較高，不能充分地發(fā)揮廉價(jià)這一氧化鋁基板的優(yōu)點(diǎn)。
[0024]本發(fā)明是鑒于上述情況而完成的，其目的在于提供一種陶瓷電路基板，其使用不是高純度而廉價(jià)的氧化鋁基板作為陶瓷基板，且具有優(yōu)良的接合強(qiáng)度和維氏硬度等特性。
[0025]用于解決課題的手段
[0026]本發(fā)明人發(fā)現(xiàn):根據(jù)以氧化鋁粉末和至少含有鈉氧化物的燒結(jié)助劑為原料燒結(jié)而得到的、且含有少量的由燒結(jié)助劑生成的來源于燒結(jié)助劑的成分的高純度氧化鋁基板，可以得到燒結(jié)性高、能夠謀求成本的降低、且維氏硬度較高的氧化鋁基板。另外，本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn):當(dāng)使用該氧化鋁基板時(shí)，可以得到接合強(qiáng)度優(yōu)良的陶瓷電路基板，從而完成了本發(fā)明。[0027]本發(fā)明的陶瓷電路基板是用于解決上述課題的陶瓷電路基板，其在氧化鋁基板上接合有金屬電路板，其特征在于:所述氧化鋁基板含有99.5質(zhì)量％以上的氧化鋁Al2O3和低于0.5質(zhì)量％的由燒結(jié)前配合的燒結(jié)助劑生成的來源于燒結(jié)助劑的成分；所述來源于燒結(jié)助劑的成分為含有鈉的無機(jī)氧化物，所述來源于燒結(jié)助劑的成分中的鈉以換算成氧化鈉Na2O的質(zhì)量計(jì)，在100質(zhì)量％的所述氧化鋁基板中含有0.001~0.1質(zhì)量％ ;在所述氧化鋁基板中，孔隙的最大直徑為12 以下，孔隙平均直徑為IOym以下，維氏硬度為1500以上。
[0028]在本發(fā)明的陶瓷電路基板中，所述來源于燒結(jié)助劑的成分是進(jìn)一步含有硅的無機(jī)氧化物，所述來源于燒結(jié)助劑的成分中的硅以換算成氧化硅SiO2的質(zhì)量計(jì)，優(yōu)選在100質(zhì)量％的所述氧化鋁基板中含有0.001~0.2質(zhì)量％。
[0029]在本發(fā)明的陶瓷電路基板中，所述來源于燒結(jié)助劑的成分是進(jìn)一步含有鐵的無機(jī)氧化物，所述來源于燒結(jié)助劑的成分中的鐵以換算成氧化鐵Fe2O3的質(zhì)量計(jì)，優(yōu)選在100質(zhì)量％的所述氧化鋁基板中含有0.001~0.05質(zhì)量％。[0030]在本發(fā)明的陶瓷電路基板中，所述氧化鋁基板的氧化鋁晶粒的平均結(jié)晶粒徑優(yōu)選為20 ii m以下。
[0031 ] 在本發(fā)明的陶瓷電路基板中，所述氧化鋁基板在該氧化鋁基板中存在的孔隙的體積的比率即孔隙體積率優(yōu)選為3體積％以下。
[0032]在本發(fā)明的陶瓷電路基板中，所述氧化鋁基板采用斷面觀察算出的每IOOumX 100 u m單位面積的孔隙的個(gè)數(shù)優(yōu)選為2~30個(gè)。
[0033]在本發(fā)明的陶瓷電路基板中，所述氧化鋁基板在該氧化鋁基板的斷面中的孔隙的面積的比率即孔隙面積率優(yōu)選為10%以下。
[0034]在本發(fā)明的陶瓷電路基板中，所述氧化鋁基板的絕緣耐壓優(yōu)選為25KV/mm以上。
[0035]在本發(fā)明的陶瓷電路基板中，所述氧化鋁基板的韌性值優(yōu)選為3.2MPa.m1/2以上。
[0036]在本發(fā)明的陶瓷電路基板中，所述氧化鋁基板的熱傳導(dǎo)系數(shù)優(yōu)選為28W/m ? K以上。
[0037]在本發(fā)明的陶瓷電路基板中，所述氧化鋁基板的抗彎強(qiáng)度優(yōu)選為400MPa以上。
[0038]在本發(fā)明的陶瓷電路基板中，所述金屬電路板優(yōu)選采用直接接合法與所述氧化鋁基板接合在一起。
[0039]在本發(fā)明的陶瓷電路基板中，所述金屬電路板優(yōu)選為銅電路板，該銅電路板優(yōu)選通過Cu-O共晶化合物而與所述氧化鋁基板接合在一起。
[0040]在本發(fā)明的陶瓷電路基板中，所述金屬電路板優(yōu)選為銅電路板，該銅電路板優(yōu)選含有0.1~1.0質(zhì)量％的碳。
[0041]在本發(fā)明的陶瓷電路基板中，所述氧化鋁基板和所述金屬電路板的接合界面優(yōu)選呈相互交錯(cuò)的結(jié)構(gòu):當(dāng)進(jìn)行所述陶瓷電路基板的斷面觀察時(shí)，沿所述金屬電路板表面的曲線與沿所述氧化鋁基板表面的凹凸的曲線相接的比例在95%以上。
[0042]在本發(fā)明的陶瓷電路基板中，所述氧化鋁基板的厚度優(yōu)選為0.25~1.2mm。
[0043]在本發(fā)明的陶瓷電路基板中，所述金屬電路板的厚度優(yōu)選為0.1~0.5mm。
[0044]發(fā)明的效果
[0045]根據(jù)本發(fā)明的陶瓷電路基板，雖然是氧化鋁純度為99.5質(zhì)量％以上的高純度的氧化鋁基板，但借助于作為燒結(jié)助劑添加的鈉氧化物，就使燒結(jié)性提高、燒結(jié)時(shí)間縮短得以解決，從而能夠大幅度降低成本。另外，根據(jù)本發(fā)明的陶瓷電路基板，由于含有規(guī)定量的含鈉的來源于燒結(jié)助劑的成分，因而接合強(qiáng)度等特性也較高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0046]圖1是表示陶瓷電路基板的圖案面?zhèn)鹊臉?gòu)成的一個(gè)例子的俯視圖。
[0047]圖2是圖1所示的陶瓷電路基板沿A — A線的剖視圖。
[0048]圖3是表示圖1所示的陶瓷電路基板的背面?zhèn)鹊臉?gòu)成的一個(gè)例子的仰視圖。
[0049]圖4是表示氧化鋁晶粒的平均結(jié)晶粒徑的求出方法的圖示。
[0050]圖5是實(shí)施例1的陶瓷電路基板的接合界面的示意剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0051 ] 下面就本發(fā)明的陶瓷電路基板進(jìn)行說明。
[0052][陶瓷電路基板]
[0053]本發(fā)明的陶瓷電路基板是在氧化鋁基板上接合有金屬電路板的陶瓷電路基板。
[0054]本發(fā)明的陶瓷電路基板例如如圖1所示，為在氧化鋁基板2的一個(gè)表面上接合有金屬電路板3的陶瓷電路基板I。
[0055]此外，圖1示出了在氧化鋁基板2的另一個(gè)表面上、即背面?zhèn)鹊谋砻嫔辖雍嫌秀~板等背面金屬板4的例子，但本發(fā)明的陶瓷電路基板也可以在氧化鋁基板2的一個(gè)表面和另一個(gè)表面這兩面上接合金屬電路板3。
[0056](氧化鋁基板)
[0057]氧化鋁基板含有99.5質(zhì)量％以上的氧化鋁Al2O3,以及低于0.5質(zhì)量％、優(yōu)選為0.3質(zhì)量％以下的由燒結(jié)前配合的燒結(jié)助劑生成的來源于燒結(jié)助劑的成分。
[0058]本發(fā)明所使用的氧化鋁基板是由許多的氧化鋁晶粒構(gòu)成的多晶體，來源于燒結(jié)助劑的成分是存在于氧化鋁晶粒的晶界的玻璃相。
[0059]氧化鋁基板優(yōu)選的是氧化鋁Al2O3和來源于燒結(jié)助劑的成分的合計(jì)量實(shí)質(zhì)上為
100質(zhì)量％。
[0060]來源于燒結(jié)助劑的成分如后所述，往往含有燒結(jié)助劑成分以外的成分即不可避免的雜質(zhì)成分。關(guān)于燒結(jié)助劑成分以及不可避免的雜質(zhì)成分容后詳述，而所謂的燒結(jié)助劑成分，是指將Na、Si以及Fe換算成與燒結(jié)助劑相同的氧化物后的物質(zhì)。作為燒結(jié)助劑成分，例如可以列舉出Na20、Si02以及Fe203。另外，所謂不可避免的雜質(zhì)成分，是指來源于燒結(jié)助劑的成分中除燒結(jié)助劑成分以外的剩余部分。
[0061]在100質(zhì)量％的氧化鋁基板中，也能夠以0.05質(zhì)量％以下的量含有來源于燒結(jié)助劑的成分中包含的不可避免的雜質(zhì)成分。
[0062]<來源于燒結(jié)助劑的成分>
[0063]所謂氧化鋁基板中含有的來源于燒結(jié)助劑的成分，是指在燒結(jié)前作為本發(fā)明的氧化鋁基板的原料與氧化鋁粉末一起配合的燒結(jié)助劑在通過燒結(jié)時(shí)的熱處理而成為液相后，經(jīng)固化而成為玻璃相的無機(jī)氧化物。
[0064]來源于燒結(jié)助劑的成分在氧化鋁基板中，含有低于0.5質(zhì)量％，優(yōu)選含有0.3質(zhì)量％以下。
[0065]氧化鋁基板中含有的來源于燒結(jié)助劑的成分為至少含有鈉的無機(jī)氧化物。
[0066]來源于燒結(jié)助劑的成分中的鈉以換算成氧化鈉Na2O的質(zhì)量計(jì)，在100質(zhì)量％的氧化鋁基板中含有0.001?0.1質(zhì)量％ (10?1000質(zhì)量ppm)。
[0067]換算成氧化鈉Na2O的質(zhì)量如果在100質(zhì)量％的氧化鋁基板中含有0.001?0.1質(zhì)量％ (10?1000質(zhì)量ppm)，則鈉成分作為燒結(jié)助劑發(fā)揮作用，從而可以抑制孔隙的發(fā)生。
[0068]換算成氧化鈉Na2O的質(zhì)量在100質(zhì)量％的氧化鋁基板中如果低于0.001質(zhì)量％，則含有鈉的燒結(jié)助劑的作用變得不充分，從而容易使氧化鋁基板的機(jī)械強(qiáng)度降低。
[0069]另外，換算成氧化鈉Na2O的質(zhì)量在100質(zhì)量％的氧化鋁基板中如果超過0.1質(zhì)量％，則孔隙直徑大型化，或者使維氏硬度容易降低。
[0070]此外，在使用含有氧化鋁粉末和燒結(jié)助劑的混合粉末、進(jìn)行燒結(jié)而制造氧化鋁基板的情況下，在作為燒結(jié)助劑添加的氧化鈉Na2O或氧化鋁粉末中作為雜質(zhì)含有的氧化鈉Na2O、金屬Na、氫氧化鈉等鈉成分在添加至水中時(shí)或者燒結(jié)時(shí)容易溶出。
[0071 ] 例如，在制作含有氧化鋁粉末和燒結(jié)助劑的造粒粉的造粒工序中使用純水的情況下，Na離子從造粒中的氧化鈉Na20、氫氧化鈉NaOH等中向純水中溶出。
[0072]另外，金屬Na的熔點(diǎn)為98°C，氧化鈉Na2O的熔點(diǎn)為1132°C，氫氧化鈉NaOH的熔點(diǎn)為318°C。與此相對(duì)照，在制造氧化鋁基板時(shí)的燒結(jié)工序中，燒結(jié)溫度高達(dá)1200?1700°C左右，因而鈉成分在燒結(jié)中溶出。如果鈉成分的溶出量增多，則孔隙的形成得以發(fā)展，從而在得到的氧化鋁基板中容易形成大量超過10 y m的較大的孔隙。
[0073]這樣一來，鈉成分在氧化鋁基板的制造時(shí)容易消失。
[0074]與此相對(duì)照，根據(jù)專利文獻(xiàn)2，在作為氧化鋁基板的制造原料使用的純度為99.5質(zhì)量％以上的高純度氧化鋁粉末中，鈉含量較少，約為30質(zhì)量ppm (0.003質(zhì)量％)以下。
[0075]因此，在制造氧化鋁基板時(shí)，在高純度氧化鋁粉末中優(yōu)選添加適量的鈉成分作為燒結(jié)助劑。
[0076]在該鈉成分的添加量中，所得到的氧化鋁基板的來源于助劑的成分中的鈉如上所述，以換算成鈉Na2O的質(zhì)量計(jì)，在100質(zhì)量％的氧化鋁基板中含有0.001?0.1質(zhì)量％( 10?1000 質(zhì)量 ppm)。
[0077]此外，作為在氧化鋁基板的制造時(shí)添加鈉成分的方法，例如可以使用主動(dòng)添加鈉成分的方法、利用氧化鋁原料粉末中的雜質(zhì)鈉成分的方法、以及在氧化鋁造粒工序中采用氧化招球(純度為96%的氧化招)而混入氧化招球中的鈉成分的方法等。
[0078]氧化鋁基板中含有的來源于燒結(jié)助劑的成分優(yōu)選的是除鈉以外，還進(jìn)一步含有硅的無機(jī)氧化物。
[0079]來源于燒結(jié)助劑的成分中的硅以換算成氧化硅SiO2的質(zhì)量計(jì)，在100質(zhì)量％的氧化鋁基板中通常含有0.001?0.2質(zhì)量％。
[0080]將硅換算成氧化硅SiO2的質(zhì)量在100質(zhì)量％的氧化鋁基板中如果低于0.001質(zhì)量％，則含有硅的燒結(jié)助劑的作用變得不充分，從而容易使氧化鋁基板的機(jī)械強(qiáng)度降低。
[0081]另外，將硅換算成氧化硅SiO2的質(zhì)量在100質(zhì)量％的氧化鋁基板中如果超過0.2質(zhì)量％，則不能有效地利用高純度氧化鋁的特性，從而維氏硬度容易降低。
[0082]氧化鋁基板中含有的來源于燒結(jié)助劑的成分優(yōu)選的是除鈉以外，或者除鈉和硅以外，還進(jìn)一步含有鐵的無機(jī)氧化物。
[0083]來源于燒結(jié)助劑的成分中的鐵以換算成氧化鐵Fe2O3的質(zhì)量計(jì)，在100質(zhì)量％的氧化鋁基板中通常含有0.001?0.05質(zhì)量％。
[0084]將鐵換算成氧化鐵Fe2O3的質(zhì)量在100質(zhì)量％的氧化鋁基板中如果低于0.001質(zhì)量％，則含有鐵的燒結(jié)助劑的作用變得不充分，從而容易使氧化鋁基板的機(jī)械強(qiáng)度降低。
[0085]另外，將鐵換算成氧化鐵Fe2O3的質(zhì)量在100質(zhì)量％的氧化鋁基板中如果超過0.05質(zhì)量％，則不能有效地利用高純度氧化鋁的特性，從而維氏硬度容易降低。
[0086]來源于燒結(jié)助劑的成分如果為除鈉(Na)以外，還進(jìn)一步含有選自硅(Si)以及鐵(Fe)之中的I種以上元素的無機(jī)氧化物，則與來源于燒結(jié)助劑的成分僅含有鈉(Na)的無機(jī)氧化物的情況相比，可成為燒結(jié)性得以更加提高的氧化鋁基板。
[0087]也就是說，來源于燒結(jié)助劑的成分處于燒結(jié)前狀態(tài)的燒結(jié)助劑如果除Na氧化物以外，還進(jìn)一步含有選自Si氧化物以及Fe氧化物之中的I種以上氧化物，則容易形成成為晶界相的玻璃相。
[0088]另外，來源于燒結(jié)助劑的成分也可以是除鈉(Na)、硅(Si)以及鐵(Fe)以外，還進(jìn)一步含有選自鈣(Ca)以及鎂(Mg)之中的I種以上元素的無機(jī)氧化物。
[0089]如果是來源于燒結(jié)助劑的成分全部含有鈉(Na)、硅(Si)以及鐵(Fe)的無機(jī)氧化物，則來源于燒結(jié)助劑的成分非常容易形成均質(zhì)的玻璃相，因而是最優(yōu)選的。
[0090]此外，在來源于燒結(jié)助劑的成分中，將Na、Si和Fe、以及這些元素的化合物換算成與燒結(jié)助劑相同的氧化物后的物質(zhì)被稱之為燒結(jié)助劑成分。例如，在來源于燒結(jié)助劑的成分為含有Na、Si和Fe、以及這些的元素的化合物的無機(jī)氧化物的情況下，將這些元素?fù)Q算成與燒結(jié)助劑相同的氧化物后的物質(zhì)即Na2CK SiO2以及Fe2O3屬于燒結(jié)助劑成分。
[0091]另外，在來源于燒結(jié)助劑的成分中，將燒結(jié)助劑成分以外的成分稱為不可避免的雜質(zhì)成分。
[0092]<氧化鋁晶粒>
[0093]氧化鋁基板的氧化鋁晶粒的平均結(jié)晶粒徑通常為20 y m以下，優(yōu)選為13 y m以下。本發(fā)明所使用的氧化鋁基板由于其燒結(jié)性較高，因而氧化鋁晶粒的平均結(jié)晶粒徑減少為20 u m以下。
[0094]在此，所謂平均結(jié)晶粒徑，是從氧化鋁基板的采用斷面觀察進(jìn)行觀察得到的多個(gè)氧化鋁晶粒中按下述的方法算出的結(jié)晶粒徑D。的平均值。
[0095]也就是說，如圖4所示，在觀察I個(gè)氧化鋁晶粒22的情況下，首先，將以氧化鋁晶粒22的直徑為最大的方式選擇的線段的長度設(shè)定為長徑LI。其次，引出垂直于構(gòu)成該長徑LI的線段且通過構(gòu)成長徑LI的線段的中點(diǎn)的垂直線，將該垂直線中表示氧化鋁晶粒的直徑的部分的長度設(shè)定為短徑L2。再者，通過(LI + L2) /2而算出I個(gè)氧化鋁晶粒22的結(jié)晶粒徑D。。然后，對(duì)氧化鋁基板的斷面觀察的視場內(nèi)的100個(gè)氧化鋁晶粒進(jìn)行該作業(yè)，將100個(gè)結(jié)晶粒徑D。的平均值規(guī)定為氧化鋁晶粒的平均結(jié)晶粒徑。
[0096]在氧化鋁基板的氧化鋁晶粒中，結(jié)晶粒徑D。的偏差較小。也就是說，在氧化鋁基板中，表示氧化鋁晶粒的結(jié)晶粒徑D。的偏差大小的指標(biāo)即下述的比率NA/Nt通常為80%以上，結(jié)晶粒徑D。的偏差較小。
[0097]在此，所謂比率NA/Nt，是指采用斷面觀察對(duì)氧化鋁基板在200 UmX 200 Um單位面積的觀察范圍內(nèi)進(jìn)行觀察，當(dāng)將所述觀察范圍內(nèi)觀察得到的氧化鋁晶粒的平均結(jié)晶粒徑設(shè)定為A ii m時(shí)，在0.3A?1.7A的范圍內(nèi)的氧化鋁晶粒的個(gè)數(shù)Na相對(duì)于所述觀察范圍內(nèi)觀察的氧化鋁晶粒的總個(gè)數(shù)Nt的比率NA/Nt。
[0098]本發(fā)明所使用的氧化鋁基板如上所述，通過使氧化鋁晶粒的平均結(jié)晶粒徑較小，為20 以下，而且使氧化鋁晶粒的結(jié)晶粒徑D。的偏差較小，便能夠使可能導(dǎo)致孔隙發(fā)生的氧化招晶粒間的3重點(diǎn)(a space surrounded by3powder particles)減小,從而孔隙數(shù)較少，孔隙的大小也較小。在此，所謂氧化鋁晶粒間的3重點(diǎn)，是指被3個(gè)氧化鋁晶粒所包圍的晶界部分。
[0099]<氧化鋁基板的孔隙>
[0100]氧化鋁基板的孔隙通常是在氧化鋁晶粒間的3重點(diǎn)所產(chǎn)生的空隙或者凹坑。
[0101]氧化鋁基板的孔隙的平均直徑為IOym以下，優(yōu)選為5pm以下。
[0102]另外，氧化鋁基板的孔隙的最大直徑為12 以下，優(yōu)選為10 以下。孔隙是在氧化鋁結(jié)晶粒子彼此之間的間隙中形成的。孔隙的最大直徑如果超過12 u m,則在氧化鋁基板中部分地形成致密化并不充分的區(qū)域，因而氧化鋁基板的機(jī)械強(qiáng)度和絕緣耐壓有可能降低。
[0103]在此，所謂孔隙的平均直徑，是指從氧化鋁基板的采用斷面觀察進(jìn)行觀察的100個(gè)孔隙中按下述的方法算出的孔隙的直徑Dv的平均值。
[0104]也就是說，首先，對(duì)于氧化鋁基板的斷面，拍攝在200 ii mX 200 ii m或者100 u mX 100 u m的單位面積的觀察范圍所得到的放大照片，并就該觀察范圍內(nèi)存在的各個(gè)孔隙測(cè)定最大的直徑，將該測(cè)定得到的值設(shè)定為各個(gè)孔隙的直徑Dv。其次，在所述觀察范圍內(nèi)對(duì)隨機(jī)選取的100個(gè)孔隙進(jìn)行該孔隙的直徑Dv的測(cè)定，將100個(gè)孔隙的直徑Dv的平均值規(guī)定為孔隙的平均直徑。
[0105]另外，所謂孔隙的最大直徑，是指從氧化鋁基板的采用斷面觀察進(jìn)行觀察的100個(gè)孔隙中按上述的方法算出的孔隙的直徑Dv的最大值。
[0106]氧化鋁基板的斷面觀察中使用的放大照片優(yōu)選使用SEM照片的二次電子像。另夕卜，放大照片的放大倍數(shù)優(yōu)選為250倍以上，進(jìn)一步優(yōu)選為500倍以上。
[0107]此外，在為進(jìn)行氧化鋁基板的斷面觀察而切出氧化鋁基板的斷面時(shí)，有時(shí)氧化鋁結(jié)晶從斷面上脫粒。但是，脫粒是氧化鋁粒子直接脫落的現(xiàn)象，因而在氧化鋁基板的斷面觀察中能夠?qū)ρ趸X結(jié)晶粒子的脫粒和孔隙加以區(qū)別。
[0108]氧化鋁基板通過斷面觀察而算出的每100 U mX 100 U m單位面積的孔隙的個(gè)數(shù)通常為2?30個(gè)，優(yōu)選為5?20個(gè)。
[0109]氧化鋁基板通過斷面觀察而算出的每100 U mX 100 U m單位面積的孔隙的個(gè)數(shù)如果為2?30個(gè)，則氧化鋁基板處于高強(qiáng)度，而且與金屬電路板的接合強(qiáng)度較高。
[0110]氧化鋁基板和金屬電路板的接合強(qiáng)度一般認(rèn)為通過取由氧化鋁基板的表面凹凸和金屬電路板的表面相互交錯(cuò)而成的形狀、即金屬電路板的表面追隨氧化鋁基板的表面凹凸而發(fā)生變形的形狀，產(chǎn)生錨固效果而得以提高。該氧化鋁基板的表面凹凸由氧化鋁晶粒的表面形狀、來源于燒結(jié)助劑的成分的表面形狀、孔隙的形狀而形成，而對(duì)于氧化鋁基板的表面凹凸的大小，通常最大的是因孔隙的形狀引起的凹凸。因此，在氧化鋁基板的表面如果每100 y mX 100 y m單位面積的孔隙的個(gè)數(shù)在2個(gè)以上，則氧化鋁基板和金屬電路板的接合強(qiáng)度容易提聞。
[0111]在此，所謂采用斷面觀察算出的每100 i! mX 100 u m單位面積的孔隙的個(gè)數(shù)，是指按下述的方法算出的孔隙的個(gè)數(shù)Nv。
[0112]也就是說，首先，對(duì)于氧化鋁基板的斷面，拍攝在200 ii mX 200 ii m或者100 u mX 100 u m的單位面積的觀察范圍所得到的放大照片，并計(jì)算該觀察范圍內(nèi)存在的孔隙的總數(shù)NvT。其次，將該孔隙的總數(shù)Nvt換算成每100 u mX 100 u m的個(gè)數(shù)，從而算出每100 u mX 100 u m的孔隙的個(gè)數(shù)Nvl(l(l。然后，在氧化鋁基板的斷面的4個(gè)部位進(jìn)行該每IOOumX 100 u m的孔隙的個(gè)數(shù)Nvltltl的計(jì)算，并將該4個(gè)部位的孔隙的個(gè)數(shù)Nvltltl的平均值規(guī)定為孔隙的個(gè)數(shù)Nv。
[0113]此外，當(dāng)氧化鋁基板的斷面觀察在200iimX200iim單位面積的部分進(jìn)行時(shí)，可以說該200 UmX 200 U m單位面積的部分包括4個(gè)單位面積100 y mX 100 u m的部分。因此，也可以在將200 UmX 200 y m單位面積的I個(gè)部位的孔隙的總數(shù)Nvt換算成每100 y mX 100 u m
的個(gè)數(shù)后，將換算得到的孔隙的個(gè)數(shù)Nvltltl直接作為孔隙的個(gè)數(shù)Nv。
[0114]此外，氧化鋁基板通過斷面觀察而算出的每100 u mX 100 u m單位面積的孔隙的個(gè)數(shù)如果低于2個(gè)，則與金屬電路板的接合強(qiáng)度有可能降低。
[0115]另外，氧化鋁基板通過斷面觀察而算出的每100 u mX 100 u m單位面積的孔隙的個(gè)數(shù)如果超過30個(gè)，則孔隙成為氧化鋁基板的表面缺陷，從而氧化鋁基板的機(jī)械強(qiáng)度、絕緣耐壓和熱傳導(dǎo)系數(shù)容易降低。
[0116]氧化鋁基板在該氧化鋁基板中存在的孔隙的體積的比率即孔隙率為3體積％以下。
[0117]在此，所謂孔隙率，是指采用阿基米德法算出的氧化鋁基板中空洞的體積。
[0118]在氧化鋁基板中，該氧化鋁基板通過斷面觀察而算出的孔隙的面積的比率即孔隙面積率通常為10%以下，優(yōu)選為5%以下，進(jìn)一步優(yōu)選為3%以下。
[0119]孔隙面積率如果超過10%，則氧化鋁基板的機(jī)械強(qiáng)度有可能降低。
[0120]在此，所謂孔隙面積率，是指按下述的方法算出的孔隙的面積率RSV。
[0121]也就是說，首先，對(duì)于氧化鋁基板的斷面，拍攝在200 ii mX200 ii m或者100 u mX 100 u m的單位面積的觀察范圍所得到的放大照片，并將該觀察范圍內(nèi)存在的孔隙的面積進(jìn)行合計(jì)而算出孔隙的總面積SvT。其次，將該孔隙的總面積Svt除以單位面積而得到每I U m2的值，并將得到的每I y m2的值規(guī)定為孔隙面積率RSv (%)。
[0122]<氧化鋁基板的特性>
[0123]氧化鋁基板的維氏硬度在1500以上。在此，所謂維氏硬度，是指由JIS-R-1610規(guī)定的維氏硬度。
[0124]氧化鋁基板的絕緣耐壓通常為25KV/mm以上。在此，所謂絕緣耐壓，是將各陶瓷電路基板浸潰在絕緣油(商品名Fluorinert)中，并將電極分別配置在接合于陶瓷基板兩面的金屬電路板上，然后以每分鐘IOkV的電壓上升速度在該電極間施加交流電壓。而且將放出IOpC (微微庫倫)的電荷量時(shí)的施加電壓規(guī)定為部分放電開始電壓，將基板的每單位厚度的部分放電開始電壓規(guī)定為絕緣耐壓。
[0125]氧化鋁基板的斷裂韌性值為3.2MPa ? m1/2以上。在此，所謂斷裂韌性值，是指由JIS-R-1607規(guī)定的斷裂韌性值。[0126]氧化鋁基板的熱傳導(dǎo)系數(shù)通常為28W/m?K以上。在此，所謂熱傳導(dǎo)系數(shù)，是指采用根據(jù)JIS-R-1611的激光閃光法測(cè)定得到的熱傳導(dǎo)系數(shù)。
[0127]氧化鋁基板的抗彎強(qiáng)度(3點(diǎn)彎曲強(qiáng)度)通常為400MPa以上。在此，所謂抗彎強(qiáng)度(3點(diǎn)彎曲強(qiáng)度)，是指由JIS-R-1601規(guī)定的抗彎強(qiáng)度。
[0128]氧化鋁基板的厚度通常為0.25~1.2mm。
[0129]<氧化鋁基板的制造方法>
[0130]下面就氧化鋁基板的制造方法進(jìn)行說明。
[0131 ] 氧化鋁基板例如在準(zhǔn)備氧化鋁粉末和燒結(jié)助劑之后，可以通過進(jìn)行料漿調(diào)整工序或者造粒工序、進(jìn)行成形工序、進(jìn)行脫脂工序、以及進(jìn)行燒結(jié)工序來制造。
[0132][氧化鋁粉末]
[0133]氧化鋁粉末的氧化鋁純度通常為99.5~99.9質(zhì)量％。
[0134]在氧化鋁粉末中，作為氧化鋁以外的成分，通常含有包含Na、Si和Fe、或者這些以外的元素的物質(zhì)等。
[0135]本發(fā)明在氧化鋁粉末所含有的物質(zhì)中，Na、Si和Fe、以及這些的元素的化合物是由與燒結(jié)助劑相同的元素構(gòu)成的物質(zhì)，因而稱之為燒結(jié)助劑成分雜質(zhì)。
[0136]另外，在氧化鋁粉末所含有的物質(zhì)中，將除氧化鋁以及燒結(jié)助劑成分雜質(zhì)以外的物質(zhì)稱為不可避免的雜質(zhì)。
[0137]燒結(jié)助劑成分雜質(zhì)是由與燒結(jié)助劑相同的元素構(gòu)成的物質(zhì)，因而在燒結(jié)工序中作為燒結(jié)助劑發(fā)揮作用。因此，氧化鋁粉末所含有的燒結(jié)助劑成分雜質(zhì)優(yōu)選作為燒結(jié)助劑的一部分進(jìn)行處理。
[0138]將燒結(jié)助劑成分雜質(zhì)作為燒結(jié)助劑的一部分進(jìn)行處理的方法可以使用如下的方法:將燒結(jié)助劑成分雜質(zhì)的質(zhì)量設(shè)定為換算成燒結(jié)助劑的質(zhì)量，并將該換算得到的質(zhì)量設(shè)定為燒結(jié)助劑的質(zhì)量的一部分。具體地說，在燒結(jié)助劑成分雜質(zhì)為Na、Si和Fe、以及這些元素的化合物的情況下，在將它們分別換算成作為燒結(jié)助劑的Na20、SiO2以及Fe2O3之后，將這些氧化物的質(zhì)量作為燒結(jié)助劑的質(zhì)量進(jìn)行處理。例如，在由氧化鋁粉末所含有的燒結(jié)助劑成分雜質(zhì)中的Si成分換算得到的SiO2為Ag、在該氧化鋁粉末中作為燒結(jié)助劑添加的SiO2 SBg的情況下，作為燒結(jié)助劑的SiO2的合計(jì)質(zhì)量為A + B g。
[0139]氧化鋁粉末的平均粒徑通常為I~4 ii m。
[0140]另外，氧化鋁粉末如果含有2~30質(zhì)量％的粒徑為0.8 ii m以下的氧化鋁粉末，則可以減少所得到的氧化鋁基板的孔隙尺寸，或者可以減小孔隙的個(gè)數(shù)，因而是優(yōu)選的。其理由如下所述?？紫对谘趸X晶粒彼此之間的間隙中發(fā)生。含有2~30質(zhì)量％的粒徑為0.8 ii m以下的氧化鋁粉末的氧化鋁粉末由于大的粉末和小的粉末分布適度，因而可以使燒結(jié)前的氧化鋁粉末成為小的氧化鋁粉末進(jìn)入大的氧化鋁粉末彼此之間的間隙中的結(jié)構(gòu)。因此，在由這種結(jié)構(gòu)的氧化鋁粉末得到的氧化鋁基板中，孔隙尺寸減小，或者孔隙的個(gè)數(shù)減少。
[0141][燒結(jié)助劑]
[0142]作為氧化鋁基板的原料，除氧化鋁粉末以外，還可以使用燒結(jié)助劑。
[0143]作為燒結(jié)助劑，至少可以使用氧化鈉(Na2OX燒結(jié)助劑除氧化鈉(Na2O)以外，也可以含有選自氧化硅(SiO2)以及氧化鐵(Fe2O3)之中的I種以上的氧化物。[0144]燒結(jié)助劑優(yōu)選含有全部的氧化鈉(Na20)、氧化娃(SiO2)以及氧化鐵(Fe2O3X
[0145]另外，燒結(jié)助劑除氧化鈉(Na20)、氧化硅(SiO2)以及氧化鐵(Fe2O3)以外，也可以進(jìn)一步含有選自氧化鈣(CaO)以及氧化鎂(MgO)之中的I種以上的氧化物。
[0146]作為燒結(jié)助劑，使用粉末狀的燒結(jié)助劑。
[0147]燒結(jié)助劑在后述的料漿調(diào)整工序或者造粒工序中，與氧化鋁粉末進(jìn)行混合。在由氧化鋁粉末和燒結(jié)助劑構(gòu)成的混合粉末中，使將氧化鋁粉末中含有的燒結(jié)助劑成分雜質(zhì)換算成燒結(jié)助劑所得到的質(zhì)量Ma、和燒結(jié)助劑的質(zhì)量Ms的合計(jì)量Ma + Ms含有0.5質(zhì)量％以下。
[0148]另外，在后述的料漿調(diào)整工序使用氧化鋁球磨機(jī)進(jìn)行球磨處理的情況下，在考慮自氧化鋁球磨機(jī)吸取的燒結(jié)助劑成分雜質(zhì)的量Mb之后，確定燒結(jié)助劑的配合量。也就是說，在由氧化鋁粉末和燒結(jié)助劑構(gòu)成的混合粉末中，使Ma + Ms + Mb含有0.5質(zhì)量％以下。在此，所謂自氧化鋁球磨機(jī)吸取的燒結(jié)助劑成分雜質(zhì)，是指與氧化鋁粉末中含有的燒結(jié)助劑成分雜質(zhì)同樣的物質(zhì)。
[0149]這樣一來，在考慮了于原料粉末的混合或造粒工序中混入的雜質(zhì)Na、S1、Fe量之后，在混合粉末中添加氧化鈉作為燒結(jié)助劑，從而使其含量為0.001?0.1質(zhì)量％。另外，根據(jù)需要，在混合粉末中添加氧化硅，使其含量為0.001?0.2質(zhì)量％，在混合粉末中添加氧化鐵，使其含量為0.001?0.05質(zhì)量％。
[0150][料漿調(diào)整工序]
[0151]料漿調(diào)整工序是將氧化鋁粉末和燒結(jié)助劑粉末混合而調(diào)配料漿的工序。料漿例如可以采用如下的方法進(jìn)行調(diào)配:在純水或者有機(jī)溶劑中添加氧化鋁粉末和燒結(jié)助劑粉末，并根據(jù)需要進(jìn)一步添加PVA (聚乙烯醇)等粘結(jié)劑，然后采用濕式球磨機(jī)將氧化鋁粉末以及燒結(jié)助劑粉末進(jìn)行粉碎。
[0152]球磨機(jī)所使用的球優(yōu)選為氧化鋁制的球。但是，氧化鋁制的氧化鋁球的氧化鋁純度通常為96%左右，較多地含有Na、S1、Fe等雜質(zhì)。因此，在使用氧化鋁球的球磨處理中，優(yōu)選將考慮了自氧化鋁球混入料漿中的Na、S1、Fe等雜質(zhì)這一量的燒結(jié)助劑粉末配合于氧化招粉末中。
[0153]氧化鋁基板的制造方法選擇上述的料漿調(diào)整工序或者下述的造粒工序來進(jìn)行。
[0154][造粒工序]
[0155]造粒工序是將氧化鋁粉末和燒結(jié)助劑粉末混合而進(jìn)行造粒的工序。
[0156]造粒而得到的造粒粉例如可以采用如下的方法進(jìn)行制作:在純水或者有機(jī)溶劑中添加氧化鋁粉末和燒結(jié)助劑粉末，并根據(jù)需要進(jìn)一步添加PVA (聚乙烯醇)等粘結(jié)劑，然后采用濕式球磨機(jī)將氧化鋁粉末以及燒結(jié)助劑粉末進(jìn)行粉碎，進(jìn)而采用濕式造粒機(jī)進(jìn)行造粒。
[0157][成形工序]
[0158]在進(jìn)行了料漿調(diào)整工序或者造粒工序之后，進(jìn)行成形工序。
[0159]成形工序是使用由料漿調(diào)整工序得到的料漿或者由造粒工序得到的造粒粉，從而制作出成形體的工序。
[0160]在使用料漿的情況下，成形工序例如使用刮板法而制作板狀成形體。在使用造粒粉的情況下，成形工序例如使用模具成型法而制作板狀成形體。
[0161]在板狀成形體的厚度為Imm以下的情況下，優(yōu)選使用刮板法。[0162][脫脂工序]
[0163]脫脂工序是對(duì)所得到的板狀成形體進(jìn)行脫脂的工序。
[0164]脫脂工序通常在400?900°C下進(jìn)行熱處理而使板狀成形體脫脂。
[0165][燒結(jié)工序]
[0166]燒結(jié)工序是將脫脂過的板狀成形體進(jìn)行燒結(jié)的工序。
[0167]在燒結(jié)工序于常壓下進(jìn)行燒結(jié)的情況下，通常在1200?170(TC下熱處理2?12小時(shí)、優(yōu)選在1200?1680°C下熱處理5?12小時(shí)而進(jìn)行燒結(jié)。
[0168]另外，在0.5MPa以上的加壓下進(jìn)行燒結(jié)的情況下，通常也可以在1200?1700°C下熱處理2?6小時(shí)、優(yōu)選在1200?1680°C下熱處理2?5小時(shí)而進(jìn)行燒結(jié)。
[0169]另外，燒結(jié)工序也可以進(jìn)行改變熱處理的溫度范圍的2個(gè)階段的熱處理。
[0170]例如，也可以在1450?1650°C的溫度范圍熱處理4?7小時(shí)后，再在低于1450°C的溫度下熱處理2?3小時(shí)。
[0171]這樣一來，燒結(jié)工序不是在高溫下長時(shí)間持續(xù)燒結(jié)，而是在燒結(jié)一定時(shí)間之后，以稍低的溫度進(jìn)行燒結(jié)，由此可以抑制氧化鋁晶粒的生長，因而容易進(jìn)行孔隙的尺寸和個(gè)數(shù)的控制。
[0172]這樣一來，主燒結(jié)工序可以使燒結(jié)時(shí)間在12小時(shí)以下，因而沒有必要進(jìn)行專利文獻(xiàn)I所示的20小時(shí)這一長時(shí)間的熱處理的燒結(jié)工序。
[0173]可以認(rèn)為本發(fā)明中燒結(jié)工序的燒結(jié)時(shí)間較短的理由主要在于:脫脂過的板狀成形體中的燒結(jié)助劑粉末以及燒結(jié)助劑成分雜質(zhì)的合計(jì)量是適當(dāng)?shù)摹?br> [0174]也就是說，由料漿或者造粒粉制作、且脫脂過的板狀成形體在氧化鋁粉末和燒結(jié)助劑粉末的合計(jì)量100質(zhì)量％中，將氧化鋁粉末中含有的燒結(jié)助劑成分雜質(zhì)換算成燒結(jié)助劑所得到的質(zhì)量Ma、和燒結(jié)助劑的質(zhì)量Ms的合計(jì)量Ma + Ms含有0.5質(zhì)量％以下。
[0175]另外，在料漿調(diào)整工序使用氧化鋁球磨機(jī)進(jìn)行球磨處理的情況下，由料漿或者造粒粉制作、且脫脂過的板狀成形體包括自氧化鋁球磨機(jī)吸取的燒結(jié)助劑成分雜質(zhì)的量Mb在內(nèi)的Ma + Ms + Mb含有0.5質(zhì)量％以下。
[0176]在此，在燒結(jié)助劑粉末以及燒結(jié)助劑成分雜質(zhì)的至少一方中含有Na成分，并根據(jù)需要進(jìn)一步含有選自Si成分以及Fe成分之中的至少I種成分，這些成分作為燒結(jié)助劑發(fā)揮作用。
[0177]因此,關(guān)于本發(fā)明的含有99.5質(zhì)量％以上氧化招Al2O3的聞純度的氧化招基板的燒結(jié)工序，其與不用燒結(jié)助劑、僅使用氧化鋁粉末而對(duì)高純度氧化鋁基板進(jìn)行燒結(jié)的情況相比較，可以將燒結(jié)溫度降低20?50°C左右，而且燒結(jié)時(shí)間也可以縮短為12小時(shí)以下。
[0178]這樣一來，在燒結(jié)工序中，可以降低燒結(jié)溫度，或者可以縮短燒結(jié)時(shí)間，因而可以抑制因燒結(jié)產(chǎn)生的氧化鋁晶粒的生長。因此，在得到的氧化鋁基板中，氧化鋁晶粒減小，氧化鋁晶粒的結(jié)晶粒徑D。的偏差減小，可以抑制孔隙的發(fā)生，從而可以減小發(fā)生的孔隙的大小。
[0179]具體地說，在得到的氧化鋁基板中，氧化鋁晶粒的平均結(jié)晶粒徑通常為20iim以下，優(yōu)選為10 y m以下，表示結(jié)晶粒徑D。的偏差的比率NA/Nt通常為80%以上。
[0180]另外，在得到的氧化鋁基板中，孔隙的平均直徑為IOym以下，優(yōu)選為5 Pm以下，孔隙面積率通常為10%以下。[0181]經(jīng)過以上的各工序而得到的氧化鋁基板與金屬電路板接合在一起。與氧化鋁基板接合的金屬電路板采用適當(dāng)?shù)那治g等而形成電路。本發(fā)明包括未形成電路的金屬電路板、以及形成有電路的金屬電路板兩者，將其簡稱為金屬電路板。
[0182]在得到的氧化鋁基板中，作為與金屬電路板接合之前的處理，可以適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行通過珩磨加工而除去表面污物的處理、或者對(duì)表面進(jìn)行研磨加工的處理。此外，在使用直接接合法作為氧化鋁基板和金屬電路板的接合方法的情況下，優(yōu)選只設(shè)定為通過珩磨加工而除去表面污物。
[0183](金屬電路板)
[0184]金屬電路板接合在氧化鋁基板上。在此，所謂金屬電路板，是指包括使用侵蝕等形成有電路的金屬電路板、以及未形成電路的金屬電路板兩者這樣的概念。
[0185]氧化鋁基板和金屬電路板例如通過直接接合法(DBC法)、活性金屬法等方法來進(jìn)行接合。
[0186]在此，所謂直接接合法(DBC法)，是指例如利用金屬電路板的銅和氧形成共晶化合物(Cu-O共晶)的反應(yīng)而使氧化鋁基板和金屬電路板接合在一起的方法。
[0187]另外，所謂活性金屬法，是指使用活性金屬接合焊料漿料而使氧化鋁基板和金屬電路板接合在一起的方法。
[0188]本發(fā)明的陶瓷電路基板是采用直接接合法、活性金屬法等方法將金屬電路板接合在氧化鋁基板上而得到的。
[0189]<金屬電路板采用直接接合法接合在氧化鋁基板上的情況>
[0190]在金屬電路板采用直接接合法接合于氧化鋁基板上的情況下，作為金屬電路板，通常使用由銅構(gòu)成的銅電路板。
[0191]由于氧化鋁基板和金屬電路板的接合方法為直接接合法，因而銅電路板通過Cu-O共晶化合物而與氧化鋁基板接合在一起。
[0192]銅電路板的厚度通常為0.1?0.5mm。
[0193]作為銅電路板，優(yōu)選的是由含有100?1000質(zhì)量ppm氧的反射爐精煉(toughpitch)電解銅構(gòu)成。通過使用這樣的銅電路板，與氧化鋁基板的接合強(qiáng)度得以提高。
[0194]銅電路板優(yōu)選含有0.1?1.0質(zhì)量％的碳。作為構(gòu)成這樣的銅電路板的銅材，例如可以列舉出反射爐精煉銅、無氧銅等。
[0195]碳作為脫氧劑發(fā)揮作用，因而使銅電路板中的氧向銅電路板的表面移動(dòng)。另外，向銅電路板的表面移動(dòng)的氧用于在進(jìn)行直接接合法時(shí)形成Cu-O共晶化合物。
[0196]此外，如果銅電路板的碳含量低于0.1質(zhì)量％，則沒有含碳的效果，如果碳含量超過1.0質(zhì)量％，則碳含量過于增加而使銅電路板的導(dǎo)電性降低。
[0197]此外，在將氧含量低于100質(zhì)量ppm的銅電路板用作銅電路板的情況下，由于在銅電路板的與氧化鋁基板的接合面?zhèn)刃纬捎醒趸~膜，因而可以提高與氧化鋁基板的接合強(qiáng)度。
[0198]作為在銅電路板的表面形成氧化銅膜的方法，可以列舉出對(duì)銅電路板進(jìn)行熱處理而直接氧化的方法、和涂布氧化銅粉末的漿料的方法等。
[0199][直接氧化的方法]
[0200]作為直接氧化的方法，例如可以使用如下的方法:通過進(jìn)行在大氣中于150?360°C的溫度范圍對(duì)銅電路板加熱20?120秒的表面氧化處理，使銅電路板的表面形成氧化銅膜。
[0201]在使用直接氧化的方法的情況下，氧化銅膜的厚度通常為I?IOy m，優(yōu)選為2?5 u m0
[0202]如果氧化銅膜的厚度低于I U m,則Cu-O共晶化合物的產(chǎn)生量減少，因而氧化鋁基板和銅電路板的未接合部分增多，從而提高接合強(qiáng)度的效果減小。
[0203]另一方面，如果氧化銅膜的厚度超過10 U m,則接合強(qiáng)度的改善效果較少，反而阻礙銅電路板的導(dǎo)電特性。
[0204][涂布氧化銅粉末漿料的方法]
[0205]作為涂布氧化銅粉末漿料的方法，例如可以使用如下的方法:使用含有平均粒徑為I?5 ii m的氧化銅粉末的漿料，將該漿料涂布在銅電路板上，從而形成厚度為I?10 ii m的氧化銅漿料層，然后進(jìn)行干燥或者熱處理，由此在銅電路板的表面形成氧化銅膜。
[0206]<金屬電路板采用活性金屬法與氧化鋁基板接合的情況>
[0207]在金屬電路板采用活性金屬法與氧化鋁基板接合的情況下，作為金屬電路板，可以使用銅、招、鐵、鎳、鉻、銀、鑰、鈷的單質(zhì)、它們的合金、以及它們的包覆材料等。在它們之中，銅板和鋁板由于接合性良好，因而是優(yōu)選的。
[0208]金屬電路板的厚度在考慮通電容量和氧化鋁基板的厚度等之后加以決定。具體地說，在氧化鋁基板的厚度為0.25?1.2mm的情況下，將金屬電路板的厚度優(yōu)選設(shè)定為0.1?0.5mm。此外,如果將氧化招基板的厚度設(shè)定為0.25?0.38mm,則熱阻抗得以降低，從而可以改善陶瓷電路基板的散熱性。
[0209]作為活性金屬法中使用的活性金屬接合焊料漿料，例如可以使用將接合用組合物分散在有機(jī)溶劑中調(diào)配而成的活性金屬接合焊料漿料，所述接合用組合物含有15?35質(zhì)量％的Cu、以及I?10質(zhì)量％的選自T1、Zr、Hf之中的至少I種活性金屬，而且剩余部分實(shí)質(zhì)上由Ag構(gòu)成。
[0210]活性金屬接合焊料漿料中配合的活性金屬可以改善活性金屬接合焊料對(duì)氧化鋁基板的潤濕性以及反應(yīng)性?；钚越饘俳雍虾噶蠞{料中的活性金屬的配合量相對(duì)于100質(zhì)量％的活性金屬接合焊料漿料中含有的接合用組合物，設(shè)定為I?10質(zhì)量％。
[0211]活性金屬法例如使用含有選自T1、Zr以及Hf之中的至少I種活性金屬且具有適當(dāng)組成比的Ag-Cu系焊料,將該Ag-Cu系焊料分散在有機(jī)溶劑中而調(diào)配接合用組合物衆(zhòng)料，然后將該接合用組合物漿料絲網(wǎng)印刷在氧化鋁基板的表面，將作為金屬電路板的銅板重疊在氧化鋁基板的表面而進(jìn)行加熱，從而可以將氧化鋁基板和金屬電路板接合。
[0212](氧化鋁基板和金屬電路板的接合界面)
[0213]氧化鋁基板和金屬電路板的接合界面呈金屬電路板的表面沿著氧化鋁基板的表面凹凸形狀而發(fā)生變形的相互交錯(cuò)的結(jié)構(gòu)。具體地說，氧化鋁基板和金屬電路板的接合界面呈如下相互交錯(cuò)的結(jié)構(gòu):在進(jìn)行陶瓷電路基板的斷面觀察時(shí)，沿著金屬電路板的表面的曲線與沿著氧化鋁基板的表面凹凸的曲線相接的比例(以下稱為“接合界面接觸比例”)通常為95%以上，優(yōu)選為99%以上，進(jìn)一步優(yōu)選為100%。
[0214]接合界面接觸比例是表示金屬電路板對(duì)于氧化鋁基板的表面凹凸的隨動(dòng)性的指標(biāo)。[0215]例如，在氧化鋁基板和金屬電路板完全沒有間隙地接合的情況下，接合界面接觸比例為100%。另外，在氧化鋁基板和金屬電路板完全剝離的情況下，接合界面接觸比例為0%。
[0216]接合界面接觸比例的算出方法如下所述。
[0217]也就是說，首先，在進(jìn)行陶瓷電路基板的斷面觀察時(shí)，拍攝接合斷面的放大照片。接合斷面的放大照片優(yōu)選為1000倍以上。
[0218]放大照片遍及IOOym的長度而拍攝接合界面。此外，當(dāng)在一視場中不能拍攝100 Ii m的長度時(shí),也可以每次拍攝20?50 ii m,合計(jì)拍攝100 u m。
[0219]其次，從放大照片中測(cè)定接合界面的沿著氧化鋁基板的表面凹凸的曲線的長度La和接合界面的沿著金屬電路板表面的曲線的長度Lm。
[0220]然后，將Lm除以La所得到的Lm/La作為接合界面接觸比例而算出。
[0221]接合界面接觸比例在深的孔隙露出于氧化鋁基板表面時(shí)容易降低。如果深的孔隙露出于氧化鋁基板表面，則在將氧化鋁基板和金屬電路板接合時(shí)，金屬電路板變得難以追隨氧化鋁基板的表面，因而接合界面接觸比例容易降低。
[0222]在本發(fā)明的陶瓷電路基板中，深的孔隙露出于氧化鋁基板表面的情況實(shí)質(zhì)上沒有，而且將氧化鋁基板和金屬電路板在特定的條件下進(jìn)行接合，因而金屬電路板追隨進(jìn)入氧化鋁基板的表面孔隙中。因此，在本發(fā)明的陶瓷電路基板中，接合界面接觸比例通常高達(dá)95%以上，而且氧化鋁基板的表面和金屬電路板呈相互交錯(cuò)的結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生錨固效果使得接合強(qiáng)度較高。
[0223](陶瓷電路基板的制造方法)
[0224]陶瓷電路基板通過接合氧化鋁基板和金屬電路板而進(jìn)行制造。氧化鋁基板和金屬電路板的接合方法如上所述，例如可以使用直接接合法(DBC法)、活性金屬法等方法。
[0225]<直接接合法>
[0226]在直接接合法中，首先，在氧化鋁基板上配置作為金屬電路板的銅電路板。在銅板上形成有氧化膜(氧化銅膜)的情況下，進(jìn)行配置而使氧化膜處于氧化鋁基板側(cè)。其次，當(dāng)在不活潑氣體氣氛中例如加熱至1065?1085°C時(shí)，則可以得到在氧化鋁基板上接合有銅電路板的陶瓷電路基板。
[0227]〈活性金屬法〉
[0228]在活性金屬法中，首先，采用絲網(wǎng)印刷等方法將活性金屬接合焊料漿料涂布在氧化鋁基板上。其次，當(dāng)在氧化鋁基板的涂布有活性金屬接合焊料漿料的面上配置金屬電路板而進(jìn)行加熱時(shí)，便可以得到在氧化鋁基板上接合有銅電路板的陶瓷電路基板。
[0229]根據(jù)上述構(gòu)成的陶瓷電路基板，通過使用氧化鋁純度為99.5%以上、且含有規(guī)定量的鈉等的氧化鋁基板，與以前的純度為99.5%以上的高純度氧化鋁基板相比較，在維持強(qiáng)度等作為基板的特性的基礎(chǔ)上，還可以縮短燒結(jié)時(shí)間，或者可以降低燒結(jié)溫度，因而可以使制造成本大幅度下降。
[0230]另外，由于氧化鋁基板致密，且源自孔隙的表面缺陷也少，因而即使在減薄基板厚度的情況下，耐電壓特性的降低也少，從而可以抑制絕緣破壞(泄漏擊穿電壓-breakdownvoltage leak)的發(fā)生。另外,通過將源自孔隙的表面缺陷(表面凹凸)設(shè)定在規(guī)定的范圍內(nèi)，可以提高金屬電路板的接合強(qiáng)度。[0231]實(shí)施例
[0232]以下示出了實(shí)施例，但本發(fā)明并不由這些實(shí)施例進(jìn)行限定性的解釋。
[0233](實(shí)施例1)
[0234]在由平均粒徑為1.5 iim (0.8 ii m以下的占15質(zhì)量％)的a-氧化鋁結(jié)晶構(gòu)成、且純度為99.9%的高純度氧化鋁粉末中，添加作為燒結(jié)助劑的0.1質(zhì)量％的Na20、0.2質(zhì)量％的Si02、0.05質(zhì)量％的Fe2O3，進(jìn)而添加有機(jī)粘結(jié)劑，采用球磨機(jī)(使用純度為96%的氧化鋁球)調(diào)配出原料混合漿料。采用刮板法將各原料混合漿料進(jìn)行片材成形而調(diào)配板狀成形體，對(duì)該成形體在10 — 4Torr的真空中于800°C下加熱8小時(shí)而使其完全脫脂。將該脫脂體在1580°C的溫度下燒結(jié)8小時(shí)，從而調(diào)配出長29mmX寬69mmX厚度0.32mm的氧化鋁基板。
[0235](比較例I)
[0236]作為比較例1，在使用由平均粒徑為1.5 ii m(0.8 ii m以下的占35質(zhì)量％)的a -氧化鋁結(jié)晶構(gòu)成、且純度為99.9%的高純度氧化鋁粉末的同時(shí)，不添加Na2O,除此以外，與實(shí)施例I同樣地調(diào)配出氧化鋁基板。
[0237](比較例2)
[0238]將燒結(jié)條件設(shè)定為1600°C X20小時(shí)，除此以外，與比較例I同樣地調(diào)配出氧化鋁基板。
[0239](比較例3)
[0240]將Na2O的添加量設(shè)定為0.3質(zhì)量％，除此以外，與實(shí)施例1同樣地調(diào)配出氧化鋁基板。
[0241 ][實(shí)施例1、比較例I?比較例3的氧化鋁基板的評(píng)價(jià)]
[0242]對(duì)各氧化鋁基板的Al2O3純度、平均結(jié)晶粒徑、結(jié)晶粒徑的偏差、孔隙的面積率、孔隙平均直徑、孔隙的最大直徑、孔隙的個(gè)數(shù)、絕緣耐壓、抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性值、熱傳導(dǎo)系數(shù)以及維氏硬度分別加以測(cè)定，得到了表I所示的結(jié)果。
[0243]孔隙率、孔隙平均直徑、平均結(jié)晶粒徑以及結(jié)晶粒徑的偏差通過氧化鋁基板的斷面觀察進(jìn)行測(cè)定。
[0244]也就是說，拍攝200 U mX 200 U m單位面積的放大照片，并對(duì)拍攝在該放大照片中的各個(gè)孔隙的面積進(jìn)行測(cè)定，將合計(jì)面積除以200 u mX 200 u m所得到的數(shù)值作為孔隙的
面積率。
[0245]另外，就各個(gè)孔隙測(cè)定最大的直徑，將該測(cè)定得到的值設(shè)定為最大直徑，并將100個(gè)孔隙的平均值設(shè)定為孔隙平均直徑。另外，關(guān)于孔隙的個(gè)數(shù)，在4個(gè)部位測(cè)定每100 u mX 100 u m單位面積的個(gè)數(shù)，并表示出其最小個(gè)數(shù)和最大個(gè)數(shù)。
[0246]另外，關(guān)于氧化鋁晶粒的平均結(jié)晶粒徑，在各個(gè)氧化鋁晶粒中將以直徑為最大的方式選擇的線段的長度設(shè)定為長徑LI，將從其中心引垂直線時(shí)得到的線段的長度設(shè)定為短徑L2，將(LI + L2) /2設(shè)定為粒徑。對(duì)100個(gè)晶粒進(jìn)行該作業(yè)，將其平均值設(shè)定為平均粒徑。
[0247]另外，關(guān)于氧化鋁晶粒的結(jié)晶粒徑的偏差，對(duì)于平均結(jié)晶粒徑Au m，求出落入AX(0.3?1.7)的范圍的晶粒的個(gè)數(shù)比例(％)。
[0248]絕緣耐壓、抗彎強(qiáng)度(3點(diǎn)彎曲強(qiáng)度)、熱傳導(dǎo)系數(shù)、斷裂韌性值以及維氏硬度采用JIS-R-1601 (抗彎強(qiáng)度)、JIS-R-1607 (斷裂韌性值)、JIS-R-1610 (維氏硬度)、JIS-R-1611(熱傳導(dǎo)系數(shù))等中記載的方法求出。另外，絕緣耐壓如前所述，采用使用絕緣油(商品名Fluorinert)的部分放電開始電壓的方法來進(jìn)行。
[0249]這些結(jié)果如表I?3所示。
[0250]圖5是實(shí)施例1的陶瓷電路基板的接合界面的示意剖視圖。如圖5所示，陶瓷電路基板I的氧化鋁基板2在氧化鋁基板2中存在孔隙23a，而且在與金屬電路板(銅電路板)3的接合面存在孔隙23b。另外，在陶瓷電路基板I的氧化鋁基板2與金屬電路板(銅電路板)3的界面，金屬電路板(銅電路板)3附著在氧化鋁基板2的表面。
【權(quán)利要求】
1.一種陶瓷電路基板，其在氧化鋁基板上接合有金屬電路板，其特征在于: 所述氧化鋁基板含有99.5質(zhì)量％以上的氧化鋁Al2O3和低于0.5質(zhì)量％的由燒結(jié)前配合的燒結(jié)助劑生成的來源于燒結(jié)助劑的成分； 所述來源于燒結(jié)助劑的成分為含有鈉的無機(jī)氧化物，所述來源于燒結(jié)助劑的成分中的鈉以換算成氧化鈉Na2O的質(zhì)量計(jì)，在100質(zhì)量％的所述氧化鋁基板中含有0.001~0.1質(zhì)量% ； 在所述氧化鋁基板中，孔隙的最大直徑為12 以下，孔隙平均直徑為IOym以下，維氏硬度為1500以上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷電路基板，其特征在于:所述來源于燒結(jié)助劑的成分是進(jìn)一步含有硅的無機(jī)氧化物，所述來源于燒結(jié)助劑的成分中的硅以換算成氧化硅SiO2的質(zhì)量計(jì)，在100質(zhì)量％的所述氧化鋁基板中含有0.001~0.2質(zhì)量％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的陶瓷電路基板，其特征在于:所述來源于燒結(jié)助劑的成分是進(jìn)一步含有鐵的無機(jī)氧化物，所述來源于燒結(jié)助劑的成分中的鐵以換算成氧化鐵Fe2O3的質(zhì)量計(jì)，在100質(zhì)量％的所述氧化鋁基板中含有0.001~0.05質(zhì)量％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1~3中任一項(xiàng)所述的陶瓷電路基板，其特征在于:所述氧化鋁基板的氧化鋁晶粒的平均結(jié)晶粒徑為20 y m以下。
5.根據(jù)權(quán)利要求1~4中任一項(xiàng)所述的陶瓷電路基板，其特征在于:所述氧化鋁基板在該氧化鋁基板中存在的孔隙的體積的比率即孔隙體積率為3體積％以下。
6.根據(jù)權(quán)利要求1~5中 任一項(xiàng)所述的陶瓷電路基板，其特征在于:所述氧化鋁基板采用斷面觀察算出的每IOOiimX IOOiim單位面積的孔隙的個(gè)數(shù)為2~30個(gè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1~6中任一項(xiàng)所述的陶瓷電路基板，其特征在于:所述氧化鋁基板在該氧化鋁基板的斷面中的孔隙的面積的比率即孔隙面積率為10%以下。
8.根據(jù)權(quán)利要求1~7中任一項(xiàng)所述的陶瓷電路基板，其特征在于:所述氧化鋁基板的絕緣耐壓為25KV/mm以上。
9.根據(jù)權(quán)利要求1~8中任一項(xiàng)所述的陶瓷電路基板，其特征在于:所述氧化鋁基板的韌性值為3.2MPa ? m1/2以上。
10.根據(jù)權(quán)利要求1~9中任一項(xiàng)所述的陶瓷電路基板，其特征在于:所述氧化鋁基板的熱傳導(dǎo)系數(shù)為28W/m ? K以上。
11.根據(jù)權(quán)利要求1~10中任一項(xiàng)所述的陶瓷電路基板，其特征在于:所述氧化鋁基板的抗彎強(qiáng)度為400MPa以上。
12.根據(jù)權(quán)利要求1~11中任一項(xiàng)所述的陶瓷電路基板，其特征在于:所述金屬電路板采用直接接合法與所述氧化鋁基板接合在一起。
13.根據(jù)權(quán)利要求1~12中任一項(xiàng)所述的陶瓷電路基板，其特征在于:所述金屬電路板為銅電路板，該銅電路板通過Cu-O共晶化合物而與所述氧化鋁基板接合在一起。
14.根據(jù)權(quán)利要求1~13中任一項(xiàng)所述的陶瓷電路基板，其特征在于:所述金屬電路板為銅電路板，該銅電路板含有0.1~1.0質(zhì)量％的碳。
15.根據(jù)權(quán)利要求1~14中任一項(xiàng)所述的陶瓷電路基板，其特征在于:所述氧化鋁基板和所述金屬電路板的接合界面呈相互交錯(cuò)的結(jié)構(gòu)，在該相互交錯(cuò)的結(jié)構(gòu)中，當(dāng)進(jìn)行所述陶瓷電路基板的斷面觀察時(shí)，沿所述金屬電路板表面的曲線與沿所述氧化鋁基板表面的凹凸的曲線相接的比例在95%以上。
16.根據(jù)權(quán)利要求1~15中任一項(xiàng)所述的陶瓷電路基板，其特征在于:所述氧化鋁基板的厚度為0.25~1.2mm。
17.根據(jù)權(quán)利要求1~16中任一項(xiàng)所述的陶瓷電路基板，其特征在于:所述金屬電路板的厚度為0.1~0.5mm。
【文檔編號(hào)】C04B35/111GK103503130SQ201280019672
【公開日】2014年1月8日 申請(qǐng)日期:2012年7月13日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月14日
【發(fā)明者】星野政則, 中山憲隆, 那波隆之, 佐藤英樹, 小森田裕 申請(qǐng)人:株式會(huì)社東芝, 東芝高新材料公司