JP6129738B2 - セラミックス回路基板 - Google Patents

Description

本発明は、アルミナ基板を用いたセラミックス回路基板に関する。

近年、パワートランジスタモジュール用基板やスイッチング電源モジュール用基板等の回路基板として、セラミックス基板上に銅板、アルミニウム板、各種クラッド板等の金属板が接合されたセラミックス回路基板が広く用いられている。また、上記セラミックス基板としては、安価で汎用性が高いアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）基板、電気絶縁性を有すると共に熱伝導性に優れた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板、または高強度の窒化けい素（Ｓｉ_３Ｎ_４）基板等が一般的に用いられている。これらのセラミックス基板中でアルミナ基板は安価で汎用性の高いことが利点になっている。

ここで、セラミックス回路基板の構造について説明する。図１は、セラミックス回路基板のパターン面側の構成の一例を示す平面図である。図２は、図１に示すセラミックス回路基板のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図３は、図１に示すセラミックス回路基板の裏面側の構成の一例を示す底面図である。

セラミックス回路基板１は、例えば、図１〜 図３に示すように、セラミックス基板２の一方の表面に銅板等の金属回路板３を接合または形成するとともに、セラミックス基板２の裏面である他方の表面に銅板等の裏金属板４を接合することにより形成される。
金属回路板３は、セラミックス基板２の表面に接合された各種金属板またはセラミックス基板２の表面に形成された金属層からなる。

セラミックス基板２の表面に各種金属板または金属層を一体に形成する手法としては、例えば、下記のような直接接合法、 高融点金属メタライズ法、活性金属法等が用いられている。

直接接合法は、例えば、セラミックス基板２と金属回路板３との界面に共晶液相を生成することにより、セラミックス基板２と金属回路板３とを直接接合する方法である。
直接接合法について、金属回路板３が銅回路板である場合を例にとり具体的に説明する。はじめに、セラミックス基板２上に、所定形状に打ち抜いた銅回路板３を接触配置して加熱し、接合界面にＣｕ−Ｃｕ_２Ｏ、Ｃｕ−Ｏ等の共晶液相を生成させて、この共晶液相によりセラミックス基板２と銅回路板３との濡れ性を高める。次に、この共晶液相を冷却固化させると、セラミックス基板２と銅回路板３とが直接接合することによりセラミックス回路基板１が得られる。この方法は、いわゆる銅直接接合法（ＤＢＣ法： Ｄｉｒｅｃｔ Ｂｏｎｄｉｎｇ Ｃｏｐｐｅｒ法）である。

また、高融点金属メタライズ法は、Ｍｏ、Ｗ等の高融点金属をセラミックス基板２の表面に焼き付けることにより、セラミックス基板２と金属回路層とを一体化してセラミックス回路基板１を得る方法である。
さらに、活性金属法は、例えば、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等の４Ａ族元素のような活性を有する金属を含むＡｇ−Ｃｕろう材層を介してセラミックス基板２上に銅回路板等の金属板３を一体に接合することによりセラミックス回路基板１を得る方法である。この活性金属法によれば、ろう材層のＣｕおよびＡｇ成分によりろう材層と銅回路板３との接合強度が高まる上、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ成分によりろう材層とセラミックス基板２との接合強度が高まる。

また、得られたセラミックス回路基板１の金属回路板３に回路を形成する方法としては、予めプレス加工やエッチング加工によりパターニングした銅板を用いる方法、接合後にエッチング等の手法によりパターニングする方法等の方法が知られている。

上記のように直接接合法や活性金属ろう付け法により得られるセラミックス回路基板１は、いずれもセラミックス基板２と金属回路板３との接合強度が高く、単純な構造を有する。このため、セラミックス回路基板１は、小型高実装化が可能であり、また製造工程も短縮できる等の効果が得られ、大電流型や高集積型の半導体チップに対応できる等の利点を有している。

ところで、近年、セラミックス回路基板１を用いた半導体装置の高出力化や半導体素子の高集積化が急速に進行しているため、セラミックス回路基板１に繰り返して作用する熱応力や熱負荷が増加する傾向にある。このため、セラミックス回路基板１には、増加した熱応力が与えられてもセラミックス基板２と金属回路板３との接合強度が十分に高いとともに、熱サイクルが多く与えられてもセラミックス基板２と金属回路板３との接合を維持できる耐久性が要求されている。

増大した熱負荷に対処するとともに回路基板の耐久性を向上させたセラミックス回路基板１としては、たとえば、セラミックス基板２の厚さを０．２５〜０．３８ｍｍ程度に薄肉化して熱抵抗を低減するとともに、セラミックス基板２のたわみ性を改良して金属回路板３の剥れの発生を防止するセラミックス回路基板１が知られている。
また、増大した熱負荷に対処するとともに回路基板の耐久性を向上させた他のセラミックス回路基板１としては、セラミックス基板２として純度が９６％程度と比較的純度が高いアルミナ基板を用い、このアルミナ基板に、前記直接接合法または活性金属法により金属回路板３（回路層）を一体に接合したセラミックス回路基板１が知られている。

さらに、特許第３８３３４１０号公報（特許文献１）では、純度９９．５％以上の高純度アルミナ基板を用いたセラミックス回路基板が開示されている。特許文献１では、アルミナ純度を９９．８％にすることにより、強度やビッカース硬度等の特性が優れたセラミックス回路基板が得られている。

特許第３８３３４１０号公報 特開２００５−２８１０６３号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたセラミックス回路基板は、高純度アルミナを原料としているため焼結性が悪く、１６００℃で２０時間もの長時間焼結する必要があった。
このため、特許文献１に記載されたセラミックス回路基板は、製造コストが高く、安価であるというアルミナ基板のメリットを十分に発揮できていないという課題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、セラミックス基板として高純度でない安価なアルミナ基板を用いて、接合強度やビッカース硬度等の特性が優れたセラミックス回路基板を提供することを目的とする。

本願発明者らは、アルミナ粉末と、少なくともナトリウム酸化物を含む焼結助剤とを原料として焼桔して得られたアルミナ基板であって、焼結助剤から生成された焼結助剤由来成分を少量含む高純度なアルミナ基板によれば、焼結性が高く、コストダウンを図れ、ビッカース硬度が高いアルミナ基板が得られることを見出した。また、本願発明者らは、このアルミナ基板を用いると、接合強度が優れたセラミックス回路基板が得られることを見出して、本発明を完成するに至った。

本発明のセラミックス回路基板は、上記課題を解決するものであり、アルミナ基板上に金属回路板が接合されたセラミックス回路基板において、前記アルミナ基板は、アルミナＡｌ_２Ｏ_３を９９．５質量％以上、および焼結前に配合された焼結助剤から生成された焼結助剤由来成分を０．５質量％未満含み、前記焼結助剤由来成分はナトリウム，ケイ素および鉄を含む無機酸化物であり、前記焼結助剤由来成分中のナトリウムは酸化ナトリウムＮａ_２Ｏに換算した質量で前記アルミナ基板１００質量％中に０．００１〜０．１質量％含まれ、ケイ素は酸化ケイ素ＳｉＯ_２に換算した質量で前記アルミナ基板１００質量％中に０．００１〜０．２質量％含まれ、鉄は酸化鉄Ｆｅ_２Ｏ_３に換算した質量で前記アルミナ基板１００質量％中に０．００１〜０．０５質量％含まれ、前記アルミナ基板は、ボイドの最大径が１２μｍ以下であり、ボイド平均径が５．３〜１０μｍであり、ビッカース硬度が１５００以上であり、アルミナ結晶粒の平均結晶粒径が２０μｍ以下であり、このアルミナ基板に存在するボイドの体積の比率であるボイド体積率が３体積％以下であり、断面観察で算出される単位面積１００μｍ×１００μｍあたりのボイドの個数が２〜３０個であり、前記金属回路板は、直接接合法により前記アルミナ基板に接合されており、金属回路板の接合強度が１０．４Ｋｇｆ／ｃｍ以上であり、前記アルミナ基板と前記金属回路板との接合界面は、前記セラミックス回路基板の断面観察を行ったときに、前記金属回路板の表面に沿った曲線が前記アルミナ基板の表面の凹凸に沿った曲線に接する割合が９５％以上である入り組んだ構造になっていることを特徴とする。

本発明のセラミックス回路基板は、前記焼結助剤由来成分はケイ素をさらに含む無機酸化物であり、前記焼結助剤由来成分中のケイ素は酸化ケイ素ＳｉＯ_２に換算した質量で前記アルミナ基板１００質量％中に０．００１〜０．２質量％含まれることが好ましい。

本発明のセラミックス回路基板は、前記焼結助剤由来成分は鉄をさらに含む無機酸化物であり、前記焼結助剤由来成分中の鉄は酸化鉄Ｆｅ_２Ｏ_３に換算した質量で前記アルミナ基板１００質量％中に０．００１〜０．０５質量％含まれることが好ましい。

本発明のセラミックス回路基板は、前記アルミナ基板は、アルミナ結晶粒の平均結晶粒径が２０μｍ以下であることが好ましい。

本発明のセラミックス回路基板は、前記アルミナ基板は、このアルミナ基板に存在するボイドの体積の比率であるボイド体積率が３体積％以下であることが好ましい。

本発明のセラミックス回路基板は、前記アルミナ基板は、断面観察で算出される単位面積１００μｍ×１００μｍあたりのボイドの個数が２〜３０個であることが好ましい。

本発明のセラミックス回路基板は、前記アルミナ基板は、このアルミナ基板の断面におけるボイドの面積の比率であるボイド面積率が１０％以下であることが好ましい。

本発明のセラミックス回路基板は、前記アルミナ基板は、絶縁耐圧が２５ＫＶ／ｍｍ以上であることが好ましい。

本発明のセラミックス回路基板は、前記アルミナ基板は、靭性値が３．２ ＭＰａ・ｍ^１／２以上であることが好ましい。

本発明のセラミックス回路基板は、前記アルミナ基板は、熱伝導率が２８Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましい。

本発明のセラミックス回路基板は、前記アルミナ基板は、抗折強度が４００ＭＰａ以上であることが好ましい。

本発明のセラミックス回路基板は、前記金属回路板は、直接接合法により前記アルミナ基板に接合されたことが好ましい。

本発明のセラミックス回路基板は、前記金属回路板は銅回路板であり、この銅回路板はＣｕ−Ｏ共晶化合物により前記アルミナ基板に接合されていることが好ましい。

本発明のセラミックス回路基板は、前記金属回路板は銅回路板であり、この銅回路板は炭素を０．１〜１．０質量％含むことが好ましい。

本発明のセラミックス回路基板は、前記アルミナ基板と前記金属回路板との接合界面は、前記セラミックス回路基板の断面観察を行ったときに、前記金属回路板の表面に沿った曲線が前記アルミナ基板の表面の凹凸に沿った曲線に接する割合が９５％以上である入り組んだ構造になっていることが好ましい。

本発明のセラミックス回路基板は、前記アルミナ基板は、厚さが０．２５〜１．２ｍｍであることが好ましい。

本発明のセラミックス回路基板は、前記金属回路板は、厚さが０．１〜０．５ｍｍであることが好ましい。

本発明に係るセラミックス回路基板によれば、アルミナ純度が９９．５質量％以上の高純度なアルミナ基板ではあるものの、焼結助剤として添加したナトリウム酸化物により焼結性が向上し、焼結時間が短くて済むため、大幅なコストダウンが可能となる。また、本発明に係るセラミックス回路基板によれば、ナトリウムを含む焼結助剤由来成分を所定量含むため、接合強度等の特性も高い。

セラミックス回路基板のパターン面側の構成の一例を示す平面図。 図１に示すセラミックス回路基板のＡ−Ａ線に沿った断面図。 図１に示すセラミックス回路基板の裏面側の構成の一例を示す底面図。 アルミナ結晶粒の平均結晶粒径の求め方を示す図。 実施例１に係るセラミックス回路基板の接合界面の模式的な断面図。

本発明のセラミックス回路基板について説明する。

［セラミックス回路基板］
本発明のセラミックス回路基板は、アルミナ基板上に金属回路板が接合されたセラミックス回路基板である。
本発明のセラミックス回路基板は、たとえば、図１に示されるように、アルミナ基板２の一方の表面上に金属回路板３が接合されたセラミックス回路基板１になっている。
なお、図１には、アルミナ基板２の他方の表面上、すなわち裏面側の表面上に銅板等の裏金属板４が接合されている例を示すが、本発明のセラミックス回路基板は、アルミナ基板２の一方の表面上および他方の表面上の両面に金属回路板３が接合されていてもよい。

（アルミナ基板）
アルミナ基板は、アルミナＡｌ_２Ｏ_３を９９．５質量％以上、および焼結前に配合された焼結助剤から生成された焼結助剤由来成分を、０．５質量％未満、好ましくは０．３質量％以下含む。
本発明で用いられるアルミナ基板は、多くのアルミナ結晶粒からなる多結晶体であり、焼結助剤由来成分は、アルミナ結晶粒の粒界に存在するガラス相である。

アルミナ基板は、アルミナＡｌ_２Ｏ_３と焼結助剤由来成分との合計量が実質的に１００質量％であることが好ましい。
焼結助剤由来成分は、後述のように、焼結助剤成分以外の成分である不可避不純物成分を含むことがある。焼結助剤成分および不可避不純物成分については、後に詳述するが、焼結助剤成分とは、Ｎａ、ＳｉおよびＦｅを焼結助剤と同じ酸化物に換算した物質である。焼結助剤成分としては、たとえば、Ｎａ_２Ｏ、ＳｉＯ_２およびＦｅ_２Ｏ_３が挙げられる。また、不可避不純物成分とは、焼結助剤由来成分から焼結助剤成分を除いた残部である。
焼結助剤由来成分中に含まれる不可避不純物成分は、アルミナ基板１００質量％中に、０．０５質量％以下の量で含まれていてもよい。

＜焼結助剤由来成分＞
アルミナ基板に含まれる焼結助剤由来成分とは、本発明のアルミナ基板の原料として、焼結前にアルミナ粉末とともに配合された焼結助剤が、焼結時の熱処理により液相になった後、固化してガラス相になった無機酸化物を意味する。

焼結助剤由来成分は、アルミナ基板中に、０．５質量％未満、好ましくは０．３質量％以下含まれる。

アルミナ基板に含まれる焼結助剤由来成分は、少なくともナトリウムを含む無機酸化物である。
結助剤由来成分中のナトリウムは、酸化ナトリウムＮａ_２Ｏに換算した質量でアルミナ基板１００質量％中に０．００１〜０．１質量％（１０〜１０００質量ｐｐｍ）含まれる。
酸化ナトリウムＮａ_２Ｏに換算した質量が、アルミナ基板１００質量％中に０．００１〜０．１質量％（１０〜１０００質量ｐｐｍ）含まれると、ナトリウム成分が焼結助剤として機能し、ボイドの発生を抑制することができる。

酸化ナトリウムＮａ_２Ｏに換算した質量が、アルミナ基板１００質量％中で０．００１質量％未満であると、ナトリウムを含む焼結助剤の作用が不十分になり、アルミナ基板の機械的強度が低下しやすい。
また、酸化ナトリウムＮａ_２Ｏに換算した質量が、アルミナ基板１００質量％中で０．１質量％を超えると、ボイド径が大型化したり、ビッカース硬度が低下したりしやすい。

なお、アルミナ粉末と焼結助剤とを含む混合粉末を用い、焼結してアルミナ基板を製造する場合において、焼結助剤として添加した酸化ナトリウムＮａ_２Ｏや、アルミナ粉末中に不純物として含まれる酸化ナトリウムＮａ_２Ｏ、金属Ｎａ、水酸化ナトリウム等のナトリウム成分は、水中に添加したときや、焼結時に溶け出しやすい。
例えば、アルミナ粉末と焼結助剤とを含む造粒粉を作製する造粒工程中に純水を用いた場合、造粒中の酸化ナトリウムＮａ_２Ｏ、水酸化ナトリウムＮａＯＨ等から純水中にＮａイオンが溶け出す。

また、金属Ｎａの融点は９８℃、酸化ナトリウムＮａ_２Ｏの融点は１１３２℃、水酸化ナトリウムＮａＯＨの融点は３１８℃である。これに対し、アルミナ基板を製造する際の焼結工程での焼結温度は１２００〜１７００℃程度と高いため、焼結中にナトリウム成分が溶け出す。ナトリウム成分の溶け出し量が多くなるとボイドの形成が進行し、得られるアルミナ基板に１０μｍを超える大きなボイドが多数形成されやすい。

このように、ナトリウム成分は、アルミナ基板の製造時に消失しやすい。
これに対し、特許文献２によれば、アルミナ基板の製造原料として用いられる純度９９．５質量％以上の高純度アルミナ粉末は、ナトリウム含有量が約３０質量ｐｐｍ（０．００３質量％）以下と少ない。
このため、アルミナ基板を製造する際には、高純度アルミナ粉末に焼結助剤として適量のナトリウム成分を添加することが好ましい。
このナトリウム成分の添加量は、得られたアルミナ基板の助剤由来成分中のナトリウムが、上記のようにナトリウムＮａ_２Ｏに換算した質量でアルミナ基板１００質量％中に０．００１〜０．１質量％（１０〜１０００質量ｐｐｍ）含まれるようにする。
なお、アルミナ基板の製造時にナトリウム成分を添加する方法としては、たとえば、ナトリウム成分を積極添加する方法、アルミナ原料粉末中の不純物ナトリウム成分を利用する方法、アルミナ造粒工程にてアルミナボール（純度９６％アルミナ）を用いてアルミナボール中のナトリウム成分を混入させる方法等を用いることができる。

アルミナ基板に含まれる焼結助剤由来成分は、ナトリウムに加え、ケイ素をさらに含む無機酸化物であると好ましい。
焼結助剤由来成分中のケイ素は、酸化ケイ素ＳｉＯ_２に換算した質量でアルミナ基板１００質量％中に通常０．００１〜０．２質量％含まれる。

ケイ素を酸化ケイ素ＳｉＯ_２に換算した質量が、アルミナ基板１００質量％中で０．００１質量％未満であると、ケイ素を含む焼結助剤の作用が不十分になり、アルミナ基板の機械的強度が低下しやすい。
また、ケイ素を酸化ケイ素ＳｉＯ_２に換算した質量が、アルミナ基板１００質量％中で０．２質量％を超えると、高純度アルミナの特性を活かせなくなり、ビッカース硬度が低下しやすい。

アルミナ基板に含まれる焼結助剤由来成分は、ナトリウムに加え、またはナトリウムおよびケイ素に加え、鉄をさらに含む無機酸化物であると好ましい。
焼結助剤由来成分中の鉄は、酸化鉄Ｆｅ_２Ｏ_３に換算した質量でアルミナ基板１００質量％中に通常０．００１〜０．０５質量％含まれる。

鉄を酸化鉄Ｆｅ_２Ｏ_３に換算した質量が、アルミナ基板１００質量％中で０．００１質量％未満であると、鉄を含む焼結助剤の作用が不十分になり、アルミナ基板の機械的強度が低下しやすい。
また、鉄を酸化鉄Ｆｅ_２Ｏ_３に換算した質量が、アルミナ基板１００質量％中で０．０５質量％を超えると、高純度アルミナの特性を活かせなくなり、ビッカース硬度が低下しやすい。

焼結助剤由来成分が、ナトリウム（Ｎａ）に加えて、ケイ素（Ｓｉ）および鉄（Ｆｅ）から選ばれる１種以上の元素をさらに含む無機酸化物であると、焼結助剤由来成分がナトリウム（Ｎａ）のみを含む無機酸化物である場合に比べて、焼結性がより向上したアルミナ基板になる。
すなわち、焼結助剤由来成分の焼結前の状態である焼結助剤が、Ｎａ酸化物に加えて、Ｓｉ酸化物およびＦｅ酸化物から選ばれる１種以上の酸化物をさらに含むと、粒界相となるガラス相を形成し易くなる。

また、焼結助剤由来成分が、ナトリウム（Ｎａ）、ケイ素（Ｓｉ）および鉄（Ｆｅ）に加えて、カルシウム（Ｃａ）およびマグネシウム（Ｍｇ）から選ばれる１種以上の元素をさらに含む無機酸化物であってもよい。

焼結助剤由来成分が、ナトリウム（Ｎａ）、ケイ素（Ｓｉ）および鉄（Ｆｅ）をすべて含む無機酸化物であると、焼結助剤由来成分が均質なガラス相を非常に形成し易くなるため、最も好ましい。

なお、焼結助剤由来成分のうち、Ｎａ、ＳｉおよびＦｅ、ならびにこれらの元素の化合物を焼結助剤と同じ酸化物に換算した物質を、焼結助剤成分という。たとえば、焼結助剤由来成分がＮａ、ＳｉおよびＦｅ、ならびにこれらの元素の化合物を含む無機酸化物である場合、これらの元素を焼結助剤と同じ酸化物に換算した物質であるＮａ_２Ｏ、ＳｉＯ_２、およびＦｅ_２Ｏ_３が、焼結助剤成分である。
また、焼結助剤由来成分のうち、焼結助剤成分以外の成分を不可避不純物成分という。

＜アルミナ結晶粒＞
アルミナ基板のアルミナ結晶粒は、平均結晶粒径が、通常２０μｍ以下、好ましくは１３μｍ以下である。本発明で用いられるアルミナ基板は、焼結性が高いため、アルミナ結晶粒の平均結晶粒径が２０μｍ以下のように小さくなる。

ここで、平均結晶粒径とは、アルミナ基板の断面観察により観察された複数個のアルミナ結晶粒から下記のようにして算出される結晶粒径Ｄ_ｃの平均値である。
すなわち、図４に示されるように１個のアルミナ結晶粒２２が観察された場合において、はじめに、アルミナ結晶粒２２の直径が最も大きくなるように選んだ線分の長さを長径Ｌ１とする。次に、この長径Ｌ１を構成する線分に対して垂直でありかつ長径Ｌ１を構成する線分の中点を通る垂直線を引き、この垂直線のうちアルミナ結晶粒の直径を表す部分の長さを短径Ｌ２とする。さらに、（Ｌ１＋Ｌ２）／２により、１個のアルミナ結晶粒２２の結晶粒径Ｄ_ｃを算出する。そして、この作業をアルミナ基板の断面観察の視野内の１００個のアルミナ結晶粒について行い、１００個の結晶粒径Ｄ_ｃの平均値をアルミナ結晶粒の平均結晶粒径と規定する。

アルミナ基板のアルミナ結晶粒は、結晶粒径Ｄ_ｃのばらつきが小さい。すなわち、アルミナ基板は、アルミナ結晶粒の結晶粒径Ｄ_ｃのばらつきの小ささを示す指標である下記の比率Ｎ_Ａ／Ｎ_ｔが、通常８０％以上であり、結晶粒径Ｄ_ｃのばらつきが小さい。
ここで、比率Ｎ_Ａ／Ｎ_ｔとは、アルミナ基板の断面観察により単位面積２００μｍ×２００μｍの観察範囲内で観察されるアルミナ結晶粒の全個数Ｎ_ｔに対する、前記観察範囲内で観察され、アルミナ結晶粒の平均結晶粒径をＡμｍとしたときに０．３Ａ〜１．７Ａの範囲内にあるアルミナ結晶粒の個数Ｎ_Ａの比率Ｎ_Ａ／Ｎ_ｔを意味する。

本発明で用いられるアルミナ基板は、上記のように、アルミナ結晶粒の平均結晶粒径が２０μｍ以下と小さい上、アルミナ結晶粒の結晶粒径Ｄ_ｃのばらつきが小さいことにより、ボイド発生の原因となるアルミナ結晶粒間の３重点が小さくなっており、ボイド数が少なく、ボイドの大きさも小さい。ここで、アルミナ結晶粒間の３重点とは、３個のアルミナ結晶粒に囲まれた粒界部分を意味する。

＜アルミナ基板のボイド＞
アルミナ基板のボイドは、通常、アルミナ結晶粒間の３重点に発生する空隙または窪みである。
アルミナ基板は、ボイドの平均径が１０μｍ以下、好ましくは５μｍ以下である。
また、アルミナ基板は、ボイドの最大径が、１２μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下である。ボイドは、アルミナ結晶粒子同士の隙間に形成されるものである。ボイドの最大径が１２μｍを超えると、アルミナ基板に部分的に緻密化が不十分な領域ができるためアルミナ基板の機械的強度や絶縁耐圧が低下するおそれがある。

ここで、ボイドの平均径とは、アルミナ基板の断面観察により観察された１００個のボイドから下記のようにして算出されるボイドの直径Ｄ_ｖの平均値を意味する。
すなわち、はじめに、アルミナ基板の断面について、単位面積２００μｍ×２００μｍまたは１００μｍ×１００μｍの観察範囲を得られる拡大写真を撮り、この観察範囲内に存在する個々のボイドにつき直径が最も大きくなるように測定した値を個々のボイドの直径Ｄ_ｖとする。次に、このボイドの直径Ｄ_ｖの測定を前記観察範囲内でランダムに選んだ１００個のボイドについて行い、１００個のボイドの直径Ｄ_ｖの平均値をボイドの平均径と規定する。

また、ボイドの最大径とは、アルミナ基板の断面観察により観察された１００個のボイドから上記のようにして算出されたボイドの直径Ｄ_ｖの最大値を意味する。

アルミナ基板の断面観察に用いられる拡大写真はＳＥＭ写真の二次電子像を使うことが好ましい。また、拡大写真の倍率は２５０倍以上、さらには５００倍以上であることが好ましい。

なお、アルミナ基板の断面観察のためにアルミナ基板の断面を切り出す際に、断面からアルミナ結晶が脱粒する場合がある。しかし、脱粒はアルミナ粒子がそのまま抜け落ちる現象であるため、アルミナ基板の断面観察においてアルミナ結晶粒子の脱粒とボイドとは区別可能である。

アルミナ基板は、断面観察で算出される単位面積１００μｍ×１００μｍあたりのボイドの個数が、通常２〜３０個、好ましくは５〜２０個である。
アルミナ基板の断面観察で算出される単位面積１００μｍ×１００μｍあたりのボイドの個数が２〜３０個であると、アルミナ基板が高強度であるとともに、金属回路板との接合強度が高い。

アルミナ基板と金属回路板との接合強度は、アルミナ基板の表面の凹凸と金属回路板の表面とが入り組んだ形状、すなわち、アルミナ基板の表面の凹凸に金属回路板の表面が追従して変形した形状をとることにより、アンカー効果が生じて高くなると考えられる。このアルミナ基板の表面の凹凸は、アルミナ結晶粒の表面形状、焼結助剤由来成分の表面形状、ボイドの形状によって形成されるが、アルミナ基板の表面の凹凸の大きさは、通常、ボイドの形状による凹凸が最も大きくなる。このため、アルミナ基板の表面に、単位面積１００μｍ×１００μｍあたりのボイドの個数が２個以上であると、アルミナ基板と金属回路板との接合強度が高くなりやすい。

ここで、断面観察で算出される単位面積１００μｍ×１００μｍあたりのボイドの個数とは、下記のようにして算出されるボイドの個数Ｎ_ｖを意味する。
すなわち、はじめに、アルミナ基板の断面について、単位面積２００μｍ×２００μｍまたは１００μｍ×１００μｍの観察範囲を得られる拡大写真を撮り、この観察範囲内に存在するボイドの総数Ｎ_ｖＴを数える。次に、このボイドの総数Ｎ_ｖＴを１００μｍ×１００μｍあたりの個数に換算して１００μｍ×１００μｍあたりのボイドの個数Ｎ_ｖ１００を算出する。そして、この１００μｍ×１００μｍあたりのボイドの個数Ｎ_ｖ１００の算出を、アルミナ基板の断面の４箇所で行い、この４個のボイドの個数Ｎ_ｖ１００の平均値をボイドの個数Ｎ_ｖと規定する。

なお、アルミナ基板の断面観察が単位面積２００μｍ×２００μｍの部分で行われる場合には、この単位面積２００μｍ×２００μｍの部分が、単位面積１００μｍ×１００μｍの部分を４個含むといえる。このため、単位面積２００μｍ×２００μｍの１箇所のボイドの総数Ｎ_ｖＴを１００μｍ×１００μｍあたりの個数に換算したボイドの個数Ｎ_ｖ１００を、そのままボイドの個数Ｎ_ｖとしてもよい。

なお、アルミナ基板の断面観察で算出される単位面積１００μｍ×１００μｍあたりのボイドの個数が２個未満であると、金属回路板との接合強度が低くなるおそれがある。
また、アルミナ基板の断面観察で算出される単位面積１００μｍ×１００μｍあたりのボイドの個数が３０個を超えると、アルミナ基板の表面欠陥となり、アルミナ基板の機械的強度、絶縁耐圧や熱伝導率が低下しやすい。

アルミナ基板は、このアルミナ基板に存在するボイドの体積の比率であるボイド率が３体積％以下である。
ここで、ボイド率とは、アルキメデス法により算出したアルミナ基板中の空洞の体積である。

アルミナ基板は、このアルミナ基板の断面観察により算出されたボイドの面積の比率であるボイド面積率が、通常１０％以下、好ましくは５％以下、さらに好ましくは３％以下である。
ボイド面積率が１０％を超えると、アルミナ基板の機械的強度が低くなるおそれがある。

ここで、ボイド面積率とは、下記のようにして算出されるボイドの面積率ＲＳ_ｖを意味する。
すなわち、はじめに、アルミナ基板の断面について、単位面積２００μｍ×２００μｍまたは１００μｍ×１００μｍの観察範囲を得られる拡大写真を撮り、この観察範囲内に存在するボイドの面積を合計してボイドの総面積Ｓ_ｖＴを算出する。次に、このボイドの総面積Ｓ_ｖＴを単位面積で割った１μｍ^２あたりの値をボイド面積率ＲＳ_ｖ（％）と規定する。

＜アルミナ基板の特性＞
アルミナ基板は、ビッカース硬度が１５００以上である。ここで、ビッカース硬度とは、ＪＩＳ−Ｒ−１６１０に規定されるビッカース硬度を意味する。
アルミナ基板は、絶縁耐圧が通常２５ＫＶ／ｍｍ以上である。ここで、絶縁耐圧とは、各セラミックス回路基板を絶縁油（商品名フロリナート）中に浸漬し、セラミックス基板の両面に接合した金属回路板にそれぞれ電極を配置し、この電極間に毎分１０ｋＶの電圧上昇速度で交流電圧を印加する。そして、１０ｐＣ（ピコクーロン）の電荷量を放電する際の印加電圧を部分放電開始電圧とし、基板の単位厚さ当たりの部分放電開始電圧を絶縁耐圧とする。
アルミナ基板は、破壊靭性値が３．２ ＭＰａ・ｍ^１／２以上である。ここで、破壊靭性値とは、ＪＩＳ−Ｒ−１６０７に規定される破壊靭性値を意味する。
アルミナ基板は、熱伝導率が通常２８Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。ここで、熱伝導率とは、ＪＩＳ−Ｒ−１６１１に準ずるレーザフラッシュ法で測定される熱伝導率を意味する。
アルミナ基板は、抗折強度（３点曲げ強度）が、通常４００ＭＰａ以上である。ここで、抗折強度（３点曲げ強度）とは、ＪＩＳ−Ｒ−１６０１に規定される絶縁耐圧を意味する。

アルミナ基板は、厚さが、通常０．２５〜１．２ｍｍである。

＜アルミナ基板の製造方法＞
次に、アルミナ基板の製造方法について説明する。
アルミナ基板は、たとえば、アルミナ粉末と焼結助剤とを用意した後、スラリー調整工程または造粒工程を行い、成形工程を行い、脱脂工程を行い、焼結工程を行うことにより製造することができる。

［アルミナ粉末］
アルミナ粉末は、アルミナの純度が、通常９９．５〜９９．９質量％である。

アルミナ粉末にはアルミナ以外の成分として、通常、Ｎａ、ＳｉおよびＦｅ、またはこれら以外の元素を含む物質等が含まれる。
本発明において、アルミナ粉末に含まれる物質のうち、Ｎａ、ＳｉおよびＦｅ、ならびにこれらの元素の化合物は、焼結助剤と同じ元素からなる物質であるため、焼結助剤成分不純物という。
また、アルミナ粉末に含まれる物質のうち、アルミナおよび焼結助剤成分不純物以外の物質を、不可避不純物という。
焼結助剤成分不純物は、焼結助剤と同じ元素からなる物質であるため、焼結工程において焼結助剤として機能する。このため、アルミナ粉末に含まれる焼結助剤成分不純物は、焼結助剤の一部として扱うことが好ましい。

焼結助剤成分不純物を焼結助剤の一部として扱う方法としては、焼結助剤成分不純物の質量を、焼結助剤に換算した質量とし、この換算した質量を焼結助剤の質量の一部とする方法が用いられる。具体的には、焼結助剤成分不純物が、Ｎａ、ＳｉおよびＦｅ、ならびにこれらの元素の化合物である場合は、これらをそれぞれ焼結助剤であるＮａ_２Ｏ、ＳｉＯ_２、およびＦｅ_２Ｏ_３に換算した後、これらの酸化物の質量を焼結助剤の質量として取り扱う。たとえば、アルミナ粉末に含まれる焼結助剤成分不純物中のＳｉ成分から換算したＳｉＯ_２がＡｇであり、このアルミナ粉末に焼結助剤として添加したＳｉＯ_２がＢｇである場合は、焼結助剤であるＳｉＯ_２の合計の質量はＡ＋Ｂｇとなる。

アルミナ粉末は、平均粒径が、通常１〜４μｍである。
また、アルミナ粉末は、０．８μｍ以下の粒径のアルミナ粉末を２〜３０質量％含むものであると、得られるアルミナ基板のボイドサイズを小さくしたり、ボイドの個数を減らしたりすることができるため、好ましい。この理由は以下のとおりである。ボイドはアルミナ結晶粒同士の隙間に発生する。０．８μｍ以下の粒径のアルミナ粉末を２〜３０質量％含むアルミナ粉末は、大きな粉末と小さな粉末が適度に分布したものとなることから、焼結前のアルミナ粉末を、大きなアルミナ粉末同士の隙間に小さなアルミナ粉末が入り込む構造にすることができる。このため、このような構造のアルミナ粉末から得られるアルミナ基板は、ボイドサイズが小さくなったり、ボイドの個数が少なくなったりする。

［焼結助剤］
アルミナ基板の原料としては、アルミナ粉末に加えて焼結助剤が用いられる。
焼結助剤としては、少なくとも酸化ナトリウム（Ｎａ_２Ｏ）を用いる。焼結助剤は、酸化ナトリウム（Ｎａ_２Ｏ）に加えて、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）および酸化鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）から選ばれる１種以上の酸化物を含んでいてもよい。
焼結助剤は、酸化ナトリウム（Ｎａ_２Ｏ）、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）および酸化鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）のすべてを含むと好ましい。

また、焼結助剤は、酸化ナトリウム（Ｎａ_２Ｏ）、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）および酸化鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）に加えて、酸化カルシウム（ＣａＯ）および酸化マグネシウム（ＭｇＯ）から選ばれる１種以上の酸化物をさらに含んでいてもよい。
焼結助剤としては、粉末状のものを用いる。

焼結助剤は、後のスラリー調整工程または造粒工程において、アルミナ粉末と混合される。アルミナ粉末と焼結助剤とからなる混合粉末は、アルミナ粉末に含まれる焼結助剤成分不純物を焼結助剤に換算した質量Ｍ_Ａと、焼結助剤の質量Ｍ_Ｓとの合計量Ｍ_Ａ＋Ｍ_Ｓを、０．５質量％以下含むようにする。

また、後のスラリー調整工程でアルミナボールミルを用いてボールミル処理をする場合は、アルミナボールミルから取り込まれる焼結助剤成分不純物の量Ｍ_Ｂを勘案して、焼結助剤の配合量を定める。すなわち、アルミナ粉末と焼結助剤とからなる混合粉末中に、Ｍ_Ａ＋Ｍ_Ｓ＋Ｍ_Ｂが０．５質量％以下含まれるようにする。ここで、アルミナボールミルから取り込まれる焼結助剤成分不純物とは、アルミナ粉末に含まれる焼結助剤成分不純物と同様の物質である。

このように原料粉末の混合や造粒工程にて混入される不純物Ｎａ、Ｓｉ、Ｆｅ量を考慮した上で、焼結助剤として酸化ナトリウムを混合粉末中で０．００１〜０．１質量％になるように添加する。また、必要に応じ、酸化ケイ素を混合粉末中で０．００１〜０．２質量％になるように、酸化鉄を混合粉末中で０．００１〜０．０５質量％になるように添加する。

［スラリー調整工程］
スラリー調整工程は、アルミナ粉末と焼結助剤粉末とを混合してスラリーを調製する工程である。スラリーは、たとえば、純水または有機溶媒中にアルミナ粉末と焼結助剤粉末とを添加し、必要によりさらにＰＶＡ（ポリビニルアルコール）等のバインダを添加した上、湿式ボールミルで、アルミナ粉末および焼結助剤粉末を粉砕することにより調製することができる。
ボールミルで用いられるボールは、アルミナ製であることが好ましい。ただし、アルミナ製のアルミナボールは、通常、アルミナ純度が９６％程度であり、Ｎａ、Ｓｉ、Ｆｅ等の不純物を比較的多く含む。このため、アルミナボールを用いたボールミル処理では、アルミナボールからスラリーに混入するＮａ、Ｓｉ、Ｆｅ等の不純物を考慮した量の焼結助剤粉末をアルミナ粉末に配合することが好ましい。
アルミナ基板の製造方法では、上記のスラリー調整工程または下記の造粒工程を選択して行う。

［造粒工程］
造粒工程は、アルミナ粉末と焼結助剤粉末とを混合して造粒する工程である。
造粒で得られる造粒粉は、たとえば、純水または有機溶媒中にアルミナ粉末と焼結助剤粉末とを添加し、必要によりさらにＰＶＡ（ポリビニルアルコール）等のバインダを添加した上、湿式ボールミルで、アルミナ粉末および焼結助剤粉末を粉砕し、さらに湿式造粒機で造粒することにより作製することができる。

［成形工程］
スラリー調整工程または造粒工程を行った後は、成形工程を行う。
成形工程は、スラリー調整工程で得られたスラリー、または造粒工程で得られた造粒粉を用いて、成形体を作製する工程である。
スラリーを用いる場合、成形工程は、たとえば、ドクターブレード法を用いて板状の成形体を作製する。造粒粉を用いる場合、成形工程は、たとえば、金型成型法を用いて板状の成形体を作製する。
板状の成形体の厚さが１ｍｍ以下である場合は、ドクターブレード法を用いることが好ましい。

［脱脂工程］
脱脂工程は、得られた板状の成形体を脱脂する工程である。
脱脂工程は、通常４００〜９００℃で熱処理して板状の成形体を脱脂させる。

［焼結工程］
焼結工程は、脱脂された板状の成形体を焼結させる工程である。
焼結工程は、常圧で焼結させる場合は、通常１２００〜１７００℃で２〜１２時間、好ましくは１２００〜１６８０℃で５〜１２熱処理して、焼結させる。
また、０．５ＭＰａ以上の加圧下で焼結させる場合は、通常１２００〜１７００℃で２〜６時間、好ましくは１２００〜１６８０℃で２〜５時間熱処理して、焼結させることもできる。

また、焼結工程は、熱処理の温度範囲を変えた２段階の熱処理を行なうようにしてもよい。
たとえば、温度範囲１４５０〜１６５０℃で４〜７時間熱処理した後、１４５０℃未満で２〜３時間熱処理するようにしてもよい。
このように、焼結工程を、高温で長時間焼結し続けるのではなく、一定時間焼結した後、少し低温で焼結させることにより、アルミナ結晶粒の粒成長を抑制できるため、ボイドのサイズや個数の制御を行い易くなる。
このように、本焼結工程は、焼結時間を１２時間以下にすることができるため、特許文献１に示されるような２０時間という長時間の熱処理の焼結工程を行う必要がない。

本発明において焼結工程の焼結時間が短い理由は、主に、脱脂された板状の成形体中の、焼結助剤粉末および焼結助剤成分不純物の合計量が適切であるからであると考えられる。

すなわち、スラリーまたは造粒粉から作製され、脱脂された板状の成形体は、アルミナ粉末と焼結助剤粉末との合計量１００質量％中に、アルミナ粉末に含まれる焼結助剤成分不純物を焼結助剤に換算した質量Ｍ_Ａと、焼結助剤の質量Ｍ_Ｓとの合計量Ｍ_Ａ＋Ｍ_Ｓを、０．５質量％以下含む。

また、スラリー調整工程でアルミナボールミルを用いてボールミル処理した場合は、スラリーまたは造粒粉から作製され、脱脂された板状の成形体は、アルミナボールミルから取り込まれる焼結助剤成分不純物の量Ｍ_Ｂを含めたＭ_Ａ＋Ｍ_Ｓ＋Ｍ_Ｂを０．５質量％以下含むようになっている。

ここで、焼結助剤粉末および焼結助剤成分不純物の少なくとも一方には、Ｎａ成分が含まれ、必要により、Ｓｉ成分およびＦｅ成分から選ばれる少なくとも１種の成分がさらに含まれ、これらの成分は焼結助剤として機能する。

このため、本発明のアルミナＡｌ_２Ｏ_３を９９．５質量％以上含む高純度なアルミナ基板の焼結工程は、焼結助剤を用いずにアルミナ粉末のみを用いて高純度アルミナ基板を焼結する場合に比較して、焼結温度を２０〜５０℃程度低くすることができ、かつ、焼結時間も１２時間以下と短くすることができる。

このように、焼結工程において、焼結温度を低くしたり、焼結時間を短くしたりすることができることから、焼結によるアルミナ結晶粒の成長を抑制することができる。このため、得られるアルミナ基板は、アルミナ結晶粒が小さくなり、アルミナ結晶粒の結晶粒径Ｄ_ｃのばらつきが小さくなり、ボイドの発生を抑制することができ、発生したボイドの大きさを小さくすることができる。
具体的には、得られるアルミナ基板は、アルミナ結晶粒の平均結晶粒径が、通常２０μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下となり、結晶粒径Ｄ_ｃのばらつきを示す比率Ｎ_Ａ／Ｎ_ｔが、通常８０％以上となる。
また、得られるアルミナ基板は、ボイドの平均径が１０μｍ以下、好ましくは５μｍ以下であり、ボイド面積率が、通常１０％以下となる。

以上の各工程を経て得られたアルミナ基板は、金属回路板と接合される。アルミナ基板と接合された金属回路板は、適宜エッチング等を用いて回路が形成される。本発明では、回路が形成されていない金属回路板、および回路が形成された金属回路板の両方を含めて、単に金属回路板と称する。
得られたアルミナ基板は、金属回路板と接合される前の処理として、適宜、ホーニング加工により表面のごみを除去する処理や、表面を研磨加工する処理が行われる。なお、アルミナ基板と金属回路板との接合方法として直接接合法を用いる場合は、ホーニング加工により表面のごみを除去するだけとすることが好ましい。

（金属回路板）
金属回路板は、アルミナ基板上に接合される。ここで、金属回路板とは、エッチング等を用いて回路が形成された金属回路板、および回路が形成されていない金属回路板の両方を含む概念である。

アルミナ基板と金属回路板とは、たとえば、直接接合法（ＤＢＣ法）、活性金属法等の方法により接合される。
ここで、直接接合法（ＤＢＣ法）とは、たとえば、金属回路板の銅と酸素とが共晶化合物（Ｃｕ−Ｏ共晶）を形成する反応を利用してアルミナ基板と金属回路板とを接合する方法である。
また、活性金属法とは、活性金属接合ろう材ペーストを用いてアルミナ基板と金属回路板とを接合する方法である。

本発明のセラミックス回路基板では、金属回路板が、直接接合法、活性金属法等の方法によりアルミナ基板に接合されたものになっている。

＜金属回路板が直接接合法によりアルミナ基板に接合された場合＞
金属回路板が直接接合法によりアルミナ基板に接合される場合、金属回路板としては、通常、銅からなる銅回路板が用いられる。
アルミナ基板と金属回路板との接合方法が直接接合法であるため、銅回路板は、Ｃｕ−Ｏ共晶化合物によりアルミナ基板に接合される。
銅回路板は、厚さが、通常０．１〜０．５ｍｍである。

銅回路板としては、酸素を１００〜１０００質量ｐｐｍ含有するタフピッチ電解銅からなることが好ましい。このような銅回路板を用いることにより、アルミナ基板との接合強度が高くなる。

銅回路板は、炭素を０．１〜１．０質量％含むことが好ましい。このような銅回路板を構成する銅材としては、たとえば、タフピッチ銅、無酸素銅等が挙げられる。
炭素は脱酸剤として機能するため、銅回路板中の酸素を銅回路板の表面に移動させる。また、銅回路板の表面に移動した酸素は、直接接合法を行う際のＣｕ−Ｏ共晶化合物を形成するために用いられる。
なお、銅回路板の炭素含有量が０．１質量％未満であると炭素含有の効果がなく、炭素含有量が１．０質量％を超えると炭素含有量が増えすぎて銅回路板の導電性を低下させる。

なお、銅回路板として、酸素含有量が１００質量ｐｐｍ未満の銅回路板を用いる場合は、銅回路板のアルミナ基板との接合面側に酸化銅膜を形成することにより、アルミナ基板との接合強度を高くすることができる。

銅回路板の表面に酸化銅膜を形成する方法としては、銅回路板を熱処理して直接酸化する方法や酸化銅粉末のペーストを塗布する方法等が挙げられる。

［直接酸化する方法］
直接酸化する方法としては、たとえば、銅回路板を、大気中において温度１５０〜３６０℃の範囲で２０〜１２０秒間加熱する表面酸化処理を行うことにより、銅回路板の表面に酸化銅膜を形成する方法が用いられる。

直接酸化する方法を用いる場合、酸化銅膜は、厚さが、通常１〜１０μｍ、好ましくは２〜５μｍである。
酸化銅膜の厚さが１μｍ未満であると、Ｃｕ−Ｏ共晶化合物の発生量が少なくなることから、アルミナ基板と銅回路板との未接合部分が多くなるため、接合強度を向上させる効果が小さくなる。
一方、酸化銅膜の厚さが１０μｍを超えると、接合強度の改善効果が少なく、却って銅回路板の導電特性を阻害することになる。

［酸化銅粉末のペーストを塗布する方法］
酸化銅粉末のペーストを塗布する方法としては、たとえば、平均粒径１〜５μｍの酸化銅粉末を含むペーストを用い、銅回路板の上にペーストを塗布して厚さ１〜１０μｍの酸化銅ペースト層を形成した後、乾燥または熱処理することにより、銅回路板の表面に酸化銅膜を形成する方法が用いられる。

＜金属回路板が活性金属法によりアルミナ基板に接合された場合＞
金属回路板が活性金属法によりアルミナ基板に接合される場合、金属回路板としては、銅、アルミニウム、鉄、ニッケル、クロム、銀、モリブデン、コバルトの単体、これらの合金、およびこれらのクラッド材等が用いられる。これらの中、銅板やアルミニウム板は、接合性がよいため好ましい。

金属回路板の厚さは、通電容量やアルミナ基板の厚さ等を勘案して決定される。具体的には、アルミナ基板の厚さが０．２５〜１．２ｍｍの場合には、金属回路板の厚さを０．１〜０．５ｍｍとすることが好ましい。なお、アルミナ基板の厚さを０．２５〜０．３８ｍｍとすると、熱抵抗が低減され、セラミックス回路基板の放熱性を改善することができる。

活性金属法に用いられる活性金属接合ろう材ペーストとしては、たとえば、Ｃｕを１５〜３５質量％、およびＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆから選択される少なくとも１種の活性金属を１〜１０質量％含むとともに、残部が実質的にＡｇからなる接合用組成物を有機溶媒中に分散して調製した活性金属接合ろう材ペーストが用いられる。
活性金属接合ろう材ペーストに配合される活性金属は、アルミナ基板に対する活性金属接合ろう材の濡れ性および反応性を改善する。活性金属接合ろう材ペースト中の活性金属の配合量は、活性金属接合ろう材ペーストに含まれる接合用組成物１００質量％に対して１〜１０質量％とする。

活性金属法は、たとえば、Ｔｉ、ＺｒおよびＨｆから選択される少なくとも１種の活性金属を含有し適切な組成比を有するＡｇ−Ｃｕ系ろう材を用い、このＡｇ−Ｃｕ系ろう材を有機溶媒中に分散させて接合用組成物ペーストを調製し、この接合用組成物ペーストをアルミナ基板の表面にスクリーン印刷し、アルミナ基板の表面に金属回路板としての銅板を重ね合わせ、加熱することにより、アルミナ基板と金属回路板とを接合することができる。

（アルミナ基板と金属回路板との接合界面）
アルミナ基板と金属回路板との接合界面は、金属回路板の表面がアルミナ基板の表面の凹凸形状に沿って変形した入り組んだ構造になっている。具体的には、アルミナ基板と金属回路板との接合界面は、セラミックス回路基板の断面観察を行ったときに、金属回路板の表面に沿った曲線が、アルミナ基板の表面の凹凸に沿った曲線に接する割合（以下、「接合界面接触割合」という）が、通常９５％以上、好ましくは９９％以上、さらに好ましくは１００％である入り組んだ構造になっている。

接合界面接触割合は、アルミナ基板の表面の凹凸への金属回路板の追従性を示す指標である。
たとえば、アルミナ基板と金属回路板とが全く隙間がなく接合している場合、接合界面接触割合は１００％である。また、アルミナ基板と金属回路板とが完全に剥離している場合、接合界面接触割合は０％である。

接合界面接触割合の算出方法は、以下のとおりである。
すなわち、はじめに、セラミックス回路基板の断面観察を行ったときに、接合断面の拡大写真を撮影する。接合断面の拡大写真は、１０００倍以上であることが好ましい。
拡大写真は、接合界面を長さ１００μｍに亘って撮影する。なお、一視野で長さ１００μｍを撮影できないときは、２０〜５０μｍずつ撮影し、合計で１００μｍ撮影するようにしてもよい。
次に、拡大写真から、接合界面におけるアルミナ基板の表面の凹凸に沿った曲線の長さＬ_Ａと、接合界面における金属回路板の表面に沿った曲線との長さＬ_Ｍを測定する。
そして、Ｌ_ＭをＬ_Ａで除したＬ_Ｍ／Ｌ_Ａを接合界面接触割合として算出する。

接合界面接触割合は、アルミナ基板の表面に深いボイドが露出している場合に低下しやすい。アルミナ基板の表面に深いボイドが露出していると、アルミナ基板と金属回路板とを接合した際に、金属回路板がアルミナ基板の表面に追従しにくくなるため、接合界面接触割合が低下しやすい。
本発明のセラミックス回路基板では、アルミナ基板の表面に深いボイドが露出することが実質的にない上、アルミナ基板と金属回路板とを特定の条件で接合させているため、アルミナ基板の表面のボイドに金属回路板が追従して入り込む。このため、本発明のセラミックス回路基板は、接合界面接触割合が通常９５％以上と高く、アルミナ基板の表面と金属回路板とが入り組んだ構造になっており、アンカー効果が生じて接合強度が高い。

（セラミックス回路基板の製造方法）
セラミックス回路基板は、アルミナ基板と金属回路板とを接合することにより製造される。アルミナ基板と金属回路板との接合方法は、上記のとおり、たとえば、直接接合法（ＤＢＣ法）、活性金属法等の方法が用いられる。

＜直接接合法＞
直接接合法では、はじめに、アルミナ基板上に、金属回路板としての銅回路板を配置する。銅板に酸化膜（酸化銅膜）を形成した場合は、酸化膜がアルミナ基板側になるように配置する。次に、不活性ガス雰囲気中で、たとえば、１０６５〜１０８５℃に加熱すると、アルミナ基板上に銅回路板が接合されたセラミックス回路基板が得られる。

＜活性金属法＞
活性金属法では、はじめに、アルミナ基板上にスクリーン印刷等の方法で活性金属接合ろう材ペーストを塗布する。次に、アルミナ基板の活性金属接合ろう材ペーストが塗布された面に、金属回路板を配置し、加熱すると、アルミナ基板上に銅回路板が接合されたセラミックス回路基板が得られる。

上記構成のセラミックス回路基板によれば、アルミナ純度が９９．５％以上であるとともにナトリウム等を所定量含むアルミナ基板を用いることにより、従来の純度９９．５％以上の高純度アルミナ基板と比較して、強度などの基板としての特性を維持した上で、焼結時間を短くしたり、焼結温度を下げたりすることができるため製造コストを大幅に下げることができる。

また、アルミナ基板が緻密であり、ボイドに由来する表面欠陥も少ないため、基板厚さを薄くした場合においても、耐電圧特性の低下が少なく、絶縁破壊（耐圧リーク）の発生が抑制される。また、ボイドに由来する表面欠陥（表面凹凸）を所定の範囲内のものとすることにより、金属回路板の接合強度を向上させることができる。

以下に実施例を示すが、本発明はこれらに限定されて解釈されるものではない。

（実施例１）
平均粒径１．５μｍ（０．８μｍ以下が１５質量％）のα−アルミナ結晶から成り、純度が９９．９％の高純度アルミナ粉末に対して、焼結助剤としてのＮａ_２Ｏを０．１質量％、ＳｉＯ_２を０．２質量％、Ｆｅ_２Ｏ_３を０．０５質量％添加し、さらに有機結合剤を添加してボールミル（純度９６％アルミナボール使用）により原料混合ペーストを調製した。各原料混合ペーストをドクターブレード法によりシート成形して板状の成形体を調製し、この成形体を１０^−４Ｔｏｒｒ の真空中で８００℃で８時間加熱して完全に脱脂した。この脱脂体を温度１５８０℃で８時間焼結することにより、縦２９ｍｍ×横６９ｍｍ×厚さ０．３２ ｍｍのアルミナ基板を調製した。

（比較例１）
比較例１として、平均粒径１．５μｍ（０．８μｍ以下が３５質量％）のα−アルミナ結晶から成り、純度が９９．９％の高純度アルミナ粉末を用いるとともに、Ｎａ_２Ｏを添加しないこと以外は実施例１と同様にして、アルミナ基板を調製した。

（比較例２）
焼結条件を１６００℃×２０時間とした以外は比較例１と同様にして、アルミナ基板を調製した。

（比較例３）
Ｎａ_２Ｏの添加量を０．３質量％にした以外は実施例１と同様にして、アルミナ基板を調製した。

［実施例１、比較例１〜比較例３のアルミナ基板の評価］
各アルミナ基板のＡｌ_２Ｏ_３純度、平均結晶粒径、結晶粒径のばらつき、ボイドの面積率、ボイド平均径、ボイドの最大径、ボイドの個数、絶縁耐圧、抗折強度、破壊靭性値、熱伝導率およびビッカース硬度をそれぞれ測定して表１に示す結果を得た。
ボイド率、ボイド平均径、平均結晶粒径および結晶粒径のばらつきはアルミナ基板の断面観察により測定した。
すなわち、単位面積２００μｍ×２００μｍの拡大写真を撮り、この拡大写真に写る個々のボイドの面積を測定し、合計面積を２００μｍ×２００μｍで割った数字をボイドの面積率とした。
また、個々のボイドにつき直径が最も大きくなるように測定した値を最大径とし、ボイド１００個分の平均値をボイド平均径とした。また、ボイドの個数は単位面積１００μｍ×１００μｍあたりの個数を４か所分測定し、その最小個数と最大個数を示した。
また、アルミナ結晶粒の平均結晶粒径は、個々のアルミナ結晶粒において直径が最も大きくなるように選んだ線分の長さを長径Ｌ１とし、その中心から垂直線を引いたときを短径Ｌ２とし、（Ｌ１＋Ｌ２）／２を粒径とした。この作業を１００粒行い、その平均値を平均粒径とした。
また、アルミナ結晶粒の結晶粒径のばらつきは、平均結晶粒径Ａμｍに対し、Ａ×（０．３〜１．７）の範囲に入る結晶粒の個数割合（％）を求めた。
絶縁耐圧、抗折強度（３点曲げ強度）、熱伝導率、破壊靭性値およびビッカース硬度は、ＪＩＳ−Ｒ−１６０１（抗折強度）、ＪＩＳ−Ｒ−１６０７（破壊靭性値）、ＪＩＳ−Ｒ−１６１０（ビッカース硬度）、ＪＩＳ−Ｒ−１６１１（熱伝導率）等に記載された方法で求めた。また、絶縁耐圧は、前述の通り、絶縁油（商品名フロリナート）を用いた部分放電開始電圧を用いた方法で行った。
これらの結果を表１〜３に示す。
図５は、実施例１に係るセラミックス回路基板の接合界面の模式的な断面図である。図５に示されるように、セラミックス回路基板１のアルミナ基板２は、アルミナ基板２中にボイド２３ａが存在するとともに、金属回路板（銅回路板）３との接合面にボイド２３ｂが存在していた。また、セラミックス回路基板１のアルミナ基板２と金属回路板（銅回路板）３の界面において、金属回路板（銅回路板）３はアルミナ基板２の表面に密着している。

本実施例に係るアルミナ基板は、高純度材である比較例２と同等の特性を示した。また、比較例１のように高純度材であっても焼結時間が短いとボイドが多く発生した。これは焼結性が悪いためである。また、比較例３のようにＮａ_２Ｏを添加し過ぎても焼結性は低下した。

（実施例２〜５）
焼結助剤量および焼結条件を表１に示すように変えた以外は実施例１と同様にしてアルミナ基板を調製し、実施例１と同様の測定を行った。これらの結果を表１〜３に示す。

本実施例に係るアルミナ基板は焼結時間を１０時間以下にしたとしても優れた特性を示した。

（実施例１Ｂ〜６Ｂ、比較例１Ｂ〜３Ｂ）
実施例１〜５および比較例１〜３のアルミナ基板と銅板とを用いて、セラミックス回路基板を調製した。銅板は熱処理して接合面側に厚さ４μｍの酸化銅膜を形成したものを用意した。アルミナ基板の両面に銅板（一方が金属回路基板用銅板、もう一方が裏銅板）を配置し、窒素雰囲気中１０７５℃×１分間加熱して直接接合法により接合した。なお、金属回路板用銅板は厚さ０．３ｍｍ、裏銅板は厚さ０．４ｍｍで統一した。また、実施例１Ｂ〜５Ｂは銅板中の炭素含有量は０．２〜０．８質量％の範囲内のもの、６Ｂは炭素が含有されていないもの（検出限界以下）のものを用意した。

次に得られたセラミックス回路基板の金属回路板をエッチングして、図１に示した回路パターンを形成した。

上記のように調製した各セラミックス回路基板について、表面側の回路パターン面の両端部を３０ｍｍの支持スパンで支持する一方、背面側の裏銅板の中央部の１点に荷重を付加して３点曲げ強度を測定するとともに、アルミナ基板の両縁部を含む平面に対する最大たわみ量を測定した。なお、各セラミックス回路基板の抗折強度値はアルミナ基板破断時の荷重値をアルミナ基板単体に対する応力値として示している。また、最大たわみ量は、アルミナ基板が破断した時点でのたわみ量として測定した。各測定結果を表４に示す。

本実施例１Ｂ〜６Ｂは、比較例２の高純度アルミナ基板を用いたセラミックス回路基板（ＤＢＣ回路基板）と同等の測定結果を有していることが分かった。一方、比較例１Ｂおよび比較例３Ｂに係るＤＢＣ回路基板は強度が低下した。
次に実施例１Ｂ〜６Ｂ、比較例１Ｂ〜３Ｂのセラミックス回路基板の銅回路板の接合強度および接合界面の状態について調べた。接合強度はピール試験により求めた。
また、接合界面は、アルミナ基板と銅回路板の接合界面の拡大写真（２０００倍）を撮影し、この作業を接合界面１００μｍ分撮影した。接合界面において、アルミナ基板の表面凹凸をどれだけ覆うように銅回路板が接合されているかを調べた。この結果を表５に示す。

表から分かる通り、本実施例に係るセラミックス回路基板は接合強度に優れていた。また、実施例１Ｂと実施例６Ｂを比較すると実施例１Ｂの方が接合強度が優れていた。これは銅板中に所定量の炭素を含有させることにより、銅板中の酸素が銅板表面に移動し、Ｃｕ−Ｏ共晶反応に寄与したためと考えられる。このため、接合界面におけるアルミナ基板の表面凹凸を銅回路板が覆う割合が増大したためと考えられる。

１ セラミックス回路基板
２ アルミナ基板
３ 金属回路板（銅回路板）
４ 裏金属板（裏銅板）
２２ アルミナ結晶粒
２３ａ、２３ｂ ボイド

Claims (12)

1. アルミナ基板上に金属回路板が接合されたセラミックス回路基板において、 前記アルミナ基板は、アルミナＡｌ_２Ｏ_３を９９．５質量％以上、および焼結前に配合された焼結助剤から生成された焼結助剤由来成分を０．５質量％未満含み、
   前記焼結助剤由来成分はナトリウム，ケイ素および鉄を含む無機酸化物であり、前記焼結助剤由来成分中のナトリウムは酸化ナトリウムＮａ_２Ｏに換算した質量で前記アルミナ基板１００質量％中に０．００１〜０．１質量％含まれ、ケイ素は酸化ケイ素ＳｉＯ_２に換算した質量で前記アルミナ基板１００質量％中に０．００１〜０．２質量％含まれ、鉄は酸化鉄Ｆｅ_２Ｏ_３に換算した質量で前記アルミナ基板１００質量％中に０．００１〜０．０５質量％含まれ、
   前記アルミナ基板は、ボイドの最大径が１２μｍ以下であり、ボイド平均径が５．３〜１０μｍであり、ビッカース硬度が１５００以上であり、アルミナ結晶粒の平均結晶粒径が２０μｍ以下であり、このアルミナ基板に存在するボイドの体積の比率であるボイド体積率が３体積％以下であり、断面観察で算出される単位面積１００μｍ×１００μｍあたりのボイドの個数が２〜３０個であり、
   前記金属回路板は、直接接合法により前記アルミナ基板に接合されており、金属回路板の接合強度が１０．４Ｋｇｆ／ｃｍ以上であり、
   前記アルミナ基板と前記金属回路板との接合界面は、前記セラミックス回路基板の断面観察を行ったときに、前記金属回路板の表面に沿った曲線が前記アルミナ基板の表面の凹凸に沿った曲線に接する割合が９５％以上である入り組んだ構造になっていることを特徴とするセラミックス回路基板。
2. 前記アルミナ基板は、このアルミナ基板の断面におけるボイドの面積の比率であるボイド面積率が１０％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ス回路基板。
3. 前記アルミナ基板は、絶縁耐圧が２５ＫＶ／ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセラミックス回路基板。
4. 前記アルミナ基板は、靭性値が３．２ ＭＰａ・ｍ^１／２以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のセラミックス回路基板。
5. 前記アルミナ基板は、熱伝導率が２８Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のセラミックス回路基板。
6. 前記アルミナ基板は、抗折強度が４００ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のセラミックス回路基板。
7. 前記金属回路板は銅回路板であり、この銅回路板はＣｕ−Ｏ共晶化合物により前記アルミナ基板に接合されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のセラミックス回路基板。
8. 前記金属回路板は銅回路板であり、この銅回路板は炭素を０．１〜１．０質量％含むことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のセラミックス回路基板。
9. 前記アルミナ基板は、厚さが０．２５〜１．２ｍｍであることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載のセラミックス回路基板。
10. 前記金属回路板は、厚さが０．１〜０．５ｍｍであることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載のセラミックス回路基板。
11. 前記セラミックス回路基板の破壊時の最大たわみ量が１．１〜１．２ｍｍであることを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載のセラミックス回路基板。
12. 前記アルミナ基板は、ビッカース硬度が１６１０以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載のセラミックス回路基板。

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