JP2000124562A - セラミック回路基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】金属回路板が取着されるセラミック基板にクラ
ックや割れが発生する。 【解決手段】セラミック基板１の表面に金属層２を被着
させるとともに、該金属層２に金属回路板３の下面をロ
ウ材４を介して取着して成るセラミック回路基板であっ
て、前記金属回路板３の下面外周部とセラミック基板１
上面との間に両者に当接する枠状のスペーサ部材３ａが
配設されており、且つ該スペーサ部材３ａで囲まれた内
側の金属回路板３下面が前記金属層２にロウ材４を介し
て取着されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、セラミック基板に
金属回路板をロウ付けにより接合させたセラミック回路
基板に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、パワーモジュール用基板やスイッ
チングモジュール用基板等の回路基板として、セラミッ
ク基板上に銅等から成る金属回路板をロウ付けにより接
合させたセラミックス回路基板がよく用いられている。

【０００３】かかるセラミック回路基板は一般に、
（１）酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウ
ム、酸化カルシウム等からなるセラミック原料粉末に有
機溶剤、溶媒を添加混合して泥漿物を作り、次にこれを
従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等
によりシート状に成形して四角形状のセラミックグリー
ンシート（セラミック生シート）を形成し、（２）次に
前記セラミックグリーンシートの表面に、タングステン
やモリブデン等の高融点金属粉末に有機溶剤、溶媒を添
加混合して得た金属ペーストをスクリーン印刷法等の厚
膜形成技術を採用することによって所定パターンに印刷
塗布し、（３）次に前記金属ペーストを印刷塗布したセ
ラミックグリーンシートを還元雰囲気中、約１６００℃
の温度で焼成し、セラミックグリーンシートと金属ペー
ストとを焼結一体化させて上面に金属層を有する酸化ア
ルミニウム質焼結体から成るセラミック基板を形成し、
（４）最後に、前記セラミック基板上面の金属層上に銅
等から成る所定パターンの金属回路板を間に銀ロウ等の
ロウ材を挟んで載置させるとともにこれを還元雰囲気
中、約９００℃の温度に加熱してロウ材を溶融させ、該
溶融したロウ材で金属層の表面全面と金属回路板の下面
全面とを接合することによって製作されている。

【０００４】なお、前記セラミック回路基板は、例え
ば、セラミック基板の両端にねじ止め用の貫通孔を形成
しておき、セラミック回路基板を支持部材上に載置させ
るとともにセラミック回路基板の上面側より貫通孔内に
ネジ等を挿入し、そのネジの先端を支持部材に設けたネ
ジ溝に螺着させることによって支持部材上に固定される
ようになっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来のセラミック回路基板においては、セラミック基板を
形成する酸化アルミニウム質焼結体の熱膨張係数が約７
ｐｐｍ／℃、金属回路板を形成する銅の熱膨張係数が約
１８ｐｐｍ／℃であり、両者の熱膨張係数が大きく相違
することから、セラミック基板の表面に被着させた金属
層に金属回路板をロウ付けによって接合させた場合、セ
ラミック基板と金属回路板との間に両者の熱膨張係数の
相違に起因する大きな応力が発生し、これがセラミック
回路基板に凸状の反りを発生させるとともに一部がロウ
材中に内在したものとなっている。

【０００６】そのためこのセラミック回路基板を支持部
材上に、例えば、ネジ等を使用して固定した場合、セラ
ミック回路基板に反りを是正する方向の応力が発生し、
これがロウ材中に内在している応力と相俟って大きくな
るとともに金属回路板の下面外周部に集中し、金属回路
板の下面外周部に位置するセラミック基板にクラックや
割れ等を発生させてしまうという欠点を有していた。

【０００７】本発明は上記欠点に鑑み案出されたもの
で、その目的はセラミック基板の金属層に金属回路板を
接合させる際に発生し、ロウ材に内在している応力と、
セラミック回路基板を支持部材上に固定する際に発生す
る応力とが合成されて大きくなるのを防止し、これによ
ってセラミック基板にクラックや割れ等が発生するのを
有効に防止したセラミック回路基板を提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、セラミック基
板の表面に金属層を被着させるとともに、該金属層に金
属回路板の下面をロウ材を介して取着して成るセラミッ
ク回路基板であって、前記金属回路板の下面外周部とセ
ラミック基板上面との間に両者に当接する枠状のスペー
サ部材が配設されており、且つ該スペーサ部材で囲まれ
た内側の金属回路板下面が前記金属層にロウ材を介して
取着されていることを特徴とするものである。

【０００９】本発明のセラミック回路基板によれば、金
属回路板の下面外周部とセラミック基板上面との間に枠
状のスペーサ部材を配設し、該スペーサ部材で囲まれた
内側の金属回路板の下面をセラミック基板上面の金属層
にロウ材を介し取着するように成したことから、セラミ
ック回路基板を支持部材上に、例えば、ネジ等を使用し
て固定する際、セラミック回路基板に反りを是正する方
向の応力が発生したとしてもその応力はスペーサ部材が
当接している部位に集中してセラミック基板の金属層と
金属回路板とを接合させるロウ材に作用することはな
く、その結果、ロウ材に内在している応力とセラミック
回路基板を支持部材上に固定する際に発生する応力とが
合成されて大きくなるのが阻止され、これによってセラ
ミック基板にクラックや割れ等が発生するのを有効に防
止することができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】次に、本発明を添付図面に基づき
詳細に説明する。図１は、本発明のセラミック回路基板
の一実施例を示し、１はセラミック基板、２は金属層、
３は金属回路板である。

【００１１】前記セラミック基板１は四角形状をなし、
その上面の中央領域に金属層２が被着されており、該金
属層２には金属回路板３がロウ付けされている。

【００１２】前記セラミック基板１は、例えば、酸化ア
ルミニウム質焼結体等から成り、酸化アルミニウム、酸
化珪素、酸化マグネシウム、酸化カルシウム等の原料粉
末に適当な有機溶剤、溶媒を添加混合して泥漿状と成す
とともにこれを従来周知のドクターブレード法やカレン
ダーロール法等を採用し、シート状に成形してセラミッ
クグリーンシート（セラミック生シート）を得、次に、
前記セラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を
施し、所定形状と成すとともにこれを高温（約１６００
℃）で焼成することによって、あるいは酸化アルミニウ
ム等の原料粉末に適当な有機溶剤、溶媒を添加混合して
原料粉末を調整するとともに該原料粉末をプレス成形機
によってに所定形状に成形し、しかる後、前記形成体を
約１６００℃の温度で焼成することによって製作され
る。

【００１３】また前記セラミック基板１はその上面に金
属層２が被着されており、該金属層２は金属回路板３を
セラミック基板１にロウ付けする際の下地金属層として
作用する。

【００１４】前記金属層２はタングステン、モリブデ
ン、マンガン等の高融点金属粉末により形成されてお
り、タングステンやモリブデン、マンガン等の高融点金
属粉末に適当な有機バインダー、溶剤、可塑剤等を添加
混合して得た金属ペーストを焼成によってセラミック基
板１となるセラミックグリーンシートの上面に予め従来
周知のスクリーン印刷法等により所定パターンに印刷塗
布しておくことによってセラミック基板１の上面に所定
パターン、所定厚み（１０〜５０μｍ）に被着される。

【００１５】なお、前記金属層２はその表面にニッケ
ル、金等の良導電性で、耐蝕性及びロウ材との濡れ性が
良好な金属をメッキ法により１μｍ乃至２０μｍの厚み
に被着させておくと、金属層２の酸化腐蝕を有効に防止
することができるとともに金属層２と金属回路板３との
ロウ付けを極めて強固に成すことができる。従って、前
記金属層２の酸化腐蝕を有効に防止し、金属層２と金属
回路板３とのロウ付けを強固と成すには金属層２の表面
にニッケル、金等の良導電性で、耐蝕性及びロウ材との
濡れ性が良好な金属を１μｍ乃至２０μｍの厚みに被着
させておくことが好ましい。

【００１６】また前記金属層２の上面には金属回路板３
がロウ材４を介して取着されており、該金属回路板３は
その下面外周部と、セラミック基板１の上面との間に両
者に当接するスペーサ部材３ａが配設されており、金属
回路板３のスペーサ部材３ａで囲まれた内側の下面を金
属層２にロウ材４でロウ付けすることによって金属回路
板３はセラミック基板１上に取着されることとなる。

【００１７】前記金属回路板３は銅やアルミニウム等の
金属材料から成り、セラミック基板１の上面に形成した
金属層２上に金属回路板３を、該金属回路板３のスペー
サ部材３ａで囲まれた内側の下面と金属層２との間に、
例えば、銀ロウ材（銀：７２重量％、銅：２８重量％）
やアルミニウムロウ材（アルミニウム：８８重量％、シ
リコン：１２重量％）等から成るロウ材４を挟んで載置
させ、しかる後、これを真空中もしくは中性、還元性雰
囲気中、所定温度（銀ロウ材の場合は約９００℃、アル
ミニウムロウ材の場合は約６００℃）で加熱処理し、ロ
ウ材４を溶融せしめるとともに金属層２の上面と金属回
路板３の下面とに接合させることによってセラミック基
板１上に取着されることとなる。

【００１８】なお、前記銅やアルミニウム等から成る金
属回路板３は、銅やアルミニウム等のインゴット（塊）
に圧延加工法や打ち抜き加工法等、従来周知の金属加工
法を施すことによって、例えば、厚さが５００μｍで、
金属層２のパターン形状に対応する所定パターン形状に
形成される。

【００１９】また前記金属回路板３はその表面に、ニッ
ケル、金等の良導電性で、且つ耐蝕性及びロウ材４との
濡れ性が良好な金属をメッキ法により１μｍ乃至２０μ
ｍの厚みに被着させておくと、金属回路板３の酸化腐蝕
を有効に防止し、且つ金属回路板３と外部電気回路との
電気的接続を良好と成すとともに金属回路板３に半導体
素子等の電子部品を強固に固着させることができる。従
って、前記金属回路板３はその表面にニッケル、金等を
１μｍ乃至２０μｍの厚みに被着させておくことが好ま
しい。

【００２０】更に、前記金属回路板３はその下面外周部
とセラミック基板１の上面との間に両者に当接する断面
が四角形状を成す枠状のスペーサ部材３ａが配設されて
おり、該スペーサ部材３ａはセラミック基板１に外力印
加によって発生する応力がセラミック基板１と金属回路
板３とを接合するロウ材４に印加されるのを防止する作
用をなし、後述するセラミック基板１の両端に設けた貫
通孔５内にネジ等を挿入してセラミック回路基板を支持
部材に固定する際、セラミック回路基板に反りを是正す
る方向の応力が発生したとしてもその応力はスペーサ部
材３ａが当接している部位に集中して金属層２と金属回
路板３とを接合させているロウ材４に作用することはな
く、その結果、ロウ材４に内在している応力（セラミッ
ク基板１と金属回路板３との熱膨張係数の相違に起因し
て発生した応力）とセラミック回路基板を支持部材上に
固定する際に発生する応力とは合成されて大きくなるこ
とが有効に阻止され、セラミック基板１にクラックや割
れ等が発生することはなくなる。

【００２１】前記スペーサ部材３ａは鉄−ニッケル−コ
バルト合金や鉄−ニッケル合金、タングステン、モリブ
デン、銅−タングステン合金等の金属材料、或いは酸化
ベリリウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、酸化
アルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結体等の無機物か
ら成り、例えば、鉄−ニッケル−コバルト合金等の金属
材料から成る場合、鉄−ニッケル−コバルト合金等のイ
ンゴット（塊）に圧延加工法や打ち抜き加工法等、従来
周知の金属加工方法を施すことによって形成され、また
酸化アルミニウム質焼結体等の無機物から成る場合、酸
化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウム、酸化カ
ルシウム等に有機溶剤、溶媒等を添加混合して原料粉末
を調整し、次にこれを所定の金型内に充填するとともに
一定圧力で押圧して成形体を得、しかる後、この成形体
を約１６００℃の温度で焼成することによって得られ
る。

【００２２】前記金属回路板３の下面外周部とセラミッ
ク基板１上面との間へのスペーサ部材３ａの配設は、例
えば、セラミック基板１上面の金属層２に金属回路板３
をロウ材４を介して取着した後、金属回路板３の下面外
周部とセラミック基板１上面の隙間にスペーサ部材３ａ
を挿入固定することによって、或いはセラミック基板１
上面の金属層２に金属回路板３をロウ材４を介して取着
する際に金属回路板３の下面外周部とセラミック基板１
上面との間にスペーサ部材３ａを配置しておき、ロウ剤
４の固化時の体積収縮を利用し、スペーサ部材３ａの上
下を金属回路板３とセラミック基板１とで押圧すること
によって行われる。

【００２３】前記スペーサ部材３ａの配設をロウ材４の
固化時の体積収縮を利用して行う場合、スペーサ部材３
ａの配設と金属層２を有するセラミック基板１上面への
金属回路板３の取着固定が同時に行なえ、作業性が良い
ことからスペーサ部材３ａの配設はロウ材４の固化時の
体積収縮を利用して行うのが好ましい。

【００２４】またこの場合、スペーサ部材３ａの熱膨張
係数はロウ材４の熱膨張係数より小さくしておく必要が
あるがその熱膨張係数の差は２〜１７ｐｐｍ／℃の範囲
がセラミック基板１に割れやクラック等を発生すること
なしにスペーサ部材３ａを金属回路板３の下面外周部と
セラミック基板１上面との間に強固に固定させることが
できる。

【００２５】従って、前記スペーサ部材３ａの配設をロ
ウ材４の固化時の体積収縮を利用して行う場合にはスペ
ーサ部材３ａの熱膨張係数はロウ材４の熱膨張係数より
も２〜１７ｐｐｍ／℃小さい値としておくことが好まし
い。

【００２６】なお、前記スペーサ部材３ａは金属回路板
３の下面外周部全域にわたって設ける必要はなく、外周
各辺に任意の長さに設けておいて枠状としてもよい。

【００２７】また前記スペーサ部材３ａはその断面が四
角形状のものに限定されるものではなく、三角形状や半
円形状等であってもよい。

【００２８】また一方、前記四角形状をなすセラミック
基板１はその両端に上下に貫通する孔径が、例えば、３
ｍｍ〜４ｍｍの貫通孔５が形成されている。

【００２９】前記貫通孔５はセラミック回路基板を支持
部材（不図示）上にネジ等を用いて固定する際、ネジの
挿通孔として作用し、セラミック回路基板を支持部材上
に載置させるとともにセラミック基板１の上面側より貫
通孔５内にネジ等を挿入し、そのネジの先端を支持部材
に設けたネジ溝に螺着させることによってセラミック回
路基板は支持部材上に固定されるようになっている。こ
の場合、セラミック回路基板に上面に凸状の反りが発生
しており、ネジの螺着によってセラミック回路基板に反
りを是正する方向の応力が発生したとしてもその応力は
スペーサ部材３ａが当接している部材に集中して金属層
２と金属回路板３とを接合させているロウ材４に作用す
ることはなく、その結果、ロウ材４に内在している応力
（セラミック基板１と金属回路板３との熱膨張係数の相
違に起因して発生した応力）とセラミック回路基板を支
持部材上に固定する際に発生する応力とは合成されて大
きくなることが有効に阻止され、セラミック基板１にク
ラックや割れ等が発生することはなくなる。

【００３０】前記貫通孔５はセラミック基板１にドリル
孔あけ加工を施すことによってセラミック基板１の両端
の所定位置に所定形状に形成される。

【００３１】かくして、上述のセラミック回路基板によ
れば、セラミック基板１の上面に取着させた金属回路板
３に半導体素子等の電子部品を固着させ、半導体素子等
の電極をボンディングワイヤ等の電気的接続手段を介し
て金属回路板３に電気的に接続させれば半導体素子等の
電子部品はセラミック回路基板に実装され、金属回路板
３を外部電気回路と接続される。

【００３２】なお、本発明は上述の実施例に限定される
ものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば
種々の変更は可能であり、例えば、セラミック回路基板
として熱放散性が要求される場合には、セラミック基板
を酸化アルミニウム質焼結体に代えて熱伝導率の優れた
窒化アルミニウム質焼結体や窒化珪素質焼結体で形成す
ればよい。

【００３３】

【発明の効果】本発明のセラミック回路基板によれば、
金属回路板の下面外周部とセラミック基板上面との間に
枠状のスペーサ部材を配設し、該スペーサ部材で囲まれ
た内側の金属回路板の下面をセラミック基板上面の金属
層にロウ材を介して取着するようになしたことから、セ
ラミック回路基板を支持部材上に、例えば、ネジ等を使
用して固定する際、セラミックス回路基板に反りを是正
する方向の応力が発生したとしてもその応力はスペーサ
部材が当接している部位に集中してセラミック基板の金
属層と金属回路板とを接合させるロウ材に作用すること
はなく、その結果、ロウ材に内在している応力とセラミ
ック回路基板を支持部材上に固定する際に発生する応力
とが合成されて大きくなるのが阻止され、これによって
セラミック基板にクラックや割れ等が発生するのを有効
に防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセラミック回路基板の一実施例を示す
断面図である。

【符号の説明】

１・・・セラミック基板 ２・・・金属層 ３・・・金属回路板 ３ａ・・スペーサ部材 ４・・・ロウ材 ５・・・貫通孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4G026 BA01 BA03 BB01 BC01 BD02 BE04 BF16 BF20 BF36 BF38 BG02 BH07 5E338 AA01 AA18 BB72 BB75 CC01 CC04 CD03 EE28 5E343 AA02 AA23 BB17 BB18 BB21 BB24 BB25 BB28 BB65 BB67 DD52 DD62 EE22 ER31 ER36 GG16

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】セラミック基板の表面に金属層を被着させ
   るとともに、該金属層に金属回路板の下面をロウ材を介
   して取着して成るセラミック回路基板であって、前記金
   属回路板の下面外周部とセラミック基板上面との間に両
   者に当接する枠状のスペーサ部材が配設されており、且
   つ該スペーサ部材で囲まれた内側の金属回路板下面が前
   記金属層にロウ材を介して取着されていることを特徴と
   するセラミック回路基板。