JP2001102694A - セラミック回路基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電子部品が作動時に発する熱を金属回路板に効
率良く伝達させることができず、電子部品に熱破壊等が
生じる。 【解決手段】セラミック基板１の上面に金属回路板３を
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の表面に空隙率５％以下の半田層５を被着させ
た。

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し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
ク基板上に被着させたメタライズ金属層に銀−銅合金等
のロウ材を介して銅等から成る金属回路板を接合させた
セラミック回路基板、あるいはセラミック基板上に銀−
銅共晶合金にチタン、ジルコニウム、ハフニウムまたは
その水素化物を添加した活性金属ロウ材を介して銅等か
ら成る金属回路板を直接接合させたセラミック回路基板
が用いられている。

【０００３】かかるセラミック回路基板、例えば、セラ
ミック基板上に被着させたメタライズ金属層にロウ材を
介して銅等から成る金属回路板を接合させたセラミック
回路基板は、一般に酸化アルミニウム質焼結体、窒化ア
ルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結体、ムライト質焼
結体等の電気絶縁性のセラミックス材料から成るセラミ
ック基板の表面にメタライズ金属層を被着させておき、
該メタライズ金属層に銅等の金属材料からなる金属回路
板を銀ロウ等のロウ材を介しロウ付けすることによって
形成されており、具体的には、例えば、セラミック基板
が酸化アルミニウム質焼結体からなる場合には、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バインダー、可塑剤、溶
剤等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のテー
プ成形技術を採用して複数のセラミックグリーンシート
を得、次に前記セラミックグリーンシート上にタングス
テンやモリブデン等の高融点金属粉末に適当な有機バイ
ンダー、可塑剤、溶剤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、次に前記金属ペース
トが所定パターンに印刷塗布されたセラミックグリーン
シートを必要に応じて上下に積層するとともに還元雰囲
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を焼結一体化させて表面にメタ
ライズ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、最後に前記セラミック基板
表面のメタライズ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メタライ
ズ金属層と金属回路板とを接合することによって製作さ
れている。

【０００４】なお、前記メタライズ金属層及び金属回路
板の露出表面には酸化腐蝕を有効に防止するとともに金
属回路板に半導体素子等の電子部品を半田等の接着材を
介して強固に接続させるためにニッケル等の耐蝕性に優
れ、かつ半田等の接着材に対し濡れ性が良い金属がメッ
キ法等の技術を用いることによって所定厚みに被着され
ている。

【０００５】また前記金属回路板への電子部品の接続
は、まず金属回路板上に半田粉末に有機溶剤、溶媒を添
加混合して形成した半田ペーストを従来周知のスクリー
ン印刷法等の印刷技術を用いることによって所定パター
ンに印刷塗布し、次にこの印刷塗布した半田ペースト上
に電子部品の電極を載置当接させ、しかる後、これを所
定温度（約１８０℃）に加熱し、半田ペーストの有機溶
剤、溶媒等を揮散させるとともに半田を溶融させ、該溶
融した半田により金属回路板と電子部品の電極とを接合
させることによって行われている。

【０００６】

【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、半田ペーストを使
用して金属回路板に電子部品の電極を接続させる際、半
田ペースト中の有機溶剤、溶媒の揮散および半田粉末間
に存在する空気の溶融半田中への取りこみによって金属
回路板と電子部品の電極とを接合させる半田中に多数の
空隙が形成されてしまい、空隙率が１０％以上と高く、
熱伝導度が極めて低いものとなっている。

【０００７】そのため金属回路板に半田を介して接続さ
れている電子部品が作動時に熱を発生した場合、その熱
は半田を介して金属回路板に効率よく伝達させることが
できず、電子部品を高温としてしまい、その結果、電子
部品が熱破壊したり、特性に熱劣化が招来したりすると
いう欠点を有していた。

【０００８】本発明は上記欠点に鑑み案出されたもの
で、その目的は金属回路板に電子部品を確実、強固に電
気的接続させることを可能とするとともに金属回路板に
接続された電子部品の熱を金属回路板に効率よく伝達さ
せ、電子部品の温度を常に適温として電子部品を長期間
にわたり正常、かつ安定に作動させることができるセラ
ミック回路基板を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、セラミック基
板の上面に金属回路板を取着して成るセラミック回路基
板であって、前記金属回路板の表面に空隙率５％以下の
半田層を被着させたことを特徴とするものである。

【００１０】本発明のセラミック回路基板によれば、金
属回路板の表面に空隙率５％以下の半田層を被着させて
おき該半田層を使用して金属回路板に電子部品の電極を
接続させるようになしたことから金属回路板に電子部品
の電極を確実、強固に電気的接続させることが可能とな
り、同時に半田層の空隙率が５％以下と低いため半田層
の熱伝導率も高くなり、金属回路板に半田層を介して接
続されている電子部品が作動時に熱を発生したとしても
その熱は半田層を介して金属回路板に効率よく伝達さ
れ、その結果、電子部品は異常に高温となることはなく
常に適温となり、電子部品を常に正常、かつ安定に作動
させることが可能となる。

【００１１】

【発明の実施の形態】次に、本発明を添付図面に示す実
施例に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明のセラ
ミック回路基板の一実施例の断面図を示し、１はセラミ
ック基板、２はメタライズ金属層、３は金属回路板であ
る。

【００１２】前記セラミック基板１は四角形状をなし、
その上面にメタライズ金属層２が被着されており、該メ
タライズ金属層２には金属回路板３がロウ付けされてい
る。

【００１３】前記セラミック基板１は金属回路板３を支
持する支持部材として作用し、酸化アルミニウム質焼結
体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化アルミ
ニウム質焼結体、ムライト質焼結体等の電気絶縁材料で
形成されている。

【００１４】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で形成されている場合は、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バインダー、可塑剤、溶剤
を添加混合して泥漿状となすとともに該泥漿物を従来周
知のドクターブレード法やカレンダーロール法を採用す
ることによって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、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、所定形状となすととも
に必要に応じて複数枚を積層して成形体となし、しかる
後、これを約１６００℃の高温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技術によって所定形状に成形
し、しかる後、前記成形体を約１６００℃の温度で焼成
することによって製作される。

【００１５】また前記セラミック基板１はその表面にメ
タライズ金属層２が被着されており、該メタライズ金属
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。

【００１６】前記メタライズ金属層２は、タングステ
ン、モリブデン、マンガン等の高融点金属材料より成
り、例えば、タングステン粉末に適当な有機バインダ
ー、可塑材、溶剤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（セラミック生シート）の表面に予め従来周知の
スクリーン印刷法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。

【００１７】なお、前記メタライズ金属層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〜２０μｍ
の厚みに被着させておくと、メタライズ金属層２の酸化
腐蝕を有効に防止することができるとともにメタライズ
金属層２と金属回路板３とのロウ付けを極めて強固とな
すことができる。従って、前記メタライズ金属層２の酸
化腐蝕を有効に防止し、メタライズ金属層２と金属回路
板３とのロウ付けを強固となすにはメタライズ金属層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〜２０μｍの厚みに
被着させておくことが好ましい。

【００１８】また前記メタライズ金属層２はその上面に
金属回路板３がロウ材４を介して取着されている。

【００１９】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の表面に形成され
たメタライズ金属層２上に金属回路板３を、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：１
２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
せしめるとともにメタライズ金属層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の表面に取着されることとなる。

【００２０】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、メタラ
イズ金属層２のパターン形状に対応する所定パターン形
状に製作される。

【００２１】前記金属回路板３はまた銅から成る場合、
金属回路板３を無酸素銅で形成しておくと、該無酸素銅
はロウ付けの際に銅の表面が銅中に存在する酸素により
酸化されることなくロウ材４との濡れ性が良好となり、
メタライズ金属層２へのロウ材４を介しての接合が強固
となる。従って、前記金属回路板３はこれを無酸素銅で
形成しておくことが好ましい。

【００２２】更に前記金属回路板３はその表面にニッケ
ルから成る良導電性で、かつ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被着させておくと、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半田
を介して強固に接続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から成る良導電性
で、かつ耐蝕性及びロウ材との濡れ性が良好な金属をメ
ッキ法により被着させておくことが好ましい。

【００２３】また前記金属回路板３の表面にニッケルか
ら成るメッキ層を被着させる場合、内部に燐を８〜１５
重量％含有させてニッケル−燐のアモルファス合金とし
ておくとニッケルから成るメッキ層の表面酸化を良好に
防止してロウ材との濡れ性等を長く維持することができ
る。従って、前記金属回路板３の表面にニッケルから成
るメッキ層を被着させる場合、内部に燐を８〜１５重量
％含有させてニッケル−燐のアモルファス合金としてお
くことが好ましい。

【００２４】なお、前記金属回路板３の表面にニッケル
−燐のアモルファス合金からなるメッキ層を被着させる
場合、ニッケルに対する燐の含有量が８重量％未満、あ
るいは１５重量％を超えたときニッケル−燐のアモルフ
ァス合金を形成するのが困難となってメッキ層に半田を
強固に接着させることができなくなる危険性がある。

【００２５】従って、前記金属回路板３の表面にニッケ
ル−燐のアモルファス合金からなるメッキ層を被着させ
る場合にはニッケルに対する燐の含有量を８〜１５重量
％の範囲としておくことが好ましく、好適には１０〜１
５重量％の範囲がよい。

【００２６】また、前記金属回路板３の表面に被着され
るニッケルから成るメッキ層は、その厚みが１．５μｍ
未満の場合、金属回路板３の表面をニッケルから成るメ
ッキ層で完全に被覆することができず、金属回路板３の
酸化腐蝕を有効に防止することができなくなる危険性が
あり、また３μｍを超えるとニッケルから成るメッキ層
の内部に内在する内在応力が大きくなってセラミック基
板１に反りや割れ等が発生してしまう。特にセラミック
基板１の厚さが７００μｍ以下の薄いものになった場合
にはこのセラミック基板１の反りや割れ等が顕著となっ
てしまう。従って、前記金属回路板３の表面に被着され
るニッケルから成るメッキ層はその厚みを１．５μｍ〜
３μｍの範囲としておくことが好ましい。

【００２７】前記金属回路板３の表面に被着されたニッ
ケルから成るメッキ層の上には更に半田層５が形成され
ており、該半田層５は半導体素子等の電子部品を金属回
路板３に強固に接着させる作用をなす。

【００２８】前記半田層５は、錫−鉛共晶合金、錫−鉛
合金、金−錫合金、金−ゲルマニウム合金等の金属から
なり、例えば、錫−鉛共晶合金（錫：６０重量％、鉛：
４０重量％）からなる場合には、錫−鉛共晶合金の粉末
に有機溶剤、溶媒を添加混合して得た半田ペーストを従
来周知のスクリーン印刷等の印刷技法を用いて所定パタ
ーンに所定厚み（一般に２０〜５０μｍ）に金属回路板
３の上面に形成される。

【００２９】また、前記半田層５は空隙率が５％以下に
形成されており、該半田層５を介して半導体素子等の電
子部品と金属回路板３とを接合させた際、半田層５中の
空隙率が５％以下と低いため半田層５の熱伝導度も高く
なり、金属回路板３に半田層５を介して接続されている
電子部品が作動時に熱を発生したとしてもその熱は半田
層５を介して金属回路板３に効率よく伝達され、その結
果、電子部品は異常に高温となることはなく常に適温と
なり、電子部品を常に正常、かつ安定に作動させること
が可能となる。

【００３０】なお、前記半田層５の空隙率を５％以下と
するには、金属回路板３上に半田ペーストを所定パター
ンに印刷塗布した後、半田ぺーストを一旦、半田の液相
線温度より３０〜５０℃高い温度に５〜１０分間予備加
熱し、半田ペースト中の有機溶剤、溶媒を大気中に揮散
させるとともに半田粉末間に存在する空気を抜くことに
よって行われる。

【００３１】また前記予備加熱の温度は半田の液相線温
度より３０℃高い温度に対し、これよりも低い場合、半
田の粘度が高いため半田層５中の空気を効率よく抜くの
が困難となって、半田層５の空隙率が高くなってしまう
危険性があり、また半田の液相線温度より５０℃高い温
度に対し、これよりも高い場合、半田が金属回路板３上
からセラミック基板１上に流れ出て隣接する金属回路板
３間を短絡させてしまう危険性がある。従って、前記金
属回路板３上に印刷塗布した半田ペーストの予備加熱は
半田の液相線温度より３０〜５０℃高い温度としておく
ことが好ましい。

【００３２】更に前記半田層５はその空隙率が５％を超
えると電子部品が作動時に発した熱を金属回路板３に効
率よく伝達させることができなくなり、電子部品が異常
に高温となってしまう。従って、前記半田層５はその空
隙率が５％以下に特定される。

【００３３】かくして、上述のセラミック回路基板によ
れば、金属回路板３の上面に被着させた半田層５上に電
子部品の電極を当接させ、しかる後、これを所定温度
（約１８０℃）に加熱し、半田層５を溶融させるととも
に該溶融した半田層５を金属回路板３及び電子部品の電
極に接合させることによって電子部品は金属回路板３に
電気的に接続され、金属回路板３を外部電気回路に接続
すれば電子部品は金属回路板３を介して外部電気回路に
電気的に接続それることとなる。

【００３４】なお、本発明は上述の実施例に限定される
ものではなく、本発明の趣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、上述の実施例ではセ
ラミック基板１がアルミニウム質焼結体で形成された例
を示したが、電子部品が多量の熱を発し、この熱を効率
良く除去したい場合にはセラミック基板１を熱伝導率の
高い窒化アルミニウム質焼結体や窒化珪素質焼結体で形
成すれば良く、金属回路板３に高速で電気信号を伝播さ
せたい場合にはセラミック基板１を誘電率の低いムライ
ト質焼結体で形成すれば良い。

【００３５】さらに、上述の実施例ではセラミック基板
１の表面に予めメタライズ金属２を被着させておき、該
メタライズ金属層２に金属回路板３をロウ付けしてセラ
ミック回路基板となしたが、これをセラミック基板１の
表面に、例えば、銀−銅共晶合金にチタンもしくは水素
化チタンを２〜５重量％添加した活性金属ロウ材を介し
て直接金属回路板３を取着させてセラミック回路基板を
形成してもよい。

【００３６】

【発明の効果】本発明のセラミック回路基板によれば、
金属回路板の表面に空隙率５％以下の半田層を被着させ
ておき該半田層を使用して金属回路板に電子部品の電極
を接続させるようになしたことから金属回路板に電子部
品の電極を確実、強固に電気的接続させることが可能と
なり、同時に半田層の空隙率が５％以下と低いため半田
層の熱伝導度も高くなり、金属回路板に半田層を介して
接続されている電子部品が作動時に熱を発生したとして
もその熱は半田層を介して金属回路板に効率よく伝達さ
れ、その結果、電子部品は異常に高温となることはなく
常に適温となり、電子部品を常に正常、かつ安定に作動
させることが可能となる。

【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・・・・メタライズ金属層 ３・・・・金属回路板 ５・・・・半田層

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】セラミック基板の上面に金属回路板を取着
   して成るセラミック回路基板であって、前記金属回路板
   の表面に空隙率５％以下の半田層を被着させたことを特
   徴とするセラミック回路基板。