JP2001210923A - セラミック回路基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】セラミック基板と金属回路板の熱膨張係数の相
違により発生する応力によって金属回路板とロウ材との
間に剥離が発生する。 【解決手段】セラミック基板１の上面にロウ材２を介し
てアルミニウムから成る金属回路板３を取着してなるセ
ラミック回路基板であって、前記ロウ材２の前記金属回
路板３の外周と該外周から５ｍｍ内側の領域における空
隙率を６％以下とした。

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成る金属回路
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成る場合には、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食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】

【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、一般に金属回路板
が銅により形成されており、該銅は熱膨張係数が１８ｐ
ｐｍ／℃で、酸化アルミニウム質焼結体や窒化アルミニ
ウム質焼結体、窒化珪素質焼結体、ムライト質焼結体等
から成るセラミック基板の熱膨張係数（酸化アルミニウ
ム質焼結体：７ｐｐｍ／℃、窒化アルミニウム質焼結
体：４ｐｐｍ／℃、窒化珪素質焼結体：３ｐｐｍ／℃、
ムライト質焼結体：４ｐｐｍ／℃）と大きく相違するこ
と、銅の金属回路板は厚みが厚くなってきた場合、その
硬さが硬く容易に変形しないこと等から金属回路板をセ
ラミック基板上に接合させた後に、金属回路板とセラミ
ック基板に熱が作用すると金属回路板とセラミック基板
の間に両者の熱膨張係数の差に起因する応力が発生し、
該応力が脆弱なセラミック基板に作用してセラミック基
板にクラックや割れ等が発生してしまうという欠点を有
していた。

【０００６】またロウ材ペーストを使用してセラミック
基板と金属回路板とを接合させる際、ロウ材ペースト中
の有機溶剤、溶媒の揮散およびロウ材粉末間に存在する
空気のロウ材中への取り込みによってセラミック基板と
金属回路板とを接合させるロウ材中に多数の空隙が形成
されてしまい、全体の空隙率が約１０％以上と高く、金
属回路板とロウ材の接合強度が弱いものとなっている。
そのため金属回路板の外周部で金属回路板とロウ材との
界面に、セラミック基板と金属回路板の熱膨張係数の相
違に起因する大きな熱応力が集中作用すると金属回路板
の外周部より金属回路板とロウ材との間に剥離が発生し
てしまい、その結果、セラミック回路基板としての信頼
性が大きく低下するという欠点も有していた。

【０００７】本発明は上記欠点に鑑み案出されたもの
で、その目的は金属回路板がロウ材から剥離するのを有
効に防止し、信頼性よく安定して機能するセラミック回
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
板の上面にロウ材を介してアルミニウムから成る金属回
路板を取着してなるセラミック回路基板であって、前記
ロウ材の前記金属回路板の外周と該外周から５ｍｍ内側
の領域における空隙率を６％以下としたことを特徴とす
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
属回路板を軟質なアルミニウムで形成したことから金属
回路板をセラミック基板上に接合させた後に、金属回路
板とセラミック基板に熱が作用し両者間に両者の熱膨張
係数の相違に起因する応力が発生したとしても該応力は
金属回路板を変形させることによって吸収され、その結
果、セラミック基板に大きな応力が作用することはな
く、セラミック基板にクラックや割れが発生するのを有
効に防止することができる。

【００１０】また本発明のセラミック回路基板によれ
ば、セラミック基板の上面に金属回路板を取着するロウ
材のうち金属回路板の外周と該外周から５ｍｍ内側の間
に位置する領域の空隙率を６％以下とし、金属回路板と
ロウ材の接合強度を上げたことから金属回路板とセラミ
ック基板との熱膨張係数の相違に起因して発生する大き
な応力が金属回路板の外周部に集中したとしても金属回
路板とロウ材との間に剥離が発生することはなく、これ
によってセラミック回路基板としての信頼性を極めて高
いものとなすことができる。

【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はロウ材、３は金属回路板である。

【００１２】前記セラミック基板１は窒化珪素質焼結
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、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体等の電気絶
縁材料からなり、その上面に金属回路板３がロウ材２を
介してロウ付けされている。

【００１３】前記セラミック基板１はその上面にロウ付
けされる金属回路板３を支持する支持部材として作用す
る。

【００１４】前記セラミック基板１は、例えば、窒化珪
素質焼結体で形成されている場合は、窒化珪素、酸化ア
ルミニウム、酸化マグネシウム、酸化イットリウム等の
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、窒
素雰囲気中、１６００乃至２０００℃の高温で焼成する
ことによって、あるいは窒化珪素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、窒素雰囲気中、１６００乃至２０００
℃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の上面にロウ付
けされている金属回路板３はアルミニウムから成り、セ
ラミック回路基板に実装される半導体素子等の電子部品
に電気信号や電力を供給する作用をなす。

【００１６】前記アルミニウムから成る金属回路板３
は、アルミニウムのインゴット（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で所定パターン形状に
製作される。

【００１７】更に、前記セラミック基板１の上面に金属
回路板３をロウ付けするロウ材２はアルミニウム−シリ
コン合金を主成分としたロウ材で形成されており、セラ
ミック基板１の上面および金属回路板３の下面に接合し
て金属回路板３をセラミック基板１上に取着する作用を
なす。

【００１８】前記ロウ材２はアルミニウム−シリコン合
金を主体にしたロウ材で形成されており、該ロウ材２
は、例えば、アルミニウムとシリコンがそれぞれ８８重
量％と１８重量％含有されているアルミニウム−シリコ
ン共晶合金から成り、マグネシウムを添加物として添加
したり、チタン、ジルコニウム、ハフニウムおよびこれ
らの水素化物の少なくとも１種より成る活性金属を添加
してもよい。

【００１９】前記ロウ材２を介してのセラミック基板１
への金属回路板３の取着は、まずロウ材粉末に適当な有
機溶剤、溶媒を添加混合してロウ材ペーストを作製し、
次にこれをセラミック基板１上に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、例えば、３
０μｍ乃至５０μｍの厚みで、かつ金属回路板３に対応
した所定パターンに印刷塗布し、その後、金属回路板３
を前記ロウ材ペースト上に載置するとともに、金属回路
板３に５０乃至１００ｇの荷重をかけながら、水素ガス
雰囲気や、水素・窒素ガス雰囲気の非酸化性雰囲気中
で、６００℃に加熱し、前記ロウ材ペーストの有機溶剤
や溶媒を揮散させるとともにロウ材を溶融せしめること
によっておこなわれる。

【００２０】なお、この場合、セラミック基板１へのロ
ウ材の接合メカニズムは明らかではないが、ロウ材中の
アルミニウムがセラミック基板１中に含まれている焼結
助剤としての酸化マグネシウムや酸化珪素と反応し、反
応層を形成することによっておこなわれるものと推測さ
れる。

【００２１】また、前記ロウ材粉末はその粒径が１μｍ
未満となるとロウ材粉末の比表面積が大きくなってロウ
材粉末表面に形成される酸化皮膜中に多くの酸素が存在
し、該酸素によってロウ材２のセラミック基板１や金属
回路板３に対する濡れ性が低下してしまう危険性があ
る。従って、前記ロウ材粉末はその粒径を１μｍ以上と
しておくことが好ましい。

【００２２】更に前記セラミック基板１と金属回路板３
とを接合するロウ材２は金属回路板３の外周と該外周か
ら５ｍｍ内側の間に位置する領域の空隙率が６％以下に
してある。

【００２３】前記ロウ材２は金属回路板３の外周と該外
周から５ｍｍ内側の間に位置する領域の空隙率が６％以
下にしてあることから金属回路板３の外周部におけるロ
ウ材２との接合強度が強くなり、その結果、金属回路板
３とセラミック基板１との熱膨張係数の相違に起因して
発生する大きな応力が金属回路板３の外周部に集中した
としても金属回路板３とロウ材２との間に剥離が発生す
ることはなく、これによってセラミック回路基板として
の信頼性を極めて高いものとなすことができる。

【００２４】なお、前記ロウ材２のうち金属回路板３の
外周と該外周から５ｍｍ内側の間に位置する領域の空隙
率を６％以下とするには、セラミック基板１上に金属回
路板３をロウ材２を介してロウ付け取着する際、ロウ付
け時の雰囲気を一旦、５×１０^-2Ｐａ以下の真空度にす
ることによって達成される。

【００２５】また前記ロウ材２のうち金属回路板３の外
周と該外周から５ｍｍ内側の間に位置する領域の空隙率
が６％を超えると金属回路板３の外周部にセラミック基
板１と金属回路板３の熱膨張係数の相違に起因して発生
する大きな応力が作用したとき金属回路板３とロウ材２
との間に剥離が発生してしまう。従って、前記ロウ材２
のうち金属回路板３の外周と該外周から５ｍｍ内側の間
に位置する領域の空隙率は６％以下に特定される。

【００２６】更に、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が窒化珪素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で形成すれば良く、また金属
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。

【００２７】また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着させることができる。

【００２８】前記アルミニウム製金属回路板３にニッケ
ルメッキを施す場合、ニッケルメッキの前処理としてア
ルミニウム製金属回路板３にジンケート処理を施してお
くとニッケルメッキ層をアルミニウム製金属回路板３へ
均一に、かつ強固に被着させることができる。従って、
前記アルミニウム製金属回路板３にニッケルメッキを施
す場合、前記アルミニウム製金属回路板３にジンケート
処理を施しておくことが好ましい。また前記ジンケート
処理としては、例えば、市販の上村工業株式会社製ＡＤ
−３−１Ｆ３Ｘを用いたジンケート浴中にアルミニウム
製金属回路板３を３０秒間浸漬し、次に５０％硝酸液に
て金属回路板３表面に析出した亜鉛を溶解し、最後に再
度前記ジンケート浴に３０秒浸漬することによって行わ
れる。

【００２９】また前記ニッケルメッキ層は燐を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。

【００３０】更に、前記金属回路板３の表面にニッケル
メッキ層を被着させる場合、該ニッケルメッキ層は、そ
の厚みが１．５μｍ未満となると金属回路板３の表面を
ニッケルメッキ層で完全に被覆するのが困難となって金
属回路板３の酸化腐食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に反りや割れ等を発生してしまう危険性があ
る。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
割れ等が顕著と成ってしまう。従って、前記金属回路板
３の表面にニッケルメッキ層を被着させる場合、ニッケ
ルメッキ層の厚みは１．５μｍ乃至３μｍの範囲として
おくことが好ましい。

【００３１】

【発明の効果】本発明のセラミック回路基板によれば、
金属回路板を軟質なアルミニウムで形成したことから金
属回路板をセラミック基板上に接合させた後に、金属回
路板とセラミック基板に熱が作用し両者間に両者の熱膨
張係数の相違に起因する応力が発生したとしても該応力
は金属回路板を変形させることによって吸収され、その
結果、セラミック基板に大きな応力が作用することはな
く、セラミック基板にクラックや割れが発生するのを有
効に防止することができる。

【００３２】また本発明のセラミック回路基板によれ
ば、セラミック基板の上面に金属回路板を取着するロウ
材のうち金属回路板の外周と該外周から５ｍｍ内側の間
に位置する領域の空隙率を６％以下とし、金属回路板と
ロウ材の接合強度を上げたことから金属回路板とセラミ
ック基板との熱膨張係数の相違に起因して発生する大き
な応力が金属回路板の外周部に集中したとしても金属回
路板とロウ材との間に剥離が発生することはなく、これ
によってセラミック回路基板としての信頼性を極めて高
いものとなすことができる。

【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・・・・ロウ材 ３・・・・金属回路板

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ロウ材を介してア
   ルミニウムから成る金属回路板を取着してなるセラミッ
   ク回路基板であって、前記ロウ材の前記金属回路板の外
   周と該外周から５ｍｍ内側の領域における空隙率を６％
   以下としたことを特徴とするセラミック回路基板。