JP2001210948A - 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４を介し
て銅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４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５％
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、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％以上と高いものとなっていること、セラミック基
板の熱膨張係数が約３ＰＰＭ／℃〜７ｐｐｍ／℃（酸化
アルミニウム質焼結体：約７ｐｐｍ／℃、窒化アルミニ
ウム質焼結体：約４ｐｐｍ／℃、窒化珪素質焼結体：約
３ｐｐｍ／℃）であるのに対し、銅等からなる金属回路
板の熱膨張係数が約１８ｐｐｍ／℃であり、セラミック
基板と金属回路板の熱膨張係数が大きく相違すること等
からセラミック基板の上面に被着させたメタライズ金属
層に金属回路板を銀ロウ等のロウ材を介して取着する
際、ロウ材中の空隙により金属回路板とロウ材との接合
面積が小さいうえに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熱応力が発
生するとともにこれが金属回路板の外周部に集中して金
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を有していた。

【０００６】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。

【０００７】

【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銅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５％以下としたことを特徴とするものであ
る。

【０００８】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５％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。

【０００９】

【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。

【００１０】前記セラミック基板１は四角形状をなし、
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には金属回路板３がロウ材４を介して
ロウ付けされている。

【００１１】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、窒化珪素質焼結体等の電気絶縁材料で
形成されている。

【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。

【００１３】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。

【００１４】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。

【００１５】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
腐食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。

【００１６】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。

【００１７】前記銅から成る金属回路板３は、銅のイン
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５
００μｍ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。

【００１８】前記銅から成る金属回路板３は無酸素銅で
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介しての接合が強固となる。従って、前記金属回路
板３これを無酸素銅で形成しておくことが好ましい。

【００１９】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。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。

【００２０】前記金属回路板３はまたその表面にニッケ
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。

【００２１】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。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１０〜１５重量％の範囲がよ
い。

【００２２】また更に前記メタライズ金属層２に金属回
路板３をロウ付けするロウ材４は、セラミック基板１と
金属回路板３とを接合する接合材として作用し、例え
ば、銀ロウ材（銀−銅共晶ロウ材の場合、銀：７２重量
％、銅：２８重量％）等から成り、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℃）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金属回路板３はセラミ
ック基板１の表面に形成されているメタライズ金属層２
にロウ付け取着されることとなる。

【００２３】前記ロウ材４は更に金属回路板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５
％以下にしてある。

【００２４】前記ロウ材４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５％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４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４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。

【００２５】なお、前記ロウ材４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５％以下とするには、セラミック基板１に形成した
メタライズ金属層２と金属回路板３とをロウ材４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。

【００２６】また前記ロウ材４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５％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４
との間に剥離が発生してしまう。従って、前記ロウ材４
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５％以下に限定される。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。

【００２７】また更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。

【００２８】

【発明の効果】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５％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・・・・メタライズ金属層 ３・・・・金属回路板 ４・・・・ロウ材

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銅
   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５％以下とした
   ことを特徴とするセラミック回路基板。