JP2001237502A - セラミック回路基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】セラミック回路基板を支持部材にねじ止めによ
り固定する際、ねじ止めの応力によってセラミック基板
にクラックや割れが発生してしまう。 【解決手段】端部にねじ止め用貫通孔４を有するセラミ
ック基板１の表面に金属回路板３を取着してなるセラミ
ック回路基板であって、前記セラミック基板１は窒化珪
素質焼結体から成り、かつ前記セラミック基板１に設け
たねじ止め用貫通孔４の外周部とセラミック基板１外周
端との距離をＤ、前記セラミック基板１の厚みをＴとし
た場合、Ｔ≧√（０．５／Ｄ）、Ｔ≧０．３ｍｍであ
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、窒化珪素質焼結体
から成る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、酸化アルミ
ニウム質焼結体から成るセラミック基板上に銅等から成
る金属回路板を接合させたセラミック回路基板が用いら
れている。

【０００３】かかる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、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印刷技術を採用する
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厚みが例えば、０．５ｍ
ｍとした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、前記セラミック回路基板は、例え
ば、セラミック基板の端部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
ねじを挿入し、そのねじの先端を支持部材に設けたねじ
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、セラミック基板が
一般に酸化アルミニウム質焼結体により形成されてお
り、該酸化アルミニウム質焼結体は熱伝達率が２０Ｗ／
ｍ・Ｋと小さい。そのため金属回路板上に電子部品を載
置固定し作動させた際、電子部品が熱を発生すると、そ
の熱はセラミック基板を介して外部に効率よく放散させ
ることができず、その結果、電子部品が該電子部品自身
の発する熱によって高温となり、電子部品に熱破壊や特
性に劣化を招来するいう問題点を有していた。

【０００６】また、この従来のセラミック回路基板にお
いては、金属回路板上に載置固定された電子部品の作動
時に発生する熱をセラミック基板を介して外部に効率よ
く放散させるために、またセラミック回路基板の薄型化
のためにセラミック基板の厚みは薄いものとなってお
り、セラミック基板の厚みが薄いものになると、セラミ
ック基板に設けたねじ止め用貫通孔の外周部とセラミッ
ク基板外周端との距離が短い時、セラミック基板の貫通
孔周辺の機械的強度が弱いものとなり、セラミック回路
基板を支持部材上にねじ止めにより固定する際、セラミ
ック基板に１０Ｎ・ｍ程度の応力が印加されると該応力
がセラミック基板の外周端を支点としてセラミック基板
の端部に位置するねじ止め用貫通孔の外周部に集中的に
作用してセラミック基板の貫通孔周辺にクラックや割れ
等を発生させてしまうという問題点も有していた。

【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、電子部品の作動時に発生する熱を効率
よく外部に放散させることができ、かつ支持部材上にね
じ止めにより固定する際にクラックや割れ等が発生する
ことのない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、端部にねじ止
め用貫通孔を有するセラミック基板の表面に金属回路板
を取着してなるセラミック回路基板であって、前記セラ
ミック基板は窒化珪素質焼結体から成り、かつ前記セラ
ミック基板に設けたねじ止め用貫通孔の外周部とセラミ
ック基板外周端との距離をＤ、前記セラミック基板の厚
みをＴとした場合、Ｔ≧√（０．５／Ｄ）、Ｔ≧０．３
ｍｍであ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
属回路板が取着されるセラミック基板を熱伝達率が６０
W／ｍ・Ｋ以上と非常に高い窒化珪素質焼結体で形成し
たことから金属回路板上に電子部品を載置固定し作動さ
せた際、電子部品が熱を発生したとしてもその熱はセラ
ミック基板を介して外部に効率よく放散し、その結果、
電子部品が該電子部品自身の発する熱によって高温とな
ることはなく、電子部品を適温として常に正常、かつ安
定に作動させることができる。

【００１０】また本発明のセラミック回路基板によれ
ば、セラミック基板に設けたねじ止め用貫通孔の位置と
セラミック基板の厚みとの関係をＴ≧√（０．５／
Ｄ）、Ｔ≧０．３ｍｍ（Ｄ：ねじ止め用貫通孔の外周部
とセラミック基板外周端との距離、Ｔ：セラミック基板
の厚み｝とし、ねじ止め用貫通孔の形成位置がセラミッ
ク基板の外周端に近いほどセラミック基板の厚みを所定
の比率で厚くなるようにしてセラミック基板の貫通孔周
辺の機械的強度を強くしたことからセラミック回路基板
を支持部材上にねじ止めにより固定する際、セラミック
基板に１０Ｎ・ｍ程度の応力が印加されたとしてもセラ
ミック基板のねじ止め用貫通孔周辺にクラックや割れ等
が発生することはない。

【００１１】

【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
の一実施例の断面図を示し、１はセラミック基板、２は
活性金属ロウ材、３は金属回路板である。

【００１２】前記セラミック基板１は四角形状をなし、
その上面に活性金属ロウ材２を介して金属回路板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、窒化珪素質焼結体で形成
されている。

【００１４】前記窒化珪素質焼結体から成るセラミック
基板１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、これを窒素雰囲気等の非酸化
性雰囲気中、１６００乃至２０００℃の高温で焼成する
ことによって製作される。

【００１５】前記窒化珪素質焼結体から成るセラミック
基板１はその熱伝達率が６０Ｗ／ｍ・Ｋと非常に大きい
ことから、金属回路板３に載置固定された電子部品が作
動時に熱を発生したとしてもその熱はセラミック基板１
を介して外部に効率よく放散され、その結果、前記熱に
よって電子部品が高温となることはなく常に適温として
電子部品を安定して信頼性よく作動させることができ
る。

【００１６】前記セラミック基板１はその上面に活性金
属ロウ材２を介して金属回路板３が取着されており、該
活性金属ロウ材２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：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
％）等から成るロウ材にチタン、タングステン、ハフニ
ウム及び／またはその水素化物の少なくとも１種を２乃
至５重量％添加したもので形成されている。

【００１７】前記活性金属ロウ材２によるセラミック基
板１への金属回路板３の取着は、セラミック基板１上に
金属回路板３を間に活性金属ロウ材２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、活性金
属ロウ材２を溶融せしめるとともにセラミック基板１の
上面と金属回路板３の下面に接合させることによって行
われる。

【００１８】また前記セラミック基板１上に活性金属ロ
ウ材２を介して取着される金属回路板３は銅やアルミニ
ウム等の金属材料から成り、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５
００μｍで、所定パターン形状に製作される。

【００１９】なお、前記金属回路板３は銅から成る場
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活性金属ロウ材２との濡れ性が
良好となり、セラミック基板１への活性金属ロウ材２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。

【００２０】また前記金属回路板３はその表面にニッケ
ルから成る良導電性で、かつ耐蝕性及び活性金属ロウ材
２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、かつ耐蝕性及び活性金属ロウ材２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。

【００２１】更に前記金属回路板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
防止して活性金属ロウ材２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。

【００２２】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いはニッケルに
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。

【００２３】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、またその厚みが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〜３
μｍの範囲としておくことが好ましい。

【００２４】更に前記上面に金属回路板３が取着されて
いるセラミック基板１はその端部にに上下に貫通する孔
径が、例えば、６ｍｍ〜８ｍｍの貫通孔４が形成されて
いる。

【００２５】前記貫通孔４は、セラミック回路基板を支
持部材上にねじ止めにより固定する際のねじの挿入孔と
して作用し、例えば、セラミック基板１にドリル孔あけ
加工や超音波孔あけ加工等の孔あけ加工を施すことによ
ってセラミック基板１の端部の所定位置に所定形状に形
成される。

【００２６】前記セラミック回路基板の支持部材上での
ねじ止めによる固定は、支持部材上にセラミック回路基
板を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４内にねじを挿入し、そのねじの先端を支持部材
に設けたねじ溝に螺着させることによって行われる。

【００２７】また前記ねじ止め用の貫通孔４は該貫通孔
４の外周部とセラミック基板外周端との距離をＤ、セラ
ミック基板の厚みをＴとした場合、Ｔ≧√（０．５／
Ｄ）となるように形成されており、かつセラミック基板
１の厚みＴはＴ≧０．３ｍｍとなるように形成されてい
る。

【００２８】前記セラミック基板１は厚みが０．３ｍｍ
以上で、かつ前記貫通孔４の外周部とセラミック基板外
周端との距離をＤ、セラミック基板１の厚みをＴとした
時、Ｔ≧√（０．５／Ｄ）となっていることから、ねじ
止め用貫通孔の形成位置がセラミック基板の外周端に近
いほどセラミック基板の厚みが所定の比率で厚くなって
セラミック基板１の貫通孔４周辺の機械的強度が極めて
強いものとなり、その結果、セラミック回路基板を支持
部材上にねじ止めにより固定する際、セラミック基板１
に１０Ｎ・ｍ程度の応力が印加され、これがセラミック
基板１の外周端を支点としてセラミック基板１の端部に
位置するねじ止め用貫通孔４の外周部に集中的に作用し
たとしてもセラミック基板１の貫通孔４周辺にクラック
や割れ等が発生することはない。

【００２９】なお、前記貫通孔４の外周部とセラミック
基板外周端との距離をＤ、セラミック基板１の厚みをＴ
とした場合、Ｔが√（０．５／Ｄ）未満となるとセラミ
ック基板１の貫通孔４周辺の機械的強度が弱いものとな
り、セラミック回路基板を支持部材上にねじ止めにより
固定する際、ねじ止め用貫通孔４の外周部に応力が集中
的に作用した時にセラミック基板１の貫通孔４周辺にク
ラックや割れ等が発生してまう。従って、前記セラミッ
ク基板１の厚み（Ｔ）はＴ≧√（０．５／Ｄ）に限定さ
れる。

【００３０】更に、前記セラミック基板１はその厚みが
０．３ｍｍ未満となるとセラミック基板１自体の機械的
強度が弱くなり、セラミック回路基板を支持部材上にね
じ止めにより固定する際の応力によってセラミック基板
１に割れ等が発生してしまう。従って、前記セラミック
基板１の厚みは０．３ｍｍ以上に限定される。

【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載置固定させ、半導体素
子等の電子部品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を介して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る。 ［実験例］次に本発明の作用効果を以下の実験例に基づ
き説明する。まず、幅：４０ｍｍ、長さ：１００ｍｍで
厚さが表１に示す厚みの窒化珪素質焼結体から成るセラ
ミック基板を準備するとともに外周端から表１に示す寸
法の位置に径：７ｍｍの貫通孔を形成して基板試料を作
成する。

【００３３】次に、アルミニウムから成るブロックに前
記セラミック基板を直径６ｍｍのねじ部を持つねじ（Ｍ
６）をトルクレンチを用いて螺嵌し、セラミック基板に
クラックが発生した際のトルク強度を調べ、そのトルク
強度をセラミック基板の機械的強度の評価とした。

【００３４】なお、前記トルク強度は、同一試料につい
て５個ずつ行い、その平均値を用いた。

【００３５】上記の結果を表１に示す。

【００３６】

【表１】

【００３７】表１の結果から判るように、Ｔ＜√（０．
５／Ｄ）となる試料（試料番号：１、４、７、１０、１
３、１６、１９、２２）およびＴ＜０．３ｍｍとなる試
料（試料番号：２５、２７）はいずれも１０Ｎ・ｍ未満
のトルク強度でセラミック基板にクラックが発生してし
まうのに対し、本発明のＴ≧√（０．５／Ｄ）、Ｔ≧
０．３ｍｍとなる試料はいずれも１０Ｎ・ｍ以上のトル
ク強度に耐え得、機械的強度が強いことが判る。

【００３８】

【発明の効果】本発明のセラミック回路基板によれば、
金属回路板が取着されるセラミック基板を熱伝達率が６
０W／ｍ・Ｋ以上と非常に高い窒化珪素質焼結体で形成
したことから金属回路板上に電子部品を載置固定し作動
させた際、電子部品が熱を発生したとしてもその熱はセ
ラミック基板を介して外部に効率よく放散し、その結
果、電子部品が該電子部品自身の発する熱によって高温
となることはなく、電子部品を適温として常に正常、か
つ安定に作動させることができる。

【００３９】また本発明のセラミック回路基板によれ
ば、セラミック基板に設けたねじ止め用貫通孔の位置と
セラミック基板の厚みとの関係をＴ≧√（０．５／
Ｄ）、Ｔ≧０．３ｍｍ（Ｄ：ねじ止め用貫通孔の外周部
とセラミック基板外周端との距離、Ｔ：セラミック基板
の厚み｝とし、ねじ止め用貫通孔の形成位置がセラミッ
ク基板の外周端に近いほどセラミック基板の厚みを所定
の比率で厚くなるようにしてセラミック基板の貫通孔周
辺の機械的強度を強くしたことからセラミック回路基板
を支持部材上にねじ止めにより固定する際、セラミック
基板に１０Ｎ・ｍ程度の応力が印加されたとしてもセラ
ミック基板のねじ止め用貫通孔周辺にクラックや割れ等
が発生することはない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の配線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・・・・活性金属ロウ材 ３・・・・金属回路板 ４・・・・貫通孔

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】端部にねじ止め用貫通孔を有するセラミッ
   ク基板の表面に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、前記セラミック基板は窒化珪素質焼結
   体から成り、かつ前記セラミック基板に設けたねじ止め
   用貫通孔の外周部とセラミック基板外周端との距離を
   Ｄ、前記セラミック基板の厚みをＴとした場合、Ｔ≧√
   （０．５／Ｄ）、Ｔ≧０．３ｍｍであることを特徴とす
   るセラミック回路基板。