JP2001244586A - セラミック回路基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電子部品が発する熱を外部に良好に放散させる
ことができず、誤動作等が生じる。 【解決手段】窒化珪素質焼結体からなるセラミック基板
１の表面に活性金属ロウ材２を介して金属回路板３を取
着して成り、該金属回路板３の取着されているセラミッ
ク基板１表面の算術平均粗さ（Ｒａ）が０．１５〜０．
８μｍ、残留応力が２０ＭＰａ以下である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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、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９０
０℃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】

【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、一般にセラミック
基板が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と小さく、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ことができず、該熱によって電子
部品が高温となり、電子部品に熱破壊や特性に劣化を招
来して電子部品を安定に信頼性よく作動させることがで
きないという問題点を有していた。

【０００５】そこで上記問題点を解決するために、セラ
ミック基板を熱伝達率が６０W／ｍ・Ｋ以上と非常に高
い窒化珪素質焼結体で形成することが考えられる。

【０００６】しかしながら、セラミック基板を窒化珪素
質焼結体で形成した場合、窒化珪素質焼結体は固相焼結
であり、ガラス質をあまり含有しておらずメタライズ金
属層の強固な被着が困難であるため窒化珪素質焼結体か
らなるセラミック基板への金属回路板の取着は窒化珪素
質焼結体と直接反応して濡れるチタン、ジルコニウム、
ハフニウム及び／またはそれらの水素化物を少なくとも
１種含有させた活性金属ロウ材を使用しなければなら
ず、窒化珪素質焼結体は通常、その表面の粗さが算術平
均粗さ（Ｒａ）で０．１μｍ程度であり、平滑であるた
め両者の接合面積は狭く、接合強度がさほど強くなく、
その結果、セラミック基板に対する金属回路板の接合の
信頼性が低いものとなる欠点を誘発する。

【０００７】そこで更に窒化珪素質焼結体から成るセラ
ミック基板への活性金属ロウ材の接合強度を上げるため
にセラミック基板の表面に、例えば、粒径が３００μｍ
程度のアルミナ粉末を０．８〜１ＭＰａ程度の圧力で吹
きつける、いわゆるブラスト処理を行いセラミック基板
表面の算術平均粗さ（Ｒａ）を大きくしてセラミック基
板と活性ロウ材の接合面積を増大することが考えられ
る。

【０００８】しかしながら、窒化珪素質焼結体から成る
セラミック基板の表面に、粒径が３００μｍ程度のアル
ミナ粉末を０．８〜１ＭＰａ程度の圧力で吹きつけ表面
を粗した場合、アルミナ粉末のセラミック基板表面への
打撃によってセラミック基板表面に３０〜５０ＭＰａ程
度の大きな残留応力が残存してしまい、その結果、セラ
ミック基板に金属回路板を活性金属ロウ材を介してロウ
付け取着した後、セラミック基板と金属回路板に熱が作
用した際、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熱応力が発生するとともに
これが前記残留応力と相俟って大きくなり、金属回路板
がセラミック基板より剥離してしまうという欠点が誘発
される。

【０００９】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と金属回路板との接合を
強固とし、かつ搭載される電子部品の発生する熱を外部
に効率よく放散す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。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明のセラミック回路
基板は、窒化珪素質焼結体からなるセラミック基板の表
面に活性金属ロウ材を介して金属回路板を取着して成
り、該金属回路板の取着されているセラミック基板表面
の算術平均粗さ（Ｒａ）が０．１５〜０．８μｍ、残留
応力が２０ＭＰａ以下であることを特徴とするものであ
る。

【００１１】本発明のセラミック回路基板によれば、セ
ラミック基板を熱伝達率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上と非常に
大きい窒化珪素質焼結体で形成したことから、金属回路
板に載置固定された電子部品が作動時に大量の熱を発生
したとしてもその熱は金属回路板及びセラミック基板を
介して大気中に良好に放散され、その結果、電子部品は
適温となり、電子部品を常に安定、かつ正常に作動させ
ることが可能となる。

【００１２】また、本発明のセラミック回路基板によれ
ば、窒化珪素質焼結体から成るセラミック基板の表面を
０．１５μｍ〜０．８μｍの算術平均粗さ（Ｒａ）とし
たことからセラミック基板と活性金属ロウ材との接合面
積が広いものとなり、その結果、セラミック基板に対す
る金属回路板の取着を極めて強固となすことができる。

【００１３】更に、本発明のセラミック回路基板によれ
ば、窒化珪素質焼結体から成るセラミック基板の金属回
路板が取着される表面の残留応力を２０ＭＰａ以下とし
たことからセラミック基板に金属回路板を取着した後、
セラミック基板と金属回路板に熱が作用し、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
因する熱応力が発生しとしてもこれが前記残留応力によ
って大きくなることはなく、その結果、金属回路板とセ
ラミック基板との間に剥離が発生するのが有効に防止さ
れ、製品としての信頼性が極めて高いセラミック回路基
板となすことができる。

【００１４】

【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。

【００１５】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。

【００１６】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。

【００１７】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以上であり、熱
を伝え易いことから金属回路板３に電子部品を載置固定
し、該電子部品が多量の熱を発生したとしてもその熱は
金属回路板３およびセラミック基板１を介して大気中に
良好に放散され、その結果、電子部品は適温となり、電
子部品を常に安定、かつ正常に作動させることができ
る。

【００１８】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。

【００１９】また前記窒化珪素質焼結体から成るセラミ
ック基板１は、その上面に金属回路板３が活性金属ロウ
材２を介してロウ付け取着されている。

【００２０】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、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５００μ
ｍで、所定パターン形状に製作される。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【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。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。

【００２５】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。

【００２６】更に前記セラミック基板１に金属回路板３
をロウ付け取着する活性金属ロウ材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％添加したものが好適に使用さ
れる。

【００２７】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を挟んで載置し、
次に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の下面とに接合させることによって行われる。

【００２８】本発明においては金属回路板３が取着され
るセラミック基板１の表面を０．１５〜０．８μｍの算
術平均粗さ（Ｒａ）、２０ＭＰａ以下の残留応力として
おくことが重要である。

【００２９】前記金属回路板３が取着されるセラミック
基板１の表面を０．１５〜０．８μｍの算術平均粗さ
（Ｒａ）としておくとセラミック基板１に金属回路板３
を活性金属ロウ材２を介して取着する際、セラミック基
板１と活性金属ロウ材２との接合面積が広いものとな
り、その結果、セラミック基板１に対する金属回路板３
の取着を極めて強固となすことができる。

【００３０】前記セラミック基板１は、その表面の粗さ
が算術平均粗さ（Ｒａ）で０．１５μｍ未満となると、
セラミック基板１と活性金属ロウ材２との接合面積が小
さくなってセラミック基板１と活性金属ロウ材２との接
合強度が弱いものとなってしまい、また０．８μｍを超
えると窒化珪素質焼結体表面に存在する活性金属ロウ材
２と強固に結合する針状の結晶が少なくなってセラミッ
ク基板１と活性金属ロウ材２との接合強度が弱いものと
なってしまう。従って、前記セラミック基板１の金属回
路板３が取着される表面の粗さは算術平均粗さ（Ｒａ）
で０．１５〜０．８μｍの範囲に特定される。

【００３１】また前記金属回路板３が取着されるセラミ
ック基板１の表面における残留応力を２０ＭＰａ以下と
しておくとセラミック基板１に金属回路板３を取着した
後、セラミック基板１と金属回路板３に熱が作用し、セ
ラミック基板１と金属回路板３との間に両者の熱膨張係
数の相違に起因する熱応力が発生しとしてもこれが前記
残留応力によって大きくなることはなく、その結果、金
属回路板３とセラミック基板１との間に剥離が発生する
のが有効に防止され、製品としての信頼性が極めて高い
セラミック回路基板となすことができる。

【００３２】前記セラミック基板１は、その表面の残留
応力が２０ＭＰａを超えるとセラミック基板１と金属回
路板３との間に発生する応力が大きく金属回路板３がセ
ラミック基板１より剥離してしまう。従って、前記セラ
ミック基板１の金属回路板３が取着される表面の残留応
力は２０ＭＰａ以下に特定される。

【００３３】なお、前記セラミック基板１表面の残留応
力はＸ線回折装置を用いて測定することができ、具体的
には、セラミック基板１の測定箇所にＸ線を照射し、そ
のＸ線の反射してくる回折角を測定することによって求
められる。

【００３４】前記表面の算術平均粗さ（Ｒａ）が０．１
５〜０．８μｍ、残留応力が２０ＭＰａ以下のセラミッ
ク基板１は、セラミック基板１の表面に特殊なブラスト
処理を施すことによって得られる。

【００３５】前記特殊なブラスト処理としては、具体的
には、粒径２０〜２５０μｍのアルミナ球状粉末等の研
磨剤を適量添加した水等の溶液を０．１〜０．５ＭＰａ
の吹きつけ圧力でセラミック基板１上面に１〜１０分間
吹き付けることによって実施され、このブラスト処理に
よりセラミック基板１は表面の算術平均粗さ（Ｒａ）が
０．１５〜０．８μｍ、残留応力が２０ＭＰａ以下とな
る。

【００３６】なお、前記ブラスト処理において、アルミ
ナ球状粉末の粒径が２０μｍ未満となるとセラミック基
板１表面の算術平均粗さ（Ｒａ）を０．１５μｍ以上と
することが困難となり、また２５０μｍを超えるとセラ
ミック基板１表面の残留応力が２０ＭＰａを超え、セラ
ミック基板１に金属回路板３を強固に接合させることが
できなくなる。従って、前記アルミナ球状粉末の粒径は
２０〜２５０μｍの範囲となる。

【００３７】また前記吹きつけ圧力は０．１ＭＰａ未満
となるとセラミック基板１表面の算術平均粗さ（Ｒａ）
を０．１５μｍ以上とすることが困難となり、また０．
５ＭＰａを超えるとセラミック基板１上面の残留応力が
２０ＭＰａを超え、セラミック基板１に金属回路板３を
強固に接合させることができなくなる。従って、前記吹
きつけ圧力は０．１〜０．５ＭＰａの範囲となる。

【００３８】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の上面に半田を間に挟んで電子部品
の電極を当接させ、しかる後、これを所定温度（約１８
０℃）に加熱し、半田を溶融させるとともに該溶融した
半田を金属回路板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さ
れることとなる。

【００３９】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、上述の実施例ではセ
ラミック基板１の表面に研磨剤を含有した溶液を使用し
てブラスト処理を施すことによって基板表面の算術平均
粗さ（Ｒａ）を粗くしたが、容器に水を満たすとともに
メディアとしてのアルミナ粉末とセラミック基板１とを
容器中に投入した後、容器を回転させ前記メディアとセ
ラミック基板１表面の接触摩擦によってセラミック基板
１表面の算術平均粗さ（Ｒａ）を粗くする、いわゆる、
回転バレル処理や、容器を振動させ前記メディアとセラ
ミック基板１表面の接触摩擦によってセラミック基板１
表面の算術平均粗さ（Ｒａ）を粗くする、いわゆる、振
動バレル処理等の方法を用いてもよい。

【００４０】

【発明の効果】本発明のセラミック回路基板によれば、
セラミック基板を熱伝達率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上と非常
に大きい窒化珪素質焼結体で形成したことから、金属回
路板に載置固定された電子部品が作動時に大量の熱を発
生したとしてもその熱は金属回路板及びセラミック基板
を介して大気中に良好に放散され、その結果、電子部品
は適温となり、電子部品を常に安定、かつ正常に作動さ
せることが可能となる。

【００４１】また、本発明のセラミック回路基板によれ
ば、窒化珪素質焼結体から成るセラミック基板の表面を
０．１５μｍ〜０．８μｍの算術平均粗さ（Ｒａ）とし
たことからセラミック基板と活性金属ロウ材との接合面
積が広いものとなり、その結果、セラミック基板に対す
る金属回路板の取着を極めて強固となすことができる。

【００４２】更に、本発明のセラミック回路基板によれ
ば、窒化珪素質焼結体から成るセラミック基板の金属回
路板が取着される表面の残留応力を２０ＭＰａ以下とし
たことからセラミック基板に金属回路板を取着した後、
セラミック基板と金属回路板に熱が作用し、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
因する熱応力が発生しとしてもこれが前記残留応力によ
って大きくなることはなく、その結果、金属回路板とセ
ラミック基板との間に剥離が発生するのが有効に防止さ
れ、製品としての信頼性が極めて高いセラミック回路基
板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・・・・活性金属ロウ材 ３・・・・金属回路板

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】窒化珪素質焼結体からなるセラミック基板
   の表面に活性金属ロウ材を介して金属回路板を取着して
   成り、該金属回路板の取着されているセラミック基板表
   面の算術平均粗さ（Ｒａ）が０．１５〜０．８μｍ、残
   留応力が２０ＭＰａ以下であることを特徴とするセラミ
   ック回路基板。