JP2001308475A - 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
着して成るセラミック回路基板であって、前記金属回路
板３の取着されているセラミック基板１の表面に厚さが
０．１〜２μｍの酸化珪素膜４が被着されている。

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と小さいため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、その結果、電子
部品が該電子部品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して電子部品を安定
に、かつ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】かかる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
と直接反応して接合するチタン、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ない。

【０００７】しかしながら、窒化珪素質焼結体は固相焼
結を容易に行うために内部に焼結助剤が多量に含有さ
れ、その一部が窒化珪素質焼結体の表面に１５〜２０％
程度の面積で存在しており、かかる焼結助剤は活性金属
ロウ材と濡れ性が悪いため窒化珪素質焼結体からなるセ
ラミック基板に活性金属ロウ材を介して金属回路板を強
固に接合させることはできずセラミック回路基板として
の信頼性が低いものとなる欠点を誘発する。

【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。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、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るセラミック回路基板で
あって、前記金属回路板が取着されているセラミック基
板の表面に、厚さが０．１〜２μｍの酸化珪素膜を被着
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、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およ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。

【００１１】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に
活性金属ロウ材との濡れ性がよい、厚さ０．１〜２μｍ
の酸化珪素膜を形成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が確実なものとなり、その結果、セ
ラミック基板への金属回路板の取着を極めて強固となす
ことが可能となる。

【００１２】

【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。

【００１３】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。

【００１４】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。

【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。

【００１６】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
ウム等の原料粉末と酸化イットリウム、酸化セシウム、
酸化サマリウム、酸化エルビウム、酸化イッテリビウ
ム、酸化ルテニウム等の希土類元素から成る焼結助剤粉
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。

【００１７】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。

【００１８】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。

【００１９】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】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。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】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の表面に厚さ０．１μｍ〜２μｍの
酸化珪素膜４を形成することが重要である。

【００２７】前記金属回路板３が取着されるセラミック
基板１の表面に厚さ０．１μｍ〜２μｍの酸化珪素膜４
を形成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との間に活性金属ロウ材２と濡れ性
がよく確実に接合することができる酸化珪素膜４が介在
することから、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。

【００２８】前記セラミック基板１はその表面に被着さ
れる酸化珪素膜４の厚みが０．１μｍ未満となると酸化
珪素膜４でセラミック基板１の表面を完全に覆うことが
できず、セラミック基板表面に焼結助剤の一部が露出す
ることとなり、その結果、セラミック基板１に活性金属
ロウ材２を介して金属回路板３を強固に接合させること
ができなくなってしまい、また厚みが２μｍを超えると
酸化珪素膜４の機械的強度が低くなってセラミック基板
１と金属回路板３との接合の信頼性が低下してしまう。
従って、前記酸化珪素膜４はその厚みが０．１〜２μｍ
の範囲に特定される。

【００２９】前記セラミック基板１の表面に形成される
酸化珪素膜４はセラミック基板１を大気中、１０００乃
至１５００℃の温度で３０〜１２０分間加熱することに
よって形成される。

【００３０】前記酸化珪素膜４は窒化珪素質焼結体の成
分である珪素と大気中の酸素が結合することによってセ
ラミック基板１の表面を覆うように形成され、活性金属
ロウ材２に対し濡れ性が良好であることからセラミック
基板１と活性金属ロウ材２との接合が確実なものとな
り、その結果、セラミック基板１への金属回路板３の取
着を極めて強固となすことができる。

【００３１】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。

【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、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば
種々の変更は可能である。

【００３３】

【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
に高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およびセラミック基板
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。

【００３４】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に
活性金属ロウ材との濡れ性がよい、厚さ０．１〜２μｍ
の酸化珪素膜を形成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が確実なものとなり、その結果、セ
ラミック基板への金属回路板の取着を極めて強固となす
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・・・・活性金属ロウ材 ３・・・・金属回路板 ４・・・・酸化珪素膜

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
   成るセラミック回路基板であって、前記金属回路板が取
   着されているセラミック基板の表面に、厚さが０．１〜
   ２μｍの酸化珪素膜を被着させたことを特徴とするセラ
   ミック回路基板。