JP2002164461A - セラミック回路基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 金属回路板に信号端子を超音波接合するとき
に、セラミック基板に部分的クラックが生じて、セラミ
ック回路基板の機械強度が低下してしまう。 【解決手段】 セラミック基板１に接合された金属回路
板２の表面に、信号端子３が超音波接合法により表面同
士を融着させることによって取着されたセラミック回路
基板において、金属回路板２と信号端子３との融着部４
外周から金属回路板２の外周までの距離を１ｍｍ以上と
して金属回路板２と信号端子３との接合強度を５ｋＮ／
ｍ以上としたセラミック回路基板である。超音波接合す
るときにセラミック基板１にクラックが発生せず、セラ
ミック基板の機械強度が高く信号端子と金属回路板との
接合信頼性の高いセラミック回路基板にできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金属回路板に信号
端子を超音波接合によって取着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は、酸化アルミ
ニウム質焼結体から成るセラミック基板を用いる場合に
は、具体的には以下の方法によって製作される。

【０００４】まず、銀−銅合金にチタン・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
を添加した活性金属粉末に有機溶剤・溶媒を添加混合し
てロウ材ペーストを調製する。

【０００５】次に、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・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た後、所定寸法に形成し、
次に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にて約1600℃の温度で焼成
し、セラミックグリーンシートを焼結一体化させて酸化
アルミニウム質焼結体から成るセラミック基板を形成す
る。

【０００６】次に、セラミック基板上にロウ材ペースト
を間に挟んで銅等から成る金属回路板を載置する。

【０００７】そして最後に、セラミック基板と金属回路
板との間に配されているロウ材ペーストを非酸化性雰囲
気中にて約900℃の温度に加熱して溶融させ、このロウ
材でセラミック基板と金属回路板とを接合することによ
って製作される。

【０００８】このように製作されたセラミック回路基板
は、ＩＣやＬＳＩ等の半導体素子等の電子部品を半田な
どの接着剤を介して実装した後、外部入出力用の信号端
子が一体成型された樹脂ケースに組み立てられ、半導体
モジュールとなる。この半導体モジュールは、ロボット
などの産業機器から電車の駆動部や電気自動車などの幅
広い用途に使用され、厳しい環境下での高い信頼性が要
求されている。

【０００９】しかしながら、この信号端子一体成型樹脂
ケースの作製には成型用金型が必要であり製造コストが
高いことから、半導体モジュールの製造コストが増加す
る難点があった。また、信号端子一体成型樹脂ケースに
セラミック回路基板を組み立てた後、信号端子とセラミ
ック回路基板をボンディングワイヤなどで電気的に接続
する必要があった。

【００１０】このため、信号端子を金属回路板に半田や
超音波接合法等で直接接合したセラミック回路基板が採
用されるようになってきている。

【００１１】しかしながら、半田を用いて接合する場合
には、半導体素子などの電子部品を実装するときの加熱
温度によって接合がはずれないように、その加熱温度よ
り融点が高い高温半田が必要である。また、半導体素子
が実装され半導体モジュールとして使用されるときに発
生する熱・振動により半田内部にクラックが発生しやす
く、信頼性が劣化することがある。そのため、より信頼
性が高い超音波接合法が採用され始めている。

【００１２】超音波接合法による金属回路板と信号端子
の接合は、例えば金属回路板に接触させた信号端子接合
部の表面に超音波発振ホーンを押圧しながら超音波振動
させ、金属回路板と信号端子接合部との間に相互拡散に
よる固相互接合を起こすことによって行なわれる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来のセラミック回路基板は、金属回路板に信号
端子を超音波接合するときに、例えば、金属回路板に接
触させた信号端子接合部の表面には約10〜50ＭＰａの圧
力で超音波発振ホーンが押圧されるため、この高圧力が
部分的に信号端子接合部分の直下のセラミック基板に金
属回路板と接合ロウ材を介して加わることになる。ま
た、超音波振動により発生する約500℃以上の熱が瞬間
的に信号端子接合部分の直下のセラミック基板に金属回
路板と接合ロウ材を介して加わることになる。このため
信号端子接合部分の直下のセラミック基板に微小な部分
的クラックを生じることがあり、その結果、セラミック
回路基板の機械的強度が低下することから信頼性が著し
く劣化してしまうことがあるという問題点を有してい
た。

【００１４】これに対し、セラミック基板に生じる部分
的クラックを抑制するために、超音波発振ホーンを押圧
する圧力を低下させると、金属回路板と信号端子との接
合部間の相互拡散が不充分になり、その結果、金属回路
板と信号端子との接合強度が低下することから信頼性が
著しく劣化するという問題点を有していた。

【００１５】本発明は上記問題点に鑑み完成されたもの
で、その目的は、セラミック回路基板への信号端子接合
時にセラミック基板のクラック発生を防止してセラミッ
ク基板の機械強度を低下させず、しかも金属回路板と信
号端子との接合強度を高いものとして、搭載される半導
体素子等の電子部品を安定して作動させることができる
セラミック回路基板を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、セラミック基
板に接合された金属回路板の表面に、信号端子が超音波
接合法により表面同士を融着させることによって取着さ
れたセラミック回路基板において、金属回路板と信号端
子との融着部外周から金属回路板の外周までの距離を１
ｍｍ以上として金属回路板と信号端子との接合強度を５
ｋＮ／ｍ以上としたことを特徴とするものである。

【００１７】本発明のセラミック回路基板によれば、金
属回路板と信号端子の融着部外周から金属回路板の外周
までの距離を１ｍｍ以上として金属回路板と信号端子と
の接合強度を５ｋＮ／ｍ以上としたことから、超音波接
合時の押圧力が高くてもこれが金属回路板の外周に集中
せず良好に分散し、また瞬間的に発生する500℃以上の
高熱が分散して放熱するため、金属回路板と信号端子と
の融着部分に充分な拡散層を形成しつつセラミック基板
の部分的クラックの発生を防止することができる。その
結果、セラミック基板の機械強度が高く信号端子と金属
回路板との接合信頼性の高いセラミック回路基板とする
ことができる。

【００１８】

【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。

【００１９】図１は、本発明のセラミック回路基板の実
施の形態の一例を示す断面図、図２はその平面図であ
り、１はセラミック基板、２は金属回路板、３は信号端
子、４は金属回路板と信号端子との融着部である。な
お、図２においては融着部４は信号端子３を透視して一
点鎖線で示している。

【００２０】セラミック基板１は略四角形状をなし、そ
の表面に金属回路板２が接合されている。

【００２１】セラミック基板１は金属回路板２を支持す
る支持部材として機能し、酸化アルミニウム（Ａｌ
₂Ｏ₃）質焼結体・ムライト（３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂）
質焼結体・炭化珪素（ＳｉＣ）質焼結体・窒化アルミニ
ウム（ＡｌＮ）質焼結体・窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）質焼結
体等の電気絶縁材料で形成されている。

【００２２】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であれば、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・可塑剤・溶剤を
添加混合して泥漿状となすとともに、その泥漿物を従来
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、しかる後、このセラミックグリ
ーンシートに適当な打ち抜き加工を施すとともに、これ
を複数枚積層し、約1600℃の高温で焼成することによっ
て製作される。

【００２３】また、セラミック基板１の表面には、金属
回路板２が例えばロウ材を介して接合されている。

【００２４】セラミック基板１はその厚みを0.2〜1.0ｍ
ｍとすることが、セラミック回路基板の小型化・薄型化
の要求を満足するためや、金属回路板２を接合したとき
のセラミック基板１の割れ抑制や、搭載される半導体素
子から発生する100℃以上の熱の伝達性の点で好まし
い。厚みが0.2ｍｍ未満では、セラミック基板１と金属
回路板２を接合したときに発生する応力により、セラミ
ック基板１に割れ等が発生しやすくなる傾向がある。他
方、1.0ｍｍを超えると薄型化への対応が困難となると
ともに、搭載される半導体素子から発生する100℃以上
の熱を良好に放熱することが困難となる傾向がある。

【００２５】金属回路板２は、銅やアルミニウム等の金
属材料から成り、セラミック基板１の表面に例えばロウ
材を介して以下のようにして接合される。

【００２６】まず、銀−銅合金粉末等から成る銀ロウ粉
末や、アルミニウム−シリコン合金粉末等から成るアル
ミニウムロウ粉末に、チタン・ジルコニウム・ハフニウ
ム等の活性金属やその水素化物の少なくとも１種から成
る活性金属粉末を２〜５重量％添加した活性金属ロウ材
に、適当な有機溶剤・溶媒を添加混合して得た活性金属
ロウ材ペーストを、セラミック基板１の表面に従来周知
のスクリーン印刷技術を用いて金属回路板２に対応した
所定パターンに印刷する。

【００２７】その後、金属回路板２をこのロウ材パター
ン上に載置し、これを真空中、または中性雰囲気中もし
くは還元雰囲気中で、所定温度（銀ロウ材の場合は約90
0℃、アルミニウムロウ材の場合は約600℃）で加熱処理
し、活性金属ロウ材を溶融させてセラミック基板１の表
面と金属回路板２とを接合させる。これにより、セラミ
ック基板１の表面に金属回路板２がロウ材を介して接合
されることとなる。

【００２８】銅やアルミニウム等から成る金属回路板２
は、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の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0.5ｍｍで、所望の回路配
線パターン形状に製作される。

【００２９】金属回路板２の厚さは、セラミック回路基
板の小型化・薄型化の要求を満足するためや、20〜50Ａ
の高電流信号を伝達するための電気抵抗や、セラミック
基板１と接合したときのセラミック基板１の割れ防止の
点で0.1〜1.0ｍｍが好ましい。厚さが0.1ｍｍ未満で
は、電気抵抗が大きくなるため20〜50Ａの高電流信号が
良好に流れにくくなる傾向がある。他方、1.0ｍｍを超
えると薄型化への対応が困難となるとともに、セラミッ
ク基板１と金属回路板２を接合したときに発生する応力
により、セラミック基板１に割れ等が発生しやすくなる
傾向がある。

【００３０】また、金属回路板２は、銅から成る場合で
あれば、金属回路板２を無酸素銅で形成しておくと、無
酸素銅はロウ付けの際に活性金属ロウ材が銅中に存在す
る酸素により酸化されることなく濡れ性が良好となるこ
とから、セラミック基板１へ強固に接合できる。従っ
て、金属回路板２はこれを無酸素銅で形成しておくこと
が好ましい。

【００３１】信号端子３は、銅や銅合金やアルミニウム
等の金属材料から成り、金属回路板２の表面に超音波接
合法によって例えば以下のように取着する。

【００３２】まず金属回路板２の表面に信号端子３を接
触配置させ、次に信号端子３表面の９〜100ｍｍ²の接合
範囲に超音波発振ホーンを10〜30ＭＰａで押圧し、30〜
50ｋＨｚの超音波を用いた振幅20〜40μｍの振動を0.2
〜1.0秒間加えることにより、金属回路板２と信号端子
３との間に相互拡散による固相接合を起こすことによっ
て接合強度５ｋＮ／ｍ以上に取着される。

【００３３】金属回路板２と信号端子３の接合強度は、
半導体モジュールに要求される高い信頼性を確保するた
めに、例えば−40℃〜125℃の温度サイクル試験（ＴＣ
Ｔ）で300サイクル以上の接合信頼性が必要である。接
合強度が５ｋＮ／ｍ未満の場合には、この温度サイクル
試験300サイクルで信号端子３の剥離が発生しやすくな
る。このため、金属回路板２と信号端子３の接合強度は
５ｋＮ／ｍ以上が必要である。

【００３４】なお、金属回路板２と信号端子３の接合強
度は、信号端子３を上方垂直方向に引き剥がすこと（ピ
ーリング試験）によって、単位長さ当たりの強度（単位
はＮ／ｍで表わす。ｋＮ／ｍは1000Ｎ／ｍを示す。）と
して求められる。

【００３５】金属回路板２の材料と信号端子３の材料
は、超音波接合時の相互拡散を均一に起こすためには同
一材料にすることが好ましい。

【００３６】本発明のセラミック回路基板によれば、金
属回路板２と信号端子３との融着部４外周から金属回路
板２の外周までの距離を１ｍｍ以上として接合強度を５
ｋＮ／ｍ以上として取着したことから、超音波振動が付
加されたときの高圧力と高熱を良好に分散・放熱し、セ
ラミック基板に部分的クラックを発生することなく、強
固に信号端子３を金属回路板２表面に取着することがで
きる。また、セラミック回路基板に半導体素子を搭載し
動作させたときの熱や振動により信号端子３が金属回路
板２から剥離しにくくなり、信頼性が高いものとするこ
とができる。

【００３７】金属回路板２と信号端子３との融着部４外
周から金属回路板２の外周までの距離は１ｍｍ以上で、
好ましくは５ｍｍ以内の範囲にするとよい。この距離が
１ｍｍ未満では超音波接合時の高圧力と高熱を良好に分
散・放熱しにくい傾向があり、セラミック基板の部分的
クラックが発生しやすくなる。他方、５ｍｍを超えると
金属回路板２が不必要に大きくなるため金属回路板２を
高密度にセラミック基板１に配置しにくくなりやすく、
このためセラミック回路基板の小型化・高密度化が困難
となる。したがって、金属回路板２と信号端子３との融
着部４外周から金属回路板２の外周までの距離は１ｍｍ
以上とし、好ましくは５ｍｍ以内の範囲とするとよい。

【００３８】銅やアルミニウム等から成る信号端子３
は、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の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0.5ｍｍで、所望の信号端
子形状に製作される。信号端子３の厚さは、20〜50Ａの
高電流信号を伝達するための電気抵抗や、金属回路板２
と超音波接合したときの接合強度の点で0.1〜1.0ｍｍが
好ましい。厚さが0.1ｍｍ未満では、電気抵抗が大きく
なるため20〜50Ａの高電流信号が良好に流れにくくなる
傾向がある。他方、1.0ｍｍを超えると、金属回路板２
に信号端子３を超音波接合する際の相互拡散が不充分に
なりやすく、接合強度が弱くなりやすい傾向がある。

【００３９】なお、本発明は上述の実施の形態の例に限
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。

【００４０】例えば、上述の実施の形態の例ではセラミ
ック基板に活性金属ロウ材を介して直接に金属回路板を
ロウ付けしたが、これをセラミック基板の表面に予めタ
ングステンまたはモリブデン等のメタライズ金属層を被
着させておき、このメタライズ金属層に金属回路板をロ
ウ材を介して接合させてもよい。

【００４１】

【発明の効果】本発明のセラミック回路基板によれば、
セラミック基板に接合された金属回路板の表面に、信号
端子が超音波接合法により表面同士を融着させることに
よって取着されたセラミック回路基板において、前記金
属回路板と前記信号端子の融着部外周から前記金属回路
板の外周までの距離を１ｍｍ以上として前記金属回路板
と前記信号端子との接合強度を５ｋＮ／ｍ以上としたこ
とから、超音波接合時の高圧力が金属回路板の端部に集
中せず、良好に分散し、また、瞬間的に発生する500℃
以上の高熱が分散して放熱するため、金属回路板と信号
端子との融着部分に充分な拡散層を形成しつつ、セラミ
ック基板の部分的クラックの発生を防止することができ
る。その結果、セラミック基板の機械強度が高く信号端
子と金属回路板との接合信頼性の高いセラミック回路基
板とすることができる。

【００４２】以上により、本発明によれば、セラミック
回路基板への信号端子接合時にセラミック基板のクラッ
ク発生を防止してセラミック基板の機械強度を低下させ
ず、しかも金属回路板と信号端子との接合強度を高いも
のとして、搭載される半導体素子等の電子部品を安定し
て作動させることができるセラミック回路基板を提供す
ることができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセラミック回路基板の実施の形態の一
例を示す断面図である。

【図２】本発明のセラミック回路基板の実施の形態の一
例を示す平面図である。

【符号の説明】

１：セラミック基板 ２：金属回路板 ３：信号端子 ４：金属回路板と信号端子との融着部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミック基板に接合された金属回路板
   の表面に、信号端子が超音波接合法により表面同士を融
   着させることによって取着されたセラミック回路基板に
   おいて、前記金属回路板と前記信号端子との融着部外周
   から前記金属回路板の外周までの距離を１ｍｍ以上とし
   て前記金属回路板と前記信号端子との接合強度を５ｋＮ
   ／ｍ以上としたことを特徴とするセラミック回路基板。