JP2002232090A - セラミック回路基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【従来技術】金属回路板に４００Ｖ以上の電圧が印加さ
れた際、隣接する金属回路板間に放電が発生して電気的
絶縁が破壊する。 【解決手段】セラミック基板１の上面に複数の金属回路
板３を取着して成るセラミック回路基板であって、前記
複数の金属回路板３に印加される電圧が４００Ｖ以上、
隣接する金属回路板３間の距離が１．５ｍｍ以下、金属
回路板３の上面外周角部３ａの曲率半径が０．０５ｍｍ
以上の円弧状である

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、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、前記金属回路板は、例えば、金属板
の表面に被着された感光性樹脂から成るレジスト層を所
定パターンに露光・現像した後エッチングすることによ
って金属板を所定形状に形成する、いわゆるフォトエッ
チング法等の加工方法を用いて形成される。

【０００５】また、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。

【０００６】

【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、セラミック回路基
板を小型化・高密度化の観点からセラミック基板の上面
に取着される金属回路板の間隔をできるだけ狭くするこ
とが要求されている。またセラミック基板の上面に取着
される金属基板は前述のごとくフォトエッチング法等の
加工法によって形成されているためエッチング時のアン
ダーカット現象により金属回路板の上面の外周角部は鋭
角に形成されている。そのため前記セラミック回路基板
に４００Ｖ以上の電流が印加された際、隣接する金属回
路板間の距離が１．５ｍｍ以下と近接配置された場合、
前記金属回路板の上面外周角部に電荷が集中し該角部を
起点に金属回路板間に放電が発生し金属回路板間の電気
的絶縁が破壊され、その結果、セラミック回路基板を安
定して信頼性よく作動させることができなくなるという
欠点を有していた。

【０００７】本発明は上記欠点に鑑み案出されたもの
で、その目的は隣接する金属回路板間の絶縁を確実と
し、安定して信頼性よく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。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、セラミック基
板の上面に複数の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、前記複数の金属回路板に印加される
電圧が４００Ｖ以上、隣接する金属回路板間の距離が
１．５ｍｍ以下、金属回路板の上面外周角部の曲率半径
が０．０５ｍｍ以上の円弧状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、前
記金属回路板の上面外周角部を曲率半径が０．０５ｍｍ
以上の円弧状としたことから金属回路板の上面角部に電
荷が集中することがなく、金属回路板に４００Ｖ以上と
高電圧な電流が印加され、隣接する金属回路板間の距離
が１．５ｍｍ以下に狭くしたとしても金属回路板間に放
電が発生することは効果的に防止され、その結果、隣接
する金属回路板間の電気的絶縁が確実となりセラミック
回路基板を安定して信頼性よく作動させることが可能と
なる。

【００１０】

【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、図２はその要部拡大図
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。

【００１１】前記セラミック基板１は四角形状をなし、
その上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がロウ付けされてい
る。

【００１２】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、ムライト質焼結体等の電気絶縁材料で
形成されている。

【００１３】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。

【００１４】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。

【００１５】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。

【００１６】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にな
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。

【００１７】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。

【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、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、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：１
２重量％）等から成るロウ材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℃、アルミニウムロウ
材の場合は約６００℃）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セラミック基板
１の表面に取着されることとなる。

【００１９】前記銅やアルミニウム等から成る金属回路
板３は、銅やアルミニウム等のインゴット（塊）に圧延
加工法等の薄板形成法により金属板を製作した後、打ち
抜き加工法等の従来周知の金属加工法や金属板の表面に
感光性樹脂から成るレジスト層を被着させ所定パターン
に露光・現像した後エッチングすることによって所定形
状のレジストパターンを形成し、その後金属板にエッチ
ングを施すことによって金属板を所定形状に形成する、
いわゆるフォトエッチング法等の加工方法を施すことに
よって、例えば、厚さが５００μｍ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。

【００２０】前記金属回路板３はまた銅から成る場合、
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ロウ材４と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。

【００２１】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。

【００２２】また前記金属回路板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。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】更に本発明のセラミック回路基板において
は、図２に示すごとく前記金属回路板３に印加される電
圧が４００Ｖ以上、隣接する金属回路板３間の距離が
１．５ｍｍ以下である場合、前記金属回路板３の上面外
周角部３ａを曲率半径が０．０５ｍｍ以上の円弧状とし
ておくことが重要である。

【００２６】前記金属回路板３の上面外周角部３ａはそ
の曲率半径が０．０５ｍｍ未満となると前記金属回路板
３の上面外周角部３ａに電荷が集中してしまい、隣接す
る金属回路板３間に放電が発生し金属回路板３間の電気
的絶縁が破壊され、セラミック回路基板を安定して信頼
性よく作動させることができなくなる。よって前記金属
回路板３の上面外周角部３ａは曲率半径が０．０５ｍｍ
以上の円弧状に特定されることとなる。

【００２７】なお、前記金属回路板３の上面外周角部３
ａは曲率半径が０．５ｍｍを超えると金属回路板３の上
面に搭載されるＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔ
ｅＢｉｐｏｌｏｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やパワート
ランジスター等の電子部品を搭載する領域を確保するた
め前記金属回路板３を大きく形成する必要がありセラミ
ック回路基板を小型、高密度化することができなくなっ
たり、前記電子部品を金属回路板３に接着固定する半田
等の接着剤が金属回路板３の側面へ流れ出しやすくな
り、接着剤の厚みが薄くなることから電子部品の金属回
路板３への接着強度が劣化する可能性があり、前記金属
回路板３の上面外周角部３ａは曲率半径を０．５ｍｍ以
下としておくのが好ましく、より好適には０．１ｍｍ以
下とすることがよい。

【００２８】前記金属回路板３の上面外周角部３ａを曲
率半径が０．０５ｍｍ以上の円弧状となす方法として
は、金属回路板３にアルミナ等の粉末砥粒を吹き付ける
ブラスト法、金属回路板３を酸溶液に浸漬する酸エッチ
ング法等があるが、金属回路板３に加工ひずみを発生さ
せにくく寸法精度良く加工できることから金属回路板３
にアルミナ等の粉末砥粒を適量添加した水等の水溶液を
吹き付けるウエットブラスト法が好適に用いられる。

【００２９】前記ウエットブラスト法は、具体的には、
粒径２０〜２５０μｍのアルミナ球状粉末等の砥粒を適
量添加した水等の溶液を０．１〜０．５ＭＰａの吹きつ
け圧力で金属回路板３の上面に１〜１０分間吹き付ける
ことによって実施され、このウエットブラスト処理によ
り金属回路板３の上面外周角部３ａを曲率半径が０．０
５ｍｍ以上の円弧状となすことができる。

【００３０】前記ウエットブラスト処理において、アル
ミナ球状粉末の粒径が２０μｍ未満となると金属回路板
３の上面外周角部３ａを効率よく曲率半径０．０５ｍｍ
以上の円弧状となすことが困難となり、また２５０μｍ
を超えると金属回路板３の表面に２０ＭＰａを超える残
留応力が内在し、セラミック基板１に金属回路板３を安
定して強固に接合させることができなくなる危険性があ
る。従って、前記アルミナ球状粉末の粒径は２０〜２５
０μｍの範囲としておくことが好ましい。

【００３１】また前記吹きつけ圧力は０．１ＭＰａ未満
となると金属回路板３の上面外周角部３ａを効率よく曲
率半径０．０５ｍｍ以上の円弧状となすことが困難とな
り、また０．５ＭＰａを超えると金属回路板３の表面に
２０ＭＰａを超える残留応力が内在し、セラミック基板
１に金属回路板３を安定して強固に接合させることがで
きなくなる危険性がある。従って、前記吹きつけ圧力は
０．１〜０．５ＭＰａの範囲としておくことが好まし
い。

【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り、例えば、本発明のセラミック
回路基板はセラミック基板の上面に取着されている金属
回路板のすべての上面外周角部が円弧状に加工されてい
るものに限定されるものではなく、４００Ｖ以上の電圧
が印加されない金属回路板、隣接距離が１．５ｍｍ以上
の金属回路板には上面外周角部を円弧状に形成する必要
はないことから４００Ｖ以上の電圧が印加され、かつ隣
接する距離が１．５ｍｍ以下の金属回路板のみ上面外周
角部に円弧状の加工を施し、４００Ｖ以上の電圧が印加
されず、また隣接距離が１．５ｍｍ以上の金属回路板は
そのままとして上面外周角部を円弧状に形成した金属回
路板と上面外周角部が円弧状に形成されていない金属回
路板を併設したものであってもよい。

【００３３】また、上述の実施例ではセラミック基板が
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
ック基板を誘電率の低いムライト質焼結体で形成すれば
良い。

【００３４】さらに、上述の実施例ではセラミック基板
の表面に予めメタライズ金属層を被着させておき、該メ
タライズ金属層に金属回路板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
属回路板を取着させてセラミック回路基板を形成しても
よい。

【００３５】

【発明の効果】本発明のセラミック回路基板によれば、
前記金属回路板の上面外周角部を曲率半径が０．０５ｍ
ｍ以上の円弧状としたことから金属回路板の上面角部に
電荷が集中することがなく、金属回路板に４００Ｖ以上
と高電圧な電流が印加され、隣接する金属回路板間の距
離が１．５ｍｍ以下に狭くしたとしても金属回路板間に
放電が発生することは効果的に防止され、その結果、隣
接する金属回路板間の電気的絶縁が確実となりセラミッ
ク回路基板を安定して信頼性よく作動させることが可能
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。

【図２】図１に示すセラミック回路基板の要部断面図で
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 ３ａ・・・金属回路板の上面外周角部 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複数の金属回路板
   を取着して成るセラミック回路基板であって、前記複数
   の金属回路板に印加される電圧が４００Ｖ以上、隣接す
   る金属回路板間の距離が１．５ｍｍ以下、金属回路板の
   上面外周角部の曲率半径が０．０５ｍｍ以上の円弧状で
   あることを特徴とするセラミック回路基板。