JP2003031733A

JP2003031733A - セラミックス基板およびそれを用いた回路基板

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Publication number: JP2003031733A
Application number: JP2001210948A
Authority: JP
Inventors: Norio Nakayama; 山憲隆中; Takao Shirai; 井隆雄白; Takayuki Naba; 波隆之那
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-07-11
Filing date: 2001-07-11
Publication date: 2003-01-31
Anticipated expiration: 2021-07-11
Also published as: JP5075308B2

Abstract

(57)【要約】【課題】機械的特性がすぐれ、実装信頼性が優れたセ
ラミックス基板およびセラミックス回路基板の提供【解決手段】基板側面部の表面粗さが、Ｒａ０．３〜
０．７μｍであり、Ｒｍａｘが３．０〜７．０μｍであ
ることを特徴とするセラミックス基板、およびこのセラ
ミックス基板の両面に金属板が接合された、セラミック
ス回路基板。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、セラミックス基板
およびセラミックス回路基板に関するものである。さら
に詳細には、本発明は、高出力トランジスタやパワーモ
ジュールなどの実装に使用されるセラミックス基板およ
びセラミックス回路基板に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】セラミックス基板は従来から各用途に使
用されており、基板の少なくとも片面に電気回路を形成
したセラミックス回路基板は、各種の電子素子等の実装
に使用されている。このようなセラミックス回路基板、
特に高出力トランジスタや各種パワー素子などの実装に
使用されるセラミックス基板には、高い実装信頼性が要
求されている。

【０００３】このため、基板の機械的特性、例えば抗折
強度および靱性については、一定水準以上の特性が求め
られている。セラミックス基板は、単に機械的特性が良
好であるばかりでなく、基板状に実装された半導体素子
等の熱を効率よく発散させるために、熱伝導性が良好
（即ち、熱抵抗が低い）であることも同時に求められて
いる。従って、セラミックス基板は、機械的特性と熱抵
抗の双方を同時に高いレベルで満足させる必要がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】一般に、セラミックス
基板は、セラミックスの原料粉末と必要に応じて焼結助
剤およびバインダーとを混合し、これを例えばドクター
ブレード法等によってシート状に成形し、この成形体を
例えばプレス機等で打抜いた後に焼結するか、あるいは
前記のシート状の成形体を焼結して、この焼結体に例え
ばレーザー加工によってスクライブ加工を施しこれに沿
って焼結体を分割することによって、製造されている。

【０００５】上記のシート状の成形体をプレス機等で打
抜いた後に焼結する方法は、プレス打抜きの際にバリ等
が発生する頻度が大きくなり、一方、スクライブ加工を
施し、これをスクライブを利用して焼結体を分割する方
法は、基板側面部の表面粗さがレーザー加工によるスポ
ットとそれ以外の部分とで大きく変わってしまうことが
ある。

【０００６】セラミックス基板には高い機械的特性およ
び信頼性が求められていることは前記の通りである。し
かし、セラミックス基板は、その製造時において、セラ
ミックスシート（成形体）のプレス打抜きや、焼結工
程、焼結体の分割工程等の工程履歴を受けるため、回路
基板の側面部の形状ないしその表面特性は安定せず、側
面部の形状のばらつき（例えば、表面粗さのばらつき）
に対する対策は十分でなかった。このような側面の形状
のばらつきが生じると、同じ製法により製造したセラミ
ックス基板であるにも関わらず、個々のセラミックス基
板の強度のばらつきが大きかった。

【０００７】セラミックス回路基板は、電子素子等を実
装した後においても様々な熱的変化ならびに振動等の機
械的負荷にさらされる。温度変化や振動あるいはセラミ
ックス基板と電気回路として形成された金属板との熱膨
張係数の違いによる応力を繰り返し受けることにより、
実装信頼性の低下が見られた。つまりは、個々に強度に
ばらつきのあるセラミックス基板を回路基板に用いる
と、熱応力を繰返し受けたときにセラミックス回路基板
の強度のばらつきが更に大きくなってしまっていた。

【０００８】このようなことから同じ製法により製造し
たセラミックス基板を用いた回路基板であるにも関わら
ず、熱応力に対する耐久性にはばらつきがあり、その結
果、実装信頼性にもばらつきが生じていた。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、機械的特性お
よび信頼性がすぐれたセラミックス基板およびセラミッ
クス回路基板を提供するものである。

【００１０】したがって、本発明によるセラミックス基
板は、基板側面部の表面粗さが、Ｒａ０．３〜０．７μ
ｍであり、Ｒｍａｘが３．０〜７．０μｍであること、
を特徴とするものである。

【００１１】そして、本発明によるセラミックス回路基
板は、上記のセラミックス基板の両面に金属板が接合さ
れたものであること、特徴とするものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明によるセラミックス基板
は、基板側面部の表面粗さが、Ｒａ０．３〜０．７μｍ
であり、Ｒｍａｘが３．０〜７．０μｍであること、を
特徴とするものである。

【００１３】ここで、本発明において表面粗さを規定す
るＲａおよびＲｍａｘは、それぞれセラミックス基板の
各側面部の任意の３カ所を測定し、その平均値をもって
示すものとする。例えば、直方体形状のセラミックス基
板である場合、直方体の４つの側面部のそれぞれについ
て３カ所を測定し、これらの合計１２カ所（４側面×３
個所）の測定結果の平均値によって、ＲａおよびＲｍａ
ｘを示すものとする。

【００１４】また、セラミックス基板の側面部のうち、
最も大きなＲａを有する第一の側面部におけるＲａをＲ
ａ１とし、最も小さなＲａを有する第二の側面部におけ
るＲａをＲａ２としたとき、（Ｒａ１）≦２（Ｒａ２）
の関係式を満たすものであることが好ましい。

【００１５】前述のように本発明の側面部の表面粗さＲ
ａとは個々の側面部の表面粗さの平均値により示される
ものである。本発明は、このような方法により測定され
た側面部の表面粗さＲａが所定の値であれば効果が得ら
れるものであるが、個々の側面部の表面粗さＲａがあま
り違いすぎると強度のばらつきを改善し難くなる。その
ため、個々の側面部の表面粗さＲａにおいて、最も大き
なＲａを示す側面部のＲａをＲａ１、最も小さなＲａを
示す側面部のＲａをＲａ２としたとき、（Ｒａ１）≦２
（Ｒａ２）の範囲内となるよう研磨加工を施すことが好
ましい。

【００１６】本発明でのセラミックス基板は、従来から
一般的に用いられている各種のセラミックス基板材料か
ら形成することができる。例えば、好ましくは窒化アル
ミニウム、窒化珪素、アルミナ、およびアルミナとジル
コニアの化合物の少なくとも１種を主成分とするセラミ
ックス材料から形成することができる。このうち、熱伝
導性の観点からは窒化アルミニウムを主体とする基板材
料から形成されたものが好ましく、強度等の観点からは
窒化ケイ素を主体とする基板材料から形成されたものが
好ましい。また、アルミナとジルコニアの化合物とはア
ルミナとジルコニアの合計量に対し、アルミナを２０〜
８０質量％含有したものである。

【００１７】このようなセラミックス基板材料は、必要
に応じ、焼結助剤として各種の希土類化合物、好ましく
は例えばイットリウム（Ｙ）、イッテルビウム（Ｙ
ｂ）、エルビウム（Ｅｒ）、セリウム（Ｃｅ）の酸化物
等を含有することができる。本発明において特に好まし
い希土類化合物の種類およびその添加量は、セラミック
ス基板材料の種類、セラミックス回路基板の要求性能等
に応じて決定することができる。例えば、窒化アルミニ
ウムを主成分とし、特に熱伝導性が高いセラミックス基
板を得る場合には、焼結助剤として酸化イットリウムを
２〜５質量％使用することが好ましい。例えば、窒化珪
素を主成分とし、特に機械的特性が高いセラミックス基
板を得る場合には、焼結助剤として酸化イットリウム、
酸化イッテルビウム、酸化エルビウムの少なくとも１種
を２〜１７質量％使用することが好ましい。

【００１８】なお、本発明は焼結助剤として一種類の希
土類化合物であっても所定の特性が得られるものである
が、複数の焼結助剤を組合せたものを排除するものでな
いことは言うまでもない。また、必要に応じチタン（Ｔ
ｉ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タ
ングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）等の金属元素ま
たは酸化物、窒化物等の黒色化材等を添加してよいこと
は言うまでもない。

【００１９】前記のセラミックス原料粉末と焼結助剤と
の混合は常法に従って行うことができる。本発明でば、
例えばボールミル等を使用して前記の窒化アルミニウム
粉末と希土類化合物との混合を行うことができる。混合
に際しては、必要に応じて、各種の補助材料を配合する
ことができる。本発明では、この種のセラミックス基板
の製造において従来から使用されてきた補助材料、例え
ばバインダーとして作用する各種の炭素質物質を配合す
ることができる。そのような炭素質物質の好ましい具体
例としては、アクリル樹脂等の有機物バインダーを挙げ
ることができる。

【００２０】前記のセラミックス原料粉末、希土類化合
物粉末および必要に応じて配合された補助材料の混合物
は、その後、例えばドクターブレード法等によってシー
ト状に成形される。得られたシート状の成形体は、最終
的に所望の大きさおよび形状のセラミックス基板が得ら
れるように、打抜き加工したのちに焼結工程に付すこと
ができ、またシート状で焼結工程に付したのちに、得ら
れたシート状焼結体を所望の大きさおよび形状に分割す
ることもできる。

【００２１】上記のシート状成形体（この成形体は、所
望の大きさおよび形状に打抜き加工されているもの、お
よび所望の大きさおよび形状に分割されていないものの
両者を含む）は、必要に応じ脱脂工程に付された後、焼
結される。脱脂工程は、例えば３００〜８００℃×１〜
５時間が好ましい。脱脂工程の温度や処理時間はセラミ
ックス基板のサイズおよび種類等に応じて適宜選択する
ことができる。焼結温度は、好ましくは１６００〜１９
５０℃の範囲内である。焼結温度および焼結時間は、成
形体の形状、大きさ、成形体の密度、焼成体の強度、硬
度、具体的用途や、焼結温度及び焼結時間との関連性を
考慮したうえで、上記範囲内で最も適当な条件を具体的
に定めることができる。

【００２２】上記のようにして得られたセラミックス焼
結体は、必要に応じ、所望の大きさおよび形状に分割さ
れる。セラミックス焼結体の分割は、例えばレーザー等
によってセラミックス焼結体に線状ないし点状に切れ込
み（スクライブラインまたはスクライブドット）を入
れ、これに沿って応力を印加することによって分割する
ことができる。また、セラミックス焼結体は、所望の回
路パターンが得られるように、その片面または両面の少
なくとも一部に金属板を積層する。ここで、セラミック
ス焼結体の分割と金属板の積層は、どちらを先に行って
も良い。即ち、金属板を積層した後に分割することもで
きるし、分割した後に金属板を積層することもできる。
また、金属板の積層を複数回に分け、一部の回路を形成
した後に分割しその後残りの回路を形成するようにする
こともできる。金属板は、従来から一般的に用いられて
きたものを使用することができる。好ましくは、例えば
銅、アルミニウムの少なくとも１種を主成分とする金属
から形成された金属板を使用することができる。セラミ
ックス基板への金属板の接合は、活性金属法および直接
接合法によって行うことができる。

【００２３】本発明によるセラミックス基板およびセラ
ミックス回路基板は、その基板側面部の表面粗さが、Ｒ
ａ０．３〜０．７μｍであり、Ｒｍａｘが３．０〜７．
０μｍであることが必要である。基板側面部の表面粗さ
が上記範囲内であることによって、セラミックス基板の
強度のばらつきが低減できるため高い機械的特性および
信頼性を得ることができるようになる。

【００２４】基板側面部を上記範囲内のものとする操作
は、数々の方法によって行うことができる。最も好まし
い方法としては、研磨加工によるものを挙げることがで
きる。例えば、基板側面部を平面研削盤などによって研
磨加工をすることができる。なお、この研磨加工は、金
属板を積層する前に行うこともできるし、金属板を積層
した後に行うこともできる。本発明において好ましいの
は前者である。

【００２５】本発明によるセラミックス基板およびセラ
ミックス回路基板は、その基板の少なくも一側面部が前
記の表面粗さを有しているものであるが、本発明の好ま
しいのは基板の全ての側面部が前記の表面粗さを有して
いるものである。その中でも、側断面図の表面粗さのば
らつきが少ないもの、特にセラミックス基板の側面のう
ち、最も大きなＲａを有する第一の側面部におけるＲａ
をＲａ１とし、最も小さなＲａを有する第二の側面部に
おけるＲａをＲａ２としたとき、（Ｒａ１）≦２（Ｒａ
２）の関係式を満たすもの、が特に好ましい。

【００２６】図１は、本発明によるセラミックス回路基
板の一例を示すものである。

【００２７】図１に示されるセラミックス回路基板１で
は、セラミックス基板１上の少なくとも一部に金属板２
が形成されている。セラミックス回路基板１の側面部
は、Ｒａ０．３〜０．７μｍ、Ｒｍａｘが３．０〜７．
０μｍの範囲内になるように研磨加工がなされている。

【００２８】このような本発明によるセラミックス回路
基板は、機械的特性がすぐれたものであって、電子素子
等を実装した後の様々な熱的変化ならびに振動等を繰り
返し受けた際に従来みられた実装信頼性の低下の問題が
抑制されたものである。

【００２９】図２は、従来のセラミックス回路基板の一
例を示すものである。図２に示すように、従来のセラミ
ックス回路基板の側断面は、表面特性が安定しておら
ず、用途によっては十分な実装信頼性が得られなかっ
た。

【００３０】

【実施例】＜実施例１〜８、比較例１＞主成分となるセ
ラミックス粉末、必要に応じ焼結助剤粉末および有機物
バインダー等とを混合し、得られたスラリーをドクター
ブレード法によって、シート状に厚さ１．２ｍｍに成形
した。この成形体をプレスして長方形状に打ち抜いたも
のを脱脂、焼結を行って、縦５０ｍｍ×横５０ｍｍ×厚
さ１ｍｍのセラミックス基板形状とした後、セラミック
ス基板の側面部（外周面部分）について、研磨加工を行
い、表１に示す表面粗さＲａおよびＲｍａｘを測定し
た。側面部の表面粗さＲａおよびＲｍａｘが所定の範囲
内の基板と、比較のためにＲａおよびＲｍａｘが本発明
の範囲外のものを用意した。

【００３１】このような基板を１００枚用意し、３点曲
げ強度とそのばらつきを測定した。このばらつきは、各
基板の平均値に対する最大値と最小値とをパーセントで
表した。

【００３２】

【表１】表１に示した通り、セラミックス基板の基板側面部のＲ
ａおよびＲｍａｘが本発明の範囲内のものは３点曲げ強
度のばらつきが小さかったが、比較例１の基板はばらつ
きが大きかった。特に平均値に対して低いものできてし
まうのは問題である。なお、３点曲げ強度：ＪＩＳ‐Ｒ
‐１６０１に従って測定したものである。

【００３３】＜実施例９〜１６、比較例２＞実施例１〜
８および比較例１のセラミックス基板を用い、両面に金
属板を接合した。表面は回路板として２０ｍｍ×２０ｍ
ｍ×０．３ｍｍの金属板を２枚、裏面には反り防止など
の裏金属板として４０ｍｍ×２０ｍｍ×０．３ｍｍの金
属板を１枚接合した。

【００３４】各セラミックス回路基板に対し、ＴＣＴ特
性を測定した。ＴＣＴ特性は、−４０℃×３０分 →
２５℃×１０分 → １２５℃×３０分 → ２５℃×
１０分を１サイクルとし、１００サイクル後のセラミッ
クス回路基板の３点曲げ強度のバラツキを測定した。な
お、３点曲げ強度のばらつきについては、実施例１と同
様の方法により測定した。

【００３５】接合方法の「活性金属法」は、69wt%Ａｇ
−28wt%Ｃｕ−3wt%Ｔｉろう材を用いた接合方法でああ
り、「直接接合法」はＤＢＣ法である。また、窒化アル
ミニウム（ＡｌＮ）および窒化硅素（Ｓｉ_３Ｎ_４）の窒
化物系セラミックス基板においてＤＢＣ法を用いる場合
は、厚さ１．０μｍの酸化膜を基板に設けたあとに接合
を行った。

【００３６】

【表２】表２に示した通り、セラミックス基板を用いたセラミッ
クス回路基板はＴＣＴの１００サイクル後の３点曲げ強
度のばらつきが小さいことが分かる。

【００３７】それに対し、比較例２は、３点曲げ強度の
低下度合いが大きく、回路基板としての信頼性が劣るこ
とが分かる。

【００３８】＜実施例１７〜１９、比較例３＞セラミッ
クス焼結体に対しレーザー加工によりスクライブ溝を形
成した。その後、各焼結体を上記のスクライブ溝部分で
ブレイクすることによって、複数のセラミックス基板を
得た。各基板に対し、その側面部を研磨した後、各セラ
ミックス基板に対し、69wt%Ａｇ−28wt%Ｃｕ−3wt%Ｔｉ
ろう材を用いた活性金属法により銅板を接合することに
よって、本発明の実施例に係るセラミックス回路基板を
製造した。なお、実施例１７〜１９に係るセラミックス
基板の側面部のＲａは０．５μｍであり、Ｒｍａｘは６
μｍに統一した。

【００３９】比較例３として、側面部を研磨しないこと
以外は実施例１７と同様にして、セラミックス回路基板
を製造した。比較例３のセラミックス基板の側面部はス
クライブ穴形状がそのまま残ってしまっているので、Ｒ
ａおよびＲｍａｘは本発明の範囲外となっている。

【００４０】各セラミックス回路基板に対し、実施例９
と同様のＴＣＴ試験を行い、３点曲げ強度のバラツキを
測定した。

【００４１】

【表３】表３から分かる通り、本実施例にかかるセラミックス基
板はＴＣＴ試験後の強度の低下が小さいことが分かっ
た。

【００４２】＜実施例２０〜２４＞セラミックス基板の
側面部のＲａの最大値と最小値の差を表４のように変え
た場合のセラミックス基板の３点曲げ強度のバラツキを
測定した。なお、ここでの最大値、最小値とは、一つの
側面部におけるＲａを３点測定したときの平均値による
値と、他の側面部のＲａの平均値を比べたものである。
言い換えると、一つのセラミックス基板において、個々
の側面部のＲａの平均値を比べたものである。

【００４３】

【表４】表４から分かる通り、一つの基板の側面部において、Ｒ
ａの値の最大値と最小値の差を無くすことにより、３点
前曲げ強度のバラツキも小さくすることができることが
分かった。特に、基板の強度が窒化硅素基板の６５０〜
１２００ＭＰａと比べて、３００〜５５０ＭＰａ程度と
小さい窒化アルミニウム基板においては有効であること
が分かった。

【００４４】

【発明の効果】本発明によるセラミックス基板およびセ
ラミックス回路基板は、強度のばらつきを低減したもの
であって、電子素子等を実装した後の様々な熱的応力を
繰り返し受けた際に従来みられた実装信頼性の低下の問
題が抑制されたものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるセラミックス回路基板の一例を示
す図

【図２】従来のセラミックス回路基板を示す図

【符号の説明】

１セラミックス回路基板２金属板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者那波隆之兵庫県揖保郡太子町鵤300番地株式会社東芝姫路半導体工場内Ｆターム(参考） 4G026 BA03 BA05 BA16 BA17 BB22 BB27 BD12 BF16 BH07 5E338 AA01 AA02 AA18 BB63 BB65 BB71 CC01 EE01 EE02 EE26

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板側面部の表面粗さが、Ｒａ０．３〜
０．７μｍであり、Ｒｍａｘが３．０〜７．０μｍであ
ることを特徴とする、セラミックス基板。
【請求項２】窒化アルミニウム、窒化珪素、アルミナ、
およびアルミナとジルコニアの化合物の少なくとも１種
を主成分とするセラミックス材料から形成されたもので
あることを特徴とする、請求項１に記載のセラミックス
基板。
【請求項３】研磨加工を施すことによって、基板側面の
表面粗さをＲａ０．３〜０．７μｍ、Ｒｍａｘを３．０
〜７．０μｍとしたものであることを特徴とする、請求
項１または請求項２に記載のセラミックス基板。
【請求項４】セラミックス基板の側面のうち、最も大き
なＲａを有する第一の側面部におけるＲａをＲａ１と
し、最も小さなＲａを有する第二の側面部におけるＲａ
をＲａ２としたとき、（Ｒａ１）≦２（Ｒａ２）の関係
式を満たすものであることを特徴とする、請求項１乃至
請求項３のいずれか１項に記載のセラミックス基板。
【請求項５】請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記
載のセラミックス基板の両面に金属板が接合されたもの
であることを特徴とする、セラミックス回路基板。
【請求項６】金属板が、銅、アルミニウムの少なくとも
１種を主成分とする金属から形成されたものであること
を特徴とする、請求項５に記載のセラミックス回路基
板。
【請求項７】セラミックス基板の両面に接合された金属
板のいずれもが電気回路として使用されるものであるこ
とを特徴とする、請求項５または請求項６に記載のセラ
ミックス回路基板。