JP2003198077A - セラミック回路基板 - Google Patents
セラミック回路基板Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 金属回路板に信号端子を接合するときに、セ
ラミック基板に微小な部分的クラックが生じて、セラミ
ック回路基板の機械的強度が低下してしまう。 【解決手段】 セラミック基板１の上面に金属回路板２
を接合して成り、金属回路板２の表面に超音波接合法で
信号端子３を直接接合したセラミック回路基板におい
て、金属回路板２の信号端子３が接合される部位の厚み
が0.2〜１ｍｍで他の部位より厚くされており、信号端
子３の金属回路板２に接合される部位の厚みが0.3〜２
ｍｍであるものとした。信号端子３を超音波接合により
接合したときの高圧力と高熱とを良好に吸収して分散す
ることができるため、セラミック基板１にクラックを生
じない。
ラミック基板に微小な部分的クラックが生じて、セラミ
ック回路基板の機械的強度が低下してしまう。 【解決手段】 セラミック基板１の上面に金属回路板２
を接合して成り、金属回路板２の表面に超音波接合法で
信号端子３を直接接合したセラミック回路基板におい
て、金属回路板２の信号端子３が接合される部位の厚み
が0.2〜１ｍｍで他の部位より厚くされており、信号端
子３の金属回路板２に接合される部位の厚みが0.3〜２
ｍｍであるものとした。信号端子３を超音波接合により
接合したときの高圧力と高熱とを良好に吸収して分散す
ることができるため、セラミック基板１にクラックを生
じない。
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
接合された金属回路板に信号端子を超音波接合法によっ
て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の場合には、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作製する。 【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、これに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、所定寸法に成形
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℃の温度に加熱してロウ材を溶融させ、
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等
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。 【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等で電気的に接続す
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
ている。例えば、超音波接合法による金属回路板と信号
端子との接合は、金属回路板に接触させた信号端子の接
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の接合部との間に相互拡
散による固相接合を起こすことによって行なわれる。 【００１１】 【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
触させた信号端子の接合部の表面に約10〜50ＭＰａの圧
力で超音波発振ホーンを押圧した場合、この高圧力が部
分的に信号端子の接合部分の直下のセラミック基板に直
接付加されることになる。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の接合部分の
直下のセラミック基板に直接付加されることになる。こ
のため信号端子の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
性が著しく劣化するという問題点を有していた。 【００１２】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へのクラック発生を防止することに
より、機械強度が低下せずに、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。 【００１３】 【課題を解決するための手段】本発明は、セラミック基
板の上面に金属回路板を接合して成り、金属回路板の表
面に超音波接合法で信号端子を直接接合したセラミック
回路基板において、金属回路板の信号端子が接合される
部位の厚みが0.2〜１ｍｍで他の部位より厚くされてお
り、前記信号端子の前記金属回路板と接合される部位の
厚みが0.3〜２ｍｍであることを特徴とするものであ
る。 【００１４】本発明のセラミック回路基板によれば、信
号端子が接合される部位の金属回路板の厚みを0.2〜１
ｍｍで他の部位より厚くしており、信号端子の接合され
る部位の厚みを0.3〜２ｍｍとしたことから、信号端子
を超音波接合により接合するときの高圧力を金属回路板
が良好に吸収し、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。また、超音波振動で発生す
る瞬間的な500℃以上の高熱を分散して下方向（セラミ
ック基板の方向）に伝達することにより、直下のセラミ
ック基板への高熱の集中付加を抑制することができ、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、セラミック回路基板の機械強度が劣化することな
く、信頼性の高いセラミック回路基板とすることができ
る。 【００１５】また、本発明のセラミック回路基板によれ
ば、信号端子が接合される部位の金属回路板の厚みを0.
2〜１ｍｍで他の部位より厚くしたことから、この信号
端子が接合される部位が超音波接合により接合するとき
の位置ターゲットとして作用し、信号端子を高精度に金
属回路板に接合することができる。 【００１６】さらに、本発明のセラミック回路基板によ
れば、金属回路板に直接に信号端子を接合したことか
ら、高価な信号端子一体成型樹脂ケースを用いる必要が
なく、安価で生産性に優れた半導体素子モジュール用の
セラミック回路基板を得ることができる。 【００１７】 【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。 【００１８】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は信号端子である。 【００１９】セラミック基板１は略四角形状をなし、そ
の上面に金属回路板２が接合されている。 【００２０】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。 【００２１】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、その泥漿物に従来
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。 【００２２】セラミック基板１はその上面に金属回路板
２が接合されている。 【００２３】また、セラミック基板１はその厚みを0.2
〜１ｍｍとすることが、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、半導体素子から発生す
る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に金属回路板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、１ｍｍを超えると、搭
載される半導体素子から発生する熱を１良好に放熱する
ことが困難となる傾向がある。 【００２４】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、また、セラミック基板１の上面に例えば
ロウ材を介して以下のようにして接合される。 【００２５】例えば、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の上下面に従来
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。 【００２６】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の上
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の上面に金属回路板２が接合されることとな
る。 【００２７】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・打ち抜き加工法・切削加工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。金属回路板２
の厚さは、高電流信号を伝達するための電気抵抗を低く
する点や、セラミック基板１と接合したときのセラミッ
ク基板１の割れを防止する点で0.1〜１ｍｍが好まし
い。0.1ｍｍ未満では、電気抵抗が大きくなるため高電
流信号が流れにくくなる傾向がある。他方、１ｍｍを超
えると、セラミック基板１と金属回路板２や金属板３と
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。 【００２８】このとき、金属回路板２の信号端子３が接
合される部位の厚みは、0.2〜１ｍｍの厚みで、他の部
位より厚くするように加工することが、信号端子３を接
合したときのセラミック基板１の割れ防止の点で好まし
い。金属回路板２の信号端子３が接合される部位の厚み
が0.2ｍｍ未満の場合には、信号端子３を超音波接合す
るときの高圧力を吸収しにくくなりやすい傾向があり、
セラミック基板１に微小な部分的クラックが生じやすく
なる。他方、１ｍｍを超えると、セラミック基板１と金
属回路板２と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。 【００２９】セラミック基板１は各種セラミック焼結体
を採用することが可能であるが、なかでも金属回路板２
を接合したときの応力を吸収し、信号端子３を接合する
ときの高圧力を吸収するために、強度の高い窒化珪素質
焼結体とすることが好ましい。 【００３０】また、金属回路板２は、この窒化珪素質焼
結体との接合性（ロウ材との濡れ性）が良好であること
から銅とすることが好ましい。さらに、これを無酸素銅
で形成しておくと、この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
性金属ロウ材との濡れ性がより良好となり、セラミック
基板１への活性金属ロウ材を介しての接合が強固とな
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】セラミック基板１の下面には、金属回路板
２をセラミック基板１へ接合するときや、半導体素子搭
載のための半田リフロー時の加熱による反りを抑制する
ために、金属板（図示せず）を接合してもよい。 【００３２】このとき、金属回路板２と金属板の材質は
同じ材質にし、また金属回路板２と金属板の厚み関係
は、金属板の厚みを金属回路板２より薄くすることが好
ましい。これは、金属回路板２は回路配線形成のために
パターニングされているため、金属板と同じ厚みでは反
り等の抑制効果が小さくなりやすいためである。 【００３３】金属回路板２の所定位置には、信号端子３
が超音波接合法により接合されている。 【００３４】信号端子３は、銅やアルミニウム等の金属
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・打ち抜き加工法・切削加工等の従来周知の金
属加工法を施すことによって、例えば、厚さが0.3〜２
ｍｍのＬ型形状に加工される。 【００３５】信号端子３の厚みは、0.3〜２ｍｍの厚み
にすることが、信号端子３を接合したときのセラミック
基板１の割れ防止の点で好ましい。信号端子３の厚みが
0.3ｍｍ未満の場合には信号端子３を超音波接合すると
きの高圧力を吸収しにくくなりやすい傾向があり、セラ
ミック基板１に微小な部分的クラックが生じやすくな
る。他方、２ｍｍを超えると、超音波振動が接合界面ま
で作用しにくくなりやすい傾向があり、金属回路板２と
信号端子３との接合強度が弱くなりやすい傾向がある。 【００３６】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。 【００３７】信号端子３の金属回路板２への接合は、具
体的には信号端子３を金属回路板２の接合部位に接触配
置させ、超音波発振ホーンを10〜50ＭＰａの圧力で押圧
しながら振動数20〜50ｋＨｚ、振幅20〜50μｍの超音波
振動を0.1〜1.0秒間印加し、相互拡散による固相接合に
より行なわれる。 【００３８】 【実施例】以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明す
る。 【００３９】まず、セラミック基板として、厚みが0.5
ｍｍで大きさが50ｍｍ□の酸化アルミニウム基板を準備
した。 【００４０】次に、銀−銅合金粉末97重量％と水素化チ
タン粉末３重量％と有機バインダ・溶剤とを混練して活
性金属ロウ材ペーストを調製した。その後、酸化アルミ
ニウム基板の表面に活性金属ロウ材ペーストを所定パタ
ーン形状に塗布乾燥させた。 【００４１】この酸化アルミニウム基板に、表１に示す
厚みの無酸素銅板を接触配置して、雰囲気10-3Ｐａの真
空中、温度850℃、時間１ｈｒの熱処理をすることによ
り接合した。その後、各セラミック回路基板の外観状態
を20倍の拡大顕微鏡を用いてセラミック部分を観察し
て、クラックの発生しているものを×で表示した。 【００４２】このようにして作製したセラミック回路基
板に、表１に示す厚みの幅５ｍｍのＬ字型信号端子（無
酸素銅）を超音波接合した。ここでは、超音波発振ホー
ンを30ＭＰａの圧力で押圧しながら振動数30ｋＨｚ、振
幅35μｍの超音波振動を0.5秒間印加して超音波接合し
た。 【００４３】その後、各セラミック回路基板の外観状態
を20倍の拡大顕微鏡を用いてセラミック部分を観察し
て、クラックの発生しているものを×で表示した。以上
の観察結果を表１に示す。 【００４４】次に、金属回路板と信号端子との接合強度
を、信号端子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
求めた。この接合強度が１ｋＮ／ｍ以下のものを×で表
示した。 【００４５】 【表１】【００４６】表１に示す結果より、金属回路板の信号端
子が接合される部位の厚みが、比較例１のように0.2ｍ
ｍ未満ではセラミック部分にクラックが生じていること
が分かる。また、比較例２のように１ｍｍ以上では活性
金属接合したときにすでにセラミック部分にクラックが
生じていた。 【００４７】また、信号端子の厚みが、比較例３のよう
に0.3ｍｍ未満では信号端子の強度が弱く簡単に折れ曲
がってしまった。また、比較例４・５のように２ｍｍを
超えると超音波振動が接合界面まで充分に伝播せず、相
互拡散が弱いため信号端子が簡単に剥離した。 【００４８】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。 【００４９】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
ロウ付けしてセラミック回路基板を形成したが、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
セラミック回路基板を形成してもよい。 【００５０】さらに、上述の実施の形態の例では打ち抜
きや切削加工により金属回路板の信号端子が接合される
部位の厚みをあらかじめ0.2〜１ｍｍとしたが、金属回
路板をセラミック基板に接合した後、塩化第二鉄溶液等
の薬液でエッチング処理することにより、金属回路板の
信号端子が接合される部位の厚みを0.2〜１ｍｍに加工
してもよい。 【００５１】 【発明の効果】本発明のセラミック回路基板によれば、
信号端子が接合される部位の金属回路板の厚みを0.2〜
１ｍｍで他の部位より厚くしており、信号端子の金属回
路板に接合される部位の厚みを0.3〜２ｍｍとしたこと
から、信号端子を超音波接合法により接合したときに、
セラミック基板に発生する部分的クラックが防止され
る。その結果、機械強度の劣化しない信頼性の高いセラ
ミック回路基板とすることができる。 【００５２】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へのクラ
ック発生を防止することにより、機械強度が低下せず
に、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。
接合された金属回路板に信号端子を超音波接合法によっ
て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の場合には、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作製する。 【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、これに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、所定寸法に成形
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℃の温度に加熱してロウ材を溶融させ、
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等
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。 【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等で電気的に接続す
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
ている。例えば、超音波接合法による金属回路板と信号
端子との接合は、金属回路板に接触させた信号端子の接
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の接合部との間に相互拡
散による固相接合を起こすことによって行なわれる。 【００１１】 【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
触させた信号端子の接合部の表面に約10〜50ＭＰａの圧
力で超音波発振ホーンを押圧した場合、この高圧力が部
分的に信号端子の接合部分の直下のセラミック基板に直
接付加されることになる。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の接合部分の
直下のセラミック基板に直接付加されることになる。こ
のため信号端子の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
性が著しく劣化するという問題点を有していた。 【００１２】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へのクラック発生を防止することに
より、機械強度が低下せずに、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。 【００１３】 【課題を解決するための手段】本発明は、セラミック基
板の上面に金属回路板を接合して成り、金属回路板の表
面に超音波接合法で信号端子を直接接合したセラミック
回路基板において、金属回路板の信号端子が接合される
部位の厚みが0.2〜１ｍｍで他の部位より厚くされてお
り、前記信号端子の前記金属回路板と接合される部位の
厚みが0.3〜２ｍｍであることを特徴とするものであ
る。 【００１４】本発明のセラミック回路基板によれば、信
号端子が接合される部位の金属回路板の厚みを0.2〜１
ｍｍで他の部位より厚くしており、信号端子の接合され
る部位の厚みを0.3〜２ｍｍとしたことから、信号端子
を超音波接合により接合するときの高圧力を金属回路板
が良好に吸収し、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。また、超音波振動で発生す
る瞬間的な500℃以上の高熱を分散して下方向（セラミ
ック基板の方向）に伝達することにより、直下のセラミ
ック基板への高熱の集中付加を抑制することができ、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、セラミック回路基板の機械強度が劣化することな
く、信頼性の高いセラミック回路基板とすることができ
る。 【００１５】また、本発明のセラミック回路基板によれ
ば、信号端子が接合される部位の金属回路板の厚みを0.
2〜１ｍｍで他の部位より厚くしたことから、この信号
端子が接合される部位が超音波接合により接合するとき
の位置ターゲットとして作用し、信号端子を高精度に金
属回路板に接合することができる。 【００１６】さらに、本発明のセラミック回路基板によ
れば、金属回路板に直接に信号端子を接合したことか
ら、高価な信号端子一体成型樹脂ケースを用いる必要が
なく、安価で生産性に優れた半導体素子モジュール用の
セラミック回路基板を得ることができる。 【００１７】 【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。 【００１８】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は信号端子である。 【００１９】セラミック基板１は略四角形状をなし、そ
の上面に金属回路板２が接合されている。 【００２０】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。 【００２１】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、その泥漿物に従来
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。 【００２２】セラミック基板１はその上面に金属回路板
２が接合されている。 【００２３】また、セラミック基板１はその厚みを0.2
〜１ｍｍとすることが、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、半導体素子から発生す
る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に金属回路板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、１ｍｍを超えると、搭
載される半導体素子から発生する熱を１良好に放熱する
ことが困難となる傾向がある。 【００２４】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、また、セラミック基板１の上面に例えば
ロウ材を介して以下のようにして接合される。 【００２５】例えば、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の上下面に従来
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。 【００２６】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の上
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の上面に金属回路板２が接合されることとな
る。 【００２７】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・打ち抜き加工法・切削加工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。金属回路板２
の厚さは、高電流信号を伝達するための電気抵抗を低く
する点や、セラミック基板１と接合したときのセラミッ
ク基板１の割れを防止する点で0.1〜１ｍｍが好まし
い。0.1ｍｍ未満では、電気抵抗が大きくなるため高電
流信号が流れにくくなる傾向がある。他方、１ｍｍを超
えると、セラミック基板１と金属回路板２や金属板３と
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。 【００２８】このとき、金属回路板２の信号端子３が接
合される部位の厚みは、0.2〜１ｍｍの厚みで、他の部
位より厚くするように加工することが、信号端子３を接
合したときのセラミック基板１の割れ防止の点で好まし
い。金属回路板２の信号端子３が接合される部位の厚み
が0.2ｍｍ未満の場合には、信号端子３を超音波接合す
るときの高圧力を吸収しにくくなりやすい傾向があり、
セラミック基板１に微小な部分的クラックが生じやすく
なる。他方、１ｍｍを超えると、セラミック基板１と金
属回路板２と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。 【００２９】セラミック基板１は各種セラミック焼結体
を採用することが可能であるが、なかでも金属回路板２
を接合したときの応力を吸収し、信号端子３を接合する
ときの高圧力を吸収するために、強度の高い窒化珪素質
焼結体とすることが好ましい。 【００３０】また、金属回路板２は、この窒化珪素質焼
結体との接合性（ロウ材との濡れ性）が良好であること
から銅とすることが好ましい。さらに、これを無酸素銅
で形成しておくと、この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
性金属ロウ材との濡れ性がより良好となり、セラミック
基板１への活性金属ロウ材を介しての接合が強固とな
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】セラミック基板１の下面には、金属回路板
２をセラミック基板１へ接合するときや、半導体素子搭
載のための半田リフロー時の加熱による反りを抑制する
ために、金属板（図示せず）を接合してもよい。 【００３２】このとき、金属回路板２と金属板の材質は
同じ材質にし、また金属回路板２と金属板の厚み関係
は、金属板の厚みを金属回路板２より薄くすることが好
ましい。これは、金属回路板２は回路配線形成のために
パターニングされているため、金属板と同じ厚みでは反
り等の抑制効果が小さくなりやすいためである。 【００３３】金属回路板２の所定位置には、信号端子３
が超音波接合法により接合されている。 【００３４】信号端子３は、銅やアルミニウム等の金属
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・打ち抜き加工法・切削加工等の従来周知の金
属加工法を施すことによって、例えば、厚さが0.3〜２
ｍｍのＬ型形状に加工される。 【００３５】信号端子３の厚みは、0.3〜２ｍｍの厚み
にすることが、信号端子３を接合したときのセラミック
基板１の割れ防止の点で好ましい。信号端子３の厚みが
0.3ｍｍ未満の場合には信号端子３を超音波接合すると
きの高圧力を吸収しにくくなりやすい傾向があり、セラ
ミック基板１に微小な部分的クラックが生じやすくな
る。他方、２ｍｍを超えると、超音波振動が接合界面ま
で作用しにくくなりやすい傾向があり、金属回路板２と
信号端子３との接合強度が弱くなりやすい傾向がある。 【００３６】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。 【００３７】信号端子３の金属回路板２への接合は、具
体的には信号端子３を金属回路板２の接合部位に接触配
置させ、超音波発振ホーンを10〜50ＭＰａの圧力で押圧
しながら振動数20〜50ｋＨｚ、振幅20〜50μｍの超音波
振動を0.1〜1.0秒間印加し、相互拡散による固相接合に
より行なわれる。 【００３８】 【実施例】以下、実施例を挙げて本発明を詳細に説明す
る。 【００３９】まず、セラミック基板として、厚みが0.5
ｍｍで大きさが50ｍｍ□の酸化アルミニウム基板を準備
した。 【００４０】次に、銀−銅合金粉末97重量％と水素化チ
タン粉末３重量％と有機バインダ・溶剤とを混練して活
性金属ロウ材ペーストを調製した。その後、酸化アルミ
ニウム基板の表面に活性金属ロウ材ペーストを所定パタ
ーン形状に塗布乾燥させた。 【００４１】この酸化アルミニウム基板に、表１に示す
厚みの無酸素銅板を接触配置して、雰囲気10-3Ｐａの真
空中、温度850℃、時間１ｈｒの熱処理をすることによ
り接合した。その後、各セラミック回路基板の外観状態
を20倍の拡大顕微鏡を用いてセラミック部分を観察し
て、クラックの発生しているものを×で表示した。 【００４２】このようにして作製したセラミック回路基
板に、表１に示す厚みの幅５ｍｍのＬ字型信号端子（無
酸素銅）を超音波接合した。ここでは、超音波発振ホー
ンを30ＭＰａの圧力で押圧しながら振動数30ｋＨｚ、振
幅35μｍの超音波振動を0.5秒間印加して超音波接合し
た。 【００４３】その後、各セラミック回路基板の外観状態
を20倍の拡大顕微鏡を用いてセラミック部分を観察し
て、クラックの発生しているものを×で表示した。以上
の観察結果を表１に示す。 【００４４】次に、金属回路板と信号端子との接合強度
を、信号端子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
求めた。この接合強度が１ｋＮ／ｍ以下のものを×で表
示した。 【００４５】 【表１】【００４６】表１に示す結果より、金属回路板の信号端
子が接合される部位の厚みが、比較例１のように0.2ｍ
ｍ未満ではセラミック部分にクラックが生じていること
が分かる。また、比較例２のように１ｍｍ以上では活性
金属接合したときにすでにセラミック部分にクラックが
生じていた。 【００４７】また、信号端子の厚みが、比較例３のよう
に0.3ｍｍ未満では信号端子の強度が弱く簡単に折れ曲
がってしまった。また、比較例４・５のように２ｍｍを
超えると超音波振動が接合界面まで充分に伝播せず、相
互拡散が弱いため信号端子が簡単に剥離した。 【００４８】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。 【００４９】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
ロウ付けしてセラミック回路基板を形成したが、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
セラミック回路基板を形成してもよい。 【００５０】さらに、上述の実施の形態の例では打ち抜
きや切削加工により金属回路板の信号端子が接合される
部位の厚みをあらかじめ0.2〜１ｍｍとしたが、金属回
路板をセラミック基板に接合した後、塩化第二鉄溶液等
の薬液でエッチング処理することにより、金属回路板の
信号端子が接合される部位の厚みを0.2〜１ｍｍに加工
してもよい。 【００５１】 【発明の効果】本発明のセラミック回路基板によれば、
信号端子が接合される部位の金属回路板の厚みを0.2〜
１ｍｍで他の部位より厚くしており、信号端子の金属回
路板に接合される部位の厚みを0.3〜２ｍｍとしたこと
から、信号端子を超音波接合法により接合したときに、
セラミック基板に発生する部分的クラックが防止され
る。その結果、機械強度の劣化しない信頼性の高いセラ
ミック回路基板とすることができる。 【００５２】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へのクラ
ック発生を防止することにより、機械強度が低下せず
に、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。 【符号の説明】 １：セラミック基板 ２：金属回路板 ３：信号端子
例を示す断面図である。 【符号の説明】 １：セラミック基板 ２：金属回路板 ３：信号端子
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 【請求項１】 セラミック基板の上面に金属回路板を接
合して成り、前記金属回路板の表面に超音波接合法で信
号端子を直接接合したセラミック回路基板において、前
記金属回路板の前記信号端子が接合される部位の厚みが
０．２〜１ｍｍで他の部位より厚くされており、前記信
号端子の前記金属回路板に接合される部位の厚みが０．
３〜２ｍｍであることを特徴とするセラミック回路基
板。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001395092A JP2003198077A (ja) | 2001-12-26 | 2001-12-26 | セラミック回路基板 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001395092A JP2003198077A (ja) | 2001-12-26 | 2001-12-26 | セラミック回路基板 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003198077A true JP2003198077A (ja) | 2003-07-11 |
Family
ID=27601614
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001395092A Withdrawn JP2003198077A (ja) | 2001-12-26 | 2001-12-26 | セラミック回路基板 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003198077A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006277970A (ja) * | 2005-03-28 | 2006-10-12 | Mitsumi Electric Co Ltd | 二次電池保護モジュールおよびリード実装方法 |
| WO2007033829A2 (de) * | 2005-09-21 | 2007-03-29 | Infineon Technologies Ag | Leistungshalbleitermodul und verfahren zu dessen herstellung |
| JP2011014671A (ja) * | 2009-07-01 | 2011-01-20 | Dowa Metaltech Kk | 端子付き金属−セラミックス回路基板およびその製造方法 |
-
2001
- 2001-12-26 JP JP2001395092A patent/JP2003198077A/ja not_active Withdrawn
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006277970A (ja) * | 2005-03-28 | 2006-10-12 | Mitsumi Electric Co Ltd | 二次電池保護モジュールおよびリード実装方法 |
| WO2007033829A2 (de) * | 2005-09-21 | 2007-03-29 | Infineon Technologies Ag | Leistungshalbleitermodul und verfahren zu dessen herstellung |
| WO2007033829A3 (de) * | 2005-09-21 | 2007-05-31 | Infineon Technologies Ag | Leistungshalbleitermodul und verfahren zu dessen herstellung |
| US7986034B2 (en) | 2005-09-21 | 2011-07-26 | Infineon Technologies, Ag | Power semiconductor module and method for producing the same |
| EP3401950A1 (de) * | 2005-09-21 | 2018-11-14 | Infineon Technologies AG | Verfahren zur herstellung eines leistungshalbleitermoduls |
| JP2011014671A (ja) * | 2009-07-01 | 2011-01-20 | Dowa Metaltech Kk | 端子付き金属−セラミックス回路基板およびその製造方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20040607 |
|
| A761 | Written withdrawal of application |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A761 Effective date: 20060904 |