JP2004342635A

JP2004342635A - セラミックス基板接合用金属板およびセラミックス回路基板

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Publication number: JP2004342635A
Application number: JP2003133878A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Imamura; 寿之今村; Masaru Yoshida; 優吉田; Junichi Watanabe; 渡辺　　純一
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2003-05-13
Filing date: 2003-05-13
Publication date: 2004-12-02

Abstract

【課題】セラミックス基板に回路用金属板を接合するときに、接合の位置合せ精度が高いセラミックス回路基板を提供する。
【解決手段】セラミックス基板に接合される回路用金属板であって、この金属板は、幅狭な架橋部を介して一体化されていると共に、セラミックス基板との接合時における位置合せ手段と、さらに金属板の側面部には機械的加工手段により形成された傾斜面とを備えている回路用金属板である。さらに本発明は、この回路用金属板が、回路用金属板の側面部からろう材層がはみ出すようにセラミックス基板にろう材層を介して接合されたセラミックス回路基板であって、接合後に架橋部と突出部が除去された構成であるセラミックス回路基板である。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックス回路基板、特にパワー半導体モジュールに使用される導電性回路用の金属板、およびこの金属板を接合した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】
パワー半導体モジュールに使用される基板としては、窒化アルミニウムや窒化珪素からなる絶縁性セラミックス基板の一方の面（主面）に回路となる導電性金属板を接合し、他の面にも放熱用の金属板を接合したセラミックス回路基板が広く用いられている。この金属板としては、銅板またはアルミニウム板が使用されている。そして、回路となる導電性金属板の上面には、半導体チップ等が接続される。また、セラミックス基板と金属板との接合は、ろう材による活性金属法が広く採用されている。
【０００３】
近年、電動車両用インバータとして高電圧、大電流動作が可能なパワー半導体モジュール（ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等）が用いられている。このような大電力モジュールにおいては、回路となる銅板等の金属板に接続されている半導体チップから発生する熱量も増大する。その結果、セラミックス回路基板に繰り返して発生する熱応力も増大している。この熱応力に耐えられなくなると、セラミックス基板には、反りや割れ等の不具合が発生することになる。窒化アルミニウムまたは窒化珪素製のセラミックス基板は、電気絶縁性および熱伝導性は優れているが、上記のように、セラミックス回路基板に繰り返して負荷される熱衝撃に一層対応できるセラミックス回路基板の開発が要求されている。
【０００４】
従来から、上記のような繰り返しの熱衝撃に対応できるセラミックス回路基板については、種々の改良技術が提案されている。例えば、下記の特許文献が提案されている。
【０００５】
【特許文献１】
特許第２７９７０１１号公報（明細書第２頁〜第４頁、第１図）
【特許文献２】
特開平１１−３４０５９８号公報（明細書第３頁〜第５頁、図１、図２、図４）
【特許文献３】
特開平１１−３２２４５５号公報（明細書第２頁〜第４頁、図３）
【特許文献４】
特開平３−２１０９５号（明細書第２頁〜第３頁、図１、図５）
【特許文献５】
特開平４−９６２５８号公報（明細書第３頁〜第６頁、第１図〜第６図）
【特許文献６】
特開平１１−４０６１（明細書第２頁〜第４頁、図１、図３）
【特許文献７】
特開２００２−３５９４５３号公報（明細書第１２頁〜第１３頁、図１２、図１４）
【０００６】
上記特許文献１には、アルミナまたは窒化アルミニウムのセラミックス部材と銅または銅合金の金属部材との接合体から構成される電子部品搭載用絶縁基板において、熱衝撃による割れを抑えるために、セラミックス部材面上に少なくとも０．２５ｍｍ以上の幅で金属部材の周囲を包囲するフィレット（ろう材の露出部材）が、焼成ペーストによって形成された接合体が記載されている。
【０００７】
上記特許文献２には、割れや破壊を招くことがなく、大きくたわむことが可能なセラミックス回路基板の提供を目的として、セラミックス基板の少なくとも主面にろう材層を介して金属板を接合し、金属板をエッチング処理することにより所定の金属回路パターンを形成したセラミックス回路基板において、ろう材層が金属回路パターンの側面よりも外方に張り出すように形成されているセラミックス回路基板が記載されている。さらに特許文献２には、金属回路パターンの側面は、エッチング処理によって滑らかな曲面状の傾斜面を形成することにより、接合端部に作用する集中応力を緩和させることが記載されている。
【０００８】
上記特許文献３には、耐熱衝撃性に優れたセラミックス／金属接合体の提供を目的として、金属板の端部において、端面が金属板の辺縁へ行くにしたがってセラミックス基板側へ近づくように傾斜させ、かつ金属板に垂直な平面で切断した端面の形状がセラミックス基板側に凸であるセラミックス／金属接合体が記載されている。
【０００９】
上記特許文献４には、製造の容易性、回路基板表面の凹凸の改善を目的として、打抜加工により隣合う回路導体が細いブリッジで連結された打抜回路パターンを形成し、この打抜回路パターンとプリプレグシートを積層し、これをホットプレス加圧して、絶縁基板面に打抜回路パターンを埋め込んだ後、上記ブリッジを切断する大電流回路基板の製造方法が記載されている。
【００１０】
上記特許文献５には、高い寸法精度でかつ低コストで製造することができる半導体装置用絶縁基板の製造方法の提供を目的として、回路パターンの各部に相当する平面形状を有し、比較的厚く形成された複数の本体部分と、この複数の本体部分を相互に接続し、かつ比較的薄く形成された接続部分とが一体化された金属パターン板を絶縁膜上にこの金属パターン板を固定した後、上記薄く形成された接続部分を除去する絶縁基板の製造方法が記載されている。また、この接続部分の除去は、エッチングまたは機械的な切断により除去することが記載されている。
【００１１】
上記特許文献６には、機械的な加工により回路パターンを形成することにより小規模な加工設備での製造を可能とすると共に、回路変更や少量製造への対応を容易にした回路基板の製造方法の提供を目的として、導体板を溝状に穿つ分割帯により所望の回路を形成する複数の配線路に離隔することによって回路パターンを形成し、この導体板をベース材に接合する回路基板の製造方法が記載されている。さらに同特許文献６には、分割帯は穿孔による開口部の連結によって形成され、この分割帯の形成を任意位置で中断して、離隔する配線路の間を部分的につなぐ橋絡部を形成し、導体板をベース板に接合した後に橋絡部を除去することが記載されている。
【００１２】
上記特許文献７には、絶縁基板上に残るエッチング残渣を簡単に除去することができ、金属製の冷却フィン等を強固に固定することができるように接合体全体の反りを制御することができる回路基板の提供を目的として、金属板にプレス加工を行って回路パターンを形成するときに、回路間を連結するブリッジも形成し、絶縁基板上にこの金属板を接合した後に、このブリッジをパンチまたはニッパー等を用いて切断することが記載されている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１、および特許文献２に記載の発明は、セラミックス基板に回路用金属板をろう材を介して接続したときに、この回路用金属板の側面（端面）から所定の長さほどろう材のはみ出し部を設けることにより、セラミックス基板と回路用金属板の端面との接合面における熱応力の集中を緩和させ、さらに、特許文献２に記載の発明においては、回路用金属板の端面を滑らかな曲面状に傾斜させることにより、熱応力の集中をより緩和させようとするものである。
【００１４】
しかし、パワー半導体モジュールに使用されるセラミックス回路基板においては、熱伝導性および熱衝撃に対する強度の改善の他に、製造工程を単純化して製造コストを低減することが強く要求されている。このためには、セラミックス基板に接合する回路用金属板のパターン作成において、手間のかかるエッチング工程を極力無くすることができる回路用金属板の形状、およびその製造方法が重要になる。特許文献１および特許文献２には、このような製造工程を単純化した回路用金属板の製造方法、形状については記載されていない。
【００１５】
特許文献２、および特許文献３には、回路用金属板の側面にエッチング処理により傾斜面を形成し、この傾斜面により、セラミックス基板と回路用金属板の端面における応力集中を防止させることが記載されている。しかし、エッチング処理により回路用金属板の側面に傾斜面を形成すると、セラミックス基板との接合境界線となるこの傾斜面下端部においては、直線性は低下し、微細な凹凸が生じる。近年のセラミックス回路基板においては、集積密度の向上も要求され、複数の回路用金属板間の間隔は、１．５ｍｍ以下に設定することが要求されている。このような微小な間隔、および上記の傾斜面をエッチング処理により形成すると、上記のような凹凸の発生により直線性が低下し、使用時に電流の短絡が発生する危険性も生じる。さらに、高価なフォトレジスト装置も必要になり、製造工程の複雑化と高コスト化を招くことになる。
【００１６】
特許文献４〜特許文献７に記載の発明は、架橋部で接続された複数の回路用金属板を打ち抜き加工で製作して、この回路用金属板をセラミックス等の基板に接合した後、架橋部をエッチング処理あるいはニッパー等の工具を用いて切断するものである。セラミックス基板上には、金属箔状の回路用金属板を正確に位置決めした状態で接合する必要がある。上記特許文献には、セラミックス基板上に回路用金属板を接合するときに、両者の位置合せ手段については記載されていない。
また、特許文献７では、サンドブラストを使用し、ろう材層を効率良く除去する方法が示されているが、この場合、ろう材層のはみ出し部を形成することはできない。
【００１７】
本発明の目的は、従来のセラミックス回路基板の耐熱応力性を改善すると共に、回路用金属板を構成する複数の金属板間において、電流の短絡を防止でき、さらに、セラミックス回路基板上に回路用金属板を接合するときに正確な位置合せができる回路用金属板、およびこの回路用金属板を用いたセラミックス回路基板を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、セラミックス基板に接合される回路用また放熱用の金属板であって、前記金属板には前記セラミックス基板との接合時における位置合せ手段が備わっていることを特徴とするセラミックス基板接合用金属板である。
本発明は、セラミックス基板に接合される回路用の金属板であって、前記金属板は、幅狭な架橋部を介して一体化されていると共に、前記セラミックス基板との接合時における位置合せ手段とを備えていることを特徴とするセラミックス基板接合用金属板である。
前記セラミックス基板に接合した後、金属板の前記位置合せ手段は削除され、その削除跡には機械的加工手段により形成された仕上面あるいは端面から突出または欠落する残存面を備えている回路用金属板である。
【００１９】
本発明において、前記位置合せ手段は、セラミックス基板との接合時において、回路用金属板の側面部がセラミックス基板の側面部方向に延設された突出部から構成したものである。また、この位置合せ手段としては、架橋部に形成された孔部から構成したものでもよい。さらに、この位置合せ手段は、回路用金属板に上記の突出部と孔部との少なくとも一方の手段を構成したものでも良い。
【００２０】
本発明は、上記の金属板を、セラミックス基板の一方の面にろう材層を介して回路用金属板として接合し、また前記セラミックス基板の他方の面にろう材層を介して放熱用金属板として接合し、これら金属板の側面部からろう材層がはみ出すようにしたセラミックス回路基板であって、前記セラミックス基板に接合した回路用金属板は接合後に前記架橋部と前記突出部が除去され、また前記セラミックス基板に接合した放熱用金属板は接合後に前記突出部が除去された構成であるセラミックス回路基板である。
【００２１】
さらに、本発明は、前記架橋部及び／又は突出部の除去跡に前記金属板の端面に沿った仕上面あるいは端面から突出または欠落する残存面が形成されているセラミックス回路基板である。
【００２２】
なお、本発明の回路用金属板において、金属板の厚さをＴ、架橋部の厚さをｔとしたときに、（Ｔ−ｔ）を０．１ｍｍ以上にすることが望ましい。この理由は次の通りである。
（Ｔ−ｔ）は、言わば架橋部の下に形成された隙間である。セラミックス基板と金属板をろう付けにより接合する時、セラミックス基板と金属板の間からろう材がしみ出る。このしみ出たろう材が架橋部の下面に接触した場合、そのまま下面をつたわって広がり、架橋部の下面にはしみ出たろう材の溜まり部が形成される。このようなろう材の溜まり部は０．１ｍｍ以上になることがある。そうすると、隙間が０．１ｍｍより小さい場合、ろう材の溜まりはセラミックス基板上に接触していまい、結果的に隣りの金属板に接触した短絡が発生する原因となる。このため、０．１ｍｍ以上の隙間を確保しておくことにより、架橋部下面にろう材がつたわったとしてもろう材の溜まりはセラミックス基板に接触することがないようにし、短絡を未然に防止することができる。
【００２３】
さらに、回路用金属板に形成した複数の架橋部の全体積は、回路となる複数の金属板の体積の０．１〜２％になるように架橋部を設けることが望ましい。この理由は次の通りである。本発明に使用する回路用金属板の厚さは、上記のように０．２ｍｍ〜１．０ｍｍの薄板を使用する。このため、架橋部の全体積が回路となる金属板の全体積の０．１％未満では、架橋部の剛性が低下する。そのため、セラミックス基板にこの金属板を接合するときの熱処理の際歪が発生し、架橋部で接続された複数の金属板の配線間隔を維持することができず、短絡あるいは寸法不良が発生する危険性が生じるからである。この短絡あるいは寸法不良の発生を防止しようとすると、接合時にこの金属板の位置決め手段を設ける必要が生じる。また、２％より大きくなると、上記の（金属板の厚さＴ）−（架橋部の厚さｔ）を０．１ｍｍ以上確保することができず、しみ出たろう材が架橋部の下面に接触して広がり、金属板間の短絡発生の原因になると共に、厚い架橋部を除去するための作業工数が増大するからである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。図１〜図３は、本発明の回路用金属板の一実施形態を示す図であり、それぞれ平面図、Ａ−Ａ線縦断面図、Ｂ−Ｂ線縦断面を示す。
【００２５】
図１〜図３において、回路用金属板１は、厚さＴが０．２〜１．０ｍｍの銅または銅合金からなる平板状の板材からなっている。回路用金属板１は、図４に示すように、微小な突出部Ｐ１、Ｐ２が形成された平板状で、平面視で長方形状の銅板２を機械的加工手段により、複数個の幅狭の架橋部６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄを介して接続された３個の金属板３、４、５から構成されている。図２に示すように、架橋部６ａ（６ｂ、６ｃ、６ｄ）の厚さｔは、金属板３、４、５の厚さＴの１／４〜１／２程度、長さＬは各金属板３、４、５の間隔Ｋと同一であり、１．２〜１．５ｍｍである。また、架橋部６ａ（６ｂ、６ｃ、６ｄ）の幅Ｗ（長さＬと直交する方向の長さ）は、板厚Ｔを考慮して１．５〜３ｍｍにするとよい。なお、上記金属板３、４、５等の個数は、セラミックス回路基板の設計仕様に基づいて決定されるものである。ただし、これら架橋部の配置については、金属板のコーナー部は避けることが望ましい。これは、コーナー部が最大応力発生の部位となる傾向があるため残存面が形成された場合、更に応力を増大させるからである。
【００２６】
３分割状に形成された金属板３、４、５の各側面部の全周には、架橋部６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄとの接続部を除いて、応力緩和のため垂直方向に対する傾斜角度αが３０°〜８０°である傾斜面３ａ、４ａ、５ａが機械的加工手段により形成されることが望ましい。このように傾斜面３ａ、４ａ、５ａを形成した金属板３、４、５について、その表面積が小さくなる面３ｂ、４ｂ、５ｂが回路面側となって半導体チップ等が接続され、同じく表面積が大きくなる面３ｃ、４ｃ、５ｃがセラミックス基板７との接合面になる。
【００２７】
さらに、本発明の回路用金属板１には、図１に示すように、位置合せ手段となる突出部Ｐ１、Ｐ２を形成している。この突出部Ｐ１、Ｐ２が回路用金属板１の側面部から突出する長さはそれぞれＤ１、Ｄ２に設定している。この突出長さＤ１、Ｄ２は、図７に示すように、セラミックス基板７に回路用金属板１を接合したときに、セラミックス基板７の側面部と回路用金属板１の側面部との間隔と同一にする必要がある。また、突出部Ｐ１、Ｐ２の幅は、架橋部６ａ、６ｂ等の幅Ｗの１〜４倍程度に設定する。
【００２８】
従って、突出部Ｐ１、Ｐ２は、回路用金属板１をセラミックス基板７に接合するときに、セラミックス基板７の側面部に隣接している金属板３の側面部に形成する。また、この突出部Ｐ１、Ｐ２は、接合の位置合せ精度をさらに向上させるために、回路用金属板１の同一側面部に複数個形成してもよく、さらに、セラミックス基板７の側面部に沿う少なくとも２側面部に形成することが望ましい。
【００２９】
本発明において、機械的加工手段とは、プレスによる打ち抜き加工、塑性圧縮加工を示す。これらの加工手段を用いて、まず、銅製薄板から図４に示す突出部Ｐ１、Ｐ２を有する金属素材板２をプレス打ち抜きにより製作する。この金属素材板２から回路用金属板１の製作は、次の方法（１）、または（２）により実施することができる。
【００３０】
（方法１）
図２に示す回路用金属板１の上面部、下面部および側面部の形状を備えた金型を準備し、プレス加工により、金属素材板２の切断と塑性圧縮を行う。このとき、隣合う金属板３、４、５の間は、架橋部６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄを残して切断して除去すると共に、架橋部６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄには塑性圧縮を施して、厚さｔに圧縮する。さらに、突出部Ｐ１、Ｐ２の厚さも各架橋部６ａ等の厚さｔと同じ程度ｔ’に圧縮加工を施す。また、この加工と同時に、金型に設けた傾斜面により、架橋部６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄおよび突出部Ｐ１、Ｐ２との接続部を除いた金属板３、４、５の側面部の全周にわたって、傾斜面３ａ、４ａ、５ａを塑性圧縮により形成する。これにより、図２に示すように、金属板３、４、５の半導体チップとの接合面３ｂ、４ｂ、５ｂが同一平面状となり、かつ傾斜面３ａ、４ａ、５ａを有する回路用金属板１を得ることができる。
【００３１】
（方法２）
同じく、図２に示す回路用金属板１の上面部、側面部の形状を備えた金型を準備し、プレス加工により、金属素材板２の切断と塑性圧縮を行う。このとき、隣合う金属板３、４、５の間は、架橋部６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄを残して切断して除去すると共に、架橋部６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄおよび突出部Ｐ１、Ｐ２には塑性圧縮を施して、厚さｔ，ｔ’に圧縮する。続いて、架橋部６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄおよび突出部Ｐ１、Ｐ２との接続部を除いた金属板３、４、５の側面部の全周にわたって傾斜面を形成するための金型を使用して、プレス加工による塑性圧縮を施し、傾斜面３ａ、４ａ、５ａを形成する。
【００３２】
なお、図５に示す放熱側に接合される放熱用金属板１１についても、同様にして、銅製薄板から突出部Ｐ１、Ｐ２を有する金属素材板２を製作した後、突出部Ｐ１、Ｐ２部分を除いた側面部に、上記の機械的加工手段により傾斜面を形成する。突出部Ｐ１、Ｐ２による金属板の位置合わせは回路用金属板、放熱用金属板と区別無く実施でき、その効果も同様に得られる。
【００３３】
次に、本発明のセラミックス回路基板の構成例を図５に基づいて説明する。図５において、７は厚さ０．２〜１．０ｍｍ、熱伝導率７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の窒化珪素からなるセラミックス基板である。セラミックス基板７の一方の面（主面）には、金属板３、４、５がろう材層８、９、１０を介して接合されている。このとき、セラミックス基板７と金属板３、４、５との接合は、上記した各金属板３、４、５の接合面３ｃ、４ｃ、５ｃがセラミックス基板７の主面に接合される。すなわち、金属板３、４、５は、セラミックス基板７との接合面積が大きくなるような面である接合面３ｃ、４ｃ、５ｃが、セラミックス基板７と接合される。なお、ろう材層８、９、１０は金属板３、４、５のセラミックス基板７側の面に直接塗布して形成してもよい。この際、ろう材はみ出し部は、接合時の加圧力により金属板３、４、５とセラミックス基板７の接合面から流れ出したろう材により形成することができる。
【００３４】
一方、セラミックス基板７の他一の面（放熱側となる下面）には、平板状の放熱用金属板（銅板）１１がろう材層１２を介して接合される。金属板１１は、その側面部の全周にも傾斜面１１ａが形成され、金属板１１の表面積が大になる面１１ｂがセラミックス基板７の下面に接合される。傾斜面１１ａは、プレス加工により上記傾斜面３ａ、４ａ、５ａの傾斜角度αと同様に３０°〜８０°に設定するとよい。また、ろう材層８、９、１０、１２の厚さは、５〜５０μｍにする。
【００３５】
本発明のセラミックス回路基板においては、図５に示すように、セラミックス基板７に金属板３、４、５、および１１をろう材層により接合したときに、これらろう材層８、９、１０、および１２は、各回路用金属板３、４、５、放熱用金属板１１の側面部から所定の距離Ｈほどはみ出させている。このはみ出し長さＨは、少なくとも０．２ｍｍ以上、好ましくは０．２５〜１．２ｍｍにすると、本発明のセラミックス基板を使用しているときに、セラミックス基板７と金属板３、４、５、および１１の側面部に集中する熱応力を緩和させることができる。また、本発明においては、各金属板３、４、５の側面部に傾斜面３ａ、４ａ、５ａを設けているので、セラミックス基板７と金属板３、４、５、および１１の側面部に集中する熱応力を一層緩和させることができる。
【００３６】
さらに、上記した本発明の回路用金属板１においては、回路用金属板１の厚さをＴ、各架橋部６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄの厚さをｔとしたとき、隙間Ｔ１＝Ｔ−ｔを０．１ｍｍ以上に設定することが重要である。この理由は、次の通りである。本発明に使用する回路用金属板１は、その厚さが０．２ｍｍ〜１．０ｍｍの銅または銅合金製の薄板を使用する。このため、隙間Ｔ１を０．１ｍｍより小さくすると、セラミックス基板７とこの回路用金属板１をろう付けにより接合する時、例えば、図８（ｂ）に示すように、セラミックス基板７と金属板３（４、５）の間のろう材層８（９、１０）からしみ出したろう材ｒが架橋部６ａ（６ｂ、６ｃ、６ｄ）の下面６０ａにつたわりながら延びてろう材が溜まる。そして、ついにはセラミックス基板７上の隙間Ｔ１に沿って流れることになり、これが進行するとろう材ｒはセラミックス基板７と反応層を形成し、ろう材ｒが架橋部６ａ（６ｂ、６ｃ、６ｄ）の下面６０ａにつたわりろう材が溜まった場合、架橋部の除去工数が増大し、更にはセラミックス基板と反応層を形成し短絡した場合には、機械的加工手段によるろう材除去はできず化学エッチングのような別の除去工程が必要となる原因になるからである。
【００３７】
さらに、本発明の回路用金属板１においては、複数個設けた架橋部６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄの全体積は、複数の金属板３、４、５の全体積の０．１〜２％にすることが重要である。この理由は次の通りである。
本発明に使用する回路用金属板１の厚さは、上記のように０．２ｍｍ〜１．０ｍｍの剛性が低い銅製薄板を使用する。このため、架橋部６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄの全体積が回路となる金属板３、４、５の全体積の０．１％未満では、架橋部６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄの剛性が著しく低下するので、セラミックス基板７にこの金属板３、４、５を接合するときに、架橋部６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄで接続された複数の金属板３、４、５間の配線間隔Ｋを維持することができず、短絡あるいは寸法不良が発生する危険性が生じるからである。この短絡あるいは寸法不良の発生を防止しようとすると、接合時にこの金属板の位置決め手段を設ける必要が生じる。
【００３８】
また、２％より大きくなると、上記Ｔ１を０．１ｍｍ以上確保することが困難になり、しみ出したろう材ｒが架橋部６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄとセラミックス基板７のすき間に沿って流れるため、ろう材が付着した架橋部６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄを除去するための作業工数が増大し、更にはろう材ｒがセラミックス基板７に接した形態で反応層を形成しながら金属板３、４、５間で短絡した場合、ろう材ｒを除去する工程が必要となるからである。
【００３９】
さらに、本発明のセラミックス回路基板においては、図８に示すように、隣り合う金属板３、４、５間の間隔Ｋは１．３ｍｍ以上にすることが好ましく、間隔Ｋ内にはみ出しているろう材層の端部どうしの間隔Ｐは、０．８ｍｍ以上に設定することが好ましい。この理由は、セラミックス基板７に塗布するろう材層８、９、１０の厚さＳを５〜５０μｍにすれば、しみ出したろう材ｒが流れ出して隣のろう材層と接触することを防止できるようになるからである。
【００４０】
続いて、本発明のセラミックス回路基板の製造方法について説明する。まず、図１に示す回路用金属板１の縦横寸法よりも若干大きい寸法を有するセラミックス基板７を準備する。
なお、セラミックス基板７は、下記の方法により製造することができる。まず、公知のドクターブレード法等により窒化珪素を主成分とする薄板状のグリーンシートを製作する。続いて、このグリーンシートを脱脂、焼結した後、所望の寸法、例えば、縦横８０ｍｍ×１００ｍｍの大きさに切断することにより、厚さ０．２〜１．０ｍｍのセラミックス基板を得ることができる。
【００４１】
次に、図６に示すように、セラミックス基板７の主面にスクリーン印刷によりろう材をその厚さが５〜５０μｍになるように塗布して、ろう材層８、９、１０を形成する。このとき、セラミックス基板７の主面にろう材を塗布する範囲は、金属板３、４、５を接合する範囲より間隔Ｈ、すなわち０．２〜１．２ｍｍほど外側にはみ出すように塗布する。セラミックス基板７の放熱側面（裏面）にも同様にろう材層１２を塗布する。
【００４２】
続いて、図７に示すように、ろう材を塗布したセラミックス基板７の主面には図１に示す回路用金属板１を、セラミックス基板７の放熱側面には銅板１１を、正確に位置合わせして、加圧状態で保持する。このとき、各金属板３、４、５および銅板１１の側面部全周からろう材層８、９、１０が間隔Ｈほどはみ出るように、さらに、セラミックス基板７の側面部と回路用金属板１の側面部とは間隔Ｄ１、Ｄ２を設けた状態にして、セラミックス基板７に回路用金属板１を正確に位置決めする必要がある。
【００４３】
本発明の回路用金属板１および放熱側の銅板１１には、位置合せ用の突出部Ｐ１、Ｐ２を形成しているので、この突出部Ｐ１、Ｐ２を利用して正確な位置合せを行うことができる。この位置合せの手順を説明すると次のようになる。
【００４４】
まず、セラミックス基板７の隣合う側面部に沿って、垂直方向に延びる垂直壁１４、１５を設けた位置合せ冶具１６（図１０（ａ）に示す）を準備する。そして、放熱側の銅板１１をその位置決め用突出部Ｐ１、Ｐ２の先端部がこの冶具１６の内壁面１４ａ、１５ａに当接した状態にして、治具１６の底に置く。
【００４５】
続いて、ろう材層を塗布したセラミックス基板７の隣合う側面部をこの位置合せ冶具１６の内壁面１４ａ、１５ａと接触させた状態で、金属板１１の上に置く。これにより、銅板１１とセラミックス基板７とは正確に位置合せを行った状態で重ね合わせることができる。
【００４６】
続いて、回路用金属板１の側面部に設けられている位置決め用突出部Ｐ１、Ｐ２の先端部を、冶具１６の内壁面１４ａ、１５ａに接触させた状態でセラミックス基板７上に重ねることにより、図７に示す間隔Ｄ１、Ｄ２を確保した状態で、セラミックス基板７の主面に回路用金属板１と金属板１１を重ね合わせることができる。
【００４７】
次に、回路用金属板１と放熱用金属板１１を重ね合わせたセラミックス基板７を数枚積み重ねて加圧した状態で保持し、約８００℃の温度で所定時間加熱した後、冷却することにより、セラミックス基板７の主面に回路用金属板１、放熱側面に銅板１１を強固にろう材層を介して接合することができる。
【００４８】
続いて、回路用金属板１に設けられている架橋部６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、および回路用金属板１と銅板１１の突出部Ｐ１、Ｐ２を、数値制御の工作機械を使用し、極細のエンドミル工具により除去して、図５に示すようなセラミックス回路基板を得ることができる。なお、上記エンドミル工具により架橋部６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄを除去するときに、架橋部６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄおよび突出部Ｐ１、Ｐ２と金属板３、４、５との接続部に、すなわち、架橋部および突出部Ｐ１、Ｐ２の除去跡にも予め形成されている金属板の傾斜面３ａ、４ａ、５ａに連なる傾斜面を形成することができる。
【００４９】
なお、本発明においては、架橋部６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄおよび突出部Ｐ１、Ｐ２厚さ、長さ、幅は極めて微小な寸法にしているので、従来と同様に、短時間のエッチングにより架橋部６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、突出部Ｐ１、Ｐ２を除去することも可能である。また、これら架橋部、突出部の除去は、ニッパー等の切断工具を用いて手作業により除去することもできる。また、架橋部６ａ、６ｂ、６ｃ、・・、の個数は、回路用金属板の厚さＴを考慮して適切な個数ほど設けるようにするとよい。
【００５０】
また、本発明においては、架橋部６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、および突出部Ｐ１、Ｐ２と金属板３、４、５との接続部は、この架橋部および突出部をエンドミル等を用いた切削工具により除去するときに、他の側面部の傾斜面３ａ、４ａ、５ａと同様な傾斜面を形成することが望ましいが、架橋部６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄの幅Ｗは微小であるので、傾斜面を形成しなくても架橋部除去後の端面から突出または欠落する適宜の残存面のままでも本発明の効果を発揮させることができる。なお、通常、最大応力発生部位は回路のコーナー部になる傾向があるので、架橋部は回路コーナー部を避けることが望ましい。さらに最適な架橋部の設置位置を決定する際、コンピュータシミュレーション等による応力解析を活用することが有効である。
【００５１】
続いて、回路用金属板の第２の実施形態を図９に基づいて説明する。第２の実施形態である回路用金属板１ａは、図１に示す第１の実施形態に、さらに、架橋部６ａ、６ｂ、等に位置合せ用の孔部１３を形成したものである。この孔部１３は、全ての架橋部６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄに形成する必要はなく、１〜３個の架橋部に形成するようにする。また、１個の架橋部に孔部１３を２個以上形成してもよい。孔部１３の直径は、架橋部の幅Ｗを３ｍｍ程度に設定したときには、１〜２ｍｍ程度に設定するとよい。なお、孔部１３は、上記した傾斜面３ａ、４ａ、５ａを形成する工程において、打ち抜きプレス加工により形成することができる。
【００５２】
孔部１３は、回路用金属板１ａをセラミックス基板７に接合するときの位置合せ手段として作用すると共に、位置合せした後、特にセラミックス基板７を加熱してろう材を溶融させる工程において、回路用金属板１ａとセラミックス基板７との位置ずれを防止する作用も行う。
【００５３】
回路用金属板１ａをセラミックス基板７に接合するとき、回路用金属板１ａをセラミックス基板７に位置合せする手順は次の通りである。
（１）図１０（ａ）に示すように、互いに直交する垂直壁１４、１５を有する位置合せ冶具１６を準備する。まず、放熱側の銅板１１をその位置決め用突出部Ｐ１、Ｐ２の先端部がこの冶具１６の内壁面１４ａ、１５ａに当接した状態にして、治具１６の底に置く。続いて、ろう材層を塗布したセラミックス基板７の隣合う側面部をこの位置合せ冶具１６の内壁面１４ａ、１５ａと接触させた状態で、銅板１１の上に置く。これにより、銅板１１とセラミックス基板７とは正確に位置合せを行った状態で重ね合わせることができる。
【００５４】
（２）続いて、回路用金属板１ａをセラミックス基板７上に載置する。このとき、回路用金属板１ａの突出部Ｐ１が内壁面１４ａに、突出部Ｐ２が内壁面１５ａと接触した状態で、セラミックス基板７上に回路用金属板１ａを載置する。これにより、セラミックス基板７上には回路用金属板１ａが正確に位置合せされた状態で重ね合わせることができる。
【００５５】
（３）続いて、セラミックス基板７とほぼ同一な形状をなし、架橋部に形成した孔部１３に嵌合する突起１７を設けたスペーサ１８を回路用金属板１ａ上に載置する。このとき、図１０（ｂ）に示すように、突起１７を架橋部６ａ、６ｂ、６ｄに形成した孔部１３に嵌合させると共に、スペーサ１８の隣合う側面部が内壁面１４ａ、１５ａと接触させるようにする。
【００５６】
（４）上記（１）〜（３）の作業を繰り返して行い、放熱用金属板１１と回路用金属板１ａを重ね合わせたセラミック基板７がスペーサ板１８を介して５〜１０個程度、治具１６内に積層する。そして、この積層体を上下方向に適度な押圧力を付与した状態で位置合せ冶具１６に固定し、続いて、この積層体を８００℃程度に加熱した後、冷却すると、セラミックス基板７に回路用金属板１ａおよび放熱用金属板１１が正確な位置にろう付けされたセラミックス基板７を得ることができる。なお、スペーサ１８に設けた突起１７は、回路用金属板１ａに形成されている各孔部１３と嵌合するように、スペーサ１８の表面の正確な位置に設ける必要がある。また、中間板１８の材質は、耐熱性の素材、例えば、カーボン製の材質を使用するとよい。
【００５７】
（５）続いて、上記した回路用金属板１と同様に、架橋部６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄおよび突出部Ｐ１、Ｐ２を、極細のエンドミル工具を装着した工作機械を使用して除去すると、図５に示すようなセラミックス回路基板を得ることができる。また、上記エンドミル工具により架橋部６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、突出部Ｐ１、Ｐ２を除去するときに、架橋部６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄおよび突出部Ｐ１、Ｐ２と金属板３、４、５との接続部にも傾斜面３ａ、４ａ、５ａを形成してもよい。
【００５８】
上記した第２の実施形態の回路用金属板１ａにおいては、スペーサ１８に設けた突起１７が架橋部６ａ、６ｂ、６ｄに形成した孔部１３に嵌合しているので、セラミックス基板７上の所定の位置に、回路用金属板１ａを正確に位置合せできると共に、加熱時においても、セラミックス基板７と回路用金属板１ａとの位置ずれを防止することができる。
【００５９】
図１１は、回路用金属板の第３の実施形態を示す。この第３の実施形態である回路用金属板１ｂは、図９に示す第２の実施形態について、突出部Ｐ１、Ｐ２の形成を省略して、位置合わせ手段を架橋部に形成した孔部１３のみとしたものである。この回路用金属板１ｂをセラミックス基板７上に位置合わせする作業は、回路用金属板１ｂに形成した孔部１３にスペーサ１８の突起１７を嵌合させた後、上記した回路用金属板１、１ａと同様に、位置合せ治具を使用して行うことができる。この際、孔部１３は加熱時の金属板１ｂとスペーサ１８の熱膨張差を考慮し、突起１７に対して寸法を大きくしておくことが望ましい。また、孔部１３を用いた位置合せによれば、金属板１ｂとセラミックス基板７との位置合せをそれぞれの中央部付近で行うことが可能であり、且つ、スペーサをセラミックス基板７と同等の熱膨張係数材を用いることにより、より高い寸法精度での接合が可能となる。なお、この第３の実施形態においては、セラミックス基板７の放熱側に接合する金属板１１には、位置合わせ用の突出部Ｐ１、Ｐ２を形成することが望ましい。
【００６０】
【発明の効果】
以上に説明した本発明は、次の効果を有している。
（１）本発明のセラミックス基板接合用金属板は、プレス加工等による機械的加工手段により製造することができる。これにより、製作コストの低減を図ることができると共に、側面部の直線性が向上した回路用金属板を得ることができるので、より一層、集積密度を向上させ、かつ耐熱応力性を向上させたセラミックス回路基板を提供することができる。
（２）セラミックス基板と放熱用金属板および／または回路用金属板の接合において、その位置合わせ精度が高く且つ容易に行えて、所定量のはみ出し部を形成することが出来る。そして回路用金属板を構成する複数個の金属板間の配線間隔を、所定の値に確保することができるので、回路間の短絡が発生しないセラミックス回路基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の回路用金属板について、第１の実施形態を示す平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線の縦断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ線の縦断面図である。
【図４】図１に示すセラミックス回路基板用金属板の切断加工前を示す平面図である。
【図５】本発明のセラミックス回路基板の一例を示す縦断面図である。
【図６】図５に示すセラミックス回路基板を構成するセラミックス基板にろう材層を塗布したときの状態を示す平面図である。
【図７】図６に示すセラミックス基板に図１に示すセラミックス回路基板用金属板を接合したときの状態を示す平面図である。
【図８】（ａ）は図５の要部の拡大を示す図であり、（ｂ）はＴ−ｔの隙間Ｔ１が所定の値より小さい場合の架橋部の状況を示す図である。
【図９】本発明の回路用金属板について、第２の実施形態を示す平面図である。
【図１０】本発明において、セラミックス基板に本発明の回路用金属板を接合するときの手順を説明するための図であり、（ａ）は平面図、図１０（ｂ）は縦断面を示す。
【図１１】本発明の回路用金属板について、第３実施形態を示す平面図である。
【符号の説明】
１：回路用金属板
２：金属素材板
３、４、５：金属板
３ａ、４ａ、５ａ：傾斜面
３ｂ、４ｂ、５ｂ：半導体チップとの接合面
３ｃ、４ｃ、５ｃ：セラミックス基板との接合面
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ：架橋部
７：セラミックス基板
８、９、１０：ろう材層
１１：金属板
１２：ろう材層
１３：孔部
１６：位置合せ冶具
１７：突起
１８：スペーサ

Claims

セラミックス基板に接合される金属板であって、前記金属板には前記セラミックス基板との接合時における位置合せ手段が備わっていることを特徴とするセラミックス基板接合用金属板。
セラミックス基板に接合される回路用の金属板であって、前記金属板は、幅狭な架橋部を介して一体化されていると共に、前記セラミックス基板との接合時における位置合せ手段とを備えていることを特徴とするセラミックス基板接合用金属板。
前記位置合せ手段は、セラミックス基板との接合時において、前記金属板の側面部が前記セラミックス基板の側面部方向に延設された突出部から構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のセラミックス基板接合用金属板。
前記位置合せ手段は、架橋部に形成された孔部から構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のセラミックス基板接合用金属板。
前記位置合せ手段は、前記突出部と前記架橋部に形成された孔部から構成される手段の少なくとも一方の手段を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載のセラミックス基板接合用金属板。
請求項１から請求項５の何れかに記載の金属板を、前記セラミックス基板の一方の面にろう材層を介して回路用金属板として接合し、また前記セラミックス基板の他方の面にろう材層を介して放熱用金属板として接合し、これら金属板の側面部からろう材層がはみ出すようにしたセラミックス回路基板であって、前記セラミックス基板に接合した回路用金属板は接合後に前記架橋部と前記突出部が除去され、また前記セラミックス基板に接合した放熱用金属板は接合後に前記突出部が除去された構成であることを特徴とするセラミックス回路基板。
前記架橋部及び／又は突出部の除去跡に前記金属板の端面に沿った仕上面あるいは端面から突出または欠落する残存面が形成されていることを特徴とする請求項６に記載のセラミックス回路基板。