JP2005019750A

JP2005019750A - セラミック回路基板及びその製造方法並びに電気回路モジュール

Info

Publication number: JP2005019750A
Application number: JP2003183450A
Authority: JP
Inventors: Hidehiro Arikawa; 秀洋有川; Hirobumi Terasono; 博文寺園
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-06-26
Filing date: 2003-06-26
Publication date: 2005-01-20

Abstract

【課題】簡単な構造で優れた熱放散性を有し、高温と低温との間で温度サイクルが加えられてもセラミック基板が破壊することのない信頼性の高いのセラミック回路基板及びその製造方法並びに電気回路モジュールを提供する。
【解決手段】金属回路板３１の両面にセラミック基板３３を接合してなり、一方のセラミック基板３３ａに前記金属回路板３１の一部が露出するような凹部３７を形成するとともに、該凹部３７に露出した前記金属回路板３１に電気素子３５が搭載されるセラミック回路基板３９において、前記金属回路板３１が気孔を有することを特徴とする
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気素子、特に高出力のパワーＦＥＴなどを搭載し、放熱性に優れたセラミック回路基板及びその製造方法並びに電気回路モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来、高出力のパワーＦＥＴなどを収容する半導体素子用パッケージのセラミック回路基板は、図４に示すように、作動時に発熱する半導体素子１の放熱性を向上させるため、半導体素子１と、熱伝導率の高い金属回路板３、セラミック基板５などから構成され、セラミック回路基板７の一方側の面に、金属回路板３が接続され、この金属回路板３には、半導体素子１が搭載されている。
【０００３】
半導体素子１は、たとえばＳｉ単結晶の原子の一部をＶ族またはＩＩＩ族の原子で置き換えた、いわゆる不純物半導体からなり、自由電子と正孔の二つのキャリヤ数により区別されるｎ型、ｐ型半導体の組合せにより構成される。その役割は、ＩＣなどの電子回路のベース電圧信号でパワー回路の電流のスイッチングを行い、電力の制御を行うことにある。
【０００４】
また、金属回路板３は、パワー回路上のエミッタ電極を構成し、大電流を通電するとともに、半導体素子１で発生した熱を外部に伝達し、放出する際、熱を広範囲に伝導し、熱放散性を高める働きをする。
【０００５】
また、セラミック基板５は、絶縁性を有しており、金属回路板３間の電気的絶縁を確保するために設けられるとともに、金属回路板３と同様に熱を外部に伝達する役目を有する。
【０００６】
このようなセラミック回路基板７において、金属回路板３が銅からなる場合、銅の熱伝導率が大きい為、半導体素子１の発熱により発生する熱は、金属回路板３を伝わって良好に外部に放出され、半導体素子の温度上昇を有効に防ぐことが可能となる。
【０００７】
しかしながら、銅からなる金属回路板３の熱膨張係数が、１７×１０^−６／℃であるのに対して、セラミック基板５の熱膨張係数は、一般的に２〜８×１０^−６／℃であり、両者の熱膨張係数が大きく異なるため、金属回路板３とセラミック基板５とを接合する際に、熱膨張係数差に起因して発生する熱応力によって、セラミック回路基板７に反りが発生したり、あるいはセラミック基板５に亀裂が入る等の問題が発生していた。また、同様に半導体素子１を金属回路板３に実装する際にも、半導体素子１の熱膨張係数３〜４×１０^−６／℃と金属回路板３との熱膨張係数の差により、半導体素子１に亀裂が入る等の問題が発生していた。
【０００８】
このような問題を解決するために、金属回路板３として、熱膨張係数が比較的小さく、セラミック基板５や、半導体素子１の熱膨張係数に近い銅−タングステン合金（６〜９×１０^−６／℃）を用いたものや、金属回路板３の素子搭載面を銅―タングステン合金とし、セラミック基板５の他の面に、銅からなる裏金属板を接合した構造のものが報告されている（特許文献１参照）。
【０００９】
しかしながら、金属回路板３として銅―タングステン合金を用いた場合、セラミック基板５や半導体素子１との間の熱膨張係数の差により発生する熱応力は緩和されるものの、銅―タングステン合金の熱伝導率は１８０〜２００Ｗ／ｍ・Ｋであり、銅の熱伝導率（約３９０Ｗ／ｍ・Ｋ）に比べ小さく、金属回路板３に銅を用いた場合に比べ放熱性が半減するという問題がある。
【００１０】
このような問題を解決するため、図５に示すように、銅などの高熱伝導性の金属板３ａの両面に、半導体素子に熱膨張係数が近い銅―タングステン合金などからなる金属板３ｂを接合して、高熱伝導性と熱膨張係数の低下とを併せて達成した金属回路板３が報告されている（特許文献２参照）。
【００１１】
また、図６に示すように、セラミック基板５の一方側に金属回路板３を接合し、半導体素子１搭載面とし、セラミック基板５の他方側に裏金属板９を接合しヒートシンクベース１１と密着する構造のセラミック回路基板７が提案されている（特許文献３参照）。
【００１２】
【特許文献１】
特開昭６３−７３６５１号公報
【００１３】
【特許文献２】
特開平２−１４６７４８号公報
【００１４】
【特許文献３】
特開平１５−１７６２７号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献２に記載された構造では、セラミック回路基板７の反り、及びセラミック基板５に発生する亀裂の問題は抑制されるものの、銅のみの金属基体に比べて放熱性は低下するうえ、タングステンおよびモリブテンなどの低熱膨張金属やそれらの合金は極めて高価であるとともに、金属回路板３の層数が多くなることによりコスト高を招く原因となる。
【００１６】
また、特許文献３に記載された構造のセラミック回路基板７では、セラミック基板５の両面に金属板３、９が接合されており、セラミック基板５の表裏での発生応力のバランスが良く、接合時の反りが防止できるものの、更に放熱性を向上するため、裏金属板９を厚くすると、中間層であるセラミック基板５に発生する熱応力は過大なものとなり、熱サイクルによりクラックや反りなどが発生しやすくなるという問題があった。
【００１７】
また、金属板３、９とセラミック基板５の接合面の熱膨張は拘束されるのに対し、半導体素子１を搭載する金属回路板３表面近傍での熱膨張は完全には拘束されないため、半導体素子１や接合部の半田層に加わる熱応力を低減することはできず、半導体素子１に亀裂が入る等の問題点があった。
【００１８】
以上説明したように、高出力のパワーＦＥＴなどを収容する半導体素子用パッケージのセラミック回路基板においては、放熱性と、信頼性に加え、生産性、コストなどを改善すべく、様々な取り組みが行われているものの、未だ、全てを十分に満足することはできていない。
【００１９】
本発明は、特に半導体素子と金属回路板の接合部や、金属回路板とセラミック基板の接合部、及びセラミック基板に、熱応力や反りによるクラックが発生することを効果的に防止でき、更に工程を簡略化でき、安価で、長期間にわたって優れた耐久性と信頼性が得られるセラミック回路基板及びその製造方法並びに電気回路モジュールを提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明のセラミック回路基板は、金属回路板の両面にセラミック基板を接合してなり、一方のセラミック基板に前記金属回路板の一部が露出するような凹部を形成するとともに、該凹部に露出した前記金属回路板に電気素子が搭載されるセラミック回路基板において、前記金属回路板が気孔を有することを特徴とする。
【００２１】
従来は、熱膨張係数差の大きい金属回路と電気素子とを接続していたため、電気素子が熱膨張差により破損するなどの問題が起こっていたが、本発明のセラミック回路基板では、熱膨張係数の大きい金属回路板の両面に金属回路板よりも熱膨張係数が小さく、剛性の高いセラミック基板を接合することで、温度変化に伴う金属回路板の熱膨張、熱収縮を両面から完全に拘束することができ、金属回路板と電気素子の温度変化に伴う寸法変化の差を小さくすることができるため、金属回路板と電気素子の接合信頼性を向上させることができる。
【００２２】
また、金属回路板の両面にセラミック基板を接合することで、金属回路板の両面の熱応力が均衡し、セラミック回路基板の反りを防止できるとともに、セラミック基板へのクラックの発生を防止できる。
【００２３】
また、金属回路板に気孔を導入したことで、金属回路板のヤング率が下がるため、セラミック基板と金属回路板との熱膨張差による応力を緩和でき、接合信頼性が向上する。
【００２４】
また、本発明のセラミック回路基板は、セラミック基板が気孔を有することを特徴とする。セラミック基板に気孔を導入したことで、セラミック基板のヤング率が下がるため、セラミック基板と金属回路板との熱膨張差による応力を緩和でき、接合信頼性が向上する。
【００２５】
また、本発明のセラミック回路基板は、金属回路板の気孔率が２％以上であることを特徴とする。金属回路板の気孔率を２％以上とすることで、金属回路板のヤング率が下がるため、セラミック基板と金属回路板との熱膨張差による応力を緩和でき、接合信頼性が向上する。
【００２６】
また、本発明のセラミック回路基板は、セラミック基板の気孔率が０．５〜１０％であることを特徴とする。セラミック基板の気孔率を０．５％以上とすることで、セラミック基板のヤング率を下げることができ、また、セラミック基板の気孔率を１０％以下とすることで、セラミック基板に十分な剛性を付与することができ、金属回路板を両面から強固に拘束することができるため、金属回路板と電気素子との接合信頼性を確保することができるとともに、セラミック基板の熱伝導率も実用上望ましい範囲に維持できる。
【００２７】
また、本発明のセラミック回路基板は、金属回路板の厚さが、０．１ｍｍ以上であって、且つセラミック基板の厚さの５倍以下であることを特徴とする。
【００２８】
このように金属回路板の厚さを０．１ｍｍ以上とすることで、セラミック回路基板の放熱性を十分に高くでき、また、セラミック基板の厚さの５倍以下とすることにより、金属回路板の熱膨張による過大な応力の発生を防止できる。
【００２９】
また、本発明のセラミック回路基板は、一方のセラミック基板の厚さが、０．１ｍｍ以上であって、且つ他方のセラミック基板の０．３〜３倍であることを特徴とする。
【００３０】
このようにセラミック基板の厚さを０．１ｍｍ以上とすることにより、セラミック基板の強度を十分確保することが出来、金属回路板の熱膨張に起因する熱応力が発生してもセラミック基板にクラックや割れを生じることなく金属回路板の熱膨張を十分に拘束することが出来る。
【００３１】
また、一方のセラミック基板の厚さを他方のセラミック基板の厚さの０．３〜３倍とすることにより、金属回路板の両面に配置されたセラミック基板に発生する熱応力のバランスを均一なものとすることが出来、セラミック回路板の反りを抑制できるとともに、セラミック基板へのクラックの発生を抑制できる。
【００３２】
また、本発明のセラミック回路基板は、セラミック基板が、窒化珪素、窒化アルミニウム、アルミナ、ジルコニアから選ばれる少なくとも１種を主成分とすることを特徴とする。
【００３３】
このような高強度で低熱膨張のセラミックスを用いることで、金属回路板を十分に拘束することができるとともに、セラミック基板の破壊を防止することができる。
【００３４】
また、本発明のセラミック回路基板は、一方のセラミック基板と他方のセラミック基板とが同質であることを特徴とする。このように、金属回路板を介して設けられた両面のセラミック基板を同質の材質から形成することにより、金属回路板を両面から均一に拘束することが可能となり、セラミック回路基板の信頼性が向上する。
【００３５】
なお、同質とは組成や気孔率がほぼ等しいものを意味し、仮に、組成や気孔率が完全に同一でなくとも、ヤング率や熱膨張係数が同程度になるものであればよい。
【００３６】
また、本発明のセラミック回路基板は、金属回路板が銅、タングステン、モリブテンおよびそれらの合金の少なくとも１種から成ることを特徴とする。
【００３７】
このように金属回路板を、低抵抗、高熱伝導性の銅、タングステン、モリブテンおよびそれらの合金の少なくとも１種から成る金属とすることで、金属回路板の発熱を抑制できるとともに、高い熱放散性を実現できる。
【００３８】
また、本発明のセラミック回路基板の製造方法は金属粉末を含有する金属シートの一方の主面に、無機粉末を含有する第一の無機シートを当接させ、他方の主面に貫通孔が形成された第二の無機シートを積層して積層成形体を作製する工程と、該積層成形体を同時焼成する工程とを具備し、以上説明したセラミック回路基板を作製することを特徴とする。
【００３９】
従来の工程ではセラミック基板が直接接合法等により金属回路板に接合されていたため接合時の位置ずれの発生、熱膨張係数の差によるセラミック基板のクラック発生等の問題があり接合信頼性低下の要因となっていた。また接合工程を設ける必要があり、セラミック回路基板のコスト高の原因ともなっていた。しかし、本発明のセラミック回路基板の製造方法によれば、金属シートを無機シートで挟持し、積層した後、同時焼成を行うことにより、工程の簡略化が達成できる為、所望の製品形状が簡易に作製でき、接合に掛かる全ての工程が省かれ接合コストが削減でき、しかも接合時の位置ずれ等が発生しない為、接合信頼性が向上する。
【００４０】
また、本発明のセラミック回路基板の製造方法は、金属シートに含有される金属粉末の平均粒径が０．５μｍ以上であることを特徴とする。このように金属粉末の平均粒径を０．５μｍ以上とすることによって金属シートに含有される金属粉末の過剰な充填を抑制でき、焼き上げ時の金属回路板の気孔を確保することが出来る。
【００４１】
また、本発明のセラミック回路基板の製造方法は、金属シートが少なくとも平均粒径の異なる２種類の金属粉末を含有することを特徴とする。このように平均粒径の異なる金属粉末を含有させることにより、金属シートの焼き上げ時の気孔率を制御することが出来、金属回路板のヤング率を下げることが出来る。
【００４２】
また、本発明のセラミック回路基板の製造方法は、積層成形体に、積層方向に荷重を加えながら焼成を行うことを特徴とする。このように、積層成形体に荷重を加えながら同時焼成を行うことにより、焼成時に発生するセラミック回路基板の反りを抑制することが出来、電気素子搭載時の歩留まりを向上することが出来る。
【００４３】
また、本発明のセラミック回路基板の製造方法は、第一の無機シートと第二の無機シートとが同質であることを特徴とする。このように、金属シートを介して設けられた両面の無機シートを同質の材質から形成することにより、金属シートを両面から均一に拘束することが可能となり、同時焼成時のセラミック回路基板の反りを抑制できる。
【００４４】
なお、同質とは組成及び成形体密度がほぼ等しいものを意味し、このような同質の第一の無機シートと第二の無機シートは、収縮挙動も等しくなるため、セラミック回路基板に過大な反りが生じることがない。
【００４５】
本発明の電気回路モジュールは、ヒートシンクベースに以上説明したセラミック回路基板を搭載することにより、簡単な構造で優れた熱放散性を有し、高温と低温との間で温度サイクルが加えられてもセラミック基板が破壊することがなく、信頼性の高い発熱性の電気素子用放熱構造体を得ることができる。
【００４６】
【発明の実施の形態】
本発明のセラミック回路基板は、図１に示すように金属回路板３１と、金属回路板３１の両面に接合されたセラミック基板３３で構成され、金属回路板３１の一方側に設けられたセラミック基板３３ａには、金属回路板３１の一部が露出するように貫通した凹部３７が設けられ、凹部３７に露出した金属回路３１には、電気素子３５、例えば、半導体素子３５が接続される。
【００４７】
また、金属回路板３１の他方側に設けられたセラミック基板３３ｂには、ヒートシンクベース４１が配設されている。
【００４８】
このような構造のセラミック回路基板３９において、半導体素子３５は、例えば、発熱性素子やＩＧＢＴ、パワー系素子などのように電流を制御する機能を有しており、半導体素子３５には電流を制御するための信号を半導体素子３５に伝達するための配線（図示せず）が接続されている。
【００４９】
また、半導体素子３５には電流を流すための配線（図示せず）が接続され、半導体素子３５を介して、前記電流を流すための配線から金属回路板３５に電流が流れる。電流の流れが逆になる場合があるのは言うまでもない。
【００５０】
また、金属回路板３１には気孔が存在することが重要であり、金属回路板３１の気孔率は２％以上、特に３〜４％の範囲であることが望ましい。この金属回路板３１の気孔率を２％以上、特に３〜４％の範囲とすることで金属回路板３１のヤング率が下がるため、セラミック基板３３と金属回路板３１の熱サイクルに伴う応力を小さくすることができるとともに、発生した応力を十分緩和することができ、接合信頼性を向上させることができる。
【００５１】
また、このようなセラミック回路基板３９においてセラミック基板３３の気孔率は、０．５〜１０％の範囲、特に５〜８％以上が望ましい。セラミック基板３３の気孔率を前記の範囲とすることで、セラミック基板３３に金属回路板３１を拘束するために十分な強度と剛性を付与することができる。また、後述する製法で金属シートと無機シートとを積層した後、同時焼成してセラミック回路基板３９を作製する場合には、セラミック基板３３の気孔率が１０％以下、特に８％以下となるように同時焼成することにより、セラミック基板３３の緻密化が促進され、焼成過程においてセラミック基板３３と金属回路板３１の界面でアンカー効果が発生し、高い接合強度が得られ、セラミック基板３３と金属回路板３１との接合信頼性を向上させることができる
また、本発明のセラミック回路基板３９において、金属回路板３１の厚さを０．１ｍｍ以上とし、セラミック基板３３の厚さの５倍以下とすることが望ましい。
【００５２】
例えば、セラミック基板３３の厚みが０．５ｍｍの場合、金属回路板３１の厚みを０．１ｍｍ〜２．５ｍｍの範囲にすることが望ましい。この金属回路板３１の厚みを０．１ｍｍ以上とすることで、セラミック回路基板３９の放熱性を高くすることができるとともに、金属回路板３１の電気的抵抗を下げることができるため、電流を流した際の金属回路板３１の発熱も抑制することができる。また、金属回路板３１の厚みをセラミック基板３３の５倍以下とすることで、金属回路板３１とセラミック基板３３との熱膨張係数の差によるセラミック回路基板３９の反りを抑制できるとともに、セラミック基板３３の割れを抑制できる。
【００５３】
また、セラミック基板３３の厚みは、０．１ｍｍ以上、特に０．５ｍｍ以上であることが望ましい。このセラミック基板３３の厚さを０．１ｍｍ以上、特に０．５ｍｍ以上とすることで、セラミック基板３３に十分な強度と剛性を付与できるため、金属回路板３１の熱サイクルに伴う膨張と収縮を十分に拘束することが可能となり、セラミック回路基板３９の反りやセラミック基板３３の割れを防止することができる。
【００５４】
また、金属回路板３１の両面に配置されたセラミック基板３３に発生する熱応力のバランスを考慮して、一方のセラミック基板３３ａの厚みが、他方のセラミック基板３３ｂの０．３〜３倍であることが好ましく、さらに、０．５〜１．５倍の範囲がより望ましい。
【００５５】
また、セラミック基板３３は、特に限定されるものではないが、高強度で、低熱膨張係数を有する窒化珪素、窒化アルミニウム、アルミナ、ジルコニアから選ばれる少なくとも１種を含有するものが好ましく、特に、低融点金属を含む金属回路板３１との同時焼成が可能で、比較的高強度で、且つ熱伝導率が比較的高いアルミナを用いることが望ましい。
【００５６】
また、均一に金属回路板３１を拘束するという点と、同時焼成を行い、セラミック回路基板３９を作製する場合には、収縮挙動を一致させ、セラミック回路基板３９の反りを抑制できる点から、金属回路板３１の両面に配置されるセラミック基板３３は同質であることが望ましい。
【００５７】
また、金属回路板３１は、銅、タングステン、モリブテンおよびそれらの合金の少なくとも１種を主成分とすることが望ましい。特に熱伝導性、原料コスト、および導電性の点から、銅を主成分とすることが望ましい。
【００５８】
また、無機シート１と金属シート２とを同時焼成し、無機シート１の焼成温度が１６００℃を超えるような場合には、金属回路板３１の気孔の確保のために、金属シート２に、例えば、アルミナなどの無機粉末を添加することが望ましく、無機粉末の量は、熱伝導率を確保するために２０体積％以下、望ましくは１０体積％以下とすることが望ましい。
【００５９】
本発明に係る電気回路モジュールは、上記のように調整したセラミック回路基板３９の半導体素子３５が搭載される面の反対側の面にヒートシンクベース４１を配設して構成される。
【００６０】
上記構成に係るセラミック回路基板３９およびそれを用いた半導体モジュールとヒートシンクベース４１の接合方法としては、高分子を主成分とした接着剤、グリースのみならず、半田、ロウ材等を使用してもよい。また、本発明のヒートシンクベース４１は、いわゆるヒートシンク（放熱板）のみを示すものではなく、実装ボードなどのセラミック回路基板３９が接合または実装されるものは全て含むものとする。
【００６１】
以下に、上記セラミック回路基板３９の製造方法の一例について、図２を用いて説明する。
【００６２】
まず、セラミック基板３９となる窒化珪素、窒化アルミニウム、アルミナ、ジルコニアのいずれかの無機粉末を主成分とする無機シート１と、金属回路板３１となる銅、タングステン、モリブテンのいずれかの金属粉末を主成分とする金属シート２を作製する。無機シート１及び金属シート２は周知の成形方法によって作製することが出来、例えば、上記混合粉末に有機バインダーや溶媒を添加してスラリーを調整した後、ドクターブレード法によって成形したり、混合粉末に有機バインダーを加え、プレス成形、圧延成形等により所定の厚みの無機シート１及び金属シート２を作製できる。
【００６３】
このようにして作製した無機シート１の焼結温度が１４００℃より高い場合には、金属粉末にＷ及び／又はＭｏからなる金属シート２を用いることが望ましく、また、無機シート１の焼成温度が１４００℃以下の場合には、ＣｕとＷ及び／又はＭｏからなる金属シート２を用いることが望ましい。
【００６４】
また、金属回路板３１に気孔を形成するためには、金属シート２の緻密化を阻害するために、金属シート２に含有される金属粉末の平均粒径を、０．５μｍ以上、特に、０．７μｍ以上とすることが望ましい。
【００６５】
また、金属シート２には、少なくとも平均粒径の異なる２種類の金属粉末を配合することが望ましい。この金属粉末の平均粒径は、第一の平均粒径が０．７〜１．０μｍが好ましく、第二の平均粒径が３．０〜５．０μｍが望ましい。これにより金属粉末間に気孔が出来やすくなり、金属回路板３１のヤング率を下げることが出来る。
【００６６】
次に、金属回路板３１が露出する貫通孔を形成する為に無機シート１にプレスによる打ち抜きや、レーザー加工で所定形状の貫通孔３を形成する。金属シート２の一方の主面に、この貫通孔３の形成された無機シート１ａを当接させ、前記金属シート２の他方の主面に無垢の無機シート１ｂを当接し、位置合わせをして、加圧積層し、凹部を有する積層成形体４を作製する。
【００６７】
また、本発明においては、一方の無機シート１ａと他方の無機シート１ｂとが同質であることが望ましく、金属シート２を介して設けられた両面の無機シート１を同質の材質から形成することにより、金属シート２を両面から均一に拘束することが可能となり、同時焼成時に発生する反りが抑制できる。
【００６８】
この積層成形体４を、１２００〜１７００℃の非酸化性雰囲気中で焼成して、セラミック回路基板３９を作製する。また、金属シート２に含まれる金属成分の酸化を防止するために、焼成時の非酸化性雰囲気としては、窒素、あるいは窒素と水素の混合雰囲気を用いることが望ましい。なお、この雰囲気は所望により、アルゴンガス等の不活性ガスを混入してもよい。
【００６９】
また、同時焼成時において、積層成形体４にセッターを介して、Ｍｏメッシュ等で荷重を加えながら焼成を行うことで、セラミック回路基板３９の反りを抑制することが出来る。
【００７０】
尚、本発明は上記形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、図３に示すように、無機シート１ｃに金属シート２を金型同時打ち抜き法等で埋め込んで作製された積層成形体４を用いても良い。
【００７１】
次に、セラミック回路基板３９およびそれを用いた電気回路モジュールについて実施例を用いて具体的に説明する。
【００７２】
【実施例】
（無機シート作製）
Ａｌ_２Ｏ_３製セラミック基板３３用の無機シート１として、酸化アルミニウム粉末（平均粒径１．８μｍ）を９１．５質量％と、５質量％のＭｎＯ_２、３質量％のＳｉＯ_２、０．５質量％のＭｇＯを混合した後、さらに、成形用有機樹脂（バインダ）としてアクリル系バインダを、溶媒としてトルエンを添加し、ボールミルで２４時間混合してスラリーを調製した。
【００７３】
また、ＡｌＮ製セラミック基板３３用の無機シート１として、窒化アルミニウムを９０．０質量％と、８．０質量％の酸化エルビウム（Ｅｒ_２Ｏ_３）、２．０質量％の酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）を混合した後、さらに、成形用有機樹脂（バインダ）としてアクリル系バインダを、溶媒としてトルエンを添加し、ボールミルで２４時間混合してスラリーを調製した。
【００７４】
また、Ｓｉ_３Ｎ_４製セラミック基板３３用の無機シート１として、平均粒径が１．２μｍ、酸素量が１．３質量％、α率９３％の直接窒化法により製造された窒化ケイ素原料粉末を８４．９モル％と、７．５モル％のＥｒ_２Ｏ_３、７．５モル％のＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３を０．０１モル％以下となる量で配合して、成形用バインダとしてアクリル樹脂バインダを、溶媒としてトルエンを添加し、ボールミルで２４時間混合してスラリーを調製した。
【００７５】
また、ＺｒＯ_２製セラミック基板３３用の無機シートとして、平均粒径が０．５μｍのＺｒＯ_２粉末９７モル％に、３モル％のＹ_２Ｏ_３粉末を混合した後、さらに、成形用有機樹脂（バインダ）としてアクリル系バインダを、溶媒としてトルエンを添加し、ボールミルで２４時間混合してスラリーを調製した。
【００７６】
次に、これらのスラリーを用いて、ドクターブレード法によって４種の無機シート１を作製した。なお、これらの無機シート１は焼成後に表１に示す厚みになるように調整した。
【００７７】
（金属シート作製）
銅−タングステン製金属回路板３１用の金属シート２として平均粒径が３μｍの銅粉末５０体積％に、平均粒径が０．７μｍのタングステン粉末を５０体積％、成形用有機樹脂としてアクリル系バインダを２質量部、溶剤としてトルエンを添加し、ボールミルで２４時間混合してスラリーを調製した。
【００７８】
また、タングステン製金属回路板３１用の金属シート２として平均粒径が１．８μｍのタングステン粉末９０体積％に、Ａｌ_２Ｏ_３粉末を１０体積％、成形用有機樹脂としてアクリル系バインダを２質量部、溶剤としてトルエンを添加し、ボールミルで２４時間混合してスラリーを調製した。
【００７９】
また、モリブデン製金属回路板３１用の金属シート２として平均粒径が２．５μｍのモリブデン粉末９０体積％に、Ａｌ_２Ｏ_３粉末を１０体積％、成形用有機樹脂としてアクリル系バインダを２質量部、溶剤としてトルエンを添加し、ボールミルで２４時間混合してスラリーを調製した。
【００８０】
次に、これらのスラリーを用いてドクターブレード法によって、３種の金属シート２を作製した。なお、これらの金属シート２は焼成後に表１に示す厚みになるように調整した。
【００８１】
（積層成形体作製）
次に、４種の無機シート１ａに対して金型プレス装置によって、中央部に１５ｍｍ角の大きさの貫通穴３を形成した。
【００８２】
次に、貫通穴３を形成した４種の無機シート１ａと、無機シート１ｂの一方の主面に、密着液を塗布し、４種の金属シート２の一方の面に無機シート１ａの密着液を塗布した面を当接させ、金属シート２の他方の面に無機シート１ｂの密着液を塗布した面を当接させて、表１の組み合わせになるように積層成形体４を作製し、さらに、この積層成形体４を、６０℃に加熱して、９００ＭＰａの圧力を印加した。
【００８３】
次に、この積層成形体４を還元雰囲気中で、表１に示す温度で１時間保持して同時焼成した。
【００８４】
（セラミック回路基板評価）
次に、金属回路板３１の一部が露出するように貫通した凹部３７に、Ｓｎ−Ｐｂ共晶半田ペーストを塗布し、半導体素子３５を当接させた。
【００８５】
次に、３００℃、３０分の条件でリフローし、半導体素子３５をセラミック回路基板３９のセラミック基板３３ａの凹部３７から露出した金属回路板３１に接合した。
【００８６】
次に、このセラミック回路基板３９に搭載された半導体素子３５に電流制御用配線を接続させ、電流用配線を半導体素子３５と金属回路板３１に接続させ、半導体素子３５の搭載後にセラミック基板３３と半導体素子３５の割れの有無を確認し、半導体素子３５の搭載後の不良率を表１に示した。
【００８７】
また、セラミック回路基板３９の反りと熱抵抗を測定し、表１に示した。
【００８８】
また、金属回路板３１の気孔率は、金属回路板３１に接合されるセラミック基板３３を研磨して、除去した後、その一部を粉砕し、理論密度を求め、残部を用いてアルキメデス法により比重を測定し、気孔率を算出した。また、セラミック基板３３の気孔率は、他方のセラミック基板３３と金属回路板３１を研磨して、除去した後、その一部を粉砕し、理論密度を求め、残部を用いてアルキメデス法により比重を測定し、気孔率を算出した。
【００８９】
なお、セラミック回路基板３９の反りは、セラミック回路基板３９の半導体素子３５を搭載しない側のセラミック基板３３ｂの二つの対角を結ぶ線上を、表面粗さ計を用いてＲｍａｘ値を測定し、その平均値を反りの値とした。表１で、反り測定値が０より小さいものはセラミック回路基板３９の半導体素子３５を搭載しない側のセラミック基板３３ｂの中央部がへこんでいることを示し、反り測定値が０より大きいものはセラミック回路基板３９の半導体素子３５を搭載しない側のセラミック基板３３ｂの中央部が盛り上がっていることを示している。
【００９０】
なお、熱抵抗の測定は、半導体素子３５に電流を流し、発熱させ、半導体素子３５の温度に敏感なパラメータの温度依存データから、動作時の半導体素子３５の温度を算出して熱抵抗を計算するＴＳＰ法（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｅｎｓｉｔｉｖｅｐａｒａｍｅｔｅｒｍｅｔｈｏｄ）を用いて行った。その結果を表１に示した。
【００９１】
また、金属シート２単体を焼成し、得られた気孔率２％の金属板を金属回路板３１として用い、セラミック基板３３に気孔率が０．５〜１２％のＡｌ_２Ｏ_３製基板を用いた試料Ｎｏ．２６〜２９と、気孔率が０％の銅−タングステン金属回路板３１と、セラミック基板３３ａとして気孔率が６％のＡｌ_２Ｏ_３製セラミック基板と、気孔率が５％のＺｒＯ_２製セラミック基板３３ｂを用いて作製した試料Ｎｏ．３０では、それぞれのセラミックス基板３３と金属回路板３１とを活性金属法により接合し、セラミック回路基板３９を作製した。
【００９２】
また、比較のために、金属回路板３１の片面のみにセラミック基板３３ａを活性金属法により接合した回路基板（試料Ｎｏ．３１）、金属回路板３１の片面のみにセラミック基板３３ｂを活性金属法により接合した回路基板（試料Ｎｏ．３２）を作製した。それぞれ上記と同様に半導体素子３５搭載時の不良品個数、反り、熱抵抗を求め、その結果も併せて表１に示した。
【００９３】
【表１】

【００９４】
表１の結果から分かるように、本発明の範囲外である金属回路板３１と半導体素子３５搭載側のみにセラミック基板３３ａを設けた試料Ｎｏ．３１のセラミック回路基板３９は、金属回路板３１を十分に拘束出来ず、反りが非常に大きくなり、半導体素子３５搭載時の不良率が１００％となり、非常に高くなった。
【００９５】
また、本発明の範囲外である金属回路板３１と、半導体素子３５搭載側と反対側のみにセラミック基板３３ｂを設けた試料Ｎｏ．３２のセラミック回路基板３９は、金属回路板３１を十分に拘束出来ず反りが非常に大きくなり、特に半導体素子３５搭載側のセラミック基板３３ａが無いため、金属回路板３１の熱膨張が拘束されずに、半導体素子３５搭載時の不良率が１００％となり、極端に高くなった。
【００９６】
なお、試料Ｎｏ．３１、３２では良品が得られず、熱抵抗は測定できなかった。
【００９７】
また、直接接合法により作製し、気孔率が０％の銅−タングステン金属板と、セラミック基板３３ａとして気孔率が６％のＡｌ_２Ｏ_３製セラミック基板と、気孔率が５％のＺｒＯ_２製セラミック基板３３ｂを用いて作製した本発明の範囲外の試料Ｎｏ．３０では、半導体素子３５の搭載時の不良率が１１％と極端に高くなった。
【００９８】
これに対して、金属回路板３１の両面にセラミック基板３３を設け、半導体素子３５搭載面側のセラミック基板３３ａに金属回路板３１が露出するような凹部３７を形成して、半導体素子３５の搭載を可能にするとともに、金属回路板３１の熱膨張及び熱収縮を両面から拘束する構造とした本発明のセラミック回路基板３９（試料Ｎｏ．１〜２８）は、熱応力による反り、及び熱抵抗がともに小さく、反りが５０μｍ以下で、且つ熱抵抗が２．３３℃／Ｗ以下という優れた特性を有している。このため、半導体素子３５搭載時の不良品がいずれも４％以下であり、放熱性にも優れていることがわかる。
【００９９】
また、金属回路板３１の厚みを１．５ｍｍとし、半導体素子３５搭載側のセラミック基板３３ａと反対側のセラミック基板３３ｂの厚みを同じにして、金属回路板３１の気孔率を１．５〜５．０％の範囲で変化させた試料Ｎｏ．１〜５では、金属回路板３１の気孔率が３．０％以上の試料で、半導体素子３５搭載時の不良率が０％となり、高い歩留まりを達成できた。また、反りも３０μｍ以下となった。
【０１００】
また、金属回路板３１の厚みを１．５ｍｍとし、半導体素子３５搭載側のセラミック基板３３ａと反対側のセラミック基板３３ｂの厚みを同じにして、セラミック基板３３の気孔率を８〜１２％の範囲で変化させた試料Ｎｏ．６、７において、セラミック基板３３の気孔率が１２％の試料Ｎｏ．６では、セラミック基板３３の収縮が不十分な為、同時焼成時に反りが発生し、半導体素子３５の搭載時に２％の不良が発生している。また、セラミック基板３３の気孔率が８％の試料Ｎｏ．７では半導体素子３５の搭載時の半導体素子３５搭載時の不良率が０％となり、高い歩留まりを達成できた。
【０１０１】
また、半導体素子３５搭載側のセラミック基板３３ａと反対側のセラミック基板３３ｂの厚みを０．３ｍｍとし、金属回路板３１の厚みを０．０５〜２ｍｍの範囲で変化させた試料Ｎｏ．８〜１１においては、金属回路板３１の厚みが０．１ｍｍ未満の試料Ｎｏ．８では、不良は発生していないものの、他の試料に比べ、熱抵抗が１．３４℃／Ｗと若干高くなっている。また、金属回路板３１とセラミック基板３３との厚みの比が５を超える試料Ｎｏ．１１では、熱応力が大きくなるために、若干ではあるが、半導体素子３５搭載時に不良が発生している。
【０１０２】
また、金属回路板３１の厚みを１．５ｍｍとし、半導体素子３５搭載側のセラミック基板３３ａと反対側のセラミック基板３３ｂの厚みを同じにして、０．０５〜１．５ｍｍの範囲で変化させた試料Ｎｏ．１２〜１５では、セラミック基板３３の厚みが０．１ｍｍ以上の試料で半導体素子３５搭載時の不良率が０％となり、高い歩留まりを達成できた。また、セラミック基板３３の厚みが０．０５ｍｍの試料Ｎｏ．１２は同時焼成において金属回路板３１を十分拘束することが出来ず、そりが大きくなった為、ヒートシンクベース４１との密着性が低下し、熱拡散が効率よく行えず熱抵抗が上昇した。
【０１０３】
また、金属回路板３１の厚みを１．５ｍｍとし、半導体素子３５搭載側のセラミック基板３３ａと、反対側のセラミック基板３３ｂの厚みを変化させた試料Ｎｏ．１６〜１９では、片側のセラミック基板３３ａの厚みと、他方のセラミック基板３３ｂの厚みの比が０．３〜３倍の範囲を超える試料Ｎｏ．１７、１９では１％の不良が発生したのに対して、片側のセラミック基板３３ａの厚みと他方のセラミック基板３３ｂの厚みの比が０．３〜３倍の範囲内の試料Ｎｏ．１６、１８では、半導体素子３５搭載時の不良率が０％になり、高い歩留まりを達成できた。
【０１０４】
なお、以上説明した試料Ｎｏ．１〜１９は、Ａｌ_２Ｏ_３製のセラミック基板３３とＣｕ／Ｗ製の金属回路板３１を組み合わせた例である。
【０１０５】
セラミック基板３３として、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＡｌＮ、ＺｒＯ_２を用い、金属回路板３１として、Ｃｕ／Ｗ、Ｗ、Ｍｏを用いた試料Ｎｏ．２０〜２５においても、低い不良率が達成された。
【０１０６】
なお、両面のセラミック基板３３を異なる材質とした試料Ｎｏ．２３では、同じ材質を用いた場合に比べ、不良率が４％となり、不良率が増加する傾向にあるが、それぞれの厚さを適宜、調整することで、不良率は減少させられるものと推測される。
【０１０７】
また、セラミック基板３３の材質に焼成温度１４００℃以上の材質を用いた試料Ｎｏ．２０〜２２、２４、２５においては、試料Ｎｏ．２０〜２２、２４では、ＷにＡｌ_２Ｏ_３粉末を加えた金属シート２を用い、試料Ｎｏ．２５では、ＭｏにＡｌ_２Ｏ_３粉末を加えた金属シート２を用いて、１６００℃の焼成温度で同時焼成を行った。その結果、熱抵抗は若干高くなったものの、半導体素子３５搭載時の不良率が０％になり、高い歩留まりを達成できた。
【０１０８】
また、セラミック基板３３の気孔率を変化させた試料Ｎｏ．２６〜２９では、気孔率が２％の銅−タングステン金属回路板３１と、セラミック基板３３として気孔率が１０％以下のＡｌ_２Ｏ_３製セラミック基板３３を用いた試料Ｎｏ．２６〜２８では熱抵抗、反りがともに小さく良好な結果が得られた。しかし、セラミック基板３３として気孔率が１２％のＡｌ_２Ｏ_３製基板を用いた試料Ｎｏ．２９ではセラミック基板３３の熱伝導が悪くなった為、実用上問題はないものの、発熱時の熱拡散を効率よく行えず、１．１１℃／Ｗと若干、熱抵抗が高くなった。
【０１０９】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明のセラミック回路基板は、金属回路板の両面をセラミック基板とし、電気素子搭載面側のセラミック基板に金属回路板が露出するような凹部を形成して、電気素子の搭載を可能にするとともに、金属回路板の熱膨張を両面から拘束することから、セラミック基板と金属回路板を同時焼成する際に、金属回路板の表裏での熱応力の発生を抑制しながらバランスを保ち、反りの発生を抑えることができ、同時焼成時に反りを生じることなく、さらにセラミック基板の亀裂の発生を防ぐことが出来る。
【０１１０】
また、セラミック回路基板に電気素子を半田などで実装する際にも、中央の金属回路板が両面のセラミック基板によって拘束されているので、反りの発生や、繰返しの熱サイクルによる電気素子や接合部に亀裂が入ることなく使用することが出来る。さらに、金属回路板やセラミック基板に気孔を導入することでこれらの部材のヤング率が下がり、電気素子搭載時の不良率が減少する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミック回路基板及び電気回路モジュールを示す断面図である。
【図２】本発明の積層成形体を示す断面図である。
【図３】本発明の他の形態の積層成形体を示す断面図である。
【図４】従来のセラミック回路基板を示す断面図である。
【図５】従来のセラミック回路基板の他の形態を示す断面図である。
【図６】従来のセラミック回路基板とヒートシンクベースとを接続した形態を示す断面図である。
【符号の説明】
３１・・・金属回路板
３３・・・セラミック基板
３５・・・電気素子
３７・・・凹部
３９・・・セラミック回路基板
４１・・・ヒートシンクベース

Claims

金属回路板の両面にセラミック基板を接合してなり、一方のセラミック基板に前記金属回路板の一部が露出するような凹部を形成するとともに、該凹部に露出した前記金属回路板に電気素子が搭載されるセラミック回路基板において、前記金属回路板が気孔を有することを特徴とするセラミック回路基板。
セラミック基板が気孔を有することを特徴とする請求項１に記載のセラミック回路基板。
金属回路板の気孔率が２％以上であ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回路基板。
セラミック基板の気孔率が０．５〜１０％であることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載のセラミック回路基板。
金属回路板の厚さが、０．１ｍｍ以上であって、且つセラミック基板の厚さの５倍以下であることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載のセラミック回路基板。
一方のセラミック基板の厚さが、０．１ｍｍ以上であって、且つ他方のセラミック基板の０．３〜３倍であることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれかに記載のセラミック回路基板。
セラミック基板が、窒化珪素、窒化アルミニウム、アルミナ、ジルコニアから選ばれる少なくとも１種を主成分とすることを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれかに記載のセラミック回路基板。
一方のセラミック基板と他方のセラミック基板とが同質であることを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれかに記載のセラミック回路基板。
金属回路板が、銅、タングステン、モリブテンおよびそれらの合金の少なくとも１種から成ることを特徴とする請求項１乃至８のうちいずれかに記載のセラミック回路基板。
金属粉末を含有する金属シートの一方の主面に、無機粉末を含有する第一の無機シートを当接させ、他方の主面に貫通孔が形成された第二の無機シートを積層して積層成形体を作製する工程と、該積層成形体を同時焼成する工程とを具備し、請求項１乃至９のうちいずれかに記載のセラミック回路基板を作製することを特徴とするセラミック回路基板の製造方法。
金属シートに含有される金属粉末の平均粒径が０．５μｍ以上であることを特徴とする請求項１０に記載のセラミック回路基板の製造方法。
金属シートが、少なくとも平均粒径の異なる２種類の金属粉末を含有することを特徴とする請求項１０又は１１記載のセラミック回路基板の製造方法。
積層成形体に、積層方向に荷重を加えながら焼成を行うことを特徴とする請求項１０乃至１２のうちいずれかに記載のセラミック回路基板の製造方法。
第一の無機シートと第二の無機シートとが同質であることを特徴とする請求項１０乃至１３のうちいずれかに記載のセラミック回路基板の製造方法。
請求項１乃至請求項９のいずれかに記載のセラミック回路基板において、電気素子が搭載される反対側の面のセラミック基板にヒートシンクベースを接合したことを特徴とする電気回路モジュール。