JP2006351988A - セラミック基板、セラミック回路基板及びそれを用いた電力制御部品。 - Google Patents

Abstract

【課題】銅製放熱部材に代表される廉価で熱伝導率が高く、高熱膨張率の金属製放熱部材（ヒートシンク）を使用したとしても、はんだクラックを抑制し得るセラミック基板、セラミック回路基板およびそれを用いた電力制御部品を提供すること。
【解決手段】セラミック板１の両主面に金属板３を接合してなるセラミック基板において、少なくとも一主面上の金属板３のセラミック板と対向する面に、セラミック板１との非接合部分Ｂを有することを特徴とするセラミック基板。
【選択図】図１

Description

本発明は、セラミック基板、セラミック回路基板及びそれを用いた電力制御部品に関する。

半導体分野において、ＬＳＩの集積化や高速化が進むことに加え、ＧＴＯやＩＧＢＴ等のパワーデバイスの用途が拡大することなどの事情から、シリコンチップの発熱量が増加の一途をたどっている。そして、前記電力制御部品が電鉄や電気自動車などの長期信頼性が要求される分野に採用されるにつれ、シリコンチップが搭載されている回路基板、あるいは回路基板が搭載されている電力制御部品の放熱特性の向上が重大な課題となってきている。

電力制御部品等に利用される回路用基板として、熱伝導率やコスト、安全性等の点から、アルミナ、窒化ケイ素、窒化アルミニウム等のセラミック板が利用されている。これらのセラミック板は、銅やアルミニウム等の金属板と接合してセラミック基板とし、エッチングなどにより回路を形成してセラミック回路基板として用いられる。これらは、樹脂基板や樹脂層を絶縁材とする金属基板に対し、高い絶縁性が安定して得られるという特長がある。

電力制御部品は、半導体素子を搭載したセラミック回路基板と、銅等の放熱特性に優れた金属製放熱部材（ヒートシンク）をはんだを介して接合したものが一般に用いられている。しかし、低熱膨張率のセラミック回路基板と高熱膨張率の金属製放熱部材（ヒートシンク）との熱膨張率の差が大きいため、前記半導体素子から発生した熱により、セラミック回路基板と放熱部材（ヒートシンク）とを接合しているはんだ部に「はんだクラック」と呼ばれるクラックが生じる場合がある。 はんだクラックは、セラミック回路基板と放熱部材（ヒートシンク）との間の熱の伝導経路を遮断し、その結果、半導体素子の放熱が充分に行われないため、前記半導体素子の温度上昇や熱的劣化を生じさせ、機能停止に至る場合がある。

はんだクラックの発生は、車両、電気自動車などの長期的に信頼性を必要とする用途にとっては致命的な欠陥であり、そのため、放熱特性に優れ、電気的信頼性が大幅に向上したセラミック回路基板とそれを用いた電力制御部品が切望されている。

最近、前述の熱膨張差の発生を抑制することを目的に、Ａｌ−ＳｉＣ複合体からなる低熱膨張率の放熱部材（ヒートシンク）を使用したパワーモジュールが開発され、長期信頼性を必要とするハイブリッドカーや電鉄などに使用されはじめている。

Ａｌ―ＳｉＣ複合体からなる低熱膨張率の放熱部材（ヒートシンク）は、パワーモジュールの長期信頼性に対して非常に効果的であり、いろいろな製法によるものが市販されている。例えば、ダイキャスト法（特許文献１）や溶湯鍛造法（非特許文献１）などの高圧鋳造法、或いは、自発浸透法（特許文献２）等が知られている。
特表平５−５０８３５０号公報 西田、「加圧含浸法による複合材料製造研究の展開」、まてりあ、社団法人日本金属学会、１９９７年１月、第３６巻、第１号、ｐ．４０−４６ 特開平２−１９７３６８号公報

しかしながら、Ａｌ−ＳｉＣ複合体を用いた放熱部材（ヒートシンク）は、前記のいずれの製法によるものであっても、従来の銅製放熱部材（ヒートシンク）よりも製造コストが高いという課題がある。その理由として、Ａｌ−ＳｉＣ複合体の製造法自体から由来する要因や、また板状の放熱部材（ヒートシンク）としての寸法的な歩留まり要因などが挙げられるが、いずれせよ従来から使用されている銅板にはコストや寸法精度の点で及ばないのが現状である。

Ａｌ−ＳｉＣ複合体の熱伝導率は、ＳｉＣの含有量に依存するが、約１５０Ｗ／ｍ・Ｋ〜２００Ｗ／ｍ・Ｋ程度であり、銅製放熱部材（ヒートシンク）の熱伝導率の約４００Ｗ／ｍ・Ｋに対して約半分以下の低熱伝導率である。従って、半導体素子から発生する熱を効率的にパワーモジュールから外部に逃すには不十分な場合があり、パワーモジュールとしての許容電力量が低くなってしまうという課題がある。

上記理由のために、Ａｌ−ＳｉＣ複合体からなる放熱部材（ヒートシンク）は、その信頼性の高さは認められながらも、使用用途は限定され、銅製放熱部材（ヒートシンク）からのＡｌ−ＳｉＣ複合体からなる放熱部材（ヒートシンク）への置き換えは進んでいないのが現状である。特に、廉価であることを要求される汎用品のパワーモジュールについては、銅製放熱部材（ヒートシンク）が今後とも用いられる趨勢にある。

従来、はんだとしては、錫と鉛の合金が主に使用されているが、使用後に廃棄されると鉛が溶け出し、地下水を汚染するなどして、環境被害や人体への悪影響が懸念されるため、規制への動きが高まっている。こうしたことから、鉛を含まないはんだ、所謂「鉛フリーはんだ」による接合技術の開発が求められているが、各種の問題を抱えているのが実状である（非特許文献２）。
西村、「生体為害性金属元素フリー材料開発の現状と展望 鉛フリーはんだ合金」、まてりあ、社団法人日本金属学会、２００４年８月、第４３巻、第８号、ｐ．６５１−６５４

本発明の目的は、上記課題に鑑み、銅製放熱部材（ヒートシンク）に代表される廉価で熱伝導率が高く、高熱膨張率の金属製放熱部材（ヒートシンク）を使用したとしても、前記はんだクラックを抑制し得るセラミック基板、セラミック回路基板およびそれを用いた電力制御部品を提供することである。

即ち、本発明は、セラミック板の両主面に金属板を接合してなるセラミック基板において、少なくとも一主面上の金属板のセラミック板と対向する面に、セラミック板との非接合部分を有するセラミック基板であり、セラミック板と金属板の非接合部分が、金属板の外周部又は外周部の一部に存在するセラミック基板であり、金属板の面積がセラミック板の面積と同等もしくはそれ以下であるセラミック基板であり、セラミック板と金属板の非接合部分が、非接合部分を有する金属板の厚みをｔ、前記金属板の端部から前記金属板とセラミック板の接合部までの距離をＬ１とするとき、（Ｌ１／ｔ）が０．０３〜１５であるセラミック基板であり、セラミック板と金属板の非接合部分が、金属板の角部にあるセラミック基板であり、金属板が、銅または銅を主成分とする銅合金であるセラミック基板であり、セラミック板が、窒化アルミニウム板であるセラミック基板であり、セラミック板が、窒化珪素板であるセラミック基板である。

さらに、銅板又は銅を主成分とする銅合金板の側面にはんだレジスト膜が形成されていることを特徴とするセラミック基板であり、銅板又は銅を主成分とする銅合金板の側面、並びに、銅板又は銅を主成分とする銅合金板のセラミック板と対向する面と反対側の面の端部外周又は端部外周の一部に、はんだレジスト膜が形成されていることを特徴とするセラミック基板であり、銅板又は銅を主成分とする銅合金板のセラミック板と対向する面と反対側の面の端部外周又は端部外周の一部において、はんだレジスト膜が形成されている部分が、銅板又は銅を主成分とする銅合金板の厚みをｔ、前記銅板又は銅を主成分とする銅合金板の端部からのはんだレジスト膜の距離をＬ２とするとき、（Ｌ２／ｔ）が０．０２〜１０であることを特徴とするセラミック基板であり、はんだレジスト膜が形成されている部分が、銅板又は銅を主成分とする銅合金板の角部にあることを特徴とするセラミック基板である。

又、前記セラミック基板の一主面に、回路パターンを形成してなるセラミック回路基板であり、一主面上に、金属板のセラミック板と対向する面にセラミック板との非接合部分を有するセラミック基板において、反対側の主面に回路パターンを形成してなるセラミック回路基板であり、前記セラミック回路基板において、回路パターンと反対側の主面に放熱部材（ヒートシンク）をはんだ付けしてなる電力制御部品であり、放熱部材（ヒートシンク）が銅又は銅を主成分とする銅合金であることを特徴とする電力制御部品であり、鉛を含まないはんだを使用することを特徴とする電力制御部品であり、セラミック回路基板と放熱部材（ヒートシンク）を接合するはんだ層が、セラミック回路基板の金属板側面及び表面端部に接触しないことを特徴とする電力制御部品であり、セラミック回路基板上に半導体素子を搭載してなる電力制御部品である。

本発明により、はんだクラックに対する耐久性を向上させた、特に、ＩＣパッケージやＩＧＢＴ、ＧＴＯ等の電力制御部品に好適なセラミック基板、セラミック回路基板及びそれを用いた電力制御部品が提供される。

本発明者は、鋭意検討を行った結果、図１に示すように、セラミック板１の両主面に金属板２、３が接合され、一主面（表面）の金属板２は、パターニングされ回路として使用され、他の主面（裏面）の金属板３は、放熱部材（ヒートシンク）４にはんだ５を介して接合された構造を有し、前記放熱部材（ヒートシンク）４に接合される金属板３が、セラミック板１と対向する面において、接合部分（Ａ）と前記接合部分の周囲或いはその一部に非接合部分（Ｂ）を有することで、耐はんだクラック性が極めて優れるという特徴を見出した。

前記構造を採用すると耐はんだクラック性が優れる理由は十分解明された訳ではないが、本発明者らは以下のように推察している。従来のセラミック回路基板は、セラミック板と金属板の接合界面端部と金属板端部が一致しており、セラミック板と金属板の間に隙間がない構造を採用している（図７参照）。このため、従来のセラミック回路基板では、セラミック回路基板と金属製放熱部材（ヒートシンク）との熱膨張差に起因する応力が、はんだ内部に金属板の端部から集中的に加わるため、はんだクラックが発生しやすいものと推察している。

これに対して、本発明のセラミック回路基板では、接合部の周囲或いはその一部に非接合部を設けることにより、応力の一部を金属板３とセラミック板１の接合部分に分散させて、はんだに加わる応力を緩和させることができ、その結果、耐はんだクラック性が向上する。

従って、図２に例示するように接合部の周囲に非接合部分があることが好ましく、少なくとも、図３に例示するように非接合部分が、はんだへの負荷が最も厳しい金属板の角部にあることが好ましい。

本発明において、好ましい非接合部分（Ｂ）の大きさは金属板の厚みと関係しており、非接合部分を有する金属板の厚みをｔ、前記金属板の端部から前記金属板とセラミック基板の接合部までの距離をＬ１とするとき、Ｌ１／ｔが、０．０３〜１５であることが好ましい。Ｌ１は、図２に示すように、同一のセラミック基板において複数の値を有する。Ｌ１／ｔの全ての値が０．０３未満の場合には、前記効果が十分でない場合があり、一方、その上限については、特に定めるべき技術的な理由はないが、不必要に大きくても基板サイズの増大につながるため好ましくなく、セラミック基板の一般的な大きさ（７０ｍｍ×３５ｍｍ）の場合には、上限値は１５が好ましい。

本発明に係るセラミック回路基板は、両主面上に金属板のセラミック板と対向する面にセラミック板との非接合部分を有していても構わないが、一主面上に、前記非接合部分を有する場合は、反対側の主面に回路パターンが形成されることが好ましい。

セラミック板にかかる負荷の抑制、及び、製造コストの点から、金属板の面積をセラミック板の面積と同等もしくはそれ以下とすることが好ましい。

本発明に係るセラミック基板およびセラミック回路基板の作製方法は、従来公知の方法を使用することが可能である。中でも、活性金属含有ろう材を介して金属板をセラミック板に接合する方法は、前記非接合部分（Ｂ）の大きさを制御し易いという特徴があり、さらに、作製が容易で、且つ、従来の基板寸法やプロセスを大きく変えることが不要なため、製造コストの点から有利である。

以下に、本発明に係るセラミック基板およびセラミック回路基板の作製方法を説明する。

セラミック板の主面に、回路となる金属板と、放熱部材（ヒートシンク）に接合される金属板を、活性金属を含有するろう材により接合する。セラミック板としては、窒化アルミニウム、窒化珪素、酸化アルミニウム、炭化珪素等が知られているが、本発明は窒化アルミニウム、窒化珪素等の熱膨張率の小さな窒化物セラミックを使用すると、その効果が著しく好ましい。又、セラミック板の厚みは使用目的により異なるが、０．２〜４．５ｍｍ程度のものが一般的である。

窒化物セラミック板に銅等の金属板を活性金属含有ろう材を介して接合する場合、ろう材中にＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等の窒化物セラミックの成分と反応する活性金属を含有することが好ましい。

本発明に用いられる金属板は、銅、ニッケル、アルミニウム、モリブデン、タングステン等の金属や前記金属を主成分とする合金、或いは前記金属又は前記金属を主成分とした合金を接合した、所謂クラッド板等を用いることが可能であり、中でも、銅又は銅を主成分とする銅合金、並びに、アルミニウム又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金が好ましい。金属板の厚みは０．１〜３．０ｍｍが一般的である。なお、本発明においては金属回路と放熱用金属板とが同一である必要はなく、材質、厚さ、形状等の点で異なっていても構わない。

金属板のセラミック板への接合に際して、非接合部分（Ｂ）が存在するようにするには、前記活性金属含有ろう材を金属板の大きさよりも所望の寸法だけ小さくセラミック板に塗布すればよい。

接合の方法に関しては、従来公知の方法で加熱し、前記ろう材を溶融、反応せしめて、セラミック板と金属板とを接合して、本発明に係るセラミック基板を作製する。その後、回路用金属板に、必要ならば放熱部材（ヒートシンク）接合用金属板にもエッチングマスクを被せてエッチングを行い、回路形成、放熱部材（ヒートシンク）接合用金属板の寸法調整を行って、本発明に係るセラミック回路基板を作製する。

セラミック板と銅板又は銅を主成分とする銅合金板とを接合してなるセラミック基板は、エッチング等の処理を行い、回路を形成した後、表面保護あるいは、ワイヤーボンディングが容易になるように、銅または銅を主成分とする銅合金板上に、めっき処理が施される場合がある。半導体素子や、電子部品等が取り付けられたこのセラミック回路基板を、ヒートシンクなどの放熱部材に取り付けて、電力制御部品として使用する。

放熱部材（ヒートシンク）や半導体素子等とセラミック回路基板がはんだ付けされるが、従来の方法では、はんだ層が銅板又は銅を主成分とする銅合金板側面まで被覆する。この状態でヒートサイクル試験を行うと、放熱部材（ヒートシンク）とセラミック回路基板との熱膨張率の差に起因する応力が発生し、はんだにクラックが発生する場合がある。これは、セラミック回路基板の銅板又は銅を主成分とする銅合金板側面まではんだ層で被覆されているためである

本発明者は、図４に示すように、セラミック板に銅板又は銅を主成分とする銅合金板を接合してなるセラミック基板において、この銅板又は銅を主成分とする銅合金板の側面にはんだレジスト膜が形成されていること、さらには、銅板又は銅を主成分とする銅合金板の側面、並びに、銅板又は銅を主成分とする銅合金板のセラミック板と対向する面と反対側の面の端部外周又は端部外周の一部に、はんだレジスト膜が形成されていることにより、耐はんだクラック性が極めて向上し、高い信頼性を有するセラミック基板、セラミック回路基板が得られることを見出した。

図５に例示するように、銅板又は銅を主成分とする銅合金板のセラミック板と対向する面と反対側の面の端部外周にはんだレジスト膜が形成されていることが好ましく、少なくとも、図６に例示するように、はんだへの負荷が最も厳しい金属板の角部にはんだレジスト膜が形成されていることが好ましい。

本発明において、銅板又は銅を主成分とする銅合金板のセラミック板と対向する面と反対側の面の端部外周又は端部外周の一部にはんだレジスト膜が形成されている場合、その部分の好ましい大きさは、銅板又は銅を主成分とする銅合金板の厚みと関係しており、銅板又は銅を主成分とする銅合金板の厚みをｔ、前記銅板又は銅を主成分とする銅合金板の端部からのはんだレジスト膜の距離をＬ２とするとき、Ｌ２／ｔが、０．０２〜１０であることが好ましい。Ｌ２は、図５に示すように、同一のセラミック基板において複数の値を有する。全てのＬ２／ｔの値が０．０２未満の場合には、前記の効果が十分でない場合があり、一方、その上限については、特に定めるべき技術的な理由はないが、不必要に大きくても基板サイズの増大につながるため好ましくなく、セラミック基板の一般的な大きさ（７０ｍｍ×３５ｍｍ）の場合には、上限値は１０であることが好ましい。

金属板として、銅板または銅を主成分とする銅合金板を用いた本発明に係るセラミック回路基板の製造方法は、特に限定されるものではなく、例えば、次の方法で作製することができる。

セラミック板の両主面に銅板又は銅を主成分とする銅合金板を接合し、その銅板又は銅を主成分とする銅合金板上に所望のパターンのエッチングレジストを塗布し、エッチングにて回路パターンを形成して、セラミック回路基板を作製する。次に、必要に応じて、めっき処理を施してめっき皮膜を形成する。さらに、所望の位置にはんだレジストを塗布することにより、銅板又は銅を主成分とする銅合金板の側面、並びに、銅板又は銅を主成分とする銅合金板の側面及び銅板又は銅を主成分とする銅合金板のセラミック板と対向する面と反対側の面の端部外周又は端部外周の一部に、はんだレジスト膜が形成されているセラミック回路基板が得られる。

銅板又は銅を主成分とする銅合金板の厚みは特に限定されないが、流れる電流に応じて適宜決められる。一般に、０．１〜３．０ｍｍのものが用いられることが多い。銅板又は銅を主成分とする銅合金板の純度は、９０質量％以上であることが好ましい。純度が９０質量％より低いと、銅板又は銅を主成分とする銅合金板とろう材との反応が不十分になり、セラミック回路基板の信頼性が低下する場合がある。

セラミック板と銅板又は銅を主成分とする銅合金板の接合は、一般に、セラミックと金属との共晶層を形成させるＤＢＣ法、活性金属ろう付け法のいずれをも採用することができるが、生産性が良く、しかも比較的低温で接合ができる活性金属ろう付け法が好ましい。

Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｇｅ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｚｒなどの金属合金がろう材として用いられるが、本発明ではＴｉ、Ｚｒなどの活性金属を含むＣｕもしくはＣｕとＡｇを含むろう材が好ましい。ろう材は、ペーストとして用いられる。

ろう材は、セラミック板、或いは、銅板又は銅を主成分とする銅合金板のどちらに塗布してもよい。

ろう材の塗布量は、乾燥基準で５〜２０ｍｇ／ｃｍ^２ が好ましい。塗布量が５ｍｇ／ｃｍ^２ 未満では未反応の部分を生じる場合があり、一方、２０ｍｇ／ｃｍ^２ を超えると、接合層を除去する時間が長くなり生産性が低下する場合がある。塗布方法は特に限定されず、スクリーン印刷法、ロールコーター法等の公知の塗布方法を採用できる。

エッチングレジストとしては、紫外線硬化型や熱硬化型のものが好ましいものとして挙げられる。また、エッチング液は特に限定されず、塩化第２鉄溶液、塩化第２銅液、硫酸、過酸化水素水等の溶液が使用できるが、好ましいものとして、塩化第２鉄溶液、或いは塩化第２銅溶液が挙げられる。

エッチングによって不要な金属部分が除去されたセラミック回路基板には、塗布したろう材、その合金層および窒化物層等が残っているので、ハロゲン化アンモニウム水溶液、硫酸、硝酸等の無機酸、過酸化水素水を含む溶液を用いて、それらを除去するのが一般的である。

めっき処理は、特に限定されず、作業性、コスト等の面から、無電解ニッケルめっき、無電解ニッケル金めっき、はんだめっきが好ましい。なお、めっき層の厚みは特に限定されないが、２〜８μｍが望ましい。めっき厚が、２μｍ未満であると、はんだ濡れ性、ワイヤーボンディング特性等の実装特性に悪影響を与える場合がある。一方、めっき厚みが８μｍを超えると、めっき被膜の剥がれ等により基板特性に悪影響を及ぼす場合がある。

はんだレジストとしては、熱硬化型や感光型のものが好ましいものとして挙げられる。液状のものを印刷しても、フィルム状のものをラミネートしても構わない。

このようにして作製されたセラミック回路基板上に、はんだにより半導体素子や、電子部品等が取り付けられ、はんだにより放熱部材（ヒートシンク）と接合して電力制御部品として使用される。

放熱部材（ヒートシンク）については、熱伝導性に優れる銅あるいは銅合金が用いられることが多く、放熱部材（ヒートシンク）接合用金属としても銅が好ましく使用されるが、本発明においては、これに限定されるものでなく、本発明の効果を阻害しない限り、アルミニウム、タングステン、モリブデン等の金属、もしくは前述の金属−セラミック複合材などを用いることもできる。

はんだの種類は特に限定されないが、通常、錫、鉛、銀、ビスマス等が一般に用いられている。今後は環境問題への対応から、鉛を含まないはんだ、所謂、鉛フリーはんだが主流になるものと考えられる。はんだ付け方法は特に限定されないが、例えば、はんだペーストをスクリーン印刷法等で所定の部分に塗布し、はんだが溶融する所定の温度の炉内に入れることではんだ付けされる。

〔実験Ｎｏ．１及び実験Ｎｏ．２６〕
銀粉末７５質量部、銅粉末２５質量部、ジルコニウム粉末１５質量部、テルピネオール１５質量部、及びポリイソブチルメタクリレートのトルエン溶液を固形分で１質量部加えて良く混練し、ろう材ペーストを調製した。このろう材ペーストを、大きさ６０×３５ｍｍ、厚み０．６３５ｍｍの窒化珪素板の一主面の全面に塗布し、反対側の主面には、図８に例示するように、全面もしくは主面の一部にスクリーン印刷機により塗布した。ろう材ペーストの塗布量（乾燥後）は７ｍｇ／ｃｍ２であった。

ろう材ペーストを全面に塗布した主面に、大きさ６０ｍｍ×３５ｍｍ、厚み０．３ｍｍの無酸素銅板を、反対側の主面には大きさ６０ｍｍ×３５ｍｍ、厚み０．２５ｍｍの無酸素銅板を接触配置し、圧力１．３×１０^−３Ｐａの真空下、９００℃で３０分加熱した後、炉内で徐冷し、窒化珪素板−無酸素銅板接合体を作製した。

厚み０．３ｍｍの無酸素銅板上には図９に例示するように回路パターンの形状に、厚み０．２５ｍｍの無酸素銅板上には所定の大きさにＵＶ硬化タイプのエッチングレジストをスクリーン印刷で塗布し、エッチングレジスト硬化後、塩化第２鉄水溶液を用いてエッチング処理を行ない図９に例示するパターン形成を行った。次に、銅回路間に残留する不要なろう材や活性金属成分と窒化珪素との反応生成物を除去するため、温度６０℃の１０％フッ化アンモニウム水溶液に１０分間浸漬した。

得られた窒化珪素回路基板に、めっき厚みが５μｍとなるように無電解ニッケルめっきを行った後、回路側の主面に半導体素子（０．４ｍｍのシリコン板）をはんだ付けし、さらに、反対側の主面を、大きさ９０×５０ｍｍ、厚み４ｍｍの銅板中央部にはんだ付けして一体構造とし、ヒートサイクル試験を行なった。結果を表１、２に示す。

〈使用材料〉
窒化珪素板：電気化学工業社製 商品名「デンカＳＮプレート」
無酸素銅：ＪＩＳ Ｃ１０２０材
銅板：ＪＩＳ Ｃ１１００材
エッチングレジスト：東洋紡製、商品名「ＥＲ−１１２Ｎ」
はんだ：千住金属製、商品名「スパークルペーストOZシリーズ」
銀粉末：レアメタリック製、純度９９．９％、粒径４４μｍ以下
銅粉末：高純度化学研究所製、純度３Ｎ、Powder ca.１５μｍ
ジルコニウム粉末：高純度化学研究所製、純度９８％、Powder M ４５μｍ pass
テルピネオール：和光純薬工業製、試薬一級
ポリイソブチルメタクリレート：関東化学製、secondary standard

〈評価方法〉
ヒートサイクル試験：気相中において−４０℃で３０分保持した後に室温で１０分放置し、次に気相中１２５℃で３０分保持した後に室温で１０分放置することを１回とした。この試験を３００回、５００回、１０００回及び３０００回経過させた後に、超音波映像探査装置（日立建機製ｍｉ−ｓｃｏｐｅ）を用いて、セラミック回路基板と銅製ヒートシンクとの間に存在する半田のクラック発生状態を調べた。

〔実験Ｎｏ．２〜９、実験Ｎｏ．２７〕
大きさ６０×３５ｍｍ、厚み０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム板の一主面の全面に実施例１で用いたろう材ペーストを塗布し、反対側の主面には、全面もしくは主面の一部にろう材ペーストを塗布し、大きさ６０×３５ｍｍ、厚み０．３ｍｍの銅板を両主面に重ねた。次に、圧力１．３×１０^−３Ｐａの真空下、９００℃で３０分加熱した後、炉内で徐冷し、窒化アルミニウム板−無酸素銅板接合体を作製した。

得られた接合体の両主面の銅板上に、図１０に例示するように、エッチングレジストパターンを印刷後、塩化第２鉄水溶液を用いてエッチングを行い、更に、はんだレジストをスクリーン印刷し、加熱硬化させ、窒化アルミニウム回路基板を作製した。

窒化アルミニウム回路基板上に半導体素子（０．４ｍｍのシリコン板）をはんだ付けし、さらに、反対側の主面の銅板を、放熱部材（ヒートシンク）となる大きさ９０×５０ｍｍ、厚み４ｍｍの銅板中央部にはんだ付けして一体構造とし、ヒートサイクル試験を行なった。結果を表１、２に示す。

〈使用材料〉
窒化アルミニウム板：電気化学工業社製 商品名「デンカＡＮプレート」
はんだレジスト：日立化成工業社製 商品名「ＳＮ−９０００」

〔実験Ｎｏ．１０〜１７、実験Ｎｏ．２８〕
大きさ６０×３５ｍｍ、厚み０．６３５ｍｍの窒化珪素板を用いたこと以外は、実施例２と同様に行った。結果を表１、２に示す。

〔実験Ｎｏ．１８〜２５〕
実施例２において、大きさ６０×３５ｍｍ、厚み０．３ｍｍの銅板の替わりに、大きさ６０×３５ｍｍ、厚み０．２５ｍｍの銅板を用いたこと以外は、実施例２と同様に行った。結果を表１、２に示す。

本発明に係る実験Ｎｏ．１〜２５のヒートサイクル試験結果では、ヒートサイクル１０００回後において異常はなく、ヒートサイクル３０００回後において一部分に半田クラックが認められるのみであり、導通は認められる。一方、比較例の実験Ｎｏ．２６〜２８のヒートサイクル試験結果では、ヒートサイクル５００回後あるいはヒートサイクル３０００回後において大部分に半田クラックが認められ、導通が認められず使用できなくなっている。

本発明に係るセラミック回路基板の一実施の形態を示す断面模式図。 本発明に係るセラミック回路基板の一実施の形態を示す接合部の模式図。 本発明に係るセラミック回路基板の一実施の形態を示す接合部の模式図。 本発明に係るセラミック回路基板の一実施の形態を示す断面模式図。 本発明に係るセラミック回路基板の一実施の形態を示すはんだレジストの模式図。 本発明に係るセラミック回路基板の一実施の形態を示すはんだレジストの模式図。 従来公知のセラミック回路基板の断面模式図。 本発明に係るろう材ペーストの塗布範囲を示す模式図。 実施例１で用いた回路パターンを示す模式図。 実施例２で用いた回路パターンを示す模式図。

符号の説明

１ セラミック板
２ 金属回路
３ 金属板
４ 放熱部材（ヒートシンク）
５ はんだ
６ 発熱性電子部品
７ はんだレジスト
８ ろう材ペースト
９ エッチングレジスト
Ａ 接合部分
Ｂ 非接合部分
Ｌ１ 金属板の端部から金属板とセラミック板の接合部までの距離
Ｌ２ 銅板又は銅を主成分とする銅合金板の端部からのはんだレジストの距離
ｔ 金属板の厚み

Claims (20)

1. セラミック板の両主面に金属板を接合してなるセラミック基板において、少なくとも一主面上の金属板のセラミック板と対向する面に、セラミック板との非接合部分を有することを特徴とするセラミック基板。
2. セラミック板と金属板の非接合部分が、金属板の外周部又は外周部の一部に存在することを特徴とする請求項１記載のセラミック基板。
3. 金属板の面積がセラミック板の面積と同等もしくはそれ以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のセラミック基板。
4. セラミック板と金属板の非接合部分が、非接合部分を有する金属板の厚みをｔ、前記金属板の端部から前記金属板とセラミック板の接合部までの距離をＬ１とするとき、（Ｌ１／ｔ）が０．０３〜１５であることを特徴とする請求項２又は請求項３記載のセラミック基板。
5. セラミック板と金属板の非接合部分が、金属板の角部にあることを特徴とする請求項２〜４のうちいずれか一項記載のセラミック基板。
6. 金属板が、銅または銅を主成分とする銅合金であることを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか一項記載のセラミック基板。
7. セラミック板が、窒化アルミニウム板であることを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか一項記載のセラミック基板。
8. セラミック板が、窒化珪素板であることを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか一項記載のセラミック基板。
9. セラミック板の両主面に銅板又は銅を主成分とする銅合金板を接合してなるセラミック基板において、銅板又は銅を主成分とする銅合金板の側面にはんだレジスト膜が形成されていることを特徴とするセラミック基板。
10. 銅板又は銅を主成分とする銅合金板の側面にはんだレジスト膜が形成されていることを特徴とする請求項６〜８のうちいずれか一項記載のセラミック基板。
11. 銅板又は銅を主成分とする銅合金板の側面、並びに、銅板又は銅を主成分とする銅合金板のセラミック板と対向する面と反対側の面の端部外周又は端部外周の一部に、はんだレジスト膜が形成されていることを特徴とする請求項９又は１０記載のセラミック基板。
12. 銅板又は銅を主成分とする銅合金板のセラミック板と対向する面と反対側の面の端部外周又は端部外周の一部において、はんだレジスト膜が形成されている部分が、銅板又は銅を主成分とする銅合金板の厚みをｔ、前記銅板又は銅を主成分とする銅合金板の端部からのはんだレジスト膜の距離をＬ２とするとき、（Ｌ２／ｔ）が０．０２〜１０であることを特徴とする請求項１１記載のセラミック基板。
13. はんだレジスト膜が形成されている部分が、銅板又は銅を主成分とする銅合金板の角部にあることを特徴とする請求項１１又は１２記載のセラミック基板。
14. 請求項１〜１３のうちいずれか一項記載のセラミック基板の一主面に、回路パターンを形成してなるセラミック回路基板。
15. 一主面上に、金属板のセラミック板と対向する面にセラミック板との非接合部分を有するセラミック基板において、反対側の主面に回路パターンを形成してなる請求項１４記載のセラミック回路基板。
16. 請求項１４又は１５記載のセラミック回路基板において、回路パターンと反対側の主面に放熱部材（ヒートシンク）をはんだ付けしてなる電力制御部品。
17. 放熱部材（ヒートシンク）が銅又は銅を主成分とする銅合金であることを特徴とする請求項１６記載の電力制御部品。
18. 鉛を含まないはんだを使用することを特徴とする請求項１６又は１７記載の電力制御部品。
19. セラミック回路基板と放熱部材（ヒートシンク）を接合するはんだ層が、セラミック回路基板の金属板側面及び表面端部に接触しないことを特徴とする請求項１６〜１８のうちいずれか一項記載の電力制御部品。
20. セラミック回路基板上に半導体素子を搭載してなることを特徴とする請求項１６〜１９のうちいずれか一項記載の電力制御部品。

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