JP2011151338A - 回路基板およびそれを用いた電子装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 十分な耐電圧を持つ電子部品搭載用の回路基板および電子装置を提供する。
【解決手段】 電子部品５が搭載される搭載部１ａを有する第１の絶縁基板１および第１の絶縁基板１とは異なる材質からなる第２の絶縁基板２が同一平面上に配置されてなる絶縁基板と、第１の絶縁基板１と第２の絶縁基板２とに跨って絶縁基板の上面に接合され、電子部品５が電気的に接続される金属回路板３と、第１の絶縁基板１と第２の絶縁基板２とに跨って絶縁基板の下面に接合された金属板４とを具備する回路基板であって、絶縁基板は、第１の絶縁基板１と第２の絶縁基板２との間の隙間を介して上面から下面が見通せないように、それぞれの端部が互いに重なり合っている回路基板。金属回路板３と金属板４とを結ぶ直線上には第１の絶縁基板１または第２の絶縁基板２が存在するので、金属回路板３と金属板４との間が短絡するような放電現象を防ぎ、耐電圧が高くなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、セラミックスからなる絶縁基板に金属板からなる回路が形成された回路基板およびそれを用いた電子装置に関するものである。

近年、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体素子が搭載され
、大きな電流を流すための、パワーモジュールやスイッチングモジュール等の電子装置に用いられる回路基板として、セラミック絶縁基板の両面に銅やアルミニウム等の金属板を接合したセラミック回路基板が用いられている。

このような回路基板として、図６（ａ）に平面図で、図６（ｂ）に（ａ）のＡ−Ａでの断面図で示す例のような、窒化アルミニウムからなる第１の絶縁基板11と窒化ケイ素からなる第２の絶縁基板12とが同一平面上に配置されてなる絶縁基板の上下面にそれぞれ金属回路板13および金属板14を接合したものがある（例えば、特許文献１を参照。）。発熱する電子部品15が搭載される搭載部11ａを熱伝導性に優れる窒化アルミニウムからなる第１の絶縁基板11に設け、その他の部位を機械強度に優れた窒化ケイ素からなる第２の絶縁基板12とすることによって、熱放散性と温度サイクル信頼性の両方に優れた回路基板とすることができるというものである。

特開平９−121004号公報

しかしながら、従来の回路基板では、第１の絶縁基板11と第２の絶縁基板12との間には隙間ができてしまい、第１の絶縁基板11と第２の絶縁基板とに跨って絶縁基板の上面に接合された金属回路板13と、第１の絶縁基板11と第２の絶縁基板12とに跨って絶縁基板の下面に接合された金属板14との間には絶縁物が空気しか存在しない構造となってしまうものであった。そのため、絶縁基板の上面の金属回路基板13に大電流が流れ、絶縁基板の下面の金属板14との間に電位差が発生する場合には、これらの間で放電による短絡が発生する場合があった。特に、近年では、電子装置の小型薄型化に対応し、また熱放散性を向上させるために、絶縁基板の厚みが１ｍｍ以下と薄くなる傾向にあり、上記のような放電現象が発生しやすくなって、回路基板の耐電圧が低下しやすくなるという問題点があった。

本発明は上記問題点に鑑みて完成されたものであり、求められる特性に応じて複数の絶縁基板を並べてその上下に金属回路基板および金属板を接合した場合であっても、十分な耐電圧を持つ電子部品搭載用の回路基板および電子装置を提供することにある。

本発明の回路基板は、電子部品が搭載される搭載部を有する第１の絶縁基板および該第１の絶縁基板とは異なる材質からなる第２の絶縁基板が同一平面上に配置されてなる絶縁基板と、前記第１の絶縁基板と前記第２の絶縁基板とに跨って前記絶縁基板の上面に接合され、前記電子部品が電気的に接続される金属回路板と、前記第１の絶縁基板と前記第２の絶縁基板とに跨って前記絶縁基板の下面に接合された金属板とを具備する回路基板であって、前記絶縁基板は、前記第１の絶縁基板と前記第２の絶縁基板との間の隙間を介して前記上面から前記下面が見通せないように、それぞれの端部が互いに重なり合っているこ
とを特徴とするものである。

また、本発明の回路基板は、上記構成において、前記第１の絶縁基板の前記端部が前記第２の絶縁基板の前記端部の下側に位置していることを特徴とするものである。

また、本発明の回路基板は、上記各構成において、前記第１の絶縁基板は前記第２の絶縁基板よりも熱伝導率が大きいことを特徴とするものである。

また、本発明の回路基板は、上記構成において、前記第１の絶縁基板は窒化アルミニウム質セラミックスからなり、前記第２の絶縁基板は窒化ケイ素質セラミックスからなることを特徴とするものである。

また、本発明の回路基板は、上記各構成において、前記第１の絶縁基板および前記第２の絶縁基板のそれぞれの前記端部は、前記金属回路板および前記金属板に接合されていないことを特徴とするものである。

そして、本発明の電子装置は、上記各構成の回路基板の前記搭載部に電子部品が搭載されていることを特徴とするものである。

本発明の回路基板によれば、絶縁基板は、第１の絶縁基板と第２の絶縁基板との間の隙間を介して上面から下面が見通せないように、それぞれの端部が互いに重なり合っていることから、金属回路板と金属板とを結ぶ直線上には第１の絶縁基板または第２の絶縁基板が存在する構造となり、また、金属回路板と金属板との間において、第１の絶縁基板と第２の絶縁基板との間の隙間に沿った距離が長くなるので、金属回路板と金属板との間が短絡するような放電現象を防ぐことができ、絶縁基板の上下に位置する金属回路板と金属板との間の耐電圧が高い回路基板とすることができる。

本発明の回路基板によれば、上記構成において第１の絶縁基板の端部が第２の絶縁基板の端部の下側に位置しているときには、電子部品が搭載される搭載部を有する第１の絶縁基板は下面側が上面側より大きい形状であるので、搭載部に搭載された電子部品で発生して金属回路板を介して第１の絶縁基板の上面に伝わった熱は、第１の絶縁基板中を水平方向にも拡散しながら下面および下面の金属板に伝導することができ、より効率よく金属板から放散されるようになる。

本発明の回路基板によれば、上記各構成において第１の絶縁基板が第２の絶縁基板よりも熱伝導率が大きいときには、搭載部に搭載される電子部品で発生する熱は熱伝導率の高い第１の絶縁基板を介して下面の金属板に伝導するので、放散性がより高まった回路基板となる。

本発明の回路基板によれば、上記構成において第１の絶縁基板が窒化アルミニウム質セラミックスからなり、第２の絶縁基板が窒化ケイ素質セラミックスからなるときには、熱伝導性のよい窒化アルミニウム質セラミックスからなる第１の絶縁基板を介して効率よく熱放散を行なうことができるとともに、高強度である窒化ケイ素質セラミックスからなる第２の絶縁基板によって回路基板の強度を向上させることができるので、熱放散性と温度サイクル信頼性を兼ね備えた回路基板とすることができる。

また、本発明の回路基板によれば、上記各構成において、第１の絶縁基板および第２の絶縁基板のそれぞれの端部が金属回路板および金属板に接合されていないときには、厚みが薄く強度の弱い端部には、絶縁基板と金属回路板および金属板との間に発生する熱応力
等の力が加わることがなく、これによって端部が割れてしまうことがないので、端部が割れることでできた隙間によって金属回路板と金属板との間の耐電圧が低下してしまうことを防ぐことができ、より絶縁耐圧の安定した信頼性の高い回路基板とすることができる。

本発明の電子装置によれば、上記各構成の本発明の回路基板の搭載部に電子部品が搭載されていることから、耐電圧の高い電子装置となり、また、特性の異なる第１の絶縁基板および第２の絶縁基板を用いることで、例えば、電子部品から発生した熱を外部に効率良く排出することができるとともに、回路基板の強度を向上させることができるので、熱放散性と温度サイクル信頼性等のような異なる特性を両立させた電子装置とすることができる。

（ａ）は本発明の電子装置の実施の形態の一例を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。 （ａ）は本発明の電子装置の実施の形態の他の例を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、それぞれ本発明の電子装置の実施の形態の他の例を示す断面図である。 （ａ）は本発明の電子装置の実施の形態の他の例を示す上面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における断面図であり、（ｃ）は下面図である。 本発明の電子装置の実施の形態の他の例を示す断面図である。 （ａ）は従来の電子装置の実施の形態の一例を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における断面図である。

本発明の配線基板および電子装置について、添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。図１〜図５は、本発明の回路基板に電子部品を搭載した電子装置を示している。これらの図において、１は第１の絶縁基板、１ａは第１の絶縁基板１の上面の搭載部、２は第２の絶縁基板、２ａは第２の絶縁基板に設けられた貫通孔、３は金属回路板、４は金属板、５は電子部品、６はボンディングワイヤ、７は枠体、７ａは絶縁枠体、７ｂは金属枠体、８は外部端子、９は金属回路板３と外部端子８とを接続する金属柱である。

本発明の回路基板によれば、図１〜図５に示す例のように、絶縁基板は、第１の絶縁基板１と第２の絶縁基板２との間の隙間を介して上面から下面が見通せないように、それぞれの端部が互いに重なり合っていることから、金属回路板３と金属板４とを結ぶ直線上には第１の絶縁基板１または第２の絶縁基板２が存在する構造となり、また、金属回路板３と金属板４との間において、第１の絶縁基板１と第２の絶縁基板２との間の隙間に沿った距離が長くなるので、金属回路板３と金属板４との間が短絡するような放電現象を防ぐことができ、絶縁基板の上下に位置する金属回路板３と金属板４との間の耐電圧が高い回路基板とすることができる。

本発明の回路基板によれば、上記構成において図１および図３〜図５に示す例のように、第１の絶縁基板１の端部が第２の絶縁基板２の端部の下側に位置しているときには、電子部品５が搭載される搭載部１ａを有する第１の絶縁基板１は下面側が上面側より大きい形状であるので、搭載部１ａに搭載された電子部品５で発生して金属回路板３を介して第１の絶縁基板１の上面に伝わった熱は、第１の絶縁基板１中を水平方向にも拡散しながら下面および下面の金属板４に伝導することができ、より効率よく金属板４から放散されるようになる。

本発明の回路基板によれば、上記各構成において第１の絶縁基板１が第２の絶縁基板２
よりも熱伝導率が大きいときには、搭載部１ａに搭載される電子部品５で発生する熱は熱伝導率の高い第１の絶縁基板１を介して下面の金属板４に伝導するので、放散性がより高まった回路基板となる。

本発明の回路基板によれば、上記構成において第１の絶縁基板１が窒化アルミニウム質セラミックスからなり、第２の絶縁基板２が窒化ケイ素質セラミックスからなるときには、熱伝導性のよい窒化アルミニウム質セラミックスからなる第１の絶縁基板１を介して効率よく熱放散を行なうことができるとともに、高強度である窒化ケイ素質セラミックスからなる第２の絶縁基板２によって回路基板の強度を向上させることができるので、熱放散性と温度サイクル信頼性を兼ね備えた回路基板とすることができる。

また、本発明の回路基板によれば、上記各構成において、図５に示す例のように、第１の絶縁基板１および第２の絶縁基板２のそれぞれの端部が金属回路板３および金属板４に接合されていないときには、厚みが薄く強度の弱い端部には、絶縁基板と金属回路板３および金属板４との間に発生する熱応力等の力が加わることがなく、これによって端部が割れてしまうことがないので、端部が割れることでできた隙間によって金属回路板３と金属板４との間の耐電圧が低下してしまうことを防ぐことができ、より絶縁耐圧の安定した信頼性の高い回路基板とすることができる。

本発明の回路基板の絶縁基板は、電子部品５が搭載される搭載部１ａを有する第１の絶縁基板１および第１の絶縁基板１とは異なる材質からなる第２の絶縁基板２が同一平面上に配置されてなるものである。第１の絶縁基板１と第２の絶縁基板の配置は、回路基板上の電子部品５を搭載する位置により設定される。第１の絶縁基板１は、図２に示す例のように絶縁基板の端に配置してもよいし、図１および図４に示す例のように絶縁基板の中央部に配置してもよい。また、搭載される電子部品５の数が複数あり、その搭載位置が離れている場合は、第１の絶縁基板１を複数にしてもよい。

第１の絶縁基板１の上面視の形状は四角形状や円形状であり、第２の絶縁基板２の上面視の形状は、第１の絶縁基板１をはめ合わせることで絶縁基板が四角形状となる形状であり、第２の絶縁基板２単体では、四角形状の基板に四角形状や円形状の孔または切欠きが設けられたものである。第１の絶縁基板１は、主に、電子部品５で発生して金属回路板３へ伝わった熱を金属板４へ伝える熱伝導基板として機能する。また、第２の絶縁基板２は、主に、金属回路板３や金属板４を電気的に絶縁して固定する支持基板として機能する。

絶縁基板は、第１の絶縁基板１と第２の絶縁基板２との間の隙間を介して上面から下面が見通せないように、それぞれの端部が互いに重なり合っている。これは、言い換えれば、図１〜図５に示す例のように、絶縁基板の縦断面において、第１の絶縁基板１と第２の絶縁基板２との間の隙間が屈曲しているということである。そのため、隙間の上に位置する金属回路板３と隙間の下に位置する金属板４とを結ぶ直線上には第１の絶縁基板１または第２の絶縁基板２が存在する構造となる。隙間の間隔および屈曲角度にもよるが、図３（ａ）に示す例のように隙間の屈曲箇所が少なくとも１つであればよく、図１，図２，図４および図５に示す例のように隙間の屈曲箇所が２つであっても、または図３（ｂ）に示す例のように隙間の屈曲箇所が４つであっても、あるいはそれ以上であってもよい。また、図１，図２，図３（ａ），図３（ｂ），図４および図５に示す例では、隙間の縦断面形状は直線状の隙間が屈曲した形状であるが、図３（ｃ）に示す例のように、曲線状に屈曲していてもかまわない。このようにすると、屈曲部は応力が集中しやすい角がない形状となるので、この角部を起点として第１の絶縁基板１または第２の絶縁基板２が割れてしまうことがない。なお、ここでいう第２の絶縁基板２の端部とは、図１に示す例の場合であれば孔の内面に位置する部分であり、図２に示す例の場合であれば切欠きの内面に位置する端部である。

図３（ｂ）に示す例のように、第１の絶縁基板１の側面の厚み方向の中央部が突出し（凸部を有し）、第２の絶縁基板２の側面の厚み方向の中央部が凹んでいる（凹部を有している）場合、あるいは、これとは逆に、第１の絶縁基板１の側面に凹部が形成され、第２の絶縁基板２の側面に凸部が形成される場合は、第１の絶縁基板１を第２の絶縁基板２の端に設けた切欠きに、側方からはめ込むことで、図２（ａ）に示す例のような、第１の絶縁基板１が第２の絶縁基板２の端に配置された絶縁基板となる。このような場合は、金属回路板３および金属板４をそれぞれ絶縁基板の上下面に接合しなくても、それぞれの側面の凸部と凹部とが引っかかるので、第１の絶縁基板１と第２の絶縁基板２とが一体化して取り扱いが容易になる。

また、端部が割れやすい形状の場合は、上述したように、第１の絶縁基板１および第２の絶縁基板２のそれぞれの端部を金属回路板３および金属板４に接合しないのが好ましいが、端部の形状が図３（ａ）および図３（ｃ）に示す例の第１の絶縁基板１のような場合であれば、第１の絶縁基板１の端部まで金属板４に接合してもよい。図３（ａ）および図３（ｃ）に示す例の場合であれば、端部まで接合すると、第１の絶縁基板１と金属板４との接合面積をより大きくなることから、電子部品５で発生した熱を第１の絶縁基板１を介して金属板４により効率よく伝導することができ、金属板４からの熱の放散がよくなるので好ましい。

第１の絶縁基板１および第２の絶縁基板２は電気絶縁材料からなり、例えば、酸化アルミニウム質セラミックス，ムライト質セラミックス，炭化珪素質セラミックス，窒化アルミニウム質セラミックス，窒化ケイ素質セラミックス等のセラミックスからなる。これらの中では熱伝導性（放熱性）の点からは炭化珪素質セラミックス，窒化アルミニウム質セラミックス，窒化ケイ素質セラミックスが好ましく、強度の点からは窒化ケイ素質セラミックスや炭化珪素質セラミックスが好ましい。厚みは、薄い方が熱伝導性の点ではよいが、回路基板の大きさや用いる材料の熱伝導率や強度に応じて選択すればよく、0.3ｍｍ〜
３ｍｍ程度であり、絶縁基板の上下面にそれぞれ金属回路板３および金属板４が接合されるので、絶縁基板の厚みは一様であるのが好ましいことから、第１の絶縁基板１と第２の絶縁基板２とは同じ厚みである。なお、第１の絶縁基板１が第２の絶縁基板２よりも熱伝導率が大きい例としては、第１の絶縁基板１が窒化アルミニウム質セラミックスで第２の絶縁基板２が酸化アルミニウム質セラミックスである場合、第１の絶縁基板１が窒化アルミニウム質セラミックスで第２の絶縁基板２が窒化ケイ素質セラミックスである場合、第１の絶縁基板１が炭化珪素質セラミックスで第２の絶縁基板２が窒化ケイ素質セラミックスである場合等が挙げられる。これらの中で、第１の絶縁基板１が窒化アルミニウム質セラミックスからなり、第２の絶縁基板２が窒化ケイ素質セラミックスからなる場合が、絶縁基板の厚みが同じであれば、最も熱放散性がよく、回路基板の強度が最も高いものとなる。絶縁基板の厚みが十分に厚く、強度的に問題がない場合であれば、第２の絶縁基板２を窒化ケイ素質セラミックスにかえて酸化アルミニウム質セラミックスにすると、コストを小さくすることができる。また、炭化珪素質セラミックスは、純度が低いと体積抵抗率が５×10^５程度と低いため第１の絶縁基板１として不十分な電気特性であるが、高純度（99.9％）のものであると、体積抵抗率が５×10^８程度となり回路基板を接合した場合の金属回路板３と金属板４との間の絶縁耐圧も実用的な3000Ｖ以上のものとすることができるようになる。そして炭化珪素質セラミックスは窒化アルミニウム質セラミックスより３点曲げ強度が約1.5倍と高いので、高純度(99.9％)の炭化珪素質セラミックスを第１の絶縁
基板１として使用すると、熱放散性が高く、より薄型であっても温度サイクル信頼性を高めることのできる回路基板となるので好ましい。

第１の絶縁基板１および第２の絶縁基板２は、それぞれ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得た泥漿物に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を形成し、次に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して所定形状にするとともに、必要厚みに応じて複数枚を積層して成形体とし、しかる後、これを窒素雰囲気等の非酸化性雰囲気にて1600〜2000℃の温度で焼成することによって製作される。

このとき、例えば、図１に示す例のような絶縁基板の場合であれば、第１の絶縁基板１は、大きさの異なるセラミックグリーンシートを、大きい方を上にして重ねて成形体を作製すればよく、第２の絶縁基板２は、大きさの異なる貫通孔を有するセラミックグリーンシートを、貫通孔が大きい方を上にして重ねて成形体を作製すればよい。図３（ｂ）に示す例のような絶縁基板の場合であれば、第１の絶縁基板１は、２つの大きさのセラミックグリーンシートを準備して、大きいセラミックグリーンシートの間に小さいセラミックグリーンシートを挟んで重ねて成形体を作製すればよく、第２の絶縁基板２は、貫通孔の大きさが異なるセラミックグリーンシートを準備して、貫通孔が小さいセラミックグリーンシートの間に貫通孔が大きいセラミックグリーンシートを挟んで重ねて成形体を作製すればよい。また、図３（ａ）に示す例のようのような絶縁基板の場合であれば、第２の絶縁基板２は、通常の打ち抜き金型を用いた打ち抜き加工によって貫通孔を形成したセラミックグリーンシートの上に、通常の打ち抜き金型に対してメス金型の寸法を大きくした、つまり通常よりオス金型とメス金型とのクリアランスが大きい金型を用いて打ち抜ぬくことによって、内面が傾斜した貫通孔を形成したセラミックグリーンシートを重ねることで成形体を作製すればよい。第１の絶縁基板１は、内面が傾斜した貫通孔を有するセラミックグリーンシートの、貫通孔が形成された部分にあったセラミックグリーンシートが側面が傾斜したセラミックグリーンシートとなるので、これを上にしてこれの下面と同じ大きさのセラミックグリーンシートと重ねて成形体を作製すればよい。

あるいは、側面が主面に対して垂直で平坦である通常の絶縁基板あるいは成形体を作製した後に、切削加工によって図１〜図５に示す例のような端部形状の第１の絶縁基板１または第２の絶縁基板２を作製してもよい。また、図３（ｃ）に示す例のような、第１の絶縁基板１と第２の絶縁基板２との間の隙間の縦断面形状が角のない曲線状である場合は、このような切削加工によって形成すればよい。

第１の絶縁基板１および第２の絶縁基板２の端部が図１に示す例のような、段差を有する形状である場合の段差の寸法は以下のようにする。第１の絶縁基板１の上部の突出した部分（以下、突出部という。）の厚み（図１に示すＴ１）および第２の絶縁基板の下部の突出部の厚み（図１に示すＴ２）は、それぞれ第１の絶縁基板１および第２の絶縁基板２の厚み、即ち絶縁基板の厚みの１／４以上であるのが好ましい。１／４より小さいと、突出部の強度が不十分になって第１の絶縁基板１および第２の絶縁基板２の取り扱い時に破損しやすくなるからである。絶縁基板１または第２の絶縁基板２の突出部の厚みを絶縁基板の厚みの１／４以上とするには、突出部の厚みは絶縁基板の厚みの３／４以下となる。また、この突出部の厚みが絶縁基板の厚みの１／４未満となると、絶縁基板１および第２の絶縁基板２を作製する際の焼成時にこの部分が変形しやすくなるので、突出部の厚みは絶縁基板の厚みに対して１／４〜３／４であるのが好ましい。

このような、第１の絶縁基板１および第２の絶縁基板２の端部の突出部の厚みは、図２および図３（ｂ）に示す例の場合も同様である。

また、第１の絶縁基板１および第２の絶縁基板２の端部の、突出部の長さ（図１に示すＬ１およびＬ２）は、絶縁基板の厚みにこの長さＬ１（またはＬ２）を加えた長さ、すなわち金属回路板３と金属板４との間の、第１の絶縁基板１と第２の絶縁基板２との間の隙間に沿った距離が１ｍｍ以上であることが好ましい。突出部の長さに絶縁基板の厚みの加えた長さが１ｍｍ以上であれば、１ｍｍの空気の絶縁耐圧が3000Ｖであることから、金属
回路板３と金属板４との間の絶縁耐圧を確実に3000Ｖ以上とすることができる。

このような、第１の絶縁基板１および第２の絶縁基板２の端部の、突出部の長さについては、図２および図３（ｂ）に示す例の場合も同様である。また、第１の絶縁基板１および第２の絶縁基板２の端部に突出部がない、図３（ａ）および図３（ｃ）に示す例のような場合であっても、金属回路板３と金属板４との間の、第１の絶縁基板１と第２の絶縁基板２との間の隙間に沿った距離が１ｍｍ以上であるのが好ましいのは同様である。

金属回路板３および金属板４は、銅やアルミニウム等の金属から成り、例えば銅のインゴット（塊）に圧延加工法や打ち抜き加工法等の機械的加工やエッチング等の化学的加工のような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0.05〜１ｍｍの平板状で、所定パターンに形成される。このとき、金属回路板３および金属板４は、所定パターン形状に形成したものを絶縁基板に接合して形成してもよいし、後述するように、絶縁基板と同程度の大きさおよび形状の金属板を絶縁基板に接合した後にエッチングで所定パターン形状に加工してもよい。

金属回路板３および金属板４が銅から成り、絶縁基板との接合を活性金属ろう材を用いて行なう場合は、これを無酸素銅で形成しておくことが好ましい。無酸素銅は活性金属ろう材を介して絶縁基板に取着する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ろう材との濡れ性が良好となるので、金属回路板３および金属板４の絶縁基板への活性金属ろう材を介しての接合が強固となる。

絶縁基板と金属回路板３および金属板４との接合は、活性金属ろう材を用いて絶縁基板上に直接接合してもよいし、絶縁基板上にメタライズ層を形成しておき、その上にろう材を用いて接合してもよいし、あるいはセラミックスと銅板とを直接接合させる、いわゆるＤＢＣ（Direct Bond Copper）法を用いてもよい。

金属回路板３および金属板４が銅から成り、活性金属ろう材を用いて絶縁基板上に直接接合する場合は、例えば、第１の絶縁基板１と第２の絶縁基板２を組み合わせた後にその上面および下面にそれぞれ活性金属ろう材ペーストをスクリーン印刷法を用いて、例えば30〜50μｍの厚さで所定パターンに印刷塗布するとともに、上面および下面に所定パターンに印刷塗布された活性金属ろう材ペーストをそれぞれ金属回路板３および金属板４で挟んで載置した後、金属板に５〜10ｋＰａの荷重をかけながら真空中または水素ガス雰囲気や水素・窒素ガス雰囲気等の非酸化性雰囲気中で780℃〜900℃、10〜120分間加熱し、金
属ろう材ペーストの有機溶剤や溶媒・分散剤を気体に変えて発散させるとともに活性金属ろう材を溶融させることによって行なわれる。活性金属ろう材ペーストは、銀および銅粉末，銀−銅合金粉末，またはこれらの混合粉末から成る銀ろう材（例えば、銀：72質量％−銅：28質量％）粉末に対してチタン，ハフニウム，ジルコニウムまたはその水素化物等の活性金属を２〜５質量％加えて成る活性金属ろう材粉末と、適当な有機溶剤・溶媒とを添加混合し、混練することによって製作される。

銅からなる金属回路板３および金属板４を絶縁基板に接合した後にエッチングで配線パターン形状に加工する場合は、絶縁基板上に接合された金属回路板３および金属板４の表面にエッチングレジストインクをスクリーン印刷法等の技術を採用して配線パターン形状に印刷塗布してレジスト膜を形成した後、塩化第２鉄，塩化第２銅溶液等のエッチング液に浸漬したり、エッチング液を吹き付けたりして金属回路板３および金属板４の配線パターン以外の部分を除去し、レジスト膜を除去すればよい。

金属回路板３および金属板４がアルミニウムから成る場合は、銀ろう材に換えてアルミニウムろう材（例えば、アルミニウム：88質量％−シリコン：12質量％）を用いて活性金
属ペーストを作製することで、金属回路板３および金属板４が銅から成り、活性金属ろう材を用いる場合と同様の工程で回路基板を形成することができる。アルミニウムろう材を使用した場合には、より低温の約600℃で接合することができる。

金属回路板３および金属板４が銅から成り、絶縁基板上に形成したメタライズ層上にろう材を用いて接合する場合は、活性金属ろう材ペーストに換えて金属ろう材ペーストを用いて同様に行なえばよい。金属ろう材ペーストは、活性金属を含まない上記銀ろう材を用いればよい。絶縁基板上のメタライズ層は、絶縁基板を作製する際にセラミックグリーンシート上にメタライズペーストを所定パターン形状に印刷塗布しておき、焼成することによって形成してもよいし、絶縁基板を作製した後、絶縁基板上にメタライズペーストを所定パターン形状に印刷塗布しておき、焼き付けることによって形成してもよい。メタライズペーストは、タングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ），マンガン（Ｍｎ）またはこれらの混合粉末から成る金属粉末と、適当な有機溶剤・溶媒とを添加混合し、混練することによって製作される。また、金属回路板３および金属板４がアルミニウムから成る場合には、銀ろう材に換えてアルミニウムろう材（例えば、アルミニウム：88質量％−シリコン：12質量％）を用い、約600℃で加熱する。

金属回路板３または金属板４が第１の絶縁基板１と第２の絶縁基板２とに跨って接合されている部分では、活性金属ろう材等（図１〜図５の断面図においては、金属回路板３と第１の絶縁基板１および第２の絶縁基板２との間に位置する部材）を第１の絶縁基板１と第２の絶縁基板２とに跨って形成するのではなく、図１〜図５に示す例のように、第１の絶縁基板１および第２の絶縁基板２のそれぞれの端部から30〜150μｍ内側に形成するの
が好ましい。活性金属ろう材の、第１の絶縁基板１または第２の絶縁基板２の端部からの距離が30μｍ未満であると活性ろう材の厚みより小さいことから、金属回路板３と金属板４との間の距離よりも上下の活性金属ろう材間の距離の方が短くなり、実質的な金属回路板３と金属板４との間の距離が短くなってしまうので耐電圧が低下しやすくなってしまう。一方、活性金属ろう材の、第１の絶縁基板１または第２の絶縁基板２の端部からの距離が150μｍより大きくなると、金属回路板３と絶縁基板の接合面積が少なくなって、回路
基板の温度サイクル信頼性が低下しやすくなる。

また、金属回路板３および金属板４は、その表面にニッケルから成る良導電性で、かつ耐蝕性およびろう材との濡れ性が良好な金属をめっき法により被着させておくと、金属回路板３に半導体素子等の電子部品５を半田を介して強固に接着させることができるとともに、金属板４と外部電気回路との電気的接続を良好なものとすることができる。この場合は、内部に燐を８〜15質量％含有させてニッケル−燐のアモルファス合金としておくと、ニッケルから成るめっき層の表面酸化を良好に防止してろう材との濡れ性等を長く維持することができるので好ましい。ニッケルに対する燐の含有量が８質量％未満となると、あるいは15質量％を超えると、ニッケル−燐のアモルファス合金を形成するのが困難となってめっき層に半田を強固に接着させることが困難となりやすい。このニッケルから成るめっき層は、その厚みが1.5μｍ未満の場合には、金属回路板３および金属板４の表面を完
全に被覆することができず、金属回路板３および金属板４の酸化腐蝕を有効に防止することができなくなる傾向がある。また、10μｍを超えると、特に絶縁基板の厚さが300μｍ
未満の薄いものになった場合には、めっき層の内部に内在する内在応力が大きくなって絶縁基板に反りや割れ等が発生しやすくなってしまう。

回路基板において、絶縁基板に加わる応力は、金属回路板３（金属板４）と絶縁基板との熱膨張係数の差によって、金属回路板３（金属板４）と絶縁基板とを接合して冷却したときに発生する応力が主となり、この応力は回路基板の中心からの距離に比例して大きくなるので、第１の絶縁基板１を第２の絶縁基板２の中央部に近い位置に配置する場合の方が、第１の絶縁基板１を第２の絶縁基板２の端部に配置する場合に比べて、第１の絶縁基
板１に加わる応力が小さくなる傾向がある。そのため、窒化アルミニウム質セラミックス等の、３点曲げ強度が比較的小さい材料で第１の絶縁基板１を形成する場合には、図１や図４に示す例のように、第１の絶縁基板１を絶縁基板の中央部に配置するのが好ましい。

図４に示す例は、第１の絶縁基板１の上面の外周部に枠体７を形成したものである。この枠体７の上に金属等からなる蓋をろう材等で気密に接合することで、電子部品５を気密封止した電子装置とすることができる。この例では、第２の絶縁基板２に貫通孔２ａを形成し、この貫通孔を気密に塞ぐように接合された金属回路板３と外部端子８とを金属柱９で電気的に接続している。これによって、電子部品５を気密に封着するとともに、外部端子８を介して外部回路に電気的に接続することができるようになっている。この例では、枠体７は、金属回路板３と同様にして、また同時に形成した下側の金属枠体７ｂと、絶縁基板と同様のセラミックスから成る絶縁枠体７ａとが活性金属で接合され、さらに絶縁枠体７ａの上に活性金属で上側の金属枠体７ｂが接合されている。上側の金属枠体７ｂは、蓋を接合するためのものである。枠体７は図４に示す例に限られるものではなく、例えば、下側の金属枠体７ｂだけを形成して、電子部品５を覆うような箱型の蓋を接合することもできる。

上記のようにして作製した本発明の回路基板に電子部品５を搭載し、電気的に接続することで本発明の電子装置となる。本発明の電子装置によれば、上記各構成の本発明の回路基板の搭載部１ａに電子部品５が搭載されていることから、耐電圧の高い電子装置となり、また、特性の異なる第１の絶縁基板および第２の絶縁基板を用いることで、例えば、電子部品から発生した熱を外部に効率良く排出することができるとともに、回路基板の強度を向上させることができるので、熱放散性と温度サイクル信頼性等のような異なる特性を両立させた電子装置とすることができる。

電子部品５としては、トランジスタ，ＣＰＵ（Central Processing Unit）用のＬＳＩ
（Large Scale Integrated circuit），ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor
）やＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor - Field Effect Transistor）等の半
導体素子が挙げられる。電子部品５は、半田やＡｕ−Ｓｉ合金等の金属接合材あるいは導電性樹脂で固定されて回路基板に搭載され、ボンディングワイヤ６により電気的に接続される。図１〜図４に示す例では、第１の絶縁基板１の上面に電子部品５を搭載するための金属回路板３を接合しているが、電子部品５は、図５に示す例のように第１の絶縁基板１の上面に直接、または第１の絶縁基板１の上面に形成したメタライズ層の上に搭載してもよい。

本発明の回路基板の絶縁耐圧を確認するために、図１に示す例のような回路基板を作製した。第１の絶縁基板１は、熱伝導率が170Ｗ／ｍ・Ｋであり、３点曲げ強度が310ＭＰａである、厚みが0.6ｍｍの窒化アルミニウム質セラミックスで作製した。その外寸は10ｍ
ｍ角であり、突出部の厚みＴ１を0.3ｍｍ、突出部の長さＬ１を0.5ｍｍとした。つまり、第１の絶縁基板１は、９ｍｍ角で厚みが0.3ｍｍの基板を、10ｍｍ角で厚みが0.3ｍｍの基板の上に、中心を合わせて重ねた形状である。第２の絶縁基板２は、熱伝導率が58Ｗ／ｍ・Ｋであり、３点曲げ強度が850ＭＰａである、厚みが0.6ｍｍの窒化ケイ素質セラミックスで作製した。その外寸は30ｍｍ角であり、中央部に第１の絶縁基板１がはめ込めるように、最内寸9.1ｍｍ角で、突出部の厚みＴ２を0.3ｍｍ、突出部の長さＬ２を0.5ｍｍとし
た。つまり、第２の絶縁基板２は、中央部に9.1ｍｍ角の孔を有し、30ｍｍ角で厚みが0.3ｍｍである基板を、中央部に10.1ｍｍ角の孔を有し、30ｍｍ角で厚みが0.3ｍｍの基板の
上に、中心を合わせた重ねた形状である。このような第１の絶縁基板１を第２の絶縁基板２の孔に下側からはめ込むことで絶縁基板とした。

金属回路板３には厚みが0.3ｍｍである無酸素銅板を用い、金属板４には厚みが0.2ｍｍである無酸素銅板を用い、それぞれ30ｍｍ角のものを絶縁基板の上面および下面に銀銅共晶の活性ろう材を用いて接合した後に、塩化第２鉄溶液によるエッチングで所定のパターン形状の金属回路板３および金属板４を形成し、金属回路板３および金属板４が、それぞれ第１の絶縁基板１と第２の絶縁基板２とに跨り、第１の絶縁基板１と第２の絶縁基板２との境界（隙間）を挟んで対向するような回路基板を作製した。回路基板の金属回路板３および金属板４の表面にはニッケルめっきを施した。

この回路基板の金属回路板３と金属板４との間に3000Ｖの電圧を１分間印加して、絶縁耐圧テストを行ったところ、金属回路板３と金属板４との間で放電等による絶縁破壊が起こらず、十分な絶縁耐圧を持っていることが確認できた。

また、回路基板を−40℃および125℃に各30分保持することを１サイクルとする温度サ
イクルテストへ1000サイクル投入し、その後、金属回路板３、金属板４および活性金属をエッチングで除去して第１の絶縁基板１および第２の絶縁基板２の表面を確認したところ、クラックは発生していないことが確認できた。

以上の結果から、本発明の回路基板は、十分な絶縁耐圧を持つとともに、高信頼性な回路基板であることが確認できた。

１・・・・・第１の絶縁基板
１ａ・・・・搭載部
２・・・・・第２の絶縁基板
２ａ・・・・貫通孔
３・・・・・金属回路板
４・・・・・金属板
５・・・・・電子部品
６・・・・・ボンディングワイヤ
７・・・・・枠体
７ａ・・・・絶縁枠体
７ｂ・・・・金属枠体
８・・・・・外部端子
９・・・・・金属柱

Claims (6)

1. 電子部品が搭載される搭載部を有する第１の絶縁基板および該第１の絶縁基板とは異なる材質からなる第２の絶縁基板が同一平面上に配置されてなる絶縁基板と、前記第１の絶縁基板と前記第２の絶縁基板とに跨って前記絶縁基板の上面に接合され、前記電子部品が電気的に接続される金属回路板と、前記第１の絶縁基板と前記第２の絶縁基板とに跨って前記絶縁基板の下面に接合された金属板とを具備する回路基板であって、前記絶縁基板は、前記第１の絶縁基板と前記第２の絶縁基板との間の隙間を介して前記上面から前記下面が見通せないように、それぞれの端部が互いに重なり合っていることを特徴とする回路基板。
2. 前記第１の絶縁基板の前記端部が前記第２の絶縁基板の前記端部の下側に位置していることを特徴とする請求項１記載の回路基板。
3. 前記第１の絶縁基板は前記第２の絶縁基板よりも熱伝導率が大きいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回路基板。
4. 前記第１の絶縁基板は窒化アルミニウム質セラミックスからなり、前記第２の絶縁基板は窒化ケイ素質セラミックスからなることを特徴とする請求項３記載の回路基板。
5. 前記第１の絶縁基板および前記第２の絶縁基板のそれぞれの前記端部は、前記金属回路板および前記金属板に接合されていないことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の回路基板。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の回路基板の前記搭載部に電子部品が搭載されていることを特徴とする電子装置。

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