JP2012114383A

JP2012114383A - セラミック回路基板及び電子部品収納用パッケージ

Info

Publication number: JP2012114383A
Application number: JP2010264463A
Authority: JP
Inventors: Yukitsugu Sumida; 幸嗣隅田
Original assignee: Sumitomo Metal SMI Electronics Device Inc
Current assignee: Sumitomo Metal SMI Electronics Device Inc
Priority date: 2010-11-29
Filing date: 2010-11-29
Publication date: 2012-06-14

Abstract

【課題】安価であると共に、Ａｇのマイグレーションや、接合信頼性や放熱性の低下を防止しするセラミック回路基板及び電子部品収納用パッケージを提供する。
【解決手段】セラミック回路基板１０は、セラミック基板１１と、Ｃｕ板１２、１２ａとの間に、また、電子部品収納用パッケージ２０は、セラミック基板２１の一方の主面と、Ｆｅ−Ｎｉ系合金金属板、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金金属板、又はＣｕ板からなる外部接続リード端子２２との間、及びセラミック基板２１の他方の主面と、Ｃｕを含有するヒートシンク板２３との間に、それぞれＣｕ_２Ｏ又はＣｕＯの金属粉末を有機ビヒクルと混合するメタライズペーストを介在せしめて不活性ガス雰囲気中の１０６５〜１０８３℃で熱処理を行う接合層１３、１３ａと、接合層２５、２５ａを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、セラミック基板に金属板を接合して形成するセラミック回路基板、及びセラミック基板の一方の主面に外部接続リード端子と、他方の主面にヒートシンク板を接合して形成する電子部品収納用パッケージに関する。

図３（Ａ）〜（Ｃ）、図４（Ａ）〜（Ｃ）を参照しながら、従来のセラミック回路基板、従来の他のセラミック回路基板を説明する。
図３（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、従来のセラミック回路基板５０には、大気中で焼成済のアルミナ等の酸化物系のセラミック基板５１の上面側に複数個の個片状のＣｕ板５２と、下面側にベタ状のＣｕ板５２ａを直接接合して形成するものがある。そして、このセラミック回路基板５０は、高電力を通すパワーモジュール用の半導体素子を搭載する基板として用いられ、個片状のＣｕ板５２のいずれかに搭載した半導体素子からの発熱をこのＣｕ板５２を介して外部に放熱、及びセラミック基板５１を介してベタ状のＣｕ板５２ａ側に伝熱させて、これから外部に放熱させるようになっている。セラミック回路基板５０は、無酸素銅板の表面に酸化物層を形成したり、あるいは、予め酸素濃度が制御されたりしたＣｕ板５２、５２ａを準備した後、セラミック基板５１に直接当接させ、不活性ガス雰囲気中で焼成して接合し作製している。この直接接合とは、１０６５℃以上でＣｕの融点温度である１０８３℃以下の温度、例えば、１０７０℃程度の温度で酸素を０．００８〜０．３９％に制御した焼成炉で焼成し、Ｃｕ板５２、５２ａをセラミック基板５１表面での酸素との反応により生成するＣｕ−Ｏ共晶液相を結合材としてセラミック基板５１に接合させる方法である。なお、この直接接合に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のような非酸化物系のセラミック基板５１を用いる場合には、窒化アルミニウムからなるセラミック基板５１を酸素濃度を厳密に制御させた雰囲気中で焼成することで、表面にアルミナ膜を形成する必要がある。

また、図４（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、従来の他のセラミック回路基板５０ａには、焼成済の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）のような非酸化物系のセラミック基板５１の上面側に複数個の個片状のＣｕ板５２と、下面側にベタ状のＣｕ板５２ａを活性金属ろう材５３を介在させて真空中で焼成して接合して、パワーモジュール用の基板として用いるものがある。この活性金属ろう材５３を用いる接合とは、チタン、ジルコニウム、ベリリウム等の極めて反応性の大きい、いわゆる活性な金属をＡｇＣｕろう等に加えた活性金属ろう材５３を介して約７５０〜８５０℃程度で加熱して活性金属ろう材５３の拡散、あるいは反応による親和力の強さを利用して接合する方法である。

次に、図５（Ａ）、（Ｂ）を参照しながら、従来の電子部品収納用パッケージを説明する。
図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、従来の電子部品収納用パッケージ６０には、例えば、ＲＦ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙ）基地局用等のシリコンや、ガリウム砒素電界効果トランジスタ等の高周波、高出力の半導体素子等の電子部品を収納したりするためのものがある。この電子部品収納用パッケージ６０は、実装される電子部品から高温、且つ大量の熱を発生するので、この熱を放熱するために、高熱伝導率を有する金属製のヒートシンク板６１が必要となっている。また、電子部品収納用パッケージ６０には、電子部品を囲繞して中空状態で収納するためのキャビティ部６２を形成するために、窓枠形状からなるアルミナや、窒化アルミニウム等からなるセラミック枠体６３が必要となっている。そして、セラミック枠体６３とヒートシンク板６１を接合するために、セラミック枠体６３は、下面側にタングステン（Ｗ）からなるメタライズ膜６４を設け、これに更にＮｉめっき被膜（図示せず）を設けた後、ヒートシンク板６１との間にＡｇＣｕろう材６５を介在させて７５０〜８００℃程度で加熱してろう付け接合している。なお、上記のＷからなるメタライズ膜６４は、例えば、アルミナセラミックグリーンシートにＷメタライズペーストを塗布し乾燥した後、セラミックグリーンシートと還元雰囲気中で同時焼成してセラミック基板にメタライズ膜６４を設けている。また、Ｎｉめっき被膜のようなめっき被膜は、めっき治具にセラミック基板を取り付けて電解めっき方式でめっき被膜を形成している。更に、ろう付け接合は、金属板とセラミック基板６１の間にろう材を挟み込んだり、予め金属板にろう材をクラッドさせた状態でセラミック基板６１と当接させて加熱炉で加熱して行っている。

なお、電子部品収納用パッケージ６０のヒートシンク板６１には、セラミック枠体６３をろう付け接合させることで反りを発生させたり、セラミック枠体６３にクラック等を発生させたりするのを防止するために、熱膨張係数をセラミック枠体６３の熱膨張係数（例えば、Ａｌ_２Ｏ_３：７．２×１０^−６／℃）と近似させることが必要となっている。このようなヒートシンク板６１には、例えば、セラミックと熱膨張係数が近似するＷを用い、これをポーラス状にして、この部分に熱伝導性に優れるＣｕを含浸させたりして作製されるＣｕとＷの複合金属板（熱伝導率：１９０Ｗ／ｍＫ、熱膨張係数：７．０×１０^−６／℃）がある。また、最近では、電子部品からの発熱量の増大に対応するために、ヒートシンク板６１には、Ｃｕとモリブデン（Ｍｏ）系金属板の両面のそれぞれに同一厚さのＣｕ板をクラッドして反りの発生を抑えながら熱伝導率を更に向上させた金属板（熱伝導率：２４０Ｗ／ｍＫ、熱膨張係数：１０．１×１０^−６／℃）も用いられている。

更に、上記の電子部品収納用パッケージ６０には、外部と電気的に導通状態とするために、外部接続リード端子６６が必要となっている。この外部接続リード端子６６は、セラミック枠体６３の上面側に設けられたメタライズ膜６４、更にこの上に設けるＮｉめっき被膜との間にＡｇＣｕろう材６５を介在させて加熱してろう付け接合している。外部接続リード端子６６は、セラミック枠体６３にＡｇＣｕろう材６５でろう付け接合するので、セラミックと熱膨張係数が近似するＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金（商品名「Ｋｏｖａｒ（コバール）」、通称、ＫＶ）や、Ｆｅ−Ｎｉ系合金（通称、４２アロイ）等の金属板からなっている。そして、上記の電子部品収納用パッケージ６０には、電子部品を実装させたり、外部との酸化や硫化を防止する等のために、表面に露出する全ての金属部分にＮｉめっき被膜、及びＡｕめっき被膜が形成されている。なお、上記のセラミック枠体６３とヒートシンク板６１及び外部接続リード端子６６とのろう付け接合は、特に、その上、下面の接合順番を限定するものではないが、通常、同時に行っている。

上記の電子部品収納用パッケージ６０は、セラミック枠体６３の作製に、電気絶縁性の高い、例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）や、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミック粉末に焼結助剤、樹脂、溶剤、可塑剤等を混合させ、これをシート状に成形したセラミックグリーンシートを用いている。そして、セラミックグリーンシートには、セラミック枠体６３となる位置のヒートシンク板６１や、外部接続リード端子６６とろう付け接合させるための接合部となる位置に、タングステン（Ｗ）や、モリブデン（Ｍｏ）等の金属粉末に溶剤等を混合させた導体金属ペーストでスクリーン印刷して導体印刷パターンを形成している。更に、この導体印刷パターンと、セラミックグリーンシートは、還元雰囲気中で同時焼成して、メタライズ膜６４を設けたセラミック枠体６３を形成している。あるいは、上記の電子部品収納用パッケージ６０は、セラミック枠体６３の作製に、セラミックグリーンシートのみを焼成した焼成済のセラミック枠体用基板の上面、及び下面にモリブデン−マンガン（Ｍｏ−Ｍｎ）の金属粉末に溶剤等を混合させた導体金属ペーストでスクリーン印刷して導体印刷パターンを形成している。更に、この導体印刷パターンが形成されたセラミック枠体用基板は、還元雰囲気中で焼成して、メタライズ膜６４を設けたセラミック枠体６３を形成している。そして、セラミック枠体６３のメタライズ膜６４上には、Ｎｉめっき被膜が形成された後に、Ｎｉめっき被膜面との間にＡｇＣｕろう材６５を介し、加熱することでヒートシンク板６１の上面にセラミック枠体６３の下面と、セラミック枠体６３の上面に外部接続リード端子６６をろう付け接合している。

しかしながら、上記のセラミック回路基板５０、５０ａや、電子部品収納用パッケージ６０には、次のような問題がある。
上記のセラミック回路基板５０は、セラミック基板５１や、Ｃｕ板５２、５２ａ表面の平坦性が低いので、Ｃｕ−Ｏ共晶液相の結合材量が不足したり、密着性が悪くなり、セラミック基板５１と、Ｃｕ板５２、５２ａとの間に微小な空洞が残るようになる。この空洞によって、セラミック回路基板５０は、接合強度の低下となったり、熱伝熱の低下によるパワーモジュール用の基板としての放熱性の低下となっている。また、上記のセラミック回路基板５０ａは、活性金属が高価であると共に、真空焼成炉が高価であり、セラミック回路基板５０ａのコストアップとなっている。
一方、上記の電子部品収納用パッケージ６０は、メタライズ膜６４を設けるセラミック枠体６３の形成、更にはこのメタライズ膜６４上にＮｉめっき被膜の形成が必要であるので、パッケージのコストアップとなっている。また、電子部品収納用パッケージ６０は、セラミック枠体６３と、ヒートシンク板６１や、外部接続リード端子６６をＡｇＣｕろう材６５を介して接合しているので、ろう材に含まれるＡｇが析出してヒートシンク板６１と、外部接続リード端子６６が短絡状態となる危険性がある。これは、パッケージに電子部品を実装して環境試験を行ったときに、キャビティ部６２内の水分が露結し、そこに電圧が掛けられたＡｇは、イオン化し、Ａｇが析出して樹枝状に成長して、セラミック枠体６３の側面に樹枝状晶（デントライト）を発生させる、所謂、Ａｇのマイグレーションが避けられない状態となって発生している。

そこで、従来のセラミック回路基板には、セラミック基板とＣｕ板の間にＣｕメタライズ中間層を介在せしめたＣｕ板付きセラミック基板が提案されている（例えば、特許文献１参照）。これによれば、このセラミック回路基板は、先ず、セラミック基板にＣｕペーストを塗布し酸素を含有する窒素雰囲気中の８５０〜９５０℃で焼成してＣｕメタライズ膜を形成している。そして、セラミック基板表面の粒界にＣｕ_２Ｏを有するＣｕの多結晶体面とするこのＣｕメタライズ膜のメタライズ面上には、Ｃｕ板を載置させて８５０〜１０６５℃で熱処理を行うことによりＣｕ_２Ｏの共晶融液が生じＣｕの融点以下の温度で銅とセラミックとの接合を可能としているものである。

また、従来の電子部品収納用パッケージには、Ａｇのマイグレーションを避ける高放熱型電子部品収納用パッケージとして、外部接続端子用の外部接続リード端子とリング状のセラミック枠体及び放熱用の金属板を有する基体が外部接続リード端子と金属板をセラミック枠体の両面に形成されたメタライズ層を介してそれぞれ接合される接合材を有し、しかも外部接続リード端子とセラミック枠体とを接合する第１の接合材と、セラミック枠体と金属板とを接合する第２の接合材のいずれか一方にＡｕろう、他方にＡｇＣｕろうからなる接合材を有するものが提案されている（例えば、特許文献４参照）。これによれば、高放熱型電子部品収納用パッケージは、外部接続端子用の外部接続リード端子と放熱用の金属板との間で短絡の発生しないパッケージが提供できるとしているものである。

特開平３−１２３７１号公報特開２００３−１９７８０３号公報

しかしながら、前述したような従来のセラミック回路基板及び電子部品収納用パッケージは、次のような問題がある。
（１）特開平３−１２３７１号公報で開示されるようなセラミック回路基板は、活性金属接合法ではないので、コストアップを防止することができるものの、セラミック基板に形成するＣｕメタライズ膜のメタライズ面上が平坦性に欠け、そこに当接させるＣｕ板との間に大きな空隙ができ、接合後にセラミック基板と、Ｃｕ板との間に微小な空洞が残り、熱伝熱性の低下となって、パワーモジュール用の基板としての放熱性の低下が解消できないこととなっている。
（２）特開平３−１２３７１号公報で開示されるような方法で作製される電子部品収納用パッケージは、接合にＡｇが用いられていないので、Ａｇのマイグレーションが避けられ、ヒートシンク板と、外部接続リード端子の短絡を防止することができると共に、焼成済のセラミック基板にＣｕメタライズ膜が設けられ、接合のためのＮｉめっき被膜も必要としないので、コストアップを少なくできるものの、セラミック基板と、外部接続リード端子やヒートシンク板との接合に２度の焼成が必要となり、大幅なコストアップを防止することができなくなっている。また、この電子部品収納用パッケージは、セラミック基板と、リード端子やヒートシンク板との間に微小な空洞が残り、接合強度や、熱伝熱の低下となって、電子部品収納用パッケージとしての接合信頼性や放熱性の低下となっている。
（３）特開２００３−１９７８０３号公報で開示されるような電子部品収納用パッケージは、Ａｇのマイグレーションを防止して、外部接続リード端子と、ヒートシンク板との間での短絡発生を防止することができるものの、セラミック基板に外部接続リード端子やヒートシンク板との接合のためのセラミックグリーンシートと同時焼成するメタライズ膜の形成が必要となると共に、このメタライズ膜上にＮｉめっき被膜が必要となり、しかも、高価なＡｕろうを使用するので、電子部品収納用パッケージのコストアップを防止することができなくなっている。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、安価であると共に、Ａｇのマイグレーションや、接合信頼性や放熱性の低下を防止しするセラミック回路基板及び電子部品収納用パッケージを提供することを目的とする。

前記目的に沿う本発明に係るセラミック回路基板は、セラミック基板と、Ｃｕ板との間に、Ｃｕ_２Ｏ又はＣｕＯの金属粉末を有機ビヒクルと混合するメタライズペーストを介在せしめて不活性ガス雰囲気中の１０６５〜１０８３℃で熱処理を行う接合層を有する。

また、前記目的に沿う本発明に係る電子部品収納用パッケージは、セラミック基板の一方の主面と、Ｆｅ−Ｎｉ系合金金属板、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金金属板、又はＣｕ板からなる外部接続リード端子との間、及びセラミック基板の他方の主面と、Ｃｕを含有するヒートシンク板との間に、Ｃｕ_２Ｏ又はＣｕＯの金属粉末を有機ビヒクルと混合するメタライズペーストを介在せしめて不活性ガス雰囲気中の１０６５〜１０８３℃で熱処理を行う接合層を有する。

本発明のセラミック回路基板は、セラミック基板と、Ｃｕ板との間に、Ｃｕ_２Ｏ又はＣｕＯの金属粉末を有機ビヒクルと混合するメタライズペーストを介在せしめて不活性ガス雰囲気中の１０６５〜１０８３℃で熱処理を行う接合層を有するので、Ｃｕ_２Ｏ又はＣｕＯの金属粉末を有機ビヒクルと混合するメタライズペーストをＣｕの融点である１０８３℃以下の温度で容易に共晶融液にしながらセラミック基板と、Ｃｕ板の間の空隙に流動させて微小な空洞を残すことなく接合させることができ、空洞による熱伝熱性の低下を防止して、パワーモジュール用の基板としての放熱性の低下を防止す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る。また、このセラミック回路基板は、セラミック基板にメタライズペーストを塗布した後、Ｃｕ板を当接させ焼成して接合させるだけであるので、安価なセラミック回路基板を提供することができる。

また、本発明の電子部品収納用パッケージは、セラミック基板の一方の主面と、Ｆｅ−Ｎｉ系合金金属板、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金金属板、又はＣｕ板からなる外部接続リード端子との間、及びセラミック基板の他方の主面と、Ｃｕを含有するヒートシンク板との間に、Ｃｕ_２Ｏ又はＣｕＯの金属粉末を有機ビヒクルと混合するメタライズペーストを介在せしめて不活性ガス雰囲気中の１０６５〜１０８３℃で熱処理を行う接合層を有するので、Ｃｕ_２Ｏ又はＣｕＯの金属粉末を有機ビヒクルと混合するメタライズペーストをＣｕの融点である１０８３℃以下の温度で容易に共晶融液にしながらセラミック基板の一方の主面と、Ｆｅ−Ｎｉ系合金金属板、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金金属板、又はＣｕ板からなる外部接続リード端子との間、及びセラミック基板の他方の主面と、Ｃｕを含有するヒートシンク板との間に微小な空洞を残すことなく接合させることができ、空洞による熱伝熱性の低下や、接合強度の低下を防止して、高熱を発する半導体素子等を収納する電子部品収納用パッケージとしての放熱性の低下と、接合信頼性の低下を防止することができる電子部品収納用パッケージを提供することができる。また、この電子部品収納用パッケージは、セラミック基板に事前にタングステンや、モリブデン等の高融点金属からなるメタライズ膜を形成、焼成することなく、Ａｇを全く含まないメタライズペーストを塗布しただけの状態で、外部接続リード端子やヒートシンク板を当接させ一度の焼成で接合させるだけの強固な接合層であるので、安価であると共に、Ａｇのマイグレーションを防止する信頼性の高い電子部品収納用パッケージを提供することができる。

（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係るセラミック回路基板の上面側平面図、下面側平面図、Ａ−Ａ’線縦断面図である。（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の一実施の形態に係る電子部品収納用パッケージの平面図、Ｂ−Ｂ’線拡大縦断面図である。（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ従来のセラミック回路基板の上面側平面図、下面側平面図、Ｃ−Ｃ’線縦断面図である。（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ従来の他のセラミック回路基板の上面側平面図、下面側平面図、Ｄ−Ｄ’線縦断面図である。（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ従来の電子部品収納用パッケージの平面図、Ｅ−Ｅ’線拡大縦断面図である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施するための形態について説明し、本発明の理解に供する。
図１（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、本発明の一実施の形態に係るセラミック回路基板１０は、焼成済のセラミック基板１１の上面側である一方の主面に、様々な形状からなる複数個の個片体がそれぞれ独立して配置された回路状のＣｕ板１２を設けている。また、セラミック回路基板１０は、焼成済のセラミック基板１１の下面側である他方の主面に、ベタ状のＣｕ板１２ａを設けている。

このセラミック回路基板１０に用いられるセラミック基板１１は、大気中の１５００〜１６００℃程度の高温で焼成するアルミナや、ジルコニア含有アルミナ等からなる酸化物系のセラミック、あるいは、窒素雰囲気中の１７００℃程度の高温で焼成する非酸化物系の窒化アルミニウムを更に大気中で焼成して表面を酸化物系のアルミナ被膜に形成したセラミックからなっている。また、セラミック基板１１は、通常、焼成後に所望する厚みになるように形成したセラミックグリーンシートを焼成後に所望する大きさになるように成形したり、あるいは、焼成後に所望する大きさになるようセラミック粉末をプレス成形したりした後、焼成して所望する大きさに形成している。なお、このセラミック基板１１は、セラミックグリーンシートや、セラミック粉末の成形体を焼成することで約３０％程度の収縮が発生する。

一方、このセラミック回路基板１０に用いられるＣｕ板１２、１２ａは、無酸素銅板の表面にＣｕの酸化物層を形成した金属板、タフピッチ銅のような全体の酸素濃度を管理した金属板、表面にＣｕの酸化物層がない金属板、又は全体の酸素濃度が制御されない状態の金属板のいずれでも用いることができ、この金属板を打ち抜いたり、エッチングしたりして、所望の形状に成形している。

このセラミック回路基板１０は、焼成済のセラミック基板１１の一方の主面と、それぞれのＣｕ板１２との間に、Ｃｕ_２Ｏ又はＣｕＯの金属粉末を有機ビヒクルで混合するメタライズペーストを介在せしめて不活性ガス雰囲気中の１０６５〜１０８３℃で熱処理を行う接合層１３を有している。また、このセラミック回路基板１０は、焼成済のセラミック基板１１の他方の主面と、Ｃｕ板１２ａとの間に、Ｃｕ_２Ｏ又はＣｕＯの金属粉末を有機ビヒクルで混合するメタライズペーストを介在せしめて不活性ガス雰囲気中の１０６５〜１０８３℃で熱処理を行う接合層１３ａを有している。なお、接合層１３、１３ａは、通常、同時に熱処理が行われて形成されるようになっている。上記のメタライズペーストは、ナノ粒子径から数ミクロン粒子径を含む平均粒子径１μｍ以下のＣｕ_２Ｏ又はＣｕＯの金属粉末に、エチルセルローズ、ブチラール樹脂、テレピオネール、ブチルカルビトールアセテート等の有機ビヒクルを混合させ、混練してペースト状にして形成している。

セラミック回路基板１０を構成するには、焼成済のセラミック基板１１の一方の主面に、上記のメタライズペーストを用いて、回路状のＣｕ板１２のそれぞれの個片体の形状に合わせるようなメタライズパターンをスクリーン印刷で形成し、乾燥して厚みが１０〜１５０μｍ程度のメタライズ印刷膜を設けている。また、セラミック回路基板１０を構成するには、焼成済のセラミック基板１１の他方の主面に、上記のメタライズペーストを用いて、ベタ状のＣｕ板１２ａの形状に合わせるようなメタライズパターンをスクリーン印刷で形成し、乾燥して厚みが１０〜１５０μｍ程度のメタライズ印刷膜を設けている。そして、セラミック回路基板１０は、それぞれのメタライズ印刷膜に、Ｃｕ板１２、１２ａが当接され、不活性ガス、例えば、窒素ガスのような不活性ガス雰囲気中の１０６５〜１０８３℃で熱処理を行うことで、セラミック基板１１と、Ｃｕ板１２、１２ａとが接合される接合層１３、１３ａを有している。セラミック回路基板１０は、接合層１３、１３ａがメタライズ印刷膜を１０６５℃以上でＣｕの融点温度である１０８３℃以下の温度、例えば、１０７０℃程度の温度の不活性ガス雰囲気中の焼成炉で熱処理を行うことで、Ｃｕ_２Ｏ又はＣｕＯの金属粉がＣｕ−Ｏ共晶液相の結合材となり、冷却することでセラミック基板１１と、Ｃｕ板１２、１２ａとを強固に接合させるようになっている。この接合層１３、１３ａは、不活性ガス雰囲気中の温度が１０６５℃を下まわる、又は１０８３℃を超える場合には、Ｃｕ−Ｏ共晶液相の形成できなくなる。また、不活性ガス雰囲気中の温度が１０８３℃を超える場合には、Ｃｕの融点温度を超えて溶融が始まり、Ｃｕ板１２、１２ａとしての形状が保てなくなる。

上記のセラミック回路基板１０は、上面側に高電力を通すパワーモジュール用の半導体素子を搭載するための基板として用いらている。そして、セラミック基板１１の一方の主面に設ける複数の個片体のＣｕ板１２のいずれかに搭載した半導体素子からの発熱は、この個片体のＣｕ板１２を介して外部に放熱、及びセラミック基板１１を介してセラミック基板１１の他方の主面に設けるベタ状のＣｕ板１２ａ側に伝熱させて、これから外部に放熱させるようになっている。

次いで、図２（Ａ）、（Ｂ）を参照しながら、本発明の一実施の形態に係る電子部品収納用パッケージを説明する。
図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、電子部品収納用パッケージ２０は、焼成済の窓枠形状に形成されたセラミック基板２１の上面側である一方の主面の所定位置となるところに、Ｆｅ−Ｎｉ系合金金属板、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金金属板、又はＣｕ板からなる１、又は複数の平板状の外部と電気的接続状態を形成するための外部接続リード端子２２を設けている。また、この電子部品収納用パッケージ２０は、焼成済の窓枠形状に形成されたセラミック基板２１の下面側である他方の主面の全面を覆うように、実装される電子部品から発生する高温、且つ大量の熱を放熱するための高放熱特性を有する略長方形平板状のＣｕを含有する金属製のヒートシンク板２３を設けている。そして、この電子部品収納用パッケージ２０は、電子部品を載置して接合するためのヒートシンク板２３の上面と、電子部品を囲繞するためのセラミック基板２１の内周側壁面とで電子部品を収納するためのキャビティ部２４を設けている。

この電子部品収納用パッケージ２０に用いられるセラミック基板２１は、セラミック回路基板１０の場合のセラミック基板１１と同様に、大気中の１５００〜１６００℃程度の高温で焼成するアルミナや、ジルコニア含有アルミナ等からなる酸化物系のセラミック、あるいは、窒素雰囲気中の１７００℃程度の高温で焼成する非酸化物系の窒化アルミニウムを更に大気中で焼成して表面を酸化物系のアルミナ被膜に形成したセラミックからなっている。これらのセラミック基板２１は、いずれも曲げ強度が高く、電気絶縁性、熱伝導性、電気的特性等に優れたものとなっている。また、セラミック基板２１は、焼成後に所望する窓枠形状になるようにセラミックグリーンシートを成形したり、あるいは、焼成後に所望する窓枠形状になるようセラミック粉末をプレス成形したりした後、焼成して形成している。なお、このセラミック基板２１は、セラミック基板１１の場合と同様に、セラミックグリーンシートや、セラミック粉末の成形体を焼成することで約３０％程度の収縮が発生する。

この電子部品収納用パッケージ２０に用いられる外部接続リード端子２２は、Ｆｅ−Ｎｉ系合金が通称４２アロイ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金がＫＶ（商品名「Ｋｏｖａｒ（コバール）」）と呼ばれ、いずれもセラミックと熱膨張係数が近似したり、Ｃｕからなる場合には電気導通度が優れ、安価なものとなっている。そして、この外部接続リード端子２２には、電子部品とボンディングワイヤを介して直接接続して電気的に導通状態とするためのワイヤボンドパッド部と、外部と電気的に導通状態とするための端子部が設けられ、外部接続リード端子２２が２つの役目を行うことができるようになっている。

この電子部品収納用パッケージ２０に用いられるヒートシンク板２３は、セラミックと熱膨張係数が近似するタングステン（Ｗ）をポーラス状にして、この部分に熱伝導性に優れるＣｕを含浸させたＣｕとＷの複合金属板からなっている。また、ヒートシンク板２３には、セラミックと熱膨張係数が近似するモリブデン（Ｍｏ）とＣｕの合金板や、複合金属板や、合金板の両面のそれぞれに同一厚さのＣｕ板をクラッドして反りの発生を抑えながら熱伝導率を更に向上させた接合金属板等も用いられている。

上記の電子部品収納用パッケージ２０は、焼成済の窓枠形状のセラミック基板２１の一方の主面と、外部接続リード端子２２との間に、Ｃｕ_２Ｏ又はＣｕＯの金属粉末を有機ビヒクルで混合するメタライズペーストを介在せしめて不活性ガス雰囲気中の１０６５〜１０８３℃で熱処理を行う接合層２５を有している。また、この電子部品収納用パッケージ２０は、焼成済の窓枠形状のセラミック基板２１の他方の主面と、ヒートシンク板２３との間に、Ｃｕ_２Ｏ又はＣｕＯの金属粉末を有機ビヒクルで混合するメタライズペーストを介在せしめて不活性ガス雰囲気中の１０６５〜１０８３℃で熱処理を行う接合層２５ａを有している。なお、接合層２５、２５ａは、通常、同時に熱処理が行われて形成されるようになっている。上記のメタライズペーストは、ナノ粒子径から数ミクロン粒子径を含む平均粒子径１μｍ以下のＣｕ_２Ｏ又はＣｕＯの金属粉末に、エチルセルローズ、ブチラール樹脂、テレピオネール、ブチルカルビトールアセテート等の有機ビヒクルを混合させ、混練してペースト状にして形成している。

上記の電子部品収納用パッケージ２０を構成するには、焼成済の窓枠形状のセラミック基板２１の一方の主面に、上記のメタライズペーストを用いて、外部接続リード端子２２が取り付けられる所望する位置となるところにメタライズパターンをスクリーン印刷で形成し、乾燥して厚みが１０〜１５０μｍ程度のメタライズ印刷膜を設けている。また、電子部品収納用パッケージ２０を構成するには、焼成済の窓枠形状のセラミック基板２１の他方の主面の全面に、上記のメタライズペーストを用いて、スクリーン印刷で形成し、乾燥して厚みが１０〜１５０μｍ程度のメタライズ印刷膜を設けている。そして、電子部品収納用パッケージ２０は、それぞれのメタライズ印刷膜に、外部接続リード端子２２、ヒートシンク板２３が当接され、不活性ガス、例えば、窒素ガスのような不活性ガス雰囲気中の１０６５〜１０８３℃で熱処理を行うことで、セラミック基板２１と、外部接続リード端子２２、ヒートシンク板２３とが接合される接合層２５、２５ａを有している。電子部品収納用パッケージ２０は、接合層２５、２５ａがメタライズ印刷膜を１０６５℃以上でＣｕの融点温度である１０８３℃以下の温度、例えば、１０７０℃程度の温度の不活性ガス雰囲気中の焼成炉で熱処理を行うことで、Ｃｕ_２Ｏ又はＣｕＯの金属粉がＣｕ−Ｏ共晶液相の結合材となり、冷却することでセラミック基板２１と、外部接続リード端子２２、ヒートシンク板２３とを強固に接合させるようになっている。この接合層２５、２５ａは、不活性ガス雰囲気中の温度が１０６５℃を下まわる、又は１０８３℃を超える場合には、Ｃｕ−Ｏ共晶液相の形成できなくなる。また、不活性ガス雰囲気中の温度が１０８３℃を超える場合には、Ｃｕの融点温度を超え、Ｃｕ板からなる外部接続リード端子２２や、ヒートシンク板２３のＣｕ部分の溶融が始まりそれぞれの形状が保てなくなる。

接合体となった電子部品収納用パッケージ２０は、表面に露出する全ての金属部分に、Ｎｉや、Ｎｉ−Ｃｏ等からなるＮｉめっき被膜（図示せず）、更に、この上にＡｕめっき被膜（図示せず）が形成されて有している。この電子部品収納用パッケージ２０は、接合材層２５、２５ａにＡｇを含有していないので、Ａｇのマイグレーションを防止して、セラミック基板２１の上、下面に設ける外部接続リード端子２２と、ヒートシンク板２３間の短絡を防止する信頼性の高いパッケージとすることができる。

上記の電子部品収納用パッケージ２０には、図示しないが、キャビティ部２４のヒートシンク板２３の上面のＡｕめっき被膜面に電子部品がＡｕ−Ｓｉろう材で等で接合している。この接合は、電子部品に形成されているＡｕ蒸着面と、キャビティ部２４のヒートシンク板２３の上面のＡｕめっき被膜面との間にＡｕ−Ｓｉろう材等のろう材を挟み込んで加熱し、電子部品を加圧しながらスクラブして擦り付けることで、強固な接着強度を確保している。そして、キャビティ部２４に搭載された電子部品は、外部接続リード端子２２との間をボンディングワイヤで直接接続して電気的導通状態を形成している。電子部品収納用パッケージ２０には、電子部品がキャビティ部２４に実装された後、樹脂や、セラミックや、金属等からなる蓋体が外部接続リード端子２２を含むセラミック基板２１の上面に樹脂や、ガラス等の絶縁性接着材で接合されて、電子部品がキャビティ部２４内で気密に封止されるようになっている。そして、電子部品が収納された電子部品収納用パッケージ２０は、外部接続リード端子２２の端子部下面が配線回路パターンの形成されたボード基板（図示せず）等に半田で接合されるようになっている。また、電子部品が収納された電子部品収納用パッケージ２０は、ヒートシンク板２３の長手方向両端部に設けられている取付部２６で放熱性の向上を兼ねる金属製からなる基台にネジ等で固定するようになっている。

本発明のセラミック回路基板は、大電力がかかる半導体素子や、トランジスタ等を搭載するパワーモジュール用として使用され、例えば、エアコン用、産業ロボット用、エレベーター用等の産業装置や、電子レンジ用、ＩＨ機器用等の電子機器とするのに用いることができる。
また、本発明の電子部品収納用パッケージは、シリコンや、ガリウム砒素電界効果トランジスタ等の高周波、高出力の半導体素子等の電子部品を実装させて、例えば、ＲＦ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙ）基地局用等の電子装置とするのに用いることができる。

１０：セラミック回路基板、１１：セラミック基板、１２、１２ａ：Ｃｕ板、１３、１３ａ：接合層、２０：電子部品収納用パッケージ、２１：セラミック基板、２２：外部接続リード端子、２３：ヒートシンク板、２４：キャビティ部、２５、２５ａ：接合層、２６：取付部

Claims

セラミック基板と、Ｃｕ板との間に、Ｃｕ_２Ｏ又はＣｕＯの金属粉末を有機ビヒクルと混合するメタライズペーストを介在せしめて不活性ガス雰囲気中の１０６５〜１０８３℃で熱処理を行う接合層を有することを特徴とするセラミック回路基板。
セラミック基板の一方の主面と、Ｆｅ−Ｎｉ系合金金属板、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金金属板、又はＣｕ板からなる外部接続リード端子との間、及び前記セラミック基板の他方の主面と、Ｃｕを含有するヒートシンク板との間に、Ｃｕ_２Ｏ又はＣｕＯの金属粉末を有機ビヒクルと混合するメタライズペーストを介在せしめて不活性ガス雰囲気中の１０６５〜１０８３℃で熱処理を行う接合層を有することを特徴とする電子部品収納用パッケージ。