JP2015015275A - セラミック回路基板、放熱器付セラミック回路基板、及びセラミック回路基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高電圧がかかる回路配線間の絶縁のために十分な沿面距離の確保が必要であり、セラミック回路基板の小型化が困難となっていた問題を解決し、小型で絶縁信頼性の高いセラミック回路基板を提供することを目的としている。
【解決手段】本発明のセラミック回路基板１は、セラミック基板２と、セラミック基板２に配置されると共に電子部品を接続する複数の金属配線３（３ａ、３ｂ）とを備え、セラミック基板２は、隣接する２つの金属配線３ａ、３ｂの間に、段差を有する絶縁部４を備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子部品を実装する金属回路パターンを有するセラミック回路基板に関するものである。

近年、電気自動車、電車、風力発電、太陽光発電、工作機械などの制御を行う制御部に、パワーデバイスと呼ばれる半導体素子が用いられる。複数個の半導体素子を回路基板上に実装して一つのパッケージにしたものや、複数個の半導体素子と、保護回路、制御回路などの付加回路とを回路基板上に実装して一つのパッケージにしたものは、パワーモジュールと呼ばれる。パワーモジュールはその用途から数千ボルトまでの高電圧と数千アンペアまでの大電流を取り扱い、素子の発熱量も大きいため、回路基板には高耐電圧、高耐熱特性、高熱伝導性が要求される。そこで回路基板の材質にはセラミックスが用いられる。

このように高電圧、大電流を扱う半導体素子は、例えば特許文献１に記載されたヒートシンク付セラミック回路基板に搭載される。特許文献１のヒートシンク付セラミック回路基板は、セラミック基板と、ＡｌＳｉＣ系複合材料により形成されたヒートシンクと、セラミック基板の両面にそれぞれ積層接着されたＡｌＳｉＣ系複合材料により形成された第１及び第２のアルミニウム板と、を備えている。このセラミック回路基板では第２のアルミニウム板をエッチングすることにより回路パターンを形成している。回路パターン上には、チップ状の半導体素子である半導体チップ等が搭載され、半導体チップ等から発生する熱は、セラミック基板、第１のアルミニウム板を介してヒートシンクの放熱フィンの表面から放散されるようになっている。

特開平１０-６５０７５号公報（０００４段、０００９段、図１）

特許文献１に示したヒートシンク付セラミック回路基板では、セラミック基板にアルミニウム板をはんだで接着し、このアルミニウム板をエッチングすることにより回路パターンを形成している。このように形成された回路パターン構造では、高電圧がかかる回路配線間の絶縁のために十分な沿面距離の確保が必要であり、セラミック回路基板の小型化が困難となる。さたに、特許文献１に示したヒートシンク付セラミック回路基板は、エッチング後におけるアルミニウム屑の除去が不十分な場合は、回路パターン上に搭載された半導体素子の絶縁破壊に至る恐れがある。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、小型で絶縁信頼性の高いセラミック回路基板を提供することを目的としている。

本発明のセラミック回路基板は、セラミック基板と、セラミック基板に配置されると共に電子部品を接続する複数の金属配線とを備え、セラミック基板は、隣接する２つの金属配線の間に、段差を有する絶縁部を備えたことを特徴とする。

本発明のセラミック回路基板によれば、隣接する２つの金属配線の間に、段差を有する絶縁部を備えたので、全体を大きくすることなく回路配線間の沿面距離を長くすることができ、絶縁信頼性の高いセラミック回路基板を得ることができる。

本発明の実施の形態１による放熱器付セラミック回路基板の断面模式図である。 図１のセラミック基板の断面模式図である。 本発明の実施の形態１によるセラミック回路基板の断面模式図である。 本発明の実施の形態２によるセラミック回路基板の断面模式図である。 本発明の実施の形態３による第１のセラミック回路基板の断面模式図である。 本発明の実施の形態３による第２のセラミック回路基板の断面模式図である。 本発明の実施の形態３による第３のセラミック回路基板の断面模式図である。 本発明の実施の形態４によるセラミック回路基板の製造過程を示す図である。 本発明の実施の形態４によるセラミック回路基板の要部を示す図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による放熱器付セラミック回路基板の断面模式図であり、図２は図１のセラミック基板の断面模式図である。図３は、本発明の実施の形態１によるセラミック回路基板の断面模式図である。放熱器付セラミック回路基板２０は、セラミック回路基板１と、金属ベース板５と、ヒートシンク１６とを備える。セラミック回路基板１は、セラミック基板２と、半導体チップ等の電子部品（図示せず）を接続する回路パターンを構成する金属配線３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄを備える。セラミック基板２は、電子部品を搭載する表面側に、金属配線３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄを配置する配線配置部９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄが設けられている。金属配線３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄは、配線配置部９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄに接合される。セラミック基板２の裏面側には、金属ベース板５が接合される。この金属ベース板５の他方の面、すなわち、セラミック基板２に接合される面と反対側の面には、ヒートシンク１６が取り付けられる。金属配線の符号は、総括的に３を用い、区別して説明する場合に３ａ乃至３ｄを用いる。配線配置部の符号は、総括的に９を用い、区別して説明する場合に９ａ乃至９ｄを用いる。

本発明のセラミック基板２は、電子部品が搭載される表面側に、隣接する金属配線３間を絶縁するための段差を有する絶縁部４が形成されていることを特徴としている。段差を有する絶縁部４は、多くの形状が考えられる。実施の形態１では、絶縁部４が凸形状（突起形状の一種）である例を説明する。図１、図２に示したセラミック基板２は、３つの絶縁部４ａ、４ｂ、４ｃと２つの外周部１０ａ、１０ｂを備えた例である。凸形状の絶縁部の符号は、総括的に４を用い、区別して説明する場合に４ａ乃至４ｃを用いる。図３に示すように、凸形状の絶縁部４は２つの側面１１ａ、１１ｂと上面１３を備える。絶縁部４は、隣接する配線配置部９ａと配線配置部９ｂとの間に設けれ、配線配置部９ａ、９ｂから絶縁部４の上面１３までの高さ、すなわち側面１１ａ、１１ｂの高さに相当する段差を有している。絶縁部４によって、隣接する金属配線３ａと金属配線３ｂとの沿面距離を長くすることができる。本発明のセラミック回路基板１は、セラミック基板２の絶縁部４によって、全体を大きくすることなく、隣接する回路配線である金属配線３間の沿面距離を長くすることができ、絶縁信頼性を高めることができる。

絶縁部４における２つの側面１１ａ、１１ｂの高さの合計は、隣接する金属配線３ａから金属配線３ｂまでの増加沿面距離である。絶縁部４がない場合の沿面距離は、金属配線３ａから側面１１ａまでの距離と、隣接する金属配線に挟まれた方向の上面１３の幅と、金属配線３ｂから側面１１ｂまでの距離との合計である。絶縁部４がある場合の沿面距離は、絶縁部４がない場合の沿面距離に、上記増加沿面距離が追加される。セラミック基板２を大型化することなく隣接配線間の沿面距離を長くするには、絶縁部４の高さ、すなわち絶縁部４の段差を大きくすればよい。

図２に示に示すように、絶縁部４ａは、２つの側面１１ａ、１１ｂと上面１３ａを備える。絶縁部４ｂは２つの側面１１ｃ、１１ｄと上面１３ｂを備え、絶縁部４ｃは２つの側面１１ｅ、１１ｆと上面１３ｃを備える。３つの絶縁部４ａ、４ｂ、４ｃの高さは、いずれも距離ｄ２である。セラミック基板２の厚さは距離ｄ１であり、４つの配線配置部９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄは、セラミック基板２の表面から距離ｄ２の深さに形成されている。外周部の符号は、総括的に１０を用い、区別して説明する場合に１０ａ、１０ｂを用いる。側面の符号は、総括的に１１を用い、区別して説明する場合に１１ａ乃至１１ｊを用いる。上面の符号は、総括的に１３を用い、区別して説明する場合に１３ａ乃至１３ｃを用いる。

セラミック基板２の裏面を基準にした、金属配線３を配置する配線配置部９の面の高さが、配線配置部９の周囲に位置する絶縁部４の高さよりも低い構造では、金属配線３をろう付けにより接着する際、セラミック基板２に形成された絶縁部４の側面１１が壁の役割を果たし、ろう材（図示せず）の漏洩を防ぐことができる。

セラミック基板２の基本となるセラミック構造体の成形方法としては、スプレードライヤーで造られた原料顆粒を機械プレスで圧粉成形する粉末プレス、原料顆粒をゴムのような弾性を有する型中に充填させ水中にて静水圧で成形するＣＩＰ成形、原料をスラリー化して石膏などの吸水性の有る多孔質材で作られた型中に鋳込む鋳込み成形、熱可塑性樹脂などに原料を分散させ加熱した状態で金型中に流し込む射出成形、可塑性樹脂に原料を分散させ粘土状に真空混錬したものを口金なる部材を経由して一軸方向に押し出す押出成形、原料をスラリー化してドクターブレードなるもので一定の厚さにキャリアシートに塗布し乾燥により固化させるテープ成形等、が挙げられる。絶縁部４を有するセラミック構造体を、比較的容易に多数個製作できる成形方法として射出成形が適している。実施の形態１では射出成形を用いたセラミック基板２の製造方法について説明する。

セラミック基板２の材料には、高絶縁抵抗、高熱伝導率、高強度、高耐熱、低熱膨張のセラミック材料が用いられる。この材料には、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化ケイ素、炭化ケイ素のセラミック材料のうち少なくとも１種類以上を含有していることが望ましい。窒化アルミニウムには、焼結助剤として酸化イットリウムを用いることが望ましく、酸化カルシウム及び酸化マグネシウムを用いても良い。射出成形で用いられる有機バインダーには、熱可塑性樹脂、ワックス、滑剤、可塑剤等が用いられる。

有機バインダーの熱可塑性樹脂には、ポリスチレン、ポリブチルメタクリレート、ポリオキシメチレン、ポリプロピレン、スチレン・アクリル共重合体、アモルファスポリオレフィン、エチレン・酢酸ビニル共重合体、エチレン・メチルアクリレート共重合体、エチレンエチルアクリレート共重合体、エチレン・ブチルアクリレート共重合体、エチレングリシジルメタクリレート共重合体より選ばれる少なくとも一種類以上からなる高分子化合物が用いられる。有機バインダーのワックス、滑剤、可塑剤には、脂肪酸エステル、脂肪酸アミド、高級脂肪酸、フタル酸エステル、アジピン酸エステル、パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス、ウレタン化ワックス、無水マレイン酸変性ワックスより
選ばれる１種類以上からなる有機化合物を用いる。特に熱可塑性樹脂では、ポリスチレン、ブチルメタクリレート、エチレン・酢酸ビニル共重合体又はエチレン・ブチルアクリレート共重合体が望ましく、ワックス、可塑剤、滑剤には、パラフィンワックス、脂肪酸アミド又はフタル酸エステルが望ましい。

有機バインダーの添加量は、セラミック材料に対して３５〜６０ｖｏｌ％が適している。セラミック材料と、熱可塑性樹脂、ワックス、滑剤、可塑剤とを混錬機にて加熱混錬し、材料をあらかじめ粒径５ｍｍ程度にペレット化しておくことが望ましい。

セラミック基板２は、例えば、縦、横及び厚さがそれぞれ６０ｍｍ、５５ｍｍ、２ｍｍとした。射出成形金型におけるゲートは、フィンゲートを採用し、セラミック基板２の横方向から材料が射出されるよう配置した。絶縁部４の高さは０．５ｍｍとし、絶縁部４の上面１３の幅は１ｍｍとした。絶縁部４を形成するために、射出成形金型に入れ子を配置した。入れ子は、絶縁部４の形状に応じて交換、再配置が可能であるため、１つの金型で複数の絶縁部４や多様な形状の絶縁部４を形成できる。絶縁部４の形状を変える際、新たに金型を作製しなくてもよいため型費の削減を図ることができる。

セラミック基板射出成形工程を、以下のように行う。射出成形機は、５０ｔ成形機を使用した。ペレット化した原料は、加熱シリンダ内で溶融され、ノズルから加熱された射出成形金型へ注入され、その後冷却、固化される。シリンダの加熱温度は１５０℃とし、成形時の金型温度は３５〜４０℃とした。材料の射出金型内への射出速度は２０〜１８０ｍｍ/ｓとし、２０〜４０ＭＰａの保圧力とした。

セラミック基板脱脂工程にて、射出成形により形成されたセラミック基板２に対して脱脂を行う。脱脂は、材料中に含まれる有機バインダーを熱分解または酸化により脱離する工程である。空気中または窒素雰囲気中で行い、炉内温度は５００℃以上とすることが望ましい。脱脂の際には、成形体の収縮が起きるため、急加熱、急冷却により割れが発生する恐れがある。本実施例では、加熱速度は１０℃／ｈｒとした。冷却は、炉内で自然冷却した。

セラミック基板焼成工程にて、セラミック基板２の焼成を、使用するセラミック材料に合わせて空気、窒素、アルゴン等のガス雰囲気下で行い、内部に連続気孔が残留しないように焼成温度を調整する。内部に連続気孔が残留するとセラミック基板の熱伝導率が悪くなり、十分な冷却効果が得られない。

回路パターン形成工程にて、セラミック基板２の絶縁部４に応じて、複数の金属配線３を有する回路パターンを形成する。回路パターンは、あらかじめ機械加工等により所定の板形状に加工された金属配線３を、セラミック基板２にろう付けすることにより形成される。スクリーン印刷機を用いて、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材（図示せず）を所定のパターン形状にセラミック基板２へ印刷する。８０℃で乾燥後、その上に所定のパターン形状に加工された金属配線３をのせ、真空炉にて６００〜６３０℃で加熱することにより、金属配線３をセラミック基板２の配線配置部９に接合する。金属配線３の材料は、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金を用いることが望ましい。

以上のように、セラミック基板射出成形工程、セラミック基板脱脂工程、セラミック基板焼成工程、回路パターン形成工程を実行して、セラミック回路基板１が製造される。放熱器付セラミック回路基板２０は、セラミック回路基板１に対して、金属ベース板接着工程と、放熱器取付け工程を実行して、製造される。金属ベース板接着工程にて、セラミック回路基板１におけるセラミック基板２の裏面に、金属ベース板５が接着される。金属ベース板５は、アルミニウム又はアルミニウム合金により形成される。セラミック基板２と金属ベース板５とを接着するには、例えば金属ベース板５上に、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材（図示せず）、セラミック基板２を重ねた状態で、真空炉にて６００〜６３０℃で加熱することにより接合する。

放熱器取付け工程にて、金属ベース板５と、放熱器であるヒートシンク１６とは、ねじ（図示せず）により接合する。ヒートシンク１６は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなり、真空または不活性ガス中で溶解して溶融体を得た後、溶融体を真空又は不活性ガス中で所定の形状の鋳型内に鋳込み、冷却固化することにより得られる。ヒートシンク１６は、板金加工により形成してもよい。パワーモジュール実動時の電子部品や回路には大電流が流れ、発熱が生じるため、ヒートシンク１６の周囲に空気や水などの冷媒を流通させることでセラミック回路基板１の冷却を行うことができる。

なお、放熱器付セラミック回路基板２０の製造は、セラミック基板焼成工程後に、金属ベース板接着工程を実行し、その後、回路パターン形成工程、放熱器取付け工程を実行してもよい。

以上のように実施の形態１のセラミック回路基板１によれば、セラミック基板２と、セラミック基板２に配置されると共に電子部品を接続する複数の金属配線３（３ａ、３ｂ）とを備え、セラミック基板２は、隣接する２つの金属配線３ａ、３ｂの間に、段差を有する絶縁部４を備えたので、セラミック基板２の絶縁部４によって、全体を大きくすることなく、隣接する回路配線である金属配線３間の沿面距離を長くすることができ、絶縁信頼性を高めることができる。

実施の形態１の放熱器付セラミック回路基板２０によれば、電子部品を搭載するセラミック回路基板１と、セラミック回路基板１における電子部品が搭載される表面と逆側に位置する裏面に接着された金属ベース板５と、金属ベース板５におけるセラミック回路基板１が接着された面と逆側に位置する裏面に取り付けられたヒートシンク１６とを備え、セラミック回路基板１は、セラミック基板２と、セラミック基板２に配置されると共に電子部品を接続する複数の金属配線３（３ａ、３ｂ）とを備え、セラミック基板２は、隣接する２つの金属配線３ａ、３ｂの間に、段差を有する絶縁部４を備えたので、セラミック基板２の絶縁部４によって、全体を大きくすることなく、隣接する回路配線である金属配線３間の沿面距離を長くすることができ、絶縁信頼性を高めることができ、装置全体を小型にすることができる。

実施の形態１のセラミック回路基板の製造方法によれば、セラミック材料を金型に射出してセラミック回路基板１の形状を有するセラミック体を形成するセラミック基板射出成形工程と、セラミック体に対して脱脂を行うセラミック基板脱脂工程と、セラミック基板脱脂工程が実施された後のセラミック体を焼成するセラミック基板焼成工程と、セラミック基板焼成工程が実施された後のセラミック体に、金属配線を形成する回路パターン形成工程と、を含み、セラミック回路基板１は、セラミック基板２と、セラミック基板２に配置されると共に電子部品を接続する複数の金属配線３（３ａ、３ｂ）とを備え、セラミック基板２は、隣接する２つの金属配線３ａ、３ｂの間に、段差を有する絶縁部４を備えたので、セラミック基板２の絶縁部４によって、全体を大きくすることなく、隣接する回路配線である金属配線３間の沿面距離を長くすることができ、絶縁信頼性を高めることができる。

実施の形態２．
実施の形態２では、テープ成形を用いて形成するセラミック基板２を説明する。図４は、本発明の実施の形態２によるセラミック回路基板の断面模式図である。実施の形態２のセラミック基板２は、複数のグリーンシートを用いて作成される。図４では、２つのグリーンシート１７、１８を用いて作成されたセラミック基板２を示した。グリーンシート１８から、３つの絶縁部４ａ、４ｂ、４ｃと、外周部１０ａ、１０ｂの上部が形成されている。まず、テープ成形について説明する。

テープ成形は、セラミック原料粉末と、分散媒やバインダーなどを混合した混合物を、一定の厚さのグリーンシートを作製する方法である。グリーンシートは、薄板状に成形したセラミックスの未焼成体である。グリーンシートは、前記混合物のスラリーを調整し、ドクターブレードなるもので一定の厚さにキャリアシートに塗布し、乾燥することより作成される。グリーンシートの厚みは数μｍから数ｍｍであり、支持体（キャリアシート）から剥離された後、所定の形状に加工することができる。絶縁部４を有する成形体を作製するには、所定の形状に加工されたグリーンシートを２枚以上積層、圧着することにより効率よく作製可能である。

以下、テープ成形によるセラミック基板２の製造方法を説明する。テープ成形によるセラミック基板２は、セラミック基板成形工程にて、実行される。グリーンシートの材料には、高熱伝導率、高強度、熱変形が極めて小さいセラミック材料が用いられる。この材料には、窒化アルミニウム、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化ケイ素、炭化ケイ素のセラミック材料のうち少なくとも１種類以上を含有していることが望ましい。窒化アルミニウムには、焼結助剤として酸化イットリウムを用いることが望ましく、酸化カルシウム及び酸化マグネシウムを用いても良い。

分散媒には、使用するセラミック材料に合わせて水、ブタノール、エタノール、プロパノール、メチルイソブチルケトン、トルエン、キシレンより選ばれる１種類以上からなる溶媒を用いる。バインダーには、アクリル系、セルロース系、ポリビニルアルコール系、ポリビニルアセタール系、ポリビニルブチラール系、ウレタン系、酢酸ビニル系より選ばれる１種類以上からなる有機バインダーを用いる。可塑剤には、フタル酸エステル系、脂肪酸エステル系、グリコール誘導体より選ばれる１種類以上からなる有機化合物を用いる。

有機バインダー量は、セラミック材料重量に対して８〜１４％が適している。テープ成形に関しては、一般的な方法により行う。グリーンシート１７、１８は、０．５〜１ｍｍに成形することが望ましい。グリーンシート１８は、パンチ又はマシニングセンタ加工により所定の形状に打ち抜かれる。加工されたグリーンシート１７と、平板状のグリーンシート１７を積層し、プレス又はホットプレスにより接着することで、セラミック基板２を形成する。グリーンシートの積層方法および積層枚数は、加工形状に応じて自由に応用可能である。例えば、図２に示したセラミック基板２は、２層積層型のセラミック基板であり、平板状の第一のグリーンシート１７と、平板状のグリーンシートから絶縁部の形成のために、パンチ又はマシニングセンタにより加工した第二のグリーンシート１８とを積層したものである。

テープ成形により形成されたセラミック基板２に対して、セラミック基板脱脂工程にて脱脂を行う。テープ成形に用いるバインダーは低温で分解するものが多いため、炉内温度は一般的に約４００℃以下である。セラミック基板焼成工程におけるセラミック基板２の焼成は、使用するセラミック材料に合わせて空気、窒素、アルゴン等のガス雰囲気下で行い、内部に連続気孔が残留しないように焼成温度を調整する。内部に連続気孔が残留するとセラミック基板の熱伝導率が悪くなり、十分な冷却効果が得られない。

実施の形態２のセラミック基板２を用いたセラミック回路基板１は、実施の形態１と同様に、セラミック基板２の絶縁部４によって、全体を大きくすることなく、隣接する回路配線である金属配線３間の沿面距離を長くすることができ、絶縁信頼性を高めることができる。

実施の形態３．
実施の形態１及び２のセラミック基板２は、凸形状の絶縁部４を備えた例で説明したが、絶縁部４の形状は凸形状に限定されるものではない。図５は本発明の実施の形態３による第１のセラミック回路基板の断面模式図であり、図６は本発明の実施の形態３による第２のセラミック回路基板の断面模式図である。図７は本発明の実施の形態３による第３のセラミック回路基板の断面模式図である。図５は凹形状（穴形状の一種）の絶縁部６を備えたセラミック基板２の例であり、図６は１つの段差を有する絶縁部７を備えたセラミック基板２の例である。図７は、凸形状と凹形状とが複合した突起穴複合形状の絶縁部８を備えたセラミック基板２の例である。

図５に示したセラミック回路基板１は、そのセラミック基板２に３つの凹形状の絶縁部６ａ、６ｂ、６ｃを備えている。凹形状の絶縁部６ａは、２つの側面１１ａ、１１ｂと底面１２ａを備える。凹形状の絶縁部６ｂは、２つの側面１１ｃ、１１ｄと底面１２ｂを備え、凹形状の絶縁部６ｃは、２つの側面１１ｅ、１１ｆと底面１２ｃを備える。絶縁部４ａは、隣接する配線配置部９ａと配線配置部９ｂとの間に設けられている。配線配置部９ａには金属配線３ａが接合され、配線配置部９ｂには金属配線３ｂが接合されている。図５では、凹形状の絶縁部６ｂは、配線配置部９ａと外周部１０ａとの間に設けられ、凹形状の絶縁部６ｃは、配線配置部９ｂと外周部１０ｂとの間に設けられている。図５に示したセラミック回路基板１は、裏面を基準にした配線配置部９の高さが、絶縁部６の底面１２の高さよりも高い例である。なお、図３に示したセラミック回路基板１は、裏面を基準にした配線配置部９の高さが、絶縁部４の上面１３の高さよりも低い例である。底面の符号は、総括的に１２を用い、区別して説明する場合に１２ａ乃至１２ｃを用いる。凹形状の絶縁部の符号は、総括的に６を用い、区別して説明する場合に６ａ乃至６ｃを用いる。

凹形状の絶縁部６ａは、絶縁部６ａの底面１２ａから配線配置部９ａ、９ｂまでの高さ、すなわち側面１１ａ、１１ｂの高さに相当する段差を有している。凹形状の絶縁部６ａによって、隣接する金属配線３ａと金属配線３ｂとの沿面距離を長くすることができる。実施の形態３の第１のセラミック回路基板１は、セラミック基板２の凹形状の絶縁部６ａによって、全体を大きくすることなく、隣接する回路配線である金属配線３ａ、３ｂ間の沿面距離を長くすることができ、絶縁信頼性を高めることができる。

図６に示したセラミック回路基板１は、そのセラミック基板２に１つの段差を有する絶縁部７ａ、７ｂを備えている。絶縁部７ａは、段差を形成する側面１１ａを備える。絶縁部７ｂは、段差を形成する側面１１ｂを備える。絶縁部７ａは、隣接する配線配置部９ａと配線配置部９ｂとの間に設けられている。絶縁部７ｂは、隣接する配線配置部９ｂと配線配置部９ｃとの間に設けられている。配線配置部９ａには金属配線３ａが接合され、配線配置部９ｂには金属配線３ｂが接合され、配線配置部９ｃには金属配線３ｃが接合されている。図６に示したセラミック回路基板１は、隣接する金属配線３の高さ、又は隣接する配線配置部９の高さが異なる例でもある。１つの段差を有する絶縁部の符号は、総括的に７を用い、区別して説明する場合に７ａ、７ｂを用いる。

絶縁部７ａは、配線配置部９ａから配線配置部９ｂまでの高さ、すなわち側面１１ａの高さに相当する段差を有している。同様に、絶縁部４ｂは、配線配置部９ｃから配線配置部９ｂまでの高さ、すなわち側面１１ｂの高さに相当する段差を有している。１つの段差を有する絶縁部７ａによって、隣接する金属配線３ａと金属配線３ｂとの沿面距離を長くすることができる。同様に、１つの段差を有する絶縁部７ｂによって、隣接する金属配線３ｃと金属配線３ｂとの沿面距離を長くすることができる。実施の形態３の第２のセラミック回路基板１は、セラミック基板２の１つの段差を有する絶縁部７ａ、７ｂによって、全体を大きくすることなく、隣接する回路配線である金属配線３ａ、３ｂ間や、金属配線３ｂ、３ｃ間の沿面距離を長くすることができ、絶縁信頼性を高めることができる。

図７に示したセラミック回路基板１は、そのセラミック基板２に３つの突起穴複合形状の絶縁部８ａ、８ｂ、８ｃを備えている。突起穴複合形状の絶縁部８ａは、４つの側面１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄと、底面１２ａと、２つの上面１３ａ、１３ｂを備える。突起穴複合形状の絶縁部８ｂは、３つの側面１１ｅ、１１ｆ、１１ｇと、底面１２ｂと、上面１３ｃを備える。突起穴複合形状の絶縁部８ｃは、３つの側面１１ｈ、１１ｉ、１１ｊと、底面１２ｃと、上面１３ｄを備える。絶縁部８ａは、隣接する配線配置部９ａと配線配置部９ｂとの間に設けられている。配線配置部９ａには金属配線３ａが接合され、配線配置部９ｂには金属配線３ｂが接合されている。図７では、突起穴複合形状の絶縁部８ｂは、配線配置部９ａと外周部１０ａとの間に設けられ、突起穴複合形状の絶縁部８ｃは、配線配置部９ｂと外周部１０ｂとの間に設けられている。図７に示したセラミック回路基板１は、裏面を基準にした配線配置部９の高さが、絶縁部８の底面１２の高さよりも高く、かつ上面１３の高さよりも低い例である。突起穴複合形状の絶縁部の符号は、総括的に８を用い、区別して説明する場合に８ａ乃至８ｃを用いる。

突起穴複合形状の絶縁部８ａは、絶縁部８ａの底面１２ａから上面１３ａ、１３ｂまでの高さ、すなわち側面１１ｂ、１１ｃの高さに相当する段差と、上面１３ａから配線配置部９ａまでの高さ、すなわち側面１１ａの高さに相当する段差と、上面１３ｂから配線配置部９ｂまでの高さ、すなわち側面１１ｄの高さに相当する段差とを有している。突起穴複合形状の絶縁部８ａによって、隣接する金属配線３ａと金属配線３ｂとの沿面距離を長くすることができる。実施の形態３の第３のセラミック回路基板１は、セラミック基板２の突起穴複合形状の絶縁部８ａによって、全体を大きくすることなく、隣接する回路配線である金属配線３ａ、３ｂ間の沿面距離を長くすることができ、絶縁信頼性を高めることができる。

実施の形態１で説明したように、セラミック基板２の裏面を基準にした、金属配線３を配置する配線配置部９の面の高さが、配線配置部９の周囲に位置する絶縁部４の高さよりも低い構造では、金属配線３をろう付けにより接着する際、セラミック基板２に形成された絶縁部４の側面１１が壁の役割を果たし、ろう材（図示せず）の漏洩を防ぐことができる。図７に示した絶縁部８の場合もこれと同様である。また、図６に示した絶縁部７の場合、すなわち隣接する配線配置部９間の高さが異なる場合も、金属配線３をろう付けにより接着する際、絶縁部７の側面１１が壁の役割を果たし、ろう材（図示せず）の漏洩を防ぐことができる。

絶縁部４、６、７、８のように、その形状を変更する場合、例えば、射出成形法では射出成形金型の入れ子を絶縁部４、６、７、８の形状に応じて交換、再配置するだけでよいので、容易に変更可能である。テープ成形法であってもグリーンシートの加工の際、マシニングセンタのプログラムを変更するだけでよいので、容易に絶縁部４、６、７、８の形状を変更可能である。

実施の形態４．
実施の形態１乃至３では、金属回路パターンを金属配線３がセラミック基板２にろう付けされることにより接合、形成したが、金属配線３をセラミック基板２に溶融接合することも可能である。

図８は本発明の実施の形態４によるセラミック回路基板の製造過程を示す図であり、図９は本発明の実施の形態４によるセラミック回路基板の要部を示す図である。図８のように、射出成形又はテープ成形により形成された絶縁部４ａ、４ｂに、箔状の金属配線部材
１５であるアルミニウム又はアルミニウム合金を配置する。その後、真空又は不活性ガス中で７００℃以上に加熱することで、金属配線部材１５は溶融し、冷却固化することにより、図９のようにセラミック基板２へ金属配線３が接合される。

図３、図６、図７、図８のように、セラミック基板２の裏面を基準にした、金属配線３を配置する配線配置部９の面の高さが、配線配置部９の周囲に位置する絶縁部（図３、８の絶縁部４、図６の絶縁部７、図７の絶縁部８）や外周部１０の高さよりも低い構造にすると、溶融した金属配線部材１５の漏洩を防ぐことができる。また、図８のような配線配置部９と側面１１ａ、１１ｂで形成される空間の容積や、外周部１０の側面と絶縁部４の側面１１と配線配置部９で形成される空間の容積よりも金属配線部材１５が過剰となった場合でも、過剰分を機械加工により研削することにより、余分な金属配線部材１５を削除可能である。

また、金属配線部材１５に、アルミニウム粉末や、アルミニウム含有ペーストを用いた場合でも、同様にセラミック基板２へ金属配線３を接合することができる。アルミニウム粉末を使用した場合は、より細かい金属配線３を形成でき、より細かい回路パターンを形成できる。アルミニウム粉末は、射出成形又はテープ成形により形成された絶縁部４の側面１１で囲まれた配線配置部９や、絶縁部４の側面１１と外周部１０で囲まれた配線配置部９に所定量充填する。このとき形成する絶縁部４は、金属配線３が形成される配線配置部９が凹形状の底になるように、すなわち上記のように、絶縁部４の側面１１や外周部１０の側面により囲まれるように形成しておくことが必要である。アルミニウム粉末は、真空または不活性ガス中で７００℃以上に加熱することで溶融し、冷却固化することによりセラミック基板２へ接合される。

実施の形態４のセラミック回路基板１は、実施の形態１と同様に、セラミック基板２の凸形状の絶縁部４によって、全体を大きくすることなく、隣接する回路配線である金属配線３間の沿面距離を長くすることができ、絶縁信頼性を高めることができる。

実施の形態４のセラミック回路基板１は、回路パターンを構成する金属配線３とセラミック基板２を直接接合することで、金属配線３とセラミック基板２間のろう材層をなくすことができる。実施の形態４のセラミック回路基板１は、金属配線３とセラミック基板２間のろう材層をなくすことができるので、セラミック基板２と金属配線３との熱伝導率が上がり、放熱性が向上する。また、実施の形態４のセラミック回路基板１は、ろう付け工程（はんだ付け工程）をなくすことができ、工数及びコストを削減することができる。

なお、上記の溶融接合方法を、凸形状の絶縁部４を備えたセラミック基板２に適用する例で説明したが、図７の突起穴複合形状の絶縁部８を備えたセラミック基板２や、図６の１つの段差を有する絶縁部７を備えたセラミック基板２における配線配置部９ａ、９ｃの金属配線３にも適用できる。

なお、本発明のセラミック回路基板１は、大電流が流れ、発熱量も大きい半導体素子を搭載するのに適したものである。半導体素子は、シリコンウエハを基材とした一般的な素子でもよいが、本発明においては炭化ケイ素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料、またはダイヤモンドといったシリコンと較べてバンドギャップが広い、いわゆるワイドバンドギャップ半導体材料を適用できる。半導体素子のデバイス種類としては、特に限定する必要はないが、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect-Transistor）のようなスイッチング素子や、ダイオードのような整流素子を搭載することができる。例えば、スイッチング素子や整流素子として機能する半導体素子に、炭化ケイ素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）系材料又はダイヤモンドを用いた場合、従来から用いられてきたシリコン（Ｓｉ）で形成された素子よりも電力損失が低いため、半導体素子を搭載した半導体装置の高効率化が可能となる。また、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、ワイドバンドギャップ半導体材料を適用した半導体素子（ワイドバンドギャップ半導体素子）を搭載するセラミック回路基板１を小型化することが可能となる。さらに、ワイドバンドギャップ半導体素子は、耐熱性が高いので、高温動作が可能であり、ヒートシンク１６の小型化や、水冷部の空冷化も可能となるので、ヒートシンク１６を備えた放熱器付セラミック回路基板２０の一層の小型化が可能になる。

また、突起形状の一例として凸形状で説明したが、上面１３がない形状や、側面１１が平らでない形状等であってもよい。穴形状の一例として凹形状で説明したが、底面１２がない形状や、側面１１が平らでない形状等であってもよい。本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１…セラミック回路基板、２…セラミック基板、３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ…金属配線、４、４ａ、４ｂ、４ｃ…絶縁部、５…金属ベース板、６、６ａ、６ｂ、６ｃ…絶縁部、７、７ａ、７ｂ…絶縁部、８、８ａ、８ｂ、８ｃ…絶縁部、９、９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ…配線配置部、１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、１１ｆ、１１ｇ、１１ｈ、１１ｉ、１１ｊ…側面、１５…金属配線部材、１６…ヒートシンク、１７…グリーンシート、１８…グリーンシート、２０…放熱器付セラミック回路基板。

Claims (14)

1. 電子部品を搭載するセラミック回路基板であって、
   セラミック基板と、前記セラミック基板に配置されると共に前記電子部品を接続する複数の金属配線とを備え、
   前記セラミック基板は、隣接する２つの前記金属配線の間に、段差を有する絶縁部を備えたことを特徴とするセラミック回路基板。
2. 前記絶縁部は、前記金属配線が配置された配線配置部よりも高い突起形状を有することを特徴とする請求項１記載のセラミック回路基板。
3. 前記セラミック基板は、互いに異なる高さに設けられた、前記金属配線が配置された配線配置部を備え、
   前記絶縁部は、高い側の前記配線配置部と低い側の前記配線配置部との間に配置された側面を有することを特徴とする請求項１記載のセラミック回路基板。
4. 前記絶縁部の上部よりも低い位置に設けられた前記配線配置部に配置された前記金属配線は、溶融接合により接合されたことを特徴とする請求項２または３に記載のセラミック回路基板。
5. 前記金属配線は、アルミニウム又はアルミニウム合金であることを特徴とする請求項４記載のセラミック回路基板。
6. 前記絶縁部は、前記金属配線が配置された配線配置部よりも低い穴形状を有することを特徴とする請求項１記載のセラミック回路基板。
7. 前記セラミック基板は、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、窒化ケイ素の内、少なくとも１種類以上を含有していることを特徴とする請求項１乃至３、及び６のいずれか１項に記載のセラミック回路基板。
8. 前記セラミック基板は、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、窒化ケイ素の内、少なくとも１種類以上を含有していることを特徴とする請求項４または５に記載のセラミック回路基板。
9. 前記セラミック基板は、セラミック材料を射出成形により成形されたセラミック基板体であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のセラミック回路基板。
10. 電子部品を搭載するセラミック回路基板と、
    前記セラミック回路基板における前記電子部品が搭載される表面と逆側に位置する裏面に接着された金属ベース板と、
    前記金属ベース板における前記セラミック回路基板が接着された面と逆側に位置する裏面に取り付けられたヒートシンクとを備え、
    前記セラミック回路基板は、請求項１乃至９のいずれか１項に記載のセラミック回路基板であることを特徴とする放熱器付セラミック回路基板。
11. 請求項９記載のセラミック回路基板を製造するセラミック回路基板の製造方法であって、
    セラミック材料を金型に射出して前記セラミック回路基板の形状を有するセラミック体を形成するセラミック基板射出成形工程と、
    前記セラミック体に対して脱脂を行うセラミック基板脱脂工程と、
    前記セラミック基板脱脂工程が実施された後の前記セラミック体を焼成するセラミック基板焼成工程と、
    前記セラミック基板焼成工程が実施された後の前記セラミック体に、前記金属配線を形成する回路パターン形成工程と、を含むことを特徴とする回路基板の製造方法。
12. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載のセラミック回路基板を製造するセラミック回路基板の製造方法であって、
    平板状のセラミック材料のグリーンシートと、前記絶縁部及び前記金属配線を配置する配線配置部の形状に応じて加工されたセラミック材料のグリーンシートとを積層し、前記セラミック回路基板の形状を有するセラミック体を形成するセラミック基板成形工程と、
    前記セラミック体に対して脱脂を行うセラミック基板脱脂工程と、
    前記セラミック基板脱脂工程が実施された後の前記セラミック体を焼成するセラミック基板焼成工程と、
    前記セラミック基板焼成工程が実施された後の前記セラミック体に、前記金属配線を形成する回路パターン形成工程と、を含むことを特徴とする回路基板の製造方法。
13. 請求項４、５、８のいずれか１項に記載のセラミック回路基板を製造するセラミック回路基板の製造方法であって、
    セラミック材料を金型に射出して前記セラミック回路基板の形状を有するセラミック体を形成するセラミック基板射出成形工程と、
    前記セラミック体に対して脱脂を行うセラミック基板脱脂工程と、
    前記セラミック基板脱脂工程が実施された後の前記セラミック体を焼成するセラミック基板焼成工程と、
    前記セラミック基板焼成工程が実施された後の前記セラミック体に、前記金属配線を形成する回路パターン形成工程と、を含み、
    前記回路パターン形成工程は、金属箔状、金属粉末状、金属含有ペースト状のいずれかで構成された金属配線部材を溶融して、前記金属配線を形成することを特徴とする回路基板の製造方法。
14. 請求項４、５、８のいずれか１項に記載のセラミック回路基板を製造するセラミック回路基板の製造方法であって、
    平板状のセラミック材料のグリーンシートと、前記絶縁部及び前記金属配線を配置する配線配置部の形状に応じて加工されたセラミック材料のグリーンシートとを積層し、前記セラミック回路基板の形状を有するセラミック体を形成するセラミック基板成形工程と、
    前記セラミック体に対して脱脂を行うセラミック基板脱脂工程と、
    前記セラミック基板脱脂工程が実施された後の前記セラミック体を焼成するセラミック基板焼成工程と、
    前記セラミック基板焼成工程が実施された後の前記セラミック体に、前記金属配線を形成する回路パターン形成工程と、を含み、
    前記回路パターン形成工程は、金属箔状、金属粉末状、金属含有ペースト状のいずれかで構成された金属配線部材を溶融して、前記金属配線を形成することを特徴とする回路基板の製造方法。