JP2018006774A - Ceramic circuit board, ceramic circuit board with radiator, and method of manufacturing ceramic circuit board - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a ceramic circuit board having a metal circuit pattern for mounting electronic components.
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。 In recent years, a semiconductor element called a power device is used in a control unit that controls an electric vehicle, a train, wind power generation, solar power generation, a machine tool, and the like. A plurality of semiconductor elements mounted on a circuit board into a single package, or a plurality of semiconductor elements and additional circuits such as a protection circuit and a control circuit are mounted on a circuit board into a single package. This is called a power module. Because power modules handle high voltages up to thousands of volts and large currents up to thousands of amperes, and the amount of heat generated by the elements is large, circuit boards are required to have high withstand voltage, high heat resistance, and high thermal conductivity. The Therefore, ceramics is used as the material for the circuit board.
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。
Thus, the semiconductor element which handles a high voltage and a large current is mounted on a ceramic circuit board with a heat sink described in
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。
In the ceramic circuit board with a heat sink shown in
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。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a ceramic circuit board that is small and has high insulation reliability.
本発明のセラミック回路基板は、複数の配線配置部を有するセラミック基板と、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ている。絶縁部は、底面と、隣接する2つの金属配線のうち一方の金属配線側に位置する第一の上面と、隣接する2つの金属配線のうち他方の金属配線側に位置する第二の上面と、一方の金属配線が設けられた配線配置部と第一の上面との間に位置する第一の側面と、第一の上面と底面との間に位置する第二の側面と、底面と第二の上面との間に位置する第三の側面と、他方の金属配線が設けられた配線配置部と第二の上面との間に位置する第四の側面とを有し、隣接する2つの金属配線が配置された配線配置部のそれぞれの高さは、底面の高さよりも高く、かつ第一の上面及び第二の上面の高さよりも低く、一方の金属配線から第一の側面までの距離、並びに第一の上面、底面、及び前第二の上面の幅、並びに第一の側面、第二の側面、第三の側面、及び第四の側面の高さ、並びに他方の金属配線から第四の側面までの距離の合計は、隣接する2つの金属配線の間の絶縁のために必要とされる沿面距離以上である。 The ceramic circuit board of the present invention includes a ceramic substrate having a plurality of wiring arrangement portions, and a plurality of metal wirings arranged on the ceramic substrate and connecting electronic components, and the ceramic substrate includes two adjacent metal wirings. An insulating part having a step is provided between them. The insulating portion includes a bottom surface, a first top surface located on one metal wiring side of two adjacent metal wirings, and a second top surface located on the other metal wiring side among the two adjacent metal wirings. , A first side surface located between the wiring arrangement portion provided with one metal wiring and the first upper surface, a second side surface located between the first upper surface and the bottom surface, a bottom surface and the first A third side surface located between the two upper surfaces, and a fourth side surface located between the wiring arrangement portion provided with the other metal wiring and the second upper surface, and adjacent two Each height of the wiring arrangement portion where the metal wiring is arranged is higher than the height of the bottom surface and lower than the height of the first upper surface and the second upper surface, and from one metal wiring to the first side surface. Distance and width of first top surface, bottom surface, and front second top surface, and first side surface, second side surface, third side surface And the height of the fourth aspect, as well as the sum of the distances from the other metal wire to the fourth aspect is creeping distance than is necessary for the insulation between the two adjacent metal wires.
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、絶縁部が第一の側面、第一の上面、第二の側面、底面、第三の側面、第二の上面、第四の側面を有しており、絶縁部を介した隣接する2つの金属配線の間の沿面距離が当該2つの金属配線の間の絶縁のために必要とされる沿面距離以上であるので、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。 According to the ceramic circuit board of the present invention, an insulating portion having a step is provided between two adjacent metal wirings, and the insulating portion is a first side surface, a first top surface, a second side surface, a bottom surface, a third surface. A creeping distance between two adjacent metal wirings through an insulating portion is required for insulation between the two metal wirings. Therefore, the creepage distance between the circuit wirings can be increased without increasing the overall distance, and a ceramic circuit board with high insulation reliability can be obtained.
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。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a ceramic circuit board with a radiator according to
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。
The
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。
The total height of the two
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。
As shown in FIG. 2, the
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。
In a structure in which the height of the surface of the
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。
As a method for forming the ceramic structure which is the basis of the
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。
As the material of the
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。 Thermoplastic resins for organic binders include polystyrene, polybutyl methacrylate, polyoxymethylene, polypropylene, styrene / acrylic copolymer, amorphous polyolefin, ethylene / vinyl acetate copolymer, ethylene / methyl acrylate copolymer, ethylene ethyl acrylate A polymer compound consisting of at least one selected from a copolymer, an ethylene / butyl acrylate copolymer, and an ethylene glycidyl methacrylate copolymer is used. The organic binder wax, lubricant, and plasticizer are one type selected from fatty acid ester, fatty acid amide, higher fatty acid, phthalic acid ester, adipic acid ester, paraffin wax, microcrystalline wax, urethanized wax, and maleic anhydride modified wax. The organic compound consisting of the above is used. Particularly for thermoplastic resins, polystyrene, butyl methacrylate, ethylene / vinyl acetate copolymer or ethylene / butyl acrylate copolymer are desirable, and for wax, plasticizer and lubricant, paraffin wax, fatty acid amide or phthalic acid ester is desirable.
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。 The addition amount of the organic binder is suitably 35 to 60 vol% with respect to the ceramic material. It is desirable that the ceramic material and the thermoplastic resin, wax, lubricant, and plasticizer are kneaded with a kneader to pelletize the material to a particle size of about 5 mm in advance.
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。
The
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。 The ceramic substrate injection molding process is performed as follows. As the injection molding machine, a 50t molding machine was used. The pelletized raw material is melted in a heating cylinder, injected from a nozzle into a heated injection mold, and then cooled and solidified. The heating temperature of the cylinder was 150 ° C., and the mold temperature during molding was 35-40 ° C. The injection speed of the material into the injection mold was 20 to 180 mm / s, and the holding pressure was 20 to 40 MPa.
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。
In the ceramic substrate degreasing step, the
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。
In the ceramic substrate firing step, the
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。
In the circuit pattern forming step, a circuit pattern having a plurality of
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。
As described above, the
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。
In the radiator mounting step, the
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。
In addition, manufacture of the
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。
As described above, according to the
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。
According to the
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。
According to the method for manufacturing a ceramic circuit board of the first embodiment, a ceramic substrate injection molding process for forming a ceramic body having the shape of the
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。
In the second embodiment, a
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。
Tape forming is a method for producing a green sheet having a certain thickness from a mixture of ceramic raw material powder, a dispersion medium, a binder and the like. The green sheet is an unfired ceramic body formed into a thin plate shape. The green sheet is prepared by adjusting the slurry of the mixture, applying a doctor blade to the carrier sheet to a certain thickness, and drying. The green sheet has a thickness of several μm to several mm, and can be processed into a predetermined shape after being peeled off from the support (carrier sheet). In order to produce a molded body having the insulating
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。
Hereinafter, a method for manufacturing the
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。 As the dispersion medium, a solvent composed of one or more selected from water, butanol, ethanol, propanol, methyl isobutyl ketone, toluene, and xylene is used according to the ceramic material to be used. As the binder, an organic binder composed of one or more selected from acrylic, cellulose, polyvinyl alcohol, polyvinyl acetal, polyvinyl butyral, urethane, and vinyl acetate is used. As the plasticizer, one or more organic compounds selected from phthalate esters, fatty acid esters, and glycol derivatives are used.
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。
The amount of the organic binder is suitably 8 to 14% based on the weight of the ceramic material. The tape molding is performed by a general method. The
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。
The
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。
Similarly to the first embodiment, the
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。
Although the
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。
The
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。
The concave insulating
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。
The
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。
The insulating
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。
The
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。
The insulating
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。
As described in the first embodiment, the height of the surface of the
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。
When changing the shape of the insulating
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。
In the first to third embodiments, the metal circuit pattern is bonded and formed by brazing the
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。
FIG. 8 is a diagram showing a manufacturing process of the ceramic circuit board according to the fourth embodiment of the present invention, and FIG. 9 is a diagram showing a main part of the ceramic circuit board according to the fourth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 8, aluminum or aluminum alloy, which is a foil-like
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。
As shown in FIGS. 3, 6, 7, and 8, the height of the surface of the
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。
Further, even when aluminum powder or an aluminum-containing paste is used for the
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。
Similarly to the first embodiment, the
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。
In the
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。
Although the above-described fusion bonding method has been described in the example of applying to the
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。
The
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。
Moreover, although the convex shape has been described as an example of the protrusion shape, a shape without the
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。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
複数の配線配置部を有するセラミック基板と、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、
前記絶縁部は、底面と、前記隣接する2つの前記金属配線のうち一方の金属配線側に位置する第一の上面と、前記隣接する2つの前記金属配線のうち他方の金属配線側に位置する第二の上面と、前記一方の金属配線が設けられた前記配線配置部と前記第一の上面との間に位置する第一の側面と、前記第一の上面と前記底面との間に位置する第二の側面と、前記底面と前記第二の上面との間に位置する第三の側面と、前記他方の金属配線が設けられた前記配線配置部と前記第二の上面との間に位置する第四の側面とを有し、
前記隣接する2つの前記金属配線が配置された前記配線配置部のそれぞれの高さは、前記底面の高さよりも高く、かつ前記第一の上面及び前記第二の上面の高さよりも低く、
前記一方の金属配線から前記第一の側面までの距離、並びに前記第一の上面、前記底面、及び前第二の上面の幅、並びに前記第一の側面、前記第二の側面、前記第三の側面、及び前記第四の側面の高さ、並びに前記他方の金属配線から前記第四の側面までの距離の合計は、前記隣接する2つの前記金属配線の間の絶縁のために必要とされる沿面距離以上であることを特徴とするセラミック回路基板。 A ceramic circuit board on which electronic components are mounted,
A ceramic substrate having a plurality of wiring arrangement portions, and a plurality of metal wirings arranged on the ceramic substrate and connecting the electronic components,
The ceramic substrate includes an insulating portion having a step between two adjacent metal wirings,
The insulating portion is located on a bottom surface, a first upper surface located on one metal wiring side of the two adjacent metal wirings, and on the other metal wiring side of the two adjacent metal wirings. Positioned between a second upper surface, a first side surface located between the wiring placement portion provided with the one metal wiring and the first upper surface, and between the first upper surface and the bottom surface A second side surface, a third side surface located between the bottom surface and the second top surface, and the wiring placement portion provided with the other metal wiring and the second top surface. Having a fourth side located,
The height of each of the wiring placement portions where the two adjacent metal wirings are placed is higher than the height of the bottom surface and lower than the heights of the first top surface and the second top surface,
The distance from the one metal wiring to the first side surface, the width of the first top surface, the bottom surface, and the front second top surface, and the first side surface, the second side surface, and the third surface And the sum of the distance from the other metal wiring to the fourth side is required for insulation between the two adjacent metal wirings. A ceramic circuit board characterized by having a creepage distance greater than that.
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から3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。 A ceramic circuit board on which electronic components are mounted;
A metal base plate bonded to the back surface of the ceramic circuit board on the side opposite to the surface on which the electronic component is mounted;
A heat sink attached to the back surface located on the opposite side of the surface to which the ceramic circuit board is bonded in the metal base plate;
The ceramic circuit board according to claim 1, wherein the ceramic circuit board is a ceramic circuit board according to claim 1.
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セラミック回路基板の製造方法。 A method for manufacturing a ceramic circuit board for manufacturing the ceramic circuit board according to any one of claims 1 to 3,
A ceramic substrate injection molding step of injecting a ceramic material into a mold to form a ceramic body having the shape of the ceramic circuit board;
A ceramic substrate degreasing step for degreasing the ceramic body;
A ceramic substrate firing step of firing the ceramic body after the ceramic substrate degreasing step is performed;
A circuit pattern forming step for forming the metal wiring on the ceramic body after the ceramic substrate firing step is performed.
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前記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セラミック回路基板の製造方法。 A method for manufacturing a ceramic circuit board for manufacturing the ceramic circuit board according to any one of claims 1 to 3,
A green sheet of flat ceramic material and a green sheet of ceramic material processed according to the shape of the wiring arrangement part for arranging the insulating part and the metal wiring are laminated to have the shape of the ceramic circuit board. A ceramic substrate forming process for forming a ceramic body;
A ceramic substrate degreasing step for degreasing the ceramic body;
A ceramic substrate firing step of firing the ceramic body after the ceramic substrate degreasing step is performed;
A circuit pattern forming step for forming the metal wiring on the ceramic body after the ceramic substrate firing step is performed.
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セラミック回路基板の製造方法。 A method for manufacturing a ceramic circuit board for manufacturing the ceramic circuit board according to any one of claims 1 to 3,
A ceramic substrate injection molding step of injecting a ceramic material into a mold to form a ceramic body having the shape of the ceramic circuit board;
A ceramic substrate degreasing step for degreasing the ceramic body;
A ceramic substrate firing step of firing the ceramic body after the ceramic substrate degreasing step is performed;
A circuit pattern forming step for forming the metal wiring in the ceramic body after the ceramic substrate firing step is performed,
The circuit pattern formation step includes forming a metal wiring by melting a metal wiring member configured in any of a metal foil shape, a metal powder shape, and a metal-containing paste shape, thereby manufacturing the ceramic circuit board Method.
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前記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セラミック回路基板の製造方法。 A method for manufacturing a ceramic circuit board for manufacturing the ceramic circuit board according to any one of claims 1 to 3,
A green sheet of flat ceramic material and a green sheet of ceramic material processed according to the shape of the wiring arrangement part for arranging the insulating part and the metal wiring are laminated to have the shape of the ceramic circuit board. A ceramic substrate forming process for forming a ceramic body;
A ceramic substrate degreasing step for degreasing the ceramic body;
A ceramic substrate firing step of firing the ceramic body after the ceramic substrate degreasing step is performed;
A circuit pattern forming step for forming the metal wiring in the ceramic body after the ceramic substrate firing step is performed,
The circuit pattern formation step includes forming a metal wiring by melting a metal wiring member configured in any of a metal foil shape, a metal powder shape, and a metal-containing paste shape, thereby manufacturing the ceramic circuit board Method.
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