JP2023147241A - セラミックス基板 - Google Patents

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Abstract

【課題】放熱板および回路板のいずれか一方を厚くしても反りを抑制することが可能なセラミックス基板を提供する。
【解決手段】平板状のセラミックスからなる絶縁基材２と、絶縁基材の第１の主面２ａに設けられた第１のろう材層３１と、絶縁基材の第２の主面２ｂに設けられた第２のろう材層３２と、第１のろう材層を介して絶縁基材の第１の主面側に固定された金属からなる回路板４１と、第２のろう材層を介して絶縁基材の第２の主面側に固定された金属からなる放熱板４２とを備えるセラミックス基板１において、放熱板の厚みは、回路板の厚みよりも厚く、放熱板の厚みが０．６ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であり、第１のろう材層の厚みが前記第２のろう材層よりも厚い。
【選択図】図１

Description

本発明は、セラミックス基板に関する。
従来、例えばパワーモジュール等の発熱量が多い電気回路部品を搭載する基板として、耐熱性が高いセラミックス製の基材を有するセラミックス基板が用いられている。特許文献１に記載のセラミックス回路基板は、表面に金属からなる回路板がろう付けされ、裏面に金属からなる放熱板がろう付けされている。回路板は、放熱板よりも厚く形成され、エッチングによって回路パターンが形成されている。
特開２００３－３０９２１０号公報
近年では、例えば自動車の駆動源としても電動モータが広く用いられるようになっており、電動モータに駆動電流を供給するためのインバータ用のパワートランジスタの大容量化も進んでいる。このようなパワートランジスタが実装されるセラミックス基板には、従来にも増して高い放熱性が要求される。放熱性を向上させるために、例えばセラミックス基板の放熱板の厚みを厚くして熱伝導性を高めることが考えられる。しかし、単に放熱板を厚くして、放熱板を回路板よりも厚くすると、セラミックス基板の製造時において反りが発生してしまう場合があった。また、回路板に流す電流を大きくするために、回路板を厚くして、回路板を放熱板よりも厚くした場合にも、セラミックス基板の製造時において反りが発生してしまう場合があった。
そこで、本発明は、放熱板および回路板のいずれか一方を厚くしても反りを抑制することが可能なセラミックス基板を提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決することを目的として、平板状のセラミックスからなる絶縁基材と、前記絶縁基材の第１の主面に設けられた第１のろう材層と、前記絶縁基材の第２の主面に設けられた第２のろう材層と、前記第１のろう材層を介して前記絶縁基材の前記第１の主面側に固定された金属からなる回路板と、前記第２のろう材層を介して前記絶縁基材の前記第２の主面側に固定された金属からなる放熱板と、を備え、前記放熱板の厚みは、前記回路板の厚みよりも厚く、前記放熱板の厚みが０．６ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であり、前記第１のろう材層の厚みが前記第２のろう材層よりも厚い、セラミックス基板を提供する。
また、本発明は、上記課題を解決することを目的として、上記のセラミックス基板を複数に分割して形成されたセラミックス分割基板を提供する。
本発明に係るセラミックス基板及びセラミックス分割基板によれば、放熱板および回路板のいずれか一方を厚くしても反りを抑制することが可能となる。
本発明の実施の形態に係るセラミックス基板の構成例を示し、（ａ）は表面を示す平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は裏面を示す平面図である。 分割された一つのセラミックス分割基板の表面に電気回路部品が搭載され、裏面に放熱部品としてのヒートシンクが取り付けられた状態を示し、（ａ）は平図、（ｂ）は側面図である。 第１のろう材層を形成する第１のろう材層形成工程で用いられる第１のスクリーンを示す平面図である。 第２のろう材層を形成する第２のろう材層形成工程で用いられる第２のスクリーンを示す平面図である。 第２のろう材層の厚みに対する第１のろう材層の厚みの割合を変えてセラミックス基板の反り量を測定した結果を示すグラフである。
［実施の形態］
図１は、本発明の実施の形態に係るセラミックス基板の構成例を示し、（ａ）は表（おもて）面を示す平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は裏面を示す平面図である。このセラミックス基板１は、平板状のセラミックスからなる絶縁基材２と、絶縁基材２の第１の主面２ａに設けられた第１のろう材層３１と、絶縁基材２の第２の主面２ｂに設けられた第２のろう材層３２と、第１のろう材層３１を介して絶縁基材２の第１の主面２ａ側に固定された金属からなる回路板４１と、第２のろう材層３２を介して絶縁基材２の第２の主面２ｂ側に固定された金属からなる放熱板４２とを備えている。
本実施の形態では、セラミックス基板１が集合基板であり、より具体的にはセラミック集合回路基板である。セラミックス基板１は、図１（ａ）及び（ｂ）に示す破線で切断されて複数のセラミックス分割基板１１～１４に分割される。複数のセラミックス分割基板１１～１４のそれぞれには、回路板４１に電気回路部品が搭載され、放熱板４２に放熱部品が取り付けられる。なお、本実施の形態では、セラミックス基板１がセラミックス分割基板１１～１４に４分割されるが、セラミックス基板の分割数は４に限らず、２又は３でもよく、５以上であってもよい。
回路板４１及び放熱板４２の金属材料としては、電気抵抗が低く熱導電性が高いものが望ましい。本実施の形態では回路板４１及び放熱板４２が銅板からなるが、回路板４１及び放熱板４２をアルミニウム板としてもよい。ただし、熱膨張率の違いによる反りの発生を防ぐため、回路板４１及び放熱板４２を同種の金属とすることが望ましい。放熱板４２は、平面視において矩形状に形成されており、回路板４１に搭載された電気回路部品で発生した熱を絶縁基材２から放熱部品に伝達する。
図２は、分割された一つのセラミックス分割基板１１の表面側に第１乃至第３の電気回路部品５１～５３が搭載され、裏面側に放熱部品としてのヒートシンク５０が取り付けられた状態を示し、（ａ）は表面を示す平面図、（ｂ）は側面図である。
第１乃至第３の電気回路部品５１～５３は、例えばトランジスタやダイオード等のパワーモジュールであり、発熱部品である。ヒートシンク５０は、平板状のベースプレート５０１と、ベースプレート５０１から突出するようにして設けられた複数の突片５０２とを有しており、第１乃至第３の電気回路部品５１～５３で発生して絶縁基材２から放熱板４２に伝導した熱を空気中に放熱する。セラミックス分割基板１１～１４のそれぞれに搭載される電気回路部品の数は一つ以上であればよく、特に限定はない。なお、セラミックス分割基板１１～１４に搭載される電気回路部品の種類、形状、及び数量等は図２に例示するものに限らず、適宜変更して実施することが可能である。
絶縁基材２は、一例として、珪素粉末と焼結助剤と有機バインダとを混合したスラリーをドクターブレード法によって厚みが一定の平板状に成形して切断し、脱脂処理及び窒化処理を施し、さらに焼結して形成した窒化珪素基板である。図１に示す例では、絶縁基材２が平面視において矩形状であり、長辺方向の長さＬ１が短辺方向の長さＬ２よりも長い長方形状である。Ｌ１，Ｌ２は、共に１００ｍｍ以上である。なお、絶縁基材２の四隅を面取りしてもよい。なお、絶縁基材２の原料が珪素粉末でなく窒化珪素粉末である場合には、窒化処理を省略してもよい。
第１のろう材層３１及び第２のろう材層３２は、銅粉及び銀粉をバインダ及び溶剤と共に混成したろう材を、スクリーン印刷法によって絶縁基材２の第１の主面２ａ及び第２の主面２ｂに塗布して形成したものである。第１のろう材層３１は、回路板４１における絶縁基材２側の面の全体に形成され、第２のろう材層３２は、放熱板４２における絶縁基材２側の面の全体に形成されている。なお、第１のろう材層３１及び第２のろう材層３２は、銀粉を含まないものであってもよい。
本実施の形態では、放熱板４２の厚みＴ４２が回路板４１の厚みＴ４１よりも厚い。また、第１のろう材層３１の厚みT１が第２のろう材層３２の厚みT２よりも厚い。放熱板４２の厚みＴ４２が回路板４１の厚みＴ４１よりも厚いのは、セラミックス基板１の放熱性を高めるためである。第１のろう材層３１の厚みT１が第２のろう材層３２の厚みT２よりも厚いのは、セラミックス基板１の反りを抑制するためである。
つまり、仮に第１のろう材層３１の厚みT１が第２のろう材層３２の厚みT２と同じである場合、放熱板４２を回路板４１よりも厚くすると、絶縁基材２の中心部における第１の主面２ａ側が凸となるようにセラミックス基板１が沿ってしまうことが本発明者らによって確認されており、本実施の形態ではこの反りを抑制するため、第１のろう材層３１の厚みT１を第２のろう材層３２の厚みT２よりも厚くしている。すなわち、本実施の形態では、放熱板４２の厚みＴ４２と回路板４１の厚みＴ４１との差によって生じるセラミックス基板１の反りを発生させる力を、第１のろう材層３１の厚みT１を第２のろう材層３２の厚みT２よりも厚くすることにより緩和している。本実施の形態では、絶縁基材２の各辺に沿った方向の１００ｍｍあたりの絶縁基材２の反り量が１．０ｍｍ以下となっている。
回路板４１の厚みＴ４１と放熱板４２の厚みＴ４２の差は、０．１０ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下であり、０．２０ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下であってもよい。また、第１のろう材層３１の厚みT１と第２のろう材層３２の厚みT２との差の望ましい範囲は、１０μｍ以上５０μｍ以下である。一例として、回路板４１の厚みＴ４１は、０．５ｍｍ以上１．２ｍｍ以下であり、放熱板４２の厚みＴ４２は０．６ｍｍ以上１．５ｍｍ以下である。また、第１のろう材層３１の厚みT１は、２０μｍ以上７０μｍ以下であり、第２のろう材層３２の厚みT２は、１０μｍ以上３０μｍ以下である。
なお、第１のろう材層３１の厚みは、厚過ぎると、ろう材の一部が回路板４１と絶縁基材２との間からはみ出してしまうおそれがある。また、第２のろう材層３２の厚みは、薄過ぎるとボイド（空孔）が発生し、第２のろう材層３２の強度が低下すると共に第２のろう材層３２の熱伝導率が低下してしまうおそれがある。上記の第１のろう材層３１の厚みT１及び第２のろう材層３２の厚みT２の範囲は、これらのことを考慮して検討されたものである。
第１のろう材層３１の厚みT１及び第２のろう材層３２の厚みT２は、セラミックス基板１の製造時において、ろう材のスクリーン印刷に用いるスクリーンを取り換えることによって増減させることが可能である。次に、このスクリーンの構成例について、図３及び図４を参照して説明する。
図３は、第１のろう材層３１を形成する第１のろう材層形成工程で用いられる第１のスクリーン６を示す平面図である。図４は、第２のろう材層３２を形成する第２のろう材層形成工程で用いられる第２のスクリーン７を示す平面図である。第１及び第２のスクリーン６，７は、枠体６１，７１と、平板状のスクリーンマスク６２，７２とを有している。スクリーンマスク６２，７２は、ペースト状のろう材３０を透過させるメッシュ部６３，７３と、ろう材３０が透過しない非メッシュ部６４，７４とを有している。
メッシュ部６３，７３は、絶縁基材２の長辺方向と平行に張り渡された複数の縦糸６３１，７３１と、絶縁基材２の短辺方向と平行に張り渡された複数の横糸６３２，７３２とを格子状に編み合わせて構成されており、二本の縦糸６３１，７３１及び二本の横糸６３２，７３２によって囲まれた格子状の部分が透過孔６３０，７３０となっている。スクリーン印刷を行う際には、スキージと呼ばれる長板状の部材が複数の縦糸６３１，７３１及び横糸６３２，７３２に接触しながらメッシュ部６３，７３上を摺動し、ろう材３０を透過孔６３０，７３０から絶縁基材２側に押し出す。
第１のろう材層３１の厚みT１及び第２のろう材層３２の厚みT２は、絶縁基材２側に押し出されるろう材３０の量によって変化する。本実施の形態では、第１のスクリーン６の縦糸６３１及び横糸６３２の太さが、第２のスクリーン７の縦糸７３１及び横糸７３２の太さよりも太く、かつ第１のスクリーン６の縦糸６３１及び横糸６３２の間隔が第２のスクリーン７の縦糸７３１及び横糸７３２の間隔よりも広く、単位面積当たりの第１のスクリーン６の複数の透過孔６３０の容積が、単位面積当たりの第２のスクリーン７の複数の透過孔７３０の容積よりも大きく形成されている。これにより、第１のろう材層３１が第２のろう材層３２よりも厚く形成される。
なお、単位面積当たりの第１のスクリーン６の複数の透過孔６３０の容積は、複数の縦糸６３１及び横糸６３２の間隔や太さによって定まり、複数の縦糸６３１及び横糸６３２の間隔が大きく、縦糸６３１に平行な方向及び横糸６３２に平行な方向における透過孔６３０の開口幅が大きいほど大きくなる。同様に、単位面積当たりの第２のスクリーン７の透過孔７３０の容積は、複数の縦糸７３１及び横糸７３２の間隔や太さによって定まり、複数の縦糸７３１及び横糸７３２の間隔が大きく、縦糸７３１に平行な方向及び横糸７３２に平行な方向における透過孔７３０の開口幅が大きいほど大きくなる。したがって、単位面積当たりの透過孔６３０，７３０の容積は、縦糸６３１，７３１及び横糸６３２，７３２の太さ、ならびに縦糸６３１，７３１及び横糸６３２，７３２の単位面積当たりの本数により調整することができる。
スクリーン印刷によって絶縁基材２の第１の主面２ａ及び第２の主面２ｂに塗布されたろう材は、恒温槽で乾燥されて固化される。その後、絶縁基材２をろう材と共に二枚の金属板で挟んで荷重を加えた状態で８００℃程度に加熱し、ろう付けを行う。その後、これらの金属板のそれぞれの一部をエッチングにより除去し、回路板４１及び放熱板４２を形成する。これにより、セラミックス基板１が得られる。その後さらに、図１（ａ）及び（ｂ）に示す破線でセラミックス基板１を切断することにより、セラミックス分割基板１１～１４が得られる。なお、回路板４１及び放熱板４２を予め所定の形状に加工することで、エッチングを省略してもよい。
図５は、回路板４１の厚みＴ４１を０．６５ｍｍ、放熱板４２の厚みＴ４２を０．８０ｍｍとし、第２のろう材層３２の厚みT２に対する第１のろう材層３１の厚みT１の割合であるろう材厚さ比（T１／T２）を三通りに変えてセラミックス基板１の反り量を測定した結果を示すグラフである。このグラフにおいて、第１のプロット点８１は、ろう材厚さ比を８８％としたサンプル１の測定結果を示し、第２のプロット点８２は、ろう材厚さ比を１００％としたサンプル２の測定結果を示し、第３のプロット点８３は、ろう材厚さ比を１０９％としたサンプル３の測定結果を示している。なお、ろう材厚さ比は、第１のろう材層形成工程及び第２のろう材層形成工程において、ろう材のスクリーン印刷を行う前後の重量差に基づく推定値である。このグラフから、第２のろう材層３２の厚みT２に対する第１のろう材層３１の厚みT１の割合を大きくすることにより、セラミックス基板１の反り量を低減できることが分かる。
上記の実施の形態では、放熱板の厚みが回路板の厚みよりも厚い場合には、第１のろう材層の厚みを第2のろう材層よりも厚くすることで、セラミックス基板の反り量を低減できることを示した。同様に、回路板の厚みが放熱板の厚みよりも厚い場合には、第２のろう材層の厚みを第１のろう材層よりも厚くすることで、セラミックス基板の反り量を低減できる。例えば、回路板の厚みを０．８ｍｍ、放熱板の厚みを０．６５ｍｍ、第１のろう材層の厚みを１５ｍｍ、第２のろう材層の厚みを３０ｍｍとすることができる。また、このよう場合には、回路板の厚みを０．６ｍｍ～１．５ｍｍ、放熱板の厚みを０．５ｍｍ～１．２ｍｍ、第１のろう材層の厚みを１０ｍｍ～３０ｍｍ、第２のろう材層の厚みを２０ｍｍ～３０ｍｍとすることが好ましい。
すなわち、放熱板および回路板のいずれか一方の厚みが他方の厚みよりも厚くとも、第１のろう材層および第2のろう材層の厚さを調整することでセラミックス基板の反り量を低減することができる。
（実施の形態の効果）
以上説明した本実施の形態によれば、放熱板４２および回路板４１のいずれか一方の厚みを他方の厚みよりも厚くしてもセラミックス基板１の反りを抑制することが可能となる。
（実施の形態のまとめ）
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。
［１］平板状のセラミックスからなる絶縁基材（２）と、前記絶縁基材（２）の第１の主面（２ａ）に設けられた第１のろう材層（３１）と、前記絶縁基材（２）の第２の主面（２ｂ）に設けられた第２のろう材層（３２）と、前記第１のろう材層（３１）を介して前記絶縁基材（２）の前記第１の主面側（３１）に固定された金属からなる回路板（４１）と、前記第２のろう材層（３２）を介して前記絶縁基材（２）の前記第２の主面（２ｂ）側に固定された金属からなる放熱板（４２）とを備え、前記放熱板（４２）および前記回路板（４１）は、いずれか一方の厚みが他方の厚みよりも厚く、前記放熱板（４２）の厚みが前記回路板（４１）の厚みよりも厚い場合には、前記第１のろう材層（３１）の厚みが前記第２のろう材層（３２）よりも厚く、前記回路板（４１）の厚みが前記放熱板（４２）の厚みよりも厚い場合には、前記第２のろう材層（３２）の厚みが前記第１のろう材層（３１）よりも厚い、セラミックス基板（１）。
［２］前記回路板（４１）と前記放熱板（４２）との厚みの差が、０．１０ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下である、上記［１］に記載のセラミックス基板（１）。
［３］前記回路板（４１）と前記放熱板（４２）との厚みの差が、０．２０ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下である、上記［１］に記載のセラミックス基板（１）。
［４］前記第１のろう材層（３１）の厚み（T１）と前記第２のろう材層（３２）の厚み（T２）との差が、１０μｍ以上５０μｍ以下である、上記［１］又は［２］に記載のセラミックス基板（１）。
［５］前記回路板（４１）の厚み（Ｔ４１）が０．５ｍｍ以上１．２ｍｍ以下であり、前記放熱板（４２）の厚み（Ｔ４２）が０．６ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であり、前記第１のろう材層（３１）の厚み（T１）が２０μｍ以上７０μｍ以下であり、前記第２のろう材層（３２）の厚み（T２）が１０μｍ以上３０μｍ以下である、上記［１］乃至［４］の何れか一つに記載のセラミックス基板。
［６］前記絶縁基材（２）が矩形状であり、前記絶縁基材（２）の各辺に沿った方向の１００ｍｍあたりの前記絶縁基材（２）の反り量が１．０ｍｍ以下である、上記［１］乃至［５］の何れか一つに記載のセラミックス基板。
［７］上記［１］乃至［６］の何れか一つに記載のセラミックス基板（１）を複数に分割して形成された、セラミックス分割基板（１１）。
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
また、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。例えば、上記の実施の形態では、セラミックス基板１が集合基板であり、複数のセラミックス分割基板１１～１４に分割される場合について説明したが、これに限らず、集合基板ではないセラミックス基板に本発明を適用することも可能である。
１…セラミックス基板 １１～１４…セラミックス分割基板
２…絶縁基材 ２ａ…第１の主面
２ｂ…第２の主面 ３１…第１のろう材層
３２…第２のろう材層 ４１…回路板
４２…放熱板

Claims (4)

  1. 平板状のセラミックスからなる絶縁基材と、
    前記絶縁基材の第１の主面に設けられた第１のろう材層と、
    前記絶縁基材の第２の主面に設けられた第２のろう材層と、
    前記第１のろう材層を介して前記絶縁基材の前記第１の主面側に固定された金属からなる回路板と、
    前記第２のろう材層を介して前記絶縁基材の前記第２の主面側に固定された金属からなる放熱板と、を備え、
    前記放熱板の厚みは、前記回路板の厚みよりも厚く、
    前記放熱板の厚みが０．６ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であり、
    前記第１のろう材層の厚みが前記第２のろう材層よりも厚い、
    セラミックス基板。
  2. 前記絶縁基材が矩形状であり、前記絶縁基材の各辺に沿った方向の１００ｍｍあたりの前記絶縁基材の反り量が１．０ｍｍ以下である、
    請求項１に記載のセラミックス基板。
  3. 前記回路板の厚みが０．５ｍｍ以上１．２ｍｍ以下である、
    請求項１又は２に記載のセラミックス基板。
  4. 前記第１のろう材層の厚みと前記第２のろう材層の厚みとの差が、１０μｍ以上５０μｍ以下である、
    請求項１又は２に記載のセラミックス基板。

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