JP3454331B2

JP3454331B2 - 回路基板及びその製造方法

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Publication number: JP3454331B2
Application number: JP09645896A
Authority: JP
Inventors: 明宮井; 東一高城; 秀樹広津留; 征彦中島
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 1996-04-18
Filing date: 1996-04-18
Publication date: 2003-10-06
Anticipated expiration: 2016-04-18
Also published as: JPH09283657A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高い信頼性、放熱
性が要求される半導体パワーモジュールなどの用途に好
適なセラミックス基板に金属回路を形成させてなる回路
基板及びその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ロボットやモーター等の産業機器
の高性能化に伴い、大電力・高能率インバーター等大電
力モジュールの変遷が進んでおり、半導体素子から発生
する熱も増加の一途をたどっている。この熱を効率よく
放散させるため、大電力モジュール基板では従来より様
々な方法が取られてきた。特に最近では、窒化アルミニ
ウム基板に銅等の金属回路を形成後、そのままあるいは
メッキ等の処理を施してから半導体素子を実装する構造
も採用されつつある。この場合、金属回路を形成させた
窒化アルミニウム基板の反対面には金属放熱板を設けた
構造もある。

【０００３】このようなモジュールは、当初、簡単な工
作機械に使用されてきたが、ここ数年、溶接機、電車の
駆動部、電気自動車に使用されるようになり、より厳し
い要求たとえば電流密度を上げるための回路銅厚の増
加、熱衝撃等に対する耐久性の向上、更なる小型化が要
求されるようになってきた。

【０００４】銅板と窒化アルミニウム基板との接合に
は、両者間に活性金属を含むろう材を介在させ加熱処理
して接合体とする活性金属ろう付け法（例えば特開昭60
-177634 号公報）や、表面が酸化処理された窒化アルミ
ニウム基板と銅板を銅の融点以下でＣｕ−Ｏの共晶温度
以上で加熱接合するＤＢＣ法（例えば特開昭56-163093
号公報）等がある。

【０００５】活性金属ろう付け法は、ＤＢＣ法に比べて
以下の特徴がある。（１）接合体を得るための処理温度が低いので、セラミ
ックス基板と銅板の熱膨張差によって生じる残留応力が
小さい。（２）ろう材が延性金属であるので、ヒートショックや
ヒートサイクルに対する耐久性が大である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、活性金
属ろう付け法によっても、得られた回路基板のヒートシ
ョックやヒートサイクルに対する耐久性が十分とはいえ
ず新しい技術の出現が待たれていた。そこで、金属回路
板（通常はセラミックス基板の上面に設けられる）の体
積が反対面の金属放熱板の体積の５０〜９０％となるよ
うに調整したり（特開昭６３−２４８１５号公報）、放
熱側銅板の厚さを回路側銅板の厚さの５０％以下とする
こと（特開平５−１７０５６４号公報）の提案がある
が、これらのみでは上記厳しい要求に対しては不十分で
ある。

【０００７】従って、窒化アルミニウム基板等のセラミ
ックス自体の改善が不可欠となる。セラミックスの製造
には常圧焼結法とホットプレス法がある。常圧焼結法は
ホットプレス法に比べて簡単かつ量産的であるが、焼結
体に気孔などの欠陥を生じやすく、また焼結助剤成分と
セラミックス成分との反応によって生成した第２、第３
相が比較的高い蒸気圧を持つため偏析を生じやすく、ホ
ットプレス法で製造した焼結体に比べて熱衝撃性は弱く
なる傾向がある。

【０００８】一方、窒化珪素は針状粒子の絡み合った組
織であり、高強度・高靭性のセラミックスとして高温構
造材料として実用化段階に入っている。窒化珪素は脆性
を改善できるばかりでなく絶縁性の窒化物であるという
特徴があるが、熱伝導性が窒化アルミニウムよりも小さ
いので高熱伝導性の要求される絶縁基板としては応用さ
れていなかった。

【０００９】本発明の目的は、窒化珪素の靱性を利用
し、熱伝導性を損なわせることなく、ヒートショックや
ヒートサイクルに対する耐久性を更に改善した回路基板
及びその製造方法を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、以
下を要旨とするものである。（請求項１）銅又はアルミニウムからなる金属回路と窒
化アルミニウム質又は窒化珪素質のセラミックス基板と
が、セラミックス基板表面の少なくとも一部の面に、窒
化珪素を主成分とする層を形成させた状態で接合されて
なることを特徴とする銅厚付け回路基板。（請求項２）金属回路の反対面に金属放熱板を有してな
るものであることを特徴とする請求項１記載の回路基
板。（請求項３）上記窒化珪素を主成分とする層が金属回路
と接面しているセラミックス基板表面の少なくとも一部
に形成されたものであることを特徴とする請求項１又は
２記載の回路基板。（請求項４）セラミックス生シートの表面の少なくとも
一部の面に窒化珪素粉末又は窒化珪素の前駆体を塗布・
焼結してセラミックス基板の表面の少なくとも一部の面
に窒化珪素を主成分とする層を形成させた後、これと金
属板とを接合してからエッチングして金属回路を形成さ
せるか、もしくはこれと金属回路パターンとを接合して
金属回路を形成させることを特徴とする回路基板の製造
方法。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、更に詳しく本発明を説明す
る。

【００１２】本発明の特徴は、セラミックス基板に金属
回路が形成されてなる回路基板、又はセラミックス基板
に金属回路と金属放熱板が形成されてなる回路基板にお
いて、セラミックス基板表面の少なくとも一部の面に、
窒化珪素を主成分とする層を形成させた状態で接合さ
せ、破壊の起点源を強化したことにある。これによっ
て、回路基板の熱伝導性を損なうことなく、ヒートショ
ックやヒートサイクルに対する耐久性を更に改善するこ
とができる。

【００１３】今日、信頼性の点で最も改善が望まれてい
る回路基板は、パワーモジュール等に使用されている銅
厚付け回路基板であり、通常、厚み０．１５〜０．５ｍ
ｍの銅回路をセラミックス基板（主に窒化アルミニウム
基板が実用されている）に形成させているが、熱履歴を
受けると銅とセラミックスの熱膨張差によって応力が生
じる。小さな応力は、主に銅回路又はその反対面の放熱
銅板の弾性・塑性変形で吸収されるが、繰り返しの熱履
歴の間に蓄積された応力や、大きな温度変化によって生
じた応力は、セラミックス基板の破壊によって解放され
る。すなわち、熱的なストレスでセラミックス基板が損
傷を受ける場合は、金属回路が接合されている界面、特
に金属回路の縁面が破壊の起点となる。従って、セラミ
ックス基板表面の少なくとも一部すなわち上記の破壊の
起点付近に、窒化珪素を主成分とする層を形成させる
と、その部分の靱性を高めることができる。この場合、
金属回路とセラミックス基板とが接面している放熱経路
には窒化珪素を主成分とする層を形成させない構造とす
ることもできるので、セラミックス基板の熱伝導性を大
きく犠牲にしないでヒートショックやヒートサイクルに
対する耐久性を改善することができる。

【００１４】図１〜１５は、本発明の回路基板の実施態
様を示したものであり、図１は回路基板の斜視図であ
り、図２〜１５は図１のＸ−Ｘ断面における一部切欠断
面図である。これらの図はいずれも、金属回路１とセラ
ミックス基板２とがセラミックス基板表面の少なくとも
一部の面に窒化珪素を主成分とする層３を形成させた状
態で接合されていることを表している。図２〜１０の例
は、接合層４により金属回路１とセラミックス基板２が
接合されたものであり、図１１〜１５の例は接合層４を
介さないで金属回路１とセラミックス基板２が接合され
たものである。図１〜１５には、金属放熱板を設けない
構造のものを示したが、金属回路を形成させた反対側の
セラミックス基板面に金属放熱板を設けた構造のもので
あってもよい。

【００１５】次に、窒化珪素を主成分とする層（以下、
単に「窒化珪素層」ということもある。）３をセラミッ
クス基板２の表面の少なくとも一部に形成させる位置関
係について説明する。なお、通常、金属回路１は複数個
（１ａ、１ｂ・・・）設けられるが、以下の説明は金属
回路１ａを代表にして説明する。金属回路１ａ以外の金
属回路１ｂ等については、窒化珪素層３は金属回路１ａ
と同様な位置関係で形成させてもよく、異なる位置関係
で形成させてもよい。

【００１６】図８〜１０及び図１３〜１５に示したよう
に、金属回路１ａと接面しているセラミックス基板２の
全面に窒化珪素層３を形成させることによる利点は、金
属回路１ａの上面に電極を取り付ける際のセラミックス
基板の損傷を少なくできることである。

【００１７】また、金属回路１ａと接面しているセラミ
ックス基板２の表面の一部にのみ窒化珪素層３を形成さ
せることの利点は、窒化珪素層３がセラミックス基板よ
りも熱伝導性が小さい場合にその悪影響を少なくできる
ことである。上記のように、熱的なストレスでセラミッ
クス基板が損傷を受ける場合、金属回路の縁面が破壊の
起点となることが多いので、図２〜７及び図１１〜１２
に示したように、窒化珪素層３は金属回路下面の中央付
近、特にベアチップ搭載パターンの中央付近には形成さ
せないで縁面に形成させることが特に好ましい。

【００１８】図２〜１０の例における接合層４は、ろう
材が一般的であるが、図１１〜１５のように接合層４を
介さないで金属回路１とセラミックス基板２を接合させ
ることもできる。その方法は、例えばセラミックス基板
の表面にあらかじめ窒化珪素層３を形成させておき、こ
れをそのままあるいは必要に応じて酸化処理や酸化物層
を形成する方法で表面処理を行い、そこに銅板又は銅回
路パターンを直接配置しＣｕ−Ｏの共晶温度以上で加熱
接合することである。

【００１９】本発明で使用されるセラミックス基板の厚
みとしては、厚すぎると熱抵抗が大きくなり、薄すぎる
と耐久性や絶縁耐圧が低下するので、０．１５〜１．０
ｍｍ程度であることが好ましい。また、本発明で使用さ
れるセラミックス基板は、セラミックス生シートを焼成
する過程でその表面の一部に窒化珪素層を形成させて製
造されたものが生産効率上好ましいので、そのセラミッ
クス基板の材質としては、絶縁性であり窒化珪素と熱膨
張率の差が小さくしかも窒化物であることが望ましく、
窒化アルミニウム質、窒化珪素質であることが選択され
る。

【００２０】金属回路の材質としては、銅、アルミニウ
ムが使用されるが、銅が一般的である。金属回路の厚み
としては、近年、電流密度が増加していく傾向から０．
３ｍｍよりも厚い方が好ましい。また、セラミックス基
板の表面に金属回路が、またその裏面には金属放熱板が
形成された構造におけるその金属放熱板の材質について
も、上記したものが使用され、またその厚みは回路基板
の反り等を考慮し金属回路の厚みとのバランスで適宜決
定される。

【００２１】本発明において、窒化珪素層の存在は、Ｘ
線回折による結晶相の同定やＸ線マイクロアナライザー
などの通常の組織分析手法によって容易に知ることがで
きる。分析を行うに際し、回路基板からセラミックス基
板を分離するには、硝酸、フッ酸等の酸類で金属回路と
接合層を溶解除去することによって行うことができる。
また、セラミックス基板の熱伝導率の測定はレーザーフ
ラッシュ法で測定することができる。

【００２２】本発明において、窒化珪素層の厚みは５μ
ｍ以上であることが好ましい。窒化珪素層をセラミック
ス基板の回路面の全面に形成させる場合は、その厚みが
厚すぎると素子搭載部の熱抵抗が増大するので、その点
を考慮して厚みを調整する。これに対し、窒化珪素層を
セラミックス基板の回路面の全面にではなく、金属回路
の破壊の起点となる接面端部付近にのみ形成させる場合
にはその厚みには多くの配慮はいらないが、図２等で示
されるるように窒化珪素層をセラミックス基板表面から
突出させて形成させる場合には、金属回路の接合工程に
おいて、この突出高さの差を吸収できる範囲に窒化珪素
層の厚みを調整することが好ましい。

【００２３】また、一般に知られている窒化珪素でも十
分に靭性の高い層が得られるので、窒化珪素層の形成に
使用される窒化珪素原料、焼結助剤の種類と量などの条
件は特に限定されるものではないが、窒化珪素層は熱伝
導性が高く、靭性の大きなものほど好ましいことは言う
までもない。これらの特性は、窒化珪素層の組織や不純
物などにより異なり、窒化珪素原料、焼結助剤の種類と
量、熱処理条件などにより調整することができる。な
お、セラミックス基板として窒化珪素質基板を用いる場
合には、セラミックス基板の窒化珪素には熱伝導性を、
窒化珪素層には靭性と耐ヒートサイクル性の役割を担わ
せる構造とすることが好ましい。

【００２４】窒化珪素層の熱伝導率を低下させる不純物
としては、例えばＡｌ₂ Ｏ₃があるが、一方でこの成分
は高温構造材料用の高靭性窒化珪素セラミックスの焼結
助剤として各種希土類元素とともに使用されている。し
たがって、熱伝導性の高い窒化珪素層を必要とする場合
にはＡｌ₂ Ｏ₃を使用しないで、例えばＭｇＯと各種希
土類元素とを併用することが好ましい。

【００２５】次に、本発明の回路基板の製造方法につい
て説明する。

【００２６】本発明の回路基板は、セラミックス基板表
面の少なくとも一部の面に、窒化珪素を主成分とする層
を形成させた状態で接合されてなるものであるので、こ
のような構造を実現できる方法であれば回路基板の製造
方法には特に制限はない。例えば、常法によりセラミッ
クス基板を製造し、その表面に窒化珪素層を形成する方
法が可能である。窒化珪素層を形成させる方法として
は、例えばＣＶＤ法やスパッタリング法などの薄膜形成
法、ペーストのスクリーン印刷や塗布などの方法があ
る。これらの方法では、セラミックス基板の製造工程と
窒化珪素層の形成工程が必要となるが、以下に説明する
本発明の回路基板の製造方法は、セラミックス基板の製
造と窒化珪素層が同時に行われるので生産性に優れた方
法である。

【００２７】本発明の回路基板の製造方法を、セラミッ
クス基板として窒化アルミニウム基板を用いた例につい
て説明する。

【００２８】イットリアを焼結助剤として配合された窒
化アルミニウム生シートを製造する。その方法として
は、例えばドクターブレード法、押出成形法などの通常
のシート成形法を採用することができる。このセラミッ
クス生シートの表面の少なくとも一部の面に窒化珪素粉
末又は窒化珪素の前駆体を塗布する。本発明でいう窒化
珪素の前駆体とは、焼結助剤や有機系助剤を含む窒化珪
素粉末組成物又は熱処理により窒化珪素を主成分とする
層を生成するような、例えばシリコンポリイミドなどの
物質を含む組成物である。窒化珪素粉末又は窒化珪素の
前駆体は、塗布の便宜のためペースト形態であることが
好ましい。窒化珪素粉末としては、α型、β型、アモル
ファスのいずれでもよく、また塗布方法としてはスクリ
ーン印刷法、ロールコーター法などのいずれであっても
よい。

【００２９】ペースト形態の窒化珪素粉末又は窒化珪素
の前駆体は、窒化珪素粉末と焼結助剤と有機溶剤に必要
に応じて有機結合剤を加え、ロール、ニーダ、万能混合
機、らいかい機等で混合することによって調製すること
ができる。有機溶剤としてはメチルセルソルブ、テルピ
ネオール、イソホロン、トルエン等、また有機結合剤と
してはエチルセルロース、メチルセルロース、ポリメタ
クリレート等が使用される。その割合は窒化珪素と焼結
助剤の粉末に対し２〜２０重量％であることが好まし
い。

【００３０】次に、窒化珪素粉末又は窒化珪素の前駆体
の塗布されたセラミックス生シートは、必要に応じてロ
ール間を通す等の方法により表面の平滑性を高める。こ
れは、特に部分的に窒化珪素粉末又は窒化珪素の前駆体
を塗布した場合に、得られた焼結体表面の凹凸を小さく
し、セラミックス基板の平滑性を高め、金属回路の形成
時の接合不良などの問題を低減させるために行われる工
程である。

【００３１】焼結は、セラミックス基板が十分に緻密化
する温度で、かつ窒化珪素層も緻密化して高い靭性を持
つ組織が形成する条件で行われる。具体的には、まずセ
ラミックス生シートを温度３００〜８００℃で加熱し
て、セラミックス生シート中に含まれるバインダーなど
の有機系助剤成分を十分に除去、脱脂するが、その際の
雰囲気は有機系助剤の種類などにより異なり、空気など
の酸化性雰囲気又は窒素、アルゴン、水素、炭酸ガス、
炭化水素、真空などの非酸化性雰囲気が適用される。次
に、上記脱脂処理されたシートは窒素ガス、アルゴンガ
スなどの不活性ガス雰囲気中で１６００〜２０００℃の
温度で所定時間焼結される。常圧焼結する場合は１６０
０〜１８００℃程度の焼結温度が好ましい。

【００３２】次いで、上記のようにして窒化珪素層の形
成されたセラミックス基板に、金属板を接合した後エッ
チングして金属回路を形成させるか、もしくは金属回路
パターンを接合して金属回路を形成させる。

【００３３】本発明において金属板の接合方法について
は特に限定されるものではなく、上記ＤＢＣ法や活性金
属の添加された又は添加されないろう付け法などを採用
することができる。例えば、金属回路をアルミニウムで
形成させる場合にはＡｉ−Ｓｉ系、Ａｉ−Ｇｅ系等のア
ルミニウム合金が使用され、金属回路を銅で形成させる
場合には活性金属ろう付け法が好適である。活性金属ろ
う付け法における活性金属ろう材の金属成分は、銀、
銅、銀−銅、亜鉛、インジウム、カドミウム、スズ等を
主成分とし、溶融時に窒化アルミニウム基板との濡れ性
を確保するために活性金属を副成分とする。その活性金
属は、窒化アルミニウム基板と反応して酸化物や窒化物
を生成させ、それらの生成物がろう材と窒化アルミニウ
ム基板との結合を強固なものにする。

【００３４】活性金属の具体例をあげれば、チタン、ジ
ルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、バナジウ
ムやこれらの化合物である。これらの成分のうち好まし
い活性金属成分は、ジルコニウム又はその化合物とチタ
ン又はその化合物である。これらの比率の一例を示せ
ば、銀６９〜１００重量部と銅０〜３１重量部の合計量
１００重量部あたり、活性金属の合計量で０．５〜１５
重量部特に１〜１０重量部である。銀成分は、主に銅成
分と反応して低融点化合物を形成し、活性金属接合材の
溶融化を助長し、接合面を濡らす役割を果たすのに重要
な成分である。金属回路が銅又は銅合金の場合には、そ
の銅成分を利用することもできるのでろう材ペースト中
に予め銅を含有させなくてもよい場合がある。活性金属
成分が少ないと接合不良となり、多いと耐ヒートサイク
ル特性が低下し好ましくない。

【００３５】ろう材は、通常はペーストで使用され、そ
れは上記ろう材の金属成分に有機溶剤と必要に応じて有
機結合剤を加え、ロール、ニーダ、万能混合機、らいか
い機等で混合することによって調製することができる。
有機溶剤としてはメチルセルソルブ、テルピネオール、
イソホロン、トルエン等、また有機結合剤としてはエチ
ルセルロース、メチルセルロース、ポリメタクリレート
等が使用される。

【００３６】窒化アルミニウム基板と金属板又は金属回
路のパターンとの接合条件は、１０-7〜１０-5Ｔｏｒｒ
程度の真空中、温度７００〜９００℃程度好ましくは７
５０〜８５０℃程度である。この条件は窒化珪素基板の
場合でも同様である。

【００３７】セラミックス基板の一方の面に金属回路、
他方の面に金属放熱板を形成する方法としては、セラミ
ックス基板と金属板との接合体をエッチングする方法、
金属板から打ち抜かれた金属回路パターン及び／又は金
属放熱板パターンをセラミックス基板に接合する方法等
によって行うことができる。

【００３８】

【実施例】以下、本発明を実施例をもって更に詳細に説
明する。

【００３９】実施例１〜８窒化アルミニウム粉末９６重量部、平均粒径０．８μｍ
のイットリア（Ｙ₂Ｏ ₃ 粉末４重量部、オレイン酸２重
量部を振動ミルにて予備混合した後、エチルセルロース
８重量部、グリセリントリオレート３重量部及び水１２
重量部を配合しミキサーで混合した。この混合物を成形
速度１．０ｍ／分、成形圧力５５〜７０ｋｇ／ｃｍ²で
押出成形を行い、遠赤外線にて１２０℃、５分間乾燥し
た後、１日室温に放置してセラミックス生シートを得
た。このシートの表面に窒化珪素質のペーストをスクリ
ーン印刷法により、図７に示した回路基板が得られるよ
うに回路パターン間と縁面及び回路板の端部から１ｍｍ
の距離までの部分にパターン状に塗布してから、ローラ
ー間に通して表面の凹凸をなくした。塗布量は１．７〜
２０ｍｇ／ｃｍ²の範囲内で変化させた。

【００４０】窒化珪素質ペーストは、酸素含有量１．５
重量％、平均粒径０．７μｍの窒化珪素粉末９０重量部
に平均粒径１．０μｍのマグネシア（ＭｇＯ）粉末３重
量部と平均粒径０．８μｍのイットリア（Ｙ₂Ｏ₃ ）粉
末７重量部とを加え、更にテルピネオール１６重量部と
ポリイソプチルメタアクリレートのトルエン溶液を固形
分で７重量部加え、らいかい機で混練して調製した。

【００４１】窒化珪素質ペーストの塗布されたセラミッ
クス生シートは、次いで空気中５００℃で脱脂した後、
窒素ガス圧０．９ＭＰａで１８００℃で４時間焼結し
た。得られた焼結体の大きさは６０ｍｍ×３６ｍｍで厚
み０．６５ｍｍであった。また、この焼結体をＸ線回折
及びＸ線マイクロアナライザーによって分析した結果、
窒化アルミニウム焼結体の表面の窒化珪素質ペーストを
塗布した部分にβ型窒化珪素結晶相を主成分とする層が
形成されていることが判明した。

【００４２】金属粉末を表１に示す割合で配合し、この
金属成分１００重量部にテルピネオール１４重量部とポ
リイソプチルメタアクリレートのトルエン溶液を固形分
で７重量部加え、らいかい機で混練して活性金属ろう材
ペーストを調製した。このろう材ペーストを上記で製造
した窒化アルミニウム基板の回路面（表面）にスクリー
ン印刷によってパターン率０．２０のＬ字型パターンに
塗布し、放熱面側（裏面）には全面塗布した。その際の
塗布量（乾燥後）は９ｍｇ／ｃｍ²とした。

【００４３】

【表１】

【００４４】次に、表面には大きさ６０ｍｍ×３６ｍ
ｍ、厚み０．３ｍｍの銅板を、また裏面には大きさ６０
ｍｍ×３６ｍｍ、厚み０．２ｍｍの銅板を積層し重しを
載荷したままで、全体を加熱炉に収容し１０^-6Ｔｏｒｒ
以下の真空中で表１に示す温度で３０分間熱処理した
後、２℃／分の降温速度で冷却して接合体を作製した。

【００４５】次いで、この接合体の銅板上にＵＶ硬化タ
イプのエッチングレジストをスクリーン印刷で塗布後、
塩化第２銅溶液を用いてエッチング処理を行って銅板不
要部分を溶解除去し、更にエッチングレジストを５％苛
性ソーダ溶液で剥離した。このエッチング処理後の接合
体には、銅回路パターン間に残留不要ろう材や活性金属
成分があるので、それを温度６０℃、１０％フッ化アン
モニウム溶液に１０分間浸漬して除去した。その後、銅
表面に厚さ２μｍのＮｉメッキを行い、窒化アルミニウ
ム基板に銅回路と放熱銅板を形成させた回路基板を製造
した。

【００４６】このようにして製造された回路基板につい
て、大気中−４０℃×３０分間保持後、２５℃×１０分
間放置、更に１２５℃×３０分間保持後、２５℃×１０
分間放置を１サイクルとした耐ヒートサイクル試験を１
０試験体について行い、蛍光探傷検査による回路間及び
縁面のクラックの有無及び放熱銅板又は銅回路の剥離の
有無を評価し、クラック又は剥離が観察され始めたヒー
トサイクル回数を測定した。

【００４７】更に、回路基板の断面を走査型電子顕微鏡
とＸ線マイクロアナライザーを用いて分析したところ、
図７と同様の構造を形成していることがわかった。ま
た、窒化珪素層の厚みを、回路基板の放熱銅板、銅回路
及び接合層を除去し、残った窒化アルミニウム基板につ
いてＸ線回折及びＸ線マイクロアナライザーによって分
析した結果、焼結体の時点と同様の窒化珪素質ペースト
を塗布した部分にβ型窒化珪素結晶相を主成分とする層
が形成されていることが確認された。これらの評価結果
をまとめて表２に示した。

【００４８】比較例１〜４セラミックス生シートの表面に窒化珪素質のペーストを
塗布しなかったこと以外は、実施例１〜４と同様にして
回路基板を製造した。その結果を表２に示す。

【００４９】

【表２】

【００５０】実施例９〜１３比較例５実施例４〜８において、図８に示された回路基板が得ら
れるようにセラミックス生シートの全面に窒化珪素質の
ペーストをロールコーターにより塗布したこと以外は、
実施例４〜８に準じて回路基板を製造した。得られた回
路基板について、窒化珪素層の厚み、耐ヒートサイクル
試験及びレーザーフラッシュ法による熱伝導率を測定し
た。比較のため、窒化珪素質のペーストを塗布しないで
回路基板を作製した。それらの結果を表３に示す。更
に、実施例９〜１３の回路基板について、上記方法に従
い構造を分析したところ、図８と同様のものであった。

【００５１】

【表３】

【００５２】実施例１４〜１８比較例６酸素含有量１．５重量％、平均粒径０．７μｍの窒化珪
素粉末９０重量部に平均粒径１．０μｍのマグネシア
（ＭｇＯ）粉末３重量部と平均粒径０．８μｍのイット
リア（Ｙ₂Ｏ₃ ）粉末７重量部とを加え、更にポリビニ
ルブチラール９重量部、ブチルフタレート４重量部、グ
リセリントリオレート１重量部、トルエン４５重量部、
イソプロピルアルコール１５重量部を加え、ボールミル
を用いてすラリーを混合した。このスラリーを脱泡処理
し、粘度を２０，０００ｃｐｓに調整したのちドクター
ブレード法によりセラミックス生シートを成形した。こ
のシートの表面に窒化珪素質のペーストをスクリーン印
刷法により、図７に示した回路基板が得られるように回
路パターン間と縁面及び回路板の端部から１ｍｍの距離
までの部分にパターン状に塗布してから、ローラー間に
通して表面の凹凸をなくした。塗布量は１．７〜２０ｍ
ｇ／ｃｍ²の範囲内で変化させた。

【００５３】窒化珪素質ペーストは、酸素含有量１．５
重量％，平均粒径０．７μｍの窒化珪素粉末９０重量部
に平均粒径１．０μｍのアルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃）粉末２
重量部と平均粒径１．０μｍのマグネシア（ＭｇＯ）粉
末３重量部と平均粒径０．８μｍのイットリア（Ｙ₂Ｏ
₃ ）粉末５重量部とを加え、更にテルピネオール１６重
量部とポリイソプチルメタアクリレートのトルエン溶液
を固形分で７重量部加え、らいかい機で混練して調製し
た。

【００５４】窒化珪素質ペーストの塗布されたセラミッ
クス生シートは、次いで空気中５００℃で脱脂した後、
窒素ガス圧０．９ＭＰａで１８５０℃で４時間焼結し
た。得られた焼結体の大きさは６０ｍｍ×３６ｍｍで厚
み０．５ｍｍであった。得られた焼結体の窒化珪素基板
部分と窒化珪素層部分の熱伝導率を知るために同じ配合
にて別途焼結体を上記条件で作製し測定したところ、基
板部分が８０Ｗ／ｍＫであり、窒化珪素層は３０Ｗ／ｍ
Ｋであった。

【００５５】金属粉末を表１のＥの割合で配合し、実施
例１と同様の方法でペーストを調製し塗布した。次に、
表面には大きさ６０ｍｍ×３６ｍｍ、厚み０．５ｍｍの
銅板を、また裏面には大きさ６０ｍｍ×３６ｍｍ、厚み
０．３ｍｍの銅板を接合し、以後、実施例１に準じて回
路基板を製造した。

【００５６】このようにして製造された回路基板につい
て、その耐久性を評価するために熱衝撃試験を行なっ
た。熱衝撃試験は、回路基板を３８０℃で１０分間保持
した後、室温まで急冷する方法を採用し、この熱衝撃サ
イクルを１０回行なった後の回路基板を蛍光探傷検査に
より回路間及び縁面のクラックの有無及び放熱銅板又は
銅回路の剥離の有無を評価し、不良発生率を測定した。
また、窒化珪素質のペーストを塗布しないで作製した回
路基板を比較例６とした。それらの結果を表４に示す。

【００５７】更に、実施例１４〜１８で得られた回路基
板の構造を実施例１と同様の方法で分析したところ、図
７と同様の構造を形成していることがわかった。

【００５８】

【表４】

【００５９】実施例１９〜２３実施例１４〜１８で製造されたセラミックス生シートの
全面に窒化珪素質のペーストをロールコーターにより塗
布したこと以外は、実施例１４〜１８と同様にして回路
基板を製造した。その結果、実施例１４〜１８と同様の
好結果が得られた。また、回路基板の構造を分析したと
ころ、図８と同様の構造を形成していることがわかっ
た。

【００６０】

【発明の効果】本発明によれば、ヒートサイクルに対す
る耐久性を一段と向上させた、セラミックス基板に金属
回路を形成させた回路基板を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の回路基板の斜視図。

【図２】図１のＸ−Ｘ断面における一部切欠断面図。

【図３】図１のＸ−Ｘ断面における一部切欠断面図。

【図４】図１のＸ−Ｘ断面における一部切欠断面図。

【図５】図１のＸ−Ｘ断面における一部切欠断面図。

【図６】図１のＸ−Ｘ断面における一部切欠断面図。

【図７】図１のＸ−Ｘ断面における一部切欠断面図。

【図８】図１のＸ−Ｘ断面における一部切欠断面図。

【図９】図１のＸ−Ｘ断面における一部切欠断面図。

【図１０】図１のＸ−Ｘ断面における一部切欠断面図。

【図１１】図１のＸ−Ｘ断面における一部切欠断面図。

【図１２】図１のＸ−Ｘ断面における一部切欠断面図。

【図１３】図１のＸ−Ｘ断面における一部切欠断面図。

【図１４】図１のＸ−Ｘ断面における一部切欠断面図。

【図１５】図１のＸ−Ｘ断面における一部切欠断面図。

【符号の説明】

１ａ金属回路１ｂ金属回路２セラミックス基板３窒化珪素を主成分とする層４接合層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平２−191349（ＪＰ，Ａ) 特開平７−149588（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 23/12 - 23/14 H05K 1/00 - 1/18 H05K 3/00 - 3/46

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】銅又はアルミニウムからなる金属回路と窒
化アルミニウム質又は窒化珪素質のセラミックス基板と
が、セラミックス基板表面の少なくとも一部の面に、窒
化珪素を主成分とする層を形成させた状態で接合されて
なることを特徴とする回路基板。
【請求項２】金属回路の反対面に金属放熱板を有してな
るものであることを特徴とする請求項１記載の回路基
板。
【請求項３】上記窒化珪素を主成分とする層が金属回路
と接面しているセラミックス基板表面の少なくとも一部
に形成されたものであることを特徴とする請求項１又は
２記載の回路基板。
【請求項４】セラミックス生シートの表面の少なくとも
一部の面に窒化珪素粉末又は窒化珪素の前駆体を塗布・
焼結してセラミックス基板の表面の少なくとも一部の面
に窒化珪素を主成分とする層を形成させた後、これと金
属板とを接合してからエッチングして金属回路を形成さ
せるか、もしくはこれと金属回路パターンとを接合して
金属回路を形成させることを特徴とする回路基板の製造
方法。