JP3635379B2 - 金属−セラミックス複合基板 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はパワーモジュール用の基板として用いる金属−セラミックス複合基板に関し、更に詳しくは従来のヒートシンク体を不用とするベース一体型の複合基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、パワーモジュール基板の製造法としては、古くはアルミナセラミックスグリーンシートの表面にモリブデンやタングステンなどの有機バインダーを含んだ金属ペーストを印刷し、雰囲気炉中で加熱してメタライズさせて回路を形成していた。
【０００３】
次いで、メタライズ層をＮｉメッキし、ハンダ付けを行ないＮｉメッキモリブデンやタングステンなどのスペーサーを付加し、Ｎｉメッキを順次行なって最後にＳｉチップを載せる方法がとられていた。
【０００４】
次いで、セラミックス基板の種類によっては特殊な雰囲気や特定温度下において、セラミックス基板（アルミナ）と金属板（銅板）とが直接接合できることが見出された（特公平４−５５１４８号）。
【０００５】
更に、セラミックス基板が窒化アルミニウム材の場合には、この基板の表面を改質して直接接合する方法や、あるいはろう材を塗布して金属板を接合する方法が採用され、現在のパワーモジュール基板の製造法として多く活用されている。
【０００６】
そして、これらの製造法によって得られたいずれのパワーモジュール基板も、放熱板（下面）側にアルミニウム板等のヒートシンク体を接合することによって実際の電気部品として使用しているのが現状であった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように従来のパワーモジュール基板は、構造上の問題からヒートシンク体と接合せざるを得なく、最終的にコスト上昇の要因となっていた。
【０００８】
従って、従来の機能を生かしたままこれらヒートシンク体を用いない等の新しい基板の開発が求められているが、本発明はこの課題を解決することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は斯かる課題を解決するために鋭意研究したところ、従来の放熱板と接合するヒートシンク体とを併せた金属体を用いることで上記課題を解消できることを見出し本発明を提供することができた。
【００１０】
本発明の金属−セラミックス複合基板は、異形断面として凹部を有する銅板と、底面が該銅板の凹部と接合するセラミックス基板と、該基板上に形成された回路とから構成され、該セラミックス基板の厚さが０．６３５ｍｍであり、該銅板の凹部の厚さが該セラミックス基板の厚さより小さいことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の金属−セラミックス複合基板は、異形断面として凹部を有する銅板と、底面が該銅板の凹部と接合するセラミックス基板と、該基板上に形成された回路とから構成され、該セラミックス基板の厚さが０．６３５ｍｍであり、該銅板の凹部の厚さが０．１ｍｍであることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の金属−セラミックス複合基板においては、前記異形断面を有する銅板がめっきされてなることを特徴とする。
【００１３】
本発明において使用する基板としては、アルミナ、窒化アルミニウム、炭化珪素、ジルコニア等のセラミックス基板やガラス等であり、この場合、高強度の素材であればなお好ましい。
【００１４】
また、本発明で用いる上下の金属板は銅板、アルミニウム板等の金属板であるが、本発明においては一例として銅板を用いる。先ず上部の銅板としてはあらかじめ回路状に形成した銅板を用いる場合と、セラミックス基板と同等の大きさの銅板を接合して、後工程で所望の回路をエッチング処理することによって得る手段とがある。
【００１５】
逆に、セラミックス基板下部に接合する異形断面を有する銅板としては中央部が凹状となっており、この部分にセラミックス基板を嵌合できる構造で両側端部には他の部品と接合するための複数個のネジ穴を設けている。
【００１６】
上記の異形断面を有する銅板上にセラミックス基板、回路形成用銅板と順次重ねて積層体とするが、直接接合法でこれらの複合体を得る場合には、用いるセラミックス基板としてはアルミナ基板が好ましい（第１工程）。
【００１７】
ろう材を介してこれらの積層体を得る場合には、窒化アルミニウム基板や炭化珪素基板が好ましく、ろう材の種類としては銀ろう材、活性金属ろう材等市販のろう材を使用できる。
【００１８】
次いで、上記の第１工程によって得られた積層体を接合炉中で加熱処理することで上下の金属板（銅板）と接合せしめる（第２工程）が、この場合、加熱処理は用いるセラミックス基板によってその処理条件が異なる。
【００１９】
例えば、セラミックス基板としてアルミナ基板を用いる場合には窒素雰囲気中で１０６０〜１０６４℃の温度で加熱処理して直接接合するが、窒化アルミニウム基板を用いる場合には、ろう材を介して接合させるため、例えば８５０℃前後で加熱処理することによって金属−セラミックス複合基板を得る。
【００２０】
更に、回路形成用銅板を用いた場合には、所望の回路をエッチング処理して形成する（第３工程）が、この場合、下板に用いる異形断面を有する銅板の両側面部分、あるいは全面をあらかじめドブ付けメッキ処理を施して、上記エッチング処理によって浸漬されないようにする必要がある。
【００２１】
以下図面を参照して本発明の金属−セラミックス複合基板について詳細に説明する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
【００２３】
図１に示すように両側端部の厚みが０．５ｍｍで、中央部の厚みが０．１ｍｍである異形断面を有する銅板１の中央部に２０ｍｍ×５０ｍｍ×０．６３５ｍｍのアルミナ基板２を嵌合し、更に、該基板２上に厚さ０．３ｍｍの回路状銅板３，３´を配置して得た積層体をこれらの位置がずれないようにして接合炉中に挿入した。
【００２４】
接合炉における熱処理条件として、窒素雰囲気下、酸素濃度を１５０ｐｐｍ±５ｐｐｍに安定させ、炉内の圧力を１．５気圧とし温度を上昇させて１０６０℃に達した後、１０６４℃まで昇温して冷却したが、この時１０６０℃以上の温度に５分間保持した。
【００２５】
炉冷後、これらの積層体を取り出したところ図２に示すようにアルミナ基板は上下の銅板と直接接合された複合体となっており最終的に回路面上に所定の部品等を配置した後ネジ止めすることによってヒートシンク体を不用とするパワーモジュール体を得た。
【００２６】
（実施例２）
【００２７】
実施例１で用いた異形断面銅板の中央部上にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉから成る金属活性ろう材４を塗布し、その上に２０ｍｍ×５０ｍｍ×０．６３５ｍｍのＡｌＮ基板２を嵌合し、更に厚さ０．３ｍｍの回路状銅板３，３´を上記ろう材を介して積層し、これらの積層体の位置がずれないようにして接合炉中に挿入した。
【００２８】
接合炉における熱処理条件として、１×１０^-4Ｔｏｒｒの真空中、最高温度８５０℃で２０分間熱処理を施して、これらＡｌＮ基板と上下の銅板とを接合した図２に示すと同様の接合体を得た。
【００２９】
（実施例３）
【００３０】
予めアルミナ基板を嵌合せしめる中央部上に金属活性ろう材４を塗布し、この中央部以外をドブ付けメッキ処理した異形断面銅板１を下板として用い、図３に示すように該下板１上に２０ｍｍ×５０ｍｍ×０．６３５ｍｍのアルミナ基板２、更に、その上に同形状で厚さ０．３ｍｍの回路形成用銅板５を積層した積層体を位置ずれしないようにして接合炉中に挿入した。
【００３１】
接合炉中の条件は、実施例１に示す条件と同一にして処理したところ、アルミナ基板２を介して上下の銅板としっかり接合することが確認できた。更に図４に示す様に回路形成用銅板５上に回路状に形成したレジスト６をスクリーン印刷し、遮光処理を施した。
【００３２】
次いで、これらを塩化第二鉄のエッチング液で処理することにより、図２に示すと同様の回路を有する複合体を得、実施例１と同様の図５に示すパワーモジュール体を得た。
【００３３】
（実施例４）
【００３４】
予め、全面をドブ付けメッキ処理した異形断面銅板を用い、該銅板の中央部上にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ（３％）の活性金属ろう材を塗布し、その上に２０ｍｍ×５０ｍｍ×０．６３５ｍｍのＡｌＮ基板を、更に、該基板上に所定回路形状に上記ろう材を塗布した上に２０ｍｍ×５０ｍｍ×０．３ｍｍの銅板を積層して接合炉中に挿入した。
【００３５】
接合炉中の条件は、実施例２に示す条件と同一にして処理して得た複合体の上部銅板上に、図４に示すと同様に回路パターンをエンチングレジストで形成した後、塩化第二鉄溶液でエッチング処理して銅の不要部分を除去してからエッチングレジスト膜を除去し、図５に示すような銅回路を有するＡｌＮ基板を得た。
【００３６】
このようにして得た複合体に実施例１と同様に他の部品をネジで結合することによって、従来のヒートシンク体を不要とする新規なパワーモジュール体を得ることができた。
【００３７】
【発明の効果】
本発明の金属−セラミックス複合基板は従来のようにヒートシンク体をこれらの複合体に付けることもなく、他の部品をネジ止めで結合できることから形状を小さく、且つ、安価に製造できる等の効果を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に用いられたセラミックス複合基板の製造工程を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施例１において得られたセラミックス複合基板の斜視図である。
【図３】本発明の実施例２に用いられたセラミックス複合基板の製造工程を示す斜視図である。
【図４】本発明の実施例２におけるレジストを配線パターンに印刷した状態を示す斜視図である。
【図５】本発明の実施例２において得られたセラミックス複合基板の斜視図である。
【符号の説明】
１ 銅板
２ 基板
３ 回路状銅板
３´ 回路状銅板
４ 金属活性ろう材
５ 回路形成用銅板
６ レジスト

Claims (4)

1. 異形断面として凹部を有する銅板と、底面が該銅板の凹部と接合するセラミックス基板と、該基板上に形成された回路とから構成され、該セラミックス基板の厚さが０．６３５ｍｍであり、該銅板の凹部の厚さが該セラミックス基板の厚さより小さいことを特徴とする金属−セラミックス複合基板。
2. 異形断面として凹部を有する銅板と、底面が該銅板の凹部と接合するセラミックス基板と、該基板上に形成された回路とから構成され、該セラミックス基板の厚さが０．６３５ｍｍであり、該銅板の凹部の厚さが０．１ｍｍであることを特徴とする金属−セラミックス複合基板。
3. 前記異形断面を有する銅板がめっきされてなることを特徴とする請求項１または２記載の金属−セラミックス複合基板。
4. 前記異形断面を有する銅板の凹部以外の部分に、他の部品を結合するためのネジ穴が形成されていることを特徴とする請求項１、２または３記載の金属−セラミックス複合基板。

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