JP3688884B2 - セラミック回路基板 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミック基板に金属回路板をロウ付けにより接合させたセラミツク回路基板に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、パワーモジュール用基板やスイッチングモジュール用基板等の回路基板として、セラミック基板上に銅等から成る金属回路板をロウ付けにより接合させたセラミック回路基板がよく用いられている。
【0003】
かかるセラミック回路基板は一般に、
(1)酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウム、酸化カルシウム等からなるセラミック原料粉末に有機溶剤、溶媒を添加混合して泥漿物を作り、次にこれを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等によりシート状に成形して四角形状のセラミックグリーンシート(セラミック生シート)を形成し、
(2)次に前記セラミックグリーンシートの表面に、タングステンやモリブデン等の高融点金属粉末に有機溶剤、溶媒を添加混合して得た金属ペーストをスクリーン印刷法等の厚膜形成技術を採用することによって所定パターンに印刷塗布し、
(3)次に前記金属ペーストを印刷塗布したセラミックグリーンシートを還元雰囲気中、約1600℃の温度で焼成し、セラミックグリーンシートと金属ペーストとを焼結一体化させて上面に金属層を有する酸化アルミニウム質焼結体から成るセラミック基板を形成し、
(4)最後に、前記セラミック基板上面の金属層上に銅等から成る所定パターンの金属回路板を間に銀ロウ等のロウ材を挟んで載置させるとともにこれを還元雰囲気中、約900℃の温度に加熱してロウ材を溶融させ、該溶融したロウ材で金属層の表面全面と金属回路板の下面全面とを接合することによって製作されている。
【0004】
なお、前記セラミック回路基板は、例えば、セラミック基板の両端にネジ止め用の貫通孔を形成しておき、セラミック回路基板を支持部材上に載置させるとともにセラミック回路基板の上面側より貫通孔内にネジ等を挿入し、そのネジの先端を支持部材に設けたネジ溝に螺着させることによって支持部材上に固定されるようになっている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来のセラミック回路基板においては、セラミック基板を形成する酸化アルミニウム質焼結体の熱膨張係数が約7ppm/℃、金属回路板を形成する銅の熱膨張係数が約18ppm/℃であり、両者の熱膨張係数が大きく相違することから、セラミック基板の表面に被着させた金属層に金属回路板をロウ付けによって接合させた場合、セラミック基板と金属回路板との間に両者の熱膨張係数の相違に起因する大きな応力が発生し、これがセラミック回路基板に凸状の反りを発生させるとともに一部がロウ材中に内在したものとなっている。
【0006】
そのためこのセラミック回路基板を支持部材上に、例えば、ネジ等を使用して固定した場合、セラミック回路基板に反りを是正する方向の応力が発生し、これがロウ材中に内在している応力と相埃って大きくなるとともに金属回路板の下面外周部に集中し、金属回路板の下面外周部に位置するセラミック基板にクラックや割れ等を発生させてしまう欠点を有していた。
【0007】
本発明は上記欠点に鑑み案出されたもので、その目的はセラミック基板の金属層に金属回路板を接合させる際に発生し、ロウ材に内在している応力と、セラミック回路基板を支持部材上に固定する際に発生する応力とが合成されて大きくなるのを防止し、これによってセラミック基板にクラックや割れ等が発生するのを有効に防止したセラミック回路基板を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、セラミック基板の上面に金属層を被着させるとともに、該金属層に金属回路板の下面をロウ付けして成るセラミック回路基板であって、前記金属回路板は下面外周部に前記セラミック基板の上面と当接する枠状の凸部を有しており、かつ該凸部で囲まれた内側の下面が前記金属層にロウ付けされていることを特徴とするものである。
【0009】
本発明のセラミック回路基板によれば、金属回路板の下面外周部にセラミック基板の上面に当接する枠状の凸部を設け、該凸部で囲まれた内側の下面をセラミック基板上面の金属層、あるいはセラミック基板上面に直接、ロウ付けするようになしたことから、セラミック回路基板を支持部材上に、例えば、ネジ等を使用して固定する際、セラミック回路基板に反りを是正する方向の応力が発生したとしてもその応力は金属回路板の凸部が当接している部位に集中してセラミック基板の金属層と金属回路板とを接合させるロウ材に作用することはなく、その結果、ロウ材に内在している応力とセラミック回路基板を支持部材上に固定する際に発生する応力とが合成されて大きくなるのを有効に防止し、これによってセラミック基板にクラックや割れ等が発生するのを防ぐことができる。
【0010】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
図1は、本発明のセラミック回路基板の−実施例を示し、1はセラミック基板、2は金属層、3は金属回路板である。
【0011】
前記セラミック基板1は四角形状をなし、その上面の中央領域に金属層2が被着されており、該金属層2には金属回路板3がロウ付けされている。
【0012】
前記セラミック基板1は、例えば、酸化アルミニウム質焼結体等から成り、酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウム、酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機溶剤、溶媒を添加混合して泥漿状と成すとともにこれを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等を採用し、シート状に成形してセラミツクグリーンシート(セラミック生シート)を得、次に、前記セラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施し、所定形状と成すとともにこれを高温(約1600℃)で焼成することによって、あるいは酸化アルミニウム等の原料粉末に適当な有機溶剤、溶媒を添加混合して原料粉末を調整するとともに該原料粉末をプレス成形機によってに所定形状に形成し、しかる後、前記形成体を約1600℃の温度で焼成することによって製作される。
【0013】
また前記セラミック基板1はその上面に金属層2が被着されており、該金属層2は金属回路板3をセラミック基板1にロウ付けする際の下地金属層として作用する。
【0014】
前記金属層2はタングステンやモリブデン、マンガン等の高融点金属粉末により形成されており、タングステンやモリブデン、マンガン等の高融点金属粉末に適当な有機バインダー、溶剤、可塑剤等を添加混合して得た金属ペーストを焼成によってセラミックス基板1となるセラミックグリーンシートの上面に予め従来周知のスクリーン印刷法等により所定パターンに印刷塗布しておくことによってセラミックス基板1の上面に所定パターン、所定厚み(10〜50μm)に被着される。
【0015】
なお、前記金属層2はその表面にニッケル、金等の良導電性で、耐蝕性及びロウ材との濡れ性が良好な金属をメッキ法により1μm乃至20μmの厚みに被着させておくと、金属層2の酸化腐食を有効に防止することができるとともに金属層2と金属回路板3とのロウ付けを極めて強固となすことができる。従って、前記金属層2の酸化腐食を有効に防止し、金属層2と金属回路板3とのロウ付けを強固となすには金属層2の表面にニッケル、金等の良導電性で、耐蝕性及びロウ材との濡れ性が良好な金属を1μm乃至20μmの厚みに被着させておくことが好ましい。
【0016】
また前記金属層2の上面には金属回路板3がロウ材4を介して取着されており、該金属回路板3はその下面外周部に、セラミック基板1の上面と当接する枠状の凸部3aが形成されており、金属回路板3の凸部3aで囲まれた内側の下面を金属層2にロウ材4でロウ付けすることによって金属回路板3はセラミック基板1上に取着されることとなる。
【0017】
前記金属回路板3は銅やアルミニウム等の金属材料から成り、セラミック基板1の上面に形成した金属層2上に金属回路板3を、該金属回路板3の凸部3aで囲まれた内側の下面と金属層2との間に、例えば、銀ロウ材(銀:72重量%、銅:28重量%)やアルミニウムロウ材(アルミニウム:88重量%、シリコン:12重量%)等から成るロウ材4を挟んで載置させ、しかる後、これを真空中もしくは中性、還元性雰囲気中、所定温度(銀ロウ材の場合は約900℃、アルミニウムロウ材の場合は約600℃)で加熱処理し、ロウ材4を溶融せしめるとともに金属層2の上面と金属回路板3の下面とに接合させることによってセラミック基板1上に取着されるこことなる。
【0018】
前記金属回路板3は半導体素子等の電子部品を外部電気回路に接続する作用をなし、その上面に半導体素子等の電子部品を固着させるとともに該半導体素子等の電極をボンディングワイヤ等の電気的接続手段を介して接続させ、しかる後、金属回路板3を外部電気回路に接続すれば、半導体素子等の電子部品は金属回路板3を介して外部電気回路に接続されることとなる。
【0019】
前記金属回路板3はまたその下面外周部にセラミック基板1の上面と当接する断面が四角形状をなす枠状の凸部3aが形成されており、該凸部3aはセラミック基板1に外力印加によって発生する応力がセラミック基板1と金属回路板3とを接合するロウ材4に印加されるのを防止する作用をなし、後述するセラミック基板1の両端に設けた貫通孔5内にネジ等を挿入してセラミック回路基板を支持部材上に固定する際、セラミック回路基板に反りを是正する方向の応力が発生したとしてもその応力は金属回路板3の凸部3aが当接している部位に集中して金属層2と金属回路板3とを接合させているロウ材4に作用することはなく、その結果、ロウ材4に内在している応力(セラミック基板1と金属回路板3との熱膨張係数の相違に起因して発生した応力)とセラミック回路基板を支持部材上に固定する際に発生する応力とは合成されて大きくなることが有効に防止され、セラミック基板1にクラックや割れ等が発生することはなくなる。
【0020】
なお、前記銅やアルミニウム等から成る金属回路板3は、銅やアルミニウム等のインゴット(塊)に圧延加工法や打ち抜き加工法等、従来周知の金属加工法を施すことによって、例えば、厚さが500μmで、金属層2のパターン形状に対応する所定パターン形状に形成される。
【0021】
また前記金属回路板3の下面外周部に設ける枠状の凸部3aは金属回路板3に、プレス加エや絞り加工等の機械的加工やエッチング加工等の化学的加工によって金属回路板3下面の外周部に、例えば、高さ100μm乃至200μm、幅0.1mm乃至2mm程度に形成される。
【0022】
更に前記枠状の凸部3aは金属回路板3の下面外周部全域にわたって設ける必要はなく、外周各辺に任意長さに設けておいて枠状としてもよい。
【0023】
また更に前記枠状の凸部3aはその断面が四角形状のものに限定されるものではなく、三角形状や半円形状等であってもよい。
【0024】
前記金属回路板3はまたその表面に、ニッケル、金等の良導電性で、且つ耐蝕性及びロウ材4との濡れ性が良好な金属をメッキ法により1μm乃至20μmの厚みに被着させておくと、金属回路板3の酸化腐蝕を有効に防止し、かつ金属回路板3と外部電気回路との電気的接続を良好となすとともに金属回路板3に半導体素子等の電子部品を強固に固着させることができる。従って、前記金属回路板3はその表面にニッケル、金等を1μm乃至20μmの厚みに被着させておくことが好ましい。
【0025】
また一方、前記四角形状をなすセラミックス基板1はその両端に上下に貫通する孔経が、例えば、3mm〜4mmの貫通孔5が形成されている。
【0026】
前記貫通孔5はセラミックス回路基板を支持部材(不図示)上にネジ等を用いて固定する際、ネジの挿通孔として作用し、セラミック回路基板を支持部材上に載置させるとともにセラミック基板1の上面側より貫通孔5内にネジ等を挿入し、そのネジの先端を支持部材に設けたネジ溝に螺着させることによってセラミック回路基板は支持部材上に固定されるようになっている。なお、この場合、セラミック回路基板に上面に凸状の反りが発生しており、ネジの螺着によってセラミック回路基板に反りを是正する方向の応力が発生したとしてもその応力は金属回路板3の凸部3aが当接している部位に集中して金属層2と金属回路板3とを接合させているロウ材4に作用することはなく、その結果、ロウ材4に内在している応力(セラミック基板1と金属回路板3との熱膨張係数の相違に起因して発生した応力)とセラミック回路基板を支持部材上に固定する際に発生する応力とは合成されて大きくなることは有効に防止され、セラミック基板1にクラックや割れ等が発生することはなくなる。
【0027】
前記貫通孔5はセラミックス基板1にドリル孔あけ加工を施すことによってセラミック基板1の両端の所定位置に所定形状に形成される。
【0028】
かくして、上述のセラミック回路基板によれば、セラミック基板1の上面に取着させた金属回路板3に半導体素子等の電子部品を固着させ、半導体素子等の電極をボンディングワイヤ等の電気的接続手段を介して金属回路板3に電気的に接続させれば半導体素子等の電子部品はセラミック回路基板に実装され、金属回路板3を外部電気回路に電気的に接続することによって半導体素子等の電子部品は外部電気回路と接続される。
【0029】
なお、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、本願発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能であり、例えば、セラミック回路基板として熱放散性が要求される場合には、セラミック基板を酸化アルミニウム質焼結体に変えて熱伝導率の優れた窒化アルミニウム質焼結体や窒化珪素質焼結体等で形成すればよい。
【0030】
【発明の効果】
本発明のセラミック回路基板によれば、金属回路板の下面外周部にセラミック基板の上面に当接する枠状の凸部を設け、該凸部で囲まれた内側の下面をセラミック基板上面の金属層にロウ付けするようになしたことから、セラミック回路基板を支持部材上に、例えば、ネジ等を使用して固定する際、セラミック回路基板に反りを是正する方向の応力が発生したとしてもその応力は金属回路板の凸部が当接している部位に集中してセラミック基板の金属層と金属回路板とを接合させるロウ材に作用することはなく、その結果、ロウ材に内在している応力とセラミック回路基板を支持部材上に固定する際に発生する応力とが合成されて大きくなるのを有効に防止し、これによってセラミック基板にクラックや割れ等が発生するのを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の配線基板の一実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
1・・・セラミック基板
2・・・金属層
3・・・金属回路板
3a・・凸部
4・・・ロウ材
5・・・貫通孔

Claims (1)

  1. セラミック基板の上面に金属層を被着させるとともに、該金属層に金属回路板の下面をロウ付けして成るセラミック回路基板であって、前記金属回路板は下面外周部に前記セラミック基板の上面と当接する枠状の凸部を有しており、かつ該凸部で囲まれた内側の下面が前記金属層にロウ付けされていることを特徴とするセラミック回路基板。
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