JP3758939B2 - セラミック回路基板 - Google Patents
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Description
【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したセラミッ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被着させたメタライズ金属層に銀−銅合金等のロウ材を介して銅等から成る金属回路板を接合させたセラミック回路基板が用いられている。
【0003】
かかるセラミック回路基板は、一般に酸化アルミニウム質焼結体から成るセラミック基板の表面にメタライズ金属層を被着させておき、該メタライズ金属層に銅等の金属材料から成る金属回路板を銀ロウ等のロウ材を介しロウ付けすることによって形成されており、具体的には、例えば、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バインダー、可塑剤、溶剤等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のテープ成形技術を採用して複数のセラミックグリーンシートを得、次に前記セラミックグリーンシート上にタングステンやモリブデン等の高融点金属粉末に適当な有機バインダー、溶剤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印刷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、次に前記金属ペーストが所定パターンに印刷塗布されたセラミックグリーンシートを必要に応じて上下に積層するとともに還元雰囲気中、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を焼結一体化させて表面にメタライズ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、最後に前記セラミック基板表面のメタライズ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メタライズ金属層と金属回路板とを接合することによって製作される。
【0004】
【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、一般にセラミック基板が酸化アルミニウム質焼結体により形成されており、該酸化アルミニウム質焼結体は熱伝達率が20W/m・Kと小さいため金属回路板上に載置固定された電子部品の作動時に発生する熱をセラミック基板を介して外部に効率よく放散させることができず、その結果、電子部品が該電子部品の発する熱によって高温となり、電子部品に熱破壊や特性に劣化を招来して電子部品を安定に、かつ信頼性よく作動させることができないという問題点を有していた。
【0005】
そこで上記問題点を解決するために、セラミック基板を熱伝達率が60W/m・K以上と非常に高い窒化珪素質焼結体で形成することが考えられる。
【0006】
かかるセラミック基板を窒化珪素質焼結体で形成した場合、窒化珪素質焼結体は固相焼結であり、ガラス質をあまり含有しておらずメタライズ金属層の強固な被着が困難であるため窒化珪素質焼結体からなるセラミック基板への金属回路板の取着は窒化珪素質焼結体と直接反応して接合するチタン、ジルコニウム、ハフニウム及び/またはそれらの水素化物を少なくとも1種含有させた活性金属ロウ材を使用しなければならない。
【0007】
しかしながら、窒化珪素質焼結体は固相焼結を容易に行うために内部に焼結助剤が多量に含有され、その一部が窒化珪素質焼結体の表面に15〜20%程度の面積で存在しており、かかる焼結助剤は活性金属ロウ材と濡れ性が悪いため窒化珪素質焼結体からなるセラミック基板に活性金属ロウ材を介して金属回路板を強固に接合させることはできずセラミック回路基板としての信頼性が低いものとなる欠点を誘発する。
【0008】
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と金属回路板との接合を強固とし、かつ搭載される電子部品の発生する熱を外部に効率よく放散することができるセラミック回路基板を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、セラミック基板の表面に活性金属ロウ材を介して金属回路板を取着して成るセラミック回路基板であって、前記セラミック基板は主成分としての窒化珪素と焼結助剤とで形成されている窒化珪素質焼結体から成り、前記セラミック基板の表面にブラスト処理を施して前記焼結助剤を選択的に除去することにより、前記セラミック基板の前記表面における前記金属回路板が取着される領域の面積に対し、前記金属回路板が取着される領域において前記焼結助剤が露出している領域の面積が5%以下であることを特徴とするものである。
【0010】
本発明のセラミック回路基板によれば、セラミック基板を熱伝達率が60W/m・K以上と非常に高い窒化珪素質焼結体で形成したことから、金属回路板に載置固定された電子部品が作動時に大量の熱を発生したとしてもその熱は金属回路板およびセラミック基板を介して大気中に良好に放散され、その結果、電子部品は適温となり、電子部品を常に安定、かつ正常に作動させることが可能となる。
【0011】
また、本発明のセラミック回路基板によれば、金属回路板の取着されるセラミック基板表面の面積に対し、該表面に露出している焼結助剤の面積を5%以下としたことからセラミック基板と活性金属ロウ材との接合面積が広いものとなり、その結果、セラミック基板に対する金属回路板の取着を極めて強固となすことが可能となる。
【0012】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を添付図面に示す実施例に基づき詳細に説明する。
【0013】
図1は、本発明のセラミック回路基板の一実施例を示し、1はセラミック基板、2は活性金属ロウ材、3は金属回路板である。
【0014】
前記セラミック基板1は四角形状をなし、その上面に活性金属ロウ材2を介して金属回路板3がロウ付けされている。
【0015】
前記セラミック基板1は金属回路板3を支持する支持部材として作用し、窒化珪素質焼結体で形成されている。
【0016】
前記窒化珪素質焼結体から成るセラミック基板1はその熱伝達率が60W/m・K以上であり、熱を伝え易いことから金属回路板3に電子部品を載置固定し、該電子部品が多量の熱を発生したとしてもその熱は金属回路板3およびセラミック基板1を介して大気中に良好に放散され、その結果、電子部品は適温となり、電子部品を常に安定、かつ正常に作動させることができる。
【0017】
前記窒化珪素質焼結体から成るセラミック基板1は、窒化珪素、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム等の原料粉末と酸化イットリウム、酸化セシウム、酸化サマリウム、酸化エルビウム、酸化イッテリビウム、酸化ルテニウム等の希土類元素から成る焼結助剤粉末に適当な有機バインダー、可塑剤、溶剤を添加混合して泥漿状となすとともに該泥漿物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を採用することによって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、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、所定形状となすとともに必要に応じて複数枚を積層して成形体となし、しかる後、これを窒素雰囲気等の非酸化性雰囲気中、1600乃至2000℃の高温で焼成することによって製作される。
【0018】
また前記窒化珪素質焼結体から成るセラミック基板1は、その上面に金属回路板3が活性金属ロウ材2を介してロウ付け取着されている。
【0019】
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、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、所定パターン形状に製作される。
【0020】
前記金属回路板3は銅から成る場合、金属回路板3を無酸素銅で形成しておくと、該無酸素銅はロウ付けの際に銅の表面が銅中に存在する酸素により酸化されることなく活性金属ロウ材2との濡れ性が良好となり、セラミック基板1への活性金属ロウ材2を介しての接合が強固となる。従って、前記金属回路板3はこれを無酸素銅で形成しておくことが好ましい。
【0021】
また前記金属回路板3はその表面にニッケルから成る良導電性で、かつ耐蝕性及び活性金属ロウ材2との濡れ性が良好な金属をメッキ法により被着させておくと、金属回路板3と外部電気回路との電気的接続を良好と成すとともに金属回路板3に半導体素子等の電子部品を半田を介して強固に接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から成る良導電性で、かつ耐蝕性及び活性金属ロウ材2との濡れ性が良好な金属をメッキ法により被着させておくことが好ましい。
【0022】
更に前記金属回路板3の表面にニッケルから成るメッキ層を被着させる場合、内部に燐を8〜15重量%含有させてニッケル−燐のアモルファス合金としておくとニッケルから成るメッキ層の表面酸化を良好に防止して活性金属ロウ材2との濡れ性等を長く維持することができる。従って、前記金属回路板3の表面にニッケルから成るメッキ層を被着させる場合、内部に燐を8〜15重量%含有させてニッケル−燐のアモルファス合金としておくことが好ましい。
【0023】
なお、前記金属回路板3の表面にニッケル−燐のアモルファス合金からなるメッキ層を被着させる場合、ニッケルに対する燐の含有量が8重量%未満、あるいは15重量%を超えたときニッケル−燐のアモルファス合金を形成するのが困難となってメッキ層に半田を強固に接着させることができなくなる危険性がある。従って、前記金属回路板3の表面にニッケル−燐のアモルファス合金からなるメッキ層を被着させる場合いはニッケルに対する燐の含有量を8〜15重量%の範囲としておくことが好ましく、好適には10〜15重量%の範囲がよい。
【0024】
また、前記金属回路板3の表面に被着されるニッケルから成るメッキ層は、その厚みが1.5μm未満の場合、金属回路板3の表面をニッケルから成るメッキ層で完全に被覆することができず、金属回路板3の酸化腐蝕を有効に防止することができなくなる危険性があり、また3μmを超えるとニッケルから成るメッキ層の内部に内在する内在応力が大きくなってセラミック基板1に反りや割れ等が発生してしまう。特にセラミック基板1の厚さが700μm以下の薄いものになった場合にはこのセラミック基板1の反りや割れ等が顕著となってしまう。従って、前記金属回路板3の表面に被着されるニッケルから成るメッキ層はその厚みを1.5μm〜3μmの範囲としておくことが好ましい。
【0025】
更に前記セラミック基板1に金属回路板3をロウ付け取着する活性金属ロウ材2はセラミック基板1と金属回路板3とを接合する接合材として作用し、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%)等から成るロウ材にチタン、タングステン、ハフニウム及び/またはその水素化物の少なくとも1種を2乃至5重量%添加したものが好適に使用される。
【0026】
前記活性金属ロウ材2によるセラミック基板1への金属回路板3の取着は、セラミック基板1上に金属回路板3を間に活性金属ロウ材2を挟んで載置し、次にこれを真空中もしくは中性、還元雰囲気中、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、活性金属ロウ材2を溶融せしめるとともにセラミック基板1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行われる。
【0027】
本発明においては金属回路板3が取着されるセラミック基板1の表面面積に対し、該表面に露出している焼結助剤の面積を5%以下としておくことが重要である。
【0028】
前記金属回路板3が取着されるセラミック基板1表面の焼結助剤面積を5%以下としておくとセラミック基板1に金属回路板3を活性金属ロウ材2を介して取着する際、セラミック基板1と活性金属ロウ材2との接合面積が広いものとなり、その結果、セラミック基板1に対する金属回路板3の取着を極めて強固となすことができる。
【0029】
前記セラミック基板1は、その表面の焼結助剤面積が5%を超えると、セラミック基板1と活性金属ロウ材2との接合面積が小さくなってセラミック基板1と活性金属ロウ材2との接合強度が弱いものとなってしまう。従って、前記セラミック基板1の金属回路板3が取着される表面の焼結助剤面積は5%以下の範囲に特定される。
【0030】
なお、前記セラミック基板1の表面に露出する焼結助剤の面積を5%以下とするにはセラミック基板1を形成する窒化珪素に比べ焼結助剤が柔らかいことを利用し、セラミック基板1の表面に特殊なブラスト処理を施こし、焼結助剤を選択的に除去することによって行われる。
【0031】
また前記特殊なブラスト処理としては、具体的には、粒径20〜250μmのアルミナ球状粉末等の研磨剤を適量添加した水等の溶液を0.1〜0.5MPaの吹きつけ圧力でセラミック基板1の上面に1〜10分間吹き付けることによって実施され、このブラスト処理によりセラミック基板1表面の焼結助剤面積は5%以下となる。
【0032】
前記ブラスト処理において、アルミナ球状粉末の粒径が20μm未満となるとセラミック基板1の表面に露出する焼結助剤を効率よく除去するのが困難となって露出する焼結助剤の面積を5%以下にするのができなくなる危険性があり、また250μmを超えるとセラミック基板1の表面に20MPaを超える残留応力が内在し、セラミック基板1に金属回路板3を安定して強固に接合させることができなくなる危険性がある。従って、前記アルミナ球状粉末の粒径は20〜250μmの範囲としておくことが好ましい。
【0033】
また前記吹きつけ圧力は0.1MPa未満となるとセラミック基板1の表面に露出する焼結助剤を効率よく除去するのが困難となって露出する焼結助剤の面積を5%以下にするのができなくなる危険性があり、また0.5MPaを超えるとセラミック基板1の表面に20MPaを超える残留応力が内在し、セラミック基板1に金属回路板3を安定して強固に接合させることができなくなる危険性がある。従って、前記吹きつけ圧力は0.1〜0.5MPaの範囲としておくことが好ましい。
【0034】
かくして、上述のセラミック回路基板によれば、金属回路板3の上面に半田を間に挟んで電子部品の電極を当接させ、しかる後、これを所定温度(約180℃)に加熱し、半田を溶融させるとともに該溶融した半田を金属回路板3及び電子部品の電極に接合させることによって電子部品は金属回路板3に電気的に接続され、金属回路板3を外部電気回路に接続すれば電子部品は金属回路板3を介して外部電気回路に電気的に接続されることとなる。
【0035】
なお、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の趣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、上述の実施例ではセラミック基板1の表面に研磨剤を含有した溶液を吹き付けるブラスト処理を施すことによってセラミック基板1の表面に露出する焼結助剤を選択的に除去したが、これに限定されるものではなく、水とアルミナ粉末から成るメディアが収容されている容器内にセラミック基板1を投入し、しかる後、前記容器を回転、或いは振動させメディアをセラミック基板1の表面の露出する焼結助剤に接触させて除去する、いわゆる、回転バレル処理や振動バレル処理等の方法を用いてもよい。
【0036】
【発明の効果】
本発明のセラミック回路基板によれば、セラミック基板を熱伝達率が60W/m・K以上と非常に高い窒化珪素質焼結体で形成したことから、金属回路板に載置固定された電子部品が作動時に大量の熱を発生したとしてもその熱は金属回路板およびセラミック基板を介して大気中に良好に放散され、その結果、電子部品は適温となり、電子部品を常に安定、かつ正常に作動させることが可能となる。
【0037】
また、本発明のセラミック回路基板によれば、金属回路板の取着されるセラミック基板表面の面積に対し、該表面に露出している焼結助剤の面積を5%以下としたことからセラミック基板と活性金属ロウ材との接合面積が広いものとなり、その結果、セラミック基板に対する金属回路板の取着を極めて強固となすことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のセラミック回路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・・・・活性金属ロウ材
3・・・・金属回路板
Claims (2)
- セラミック基板の表面に活性金属ロウ材を介して金属回路板を取着して成るセラミック回路基板であって、
前記セラミック基板は主成分としての窒化珪素と焼結助剤とで形成されている窒化珪素質焼結体から成り、
前記セラミック基板の表面にブラスト処理を施して前記焼結助剤を選択的に除去することにより、前記セラミック基板の前記表面における前記金属回路板が取着される領域の面積に対し、前記金属回路板が取着される領域において前記焼結助剤の露出面積を5%以下としたことを特徴とするセラミック回路基板。 - 前記ブラスト処理は、粒径20〜250μmの研磨剤が添加された溶液を0.1〜0.5MP a の吹き付け圧力で1〜10分間、前記セラミック基板の前記表面に吹き付けることにより施されることを特徴とする請求項1記載のセラミック回路基板。
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