JP3886707B2

JP3886707B2 - セラミックス基板の製造方法

Info

Publication number: JP3886707B2
Application number: JP2000241698A
Authority: JP
Inventors: 兼温津曲
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2000-08-09
Filing date: 2000-08-09
Publication date: 2007-02-28
Anticipated expiration: 2020-08-09
Also published as: JP2002057413A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子部品用セラミックス基板の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
セラミックス基板には、一般的に反りが少ないことが要求される。しかし、電子部品用セラミックス基板の中には、図１２（ａ）に示すように、セラミックス基板１に金属回路１２が接合されるものがあり、この金属回路１２を接合しその後熱処理する際に金属回路１２の収縮により、図１２（ｂ）に示すように金属回路１２側に凹形状の反りが発生しやすく、この反りを相殺するために、セラミックス基板１をその反対側に故意に反らすことも行われている。
【０００３】
また、特開平１１−３３０３０８号公報では、図１３（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、パワーモジュール等のセラミックス回路基板１１において、金属回路１２上に装着してある電子部品１４が実使用時発熱しヒートサイクルがかかる。このため前述の図１２（ｂ）に示すように、金属回路１２側に適度に反りがありセラミックス基板１に圧縮応力が残留した状態の方が、このヒートサイクルに対し基板強度が高く、従ってセラミックス基板１には金属回路１２側に凹形状となる反りを形成する方が好ましいと示している。この反りの形成方法として、金属板１３とセラミックス基板１とを接合してセラミックス回路基板１１を形成した後に、該セラミックス回路基板１１に強制的に荷重を負荷することによりセラミックス基板１を金属回路１２側に凹曲面状に反らせる方法、またはセラミックス基板１の片面にホーニング加工或いは研磨加工を施すことにより反り量が５０〜１５０μｍの範囲となる凹曲面状を形成する方法を示している。
【０００４】
また、特開平１０−１６７８０４号公報では図１４（ａ）に示すように、セラミックスグリーンシート２を、全体的な曲面状の反りを有する焼成冶具１５上に載置し焼成することにより、図１４（ｂ）に示すように、焼成後のセラミックス１６に全体的な曲面状の反りを形成する方法を示している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
パワーモジュール用等の発熱の大きい用途においてセラミックス回路基板１１を実装する場合、ヒートシンク銅板への接合時等に発生する残留応力を増大させ、クラックが発生する問題、あるいは、その後、モジュールを使用時の繰り返し加熱冷却による応力のためにクラックが発生するという問題や、また、組立時にセラミックス回路基板１１を実装ボードにねじで締着固定しようとすると、ねじの僅かな締着力によってセラミックス基板１が破壊してしまうという問題があった。
【０００６】
これらを解決するため従来技術においては基板に反りを付けることが示されているが、基板に反りを形成する方法として前述の特開平１１−３３０３０８号公報のように、セラミックス回路基板１１を形成後に強制的に反りを付ける方法或いはセラミックス基板１を研磨加工等により反りを付ける方法においてはセラミックス基板１自体に欠陥を与え強度低下の原因となるという課題があった。また、セラミックス回路基板１１を実装ボードにねじで締着固定する際のセラミックス基板１破壊の対策としてセラミックス基板１自体の強度を向上することを示しているが、締着部のセラミックス基板１は曲面状でありその僅かな変形により締着時の応力集中があるという問題は解決されていなかった。
【０００７】
また、前述の図１４（ａ）（ｂ）に示すように、焼成治具１５によりセラミックス１６に反りを付ける方法においても焼成冶具１５の繰り返し焼成による経時的変化により、反りを常に一定の形状、値とすることが困難であった。
【０００８】
また、従来技術により形成されたセラミックス基板１の反りは、いずれも全体的な曲面状であるために、パワーモジュール用等の金属回路１２を形成する際において、図１５に示すように、まずセラミックス基板１の両主面にろう材１７ａ、１７ｂを印刷し、次に金属板１３ａ、１３ｂを基板の両主面に張り合わせ荷重をかけ焼成して接合させるが、このときにセラミックス基板１の周縁部１ａの反りが原因でろう材１７ａと金属板１３ａの間に隙間が発生し接合後、ろう材１７ａ部にボイドが発生し、その結果、金属板１３とセラミックス基板１の接合が不十分となる課題があった。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のセラミックス基板の製造方法は、セラミックス枠に焼結したセラミックス基板を載置し、上記セラミックス枠の中央に対応する上記セラミックス基板の中央部に重石を載置して高温で熱処理することにより、上記セラミックス基板が上記セラミックス枠に支えられている部位を周縁部として平坦とするとともに上記中央部を上記重石を載置した側で凹曲面状とすることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態について説明する。本発明により得られるセラミックス基板１は、図１に示すように、周縁部１ａは平坦で中央部１ｂが凹曲面状をなしたものであり、上記セラミックス基板１の厚みＴが１ｍｍ以下であり、凹曲面状の中央部１ｂの反り量Ａは５０〜１００μｍである。
【００１２】
ここで、反り量Ａを５０〜１００μｍとしたのは、セラミックス回路基板１１形成時の反りの戻りを考慮すると、金属回路１２を形成前の基板の反り量Ａは、５０μｍ以上あることが好ましく、一方、反り量Ａが１００μｍを越えると印刷工程或いは組み立て時の押圧等によりセラミックス基板１の割れが発生しやすくなるためである。
【００１３】
また、図２（ａ）に示す上記セラミックス基板１の長辺方向Ｘ並びに短辺方向Ｙのいずれの方向にも、図２（ｂ）（ｃ）に示すように、平坦な周縁部１ａの幅Ｄが５ｍｍ以上存在し、さらに、図２（ｄ）に示すようにこの周縁部１ａはうねりを含む反り量Ａ１が１５μｍ未満となることが好ましい。その理由は、セラミックス回路基板１１を実装ボードにねじで締着固定する場合に、上記平坦面を利用することにより締着時の部分的な応力集中を避け基板が破壊することを防止出来るという点と、前述したように、金属板１３を基板上に形成されたろう材１７と接合する際のボイドの発生が防止出来る点である。
【００１４】
本発明で使用されるセラミックス基板１の材質は、電気的絶縁性ならびに耐熱性に優れるセラミックス材料であればいずれを用いてもよく、好ましくはアルミナ、窒化アルミニウム、炭化珪素、ガラスセラミックス等であって、これらのセラミックス原料と焼結助剤、溶剤、バインダー等を含むスラリーまたは粉末を調整した後ドクターブレード法或いはロールコンパクション法等の公知の方法によりセラミックスグリーンシート２を成形する。該グリーンシート２を所定の形状に金型等で成型した後、所定の温度で焼成しセラミックス基板１を作製する。
【００１５】
次に、本発明により得られる上記セラミックス基板１の製造方法を詳細に説明する。まず焼結して得られた前述のセラミックス基板１を、図３（ａ）に示すように、セラミックス枠３に載置し、上記セラミックス基板１上にセラミックス板４と重石５を載置し高温で熱処理することにより、熱処理中にセラミックス基板１の中央部が撓んで凹曲面状となり、セラミックス基板１の周縁部１ａはセラミックス枠３に支えられているため平坦となる。
【００１６】
上記セラミックス枠３はセラミックス基板１の外径と同一サイズの四角形状で、図３（ｂ）に示すように、所定の幅Ｄ１をもつ枠状のものである。このセラミックス枠３に載置するセラミックス基板１の数量は１〜３０枚程度の範囲で良いがズレがないようにして載置し、また重石５は図３（ｃ）に示すように、セラミックス板４の中央に載置する。熱処理温度は前述のセラミックス基板１の焼結温度より低い温度で行う。以上より得られたセラミックス基板１は周縁部１ａの平坦性は維持したまま中央部１ｂが凹曲面状となる反り形状を付加することが出来る。
【００１７】
この周縁部１ａの平坦面の幅Ｄの調整はセラミックス枠３の幅Ｄ１で、また中央部１ｂの凹曲面状の反り量Ａは重石５の厚みＴ１で自由に調整することが可能である。
【００１８】
また、１シートの基板に複数の本発明により得られるセラミックス基板１を形成する場合には、前記セラミックス枠３を複数個連結したものを作製し、セラミックス基板１並びにセラミックス板４の載置方法は前述と同様であるが、重石５はセラミックス枠３のそれぞれの枠の中央に位置するように載置する。また、セラミックス基板１には、予め単体に分割するための分割線を入れたものを用い熱処理後に各単体に分割するか、或いは熱処理後にレーザースクライブにて分割用溝を加工し各単体に分割し、所望のセラミックス基板１を得る。
【００１９】
【実施例】
まず、ドクターブレード法によりＡｌ₂Ｏ₃含有量９９．６％のアルミナセラミックスのグリーンシート２を成形し、これを金型にて所定の形状に成型した後、ローラーハースキルン炉で焼成し、厚みＴが０．６３５ｍｍ、外辺サイズが５０ｍｍ×７０ｍｍのシート状セラミックス基板１を作製した。
【００２０】
次に、図４に示すように、上記セラミックス基板１をズレが無いようにして２０シート重ね焼成用棚板６で荷重を掛けた状態で１３５０℃で熱処理を行い、全体的な反り量Ａが５０μｍ以下で５ｍｍ当たりの部分的な凹凸が１５μｍ以下となるようなセラミックス基板１を作製し、以下の実施例にはこのセラミックス基板１を用いた。
【００２１】
（実施例１）
図５（ａ）に示すように、上記セラミックス基板１をズレが無いようにして１２枚重ね棚板６に載置してあるセラミックス枠３に載置し、さらにその上にセラミックス板４、重石５、棚板６の順で載置し、前述と同じく１３５０℃で熱処理を行い、図５（ｂ）に示すように周縁部１ａに平坦面を有し中央部１ｂが凹曲面状となる本発明のセラミックス基板１を作製した。
【００２２】
本発明実施例では、この四角形状のセラミックス枠３の厚みＴ２は０．１ｍｍで幅Ｄ１は表１に示すように、試料１＝３．５ｍｍ、試料２＝７ｍｍ、試料３＝１０．５ｍｍ、試料４＝１４ｍｍ、試料５＝１７．５ｍｍの５種類を用い、重石５の厚みＴ１は上記試料全て０．１ｍｍとし、また重石５の長辺寸法Ｌは上記セラミックス枠３の幅Ｄ１にそれぞれ対応させ、３．５ｍｍ、７ｍｍ、１０．５ｍｍ、１４ｍｍ、１７．５ｍｍとし、重石５の短辺寸法はセラミックス基板１の長辺寸法と重石５の長辺寸法Ｌの比率に合わせ、それぞれ２．５ｍｍ、５ｍｍ、７．５ｍｍ、１０ｍｍ、１４ｍｍとした。ここで得られた基板の反り量Ａ、周縁部１ａの平坦面の幅Ｄ、その周縁部１ａの平坦面の反り量Ａ１について、各試料毎１２シートのセラミックス基板１の平均値を表１に示す。
【００２３】
【表１】

【００２４】
以上の結果より本発明により得られる実施例の試料１〜５のいずれのセラミックス基板１においても中央部１ｂに５０〜１００μｍの範囲内の凹曲面状の反りが形成され、また、周縁部１ａの平坦面はセラミックス枠３の幅Ｄ１と関係があり、周縁部１ａには平坦面が形成され、その平坦面の幅Ｄを５ｍｍ以上とするには、セラミックス枠３の幅Ｄ１を７ｍｍ以上とすればよいことが解った。また、上記周縁部１ａの平坦面の反り量Ａ１は、全ての試料が１５μｍ未満を満足しており、これは本実施例で使用したセラミックス基板１を事前に、図４で示したように一旦平坦となるように熱処理で矯正したためである。
【００２５】
（実施例２）
次に、上記実施例１で得られた試料１〜５の各基板の両主面にＡｇ−Ｃｕ系の活性金属含有ろう材ペーストをスクリーン印刷法により塗布し乾燥した後、基板の凹面側主面に厚み０．３ｍｍの金属回路１２用Ｃｕ板を、基板の凸面側主面に厚み０．１５ｍｍの金属放熱用Ｃｕ板を接触配置し重石を載せ、真空中で熱処理しセラミックス基板１とＣｕ板の接合体を得た。
【００２６】
その後、上記Ｃｕ板上にエッチングレジストを回路パターンに印刷し硬化させた後、エッチング液を用いてパターン外のＣｕ板を除去した。次にＣｕパターン間の不要ろう材１７を除去した後、レジストを除去した。これらを超音波探知装置にてろう材１７部分のボイドの調査を行った。得られたセラミックス回路基板１１の反り量Ａ、ならびにボイドの発生有無についてその結果を表２に示す。尚、ボイドについては裸眼目視で確認できないものを○、確認できるものを×とした。
【００２７】
【表２】

【００２８】
以上の結果より、本発明により得られる実施例のセラミックス基板１の試料１〜５のいずれも、セラミックス回路基板１１を形成した状態において、その反りは金属回路１２用Ｃｕ板側が凹曲面状となる反りであって、回路形成前のセラミックス基板１の反り量Ａに対し各試料共反りが４０μｍ減少し、セラミックス回路基板１１での好ましい反り量Ａである０を越え１００μｍ以下の範囲内であった。
【００２９】
また、ろう材１７と金属回路１２用Ｃｕ板間へのボイドの発生の有無については、セラミックス基板１の周縁部１ａの平坦面の幅Ｄが２ｍｍである試料１でボイドが発生していたものの、上記周縁部１ａの平坦面の幅Ｄが５ｍｍ以上である試料２〜５においてはボイドの発生はなかった。
【００３０】
（実施例３）
次に、反り量Ａを制御する条件を見出すために、セラミックス枠３の厚みＴ２と重石５の厚みＴ１をそれぞれ変えた場合について実験を行った。セラミックス枠３の幅Ｄ１は７ｍｍとし、その厚みＴ２を０．１ｍｍ、０．２５ｍｍ、０．３８ｍｍ、０．６４ｍｍの４種類とし、重石５の長辺寸法Ｌは７ｍｍとし、その厚みＴ１を０．１ｍｍ、０．２５ｍｍ、０．３８ｍｍ、０．６４ｍｍの４種類として、他の条件は実施例１と同様にして熱処理を行った。尚、表３に示すように、重石５の厚みＴ１を０．１ｍｍとしセラミックス枠３の厚みＴ２を変えたものを試料１１〜１４に、同様に重石５の厚みＴ１を０．２５ｍｍとしたものを試料１５〜１７に、重石５の厚みＴ１を０．３８ｍｍとしたものを試料１８〜１９、重石５の厚みＴ１を０．６４ｍｍとしたものを試料２０とした。
【００３１】
熱処理後のセラミックス基板１は実施例１と同じく、周縁部１ａは平坦で中央部１ｂは凹曲面状の反りが形成されていて、各試料の反り量Ａは表３に示す。
【００３２】
【表３】

【００３３】
試料１１〜１４は重石５の厚みＴ１は０．１ｍｍでセラミックス枠３の厚みＴ２をそれぞれ変えているものの熱処理後のセラミックス基板１の反り量Ａはほぼ同じ値であった。このことは、重石５の厚みＴ１が０．２５ｍｍである試料１５〜１７と試料１８〜１９でも同じであり、以上のことより、セラミックス基板１の中央部１ｂの凹曲面状の反り量Ａを制御するためには、重石５の厚みＴ１を調整すれば良いことが解る。尚、本発明者はこの実験の前に、上記反り量Ａを左右するのはセラミックス枠３の厚みＴ２であると仮定しそのテストを実施したものの相関が見られず、この結果を踏まえて実施例３を行ったものである。
【００３４】
以上の結果より反り量Ａを５０μｍ〜１００μｍとするためには重石５の厚みＴ１を０．１ｍｍとしセラミックス枠３の厚みＴ２はいずれでも良いことが判る。ただし、セラミックス枠３を繰り返し使用することを考慮すると、上記厚みＴ２は０．３８ｍｍ以上とすることが強度的に好ましい。
【００３５】
（実施例４）
実施例１、実施例２についてはセラミックス基板１が１シートの単体としての場合であったが、分割用の分割線加工等を施した２個取りシートの場合についての実施例を以下に説明する。
【００３６】
本発明により得られる実施例の２個取りのセラミックス基板１は、図６に示すように、その中央に分割線１８が施されていて、上記セラミックス基板１のＸ方向からの断面図は図７に示すように、凹曲面状が二つあり、Ｙ方向の断面図は図８に示すように単一の凹曲面状となっている。（尚、ここでは周縁部１ａの平坦面も実施例１と同様に形成するが説明を割愛する。）その製造方法は、図９に示すように、セラミックス枠３を２個取り用の形状とし、また図１０に示すように、セラミックス板４に載置する重石５は図９で示したセラミックス枠３の空間部３ａの中央に位置するようにセラミックス板４に載置した。使用したセラミックス基板１は、その中央に金型で分割線１８が施されているものを、実施例１と同様に熱処理で一旦平坦にしたものである。
【００３７】
上記セラミックス基板１を、図１１（ａ）に示すように前述のセラミックス枠３、セラミックス板４、重石５を用い棚板６に載置しまた、重石５の上にも棚板６を載置し熱処理した。
【００３８】
次に、図１１（ｂ）に示すように熱処理が完了し、このセラミックス基板１の中央部の分割線１８を分割することにより、本発明である周縁部１ａは平坦で中央部１ｂに凹曲面状の反りを有するセラミックス基板１が得られた。実際の量産に於いては本実施例による方が効率的である。
【００３９】
【発明の効果】
このように、本発明のセラミックス基板の製造方法によれば、周縁部は平坦で中央部が凹曲面状となるセラミックス基板を精度よく形成することが可能で、周縁部の平坦面の幅ならびに中央部の凹曲面状の反り量を自由に調整出来る。
【００４０】
また本発明で得られたセラミックス基板をパワーモジュール用等のセラミックス回路基板として用いることによりセラミックス基板とろう材を介して接合する金属回路間に発生するボイドを低減出来、また、接合前のセラミックス基板に５０μｍ〜１００μｍの範囲で反りを付けることにより、耐ヒートサイクルに優れたセラミックス回路基板を形成出来る。さらに周縁部に平坦面を有するためにセラミックス回路基板を実装ボードへねじ等で締着する際に、この平坦面を利用することにより締着時の応力集中によるセラミックス基板の割れ等が防止出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明により得られるセラミックス基板の断面図である。
【図２】（ａ）は本発明により得られるセラミックス基板の平面図で、（ｂ）はＸ方向の断面図、（ｃ）はＹ方向の断面図、（ｄ）は周縁部の部分拡大断面図である。
【図３】（ａ）は本発明のセラミックス基板の製造方法である熱処理方法を示す断面図で、（ｂ）はセラミックス枠の平面図、（ｃ）はセラミックス板と重石の平面図である。
【図４】本発明により得られるセラミックス基板の熱処理方法を示す断面図である。
【図５】（ａ）は本発明のセラミックス基板の製造方法を示す熱処理前の断面図で、（ｂ）は熱処理後の断面図である。
【図６】本発明の応用例により得られるセラミックス基板の平面図である。
【図７】本発明の応用例により得られるセラミックス基板のＸ方向の断面図である。
【図８】本発明の応用例により得られるセラミックス基板のＹ方向の断面図である。
【図９】本発明の応用例により得られるセラミックス枠の平面図である。
【図１０】本発明の応用例により得られるセラミックス板と重石の平面図である。
【図１１】（ａ）は本発明の応用例であるセラミックス基板の製造方法を示す熱処理前の断面図で、（ｂ）は熱処理後の断面図である。
【図１２】（ａ）（ｂ）は従来のセラミックス回路基板の断面図である。
【図１３】（ａ）は従来のセラミックス回路基板の断面図で、（ｂ）は金属回路側からみた平面図、（ｃ）は金属板側からみた平面図である。
【図１４】（ａ）は従来の反り形成方法の一例を示す断面図で、（ｂ）は得られた曲面状のセラミックスの断面図である。
【図１５】従来のセラミックス回路基板の周縁部の拡大断面図である。
【符号の説明】
１：セラミックス基板
１ａ：周縁部
１ｂ：中央部
２：グリーンシート
３：セラミックス枠
３ａ：空間部
４：セラミックス板
５：重石
６：棚板
１１：セラミックス回路基板
１２：金属回路
１３、１３ａ、１３ｂ：金属板
１４：電子部品
１５：焼成治具
１６：セラミックス
１７、１７ａ、１７ｂ：ろう材
１８：分割線
Ａ、Ａ１：反り量
Ｄ、Ｄ１：幅
Ｌ：押さえの長辺寸法
Ｔ、Ｔ１、Ｔ２：厚み

Claims

セラミックス枠に焼結したセラミックス基板を載置し、上記セラミックス枠の中央に対応する上記セラミックス基板の中央部に重石を載置して高温で熱処理することにより、上記セラミックス基板が上記セラミックス枠に支えられている部位を周縁部として平坦とするとともに上記中央部を上記重石を載置した側で凹曲面状とすることを特徴とするセラミックス基板の製造方法。