JP4018992B2 - 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、セラミック基板に銅または銅合金から成る金属回路板を活性金属ろう材を介して接合して成るセラミック回路基板に関する。
【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活性金属ろう材を介して銅または銅合金等から成る金属回路板を接合して成るセラミック回路基板が用いられている。
【０００３】
このようなセラミック回路基板は、具体的には以下の方法によって製作される。まず、銀−銅合金にチタン，ジルコニウム，ハフニウムおよびこれらの水素化物の少なくとも１種を添加した活性金属粉末に有機溶剤、溶媒を添加混合して成る活性金属ろう材ペーストを準備する。
【０００４】
次に、例えばセラミック基板が酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、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、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により複数のセラミックグリーンシート（以下、グリーンシートともいう）を得た後、これらを所定寸法に切断し、次にグリーンシートを必要に応じて複数枚積層するとともに還元雰囲気中で約1600℃の温度で焼成し、グリーンシートを焼結一体化させてセラミック基板を形成する。
【０００５】
次に、セラミック基板に活性金属ろう材ペーストを所定のパターンに印刷するとともに乾燥し、しかる後、活性金属ろう材ペースト上に銅または銅合金から成る金属回路板を載置する。
【０００６】
最後に、セラミック基板と金属回路板との間に配した活性金属ろう材ペーストを非酸化性雰囲気中で約900℃の温度に加熱して溶融させ、この活性金属ろう材によりセラミック基板と金属回路板とを接合することによって、セラミック回路基板が製作される。
【０００７】
このようにして製作されたセラミック回路基板は、これにＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor−Field Effect Transistor）等の半導体素子を半田等の接着材を介して実装した後、外部入出力用の端子が一体成型された樹脂ケース内に装着され、半導体モジュールとなる。そして、この半導体モジュールは、ロボットなどの産業機器から電車の駆動部や電気自動車などの幅広い用途に使用され、厳しい環境下での高い信頼性が要求されている。
【０００８】
しかしながら、この端子一体成型の樹脂ケースの製作には、成型用金型が必要であり製造コストが高いことから、半導体モジュールの製造コストが増加する難点があった。また、端子一体成型の樹脂ケースにセラミック回路基板を組み込んだ後、樹脂ケースの端子部とセラミック回路基板の金属回路板とをボンディングワイヤなどで電気的に接続する必要もあり、製造工程数が増加するという問題点があった。
【０００９】
このため、端子を金属回路板に半田や超音波接合法等で直接接合するセラミック回路基板や、金属回路板の一部を端子として延出させた端子一体型のセラミック回路基板が採用されるようになってきている。
【００１０】
しかしながら、半田により端子を金属回路板に接合する場合、その後の半導体素子などの電子部品を実装するときの加熱によって接合がはずれないように、その加熱温度よりも融点が高い90％鉛−錫合金等の高温半田（融点300℃程度）が必要であることから、この高温半田を加熱溶融させることによる熱履歴によって、金属回路板とセラミック基板との熱膨張差によりセラミック基板にクラックが発生する。また、回路パターンを外部環境から保護したり、電子部品をプリント配線板に表面実装する際に行われる半田付け工程で不必要な部分に半田が付着しないようにするための250℃程度の耐熱性しかないエポキシ樹脂系のソルダーレジストが使用できないという問題点を有していた。
【００１１】
また、超音波接合によって端子を接合する場合、例えば金属回路板に接触させた端子の接合部の表面には10〜50ＭＰａの圧力で超音波発振ホーンが押圧されるため、この高圧力が端子の接合部直下のセラミック基板に金属回路板とろう材とを介して加わり、また超音波振動により発生する約500℃以上の熱が瞬間的に端子の接合部直下のセラミック基板に加わることにより、セラミック基板に微小なクラックが生じることがあり、その場合、セラミック回路基板の機械的強度が低下し、信頼性が著しく劣化するという問題点を有していた。
【００１２】
このような問題点を解決するために、構造がよりシンプルで実装の工程数が少なく信頼性の高い、金属回路板の一部を端子部として延出させた端子一体型のセラミック回路基板が採用されるようになってきている。この金属回路板は、圧延加工法や打ち抜き加工法等の従来周知の金属加工法を施すことによって、所望の回路配線パターン形状に製作される。または、セラミック基板と略同形状の金属板をろう付けした後にエッチングにより不要な金属部分を除去して回路配線パターンの形成を行なうことによって製作される。
【００１３】
なお、この場合、図３に従来のセラミック回路基板の断面図で示すように、セラミック基板１と活性金属ろう材３との接合端ａと、金属回路板２と活性金属ろう材３との接合端ｂとは対向する位置にある。すなわち、セラミック回路基板を平面視したときに重なった位置となっている。
【００１４】
【特許文献１】
特開2002−164461号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図３のセラミック回路基板においては、セラミック回路基板に超音波接合等による熱衝撃が繰り返し加えられた際に、セラミック基板１と活性金属ろう材３との接合端ａに、セラミック基板１と活性金属ろう材３との間に生じる両者の熱膨張差により発生する熱応力と、金属回路板２と活性金属ろう材３との間に生じる両者の熱膨張差により発生する熱応力とが重畳して加わることとなり、セラミック基板１と活性金属ろう材３との接合端ａにクラックが発生しやすくなり、その結果、接合強度や熱伝導性、電気絶縁性が低下し、信頼性が低下するという問題点を有していた。
【００１６】
したがって、本発明は上記問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、端子一体型のセラミック回路基板において、セラミック基板と金属回路板とを活性金属ろう材を介して接合した後に熱衝撃が繰り返し加えられても、セラミック基板の活性金属ろう材との接合端に熱膨張差により発生する熱応力が集中することが無く、その結果、セラミック基板にクラックが発生しない、信頼性の高いセラミック回路基板を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明のセラミック回路基板は、セラミック基板の上面に活性金属ろう材を介して銅または銅合金から成る金属回路板が接合され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、その上面で前記活性金属ろう材の端部に形成された傾斜したメニスカスの直下の部位に、前記金属回路板と前記活性金属ろう材との接合端と対向する位置から前記接合端よりも内側に存在する前記セラミック基板と前記活性金属ろう材との接合端にわたる開口を有する溝状の前記セラミック基板と前記活性金属ろう材との非接合領域が、前記セラミック基板と前記活性金属ろう材との接合端に沿って設けられていることを特徴とする。
【００１８】
本発明のセラミック回路基板は、セラミック基板は、その上面で活性金属ろう材の端部に形成された傾斜したメニスカスの直下の部位に、金属回路板と活性金属ろう材との接合端と対向する位置からその接合端よりも内側に存在するセラミック基板と活性金属ろう材との接合端にわたる開口を有する溝状のセラミック基板と活性金属ろう材との非接合領域が、セラミック基板と活性金属ろう材との接合端に沿って設けられていることから、セラミック回路基板を平面視したときに金属回路板と活性金属ろう材との接合端およびセラミック基板と活性金属ろう材との接合端が重なることはない。その結果、セラミック回路基板に繰り返し熱衝撃が加えられた際に、セラミック基板と活性金属ろう材との接合端に、セラミック基板と活性金属ろう材との間に生じる両者の熱膨張差により発生する熱応力と、金属回路板と活性金属ろう材との間に生じる両者の熱膨張差により発生する熱応力とが重畳して加わることがなくなる。したがって、セラミック基板と活性金属ろう材との接合端にクラックが発生して接合強度や熱伝導性、電気絶縁性が低下することのない信頼性の高いセラミック回路基板とすることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明のセラミック回路基板について以下に詳細に説明する。図１は、本発明のセラミック回路基板の実施の形態の一例を示す断面図、図２は図１のセラミック回路基板の平面図である。これらの図において、１はセラミック基板、２は金属回路板、３は活性金属ろう材、４は金属回路板２の端子部、５は溝状の非接合領域、Ａはセラミック基板１と活性金属ろう材３との接合端、Ｂは金属回路板２と活性金属ろう材３との接合端である。なお、図２では溝状の非接合領域５を点線で示している。
【００２０】
本発明のセラミック回路基板は、セラミック基板１の上面に活性金属ろう材３を介して銅または銅合金から成る金属回路板２が接合されて成るセラミック回路基板であって、セラミック基板１は、その上面で活性金属ろう材３の端部に形成された傾斜したメニスカスの直下の部位に、金属回路板２と活性金属ろう材３との接合端Ｂと対向する位置から接合端Ｂよりも内側に存在するセラミック基板１と活性金属ろう材３との接合端Ａにわたる開口を有する溝状のセラミック基板１と活性金属ろう材３との非接合領域５が、セラミック基板１と活性金属ろう材３との接合端Ａに沿って設けられている。
【００２１】
本発明におけるセラミック基板１は、その一辺の長さが20〜200ｍｍ程度、厚みが0.2〜1.0ｍｍ程度の四角形状であり、その上面に銅または銅合金から成る金属回路板２が活性金属ろう材３を介して接合される。このセラミック基板１は、金属回路板２を支持する支持部材であり、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）質焼結体（アルミナセラミックス），ムライト（３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２）質焼結体，炭化珪素（ＳｉＣ）質焼結体，窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質焼結体，窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）質焼結体等の電気絶縁材料であるセラミックスから成る。
【００２２】
またセラミック基板１は、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、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、可塑剤、溶剤を添加混合して泥漿状となし、その泥漿物を用いて従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法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で、以下、グリーンシートともいう）を得、しかる後、グリーンシートに適当な打ち抜き加工を施すとともに必要に応じて複数枚積層し、約1600℃の高温で焼成することによって製作される。
【００２３】
セラミック基板１は、その厚みを0.2〜1.0ｍｍとすることがよく、セラミック回路基板の小型化、薄型化の要求を満足するため、金属回路板２を接合したときのセラミック基板１の割れ抑制のため、および搭載される半導体素子（図示せず）が発生する100℃以上の熱の伝熱性を向上させるためといった点で好ましい。セラミック基板１の厚みが0.2ｍｍ未満では、セラミック基板１に金属回路板２を接合したときに発生する熱応力により、セラミック基板１に割れ等が発生しやすくなる傾向がある。他方、1.0ｍｍを超えると、セラミック回路基板の薄型化への対応が困難となるとともに、搭載される半導体素子が発生する100℃以上の熱をセラミック基板１を介して良好に放熱することが困難となる傾向がある。
【００２４】
また、金属回路板２は、銅または銅合金から成り、その一端部は外部電気回路（図示せず）と電気的に接続される端子部４とされており、セラミック基板１の上面に活性金属ろう材３を介して以下のようにして接合される。
【００２５】
まず、銀−銅合金粉末等から成る銀ろう粉末やアルミニウム−シリコン合金粉末等から成るアルミニウムろう粉末に、チタン，ジルコニウム，ハフニウム等の活性金属やその水素化物の少なくとも１種から成る活性金属粉末を２〜５質量％添加した活性金属ろう材３に、適当な有機溶剤、溶媒を添加混合して得た活性金属ろう材ペーストを、セラミック基板１の上面に従来周知のスクリーン印刷法で金属回路板２に対応した所定パターンに印刷する。なお、金属回路板２の端子部４は、セラミック基板１の上面に対してほぼ垂直に折り曲げて使用されるため、セラミック基板１の端子部４に対応する部分には活性金属ろう材ペーストを印刷しない。
【００２６】
そして、金属回路板２を活性金属ろう材ペーストのパターン上に載置し、または活性金属ろう材ペーストが印刷されたセラミック基板１を金属回路板２上に活性金属ろう材ペーストが金属回路板２と接合するように載置し、これらを真空中、または中性もしくは還元雰囲気中で、所定温度（約900℃）で加熱処理し、活性金属ろう材ペーストを溶融させることにより、セラミック基板１の上面に金属回路板２が接合されセラミック回路基板となる。
【００２７】
なお、セラミック基板１と金属回路板２との接合は、活性金属ろう材３がセラミック基板１上面の溝状の活性金属ろう材３との非接合領域５に流入しないように、活性金属ろう材ペーストが印刷されたセラミック基板１を金属回路板２上に載置して行なうことが好ましい。または、金属回路板２のセラミック基板１との接合領域に活性金属ろう材ペーストを印刷し、活性金属ろう材ペーストが印刷された金属回路板２上にセラミック基板１を載置して接合することが好ましい。
【００２８】
そして、上記のようにセラミック基板１と金属回路板２との組立体を加熱して活性金属ろう材ペーストを溶融させると、溶融して膨張した活性金属ろう材ペーストは金属回路板２の表面を濡れて外側に広がるが、セラミック基板１の非接合領域５においては濡れ広がるのが有効に抑制される。すなわち、セラミック基板１のセラミック表面は元々活性金属ろう材３の濡れ性が悪い（溶融した活性金属ろう材３の接触角が大きい）うえに、溝状の非接合領域５の端では溶融した活性金属ろう材３に対する接触角がより大きくなっているため、溶融した活性金属ろう材３が非接合領域５に入り込むのを効果的に抑えることができる。その結果、活性金属ろう材３の端部に図１のような傾斜したメニスカスが形成される。
【００２９】
また、金属回路板２は、銅または銅−亜鉛合金（亜鉛の含有量が30質量％以下）、銅−錫合金（錫の含有量が５質量％以下）、銅−白金合金（白金の含有量が５質量％以下）、銅−パラジウム合金（パラジウムの含有量が５質量％以下）、銅−ニッケル合金（ニッケルの含有量が５質量％以下）等の銅合金のインゴット（塊）に、圧延加工法や打ち抜き加工法等の従来周知の金属加工法を施すことによって、例えば厚さ0.5ｍｍの所望の回路配線パターン形状に製作される。このとき、回路配線パターンと一体となった端子部４も同時に形成される。
【００３０】
なお、金属回路板２の厚みは、セラミック回路基板の小型化、薄型化の要求を満足するため、また20〜50Ａといった大電流の信号を流す際の電気抵抗の仕様を満足するため、さらにはセラミック基板１と接合したときのセラミック基板１の割れ防止のためといった観点から、0.1〜1.0ｍｍが好ましい。金属回路板２の厚みが0.1ｍｍ未満の場合、電気抵抗が大きくなるため20〜50Ａといった大電流の信号が良好に流れにくくなる傾向があり、他方1.0ｍｍを超えると、薄型化への対応が困難となるとともに、セラミック基板１と金属回路板２とを接合したときに発生する熱応力により、セラミック基板１に割れ等が発生しやすくなる傾向がある。
【００３１】
なお、金属回路板２が無酸素銅から成るのがよく、その場合活性金属ろう材３が酸化されにくくなり濡れ性が良好となるため、金属回路板２をセラミック基板１に強固に接合することができる。
【００３２】
また、端子部４は金属回路板２の一部であり、その室温でのビッカース硬度が100Ｈｖ以上となるように加工を施こすことが好ましい。これは、通常の端子として使用されるタフピッチ銅のビッカース硬度80Ｈｖに対して、それ以上の硬度とすることにより、端子一体型のセラミック回路基板を樹脂ケースに実装する際に端子部４の変形や曲がりが少なくなり、搭載される半導体素子等の電子部品を安定して作動させることができるためである。
【００３３】
端子部４のビッカース硬度を100Ｈｖ以上にするための加工方法としては、無電解ニッケルめっき加工や衝撃加工、半田皮膜形成加工等が好適に使用される。
【００３４】
無電解ニッケルめっき加工は、例えば、燐を含む無電解ニッケルめっきを端子部４に被着し、その後250℃以上の温度で熱処理を行ない、ニッケル−燐を結晶化させてビッカース硬度を100Ｈｖ以上とする加工方法である。このとき、ニッケル皮膜中に含まれる燐は８質量％以上にするとよい。燐が８質量％未満では、ニッケル−燐化合物の結晶化が十分になされず、その結果、端子部４のビッカース硬度が100Ｈｖ以上とならない傾向がある。なお、燐以外に、ニッケルと化合物を生成してビッカース硬度が100Ｈｖ以上となるホウ素等を用いてもよい。
【００３５】
また、無電解ニッケルめっきの厚みは1.5μｍ以上がよい。1.5μｍ以下の場合、端子部４のビッカース硬度を増加させる効果が小さく、100Ｈｖ以上のビッカース硬度が得られなくなる傾向がある。さらに、250℃以上の熱処理を行なうのは、その熱処理を行なわないと、ニッケル−燐化合物の結晶化が全く進まず、ビッカース硬度の上昇も起こらないことがあるためである。この熱処理は、めっき皮膜を形成した後に行なってもよいし、めっき皮膜を形成したセラミック回路基板に半田等により半導体素子等の電子部品を実装する際の熱処理を利用して行なってもよい。
【００３６】
また、端子部４への衝撃加工としては、例えば、サンドブラスト，ウエットブラスト（砥粒と水とを空気圧により噴射させる方法），金型による押圧等が挙げられる。ブラストによる衝撃加工の場合は、端子部４のみに施してもよいし、セラミック回路基板全体をブラスト処理して異物除去等の工程と兼ねることもできる。金型による押圧加工は、例えば、端子部４を金型に入れてハンマー等で端子部４のみを叩くようにした装置を用いればよい。
【００３７】
さらに、端子部４への半田皮膜形成加工としては、例えば、半田めっきによる半田皮膜加工や半田ディッピングによる半田皮膜の形成加工が挙げられる。半田はＳｎを含むＰｂ−Ｓｎ系やＳｎ−Ａｇ系などの半田が使用され、Ｓｎが端子部４の銅とＣｕ−Ｓｎ合金を生成することにより、端子部４のビッカース硬度が上昇する。
【００３８】
そして、本発明のセラミック回路基板においては、セラミック基板は、その上面で活性金属ろう材３の端部に形成された傾斜したメニスカスの直下の部位に、金属回路板２と活性金属ろう材３との接合端Ｂと対向する位置からその接合端よりも内側に存在するセラミック基板１と活性金属ろう材３との接合端Ａにわたる開口を有する溝状のセラミック基板１と活性金属ろう材３との非接合領域５が、接合端Ａに沿って設けられている。この構成により、セラミック回路基板１を平面視したときに接合端Ａ，Ｂが重なることがなく、セラミック回路基板１に繰り返し熱衝撃が加えられた際に、接合端Ａに、セラミック基板１と活性金属ろう材３との間に生じる両者の熱膨張差により発生する熱応力と、金属回路板２と活性金属ろう材３との間に生じる両者の熱膨張差により発生する熱応力とが重畳して加わることはなくなる。その結果、接合端Ａにクラックが発生して接合強度や熱伝導性、電気絶縁性が低下することのない信頼性の高いセラミック回路基板とすることができる。
【００３９】
この溝状の非接合領域５は、その幅がセラミック基板１の厚みの0.05〜２倍であることが好ましい。0.05倍未満の場合、非接合領域５に活性金属ろう材３が流入して、セラミック回路基板を平面視したときに接合端Ａ，Ｂが重なる危険性がある。２倍を超えると、非接合領域５の部位でセラミック基板１の強度が急激に低下し、端子部４を折り曲げて使用する際に非接合領域５でセラミック基板１が破壊される危険性が大きくなる。
【００４０】
また、溝状の非接合領域５の深さはセラミック基板１の厚みの10〜40％が好ましい。10％未満の場合、非接合領域５に活性金属ろう材３が容易に流入して、セラミック回路基板を平面視したときに接合端Ａ，Ｂが重なる危険性がある。40％を超えると、非接合領域５の部位でセラミック基板１の強度が急激に低下し、端子部４を折り曲げて使用する際に非接合領域５で破壊される危険性が大きくなる。
【００４１】
さらに、溝状の非接合領域５の断面形状は、半円形状、半楕円形状、三角形状、四角形状等の多角形状の種々の形状とし得る。応力を分散させるという観点からは、内周面に不連続点を有しない半円形や半楕円形状、角部が曲面状とされた三角形状や四角形状等の多角形状が好ましい。
【００４２】
また、金属回路板２の端子部４は、活性金属ろう材３の接合端Ｂから端までの長さが５〜２０ｍｍ程度であることが好ましい。５ｍｍ未満の場合、端子部４を上方向に折り曲げて使用する際に折り曲げることが困難となる傾向があり、２０ｍｍを超えると、金属回路板２が必要以上に大きくなるため高コストとなる。
【００４３】
なお、本実施の形態では、溝状の非接合領域５をセラミック基板１上面でセラミック基板１と金属回路板２との間に設けた例を示したが、セラミック基板１の一端面から対向する端面にかけて形成してもよい。この場合、金属回路板２をセラミック基板１に接合した後、非接合領域５でセラミック基板１を分割し一端部を分離除去することにより、端子部４をセラミック基板１よりも外側に容易に延出させることができ、端子部４を折り曲げることが容易になる。また、この場合、溝状の非接合領域５の断面形状を三角形とするのがよく、非接合領域５でセラミック基板１を良好に分割することができる。
【００４４】
この溝状の非接合領域５は、焼成後にセラミック基板１となるグリーンシートの所定の位置に、プレス加工により焼成後に溝状となるように加圧加工を施しておくことにより形成される。
【００４５】
かくして、本発明のセラミック回路基板は、セラミック基板１と金属回路板２との間に配されている活性金属ろう材ペーストを非酸化性雰囲気中で約900℃に加熱して溶融させ、セラミック基板１に金属回路板２を接合することによって製作され、さらにこれに半導体素子等の電子部品を半田等の接着材を介して実装した後、樹脂ケース内に装着することにより半導体モジュールとなる。
【００４６】
なお、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本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る。
【００４７】
【発明の効果】
本発明のセラミック回路基板は、セラミック基板は、その上面で活性金属ろう材の端部に形成された傾斜したメニスカスの直下の部位に、金属回路板と活性金属ろう材との接合端と対向する位置からその接合端よりも内側に存在するセラミック基板と活性金属ろう材との接合端にわたる開口を有する溝状のセラミック基板と活性金属ろう材との非接合領域が、セラミック基板と活性金属ろう材との接合端に沿って設けられていることから、セラミック回路基板を平面視したときに金属回路板と活性金属ろう材との接合端およびセラミック基板と活性金属ろう材との接合端が重なることはない。その結果、セラミック回路基板に繰り返し熱衝撃が加えられた際に、セラミック基板と活性金属ろう材との接合端に、セラミック基板と活性金属ろう材との間に生じる両者の熱膨張差により発生する熱応力と、金属回路板と活性金属ろう材との間に生じる両者の熱膨張差により発生する熱応力とが重畳して加わることがなくなる。したがって、セラミック基板と活性金属ろう材との接合端にクラックが発生して接合強度や熱伝導性、電気絶縁性が低下することのない信頼性の高いセラミック回路基板とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のセラミック回路基板の実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】 図１のセラミック回路基板の平面図である。
【図３】 従来のセラミック回路基板の断面図である。
【符号の説明】
１：セラミック基板
２：金属回路板
３：活性金属ろう材
４：端子部
５：溝状の非接合領域
Ａ：セラミック基板と活性金属ろう材との接合端
Ｂ：金属回路板と活性金属ろう材との接合端
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミック基板に銅または銅合金から成る金属回路板を活性金属ろう材を介して接合して成るセラミック回路基板に関する。
【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活性金属ろう材を介して銅または銅合金等から成る金属回路板を接合して成るセラミック回路基板が用いられている。
【０００３】
このようなセラミック回路基板は、具体的には以下の方法によって製作される。まず、銀−銅合金にチタン，ジルコニウム，ハフニウムおよびこれらの水素化物の少なくとも１種を添加した活性金属粉末に有機溶剤、溶媒を添加混合して成る活性金属ろう材ペーストを準備する。
【０００４】
次に、例えばセラミック基板が酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、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、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により複数のセラミックグリーンシート（以下、グリーンシートともいう）を得た後、これらを所定寸法に切断し、次にグリーンシートを必要に応じて複数枚積層するとともに還元雰囲気中で約1600℃の温度で焼成し、グリーンシートを焼結一体化させてセラミック基板を形成する。
【０００５】
次に、セラミック基板に活性金属ろう材ペーストを所定のパターンに印刷するとともに乾燥し、しかる後、活性金属ろう材ペースト上に銅または銅合金から成る金属回路板を載置する。
【０００６】
最後に、セラミック基板と金属回路板との間に配した活性金属ろう材ペーストを非酸化性雰囲気中で約900℃の温度に加熱して溶融させ、この活性金属ろう材によりセラミック基板と金属回路板とを接合することによって、セラミック回路基板が製作される。
【０００７】
このようにして製作されたセラミック回路基板は、これにＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor−Field Effect Transistor）等の半導体素子を半田等の接着材を介して実装した後、外部入出力用の端子が一体成型された樹脂ケース内に装着され、半導体モジュールとなる。そして、この半導体モジュールは、ロボットなどの産業機器から電車の駆動部や電気自動車などの幅広い用途に使用され、厳しい環境下での高い信頼性が要求されている。
【０００８】
しかしながら、この端子一体成型の樹脂ケースの製作には、成型用金型が必要であり製造コストが高いことから、半導体モジュールの製造コストが増加する難点があった。また、端子一体成型の樹脂ケースにセラミック回路基板を組み込んだ後、樹脂ケースの端子部とセラミック回路基板の金属回路板とをボンディングワイヤなどで電気的に接続する必要もあり、製造工程数が増加するという問題点があった。
【０００９】
このため、端子を金属回路板に半田や超音波接合法等で直接接合するセラミック回路基板や、金属回路板の一部を端子として延出させた端子一体型のセラミック回路基板が採用されるようになってきている。
【００１０】
しかしながら、半田により端子を金属回路板に接合する場合、その後の半導体素子などの電子部品を実装するときの加熱によって接合がはずれないように、その加熱温度よりも融点が高い90％鉛−錫合金等の高温半田（融点300℃程度）が必要であることから、この高温半田を加熱溶融させることによる熱履歴によって、金属回路板とセラミック基板との熱膨張差によりセラミック基板にクラックが発生する。また、回路パターンを外部環境から保護したり、電子部品をプリント配線板に表面実装する際に行われる半田付け工程で不必要な部分に半田が付着しないようにするための250℃程度の耐熱性しかないエポキシ樹脂系のソルダーレジストが使用できないという問題点を有していた。
【００１１】
また、超音波接合によって端子を接合する場合、例えば金属回路板に接触させた端子の接合部の表面には10〜50ＭＰａの圧力で超音波発振ホーンが押圧されるため、この高圧力が端子の接合部直下のセラミック基板に金属回路板とろう材とを介して加わり、また超音波振動により発生する約500℃以上の熱が瞬間的に端子の接合部直下のセラミック基板に加わることにより、セラミック基板に微小なクラックが生じることがあり、その場合、セラミック回路基板の機械的強度が低下し、信頼性が著しく劣化するという問題点を有していた。
【００１２】
このような問題点を解決するために、構造がよりシンプルで実装の工程数が少なく信頼性の高い、金属回路板の一部を端子部として延出させた端子一体型のセラミック回路基板が採用されるようになってきている。この金属回路板は、圧延加工法や打ち抜き加工法等の従来周知の金属加工法を施すことによって、所望の回路配線パターン形状に製作される。または、セラミック基板と略同形状の金属板をろう付けした後にエッチングにより不要な金属部分を除去して回路配線パターンの形成を行なうことによって製作される。
【００１３】
なお、この場合、図３に従来のセラミック回路基板の断面図で示すように、セラミック基板１と活性金属ろう材３との接合端ａと、金属回路板２と活性金属ろう材３との接合端ｂとは対向する位置にある。すなわち、セラミック回路基板を平面視したときに重なった位置となっている。
【００１４】
【特許文献１】
特開2002−164461号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図３のセラミック回路基板においては、セラミック回路基板に超音波接合等による熱衝撃が繰り返し加えられた際に、セラミック基板１と活性金属ろう材３との接合端ａに、セラミック基板１と活性金属ろう材３との間に生じる両者の熱膨張差により発生する熱応力と、金属回路板２と活性金属ろう材３との間に生じる両者の熱膨張差により発生する熱応力とが重畳して加わることとなり、セラミック基板１と活性金属ろう材３との接合端ａにクラックが発生しやすくなり、その結果、接合強度や熱伝導性、電気絶縁性が低下し、信頼性が低下するという問題点を有していた。
【００１６】
したがって、本発明は上記問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、端子一体型のセラミック回路基板において、セラミック基板と金属回路板とを活性金属ろう材を介して接合した後に熱衝撃が繰り返し加えられても、セラミック基板の活性金属ろう材との接合端に熱膨張差により発生する熱応力が集中することが無く、その結果、セラミック基板にクラックが発生しない、信頼性の高いセラミック回路基板を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明のセラミック回路基板は、セラミック基板の上面に活性金属ろう材を介して銅または銅合金から成る金属回路板が接合され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、その上面で前記活性金属ろう材の端部に形成された傾斜したメニスカスの直下の部位に、前記金属回路板と前記活性金属ろう材との接合端と対向する位置から前記接合端よりも内側に存在する前記セラミック基板と前記活性金属ろう材との接合端にわたる開口を有する溝状の前記セラミック基板と前記活性金属ろう材との非接合領域が、前記セラミック基板と前記活性金属ろう材との接合端に沿って設けられていることを特徴とする。
【００１８】
本発明のセラミック回路基板は、セラミック基板は、その上面で活性金属ろう材の端部に形成された傾斜したメニスカスの直下の部位に、金属回路板と活性金属ろう材との接合端と対向する位置からその接合端よりも内側に存在するセラミック基板と活性金属ろう材との接合端にわたる開口を有する溝状のセラミック基板と活性金属ろう材との非接合領域が、セラミック基板と活性金属ろう材との接合端に沿って設けられていることから、セラミック回路基板を平面視したときに金属回路板と活性金属ろう材との接合端およびセラミック基板と活性金属ろう材との接合端が重なることはない。その結果、セラミック回路基板に繰り返し熱衝撃が加えられた際に、セラミック基板と活性金属ろう材との接合端に、セラミック基板と活性金属ろう材との間に生じる両者の熱膨張差により発生する熱応力と、金属回路板と活性金属ろう材との間に生じる両者の熱膨張差により発生する熱応力とが重畳して加わることがなくなる。したがって、セラミック基板と活性金属ろう材との接合端にクラックが発生して接合強度や熱伝導性、電気絶縁性が低下することのない信頼性の高いセラミック回路基板とすることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明のセラミック回路基板について以下に詳細に説明する。図１は、本発明のセラミック回路基板の実施の形態の一例を示す断面図、図２は図１のセラミック回路基板の平面図である。これらの図において、１はセラミック基板、２は金属回路板、３は活性金属ろう材、４は金属回路板２の端子部、５は溝状の非接合領域、Ａはセラミック基板１と活性金属ろう材３との接合端、Ｂは金属回路板２と活性金属ろう材３との接合端である。なお、図２では溝状の非接合領域５を点線で示している。
【００２０】
本発明のセラミック回路基板は、セラミック基板１の上面に活性金属ろう材３を介して銅または銅合金から成る金属回路板２が接合されて成るセラミック回路基板であって、セラミック基板１は、その上面で活性金属ろう材３の端部に形成された傾斜したメニスカスの直下の部位に、金属回路板２と活性金属ろう材３との接合端Ｂと対向する位置から接合端Ｂよりも内側に存在するセラミック基板１と活性金属ろう材３との接合端Ａにわたる開口を有する溝状のセラミック基板１と活性金属ろう材３との非接合領域５が、セラミック基板１と活性金属ろう材３との接合端Ａに沿って設けられている。
【００２１】
本発明におけるセラミック基板１は、その一辺の長さが20〜200ｍｍ程度、厚みが0.2〜1.0ｍｍ程度の四角形状であり、その上面に銅または銅合金から成る金属回路板２が活性金属ろう材３を介して接合される。このセラミック基板１は、金属回路板２を支持する支持部材であり、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）質焼結体（アルミナセラミックス），ムライト（３Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２）質焼結体，炭化珪素（ＳｉＣ）質焼結体，窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質焼結体，窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）質焼結体等の電気絶縁材料であるセラミックスから成る。
【００２２】
またセラミック基板１は、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、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、可塑剤、溶剤を添加混合して泥漿状となし、その泥漿物を用いて従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法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で、以下、グリーンシートともいう）を得、しかる後、グリーンシートに適当な打ち抜き加工を施すとともに必要に応じて複数枚積層し、約1600℃の高温で焼成することによって製作される。
【００２３】
セラミック基板１は、その厚みを0.2〜1.0ｍｍとすることがよく、セラミック回路基板の小型化、薄型化の要求を満足するため、金属回路板２を接合したときのセラミック基板１の割れ抑制のため、および搭載される半導体素子（図示せず）が発生する100℃以上の熱の伝熱性を向上させるためといった点で好ましい。セラミック基板１の厚みが0.2ｍｍ未満では、セラミック基板１に金属回路板２を接合したときに発生する熱応力により、セラミック基板１に割れ等が発生しやすくなる傾向がある。他方、1.0ｍｍを超えると、セラミック回路基板の薄型化への対応が困難となるとともに、搭載される半導体素子が発生する100℃以上の熱をセラミック基板１を介して良好に放熱することが困難となる傾向がある。
【００２４】
また、金属回路板２は、銅または銅合金から成り、その一端部は外部電気回路（図示せず）と電気的に接続される端子部４とされており、セラミック基板１の上面に活性金属ろう材３を介して以下のようにして接合される。
【００２５】
まず、銀−銅合金粉末等から成る銀ろう粉末やアルミニウム−シリコン合金粉末等から成るアルミニウムろう粉末に、チタン，ジルコニウム，ハフニウム等の活性金属やその水素化物の少なくとも１種から成る活性金属粉末を２〜５質量％添加した活性金属ろう材３に、適当な有機溶剤、溶媒を添加混合して得た活性金属ろう材ペーストを、セラミック基板１の上面に従来周知のスクリーン印刷法で金属回路板２に対応した所定パターンに印刷する。なお、金属回路板２の端子部４は、セラミック基板１の上面に対してほぼ垂直に折り曲げて使用されるため、セラミック基板１の端子部４に対応する部分には活性金属ろう材ペーストを印刷しない。
【００２６】
そして、金属回路板２を活性金属ろう材ペーストのパターン上に載置し、または活性金属ろう材ペーストが印刷されたセラミック基板１を金属回路板２上に活性金属ろう材ペーストが金属回路板２と接合するように載置し、これらを真空中、または中性もしくは還元雰囲気中で、所定温度（約900℃）で加熱処理し、活性金属ろう材ペーストを溶融させることにより、セラミック基板１の上面に金属回路板２が接合されセラミック回路基板となる。
【００２７】
なお、セラミック基板１と金属回路板２との接合は、活性金属ろう材３がセラミック基板１上面の溝状の活性金属ろう材３との非接合領域５に流入しないように、活性金属ろう材ペーストが印刷されたセラミック基板１を金属回路板２上に載置して行なうことが好ましい。または、金属回路板２のセラミック基板１との接合領域に活性金属ろう材ペーストを印刷し、活性金属ろう材ペーストが印刷された金属回路板２上にセラミック基板１を載置して接合することが好ましい。
【００２８】
そして、上記のようにセラミック基板１と金属回路板２との組立体を加熱して活性金属ろう材ペーストを溶融させると、溶融して膨張した活性金属ろう材ペーストは金属回路板２の表面を濡れて外側に広がるが、セラミック基板１の非接合領域５においては濡れ広がるのが有効に抑制される。すなわち、セラミック基板１のセラミック表面は元々活性金属ろう材３の濡れ性が悪い（溶融した活性金属ろう材３の接触角が大きい）うえに、溝状の非接合領域５の端では溶融した活性金属ろう材３に対する接触角がより大きくなっているため、溶融した活性金属ろう材３が非接合領域５に入り込むのを効果的に抑えることができる。その結果、活性金属ろう材３の端部に図１のような傾斜したメニスカスが形成される。
【００２９】
また、金属回路板２は、銅または銅−亜鉛合金（亜鉛の含有量が30質量％以下）、銅−錫合金（錫の含有量が５質量％以下）、銅−白金合金（白金の含有量が５質量％以下）、銅−パラジウム合金（パラジウムの含有量が５質量％以下）、銅−ニッケル合金（ニッケルの含有量が５質量％以下）等の銅合金のインゴット（塊）に、圧延加工法や打ち抜き加工法等の従来周知の金属加工法を施すことによって、例えば厚さ0.5ｍｍの所望の回路配線パターン形状に製作される。このとき、回路配線パターンと一体となった端子部４も同時に形成される。
【００３０】
なお、金属回路板２の厚みは、セラミック回路基板の小型化、薄型化の要求を満足するため、また20〜50Ａといった大電流の信号を流す際の電気抵抗の仕様を満足するため、さらにはセラミック基板１と接合したときのセラミック基板１の割れ防止のためといった観点から、0.1〜1.0ｍｍが好ましい。金属回路板２の厚みが0.1ｍｍ未満の場合、電気抵抗が大きくなるため20〜50Ａといった大電流の信号が良好に流れにくくなる傾向があり、他方1.0ｍｍを超えると、薄型化への対応が困難となるとともに、セラミック基板１と金属回路板２とを接合したときに発生する熱応力により、セラミック基板１に割れ等が発生しやすくなる傾向がある。
【００３１】
なお、金属回路板２が無酸素銅から成るのがよく、その場合活性金属ろう材３が酸化されにくくなり濡れ性が良好となるため、金属回路板２をセラミック基板１に強固に接合することができる。
【００３２】
また、端子部４は金属回路板２の一部であり、その室温でのビッカース硬度が100Ｈｖ以上となるように加工を施こすことが好ましい。これは、通常の端子として使用されるタフピッチ銅のビッカース硬度80Ｈｖに対して、それ以上の硬度とすることにより、端子一体型のセラミック回路基板を樹脂ケースに実装する際に端子部４の変形や曲がりが少なくなり、搭載される半導体素子等の電子部品を安定して作動させることができるためである。
【００３３】
端子部４のビッカース硬度を100Ｈｖ以上にするための加工方法としては、無電解ニッケルめっき加工や衝撃加工、半田皮膜形成加工等が好適に使用される。
【００３４】
無電解ニッケルめっき加工は、例えば、燐を含む無電解ニッケルめっきを端子部４に被着し、その後250℃以上の温度で熱処理を行ない、ニッケル−燐を結晶化させてビッカース硬度を100Ｈｖ以上とする加工方法である。このとき、ニッケル皮膜中に含まれる燐は８質量％以上にするとよい。燐が８質量％未満では、ニッケル−燐化合物の結晶化が十分になされず、その結果、端子部４のビッカース硬度が100Ｈｖ以上とならない傾向がある。なお、燐以外に、ニッケルと化合物を生成してビッカース硬度が100Ｈｖ以上となるホウ素等を用いてもよい。
【００３５】
また、無電解ニッケルめっきの厚みは1.5μｍ以上がよい。1.5μｍ以下の場合、端子部４のビッカース硬度を増加させる効果が小さく、100Ｈｖ以上のビッカース硬度が得られなくなる傾向がある。さらに、250℃以上の熱処理を行なうのは、その熱処理を行なわないと、ニッケル−燐化合物の結晶化が全く進まず、ビッカース硬度の上昇も起こらないことがあるためである。この熱処理は、めっき皮膜を形成した後に行なってもよいし、めっき皮膜を形成したセラミック回路基板に半田等により半導体素子等の電子部品を実装する際の熱処理を利用して行なってもよい。
【００３６】
また、端子部４への衝撃加工としては、例えば、サンドブラスト，ウエットブラスト（砥粒と水とを空気圧により噴射させる方法），金型による押圧等が挙げられる。ブラストによる衝撃加工の場合は、端子部４のみに施してもよいし、セラミック回路基板全体をブラスト処理して異物除去等の工程と兼ねることもできる。金型による押圧加工は、例えば、端子部４を金型に入れてハンマー等で端子部４のみを叩くようにした装置を用いればよい。
【００３７】
さらに、端子部４への半田皮膜形成加工としては、例えば、半田めっきによる半田皮膜加工や半田ディッピングによる半田皮膜の形成加工が挙げられる。半田はＳｎを含むＰｂ−Ｓｎ系やＳｎ−Ａｇ系などの半田が使用され、Ｓｎが端子部４の銅とＣｕ−Ｓｎ合金を生成することにより、端子部４のビッカース硬度が上昇する。
【００３８】
そして、本発明のセラミック回路基板においては、セラミック基板は、その上面で活性金属ろう材３の端部に形成された傾斜したメニスカスの直下の部位に、金属回路板２と活性金属ろう材３との接合端Ｂと対向する位置からその接合端よりも内側に存在するセラミック基板１と活性金属ろう材３との接合端Ａにわたる開口を有する溝状のセラミック基板１と活性金属ろう材３との非接合領域５が、接合端Ａに沿って設けられている。この構成により、セラミック回路基板１を平面視したときに接合端Ａ，Ｂが重なることがなく、セラミック回路基板１に繰り返し熱衝撃が加えられた際に、接合端Ａに、セラミック基板１と活性金属ろう材３との間に生じる両者の熱膨張差により発生する熱応力と、金属回路板２と活性金属ろう材３との間に生じる両者の熱膨張差により発生する熱応力とが重畳して加わることはなくなる。その結果、接合端Ａにクラックが発生して接合強度や熱伝導性、電気絶縁性が低下することのない信頼性の高いセラミック回路基板とすることができる。
【００３９】
この溝状の非接合領域５は、その幅がセラミック基板１の厚みの0.05〜２倍であることが好ましい。0.05倍未満の場合、非接合領域５に活性金属ろう材３が流入して、セラミック回路基板を平面視したときに接合端Ａ，Ｂが重なる危険性がある。２倍を超えると、非接合領域５の部位でセラミック基板１の強度が急激に低下し、端子部４を折り曲げて使用する際に非接合領域５でセラミック基板１が破壊される危険性が大きくなる。
【００４０】
また、溝状の非接合領域５の深さはセラミック基板１の厚みの10〜40％が好ましい。10％未満の場合、非接合領域５に活性金属ろう材３が容易に流入して、セラミック回路基板を平面視したときに接合端Ａ，Ｂが重なる危険性がある。40％を超えると、非接合領域５の部位でセラミック基板１の強度が急激に低下し、端子部４を折り曲げて使用する際に非接合領域５で破壊される危険性が大きくなる。
【００４１】
さらに、溝状の非接合領域５の断面形状は、半円形状、半楕円形状、三角形状、四角形状等の多角形状の種々の形状とし得る。応力を分散させるという観点からは、内周面に不連続点を有しない半円形や半楕円形状、角部が曲面状とされた三角形状や四角形状等の多角形状が好ましい。
【００４２】
また、金属回路板２の端子部４は、活性金属ろう材３の接合端Ｂから端までの長さが５〜２０ｍｍ程度であることが好ましい。５ｍｍ未満の場合、端子部４を上方向に折り曲げて使用する際に折り曲げることが困難となる傾向があり、２０ｍｍを超えると、金属回路板２が必要以上に大きくなるため高コストとなる。
【００４３】
なお、本実施の形態では、溝状の非接合領域５をセラミック基板１上面でセラミック基板１と金属回路板２との間に設けた例を示したが、セラミック基板１の一端面から対向する端面にかけて形成してもよい。この場合、金属回路板２をセラミック基板１に接合した後、非接合領域５でセラミック基板１を分割し一端部を分離除去することにより、端子部４をセラミック基板１よりも外側に容易に延出させることができ、端子部４を折り曲げることが容易になる。また、この場合、溝状の非接合領域５の断面形状を三角形とするのがよく、非接合領域５でセラミック基板１を良好に分割することができる。
【００４４】
この溝状の非接合領域５は、焼成後にセラミック基板１となるグリーンシートの所定の位置に、プレス加工により焼成後に溝状となるように加圧加工を施しておくことにより形成される。
【００４５】
かくして、本発明のセラミック回路基板は、セラミック基板１と金属回路板２との間に配されている活性金属ろう材ペーストを非酸化性雰囲気中で約900℃に加熱して溶融させ、セラミック基板１に金属回路板２を接合することによって製作され、さらにこれに半導体素子等の電子部品を半田等の接着材を介して実装した後、樹脂ケース内に装着することにより半導体モジュールとなる。
【００４６】
なお、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本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る。
【００４７】
【発明の効果】
本発明のセラミック回路基板は、セラミック基板は、その上面で活性金属ろう材の端部に形成された傾斜したメニスカスの直下の部位に、金属回路板と活性金属ろう材との接合端と対向する位置からその接合端よりも内側に存在するセラミック基板と活性金属ろう材との接合端にわたる開口を有する溝状のセラミック基板と活性金属ろう材との非接合領域が、セラミック基板と活性金属ろう材との接合端に沿って設けられていることから、セラミック回路基板を平面視したときに金属回路板と活性金属ろう材との接合端およびセラミック基板と活性金属ろう材との接合端が重なることはない。その結果、セラミック回路基板に繰り返し熱衝撃が加えられた際に、セラミック基板と活性金属ろう材との接合端に、セラミック基板と活性金属ろう材との間に生じる両者の熱膨張差により発生する熱応力と、金属回路板と活性金属ろう材との間に生じる両者の熱膨張差により発生する熱応力とが重畳して加わることがなくなる。したがって、セラミック基板と活性金属ろう材との接合端にクラックが発生して接合強度や熱伝導性、電気絶縁性が低下することのない信頼性の高いセラミック回路基板とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のセラミック回路基板の実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】 図１のセラミック回路基板の平面図である。
【図３】 従来のセラミック回路基板の断面図である。
【符号の説明】
１：セラミック基板
２：金属回路板
３：活性金属ろう材
４：端子部
５：溝状の非接合領域
Ａ：セラミック基板と活性金属ろう材との接合端
Ｂ：金属回路板と活性金属ろう材との接合端
Claims (1)
- セラミック基板の上面に活性金属ろう材を介して銅または銅合金から成る金属回路板が接合され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、その上面で前記活性金属ろう材の端部に形成された傾斜したメニスカスの直下の部位に、前記金属回路板と前記活性金属ろう材との接合端と対向する位置から前記接合端よりも内側に存在する前記セラミック基板と前記活性金属ろう材との接合端にわたる開口を有する溝状の前記セラミック基板と前記活性金属ろう材との非接合領域が、前記セラミック基板と前記活性金属ろう材との接合端に沿って設けら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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