JP4493158B2 - セラミック回路基板 - Google Patents

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活性金属ロウ材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銀−銅共晶合金にチタン、ジルコニウム、ハフニウムまたはその水素化物を添加した活性金属ロウ材を介して銅等から成る金属回路板を直接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、一般にセラミック基板として酸化アルミニウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結体、ムライト質焼結体等の電気絶縁性のセラミックス材料が使用されており、例えば、酸化アルミニウム質焼結体から成る場合には、具体的には以下の方法によって製作されている。
【０００４】
即ち、
（１）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ロウ材ペーストを作製する。
（２）次に、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セラミック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た後、所定寸法に形成し、次に前記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を焼結一体化させて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する。
（３）次に、前記セラミック基板上に前記ロウ材ペーストを間に挟んで銅等から成る所定パターンの金属回路板を載置させる。
（４）そして最後に、前記セラミック基板と金属回路板との間に配されているロウ材ペーストを還元雰囲気中で約９００℃の温度に加熱し、セラミック基板に活性金属粉末を介して銀−銅合金からなるロウ材を接合させるとともに該ロウ材を金属回路板に接合させることによってセラミック回路基板が製作される。
【０００５】
なお、前記活性金属ロウ材及び金属回路板の露出表面には酸化腐蝕を有効に防止すると同時に金属回路板に半導体素子等の電子部品を接着固定する半田等の接着材との接合を強固にするため、ニッケル等の金属がメッキ法等の技術を用いることによって被着されている。
【０００６】
【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、セラミック基板への金属回路板の接合はセラミック基板上にロウ材ペーストを挟んで銅等から成る所定パターンの金属回路板を載置させた後、これを還元雰囲気中、約９００℃の温度に加熱することによって行われており、前記ロウ材ペーストは液相線温度以上の温度で加熱されることから、ロウ材の粘性が著しく低下して大きく熔け広がり、この熔け広がったロウ材によって隣接する金属回路板間が電気的に短絡するという欠点を有していた。
【０００７】
そこで上記欠点を解消するためにロウ材ペーストの厚みを、例えば、１０μｍ未満と薄くすることが考えられる。
【０００８】
しかしながら、ロウ材ペーストの厚みを薄くすると、セラミック基板上に金属回路板を取着する際、セラミック基板と金属回路板との間に発生する両者の熱膨張係数の相違に起因する応力を前記ロウ材が有効に吸収することができなくなり、その結果、前記応力によってセラミック基板にクラックや割れが発生するという欠点が誘発されてしまう。
【０００９】
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上に金属回路板を、隣接する金属回路板間に電気的短絡を発生することなく、またセラミック基板に割れ等を発生することなく強固に接着させ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。
【００１０】
【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ロウ材層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、前記活性金属ロウ材層は銀粉末と銅粉末および／または銀−銅合金粉末とから成るロウ材粉末と、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種から成る活性金属粉末とより成り、かつ内部に平均粒径が１〜１０μｍのマンガンからなる金属粉末を５〜２０重量％含有していることを特徴とするものである。
【００１１】
本発明のセラミック回路基板によれば、セラミック基板上に金属回路板を接合する活性金属ロウ材層が、銀粉末と銅粉末および／または銀−銅合金粉末とから成るロウ材粉末と、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種から成る活性金属粉末とより成り、かつ内部に平均粒径が１〜１０μｍのマンガンからなる金属粉末を５〜２０重量％含有していることから、セラミック基板上に活性金属ロウ材層を介して金属回路板を接合させる際、ロウ材が液相線温度以上の温度に加熱されて溶融したとしても溶融したロウ材はその内部に含有されているマンガンからなる金属粉末との接触による抵抗によって粘度が高くなり、その結果、ロウ材が隣接する金属回路板間に大きく熔け広がることはなく、隣接する金属回路板間の電気的な独立が維持されて製品としてのセラミック回路基板を常に正常に機能させることができる。
【００１２】
また同時に、ロウ材はマンガンからなる金属粉末によって熔け広がりが有効に抑制されるため、セラミック基板と金属回路板との間には所定量のロウ材が介在することとなり、その結果、セラミック基板と金属回路板との接合が強固となるとともに、セラミック基板と金属回路板との熱膨張係数の相違に起因して応力が発生したとしてもその応力はロウ材で吸収され、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することもできる。
【００１３】
【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及び図２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は活性金属ロウ材層、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、その上面に金属回路板３が活性金属ロウ材層２を介してロウ付けされている。
【００１５】
前記セラミック基板１はその上面に接合される金属回路板３を支持する支持部材として作用し、酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結体等の電気絶縁材料で形成されている。
【００１６】
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、しかる後、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すとともにこれを複数枚積層し、約１６００℃の高温で焼成することによって製作される。
【００１７】
また前記セラミック基板１はその上面に金属回路板３が活性金属ロウ材層２を介して接合されており、該金属回路板３には半導体素子等の電子部品が接続され、半導体素子等の電子部品に電気信号や電力を供給する作用をなす。
【００１８】
前記金属回路板３は銅等の金属材料から成り、銅等のインゴット（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。
【００１９】
なお、前記金属回路板３はこれを無酸素銅で形成しておくと、該無酸素銅はセラミック基板１上に活性金属ロウ材層２を介して接合する際、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との濡れ性が良好となり、その結果、セラミック基板１への活性金属ロウ材層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。
【００２０】
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、かつ耐蝕性及びロウ材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、かつ耐蝕性及びロウ材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。
【００２１】
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、燐を８〜１５重量％含有させたニッケル−燐のアモルファス合金としておくとニッケルメッキ層の表面酸化を良好に防止して金属回路板３に半導体素子等の電子部品を半田等の接着材を介して確実、強固に電気的接続することができる。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％の範囲に、好適には１０〜１５重量％の範囲に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。
【００２２】
また更に、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、ニッケルメッキ層の厚みが１．５μｍ未満となると金属回路板３の表面をニッケルメッキ層で完全に被覆することができなくなって金属回路板３の酸化腐蝕を有効に防止することが困難となってしまい、また３μｍを超えるとニッケル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危険性がある。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の表面にニッケルから成るメッキ層を被着させる場合、ニッケルメッキ層の厚みは１．５μｍ〜３μｍの範囲としておくことが好ましい。
【００２３】
前記金属回路板３はセラミック基板１上に活性金属ロウ材層２を介して接合されており、該活性金属ロウ材層２は金属回路板３をセラミック基板１上に直接接合させる作用をなす。
【００２４】
前記活性金属ロウ材層２は、銀粉末と銅粉末および／または銀−銅合金粉末とから成るロウ材粉末と、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種から成る活性金属粉末とより成り、かつ内部に平均粒径が１〜１０μｍのマンガンからなる金属粉末２ａを５〜２０重量％含有している。
【００２５】
前記活性金属ロウ材層２によるセラミック基板１への金属回路板３の接合は、まず銀粉末と銅粉末および／または銀−銅合金粉末等とから成るロウ材粉末と、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種から成る活性金属粉末と、融点が１２００℃以上、平均粒径が１〜１０μｍのマンガンからなる金属粉末２ａと、有機溶剤、溶媒とを混合して活性金属ロウ材ペーストを作製し、次にこの活性金属ロウ材ペーストをセラミック基板１上に従来周知のスクリーン印刷技術を用いて所定パターンに印刷し、次に印刷された活性金属ロウ材ペースト上に金属回路板３を載置させ、しかる後、これを真空中もしくは中性、還元雰囲気中、約９００℃の温度で加熱処理し、セラミック基板１に活性金属粉末を介して銀−銅合金からなるロウ材を接合させるとともに該ロウ材を金属回路板３に接合させることによって行なわれる。この場合、加熱によって溶融したロウ材はその内部に含有されているマンガンからなる金属粉末２ａとの接触による抵抗によって粘度が高くなり、その結果、ロウ材が隣接する金属回路板間３に大きく熔け広がることはなく、隣接する金属回路板３間の電気的な独立が維持されて製品としてのセラミック回路基板を常に正常に機能させることができる。また同時に、前記ロウ材はマンガンからなる金属粉末２ａによって熔け広がりが有効に抑制されるためセラミック基板１と金属回路板３との間には所定量のロウ材が介在することとなり、その結果、セラミック基板１と金属回路板３との接合が強固となるとともに、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応力が発生したとしてもその応力は前記ロウ材で吸収され、セラミック基板１にクラックや割れ等が発生するのを有効に防止することもできる。
【００２６】
前記活性金属ロウ材層２の銀粉末と銅粉末および／または銀−銅合金粉末等とから成るロウ材粉末は金属回路板３に強固に接合し、またチタン、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種から成る活性金属粉末は銀−銅合金からなるロウ材及びセラミック基板１に強固し、これによって金属回路板３をセラミック基板１に接合させる。
【００２７】
なお、前記活性金属ロウ材層２を構成するチタン、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種から成る活性金属粉末はその量が２重量％未満となると活性金属の絶対量が不足して活性金属ロウ材層２をセラミック基板１に強固に接合させることが困難となる危険性があり、また５重量％を超えると活性金属ロウ材層２とセラミック基板１との間に脆弱な反応層が厚く形成され、結果的に活性金属ロウ材層２とセラミック基板１との接合強度が低下してしまう危険性がある。従って、前記活性金属ロウ材層２を構成するチタン、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種から成る活性金属粉末はその量を２〜５重量％の範囲にしておくことが好ましい。
【００２８】
また前記活性金属ロウ材層２はその内部に平均粒径が１〜１０μｍのマンガンからなる金属粉末２ａが５〜２０重量％含有されている。
【００２９】
マンガンからなる前記金属粉末２ａは溶融したロウ材の熔け広がりを抑制する作用をなし、マンガンからなる該金属粉末２ａの含有によって活性金属ロウ材層２は大きく熔け広がることはなく、これによって隣接する金属回路板３間の電気的な独立が維持され、製品としてのセラミック回路基板を常に正常に機能させることができるとともに、セラミック基板１と金属回路板３との間に介在する活性金属ロウ材層２の量を所定量としてセラミック基板１と金属回路板３との接合を強固とし、かつセラミック基板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する応力を有効に吸収し、セラミック基板１にクラックや割れ等が発生するのを防止することができる。
【００３０】
マンガンからなる前記金属粉末２ａは、融点が１２００℃以上と高いことから、セラミック基板１に活性金属ロウ材層２を介して金属回路板３を接合させる際、マンガンからなる金属粉末２ａに熱が印加されてもマンガンからなる金属粉末２ａが溶融することはなく、その結果、マンガンからなる金属粉末２ａによってロウ材の熔け広がりを有効に抑制することができる。
【００３１】
なお、マンガンからなる前記金属粉末２ａはその平均粒径が１μｍ未満となるとマンガンからなる金属粉末２ａの比表面積が大きくなってマンガンからなる金属粉末２ａ表面に形成される酸化皮膜中に多くの酸素が存在し、該酸素によって活性金属ロウ材層２のセラミック基板１や金属回路板３に対する濡れ性が低下して、前記セラミック基板１に活性金属ロウ材層２を介して金属回路板３を強固に接合させることができず、また１０μｍを超えるとマンガンからなる金属粉末２ａの比表面積が小さくなり、溶融したロウ材のマンガンからなる金属粉末２ａとの接触による抵抗が小さくなってロウ材の熔け広がりを有効に抑制することができない。従って、マンガンからなる前記金属粉末２ａの平均粒径は１〜１０μｍの範囲に特定される。
【００３２】
またマンガンからなる金属粉末２ａはその添加量が５重量％未満となると溶融したロウ材のマンガンからなる金属粉末２ａとの接触による抵抗が小さくなってロウ材の熔け広がりを有効に抑制することができず、また２０重量％を超えるとセラミック基板１および金属回路板３に対するロウ材の接合面積が狭くなって、セラミック基板１への金属回路板３の接合強度が低下してしまう。従って、マンガンからなる金属粉末２ａの添加量は５〜２０重量％の範囲に特定される。
【００３３】
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の上面に活性金属ロウ材層２を介して接合された金属回路板３に半導体素子等の電子部品を接続させるとともに金属回路板３を外部電気回路に接続させれば半導体素子等の電子部品に金属回路板３を介して外部電気回路より電気信号や電力が供給される。
【００３４】
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、上述の実施例ではセラミック基板１がアルミニウム質焼結体で形成された例を示したが、電子部品が多量の熱を発し、この熱を効率良く除去したい場合にはセラミック基板１を熱伝導率の高い窒化アルミニウム質焼結体や窒化珪素質焼結体で形成すれば良く、金属回路板３に高速で電気信号を伝播させたい場合にはセラミック基板１を誘電率の低いムライト質焼結体で形成すれば良い。
【００３５】
【発明の効果】
本発明のセラミック回路基板によれば、セラミック基板上に金属回路板を接合する活性金属ロウ材が、銀粉末と銅粉末および／または銀−銅合金粉末とから成るロウ材粉末と、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種から成る活性金属粉末とより成り、かつ内部に平均粒径が１〜１０μｍのマンガンからなる金属粉末を５〜２０重量％含有していることから、セラミック基板上に活性金属ロウ材層を介して金属回路板を接合させる際、ロウ材が液相線温度以上の温度に加熱されて溶融したとしても溶融したロウ材はその内部に含有されているマンガンからなる金属粉末との接触による抵抗によって粘度が高くなり、その結果、ロウ材が隣接する金属回路板間に大きく熔け広がることはなく、隣接する金属回路板間の電気的な独立が維持されて製品としてのセラミック回路基板を常に正常に機能させることができる。
【００３６】
また同時に、ロウ材はマンガンからなる金属粉末によって熔け広がりが有効に抑制されるため、セラミック基板と金属回路板との間には所定量のロウ材が介在することとなり、その結果、セラミック基板と金属回路板との接合が強固となるとともに、セラミック基板と金属回路板との熱膨張係数の相違に起因して応力が発生したとしてもその応力はロウ材で吸収され、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することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミック回路基板の一実施例を示す断面図である。
【図２】図１に示すセラミック回路基板の要部拡大図である。
【符号の説明】
１・・・・セラミック基板
２・・・・活性金属ロウ材層
２ａ・・・金属粉末
３・・・・金属回路板

Claims (1)

1. セラミック基板の上面に活性金属ロウ材層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、前記活性金属ロウ材層は銀粉末と銅粉末および／または銀−銅合金粉末とから成るロウ材粉末と、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種から成る活性金属粉末とより成り、かつ内部に平均粒径が１〜１０μｍのマンガンからなる金属粉末を５〜２０重量％含有していることを特徴とするセラミック回路基板。

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