JP5780777B2 - Ceramic circuit board and electronic device using the same - Google Patents
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Description
本発明は、セラミック基板に金属板からなる回路が形成されたセラミック回路基板およびそれを用いた電子装置に関するものである。 The present invention relates to a ceramic circuit board in which a circuit made of a metal plate is formed on a ceramic substrate, and an electronic device using the same.
近年、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などの半導体素子が搭載され
、大きな電流を流すための、パワーモジュールやスイッチングモジュール等の電子装置に用いられる回路基板として、セラミック基板の両面に銅やアルミニウム等の金属板からなる金属回路板を接合したセラミック回路基板が用いられている。
In recent years, semiconductor elements such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) have been mounted, and as circuit boards used in electronic devices such as power modules and switching modules for flowing large currents, copper and aluminum are used on both sides of a ceramic substrate. A ceramic circuit board in which metal circuit boards made of metal plates are joined is used.
このようなセラミック回路基板は、電気自動車の制御装置や熱電変換による発電装置等の用途において需要が高まりつつあり、また、小型化や高密度化が要求されている。セラミック回路基板の回路を高密度化して小型化する方法として、セラミック回路基板の表面だけでなく内部にまで回路導体を形成する方法がある。 Such ceramic circuit boards are in increasing demand for applications such as control devices for electric vehicles and power generation devices using thermoelectric conversion, and miniaturization and high density are required. As a method of reducing the size of the circuit of the ceramic circuit board by increasing the density, there is a method of forming the circuit conductor not only on the surface of the ceramic circuit board but also inside.
その方法の1つとしては、いわゆるセラミック多層配線基板の内部回路導体を絶縁層1層分の厚みの、絶縁層と同時焼成のメタライズで形成して、セラミック多層基板の表面に金属回路板を接合したものがある(例えば、特許文献1を参照。)。 As one of the methods, an internal circuit conductor of a so-called ceramic multilayer wiring board is formed by metallization of a thickness of one insulating layer and co-fired with the insulating layer, and a metal circuit board is bonded to the surface of the ceramic multilayer board. (For example, see Patent Document 1).
また、別の方法として、上側のセラミック基板の下面に接合された上側金属回路板と、下側のセラミック基板の上面に接合され、平面視形状が上側金属回路板に対応する形状の下側金属回路板とを接合材を介して接合することによって、上下に隣接するセラミック基板間に金属回路を形成したことものがある(例えば、特許文献2を参照。)。 As another method, the upper metal circuit board joined to the lower surface of the upper ceramic substrate and the lower metal joined to the upper surface of the lower ceramic substrate and having a shape corresponding to the upper metal circuit board in plan view. There is one in which a metal circuit is formed between upper and lower adjacent ceramic substrates by bonding a circuit board via a bonding material (see, for example, Patent Document 2).
また、さらに別の方法としては、鋳型内に複数のバイアホール用の貫通孔を有するセラミック基板を互いに離間して配置し、この鋳型内に金属溶湯を注湯した後に金属溶湯を冷却して固化させることにより、セラミック基板上およびセラミック基板間に金属板および上下の金属板を接続するバイアホールを形成するものがある(例えば、特許文献3を参照。)。 As another method, ceramic substrates having a plurality of via hole through holes are arranged in the mold so as to be spaced apart from each other, and after pouring the molten metal into the mold, the molten metal is cooled and solidified. In some cases, via holes for connecting the metal plate and the upper and lower metal plates are formed on the ceramic substrate and between the ceramic substrates (see, for example, Patent Document 3).
しかしながら、セラミック多層配線基板に絶縁層1層分の厚みの、絶縁層と同時焼成のメタライズで内部回路導体を形成する方法においては、内部回路導体を絶縁層と同時焼成するためには、導電性の良い純銅等の材料を導体層として使用できないため、より小型の配線で大電流を流すことは難しく、また、厚みの厚い内部回路導体がセラミックからなる絶縁層内に充填されていることから、セラミック回路基板に搭載した電子部品の発熱による内部回路導体と絶縁層との間の熱応力によって絶縁層にクラックが入ってしまい、絶縁性が低下しやすいという問題点があった。 However, in the method of forming the internal circuit conductor on the ceramic multilayer wiring board by the metallization of the insulating layer and the simultaneous firing of the insulating layer, in order to fire the internal circuit conductor together with the insulating layer, Since it is not possible to use a material such as pure copper as a conductor layer, it is difficult to flow a large current with a smaller wiring, and since a thick internal circuit conductor is filled in an insulating layer made of ceramic, There has been a problem that the insulating layer is easily cracked by the thermal stress between the internal circuit conductor and the insulating layer due to the heat generated by the electronic component mounted on the ceramic circuit board, and the insulating property tends to be lowered.
また、上側のセラミック基板の下面に接合された上側金属回路板と、下側のセラミック
基板の上面に接合された下側金属回路板とを接合材を介して接合する方法では、内部回路導体は2枚の金属板とその間の接合材からなるので、セラミック回路基板の厚みが厚くなり、小型化には不向きであるという問題点があった。
Further, in the method of joining the upper metal circuit board joined to the lower surface of the upper ceramic substrate and the lower metal circuit board joined to the upper surface of the lower ceramic substrate via a joining material, the internal circuit conductor is Since it consists of two metal plates and a bonding material between them, the thickness of the ceramic circuit board is increased, which is not suitable for miniaturization.
また、内部回路導体を鋳造で形成する方法では、その作製が容易ではなく、またセラミック基板上の金属板はエッチング等によって回路パターン形状に加工することができるが、セラミック基板間に形成される金属板はそのようなパターン加工ができないため、いわゆるベタ導体しか形成することができず、内部回路導体の形状の自由度がなく、高密度化ができないという問題点があった。 In addition, the method of forming the internal circuit conductor by casting is not easy to manufacture, and the metal plate on the ceramic substrate can be processed into a circuit pattern shape by etching or the like, but the metal formed between the ceramic substrates Since the plate cannot perform such pattern processing, only a so-called solid conductor can be formed, the shape of the internal circuit conductor is not flexible, and the density cannot be increased.
本発明は上記問題点に鑑み完成されたものであり、複雑な形状の内部回路導体を金属板で形成しても、大電流を流すことができるとともに、信頼性が高く、小型化や薄型化のできるセラミック回路基板および電子装置を提供することにある。 The present invention has been completed in view of the above problems, and even when the internal circuit conductor having a complicated shape is formed of a metal plate, a large current can flow, and the reliability is high, and the size and thickness are reduced. It is an object of the present invention to provide a ceramic circuit board and an electronic device that can be used.
本発明のセラミック回路基板は、3層以上のセラミック基板が積層されて互いにろう材によって接合されたセラミック多層基板と、該セラミック多層基板の上面および下面にろう材によって接合された表層金属回路板と、内層の前記セラミック基板に形成された内層回路パターン形状の回路貫通孔内に配置された内層金属回路板と、前記回路貫通孔が形成された前記セラミック基板の上下の前記セラミック基板に形成された貫通孔内に配置され、一端が前記内層金属回路板に、他端が他の前記内層金属回路板または前記表層金属回路板にそれぞれろう材によって接合され、前記内層金属回路板と他の前記内層金属回路板または前記表層金属回路板とを接続する金属柱とを備えており、前記内層金属回路板と、該内層金属回路板の上下の前記セラミック基板とが直接接合していないことを特徴とするものである。 The ceramic circuit board of the present invention includes a ceramic multilayer substrate in which three or more ceramic substrates are laminated and bonded to each other by a brazing material, and a surface metal circuit board bonded to the upper and lower surfaces of the ceramic multilayer substrate by a brazing material. An inner layer metal circuit board disposed in a circuit through hole having an inner layer circuit pattern shape formed on the ceramic substrate of the inner layer, and formed on the ceramic substrate above and below the ceramic substrate on which the circuit through hole is formed. It is arranged in the through hole, one end is joined to the inner layer metal circuit board and the other end is joined to the other inner layer metal circuit board or the surface layer metal circuit board by a brazing material, and the inner layer metal circuit board and the other inner layer are joined. and a metal post that connects the metal circuit plate or the surface layer metal circuit board, and wherein the inner metal circuit board, the cell of the upper and lower inner layer metal circuit plate It is characterized in that the electrochromic substrate is not directly bonded.
そして、本発明の電子装置は、上記構成のセラミック回路基板に電子部品が搭載されていることを特徴とするものである。 The electronic device according to the present invention is characterized in that an electronic component is mounted on the ceramic circuit board having the above-described configuration.
本発明のセラミック回路基板によれば、3層以上のセラミック基板が積層されて互いにろう材によって接合されたセラミック多層基板と、セラミック多層基板の上面および下面にろう材によって接合された表層金属回路板と、内層のセラミック基板に形成された内層回路パターン形状の回路貫通孔内に配置された内層金属回路板と、回路貫通孔が形成されたセラミック基板の上下のセラミック基板に形成された貫通孔内に配置され、一端が内層金属回路板に、他端が他の内層金属回路板または表層金属回路板にそれぞれろう材によって接合され、内層金属回路板と他の内層金属回路板または表層金属回路板とを接続する金属柱とを備えることから、内層金属回路板も表層金属回路板と同様に金属板からなるので大電流を流すことができ、内層金属回路板は回路貫通孔内に配置されて充填されないので、内層金属回路板とセラミック基板との熱膨張係数が異なっていても、回路貫通孔の内壁面にセラミック基板が破損するような熱応力が加わらないようにすることができ、内層金属回路板は1枚の金属板からなり、予め内層回路パターン形状に加工した金属板で形成されるので、大電流を流せる複雑な回路パターン形状の内部回路導体とすることができ、信頼性が高く、小型化や薄型化のできるセラミック回路基板となる。 According to the ceramic circuit board of the present invention, a ceramic multilayer substrate in which three or more layers of ceramic substrates are laminated and bonded to each other by a brazing material, and a surface metal circuit board that is bonded to the upper and lower surfaces of the ceramic multilayer substrate by a brazing material An inner layer metal circuit board disposed in an inner layer circuit pattern-shaped circuit through hole formed in the inner layer ceramic substrate, and a through hole formed in the ceramic substrate above and below the ceramic substrate in which the circuit through hole is formed. One end is joined to the inner layer metal circuit board and the other end is joined to the other inner layer metal circuit board or the surface layer metal circuit board by a brazing material, and the inner layer metal circuit board and the other inner layer metal circuit board or the surface layer metal circuit board are joined. Since the inner metal circuit board is made of a metal plate in the same manner as the surface metal circuit board, a large current can flow through the inner metal layer. Since the circuit board is placed in the circuit through hole and is not filled, even if the thermal expansion coefficients of the inner metal circuit board and the ceramic substrate are different, the thermal stress that damages the ceramic substrate to the inner wall surface of the circuit through hole The inner layer metal circuit board is made of a single metal plate, and is formed from a metal plate that has been processed into the inner layer circuit pattern shape in advance. It can be used as a circuit conductor, and is a highly reliable ceramic circuit board that can be reduced in size and thickness.
本発明の電子装置によれば、上記構成の本発明のセラミック回路基板に電子部品が搭載されていることから、大電流を流すことができ、信頼性が高く、小型で薄型化の電子装置とすることができる。 According to the electronic device of the present invention, since the electronic component is mounted on the ceramic circuit board of the present invention having the above-described configuration, a large current can flow, a highly reliable, small and thin electronic device and can do.
本発明のセラミック回路基板および電子装置について、添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。図1〜図11において、1はセラミック基板、1aはセラミック基板1に形成された回路貫通孔、1bはセラミック基板1に形成された貫通孔、2はろう材、3は表層金属回路板、4は内層金属回路板、5は金属柱、6は電子部品、7はボンディングワイヤ、8は放熱板、9は枠体、9aは絶縁枠体、9bは金属枠体である。
The ceramic circuit board and electronic device of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. 1 to 11, 1 is a ceramic substrate, 1 a is a circuit through hole formed in the
本発明のセラミック回路基板は、図1および図11に示す例のように、3層以上のセラミック基板1が積層されて互いにろう材2によって接合されたセラミック多層基板と、セラミック多層基板の上面および下面にろう材2によって接合された表層金属回路板3と、内層のセラミック基板1に形成された内層回路パターン形状の回路貫通孔1a内に配置された内層金属回路板4と、回路貫通孔1aが形成されたセラミック基板1の上下のセラミック基板1に形成された貫通孔1b内に配置され、一端が内層金属回路板4に、他端が他の内層金属回路板4または表層金属回路板3にそれぞれろう材2によって接合され、内層金属回路板4と他の内層金属回路板4または表層金属回路板3とを接続する金属柱5とを備えるものである。このような構成としたことから、内層金属回路板4も表層金属回路板3と同様に金属板からなるので大電流を流すことができ、内層金属回路板4は回路貫通孔3内に配置されて充填されないので、内層金属回路板4とセラミック基板1との熱膨張係数が異なっていても、回路貫通孔1aの内壁面にセラミック基板1が破損するような熱応力が加わらないようにすることができ、内層金属回路板4は1枚の金属板からなり、予め内層回路パターン形状に加工した金属板で形成されるので、大電流を流せる複雑な回路パターン形状の内部回路導体とすることができ、信頼性が高く、小型化や薄型化のできるセラミック回路基板となる。
As shown in FIGS. 1 and 11, the ceramic circuit board of the present invention includes a ceramic multilayer board in which three or more layers of
また、内層のセラミック基板1には、表層金属回路板3や内層金属回路板4との熱膨張係数の差による熱応力等の機械的応力が加わらない構造とすることができるので、例えば表層のセラミック基板1に強度に優れた窒化ケイ素基板を用い、内層のセラミック基板1には熱伝導性に優れた窒化アルミニウム基板を用いることができるので、熱放散性とセラミック基板1の機械的強度に依存する温度サイクル信頼性のような異なる特性を両立させたセラミック回路基板とすることができる。
Further, the inner layer
そして、内層金属回路板4によって回路を引き回すので、表層金属回路板3を小型にすることができ、表層金属回路板3とセラミック基板1との間に発生する熱応力を小さいものとすることができ、表層金属回路板3の接合信頼性が高いものとなる。
Since the circuit is routed by the inner layer
図1に示す例では、セラミック多層基板は3層のセラミック基板1が積層されて互いにろう材2によって接合されて形成されており、セラミック多層基板の上面には内層金属回路板4と接続される6つの表層金属回路板3と、電子部品6を搭載するための1つの表層金属回路板3が接合され、下面には、内層金属回路板4および金属柱5を介して上面の表層金属回路板3にそれぞれ電気的に接続される6つの表層金属回路板3と、電子部品6で発生した熱を外部回路基板や冷却体へ伝導するための放熱板8が接合されている。セラミック多層基板の層数は3層よりも多くてもよく、内層回路導体を1層増やすには、内層金属回路板4が内部に配置される回路貫通孔1aを有するセラミック基板1と金属柱5が内部に配置される貫通孔1bを有するセラミック基板1との2層のセラミック基板1を追加することになる。
In the example shown in FIG. 1, the ceramic multilayer substrate is formed by laminating three layers of
セラミック基板1は絶縁性のセラミック材料からなり、例えば、酸化アルミニウム質セラミックス,ムライト質セラミックス,炭化ケイ素質セラミックス,窒化アルミニウム質セラミックス,窒化ケイ素質セラミックス等のセラミックスからなる。これらの中では熱伝導性(放熱性)の点からは炭化ケイ素質セラミックス,窒化アルミニウム質セラミックス,窒化ケイ素質セラミックスが好ましく、強度の点からは窒化ケイ素質セラミックスや炭化ケイ素質セラミックスが好ましい。また、セラミック基板1が窒化ケイ素質セラミックスのように強度の高いセラミックスであると、より厚みの厚い表層金属回路板3、内層金属回路板4および放熱板8を使用してもセラミック基板1にクラックが入ったりしないので、小型でもより大電流を流すことができるセラミック回路基板となるので好ましい。厚みは、薄い方が熱伝導性の点ではよいが、セラミック回路基板の大きさや用いる材料の熱伝導率や強度に応じて選択すればよく、0.1mm〜1mm程度である。
The
セラミック基板1は、例えば窒化ケイ素質セラミックスから成る場合であれば、窒化ケイ素,酸化アルミニウム,酸化マグネシウム,酸化イットリ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物に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、次にこの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て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、これを窒化雰囲気等の非酸化性雰囲気にて1600〜2000℃の温度で焼成することによって製作される。
If the
セラミック基板1の回路貫通孔1aは内層金属回路板4を収容するための貫通孔であり、図1(c)に示す例のように、内層金属回路板4より一回り大きいものである。貫通孔1bは表層金属回路板3と内層金属回路板4または表層金属回路板3とを接続する金属柱5を収容するための貫通孔であり、金属柱5の横断面より一回り大きいものである。具体的には、内層金属回路板4の側面と回路貫通孔1aの内壁面との間の距離、および金属柱5の側面と貫通孔1bの内壁面との間の距離は、それぞれ内層金属回路板4の長さや幅の1%の長さ、および金属柱5の横断面の長さ(金属柱5が円柱の場合であれば直径)の1%程度であれば、比較的熱膨張係数の小さい窒化ケイ素質セラミックス(熱膨張係数:約3×10−6/℃)から成るセラミック基板1と、銅とアルミニウムとで熱膨張係数の大きいアルミニウム(熱膨張係数:約23×10−6/℃)から成る内層金属回路板4および金属柱5を用いた場合であっても、セラミック回路基板に搭載した電子部品の発熱、あるいは大電流による内層金属回路板4自身の発熱に起因して、セラミック基板1と内層金属回路板4および金属柱5との熱膨張差によって回路貫通孔1aおよび貫通孔1bの内面に応力が加わることがない。
The circuit through hole 1a of the
また、セラミック基板1の厚みは、内層金属回路板4の厚みおよび金属柱5の高さよりも厚いのが好ましい。セラミック基板1の厚みがこれらのいずれの厚みより薄いと、セラミック基板1と内層金属回路板4および金属柱5との熱膨張差によって、金属柱5が表層金属回路板3を貫通孔1b内から押さえる力が作用して、表層金属回路板3とセラミック基板1との接合強度および接続信頼性が低下しやすくなるからである。また、セラミック基板1の厚みが内層金属回路板4の厚み以下であると、セラミック基板1と内層金属回路板4との熱膨張差によって、回路貫通孔1aを有するセラミック基板1の上下に接合されたセラミック基板1を内層金属回路板4が押さえる力が作用して、回路貫通孔1aを有するセラミック基板1とその上下のセラミック基板1との接合強度および接続信頼性が低下しやすくなるからである。
The thickness of the
回路貫通孔1aおよび貫通孔1bは、上記のセラミック基板1の製造工程において、セラミックグリーンシートに金型加工やレーザー加工によって孔を形成しておくことで形成することができる。あるいは、セラミック基板1を作製した後にレーザー加工やサンドブラスト加工によって形成する。
The circuit through hole 1a and the through hole 1b can be formed by forming holes in the ceramic green sheet by die processing or laser processing in the manufacturing process of the
表層金属回路板3、内層金属回路板4、金属柱5および放熱板8は、銅やアルミニウム等の金属から成り、例えば銅のインゴット(塊)に圧延加工法や打ち抜き加工法等の機械的加工やエッチング等の化学的加工のような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0.05〜1mmの平板状で、所定パターンに形成される。このとき、表層金属回路板3および内層金属回路板4は、予め所定パターン形状に形成したものを用いてもよいし、後述するように、セラミック基板1と同程度の大きさおよび形状の金属板をセラミック基板1に接合した後にエッチングで所定パターン形状に加工してもよい。
The surface
表層金属回路板3、内層金属回路板4、金属柱5および放熱板8が銅から成る場合は、無酸素銅で形成するのが好ましい。無酸素銅で形成すると、表層金属回路板3または内層金属回路板4と金属柱5との接合やセラミック基板1と表層金属回路板3または内層金属回路板4との接合を行なう際に、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、ろう材2との濡れ性が良好となるので、接合が強固となる。
When the surface layer
セラミック基板1同士の接合、セラミック基板1と表層金属回路板3または内層金属回あるいは放熱板8との接合、金属柱5および放熱板8路板4との接合、金属柱5と表層金属回路板3または内層金属回路板4との接合は、ろう材2によって行なわれる。ろう材2は、活性金属を含むものであっても、活性金属を含まない通常のものであっても構わない。ろう材2は、上記のすべての接合に活性金属を含むろう材2を用いてもかまわないが、金属柱5と表層金属回路板3または内層金属回路板4との接合は、活性金属を含まないろう材2を使用すると、ろう材2がセラミック基板1とは接合しないので、流れ出たろう材2が回路貫通孔1aの内面に内層金属回路板4が固着して、熱応力等によって回路貫通孔1aからクラックが発生することがないので好ましい。
Joining between
上記各部材をろう材2で接続するには、各部材の接合面の少なくとも一方にスクリーン印刷等でろう材ペーストを例えば30〜50μmの厚さで所定パターンに印刷塗布するとともに、所定の構造となるように挟んで載置した後、金属板に5〜10kPaの荷重をかけながら真空中または水素ガス雰囲気や水素・窒素ガス雰囲気等の非酸化性雰囲気中で780℃〜900℃、10〜120分間加熱し、ろう材ペーストの有機溶剤や溶媒・分散剤を気体に変えて発
散させるとともにろう材2を溶融させることによって行なわれる。
In order to connect each member with the
表層金属回路板3、内層金属回路板4、金属柱5および放熱板8が銅から成る場合は、活性金属を含まない、通常のろう材ペーストは、銀および銅粉末,銀−銅合金粉末,また
はこれらの混合粉末から成る銀ろう材(例えば、銀:72質量%−銅:28質量%)粉末に対して適当なバインダーと有機溶剤・溶媒とを添加混合し、混練することによって製作される。活性金属入りのろう材ペーストは、この通常のろう材ペーストに、チタン,ハフニウム,ジルコニウムまたはその水素化物等の活性金属を銀ろう材に対して2〜5質量%添加混合し、混練することによって製作される。
When the surface layer
表層金属回路板3、内層金属回路板4、金属柱5および放熱板8がアルミニウムから成る場合は、銀ろう材に換えてアルミニウムろう材(例えば、アルミニウム:88質量%−シリコン:12質量%)を用いればよい。この場合も同様にしてろう材ペーストおよび活性金属入りろう材ペーストを作製して、同様にして接合すればよい。アルミニウムろう材2を使用した場合には、銅より低温の約600℃で接合することができる。
When the surface layer
活性金属を含まない、通常のろう材ペーストで表層金属回路板3または内層金属回路板4、あるいは放熱板8をセラミック基板1に接合するには、セラミック基板1上にメタライズ層を形成しておき、メタライズ層と表層金属回路板3または内層金属回路板4、あるいは放熱板8との間にろう材ペーストを配置すればよい。セラミック基板1上のメタライズ層は、セラミック基板1を作製する際に、セラミックグリーンシート上にメタライズペーストを所定パターン形状に印刷塗布しておき、焼成することによって形成しておくか、セラミック基板1を作製した後に、セラミック基板1上にメタライズペーストを所定パターン形状に印刷塗布して焼き付けることによって形成すればよい。メタライズペーストは、タングステン(W),モリブデン(Mo),マンガン(Mn)またはこれらの混合粉末から成る金属粉末と、適当なバインダーと有機溶剤・溶媒とを添加混合し、混練することによって製作される。
In order to join the surface layer
また、表層金属回路板3は、セラミック基板1に接合した後に、その表面にニッケルから成る、良導電性で、かつ耐蝕性およびろう材との濡れ性が良好な金属をめっき法により被着させておくと、表層金属回路板3に半導体素子等の電子部品5を半田を介して強固に接着させることができるとともに、表層金属回路板3と外部電気回路との電気的接続を良好なものとすることができる。この場合は、内部に燐を8〜15質量%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、ニッケルから成るめっき層の表面酸化を良好に防止してろう材との濡れ性等を長く維持することができるので好ましい。ニッケルに対する燐の含有量が8質量%未満となると、あるいは15質量%を超えると、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めっき層に半田を強固に接着させることが困難となりやすい。このニッケルから成るめっき層は、その厚みが1.5μm未満の場合には、
表層金属回路板3の表面を完全に被覆することができず、表層金属回路板3の酸化腐蝕を有効に防止することができなくなる傾向がある。また、10μmを超えると、特にセラミック基板の厚さが300μm未満の薄いものになった場合には、めっき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に反りや割れ等が発生しやすくなってしまう。また、放熱板8にも同様のニッケル金属層を形成しておくと、外部回路基板や冷却体への接合が良好になるのでよい。
Further, after the surface layer
There is a tendency that the surface of the surface
3層のセラミック基板1を用いて表層金属回路板3、内層金属回路板4および放熱板8をあらかじめ所定パターンに形成して接合する場合は、以下のようにすればよい。まず、所定の位置に貫通孔1bを有するセラミック基板1と回路貫通孔1aを有するセラミック基板1を3枚準備する。また、金属板をプレス加工や、エッチング加工等を用い、表層金属回路板3、内層金属回路板4、金属柱5および放熱板8の所定パターン形状に加工する。次にセラミック基板1同士が相対する接合部の少なくとも一方に、接合後にろう材2となる活性金属入りのろう材ペーストを所定形状にスクリーン印刷等で塗布する。金属柱5の上下面には、ろう材2を予め形成しておく。このろう材2は、金属柱5の表裏にスクリーン印刷で同様にろう材ペーストを形成しても良いし、表裏にろう材2をクラッドした所
定の厚みの金属板を金属柱5の寸法に打ち抜くことで形成してもよい。各部材を所定の位置に配置し、位置がずれないように治具等を用いて荷重をかけながら真空中でろう材2が溶融する温度まで昇温し各部材を接合することで、セラミック回路基板となる。
When the surface layer
内層金属回路板4と金属柱5とによる内部回路を形成した多層セラミック基板の上面および下面に、セラミック基板1と同程度の大きさおよび形状の金属板をセラミック基板1に接合した後に、金属板をエッチングで表層金属回路板3および放熱板8の所定パターン形状に加工する場合は、例えば以下のようにする。セラミック基板1の上に接合された金属板の表面にエッチングレジストインクをスクリーン印刷法等の技術を採用して所定パターン形状に印刷塗布してレジスト膜を形成した後、例えば金属板が銅板である場合であれば、塩化第2鉄,塩化第2銅溶液等のエッチング液に浸漬したり、エッチング液を吹き付けたりして表層金属回路板3および放熱板8の所定パターン以外の部分を除去し、レジスト膜を除去すればよい。
A metal plate having the same size and shape as the
なお、図5または図6に示されているように、内層金属回路板4が屈曲または湾曲していてもよい。内層金属回路板4とセラミック基板1との熱膨張係数が異なっていても、屈曲または湾曲している内層金属回路板4によって応力を緩和することができるので、セラミック基板1に加わる応力をさらに低減させることができ、より信頼性の高いセラミック回路基板となる。
As shown in FIG. 5 or FIG. 6, the inner
また、図5に示されているように、回路貫通孔1aが通気孔1cによって外気と繋がっている構造、または、図6に示されているように、通気孔1cに充填材1dが設けられていることによって回路貫通孔1aが外気と遮断されており、回路貫通孔内1aがガスによって充填されている構造であってもよい。充填材1dの材料は、例えばガラスまたは金属ろう材等である。充填材1dにろう材を用いる場合、通気孔1cの内面にメタライズ層が形成されているとよい。回路貫通孔1aが通気孔1cによって外気と繋がっている構造または回路貫通孔1a内が例えば大気圧に近い圧力のガスで充填されている構造であれば回路貫通孔1aにおいて真空放電が発生しないので、仮にろう材中のボイドを減少させ熱伝導率を向上させるために真空中でろう材を接合させたとしても、絶縁耐圧が低下を抑えることができ信頼性の高いセラミック回路基板となる。 Further, as shown in FIG. 5, the circuit through hole 1a is connected to the outside air by the vent hole 1c, or as shown in FIG. 6, the vent hole 1c is provided with a filler 1d. Therefore, the circuit through hole 1a may be blocked from outside air, and the inside of the circuit through hole 1a may be filled with gas. The material of the filler 1d is, for example, glass or a metal brazing material. When a brazing material is used for the filler 1d, a metallized layer is preferably formed on the inner surface of the vent hole 1c. If the circuit through hole 1a is connected to the outside air by the vent hole 1c or the circuit through hole 1a is filled with, for example, a gas having a pressure close to atmospheric pressure, no vacuum discharge occurs in the circuit through hole 1a. Even if the brazing material is bonded in a vacuum in order to reduce the voids in the brazing material and improve the thermal conductivity, the dielectric breakdown voltage can be suppressed from being lowered, resulting in a highly reliable ceramic circuit board.
また、図5または図6に示されているように、ろう材2がセラミック基板1の端部から離れた部分に設けられている構造であってもよい。すなわち、ろう材2が回路貫通孔1aから離れた部分に設けられている構造であってもよい。ろう材2と内層金属回路板4との接触の可能性を低減させることができ、信頼性を向上させることができる。また、ろう材2が貫通孔1bからも離れていることによって、ろう材2と金属柱5との接触の可能性も低減させることができる。
Further, as shown in FIG. 5 or FIG. 6, a structure in which the
また、図7に示されているように、複数の回路貫通孔1aが繋がっている構造であってもよい。例えば複数の回路貫通孔1aの形状が複雑な場合であっても、複数の回路貫通孔1aに共通の一つの通気孔1cを設けるということも可能となる。 Moreover, as shown in FIG. 7, a structure in which a plurality of circuit through holes 1a are connected may be used. For example, even if the shape of the plurality of circuit through holes 1a is complicated, it is possible to provide one common vent hole 1c for the plurality of circuit through holes 1a.
また、セラミック回路基板が、図1〜図3に示す例のような、内層金属回路板4がセラミック基板1に接合されている場合であれば、図8〜図10に示すような工程で内層金属回路板4もエッチングによって所定パターン形状に加工することができる。まず、図8(a)に示す例のように、貫通孔1bを有する上層用のセラミック基板1の上面および下面に、セラミック基板1と同程度の大きさの、表層金属回路板3となる金属板3’および内層金属回路板4となる金属板4’がそれぞれ接合され、これらが貫通孔1b内の金属柱5で接続されたものを、上記と同様の方法で形成する。次に、図8(b)に示す例のように、金属板3’および金属板4’の表面に、それぞれ表層金属回路板3および内層金属回路板
4の所定パターン形状のレジスト膜10を形成する。次いで、図8(c)および図8(d)に示す例のように、金属板3’、金属板4’のレジスト膜10に覆われていない不要部分をエッチング液によって溶解し、レジスト膜10を剥離することで、セラミック回路基板の上側だけ(上側回路基板)を作製する。次に、図9(a)に示す例のように、所定の回路貫通孔1aを有する中間層用のセラミック基板1と所定の貫通孔1bを有する下層用のセラミック基板1とがろう材2で接合され、下層用のセラミック基板1の下面には、セラミック回路基板の下面の表面金属回路板3および放熱板8となる、セラミック基板1と同程度の大きさの金属板3’が接合され、貫通孔1b内で金属柱5が金属板3’に接合されたものを作製する。次に、図9(b)に示す例のように、金属板3’の表面に、表層金属回路板3および放熱板8の所定パターン形状のレジスト膜10を形成する。次いで、図9(c)および図9(d)に示す例のように、金属板3’のレジスト膜10に覆われていない不要部分をエッチング液によって溶解し、レジスト膜10を剥離することで、セラミック回路基板の下側だけ(下側回路基板)を作製する。このとき、回路貫通孔1aおよび貫通孔1bにエッチング液が入って、金属柱5や金属板3’の貫通孔1b内に露出する部分がエッチングされることがないように、中間層用のセラミック基板1の上面の回路貫通孔1aの開口を治具やフィルム上のレジスト等で塞いでおくとよい。そして、図10(a)に示す例のように、上側回路基板と下側回路基板とを下側回路基板の回路貫通孔1a内に上側回路基板の内層金属回路板4が入るように重ねて、図10(b)に示す例のように、上層用のセラミック基板1と中間層用のセラミック基板1との間、内層金属回路板4と下層用のセラミック基板1および金属柱5との間をろう材2で接合することによって、図1に示す例のような、3層のセラミック基板1が積層された構造の本発明のセラミック回路基板1を作製することができる。この方法では、表層金属回路板3および内層金属回路板4は、共にセラミック基板1に大きさの大きい金属板3’および金属板4’を接合させてからエッチングで所定パターン形状に加工することができるので、金属板3’および金属板4’が取り扱いによって曲がってしまう可能性が減少するために、柔らかい銅板を使用する場合や薄い金属板を用いるときには好ましい。また、1つのセラミック基板1上には1枚の金属板3’または金属板4’を配置すればよいので、接合前のセラミック基板1と金属板3’および金属板4’とを重ねて配置するのが容易であり、位置合わせも容易である。
If the ceramic circuit board is a case where the inner
内層金属回路板4は、図1および図2に示す例、ならびに製造工程を示す図8〜図10の例では、その上面は上層のセラミック基板1に、下面は下層のセラミック基板1にろう材2で接合されているが、図3に示す例のように内層金属回路板4の上下面のうちの片面だけをセラミック基板1に接合してもよいし、図4に示す例のようにセラミック基板1に接合しなくてもよい。
In the example shown in FIGS. 1 and 2 and the example of FIGS. 8 to 10 showing the manufacturing process, the inner layer
図4に示す例のように、上下のセラミック基板1と内層金属回路板4とが直接接合しない場合は、セラミック基板1と(セラミック基板1に金属柱5および表層金属回路板3を介して接合された)内層金属回路板4との間に発生する熱応力は、セラミック基板1に直接接続されていない内層金属回路板4が変形して緩和されやすくなる。これによって、金属柱5を介して表層金属回路板3に加わる応力も小さいものとなる。また、構造的な理由以外にも、内層金属回路板4が接合時のろう材2からの金属拡散によって硬度が高くなる部分が少ないという理由でも、金属柱5を介して表層金属回路板3に加わる応力が小さくなるので好ましい。
When the upper and lower
また、内層金属回路板4の上下面のうちの片面だけをセラミック基板1に接合する場合や、内層金属回路板4の上下面ともセラミック基板1に接合する場合であっても、図3および図4に示す例のように、内層金属回路板4の上下面の全面でセラミック基板1に接合しないようにすると、内層金属回路板4が変形しやすく、またろう材2からの金属拡散によって硬度が高くなる部分が少なくなるので、応力をより緩和することができる。
Further, even when only one of the upper and lower surfaces of the inner layer
このように応力を緩和することができると、窒化アルミニウム質セラミックスのように熱伝導率は高いが機械的強度が小さいという材料から成るセラミック基板1を表層のセラミック基板1としても用いることができるようになり、全層窒化アルミニウム質セラミックスで形成することができるので、熱放散性と温度サイクル信頼性の両方の特性を両立させたセラミック回路基板とすることができる。この場合は、特に熱放散性の高いセラミック回路基板とすることができる。
When the stress can be relaxed in this way, the
本発明の回路基板において、セラミック基板1に加わる熱応力は、表層金属回路板3、内層金属回路板4および放熱板8とセラミック基板1との熱膨張係数の差によって発生するものが主となり、この応力は接合しているこれら金属板の硬さと、回路基板と表層金属回路板3(内層金属回路板4)の接合長さに比例して大きくなる。そのため、上述したように、内層金属回路板4は、図4に示す例のようにセラミック基板1に接合しないのが好ましく、接合する場合であっても、図2および図3に示す例のように、内層金属回路板4の上下面の全面でセラミック基板1に接合しないようにすると、ろう材2の拡散によって内層金属回路板4が硬くなることが抑えられるので好ましい。また、図11に示す例では、セラミック回路基板の下面の中央部に比較的大きい放熱板8が接合されているが、図1に示す例のように、放熱板8のパターンを複数の小さいものにして放熱板8とセラミック基板1との接合長さを短くすることによって熱応力を小さくするのが好ましい。具体的には、セラミック基板1と表層金属回路板3等の金属板との接合長さが10mmを超えないようにするとよい。
In the circuit board of the present invention, the thermal stress applied to the
図11に示す例では、最上層のセラミック基板1の上面に電子部品6の搭載部および表層金属回路板3を取り囲むような枠体9を設けている。この例では、枠体9は、セラミック基板1の上に、順に金属枠体9b、絶縁枠体9a、金属枠体9bがろう材2を介して接合されて形成されている。上側の金属枠体9bは、蓋を接合するためのものである。この枠体9の上に金属等からなる蓋をろう接やシーム溶接やYAGレーザー溶接等の溶接によって気密に接合することで、電子部品6を気密封止した電子装置とすることができる。このようにすることによって、電子部品6を気密に封着するとともに、多層セラミック基板の下面の表層金属回路板3を外部端子として外部回路に電気的に接続することができるようになっている。下側の金属枠体9bは、表層金属回路板3と同様の方法で、表層金属回路板3と同時に形成すればよい。下側の金属枠体9bの上には、セラミック基板1と同様のセラミックスから成る絶縁枠体9aとが活性金属で接合され、さらに絶縁枠体9aの上に活性金属で上側の金属枠体9bが接合される。図11に示す例では、このように金属枠体9bと絶縁枠体9aとを積層して接合することによって枠体9を形成することで、セラミック回路基板に搭載される電子部品6より高さの高い枠体9を形成している。枠体9は、図11に示す例に限られるものではなく、例えば、下側の金属枠体9bだけで枠体9を形成して、電子部品6を覆うような箱型の蓋を接合してもよい。
In the example shown in FIG. 11, a frame 9 is provided on the upper surface of the uppermost
上記のような本発明の回路基板に電子部品6を搭載し、電気的に接続することで本発明の電子装置となる。本発明の電子装置によれば、上記各構成の本発明のセラミック回路基板に電子部品6が搭載されていることから、大電流を流すことができ、信頼性が高く、小型で薄型化の電子装置となる。また、特性の異なる第1のセラミック基板および第2のセラミック基板を用いることで、例えば、電子部品から発生した熱を外部に効率良く排出することができるとともに、回路基板の強度を向上させることができるので、熱放散性と温度サイクル信頼性等のような異なる特性を両立させた電子装置とすることができる。
The
電子部品6としては、トランジスタ,CPU(Central Processing Unit)用のLSI
(Large Scale Integrated circuit),IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor
)やMOS−FET(Metal Oxide Semiconductor - Field Effect Transistor)等の半
導体素子が挙げられる。
(Large Scale Integrated circuit), IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
) And MOS-FET (Metal Oxide Semiconductor-Field Effect Transistor).
電子部品6は、半田やAu−Si合金等の金属接合材あるいは導電性樹脂で固定されて回路基板に搭載され、ボンディングワイヤ7により電気的に接続される。図1〜図10に示す例では、上から1層目のセラミック基板1の上面に電子部品6を搭載するための表層金属回路板3を形成しているが、セラミック基板1の上面に直接、または第1のセラミック基板1の上面に形成したメタライズ層の上に搭載してもよい。
The
1・・・・・セラミック基板
1a・・・・回路貫通孔
1b・・・・貫通孔
2・・・・・ろう材
3・・・・・表層金属回路板
4・・・・・内層金属回路板
5・・・・・金属柱
6・・・・・電子部品
7・・・・・ボンディングワイヤ
8・・・・・放熱板
9・・・・・枠体
9a・・・・絶縁枠体
9b・・・・金属枠体
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