JP6160937B2

JP6160937B2 - セラミックス回路基板集合体及びセラミックス回路基板の製造方法

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Description

本発明は、セラミックス基板の一方の主面に金属回路板と、他方の主面に金属放熱板とを、接合層を介して接合するセラミックス回路基板の検査方法に関する。

一般に半導体モジュールでは、セラミックス基板の一方の面に、銅合金、アルミニウム合金等の、比較的電気伝導率の高い金属で回路パターンが形成され、他方の面にも同様の金属で放熱板が形成される。この回路パターンおよび放熱板（以下、両方を合わせて金属板ということがある）と、セラミックス基板との接合は、活性金属ろう付け法、ＤＢＣ（Direct Bonding Copper）、ＤＢＡ（Direct Bonding Aluminium）等様々な方法で行なわれる。

前記回路パターンや放熱板の表面には、はんだ濡れ性向上、防食の観点からニッケル（Ｎｉ）−リン（Ｐ）等を含む無電解めっき層が形成される。これによりセラミックス基板を用いたセラミックス回路基板が得られ、この回路パターンの表面に形成された無電解めっき層の表面に半導体チップなどが搭載されてパワー半導体モジュールとなる。

近年では、例えば電動車両用のインバーター等として高電圧、大電流動作が可能なパワー半導体モジュール（ＩＧＢＴモジュール等）が広く利用されている。このような半導体モジュールでは、半導体チップが動作中は高温となるので、セラミックス回路基板の放熱効率を高める必要がある。そこで上記半導体チップを搭載する回路基板として、機械強度が高く、絶縁信頼性の高いことに加えて放熱性の高いセラミックス回路基板が必要とされるようになり、窒化アルミニウムや窒化珪素からなる高熱伝導、高強度セラミックスの適用が検討されている。

このような高熱伝導、高強度セラミックスを用いた回路基板としては、熱伝導率が９０Ｗ／ｍＫ以上、常温における３点曲げ強度が６００ＭＰａ以上である、窒化ケイ素質焼結体製基板の表面銅製回路板を設け、裏面に銅板をろう材により接合して構成したセラミックス回路基板が開示されている（たとえば、特許文献１参照）。

通常、製品であるセラミックス回路基板が所望の放熱性になるよう、セラミックス材料の選定がなされ、そのセラミックス材料の放熱性は、熱伝導率の抜き取り検査がレーザフラッシュ法により主に行われてきた。特許文献１に記載されている高熱伝導窒化ケイ素質焼結体を用いた回路基板では、得られた窒化ケイ素質焼結体から、直径１０ｍｍ×厚さ３ｍｍの試験片を採取して、窒化ケイ素焼結体自体の熱伝導率をレーザフラッシュ法で測定することが開示されている。この熱伝導率の測定は、セラミックス基板を製造する際のドクターブレード成形法とは異なる成形法を採用して行われることが開示されている。

特開２００２−２９３６４２号公報

パワー半導体モジュールの高密度化により、パワー半導体モジュールから発生する熱対策のため、放熱性向上の要求が高く、これに使われるセラミックス回路基板に関しても放熱性の向上が求められている。このため、セラミックス回路基板の放熱性を正確に、かつ効率良く評価する必要がある。

パワー半導体モジュールに使用されるセラミックス回路基板では、放熱性を律速する要因として、セラミックス基板自体の熱伝導率に加え、セラミックス基板と金属回路板や金属放熱板間の接合層の熱伝導率、接合層の厚み、接合層とセラミックス基板界面に形成される反応層の熱伝導率や反応層の厚み、金属板表面に形成されるめっき層の熱伝導率やめっき層の厚さなど、多くの要因が存在することから、従来技術のように、セラミックス基板を構成するセラミックス自体の熱伝導率を測定しただけでは、セラミックス回路基板の放熱特性を判定することは困難であった。

すなわち、セラミックス基板の一方の面に金属回路板、他方の面に金属放熱板を、活性金属ろう付け法、ＤＢＣ、ＤＢＡ等の方法で接合して、金属回路板および金属放熱板の表面にめっき層を施した後、金属回路板表面のめっき層上にパワー半導体素子を半田で接合して、パワー半導体モジュールに実装して使用した場合、パワー半導体素子の放熱がうまく行われず、パワー半導体素子と金属回路板とを接合している半田が溶融したり、パワー半導体素子の電極端子と金属回路板とを電気的に接続するボンディングの断線等の不具合が生じることがあった。この原因は、主にセラミックス基板と金属回路板または金属放熱板との接合層に起因して放熱性が阻害されたためであり、中でも接合層中の微小ボイドによる影響が大きい。特に、セラミックス基板と金属板を接合する際に、接合条件が微妙に変化した場合（たとえば接合炉の運転状態に起因する）、不具合の発生する割合が非常に高くなってしまうという問題点があった。

本発明は、上記実情に鑑みなされたもので、セラミックス回路基板にパワー半導体素子を接合して使用した際に発生する半田の溶融やボンディングの断線等の不具合を防ぐことのできるセラミックス回路基板の検査方法を提供することにある。

本発明のセラミックス回路基板の検査方法は、セラミックス基板の一方の主面に金属回路板と、他方の主面に金属放熱板とを接合層を介して接合するセラミックス回路基板を複数個有し、両主面の外周辺部に前記金属回路板および前記金属放熱板とそれぞれ同材質、同一厚さのダミー金属板とを前記セラミックス基板に対して対向するように接合層を介して接合するダミー部を複数個有し、前記セラミックス回路基板および前記ダミー部を分割するための分割溝が設けられるセラミックス回路基板集合体の前記セラミックス基板および前記ダミー部を、前記分割溝を用いて分割した後、少なくとも一つのダミー部の一方の主面のダミー金属板表面にレーザパルスを照射し、他方の主面のダミー金属板表面の温度を計測することにより熱伝導率を測定して前記セラミックス回路基板の検査を行うことを特徴とする。

本発明のセラミックス回路基板の検査方法において、前記ダミー部を分割する前に、前記セラミックス回路基板集合体をめっき液に浸漬して、前記金属回路板、金属放熱板、およびダミー金属板の表面にニッケルめっきを施すことが好ましい。

本発明のセラミックス回路基板の検査方法において、前記ダミー部の両主面における前記セラミックス基板と前記ダミー金属板との接合面積が同一であり、前記ダミー部おけるセラミックス基板の主面の面積の６０％以上であることが好ましい。

本発明のセラミックス回路基板の検査方法において、前記ダミー部におけるセラミックス基板と前記ダミー金属板と間の接合層中のボイド率と熱伝導率の関係を予め測定し、前記ボイド率に基き前記熱伝導率の規格値を設定した後、前記熱伝導率の規格値に基き前記セラミックス回路基板の放熱性の判定を行うことが好ましい。

本発明のセラミック回路基板の検査方法は、上記従来技術の課題を解消し、セラミックス回路基板にパワー素子接合して使用した際に発生する不具合を防ぐことができる。

本発明の一実施形態に係るセラミックス回路基板の検査方法に用いられるセラミックス回路基板集合体を示す平面図である。本発明の一実施形態に係るセラミックス回路基板の検査方法に用いられるセラミックス回路基板集合体を示す下面図である。図１のセラミックス回路基板集合体のＡ矢視図である。本発明の一実施形態にかかるセラミックス回路基板の検査方法において、熱伝導率の測定の際に、得られる温度履歴曲線例の図面である。本発明の一実施形態に係るセラミックス回路基板の検査方法において、ダミー部におけるセラミックス基板と金属板との接合層中のボイド率とダミー部の熱伝導率との関係を示した図面である。

以下、本発明の実施形態を具体的に説明するが、本発明は以下の実施形態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、当業者の通常の知識に基づいて、以下の実施の形態に対し、適宜変更、改良等が加えられたものも本発明の範囲に入ることが理解されるべきである。

本発明の一実施形態であるセラミックス回路基板の検査方法について、使用されるセラミックス回路基板集合体１の正面図である図１、その下面図である図２、図１のＡ矢視図である図３、ダミー部３１の熱伝導率を測定する際に得られる温度履歴曲線例である図４を参照して説明する。図１に示すセラミックス回路基板集合体１は、１枚のセラミックス母基板１０と、セラミックス母基板１０の一方の主面１０１に接合された金属回路板１２１、１２２、ダミー金属板１４１、１４２、１４３、１４４、１４５、他方の主面１０２に接合した金属放熱板１３、ダミー金属板１５１、１５２、１５３、１５４、１５５とからなり、セラミックス回路基板２とダミー部３１、３２、３３、３４、３５とで構成され、セラミックス回路基板２とダミー部３１〜３５を分割するための分割溝５が形成されている。ダミー金属板１４１、１４２、１４３、１４４、１４５は、金属回路板１２１、１２２と同材質であり、同一厚さを有し、ダミー金属板１５１、１５２、１５３、１５４、１５５は、金属放熱板１３と同材質であり、同一厚さを有し、ダミー金属板１４１〜１４５は、セラミックス基板１と接合層１４１ａ〜１４５ａを介して接合され、ダミー金属板１５１〜１５５は、セラミックス基板１と接合層１５１ａ〜１５５ａを介してダミー金属板１４１〜１４５とそれぞれ対向するように接合されている。これらの金属回路板１２１、１２２、金属ダミー板１４１〜１４５、金属放熱板１３、金属ダミー板１５１〜１５５は、公知の方法で形成される。すなわち、セラミックス母基板１０の両主面に対し、同一面積の金属板（図示せず）を、活性金属ろう付け法、ＤＢＣ、ＤＢＡなどの方法で接合した後、金属板の表面にマスキングを施し、エッチングにより不要な部分を除去することにより、セラミックス母基板１０上に、金属回路板１２１、１２２、金属ダミー板１４１〜１４５、金属放熱板１３、金属ダミー板１５１〜１５５が形成され、図１に示すようなセラミックス回路基板集合体１が得られる。

前記セラミックス回路基板集合体１を、分割溝５を用いて分割することにより、セラミックス回路基板２およびダミー部３１〜３５を得ることができ、このダミー部３１〜３５のうちの少なくとも１個のダミー部の一方の主面に接合されたダミー金属板の表面にレーザパルスを照射し、他方の主面に接合されたダミー金属板の表面の温度を計測する。この他方の面に接合されたダミー金属板の表面温度変化とレーザパルス照射開始からの経過時間との関係から図４に示す温度履歴曲線を求め、以下の計算式で熱伝導率を算出する。
λ = α・Ｃｐ・ρ （１）
Ｃｐ =Ｑ／(Ｍ・θm) （２）
α = ０．１３８８ｄ／t1/2 （３）
λ：熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）
Ｃｐ：比熱（Ｊ／（ｋｇ・Ｋ））
α：熱拡散率（ｍ^２／ｓ）
ρ：密度（ｋｇ／ｍ^３）
Ｑ：熱入量（レーザパルスエネルギー）（Ｊ）
θｍ：温度上昇量（Ｋ）
Ｍ：質量（ｋｇ）
t1/2：温度上昇量の１／２だけ温度が上昇するのに要する時間（ｓ）
ｄ：ダミー部の厚さ（ｍ）

前述したような方法で、セラミックス回路基板集合体１を構成するセラミックス回路基板２と同一の製造工程を経て形成されたダミー部３１〜３５を分割した後、このダミー部３１〜３５のうちの少なくとも１個のダミー部３１の一方の主面に接合された金属板表面にレーザパルスを照射し、他方の主面のダミー金属板表面の温度を計測することにより、ダミー部３１の一方のダミー金属板１４１の表面から、他方のダミー金属板１５１の表面までの、ダミー部の厚さ方向の熱伝導率を測定しているため、ダミー部３１と同一の製造工程を経て形成されたセラミックス回路基板２の金属回路板１２１、１２２の表面から、金属放熱板１３の表面にセラミックス回路基板２の厚さ方向の熱伝導率と同等の熱伝導率が得られることになる。このため、従来技術のようにセラミックス母基板１０を構成するセラミックス材料のみの熱伝導率を測定して検査を行う場合に比較して、セラミックス回路基板２の金属回路板１２１，１２２や金属放熱板１３とセラミックス母基板１０間の接合層に伴う不具合も含めた検査が可能となるため、所望の熱伝導率の規格値からはずれたセラミックス回路基板２を排除することが可能となって、セラミックス回路基板の所望の放熱性が確保でき、パワー半導体素子をセラミックス回路基板２の金属回路板１２１、１２２の表面に半田で接合して使用した際に、半田が溶融したり、ボンディング断線などの不具合の発生を効率よく防ぐことが可能となる。

なお、熱伝導率を測定するダミー部３１は、１０ｍｍ×１０ｍｍ以下の略正方形状であると、特別の加工を施すことなく、ダミー部を分割線に沿って容易に分割することができ、市販のレーザフラッシュ法による熱伝導率測定装置を用いて、ダミー部３１の一方の主面のダミー金属板１４１の表面にレーザパルスを照射することにより、他方の主面のダミー金属板１５１の表面の温度を計測することによりダミー部２１の熱伝導率を測定できるため、好ましい。また、セラミックス回路基板集合体１から１個のダミー部を作製して熱伝導率を測定する例を示したが、同一条件で連続的に製造した複数のセラミックス回路基板集合体１から、所定の頻度で抜き取って測定しても差し支えない。熱伝導率を測定するダミー部３１は、４〜６ｍｍ×４〜６ｍｍの略正方形状であると更に好ましい。

また、ダミー部３１〜３５は、セラミックス回路基板集合体１の外周辺部に配置されていることから、セラミックス母基板１０の金属回路板１２１、１２２および金属放熱板１３との接合に伴い発生する、反りをコントロールすることが可能となるという効果も有し、反りが小さくなるよう、適宜その形状を調整することが可能である。

以下、本発明のセラミックス回路基板の検査方法に用いられるセラミックス回路基板集合体１、セラミックス回路基板２、ダミー部３１〜３５について、さらに詳しく説明する。セラミックス母基板１０は、パワー半導体の熱を放熱する観点から、その熱伝導率７０Ｗ／ｍＫ以上が得られる窒化珪素や窒化アルミニウムが好適であり、公知のドクターブレード法、押出成形法、プレス成形法などを用いることができるが、セラミックス母基板１０の厚さ０．２〜１．０ｍｍを得る観点からは、ドクターブレード法が好ましく、成形体を窒素雰囲気中、１６００℃以上の温度で焼結することにより得ることができる。熱伝導率と強度を両立させる観点からは窒化珪素が特に好ましい。

得られたセラミックス母基板１０上に公知のレーザスクライブ法で分割線５を形成する。分割線５はセラミックス回路基板２、ダミー部３１〜３５の形状にあわせて分割するためのものである。次にセラミックス母基板１０表面にブラスト処理やバレル研磨を施し、基板の表面粗さＲmaxを調整する。

次に、表面処理後のセラミックス母基板１０の両主面にセラミックス基板と略同面積を有する銅、銅合金、アルミニウムなどの金属板（図示せず）とを、活性金属ろう材法、ＤＢＣ、ＤＢＡ等の方法で接合する。中でも、銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）−チタン（Ｔｉ）系などの活性金属を含むろう材を用いる、活性金属ろう材法が接合強度を確保する観点から好ましい。まず、セラミックス母基板１０の所定箇所に上記ろう材のペーストを印刷する。印刷厚みは用いるろう材粉末の粒度に依存するが、厚さ１０〜５０μｍ程度塗布する。次に、上記ろう材の表面に厚さ０．２ｍｍ以上の金属板を設置し、例えば、６００〜９００℃で加圧しながら接合することにより、セラミックス母基板１０と金属板とは、ろう材からなる接合層を介して接合される。

次に、金属板が接合されたセラミックス基板の上記金属板および接合層の不要な領域を除去するため、フォトレジストパターンを形成した後、ウェットエッチング技術を使用して所望の箇所の金属板および接合層を除去して、所望の金属回路板１２１、１２２、金属放熱板１３、ダミー金属板３１〜３５が接合層を介して接合されたセラミック回路板集合体１を作製する。従って、金属回路板１２１、１２２とダミー金属板１４１〜１４５、金属放熱板１３とダミー金属板１５１〜１５５とは、同一の金属板から同一の条件で形成されているため、金属回路板１２１、１２２とダミー金属板１４１〜１４５は、その材質および厚さが実質的に同一の構造を有しており、金属放熱板１３とダミー金属板１５１〜１５５とは、その材質および厚さが実質的に同一の構造を有している。

本発明のセラミックス回路基板２の検査方法において、ダミー部３１〜３５を分割する前に、セラミックス回路基板集合体１をめっき液に浸漬して、金属回路板１２１、１２２、金属放熱板１３、ダミー金属板表面にニッケルめっきを施すことが好ましいのは、以下の理由による。ニッケルめっきは、金属回路板１２１．１２２および金属放熱板１３の表面の半田濡れ性向上、防食の観点から施されるが、ニッケルめっきの形成工程で、熱伝導を阻害するめっき層が形成されるような不具合が発生した場合であっても、所望の熱伝導率の規格値からはずれたセラミックス回路基板２を排除することが可能となって、セラミックス回路基板の所望の放熱性が確保でき、パワー半導体素子をセラミックス回路基板２の金属回路板１２１、１２２の表面に半田で接合して使用した際に、半田が溶融したり、ボンディング断線などの不具合の発生を防ぐことが可能となるからである。

本発明のセラミックス回路基板の検査方法において、ダミー部３１におけるセラミックス母基板１０とダミー金属板１４１、１５１との接合面積が実質的に同一であり、ダミー部のセラミックス母基板１０１の主面の面積の６０％以上であることが好ましいのは、以下の理由による。ダミー部３１の前記両主面におけるセラミックス母基板１０１とダミー金属板１４１、１５１との接合面積が異なる場合は、レーザパルスの熱量が、一方のダミー金属板１４１の表面から他方のダミー金属板１５１の表面に一様に伝わらないため、熱伝導率の測定精度が悪くなるからである。また、ダミー部３１の両主面におけるセラミックス母基板１０１とダミー金属板１４１、１４５との接合面積が、ダミー部におけるセラミックス母基板１０１の主面の面積の６０％未満であると、レーザーパルスを加える面積が不足してしまい、熱伝導率の測定精度が悪くなるためである。

なお、レーザーパルスを加える面積はダミー部３１のダミー金属板１４１の表面の面積より小さいと、熱伝導率の測定精度が向上するため、好ましい。

本発明のセラミックス回路基板の検査方法において、ダミー部３１におけるセラミックス母基板１０１とダミー金属板１４１、１５１との間の接合層中のボイド率と、ダミー部３１の熱伝導率の関係を予め測定し、前記ボイド率に基き熱伝導率の規格値を設定した後、この熱伝導率の規格値に基き、セラミックス回路基板２の放熱性の判定を行うことが好ましいのは、以下の理由による。セラミックス回路基板２の放熱性は、セラミックス母基板１０を構成するセラミックスの熱伝導率とともに、セラミックス母基板１０と金属回路板１２１、１２２および金属放熱板１３との間の接合層中のボイドの影響を受ける。図５は、ダミー部のセラミックス母基板１０１と金属板１４１、１５１と間の接合層中のボイド率とダミー部３１の一方の主面のダミー金属板１４１の表面にレーザパルスを照射し、他方の主面のダミー金属板１５１の表面の温度を計測することにより求めた熱伝導率との関係を示したものである。なお、接合層中のボイド率は、熱伝導率の測定を行った後、このダミー部の板厚と直角方向の平面を研磨して、接合層を出現させ、ＳＥＭによる観察を行い、画像解析で求めたもので、セラミックス母基板１０１の両主面のふたつの接合層のボイド率を平均して算出したものである。ボイド率の上昇と共に、セラミックス回路基板の熱伝導が阻害されるため、熱伝導率は低下する傾向にある。

セラミックス回路基板２に載置するパワー半導体に応じて、例えばボイド率１０％未満となる熱伝導率の規格値１８２Ｗ／ｍ・Ｋを定めておき、この規格値に基き、ダミー部３１の熱伝導率の測定結果に基づき、ダミー部３１と同一のセラミックス回路基板集合体１から得られるセラミックス回路基板２の合否判定を行い、規格値未満の熱伝導率が得られた場合は、セラミックス回路基板２を不良として排除することにより、金属回路板１２１，１２２の表面にパワー半導体を接合して、半導体パワーモジュールに実装して使用した場合に、パワー半導体素子と金属回路板とを接合している半田が溶融したり、ボンディングの断線などの不具合が生じることを確実に抑えることが可能となる。

上記では、セラミックス回路基板集合体１から１個のダミー部を作製して熱伝導率を測定し、同一セラミックス回路基板集合体１のセラミックス回路基板２を判定する例を示したが、同一条件で連続的に製造した複数のセラミックス回路基板集合体１から、所定の頻度で抜き取って測定しても差し支えない。

これにより本発明では、事前にダミー部３１の熱伝導率を測定した後、ダミー部３１を研磨してボイド率を測定し、図５に示すボイド率と熱伝導率の関係を求めておけば、同一条件で製造するセラミックス回路基板２のボイド率をセラミックス回路基板２を研磨して測定する必要もなく、手間を大幅に軽減してセラミックス回路基板の放熱性の評価をレーザフラッシュ法を用いて簡便にできるため、不具合品を適切に除外することが可能となる。

（実施例１）
以下、本発明の実施例について説明する。ただし、これら実施例により本発明が限定されるものではない。

４０×２３ｍｍのセラミックス回路基板２を９個取りできる、１３０×８５×０．４ｍｍのセラミックス回路基板集合体１を１００枚作製した。
［セラミックス母基板１０の作成］
窒化珪素原料粉末に、焼結助剤として酸化マグネシウム粉末３重量％、及び酸化イットリウム粉末３重量％を添加し、有機溶剤中で粉砕媒体として窒化珪素製ボールを用いたボールミルにより湿式混合した。この混合物に有機バインダー、可塑剤等を混入しボールミルで均一に混合して原料スラリーとした。原料スラリーを脱泡・増粘した後、ドクターブレード法で所定板厚にシート成形して成形体を得た。このシート成形体を所定形状に切断後、脱脂し、更に、窒素加圧雰囲気中で１８００℃の温度で焼結した。

［分割線の形成］
図１に示すようにセラミックス母基板１０をセラミックス回路基板２の９個（３×３個）とその周囲のダミー部３１〜３５の１５個とに区分けできるようにレーザーで分割線５を形成した。

［ブラスト処理］
セラミックス母基板１０表面を適度な粗さ（Ｒａ０．４〜０．８μｍ）にして金属板との接合性をよくするために研磨材を表裏面全面に均一に吹き付ける乾式ブラスト処理を行った。

［接合］
ブラスト処理した１００枚のセラミックス母基板１０の両面に銅板を活性金属ろう材法で接合した。まず、窒化珪素セラミックス基板の両主面の所定箇所にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材ペーストを印刷法により塗布した。上記ろう材の表面にセラミックス母基板１０とほぼ同じ長方形状で厚さ０．６ｍｍの銅板を設置した。これを１セットとし、カーボン薄板を介して２５セットを重ねて１山とした。合計４山を２行２列に並べて接合炉に装入し、加熱・加圧しながら接合し、セラミックス母基板と銅板の間に接合層を形成した。

［エッチング］
接合した金属板の全面にフォトレジストを塗布しフォトリソグラフィ技術を使ってフォトレジストパターンを形成した。次に、ウェットエッチング技術を使用して塩化第二鉄溶液で金属板のうち不要な部分を除去した後、フォトレジストを除去して、所定の形状の金属回路板１２１、１２２、金属放熱板１３、ダミー金属板３１〜３５が接合されたセラミックス回路基板集合体１を得た。次いで金属回路板１２１、１２２、金属放熱板１３、ダミー金属板３１〜３５からはみ出している接合層（ろう材）を除去した。

［活性化］
金属回路板１２１、１２２、金属放熱板１３、ダミー金属板３１〜３５を接合したセラミックス回路基板集合体１を硫酸パラジウム溶液に浸漬し、金属回路板１２１、１２２、金属放熱板１３、ダミー金属板３１〜３５の表面にパラジウムを析出させた。次いで硫酸に浸漬することによりセラミックス母基板１０の表面に析出したパラジウムを除去した。

［めっき］
次に、パラジウム付与した金属回路板１２１、１２２、金属放熱板１３、ダミー金属板３１〜３５の表面にニッケル−リンめっき膜を形成してセラミックス回路基板集合体１を１００枚得た。

［分割］
セラミックス回路基板集合体１に形成した分割線に沿って分割して１枚のセラミックス回路基板集合体１からセラミックス回路基板２を９枚とダミー部３１〜３５を１５個得た。ダミー部３１におけるセラミックス基板の寸法は５ｍｍ×５ｍｍ一定とし、厚さは０．４ｍｍである。セラミックス基板の表裏に接合された一対のダミー金属板１４１、１５１は、同形状かつ同面積であってセラミックス基板を挟んで対向配置し、さらにその面積はセラミックス基板の８０％の４．４７×４．４７ｍｍ^２である。

得られた１００枚のセラミックス回路基板集合体から、各１個のダミー部の熱伝導率を測定した。ダミー部３１の熱伝導率測定には京都電子製レーザフラッシュ法熱物性測定措置ＬＦＡ−５０２を用い、一方のダミー金属板１４１表面にレーザパルスを照射し、他方のダミー金属板１５１表面の温度を計測することにより測定した。測定時のリファレンスにはＮｉ板を用い、また、レーザ光は４ｍｍ角の遮光板開口部を通してダミー金属板１４１の表面に照射した。ダミー部３１の熱伝導率は、図４に示すようなダミー金属板１５１表面の温度履歴曲線、および式（１）、（２）、（３）を用いて算出した。

得られた、１００個のダミー部３１の熱伝導率の値は、１８５〜１９８Ｗ／ｍ・Ｋであった。一方、１００枚のセラミックス回路基板集合体１から得られた９００個のセラミックス回路基板２の金属回路板１２１の表面に出力２００Ｗワットのパワー素子を厚さ０．１５ｍｍのはんだ層で接合しワイヤボンディングを施し、放熱板には５５ｍｍ×８６ｍｍ×３ｍｍ厚の放熱ベースを厚さ０．１５ｍｍのはんだ層で接合した。このパワー素子に電力を５秒間供給し、次いで電力を３０秒間停止する昇温・降温サイクルを１サイクルとし、これを繰り返し付与した。１０００サイクル経過後においても、はんだ層の溶融やボンディングワイヤの断線等の不具合が生じることはなく、セラミックス回路基板は設計通りの放熱性を有することが確認された。

（比較例１）
実施例１に対して、セラミックス母基板１０を構成する窒化珪素セラミックスの熱伝導率測定を、湿式混合して得られた混合物をＣＩＰ成形で成形して、φ１０ｍｍ×３ｍｍの焼結体試験片を１０個作製し、金属板を接合せずに、ＪＩＳＲ１６１１に規定されているレーザフラッシュ法による熱伝導率試験方法により測定した以外は、実施例１と同様にして、セラミックス回路基板集合体１を１００枚作製し、セラミックス回路基板２を９００個作製した。φ１０ｍｍ×３ｍｍの焼結体試験片の熱伝導率の測定値は７２〜８１Ｗ／ｍ・Ｋであり、所望の値が得られていることを確認した。

前記９００個のセラミックス回路基板２に対して、実施例１と同様にしてパワー素子を接合後に、昇温・降温サイクル試験を実施した。その結果、４５個のセラミックス回路基板２で半田層の溶融が発生した。一部のセラミックス回路基板集合体１においてセラミックス基板と金属板を接合する際の接合条件が実施例１と微妙に変化し、接合層中に微小ボイドが生じて空隙率が１０％以上になっていた。

（比較例２）
焼結体試験片の寸法をφ１０ｍｍ×０．４ｍｍとしたことを除いて比較例１と同様に焼結体試験片の熱伝導率を測定した。測定値は７４〜８４Ｗ／ｍ・Ｋであり、所望の値が得られていることを確認した。実施例１と同様にして、セラミックス回路基板集合体１を１００枚作製し、セラミックス回路基板２を９００個作製した。

前記９００個のセラミックス回路基板２に対して、実施例１と同様にしてパワー素子を接合後に、昇温・降温サイクル試験を実施した。その結果、４１個のセラミックス回路基板２で半田層の溶融が発生した。一部のセラミックス回路基板集合体１においてセラミックス基板と金属板を接合する際の接合条件が実施例１と微妙に変化し、接合層中に微小ボイドが生じて空隙率が１０％以上になっていた。

（実施例２）
実施例１に対して、金属回路板１２１、１２２およびダミー金属板１４１の厚さを０．４ｍｍ、金属放熱板１３およびダミー放熱板の厚さを０．６ｍｍとした以外は、実施例１と同様にしてセラミックス回路基板集合体１を１００枚作製し、セラミックス回路基板９００枚とダミー部３１〜３５を得た。

一方、実施例２で得たセラミックス回路基板集合体１に対してそれぞれの接合条件を変更した以外は同様にしてセラミックス回路基板集合体を１８枚作製した。このセラミックス回路基板集合体１から各１個のダミー部の接合層中のボイド率と、一方のダミー銅板表面にレーザパルスを照射して、他方のダミー銅板表面の温度を計測することによりレーザフラッシュ法で測定した熱伝導率の関係を図５に示す。接合層中のボイド率は、熱伝導率の測定を行った後、このダミー部の板厚と直角方向の平面を研磨して、接合層を出現させ、ＳＥＭによる観察を行い、画像解析で求めたもので、セラミックス板の両主面のふたつの接合層のボイド率を平均して算出したものである。ボイド率が１０％以下であれば、パワー素子モジュールの設計上、必要な昇温・降温サイクル性能が得られることから、熱伝導率の規格値を図５に基き。１８２Ｗ／ｍ・Ｋ以上と定めた。

次に、１００枚のセラミックス回路基板集合体１から分割した各１個のダミー部３１の熱伝導率の測定を実施例１と同様に行い、熱伝導率が１８２Ｗ／ｍ・Ｋ未満のダミー部があった場合は、そのダミー部のあったセラミックス回路基板集合体１中のセラミックス回路基板９個を除いた後、セラミックス回路基板２に対して、パワー素子を接合後に、昇温・降温サイクル試験を実施した。その結果、はんだ層の溶融やボンディングワイヤの断線等の不具合が生じることはなく、セラミックス回路基板は設計通りの放熱性を有することが確認された。

（実施例３）
実施例１と同様にしてセラミックス回路基板集合体１を１００枚作製し、セラミックス回路基板９００枚とダミー部３１〜３５を得た。

次に、セラミックス母基板と銅板との接合時にセラミックス母基板と銅板を重ねた各山において上から１，５，９，１３，１７，２１，２５セット目から得られた各セラミックス回路基板集合体１から分割した各１個のダミー部３１の熱伝導率を実施例１と同様に行った。

熱伝導率が１８２Ｗ／ｍ・Ｋ未満のダミー部があった場合は、そのダミー部のあったセラミックス回路基板集合体およびその前後各３枚のセラミックス回路基板集合体、合計７枚のセラミックス回路基板集合体から得られたセラミックス回路基板６３個を除いた。

その後、セラミックス回路基板２に対して、パワー素子を接合後に、昇温・降温サイクル試験を実施した。その結果、はんだ層の溶融やボンディングワイヤの断線等の不具合が生じることはなく、セラミックス回路基板は設計通りの放熱性を有することが確認された。

本発明のセラミックス回路基板の検査方法は、パワー素子を実装した際に発生する不具合を確実に防ぐことが可能となる。従って、セラミックス基板に金属回路板や金属放熱板を接合した構造のセラミックス回路基板の放熱性の検査方法として有用に用いることができる。

１・・・セラミックス回路基板集合体
１０・・・セラミックス母基板
２・・・セラミックス回路基板
１２１，１２２・・・金属回路板
１３・・・金属放熱板
１０１・・・ダミー部のセラミックス基板
１４１，１４２，１４３，１４４，１４５・・・ダミー金属板
１５１，１５２，１５３，１５４，１５５・・・ダミー金属板
３１，３２，３３，３４，３５・・・ダミー部
５・・・分割溝

Claims

窒化珪素セラミックス母基板を用意する工程と、
前記窒化珪素セラミックス母基板に分割溝を形成する工程と、
前記窒化珪素セラミックス母基板の一方の主面に接合層を介して金属回路板を接合する工程と、
前記窒化珪素セラミックス母基板の他方の主面に接合層を介して金属放熱板を接合する工程と、
前記金属回路板と金属放熱板及び接合層の不要な領域を除去することにより、金属回路板と金属放熱板とを備える窒化珪素セラミックス回路基板を形成すると共に、前記一方の主面の外周辺部に前記金属回路板と同材質且つ同一厚さのダミー金属板を形成し、且つ前記他方の主面の外周辺部には前記金属放熱板と同材質且つ同一厚さのダミー金属板を形成して熱伝導率測定に用いられるダミー部とする工程と、
前記窒化珪素セラミックス回路基板および前記ダミー部を、前記分割溝を用いて分割する工程と、
分割した後、少なくとも一つのダミー部の一方の主面のダミー金属板表面にレーザパルスを照射し、他方の主面のダミー金属板表面の温度を計測することにより熱伝導率を測定して前記窒化珪素セラミックス回路基板の放熱性の判定を行う工程と、
前記判定により所望の熱伝導率の規格値からはずれた窒化珪素セラミックス回路基板を排除する工程と、
を有することを特徴とする窒化珪素セラミックス回路基板の製造方法。
前記ダミー部における窒化珪素セラミックス母基板とダミー金属板との間の接合層中のボイド率と熱伝導率の関係を予め測定し、前記ボイド率に基き熱伝導率の規格値を設定した後、前記熱伝導率の規格値に基き前記窒化珪素セラミックス回路基板の放熱性の判定を行うことを特徴とする請求項１に記載の窒化珪素セラミックス回路基板の製造方法。
前記金属回路板及び前記金属放熱板は銅板であることを特徴とする請求項１または２に記載の窒化珪素セラミックス回路基板の製造方法。
前記窒化珪素セラミックス母基板は焼結助剤として酸化マグネシウム及び酸化イットリウムを添加しており、前記接合層はＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材で形成した接合層であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の窒化珪素セラミックス回路基板の製造方法。
前記ダミー部は１０ｍｍ×１０ｍｍ以下に形成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の窒化珪素セラミックス回路基板の製造方法。