WO2019026834A1 - セラミックス回路基板 - Google Patents

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ceramic
metal layer
ceramic circuit
metal
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篤士 酒井
秀樹 広津留
市川　恒希
佳孝 谷口
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デンカ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a ceramic circuit board, and more particularly to a ceramic circuit board suitable for mounting high power electronic components such as power modules.
  • the power module is generally provided on the ceramic circuit board, the semiconductor element provided on one surface of the ceramic circuit board, and the other surface of the ceramic circuit board by soldering or the like, and Cu, which has excellent thermal conductivity,
  • the heat generated from the semiconductor element or the like during the operation of the power module is transferred to the radiation fin via the ceramic circuit board, the solder, and the base plate. Therefore, when the base plate is warped, a gap (air gap) is generated due to the warp when the radiation fin is attached to the base plate, and the heat dissipation performance is extremely reduced.
  • the ceramic circuit board can not only suppress the warpage of the base plate when it is joined to the base plate in power module manufacture, but also the ceramic base material and the metal layer even by heat generation and cooling repeatedly performed in actual use. It is desirable to be able to maintain high adhesion of However, conventional ceramic circuit boards and power modules still have room for improvement from the viewpoint of the above-described reliability.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and can not only suppress warpage of the base plate when bonding to the base plate, but can also suppress the ceramic base material and the metal layer even by repeated heat generation and cooling. It is an object of the present invention to provide a ceramic circuit board capable of maintaining high adhesion.
  • the present invention comprises a ceramic base and a metal layer provided on both sides of the ceramic base and containing Al and / or Cu, and the measured value ⁇ 1 of linear thermal expansion coefficient at 25 ° C. to 150 ° C. is 5 ⁇ 10 -6 is ⁇ 9 ⁇ 10 -6 / K, the ratio [alpha] 1 / [alpha] 2 of the [alpha] 1 with respect to the theoretical value [alpha] 2 of the linear thermal expansion coefficient at 25 ° C. ⁇ 0.99 ° C. is 0.7 to 0.95 of the metal layer
  • a ceramic circuit board is provided, at least one of which forms a metal circuit.
  • the ceramic base may be made of AlN, Si 3 N 4 or Al 2 O 3 and may have a thickness of 0.2 to 1.5 mm.
  • the metal layer may be formed of at least one selected from the group consisting of Cu, Al, an alloy containing Cu and Mo, and an alloy containing Cu and W, and has a thickness of 0.1 to 2.0 mm. May be
  • the metal layer may have a first metal layer and a second metal layer, and the ceramic base, the first metal layer, and the second metal layer may be stacked in this order.
  • the second metal layer may contain Cu.
  • the end face of the first metal layer may be flush with the end face of the second metal layer, and the end face of the first metal layer may protrude outside the end face of the second metal layer.
  • the present invention it is possible to provide a ceramic circuit board capable of not only suppressing warpage of the base plate when bonding to the base plate but also maintaining high adhesion between the ceramic base and the metal layer even by repeated heat generation and cooling. It is possible to
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of one embodiment of a power module.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a ceramic circuit board.
  • the ceramic circuit board 100 has a ceramic base 1 and metal layers 2 a and 2 b provided on both sides of the ceramic base 1. At least one of the metal layers 2a and 2b forms an electric circuit (metal circuit).
  • the metal layers 2a and 2b may be made of single metal layers 21a and 21b, respectively.
  • the metal layers 2a and 2b contain Al and / or Cu, but preferably contain Al and / or Cu as a main component.
  • the "main component” means a component contained at 70% by mass or more based on the total mass of the metal layers 2a and 2b.
  • the metal layer contains both Al and Cu, the total amount thereof may be 70% by mass or more.
  • the proportion of the main component may be 90% by mass or more, or 95% by mass or more.
  • the metal layer may also contain minor amounts of unavoidable impurities.
  • the measured value ⁇ 1 of the linear thermal expansion coefficient at 25 ° C. to 150 ° C. is 5 ⁇ 10 ⁇ 6 to 9 ⁇ 10 ⁇ 6 / K, and the linear thermal expansion at 25 ° C. to 150 ° C.
  • the ratio ⁇ 1 / ⁇ 2 of ⁇ 1 to the theoretical value ⁇ 2 of the coefficient is 0.7 to 0.95.
  • the cause is the difference in linear thermal expansion coefficient between the ceramic base and the metal layer to constitute.
  • the linear thermal expansion coefficient of the metal layer is larger than the linear thermal expansion coefficient of the ceramic substrate. Therefore, the tensile stress remains in the metal layer due to the case of returning from the temperature at which the ceramic base and the metal layer are joined to room temperature or the heat cycle.
  • the residual tensile stress (residual stress) is considered to cause the above-mentioned failure.
  • the present inventors focused attention on the linear thermal expansion coefficient of the ceramic circuit board in order to reduce the residual stress.
  • the linear thermal expansion coefficient of the ceramic circuit board is not only the structure (thickness etc.) and composition of the ceramic substrate and metal layer to be constructed, but also bonding of the ceramic substrate and metal layer It has been found that when the temperature returns to room temperature, it is determined by the residual stress generated by the thermal expansion difference between the two materials. For this reason, even if it is a ceramic circuit board which has the same structure, for example, the linear thermal expansion coefficient of a ceramic circuit board may differ with the joining method. Generally, the ceramic substrate and the metal layer are often joined by brazing at a temperature of about 800 ° C.
  • the measured value of the coefficient of linear thermal expansion of the obtained ceramic circuit board is the theoretical value of the coefficient of linear thermal expansion calculated from the structure (thickness etc.) and composition of the constituting ceramic base and metal layer It is considered to be a smaller value.
  • the ceramic circuit board according to the present invention can reduce the residual stress in the ceramic circuit board by increasing the measured value of the linear thermal expansion coefficient of the obtained ceramic circuit board and bringing the measured value close to the theoretical value. The present inventors think that it was possible.
  • the ceramic circuit board according to the present invention can reduce its own residual stress, it suppresses warpage of the base plate when it is joined to the base plate regardless of the type of the base plate and the value of the linear thermal expansion coefficient. I think that I can do it.
  • the measured value of the linear thermal expansion coefficient of the ceramic circuit board for example, it is considered effective to increase the thickness of the metal layer having a large linear thermal expansion coefficient.
  • the linear thermal expansion coefficient of the ceramic circuit board is too large, the tensile stress of the metal layer to the ceramic base increases, and in the heat cycle test assuming actual use, the ceramic base is cracked etc. Problems can occur. From such a point of view, the measured value ⁇ 1 of the linear thermal expansion coefficient at 25 ° C. to 150 ° C.
  • the ceramic circuit substrate needs to be 5 ⁇ 10 ⁇ 6 to 9 ⁇ 10 ⁇ 6 / K, 6 ⁇ 10 it is preferably -6 ⁇ 9 ⁇ 10 -6 / K , and more preferably 7 ⁇ 10 -6 ⁇ 9 ⁇ 10 -6 / K.
  • a method of bringing the measured value of the linear thermal expansion coefficient of the ceramic circuit board close to the theoretical value for example, a method of reducing the residual stress of the metal layer by reducing the temperature when bonding the ceramic base and the metal layer. Etc. are considered effective.
  • the method for bonding the ceramic base and the metal layer is not particularly limited, but, for example, a bonding method in which both are bonded using an adhesive, an active metal method, a thermal spraying method, etc. alone or plurally. The method used combining it is mentioned.
  • an adhesion method from the viewpoint of reducing the temperature at bonding, it is preferable to use an adhesion method, a thermal spraying method or the like, and from the viewpoint of sufficiently securing the heat dissipation as a power module without using an adhesive having a low thermal conductivity. It is preferable to use an active metal method, a thermal spraying method or the like. From such a point of view, it is effective to form a thin metal layer on the surface of the ceramic base by an active metal method or the like, and then join a metal of a predetermined thickness at a low temperature or form a metal layer by thermal spraying. . Details of the method of bonding the ceramic base and the metal layer will be described later.
  • the ratio ⁇ 1 / ⁇ 2 of ⁇ 1 to the theoretical value ⁇ 2 of the linear thermal expansion coefficient of the ceramic circuit board at 25 ° C. to 150 ° C. needs to be 0.7 to 0.95, but the residual stress of the metal layer From the viewpoint of further reduction, it is preferably 0.75 to 0.95, and more preferably 0.80 to 0.95.
  • the measured value ⁇ 1 of the linear thermal expansion coefficient of the ceramic circuit board means a value measured in accordance with JIS R 1618.
  • ⁇ 1 can be measured using, for example, a thermal expansion meter (manufactured by Seiko Instruments Inc., trade name “TMA 300”).
  • ⁇ represents a thermal expansion coefficient
  • E represents a Young's modulus
  • V represents a volume fraction
  • a subscript i represents each material component in the composite material.
  • the ceramic base 1 is preferably formed of AlN, Si 3 N 4 or Al 2 O 3 .
  • the thickness of the ceramic base 1 is preferably 0.2 to 1.5 mm, and more preferably 0.25 to 1.0 mm. When the thickness of the ceramic base 1 is less than 0.2 mm, the thermal shock resistance tends to decrease, and when it exceeds 1.5 mm, the heat dissipation tends to decrease.
  • the metal layers 2a and 2b are preferably formed of at least one selected from the group consisting of Cu, Al, an alloy containing Cu and Mo, and an alloy containing Cu and W. By forming the metal layers 2a and 2b using the above-described materials, it is possible to effectively obtain the ceramic circuit board 100 having appropriate insulation properties and thermal conductivity.
  • the metal layers 2a and 2b may be formed of the same kind of material or different kinds of materials, but are formed of the same kind of material from the viewpoint of facilitating the production of the ceramic circuit board. Is preferred.
  • the thickness of the metal layers 2a and 2b is preferably 0.1 to 2.0 mm, and more preferably 0.2 to 1.0 mm. If the thickness of the metal layers 2a and 2b is less than 0.1 mm, the flowable current is limited, and if it exceeds 2.0 mm, the thermal shock resistance tends to decrease.
  • the thicknesses of the metal layers 2a and 2b may be substantially the same or different, but are preferably substantially the same from the viewpoint of facilitating the production of the ceramic circuit board.
  • the ceramic circuit board 100 can be obtained by bonding the ceramic base 1 and the metal layers 2a and 2b as described above.
  • a method of joining a ceramic base material and a metal layer the method of using the adhesion method which adhere
  • the bonding method is a method of bonding both using an adhesive, and for example, a method of forming a circuit by an etching method if desired after bonding a metal plate with an acrylic adhesive on both sides of a ceramic base.
  • the active metal method uses, for example, a brazing material of Ag (90%)-Cu (10%)-TiH 2 (3.5%) when joining a metal layer containing Cu, and a ceramic base at a temperature of 800 ° C. After bonding a Cu plate on both sides of the plate, a method of forming a circuit by an etching method may be mentioned if desired.
  • a brazing material of Ag (90%)-Cu (10%)-TiH 2 (3.5%) when joining a metal layer containing Cu, and a ceramic base at a temperature of 800 ° C.
  • a method of forming a circuit by an etching method may be mentioned if desired.
  • an Al-Cu-Mg clad foil is used as a brazing material, and after joining Al plates on both sides of the ceramic base at a temperature of 630 ° C, circuits are formed by etching if desired. Methods are included.
  • the thermal spraying method is, for example, heating the ceramic powder composed of a plurality of metal particles to 10 to 270 ° C. and accelerating it to a speed of 250 to 1050 m / s and then spraying the ceramic substrate.
  • the method includes the steps of: forming a metal layer thereon; and heat treating the ceramic base and the metal layer formed on the ceramic base in an inert gas atmosphere.
  • Al and / or Cu particles as the metal particles constituting the metal powder, a metal layer containing these is formed.
  • the metal layers 2a and 2b are each formed of a single metal layer 21a and 21b in the above-described embodiment, the present invention is not limited to the above embodiment, and two metal layers 2a and 2b may be used. You may have a metal layer more than a layer.
  • FIG. 2 and 3 are cross-sectional views showing another embodiment of the ceramic circuit board.
  • the metal layers 2 a and 2 b are respectively on the first metal layers 22 a and 22 b and the first metal layers 22 a and 22 b in contact with the ceramic base 1.
  • the second metal layer 23a, 23b formed on Although the first metal layers 22a and 22b and the second metal layers 23a and 23b can be formed using the same materials as the metal layers 2a and 2b described above, in particular, the first metal layers 22a and 22b are made of Al.
  • the second metal layers 23a and 23b are preferably formed of an alloy containing Al, and the second metal layers 23a and 23b are preferably formed of Cu or an alloy containing Cu.
  • the first metal layers 22a and 22b using a soft material such as Al or an alloy containing Al, a ceramic circuit board excellent in impact resistance can be obtained.
  • the second metal layers 23a and 23b using Cu or an alloy containing Cu, it is possible to effectively obtain a ceramic circuit board which is excellent in thermal conductivity and can handle a large current.
  • the end face 22E of the first metal layers 22a and 22b and the end face 23E of the second metal layers 23a and 23b are flush with each other, but the ceramic circuit board is more excellent.
  • the end face 22E of the first metal layers 22a and 22b is outside the end face 23E of the second metal layers 23a and 23b, that is, the ceramic base It may be protruded to the end side of the material 1.
  • the width of the portion where the end face 22E protrudes beyond the end face 23E may be, for example, 1 to 1000 ⁇ m.
  • the ceramic circuit board described above is suitably used in a power module and can not only suppress the warpage of the base plate generated when it is joined to the base plate, but also can be used for the ceramic base and metal layer even by repeated heat generation and cooling. High adhesion can be maintained.
  • Warpage of the base plate that occurs when bonding to the base plate is measured as the amount of deformation (warpage change amount) from the initial shape (initial warpage amount) of the base plate itself when bonding the ceramic circuit board to the base plate Ru.
  • the amount of warpage of the base plate means the size of the warpage per length of 10 cm in the heat radiation surface direction at any position of the base plate.
  • the amount of warpage change of the base plate is preferably 20 ⁇ m or less, more preferably 15 ⁇ m or less, and still more preferably 10 ⁇ m or less, when bonding to the ceramic circuit board.
  • the amount of warpage change is defined as an absolute value of the difference between the amount of warpage of the base plate before bonding to the ceramic circuit board and the amount of warpage of the base plate after bonding to the ceramic circuit board.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of an embodiment of a power module.
  • the power module 200 includes a base plate 3, a ceramic circuit board 103 joined to the base plate 3 via the first solder 4, and a second solder 5 on the ceramic circuit board 103.
  • the semiconductor element 6 joined via the
  • the ceramic circuit board 103 includes a ceramic base 1 and metal layers 2 a and 2 b provided on both sides of the ceramic base 1.
  • the base plate 3 is joined to the metal layer 2 b via the first solder 4.
  • the semiconductor element 6 is joined to a predetermined portion of the metal layer 2a via the second solder 5 and is joined to a predetermined portion of the metal layer 2a by a metal wire 7 such as an aluminum wire (aluminum wire).
  • a metal wire 7 such as an aluminum wire (aluminum wire).
  • the metal layer 2a forms an electric circuit (metal circuit).
  • the metal layer 2b may or may not form a metal circuit.
  • Each of the above-described components provided on the base plate 3 is covered with, for example, a hollow box-shaped resin case 8 whose one surface is open, and is accommodated in the case 8.
  • the hollow portion between the base plate 3 and the housing 8 is filled with a filler 9 such as silicone gel.
  • An electrode 10 penetrating through the housing 8 is joined to a predetermined portion of the metal layer 2 a via a third solder 11 so as to be electrically connected to the outside of the housing 8.
  • a mounting hole 3 a for screwing is formed, for example, when the heat dissipation component is attached to the power module 200.
  • the number of mounting holes 3a is, for example, four or more.
  • a mounting groove may be formed such that the side wall of the base plate 3 has a U-shaped cross section.
  • the power module 200 includes the ceramic circuit board according to the above-described embodiment, the power module 200 is suitably used as a driving inverter of a train or an automobile where high withstand voltage, high output and the like are required.
  • Example 1 An aluminum nitride (AlN) substrate (size: 50 mm ⁇ 60 mm ⁇ 0.635 mm t) was used as a ceramic substrate.
  • An Al plate (0.2 mm in thickness) was bonded to both surfaces of the ceramic base at a temperature of 630 ° C. using an Al—Cu—Mg clad foil as a brazing material, and an Al circuit was formed by etching.
  • a Cu circuit having a thickness of 0.4 mm was laminated by a thermal spraying method (cold spray method), annealing was performed at a temperature of 300 ° C., and electroless Ni plating was performed to fabricate a ceramic circuit board.
  • Example 2 An Al circuit having a thickness of 0.2 mm was laminated on both sides of the same ceramic base as in Example 1 by a thermal spraying method (cold spray method), and annealing was performed at a temperature of 500 ° C. Subsequently, a Cu circuit having a thickness of 0.4 mm was laminated by a thermal spraying method (cold spray method), annealing was performed at a temperature of 300 ° C., and electroless Ni plating was performed to fabricate a ceramic circuit board.
  • a thermal spraying method cold spray method
  • electroless Ni plating was performed to fabricate a ceramic circuit board.
  • Example 3 As a ceramic substrate, a silicon nitride (Si 3 N 4 ) substrate (size: 50 mm ⁇ 60 mm ⁇ 0.32 mm t) was used. Using Ag-Cu-TiH 2 brazing material, Cu plate on both surfaces of the ceramic substrate at a temperature 800 ° C. joined (thickness 0.1 mm), followed by Cu plate at a temperature lowering the melting point of the solder is 300 ° C. (thickness 0. 9 mm) were joined. After forming a Cu circuit by etching, electroless Ni plating was performed to prepare a ceramic circuit board.
  • Si 3 N 4 silicon nitride
  • Example 4 An Al circuit having a thickness of 0.4 mm is formed on both sides of the same ceramic substrate as in Example 1 by thermal spraying (cold spray), and after annealing at a temperature of 500 ° C., electroless Ni plating is applied to the ceramic. A circuit board was produced.
  • Example 5 After bonding a 0.3 mm thick Cu metal with an acrylic adhesive on both sides of the same ceramic base as in Example 1, a Cu circuit was formed by etching and electroless Ni plating was applied to produce a ceramic circuit board. .
  • Comparative Example 1 Using Ag-Cu-TiH 2 brazing material, bonding the Cu plate (thickness 0.3 mm) at a temperature 800 ° C. on both sides of the same ceramic base material as that used in Example 1, after forming a Cu circuit by etching, no Electrolytic Ni plating was performed to prepare a ceramic circuit board.
  • Comparative Example 2 A ceramic circuit board was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that an aluminum nitride (AlN) substrate (size: 50 mm ⁇ 60 mm ⁇ 1.0 mm t) was used as the ceramic substrate.
  • AlN aluminum nitride
  • Comparative Example 3 A ceramic circuit board was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that a silicon nitride (Si 3 N 4 ) base material (size: 50 mm ⁇ 60 mm ⁇ 0.635 mm t) was used as the ceramic base material.
  • Si 3 N 4 silicon nitride
  • Comparative Example 4 A ceramic circuit board was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that a silicon nitride (Si 3 N 4 ) base material (size: 50 mm ⁇ 60 mm ⁇ 0.32 mm t) was used as the ceramic base material.
  • Si 3 N 4 silicon nitride
  • Comparative Example 5 A ceramic circuit board was produced in the same manner as in Comparative Example 4 except that a Cu plate (thickness 1.0 mm) was used.
  • Comparative Example 6 After using an Al-Cu-Mg clad foil as a brazing material and joining an Al plate (0.4 mm thick) on both sides of the same ceramic base as in Example 1 at a temperature of 630 ° C and forming an Al circuit by etching Electroless Ni plating was applied to produce a ceramic circuit board.
  • Table 1 shows the details of the ceramic circuit boards of the respective examples and comparative examples.
  • Table 3 summarizes the evaluation results of each ceramic circuit board.
  • the samples of Examples 1 to 5 were subjected to 1000 cycles of heat cycle tests, with one cycle of leaving in an environment of 125 ° C. for 30 minutes and then leaving in an environment of ⁇ 40 ° C. for one cycle. Even after the heat cycle test, no abnormality such as peeling of the metal circuit was confirmed on the ceramic circuit boards of Examples 1 to 5, and it was shown that high adhesion was maintained.
  • SYMBOLS 1 ceramic base material, 2a, 2b ... metal layer, 21a, 21b ... single metal layer, 22a, 22b ... 1st metal layer, 22E ... end surface of 1st metal layer, 23a, 23b ... 2nd metal layer, 23E: end face of second metal layer 100, 101, 102, 103: ceramic circuit board.

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Abstract

セラミックス基材１と、セラミックス基材１の両面に設けられ、Ａｌ及び／又はＣｕを含む金属層２ａ，２ｂと、を備え、２５℃～１５０℃における線熱膨張係数の測定値α１が５×１０－６～９×１０－６／Ｋであり、２５℃～１５０℃における線熱膨張係数の理論値α２に対する前記α１の比α１／α２が０．７～０．９５であり、金属層２ａ，２ｂのうちの少なくとも一方が金属回路を形成している、セラミックス回路基板。

Description

セラミックス回路基板
　本発明は、セラミックス回路基板に関し、特にパワーモジュール等の大電力電子部品の実装に好適なセラミックス回路基板に関する。
　近年、ロボット、モーター等の産業機器の高性能化に伴い、インバータの大電流化及び高効率化が求められている。このような状況の下、インバータに使用されるパワーモジュールにおいて、半導体素子から発生する熱も増加の一途をたどっている。半導体素子から発生する熱を効率的に拡散させるため、良好な熱伝導性を有するセラミックス回路基板が用いられている。
　パワーモジュールは、一般に、セラミックス回路基板と、セラミックス回路基板の一方の面上に設けられた半導体素子と、セラミックス回路基板の他方の面上に半田付け等により設けられ、熱伝導性に優れるＣｕ、Ｃｕ－Ｍｏ、Ｃｕ－Ｃ、Ａｌ、Ａｌ－ＳｉＣ、Ａｌ－Ｃ等からなるベース板と、ベース板のセラミックス回路基板とは反対側の面上にねじ止め等により設けられた放熱フィンと、を備える。
　しかし、ベース板及びセラミックス回路基板の半田付けは加熱により行われることから、ベース板とセラミックス回路基板との熱膨張係数の差により、ベース板に反りが生じやすいといった問題点があった。
　パワーモジュールの動作時に半導体素子等から発生した熱は、セラミックス回路基板、半田、及びベース板を介して放熱フィンに伝達される。そのため、ベース板に反りが生じると、放熱フィンをベース板に取り付けたときに反りによる空隙（エアギャップ）が生じてしまい、放熱性が極端に低下してしまう。
　こうした反りの問題を改善するため、例えば、セラミックス基材の両面に接合された金属層を有するセラミックス回路基板において、硬度、種類、厚さ等の異なる金属層をそれぞれ金属回路板及び放熱板として用いて、セラミックス基材の一方及び他方の面上に接合することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
　また、パワーモジュールを製造する際に、溶融した状態のベース板と、セラミックス回路基板とを接触させることにより、ベース板とセラミックス回路基板とを接合することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００４－２０７５８７号公報 特開２００２－７６５５１号公報
　セラミックス回路基板は、信頼性の観点から、パワーモジュール製造においてベース板に接合する際にベース板の反りを抑制できるのみならず、実使用において繰り返し行われる発熱及び冷却によってもセラミックス基材及び金属層の高い密着性を維持できることが望ましい。しかし、従来のセラミックス回路基板及びパワーモジュールは、上述した信頼性の観点から、未だ改善の余地がある。
　本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであって、ベース板に接合する際にベース板の反りを抑制できるのみならず、繰り返し行われる発熱及び冷却によってもセラミックス基材及び金属層の高い密着性を維持できるセラミックス回路基板を提供することを目的とする。
　本発明は、セラミックス基材と、セラミックス基材の両面に設けられ、Ａｌ及び／又はＣｕを含む金属層と、を備え、２５℃～１５０℃における線熱膨張係数の測定値α１が５×１０－６～９×１０－６／Ｋであり、２５℃～１５０℃における線熱膨張係数の理論値α２に対する前記α１の比α１／α２が０．７～０．９５であり、金属層のうちの少なくとも一方が金属回路を形成している、セラミックス回路基板を提供する。
　セラミックス基材は、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４又はＡｌ２Ｏ３で形成されていてもよく、厚みが０．２～１．５ｍｍであってもよい。
　金属層は、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｕ及びＭｏを含む合金、並びにＣｕ及びＷを含む合金からなる群より選ばれる少なくとも１種で形成されていてもよく、厚みが０．１～２．０ｍｍであってもよい。
　金属層は、第一金属層及び第二金属層を有し、セラミックス基材、第一金属層及び第二金属層がこの順に積層されていてもよい。この場合、第二金属層はＣｕを含んでいてもよい。また、第一金属層の端面と第二金属層の端面とは面一であってもよく、第一金属層の端面が第二金属層の端面よりも外側にはみ出していてもよい。
　本発明によれば、ベース板に接合する際にベース板の反りを抑制できるのみならず、繰り返し行われる発熱及び冷却によってもセラミックス基材及び金属層の高い密着性を維持できるセラミックス回路基板を提供することが可能となる。
セラミックス回路基板の一実施形態を示す断面図である。 セラミックス回路基板の一実施形態を示す断面図である。 セラミックス回路基板の一実施形態を示す断面図である。 パワーモジュールの一実施形態を示す断面図である。
　以下、本発明のいくつかの実施形態について詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
　図１は、セラミックス回路基板の一実施形態を示す断面図である。図１に示すように、セラミックス回路基板１００は、セラミックス基材１と、セラミックス基材１の両面に設けられた金属層２ａ，２ｂとを有する。金属層２ａ，２ｂのうちの少なくとも一方は、電気回路（金属回路）を形成している。図１に示すように、金属層２ａ，２ｂは、それぞれ、単一の金属層２１ａ，２１ｂからなっていてもよい。
　金属層２ａ，２ｂは、Ａｌ及び／又はＣｕを含むが、Ａｌ及び／又はＣｕを主成分として含むことが好ましい。ここで、「主成分」とは、金属層２ａ，２ｂの全体質量を基準として、７０質量％以上含まれる成分を意味する。金属層がＡｌ及びＣｕの両方を含む場合、それらの合計量が７０質量％以上であればよい。主成分の割合は、９０質量％以上であってもよく、９５質量％以上であってもよい。また金属層は、微量の不可避的不純物を含んでいてもよい。
　本実施形態に係るセラミックス回路基板は、２５℃～１５０℃における線熱膨張係数の測定値α１が５×１０－６～９×１０－６／Ｋであり、２５℃～１５０℃における線熱膨張係数の理論値α２に対するα１の比α１／α２が０．７～０．９５である。
　このような特徴を有するセラミックス回路基板が、ベース板に接合する際にベース板の反りを抑制できるのみならず、繰り返し行われる発熱及び冷却（ヒートサイクル）によってもセラミックス基材及び金属層の高い密着性を維持できる理由を、本発明者等は以下のように考えている。
　まず、本発明者等の検討によれば、パワーモジュール製造時におけるベース板の反りの発生、並びにヒートサイクルによるセラミックス基材及び金属層の剥離やセラミックス基材におけるクラックの発生は、セラミックス回路基板を構成するセラミックス基材及び金属層の線熱膨張係数の差が原因であることが判明している。一般に、セラミックス基材の線熱膨張係数に比べ金属層の線熱膨張係数の方が大きい。そのため、セラミックス基材と金属層とを接合する温度から室温に戻す場合やヒートサイクルにより、金属層に引張応力が残留する。この引張応力の残留（残留応力）によって、上述したような不具合が発生すると考えられる。
　本発明者等は、上記残留応力を低減するため、セラミックス回路基板の線熱膨張係数に着目した。本発明者等のさらなる検討によれば、セラミックス回路基板の線熱膨張係数は、構成されるセラミックス基材と金属層の構造（厚み等）及び組成に加え、セラミックス基材と金属層とを接合する温度から室温に戻る際に、両材料の熱膨張差により発生する残留応力により決まることが判明している。このため、例えば、同一の構成を有するセラミックス回路基板であっても、接合方法によりセラミックス回路基板の線熱膨張係数が異なる場合がある。一般に、セラミックス基材と金属層とは、温度８００℃程度の温度で、活性金属法によってロウ付けして接合されることが多いが、この方法で接合した場合、接合後に室温に冷却する過程で線熱膨張係数の大きい金属層に引張応力が残留する。引張応力が残留している場合、得られるセラミックス回路基板の線熱膨張係数の測定値は、構成するセラミックス基材及び金属層の構造（厚み等）及び組成から算出した線熱膨張係数の理論値より小さい値となると考えられる。本発明に係るセラミックス回路基板は、得られるセラミックス回路基板の線熱膨張係数の測定値を大きくし、且つ当該測定値を理論値に近づけたことで、セラミックス回路基板における残留応力を低減することができた、と本発明者等は考えている。
　さらに、本発明に係るセラミックス回路基板は、それ自体の残留応力を低減できることから、ベース板の種類や線熱膨張係数の値によらず、ベース板に接合する際のベース板の反りを抑制することもできると考えている。
　セラミックス回路基板の線熱膨張係数の測定値を大きくする手法としては、例えば、線熱膨張係数の大きい金属層の厚みを大きくすることが有効と考えられる。ただし、セラミックス回路基板の線熱膨張係数を大きくしすぎると、セラミックス基材に対する金属層の引張応力が大きくなり、実使用を想定したヒートサイクル試験において、セラミックス基材にクラックが入るなどの面で問題が発生する可能性がある。このような観点から、セラミックス回路基板の２５℃～１５０℃における線熱膨張係数の測定値α１は、５×１０－６～９×１０－６／Ｋであることが必要であり、６×１０－６～９×１０－６／Ｋであることが好ましく、７×１０－６～９×１０－６／Ｋであることがより好ましい。
　一方、セラミックス回路基板の線熱膨張係数の測定値を理論値に近づける手法としては、例えば、セラミックス基材と金属層とを接合する際の温度を小さくし、金属層の残留応力を低減する方法等が有効と考えられる。セラミックス基材と金属層とを接合する方法としては、特に制限されるものではないが、例えば、接着剤を用いて両者を接着させる接着法、活性金属法、溶射法等を単独で又は複数を組み合わせて用いる方法が挙げられる。接合する際の温度を小さくできる観点からは、接着法、溶射法等を用いることが好ましく、熱伝導率の低い接着剤を用いずにパワーモジュールとしての放熱性を十分に確保する観点からは、活性金属法、溶射法等を用いることが好ましい。このような観点から、セラミックス基材の表面に活性金属法等により薄い金属層を形成した後に、所定の厚みの金属を低温で接合する手法や溶射法により金属層を形成する手法が有効である。セラミックス基材と金属層とを接合する方法の詳細については、後述する。
　セラミックス回路基板の、２５℃～１５０℃における線熱膨張係数の理論値α２に対するα１の比α１／α２は、０．７～０．９５であることが必要であるが、金属層の残留応力をより低減できる観点から、０．７５～０．９５であることが好ましく、０．８０～０．９５であることがより好ましい。
　セラミックス回路基板の線熱膨張係数の測定値α１は、ＪＩＳ　Ｒ　１６１８に準拠して測定された値を意味する。α１は、例えば、熱膨張計（セイコー電子工業株式会社製、商品名「ＴＭＡ３００」）を用いて測定することができる。
　また、線熱膨張係数の理論値α２は、複合則によって算出された値を意味し、より具体的には、以下の計算式から算出することができる。
　　　α２＝Σαi・Ｅi・Ｖi／ΣＥi・Ｖi
　上記計算式中、αは熱膨張係数、Ｅはヤング率、Ｖは体積分率を示し、添え字ｉは複合材料における各材料成分を示す。
　このようなセラミックス回路基板１００を得るためには、例えば、セラミックス基材１は、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４又はＡｌ２Ｏ３で形成されていることが好ましい。上記の材料を用いてセラミックス基材１を形成することで、適切な絶縁性と熱伝導性とを有するセラミックス回路基板１００を効果的に得ることができる。セラミックス基材１の厚みは、０．２～１．５ｍｍであることが好ましく、０．２５～１．０ｍｍであることがより好ましい。セラミックス基材１の厚みが０．２ｍｍ未満であると耐熱衝撃性が低下し、１．５ｍｍを超えると放熱性が低下する傾向がある。
　また、金属層２ａ，２ｂは、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｕ及びＭｏを含む合金、並びにＣｕ及びＷを含む合金からなる群より選ばれる少なくとも１種で形成されていることが好ましい。上記の材料を用いて金属層２ａ，２ｂを形成することで、適切な絶縁性と熱伝導性とを有するセラミックス回路基板１００を効果的に得ることができる。金属層２ａ，２ｂは、それぞれ同種の材料で形成されていても、異種の材料で形成されていてもよいが、セラミックス回路基板の製造を容易にする観点から、同種の材料で形成されていることが好ましい。
　金属層２ａ，２ｂの厚みは、０．１～２．０ｍｍであることが好ましく、０．２～１．０ｍｍであることがより好ましい。金属層２ａ，２ｂの厚みが０．１ｍｍ未満であると流せる電流が制限され、２．０ｍｍを超えると耐熱衝撃性が低下する傾向がある。金属層２ａ，２ｂの厚みは、それぞれ実質的に同じでも異なっていてもよいが、セラミックス回路基板の製造を容易にする観点から、実質的に同じであることが好ましい。
　セラミックス回路基板１００は、上述したように、セラミックス基材１と金属層２ａ，２ｂとを接合することにより得ることができる。セラミックス基材と金属層とを接合する方法としては、接着剤を用いて両者を接着させる接着法、活性金属法、溶射法等を単独で又は複数を組み合わせて用いる方法が挙げられる。
　接着法は、接着剤を用いて両者を接着させる方法であり、セラミックス基材の両面に、例えばアクリル系接着剤で金属板を接着した後、所望によりエッチング法で回路を形成する方法である。
　活性金属法は、例えばＣｕを含む金属層を接合する場合、Ａｇ（９０％）－Ｃｕ（１０％）－ＴｉＨ２（３．５％）のろう材を用いて、温度８００℃でセラミックス基材の両面にＣｕ板を接合した後、所望によりエッチング法で回路を形成する方法が挙げられる。また、Ａｌを含む金属層を接合する場合、Ａｌ－Ｃｕ－Ｍｇクラッド箔をろう材として用い、温度６３０℃でセラミックス基材の両面にＡｌ板を接合した後、所望によりエッチング法で回路を形成する方法が挙げられる。
　溶射法（コールドスプレー法）は、例えば、複数の金属粒子から構成される金属紛体を、１０～２７０℃に加熱するとともに２５０～１０５０ｍ／ｓの速度まで加速してから吹き付けることにより、セラミックス基材上に金属層を形成させる工程と、セラミックス基材及びセラミックス基材上に形成された金属層を不活性ガス雰囲気下で加熱処理する工程とを備える。金属紛体を構成する金属粒子として、Ａｌ及び／又はＣｕ粒子を用いることにより、これらを含む金属層が形成される。
　上述した実施形態では、金属層２ａ，２ｂは、それぞれ、単一の金属層２１ａ、２１ｂからなる場合について説明したが、本発明は、上記実施形態に限らず、金属層２ａ，２ｂがそれぞれ二層以上の金属層を有していてもよい。
　図２及び図３は、セラミックス回路基板の他の一実施形態を示す断面図である。図２のセラミックス回路基板１０１及び図３のセラミックス回路基板１０２において、金属層２ａ，２ｂは、それぞれ、セラミックス基材１上に接する第一金属層２２ａ，２２ｂ、及び第一金属層２２ａ，２２ｂ上に形成された第二金属層２３ａ，２３ｂから構成される。第一金属層２２ａ，２２ｂ及び第二金属層２３ａ，２３ｂは、それぞれ上述した金属層２ａ，２ｂと同様の材料を用いて形成することができるが、特に第一金属層２２ａ，２２ｂは、Ａｌ又はＡｌを含む合金で形成されていることが好ましく、第二金属層２３ａ，２３ｂは、Ｃｕ又はＣｕを含む合金で形成されていることが好ましい。Ａｌ又はＡｌを含む合金のような柔らかな材料を用いて第一金属層２２ａ，２２ｂを形成することで、耐衝撃性に優れたセラミックス回路基板を得ることができる。Ｃｕ又はＣｕを含む合金を用いて第二金属層２３ａ，２３ｂを形成することで、熱伝導性に優れ、大電流に対応可能なセラミックス回路基板を効果的に得ることができる。なお、図２に示すセラミックス回路基板１０１においては、第一金属層２２ａ，２２ｂの端面２２Ｅと第二金属層２３ａ，２３ｂの端面２３Ｅとが面一になっているが、セラミックス回路基板がより優れた耐熱衝撃性を有する観点から、図３に示すセラミックス回路基板１０２のように、第一金属層２２ａ，２２ｂの端面２２Ｅが、第二金属層２３ａ，２３ｂの端面２３Ｅよりも外側、すなわちセラミックス基材１の端部側にはみ出していてもよい。端面２２Ｅが、端面２３Ｅよりもはみ出している部分の幅は、例えば１～１０００μｍであってもよい。
　以上説明したセラミックス回路基板は、パワーモジュールにおいて好適に用いられ、ベース板と接合する際に生じるベース板の反りを抑制できるのみならず、繰り返し行われる発熱及び冷却によってもセラミックス基材及び金属層の高い密着性を維持することができる。
　ベース板に接合する際に生じるベース板の反りとは、ベース板にセラミックス回路基板を接合した際の、ベース板自体の初期形状（初期反り量）からの変形量（反り変化量）として測定される。また、ベース板の反り量とは、ベース板の任意の位置において、放熱面方向の長さ１０ｃｍあたりの反りの大きさを意味する。ベース板の反り変化量は、セラミックス回路基板に接合するものとしては、好ましくは２０μｍ以下、より好ましくは１５μｍ以下、更に好ましくは１０μｍ以下である。当該反り変化量は、セラミックス回路基板に接合する前のベース板の反り量と、セラミックス回路基板に接合した後のベース板の反り量との差の絶対値として定義される。
　図４は、パワーモジュールの一実施形態を示す断面図である。図４に示すように、パワーモジュール２００は、ベース板３と、ベース板３上に第１の半田４を介して接合されたセラミックス回路基板１０３と、セラミックス回路基板１０３上に第２の半田５を介して接合された半導体素子６とを備えている。
　セラミックス回路基板１０３は、セラミックス基材１と、セラミックス基材１の両面に設けられた金属層２ａ，２ｂとを備えている。ベース板３は、第１の半田４を介して金属層２ｂに接合されている。半導体素子６は、第２の半田５を介して金属層２ａの所定の部分に接合されているとともに、アルミワイヤ（アルミ線）等の金属ワイヤ７で金属層２ａの所定の部分に接合されている。なお、図４に示すパワーモジュールにおいて、金属層２ａは、電気回路（金属回路）を形成している。金属層２ｂは、金属回路を形成していてもしていなくともよい。
　ベース板３上に設けられた上記の各構成要素は、例えば一面が開口した中空箱状の樹脂製の筐体８で蓋され、筐体８内に収容されている。ベース板３と筐体８との間の中空部分には、シリコーンゲル等の充填材９が充填されている。金属層２ａの所定部分には、筐体８の外部と電気的な接続が可能なように、筐体８を貫通する電極１０が第３の半田１１を介して接合されている。
　ベース板２の縁部には、パワーモジュール２００に例えば放熱部品を取り付ける際のネジ止め用の取付け穴３ａが形成されている。取付け穴３ａの数は、例えば４個以上である。ベース板３の縁部には、取付け穴３ａに代えて、ベース板３の側壁が断面Ｕ字状となるような取付け溝が形成されていてもよい。
　パワーモジュール２００は、上述した本実施形態に係るセラミックス回路基板を備えるため、高耐圧、高出力等が要望される電車又は自動車の駆動インバータとして好適に用いられる。
　以下、実施例を挙げて本発明について更に具体的に説明する。ただし、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
［実施例１］
　セラミックス基材として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基材（サイズ：５０ｍｍ×６０ｍｍ×０．６３５ｍｍｔ）を用いた。Ａｌ－Ｃｕ－Ｍｇクラッド箔をろう材として用い、セラミックス基材の両面に温度６３０℃にてＡｌ板（厚み０．２ｍｍ）を接合し、エッチングによりＡｌ回路を形成した。続いて、溶射法（コールドスプレー法）で厚み０．４ｍｍのＣｕ回路を積層し、温度３００℃でアニール処理を行った後、無電解Ｎｉめっきを施し、セラミックス回路基板を作製した。
［実施例２］
　実施例１と同様のセラミックス基材の両面に溶射法（コールドスプレー法）で厚み０．２ｍｍのＡｌ回路を積層し、温度５００℃でアニール処理を行った。続いて、溶射法（コールドスプレー法）で厚み０．４ｍｍのＣｕ回路を積層し、温度３００℃でアニール処理を行った後、無電解Ｎｉめっきを施し、セラミックス回路基板を作製した。
［実施例３］
　セラミックス基材として、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）基材（サイズ：５０ｍｍ×６０ｍｍ×０．３２ｍｍｔ）を用いた。Ａｇ－Ｃｕ－ＴｉＨ２ろう材を用い、セラミックス基材の両面に温度８００℃にてＣｕ板（厚み０．１ｍｍ）を接合し、続いて融点が３００℃の降温半田でＣｕ板（厚み０．９ｍｍ）を接合した。エッチングによりＣｕ回路を形成した後、無電解Ｎｉめっきを施し、セラミックス回路基板を作製した。
［実施例４］
　実施例１と同様のセラミックス基材の両面に溶射法（コールドスプレー法）で厚み０．４ｍｍのＡｌ回路を形成し、温度５００℃でアニール処理を行った後、無電解Ｎｉめっきを施し、セラミックス回路基板を作製した。
［実施例５］
　実施例１と同様のセラミックス基材の両面にアクリル系接着剤で厚み０．３ｍｍのＣｕ金属を接着した後、エッチングによりＣｕ回路を形成し、無電解Ｎｉめっきを施してセラミックス回路基板を作製した。
［比較例１］
　Ａｇ－Ｃｕ－ＴｉＨ２ろう材を用い、実施例１と同様のセラミックス基材の両面に温度８００℃にてＣｕ板（厚み０．３ｍｍ）を接合し、エッチングによりＣｕ回路を形成した後、無電解Ｎｉめっきを施し、セラミックス回路基板を作製した。
［比較例２］
　セラミックス基材として、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基材（サイズ：５０ｍｍ×６０ｍｍ×１．０ｍｍｔ）を用いた以外は、比較例１と同様の操作を行い、セラミックス回路基板を作製した。
［比較例３］
　セラミックス基材として、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）基材（サイズ：５０ｍｍ×６０ｍｍ×０．６３５ｍｍｔ）を用いた以外は、比較例１と同様の操作を行い、セラミックス回路基板を作製した。
［比較例４］
　セラミックス基材として、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）基材（サイズ：５０ｍｍ×６０ｍｍ×０．３２ｍｍｔ）を用いた以外は、比較例１と同様の操作を行い、セラミックス回路基板を作製した。
［比較例５］
　Ｃｕ板（厚み１．０ｍｍ）を用いた以外は、比較例４と同様の操作を行い、セラミックス回路基板を作製した。
［比較例６］
　Ａｌ－Ｃｕ－Ｍｇクラッド箔をろう材として用い、実施例１と同様のセラミックス基材の両面に温度６３０℃にてＡｌ板（厚み０．４ｍｍ）を接合し、エッチングによりＡｌ回路を形成した後、無電解Ｎｉめっきを施してセラミックス回路基板を作製した。
　表１に、各実施例及び比較例のセラミックス回路基板の詳細を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
＜セラミックス回路基板の線熱膨張係数の測定（α１の測定）＞
　得られたセラミックス回路基板を、４ｍｍ×２０ｍｍのサイズに切り出し、線熱膨張係数の測定用試験片を作製した。得られた試験片に対して熱膨張計（セイコー電子工業株式会社製、商品名「ＴＭＡ３００」）を用いて５℃／分で降温することにより、温度２５℃から１５０℃の線熱膨張係数を測定した。
＜セラミックス回路基板の線熱膨張係数の理論値の算出（α２の算出）＞
　下記計算式を用いて、線熱膨張係数の理論値を算出した。
　　α２＝Σαi・Ｅi・Ｖi／ΣＥi・Ｖi
　上記計算式中、αは熱膨張係数、Ｅはヤング率、Ｖは体積分率を示し、添え字ｉは複合材料における各材料成分を示す。
　なお、複合材料における各材料成分の熱膨張係数及びヤング率は、以下の表２に示す値を用いて算出した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
＜半田接合後のベース板の反り変化量の測定＞
　Ａｌ－ＳｉＣ（６５％）材をサイズが１４０×１９０×５ｍｍとなるように加工した後、無電解Ｎｉめっきを施したベース板を用い、上記実施例及び比較例で得られたセラミックス回路基板とベース板を、共晶半田にて接合して測定用サンプルとした。
　測定用サンプルにおけるベース板の放熱面の形状を３次元輪郭測定装置（株式会社東京精密製、商品名「コンターレコード１６００Ｄ－２２」）を用いて測定することで、長さ１０ｃｍに対するベース板の反り変化量を測定した。
　各セラミックス回路基板の評価結果を、表３にまとめて示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　実施例１～５のサンプルに対し、１２５℃の環境に３０分放置した後に－４０℃の環境に３０分放置する操作を１サイクルとして、１０００サイクルのヒートサイクル試験を実施した。ヒートサイクル試験後においても、実施例１～５のセラミックス回路基板に金属回路の剥離等の異常は確認されず、高い密着性を維持していることが示された。
　１…セラミックス基材、２ａ，２ｂ…金属層、２１ａ，２１ｂ…単一の金属層、２２ａ，２２ｂ…第一金属層、２２Ｅ…第一金属層の端面、２３ａ，２３ｂ…第二金属層、２３Ｅ…第二金属層の端面、１００，１０１，１０２，１０３…セラミックス回路基板。

Claims (8)

  1. 　セラミックス基材と、前記セラミックス基材の両面に設けられ、Ａｌ及び／又はＣｕを含む金属層と、を備え、
    　２５℃～１５０℃における線熱膨張係数の測定値α１が５×１０－６～９×１０－６／Ｋであり、
    　２５℃～１５０℃における線熱膨張係数の理論値α２に対する前記α１の比α１／α２が０．７～０．９５であり、
    　前記金属層のうちの少なくとも一方が金属回路を形成している、セラミックス回路基板。
  2. 　前記セラミックス基材が、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４又はＡｌ２Ｏ３で形成されている、請求項１に記載のセラミックス回路基板。
  3. 　前記セラミックス基材の厚みが０．２～１．５ｍｍである、請求項１又は２に記載のセラミックス回路基板。
  4. 　前記金属層が、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｕ及びＭｏを含む合金、並びにＣｕ及びＷを含む合金からなる群より選ばれる少なくとも１種で形成されている、請求項１～３のいずれか一項に記載のセラミックス回路基板。
  5. 　前記金属層の厚みが０．１～２．０ｍｍである、請求項１～４のいずれか一項に記載のセラミックス回路基板。
  6. 　前記金属層が第一金属層及び第二金属層を有し、前記セラミックス基材、前記第一金属層及び前記第二金属層がこの順に積層されている、請求項１～５のいずれか一項に記載のセラミックス回路基板。
  7. 　前記第二金属層がＣｕを含む、請求項６に記載のセラミックス回路基板。
  8. 　前記第一金属層の端面と前記第二金属層の端面とが面一である、又は、前記第一金属層の端面が前記第二金属層の端面よりも外側にはみ出ている、請求項６又は７に記載のセラミックス回路基板。
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