WO2023190255A1 - 回路基板及びその製造方法、並びにパワーモジュール - Google Patents

回路基板及びその製造方法、並びにパワーモジュール Download PDF

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ceramic plate
circuit board
recess
plate
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知広 ▲濱▼岡
聖治 小橋
厚樹 五十嵐
晃正 湯浅
貴裕 中村
善幸 江嶋
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デンカ株式会社
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Definitions

  • the present disclosure relates to a circuit board, a method for manufacturing the same, and a power module.
  • a circuit board included in such a power module includes a ceramic plate and a copper plate, which are bonded via a brazing material containing an active metal.
  • a phenomenon occurs in which the brazing material seeps onto the surface of the copper plate and creeps up along the side surface of the copper plate. If such a phenomenon occurs, it is feared that it will not only impair the appearance, but also lead to deterioration in the wettability of the solder material used, for example, when bonding semiconductor elements.
  • Patent Document 1 proposes providing a rough portion with a large surface roughness on the side surface of a metal plate in order to suppress creeping up of the brazing material.
  • Patent Document 2 proposes a technique in which a rib is provided in a circuit layer so as to surround a mounting surface on which a semiconductor element is to be mounted, in order to suppress the occurrence of stains due to the creeping phenomenon.
  • Patent Document 3 proposes laminating and brazing the metal plates so that the surface on the side where burrs are formed overlaps one surface of the ceramic plate. Using such techniques, attempts have been made to solve the problem of stains caused by creeping up of the brazing filler metal.
  • An etching method is known as a method for manufacturing multi-chip circuit boards.
  • the etching method requires resist printing and etching steps to process the metal plate into a predetermined size.
  • a mounting method is used in which metal plates that have been pre-processed to a predetermined size are joined together, such a process is not necessary, and production efficiency can be improved.
  • the amount of brazing filler metal applied is increased in order to ensure the reliability of the bond between the end of the metal plate and the ceramic plate, the brazing filler metal tends to creep up.
  • a conceivable technique to suppress creeping up of the brazing material is to provide a recess along the outer edge of the main surface of the metal plate on the ceramic plate side.
  • the bonding area between the metal plate and the ceramic plate becomes small, and there is a concern that stress may be concentrated during heat cycles and cracks may occur in the ceramic plate. Therefore, the present disclosure provides a circuit board that has excellent durability against heat cycles and a method for manufacturing the same.
  • the present disclosure also provides a power module including such a circuit board.
  • a circuit board is a circuit board including a ceramic plate, a metal plate, and a brazing material layer that joins the main surface of the ceramic plate and the main surface of the metal plate, the circuit board comprising: A recess is formed in the metal plate along at least a part of the outer edge of the main surface, and when viewed in a cross section perpendicular to the edge of the recess on the side surface of the metal plate and along the thickness direction of the metal plate, the above-mentioned A circuit board in which the outer edge of the contact surface between the ceramic plate and the brazing metal layer is farther from the recess than the intersection of the imaginary perpendicular line extending from the edge toward the main surface of the ceramic plate and the main surface of the ceramic plate.
  • the metal plate has a recess formed along at least a part of the outer edge of the main surface of the metal plate, so that the brazing material creeps up the side of the metal plate and separates from the ceramic plate side of the metal plate. It is possible to sufficiently prevent the brazing filler metal from reaching the main surface on the opposite side.
  • the contact surface between the ceramic plate and the brazing material layer is located at a point where the intersection between the ceramic plate and the imaginary perpendicular line extending from the edge of the recess toward the main surface of the ceramic plate is The outer edge is further away from the recess.
  • the contact area between the brazing material layer and the ceramic plate can be increased even though a recess is formed in the metal plate.
  • Such a circuit board can alleviate stress concentration caused by heat cycles, and has excellent durability against heat cycles. Furthermore, the bonding reliability between the metal plate and the ceramic plate is excellent.
  • the distance L between the intersection of the virtual perpendicular and the main surface of the ceramic plate and the outer edge of the contact surface may be greater than 0 and 0.3 mm or less.
  • the brazing material layer may have a skirt portion that widens away from the recess as it approaches the main surface of the ceramic plate.
  • a brazing material layer having such a skirt portion can further alleviate stress concentration caused by heat cycles. Therefore, durability against heat cycles can be further improved. Further, by having such a skirt portion, creeping up of the brazing material can be further suppressed.
  • the inclined surface forming the outline of the skirt portion may extend from the edge of the recess or the side surface of the metal plate to the main surface of the ceramic plate.
  • Such a circuit board can sufficiently increase the reliability of the bond between the ceramic plate and the metal plate.
  • the wall surface of the metal plate constituting the recess includes an opposing surface that faces the main surface of the ceramic plate, and at least a portion of the opposing surface may be covered with a brazing material layer.
  • a circuit board can also sufficiently alleviate stress concentration caused by heat cycles. Therefore, it has sufficient durability against heat cycles. Further, since the wall surface of the metal plate constituting the recess has such a facing surface, creeping up of the brazing material can be sufficiently suppressed.
  • the entire recess is filled with the brazing material layer, and the imaginary perpendicular line may extend from the edge of the recess to the main surface of the ceramic plate inside the brazing material layer.
  • the wall surface constituting the recess and the ceramic plate are fixed by a brazing material layer. This makes it possible to sufficiently increase the reliability of the connection between the metal plate and the ceramic plate.
  • the recess in the metal plate may be formed all around the outer edge of the main surface of the metal plate. Thereby, it is possible to sufficiently suppress the brazing material from creeping up from the brazing material layer onto the side surface of the metal plate and the main surface on the opposite side to the ceramic plate side.
  • the width X of the recess may be 0.05 mm or more, and the height Z of the recess may be 0.05 mm or more.
  • the recess has such a size, creeping up of the brazing material can be further suppressed.
  • the circuit board includes a ceramic plate, a plurality of metal plates, and a plurality of brazing metal layers bonding the main surface of the ceramic plate and the main surface of the plurality of metal plates, and the plurality of metal plates include: It includes a metal plate in which a recess is formed, and when viewed in a cross section along the thickness direction of the metal plate, perpendicular to the edge of the recess on the side surface of the metal plate, from the edge toward the main surface of the ceramic plate. The outer edge of the contact surface between the ceramic plate and the brazing material layer is further away from the recess than the intersection between the extending imaginary perpendicular line and the main surface of the ceramic plate.
  • the brazing filler metal creeps up the side of the metal plate and is separated from the ceramic plate side of the metal plate. It is possible to sufficiently prevent the brazing filler metal from reaching the main surface on the opposite side. Further, while having such a recessed portion, the contact area between the brazing material layer and the ceramic plate can be increased.
  • Such a circuit board can alleviate stress concentration caused by heat cycles, and has excellent durability against heat cycles. Furthermore, the bonding reliability between the metal plate and the ceramic plate is excellent.
  • each of the plurality of metal plates may be provided independently for each partition area defined by a partition line on the main surface of the ceramic plate.
  • Such a circuit board may be a multi-chip circuit board. By dividing such a multi-chip circuit board, a plurality of individualized boards (divided boards) can be manufactured at once. Such a circuit board has excellent production efficiency.
  • a method for manufacturing a circuit board includes a preparation step of preparing one or more metal plates each having a recess formed along at least a part of the outer edge of one main surface; A coating and drying process in which one or more coating layers are formed by applying and drying a brazing filler metal on the main surface, and a ceramic plate and one or more metal plates are laminated with one or more coating layers in between.
  • the method includes a lamination step of producing a laminate, and a joining step of heating the laminate to obtain a joined body in which a ceramic plate and one or more metal plates are joined with one or more brazing metal layers.
  • a ceramic plate and one or more metal plates are laminated so that one main surface of the one or more metal plates faces the main surface of the ceramic plate, and a recess is formed.
  • an imaginary perpendicular line extending from the edge toward the main surface of the ceramic plate and the ceramic plate. The outer edge of the contact surface between the ceramic plate and the brazing material layer is farther from the recess than the intersection with the main surface.
  • the ceramic plate and the one or more metal plates are stacked so that the main surface of the one or more metal plates, on which the concave portion is formed, faces the metal plate. are laminated. Because the bonding process is carried out using the laminate obtained in this way, the brazing metal creeps up the side of the metal plate and reaches the main surface of the metal plate on the opposite side from the ceramic plate side. can be sufficiently suppressed.
  • the intersection between the ceramic plate and the brazing metal layer is greater than the intersection of the imaginary perpendicular line extending from the edge of the recess toward the main surface of the ceramic plate and the main surface of the ceramic plate.
  • the outer edge of the contact surface is further away from the recess. As a result, the contact area between the brazing material layer and the ceramic plate can be increased even though a metal plate in which a recessed portion is formed is used.
  • a circuit board obtained from such a bonded body can alleviate the concentration of stress caused by heat cycles, and has excellent durability against heat cycles.
  • the metal plate contains Cu
  • the brazing filler metal applied to the main surface of the ceramic plate in the coating and drying step may contain 93 parts by mass or more of Ag based on a total of 100 parts by mass of Ag and Cu.
  • Such a brazing filler metal has a higher melting temperature than a brazing filler metal containing less than 93 parts by mass of Ag. Therefore, when the temperature of the laminate is raised in the joining process, the timing of melting of the brazing material can be delayed. Therefore, creeping up of the brazing material can be suppressed.
  • Ag and Cu have a eutectic point near a mass ratio of 69:31.
  • the molten brazing filler metal smoothly reacts with Cu contained in the metal plate to form a eutectic alloy. Therefore, the contact area between the brazing material layer and the ceramic plate can be sufficiently and smoothly increased. With this manufacturing method, it is possible to efficiently manufacture a circuit board that has excellent durability against heat cycles.
  • the brazing material may be applied to the main surface of the ceramic plate so that the thickness of one or more coating layers is greater at the ends than at the center. As a result, even if a recess is formed in the metal plate, the vicinity of the recess and the ceramic plate can be firmly joined by the brazing material layer. Such a circuit board has sufficiently excellent bonding reliability between the metal plate and the ceramic plate.
  • the coating layer is formed such that the width Y of the thickly coated portion of the coating layer at the end portion, which has a larger thickness than the coating layer at the center portion, is larger than the width X of the recessed portion.
  • the layers may be laminated so that the recessed portion and the thickly coated portion are in contact with each other.
  • the contact area between the brazing material layer and the ceramic plate can be made sufficiently large even though a metal plate in which a recessed portion is formed is used.
  • a circuit board obtained from such a bonded body can further alleviate the concentration of stress caused by heat cycles, and has better durability against heat cycles.
  • a laminate may be produced by laminating a plurality of metal plates as shown in FIG.
  • the bonded body obtained by such a bonding process can also be called a multi-chip circuit board.
  • a multi-chip circuit board by dividing such a multi-chip circuit board, a plurality of individualized boards (divided boards) can be manufactured all at once.
  • Such a manufacturing method can manufacture circuit boards (singulated boards) with high production efficiency.
  • a power module includes any of the circuit boards described above and a semiconductor element electrically connected to the metal plate of the circuit board. Such a power module has excellent reliability because it includes any of the above-mentioned circuit boards.
  • circuit board that has excellent durability against heat cycles and a method for manufacturing the same. Furthermore, a power module including such a circuit board can be provided.
  • FIG. 1 is a perspective view of a circuit board according to one embodiment.
  • FIG. 2 is a plan view of a circuit board according to one embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line III--III of the circuit board of FIG.
  • FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of a part of the cross-section of FIG. 3.
  • FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of a part of a cross section of a circuit board according to a modified example.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a power module according to one embodiment.
  • FIG. 7 is a perspective view showing an example of a ceramic plate provided with a coating layer in a method for manufacturing a circuit board according to an embodiment.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view for explaining a lamination step in a method for manufacturing a circuit board according to an embodiment.
  • FIG. 9A is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing a cross section along the thickness direction of the circuit board of Example 3.
  • FIG. 9(B) is a photograph showing the results of ultrasonic flaw detection of the circuit board of Example 3.
  • FIG. 10(A) is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing a cross section along the thickness direction of the circuit board of Example 4.
  • FIG. 10(B) is a photograph showing the results of ultrasonic flaw detection of the circuit board of Example 4.
  • FIG. 11A is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing a cross section along the thickness direction of the circuit board of Example 5.
  • FIG. 9A is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing a cross section along the thickness direction of the circuit board of Example 3.
  • FIG. 9(B) is a photograph showing the results of ultrasonic flaw detection of the circuit board of Example 3.
  • FIG. 11(B) is a photograph showing the results of ultrasonic flaw detection of the circuit board of Example 5.
  • FIG. 12A is a scanning electron microscope (SEM) photograph showing a cross section along the thickness direction of the circuit board of Comparative Example 2.
  • FIG. 12(B) is a photograph showing the results of ultrasonic flaw detection of the circuit board of Comparative Example 2.
  • the numerical range indicated by "x to y” means greater than or equal to x and less than or equal to y.
  • Numerical ranges in which the upper limit or lower limit of each numerical range in each embodiment is replaced with the numerical value of any example are also included in the present disclosure.
  • a circuit board includes a ceramic plate, a metal plate, and a brazing material layer that joins the main surface of the ceramic plate and the main surface of the metal plate.
  • the number of metal plates joined to one main surface of one ceramic plate may be one or multiple.
  • the material of the ceramic plate is not particularly limited, and may be made of, for example, a nitride sintered body, a carbide sintered body, or an oxide sintered body. Specific examples include silicon nitride sintered bodies, aluminum nitride sintered bodies, aluminum oxide sintered bodies, and silicon carbide sintered bodies. There is no particular restriction as long as it is in the shape of a ceramic plate.
  • the thickness of the ceramic plate may be, for example, 0.2 to 2 mm, or 0.32 to 1.1 mm.
  • the metal plate may include Cu or an alloy of Cu and another metal, and may be a copper plate, for example.
  • the shape of the metal plate is not particularly limited as long as a recess is formed along at least a part of the outer edge of the main surface opposite to the main surface of the ceramic plate.
  • the thickness of the metal plate (distance between main surfaces) may be, for example, 0.1 to 1.2 mm, or 0.2 to 1.0 mm.
  • the metal plate may have a plating film on its surface.
  • the recess may be formed by a curved wall surface. That is, the metal plate may have an inner corner in the recess. This corner may extend parallel to the edge of the recess.
  • the brazing material layer may contain Ag, and may also contain Ag and Cu. Furthermore, it may contain one or more metals selected from the group consisting of Sn and active metals. Two or more metals may be an alloy.
  • the active metal may include one or more selected from the group consisting of Ti, Hf, Zr, and Nb.
  • Ag and Cu contained in the brazing material layer may be contained in the brazing material layer as an alloy such as an Ag--Cu eutectic alloy.
  • the content of Ag in the brazing material layer may be 65 to 95% by mass, or 70 to 95% by mass.
  • the total content of Ag and Cu in the brazing material layer may be 65 to 100% by mass, may be 70 to 99% by mass, may be 90 to 98% by mass, and may be 95 to 98% by mass. It's okay. This makes it possible to sufficiently reduce the residual stress in the brazing material layer and improving the denseness of the brazing material layer.
  • the content of the active metal in the brazing material layer may be 0.5 to 8 parts by mass based on 100 parts by mass of Ag and Cu in total.
  • the content of the active metal may be 0.5 to 8 parts by mass based on 100 parts by mass of Ag and Cu in total.
  • the metal contained in the brazing material layer may be contained as a nitride, oxide, carbide, or hydride.
  • the braze layer may include titanium nitride and/or titanium hydride ( TiH2 ). This makes it possible to sufficiently increase the bonding strength between the ceramic plate and the metal plate.
  • TiH 2 titanium nitride and/or titanium hydride
  • the content of TiH 2 may be, for example, 1 to 8 parts by weight with respect to 100 parts by weight of Ag and Cu in total.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an example of a circuit board according to the present embodiment.
  • 2 is a plan view of the circuit board of FIG. 1
  • FIG. 3 is a sectional view taken along the line III--III of FIG.
  • the circuit board 100 includes a ceramic plate 10 and a plurality of metal plates 20 on the main surface 10A and the main surface 10B of the ceramic board 10.
  • the ceramic plate 10 has a flat plate shape.
  • the ceramic plate 10 is divided into a plurality of sections by dividing lines on the main surface 10A.
  • the principal surface 10A includes a plurality of partition lines L1 extending along a first direction and lined up at equal intervals, and a plurality of partition lines L1 extending along a second direction orthogonal to the first direction, as partition lines.
  • a plurality of partition lines L2 arranged at equal intervals are provided.
  • the partition line L1 and the partition line L2 are orthogonal to each other.
  • the partition lines L1 and L2 may be formed by, for example, a plurality of recesses lined up in a straight line, or may have a linear groove formed therein. Specifically, it may be a scribe line formed with laser light. Examples of the laser source include a carbon dioxide laser and a YAG laser. A scribe line can be formed by intermittently irradiating laser light from such a laser source. Note that the partition lines L1 and L2 do not have to be arranged at equal intervals, and are not limited to being perpendicular to each other. Further, the partition lines L1 and L2 may not be straight, but may be curved or bent.
  • the ceramic plate 10 has a plurality of partition areas 50 defined by partition lines L1 and L2.
  • a metal plate 20 is provided in each of the plurality of divided areas 50.
  • the plurality of metal plates 20 are independent from each other.
  • the circuit board 100 is also called a collective board, and can be divided along partition lines L1 and L2. By dividing, a plurality of circuit boards (singulated boards) can be obtained. The individualized board obtained by dividing in this way is also an example of the circuit board of this embodiment.
  • One main surface 20A of the metal plate 20 is exposed to the outside.
  • the other main surface 20B of the metal plate 20 and the main surface 10A (main surface 10B) of the ceramic plate 10 are joined by a brazing material layer 30.
  • a recess 22 is formed in the metal plate 20 along the outer edge of the main surface 20B (joint surface with the brazing material layer 30) of the metal plate 20.
  • the metal plate 20 having such a recess 22 formed therein may be cut out so that the outer side of the main surface 20B has a step-like shape.
  • the recess 22 is formed all around the outer edge of the main surface 20B of the metal plate 20.
  • the outer edge of the main surface 20B is formed by the recess 22.
  • the recess 22 may be provided only in the vicinity of the portion where the semiconductor element is soldered when the semiconductor element is mounted on the metal plate 20. Further, the recess 22 may be provided only in a part of one or more metal plates 20. For example, it is not necessary to provide the recess 22 in the metal plate 20 that serves as a heat sink of the power module.
  • the metal plates 20 provided on the main surface 10A and the main surface 10B of the ceramic plate 10 may have shapes different from each other.
  • FIG. 4 shows a partially enlarged cross-section of the circuit board 100 shown in FIG. 3.
  • 3 and 4 both show a cross section along the thickness direction of the metal plate 20, which is perpendicular to the edge 27 (upper edge) of the recess 22 on the side surface 20C.
  • This cross section can be obtained by cutting the circuit board 100 perpendicular to the extending direction of the edge 27 of the recess 22 and along the thickness direction of the metal plate 20 and the ceramic plate 10.
  • the width X of the recess 22 may be 0.05 mm or more, and may be 0.1 mm or more. In this way, as the width X increases, the distance from the brazing material layer 30 to the side surface 20C of the metal plate 20 increases. Therefore, creeping up of the brazing material onto the side surface 20C and main surface 20A of the metal plate 20 can be further suppressed.
  • the width X may be 10 mm or less, 5 mm or less, 3 mm or less, 1 mm or less, or 0.5 mm or less.
  • the ratio of the width X to the length of the main surface 20A of the metal plate 20 measured along the same direction as the width X may be 0.0005 to 0.5, and may be 0.001 to 0.3. Good too.
  • the length of the main surface 20A may be, for example, 5 to 100 mm, or 15 to 50 mm.
  • the height Z of the recess 22 may be 0.05 mm or more, 0.07 mm or more, or 0.1 mm or more. In this way, as the height Z increases, the distance from the brazing material layer 30 to the side surface 20C of the metal plate 20 increases. Therefore, creeping up of the brazing material onto the side surface 20C and main surface 20A of the metal plate 20 can be further suppressed.
  • the height Z may be 1.1 mm or less, 1.0 mm or less, 0.9 mm or less, or 0.5 mm or less.
  • the ratio of the height Z to the thickness of the metal plate 20 may be 0.04 to 1.0, or may be 0.1 to 0.6.
  • the ratio of the height Z to the width X may be 0.001 to 22, and may be 0.1 to 4. It may be 0.15 to 3. Note that the width X is measured along a direction parallel to the main surfaces 10A and 10B of the ceramic plate 10 in the cross section shown in FIGS. 3 and 4. The height Z is measured along the direction perpendicular to the main surfaces 10A and 10B of the ceramic plate 10 in the cross section shown in FIGS. 3 and 4.
  • the wall surface of the metal plate 20 constituting the recess 22 includes an opposing surface 24 that faces the main surfaces 10A and 10B of the ceramic plate 10, and an upright surface 23 that is orthogonal to the main surfaces 10A and 10B. At the boundary between the opposing surface 24 and the upright surface 23, an inside corner 25 extends parallel to the edge 27 of the recess 22. Since the metal plate 20 has the opposing surface 24 and the corner portion 25 in the recess 22, it is possible to further suppress the brazing material from creeping up from the brazing material layer 30.
  • the upright surface 23 is perpendicular to the main surfaces 10A and 10B, but is not limited thereto.
  • the facing surface 24 and/or the upright surface 23 may be inclined with respect to the main surface 10A and the main surface 10B.
  • the width X and height Z when the recess 22 is rectangular are as shown in FIG.
  • the width X and height Z are measured based on the most recessed part of the recess 22. That is, the width X can be determined as the maximum value of the distance between the virtual perpendicular VP and the wall surface constituting the recess, which is measured in a direction parallel to the main surface 20A in a cross section as shown in FIG.
  • the height Z is the height between the main surface 10A (main surface 10B) and the wall surface (opposing surface 24) forming the recess 22, measured in a direction perpendicular to the main surface 10A in a cross section as shown in FIG. It can be determined as the maximum value of distance.
  • the recess 22 is filled with the end of the brazing material layer 30.
  • the relationship between the virtual perpendicular VP extending from the edge 27 of the recess 22 toward the main surface 10A (10B) of the ceramic plate 10 and the main surface 10A (10B) of the ceramic plate 10 is The outer edge 35 of the contact surface between the main surface 10A (10B) of the ceramic plate 10 and the brazing material layer 30 is further away from the recess 22 than the intersection 12. Thereby, the contact area between the brazing material layer 30 and the main surface 10A (10B) of the ceramic plate 10 in the vicinity of the recess 22 can be increased.
  • the distance L between the intersection 12 and the outer edge 35 may be greater than 0 and 0.3 mm or less.
  • the upper limit of this distance L may be 0.2 mm.
  • the lower limit of the distance L may be 0.01 mm, 0.1 mm, or 0.15 mm. Thereby, durability against heat cycles can be further improved.
  • the brazing material layer 30 has a skirt portion 34 on the outside of the recess 22 that widens away from the recess 22 as it approaches the main surface 10A (10B) of the ceramic plate 10.
  • the sloped surface 34A forming the outline of the skirt portion 34 extends from the end edge 27 to the main surface 10A (10B).
  • the inclined surface 34A may extend from the side surface 20C to the main surface 10A (10B).
  • the slope angle of the slope surface 34A may not be constant, and a plurality of slope surfaces having different slope angles may be connected, or the slope surface 34A may be curved.
  • the brazing material layer 30 covers the entire wall surface of the metal plate 20 forming the recess 22 and fills the entire recess 22. Therefore, the entire virtual perpendicular line VP, which is a line segment connecting the edge 27 and the intersection point 12, passes through the inside of the brazing material layer 30. Thereby, the opposing surface 24 forming the recess 22 is also fixed to the ceramic plate 10. Therefore, the connection reliability between the metal plate 20 and the ceramic plate 10 can be made sufficiently high.
  • a part of the wall surface of the metal plate 20 forming the recess 22 may be exposed to the outside without being covered with the brazing material layer 30.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a modification of the circuit board 100. Similar to FIG. 4, FIG. 5 shows a part of a cross section along the thickness direction of the metal plate 20, which is perpendicular to the edge 27 (upper edge) of the recess 22 on the side surface 20C. In this modification, a part of the opposing surface 24 forming the recess 22 is covered with the brazing material layer 30, and an inclined surface 34A forming the outline of the skirt portion 34a extends from the opposing surface 24 to the main surface 10A (10B). ing. Therefore, a part of the virtual perpendicular VP passes through the inside of the brazing material layer 30, and the other part passes through the outside of the brazing material layer 30. Even with such a modification, durability against heat cycles can be sufficiently increased. Since the edge 27 is not covered with the brazing material layer 30, it is possible to sufficiently suppress the brazing material from creeping up onto the side surface 20C and main surface 20A of the metal plate 20.
  • the metal plate 20 may function as a circuit board that has the function of transmitting electrical signals or a heat sink that has the function of transmitting heat. Further, the metal plate 20 may have both a function of transmitting heat and a function of transmitting an electric signal.
  • the circuit board 100 and the individualized boards (circuit boards) obtained by dividing the circuit board can have a large contact area between the brazing material layer 30 and the ceramic board 10 even though a recess is formed in the metal plate 20. .
  • Such a circuit board 100 can alleviate stress concentration caused by heat cycles, and has excellent durability against heat cycles. Therefore, it is suitable as a component mounted in a power module that is required to have excellent durability against heat cycles.
  • a power module includes a circuit board and a semiconductor element electrically connected to a metal plate of the circuit board.
  • the circuit board may be the above-described circuit board 100 or a modification thereof, or may be another circuit board. The description regarding the circuit board 100 and its modifications is applied to the power module of this embodiment. Such a power module has excellent reliability.
  • the circuit board and the semiconductor element may be sealed with resin.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing an example of the power module according to the present embodiment.
  • the power module 300 includes a base plate 70 and a circuit board 101 joined to one side of the base plate 70 via solder 62.
  • the metal plate 21 on one side of the circuit board 101 is joined to the base plate 70 via solder 62.
  • a semiconductor element 60 is attached to at least one of the metal plates 20 on the other side of the circuit board 101 via solder 61.
  • the semiconductor element 60 is connected to a predetermined location on the metal plate 20 with a metal wire 64 such as an aluminum wire. In this way, the semiconductor element 60 and the metal plate 20 are electrically connected.
  • the metal plate 20a which is one of the metal plates, is connected to an electrode 63 provided through the housing 66 via a solder 65. There is.
  • a housing 66 is disposed on one main surface of the base plate 70 and is integrated with the main surface to accommodate the circuit board 101.
  • a housing space formed by one main surface of the base plate 70 and the housing 66 is filled with resin 80.
  • the resin 80 seals the circuit board 101 and the semiconductor element 60.
  • the resin may be, for example, a thermosetting resin or a photocuring resin.
  • Cooling fins 72 forming a heat radiating section are joined to the other main surface of the base plate 70 via grease 74. Screws 73 are attached to the ends of the base plate 70 to fix the cooling fins 72 to the base plate 70.
  • the base plate 70 and the cooling fins 72 may be made of aluminum.
  • the base plate 70 and the cooling fins 72 have high thermal conductivity and function well as a heat dissipation section.
  • the metal plate 20 and the metal plate 21 are electrically insulated by the ceramic plate 10.
  • the metal plate 20 (20a) may form an electric circuit.
  • the metal plate 20 and the metal plate 21 are respectively joined to the main surface 10A and the main surface 10B of the ceramic plate 10 by a brazing material layer (not shown).
  • a recessed portion as shown in FIGS. 2 to 5 is formed in the metal plate 20, and the metal plate 20 is bonded to the ceramic plate 10 with a brazing material layer as shown in FIGS. 3 to 5.
  • concentration of stress caused by heat cycles on the circuit board 101 can be alleviated. Therefore, the power module 300 has excellent durability against heat cycles and is excellent in reliability.
  • a recess 22 similar to that of the metal plate 20 is also formed in the metal plate 21, and the metal plate 21 may be joined to the ceramic plate 10 with a brazing material layer as shown in FIGS. 3 to 5.
  • a method for manufacturing a circuit board includes a preparation step of preparing one or more metal plates each having a recess formed along the outer edge of one main surface, and applying a brazing material to the main surface of the ceramic plate.
  • a coating and drying process in which one or more coating layers are formed by coating and drying, and lamination in which a ceramic plate and one or more metal plates are laminated with one or more coating layers sandwiched therebetween to produce a laminate. and a joining step of heating the laminate to obtain a joined body in which a ceramic plate and one or more metal plates are joined with one or more brazing metal layers.
  • the metal plate may contain Cu or a Cu alloy, and may be a copper plate.
  • the recessed portion can be formed, for example, by machining using a machining center.
  • the size of the recess, ie width X and height Z, may be as described above.
  • the recess may be formed in a part of the outer edge of the main surface of the metal plate, or may be formed by cutting the outer edge of the main surface of the metal plate over the entire circumference.
  • the ceramic plate used in the coating and drying process can be produced, for example, by the following procedure.
  • a green sheet is produced by molding a slurry containing an inorganic compound powder, a binder resin, a sintering aid, a plasticizer, a dispersant, a solvent, and the like.
  • inorganic compounds include aluminum nitride (AlN), silicon nitride (Si 3 N 4 ), silicon carbide, and aluminum oxide.
  • Sintering aids include rare earth metals, alkaline earth metals, metal oxides, fluorides, chlorides, nitrates, sulfates, and the like. These may be used alone or in combination of two or more.
  • binder resins include methyl cellulose, ethyl cellulose, polyvinyl alcohol, polyvinyl butyral, and (meth)acrylic resins.
  • plasticizers include purified glycerin, glycerin triolate, diethylene glycol, phthalic acid plasticizers such as di-n-butyl phthalate, and dibasic acid plasticizers such as di-2-ethylhexyl sebacate.
  • dispersants include poly(meth)acrylates and (meth)acrylic acid-maleate copolymers.
  • solvents include organic solvents such as ethanol and toluene.
  • Examples of methods for forming green sheets include a doctor blade method and an extrusion method.
  • the green sheet obtained by molding is degreased and fired.
  • Degreasing may be performed, for example, by heating at 400 to 800°C for 0.5 to 20 hours. Thereby, the amount of residual organic matter (carbon) can be reduced while suppressing oxidation and deterioration of inorganic compounds.
  • Sintering is performed by heating to 1700 to 1900° C. in an atmosphere of non-oxidizing gas such as nitrogen, argon, ammonia, or hydrogen. In this way, for example, a ceramic plate 10 can be obtained. If necessary, the ceramic plate may be laser-processed to cut the edges or provide scribe lines.
  • the above degreasing and sintering may be performed with a plurality of stacked green sheets.
  • a release layer made of a release agent may be provided between the green sheets in order to facilitate separation of the base materials after firing.
  • the mold release agent for example, boron nitride (BN) can be used.
  • the release layer may be formed, for example, by applying a slurry of boron nitride powder by spraying, brushing, roll coating, screen printing, or the like.
  • the number of green sheets to be laminated may be, for example, 8 to 100, or 30 to 70, from the viewpoint of efficient mass production of ceramic plates and sufficient degreasing.
  • a partition line may be formed on the one main surface.
  • a scribe line may be provided as a partition line by irradiating the main surface of the ceramic plate with a laser beam.
  • the laser beam irradiated onto the main surface of the ceramic include a carbon dioxide laser and a YAG laser.
  • the brazing filler metal may contain Ag in the form of a single metal or a metal compound (alloy), and in addition to Ag, it may contain one or more metals selected from the group consisting of Cu, Sn, and active metals. It's fine. Two or more metals may be an alloy.
  • the active metal may include one or more selected from the group consisting of Ti, Hf, Zr, and Nb.
  • the brazing filler metal may contain 93 parts by mass or more, 95 parts by mass or more, and 97 parts by mass or more of Ag based on 100 parts by mass of Ag and Cu in total. By making the ratio of Ag to Cu sufficiently high in this manner, the timing of melting of the brazing material can be delayed when the temperature of the laminate is increased in the bonding process.
  • the brazing filler metal does not need to contain Cu.
  • the content of active metal in the brazing material may be 0.5 to 8 parts by mass based on 100 parts by mass of Ag and Cu in total.
  • the content of the active metal may be 0.5 to 8 parts by mass based on 100 parts by mass of Ag and Cu in total.
  • the active metal contained in the brazing filler metal may be contained as a nitride, oxide, carbide, or hydride.
  • the brazing material may include titanium nitride and/or titanium hydride ( TiH2 ). This makes it possible to sufficiently increase the bonding strength between the ceramic plate and the metal plate.
  • TiH 2 titanium nitride and/or titanium hydride
  • the content of TiH 2 may be, for example, 1 to 8 parts by weight based on 100 parts by weight of Ag and Cu in total.
  • the content of Sn in the brazing filler metal may be 0.5 to 5 parts by mass based on 100 parts by mass of Ag and Cu in total.
  • the tin content may be 0.5 to 5 parts by mass based on 100 parts by mass of Ag and Cu in total.
  • the brazing material may contain an organic solvent, a binder, and the like.
  • the viscosity of the brazing filler metal may be, for example, 5 to 20 Pa ⁇ s.
  • the organic solvent content in the brazing filler metal may be, for example, 5 to 25% by mass, and the binder content may be, for example, 2 to 15% by mass.
  • the main surface 10A of the ceramic board 10 is coated with a roll coater method, a screen coating, etc.
  • the coating layer 38 is provided by applying a brazing material by a method such as a printing method or a transfer method.
  • the coating layer 38 may be provided at a position where the metal plate 20 is joined.
  • the area of the coating layer 38 may be made larger than the area of the metal plate so that the coating layer 38 protrudes from the outer edge of the main surface of the metal plate.
  • the number of coating layers 38 may be the same as the number of metal plates bonded to the ceramic plate.
  • the coating layer 38 may be provided on the main surface 10B as well as on the main surface 10A.
  • FIG. 8 shows a part of a cross section when the ceramic plate 10 provided with the coating layer 38 is cut along the thickness direction.
  • the coating layer 38 is thicker at the ends than at the center. That is, the coating layer 38 has a thinly coated portion 37 at the center and a thickly coated portion 36 at the ends. Further, the coating layer 38 has a protruding portion 39 extending outward from the side surface 20C of the metal plate 20 along the main surface 10A of the ceramic plate 10 at the end. As described above, since the coating layer 38 has the protruding portion 39 at the end, the area in plan view is larger than the area of the metal plate 20. The protruding portion 39 also constitutes a part of the thick coating portion 36. Thereby, the recess 22 can be more smoothly filled with the brazing material. Although one coating layer 38 is shown in FIG. 8, other coating layers 38 may have a similar shape.
  • the thick coating portion 36 of the coating layer 38 has a width Y.
  • the thickly coated portion 36 is formed to face the recess 22 of the metal plate 20 that is aligned with the coated layer 38 .
  • the coating layer may be formed such that the width Y of the thickly coated portion 36 at the end of the coating layer 38 is larger than the width X of the recess 22 of the metal plate 20 .
  • the width Y may be, for example, 0.02 mm or more, 0.05 mm or more, 0.2 mm or more, or 1 mm or more.
  • the upper limit of the width Y is, for example, 10 mm.
  • the difference H in thickness between the thickly coated portion 36 and the thinly coated portion 37 may be lower than the height Z of the recessed portion. Thereby, it is possible to sufficiently suppress the brazing filler metal from creeping up to the side surface 20C and the main surface 20A.
  • the thickness difference H may be 0.005 mm or more, or 0.010 mm or more. Thereby, the distance L in FIGS. 4 and 5 can be made sufficiently large.
  • the thickness difference H may be 0.1 mm or less, and may be 0.05 mm or less.
  • the width Y and the difference H in thickness may be changed depending on the width X and height Z of the recess 22. If the width Y and the thickness difference H are increased, the distance L in FIGS. 4 and 5 tends to become longer.
  • the protruding portion 39 has a width W.
  • the width W is measured along the main surface 10A with reference to a virtual perpendicular line VL drawn toward the coating layer 38 from the side surface 20C of the metal plate 20 aligned with the coating layer 38 as shown in FIG. This is the length of the protruding portion 39.
  • the width W of the protruding portion 39 may be 0.01 mm or more, or may be 0.015 mm or more.Thereby, the distance L in FIGS. 4 and 5 can be made sufficiently large. Thereby, the recess 22 can be sufficiently filled with the brazing material.
  • the width W may be 0.4 mm or less, or may be 0.2 mm or less. This can prevent the distance L in FIGS. 4 and 5 from becoming excessively large.
  • the width W may be changed depending on the width X and height Z of the recess 22. In some modifications, the protruding portion 39 may not be provided, and the area of the metal plate 20 and the area of the coating layer 38 in plan view
  • the bonding state can be further improved. For example, by setting the width W to 0.1 mm or less and the width Y to 1.5 mm or more, cracks that occur during a heat cycle test can be sufficiently reduced. Specifically, the area ratio of cracks measured by the method described in Examples can be reduced to 0.5% or less.
  • the ceramic plate 10 and the metal plate 20 are laminated with the coating layer 38 sandwiched therebetween to produce a laminate.
  • the main surface 20B on which the recess 22 is formed and the main surface 10A of the ceramic plate 10 are stacked so as to face each other.
  • a coating layer 38 is similarly formed on the main surface 10B of the ceramic plate 10, and the layers are laminated so that the main surface 20B on which the recess 22 is formed faces the main surface 10B of the ceramic board 10.
  • each of the plurality of metal plates 20 is independent for each partition area 50 defined by partition lines L1 and L2 on the main surface 10A of the ceramic plate 10.
  • the obtained laminate is heated in a heating furnace to obtain a joined body in which the ceramic plate and the metal plate are joined with a brazing material layer.
  • the heating temperature may be, for example, 700 to 900°C.
  • the atmosphere in the furnace may be an inert gas such as nitrogen, and the reaction may be performed under reduced pressure below atmospheric pressure or under vacuum.
  • the heating furnace may be of a continuous type that continuously manufactures a plurality of joined bodies, or may be one that manufactures one or more joined bodies in a batch manner. Heating may be performed while pressing the joined body in the stacking direction of the laminate.
  • the brazing material contained in the coating layer flows and reacts with the metal plate, forming a brazing material layer.
  • the brazing material layer may include a reaction product between the brazing material and a metal component contained in the metal plate.
  • the thus obtained bonded body may have a structure similar to the circuit board shown in FIGS. 1 to 4, or may have a structure similar to the circuit board shown in FIG. .
  • surface treatment such as forming a plating film on the metal plate is performed.
  • cutting or the like may be performed to adjust the shape of the brazing material layer. In this way, a circuit board can be manufactured.
  • a dividing step may be performed in which the aggregate substrate is divided into individual pieces. .
  • the collective board can be divided along the division lines L1 and L2 to obtain a plurality of circuit boards.
  • a joined body can be obtained by joining a plurality of metal plates that have been previously processed to a predetermined size.
  • a circuit board that has excellent durability against heat cycles and suppresses creeping can be efficiently manufactured without performing a resist printing process and a metal plate etching process. be able to.
  • the circuit board obtained by such a manufacturing method can reduce manufacturing costs and has excellent appearance and connection reliability with external circuits such as semiconductor elements.
  • a power module may be manufactured using the circuit board obtained in this way.
  • a power module can be manufactured by mounting a semiconductor element on a circuit board using solder and wire bonding, etc., housing the circuit board and semiconductor element in a housing space of a housing, and then sealing it with resin. .
  • a plurality of metal plates are provided on each of the pair of main surfaces of the ceramic plate, but the present invention is not limited thereto.
  • one or more metal plates may be provided on only one main surface of the ceramic plate.
  • the structure and shape of the brazing material layer and the metal plate provided on each of the pair of main surfaces of the ceramic plate may be different from each other.
  • one metal plate may be provided on each of the pair of main surfaces of the ceramic plate.
  • the recess does not need to be provided so as to surround the main surface.
  • the brazing material layer 30 had the skirt portion 34 and the skirt portion 34a at the end portions, respectively, but the present invention is not limited thereto.
  • the end portion of the brazing material layer 30 may form a step-like step. In this case, in a cross section as shown in FIG. 4, the end portion of the brazing material layer 30 may rise substantially parallel to the virtual perpendicular line VP.
  • a circuit board comprising a ceramic plate, a metal plate, and a brazing material layer that joins the main surface of the ceramic plate and the main surface of the metal plate, A recess is formed in the metal plate along at least a part of the outer edge of the main surface of the metal plate, When viewed in a cross section perpendicular to the edge of the recess on the side surface of the metal plate and along the thickness direction of the metal plate, an imaginary perpendicular line extending from the edge toward the main surface of the ceramic plate; A circuit board, wherein an outer edge of a contact surface between the ceramic plate and the brazing material layer is further away from the recess than an intersection with the main surface of the ceramic plate.
  • the distance L between the intersection of the virtual perpendicular and the main surface of the ceramic plate and the outer edge of the contact surface is greater than 0 and less than or equal to 0.3 mm.
  • the brazing material layer has a skirt portion that widens away from the recess as it approaches the main surface of the ceramic plate. circuit board.
  • the sloped surface forming the outline of the skirt portion extends from the edge or the side surface of the metal plate to the main surface of the ceramic plate when viewed in cross section. circuit board.
  • the wall surface of the metal plate constituting the recess includes an opposing surface that faces the main surface of the ceramic plate, and at least a portion of the opposing surface is covered with the brazing material layer. ] to [4].
  • the brazing material layer fills the entire recess, and the virtual perpendicular line extends from the edge to the main surface of the ceramic plate inside the brazing material layer, [1] to [5] A circuit board as described in any one of the following.
  • the ceramic plate, a plurality of metal plates, and a plurality of brazing filler metal layers bonding the main surface of the ceramic plate and each of the main surfaces of the plurality of metal plates, the plurality of metal plates include the metal plate in which the recess is formed; When viewed in a cross section perpendicular to the edge of the recess on the side surface of the metal plate and along the thickness direction of the metal plate, an imaginary perpendicular line extending from the edge toward the main surface of the ceramic plate; According to any one of [1] to [8], the outer edge of the contact surface between the ceramic plate and the brazing material layer is further away from the recess than the intersection with the main surface of the ceramic plate.
  • the ceramic plate and the one or more metal plates are laminated so that the one main surface of the one or more metal plates and the main surface of the ceramic plate face each other, When viewed in a cross section of the joined body along the thickness direction of the metal plate and perpendicular to the edge of the recess on the side surface of the metal plate in which the recess is formed, Manufacturing a circuit board, wherein the outer edge of the contact surface
  • the metal plate contains Cu
  • Method. [12] In the coating and drying step, the brazing filler metal is coated on the main surface of the ceramic plate so that the thickness of the one or more coating layers is greater at the ends than at the center; 10] or the method for manufacturing a circuit board according to [11].
  • the width Y of the thickly coated portion of the coating layer at the end portion, which is thicker than the coating layer at the center portion, is larger than the width X of the recessed portion.
  • a plurality of metal plates in which the recesses are formed are prepared,
  • the laminated body is produced by laminating the plurality of metal plates so that each of the plurality of metal plates is independent for each division area defined by the division line on the main surface of the ceramic plate. death,
  • circuit board according to any one of [1] to [9] above, or the circuit board obtained by the manufacturing method according to any one of [10] to [14] above, and the circuit A power module comprising: a semiconductor element electrically connected to the metal plate of a substrate.
  • a brazing filler metal containing Ag, Sn, and TiH 2 was prepared.
  • This brazing filler metal contained 100 parts by mass of Ag based on a total of 100 parts by mass of Ag and Cu. That is, a brazing filler metal that does not contain Cu was used.
  • This brazing filler metal contained 3 parts by mass of Sn and 3.5 parts by mass of TiH 2 based on 100 parts by mass of Ag.
  • the main surface of the ceramic plate was divided into 24 divided areas by scribe lines.
  • a brazing material was applied to each section by screen printing (mesh number: 150) and dried to form a coating layer.
  • the coating area of the coating layer was the same as the area of the main surface of the copper plate to be bonded to the ceramic plate.
  • the coating layer had a thinly coated part and a thickly coated part as shown in FIG.
  • the width Y of the thickly coated portion, the width W of the protruding portion, and the difference H in thickness between the thickly coated portion and the thinly coated portion were as shown in Table 1. Note that the thickness of the lightly coated portion was 0.015 mm.
  • a copper plate was laminated on the ceramic plate so that the coating layer and the main surface of the copper plate were in contact with each other. In this way, a total of 24 copper plates were laminated on one main surface of the ceramic plate so as to be independent for each divided area.
  • Example 2 The procedure was the same as in Example 1, except that the amount of cutting of the outer edge of one main surface of the copper plate by machining using a machining center was changed, and the height Z of the recess in the copper plate was changed as shown in Table 1.
  • a circuit board was fabricated using the following steps.
  • Example 6 A circuit board was prepared in the same manner as in Example 2, except that at least one of the width Y of the thickly coated part in the coating layer, the width W of the protruding part, and the composition of the brazing material was changed as shown in Table 1. was created.
  • Example 2 was carried out in the same manner as in Example 2, except that the width Y of the thickly coated part in the coating layer, the heating temperature of the laminate during bonding (bonding temperature), and the composition of the brazing filler metal were changed as shown in Table 1. A circuit board was created.
  • Comparative example 2 A circuit board was produced in the same manner as Comparative Example 1, except that the composition of the brazing filler metal and the bonding temperature during bonding were changed as shown in Table 1.
  • circuit board ⁇ Cross-sectional shape of brazing metal layer>
  • the circuit boards of each Example and each Comparative Example were cut and cross-sectional observations were made. Specifically, the circuit board was cut perpendicular to the edge of the recess on the side surface of the metal plate and along the thickness direction of the copper plate to obtain a cross section as shown in FIG. 4 or 5.
  • FIG. 9(A), FIG. 10(A), FIG. 11(A), and FIG. 12(A) are SEMs showing cross sections of the circuit boards of Example 3, Example 4, Example 5, and Comparative Example 2, respectively. It's a photo. In this way, each cross section was observed by SEM (magnification: 200 times) to confirm the shape of the brazing material layer in the recess.
  • the entire recess is filled with the brazing material layer 30, and a skirt portion 34 that widens away from the recess as it approaches the main surface of the ceramic plate 10 is "A".
  • a portion of the wall surface (opposing surface) of the metal plate forming the recess is covered with a brazing material layer, and a portion of the skirt portion 34 is covered with a brazing material layer.
  • a case in which the material entered the inside of the recess was evaluated as "B". In FIG.
  • partial discharge charge amount measurement was performed after the heat cycle test. Specifically, the circuit board after the heat cycle test was boosted to 4.5 kV at a boost rate of 0.3 kV/s in insulating oil, and the amount of partial discharge charge at that time was measured.
  • a partial discharge measuring machine (device name: TTP15) manufactured by Mess & Prufsysteme GmbH was used. When the partial discharge charge amount was less than 10 pC, it was evaluated as "A”, and when it was 10 pC or more, it was evaluated as "B”. The results were as shown in Table 2.
  • SAT Ultrasonic testing
  • FIG. 9(B), FIG. 10(B), FIG. 11(B), and FIG. 12(B) are ultrasonic flaw detection tests of circuit boards of Example 3, Example 4, Example 5, and Comparative Example 2, respectively. This is a photograph showing the results. From these photographs, it was confirmed that the circuit boards of Examples 3 to 5 had fewer voids at the peripheral edge than the circuit board of Comparative Example 2.

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Abstract

セラミック板と、金属板と、セラミック板の主面と金属板の主面とを接合するろう材層と、を備える回路基板であって、金属板の主面の外縁の少なくとも一部に沿って金属板に凹部が形成されており、金属板の側面における凹部の端縁に直交し、金属板の厚さ方向に沿う断面で見たときに、端縁からセラミック板の主面に向かって延びる仮想垂線とセラミック板の主面との交点よりも、セラミック板とろう材層との接触面の外縁の方が凹部から離れている、回路基板を提供する。

Description

回路基板及びその製造方法、並びにパワーモジュール
　本開示は、回路基板及びその製造方法、並びにパワーモジュールに関する。
　ロボット及びモータ等の産業機器の高性能化に伴い、大電流及び高電圧を制御するパワーモジュールが使用されている。このようなパワーモジュールに備えられる回路基板は、セラミック板と銅板と備えており、これらは活性金属を含有するろう材を介して接合される。このような回路基板を形成する際に、ろう材が銅板の表面に染み出して銅板の側面を伝って這い上がる現象が生じる。このような現象が生じると、外観を損なうだけではなく、例えば半導体素子を接合する際に用いるはんだ材のぬれ製の悪化につながることも懸念される。
　特許文献１では、ろう材の這い上がりを抑制するため、金属板の側面に表面粗さの大きい粗部を設けることが提案されている。特許文献２では、這い上がり現象によるシミの発生を抑制するため、半導体素子が搭載される搭載予定面を囲むように回路層にリブを設ける技術が提案されている。特許文献３では、金属板のうち、バリが生じている側の表面をセラミック板の一方の面に重ねるようにして積層してろう付けすることが提案されている。このような技術によって、ろう材の這い上がりによって生じるシミの問題を解決することが試みられている。
国際公開第２０１９／１６３９４１号 特開２０２０－１５５４４４号公報 特開２０１６－３９１６３号公報
　多数個取り回路基板の製造方法としては、エッチング法が知られている。エッチング法では、金属板を所定のサイズに加工するためにレジスト印刷及びエッチングの工程が必要となる。一方、予め所定のサイズに加工された金属板を接合する搭載法であれば、このような工程が不要となり、生産効率を向上することができる。このような搭載法の場合、金属板の端部とセラミック板との接合信頼性を確保するために、ろう材の塗布量を増やすとろう材の這い上がりが生じやすくなる。
　ろう材の這い上がりを抑制する技術として、金属板のセラミック板側の主面の外縁に沿って凹部を設けることが考えられる。ところが、このような凹部を設けると、金属板とセラミック板の接合面積が小さくなり、ヒートサイクル時に応力が集中してセラミック板にクラックが生じることが懸念される。そこで、本開示は、ヒートサイクルに対して優れた耐久性を有する回路基板及びその製造方法を提供する。また、本開示は、そのような回路基板を備えるパワーモジュールを提供する。
　本開示の一側面に係る回路基板は、セラミック板と、金属板と、セラミック板の主面と金属板の主面とを接合するろう材層と、を備える回路基板であって、金属板の主面の外縁の少なくとも一部に沿って金属板に凹部が形成されており、金属板の側面における凹部の端縁に直交し、金属板の厚さ方向に沿う断面で見たときに、上記端縁からセラミック板の主面に向かって延びる仮想垂線とセラミック板の主面との交点よりも、セラミック板とろう材層との接触面の外縁の方が凹部から離れている、回路基板を提供する。
　上記回路基板では、金属板の主面の外縁の少なくとも一部に沿って金属板に凹部が形成されているため、ろう材が、金属板の側面を這い上がり、金属板のセラミック板側とは反対側の主面にろう材が到達することを十分に抑制できる。そして、上記回路基板を上記断面で見たときに、凹部の端縁からセラミック板の主面に向かって延びる仮想垂線とセラミック板との交点よりも、セラミック板とろう材層との接触面の外縁の方が凹部から離れている。これによって、金属板に凹部が形成されつつも、ろう材層とセラミック板との接触面積を大きくすることができる。このような回路基板は、ヒートサイクルによって生じる応力の集中を緩和することが可能となり、ヒートサイクルに対して優れた耐久性を有する。また、金属板とセラミック板との接合信頼性にも優れる。
　上記断面で見たときに、上記仮想垂線とセラミック板の主面との交点と、上記接触面の外縁と、の間の距離Ｌは、０を超え且つ０．３ｍｍ以下であってよい。これによって、例えば、半導体素子等の外部回路と回路基板との接続信頼性を向上することができる。
　上記断面で見たときに、ろう材層は、セラミック板の主面に近づくにつれて、凹部から離れるように拡がるスカート部を有してよい。このようなスカート部を有するろう材層は、ヒートサイクルによって生じる応力の集中を一層緩和することができる。したがって、ヒートサイクルに対する耐久性を一層向上することができる。また、このようなスカート部を有することによって、ろう材の這い上がりを一層抑制することができる。
　上記断面で見たときに、スカート部の輪郭をなす傾斜面は、凹部の端縁又は金属板の側面からセラミック板の主面まで延びていてもよい。このような回路基板は、セラミック板と金属板との接合信頼性を十分に高くすることができる。
　上記凹部を構成する金属板の壁面は、セラミック板の主面と対向する対向面を含み、当該対向面の少なくとも一部がろう材層で覆われていてもよい。このような回路基板も、ヒートサイクルによって生じる応力の集中を十分に緩和することができる。したがって、ヒートサイクルに対する耐久性に十分に優れる。また、凹部を構成する金属板の壁面がこのような対向面を有することによって、ろう材の這い上がりを十分に抑制することができる。
　ろう材層は凹部の全体に充填されており、仮想垂線はろう材層の内部において凹部の端縁からセラミック板の主面まで延びてよい。このような回路基板は、凹部を構成する壁面とセラミック板とがろう材層によって固定される。これによって、金属板とセラミック板との接続信頼性を十分に高くすることができる。
　上記金属板における凹部は、金属板の主面の外縁の全周にわたって形成されていてよい。これによって、ろう材層から金属板の側面及びセラミック板側とは反対側の主面にろう材が這い上がることを十分に抑制することができる。
　上記断面で見たときに、凹部の幅Ｘは０．０５ｍｍ以上であってよく、凹部の高さＺは０．０５ｍｍ以上であってよい。凹部がこのようなサイズを有することによって、ろう材の這い上がりを一層抑制することができる。
　上記回路基板は、セラミック板と、複数の金属板と、セラミック板の主面と複数の金属板の主面のそれぞれとを接合する複数のろう材層と、を備え、複数の金属板が、凹部が形成されている金属板を含み、金属板の側面における凹部の端縁に直交し、金属板の厚さ方向に沿う断面で見たときに、端縁からセラミック板の主面に向かって延びる仮想垂線とセラミック板の主面との交点よりも、セラミック板とろう材層との接触面の外縁の方が凹部から離れている。
　上記回路基板では、少なくとも一つの金属板の主面の外縁に沿って金属板に凹部が形成されているため、ろう材が、当該金属板の側面を這い上がり、金属板のセラミック板側とは反対側の主面にろう材が到達することを十分に抑制できる。また、このような凹部を有しつつ、ろう材層とセラミック板との接触面積を大きくすることができる。このような回路基板は、ヒートサイクルによって生じる応力の集中を緩和することが可能となり、ヒートサイクルに対して優れた耐久性を有する。また、金属板とセラミック板との接合信頼性にも優れる。なお、複数の金属板のそれぞれは、セラミック板の主面における区画線で画定される区画領域毎に独立して設けられてよい。このような回路基板は、多数個取り回路基板であってよい。このような多数個取り回路基板を分割すれば、複数の個片化基板（分割基板）を纏めて製造することができる。このような回路基板は、生産効率に優れる。
　本開示の一側面に係る回路基板の製造方法は、一方の主面の外縁の少なくとも一部に沿って凹部が形成されている一つ又は複数の金属板を準備する準備工程と、セラミック板の主面にろう材を塗布及び乾燥して一つ又は複数の塗布層を設ける塗布乾燥工程と、一つ又は複数の塗布層を挟むようにしてセラミック板と一つ又は複数の金属板とを積層して積層体を作製する積層工程と、積層体を加熱してセラミック板と一つ又は複数の金属板とが一つ又は複数のろう材層で接合された接合体を得る接合工程と、を有し、積層工程では、一つ又は複数の金属板の一方の主面とセラミック板の主面とが対向するようにセラミック板と一つ又は複数の金属板とを積層し、凹部が形成されている金属板の側面における凹部の端縁に直交し、金属板の厚さ方向に沿う上記接合体の断面で見たときに、端縁からセラミック板の主面に向かって延びる仮想垂線とセラミック板の主面との交点よりも、セラミック板とろう材層との接触面の外縁の方が凹部から離れている。
　上記製造方法では、積層工程で、一つ又は複数の金属板の主面のうち凹部が形成されている方の主面と金属板とが対向するようにセラミック板と一つ又は複数の金属板とを積層している。このようにして得られる積層体を用いて接合工程を行っているため、ろう材が金属板の側面を這い上がり、金属板のセラミック板側とは反対側の主面にろう材が到達することを十分に抑制できる。そして、上記接合体を上記断面で見たときに、凹部の端縁からセラミック板の主面に向かって延びる仮想垂線とセラミック板の主面との交点よりも、セラミック板とろう材層との接触面の外縁の方が凹部から離れている。これによって、凹部が形成された金属板を用いながらも、ろう材層とセラミック板との接触面積を大きくすることができる。このような接合体から得られる回路基板は、ヒートサイクルによって生じる応力の集中を緩和することが可能となり、ヒートサイクルに対して優れた耐久性を有する。
　上記製造方法において上記金属板はＣｕを含み、塗布乾燥工程でセラミック板の主面に塗布されるろう材は、Ａｇ及びＣｕの合計１００質量部に対してＡｇを９３質量部以上含んでよい。このようなろう材は、Ａｇの質量割合が９３質量部よりも小さいろう材に比べて、高い溶融温度を有する。このため、接合工程で積層体を昇温する際、ろう材の溶融のタイミングを遅くすることができる。したがって、ろう材の這い上がりを抑制することができる。また、ＡｇとＣｕは６９：３１の質量割合近辺に共晶点を有する。このため、溶融したろう材は、金属板に含まれるＣｕと円滑に反応して共晶合金を形成する。したがって、ろう材層とセラミック板との接触面積を十分に且つ円滑に大きくすることができる。この製造方法であれば、ヒートサイクルに対して優れた耐久性を有する回路基板を効率よく製造することができる。
　上記製造方法の塗布乾燥工程では、一つ又は複数の塗布層の中央部よりも端部の方の厚みが大きくなるように、セラミック板の主面にろう材を塗布してもよい。これによって、金属板に凹部が形成されていても、凹部近傍とセラミック板とをろう材層で強固に接合することができる。このような回路基板は、金属板とセラミック板との接合信頼性に十分に優れる。
　上記製造方法の塗布乾燥工程では、中央部における塗布層よりも大きい厚みを有する、上記端部における塗布層の厚塗り部の幅Ｙが、凹部の幅Ｘよりも大きくなるように塗布層を形成し、積層工程では、凹部と厚塗り部とが互いに接するように積層してよい。これによって、凹部が形成された金属板を用いながらも、ろう材層とセラミック板との接触面積を十分に大きくすることができる。このような接合体から得られる回路基板は、ヒートサイクルによって生じる応力の集中を一層緩和することが可能となり、ヒートサイクルに対して一層優れた耐久性を有する。
　上記製造方法の準備工程では凹部が形成されている複数の金属板を準備し、積層工程では、複数の金属板のそれぞれが、セラミック板の主面における区画線で画定される区画領域毎に独立するように複数の金属板を積層して積層体を作製し、接合工程の後に、接合体におけるセラミック板を区画線に沿って分割する分割工程を有してよい。
　このような接合工程で得られる接合体は、多数個取り回路基板ということもできる。分割工程において、このような多数個取り回路基板を分割すれば、複数の個片化基板（分割基板）を纏めて製造することができる。このような製造方法は、高い生産効率で回路基板（個片化基板）を製造することができる。
　本開示の一側面に係るパワーモジュールは、上述のいずれかの回路基板と、当該回路基板の金属板に電気的に接続される半導体素子と、を備える。このようなパワーモジュールは、上述のいずれかの回路基板を備えることから信頼性に優れる。
　ヒートサイクルに対して優れた耐久性を有する回路基板及びその製造方法を提供することができる。また、そのような回路基板を備えるパワーモジュールを提供することができる。
図１は、一実施形態に係る回路基板の斜視図である。 図２は、一実施形態に係る回路基板の平面図である。 図３は、図２の回路基板のＩＩＩ－ＩＩＩ線断面図である。 図４は、図３の断面の一部を拡大して示す断面図である。 図５は、変形例に係る回路基板の断面の一部を拡大して示す断面図である。 図６は、一実施形態に係るパワーモジュールの断面図である。 図７は、一実施形態に係る回路基板の製造方法において、塗布層が設けられたセラミック板の一例を示す斜視図である。 図８は、一実施形態に係る回路基板の製造方法における積層工程を説明するための断面図である。 図９（Ａ）は、実施例３の回路基板の厚さ方向に沿う断面を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の写真である。図９（Ｂ）は、実施例３の回路基板の超音波探傷検査の結果を示す写真である。 図１０（Ａ）は、実施例４の回路基板の厚さ方向に沿う断面を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の写真である。図１０（Ｂ）は、実施例４の回路基板の超音波探傷検査の結果を示す写真である。 図１１（Ａ）は、実施例５の回路基板の厚さ方向に沿う断面を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の写真である。図１１（Ｂ）は、実施例５の回路基板の超音波探傷検査の結果を示す写真である。 図１２（Ａ）は、比較例２の回路基板の厚さ方向に沿う断面を示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の写真である。図１２（Ｂ）は、比較例２の回路基板の超音波探傷検査の結果を示す写真である。
　以下、場合により図面を参照して、本開示の実施形態を説明する。ただし、以下の実施形態は、本開示を説明するための例示であり、本開示を以下の内容に限定する趣旨ではない。説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用い、場合により重複する説明は省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。更に、各要素の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。なお、「～」の記号で示される数値範囲は、下限値及び上限値を含む。すなわち、「ｘ～ｙ」で示される数値範囲は、ｘ以上且つｙ以下を意味する。各実施形態における各数値範囲の上限又は下限をいずれかの実施例の数値で置き換えた数値範囲も本開示に含まれる。
　一実施形態に係る回路基板は、セラミック板と、金属板と、セラミック板の主面と金属板の主面とを接合するろう材層と、を備える。一枚のセラミック板の一方の主面に接合される金属板は、一つであってもよいし、複数であってもよい。セラミック板の材質は特に制限されず、例えば、窒化物焼結体、炭化物焼結体、又は酸化物焼結体で構成されていてよい。具体的には、窒化ケイ素焼結体、窒化アルミニウム焼結体、酸化アルミニウム焼結体、及び炭化ケイ素焼結体等が挙げられる。セラミック板の板状であれば特に制限されない。セラミック板の厚みは、例えば０．２～２ｍｍであってよく、０．３２～１．１ｍｍであってもよい。
　金属板は、Ｃｕ又はＣｕと他の金属との合金を含んでいてよく、例えば銅板であってよい。金属板の形状は、セラミック板の主面に対向する主面の外縁の少なくとも一部に沿って凹部が形成されていれば特に制限されない。金属板の厚み（主面間の距離）は、例えば０．１～１．２ｍｍであってよく、０．２～１．０ｍｍであってもよい。金属板は表面にめっき膜を有していてもよい。凹部は屈曲した壁面によって構成されていてよい。すなわち、金属板は、凹部に入隅部を有してよい。この入隅部は、凹部の端縁と平行に延びていてよい。金属板がこのような凹部を備えることによって、ろう材が金属板の側面を這い上がることを十分に抑制することができる。
　ろう材層は、Ａｇを含んでよく、Ａｇ及びＣｕを含んでもよい。さらに、Ｓｎ、及び活性金属からなる群より選ばれる一種又は二種以上の金属を含有してよい。二種以上の金属は合金となっていてもよい。活性金属は、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、及びＮｂからなる群より選ばれる一種又は二種以上を含んでいてよい。ろう材層に含まれるＡｇ及びＣｕは、例えばＡｇ－Ｃｕ共晶合金等の合金としてろう材層に含まれていてもよい。ろう材層におけるＡｇの含有量は、６５～９５質量％であってよく、７０～９５質量％であってもよい。ろう材層におけるＡｇ及びＣｕの合計含有量は、６５～１００質量％であってよく、７０～９９質量％であってよく、９０～９８質量％であってよく、９５～９８質量％であってもよい。これによって、ろう材層における残留応力を十分に低減しつつ、ろう材層の緻密性を向上することができる。
　ろう材層における活性金属の含有量は、Ａｇ及びＣｕの合計１００質量部に対して、０．５～８質量部であってよい。活性金属の含有量を０．５質量部以上とすることで、セラミック板とろう材層との接合性を向上することができる。一方、活性金属の含有量を８質量部以下とすることで、接合界面に脆弱な合金層が形成されることを抑制できる。
　ろう材層に含有される上記金属は、窒化物、酸化物、炭化物又は水素化物として含まれていてもよい。一例として、ろう材層は、窒化チタン及び／又は水素化チタン（ＴｉＨ２）を含んでいてよい。これによって、セラミック板と金属板との接合強度を十分に高くすることができる。ＡｇとＣｕの合計１００質量部に対するＴｉＨ２の含有量は例えば１～８質量部であってよい。
　図１は、本実施形態に係る回路基板の一例を示す斜視図である。図２は、図１の回路基板の平面図であり、図３は、図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線断面図である。図１、図２及び図３に示すように、回路基板１００は、セラミック板１０と、セラミック板１０の主面１０Ａ及び主面１０Ｂ上に複数の金属板２０と、を備える。
　セラミック板１０は、平板形状を有する。セラミック板１０は主面１０Ａにおける区画線によって複数に区画されている。主面１０Ａには、区画線として、第１の方向に沿って延在し且つ等間隔で並ぶ複数の区画線Ｌ１と、第１の方向に直交する第２の方向に沿って延在し且つ等間隔で並ぶ複数の区画線Ｌ２と、が設けられている。区画線Ｌ１と区画線Ｌ２とは互いに直交している。
　区画線Ｌ１，Ｌ２は、例えば、複数の凹みが直線状に並んで構成されていてもよいし、線状に溝が形成されていてもよい。具体的には、レーザー光で形成されるスクライブラインであってよい。レーザー源としては、例えば、炭酸ガスレーザー及びＹＡＧレーザー等が挙げられる。このようなレーザー源からレーザー光を間欠的に照射することによってスクライブラインを形成することができる。なお、区画線Ｌ１，Ｌ２は、等間隔で並んでいなくてもよく、また、直交するものに限定されない。また、区画線Ｌ１，Ｌ２は、直線状ではなく、曲線状であってもよいし、折れ曲がっていてもよい。
　セラミック板１０は、区画線Ｌ１及び区画線Ｌ２によって画定される複数の区画領域５０を有する。複数の区画領域５０のそれぞれに、金属板２０が設けられている。複数の金属板２０は、それぞれ互いに独立している。回路基板１００は、集合基板とも称されるものであり、区画線Ｌ１，Ｌ２に沿って分割することができる。分割することによって複数の回路基板（個片化基板）を得ることができる。このように分割して得られる個片化基板も、本実施形態の回路基板の一例である。
　金属板２０の一方の主面２０Ａは外部に露出している。金属板２０の他方の主面２０Ｂとセラミック板１０の主面１０Ａ（主面１０Ｂ）は、ろう材層３０によって接合されている。金属板２０の主面２０Ｂ（ろう材層３０との接合面）の外縁に沿って、金属板２０には凹部２２が形成されている。このような凹部２２が形成された金属板２０は、主面２０Ｂの外側が階段状になるように切り欠かれたものであってよい。図３に示されるように、凹部２２は、金属板２０の主面２０Ｂにおける外縁の全周にわたって形成されている。すなわち、主面２０Ｂの外縁は凹部２２で形成されている。ただし、凹部２２を主面２０Ｂの外縁の全周にわたって設けることは必須ではない。変形例では、金属板２０の上に半導体素子が搭載される際に半田付けがなされる部分の近傍のみに、凹部２２を設けてもよい。また、一つ又は複数の金属板２０の一部のみに凹部２２を設けてもよい。例えば、パワーモジュールの放熱板となる金属板２０には凹部２２を設けなくてもよい。セラミック板１０の主面１０Ａ及び主面１０Ｂ上に設けられる金属板２０は、それぞれ互いに異なる形状を有していてもよい。
　図４は、図３に示す回路基板１００の断面の一部を拡大して示している。図３及び図４は、ともに、側面２０Ｃにおける凹部２２の端縁２７（上端縁）に直交し、金属板２０の厚さ方向に沿う断面を示している。この断面は、凹部２２の端縁２７の延在方向に直交し、且つ金属板２０及びセラミック板１０の厚さ方向に沿って回路基板１００を切断することによって得ることができる。このような断面で見たときに、凹部２２の幅Ｘは０．０５ｍｍ以上であってよく、０．１ｍｍ以上であってもよい。このように、幅Ｘが大きくなると、ろう材層３０から金属板２０の側面２０Ｃまでの距離が長くなる。したがって、金属板２０の側面２０Ｃ及び主面２０Ａへのろう材の這い上がりを一層抑制することができる。
　一方、幅Ｘが大きくなり過ぎると、金属板２０とセラミック板１０との接合部が小さくなる傾向にある。また、回路基板を用いてパワーモジュールを作製したときに、凹部２２に樹脂が充填され難くなる傾向にある。このため、幅Ｘは、１０ｍｍ以下であってよく、５ｍｍ以下であってよく、３ｍｍ以下であってよく、１ｍｍ以下であってよく、０．５ｍｍ以下であってもよい。幅Ｘと同じ方向に沿って測定される金属板２０の主面２０Ａの長さに対する幅Ｘの比は、０．０００５～０．５であってよく、０．００１～０．３であってもよい。主面２０Ａの長さは、例えば、５～１００ｍｍであってよく、１５～５０ｍｍであってもよい。
　上記断面で見たときに、凹部２２の高さＺは、０．０５ｍｍ以上であってよく、０．０７ｍｍ以上であってよく、０．１ｍｍ以上であってもよい。このように、高さＺが大きくなると、ろう材層３０から金属板２０の側面２０Ｃまでの距離が長くなる。したがって、金属板２０の側面２０Ｃ及び主面２０Ａへのろう材の這い上がりを一層抑制することができる。
　一方、高さＺが大きくなり過ぎると、回路基板１００を用いてパワーモジュールを作製したときに、凹部２２に樹脂が十分に充填されなくなる場合がある。このため、高さＺは、１．１ｍｍ以下であってよく、１．０ｍｍ以下であってよく、０．９ｍｍ以下であってよく、０．５ｍｍ以下であってもよい。金属板２０の厚みに対する高さＺの比は、０．０４～１．０であってよく、０．１～０．６であってもよい。
　ろう材の這い上がりの抑制しつつ、樹脂の充填を円滑にする観点から、幅Ｘに対する高さＺの比は、０．００１～２２であってよく、０．１～４であってよく、０．１５～３であってもよい。なお、幅Ｘは、図３及び図４に示す断面において、セラミック板１０の主面１０Ａ，主面１０Ｂに対して平行な方向に沿って測定される。高さＺは、図３及び図４に示す断面において、セラミック板１０の主面１０Ａ，主面１０Ｂに対して垂直な方向に沿って測定される。
　凹部２２を構成する金属板２０の壁面は、セラミック板１０の主面１０Ａ，主面１０Ｂと対向する対向面２４と、主面１０Ａ，主面１０Ｂに直交する立設面２３と、を含む。対向面２４と立設面２３との境界には、凹部２２の端縁２７と平行に入隅部２５が延在している。金属板２０は、凹部２２に対向面２４及び入隅部２５を有することによって、ろう材層３０からのろう材の這い上がりを一層抑制することができる。本例では、立設面２３が主面１０Ａ，主面１０Ｂに直交しているが、これに限定されない。例えば、対向面２４及び／又は立設面２３は、主面１０Ａ，主面１０Ｂに対して傾斜していてもよい。
　図４に示すような断面において、凹部２２が矩形である場合の幅Ｘ及び高さＺは図４に示すとおりである。一方、凹部２２を構成する壁面が傾斜していたり、湾曲したりしている場合、幅Ｘ及び高さＺは、凹部２２の最も凹んだ部分に基づいて測定される。すなわち、幅Ｘは、図４に示すような断面において、主面２０Ａと平行方向に測定される、仮想垂線ＶＰと凹部を構成する壁面との距離の最大値として求めることができる。また、高さＺは、図４に示すような断面において、主面１０Ａと直交する方向に測定される、主面１０Ａ（主面１０Ｂ）と凹部２２を形成する壁面（対向面２４）との距離の最大値として求めることができる。
　図４に示すように、凹部２２には、ろう材層３０の端部が充填されている。図４に示すような断面で見たときに、凹部２２の端縁２７からセラミック板１０の主面１０Ａ（１０Ｂ）に向かって延びる仮想垂線ＶＰとセラミック板１０の主面１０Ａ（１０Ｂ）との交点１２よりも、セラミック板１０の主面１０Ａ（１０Ｂ）とろう材層３０との接触面の外縁３５の方が凹部２２から離れている。これによって、凹部２２近傍におけるろう材層３０とセラミック板１０の主面１０Ａ（１０Ｂ）との接触面積を大きくすることができる。
　ヒートサイクル条件下では、セラミック板１０と金属板２０の熱膨張率の相違に起因して、交点１２付近には大きな応力が発生し、これがセラミック板１０にクラックが生じる要因となる。回路基板１００では、ろう材層３０とセラミック板１０の主面１０Ａ（１０Ｂ）との接触面積が大きいため、ヒートサイクルによって生じる応力が狭い領域に集中することを抑制できる。これによって、ヒートサイクルに対する耐久性を向上することができる。
　図４に示すような断面で見たときに、交点１２と外縁３５との間の距離Ｌは、０を超え且つ０．３ｍｍ以下であってよい。この距離Ｌの上限は、０．２ｍｍであってもよい。これによって、回路基板１００をパワーモジュール等に搭載したときに、ショート等の発生を十分に抑制することができる。距離Ｌの下限は、０．０１ｍｍであってよく、０．１ｍｍであってもよく、０．１５ｍｍであってよい。これによって、ヒートサイクルに対する耐久性を一層向上することができる。
　ろう材層３０は、凹部２２の外側に、セラミック板１０の主面１０Ａ（１０Ｂ）に近づくにつれて、凹部２２から離れるように拡がるスカート部３４を有する。スカート部３４の輪郭をなす傾斜面３４Ａは、端縁２７から主面１０Ａ（１０Ｂ）まで延びている。このようなスカート部３４を有することによって、ヒートサイクルによって生じる応力の集中を一層緩和することができる。したがって、ヒートサイクルに対する耐久性を一層向上することができる。また、セラミック板と金属板との接合信頼性を十分に高くすることができる。なお、図４に示す例では、傾斜面３４Ａが端縁２７から主面１０Ａ（１０Ｂ）にまで延びていたが、これに限定されない。変形例では、傾斜面３４Ａは、側面２０Ｃから主面１０Ａ（１０Ｂ）にまで延びていてもよい。別の変形例では、傾斜面３４Ａの傾斜角度は一定でなくてよく、傾斜角度の異なる複数の傾斜面が連なっていてもよいし、傾斜面３４Ａは湾曲していてもよい。
　ろう材層３０は、凹部２２を形成する金属板２０の壁面全体を覆い、凹部２２全体に充填されている。このため、端縁２７と交点１２とを結ぶ線分である仮想垂線ＶＰの全体が、ろう材層３０の内部を通っている。これによって、凹部２２を形成する対向面２４もセラミック板１０に固定される。したがって、金属板２０とセラミック板１０との接続信頼性を十分に高くすることができる。ただし、変形例では、凹部２２を形成する金属板２０の壁面の一部がろう材層３０に覆われずに外部に露出していてもよい。
　図５は、回路基板１００の変形例を示す断面図である。図５は、図４と同様に、側面２０Ｃにおける凹部２２の端縁２７（上端縁）に直交し、金属板２０の厚さ方向に沿う断面の一部を示している。この変形例では、凹部２２を形成する対向面２４の一部がろう材層３０に覆われており、スカート部３４ａの輪郭をなす傾斜面３４Ａが対向面２４から主面１０Ａ（１０Ｂ）まで延びている。このため、仮想垂線ＶＰの一部が、ろう材層３０の内部を通り、他部がろう材層３０の外部を通っている。このような変形例であっても、ヒートサイクルに対する耐久性を十分に高くすることができる。端縁２７がろう材層３０で覆われていないため、金属板２０の側面２０Ｃ及び主面２０Ａへのろう材の這い上がりを十分に抑制することができる。
　回路基板１００は、必要に応じて分割して個片化された後、例えば、パワーモジュールに搭載されてもよい。金属板２０は、電気信号を伝達する機能を有する回路板、又は熱を伝達する機能を有する放熱板として機能してよい。また、金属板２０は、熱を伝達する機能と、電気信号を伝達する機能を兼ね備えていてもよい。回路基板１００及びこれを分割して得られる個片化基板（回路基板）は、金属板２０に凹部が形成されつつも、ろう材層３０とセラミック板１０との接触面積を大きくすることができる。このような回路基板１００は、ヒートサイクルによって生じる応力の集中を緩和することが可能となり、ヒートサイクルに対して優れた耐久性を有する。したがって、ヒートサイクルに対して優れた耐久性を有することが求められるパワーモジュールに搭載される部品として好適である。
　一実施形態に係るパワーモジュールは、回路基板と、回路基板の金属板に電気的に接続される半導体素子と、を備える。回路基板は、上述の回路基板１００又はその変形例であってよいし、別の回路基板であってもよい。回路基板１００及びその変形例に関する説明内容は、本実施形態のパワーモジュールに適用される。このようなパワーモジュールは、信頼性に優れる。回路基板及び半導体素子は、樹脂によって封止されていてもよい。
　図６は、本実施形態に係るパワーモジュールの一例を示す断面図である。パワーモジュール３００は、ベース板７０と、ハンダ６２を介してベース板７０の一方面と接合される回路基板１０１とを備える。回路基板１０１の一方面側における金属板２１がハンダ６２を介してベース板７０と接合している。
　回路基板１０１の他方面側における金属板２０の少なくとも一つには、ハンダ６１を介して半導体素子６０が取り付けられている。半導体素子６０は、アルミワイヤ（アルミ線）等の金属ワイヤ６４で金属板２０の所定箇所に接続されている。このようにして、半導体素子６０と金属板２０とは電気的に接続されている。筐体６６の外部と金属板２０とを電気的に接続するため、金属板の一つである金属板２０ａは、ハンダ６５を介して筐体６６を貫通して設けられる電極６３に接続されている。
　ベース板７０の一方の主面上には、当該主面と一体になって回路基板１０１を収容する筐体６６が配置されている。ベース板７０の一方の主面と筐体６６とで形成される収容空間には樹脂８０が充填されている。樹脂８０は、回路基板１０１及び半導体素子６０を封止している。樹脂は、例えば、熱硬化型樹脂であってよく、光硬化型樹脂であってもよい。
　ベース板７０の他方の主面には、グリース７４を介して放熱部をなす冷却フィン７２が接合されている。ベース板７０の端部には冷却フィン７２をベース板７０に固定するネジ７３が取り付けられている。ベース板７０及び冷却フィン７２はアルミニウムで構成されていてもよい。ベース板７０及び冷却フィン７２は、高い熱伝導率を有することによって放熱部として良好に機能する。
　セラミック板１０によって、金属板２０と金属板２１は電気的に絶縁される。金属板２０（２０ａ）は電気回路を形成していてよい。金属板２０及び金属板２１は、ろう材層（不図示）によってセラミック板１０の主面１０Ａ及び主面１０Ｂにそれぞれ接合されている。金属板２０には、図２～図５に示すような凹部が形成され、金属板２０は、図３～図５に示すようなろう材層でセラミック板１０に接合されている。これによって、回路基板１０１においてヒートサイクルによって生じる応力の集中を緩和することができる。したがって、パワーモジュール３００は、ヒートサイクルに対して優れた耐久性を有しており、信頼性に優れる。金属板２１にも、金属板２０と同様の凹部２２が形成され、金属板２１は図３～図５に示すようなろう材層でセラミック板１０に接合されていてよい。
　一実施形態に係る回路基板の製造方法は、一方の主面の外縁に沿って凹部が形成されている一つ又は複数の金属板を準備する準備工程と、セラミック板の主面にろう材を塗布及び乾燥して一つ又は複数の塗布層を設ける塗布乾燥工程と、一つ又は複数の塗布層を挟むようにしてセラミック板と一つ又は複数の金属板とを積層して積層体を作製する積層工程と、積層体を加熱してセラミック板と一つ又は複数の金属板とが一つ又は複数のろう材層で接合された接合体を得る接合工程と、を有する。
　各工程の詳細について説明する。まず、一方の主面の外縁に沿って凹部が形成されている一つ又は複数の金属板を準備する。金属板は、Ｃｕ又はＣｕ合金を含んでいてよく、銅板であってもよい。凹部は、例えば、マシニングセンタを用いた機械加工で形成することができる。凹部のサイズ、すなわち幅Ｘ及び高さＺは上述したとおりであってよい。凹部は、金属板の主面の外縁の一部に形成してもよいし、金属板の主面の外縁を全周にわたって切削して形成してもよい。
　塗布乾燥工程で用いるセラミック板は、例えば以下の手順で作製できる。まず、無機化合物の粉末、バインダ樹脂、焼結助剤、可塑剤、分散剤、及び溶媒等を含むスラリーを成形してグリーンシートを作製する。無機化合物の例としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、炭化ケイ素、及び酸化アルミニウム等が挙げられる。焼結助剤としては、希土類金属、アルカリ土類金属、金属酸化物、フッ化物、塩化物、硝酸塩、及び硫酸塩等が挙げられる。これらは一種のみ用いてもよいし二種以上を併用してもよい。焼結助剤を用いることにより、無機化合物粉末の焼結を促進させることができる。バインダ樹脂の例としては、メチルセルロース、エチルセルロース、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、及び（メタ）アクリル系樹脂等が挙げられる。
　可塑剤の例としては、精製グリセリン、グリセリントリオレート、ジエチレングリコール、ジ－ｎ－ブチルフタレート等のフタル酸系可塑剤、セバシン酸ジ－２－エチルヘキシル等の二塩基酸系可塑剤等が挙げられる。分散剤の例としては、ポリ（メタ）アクリル酸塩、及び（メタ）アクリル酸－マレイン酸塩コポリマーが挙げられる。溶媒の例としては、エタノール及びトルエン等の有機溶媒が挙げられる。
　グリーンシートの形成方法の例としては、ドクターブレード法及び押出成形法が挙げられる。次に、成形して得られたグリーンシートを脱脂して焼成する。脱脂は、例えば、４００～８００℃で、０．５～２０時間加熱して行ってよい。これによって、無機化合物の酸化及び劣化を抑制しつつ、有機物（炭素）の残留量を低減することができる。焼結は、窒素、アルゴン、アンモニア又は水素等の非酸化性ガス雰囲気下、１７００～１９００℃に加熱して行う。これによって、例えばセラミック板１０を得ることができる。必要に応じてセラミック板のレーザー加工を行い、端部を切断したり、スクライブラインを設けたりしてもよい。
　上述の脱脂及び焼結は、グリーンシートを複数積層した状態で行ってもよい。積層して脱脂及び焼結を行う場合、焼成後の基材の分離を円滑にするため、グリーンシート間に離型剤による離型層を設けてよい。離型剤としては、例えば、窒化ホウ素（ＢＮ）を用いることができる。離型層は、例えば、窒化ホウ素の粉末のスラリーを、スプレー、ブラシ、ロールコート、又はスクリーン印刷等の方法により塗布して形成してよい。積層するグリーンシートの枚数は、セラミック板の量産を効率的に行いつつ、脱脂を十分に進行させる観点から、例えば８～１００枚であってよく、３０～７０枚であってもよい。
　セラミック板の一方の主面に複数の金属板を接合する場合、当該一方の主面に区画線を形成してもよい。例えば、セラミック板の主面にレーザー光を照射して、区画線としてスクライブラインを設けてもよい。セラミックの主面に照射するレーザー光としては、例えば、炭酸ガスレーザー及びＹＡＧレーザー等が挙げられる。このようなレーザー源からレーザー光を間欠的に照射することによって、区画線Ｌ１，Ｌ２となるスクライブラインを形成する。このようにして、図７に示すようなセラミック板１０が得られる。区画線Ｌ１，Ｌ２は、後工程において、回路基板を分割する際の切断線として利用することができる。
　ろう材は、金属単体又は金属化合物（合金）の形態で、Ａｇを含んでよく、Ａｇに加えて、Ｃｕ、Ｓｎ、及び活性金属からなる群より選ばれる一種又は二種以上の金属を含有してよい。二種以上の金属は合金となっていてもよい。活性金属は、Ｔｉ、Ｈｆ、Ｚｒ、及びＮｂからなる群より選ばれる一種又は二種以上を含んでいてよい。ろう材は、Ａｇ及びＣｕの合計１００質量部に対してＡｇを９３質量部以上含んでよく、９５質量部以上含んでいてよく、９７質量部以上含んでいてよい。このようにＣｕに対するＡｇを高い割合を十分に高くすることによって、接合工程で積層体を昇温する際、ろう材の溶融のタイミングを遅くすることができる。したがって、ろう材の這い上がりを抑制することができる。また、ＡｇとＣｕは６９：３１の質量割合近辺に共晶点を有する。このため、溶融したろう材は、金属板に含まれるＣｕと円滑に反応して共晶合金を形成する。したがって、ろう材層とセラミック板との接触面積を十分に且つ円滑に大きくすることができる。ろう材はＣｕを含有していなくてもよい。
　ろう材における活性金属の含有量は、Ａｇ及びＣｕの合計１００質量部に対して、０．５～８質量部であってよい。活性金属の含有量を０．５質量部以上とすることで、セラミック板とろう材との接合性を向上することができる。一方、活性金属の含有量を８質量部以下とすることで、接合界面に脆弱な合金層が形成されることを抑制できる。
　ろう材に含有される上記活性金属は、窒化物、酸化物、炭化物又は水素化物として含まれていてもよい。一例として、ろう材は、窒化チタン及び／又は水素化チタン（ＴｉＨ２）を含んでいてよい。これによって、セラミック板と金属板との接合強度を十分に高くすることができる。ＡｇとＣｕの合計１００質量部に対するＴｉＨ２の含有量は例えば１～８質量部であってよい。
　ろう材におけるＳｎの含有量は、Ａｇ及びＣｕの合計１００質量部に対して、０．５～５質量部であってよい。錫の含有量を０．５質量部以上とすることで、セラミック板とろう材との接合性を向上することができる。一方、錫の含有量を５質量部以下とすることで、接合界面に脆弱な合金層が形成されることを抑制できる。
　ろう材は、上述の金属又は金属化合物の他に、有機溶媒、及びバインダ等を含有してよい。ろう材の粘度は、例えば５～２０Ｐａ・ｓであってよい。ろう材における有機溶媒の含有量は、例えば、５～２５質量％、バインダ量の含有量は、例えば、２～１５質量％であってよい。
　図７に示すように区画線Ｌ１，Ｌ２で区画される複数の区画領域５０を有する多数個取り回路基板用のセラミック板１０である場合、セラミック板１０の主面１０Ａに、ロールコーター法、スクリーン印刷法、又は転写法等の方法によってろう材を塗布して、塗布層３８を設ける。塗布層３８は、金属板２０が接合される位置に設ければよい。図７に示すような平面視において、塗布層３８の面積を金属板の面積よりも大きくして、塗布層３８が金属板の主面の外縁からはみ出すようにしてもよい。塗布層３８の数は、セラミック板に接合される金属板の数と同じであってよい。主面１０Ｂ上にも、主面１０Ａと同様に塗布層３８を設けてよい。
　図８は、塗布層３８が設けられたセラミック板１０を厚さ方向に沿って切断したときの断面の一部を示している。塗布層３８は、中央部よりも端部の厚みの方が大きくなっている。すなわち、塗布層３８は、中央部に薄塗り部３７を有し、端部に厚塗り部３６を有する。また、塗布層３８は、端部にセラミック板１０の主面１０Ａに沿って金属板２０の側面２０Ｃよりも外側に延在するはみ出し部３９を有する。このように、塗布層３８は端部にはみ出し部３９を有することから、平面視における面積が、金属板２０の面積よりも大きくなっている。はみ出し部３９も厚塗り部３６の一部を構成している。これによって、凹部２２にろう材を一層円滑に充填することができる。図８には、一つの塗布層３８が示されているが、他の塗布層３８も同様の形状を有してよい。
　図８に示すように塗布層３８の厚塗り部３６は幅Ｙを有する。厚塗り部３６は、塗布層３８に対して位置合わせされた金属板２０の凹部２２に対向するように形成される。塗布工程では、塗布層３８の端部における厚塗り部３６の幅Ｙが、金属板２０の凹部２２の幅Ｘよりも大きくなるように塗布層を形成してよい。これによって、凹部２２にろう材を十分に充填することができる。幅Ｙは、例えば、０．０２ｍｍ以上であってよく、０．０５ｍｍ以上であってよく、０．２ｍｍ以上であってよく、１ｍｍ以上であってもよい。幅Ｙの上限は例えば１０ｍｍである。
　厚塗り部３６と薄塗り部３７の厚みの差Ｈ（図８参照）は、凹部の高さＺよりも低くてよい。これによって、ろう材の側面２０Ｃ及び主面２０Ａへの這い上がりを十分に抑制することができる。厚みの差Ｈは、０．００５ｍｍ以上であってよく、０．０１０ｍｍ以上であってもよい。これによって、図４及び図５における距離Ｌを十分に大きくすることができる。一方、厚みの差Ｈは、距離Ｌが過大になるのを抑制する観点から、厚みの差Ｈは、０．１ｍｍ以下であってよく、０．０５ｍｍ以下であってよい。幅Ｙ及び厚みの差Ｈは、凹部２２の幅Ｘ及び高さＺに応じて変えてよい。幅Ｙ及び厚みの差Ｈを大きくすれば、図４及び図５における距離Ｌは長くなる傾向にある。
　はみ出し部３９は、幅Ｗを有する。幅Ｗは、図８に示すように塗布層３８に対して位置合わせされた金属板２０の側面２０Ｃから塗布層３８に向かって描かれる仮想垂線ＶＬを基準にして、主面１０Ａに沿って測定されるはみ出し部３９の長さである。はみ出し部３９の幅Ｗは、０．０１ｍｍ以上であってよく、０．０１５ｍｍ以上であってもよいこれによって、図４及び図５における距離Ｌを十分に大きくすることができる。これによって、凹部２２にろう材を十分に充填することができる。幅Ｗは、０．４ｍｍ以下であってよく、０．２ｍｍ以下であってもよい。これによって、図４及び図５における距離Ｌが過大になるのを抑制することができる。幅Ｗは、凹部２２の幅Ｘ及び高さＺに応じて変えてよい。幾つかの変形例では、はみ出し部３９を設けず、平面視における金属板２０の面積と塗布層３８の面積が同じであってもよい。
　幅Ｗと幅Ｙを所定の範囲にすれば、接合状態を一層良好にすることができる。例えば、幅Ｗを０．１ｍｍ以下、且つ幅Ｙを１．５ｍｍ以上とすることで、ヒートサイクル試験で生じるクラックを十分に低減することができる。具体的には、実施例に記載の方法で測定されるクラックの面積割合を０．５％以下にすることができる。
　塗布層３８を形成したら、塗布層３８を挟むようにしてセラミック板１０と金属板２０とを積層して積層体を作製する。このとき、金属板２０の２つの主面のうち、凹部２２が形成されている方の主面２０Ｂとセラミック板１０の主面１０Ａとが対向するようにして積層する。セラミック板１０の主面１０Ｂにも、同様に塗布層３８を形成し、凹部２２が形成されている方の主面２０Ｂとセラミック板１０の主面１０Ｂとが対向するようにして積層する。
　積層工程では、凹部２２を形成する対向面２４と厚塗り部３６とが対向するように位置合わせを行い、図８に示す矢印方向に沿って金属板２０をセラミック板１０に押し付けて積層する。これによって、金属板２０の主面２０Ｂとセラミック板１０の主面１０Ａとがろう材で接着されるとともに、凹部２２にろう材が充填される。このようにして、ろう材でセラミック板と金属板とが接着され、凹部２２の少なくとも一部にろう材が充填された積層体が得られる。このようにして得られる積層体は、複数の金属板２０のそれぞれが、セラミック板１０の主面１０Ａにおける区画線Ｌ１，Ｌ２で画定される区画領域５０毎に独立している。
　得られた積層体を、加熱炉で加熱してセラミック板と金属板とがろう材層で接合された接合体を得る。加熱温度は例えば７００～９００℃であってよい。炉内の雰囲気は窒素等の不活性ガスであってよく、大気圧未満の減圧下で行ってもよいし、真空下で行ってもよい。加熱炉は、複数の接合体を連続的に製造する連続式のものであってもよいし、一つ又は複数の接合体をバッチ式で製造するものであってもよい。加熱は、接合体を上記積層体の積層方向に押圧しながら行ってもよい。
　積層体を加熱すると、塗布層に含まれるろう材は流動しつつ金属板と反応し、ろう材層が形成される。すなわち、ろう材層は、ろう材と金属板に含まれる金属成分との反応生成物を含んでよい。このようにして得られる接合体は、図１～図４に示される回路基板と同様の構造を有していてよいし、図５に示される回路基板と同様の構造を有していてもよい。その後、金属板にめっき膜を形成する等の表面処理を行う。このとき、ろう材層の形状を整える切削加工等を行ってもよい。このようにして、回路基板を製造することができる。
　接合体が、図１～図３に示すようにセラミック板の一方の主面に複数の金属板を備える集合基板である場合、集合基板を分割して個片化する分割工程を行ってもよい。分割工程では、区画線Ｌ１，Ｌ２に沿って集合基板を分割し、複数の回路基板を得ることができる。
　上述の製造方法は、予め所定のサイズに加工された複数の金属板を接合して接合体を得ることができる。このような製造方法によれば、レジスト印刷工程及び金属板のエッチング工程を行うことなく、ヒートサイクルに対して優れた耐久性を有し、且つ這い上がりが抑制された回路基板を効率よく製造することができる。このような製造方法で得られる回路基板は、製造コストが低減できるうえに、外観及び半導体素子等の外部回路との接続信頼性に優れる。
　このようにして得られた回路基板を用いて、パワーモジュールを製造してもよい。パワーモジュールは、回路基板に、ハンダとワイヤボンディング等を用いて半導体素子を搭載し、回路基板及び半導体素子を筐体の収容空間内に収容したうえで樹脂封止を行って製造することができる。
　以上、本開示の実施形態を説明したが、本開示は上記実施形態に何ら限定されるものではない。例えば、図１～図３の例では、セラミック板の一対の主面のそれぞれに複数の金属板を備えていたが、これに限定されない。例えば、一つ又は複数の金属板がセラミック板の一方の主面にのみ設けられていてもよい。セラミック板の一対の主面のそれぞれに設けられるろう材層及び金属板の構造及び形状は、互いに異なっていてもよい。また、セラミック板の一対の主面のそれぞれに一つの金属板が設けられていてもよい。また、凹部は、主面を取り囲むように設けられていなくてもよい。
　図４及び図５の例では、ろう材層３０が端部にスカート部３４及びスカート部３４ａをそれぞれ有していたが、これに限定されない。例えば、ろう材層３０の端部は、階段状の段差を形成していてもよい。この場合、図４に示すような断面において、ろう材層３０の端部は仮想垂線ＶＰとほぼ平行に立ち上がっていてもよい。
　本開示は以下の実施形態を含む。
［１］セラミック板と、金属板と、前記セラミック板の主面と前記金属板の主面とを接合するろう材層と、を備える回路基板であって、
　前記金属板の前記主面の外縁の少なくとも一部に沿って前記金属板に凹部が形成されており、
　前記金属板の側面における前記凹部の端縁に直交し、前記金属板の厚さ方向に沿う断面で見たときに、前記端縁から前記セラミック板の前記主面に向かって延びる仮想垂線と前記セラミック板の前記主面との交点よりも、前記セラミック板と前記ろう材層との接触面の外縁の方が前記凹部から離れている、回路基板。
［２］前記断面で見たときに、前記仮想垂線と前記セラミック板の前記主面との交点と、前記接触面の前記外縁と、の間の距離Ｌが、０を超え且つ０．３ｍｍ以下である、［１］に記載の回路基板。
［３］前記断面で見たときに、前記ろう材層は、前記セラミック板の前記主面に近づくにつれて、前記凹部から離れるように拡がるスカート部を有する、［１］又は［２］に記載の回路基板。
［４］前記断面で見たときに、前記スカート部の輪郭をなす傾斜面は、前記端縁又は前記金属板の側面から前記セラミック板の前記主面まで延びている、［３］に記載の回路基板。
［５］前記凹部を構成する前記金属板の壁面は、前記セラミック板の前記主面と対向する対向面を含み、前記対向面の少なくとも一部が前記ろう材層で覆われている、［１］～［４］のいずれか一つに記載の回路基板。
［６］前記ろう材層は前記凹部の全体に充填されており、前記仮想垂線は前記ろう材層の内部において前記端縁から前記セラミック板の前記主面まで延びる、［１］～［５］のいずれか一つに記載の回路基板。
［７］前記金属板における前記凹部は、前記金属板の前記主面の外縁の全周にわたって形成されている、［１］～［６］のいずれか一つに記載の回路基板。
［８］前記断面で見たときに、前記凹部の幅Ｘが０．０５ｍｍ以上であり、前記凹部の高さＺが０．０５ｍｍ以上である、［１］～［７］のいずれか一つに記載の回路基板。
［９］前記セラミック板と、複数の金属板と、前記セラミック板の前記主面と前記複数の金属板の主面のそれぞれとを接合する複数のろう材層と、を備え、
　前記複数の金属板が、前記凹部が形成されている前記金属板を含み、
　前記金属板の側面における前記凹部の端縁に直交し、前記金属板の厚さ方向に沿う断面で見たときに、前記端縁から前記セラミック板の前記主面に向かって延びる仮想垂線と前記セラミック板の前記主面との交点よりも、前記セラミック板と前記ろう材層との接触面の外縁の方が前記凹部から離れている、［１］～［８］のいずれか一項に記載の回路基板。
［１０］一方の主面の外縁の少なくとも一部に沿って凹部が形成されている一つ又は複数の金属板を準備する準備工程と、
　セラミック板の主面にろう材を塗布及び乾燥して一つ又は複数の塗布層を設ける塗布乾燥工程と、
　前記一つ又は複数の塗布層を挟むようにして前記セラミック板と前記一つ又は複数の金属板とを積層して積層体を作製する積層工程と、
　前記積層体を加熱して前記セラミック板と前記一つ又は複数の金属板とが一つ又は複数のろう材層で接合された接合体を得る接合工程と、を有し、
　前記積層工程では、一つ又は複数の金属板の前記一方の主面と前記セラミック板の前記主面とが対向するように前記セラミック板と前記一つ又は複数の金属板とを積層し、
　前記凹部が形成されている金属板の側面における前記凹部の端縁に直交し、前記金属板の厚さ方向に沿う前記接合体の断面で見たときに、前記端縁から前記セラミック板の前記主面に向かって延びる仮想垂線と前記セラミック板の前記主面との交点よりも、前記セラミック板と前記ろう材層との接触面の外縁の方が前記凹部から離れている、回路基板の製造方法。
［１１］前記金属板はＣｕを含み、
　前記塗布乾燥工程で前記セラミック板の前記主面に塗布される前記ろう材は、Ａｇ及びＣｕの合計１００質量部に対してＡｇを９３質量部以上含む、［１０］に記載の回路基板の製造方法。
［１２］前記塗布乾燥工程では、前記一つ又は複数の塗布層の中央部よりも端部の方の厚みが大きくなるように、前記セラミック板の前記主面に前記ろう材を塗布する、［１０］又は［１１］に記載の回路基板の製造方法。
［１３］前記塗布乾燥工程では、前記中央部における前記塗布層よりも大きい厚みを有する、前記端部における前記塗布層の厚塗り部の幅Ｙが、前記凹部の幅Ｘよりも大きくなるように前記塗布層を形成し、
　前記積層工程では、前記凹部と前記厚塗り部とが互いに接するように積層する、［１２］に記載の回路基板の製造方法。
［１４］前記準備工程では前記凹部が形成されている複数の金属板を準備し、
　前記積層工程では、前記複数の金属板のそれぞれが、前記セラミック板の前記主面における区画線で画定される区画領域毎に独立するように前記複数の金属板を積層して前記積層体を作製し、
　前記接合工程の後に、前記接合体における前記セラミック板を前記区画線に沿って分割する分割工程を有する、［１０］～［１３］のいずれか一つに記載の回路基板の製造方法。
［１５］前記［１］～［９］のいずれか一つに記載の回路基板、又は前記［１０］～［１４］のいずれか一つに記載の製造方法によって得られる回路基板と、当該回路基板の前記金属板に電気的に接続される半導体素子と、を備えるパワーモジュール。
　実施例及び比較例を参照して本開示の内容をより詳細に説明するが、本開示は下記の実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
［回路基板の作製］
　窒化ケイ素製のセラミック板（厚さ：０．３２ｍｍ）、２４枚の銅板（材質：無酸素銅、サイズ：縦×横×厚さ＝１７ｍｍ×３８ｍｍ×０．８ｍｍ）及びろう材を準備した。マシニングセンタを用いた機械加工によって、各金属板の一方の主面（主面２０Ｂ）の外縁部を全周にわたって切削して凹部を形成した。凹部の幅Ｘ及び高さＺは、表１に示すとおりとした。これによって、図１～図５に示す金属板２０と同様の形状を有する銅板を得た。
　Ａｇ、Ｓｎ、及びＴｉＨ２を含むろう材を準備した。このろう材は、Ａｇ及びＣｕの合計１００質量部に対してＡｇを１００質量部含んでいた。すなわち、Ｃｕを含まないろう材を用いた。このろう材は、Ａｇ１００質量部に対し、Ｓｎを３質量部、及びＴｉＨ２を３．５質量部含んでいた。
　セラミック板の主面をスクライブラインによって２４個の区画領域に区画した。各区画に、スクリーン印刷（メッシュ数：１５０）でろう材を塗布して乾燥し塗布層を形成した。塗布層の塗布面積は、セラミック板と接合される銅板の主面の面積と同じとした。また、塗布層には、図８に示すような薄塗り部と厚塗り部を形成した。厚塗り部の幅Ｙ、はみ出し部の幅Ｗ、及び、厚塗り部と薄塗り部の厚みの差Ｈは、表１に示すとおりとした。なお、薄塗り部の厚みは、０．０１５ｍｍとした。
　塗布層を形成した後、セラミック板の上に、塗布層と銅板の主面とが接するようにして銅板を積層した。このようにして、セラミック板の一方の主面に、区画領域毎に独立するように合計で２４個の銅板を積層した。
　セラミック板の主面上の銅板をセラミック板に向けて０．０３５ＭＰａでプレスして積層体を得た。その後、積層体を、真空中（１．０×１０―３Ｐａ）、８２０℃で１時間加熱した。このようにしてセラミック板の主面にろう材層を介して銅板が接合された接合体を得た。その後、Ｎｉ－Ｐめっき液（リン濃度：８～１２質量％）を用いて無電解メッキ処理を行い、銅板上にめっき膜を有する多数個取り回路基板を形成した。スクライブラインに沿って多数個取り回路基板を分割し、２４個の回路基板を得た。一つの回路基板のセラミック板のサイズは、縦×横×厚さ＝２０ｍｍ×４１ｍｍ×０．３２ｍｍであった。
（実施例２）
　マシニングセンタを用いた機械加工による銅板の一方の主面における外縁部の切削量を変更して、銅板における凹部の高さＺを表１に示すとおりに変更したこと以外は、実施例１と同様にして回路基板を作製した。
（実施例３～６）
　塗布層における厚塗り部の幅Ｙ、はみ出し部の幅Ｗ、及び、ろう材の組成のうち、少なくとも一つを表１に示すとおりに変更したこと以外は、実施例２と同様にして回路基板を作製した。
（比較例１）
　塗布層における厚塗り部の幅Ｙ、接合の際の積層体の加熱温度（接合温度）、及び、ろう材の組成を表１に示すとおりに変更したこと以外は、実施例２と同様にして回路基板を作製した。
（比較例２）
　ろう材の組成及び接合時の接合温度を表１に示すとおりに変更したこと以外は、比較例１と同様にして回路基板を作製した。
［回路基板の評価］
＜ろう材層の断面形状＞
　各実施例及び各比較例の回路基板を切断して断面観察を行った。具体的には、金属板の側面における凹部の端縁に直交し、銅板の厚さ方向に沿うように回路基板を切断し、図４又は図５に示すような断面を得た。
　図９（Ａ）、図１０（Ａ）、図１１（Ａ）及び図１２（Ａ）は、それぞれ、実施例３、実施例４、実施例５及び比較例２の回路基板の断面を示すＳＥＭ写真である。このように各断面のＳＥＭ観察（倍率：２００倍）を行って、凹部におけるろう材層の形状を確認した。
　図４、及び図１１に示すように凹部全体にろう材層３０が充填されており、セラミック板１０の主面に近づくにつれて、凹部から離れるように拡がるスカート部３４を有する場合を「Ａ」、図５、図９（Ａ）及び図１０（Ａ）に示すように凹部を形成する金属板の壁面（対向面）の一部のみがろう材層で被覆されており、スカート部３４の一部が凹部の内部に入り込んでいる場合を「Ｂ」と評価した。比較例６の断面を示す図１２では、ろう材層１３０が凹部１２２を構成する金属板１２０の壁面に付着しているものの、セラミック板１１０の主面とろう材層１３０との接触面の外縁は、凹部１２２の内側に位置していた。このように、ろう材層が上述の「Ａ」及び「Ｂ」とは異なる断面形状を有していたものを「Ｃ」と評価した。
　各実施例及び各比較例の回路基板において、図４及び図５に示される距離Ｌを測定した。これらの結果を表２に示す。なお、セラミック板とろう材層との接触面の外縁が、図４に示す仮想垂線ＶＰとセラミック板の主面の交点よりも凹部側である場合（凹部内にある場合）は、「＜０」と評価した。
＜ヒートサイクル試験＞
　各実施例及び各比較例の回路基板のヒートサイクル試験を行った。この試験では、回路基板の冷却（－６５℃，３分間）と加熱（１５０℃，３分間）を２０００回繰り返し行った。その後、塩化第二鉄溶液を用いたエッチング、及び、フッ化アンモニウムと過酸化水素の混合溶液を用いたエッチングを順次行って、回路パターン及びろう材層を除去した。その後、セラミック板の主面のＳＥＭ観察を行い、スキャナーを用いて、６００ｄｐｉ×６００ｄｐｉの解像度で、回路パターン及びろう材層が除去されたセラミック板の主面の画像を取得した。画像解析ソフトＧＩＭＰ２（閾値１４０）を用いて画像の二値化処理を行って、クラックの面積を算出した。算出したクラック面積を、回路パターンの面積で除してクラックの面積割合を求めた。結果は表２に示すとおりであった。
　ヒートサイクルに対する耐久性を電気的な観点から評価するため、ヒートサイクル試験後の部分放電電荷量測定を行った。具体的には、ヒートサイクル試験後の回路基板を、絶縁油中において、昇圧速度０．３ｋＶ／ｓで４．５ｋＶまで昇圧し、その時の部分放電電荷量を測定した。測定には、Ｍｅｓｓ　＆　Ｐｒｕｆｓｙｓｔｅｍｅ　ＧｍｂＨ社製の部分放電測定機（装置名：ＴＴＰ１５）を用いた。部分放電電荷量が１０ｐＣ未満の場合を「Ａ」、１０ｐＣ以上の場合を「Ｂ」と評価した。結果は、表２に示すとおりであった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表１及び表２に示すとおり、距離Ｌが０を超える実施例１～６の回路基板は、いずれもヒートサイクル試験によって生じるクラックが、比較例１，２の回路基板よりも少ないことが確認された。また、部分放電電荷量も、実施例１～６の回路基板の方が比較例１，２の回路基板よりも小さかった。
＜超音波探傷検査（ＳＡＴ）＞
　超音波探傷検査によって、幾つかの実施例及び比較例のセラミック板と銅板の接合信頼性を評価した。具体的には、株式会社日立パワーソリューションズ製の超音波探傷検査装置（装置名：Ｆｉｎｅ　ＳＡＴ　Ｖ）を用いて、回路基板のセラミック板と銅板との間におけるボイドの分布を調べた。
　図９（Ｂ）、図１０（Ｂ）、図１１（Ｂ）及び図１２（Ｂ）は、それぞれ、実施例３、実施例４、実施例５及び比較例２の回路基板の超音波探傷検査の結果を示す写真である。これらの写真から、実施例３～５の回路基板は、比較例２の回路基板よりも周縁部のボイドが低減されていることが確認された。
　本開示によれば、ヒートサイクルに対して優れた耐久性を有する回路基板及びその製造方法、並びにパワーモジュールを提供することができる。
　１０，１１０…セラミック板、１０Ａ，１０Ｂ…主面、１２…交点、２０，１２０…金属板、２０Ａ，２０Ｂ…主面、２０Ｃ…側面、２２，１２２…凹部、２３…立設面、２４…対向面、２５…入隅部、２７…端縁、３０，１３０…ろう材層、３４，３４ａ…スカート部、３４Ａ…傾斜面、３５…外縁、３６…厚塗り部、３７…薄塗り部、３８…塗布層、３９…はみ出し部、５０…区画領域、６０…半導体素子、６１，６２，６５…ハンダ、６３…電極、６４…金属ワイヤ、６６…筐体、７０…ベース板、７２…冷却フィン、７３…ネジ、７４…グリース、８０…樹脂、１００，１０１…回路基板、３００…パワーモジュール、Ｌ１，Ｌ２…区画線、ＶＰ…仮想垂線。

Claims (15)

  1. 　セラミック板と、金属板と、前記セラミック板の主面と前記金属板の主面とを接合するろう材層と、を備える回路基板であって、
    　前記金属板の前記主面の外縁の少なくとも一部に沿って前記金属板に凹部が形成されており、
    　前記金属板の側面における前記凹部の端縁に直交し、前記金属板の厚さ方向に沿う断面で見たときに、前記端縁から前記セラミック板の前記主面に向かって延びる仮想垂線と前記セラミック板の前記主面との交点よりも、前記セラミック板と前記ろう材層との接触面の外縁の方が前記凹部から離れている、回路基板。
  2. 　前記断面で見たときに、前記仮想垂線と前記セラミック板の前記主面との交点と、前記接触面の前記外縁と、の間の距離Ｌが、０を超え且つ０．３ｍｍ以下である、請求項１に記載の回路基板。
  3. 　前記断面で見たときに、前記ろう材層は、前記セラミック板の前記主面に近づくにつれて、前記凹部から離れるように拡がるスカート部を有する、請求項１に記載の回路基板。
  4. 　前記断面で見たときに、前記スカート部の輪郭をなす傾斜面は、前記端縁又は前記金属板の側面から前記セラミック板の前記主面まで延びている、請求項３に記載の回路基板。
  5. 　前記凹部を構成する前記金属板の壁面は、前記セラミック板の前記主面と対向する対向面を含み、前記対向面の少なくとも一部が前記ろう材層で覆われている、請求項１に記載の回路基板。
  6. 　前記ろう材層は前記凹部の全体に充填されており、前記仮想垂線は前記ろう材層の内部において前記端縁から前記セラミック板の前記主面まで延びる、請求項１に記載の回路基板。
  7. 　前記金属板における前記凹部は、前記金属板の前記主面の外縁の全周にわたって形成されている、請求項１に記載の回路基板。
  8. 　前記断面で見たときに、前記凹部の幅Ｘが０．０５ｍｍ以上であり、前記凹部の高さＺが０．０５ｍｍ以上である、請求項１に記載の回路基板。
  9. 　前記セラミック板と、複数の金属板と、前記セラミック板の前記主面と前記複数の金属板の主面のそれぞれとを接合する複数のろう材層と、を備え、
    　前記複数の金属板が、前記凹部が形成されている前記金属板を含み、
    　前記金属板の側面における前記凹部の端縁に直交し、前記金属板の厚さ方向に沿う断面で見たときに、前記端縁から前記セラミック板の前記主面に向かって延びる仮想垂線と前記セラミック板の前記主面との交点よりも、前記セラミック板と前記ろう材層との接触面の外縁の方が前記凹部から離れている、請求項１に記載の回路基板。
  10. 　一方の主面の外縁の少なくとも一部に沿って凹部が形成されている一つ又は複数の金属板を準備する準備工程と、
    　セラミック板の主面にろう材を塗布及び乾燥して一つ又は複数の塗布層を設ける塗布乾燥工程と、
    　前記一つ又は複数の塗布層を挟むようにして前記セラミック板と前記一つ又は複数の金属板とを積層して積層体を作製する積層工程と、
    　前記積層体を加熱して前記セラミック板と前記一つ又は複数の金属板とが一つ又は複数のろう材層で接合された接合体を得る接合工程と、を有し、
    　前記積層工程では、一つ又は複数の金属板の前記一方の主面と前記セラミック板の前記主面とが対向するように前記セラミック板と前記一つ又は複数の金属板とを積層し、
    　前記凹部が形成されている金属板の側面における前記凹部の端縁に直交し、前記金属板の厚さ方向に沿う前記接合体の断面で見たときに、前記端縁から前記セラミック板の前記主面に向かって延びる仮想垂線と前記セラミック板の前記主面との交点よりも、前記セラミック板と前記ろう材層との接触面の外縁の方が前記凹部から離れている、回路基板の製造方法。
  11. 　前記金属板はＣｕを含み、
    　前記塗布乾燥工程で前記セラミック板の前記主面に塗布される前記ろう材は、Ａｇ及びＣｕの合計１００質量部に対してＡｇを９３質量部以上含む、請求項１０に記載の回路基板の製造方法。
  12. 　前記塗布乾燥工程では、前記一つ又は複数の塗布層の中央部よりも端部の方の厚みが大きくなるように、前記セラミック板の前記主面に前記ろう材を塗布する、請求項１０又は１１に記載の回路基板の製造方法。
  13. 　前記塗布乾燥工程では、前記中央部における前記塗布層よりも大きい厚みを有する、前記端部における前記塗布層の厚塗り部の幅Ｙが、前記凹部の幅Ｘよりも大きくなるように前記塗布層を形成し、
    　前記積層工程では、前記凹部と前記厚塗り部とが互いに接するように積層する、請求項１２に記載の回路基板の製造方法。
  14. 　前記準備工程では前記凹部が形成されている複数の金属板を準備し、
    　前記積層工程では、前記複数の金属板のそれぞれが、前記セラミック板の前記主面における区画線で画定される区画領域毎に独立するように前記複数の金属板を積層して前記積層体を作製し、
    　前記接合工程の後に、前記接合体における前記セラミック板を前記区画線に沿って分割する分割工程を有する、請求項１０又は１１に記載の回路基板の製造方法。
  15. 　請求項１～９のいずれか一項に記載の回路基板と、当該回路基板の前記金属板に電気的に接続される半導体素子と、を備えるパワーモジュール。
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