(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基板の表面に金属層が被着されているとともに、該金属層に金属回路板がロウ材を介して取着されて成るセラミック回路基板であって、
前記セラミック基板の端部に貫通孔が設けられており、
前記セラミック基板の前記貫通孔が設けられた位置より外側に枠状の凸部材が接着材を介して取着されており、
該凸部材の熱膨張係数と前記セラミック基板の熱膨張係数との差が５ｐｐｍ／℃を超えるとき、前記接着材のビッカース硬度を５０Ｈｖ以下としたことを特徴とするセラミック回路基板。
【請求項２】
前記セラミック基板の両面に、前記枠状の凸部材が取着されていることを特徴とする請求項１記載のセラミック回路基板。
【請求項３】
前記凸部材の厚みが前記セラミック基板の厚みの０．５倍以上であり、かつ幅が０．２ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセラミック回路基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミック基板に金属回路板をロウ付けにより接合させたセラミック回路基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パワーモジュール用基板やスイッチングモジュール用基板等の回路基板として、セラミック基板上に銅等から成る金属回路板をロウ付けにより接合させたセラミック回路基板がよく用いられている。
【０００３】
かかるセラミック回路基板は一般に、
（１）酸化アルミニウム、酸化珪素、酸化マグネシウム、酸化カルシウム等からなるセラミック原料粉末に有機溶剤、溶媒を添加混合して泥漿物を作り、次にこれを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等によりシート状に成形して四角形状のセラミックグリーンシート（セラミック生シート）を形成し、
（２）次に前記セラミックグリーンシートの表面に、タングステンやモリブデン等の高融点金属粉末に有機溶剤、溶媒を添加混合して得た金属ペーストをスクリーン印刷法等の厚膜形成技術を採用することによって所定パターンに印刷塗布し、
（３）次に前記金属ペーストを印刷塗布したセラミックグリーンシートを還元雰囲気中、約１６００℃の温度で焼成し、セラミックグリーンシートと金属ペーストとを焼結一体化させて上面に金属層を有する酸化アルミニウム質焼結体から成るセラミック基板を形成し、
（４）最後に、前記セラミック基板上面の金属層上に銅等から成る所定パターンの金属回路板を間に銀ロウ等のロウ材を挟んで載置させるとともにこれを還元雰囲気中、約９００℃の温度に加熱してロウ材を溶融させ、該溶融したロウ材で金属層の表面全面と金属回路板の下面全面とを接合することによって作成されている。
【０００４】
なお、前記セラミック回路基板は、例えば、セラミック基板の両端にねじ止め用の貫通孔を形成しておき、セラミック回路基板を支持部材上に載置させるとともにセラミック回路基板の上面側より貫通孔内にネジ等を挿入し、そのネジの先端を支持部材に設けたネジ溝に螺着させることによって支持部材上に固定されるようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来のセラミック回路基板においては、セラミック基板を形成する酸化アルミニウム質焼結体の熱膨張係数が約７ｐｐｍ／℃、金属回路板を形成する銅の熱膨張係数が約１８ｐｐｍ／℃であり、両者の熱膨張係数が大きく相違することから、セラミック基板の表面に被着させた金属層に金属回路板をロウ付けによって接合させた場合、セラミック基板と金属回路板との間に両者の熱膨張係数の相違に起因する大きな応力が発生し、該応力によってセラミック回路基板に大きな反りが発生するという欠点を有していた。
またセラミック回路基板を支持部材上に、例えば、ネジ等を使用して固定した場合、セラミック回路基板に反りを是正する方向の応力が発生するとともにこれが金属回路板の外周部に集中し、金属回路板の外周部に位置するセラミック基板にクラックや割れ等が発生するという欠点も有していた。
【０００６】
本発明は上記欠点に鑑み案出されたもので、その目的はセラミック基板にクラックや割れ等が発生することのない平坦なセラミック回路基板を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、セラミック基板の端部に貫通孔が設けられており、セラミック基板の貫通孔が設けられた位置より外側に枠状の凸部材が接着材を介して取着されており、凸部材の熱膨張係数とセラミック基板の熱膨張係数との差が５ｐｐｍ／℃を超えるとき、接着材のビッカース硬度を５０Ｈｖ以下としたことを特徴とするものである。
【０００８】
また本発明は、前記凸部材の厚みが前記セラミック基板の厚みの０．５倍以上であり、かつ幅が０．２ｍｍ以上であることを特徴とするものである。
【０００９】
本発明のセラミック回路基板によれば、セラミック基板の外周部に接着材を介して枠状の凸部材を、例えば、厚みをセラミック基板の厚みの０．５倍以上に、幅を０．２ｍｍ以上として取着したことから、セラミック基板の表面に取着させた金属層に金属回路板をロウ付けにより接合させる際、セラミック基板と金属回路板との間に両者の熱膨張係数の相違に起因する応力が発生し、該応力によってセラミック基板に反りが発生しようとしても、その反りの発生は前記セラミック基板の外周部に接着材を介して取着された枠状の凸部材が反りに対して梁の作用をなすことによって有効に防止され、その結果、セラミック回路基板は平坦となる。
【００１０】
またこのセラミック回路基板を支持部材上に、例えば、ネジ等を使用して固定した場合、セラミック回路基板は平坦であることからセラミック回路基板に反りを是正する方向の応力が発生することはなく、該是正の応力によってセラミック基板にクラックや割れ等が発生することもない。
更に前記凸部材の熱膨張係数がセラミック基板の熱膨張係数に対して５ｐｐｍ／℃以上を超える差の時、凸部材とセラミック基板との間に両者の熱膨張係数の相違に起因する熱応力が発生したとしてもその熱応力は凸部材をセラミック基板に取着する接着材がビッカース硬度５０Ｈｖ以下の軟質なものであるため接着材を適度に変形させることによって完全に吸収され、その結果、凸部材をセラミック基板に確実に取着させておくことができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
図１は、本発明のセラミック回路基板の一実施例を示し、１はセラミック基板、２は金属層、３は金属回路板である。
【００１２】
前記セラミック基板１は四角形状をなし、その上面の中央領域に金属層２が被着されており、該金属層２には金属回路板３がロウ付けされている。
【００１３】
前記セラミック基板１は、窒化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体、窒化珪素質焼結体、酸化アルミニウム質焼結体、ガラスセラミックス焼結体等からなり、例えば、窒化アルミニウム質焼結体からなる場合、主原料としての窒化アルミニウムに焼結助剤としての酸化イットリウムと適当な有機溶剤、溶媒を添加混合して泥漿状となすとともにこれを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等を採用し、シート状に成形してセラミックグリーンシート（セラミック生シート）を得、次に、前記セラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施し、所定形状となすとともにこれを高温（約１８００℃）で焼成することによって、あるいは窒化アルミニウム、酸化イットリウム等の原料粉末に適当な有機溶剤、溶媒を添加混合して原料粉末を調整するとともに該原料粉末をプレス成形機によってに所定形状に形成し、しかる後、前記形成体を約１８００℃の温度で焼成することによって製作される。
【００１４】
また前記セラミック基板１はその上面に金属層２が被着されており、該金属層２は金属回路板３をセラミック基板１にロウ付けする際の下地金属層として作用する。
【００１５】
前記金属層２はタングステン、モリブデン、マンガン等の高融点金属粉末により形成されており、タングステンやモリブデン、マンガン等の高融点金属粉末に適当な有機バインダー、溶剤、可塑剤等を添加混合して得た金属ペーストを焼成によってセラミック基板１となるセラミックグリーンシートの上面に予め従来周知のスクリーン印刷法等により所定パターンに印刷塗布しておくことによってセラミック基板１の上面に所定パターン、所定厚み（１０〜５０μｍ）に被着される。
【００１６】
なお、前記金属層２はその表面にニッケル、金等の良導電性で、耐蝕性及びロウ材との濡れ性が良好な金属をメッキ法により１μｍ乃至２０μｍの厚みに被着させておくと、金属層２の酸化腐食を有効に防止することができるとともに金属層２と金属回路板３とのロウ付けを極めて強固になすことができる。従って、前記金属層２の酸化腐食を有効に防止し、金属層２と金属回路板３とのロウ付けを強固と成すには金属層２の表面にニッケル、金等の良導電性で、耐蝕性及びロウ材との濡れ性が良好な金属を１μｍ乃至２０μｍの厚みに層着させておくことが好ましい。
【００１７】
また前記金属層２の上面には金属回路板３がロウ材４を介して取着されている。
【００１８】
前記金属回路板３は銅やアルミニウム等の金属材料から成り、セラミック基板１の上面に形成した金属層２上に金属回路板３を、例えば、銀ロウ材（銀：７２重量％、銅：２８重量％）やアルミニウムロウ材（アルミニウム：８８重量％、シリコン：１２重量％）等からなるロウ材４を挟んで載置させ、しかる後、これを真空中もしくは中性、還元性雰囲気中、所定温度（銀ロウ材の場合は約９００℃、アルミニウムロウ材の場合は約６００℃）で加熱処理し、ロウ材４を溶融せしめるとともに金属層２の上面と金属回路板３の下面とに接合させることによってセラミック基板１上に取着されることとなる。
【００１９】
なお、前記銅やアルミニウム等からなる金属回路板３は、銅やアルミニウム等のインゴット（塊）に圧延加工法や打ち抜き加工法等、従来周知の金属加工法を施すことによって、例えば、厚さが５００μｍで、金属層２のパターン形状に対応する所定パターン形状に形成される。
【００２０】
また前記金属回路板３はその表面に、ニッケル、金等の良導電性で、且つ耐蝕性及びロウ材４との濡れ性が良好な金属をメッキ法により１μｍ乃至２０μｍの厚みに被着させておくと、金属回路板３の酸化腐食を有効に防止し、且つ金属回路板３と外部電気回路との電気的接続を良好となすとともに金属回路板３に半導体素子等の電子部品を強固に固着させることができる。従って、前記金属回路板３はその表面にニッケル、金等を１μｍ乃至２０μｍの厚みに被着させておくことが好ましい。
【００２１】
更に、前記上面に金属回路板３が取着されているセラミック基板１はその上面外周部に断面が四角形状をなす枠状の凸部材１ａが接着材５を介して取着されている。
【００２２】
前記凸部材１ａはセラミック基板１に反りが発生するのを防止する梁の作用をなし、セラミック基板１に被着される金属層２に金属回路板３を銀ロウ等のロウ材４を介してロウ付けする際、金属回路板３とセラミック基板１との間に両者の熱膨張係数の相違により応力が発生し、該応力によってセラミック基板１に反りが発生しようとしてもその反りの発生は前記凸部材１ａが梁の作用をなすことから有効に阻止され、セラミック回路基板は平坦となる。
【００２３】
前記凸部材１ａは鉄−ニッケル−コバルト合金、鉄−ニッケル合金、タングステン、モリブデン、銅−タングステン合金等の金属材料、或いは酸化ベリリウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、酸化アルミニウム質焼結体等の無機物から形成されている。
【００２４】
前記セラミック基板１の外周部への凸部材１ａの取着は、ロウ材からなる接着材５を介して行われ、凸部材１ａが、例えば、鉄−ニッケル−コバルト合金、鉄−ニッケル合金、タングステン、モリブデン、銅−タングステン合金等の金属材料からなる場合、セラミック基板１の上面外周部に予め枠状のメタライズ金属層を被着させておき、該枠状のメタライズ金属層に金属材料からなる凸部材１ａを銀、銀ー１５％銅等のロウ材からなる接着材５でロウ付け取着することによって行われ、また酸化アルミニウム質焼結体等の無機物からなる場合、凸部材１ａの下面にメタライズ金属層を被着させておき、これをセラミック基板１の上面外周部に予め被着させておいた枠状のメタライズ金属層に銀、銀ー１５％銅等のロウ材からなる接着材５でロウ付け取着することによって行われる。
【００２５】
なお、前記凸部材１ａはその厚みがセラミック基板１の厚みの０．５倍未満、あるいは幅が０．２ｍｍ未満となると、セラミック基板１と金属回路板３との間に発生する応力によってセラミック基板１に反りが発生してしまう危険性がある。従って、前記セラミック基板１に反りが全く発生しないようにするには前記凸部材１ａの厚みはセラミック基板１の厚みの０．５倍以上、幅は０．２ｍｍ以上としておくことが好ましい。
【００２６】
また、前記凸部材１ａはセラミック基板１の外周部全域にわたって設ける必要はなく、外周各辺に任意の長さに設けておいて枠状としてもよい。
【００２７】
更に、前記凸部材１ａはセラミック基板１の上面側外周部のみに形成されるものではなく、上下両面の外周部に形成しておいてもよい。セラミック基板１の上下両面の外周部に凸部材１ａを形成した場合、セラミック基板１の上面側に取着された凸部材１ａの厚みと下面側に取着された凸部材１ａの厚みの合計がセラミック基板１の厚みに対し０．５倍以上となるようにしておくとセラミック基板１に反りが発生するのを極めて有効に防止することができる。
【００２８】
また更に、前記凸部材１ａはその断面が四角形状のものに限定されるものではなく、三角形上や半円形状等であってもよい。
【００２９】
更にまた、前記接着材５は、ビッカース硬度が５０Ｈｖ以下となっており、凸部材１ａの熱膨張係数がセラミック基板１の熱膨張係数に対して５ｐｐｍ／℃を超える差となる材質により形成されており、セラミック基板１の上面外周部に凸部材１ａを取着させた後、セラミック基板１と凸部材１ａの両者に熱が印加され、両者間に大きな熱応力が発生したとしてもその熱応力は凸部材１ａをセラミック基板に１に取着する接着材５がビッカース硬度５０Ｈｖ以下の軟質なものであるため接着材５を適度に変形させることによって完全に吸収され、その結果、凸部材１ａをセラミック基板１に確実に取着させておくことができる。
【００３０】
また一方、前記四角形状をなすセラミック基板１はその両端に上下に貫通する孔径が、例えば、３ｍｍ〜４ｍｍの貫通孔６が形成されている。
【００３１】
前記貫通孔６はセラミック回路基板を支持部材（不図示）上にネジ等を用いて固定する際、ネジの挿通孔として作用し、セラミック回路基板を支持部材上に載置させるとともにセラミック基板１の上面側より貫通孔６内にネジ等を挿入し、そのネジの先端を支持部材に設けたネジ溝に螺着させることによってセラミック回路基板は支持部材上に固定されるようになっている。この場合、セラミック回路基板は凸部材１ａの形成により平坦となっていることからセラミック回路基板の反りを是正する応力が発生することはなく、該応力によってセラミック基板１にクラックや割れ等が発生することもなくなる。
【００３２】
前記貫通孔６はセラミック基板１にドリル孔あけ加工を施すことによってセラミック基板１の両端の所定位置に所定形状に形成される。
【００３３】
かくして、上述のセラミック回路基板によれば、セラミック基板１の上面に取着させた金属回路板３に半導体素子等の電子部品を固着させ、半導体素子等の電極をボンディングワイヤ等の電気的接続手段を介して金属回路板３に電気的に接続させれば半導体素子等の電子部品はセラミック回路基板に実装され、金属回路板３を外部電気回路と接続される。
【００３４】
次に本発明の作用効果を以下の実験例に基づき説明する。
〔実験例〕
まず、厚さ：０．５ｍｍ、幅：２５ｍｍ、長さ：５０ｍｍの窒化アルミニウム質焼結体から成るセラミック基板を準備する。
【００３５】
次に前記セラミック基板の上面外周部に表１に示す幅；Ｗ（ｍｍ）、厚さ；ｈ（ｍｍ）を有する枠状の凸部材を形成し、しかる後、前記セラミック基板の短辺部を支持してセラミック基板の中央部を押圧し、セラミック基板に１００μｍのたわみが発生する際の荷重の大きさを調べ、その荷重の大きさによってセラミック基板の反りの発生のし易さを確認した。
【００３６】
上記の結果を表１に示す。
【００３７】
【表１】
0003709085.tif 000002
【００３８】
表１の結果から判るように、上面外周部に凸部材を設けていない従来のセラミック基板は０．３１ｋｇｆという小さな荷重によって１００μｍのたわみが発生し、極めて反りを発生し易いものであるのに対し、本発明のセラミック基板の上面外周部に凸部材を設けたものは０．５０ｋｇｆ以上という従来品に比べ１．６倍以上の荷重を加えた際にはじめて１００μｍのたわみが発生し、反りが発生し難いことが判る。特に凸部材の厚みをセラミック基板の厚みに対し、０．５倍以上、幅を０．２ｍｍ以上とすると０．９９ｋｇｆ以上という従来品に比べ約３倍以上の荷重を加えなければセラミック基板に１００μｍのたわみは発生せず、極めて反りが発生し難いことが判る。
【００３９】
なお、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能であり、例えば、上述の実施例、実験例ではセラミック基板として窒化アルミニウム質焼結体を使用したが、これに限定されることなく他のセラミック材で形成してもよい。
【００４０】
【発明の効果】
本発明のセラミック回路基板によれば、セラミック基板の外周部に接着材を介して枠状の凸部材を、例えば、厚みをセラミック基板の厚みの０．５倍以上に、幅を０．２ｍｍ以上として取着したことから、セラミック基板の表面に取着させた金属層に金属回路板をロウ付けにより接合させる際、セラミック基板と金属回路板との間に両者の熱膨張係数の相違に起因する応力が発生し、該応力によってセラミック基板に反りが発生しようとしても、その反りの発生は前記セラミック基板の外周部に接着材を介して取着された枠状の凸部材が反りに対して梁の作用をなすことによって有効に防止され、その結果、セラミック回路基板は平坦となる。
【００４１】
またこのセラミック回路基板を支持部材上に、例えば、ネジ等を使用して固定した場合、セラミック回路基板は平坦であることからセラミック回路基板に反りを是正する方向の応力が発生することはなく、該是正の応力によってセラミック基板にクラックや割れ等が発生することもない。
更に前記凸部材の熱膨張係数がセラミック基板の熱膨張係数に対して５ｐｐｍ／℃を超える差を有し、凸部材とセラミック基板との間に両者の熱膨張係数の相違に起因する熱応力が発生したとしてもその熱応力は凸部材をセラミック基板に取着する接着材がビッカース硬度５０Ｈｖ以下の軟質なものであるため接着材を適度に変形させることによって完全に吸収され、その結果、凸部材をセラミック基板に確実に取着させておくことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の配線基板の一実施例を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・・セラミック基板
１ａ・・・凸部材
２・・・・金属層
３・・・・金属回路板
４・・・・ロウ材
５・・・・接着材
【図１】
0003709085.tif 000003