(57)【要約】【課題】活性ろう材から成る配線層を有する回路基板において、配線層とめっき層との接合強度を向上させること。【解決手段】セラミック基板１と、セラミック基板１の主面に設けられた配線層群２Ｇとを含んでいる。配線層群２Ｇは、活性ろう材から成り、素子の搭載部１ａおよび素子との接続部２ｂを含んでいる。回路基板は、配線層群２Ｇの搭載部２ａおよび接続部２ｂ上に設けられた保護層３ａ、密着層３ｂおよび銀層３ｃをさらに含んでいる。【選択図】図１
2014067821.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基板と、
該セラミック基板の主面に設けられており、活性ろう材から成り、素子の搭載部および前記素子との接続部を含む配線層群と、
該配線層群の前記搭載部および接続部上に設けられた保護層、密着層および銀層とを備えていることを特徴とする回路基板。
【請求項２】
前記配線層群のうち前記接続部を有する配線層に直接接続された、外部配線との接続用の金属リードをさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の回路基板。
【請求項３】
請求項１記載の回路基板と、
該回路基板の前記搭載部上に接合材を介して搭載されており、前記接続部に電気的に接続された素子とを備えていることを特徴とする電子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばパワーモジュール等の電子装置に用いられるセラミック回路基板および電子装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の素子が搭載され大きな電
流が流されるパワーモジュール等の電子装置に、セラミック基板の主面に銅またはアルミニウム等の金属板が接合されたセラミック回路基板が用いられている。パワーモジュール等の電子装置およびそれに用いられる回路基板は、電気自動車の制御装置または熱電変換による発電装置等の用途において需要が高まりつつある。
【０００３】
パワーモジュール等の電子装置に用いられる回路基板においては、電子装置の厚みを薄くするために、セラミック基板の主面に接合されている銅またはアルミニウム等の金属板に換えて活性ろう材から成る配線層を有するものが開発されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2002−246713号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、活性ろう材から成る配線層を有する回路基板においては、例えば電気伝導率および熱伝導率において良好な銀ナノ粒子の接合材を用いる場合に、電気伝導率および熱伝導率を考慮して、配線層上に例えば銀等のめっき層を形成する場合があり、そのめっき層の形成の前処理またはめっき処理（特に置換めっき処理）において配線層の活性ろう材成分の一部において侵食が生じて、配線層とめっき層との界面にボイドが発生して、配線層とめっき層との接合強度が低下することがある。そして、配線層とめっき層との接合強度が低下することによって、めっき層が配線層から剥がれる可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一つの態様による回路基板は、セラミック基板と、セラミック基板の主面に設けられた配線層群とを含んでいる。配線層群は、活性ろう材から成り、素子の搭載部および素子との接続部を含んでいる。回路基板は、配線層群の搭載部および接続部上に設けられた保護層、密着層および銀層をさらに含んでいる。
【０００７】
本発明の他の態様による電子装置は、上記構成の回路基板と、回路基板の搭載部上に接合材を介して搭載されており接続部に電気的に接続された素子とを含んでいる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の一つの態様による回路基板は、活性ろう材から成る配線層群の素子の搭載部および素子との接続部を含んでいる。回路基板は、配線層群の搭載部および接続部上に設けられた保護層、密着層および銀層をさらに含んでいる。回路基板おいては、保護層によって、銀層の形成処理またはその前処理における配線層の侵食が低減されており、配線層とめっき層との接合強度が向上されている。さらに、回路基板において、密着層によって、保護層と銀層との接合強度が向上されており、配線層に対する銀層の接合強度が向上されている。
【０００９】
本発明の他の態様による電子装置は、上記構成の回路基板を含んでいることによって、回路基板に対する素子の搭載または接続に関して向上されている。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】（ａ）は本発明の第１の実施形態における回路基板を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示された回路基板のＸ−Ｘ線における縦断面図である。
【図２】図１（ｂ）に示された電子装置において符号Ａによって示された部分の拡大図である。
【図３】（ａ）は本発明の第２の実施形態における回路基板を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示された電子装置のＸ−Ｘ線における縦断面図である。
【図４】図３（ｂ）に示された回路基板において符号Ｂによって示された部分の拡大図である。
【図５】（ａ）は本発明の一つの実施形態における電子装置を示す上面図であり、（ｂ）は（ａ）に示された電子装置のＸ−Ｘ線における縦断面図である。
【図６】図５（ｂ）に示された電子装置において符号Ｃによって示された部分の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明のいくつかの例示的な実施形態について図面を参照して説明する。
【００１２】
（第１の実施形態）
図１および図２に示されているように、本発明の第１の実施形態における回路基板は、セラミック基板１と、セラミック基板１の第１の主面（例えば上面）に設けられており複数の配線層２を含む配線層群２Ｇと、複数の配線層２上に設けられためっき層３と、セラミック基板１の第２の主面（例えば下面）に設けられた放熱層４とを含んでいる。
【００１３】
セラミック基板１は、絶縁性のセラミック材料からなり、例えば、酸化アルミニウム質セラミックス，ムライト質セラミックス，炭化ケイ素質セラミックス，窒化アルミニウム質セラミックスまたは窒化ケイ素質セラミックス等のセラミックスからなる。これらの中では、熱伝導性（すなわち放熱性）の点からは炭化ケイ素質セラミックス，窒化アルミニウム質セラミックスまたは窒化ケイ素質セラミックスが好ましく、強度の点からは窒化ケイ素質セラミックスまたは炭化ケイ素質セラミックスが好ましい。
【００１４】
セラミック基板１の厚みは、薄い方が熱伝導性の点ではよいが、作成工程中で加わる応力や使用中に加わる応力、セラミック回路基板の大きさ、セラミック回路基板の強さ、またはセラミック回路基板の材料における熱伝導率に応じて選択すればよく、例えば0.1ｍ
ｍ〜１ｍｍ程度である。
【００１５】
セラミック基板１は、平板状のものであり、平面視において例えば四角形状を有している。
【００１６】
セラミック基板１は、例えば窒化ケイ素質セラミックスから成る場合であれば、窒化ケイ素，酸化アルミニウム，酸化マグネシウムおよび酸化イットリウム等の原料粉末に適当な有機バインダー，可塑剤および溶剤を添加混合して泥漿物に従来周知のドクターブレード法またはカレンダーロール法を採用することによってセラミックグリーンシート（セラミック生シート）を形成し、次にこのセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施して所定形状となすとともに、必要に応じて複数枚を積層して成形体となし、しかる後、これを窒化雰囲気等の非酸化性雰囲気にて1600〜2000℃の温度で焼成することによって製作される。
【００１７】
配線層２は、平面視において、セラミック基板１の上面に所望のパターン形状にて形成されており、活性ろう材から成る。配線層２は、例えばＩＧＢＴ等の素子の搭載部２ａと、素子との接続部２ｂとを含んでいる。
【００１８】
配線層２を活性ろう材で形成するには、セラミック基板にスクリーン印刷等で活性ろう材ペーストを例えば30〜50μｍの厚さで所定パターンに印刷塗布した後、真空中、水素ガス雰囲気、または水素および窒素ガス雰囲気等の非酸化性雰囲気中で780℃〜900℃、10〜120分間加熱し、活性ろう材ペーストの有機溶剤、溶媒および分散剤を気体に変えて発散
させるとともに活性ろう材を溶融させセラミック基板1と接合することによって行なわれ
る。なお、セラミック基板１の裏面に放熱層４を形成する場合は、配線層２と同様にして形成すればよい。
【００１９】
活性ろう材ペーストは、例えば銀ろう材であれば、例えば銀および銅粉末，銀−銅合金粉末，またはこれらの混合粉末から成る銀ろう材（例えば、銀：72質量％−銅：28質量％）粉末に対してチタン，ハフニウム，ジルコニウムまたはその水素化物等の活性金属を銀ろう材に対して２〜７質量％添加混合し、適当なバインダーと有機溶剤・溶媒とを添加混合し、混練することによって製作される。
【００２０】
また、上述の銀ろう材に換えてアルミニウムろう材（例えば、アルミニウム：88質量％−シリコン：12質量％）を用いてもよい。この場合も同様に活性金属をアルミニウムろう材に対して２〜７質量％添加混合し、適当なバインダーと有機溶剤・溶媒とを添加混合し、混練することによって活性ろう材ペーストを作製して、同様にして接合すればよい。活性アルミニウムろう材を使用した場合には、活性銀ろう材より低温の約600℃でセラミッ
ク基板１と接合し配線層２を形成することができる。
【００２１】
本実施形態の回路基板において配線層２が活性ろう材から成ることによって、本実施形態の回路基板は、例えばいわゆるメタライズ層から成る配線層を有する回路基板に比べて、熱伝導性または電気伝導性に関して向上されている。
【００２２】
メタライズ層とは、タングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ），マンガン（Ｍｎ）またはこれらの混合粉末から成る金属粉末と、適当なバインダーと有機溶剤・溶媒とを添加混合し、混練することによって製作されるメタライズペーストを所定パターン形状に印刷塗布しておき、焼成することによって形成されるものをいう。
【００２３】
焼結体であるメタライズ層は、多数の粒界を有しており、これらの多数の粒界によって熱伝導性または電気伝導性に関して低下することに対して、活性ろう材から成る配線層２は、溶融によって形成されており、熱伝導性または電気伝導性に関して向上されている。
【００２４】
また、セラミック基板上にメタライズ層を同時焼成によって形成する場合には、メタライズ層とセラミック基板との焼成時の収縮の違い等で反りが発生し易いのに対して、配線層２を活性ろう材によって形成する場合は、反りに関して低減されており、セラミック基板１からの配線層２の剥がれの可能性も低減されており、熱伝導率の低下を抑えることができる。
【００２５】
めっき層３は、複数の配線層２において少なくとも素子の搭載部２ａおよび素子との接続部２ｂに設けられている。めっき層３は、配線層２上に設けられた保護層３ａと、保護層３ａ上に設けられた密着層３ｂと、密着層３ｂ上に設けられた銀層３ｃとを含んでいる。
【００２６】
保護層３ａは、例えば、ニッケル、ニッケル−コバルト合金またはニッケル−リン合金
等から成る。保護層３ａは、銀層３ｃの形成処理またはその前処理において配線層２を保護して配線層２の侵食を低減させる働きがある。
【００２７】
密着層３ｂは、例えばパラジウムまたはクロム等から成る。密着層３ｂは、例えばニッケル等の保護層３ａに直接銀層３ｃを形成する場合に比べて、銀層３ｃの接合強度を向上させる働きがある。図２においては、密着層３ｂが連続的に形成されている構造が示されているが、部分的に形成された複数の密着層が分散しているような構造であってもよい。
【００２８】
ここで、めっき層３の構造および形成方法の例を説明する。
【００２９】
配線層２の搭載部２ａおよび接続部２ｂには、セラミック基板１に形成した後に、その表面にニッケルから成る、良導電性で、かつ耐蝕性が良好な金属による保護層３ａを被着させ、その上に表面に形成する銀層３ｂと保護層３ａとの密着性を向上させるためのパラジウムから成る密着層３ｂを被着させ、表面に銀層３ｃを形成させると、搭載部２ａに半導体素子等の素子７をナノ銀ペーストを加熱溶融させた接合材６を介して強固に接着させることができるとともに、接続部２ｂと素子７の端子もしくは外部電気回路との電気的接続をおこなうフレキシブル基板８との接続を良好なものとすることができる。
【００３０】
なお、保護層３ａがニッケルから成る場合には、内部に燐を９〜15質量％含有させてニッケル−燐のアモルファス合金としておくと、ニッケルから成るめっき層の表面酸化を良好に防止して接合材との濡れ性等を長く維持することができるので好ましい。ニッケルに対する燐の含有量が９質量％〜15質量％であると、ニッケル−燐のアモルファス合金を形成しやすくなってめっき層３に半田を強固に接着させやすくなる。このニッケルから成る保護層３ａは、その厚みが１μｍ以上の場合には、配線層２の表面を完全に被覆しやすくなり、配線層２の酸化腐蝕を有効に防止しやすくなる。また、10μｍ以下であると、特にセラミック基板の厚さが300μｍ未満の薄いものになった場合には、めっき層３の内部に
内在する内在応力が小さくなってセラミック基板に反りまたは割れ等が発生しにくくなる。したがって、ニッケルから成る保護層３ａの厚みは、１μｍ〜10μｍであることが好ましい。
【００３１】
密着層３ｂがパラジウムから成る場合は、その厚みが0.05μｍ以上であると、密着層としての効果が得られやすい。また、0.5μｍ以下であると、密着性の向上にあまり寄与し
ない厚み部分を低減させることができ、コストを低減させることができる。したがって、パラジウムから成る密着層３ｂの厚みは0.05μｍ〜0.5μｍであることが好ましい。
【００３２】
銀層３ｃとしては、銀は金属中で最も電気伝導率や熱伝導率が優れているので、純銀が好ましい。
【００３３】
表面の銀層３ｃは、その厚みが0.1μｍ以上の場合には、素子を接合するための接合材
との濡れ性が向上される。また、５μｍを以下であると、銀層３ｃに対する接合材の濡れ性に寄与しない厚み部分低減させることができ、コストを低減させることができる。したがって、表面の銀層３ｃの厚みは0.1μｍ〜５μｍであることが好ましい。
【００３４】
なお、活性ろう材として銀−銅合金から成る活性銀ろう材を用いた場合には、活性ろう材から成る配線層２の表面に保護層３ａをめっき法で形成しようとした場合に、めっきの前処理で活性ろう材の表面近くの銅成分が前処理駅で溶解されやすく、それによって活性ろう材中に空隙ができることで配線層２と保護層３ａとの接合面積が低下することが要因のひとつとなり密着強度が低下し易くなるために、めっきの前処理で活性ろう材の成分を溶解し難い前処理を用いることが有効である。これによって、活性ろう材による配線層２にボイドを発生させずにニッケルによる保護層３ａを形成することができるようになり、
このボイドが形成されていない配線層２上に保護層３ａが形成されていることで保護層３ａの接合強度が高くなる。
【００３５】
また、活性ろう材からなる配線層２に保護層３ａを形成しないで直接銀層３ｃを形成した場合には、前処理で活性ろう材中にボイドが形成されない様に処理液を選んでも、銀層３ｃの保護層３ａとの接合強度は不十分である。
【００３６】
そのため、素子または電気的接続手段が接合される回路基板においては、活性ろう材からなる配線層２の搭載部２ａおよび接続部２ｂに保護層３ａ、密着層３ｂおよび銀層３ｃが設けられていることによって、活性ろう材からなう配線層２におけるボイド低減させることができ、かつ活性ろう材から成る配線層２の搭載部２ａおよび接続部２ｂに素子または導体層８ａを接合した場合の接合強度が向上しているので、薄型化した回路基板の接続信頼性に関して向上されている。
【００３７】
また、裏面の放熱層４にも、同様の保護層３ａ、密着層３ｂ、銀層３ｃを形成しておくと、耐蝕性が向上すると共に、外部回路基板または冷却体への接合が良好になるのでよい。
【００３８】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について図３および図４を参照して説明する。
【００３９】
図３、図４に示された例において、回路基板は外部配線と接続するための金属リード５が配線層２に直接接続されている。本発明の一つの態様による回路基板は、このような構成を含んでいることによって、外部配線との接続が容易となると共に大電流を流すことが容易となる。
【００４０】
金属リード５は、銅やアルミニウム等の金属から成り、例えば銅のインゴット（塊）に圧延加工法や打ち抜き加工法等の機械的加工やエッチング等の化学的加工のような従来周知の金属加工法を施すことによって、例えば厚さが0.05〜１ｍｍの平板状で、所定形状に形成される。
【００４１】
金属リード５が銅から成る場合は、無酸素銅で形成するのが好ましい。無酸素銅で形成すると、金属リード５とセラミック基板１との接合を行なう際に、銅の表面が銅中に存在する酸素により酸化されることなく、活性ろう材からなる配線層２との濡れ性が良好となるので、接合が強固となる。
【００４２】
セラミック基板１の上面に金属リード５を直接接続する回路基板とする場合は、以下のようにすればよい。まず、セラミック基板１を準備する。また、金属板をプレス加工や、エッチング加工等を用い、金属リード５形状に加工する。次にセラミック基板１と金属リード５が相対する接合部の少なくとも一方に、接合後に活性ろう材となる活性金属入りのろう材ペーストを所定形状にスクリーン印刷等で塗布する。各部材を所定の位置に配置し、位置がずれないように治具等を用いて荷重をかけながら真空中でろう材が溶融する温度まで昇温し各部材を接合する。その後保護層３ａ、密着層３ｂ、銀層３ｃを形成することで、本発明の回路基板となる。
【００４３】
なお、金属リード５とセラミック基板１の接合強度の点では金属リード５に活性金属入りのろう材ペーストを印刷して接続するより、セラミック基板１に金属リード５との接合部を金属リード５より全周にわたり大きく形成し金属リード５を接合するのが好ましい。
【００４４】
また、金属リード５のセラミックとの接合は端子部分だけとし、リード部分は接合しな
いようにすると金属リード５が銅（熱膨張係数17×10-6／℃）でありセラミック基板１が窒化珪素質焼結体（熱膨張係数４×10-7／℃）の場合のように、それぞれの熱膨張係数の差が大きく異なっていたとしても温度サイクルによってセラミック基板１にクラックが発生し難くなるので信頼性の点で好ましい。
【００４５】
金属リード５は図４に示す例のように、活性ろうからなる配線層２と直接接合する場合には、活性ろう材ペーストをセラミック基板１に接合する工程で同時に金属リード５も接合することができると共に、金属リード５の下の配線層２を他の部分に比べて薄くすることが可能となるので、金属リード５を含めた回路基板の厚みを薄く出来るので好ましい。
【００４６】
（電子装置）
図５（ａ）は、本発明の電子装置の実施の形態の一例を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線で切断した断面の一例を示す断面図である。なお、図５（ｂ）においては、図示の都合上、めっき層３を省略している。図６は、図５（ｂ）のＣ部の拡大図である。６は接合材であり、７は素子であり、８は例えばフレキシブル基板等の電気的な接続手段であり、８ａは接続手段８の導体層、８ｂは接続手段８の絶縁層、９は放熱板である。
【００４７】
図５、図６に示された例において、電子装置は本発明の実施形態における回路基板と、回路基板の搭載部２ａ上に接合材６を介して搭載されており、接続部２ｂに電気的に接続された素子７とを備えている。本発明の一つの態様による電子装置は、このような構成を含んでいることによって、薄型化した電子装置の接続信頼性に関して向上されている。
【００４８】
回路基板の熱伝導性を低下させないためには、回路基板上の配線層２と素子７を接続する接合材６は、熱伝導率の高い材料が望ましい。また、回路基板との接合時に合金層を形成すると合金層の電気伝導率や熱伝導率は低下するので、接合材としては銀もしくは銀と金属間化合物を作成しない金等を用いるのが好ましい。また、搭載時に加わる温度が高いと、各々の熱膨張係数の違いによって反りが発生し易くなり、熱伝導率が低下し易くなるために、接合材６は例えば銀ナノ粒子を用いた銀ナノペーストを搭載部２ａに形成しておき、これに300℃程度の熱を加えながらナノ粒子が凝集するに従って粒子間の隙間を塞ぐ
ように加圧することで、ボイドの少ない接合材６を得ることができる。空気雰囲気で加熱加圧することでバルク化できる銀ナノペーストが作業性としては優れているが、例えば不活性雰囲気で加熱加圧することで銅ナノペーストを用いた銅を接合材６とすることも可能であるし、特にナノペーストを用いずに、融点が300℃程度の半田ペーストを用いても構
わない。ナノペーストを用いる場合には、凝集に伴って粒子間の隙間が開くことを防ぐための加圧が必要となるために、セラミック基板１が窒化ケイ素質セラミックスのように強度の高いセラミックスを使用することが必要となるが、300℃程度の例えばＡｕＳｎやＡ
ｕＳｉを用いた半田ペーストを使用した場合にはフラックスによりボイドを防ぐことができるため加圧を小さくしてもボイドを少なくできるようになるので、強度がそれほど強くないアルミナセラミックス基板を使用できるようになるので、素子の寸法や要求される熱伝導率等を考慮して決めればよい。
【００４９】
素子７としては、トランジスタ，ＣＰＵ（Central Processing Unit）用のＬＳＩ（Large Scale Integrated circuit），ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor - Field Effect Transistor）等の半導体素
子が挙げられる。
【００５０】
素子７と接続部２ｂの電気的接続には、例えばフレキシブル基板のような接続手段８が用いられる。素子７と接続手段８の導体部８ａおよび、接続手段８の導体部８ａと接続部２ｂの電気的接続にも同じナノ銀ペーストを加熱溶融した接合材６が用いられる。フレキシブル基板のような接続手段８は接続部２ｂと接続させず、外部回路基板と直接接続して
も構わないが、接続部２ｂと接続していることによって、より導体の断面積が大きくなることで大電流を流せるようになり、また回路基板を介して放熱することで熱放散性に関しても改善されるので、接続部２ｂと接続するのが好ましい。
【符号の説明】
【００５１】
１・・・・・セラミック基板
２・・・・・配線層
２ａ・・・・搭載部
２ｂ・・・・接続部
３・・・・・めっき層
３ａ・・・・保護層
３ｂ・・・・密着層
３ｃ・・・・銀層
４・・・・・放熱層
５・・・・・金属リード
６・・・・・接合材層
７・・・・・素子
８・・・・・接続手段
８ａ・・・・導体層
８ｂ・・・・絶縁層
９・・・・・放熱板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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