(57)【要約】【課題】銅製放熱部材に代表される廉価で熱伝導率が高く、高熱膨張率の金属製放熱部材（ヒートシンク）を使用したとしても、はんだクラックを抑制し得るセラミック基板、セラミック回路基板およびそれを用いた電力制御部品を提供すること。【解決手段】セラミック板の両主面に金属板を接合してなるセラミック基板において、少なくとも一主面上の金属板のセラミック板と対向する面に、セラミック板との非接合部分を有することを特徴とするセラミック基板。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック板の両主面に金属板を接合してなるセラミック基板において、少なくとも一主面上の金属板のセラミック板と対向する面に、セラミック板との非接合部分を有することを特徴とするセラミック基板。
【請求項２】
セラミック板と金属板の非接合部分が、金属板の外周部又は外周部の一部に存在することを特徴とする請求項１記載のセラミック基板。
【請求項３】
金属板の面積がセラミック板の面積と同等もしくはそれ以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のセラミック基板。
【請求項４】
セラミック板と金属板の非接合部分が、非接合部分を有する金属板の厚みをｔ、前記金属板の端部から前記金属板とセラミックス板の接合部までの距離をＬ１とするとき、（Ｌ１／ｔ）が０．０３〜１５であることを特徴とする請求項２又は請求項３記載のセラミック基板。
【請求項５】
セラミック板と金属板の非接合部分が、金属板の角部にあることを特徴とする請求項２〜４のうちいずれか一項記載のセラミック基板。
【請求項６】
金属板が、銅または銅を主成分とする銅合金であることを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか一項記載のセラミック基板。
【請求項７】
金属板が、アルミニウムまたはアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金であることを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか一項記載のセラミック基板。
【請求項８】
セラミック板が、窒化アルミニウム板であることを特徴とする請求項１〜７のうちいずれか一項記載のセラミック基板。
【請求項９】
セラミック板が、窒化珪素板であることを特徴とする請求項１〜７のうちいずれか一項記載のセラミック基板。
【請求項１０】
セラミック板の両主面にアルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板を接合してなるセラミック基板において、このアルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板にめっき処理が施され、且つ、アルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板の側面にめっき皮膜が形成されないことを特徴とするセラミック基板。
【請求項１１】
アルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板にめっき処理が施され、且つ、アルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板の側面にめっき皮膜が形成されないことを特徴とする請求項７〜９のうちいずれか一項記載のセラミック基板。
【請求項１２】
アルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板にめっき処理が施され、且つ、アルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板の側面、並びに、アルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板のセラミック板と対向する面と反対側の面の端部外周又は端部外周の一部に、めっき皮膜が形成されないことを特徴とする請求項１０又は１１記載のセラミック基板。
【請求項１３】
アルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板のセラミック板と対向する面と反対側の面の端部外周又は端部外周の一部において、めっき皮膜が形成されない部分が、アルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板の厚みをｔ、前記アルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板の端部からめっき皮膜までの距離をＬ２とするとき、（Ｌ２／ｔ）が０．０２〜１０であることを特徴とする請求項１２記載のセラミック基板。
【請求項１４】
めっき皮膜が形成されていない部分が、アルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板の角部にあることを特徴とする請求項１２又は１３記載のセラミック基板。
【請求項１５】
請求項１〜１４のうちいずれか一項記載のセラミック基板の一主面に、回路パターンを形成してなるセラミック回路基板。
【請求項１６】
一主面上に、金属板のセラミック板と対向する面にセラミック板との非接合部分を有するセラミック基板において、反対側の主面に回路パターンを形成してなる請求項１５記載のセラミック回路基板。
【請求項１７】
請求項１５又は１６記載のセラミック回路基板において、回路パターンと反対側の主面に放熱部材（ヒートシンク）をはんだ付けしてなる電力制御部品。
【請求項１８】
放熱部材（ヒートシンク）が銅又は銅を主成分とする銅合金であることを特徴とする請求項１７記載の電力制御部品。
【請求項１９】
鉛を含まないはんだを使用することを特徴とする請求項１７又は１８記載の電力制御部品。
【請求項２０】
セラミック回路基板と放熱部材（ヒートシンク）を接合するはんだ層が、セラミック回路基板の金属板側面及び表面端部に接触しないことを特徴とする請求項１７〜１９のうちいずれか一項記載の電力制御部品。
【請求項２１】
セラミック回路基板上に半導体素子を搭載してなることを特徴とする請求項１７〜２０のうちいずれか一項記載の電力制御部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミック基板、セラミック回路基板及びそれを用いた電力制御部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体分野において、ＬＳＩの集積化や高速化が進むことに加え、ＧＴＯやＩＧＢＴ等のパワーデバイスの用途が拡大することなどの事情から、シリコンチップの発熱量が増加の一途をたどっている。そして、前記電力制御部品が電鉄や電気自動車などの長期信頼性が要求される分野に採用されるにつれ、シリコンチップが搭載されている回路基板、あるいは回路基板が搭載されている電力制御部品の放熱特性の向上が重大な課題となってきている。
【０００３】
電力制御部品等に利用される回路用基板として、熱伝導率やコスト、安全性等の点から、アルミナ、窒化ケイ素、窒化アルミニウム等のセラミック板が利用されている。これらのセラミック板は、銅やアルミニウム等の金属板と接合してセラミック基板とし、エッチングなどにより回路を形成してセラミック回路基板として用いられる。これらは、樹脂基板や樹脂層を絶縁材とする金属基板に対し、高い絶縁性が安定して得られるという特長がある。
【０００４】
電力制御部品は、半導体素子を搭載したセラミック回路基板と、銅等の放熱特性に優れた金属製放熱部材（ヒートシンク）をはんだを介して接合したものが一般に用いられている。しかし、低熱膨張率のセラミック回路基板と高熱膨張率の金属製放熱部材（ヒートシンク）との熱膨張率の差が大きいため、前記半導体素子から発生した熱により、セラミック回路基板と放熱部材（ヒートシンク）とを接合しているはんだ部に「はんだクラック」と呼ばれるクラックが生じる場合がある。  はんだクラックは、セラミック回路基板と放熱部材（ヒートシンク）との間の熱の伝導経路を遮断し、その結果、半導体素子の放熱が充分に行われないため、前記半導体素子の温度上昇や熱的劣化を生じさせ、機能停止に至る場合がある。
【０００５】
はんだクラックの発生は、車両、電気自動車などの長期的に信頼性を必要とする用途にとっては致命的な欠陥であり、そのため、放熱特性に優れ、電気的信頼性が大幅に向上したセラミック回路基板とそれを用いた電力制御部品が切望されている。
【０００６】
最近、前述の熱膨張差の発生を抑制することを目的に、Ａｌ−ＳｉＣ複合体からなる低熱膨張率の放熱部材（ヒートシンク）を使用したパワーモジュールが開発され、長期信頼性を必要とするハイブリッドカーや電鉄などに使用されはじめている。
【０００７】
Ａｌ―ＳｉＣ複合体からなる低熱膨張率の放熱部材（ヒートシンク）は、パワーモジュールの長期信頼性に対して非常に効果的であり、いろいろな製法によるものが市販されている。例えば、ダイキャスト法（特許文献１）や溶湯鍛造法（非特許文献１）などの高圧鋳造法、或いは、自発浸透法（特許文献２）等が知られている。
【特許文献１】特開平５−５０８３５０号公報
【非特許文献１】「まてりあ」第３６巻、第１号、１９９７年、４０−４６頁
【特許文献２】特開平２−１９７３６８号公報
【０００８】
しかしながら、Ａｌ−ＳｉＣ複合体を用いた放熱部材（ヒートシンク）は、前記のいずれの製法によるものであっても、従来の銅製放熱部材（ヒートシンク）よりも製造コストが高いという課題がある。その理由として、Ａｌ−ＳｉＣ複合体の製造法自体から由来する要因や、また板状の放熱部材（ヒートシンク）としての寸法的な歩留まり要因などが挙げられるが、いずれせよ従来から使用されている銅板にはコストや寸法精度の点で及ばないのが現状である。
【０００９】
Ａｌ−ＳｉＣ複合体の熱伝導率は、ＳｉＣの含有量に依存するが、約１５０Ｗ／ｍ・Ｋ〜２００Ｗ／ｍ・Ｋ程度であり、銅製放熱部材（ヒートシンク）の熱伝導率の約４００Ｗ／ｍ・Ｋに対して約半分以下の低熱伝導率である。従って、半導体素子から発生する熱を効率的にパワーモジュールから外部に逃すには不十分な場合があり、パワーモジュールとしての許容電力量が低くなってしまうという課題がある。
【００１０】
上記理由のために、Ａｌ−ＳｉＣ複合体からなる放熱部材（ヒートシンク）は、その信頼性の高さは認められながらも、使用用途は限定され、銅製放熱部材（ヒートシンク）からのＡｌ−ＳｉＣ複合体からなる放熱部材（ヒートシンク）への置き換えは進んでいないのが現状である。特に、廉価であることを要求される汎用品のパワーモジュールについては、銅製放熱部材（ヒートシンク）が今後とも用いられる趨勢にある。
【００１１】
従来、はんだとしては、スズと鉛の合金が主に使用されているが、使用後に廃棄されると鉛が溶け出し、地下水を汚染するなどして、環境被害や人体への悪影響が懸念されるため、規制への動きが高まっている。こうしたことから、鉛を含まないはんだ、所謂「鉛フリーはんだ」による接合技術の開発が求められているが、各種の問題を抱えているのが実状である（非特許文献２）。
【非特許文献２】「まてりあ」第４３巻、第８号、２００４年、６５１−６５４頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、上記課題に鑑み、銅製放熱部材（ヒートシンク）に代表される廉価で熱伝導率が高く、高熱膨張率の金属製放熱部材（ヒートシンク）を使用したとしても、前記はんだクラックを抑制し得るセラミック基板、セラミック回路基板およびそれを用いた電力制御部品を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
即ち、本発明は、セラミック板の両主面に金属板を接合してなるセラミック基板において、少なくとも一主面上の金属板のセラミック板と対向する面に、セラミック板との非接合部分を有するセラミック基板であり、セラミック板と金属板の非接合部分が、金属板の外周部又は外周部の一部に存在するセラミック基板であり、金属板の面積がセラミック板の面積と同等もしくはそれ以下であるセラミック基板であり、セラミック板と金属板の非接合部分が、非接合部分を有する金属板の厚みをｔ、前記金属板の端部から前記金属板とセラミックス板の接合部までの距離をＬ１とするとき、（Ｌ１／ｔ）が０．０３〜１５であるセラミック基板であり、セラミック板と金属板の非接合部分が、金属板の角部にあるセラミック基板であり、 金属板が、銅または銅を主成分とする銅合金であるセラミック基板であり、金属板が、アルミニウムまたはアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金であるセラミック基板であり、セラミック板が、窒化アルミニウム板であるセラミック基板であり、セラミック板が、窒化珪素板であるセラミック基板である。
【００１４】
さらに、アルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板にめっき処理が施され、且つ、アルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板の側面にめっき皮膜が形成されないことを特徴とするセラミック基板であり、アルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板にめっき処理が施され、且つ、アルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板の側面、並びに、アルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板のセラミック板と対向する面と反対側の面の端部外周又は端部外周の一部に、めっき皮膜が形成されないことを特徴とするセラミック基板であり、アルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板のセラミック板と対向する面と反対側の面の端部外周又は端部外周の一部において、めっき皮膜が形成されない部分が、アルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板の厚みをｔ、前記アルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板の端部からめっき皮膜までの距離をＬ２とするとき、（Ｌ２／ｔ）が０．０２〜１０であることを特徴とするセラミック基板であり、めっき皮膜が形成されていない部分が、アルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板の角部にあることを特徴とするセラミック基板である。
【００１５】
又、前記セラミック基板の一主面に、回路パターンを形成してなるセラミック回路基板であり、一主面上に、金属板のセラミック板と対向する面にセラミック板との非接合部分を有するセラミック基板において、反対側の主面に回路パターンを形成してなるセラミック回路基板であり、前記セラミック回路基板において、回路パターンと反対側の主面に放熱部材（ヒートシンク）をはんだ付けしてなる電力制御部品であり、放熱部材（ヒートシンク）が銅又は銅を主成分とする銅合金であることを特徴とする電力制御部品であり、鉛を含まないはんだを使用することを特徴とする電力制御部品であり、セラミック回路基板と放熱部材（ヒートシンク）を接合するはんだ層が、セラミック回路基板の金属板側面及び表面端部に接触しないことを特徴とする電力制御部品であり、セラミック回路基板上に半導体素子を搭載してなる電力制御部品である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明により、はんだクラックに対する耐久性を向上させた、特に、ＩＣパッケージやＩＧＢＴ、ＧＴＯ等の電力制御部品に好適なセラミック基板、セラミック回路基板及びそれを用いた電力制御部品が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明者は、鋭意検討を行った結果、図１に示すように、セラミック板１の両主面に金属板２、３が接合され、一主面（表面）の金属板２は、パターニングされ回路として使用され、他の主面（裏面）の金属板３は、放熱部材（ヒートシンク）４にはんだ５を介して接合された構造を有し、前記放熱部材（ヒートシンク）４に接合される金属板３が、セラミック板１と対向する面において、接合部分（Ａ）と前記接合部分の周囲或いはその一部に非接合部分（Ｂ）を有することで、耐はんだクラック性が極めて優れるという特徴を見出した。
【００１８】
前記構造を採用すると耐はんだクラック性が優れる理由は十分解明された訳ではないが、本発明者らは以下のように推察している。従来のセラミック回路基板は、セラミック板と金属板の接合界面端部と金属板端部が一致しており、セラミック板と金属板の間に隙間がない構造を採用している（図７参照）。このため、従来のセラミック回路基板では、セラミック回路基板と金属製放熱部材（ヒートシンク）との熱膨張差に起因する応力が、はんだ内部に金属板の端部から集中的に加わるため、はんだクラックが発生しやすいものと推察している。
【００１９】
これに対して、本発明のセラミック回路基板では、接合部の周囲或いはその一部に非接合部を設けることにより、応力の一部を金属板３とセラミック板１の接合部分に分散させて、はんだに加わる応力を緩和させることができ、その結果、耐はんだクラック性が向上する。
【００２０】
従って、図２に例示するように接合部の周囲に非接合部分があることが好ましく、少なくとも、図３に例示するように非接合部分が、はんだへの負荷が最も厳しい金属板の角部にあることが好ましい。
【００２１】
本発明において、好ましい非接合部分（Ｂ）の大きさは金属板の厚みと関係しており、非接合部分を有する金属板の厚みをｔ、前記金属板の端部から前記金属板とセラミック基板の接合部までの距離をＬ１とするとき、Ｌ１／ｔが、０．０３〜１５であることが好ましい。Ｌ１は、図２に示すように、同一のセラミック基板において複数の値を有する。Ｌ１／ｔの全ての値が０．０３未満の場合には、前記効果が十分でない場合があり、一方、その上限については、特に定めるべき技術的な理由はないが、不必要に大きくても基板サイズの増大につながるため好ましくなく、セラミック基板の一般的な大きさ（７０ｍｍ×３５ｍｍ）の場合には、上限値は１５が好ましい。
【００２２】
本発明に係るセラミックス回路基板は、両主面上に金属板のセラミック板と対向する面にセラミック板との非接合部分を有していても構わないが、一主面上に、前記非接合部分を有する場合は、反対側の主面に回路パターンが形成されることが好ましい。
【００２３】
セラミック板にかかる負荷の抑制、及び、製造コストの点から、金属板の面積をセラミック板の面積と同等もしくはそれ以下とすることが好ましい。
【００２４】
本発明に係るセラミック基板およびセラミック回路基板の作製方法は、従来公知の方法を使用することが可能である。中でも、活性金属含有ろう材を介して金属板をセラミック板に接合する方法は、前記非接合部分（Ｂ）の大きさを制御し易いという特徴があり、さらに、作製が容易で、且つ、従来の基板寸法やプロセスを大きく変えることが不要なため、製造コストの点から有利である。
【００２５】
以下に、本発明に係るセラミック基板およびセラミック回路基板の作製方法を説明する。
【００２６】
セラミック板の主面に、回路となる金属板と、放熱部材（ヒートシンク）に接合される金属板を、活性金属を含有するろう材により接合する。セラミック板としては、窒化アルミニウム、窒化珪素、酸化アルミニウム、炭化珪素等が知られているが、本発明は窒化アルミニウム、窒化珪素等の熱膨張率の小さな窒化物セラミックを使用すると、その効果が著しく好ましい。又、セラミック板の厚みは使用目的により異なるが、０．２〜４．５ｍｍ程度のものが一般的である。
【００２７】
窒化物セラミック板に銅等の金属板を活性金属含有ろう材を介して接合する場合、ろう材中にＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等の窒化物セラミックの成分と反応する活性金属を含有することが好ましい。
【００２８】
本発明に用いられる金属板は、銅、ニッケル、アルミニウム、モリブデン、タングステン等の金属や前記金属を主成分とする合金、或いは前記金属又は前記金属を主成分とした合金を接合した、所謂クラッド板等を用いることが可能であり、中でも、銅又は銅を主成分とする銅合金、並びに、アルミニウム又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金が好ましい。金属板の厚みは０．１〜３．０ｍｍが一般的である。なお、本発明においては金属回路と放熱用金属板とが同一である必要はなく、材質、厚さ、形状等の点で異なっていても構わない。
【００２９】
金属板のセラミック板への接合に際して、非接合部分（Ｂ）が存在するようにするには、前記活性金属含有ろう材を金属板の大きさよりも所望の寸法だけ小さくセラミック板に塗布すればよい。
【００３０】
接合の方法に関しては、従来公知の方法で加熱し、前記ろう材を溶融、反応せしめて、セラミック板と金属板とを接合して、本発明に係るセラミック基板を作製する。その後、回路用金属板に、必要ならば放熱部材（ヒートシンク）接合用金属板にもエッチングマスクを被せてエッチングを行い、回路形成、放熱部材（ヒートシンク）接合用金属板の寸法調整を行って、本発明に係るセラミック回路基板を作製する。
【００３１】
セラミック回路基板の金属板上に、はんだ付けやワイヤーボンディングを容易ならしめるため、めっき処理を施す場合がある。このセラミック回路基板上に、半導体素子や、電子部品等を取り付け、反対側に放熱部材（ヒートシンク）を接合して電力制御部品とする。放熱部材（ヒートシンク）についても、めっき処理を施す場合がある。
【００３２】
セラミック板とアルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板とを接合してなるセラミック基板は、エッチング等の処理を行い、回路を形成した後、はんだ付けやワイヤーボンディングが可能なように、アルミニウムまたはアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板上に、めっき処理が施される。半導体素子や、電子部品等が取り付けられたこのセラミック回路基板を、ヒートシンクなどの放熱部材に取り付けて、電力制御部品として使用する。
【００３３】
めっき面を介して、放熱部材（ヒートシンク）や半導体素子等とセラミック回路基板がはんだ付けされるが、従来の方法では、めっき皮膜がアルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板の側面にも形成されるため、はんだ層がアルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板側面まで被覆する。この状態でヒートサイクル試験を行うと、放熱部材（ヒートシンク）とセラミック回路基板との熱膨張率の差に起因する応力が発生し、はんだにクラックが発生する場合がある。これは、セラミック回路基板のアルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板側面まではんだ層で被覆されているため、アルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板の応力緩和機能が十分発現されないためである
【００３４】
本発明者は、図４に示すように、セラミック板にアルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板を接合してなるセラミック基板において、このアルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板にめっき処理が施され、且つ、めっき皮膜がこのセラミック板に接触しないこと、アルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板の側面にめっき皮膜が形成されないこと、さらには、アルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板の側面、並びに、アルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板のセラミック板と対向する面と反対側の面の端部外周又は端部外周の一部に、めっき皮膜が形成されないことにより、耐はんだクラック性が極めて向上し、高い信頼性を有するセラミック基板、セラミック回路基板が得られることを見出した。
【００３５】
図５に例示するように、アルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板のセラミック板と対向する面と反対側の面の端部外周にめっき皮膜が形成されないことが好ましく、少なくとも、図６に例示するように、はんだへの負荷が最も厳しい金属板の角部にめっき皮膜が形成されないことが好ましい。
【００３６】
本発明において、アルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板のセラミック板と対向する面と反対側の面の端部外周又は端部外周の一部にめっき皮膜が形成されない場合、その部分の好ましい大きさは、アルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板の厚みと関係しており、アルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板の厚みをｔ、前記アルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板の端部からめっき皮膜までの距離をＬ２とするとき、Ｌ２／ｔが、０．０２〜１０であることが好ましい。Ｌ２は、図５に示すように、同一のセラミック基板において複数の値を有する。全てのＬ２／ｔの値が０．０２未満の場合には、前記の効果が十分でない場合があり、一方、その上限については、特に定めるべき技術的な理由はないが、不必要に大きくても基板サイズの増大につながるため好ましくなく、セラミック基板の一般的な大きさ（７０ｍｍ×３５ｍｍ）の場合には、上限値は１０であることが好ましい。
【００３７】
金属板として、アルミニウム板またはアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板を用いた本発明に係るセラミック回路基板の製造方法は、特に限定されるものではなく、例えば、次の方法で作製することができる。
【００３８】
セラミック板の両主面にアルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板を接合し、そのアルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板上に所望のパターンのめっきレジストを塗布し、さらに、めっき処理を施してめっき皮膜を形成する。次に、めっきレジストを除去し、めっき面と同等もしくは広くエッチングレジストを塗布し、エッチングにて回路パターンを形成して、セラミック回路基板を作製する。この方法により、アルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板の側面、並びに、アルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板の側面及びアルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板のセラミック板と対向する面と反対側の面の端部外周又は端部外周の一部に、めっき皮膜が形成されないセラミック回路基板が得られる。
【００３９】
アルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板の厚みは特に限定されないが、流れる電流に応じて適宜決められる。一般に、０．１〜３．０ｍｍのものが用いられることが多い。アルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板の純度は、９０質量％以上であることが好ましい。純度が９０質量％より低いと、アルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板とろう材との反応が不十分であったり、アルミニウム又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金が硬くなり、耐はんだクラック性が低下して、セラミック回路基板の信頼性が低下する場合がある。
【００４０】
セラミック板とアルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板の接合は、一般に、接合材を用いない溶湯法、活性金属ろう付け法のいずれをも採用することができるが、生産性が良く、しかも比較的低温で接合ができる活性金属ろう付け法が好ましい。
【００４１】
Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｇｅ、Ａｇ、Ｔｉなどの金属合金がろう材として用いられるが、本発明ではＡｌ−Ｃｕ系合金、Ａｌ合金、Ｃｕ合金、Mg合金が好ましい。ろう材は、ペースト又は箔として用いられる。
【００４２】
ろう材は、セラミック板、或いは、アルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板のどちらに塗布又は配置してもよく、合金箔を用いる場合は、予めアルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板と合金箔をクラッド化しておくこともできる。
【００４３】
ろう材の塗布量は、乾燥基準で５〜２０ｍｇ／ｃｍ２ が好ましい。塗布量が５ｍｇ／ｃｍ２ 未満では未反応の部分を生じる場合があり、一方、２０ｍｇ／ｃｍ２ を超えると、接合層を除去する時間が長くなり生産性が低下する場合がある。塗布方法は特に限定されず、スクリーン印刷法、ロールコーター法等の公知の塗布方法を採用できる。
【００４４】
本発明において、めっきレジストは特に限定されず、溶剤乾燥タイプインク、ＵＶ硬化タイプインク等が使用できる。塗布方法は特に限定されず、スクリーン印刷法、ロールコーター法等の公知の塗布方法を採用できる。塗布厚は、乾燥後で５〜７０μｍの厚みとなるように塗布することが望ましい。厚みが５μｍより薄いと、部分的にアルミニウムまたはアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金が表出してしまう場合があり、一方、７０μｍより厚いと、めっきレジストの除去に時間がかかり、生産性が低下する場合がある。
【００４５】
めっき処理は、特に限定されず、作業性、コスト等の面から、無電解ニッケルめっき、無電解ニッケル金めっき、はんだめっきが好ましい。なお、めっき層の厚みは特に限定されないが、２〜８μｍが望ましい。めっき厚が、２μｍ未満であると、はんだ濡れ性、ワイヤーボンディング特性等の実装特性に悪影響を与える場合がある。一方、めっき厚みが８μｍを超えると、めっき被膜の剥がれ等により基板特性に悪影響を及ぼす場合がある。
【００４６】
めっきレジストの除去方法は特に限定されず、例えば、エタノールやトルエンのような有機溶剤を用いて除去する方法や、アルカリ水溶液に浸浸させる方法が挙げられる。
【００４７】
セラミック回路基板を製造するため、アルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板にエッチングレジストを塗布しエッチングする。エッチングレジストとしては、紫外線硬化型や熱硬化型のものが好ましいものとして挙げられる。また、エッチング液は特に限定されず、塩化第２鉄溶液、塩化第２銅液、硫酸、過酸化水素水等の溶液が使用できるが、好ましいものとして、塩化第２鉄溶液、或いは塩化第２銅溶液が挙げられる。
【００４８】
エッチングによって不要な金属部分が除去されたセラミック回路基板には、塗布したろう材、その合金層および窒化物層等が残っているので、ハロゲン化アンモニウム水溶液、硫酸、硝酸等の無機酸、過酸化水素水を含む溶液を用いて、それらを除去するのが一般的である。
【００４９】
このようにして作製されたセラミック回路基板上に、はんだにより半導体素子や、電子部品等が取り付けられ、はんだにより放熱部材（ヒートシンク）と接合して電力制御部品として使用される。
【００５０】
放熱部材（ヒートシンク）については、熱伝導性に優れる銅あるいは銅合金が用いられることが多く、放熱部材（ヒートシンク）接合用金属としても銅が好ましく使用されるが、本発明においては、これに限定されるものでなく、本発明の効果を阻害しない限り、アルミニウム、タングステン、モリブデン等の金属、もしくは前述の金属−セラミック複合材などを用いることもできる。
【００５１】
はんだの種類は特に限定されないが、通常、錫、鉛、銀、ビスマス等が一般に用いられている。今後は環境問題への対応から、鉛を含まないはんだ、所謂、鉛フリーはんだが主流になるものと考えられる。はんだ付け方法は特に限定されないが、例えば、はんだペーストをスクリーン印刷法等で所定の部分に塗布し、はんだが溶融する所定の温度の炉内に入れることではんだ付けされる。
【実施例１】
【００５２】
〔実験Ｎｏ．１及び実験Ｎｏ．２６〕
銀粉末７５質量部、銅粉末２５質量部、ジルコニウム粉末１５質量部、テルピネオール１５質量部、及びポリイソブチルメタクリレートのトルエン溶液を固形分で１質量部加えて良く混練し、ろう材ペーストを調製した。このろう材ペーストを、大きさ６０×３５ｍｍ、厚み０．６３５ｍｍの窒素珪素板の一主面の全面に塗布し、反対側の主面には、図８に例示するように、全面もしくは主面の一部にスクリーン印刷機により塗布した。ろう材ペーストの塗布量（乾燥後）は７ｍｇ／ｃｍ２であった。
【００５３】
ろう材ペーストを全面に塗布した主面に、大きさ６０ｍｍ×３５ｍｍ、厚み０．３ｍｍの無酸素銅板を、反対側の主面には大きさ６０ｍｍ×３５ｍｍ、厚み０．２５ｍｍの無酸素銅板を接触配置し、圧力１．３ｍＰａの真空下、９００℃で３０分加熱した後、炉内で徐冷し、窒素珪素板−無酸素銅板接合体を作製した。
【００５４】
厚み０．３ｍｍの無酸素銅板上には図９に例示するように回路パターンの形状に、厚み０．２５ｍｍの無酸素銅板上には所定の大きさにＵＶ硬化タイプのエッチングレジストをスクリーン印刷で塗布し、エッチングレジスト硬化後、塩化第２鉄水溶液を用いてエッチング処理を行ない図９に例示するパターン形成を行った。次に、銅回路間に残留する不要なろう材や活性金属成分と窒化珪素との反応生成物を除去するため、温度６０℃の１０％フッ化アンモニウム水溶液に１０分間浸漬した。
【００５５】
得られた窒化硅素回路基板に、めっき厚みが５μｍとなるように無電解ニッケルめっきを行った後、回路側の主面に半導体素子（０．４ｍｍのシリコン板）をはんだ付けし、さらに、反対側の主面を、大きさ９０×５０ｍｍ、厚み４ｍｍの銅板中央部にはんだ付けして一体構造とし、ヒートサイクル試験を行なった。結果を表１〜４に示す。
【００５６】
〈使用材料〉
窒化珪素板：電気化学工業社製  商品名「デンカＳＮプレート」
無酸素銅：ＪＩＳ  Ｃ１０２０材
銅板：ＪＩＳ  Ｃ１１００材
エッチングレジスト：東洋紡製、商品名「ＥＲ−１１２Ｎ」
はんだ：千住金属製、商品名「スパークルペーストOZシリーズ」
銀粉末：レアメタリック製、純度９９．９％、粒径４４μｍ以下
銅粉末：高純度化学研究所製、純度３Ｎ、Powder  ca.１５μｍ
ジルコニウム粉末：高純度化学研究所製、純度９８％、Powder M ４５μｍpass  
テルピネオール：和光純薬工業製、試薬一級
ポリイソブチルメタクリレート：関東化学製、secondary  standard
【００５７】
〈評価方法〉
ヒートサイクル試験：気相中において−４０℃で３０分保持した後に室温で１０分放置し、次に気相中１２５℃で３０分保持した後に室温で１０分放置することを１回とした。この試験を３００回、５００回、１０００回及び３０００回経過させた後に、超音波映像探査装置（日立建機製ｍｉ−ｓｃｏｐｅ）を用いて、セラミックス回路基板と銅製ヒートシンクとの間に存在する半田のクラック発生状態を調べた。
【００５８】
【表１】
2006240955.tif 000003
【００５９】
【表２】
2006240955.tif 000004
【００６０】
【表３】
2006240955.tif 000005
【００６１】
【表４】
2006240955.tif 000006
【実施例２】
【００６２】
〔実験Ｎｏ．２〜９、実験Ｎｏ．２７〕
大きさ６０×３５ｍｍ、厚み０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム板の一主面に、大きさ６０×３５ｍｍの合金箔を、反対側の主面には、大きさ６０×３５ｍｍもしくは、それより小さい合金箔を窒化アルミニウム板の中心にくるように接触配置し、大きさ６０×３５ｍｍ、厚み０．４ｍｍのアルミニウム板を両主面に重ねた。次に、カーボンコンポジット板（厚さ２ｍｍ、クッション材）に挟んで、ホットプレス装置により、窒化アルミニウム基板に垂直方向に均等に２ＭＰａで加圧しながら、窒素中で５５０〜６２０℃で３０分加熱して、窒素アルミニウム板−アルミニウム板接合体を作製した。
【００６３】
得られた接合体の両主面のアルミニウム板上に、めっきレジストをスクリーン印刷法で図１０に例示するめっき保護箇所に塗布乾燥した後、めっき厚みが５μｍとなるように無電解ニッケルめっきを行った。その後、めっきレジストをエタノールで洗浄して除去し、図１０に例示するように、めっき面と同等かそれより広い所定のエッチングレジストパターンを印刷後、塩化鉄水溶液を用いてエッチングを行い、窒化アルミニウム回路基板を作製した。
【００６４】
窒化アルミニウム回路基板上に半導体素子（０．４ｍｍのシリコン板）をはんだ付けし、さらに、反対側の主面のアルミニウム板を、放熱部材（ヒートシンク）となる大きさ９０×５０ｍｍ、厚み４ｍｍの銅板中央部にはんだ付けして一体構造とし、ヒートサイクル試験を行なった。結果を表１、２に示す。
【００６５】
〈使用材料〉
窒化アルミニウム板：電気化学工業社製  商品名「デンカＡＮプレート」
合金箔：Ａｌ／９．５質量％、Ｓｉ／１質量％含有Ｍｇ合金箔
アルミニウム板：ＪＩＳ  Ａ１０８５材
めっきレジスト：太陽インキ製造社製  商品名「ＭＡ−８３０」
銅板：ＪＩＳ  Ｃ１１００材
【実施例３】
【００６６】
〔実験Ｎｏ．１０〜１７、実験Ｎｏ．２８〕
大きさ６０×３５ｍｍ、厚み０．６３５ｍｍの窒化珪素板を用いたこと以外は、実施例２と同様に行った。結果を表１、２に示す。
【実施例４】
【００６７】
〔実験Ｎｏ．１８〜２５〕
実施例２において、大きさ６０×３５ｍｍ、厚み０．４ｍｍのアルミニウム板の替わりに、大きさ６０×３５ｍｍ、厚み０．３ｍｍのアルミニウム板を用いたこと以外は、実施例２と同様に行った。結果を表１、２に示す。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明に係るセラミック回路基板の一実施の形態を示す断面模式図。
【図２】本発明に係るセラミック回路基板の一実施の形態を示す接合部の模式図。
【図３】本発明に係るセラミック回路基板の一実施の形態を示す接合部の模式図。
【図４】本発明に係るセラミック回路基板の一実施の形態を示す断面模式図。
【図５】本発明に係るセラミック回路基板の一実施の形態を示すめっき皮膜の模式図。
【図６】本発明に係るセラミック回路基板の一実施の形態を示すめっき皮膜の模式図。
【図７】従来公知のセラミックス回路基板の断面模式図。
【図８】本発明に係るろう材ペーストの塗布範囲を示す模式図。
【図９】実施例１で用いた回路パターンを示す模式図。
【図１０】実施例２で用いた回路パターンを示す模式図。
【符号の説明】
【００６９】
１    セラミック板
２    金属回路
３    金属板
４    放熱部材（ヒートシンク）
５    はんだ
６    発熱性電子部品
７    めっき皮膜
８    ろう材ペースト
９    エッチングレジスト
１０    接合用合金箔
１１    めっきレジスト
Ａ    接合部分
Ｂ    非接合部分
Ｌ１  金属板の端部から金属板とセラミック板の接合部までの距離
Ｌ２  アルミニウム板又はアルミニウムを主成分とするアルミニウム合金板の
端部からめっき皮膜までの距離
ｔ    金属板の厚み
【図１】
2006240955.tif 000007
【図２】
2006240955.tif 000008
【図３】
2006240955.tif 000009
【図４】
2006240955.tif 000010
【図５】
2006240955.tif 000011
【図６】
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【図７】
2006240955.tif 000013
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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