(57)【要約】【課題】  金属回路板同士を接続する導体における抵抗発熱による多量の熱の発生を有効に防止し、金属回路板に実装される半導体素子等の電子部品を常に正常かつ安定に作動させること。【解決手段】  貫通孔２を有するセラミック基板１の上下面に第一の活性金属ろう材４を介して金属回路板５を取着して成るとともに、貫通孔２の内面に上下面の第一の活性金属ろう材４同士を電気的に接続する第二の活性金属ろう材３が被着されたセラミック回路基板であって、第一および第二の活性金属ろう材４，３は銀−銅合金を主成分とするろう材にチタン，ジルコニウム，ハフニウムおよびこれらの水素化物の少なくとも１種から成る活性金属材を含有させて成り、第二の活性金属ろう材３における銅の含有率を第一の活性金属ろう材４における銅の含有率よりも高くした。【選択図】  図１
2006196810.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
貫通孔を有するセラミック基板の上下面に第一の活性金属ろう材を介して金属回路板を取着して成るとともに、前記貫通孔の内面に上下面の前記第一の活性金属ろう材同士を電気的に接続する第二の活性金属ろう材が被着されたセラミック回路基板であって、前記第一および第二の活性金属ろう材は銀−銅合金を主成分とするろう材にチタン，ジルコニウム，ハフニウムおよびこれらの水素化物の少なくとも１種から成る活性金属材を含有させて成り、前記第二の活性金属ろう材における銅の含有率を前記第一の活性金属ろう材における銅の含有率よりも高くしたことを特徴とするセラミック回路基板。
【請求項２】
請求項１記載のセラミック回路基板に電子部品を実装したことを特徴とする電子部品モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明のセラミック回路基板は、セラミック基板の両面に金属回路板を取着してこれら上下の金属回路板同士をセラミック基板の貫通孔内に配置したろう材で電気的に接続したセラミック回路基板およびそれを用いた電子部品モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
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、図２に示すようなセラミック基板11上に活性金属ろう材13を介して銅等から成る金属回路板14を接合させたセラミック回路基板が用いられている。
【０００３】
また、これらのセラミック回路基板は、金属回路板14の実装密度を高めるためにセラミック基板11の上下両面に金属回路板14を接合されており、これら上下両面の金属回路板14同士をセラミック基板11に設けた貫通孔12内に配置されている活性金属ろう材13で電気的に接続することが行われている。
【０００４】
かかるセラミック回路基板は、具体的には以下の方法によって製作される。
【０００５】
まず、電気絶縁性のセラミックス材料から成り、厚み方向に貫通する貫通孔12を設けたセラミック基板11を準備し、次にセラミック基板11の貫通孔12内に活性金属ろう材13（Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ−ＩｎペーストまたはＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉペースト）を配置するとともに、セラミック基板11の上下両面の所定パターンに印刷塗布する。
【０００６】
次にセラミック基板11上に活性金属ろう材13を間に挟んで銅等から成る金属回路板14を載置する。
【０００７】
そして、セラミック基板11の貫通孔12内に配置されている活性金属ろう材13と、セラミック基板11と金属回路板14との間に配されている活性金属ろう材13とを非酸化性雰囲気中にて約800℃の温度に加熱して活性金属ろう材13を溶融させ、この活性金属ろう材13でセラミック基板11と金属回路板14とを接合することによって製作される。
【特許文献１】特開平６−１３７２６号公報
【特許文献２】特開平６−１２０６３５号公報
【特許文献３】特開平１１−３４０６００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来のセラミック回路基板では、セラミック基板11の上下両面に接合されている金属回路板14同士を電気的に接続する貫通孔12に配置されている活性金属ろう材13が、加熱して溶融した時に貫通孔12底部に流れ込みやすく貫通孔12上部内側の活性金属ろう材13の厚みが部分的に薄くなりやすいため、その導通抵抗が高くなりやすかった。
【０００９】
このため、金属回路板14および貫通孔12内の活性金属ろう材13に電流が流れると、貫通孔12上部内側の活性金属ろう材13の厚みが薄くなっている部分で抵抗発熱し、その熱が金属回路板14上に半田等の接着材を介して接着固定される半導体素子等の電子部品に作用し、電子部品を安定に作動させることができないという問題点を有していた。
【００１０】
従って、本発明は上記問題点を鑑みて完成されたものであり、その目的は、金属回路板同士を接続する導体における抵抗発熱による多量の熱の発生を有効に防止し、金属回路板に実装される半導体素子等の電子部品を常に正常かつ安定に作動させることができるセラミック回路基板である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のセラミック回路基板は、貫通孔を有するセラミック基板の上下面に第一の活性金属ろう材を介して金属回路板を取着して成るとともに、前記貫通孔の内面に上下面の前記第一の活性金属ろう材同士を電気的に接続する第二の活性金属ろう材が被着されたセラミック回路基板であって、前記第一および第二の活性金属ろう材は銀−銅合金を主成分とするろう材にチタン，ジルコニウム，ハフニウムおよびこれらの水素化物の少なくとも１種から成る活性金属材を含有させて成り、前記第二の活性金属ろう材における銅の含有率を前記第一の活性金属ろう材における銅の含有率よりも高くしたことを特徴とする。
【００１２】
本発明の電子部品モジュールは、上記本発明のセラミック回路基板に電子部品を実装したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明であるセラミック回路基板では、第一およびの活性金属ろう材は銀−銅合金を主成分とするろう材にチタン，ジルコニウム，ハフニウムおよびこれらの水素化物の少なくとも１種から成る活性金属材を含有させて成り、第二の活性金属ろう材における銅の含有率を第一の活性金属ろう材における銅の含有率よりも高くしたことにより、第二の活性金属ろう材の融点を第一の活性金属ろう材の融点より高くすることができ、セラミック基板両面に印刷塗布された第一の活性金属ろう材を加熱し溶融させて金属回路板を接合させる際に、第一の活性金属ろう材が液状となる温度に加熱されて溶融したとしても、貫通孔内の第二の活性金属ろう材が溶融して低粘度になるのを抑制し、第二の活性金属ろう材が貫通孔底部に大きく流れ込むのを有効に防止できる。よって、貫通孔内側壁面の第二の活性金属ろう材の厚みが部分的に薄くなるのを防ぎ、その導通抵抗が高くなるのをより効果的に防止できる。
【００１４】
また、貫通孔の内面に被着された第二の活性金属ろう材は、セラミック基板に第一の活性金属ろう材を介して金属回路板を接合する際、第一の活性金属ろう材が押し出されて貫通孔に入り込もうとするので第二の活性金属ろう材が厚くなるため、第二の活性金属ろう材中の銀がセラミック基板中に拡散しやすくなるが、第二の活性金属ろう材の銅の含有率を高くすることにより、金属回路板を接合させる際のセラミック基板中への銀の拡散を有効に防止することもできる。その結果、セラミック回路基板の絶縁性を良好に維持できるとともに拡散した銀が金属回路板表面にまで到達して、金属回路板表面に対するワイヤーボンディング性が低下するのを有効に防止することができる。
【００１５】
以上の結果、金属回路板および貫通孔内の活性金属ろう材に電流が流れたとしても貫通孔内に配置された活性金属ろう材で抵抗発熱が起こり、多量の熱を発生することは無く、金属回路板上に半田等の接着材を介して接着固定される半導体素子等の電子部品は常に適温となり、長期にわたって正常かつ安定に作動させることが可能となる。
【００１６】
本発明の電子部品モジュールは、上記本発明のセラミック回路基板に電子部品を実装したことから、上記本発明のセラミック回路基板の特徴を有する、金属回路板に実装される電子部品を常に正常かつ安定に作動させることのできるものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に本発明のセラミック回路基板を添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明のセラミック回路基板の実施の形態の一例の断面図である。図１に示すように、１はセラミック基板、２は貫通孔、３は第二の活性金属ろう材、４は第一の活性金属ろう材、５は金属回路板である。
【００１９】
セラミック基板１は通常は略四角形状であり、金属回路板５を支持する支持部材として機能し、酸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，窒化アルミニウム質焼結体，窒化珪素質焼結体等の電気絶縁材料で形成されている。
【００２０】
セラミック基板１は、例えば窒化珪素質焼結体から成る場合であれば、窒化珪素，酸化アルミニウム，酸化マグネシウム，酸化イットリウム等の原料粉末に適当な有機バインダ，可塑剤，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や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、これを窒素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。
【００２１】
次に金属回路板５を製作する。金属回路板５は銅等から成り、銅のインゴット（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500μｍの厚みで、所定パターンに形成される。
【００２２】
金属回路板５が銅から成る場合は、これを無酸素銅で形成しておくことが好ましい。無酸素銅は第一の活性金属ろう材４を介してセラミック基板１に取着する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第一の活性金属ろう材４との濡れ性が良好となるので、金属回路板５のセラミック基板１への第一の活性金属ろう材４を介しての取着接合が強固となる。従って、金属回路板５は、銅から成る場合はこれを無酸素銅で形成しておくことが好ましい。
【００２３】
また、第一および第二の活性金属ろう材４，３は、銀−銅合金を主成分とするろう材にチタン，ジルコニウム，ハフニウムおよびこれらの水素化物の少なくとも１種から成る活性金属材を含有させて成る。ここで銀−銅合金を主成分とするというのは、第一または第二の活性金属ろう材４，３における銀−銅合金の含有率が９０質量％以上であることをいう。
【００２４】
本発明のセラミック回路基板においては、第二の活性金属ろう材３における銅の含有率が第一の活性金属ろう材４における銅の含有率よりも高くなるように、貫通孔２内に配置されることが重要である。
【００２５】
つまり、貫通孔２内に配置する第二の活性金属ろう材３中における銅の含有率が第一の活性金属ろう材４における銅の含有率に対して同等以下であれば、非酸化性雰囲気中にて約800℃の温度に加熱して第一活性金属ろう材４を溶融させ、この第一の活性金属ろう材４でセラミック基板１と金属回路板５とを接合する際、貫通孔２内に配置されている第二の活性金属ろう材３の融点が第一の活性金属ろう材４の融点と同等以下となり、第一の活性金属ろう材４が溶融した時に第二の活性金属ろう材３も同様に溶融し、貫通孔２底部に流れ込みやすくなって貫通孔２上部内側における第二の活性金属ろう材３の厚みが部分的に薄くなりやすくなる。その結果、その導通抵抗が高くなり、金属回路板５および貫通孔２内の第二の活性金属ろう材３に電流が流れると、貫通孔２上部内側の第二の活性金属ろう材３の厚みが薄くなっている部分で抵抗発熱し、その熱が金属回路板５上に半田等の接着材を介して接着固定される半導体素子等の電子部品に作用し、電子部品を安定に作動させることができなくなる。
【００２６】
これに対して、本発明においては貫通孔２内に配置する第二の活性金属ろう材３における銅の含有率が前記第一の活性金属ろう材４における銅の含有率よりも高いため、第二の活性金属ろう材３は第一の活性金属４より高い融点を有することにより、貫通孔２内の第二の活性金属ろう材３が貫通孔２底部に大きく流れ込むことが抑制され、貫通孔２内側壁面の第二の活性金属ろう材３の厚みが部分的に薄くなるのを防ぎ、その導通抵抗が高くなるのをより効果的に防止できる。
【００２７】
また、貫通孔２の内面に被着された第二の活性金属ろう材３は、セラミック基板１に第一の活性金属ろう材４を介して金属回路板５を接合する際、第一の活性金属ろう材４が押し出されて貫通孔２に入り込もうとするので第二の活性金属ろう材３が厚くなるため、第二の活性金属ろう材３中の銀がセラミック基板１中に拡散しやすくなるが、第二の活性金属ろう材３の銅の含有率を高くすることにより、金属回路板５を接合させる際のセラミック基板１中への銀の拡散を有効に防止することもできる。その結果、セラミック回路基板の絶縁性を良好に維持できるとともに拡散した銀が金属回路板５表面にまで到達して、金属回路板５表面に対するワイヤーボンディング性が低下するのを有効に防止することができる。
【００２８】
第一および第二の活性金属ろう材４，３は、例えば、銀粉末と銅粉末とを含むろう材粉末、または銀−銅合金粉末を含むろう材粉末に、チタン、ジルコニウム、ハフニウムおよびこれらの水素化物の少なくとも１種から成る活性金属材を第一または第二の活性金属ろう材４，３の全量に対し例えば２〜５質量％含有させ、これらに適当な有機溶剤、溶媒を添加混合し、混練することによって活性金属ろう材ペーストとして製作される。そして、この活性金属ろう材ペーストをセラミック基板１に塗布して上下に金属回路板５を積層した後、加熱することにより、第一および第二の活性金属ろう材４，３がセラミック基板１や金属回路板５と強固に密着する。
【００２９】
本発明のセラミック回路基板において、好ましくは、第二の活性金属ろう材３における銅の含有率が第一の活性金属ろう材４における銅の含有率の１．２５〜２．５倍であるのがよい。
【００３０】
１．２５倍未満であると、第二の活性金属ろう材３の融点が第一の活性金属ろう材４と近いものとなり、第二の活性金属ろう材３が貫通孔２底部への流れ込むのを防止するという効果が小さくなりやすい。また、２．５倍を超えると第二の活性金属ろう材３の融点が第一の活性金属ろう材４に比べて高くなり過ぎ、金属回路板５を接合する際、第二の活性金属ろう材３の溶融が起こり難くなり、第一および第二の活性金属ろう材４，３の境界で接続不良が生じ易くなったり、貫通孔２内面に対する第二の活性金属ろう材３の密着性が低下しやすくなったりする。
【００３１】
また、貫通孔２内に配置する第二の活性金属ろう材３は、第二の活性金属ろう材３における銀−銅合金を主成分とするろう材全体に対し銅が４０質量％未満だと、ろう材の融点が８２０℃以下となりセラミック基板１の上下面に配置する第一の活性金属ろう材４の融点に近くなるため、第一の活性金属ろう材４を加熱して溶融した際に、第二の活性金属ろう材３も同様に溶融し、貫通孔２底部に流れ込みやすくなる。また、銅が５０質量％を越えると、ろう材の融点は８５０℃以上となり、第一の活性金属ろう材４を加熱して溶融した際に第二の活性金属ろう材３が溶融しにくくなって貫通孔２内壁に対する接合強度が低下しやすくなる。従って、第二の活性金属ろう材３は、第二の活性金属ろう材３における銀−銅合金を主成分とするろう材全体に対して銅が４０〜５０質量％の範囲が好ましい。
【００３２】
セラミック基板１の上下面に配置される第一の活性金属ろう材４は、第一の活性金属ろう材４における銀−銅合金を主成分とするろう材全体に対し銅が２０質量％未満または４０％を越えると、第一の活性金属ろう材４のセラミック基板１や金属回路板５に対する濡れ性が低下して、セラミック基板１と金属回路板５との接合強度が低下しやすくなる。従って、第一の活性金属ろう材４は、第一の活性金属ろう材４における銀−銅合金を主成分とするろう材全体に対し銅が２０〜４０質量％の範囲が好ましい。
【００３３】
好ましくは、第一および第二の活性金属ろう材４，３は、銀−銅合金の含有率（銀の含有率と銅の含有率の合計）が同じであるとともに、銀−銅合金以外の残部金属の成分および組成比が同じであるのがよい。これにより、第一と第二の活性金属ろう材４，３とにおいて、銀と銅との含有比率のみが異なることとなり、近似した成分となるので、第一および第二の活性金属ろう材４，３同士が非常になじみやすくなり、第一および第二の活性金属ろう材４，３同士の界面に剥離などが生じるのを有効に防止して導通信頼性を高めることができる。
【００３４】
また、第一および第二の活性金属ろう材４，３となる活性金属ろう材ペーストに用いる銀粉末と銅粉末、または銀−銅合金粉末を含むろう材粉末の粒径は１μｍ未満になるとろう材粉末の比表面積が大きくなってろう材粉末表面に形成される酸化皮膜中に多くの酸素が存在し、酸素によって第一および第二の活性金属ろう材４，３のセラミック基板１や金属回路板５に対する濡れ性が低下して、セラミック基板１と金属回路板５との接合強度が低下しやすくなる。したがって、ろう材粉末の粒径は１μｍ以上としておくことが好ましい。
【００３５】
更にチタン、ジルコニウム、ハフニウムおよびこれらの水素化物の少なくとも１種から成る活性金属材粉末はろう材をセラミック基板１に強固に接合する作用をなし、活性金属材粉末が第一および第二の活性金属ろう材４，３の金属成分全体の２質量％未満となると活性金属材の絶対量が不足してろう材をセラミック基板１に強固に接合させることが困難になり、また第一および第二の活性金属ろう材４，３の金属成分全体の５質量％を越えると活性金属材とセラミック基板１との間に脆弱な反応層が厚く形成され、結果的に第一および第二の活性金属ろう材４，３とセラミック基板１との接合強度が低下しやすくなる。したがって、活性金属材の含有率は第一および第二の活性金属ろう材４，３の金属成分全体の２〜５質量％の範囲にしておくことが好ましい。
【００３６】
本発明のセラミック回路基板は、以下のようにして作製される。先ず、セラミック基板１の貫通穴２内の内側に第二の活性金属ろう材ペーストを従来周知のスクリーン垂れ込み印刷法を用いて印刷塗布する。
【００３７】
次にセラミック基板１の上下面に第一の活性金属ろう材ペーストを従来周知のスクリーン印刷法を用いて、例えば30〜50μｍの厚さで所定パターンに印刷塗布するとともに、所定パターンに印刷塗布された第一の活性金属ろう材ペースト上に金属回路板５を載置する。
【００３８】
そしてセラミック基板１と金属回路板５との間に配されている第一および第二の活性金属ろう材ペーストを、金属回路板５に１ｃｍ２あたり50〜100ｇの加重をかけながら非酸化性雰囲気中にて約800℃の温度に加熱し、第一および第二の活性金属ろう材ペーストの有機溶剤や溶媒を気散させるとともにろう材を溶融せしめセラミック基板１の上下面と金属回路板５を接合させることによって、セラミック基板１の上下面に金属回路板５が取着され、セラミック回路基板となる。
【００３９】
さらに、上記本発明のセラミック回路基板の金属回路板５上に半導体素子などの電子部品を実装することにより本発明の電子部品モジュールとなる。これにより、上記本発明のセラミック回路基板の特徴を有する、金属回路板５に実装される電子部品を常に正常かつ安定に作動させることのできるものとなる。
【００４０】
なお、本発明は上述の最良の形態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種々の変更を行うことは何等差し支えない。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明のセラミック回路基板の実施の形態の一例を示す断面図である。
【図２】従来のセラミック回路基板の断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１：セラミック基板
２：貫通孔
３：第二の活性金属ろう材
４：第一の活性金属ろう材
５：金属回路板
【図１】
2006196810.tif 000003
【図２】
2006196810.tif 000004