(57)【要約】  【課題】金属回路板に信号端子を超音波接合するときに、セラミック基板に部分的クラックが生じて、セラミック回路基板の機械強度が低下してしまう。  【解決手段】セラミック基板１に接合された金属回路板２の表面に、信号端子３が超音波接合法により表面同士を融着させることによって取着されたセラミック回路基板において、平面視で金属回路板２と信号端子３との融着部４の外側の領域に、金属回路板２と、信号端子３とが当接している当接部を備えるとともに、該当接部は、融着部４を平面視で囲繞することを特徴とする。  【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基板に接合された金属回路板の表面に、信号端子が超音波接合法により表面同士を融着させることによって取着されたセラミック回路基板において、平面視で前記金属回路板と前記信号端子との融着部の外側の領域に、前記金属回路板と、前記信号端子とが当接している当接部を備えるとともに、該当接部は、前記融着部を平面視で囲繞することを特徴とするセラミック回路基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属回路板に信号端子を超音波接合によって取着したセラミック回路基板に関するものである。
【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、セラミック基板上に活性金属ロウ材を介して銅等から成る金属回路板を直接接合させたセラミック回路基板が用いられている。
【０００３】
かかるセラミック回路基板は、酸化アルミニウム質焼結体から成るセラミック基板を用いる場合には、具体的には以下の方法によって製作される。
【０００４】
まず、銀−銅合金にチタン・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種を添加した活性金属粉末に有機溶剤・溶媒を添加混合してロウ材ペーストを調製する。
【０００５】
次に、酸化アルミニウム・酸化珪素・酸化マグネシウム・酸化カルシウム等の原料粉末に適当な有機バインダ・可塑剤・溶剤等を添加混合して泥漿状と成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のテープ成形技術を採用して複数のセラミックグリーンシートを得た後、所定寸法に形成し、次にセラミックグリーンシートを必要に応じて上下に積層するとともに還元雰囲気中にて約1600℃の温度で焼成し、セラミックグリーンシートを焼結一体化させて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する。
【０００６】
次に、セラミック基板上にロウ材ペーストを間に挟んで銅等から成る金属回路板を載置する。
【０００７】
そして最後に、セラミック基板と金属回路板との間に配されているロウ材ペーストを非酸化性雰囲気中にて約900℃の温度に加熱して溶融させ、このロウ材でセラミック基板と金属回路板とを接合することによって製作される。
【０００８】
このように製作されたセラミック回路基板は、ＩＣやＬＳＩ等の半導体素子等の電子部品を半田などの接着剤を介して実装した後、外部入出力用の信号端子が一体成型された樹脂ケースに組み立てられ、半導体モジュールとなる。この半導体モジュールは、ロボットなどの産業機器から電車の駆動部や電気自動車などの幅広い用途に使用され、厳しい環境下での高い信頼性が要求されている。
【０００９】
しかしながら、この信号端子一体成型樹脂ケースの作製には成型用金型が必要であり製造コストが高いことから、半導体モジュールの製造コストが増加する難点があった。また、信号端子一体成型樹脂ケースにセラミック回路基板を組み立てた後、信号端子とセラミック回路基板をボンディングワイヤなどで電気的に接続する必要があった。
【００１０】
このため、信号端子を金属回路板に半田や超音波接合法等で直接接合したセラミック回路基板が採用されるようになってきている。
【００１１】
しかしながら、半田を用いて接合する場合には、半導体素子などの電子部品を実装するときの加熱温度によって接合がはずれないように、その加熱温度より融点が高い高温半田が必要である。また、半導体素子が実装され半導体モジュールとして使用されるときに発生する熱・振動により半田内部にクラックが発生しやすく、信頼性が劣化することがある。そのため、より信頼性が高い超音波接合法が採用され始めている。
【００１２】
超音波接合法による金属回路板と信号端子の接合は、例えば金属回路板に接触させた信号端子接合部の表面に超音波発振ホーンを押圧しながら超音波振動させ、金属回路板と信号端子接合部との間に相互拡散による固相互接合を起こすことによって行なわれる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、上記のような従来のセラミック回路基板は、金属回路板に信号端子を超音波接合するときに、例えば、金属回路板に接触させた信号端子接合部の表面には約10〜50ＭＰａの圧力で超音波発振ホーンが押圧されるため、この高圧力が部分的に信号端子接合部分の直下のセラミック基板に金属回路板と接合ロウ材を介して加わることになる。
【００１４】
また、超音波振動により発生する約500℃以上の熱が瞬間的に信号端子接合部分の直下のセラミック基板に金属回路板と接合ロウ材を介して加わることになる。このため信号端子接合部分の直下のセラミック基板に微小な部分的クラックを生じることがあり、その結果、セラミック回路基板の機械的強度が低下することから信頼性が著しく劣化してしまうことがあるという問題点を有していた。
【００１５】
これに対し、セラミック基板に生じる部分的クラックを抑制するために、超音波発振ホーンを押圧する圧力を低下させると、金属回路板と信号端子との接合部間の相互拡散が不充分になり、その結果、金属回路板と信号端子との接合強度が低下することから信頼性が著しく劣化するという問題点を有していた。
【００１６】
本発明は上記問題点に鑑み完成されたもので、その目的は、セラミック回路基板への信号端子接合時にセラミック基板のクラック発生を防止してセラミック基板の機械強度を低下させず、しかも金属回路板と信号端子との接合強度を高いものとして、搭載される半導体素子等の電子部品を安定して作動させることができるセラミック回路基板を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、セラミック基板に接合された金属回路板の表面に、信号端子が超音波接合法により表面同士を融着させることによって取着されたセラミック回路基板において、平面視で前記金属回路板と前記信号端子との融着部の外側の領域に、前記金属回路板と、前記信号端子とが当接している当接部を備えるとともに、該当接部は、前記融着部を平面視で囲繞することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のセラミック回路基板によれば、超音波接合時の高圧力が金属回路板の端部に集中せず、良好に分散し、また、瞬間的に発生する500℃以上の高熱が分散して放熱するため、金属回路板と信号端子との融着部分に充分な拡散層を形成しつつ、セラミック基板の部分的クラックの発生を防止することができる。その結果、セラミック基板の機械強度が高く信号端子と金属回路板との接合信頼性の高いセラミック回路基板とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
次に、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
【００２０】
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を示す断面図、図２はその平面図であり、１はセラミック基板、２は金属回路板、３は信号端子、４は金属回路板と信号端子との融着部である。なお、図２においては融着部４は信号端子３を透視して一点鎖線で示している。
【００２１】
セラミック基板１は略四角形状をなし、その表面に金属回路板２が接合されている。セラミック基板１は金属回路板２を支持する支持部材として機能し、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）質焼結体・ムライト（３Ａｌ2Ｏ3・２ＳｉＯ2）質焼結体・炭化珪素（ＳｉＣ）質焼結体・窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質焼結体・窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）質焼結体等の電気絶縁材料で形成されている。
【００２２】
セラミック基板１は、例えば酸化アルミニウム質焼結体で形成されている場合であれば、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状となすとともに、その泥漿物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、しかる後、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すとともに、これを複数枚積層し、約1600℃の高温で焼成することによって製作される。
【００２３】
また、セラミック基板１の表面には、金属回路板２が例えばロウ材を介して接合されている。セラミック基板１はその厚みを0.2〜1.0ｍｍとすることが、セラミック回路基板の小型化・薄型化の要求を満足するためや、金属回路板２を接合したときのセラミック基板１の割れ抑制や、搭載される半導体素子から発生する100℃以上の熱の伝達性の点で好ましい。厚みが0.2ｍｍ未満では、セラミック基板１と金属回路板２を接合したときに発生する応力により、セラミック基板１に割れ等が発生しやすくなる傾向がある。他方、1.0ｍｍを超えると薄型化への対応が困難となるとともに、搭載される半導体素子から発生する100℃以上の熱を良好に放熱することが困難となる傾向がある。
【００２４】
金属回路板２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の表面に例えばロウ材を介して以下のようにして接合される。
【００２５】
まず、銀−銅合金粉末等から成る銀ロウ粉末や、アルミニウム−シリコン合金粉末等から成るアルミニウムロウ粉末に、チタン・ジルコニウム・ハフニウム等の活性金属やその水素化物の少なくとも１種から成る活性金属粉末を２〜５重量％添加した活性金属ロウ材に、適当な有機溶剤・溶媒を添加混合して得た活性金属ロウ材ペーストを、セラミック基板１の表面に従来周知のスクリーン印刷技術を用いて金属回路板２に対応した所定パターンに印刷する。
【００２６】
その後、金属回路板２をこのロウ材パターン上に載置し、これを真空中、または中性雰囲気中もしくは還元雰囲気中で、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、活性金属ロウ材を溶融させてセラミック基板１の表面と金属回路板２とを接合させる。これにより、セラミック基板１の表面に金属回路板２がロウ材を介して接合されることとなる。
【００２７】
銅やアルミニウム等から成る金属回路板２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の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0.5ｍｍで、所望の回路配線パターン形状に製作される。
【００２８】
金属回路板２の厚さは、セラミック回路基板の小型化・薄型化の要求を満足するためや、20〜50Ａの高電流信号を伝達するための電気抵抗や、セラミック基板１と接合したときのセラミック基板１の割れ防止の点で0.1〜1.0ｍｍが好ましい。厚さが0.1ｍｍ未満では、電気抵抗が大きくなるため20〜50Ａの高電流信号が良好に流れにくくなる傾向がある。他方、1.0ｍｍを超えると薄型化への対応が困難となるとともに、セラミック基板１と金属回路板２を接合したときに発生する応力により、セラミック基板１に割れ等が発生しやすくなる傾向がある。
【００２９】
また、金属回路板２は、銅から成る場合であれば、金属回路板２を無酸素銅で形成しておくと、無酸素銅はロウ付けの際に活性金属ロウ材が銅中に存在する酸素により酸化されることなく濡れ性が良好となることから、セラミック基板１へ強固に接合できる。従って、金属回路板２はこれを無酸素銅で形成しておくことが好ましい。
【００３０】
信号端子３は、銅や銅合金やアルミニウム等の金属材料から成り、金属回路板２の表面に超音波接合法によって例えば以下のように取着する。
【００３１】
まず金属回路板２の表面に信号端子３を接触配置させ、次に信号端子３表面の９〜100ｍｍ2の接合範囲に超音波発振ホーンを10〜30ＭＰａで押圧し、30〜50ｋＨｚの超音波を用いた振幅20〜40μｍの振動を0.2〜1.0秒間加えることにより、金属回路板２と信号端子３との間に相互拡散による固相接合を起こすことによって接合強度５ｋＮ／ｍ以上に取着される。
【００３２】
金属回路板２と信号端子３の接合強度は、半導体モジュールに要求される高い信頼性を確保するために、例えば−40℃〜125℃の温度サイクル試験（ＴＣＴ）で300サイクル以上の接合信頼性が必要である。接合強度が５ｋＮ／ｍ未満の場合には、この温度サイクル試験300サイクルで信号端子３の剥離が発生しやすくなる。このため、金属回路板２と信号端子３の接合強度は５ｋＮ／ｍ以上が必要である。
【００３３】
なお、金属回路板２と信号端子３の接合強度は、信号端子３を上方垂直方向に引き剥がすこと（ピーリング試験）によって、単位長さ当たりの強度（単位はＮ／ｍで表わす。ｋＮ／ｍは1000Ｎ／ｍを示す。）として求められる。
【００３４】
金属回路板２の材料と信号端子３の材料は、超音波接合時の相互拡散を均一に起こすためには同一材料にすることが好ましい。
【００３５】
本発明のセラミック回路基板によれば、超音波振動が付加されたときの高圧力と高熱を良好に分散・放熱し、セラミック基板に部分的クラックを発生することなく、強固に信号端子３を金属回路板２表面に取着することができる。また、セラミック回路基板に半導体素子を搭載し動作させたときの熱や振動により信号端子３が金属回路板２から剥離しにくくなり、信頼性が高いものとすることができる。
【００３６】
金属回路板２と信号端子３との融着部４外周から金属回路板２の外周までの距離は１ｍｍ以上で、好ましくは５ｍｍ以内の範囲にするとよい。この距離が１ｍｍ未満では超音波接合時の高圧力と高熱を良好に分散・放熱しにくい傾向があり、セラミック基板の部分的クラックが発生しやすくなる。他方、５ｍｍを超えると金属回路板２が不必要に大きくなるため金属回路板２を高密度にセラミック基板１に配置しにくくなりやすく、このためセラミック回路基板の小型化・高密度化が困難となる。したがって、金属回路板２と信号端子３との融着部４外周から金属回路板２の外周までの距離は１ｍｍ以上とし、好ましくは５ｍｍ以内の範囲とするとよい。
【００３７】
銅やアルミニウム等から成る信号端子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の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0.5ｍｍで、所望の信号端子形状に製作される。信号端子３の厚さは、20〜50Ａの高電流信号を伝達するための電気抵抗や、金属回路板２と超音波接合したときの接合強度の点で0.1〜1.0ｍｍが好ましい。厚さが0.1ｍｍ未満では、電気抵抗が大きくなるため20〜50Ａの高電流信号が良好に流れにくくなる傾向がある。他方、1.0ｍｍを超えると、金属回路板２に信号端子３を超音波接合する際の相互拡散が不充分になりやすく、接合強度が弱くなりやすい傾向がある。
【００３８】
なお、本発明は上述の実施の形態の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る。
【００３９】
例えば、上述の実施の形態の例ではセラミック基板に活性金属ロウ材を介して直接に金属回路板をロウ付けしたが、これをセラミック基板の表面に予めタングステンまたはモリブデン等のメタライズ金属層を被着させておき、このメタライズ金属層に金属回路板をロウ材を介して接合させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【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】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平面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１：セラミック基板
２：金属回路板
３：信号端子
４：金属回路板と信号端子との融着部
【図１】
2006196916.tif 000003
【図２】
2006196916.tif 000004