(57)【要約】  【課題】  大電流を流せる複雑な多層構造を有し、信頼性が高く、小型化や薄型化のできるセラミック回路基板および電子装置を提供すること。  【解決手段】  セラミック基板１が積層されて互いに接合されたセラミック多層基板と、セラミック多層基板の上面および下面に接合された表層金属回路板３と、内層のセラミック基板１に形成された回路貫通孔１ａ内に配置された内層金属回路板４と、一端が内層金属回路板４に、他端が他の内層金属回路板４または表層金属回路板３にそれぞれろう材２によって接合され、内層金属回路板４と他の内層金属回路板４または表層金属回路板３とを接続する金属柱５とを備えるセラミック回路基板である。内層金属回路板４も表層金属回路板３と同様に金属板からなるので大電流を流すことができ、回路貫通孔１ａの内壁面に熱応力が加わらないようにすることができ、信頼性が高く、小型化や薄型化できるセラミック回路基板となる。【選択図】  図１
2011199275.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３層以上のセラミック基板が積層されて互いにろう材によって接合されたセラミック多層基板と、該セラミック多層基板の上面および下面にろう材によって接合された表層金属回路板と、内層の前記セラミック基板に形成された内層回路パターン形状の回路貫通孔内に配置された内層金属回路板と、前記回路貫通孔が形成された前記セラミック基板の上下の前記セラミック基板に形成された貫通孔内に配置され、一端が前記内層金属回路板に、他端が他の前記内層金属回路板または前記表層金属回路板にそれぞれろう材によって接合され、前記内層金属回路板と他の前記内層金属回路板または前記表層金属回路板とを接続する金属柱とを備える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に記載のセラミック回路基板に電子部品が搭載され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、セラミック基板に金属板からなる回路が形成されたセラミック回路基板およびそれを用いた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）などの半導体素子が搭載され
、大きな電流を流すための、パワーモジュールやスイッチングモジュール等の電子装置に用いられる回路基板として、セラミック基板の両面に銅やアルミニウム等の金属板からなる金属回路板を接合したセラミック回路基板が用いられている。
【０００３】
このようなセラミック回路基板は、電気自動車の制御装置や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り、また、小型化や高密度化が要求されている。セラミック回路基板の回路を高密度化して小型化する方法として、セラミック回路基板の表面だけでなく内部にまで回路導体を形成する方法がある。
【０００４】
その方法の１つとしては、いわゆるセラミック多層配線基板の内部回路導体を絶縁層１層分の厚みの、絶縁層と同時焼成のメタライズで形成して、セラミック多層基板の表面に金属回路板を接合したものがある（例えば、特許文献１を参照。）。
【０００５】
また、別の方法として、上側のセラミック基板の下面に接合された上側金属回路板と、下側のセラミック基板の上面に接合され、平面視形状が上側金属回路板に対応する形状の下側金属回路板とを接合材を介して接合することによって、上下に隣接するセラミック基板間に金属回路を形成したことものがある（例えば、特許文献２を参照。）。
【０００６】
また、さらに別の方法としては、鋳型内に複数のバイアホール用の貫通孔を有するセラミック基板を互いに離間して配置し、この鋳型内に金属溶湯を注湯した後に金属溶湯を冷却して固化させることにより、セラミック基板上およびセラミック基板間に金属板および上下の金属板を接続するバイアホールを形成するものがある（例えば、特許文献３を参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開2003−31946号公報
【特許文献２】特開2006−319313号公報
【特許文献３】特開2006−66595号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、セラミック多層配線基板に絶縁層１層分の厚みの、絶縁層と同時焼成のメタライズで内部回路導体を形成する方法においては、内部回路導体を絶縁層と同時焼成するためには、導電性の良い純銅等の材料を導体層として使用できないため、より小型の配線で大電流を流すことは難しく、また、厚みの厚い内部回路導体がセラミックからなる絶縁層内に充填されていることから、セラミック回路基板に搭載した電子部品の発熱による内部回路導体と絶縁層との間の熱応力によって絶縁層にクラックが入ってしまい、絶縁性が低下しやすいという問題点があった。
【０００９】
また、上側のセラミック基板の下面に接合された上側金属回路板と、下側のセラミック
基板の上面に接合された下側金属回路板とを接合材を介して接合する方法では、内部回路導体は２枚の金属板とその間の接合材からなるので、セラミック回路基板の厚みが厚くなり、小型化には不向きであるという問題点があった。
【００１０】
また、内部回路導体を鋳造で形成する方法では、その作製が容易ではなく、またセラミック基板上の金属板はエッチング等によって回路パターン形状に加工することができるが、セラミック基板間に形成される金属板はそのようなパターン加工ができないため、いわゆるベタ導体しか形成することができず、内部回路導体の形状の自由度がなく、高密度化ができないという問題点があった。
【００１１】
本発明は上記問題点に鑑み完成されたものであり、複雑な形状の内部回路導体を金属板で形成しても、大電流を流すことができるとともに、信頼性が高く、小型化や薄型化のできるセラミック回路基板および電子装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明のセラミック回路基板は、３層以上のセラミック基板が積層されて互いにろう材によって接合されたセラミック多層基板と、該セラミック多層基板の上面および下面にろう材によって接合された表層金属回路板と、内層の前記セラミック基板に形成された内層回路パターン形状の回路貫通孔内に配置された内層金属回路板と、前記回路貫通孔が形成された前記セラミック基板の上下の前記セラミック基板に形成された貫通孔内に配置され、一端が前記内層金属回路板に、他端が他の前記内層金属回路板または前記表層金属回路板にそれぞれろう材によって接合され、前記内層金属回路板と他の前記内層金属回路板または前記表層金属回路板とを接続する金属柱とを備えることを特徴とするものである。
【００１３】
そして、本発明の電子装置は、上記構成のセラミック回路基板に電子部品が搭載されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のセラミック回路基板によれば、３層以上のセラミック基板が積層されて互いにろう材によって接合されたセラミック多層基板と、セラミック多層基板の上面および下面にろう材によって接合された表層金属回路板と、内層のセラミック基板に形成された内層回路パターン形状の回路貫通孔内に配置された内層金属回路板と、回路貫通孔が形成されたセラミック基板の上下のセラミック基板に形成された貫通孔内に配置され、一端が内層金属回路板に、他端が他の内層金属回路板または表層金属回路板にそれぞれろう材によって接合され、内層金属回路板と他の内層金属回路板または表層金属回路板とを接続する金属柱とを備えることから、内層金属回路板も表層金属回路板と同様に金属板からなるので大電流を流すことができ、内層金属回路板は回路貫通孔内に配置されて充填されないので、内層金属回路板とセラミック基板との熱膨張係数が異なっていても、回路貫通孔の内壁面にセラミック基板が破損するような熱応力が加わらないようにすることができ、内層金属回路板は１枚の金属板からなり、予め内層回路パターン形状に加工した金属板で形成されるので、大電流を流せる複雑な回路パターン形状の内部回路導体とすることができ、信頼性が高く、小型化や薄型化のできるセラミック回路基板となる。
【００１５】
本発明の電子装置によれば、上記構成の本発明のセラミック回路基板に電子部品が搭載されていることから、大電流を流すことができ、信頼性が高く、小型で薄型化の電子装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】（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Ａ−Ａ線における断面図であり、（ｃ）は（ｂ）のＡ−Ａ線における断面図である。
【図２】図１（ｂ）のＡ部の拡大図である。
【図３】本発明の電子装置の実施の形態の他の例の要部を拡大して示す断面図である。
【図４】本発明の電子装置の実施の形態のさらに他の例の要部を拡大して示す断面図である。
【図５】本発明の電子装置の実施の形態のさらに他の例の要部を拡大して示す断面図である。
【図６】本発明の電子装置の実施の形態のさらに他の例の要部を拡大して示す断面図である。
【図７】図１（ｃ）に示された構造の他の例を示す断面図である。
【図８】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ本発明のセラミック回路基板を製造する工程の一例を示す断面図である。
【図９】（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ本発明のセラミック回路基板を製造する工程の一例を示す断面図である。
【図１０】（ａ）および（ｂ）は、それぞれ本発明のセラミック回路基板を製造する工程の一例を示す断面図である。
【図１１】（ａ）は本発明の電子装置の実施の形態の他の一例を示す上面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における断面図であり、（ｃ）は下面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明のセラミック回路基板および電子装置について、添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。図１〜図11において、１はセラミック基板、１ａはセラミック基板１に形成された回路貫通孔、１ｂはセラミック基板１に形成された貫通孔、２はろう材、３は表層金属回路板、４は内層金属回路板、５は金属柱、６は電子部品、７はボンディングワイヤ、８は放熱板、９は枠体、９ａは絶縁枠体、９ｂは金属枠体である。
【００１８】
本発明のセラミック回路基板は、図１および図11に示す例のように、３層以上のセラミック基板１が積層されて互いにろう材２によって接合されたセラミック多層基板と、セラミック多層基板の上面および下面にろう材２によって接合された表層金属回路板３と、内層のセラミック基板１に形成された内層回路パターン形状の回路貫通孔１ａ内に配置された内層金属回路板４と、回路貫通孔１ａが形成されたセラミック基板１の上下のセラミック基板１に形成された貫通孔１ｂ内に配置され、一端が内層金属回路板４に、他端が他の内層金属回路板４または表層金属回路板３にそれぞれろう材２によって接合され、内層金属回路板４と他の内層金属回路板４または表層金属回路板３とを接続する金属柱５とを備えるものである。このような構成としたことから、内層金属回路板４も表層金属回路板３と同様に金属板からなるので大電流を流すことができ、内層金属回路板４は回路貫通孔３内に配置されて充填されないので、内層金属回路板４とセラミック基板１との熱膨張係数が異なっていても、回路貫通孔１ａの内壁面にセラミック基板１が破損するような熱応力が加わらないようにすることができ、内層金属回路板４は１枚の金属板からなり、予め内層回路パターン形状に加工した金属板で形成されるので、大電流を流せる複雑な回路パターン形状の内部回路導体とすることができ、信頼性が高く、小型化や薄型化のできるセラミック回路基板となる。
【００１９】
また、内層のセラミック基板１には、表層金属回路板３や内層金属回路板４との熱膨張係数の差による熱応力等の機械的応力が加わらない構造とすることができるので、例えば表層のセラミック基板１に強度に優れた窒化ケイ素基板を用い、内層のセラミック基板１には熱伝導性に優れた窒化アルミニウム基板を用いることができるので、熱放散性とセラミック基板１の機械的強度に依存する温度サイクル信頼性のような異なる特性を両立させたセラミック回路基板とすることができる。
【００２０】
そして、内層金属回路板４によって回路を引き回すので、表層金属回路板３を小型にすることができ、表層金属回路板３とセラミック基板１との間に発生する熱応力を小さいものとすることができ、表層金属回路板３の接合信頼性が高いものとなる。
【００２１】
図１に示す例では、セラミック多層基板は３層のセラミック基板１が積層されて互いにろう材２によって接合されて形成されており、セラミック多層基板の上面には内層金属回路板４と接続される６つの表層金属回路板３と、電子部品６を搭載するための１つの表層金属回路板３が接合され、下面には、内層金属回路板４および金属柱５を介して上面の表層金属回路板３にそれぞれ電気的に接続される６つの表層金属回路板３と、電子部品６で発生した熱を外部回路基板や冷却体へ伝導するための放熱板８が接合されている。セラミック多層基板の層数は３層よりも多くてもよく、内層回路導体を１層増やすには、内層金属回路板４が内部に配置される回路貫通孔１ａを有するセラミック基板１と金属柱５が内部に配置される貫通孔１ｂを有するセラミック基板１との２層のセラミック基板１を追加することになる。
【００２２】
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，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（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，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や炭化ケイ素質セラミックスが好ましい。また、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であると、より厚みの厚い表層金属回路板３、内層金属回路板４および放熱板８を使用してもセラミック基板１にクラックが入ったりしないので、小型でもより大電流を流すことができるセラミック回路基板となるので好ましい。厚みは、薄い方が熱伝導性の点ではよいが、セラミック回路基板の大きさや用いる材料の熱伝導率や強度に応じて選択すればよく、0.1ｍｍ〜１ｍｍ程度である。
【００２３】
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，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，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。
【００２４】
セラミック基板１の回路貫通孔１ａは内層金属回路板４を収容するための貫通孔であり、図１（ｃ）に示す例のように、内層金属回路板４より一回り大きいものである。貫通孔１ｂは表層金属回路板３と内層金属回路板４または表層金属回路板３とを接続する金属柱５を収容するための貫通孔であり、金属柱５の横断面より一回り大きいものである。具体的には、内層金属回路板４の側面と回路貫通孔１ａの内壁面との間の距離、および金属柱５の側面と貫通孔１ｂの内壁面との間の距離は、それぞれ内層金属回路板４の長さや幅の１％の長さ、および金属柱５の横断面の長さ（金属柱５が円柱の場合であれば直径）の１％程度であれば、比較的熱膨張係数の小さい窒化ケイ素質セラミックス（熱膨張係数：約３×10−６／℃）から成るセラミック基板１と、銅とアルミニウムとで熱膨張係数の大きいアルミニウム（熱膨張係数：約23×10−６／℃）から成る内層金属回路板４および金属柱５を用いた場合であっても、セラミック回路基板に搭載した電子部品の発熱、あるいは大電流による内層金属回路板４自身の発熱に起因して、セラミック基板１と内層金属回路板４および金属柱５との熱膨張差によって回路貫通孔１ａおよび貫通孔１ｂの内面に応力が加わることがない。
【００２５】
また、セラミック基板１の厚みは、内層金属回路板４の厚みおよび金属柱５の高さよりも厚いのが好ましい。セラミック基板１の厚みがこれらのいずれの厚みより薄いと、セラミック基板１と内層金属回路板４および金属柱５との熱膨張差によって、金属柱５が表層金属回路板３を貫通孔１ｂ内から押さえる力が作用して、表層金属回路板３とセラミック基板１との接合強度および接続信頼性が低下しやすくなるからである。また、セラミック基板１の厚みが内層金属回路板４の厚み以下であると、セラミック基板１と内層金属回路板４との熱膨張差によって、回路貫通孔１ａを有するセラミック基板１の上下に接合されたセラミック基板１を内層金属回路板４が押さえる力が作用して、回路貫通孔１ａを有するセラミック基板１とその上下のセラミック基板１との接合強度および接続信頼性が低下しやすくなるからである。
【００２６】
回路貫通孔１ａおよび貫通孔１ｂは、上記のセラミック基板１の製造工程において、セラミックグリーンシートに金型加工やレーザー加工によって孔を形成しておくことで形成することができる。あるいは、セラミック基板１を作製した後にレーザー加工やサンドブラスト加工によって形成する。
【００２７】
表層金属回路板３、内層金属回路板４、金属柱５および放熱板８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、所定パターンに形成される。このとき、表層金属回路板３および内層金属回路板４は、予め所定パターン形状に形成したものを用いてもよいし、後述するように、セラミック基板１と同程度の大きさおよび形状の金属板をセラミック基板１に接合した後にエッチングで所定パターン形状に加工してもよい。
【００２８】
表層金属回路板３、内層金属回路板４、金属柱５および放熱板８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、表層金属回路板３または内層金属回路板４と金属柱５との接合やセラミック基板１と表層金属回路板３または内層金属回路板４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、ろう材２との濡れ性が良好となるので、接合が強固となる。
【００２９】
セラミック基板１同士の接合、セラミック基板１と表層金属回路板３または内層金属回あるいは放熱板８との接合、金属柱５および放熱板８路板４との接合、金属柱５と表層金属回路板３または内層金属回路板４との接合は、ろう材２によって行なわれる。ろう材２は、活性金属を含むものであっても、活性金属を含まない通常のものであっても構わない。ろう材２は、上記のすべての接合に活性金属を含むろう材２を用いてもかまわないが、金属柱５と表層金属回路板３または内層金属回路板４との接合は、活性金属を含まないろう材２を使用すると、ろう材２がセラミック基板１とは接合しないので、流れ出たろう材２が回路貫通孔１ａの内面に内層金属回路板４が固着して、熱応力等によって回路貫通孔１ａからクラックが発生することがないので好ましい。
【００３０】
上記各部材をろう材２で接続するには、各部材の接合面の少なくとも一方にスクリーン印刷等で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するとともに、所定の構造となるように挟んで載置した後、金属板に５〜10ｋＰａの荷重をかけながら真空中または水素ガス雰囲気や水素・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、ろう材ペーストの有機溶剤や溶媒・分散剤を気体に変えて発
散させるとともにろう材２を溶融させることによって行なわれる。
【００３１】
表層金属回路板３、内層金属回路板４、金属柱５および放熱板８が銅から成る場合は、活性金属を含まない、通常のろう材ペーストは、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。活性金属入りのろう材ペーストは、この通常のろう材ペーストに、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２〜５質量％添加混合し、混練することによって製作される。
【００３２】
表層金属回路板３、内層金属回路板４、金属柱５および放熱板８がアルミニウムから成る場合は、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％）を用いればよい。この場合も同様にしてろう材ペーストおよび活性金属入りろう材ペーストを作製して、同様にして接合すればよい。アルミニウムろう材２を使用した場合には、銅より低温の約600℃で接合することができる。
【００３３】
活性金属を含まない、通常のろう材ペーストで表層金属回路板３または内層金属回路板４、あるいは放熱板８をセラミック基板１に接合するには、セラミック基板１上にメタライズ層を形成しておき、メタライズ層と表層金属回路板３または内層金属回路板４、あるいは放熱板８との間にろう材ペーストを配置すればよい。セラミック基板１上のメタライズ層は、セラミック基板１を作製する際に、セラミックグリーンシート上に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しておくか、セラミック基板１を作製した後に、セラミック基板１上に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焼き付けることによって形成すればよい。メタライズペーストは、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。
【００３４】
また、表層金属回路板３は、セラミック基板１に接合した後に、その表面にニッケルから成る、良導電性で、かつ耐蝕性およびろう材との濡れ性が良好な金属をめっき法により被着させておくと、表層金属回路板３に半導体素子等の電子部品５を半田を介して強固に接着させることができるとともに、表層金属回路板３と外部電気回路との電気的接続を良好なものとすることができる。この場合は、内部に燐を８〜15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ろう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８質量％未満となると、あるいは15質量％を超えると、ニッケル−燐のアモルファス合金を形成するのが困難となってめっき層に半田を強固に接着させることが困難となりやすい。このニッケルから成るめっき層は、その厚みが1.5μｍ未満の場合には、
表層金属回路板３の表面を完全に被覆することができず、表層金属回路板３の酸化腐蝕を有効に防止することができなくなる傾向がある。また、10μｍを超えると、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、めっき層の内部に内在する内
在応力が大きくなってセラミック基板に反りや割れ等が発生しやすくなってしまう。また、放熱板８にも同様のニッケル金属層を形成しておくと、外部回路基板や冷却体への接合が良好になるのでよい。
【００３５】
３層のセラミック基板１を用いて表層金属回路板３、内層金属回路板４および放熱板８をあらかじめ所定パターンに形成して接合する場合は、以下のようにすればよい。まず、所定の位置に貫通孔１ｂを有するセラミック基板１と回路貫通孔１ａを有するセラミック基板１を３枚準備する。また、金属板をプレス加工や、エッチング加工等を用い、表層金属回路板３、内層金属回路板４、金属柱５および放熱板８の所定パターン形状に加工する。次にセラミック基板１同士が相対する接合部の少なくとも一方に、接合後にろう材２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。金属柱５の上下面には、ろう材２を予め形成しておく。このろう材２は、金属柱５の表裏にスクリーン印刷で同様にろう材ペーストを形成しても良いし、表裏にろう材２をクラッドした所
定の厚みの金属板を金属柱５の寸法に打ち抜くことで形成してもよい。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２が溶融する温度まで昇温し各部材を接合することで、セラミック回路基板となる。
【００３６】
内層金属回路板４と金属柱５とによる内部回路を形成した多層セラミック基板の上面および下面に、セラミック基板１と同程度の大きさおよび形状の金属板をセラミック基板１に接合した後に、金属板をエッチングで表層金属回路板３および放熱板８の所定パターン形状に加工する場合は、例えば以下のようにする。セラミック基板１の上に接合された金属板の表面にエッチングレジストインクをスクリーン印刷法等の技術を採用して所定パターン形状に印刷塗布してレジスト膜を形成した後、例えば金属板が銅板である場合であれば、塩化第２鉄，塩化第２銅溶液等のエッチング液に浸漬したり、エッチング液を吹き付けたりして表層金属回路板３および放熱板８の所定パターン以外の部分を除去し、レジスト膜を除去すればよい。
【００３７】
なお、図５または図６に示されているように、内層金属回路板４が屈曲または湾曲していてもよい。内層金属回路板４とセラミック基板１との熱膨張係数が異なっていても、屈曲または湾曲している内層金属回路板４によって応力を緩和することができるので、セラミック基板１に加わる応力をさらに低減させることができ、より信頼性の高いセラミック回路基板となる。
【００３８】
また、図５に示されているように、回路貫通孔１ａが通気孔１ｃによって外気と繋がっている構造、または、図６に示されているように、通気孔１ｃに充填材１ｄが設けられていることによって回路貫通孔１ａが外気と遮断されており、回路貫通孔内１ａがガスによって充填されている構造であってもよい。充填材１ｄの材料は、例えばガラスまたは金属ろう材等である。充填材１ｄにろう材を用いる場合、通気孔１ｃの内面にメタライズ層が形成されているとよい。回路貫通孔１ａが通気孔１ｃによって外気と繋がっている構造または回路貫通孔１ａ内が例えば大気圧に近い圧力のガスで充填されている構造であれば回路貫通孔１ａにおいて真空放電が発生しないので、仮にろう材中のボイドを減少させ熱伝導率を向上させるために真空中でろう材を接合させたとしても、絶縁耐圧が低下を抑えることができ信頼性の高いセラミック回路基板となる。
【００３９】
また、図５または図６に示されているように、ろう材２がセラミック基板１の端部から離れた部分に設けられている構造であってもよい。すなわち、ろう材２が回路貫通孔１ａから離れた部分に設けられている構造であってもよい。ろう材２と内層金属回路板４との接触の可能性を低減させることができ、信頼性を向上させることができる。また、ろう材２が貫通孔１ｂからも離れていることによって、ろう材２と金属柱５との接触の可能性も低減させることができる。
【００４０】
また、図７に示されているように、複数の回路貫通孔１ａが繋がっている構造であってもよい。例えば複数の回路貫通孔１ａの形状が複雑な場合であっても、複数の回路貫通孔１ａに共通の一つの通気孔１ｃを設けるということも可能となる。
【００４１】
また、セラミック回路基板が、図１〜図３に示す例のような、内層金属回路板４がセラミック基板１に接合されている場合であれば、図８〜図10に示すような工程で内層金属回路板４もエッチングによって所定パターン形状に加工することができる。まず、図８（ａ）に示す例のように、貫通孔１ｂを有する上層用のセラミック基板１の上面および下面に、セラミック基板１と同程度の大きさの、表層金属回路板３となる金属板３’および内層金属回路板４となる金属板４’がそれぞれ接合され、これらが貫通孔１ｂ内の金属柱５で接続されたものを、上記と同様の方法で形成する。次に、図８（ｂ）に示す例のように、金属板３’および金属板４’の表面に、それぞれ表層金属回路板３および内層金属回路板
４の所定パターン形状のレジスト膜10を形成する。次いで、図８（ｃ）および図８（ｄ）に示す例のように、金属板３’、金属板４’のレジスト膜10に覆われていない不要部分をエッチング液によって溶解し、レジスト膜10を剥離することで、セラミック回路基板の上側だけ（上側回路基板）を作製する。次に、図９（ａ）に示す例のように、所定の回路貫通孔１ａを有する中間層用のセラミック基板１と所定の貫通孔１ｂを有する下層用のセラミック基板１とがろう材２で接合され、下層用のセラミック基板１の下面には、セラミック回路基板の下面の表面金属回路板３および放熱板８となる、セラミック基板１と同程度の大きさの金属板３’が接合され、貫通孔１ｂ内で金属柱５が金属板３’に接合されたものを作製する。次に、図９（ｂ）に示す例のように、金属板３’の表面に、表層金属回路板３および放熱板８の所定パターン形状のレジスト膜10を形成する。次いで、図９（ｃ）および図９（ｄ）に示す例のように、金属板３’のレジスト膜10に覆われていない不要部分をエッチング液によって溶解し、レジスト膜10を剥離することで、セラミック回路基板の下側だけ（下側回路基板）を作製する。このとき、回路貫通孔１ａおよび貫通孔１ｂにエッチング液が入って、金属柱５や金属板３’の貫通孔１ｂ内に露出する部分がエッチングされることがないように、中間層用のセラミック基板１の上面の回路貫通孔１ａの開口を治具やフィルム上のレジスト等で塞いでおくとよい。そして、図10（ａ）に示す例のように、上側回路基板と下側回路基板とを下側回路基板の回路貫通孔１ａ内に上側回路基板の内層金属回路板４が入るように重ねて、図10（ｂ）に示す例のように、上層用のセラミック基板１と中間層用のセラミック基板１との間、内層金属回路板４と下層用のセラミック基板１および金属柱５との間をろう材２で接合することによって、図１に示す例のような、３層のセラミック基板１が積層された構造の本発明のセラミック回路基板１を作製することができる。この方法では、表層金属回路板３および内層金属回路板４は、共にセラミック基板１に大きさの大きい金属板３’および金属板４’を接合させてからエッチングで所定パターン形状に加工することができるので、金属板３’および金属板４’が取り扱いによって曲がってしまう可能性が減少するために、柔らかい銅板を使用する場合や薄い金属板を用いるときには好ましい。また、１つのセラミック基板１上には１枚の金属板３’または金属板４’を配置すればよいので、接合前のセラミック基板１と金属板３’および金属板４’とを重ねて配置するのが容易であり、位置合わせも容易である。
【００４２】
内層金属回路板４は、図１および図２に示す例、ならびに製造工程を示す図８〜図10の例では、その上面は上層のセラミック基板１に、下面は下層のセラミック基板１にろう材２で接合されているが、図３に示す例のように内層金属回路板４の上下面のうちの片面だけをセラミック基板１に接合してもよいし、図４に示す例のようにセラミック基板１に接合しなくてもよい。
【００４３】
図４に示す例のように、上下のセラミック基板１と内層金属回路板４とが直接接合しない場合は、セラミック基板１と（セラミック基板１に金属柱５および表層金属回路板３を介して接合された）内層金属回路板４との間に発生する熱応力は、セラミック基板１に直接接続されていない内層金属回路板４が変形して緩和されやすくなる。これによって、金属柱５を介して表層金属回路板３に加わる応力も小さいものとなる。また、構造的な理由以外にも、内層金属回路板４が接合時のろう材２からの金属拡散によって硬度が高くなる部分が少ないという理由でも、金属柱５を介して表層金属回路板３に加わる応力が小さくなるので好ましい。
【００４４】
また、内層金属回路板４の上下面のうちの片面だけをセラミック基板１に接合する場合や、内層金属回路板４の上下面ともセラミック基板１に接合する場合であっても、図３および図４に示す例のように、内層金属回路板４の上下面の全面でセラミック基板１に接合しないようにすると、内層金属回路板４が変形しやすく、またろう材２からの金属拡散によって硬度が高くなる部分が少なくなるので、応力をより緩和することができる。
【００４５】
このように応力を緩和することができると、窒化アルミニウム質セラミックスのように熱伝導率は高いが機械的強度が小さいという材料から成るセラミック基板１を表層のセラミック基板１としても用いることができるようになり、全層窒化アルミニウム質セラミックスで形成することができるので、熱放散性と温度サイクル信頼性の両方の特性を両立させたセラミック回路基板とすることができる。この場合は、特に熱放散性の高いセラミック回路基板とすることができる。
【００４６】
本発明の回路基板において、セラミック基板１に加わる熱応力は、表層金属回路板３、内層金属回路板４および放熱板８とセラミック基板１との熱膨張係数の差によって発生するものが主となり、この応力は接合しているこれら金属板の硬さと、回路基板と表層金属回路板３（内層金属回路板４）の接合長さに比例して大きくなる。そのため、上述したように、内層金属回路板４は、図４に示す例のようにセラミック基板１に接合しないのが好ましく、接合する場合であっても、図２および図３に示す例のように、内層金属回路板４の上下面の全面でセラミック基板１に接合しないようにすると、ろう材２の拡散によって内層金属回路板４が硬くなることが抑えられるので好ましい。また、図11に示す例では、セラミック回路基板の下面の中央部に比較的大きい放熱板８が接合されているが、図１に示す例のように、放熱板８のパターンを複数の小さいものにして放熱板８とセラミック基板１との接合長さを短くすることによって熱応力を小さくするのが好ましい。具体的には、セラミック基板１と表層金属回路板３等の金属板との接合長さが10ｍｍを超えないようにするとよい。
【００４７】
図11に示す例では、最上層のセラミック基板１の上面に電子部品６の搭載部および表層金属回路板３を取り囲むような枠体９を設けている。この例では、枠体９は、セラミック基板１の上に、順に金属枠体９ｂ、絶縁枠体９ａ、金属枠体９ｂがろう材２を介して接合されて形成されている。上側の金属枠体９ｂは、蓋を接合するためのものである。この枠体９の上に金属等からなる蓋をろう接やシーム溶接やＹＡＧレーザー溶接等の溶接によって気密に接合することで、電子部品６を気密封止した電子装置とすることができる。このようにすることによって、電子部品６を気密に封着するとともに、多層セラミック基板の下面の表層金属回路板３を外部端子として外部回路に電気的に接続することができるようになっている。下側の金属枠体９ｂは、表層金属回路板３と同様の方法で、表層金属回路板３と同時に形成すればよい。下側の金属枠体９ｂの上には、セラミック基板１と同様のセラミックスから成る絶縁枠体９ａとが活性金属で接合され、さらに絶縁枠体９ａの上に活性金属で上側の金属枠体９ｂが接合される。図11に示す例では、このように金属枠体９ｂと絶縁枠体９ａとを積層して接合することによって枠体９を形成することで、セラミック回路基板に搭載される電子部品６より高さの高い枠体９を形成している。枠体９は、図11に示す例に限られるものではなく、例えば、下側の金属枠体９ｂだけで枠体９を形成して、電子部品６を覆うような箱型の蓋を接合してもよい。
【００４８】
上記のような本発明の回路基板に電子部品６を搭載し、電気的に接続することで本発明の電子装置となる。本発明の電子装置によれば、上記各構成の本発明のセラミック回路基板に電子部品６が搭載されていることから、大電流を流すことができ、信頼性が高く、小型で薄型化の電子装置となる。また、特性の異なる第１のセラミック基板および第２のセラミック基板を用いることで、例えば、電子部品から発生した熱を外部に効率良く排出することができるとともに、回路基板の強度を向上させることができるので、熱放散性と温度サイクル信頼性等のような異なる特性を両立させた電子装置とすることができる。
【００４９】
電子部品６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】
電子部品６は、半田やＡｕ−Ｓｉ合金等の金属接合材あるいは導電性樹脂で固定されて回路基板に搭載され、ボンディングワイヤ７により電気的に接続される。図１〜図10に示す例では、上から１層目のセラミック基板１の上面に電子部品６を搭載するための表層金属回路板３を形成しているが、セラミック基板１の上面に直接、または第１のセラミック基板１の上面に形成したメタライズ層の上に搭載してもよい。
【符号の説明】
【００５１】
１・・・・・セラミック基板
１ａ・・・・回路貫通孔
１ｂ・・・・貫通孔
２・・・・・ろう材
３・・・・・表層金属回路板
４・・・・・内層金属回路板
５・・・・・金属柱
６・・・・・電子部品
７・・・・・ボンディングワイヤ
８・・・・・放熱板
９・・・・・枠体
９ａ・・・・絶縁枠体
９ｂ・・・・金属枠体
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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