(57)【要約】【課題】金属回路層による配線密度を高め通電容量を大幅に増大させることが可能であり、高出力トランジスタやパワーモジュール、半導体装置の機能および信頼性を向上させることが可能なセラミックス回路基板を提供する。【解決手段】セラミックス基板２の少なくとも一方の表面上に金属回路層４を一体に接合したセラミックス回路基板１ａにおいて、上記金属回路層４の幅Ｗに対する高さＨの比であるアスペクト比が１以上であることを特徴とするセラミックス回路基板１ａである。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板の少なくとも一方の表面上に金属回路層を一体に接合したセラミックス回路基板において、上記金属回路層の幅に対する高さの比であるアスペクト比が１以上であることを特徴とするセラミックス回路基板。
【請求項２】
請求項１記載のセラミックス回路基板において、前記金属回路層が銅またはアルミニウムから成ることを特徴とするセラミックス回路基板。
【請求項３】
請求項１記載のセラミックス回路基板において、前記金属回路層とセラミックス基板との間に、Ａｇ，Ｃｕ，ＴｉおよびＺｒの少なくとも１種を含有する金属ろう材層を設け、この金属ろう材層を介して上記金属回路層とセラミックス基板とを一体に接合したことを特徴とするセラミックス回路基板。
【請求項４】
請求項１記載のセラミックス回路基板において、前記セラミックス基板が窒化アルミニウム，窒化けい素，アルミナおよびアルミナとジルコニアとの化合物のいずれかから構成されていることを特徴とするセラミックス回路基板。
【請求項５】
請求項１記載のセラミックス回路基板において、前記金属回路層の表面上に、Ｎｉ，ＡｇおよびＡｕの少なくとも１種からなるめっき層を形成したことを特徴とするセラミックス回路基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として高出力トランジスタやパワーモジュール等の実装に使用されたり、半導体装置に搭載されるセラミックス回路基板に係り、特に金属回路層による配線密度を高め通電容量を大幅に増大させることが可能であり、高出力トランジスタやパワーモジュール、半導体装置の機能および信頼性を向上させることが可能なセラミックス回路基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来からアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）焼結体などのように絶縁性に優れたセラミックス基板の表面に、導電性を有する銅などの金属回路板をろう材や接着剤やメタライズ金属層で一体に接合したセラミックス回路基板がパワートランジスターモジュール用基板やスイッチング電源モジュール用基板として広く普及している。
【０００３】
しかしながら上記セラミックス回路基板においては、金属回路板とセラミックス基板との間に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆなどの活性金属を含有するろう材や接着剤やメタライズ層のような介在物が存在するため、両者間の熱抵抗が大きくなり、金属回路板上に設けられた半導体素子の発熱を系外に迅速に放熱させることが困難であるという短所があった。
【０００４】
このような問題点を解消するため、近年、上記ろう材や接着剤やメタライズ層を使用せずに、所定形状に打ち抜いた金属回路板をセラミックス基板上に接触配置させて加熱するだけで直接接合する方法も普及している。具体的には、セラミックス基板とＣｕ板とを直接接合するＤＢＣ法（Ｄｉｒｅｃｔ　Ｂｏｎｄｉｎｇ　Ｃｏｐｐｅｒ法）やセラミックス基板とＡｌ板とを直接接合するＤＢＡ法（Ｄｉｒｅｃｔ　Ｂｏｎｄｉｎｇ　Ａｌｕｍｉｎｕｍ法）が採用されている。
【０００５】
すなわち、直接接合法は、セラミックスと金属板とを、ろう材層や接着剤層やメタライズ層などの接合層を介在させずに直接的に接合する方法である。この直接接合法では金属中あるいは金属表面に存在する結合剤（銅の場合は酸素）と金属との共晶液相が生成されて両部材が直接的に接合される。
【０００６】
また前記のように、金属回路板とセラミックス基板との間に、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆなどの活性金属を含有するろう材層を形成し、このろう材層を介して金属回路板とセラミックス基板とを一体に接合する活性金属法も多用されており、優れた接合強度を実現している。
【０００７】
図２は従来のセラミックス回路基板１の構成例を示す断面図である。セラミックス基板２の材質としては、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３），ジルコニア（ＺｒＯ２），ムライト等の酸化物系セラミックス焼結体や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの窒化物系焼結体が使用される。図２は結合剤としての酸素を含有しない銅からなる金属回路板３をＡｌ２Ｏ３基板２の表面に直接接合したセラミックス回路基板１を示す。
【０００８】
このセラミックス回路基板１をパワーモジュールとして使用する場合には、Ａｌ２Ｏ３基板２の表面側に金属回路板３としての銅回路板が直接接合される一方、背面側に裏銅板としての銅板も同様に直接接合され、さらに表面側の銅回路板３の所定位置に図示しない半田層を介して半導体素子が一体に接合された構造を形成する。
【０００９】
なお、上記直接接合法（ＤＢＣ法）は、Ａｌ２Ｏ３などの酸化物系セラミックスについてのみ直接適用可能であり、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板や窒化けい素（Ｓｉ３Ｎ４）基板などの非酸化物系セラミックス基板にそのまま適用しても、基板に対する濡れ性が低いため、金属回路板の充分な接合強度が得られない。
【００１０】
そこで、非酸化物系セラミックス基板を使用する場合には、予めセラミックス基板表面に酸化物層を形成し、基板に対する濡れ性を高める必要がある。この場合、金属回路板の接合操作前に、予めＡｌＮ基板を酸化性雰囲気中で加熱処理することにより、ＡｌＮ基板の全表面に酸化物層（Ａｌ２Ｏ３皮膜）が形成される。
【００１１】
上記直接接合法により金属回路板をセラミックス基板に接合したセラミックス回路基板によれば、接合界面部にろう材や接着剤層が介在しないため、両部材間の熱抵抗が小さく放熱姓に優れた回路基板が得られる。また、セラミックスと金属との間にＭｏ板等を介在させないような単純構造であるため、小型高実装化が可能であり、さらに作業工程も短縮できる等の長所を有している。
【００１２】
また金属板を回路状に形成して金属回路板とする方法としては、前記のように、接合前にパンチングプレス等で金属板を所定形状に打ち抜いて回路形成する方法や金属板をセラミックス基板に接合後にエッチング処理することにより回路形成する方法が一般的に採用されている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
近年になって、高出力トランジスタ、パワーモジュールや半導体装置の高出力化，高機能化，高信頼性化，小型化を求める技術的要請はさらに高まり、以前に増してより通電容量が高く、高精細な回路パターンを有するセラミックス回路基板の需要が大幅に増大している。
【００１４】
しかしながら、上記従来のセラミックス回路基板において、金属板とセラミックス基板とを接合する前に金属板に回路形成し、調製した微細な金属回路板をセラミックス基板に接合する場合には、所定の回路パターンの形状を維持しながら多数の微細な金属回路板をセラミックス基板の所定位置に安定した状態で接合することが極めて困難であった。特に金属回路板の幅に対する高さの比で定義されるアスペクト比が１以上であるような幅に比べて高さが高い金属回路層を安定的にかつ高い位置精度で正確に接合することは実質上不可能であった。
【００１５】
一方、金属板をセラミックス基板に接合した後にエッチング法により回路形成する場合においては、金属板の厚さ方向のみならず水平方向も同時にエッチング液の侵食を受けるため、形成できる金属回路層の高さが制限されることになる。つまり、金属板の厚さが０．５ｍｍであれば、隣接する金属回路層の隙間（ピッチ）も０．５ｍｍと荒くなり、精細な金属回路層は形成できない。特に金属回路層の幅に対する高さの比で定義されるアスペクト比が１以上であるような幅に比べて高さが高い金属回路層を高い形状精度で調製することは全く不可能であった。
【００１６】
そのため、従来のセラミックス回路基板においては、図２に示すように各金属回路板３，３の断面形状は、セラミックス基板２の平面方向に延びる幅を有する形状に限定されてしまうため、特に金属回路板３の幅Ｗに対する高さＨの比で定義されるアスペクト比が１以上であるような幅Ｗに比べて高さＨが大きい金属回路層を形成することは不可能であり、上記アスペクト比は概略０．０１から０．８程度の範囲であった。具体的に最小幅の金属回路板の幅寸法Ｗは０．５ｍｍ程度であり、高さ寸法Ｈは０．３ｍｍ程度でアスペクト比が０．６程度で最大値になっているものが大部分である。その結果、セラミックス基板の単位表面積あたりに形成できる金属回路層は少なく配線密度の向上が困難であり、また通電容量を増大させて半導体装置の高出力化、高機能化および小型化を図ることが困難であるという問題点があった。
【００１７】
本発明は上記問題点を解決するために成されたものであり、特に金属回路層による配線密度を高め通電容量を大幅に増大させることが可能であり、高出力トランジスタやパワーモジュール、半導体装置の機能および信頼性を向上させることが可能なセラミックス回路基板を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明者らは微細な回路幅と十分な高さを有する金属回路層を高精度で安定した状態で形成する方法を鋭意検討した。その結果、セラミックス基板上に所定の回路パターンに沿って金属ろう材層を形成した後、さらにセラミックス基板全面にレジストを厚く塗布し、回路パターンに相当する部位のレジストを除去し、この除去した部位に金属めっきを電鋳法で施工したときに、幅に対する高さの比（アスペクト比）が高いファインピッチの金属回路層が高い形状精度で安定した状態で初めて形成できるという知見を得た。
【００１９】
本発明は上記知見に基づいて完成されたものである。すなわち、本発明に係るセラミックス回路基板は、セラミックス基板の少なくとも一方の表面上に金属回路層を一体に接合したセラミックス回路基板において、上記金属回路層の幅に対する高さの比であるアスペクト比が１以上であることを特徴とする。
【００２０】
上記金属回路層の幅に対する高さの比であるアスペクト比が１未満である場合にはセラミックス基板の単位面積当たりにおける金属回路層の配置数が少なくなり、配線密度を十分に高めることが困難になる。上記アスペクト比を大きくするほど金属回路層の断面積を大きくでき通電容量を高めることが可能になる。
【００２１】
しかしながら、過度にアスペクト比を高めると金属回路層の構造強度が低下しやすいため、金属回路層の幅寸法によっても異なるが上記アスペクト比は５以下とされる。より好ましいアスペクト比は１．２〜２．５の範囲である。具体的に金属回路層の幅寸法Ｗは０．３〜０．５ｍｍの範囲が好適である一方、金属回路層の高さ寸法Ｈは１〜１．５ｍｍの範囲が好適である。
【００２２】
また上記セラミックス回路基板において、前記金属回路層が銅またはアルミニウムから成ることが好ましい。すなわち、上記金属回路層を構成する金属としては、銅，アルミニウム，鉄，ニッケル，クロム，銀，モリブデン，コバルトの単体またはその合金など、金属ろう材層との濡れ性が良好であり、めっき法を適用できる金属であれば特に限定されないが、特に導電性および価格の観点から銅，アルミニウムまたはその合金が好ましい。
【００２３】
さらに上記セラミックス回路基板において、前記金属回路層とセラミックス基板との間に、Ａｇ，Ｃｕ，ＴｉおよびＺｒの少なくとも１種を含有する金属ろう材層を設け、この金属ろう材層を介して上記金属回路層とセラミックス基板とを一体に接合することが好ましい。上記金属ろう材層により金属回路層とセラミックス基板との接合強度を高めることが可能であり、耐久性および信頼性に優れたセラミックス回路基板が得られる。
【００２４】
上記のような活性金属法による接合法は、例えばＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ等から選択された少なくとも１種の活性金属を含む金属ろう材層を介して、セラミックス基板と金属回路層とを接合する方法である。用いる活性金属含有ろう材の組成としては、例えばＡｇ−Ｃｕの共晶組成（７２ｗｔ％Ａｇ−２８ｗｔ％Ｃｕ）もしくはその近傍組成のＡｇ−Ｃｕ系ろう材やＣｕ系ろう材を主体とし、これに１〜１０重量％のＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ等から選択された少なくとも１種の活性金属を添加した組成等が例示できる。なお、活性金属含有ろう材にＩｎのような低融点金属を添加して用いることもできる。
【００２５】
さらに上記セラミックス回路基板において、前記セラミックス基板が窒化アルミニウム，窒化けい素，アルミナおよびアルミナとジルコニアとの化合物（通称：アルジル）のいずれかから構成されていることが好ましい。
【００２６】
すなわち本発明に係るセラミックス回路基板に使用されるセラミックス基板としては、特に限定されるものではなく、回路基板に要求される強度、放熱性（熱伝導率），誘電率，破壊電圧等の電気的特性に応じて選択される。具体的には、酸化アルミニウム（アルミナ：Ａｌ２Ｏ３）等の酸化物系セラミックス基板の他に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ），窒化けい素（Ｓｉ３Ｎ４），窒化チタン（ＴｉＮ）等の窒化物、炭化けい素（ＳｉＣ），炭化チタン（ＴｉＣ）等の炭化物、またはほう化ランタン等のほう化物等の非酸化物系セラミックス基板でもよい。これらのセラミックス基板には酸化イットリウムなどの焼結助剤等が含有されていてもよい。
【００２７】
また上記セラミックス回路基板において、前記金属回路層の表面上に、Ｎｉ，ＡｇおよびＡｕの少なくとも１種からなるめっき層を形成することが好ましい。上記めっき層の厚さは１〜５μｍ程度で十分である。上記めっき層を形成することにより、金属回路層の耐食性を大幅に高めることができ、セラミックス回路基板の耐久性および信頼性を大幅に改善することができる。
【００２８】
本発明に係るセラミックス回路基板は、例えば以下の手順で製造することができる。すなわち、まずセラミックス基板表面上に金属ろう材ペーストをスクリーン印刷法等により印刷し、セラミックス基板上に所定の回路パターン状の金属ろう材層を形成する。
【００２９】
ここで金属ろう材層のセラミックス基板に対する接合強度を高めるために、印刷されたろう材の接合条件に合った条件、すなわち温度７００〜９００℃で１０分間〜１時間程度の熱処理を実施すると良い。なお、この金属ろう材層を当初セラミックス基板の全面に形成しておき、金属回路層を形成した後に回路パターン以外のろう材層を除去しても良い。
【００３０】
次に、最終的に形成される金属回路層の厚さ以上の厚さとなるようにセラミックス基板表面にフォトレジストを塗布しレジスト膜を形成する。しかる後に、フォト・リソグラフィー法等により、金属回路層形成部位のレジスト膜を除去し配線パターンに沿った空隙部を形成する。この時、レジスト膜表面方向から空隙部の底部に形成した金属ろう材層が直接観察できるように、空隙部の幅よりも深さが大きい配線パターン状の空隙部を形成する。
【００３１】
次に、金属ろう材層を構成する金属に対して良好な濡れ性を有する金属を、上記空隙部にめっき法により所定厚さまで堆積充填せしめて金属回路層を形成する。しかる後に、金属回路層以外の部位に残留していたレジスト膜を剥離溶解液で除去することにより、幅に対する高さの比（アスペクト比）が高く形状精度に優れた金属回路層が一体に接合したセラミックス回路基板が安定した状態で製造することが可能になる。
【００３２】
上記構成に係るセラミックス回路基板によれば、幅に対する高さの比（アスペクト比）が高い金属回路層が高い形状精度で安定した状態で形成されているため、セラミックス基板上における金属回路層の配線密度を高めることができ、高精細な金属回路層にもかかわらず通電容量を大幅に増大させることが可能であり、高出力トランジスタやパワーモジュール、半導体装置の機能および信頼性を向上させることが可能になる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
次に本発明に係るセラミックス回路基板の実施形態について添付図面を参照して具体的に説明する。
【００３４】
図３（ａ）に示すように、厚さ０．６３５ｍｍのアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）基板，窒化けい素（Ｓｉ３Ｎ４）基板，厚さ０．９ｍｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板，厚さ０．９ｍｍのアルミナ−ジルコニア化合物基板をセラミックス基板２として用意し、各セラミックス基板２表面にスクリーン印刷法を使用してろう材ペーストを印刷して、図３（ｂ）に示すように、幅が０．２ｍｍである所定の回路状パターンを有する金属ろう材層５を形成した。なお、上記ろう材ペーストとしてはＢＡｇ−１８（Ａｇ／Ｃｕ／Ｓｎ系ろう材）組成を適用した。
【００３５】
さらに、ろう材ペーストを印刷した各セラミックス基板２を、真空度１×１０−４Ｔоｒｒ以下の加熱炉内において温度８００℃で１５分間熱処理を実施することにより、各金属ろう材層５のセラミックス基板２に対する接合強度を高めた。
【００３６】
この後、図３（ｃ）に示すように、金属ろう材層５を形成したセラミックス基板２表面に、紫外線硬化型のフォトレジストを塗布することにより、厚さ０．５ｍｍのフォトレジスト膜６を形成した。次に、上記回路状パターン以外の部位については所望の配線パターン形状に応じて選択的に紫外線照射を実施して照射部のレジスト膜を硬化せしめる一方、上記配線パターン部分のレジスト膜については所定の洗浄液で洗浄することにより、図３（ｄ）に示すように、配線パターンに沿った空隙部７を形成した。
【００３７】
次に、上記空隙部７を形成したセラミックス基板に対して電気めっき処理を実施することにより、図３（ｅ）に示すように、フォトレジスト膜６の厚さ（０．５ｍｍ）に相当する高さＨを有する金属回路層（銅回路層）４を形成した。しかる後に、図３（ｆ）に示すように、硬化済みのレジスト膜６を所定の剥離液で洗浄して除去した。さらに、上記金属回路層（銅回路層）４の配線パターン以外の基板表面に残留していた金属ろう材層５を溶解除去することにより、図３（ｇ）に示すような幅が０．２ｍｍであり高さが０．５ｍｍである金属回路層４を有する各実施例に係るセラミックス回路基板１ａをそれぞれ調製した。
【００３８】
また上記実施例以外に金属回路層の幅Ｗを０．３〜０．５ｍｍの範囲および高さを１〜１．５ｍｍの範囲に変更した以外は上記実施例と同様な条件で処理することにより、それぞれの各実施例に係る多数のセラミックス回路基板１ａを調製した。
【００３９】
上記のように調製した各実施例に係るセラミックス回路基板１ａは、図１に示すように、各セラミックス基板２の上面側に多数の精細な金属回路層４が一体に接合され、各金属回路層４の断面形状は、幅Ｗが０．３〜０．５ｍｍの範囲であり高さＨが１〜１．５ｍｍの範囲であるため、アスペクト比は２〜５の範囲となった。
【００４０】
一方、比較例として図２に示すような従来のセラミックス回路基板１を調製した。すなわち、各実施例で用いたセラミックス基板２と同一寸法のアルミナ基板表面に厚さ０．３ｍｍの銅回路板を金属回路板３としてＤＢＣ法により直接接合し、さらに最小となる配線パターンの断面の幅Ｗが０．５ｍｍで高さが０．３ｍｍ（アスペクト比は０．６以下）となるようにパターン形成した
こうして同一サイズのセラミックス基板を使用して調製した各実施例および比較例に係るセラミックス回路基板について、配線密度および通電容量を比較したところ、各実施例に係るセラミックス回路基板の配線密度は比較例と比べて２．１倍から３．５倍に増加した。また、通電容量は比較例と比べて２．５倍から４．７倍に増加した。
【００４１】
但し、各実施例に係るセラミックス回路基板においても、金属回路層４の幅Ｗに対する高さＨの比であるアスペクト比が２．５から５近くに達すると、金属回路層４の構造強度が低下し、変形が生じ易くなるため、上記金属回路層４のアスペクト比は１．０〜２．２の範囲が好適であった。
【００４２】
なお、各実施例では隣接する金属回路層の配設ピッチは５０〜２５０μｍと微細にできるが、比較例での配設ピッチは０．３ｍｍと粗大であった。
【００４３】
このように各実施例においては、セラミックス基板上に回路パターン状の金属ろう材層を形成後、フォトレジスト塗布を実施して精細な回路パターンを形成し、回路パターンに沿って金属めっきを施すことで金属回路層の厚さ（高さ）より小さいピッチの金属回路層を有するセラミックス回路基板を実現することが可能になった。この結果、従来比で配線密度が２倍以上になり、高出力トランジスタ、パワーモジュール、半導体装置の高機能化が達成でき、さらに信頼性を向上させることができた。
【００４４】
また各実施例のセラミックス回路基板の金属回路層４に無電解めっき法によって、Ｎｉ，Ａｇ，Ａｕの少なくとも１種のめっき層（図示せず）を厚さ２〜６μｍの範囲で形成することにより、耐食性を向上させることができた。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明の通り、本発明に係るセラミックス回路基板によれば、幅に対する高さの比（アスペクト比）が高い金属回路層が高い形状精度で安定した状態で形成されているため、セラミックス基板上における金属回路層の配線密度を高めることができ、高精細な金属回路層にもかかわらず通電容量を大幅に増大させることが可能であり、高出力トランジスタやパワーモジュール、半導体装置の機能および信頼性を向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るセラミックス回路基板の一実施例の構成例を示す断面図。
【図２】従来のセラミックス回路基板の構成例を示す断面図。
【図３】本発明に係るセラミックス回路基板の製造工程を示す断面図であり、（ａ）はセラミックス基板を示し、（ｂ）は金属ろう材層を形成した状態を示し、（ｃ）はフォトレジスト膜を形成した状態を示し、（ｄ）は回路パターンに沿ったフォトレジスト膜を除去した状態を示し、（ｅ）はフォトレジスト膜を除去した部位に金属めっき層を堆積充填した状態を示し、（ｆ）は回路パターン以外の部位のフォトレジスト膜を除去した状態を示し、（ｇ）は残留した金属ろう材層を除去した状態を示す断面図。
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ　セラミックス回路基板
２　セラミックス基板（Ａｌ２Ｏ３基板，Ｓｉ３Ｎ４基板，ＡｌＮ基板，アルミナ−ジルコニア化合物基板）
３　金属回路板（銅回路板）
４　金属回路層（銅回路層）
５　金属ろう材層
６　フォトレジスト膜
７　空隙部
【図１】
2004134493.tif 000003
【図２】
2004134493.tif 000004
【図３】
2004134493.tif 000005