(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一主面に凹部を有する又は有していないベース板と、前記ベース板の前記主面上に配置され、前記ベース板よりも小さいセラミックス基板と、前記ベース板と前記セラミックス基板との少なくとも一部を共に覆うように設けられた金属層とからなり、前記金属層のベース板及びセラミックス基板に接しない面が平面状であって、しかも、前記ベース板が金属−金属複合体、金属−カーボン複合体、もしくは金属−セラミックス複合体であり、前記複合体中の金属と前記金属層とが銅を主成分とし、かつ前記金属層の純度が前記複合体中の金属の純度より高いことを特徴とする電子機器搭載用基板。
【請求項２】
セラミックス基板が複数であることを特徴とする請求項１記載の電子機器搭載用基板。
【請求項３】
請求項１又は請求項２記載の電子機器搭載用基板の金属層より回路形成してなることを特徴とするベース板一体型セラミックス回路基板。
【請求項４】
一主面上に回路を有するセラミックス回路基板と、該セラミックス回路基板の回路を設けていない主面に接して設けられているベース板と前記ベース板と前記セラミックス回路基板との少なくとも一部を共に覆うように設けられた金属層とからなるベース板一体型セラミックス回路基板であって、ベース板が金属−金属複合体、金属−カーボン複合体、又は金属−セラミックス複合体からなり、前記ベース板のセラミックス基板が搭載された主面において、前記回路表面と前記金属層のセラミックス基板を設けていない部分の表面の高さが同一であり、しかも、前記回路およびベース板に含まれる金属が銅を主成分とし、かつ前記金属層の純度が前記複合体中の金属の純度より高いことを特徴とするベース板一体型セラミックス回路基板。
【請求項５】
ベース板が、カーボン、炭化珪素、酸化銅、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、タングステンおよびモリブデンから選ばれる１種類以上を主成分とする多孔質成形体に銅を主成分とする金属を含浸してなる複合体であることを特徴とする請求項４記載のベース板一体型セラミックス回路基板。
【請求項６】
カーボン、炭化珪素、酸化銅、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、タングステンおよびモリブデンから選ばれる１種類以上を主成分とし、一主面に凹部を有する又は有していない多孔質成形体の前記主面上にセラミックス基板を配置し、更に前記多孔質成形体とセラミックス基板との少なくとも一部を共に覆うように銅を主成分とする金属板を配置して積層体となし、前記積層体を容器内に配置し、前記金属板を構成する銅の純度以下の銅を主成分とする金属を鋳造して、前記多孔質成形体の空隙に前記銅を主成分とする金属を含浸すると共に、多孔質成形体、金属板並びにセラミックス基板を一体化させることを特徴とする電子機器搭載用基板の製造方法。
【請求項７】
カーボン、炭化珪素、酸化銅、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、タングステンおよびモリブデンから選ばれる１種類以上を主成分とし、一主面に凹部を有する又は有していない多孔質成形体の前記主面上にセラミックス基板を配置し、更に前記多孔質成形体とセラミックス基板との少なくとも一部を共に覆うように銅を主成分とする金属板または金属層を配置して積層体となし、前記積層体を容器内に配置し、前記金属板または金属層を構成する銅の純度より低い銅を主成分とする金属を鋳造して、前記多孔質成形体の空隙に前記銅を主成分とする金属を含浸すると共に、多孔質成形体、金属板並びにセラミックス基板を一体化させ、その後前記金属板または金属層より回路形成することを特徴とするベース板一体型セラミックス回路基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、銅を主成分とする金属を含む、金属−金属、金属−カーボン、または金属−セラミックス複合体からなるベース材と高熱伝導性セラミックス基板とが一体に形成された電子機器搭載用基板あるいはベース板一体型セラミックス回路基板とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、産業機器の分野では、電動機用インバータ等に用いられるパワーモジュールの開発が進んでおり、パワーモジュールには、従来から、シリコンチップを搭載した高熱伝導性セラミックス回路基板を銅ベースに半田付けした構造を有するものが用いられてきた。しかし、使用条件によってはセラミック基板や半田層にクラックが入るため、これらの防止によって信頼性を向上するため種々の改良が図られた。
【０００３】
例えば、Ａｌ（アルミニウム）−ＳｉＣ（炭化珪素）複合体をベース材とし、Ａｌ回路付きＡｌＮ（窒化アルミニウム）基板（以下、Ａｌ−ＳｉＣ複合体／Ａｌ回路付き窒化アルミニウム基板のように記す）を半田付けした構造は、サーマルサイクル３０００回後でも、実用特性を維持しており、従来公知のＣｕ（銅）ベース／銅回路付き窒化アルミニウム基板に比べ格段の信頼性を有しているものの、従来構造に比べると熱抵抗が大きいためチップサイズを大きくする必要があること、またＡｌ−ＳｉＣ複合体が高価であるためにモジュールコストが高くなること等の問題があり充分に普及するに至っていない。
【０００４】
また、Ａｌ−ＳｉＣ複合体を製造する際に、前記Ａｌ−ＳｉＣ複合体とセラミックス基板或いはセラミックス回路基板との一体化を図ることも提案されている。この場合、複合体／基板間の半田層がないため、その部分の半田にクラックが入る心配が無く信頼性が向上し、また熱抵抗が低下する等の利点を有するが、Ａｌ−ＳｉＣ複合体の熱伝導率は高々２００Ｗ／ｍＫしかなく、パワーモジュールの大容量化、小型化のために熱抵抗の更なる低減が求められている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、上記の事情に鑑みていろいろ検討し、金属−金属、金属−カーボン、または金属−セラミックス複合体を製造する工程を経るだけで、ベース板とセラミックス回路基板が一体化でき、しかも耐サーマルサイクル性があり、かつ熱抵抗が小さい電子部品搭載用基板を提供し得ることを見出し、本発明に至ったものである。即ち、本発明の目的は、熱抵抗が小さく、耐サーマルサイクル性に優れ、従って長期の信頼性に優れるパワーモジュールを再現性高く供給できる電子搭載用基板、ベース板一体型セラミックス回路基板を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、一主面に凹部を有する又は有していないベース板と、前記ベース板の前記主面上に配置され、前記ベース板よりも小さいセラミックス基板と、前記ベース板と前記セラミックス基板との少なくとも一部を共に覆うように設けられた金属層とからなり、前記金属層のベース板及びセラミックス基板に接しない面が平面状であって、しかも、前記ベース板が金属−金属、金属−カーボン、もしくは金属−セラミックス複合体であり、前記複合体中の金属と前記金属層とが銅を主成分とし、かつ前記金属層の純度が前記複合体中の金属の純度より高いことを特徴とする電子機器搭載用基板である。
【０００７】
また、本発明は、セラミックス基板が複数であることを特徴とする上記の電子機器搭載用基板である。また、本発明は、電子機器搭載用基板の金属層より回路形成してなることを特徴とするベース板一体型セラミックス回路基板である。
【０００８】
また、本発明は、一主面上に回路を有するセラミックス回路基板と、該セラミックス回路基板の回路を設けていない主面に接して設けられているベース板とからなるベース板一体型セラミックス回路基板であって、ベース板が金属−金属複合体、金属−カーボン複合体、又は金属−セラミックス複合体からなり、前記回路表面と前記ベース板のセラミックス基板が搭載されセラミックス基板を設けていない面の高さが同一であり、しかも、前記回路およびベース板に含まれる金属が銅を主成分とし、かつ前記金属層の純度が前記複合体中の金属の純度より高いことを特徴とするベース板一体型セラミックス回路基板である。
【０００９】
また、本発明は、ベース板が、カーボン、炭化珪素、酸化銅、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、タングステンおよびモリブデンから選ばれる１種類以上を主成分とする多孔質成形体に銅を主成分とする金属を含浸してなる複合体であることを特徴とするベース板一体型セラミックス回路基板である。
【００１０】
また、本発明は、カーボン、炭化珪素、酸化銅、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、タングステンおよびモリブデンから選ばれる１種類以上を主成分とし、一主面に凹部を有する又は有していない多孔質成形体の前記主面上にセラミックス基板を配置し、更に前記多孔質成形体とセラミックス基板との少なくとも一部を共に覆うように銅を主成分とする金属板を配置して積層体となし、前記積層体を容器内に配置し、銅を主成分とする金属を鋳造して、前記多孔質成形体の空隙に前記銅を主成分とする金属を含浸すると共に、多孔質成形体、金属板並びにセラミックス基板を一体化させることを特徴とする電子機器搭載用基板の製造方法である。
【００１１】
また、本発明は、カーボン、炭化珪素、酸化銅、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、タングステンおよびモリブデンから選ばれる１種類以上を主成分とし、一主面に凹部を有する又は有していない多孔質成形体の前記主面上にセラミックス基板を配置し、更に前記多孔質成形体とセラミックス基板との少なくとも一部を共に覆うように金属板を配置して積層体となし、前記積層体を容器内に配置し、銅を主成分とする金属を鋳造して、前記多孔質成形体の空隙に前記銅を主成分とする金属を含浸すると共に、多孔質成形体、金属板並びにセラミックス基板を一体化させ、その後セラミック基板のベース板とは反対の面に形成されている金属層もしくは前記金属板より回路形成することを特徴とするベース板一体型セラミックス回路基板の製造方法である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の電子機器搭載用基板は、ベース板となる金属−金属、金属−カーボン、または金属−セラミックス複合体の製法に準じて、ベース板とセラミック基板を一体化することにより製造できる特徴がある。
【００１３】
金属−金属、金属−カーボン、または金属−セラミックス複合体の製法を大別すると、含浸法と粉末冶金法の２種がある。このうち粉末冶金法は製造コストが安いが得られる複合体の特性面で充分ではなく、含浸法は製造コストが高いが得られる複合体の特性面で優位性がある。含浸法にも種々あり、常圧でおこなうものと、高圧下で行うもの（高圧鋳造法）がある。高圧下で行うものは、溶湯鍛造法とダイキャスト法とがある。溶湯鍛造法、ダイキャスト法は、共に、最終形状、或いは、ほぼ最終形状に近い形をした型、或いは、枠と板で構成された型（或いは部屋）内に、ある程度の強度を有する多孔質体（プリフォーム）を装填し、これに銅（Ｃｕ）或いは、Ｃｕ合金溶湯を高圧で含浸させて複合体を得る方法である。
【００１４】
本発明では、どの方法を用いてもよいが、特性面（高熱伝導率と低熱膨張率の両立、および耐熱サイクル性）から高圧下で行うタイプが好ましい。含浸操作を行う際にセラミックス板と回路板の接合、或いは、回路用金属層の形成を行えば、より安価にセラミックス基板を接合した回路基板の前駆体を得ることが可能である。
【００１５】
Ｃｕ溶湯をプリフォームに含浸すると同時に基板との一体化を行う場合、従来、（１）セラミックス回路基板をプリフォームと接触配置し、これにＣｕ溶湯をプリフォームに含浸させながらセラミックスとの接合を行う、（２）セラミックス基板をプリフォームに接触配置し、Ｃｕ溶湯をプリフォームに含浸させながら、セラミックス基板との接合と回路用金属層の形成を同時に行う方法が知られている。
【００１６】
（１）の方法は、予めセラミックス基板に回路金属を接合する、或いはセラミックス基板に金属層を設けた後に回路形成するという工程が必要になりコスト的に不利である。（２）の方法は、含浸金属として融点の低い銅合金を用いる場合が多いため、回路に用いている含浸金属層の熱伝導率、電気伝導率が低下し、特性上不利になる。また、合金は純銅より硬いため、接合されたＡｌＮ等のセラミック基板に発生する応力が応力が大きくなり、基板割れ等の問題を引き起こす可能性がある。含浸金属に純銅を用いると、セラミックスとの密着性が劣り、耐熱サイクル性が低下することがある。
【００１７】
本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、次の様な構成とすることで、比較的容易に製造可能で、精度良く、その結果安価に、金属−金属、または金属−セラミックス複合体からなるベース板との一体型セラミックス回路基板が得られることを見出した。
【００１８】
すなわち、プリフォームにセラミックス基板を接触配置し、さらに、これにＣｕ板を接触配置した後、予備加熱し、Ｃｕ溶湯を高圧で含浸することにより電子部品搭載用基板を得て、更に、前記Ｃｕ板からエッチング等の従来公知の方法で回路を形成することで、一定厚みのＣｕ板からなる回路が接合されているベース板一体型セラミックス回路基板を得ることができる。
【００１９】
プリフォームにＣｕを含浸する際に、Ｃｕ溶湯がプリフォーム中に含浸し易いように予備加熱を行うのが一般的であるが、本発明は、この予備加熱の際に、Ｃｕ板が存在していても前記Ｃｕ板は溶融しないということ、更に、Ｃｕ板にＣｕ合金が接触しても前記Ｃｕ板は投入した形態を保っているということを発見したことに基づいている。
【００２０】
更に驚くべきことに、こうして得られたベース板一体型セラミックス回路基板は、実用上極めて有用な特性を有することが判明した。例えば、Ｃｕ−ＳｉＣ複合体の板の熱膨張係数は、複合体中のＳｉＣ体積百分率によって決まり、６〜９ｐｐｍ／Ｋ程度が一般的である。従って、これにＡｌＮ（窒化アルミニウム）やＳｉ3Ｎ4（窒化珪素）の如き低熱膨張率のセラミックス基板を半田付けやロウ付けすると、セラッミクス側を凸とする大きな反りを生じる。この反りは、これを放熱フィン等にネジ締めして固定する際に、ベース板と放熱フィン間に隙間を生じ、伝熱の妨げとなる。このため、何らかの方法で予めベース板に放熱フィン等との接合面が凹となる反りを付与しておく必要があった。しかしながら、本発明のベース板一体型セラミックス回路基板においては、表面の回路を構成するＣｕの熱膨張率が大きいので、ＡｌＮの場合は略平坦に、ＡｌＮより熱膨張率の小さいＳｉ3Ｎ4の場合は、若干、回路を凸とする反りを生じることになるが、前記の反りの程度は、モジュール組立工程で回路側を凹とする反りに変化しうる程度のものであり、実用上極めて好ましい特性を発現する。
【００２１】
以下、本発明について、高圧下での含浸法でＣｕ−ＳｉＣ複合体を製造する場合の例を詳述する。
先ず、Ｃｕ−ＳｉＣ複合体の製造方法を説明する。
ＳｉＣ粉を成形、仮焼してプリフォームを得て、表面が離型処理された仕切板上に置き、次に、内寸が最終形状になるようくり抜かれた枠状の型内にセットする。これを幾段も重ねて固定したブロックを予備加熱した後、耐圧性の容器内に配置し、ブロックの温度低下を防ぐため出来るだけ速やかにＣｕ溶湯を前記容器内に注ぎ、Ｃｕ溶湯を加圧し、Ｃｕを枠状の型内に置いたプリフォーム中に含浸する。
【００２２】
本発明においては、前記工程のなかで、プリフォームを枠状の型にセットする際に、更に、セラミックス基板とＣｕ板とを配置するのみで、Ａｌ−ＳｉＣ複合体を得る操作と同様の操作で、ベース板とセラミックス回路基板とが一体に接合された電子部品搭載用基板、ないしベース一体型セラミックスが得られる。
【００２３】
前記操作において、プリフォームの一主面にセラミックス基板と同一面積の凹みを設けて、そこにセラミックス基板を配置すれば、正確な位置決めができて好都合である。さらに、回路用の金属板は、外寸を枠の内寸と同じにしておけば、後の取り扱いでズレを生じることがなく、後工程での位置あわせ等が不要となり好ましい。
【００２４】
上記説明から明らかな通り、使用する多孔質炭化珪素プリフォームについては、特殊な制限を設ける必要はなく、どのようなものでも使用することができるが、次に記載するように、特定の特性を有するものを選択することが好ましい。即ち、Ｃｕ−ＳｉＣ複合体の特性の中で特に重要な特性は、熱伝導率と熱膨張率である。複合体中の炭化珪素（ＳｉＣ）含有率が高い方が熱膨張率は小さくなるが、熱伝導率が低下するので、実用的には、多孔質炭化珪素の相対密度が３０〜７０体積％の範囲にあるのが好ましい。またプリフォームの強度は、曲げ強度で３ＭＰａ以上あれば、取り扱い時や含浸中の割れの心配もなく、好ましい。
【００２５】
前記の多孔質炭化珪素の原料である炭化珪素（ＳｉＣ）粉については、粒度配合を行うことが好ましい。粗粉のみでは、強度発現に乏しく、微粉のみでは、熱伝導率が低下するからである。本発明者の検討によれば、例えば、＃３５０以上の粒径の炭化珪素粗粉４０〜８０質量％と、＃１０００以下の粒径の炭化珪素微粉を６０〜２０質量％とを混合して用いるとよい。
【００２６】
カーボン、セラミックスまたは金属の粉やファイバーは、成形され、脱脂、焼成の工程を経てプリフォームとなり、前記含浸操作に供される。前記したようにプリフォームはセラミックス基板の位置決め用の凹みを有していた方が工程上有利なので、成型法は、射出成形や、乾式成形、湿式成形等の型を用いて成形する方法が好ましい。尚、押し出し成形の場合には、主面に凹みを設けるのは容易でないが、枠詰めの際の工夫、例えば凹みを溝状とすること等、により位置決めの問題も軽減出来るので、同様に使用可能である。
【００２７】
プリフォームの強度を３ＭＰａ以上に発現させるために、非酸化性雰囲気下或いは酸化性雰囲気下で焼成し、その焼成温度を８５０℃以上とするのが好ましい。炭化珪素（ＳｉＣ）プリフォームの場合、ＳｉＣが酸化して熱伝導率が低下しないよう、空気中で焼成する場合は１１００℃を超えない温度で焼成することが望ましい。
【００２８】
プリフォームを収納する枠材は、Ｃｕ溶湯を型枠内（室内）に導入するための湯口を有するもので、鉄が有効である。レーザー加工や打ち抜きプレスによって得られ、離型処理を施した後供される。離型処理は、微粉の黒鉛粉末が有効である。又、仕切板は、鉄又はステンレス板が好ましい。酸化防止等の処理を施した後、微粉黒鉛及び／又はＢＮ（窒化硼素）を塗布するのが離型に対して極めて有効である。仕切板の厚みは、目的とする製品の厚みと精度によって選択する。製品の厚みバラツキを２０μｍ以下に抑えたければ、３ｍｍ以上の板、５０μｍ程度が許されるならば、０．３ｍｍ程度まで薄くしてもよい。
【００２９】
本発明に用いるセラミックス基板としては、ＡｌＮ、Ｓｉ3Ｎ4、Ａｌ2Ｏ3（アルミナ）等の汎用のセラミックスが用いられるが、本発明の目的からして、高熱伝導性のセラミックスであることが好ましく、ＡｌＮやＳｉ3Ｎ4の窒化物セラミックスが好ましい。
【００３０】
本発明における回路用金属板としては、ベース板を構成する含浸金属よりも高融点のものであればあればどの様なものであっても構わないが、回路を形成することができ、しかも熱伝導率、電気伝導率が高いものが好ましく、９８．５質量％以上の純度のＣｕ板であれば使用できる。しかし、より高い信頼性と優れた物性を両立させるためには、Ｃｕ板の純度は９９．５％以上、更に好ましくは９９．９％以上の高純度のＣｕ板、特に無酸素銅板を使用するのがよい。なお、回路材の厚みは、０．２〜０．５ｍｍ程度が一般的であるが、セラミックス基板がＡｌＮの場合は０．２〜０．４ｍｍ、Ｓｉ3Ｎ4の場合は０．３〜０．５ｍｍが好ましい。
【００３１】
前記回路用金属板は、回路材として用いる他、位置決め材としても使用できる。例えば、押し出し成形等でプリフォームを成形した場合、セラミックス基板配置用のキャビティの加工が困難なので、セラミック基板収納用のくり抜き穴を有する回路用金属板をプリフォームに接して配置し、それを位置決め治具としてセラミックス基板を配置し、その上に回路用の金属板を配置するというやり方である。この場合、Ｃｕ溶湯の侵入を容易にするため、位置決め用の金属板には、基板位置以外にも貫通穴を設けておくことが好ましい。さらに、回路用金属板は、不要部分を切り取って使用しても構わない。
【００３２】
プリフォーム、セラミックス基板、回路用金属板を、枠と仕切板で隔離された部屋内に収納したものを積層し固定して含浸用のブロックとし、前記ブロックを予備加熱炉に入れ予熱する。予備加熱温度は、含浸する金属によって適当な温度とする必要があり、また上限温度は回路用金属板の融点以下である必要がある。本発明者の実験的な検討によれば、プリフォームが多孔質炭化珪素焼結体であり、含浸する金属がＳｉを３質量％、Ｍｇを０．７質量％含有するＣｕ合金であり、回路用金属板として無酸素銅を用いる場合、１０００〜１０７０℃が好ましい範囲である。１０００℃以下では含浸が不良の場合が生じるし、１０７０℃以上の場合は無酸素銅板が溶融する恐れがある。また、予備加熱中に銅板が酸化するのを防止するため、必要に応じて不活性雰囲気や還元性雰囲気で加熱する必要がある。
【００３３】
予備加熱された、含浸用ブロックを、耐圧性容器内に設置し、前記Ｃｕ合金の溶湯を耐圧性容器内に押し込み、加圧して、合金溶湯をプリフォームに含浸すると同時にセラミックス基板と回路用金属板との接合を完了させる。回路用金属板に純度９９．５％以上の高純度Ｃｕ板を用い、しかも含浸するＣｕ合金が前記組成の組み合わせの場合、供給するＣｕ合金の湯温は１１００〜１２００℃であれば問題ない。前記範囲よりも温度が低いと、含浸不良を生じることがあるし、高いときには、高純度Ｃｕ板の融解が生じることがある。また、Ｃｕ合金溶湯の酸化を防止するために、溶湯は不活性雰囲気または還元性雰囲気に保持することが好ましい。
【００３４】
含浸させる金属については、回路用金属板よりも低融点であれば良く、回路用金属板が無酸素銅板であるときＣｕ合金が選択される。Ｃｕ合金が好ましく選択される理由は、無酸素銅板の融点以下で融解すること、プリフォームやセラミックス基板と強固な結合を示すこと、そして無酸素銅板と表面で融合し、脆い合金を生成しないことから、本発明の目的を充分に達成できるからである。
【００３５】
前記Ｃｕ合金としては、少量添加で融点が下がる成分を含むＣｕ合金が好ましい。ただし、Ｐ（リン）は少量で融点が下がるが、熱伝導率も大きく低下するので好ましくない。各種Ｃｕ合金の中でも、Ｃｕ−Ｓｉ系合金が好ましい。Ｓｉは他の添加元素に比べて少ない量で融点を下げ、また熱伝導率の低下が少ないからである。その量は、０．５〜１０質量％、好ましくは１．０〜５．０質量％が好ましい。更に、前記Ｃｕ−Ｓｉ系合金にＭｇ、Ｃａなどの２ａ族元素、Ｙなどの３ａ族元素、ＴｉやＺｒなどの４ａ族元素を微量添加したものは、より強固なセラミックスとの結合が得られ、一層好ましいものである。前述の添加元素の量は、１質量％以下で充分な効果が得られる。
【００３６】
含浸操作終了後は、冷却固化後、外周のＣｕ合金を切除し、内容物を分解し、表面についた離型材をバフ研磨、サンドブラスト等で除去することで、Ｃｕ−ＳｉＣ複合体の一主面上にセラミックス基板が搭載されており、しかも両者の表面の少なくとも一部に回路用金属板が接合されている基板が得られる。前記基板は、前記回路用金属板よりエッチング等により回路を形成させるのみで、また、必要に応じて加工やメッキ処理を施して、半導体素子を始めとする各種の電子機器を搭載可能なベース板一体型セラミックス回路基板を容易に提供することができる。
【００３７】
また、前記基板を得る操作において、予めプリフォームの一主面上に複数のセラミックス基板を配置しておくのみで、一つのベース板に複数のセラミックス回路基板が搭載された基板を得ることができ、この基板は、更に一つのベース板上に複数のセラミックス回路基板を搭載した構造を有するモジュールを容易に提供でき、電子部品の高密度化に寄与するという利点がある。尚、前記いずれの場合においても、本発明のベース板一体型セラミックス回路基板は、その回路の表面とベース板表面上の金属層の表面とは同一平面上に形成されることとなる。
【００３８】
ベース板表面上の金属層はエッチング等の過程において一部或いは全て除去することも可能であるが、本発明者の検討によれば、通常の場合には回路端部より３ｍｍ以上、低電圧用途の場合は１ｍｍ以上の領域をエッチングすれば充分であり、それ以上離れた領域の除去は、エッチング量を増大するのみで、回路特性の向上には寄与しない。
【００３９】
以上、Ｃｕ−ＳｉＣ複合材料をベース板に用いた場合について詳述したが、炭化珪素粉の代わりに、カーボン、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、タングステン、モリブデン、銅酸化物等の粉或いは繊維を用いても、前記ＳｉＣ粉を用いた場合とほぼ同様にして本発明の基板を得ることができる。金属粉を用いた場合、焼成工程を経なくても、冷間等方プレス（ＣＩＰ）成形によりプリフォームを得ることが出来、また、含浸工程では、非酸化雰囲気または還元雰囲気に保つことが重要で、含浸金属は４ａ族元素を微量添加されたものが好ましい。また、繊維を用いる場合、短繊維であれば鋳込み成形等を用いてプリフォームを作ることが出来るし、長繊維ならばそれを布状に織ってプリフォームとすることが出来る。
【００４０】
また、詳述したプリフォームを用いた高圧下で含浸する方法以外に、ベース板である複合体を構成する金属粉と金属粉、金属粉とカーボン粉、または金属粉とセラミックス粉を混合し、それをマトリックス金属の融点以上に加熱して、それを、回路金属板とセラミックス板を内部に配置した成形金型に注入して、基板とベース板が一体化された基板を製造することもできる。マトリックス金属以外の部分は、粉体以外に繊維状物質を用いることもできる。
【００４１】
【実施例】
以下、実施例並びに比較例をあげて、本発明を一層詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００４２】
〔実施例１〕
炭化珪素粉末Ａ（大平洋ランダム社製：ＮＧ−２２０、平均粒径：６０μｍ）７０ｇ、炭化珪素粉末Ｂ（屋久島電工社製：ＧＣ−１０００Ｆ、平均粒径：１０μｍ）３０ｇ、及びシリカゾル（日産化学社製：スノーテックス）１０ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、中央部の片面に５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．６ｍｍのキャビティを有する１１０ｍｍ×９０ｍｍ×４．６ｍｍの寸法の平板状に成形した。このとき成形時の圧力は１０ＭＰａとした。
【００４３】
得られた成形体を、大気中、温度９５０℃で２時間焼成して、相対密度が６５体積％の多孔質炭化珪素焼結体を得た。
【００４４】
次に、得られた多孔質炭化珪素焼結体を、離型剤を塗布した０．７ｍｍ厚の仕切板上に置かれた、これも離型剤を塗布した図１の型枠（材質：炭素鋼）内に配置し、前記多孔質炭化珪素焼結体キャビティ内に５０×５０×０．６ｍｍの１７０Ｗ／ｍＫの特性を有する窒化アルミニウム基板を挿入した後、前記多孔質炭化珪素焼結体の外寸に等しい０．３ｍｍ厚の無酸素銅板をこの上に置いた。この状態で内容物の高さと枠高さが略等しくなる。これに離型剤を塗布した仕切板（前述の仕切板と同様のものでサイズは型枠外寸と同じ）を重ね、両端に６ｍｍ厚の鉄板を配し、一つのブロックを形成した。
【００４５】
次に、前記ブロックを電気炉で温度１０５０℃に予備加熱し、予め加熱しておいた金型内に入れた後、温度１１００℃に加熱してある、Ｓｉを２質量％、Ｔｉを０．５質量％含むＣｕ合金の溶湯を流し込み、１００ＭＰａの圧力で１０分間加圧して、前記多孔質炭化珪素焼結体にＣｕ合金を含浸させた。得られた複合体を含む金属塊は、室温まで冷却したのち、バンドソーにて切断し型枠内からベース板一体型セラミック基板を離型した。この状態の断面図を図２に示す。
【００４６】
前記ベース板一体型セラミック基板の表面についた離型剤を除去するため、＃２２０のバフロールを備えたバフ研磨機に通した。離型剤除去後、銅板表面に所望のパターンのエッチングレジストを印刷し、裏面及び側面はベタ塗りとし、塩化第２鉄溶液で不要部分を溶解した。さらに、放熱フィン取り付け用の穴加工を施した後、メッキ処理を行い、ベース板一体型セラミック回路基板を得た。尚、前記メッキは、無電解Ｎｉ−Ｐ；５μｍ、無電解Ｎｉ−Ｂ；２μｍの２層とした。この状態の断面図を図３に示す。また、この時点での反り量は、ほぼ０μｍであった。
【００４７】
次に、前記のベース板一体型セラミック回路基板の回路パターンに、１２ｍｍ角、厚さ０．４ｍｍのシリコンチップを半田付けし、冷熱サイクル試験を実施した。尚、冷熱サイクル試験の条件は、−４０℃；３０分、空気中；１０分、１２５℃；３０分、空気中１０分を１サイクルとした。１０００サイクル実施後、シリコンチップ下のはんだ部でのクラックの発生の有無、基板自体の割れ、回路の剥離等を詳細に観察したが、全く異常は認められなかった。
【００４８】
〔実施例２〕
炭化珪素粉末Ａ（大平洋ランダム社製：ＮＧ−２２０、平均粒径：６０μｍ）７０ｇ、炭化珪素粉末Ｂ（屋久島電工社製：ＧＣ−１０００Ｆ、平均粒径：１０μｍ）３０ｇ、及びシリカゾル（日産化学社製：スノーテックス）１０ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、１１０ｍｍ×９０ｍｍ×４ｍｍの形状に１０ＭＰａの圧力で成形した。
【００４９】
得られた成形体を、大気中、温度９５０℃で２時間加熱して、相対密度６５体積％の多孔質炭化珪素焼結体を得た。次に、前記の多孔質炭化珪素焼結体を、離型剤を塗布した０．７ｍｍ厚の仕切板上に置かれた、これも離型剤を塗布した図１の型枠（材質：炭素鋼）内に配置し、中央部に５０×５０の窓を有し、外寸が前記の多孔質炭化珪素焼結体の外寸に略等しい０．３ｍｍ厚の無酸素銅板をかさねた。次に前記無酸素銅板の窓部に５０×５０×０．４ｍｍの１００Ｗ／ｍＫの特性をもつ窒化ケイ素基板を挿入した後、前記多孔質炭化珪素焼結体外寸に略等しい外寸を有する０．４ｍｍ厚の無酸素銅板をこの上に置いた。この状態で内容物の高さと枠高さが略等しくなる。この状態での断面図を図４に示す。更に、離型剤を塗布した仕切板（前述の仕切板と同様のものでサイズは型枠外寸と同じ）を重ね、両面に６ｍｍ厚の鉄板を配した後、一つのブロックを形成した。
【００５０】
以降の操作は、実施例１と同じ操作を行い、ベース板一体型セラミック回路基板を得た。この状態での断面図を図５に示す。表面は、Ｎｉ−Ｐメッキ５μｍ、Ｎｉ−Ｂメッキ２μｍが施されている。この時の反り量は、回路面が凹で約１００μｍであった。
【００５１】
前記ベース板一体型回路基板の回路パターンに、１２ｍｍ角、厚さ０．４ｍｍのシリコンチップを半田付けし、実施例１に示した冷熱サイクル試験を実施したところ、１０００サイクル実施後、シリコンチップ下のはんだ部分のクラックの発生の有無、基板割れ、回路の剥離等を詳細に観察したが、全く異常は認められなかった。
【００５２】
〔比較例〕
炭化珪素粉末Ａ（大平洋ランダム社製：ＮＧ−２２０、平均粒径：６０μｍ）７０ｇ、炭化珪素粉末Ｂ（屋久島電工社製：ＧＣ−１０００Ｆ、平均粒径：１０μｍ）３０ｇ、及びシリカゾル（日産化学社製：スノーテックス）１０ｇを秤取し、攪拌混合機で３０分間混合した後、１１０ｍｍ×９０ｍｍ×４．６ｍｍで中央部の片面に５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．６ｍｍのキャビティを有する平板状に１０ＭＰａの圧力で成形した。
【００５３】
得られた成形体を、大気中、温度９５０℃で２時間加熱して、多孔質炭化珪素焼結体とした。得られた多孔質炭化珪素焼結体の相対密度は６５体積％であった。
【００５４】
次に、得られた多孔質炭化珪素焼結体を、離型剤を塗布した０．７ｍｍ厚の仕切板上に置かれた、これも離型剤を塗布した図１の型枠（材質：炭素鋼）内に配置し、多孔体のキャビティ部に５０×５０×０．６ｍｍの１７０Ｗ／ｍＫの窒化アルミニウム基板を挿入した。この状態で枠高さが内容物の高さよりも約０．４ｍｍ高い状態であった。これに離型剤を塗布した仕切板（前述の仕切板と同様のものでサイズは型枠外寸と同じ）を重ね、両面に６ｍｍ厚の鉄板を配した後、一つのブロックを形成した。このとき、キャビティ内に置いた窒化アルミニウム基板がキャビティから脱離することが無いよう、基板側が常に上部に位置するよう注意しながら行った。
【００５５】
次に、窒化アルミニウム基板がキャビティから脱離しないように注意しながら、前記ブロックを電気炉で、温度１０５０℃に予備加熱し、予め加熱しておいた金型内に置いた後、温度１１００℃に加熱してあるＳｉを２質量％、Ｔｉを０．５質量％含むＣｕ合金の溶湯を押し込み、１００ＭＰａの圧力で１０分間加圧して、多孔質炭化珪素焼結体にＣｕ合金を含浸させた。得られた複合体を含む金属塊は、室温まで冷却したのち、バンドソーにて切断して型枠内からベース板一体型セラミック基板を離型した。
【００５６】
以降、実施例１と同じ操作を行い、ベース板一体型セラミック回路基板を得た。この状態での断面図を図６に示す。反り量は回路側が凸で約５０μｍであった。
【００５７】
前記ベース板一体型セラミック回路基板の回路パターンに、１２ｍｍ角、厚さ０．４ｍｍのシリコンチップを半田付けし、実施例１に示す冷熱サイクル試験を実施したところ、５００サイクル実施後、セラミックス基板に貫通クラックが生じていた。
【００５８】
【発明の効果】
本発明のベース板一体型セラミックス回路基板は、高い歩留まりで容易に製造することが出来、また量産性に優れたものである。そして、熱放散性が優れ、実用上許容される反り量の有しているので、これを用いて製造したパワーモジュールは、小型化が可能となり、高信頼性を有し、放熱フィン等への接続においても熱抵抗を増大することがないなどの、産業上有用な優れた効果を発揮する。更に、本発明の電子機器搭載用基板は、その表面の金属層の一部をエッチングすることで、電子機器搭載可能な前記ベース板一体型セラミックス回路基板等を容易に提供でき、産業上有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例、比較例において、含浸操作に用いた枠材の平面図。
【図２】本発明の実施例１におけるベース板一体型セラミック基板（電子機器搭載用基板）の構造を説明するための断面図。
【図３】本発明の実施例１に係るベース板一体型セラミックス回路基板の構造を説明するための断面図。
【図４】本発明の実施例２における含浸直前での各部材の配置を説明する図。
【図５】本発明の実施例２に係るベース板一体型セラミックス回路基板の構造を説明するための断面図。
【図６】比較例に係るベース板一体型セラミックス回路基板の構造を説明するための断面図。
【符号の説明】
１  ：枠材
２  ：溶湯導入部（湯口）
３  ：プリフォーム収納部
４  ：金属層（銅板）
５  ：セラミックス基板
６  ：金属−セラミックス複合体（Ｃｕ−ＳｉＣ複合体）
７  ：回路（銅板）
８  ：銅板
９  ：銅板
１０  ：多孔質無機焼結体（プリフォーム：多孔質炭化珪素焼結体）
１１  ：含浸用金属（Ｃｕ合金）
１２  ：回路（Ｃｕ合金）
【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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