(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基板に複数のメタライズ配線層を形成して成るセラミック回路基板であって、前記メタライズ配線層は、銀−銅共晶合金にタングステン，タングステンの水素化物およびハフニウムの水素化物の少なくとも１種を添加したものであり、前記メタライズ配線層の一部に銅から成る金属回路板が直接取着されており、かつ該金属回路板の断面積をＳ（ｍｍ２）、流れる電流をｉ（Ａ）とした時、Ｓ≧６×１０-５ｉ２を満足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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はセラミック基板にメタライズ配線層を形成して成るセラミック回路基板に関し、より詳細には大きな電流の流れを許容するセラミック回路基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体素子等の電子部品子が搭載接続される回路基板としては、一般にセラミック基板に複数のメタライズ配線層が形成されてなる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、通常、セラミック基板が酸化アルミニウム質焼結体やムライト質焼結体で、複数のメタライズ配線層はタングステン、モリブデン、マンガン等の高融点金属で形成されており、具体的には、例えば、セラミック基板が酸化アルミニウム質焼結体から成る場合には、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ー、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、次に前記セラミックグリーンシート上にタングステンやモリブデン等の高融点金属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得た金属ペーストをスクリーン印刷法等の印刷技術を採用することによって所定パターンに印刷塗布し、次に前記金属ペーストが所定パターンに印刷塗布された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、約１６００℃の温度で焼成し、セラミックグリーンシートと金属ペーストを焼結一体化させることによって製作されている。
【０００４】
なお、前記メタライズ配線層は通常その露出表面に酸化腐食を有効に防止するとともに半導体素子等の電子部品を半田等の接着材を介して強固に接続させるために、ニッケル等の耐蝕性に優れ、かつ半田等の接着材に対し濡れ性が良い金属がメッキ法等の技術を用いることによって所定厚みに被着されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この従来のセラミック回路基板においては、メタライズ配線層がモリブデンやタングステン等の高融点金属で形成されており、該モリブデンやタングステン等はその比抵抗が５．２×１０-6Ω・ｃｍ以上と大きい（モリブデン：５．２×１０-6Ω・ｃｍ、タングステン：５．６４×１０-6Ω・ｃｍ）ことからメタライズ配線層の電気抵抗が高く、セラミック回路基板にＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やパワーＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等を搭載してメタライズ配線層に１０Ａ程度の大きな電流を流した場合、メタライズ配線層は大きくジュール発熱して、メタライズ配線層自身が溶断してしまい、その結果セラミック回路基板としての機能が喪失するという欠点を有していた。
【０００６】
そこで上記欠点を解消するためにメタライズ配線層の厚みを厚くしたり、幅を広くするとメタライズ配線層の内部に形成される応力が大きくなってメタライズ配線層にクラックや断線等が招来したり、セラミック回路基板そのものが不要に大きなものとなる欠点が誘発されてしまう。
【０００７】
本発明は上記諸欠点に鑑み案出されたもので、その目的は大きな電流の流れを許容し得る小型のセラミック回路基板を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、セラミック基板に複数のメタライズ配線層を形成して成るセラミック回路基板であって、前記メタライズ配線層は、銀−銅共晶合金にタングステン，タングステンの水素化物およびハフニウムの水素化物の少なくとも１種を添加したものであり、前記メタライズ配線層の一部に銅から成る金属回路板が直接取着されており、かつ該金属回路板の断面積をＳ（ｍｍ２）、流れる電流をｉ（Ａ）とした時、Ｓ≧６×１０-５ｉ２を満足することを特徴とするものである。
【０００９】
本発明のセラミック回路基板によれば、メタライズ配線層のうち１０Ａ程度の大きな電流が流れる領域に断面積をＳ（ｍｍ２）、流れる電流をｉ（Ａ）とした時、Ｓ≧６×１０-５ｉ２を満足するように比抵抗の小さな銅から成る金属回路板を取着したことから、メタライズ配線層に１０Ａ程度の大きな電流が流れたとしても、その大きな電流は金属回路板を介してスムーズに流れ、同時に大きなジュール発熱が起こるのが有効に防止され、セラミック回路基板としての機能を長期間にわたり正常、かつ安定して発揮させることが可能となる。また、メタライズ配線層が、銀−銅共晶合金にタングステン，タングステンの水素化物およびハフニウムの水素化物の少なくとも１種を添加したものであることから、メタライズ配線層が有する活性を利用することによって、メタライズ配線層に金属回路板を直接取着させることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を添付図面に示す実施例に基づいて詳細に説明する。
【００１１】
図１は本発明のセラミック回路基板の参考例の断面図を示し、１はセラミック基板、２はメタライズ配線層、３は金属回路板である。
【００１２】
前記セラミック基板１は四角形状をなし、その上面に複数のメタライズ配線層２が被着されており、該メタライズ配線層２の一部には金属回路板３が取着されている。
【００１３】
前記セラミック基板１はメタライズ配線層２を支持する支持部材として作用し、酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、窒化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、炭化珪素質焼結体等の電気絶縁材料で形成されている。
【００１４】
前記セラミック基板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は、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ー、可塑剤、溶剤を添加混合して泥漿状となすとともに該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、次に前記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、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、これを約１６００℃の高温で焼成することによって、あるいは酸化アルミニウム等の原料粉末に適当な有機溶剤、溶媒を添加混合して原料粉末を調整するとともに該原料粉末をプレス成形技術によって所定形状に成形し、しかる後、前記成形体を約１６００℃の温度で焼成することによって製作される。
【００１５】
また前記セラミック基板１はその表面に複数のメタライズ配線層２が被着されており、該メタライズ配線層２は搭載される電子部品に所定の電気信号や電力を供給する伝送路として作用する。
【００１６】
前記メタライズ配線層２はタングステン、モリブデン、マンガン等の高融点金属材料より成り、例えば、タングステン粉末に適当な有機バインダー、可塑材、溶剤を添加混合して得た金属ペーストを焼成によってセラミック基板１となるセラミックグリーンシート（セラミック生シート）の表面に予め従来周知のスクリーン印刷法により所定パターンに印刷塗布しておくことによってセラミック基板１の上面に所定パターン、所定厚みに被着される。
【００１７】
なお、前記メタライズ配線層２はその表面にニッケル、金等の良導電性で、耐蝕性及びロウ材との濡れ性が良好な金属をメッキ法により１μｍ〜２０μｍの厚みに被着させておくと、メタライズ配線層２の酸化腐蝕を有効に防止することができるとともにメタライズ配線層２に搭載される電子部品の電極を半田等を介して強固に接合させることができる。従って、前記メタライズ配線層２の酸化腐蝕を有効に防止し、メタライズ配線層２と電子部品の電極との接合を強固となすにはメタライズ配線層２の表面にニッケル、金等の良導電性で、耐蝕性及びロウ材との濡れ性が良好な金属を１μｍ〜２０μｍの厚みに被着させておくことが好ましい。
【００１８】
また前記複数のメタライズ配線層２のうち１０Ａ程度の大きな電流が流れる領域には断面積をＳ（ｍｍ2）、流れる電流をｉ（Ａ）とした時、Ｓ≧６×１０-5ｉ2を満足するような比抵抗の小さな銅（比抵抗：１．７２×１０-6Ω・ｃｍ）から成る金属回路板３がロウ付け取着されており、該金属回路板３によってメタライズ配線層２に１０Ａ程度の大きな電流が流れたとしてもその大きな電流はスムーズに流れ、同時に大きなジュール発熱が起こるのが有効に防止されセラミック回路基板としての機能を長期間にわたり正常、かつ安定に発揮させることができる。
【００１９】
前記銅から成る金属回路板３は銅のインゴット（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、所定形状に形成され、メタライズ配線層２のうち１０Ａ程度の大きな電流が流れる領域に銀ロウ等のロウ材４を介して取着される。
【００２０】
前記金属回路板３はまたその断面積をＳ（ｍｍ2）、流れる電流をｉ（Ａ）とした時、Ｓ＜６×１０-5ｉ2となると１０Ａ程度の大きな電流が流れた場合、電流の流れが悪くなると同時に大きなジュール発熱を起こして溶断を発生してしまう。従って、前記金属回路板３はその断面積をＳ（ｍｍ2）、流れる電流をｉ（Ａ）とした時、Ｓ≧６×１０-5ｉ2のものに特定される。
【００２１】
更に前記銅から成る金属回路板３は無酸素銅で形成しておくと、該無酸素銅はロウ付けの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ロウ材２との濡れ性が良好となり、メタライズ配線層２へのロウ材を介しての接合が強固となる。従って、前記金属回路板３はこれを無酸素銅で形成しておくことが好ましい。
【００２２】
前記金属回路板３はまたその表面にニッケルから成る良導電性で、かつ耐蝕性および半田との濡れ性が良好な金属をメッキ法により被着させておくと、金属回路板３と外部電気回路との電気的接続を良好と成すとともに金属回路板３に半導体素子等の電子部品を半田を介して強固に接着させることができる。従って、前記金属回路板３はその表面にニッケルから成る良導電性で、かつ耐蝕性及び半田との濡れ性が良好な金属をメッキ法により被着させておくことが好ましい。
【００２３】
前記金属回路板３の表面にニッケルから成るメッキ層を被着させる場合、内部に燐を８〜１５重量％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メッキ層の表面酸化を良好に防止して半田との濡れ性等を長く維持することができる。従って、前記金属回路板３の表面にニッケルから成るメッキ層を被着させる場合、内部に燐を８〜１５重量％含有させてニッケル−燐のアモルファス合金としておくことが好ましい。
【００２４】
更に、前記金属回路板３の表面にニッケル−燐のアモルファス合金からなるメッキ層を被着させる場合、ニッケルに対する燐の含有量が８重量％未満、あるいは１５重量％を超えたときニッケル−燐のアモルファス合金を形成するのが困難となってメッキ層に半田を強固に接着させることができなくなる危険性がある。従って、前記金属回路板３の表面にニッケル−燐のアモルファス合金からなるメッキ層を被着させる場合にはニッケルに対する燐の含有量を８〜１５重量％の範囲としておくことが好ましく、好適には１０〜１５重量％の範囲がよい。
【００２５】
また更に、前記金属回路板３の表面に被着されるニッケルから成るメッキ層は、その厚みが１．５μｍ未満の場合、金属回路板３の表面をニッケルから成るメッキ層で完全に被覆することができず、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危険性があり、また３μｍを超えるとニッケルから成るメッキ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１に反りや割れ等が発生してしまう。特にセラミック基板１の厚さが７００μｍ以下の薄いものになった場合にはこのセラミック基板１の反りや割れ等が顕著となってしまう。従って、前記金属回路板３の表面に被着されるニッケルから成るメッキ層はその厚みを１．５μｍ〜３μｍの範囲としておくことが好ましい。
【００２６】
また前記メタライズ配線層２に金属回路板３をロウ付け取着するロウ材４はメタライズ配線層２と金属回路板３とを接合する接合材として作用し、例えば、銀ロウ材（銀：７２重量％、銅：２８重量％の銀−銅共晶ロウ材）等から成るロウ材が好適に使用される。
【００２７】
前記ロウ材４によるメタライズ配線層２への金属回路板３の取着は、メタライズ配線層２上に前記ロウ材４粉末に有機溶剤、溶媒を添加混合して得たロウ材ペーストをスクリーン印刷等の従来周知の印刷技術を用いて所定形状に印刷塗布し、その上に金属回路板３を載置し、次にこれを真空中もしくは中性、還元雰囲気中、所定温度（銀ロウ材の場合は約９００℃）で加熱処理し、ロウ材４を溶融せしめるとともにメタライズ配線層２の上面と金属回路板３の下面とに接合させることによって行われる。
【００２８】
かくして上述のセラミック回路基板によればセラミック基板１上にＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やパワーＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の電子部品が搭載されるとともに、該電子部品の電極がメタライズ配線層２や金属回路板３に接続され、搭載された各電子部品をメタライズ配線層２や金属回路板３を介して電気的に接続するとともにメタライズ配線層２を所定の外部電気回路に接続し、搭載されている電子部品を外部電気回路に電気的に接続することによってセラミック回路基板として機能する。
【００２９】
次に、本発明の実施例を図２に基づき説明する。
【００３０】
なお、図中、上述の参考例と同一箇所には同一の符号が付してある。
【００３１】
図２に示すセラミック回路基板はセラミック回路基板とメタライズ配線層２と金属回路板３とで構成されている。
【００３２】
前記セラミック基板１は四角形状をなし、その上面に複数のメタライズ配線層２が被着されており、該メタライズ配線層２の一部には金属回路板３が取着されている。
【００３３】
前記セラミック基板１はメタライズ配線層２を支持する支持部材として作用し、酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、窒化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、炭化珪素質焼結体等の電気絶縁材料で形成されている。
【００３４】
前記セラミック基板１は、例えば、窒化珪素質焼結体から成る場合、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ー、可塑剤、溶剤を添加混合して泥漿状となすとともに該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、次に前記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、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中、１６００乃至２０００℃の高温で焼成することによって製作される。
【００３５】
また前記セラミック基板１はその表面に複数のメタライズ配線層２が被着されており、該メタライズ配線層２は搭載される電子部品に所定の電気信号や電力を供給する伝送路として作用する。
【００３６】
前記メタライズ配線層２は銀−銅共晶合金にチタンやタングステン、ハフニウムおよび／またはその水素化物の少なくとも１種を２乃至５重量％添加させたものから成り、上記合金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得た金属ペーストをセラミック基板１上に従来周知のスクリーン印刷法により所定パターンに印刷塗布し、しかる後、これを真空中もしくは中性、還元雰囲気中、約９００℃の温度で焼き付けることによってセラミック基板１の上面に所定パターン、所定厚みに被着される。
【００３７】
また前記複数のメタライズ配線層２のうち１０Ａ程度の大きな電流が流れる領域には断面積をＳ（ｍｍ2）、流れる電流をｉ（Ａ）とした時、Ｓ≧６×１０-5ｉ2を満足するような比抵抗の小さな銅（比抵抗：１．７２×１０-6Ω・ｃｍ）から成る金属回路板３がロウ付け取着されており、該金属回路板３によってメタライズ配線層２に１０Ａ程度の大きな電流が流れたとしてもその大きな電流はスムーズに流れ、同時に大きなジュール発熱が起こるのが有効に防止されセラミック回路基板としての機能を長期間にわたり正常、かつ安定に発揮させることができる。
【００３８】
なお前記銅から成る金属回路板３は銅のインゴット（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、所定形状に形成され、メタライズ配線層２のうち１０Ａ程度の大きな電流が流れる領域に取着される。
【００３９】
また前記金属回路板３はまたその断面積をＳ（ｍｍ2）、流れる電流をｉ（Ａ）とした時、Ｓ＜６×１０-5ｉ2となると１０Ａ程度の大きな電流が流れた場合、電流の流れが悪くなると同時に大きなジュール発熱を起こして溶断を発生してしまう。従って、前記金属回路板３はその断面積をＳ（ｍｍ2）、流れる電流をｉ（Ａ）とした時、Ｓ≧６×１０-5ｉ2のものに特定される。
【００４０】
前記金属回路板３のメタライズ配線層２への取着はメタライズ配線層２が有する活性化を利用することによって行われ、具体的にはセラミック基板１上にメタライズ配線層２となる金属ペースト（例えば、銀−銅共晶合金にチタンやタングステン、ハフニウムおよび／またはその水素化物を少なくとも１種添加したもの）を所定パターンに印刷塗布するとともに、該所定パターンに印刷塗布された金属ペースト上に金属回路板３を載置させ、しかる後、これを真空中もしくは中性、還元雰囲気中、約９００℃の温度で焼成し、メタライズ配線層２に金属回路板３を取着させることによって行われる。
【００４１】
なお、前記銅から成る金属回路板３は無酸素銅で形成しておくと、該無酸素銅はロウ付けの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ロウ材２との濡れ性が良好となり、メタライズ配線層２へのロウ材を介しての接合が強固となる。従って、前記金属回路板３はこれを無酸素銅で形成しておくことが好ましい。
【００４２】
また前記メタライズ配線層２および金属回路板３はその露出表面にニッケルや金等の良導電性で耐蝕性、ロウ材との濡れ性に優れた金属をメッキ法により１μｍ〜２０μｍの厚みに被着させておくとメタライズ配線層２および金属回路板３の酸化腐蝕を有効に防止することができるとともにメタライズ配線層２や金属回路板３に搭載される電子部品の電極を介して強固に接合させることができ、同時にメタライズ配線層２や金属回路板３と外部電気回路との電気的接続を良好とすることができる。従って前記メタライズ配線層２および金属回路板３はその露出表面にニッケルや金等の金属を１μｍ〜２０μｍの厚みに被着させておくことが好ましい。
【００４３】
更に前記メタライズ配線層２および金属回路板３の表面にニッケルから成るメッキ層を被着させる場合、内部に燐を８〜１５重量％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メッキ層の表面酸化を良好に防止して半田との濡れ性等を長く維持することができる。従って、前記メタライズ配線層２および金属回路板３の表面にニッケルから成るメッキ層を被着させる場合、内部に燐を８〜１５重量％含有させてニッケル−燐のアモルファス合金としておくことが好ましい。
【００４４】
また更に、前記メタライズ配線層２および金属回路板３の表面にニッケル−燐のアモルファス合金からなるメッキ層を被着させる場合、ニッケルに対する燐の含有量が８重量％未満、あるいは１５重量％を超えたときニッケル−燐のアモルファス合金を形成するのが困難となってメッキ層に半田を強固に接着させることができなくなる危険性がある。従って、前記メタライズ配線層２および金属回路板３の表面にニッケル−燐のアモルファス合金からなるメッキ層を被着させる場合にはニッケルに対する燐の含有量を８〜１５重量％の範囲としておくことが好ましく、好適には１０〜１５重量％の範囲がよい。
【００４５】
また、前記メタライズ配線層２および金属回路板３の表面に被着されるニッケルから成るメッキ層は、その厚みが１．５μｍ未満の場合、メタライズ配線層２および金属回路板３の表面をニッケルから成るメッキ層で完全に被覆することができず、メタライズ配線層２および金属回路板３の酸化腐蝕を有効に防止することができなくなる危険性があり、また３μｍを超えるとニッケルから成るメッキ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１に反りや割れ等が発生してしまう。特にセラミック基板１の厚さが７００μｍ以下の薄いものになった場合にはこのセラミック基板１の反りや割れ等が顕著となってしまう。従って、前記メタライズ配線層２および金属回路板３の表面に被着されるニッケルから成るメッキ層はその厚みを１．５μｍ〜３μｍの範囲としておくことが好ましい。
【００４６】
かくして上述のセラミック回路基板によればセラミック基板１上にＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やパワーＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の電子部品が搭載されるとともに、該電子部品の電極がメタライズ配線層２や金属回路板３に接続され、搭載された各電子部品をメタライズ配線層２や金属回路板３を介して電気的に接続するとともにメタライズ配線層２を所定の外部電気回路に接続し、搭載されている電子部品を外部電気回路に電気的に接続することによってセラミック回路基板として機能する。
【００４７】
なお、本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能であり、例えば、上述の実施例ではロウ材４として銀−銅共晶ロウ材を用いた例を示したが、銀−銅共晶ロウ材にチタンもしくはその水素化物等の活性金属を２〜５重量％添加した活性金属ロウ材を用いてもよい。
【００４８】
【発明の効果】
本発明のセラミック回路基板によれば、メタライズ配線層のうち１０Ａ程度の大きな電流が流れる領域に断面積をＳ（ｍｍ2）、流れる電流をｉ（Ａ）とした時Ｓ≧６×１０-5ｉ2を満足するような比抵抗の小さな銅から成る金属回路板を取着したことからメタライズ配線層に１０Ａ程度の大きな電流が流れたとしてもその大きな電流は金属回路板を介してスムーズに流れ、同時に大きなジュール発熱が起こるのが有効に防止され、セラミック回路基板としての機能を長期間にわたり正常、かつ安定して発揮させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のセラミック回路基板の参考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例を示す断面図である。
【符号の説明】
１・・・・セラミック基板
２・・・・メタライズ配線層
３・・・・金属回路板
４・・・・ロウ材
【図１】
0004721533.tif 000002
【図２】
0004721533.tif 000003