(57)【要約】      （修正有）【課題】セラミックス基板と金属回路板とを接合したセラミックス回路基板において、熱応力や熱サイクルに対する信頼性を高めた上で、回路パターンの形成にエッチング加工を適用可能にすると共に、製造コストの低減を図る。【解決手段】セラミックス回路基板１は、セラミックス基板２の両主面（２ａ，２ｂ）の少なくとも一方の面２ａに、接合層３を介して接合された金属回路板４ａを具備する。例えばろう材層により構成される接合層３の外周部５は、金属回路板４の回路パターンに沿って波形状に設けられている。この接合層３の波形外周部５は応力の集中緩和機能を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板と、前記セラミックス基板の両主面の少なくとも一方の面に接合層を介して接合された金属回路板とを具備するセラミックス回路基板において、
前記接合層は前記金属回路板の回路パターンに沿って形成された波形の外周部を有す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、
前記接合層の外周部に設けられた前記波形は曲線で構成された形状を有し、かつ波の形成周期が0.1〜5mmの範囲であると共に、波の形成幅が0.05〜2mmの範囲であ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または請求項２記載のセラミックス回路基板において、
前記接合層はろう材層からなる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ないし請求項３のいずれか１項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は、窒化アルミニウム焼結体、窒化ケイ素焼結体、アルミナ焼結体、またはアルミナとジルコニアの複合焼結体からなり、かつ前記金属回路板は銅板またはアルミニウム板からなることを特徴とするセラミックス回路基板。
【請求項５】
セラミックス基板の両主面の少なくとも一方の面に金属回路板を接合してセラミックス回路基板を製造するにあたり、
前記セラミックス基板の主面上に、前記金属回路板の回路パターンに対応させて、外周部が波形となるように接合材を塗布する工程と、
前記接合材の塗布層上に金属板を配置し、前記セラミックス基板と金属板とを接合する工程と、
前記金属板を前記回路パターンに対応させて加工することにより、前記金属回路板を形成する工程と
を具備することを特徴とするセラミックス回路基板の製造方法。
【請求項６】
請求項５記載のセラミックス回路基板の製造方法において、
前記波形の形成周期が0.1〜5mmの範囲で、かつ形成幅が0.05〜2mmの範囲となるように、前記接合材を塗布することを特徴とするセラミックス回路基板の製造方法。
【請求項７】
請求項５または請求項６記載のセラミックス回路基板の製造方法において、
前記接合材としてろう材を用いることを特徴とするセラミックス回路基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種素子やモジュールの実装用基板などとして用いられるセラミックス回路基板とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半導体素子を始めとする各種素子を実装するための基板として、優れた絶縁性、放熱性、機械的特性などを有するセラミックス回路基板が使用されている。特に、発熱量が大きいパワートランジスタのような高出力型半導体素子やパワーモジュールなどを実装するセラミックス回路基板には、セラミックス基板と金属板との接合基板を適用することが一般的である。金属板の接合方法としては、セラミックス基板と銅板とを加熱処理により直接接合するＤＢＣ法、セラミックス基板とアルミニウム板とを加熱処理により直接接合するＤＢＡ法、あるいは活性金属を含有するろう材を用いてセラミックス基板と金属板とを接合する方法（活性金属法）などが知られている。
【０００３】
このような接合方法を適用したセラミックス−金属接合基板においては、金属板に回路パターンを形成する必要がある。金属回路パターンの形成方法としては、金属板を予め所望の回路パターンに加工した後に、セラミックス基板に接合する方法と、セラミックス基板に金属板を接合した後に、エッチング加工などで金属板に所望の回路パターンを形成する方法とが知られているが、ろう材を用いてセラミックス基板と金属板とを接合した場合には、後者の方法を適用することが一般的である（例えば特許文献１参照）。エッチング加工による回路パターンの形成方法は、高精細な金属回路パターンを高精度に形成することができるなどの利点を有する。
【０００４】
上述したエッチング加工を適用して金属回路パターンを形成したセラミックス回路基板において、金属回路板の形状とろう材による接合層の形状は同一となる。ところで、高出力トランジスタやインテリジェントパワーモジュールなどが使用されつつある現状においては、金属回路板を有するセラミックス回路基板に対して、より一層の信頼性の向上が求められている。特に、熱膨張係数の差が大きいセラミックス基板と金属回路板とを接合したセラミックス回路基板に対しては、熱応力や熱サイクルに対する信頼性を高めることが強く求められている。
【０００５】
すなわち、セラミックス基板と金属回路板とを接合したセラミックス回路基板に熱サイクルが印加されると、熱膨張係数が小さいセラミックス基板側に熱応力が作用する。このような熱応力が繰り返し加わるとセラミックス基板側にクラックが生じ、接合強度の低下や金属回路板の剥離、さらにはセラミックス基板の破壊などを招くことになる。特に、高出力トランジスタやパワーモジュールなどを実装するセラミックス回路基板においては、熱負荷およびそれに伴う熱応力が増加する傾向にあるため、熱応力や熱サイクルに対する信頼性をより一層高めることが強く求められている。
【０００６】
このような点に対して、例えば特許文献２には金属回路板の外周部に薄肉部を設けたり、また外周縁部近傍に孔や溝を設けることによって、熱応力を緩和してクラックの発生を抑制することが記載されている。このような構造によれば熱応力を緩和し得るものの、予め金属回路板に加工を施すことが必須となるため、セラミックス回路基板の製造コストが増加すると共に、上述したエッチング加工による回路パターンの形成方法が適用できないというような難点がある。
【特許文献１】特開平11-340598号公報
【特許文献２】特開2001-267447号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、従来のセラミックス回路基板においては、予め金属回路板の外周部などに加工を施すことで熱応力を緩和している。しかしながら、このような構造では複雑な回路パターンを形成する際に、高精細な金属回路パターンを高精度に形成することが可能なエッチング加工を適用することができず、また製造コストも増加してしまうというような難点がある。
【０００８】
本発明はこのような課題に対処するためになされたもので、熱応力や熱サイクルに対する信頼性を高めた上で、回路パターンを高精度に形成し得るエッチング加工を適用することができ、かつ製造コストの低減を図ったセラミックス回路基板とその製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のセラミックス回路基板は、請求項１に記載したように、セラミックス基板と、前記セラミックス基板の両主面の少なくとも一方の面に接合層を介して接合された金属回路板とを具備するセラミックス回路基板において、前記接合層は前記金属回路板の回路パターンに沿って形成された波形の外周部を有することを特徴としている。
【００１０】
本発明のセラミックス回路基板において、接合層の外周部に設けられた波形は請求項２に記載したように曲線で構成された形状を有することが好ましく、さらに波形の形成周期が0.1〜5mmの範囲であると共に、波形の形成幅が0.05〜2mmの範囲の形状を有することが好ましい。また、本発明のセラミックス回路基板における接合層としては、例えば請求項３に記載したように、セラミックス基板と金属回路板との接合に用いたろう材層が挙げられる。
【００１１】
また、本発明のセラミックス回路基板の製造方法は、請求項５に記載したように、セラミックス基板の両主面の少なくとも一方の面に金属回路板を接合してセラミックス回路基板を製造するにあたり、前記セラミックス基板の主面上に、前記金属回路板の回路パターンに対応させて、外周部が波形となるように接合材を塗布する工程と、前記接合材の塗布層上に金属板を配置し、前記セラミックス基板と金属板とを接合する工程と、前記金属板を前記回路パターンに対応させて加工することにより、前記金属回路板を形成する工程とを具備することを特徴としている。
【００１２】
本発明のセラミックス回路基板においては、接合層の外周部形状を金属回路板の回路パターンに沿って波形としている。このような波形形状の外周部を有する接合層によれば、セラミックス基板と金属回路板との接合端の長さを見掛け上長くすることができるため、接合端への応力集中を緩和することができる。さらに、接合層の外周部に設けられた波形形状に基づいて、金属回路板はセラミックス基板に接合されていない部分を有することになり、この部分の熱収縮に対する緩衝作用によっても応力集中が緩和される。
【００１３】
このような応力集中の緩和効果によって、セラミックス基板のクラック発生や生成したクラックの成長などを抑制することができる。従って、セラミックス回路基板の熱応力や熱サイクルに対する信頼性を大幅に高めることが可能となる。さらに、このような接合層による応力集中の緩和効果は、予め接合材の形成パターン（塗布パターン）を変えるだけで得られるため、製造コストの増大を招くこともなく、さらに回路パターンを高精度に形成し得るエッチング加工などを適用することも可能である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のセラミックス回路基板によれば、熱応力や熱サイクルに対する信頼性を高めることができる。その上で、回路パターンを高精度に形成し得るエッチング加工などを適用することが可能であると共に、製造コストの増加を抑制することができるため、実用性と熱履歴に対する信頼性を共に高めたセラミックス回路基板を提供することが可能となる。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を実施するための形態について説明する。図１および図２は本発明の一実施形態によるセラミックス回路基板の構成を示す図であり、図１はセラミックス回路基板の平面図、図２はそのＡ−Ａ線に沿った断面図である。これらの図に示すセラミックス回路基板１はセラミックス基板２を有している。セラミックス基板２の両主面（表裏両面）２ａ、２ｂには、それぞれ接合層３を介して金属回路板４（４ａ、４ｂ）が接合されている。
【００１６】
セラミックス基板２の表面２ａ側に接合された金属回路板４ａには、所望の回路パターンが形成されている。すなわち、セラミックス基板２の表面２ａ側には、セラミックス回路基板１に実装される半導体素子やその他の素子に対応した回路パターンを有する金属回路板４ａが接合されている。一方、セラミックス基板２の裏面２ｂ側には、例えばヒートシンクへの接合部や反り防止部材などとなる裏側金属回路板４ｂが接合されている。ここでは、裏側金属回路板４ｂに単純な板状の金属板が適用されているが、例えばモジュールなどを構成する場合には裏側金属回路板４ｂにも所望形状の回路パターンが形成される。
【００１７】
セラミックス回路基板１を構成するセラミックス基板２には、各種のセラミックス焼結体を適用することができ、特に構成材料に限定されるものではない。すなわち、セラミックス基板２の構成材料としては、例えば窒化アルミニウム焼結体や窒化ケイ素焼結体などの非酸化物系セラミックス焼結体から、アルミナ焼結体やアルミナとジルコニアとの複合焼結体などの酸化物系セラミックス焼結体まで、各種セラミックス焼結体を使用することが可能である。
【００１８】
上述した各種のセラミックス焼結体のうち、セラミックス回路基板１に高放熱性が要求される場合には、窒化アルミニウム焼結体や窒化ケイ素焼結体などの窒化物系セラミックス焼結体からなるセラミックス基板２を使用することが好ましい。特に、熱伝導率が100W/m K以上の窒化アルミニウム焼結体はセラミックス回路基板１の高放熱化に対して有効であり、特に高出力トランジスタやパワーモジュールなどの実装用基板として用いる場合に好適である。また、窒化ケイ素焼結体によれば、セラミックス回路基板１の放熱性を高めた上で、機械的強度を大幅に向上させることができる。セラミックス基板２の板厚は使用材料により異なるものの、例えば0.3〜1.5mmの範囲とすることが好ましい。
【００１９】
金属回路板４は、セラミックス回路基板１の使用用途や使用形態などに応じて各種の金属板で構成することができ、例えばＣｕ板もしくはＣｕ合金板、Ａｌ板もしくはＡｌ合金板などが好ましく用いられる。ただし、金属回路板４の構成材料はこれらに限定されるものではなく、ＣｕやＡｌ以外の金属材料、例えばＮｉやＮｉ合金、ＷやＭｏのような高融点金属やその合金、さらにはＣｕ、Ａｌ、Ｎｉなどと高融点金属との合金やクラッド材などを使用することも可能である。接合層３を適用した接合方法によれば、各種の金属材料からなる金属回路板４をセラミックス基板２に接合することができる。金属回路板４の板厚は例えば0.1〜0.5mmの範囲とすることが好ましい。
【００２０】
上述したようなセラミックス基板２と金属回路板４とは、接合層３を介して接合されている。接合層３は必ずしも限定されるものではないが、一般的にはろう材層が適用される。接合層３を構成するろう材、すなわちセラミックス基板２と金属回路板４とを接合するろう材は、セラミックス基板２の種類などに応じて適宜選択されるものであるが、例えばＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ａｌなどから選ばれる少なくとも1種の活性金属（例えばろう材の全量に対して0.5〜10重量％の範囲で含有）を、Ａｇ−Ｃｕの共晶組成もしくはその近傍組成のＡｇ−Ｃｕ系ろう材やＣｕ系ろう材などのろう材成分に配合した活性金属ろう材を使用することが好ましい。活性金属ろう材は適量のＳｎやＩｎ（例えばろう材の全量に対して2〜7重量％）などを含んでいてもよい。
【００２１】
上記したろう材などからなる接合層３の外周部５には波形模様が形成されている。図３の要部断面図（接合層３の部分で平面方向に切断した横断面図）に示すように、接合層３の外周部５は金属回路板（各金属板）４の外周形状、すなわち金属回路パターンに沿って波形状とされている。言い換えると、接合層３の外周部５には、金属回路板４の外周形状に対して、その内側方向に凹となるような波形が形成されている。接合層３の外周部５に設ける波形は、例えば正弦波のような滑らか曲線で構成された波形状とすることが好ましい。
【００２２】
このように、接合層３の外周部５を波形状とすることによって、セラミックス基板２と金属回路板４との接合端の長さを見掛け上長くすることができる。熱応力や熱サイクルなどに起因するセラミックス基板２のクラック発生や破壊などは、金属回路板４の接合端（従来のセラミックス回路基板では実質的に接合層の外周部に相当）に対応するセラミックス部分に応力が集中することで生じるものである。このような点に対して、波形の外周形状に基づいて接合層３の外周部５の長さを見掛け上長くすることによって、セラミックス基板２と金属回路板４との接合端への応力集中を緩和することができる。
【００２３】
さらに、上述した接合層３の外周部５に設けられた波形形状に基づいて、金属回路板４はセラミックス基板２に接合されていない部分を有している。言い換えると、金属回路板４とセラミックス基板２との間には、図４に拡大して示すように、接合層３の波形外周部５の内側方向に凹んだ部分に対応して空隙部６（接合層３が存在していない部分）が設けられている。金属回路板４のセラミックス基板２に接合、固定されていない部分、すなわち空隙部６に対応する部分は、熱サイクルによる熱収縮に対して緩衝作用を示すため、これによってもセラミックス基板２の特定箇所に対する応力集中を緩和することができる。
【００２４】
上述したように、接合層３の外周部５を金属回路パターンに沿って波形とすることによって、セラミックス基板２へのクラックの発生原因となる応力集中、すなわち熱サイクルが印加された際に生じる熱応力の接合端への集中を緩和することができる。熱応力の集中緩和はクラックの生成や成長を抑制し、これによりセラミックス基板２と金属回路板４との接合強度の低下、金属回路板４の剥離、さらにはセラミックス基板２の破壊などを防ぐことが可能となる。従って、セラミックス回路基板１の熱サイクル特性、すなわち熱履歴に対する信頼性を大幅に向上させることができる。その上で、回路パターンを高精度に形成し得るエッチング加工などを適用し得ると共に、製造コスト低減を図ることが可能となる。
【００２５】
接合層３の波形外周部５に応力集中の緩和機能を持たせる上で、波形外周部５は上述したように正弦波のような滑らか曲線で構成された波形状を有することが好ましい。本発明は三角波状の波形を必ずしも除外するものではないが、頂角が鋭角となるとその部分に応力集中が起こるため、熱サイクル特性の向上効果が低減する。三角波状の波形を適用する場合には頂角を鈍角とすることが好ましいが、応力集中を緩和する機能の点からは滑らか曲線で構成された波形を適用することが望ましい。また、具体的な波形外周部５の形状に関しては図５に示すように、波の形成周期ｐを0.1〜5mmの範囲とすると共に、波の形成幅ｗを0.05〜2mmの範囲とすることが好ましい。
【００２６】
波形外周部５の形成周期ｐが0.1mm未満であると、波頂部が細くなることで応力集中が生じやすくなる。一方、波形外周部５の形成周期ｐが5mmを超えると、上述した接合端長さの見掛け上の増大効果が低下する。波形外周部５の形成周期ｐは0.5〜2mmの範囲とすることがより好ましい。また、波形外周部５の形成幅ｗが0.05mm未満である場合にも、上述した接合端長さの見掛け上の増大効果が低下する。一方、波形外周部５の形成幅ｗが2mmを超えると、金属回路板４のセラミックス基板２に接合されていない部分が増加しすぎるため、接合強度の低下を招くおそれがある。波形外周部５の形成周期ｐは0.1〜1mmの範囲とすることがより好ましい。
【００２７】
なお、この実施形態ではセラミックス基板２の表裏両面２ａ、２ｂに金属回路板４ａ、４ｂを接合したセラミックス回路基板１を示したが、本発明のセラミックス回路基板はこのような構造に限定されるものではない。本発明のセラミックス回路基板は、金属回路板をセラミックス基板２の一方の主面のみに接合したものであってもよい。このような構成においても、接合層３の外周部５を波形とすることによって、応力集中の緩和効果に基づいて熱履歴に対する信頼性を高めることができる。
【００２８】
次に、上述した実施形態のセラミックス回路基板の製造方法について、図６および図７を参照して説明する。まず、図６（ａ）および図７（ａ）に示すように、セラミックス基板２の金属板接合面（図６および図７では主面２ａ）に、接合材として例えばろう材を塗布する。この際、ろう材は予め金属回路パターン１１の形状に対応させて塗布すると共に、金属回路パターン１１に沿って形成される外周部が波形となるように塗布する。
【００２９】
図６（ａ）および図７（ａ）は、金属回路パターン１１の形状に対応すると共に、外周部１２が波形とされたろう材の塗布層１３を示している。外周部１２の波形は上述したような形成周期ｐや形成幅ｗを有する形状とすることが好ましい。また、ろう材の塗布層１３は、例えばろう材に適量の有機バインダと溶媒を加えてペースト化し、このろう材ペーストをスクリーン印刷するなどによって、各種形状に容易に塗布することができる。
【００３０】
次に、上述したろう材の塗布層１３上に金属板１４を配置する。この金属板１４は回路パターンを形成する前の板状体である。このようなセラミックス基板２と金属板１４との積層物を、適用したろう材の種類に応じた温度および雰囲気中で熱処理することによって、図６（ｂ）および図７（ｂ）に示すように、セラミックス基板２と金属板１４との接合体を作製する。ここで、ろう材による接合層３はろう材の塗布形状に基づいて、金属回路パターン１１の形状に対応した形状を有しており、さらにその外周部５には波形が形成されている。
【００３１】
この後、金属板１４上に金属回路パターン１１に対応したレジストを形成し、回路パターン以外の部分を例えばエッチング加工で除去することによって、図６（ｃ）および図７（ｃ）に示すように、所望の回路パターンを有する金属回路板４を形成し、目的とするセラミックス回路基板１を得る。このように、接合材としてのろう材の塗布形状を変更するだけで、外周部５に応力緩和効果を示す波形状を設けた接合層３を具備するセラミックス回路基板１を得ることができるため、製造コストの増加などを招くことがない。
【００３２】
さらに、応力緩和効果を接合層３の形状に基づいて得ているため、金属回路パターンの形成にはパターンの高精細化などが可能なエッチング加工を適用することができる。ここで、金属回路板４は予め回路パターンに加工した各金属板をろう材の塗布層１３上に配置し、この状態で熱処理を施すことによっても形成できるが、このような方法では熱処理時に各金属板の位置にずれなどが生じやすく、金属回路パターンの精度が低下するおそれがある。これに対して、接合後にエッチング処理を実施することによって、複雑な回路パターンを高精度に形成することが可能である。
【実施例】
【００３３】
次に、本発明の具体的な実施例およびその評価結果について述べる。
【００３４】
実施例１
まず、厚さ0.635mmの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板の表面に、スクリーン印刷法を適用してろう材ペーストを塗布した。このろう材ペーストには、Ｔｉを2質量％含有するＡｇ−Ｃｕ共晶ろう材（活性金属ろう材）に適量の有機バインダと溶媒を加えてペースト化したものを使用し、焼成後のろう材層の厚さが20μmとなるように塗布した。さらに、ろう材ペーストは金属回路パターンの形状に対応させると共に、金属回路パターンに沿って形成される外周部が波形となるように塗布した。外周部に形成する波形の具体的な形状は、波の形成周期ｐが1mm、波の形成幅ｗが0.5mmの正弦波とした。
【００３５】
次に、ろう材ペーストが塗布されたＡｌＮ基板上に、厚さ0.2mmのＣｕ板を載置し、この積層物を0.01Pa以下の真空雰囲気中にて800℃×15時間の条件で熱処理して、ＡｌＮ基板とＣｕ板とを接合した。この後、Ｃｕ板上に回路パターンに対応させて紫外線硬化型樹脂を塗布し、これに紫外線を照射して硬化させた。この樹脂層をレジストとして使用して、Ｃｕ板を回路パターンにエッチング処理することによって、目的とするセラミックス回路基板、すなわちろう材層からなる接合層の外周部に回路パターンに沿って波形状が形成されたセラミックス回路基板を得た。
【００３６】
比較例１
上述した実施例１において、ろう材ペーストをＣｕ板の大きさに対応させて全面的に塗布する以外は、実施例１と同様にしてセラミックス回路基板を作製した。この比較例１のセラミックス回路基板においては、ろう材層はエッチング処理で金属回路パターンと同一形状とされるものである。
【００３７】
上記した実施例１および比較例１のセラミックス回路基板について、まずＣｕ回路板の接合強度を測定した。また、同一条件で作製した各例のセラミックス回路基板を用いて、熱サイクル特性を測定、評価した。熱サイクル特性は、-40℃×30分＋室温（ＲＴ）×10分＋125℃×3分＋ＲＴ×10分を1サイクルとする熱サイクル試験（ＴＣＴ）を250サイクル繰返した後に、クラックの発生量を測定することにより評価した。クラックの発生量は、各Ｃｕ回路パターン部の全外周長さＬに対するクラック発生部分（へき開発生部分）の長さＸの比率（Ｘ／Ｌ×100（％））で示す。
【００３８】
上記した評価結果において、実施例１のＣｕ回路板の接合強度は比較例１とほぼ同等であった。一方、熱サイクル特性に関しては、実施例１によるセラミックス回路基板のクラック発生量は約10％であったのに対して、比較例１によるセラミックス回路基板のクラック発生量は約15％であった。この評価結果から、実施例１では比較例１に対する相対比較でＴＣＴサイクル数が約33％向上していることが分かる。このように、ろう材層からなる接合層の外周部に回路パターンに沿って波形状を形成することによって、高接合強度を有すると共に、熱サイクル特性に優れるセラミックス回路基板を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施形態によるセラミックス回路基板の概略構成を示す平面図である。
【図２】図１に示すセラミックス回路基板の断面図である。
【図３】図１に示すセラミックス回路基板を接合層の部分で平面方向に切断した横断面図である。
【図４】図１に示すセラミックス回路基板の要部拡大断面図である。
【図５】本発明のセラミックス回路基板における接合層の外周部形状を説明するための図である。
【図６】本発明の一実施形態によるセラミックス回路基板の製造方法の要部製造工程を示す平面図である。
【図７】図６に示すセラミックス回路基板の要部製造工程を断面で示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１……セラミックス回路基板、２……セラミックス基板、３……接合層、４（４ａ，４ｂ）……金属回路板、５……接合層の波形外周部、１１……金属回路パターン、１３……ろう材の塗布層、１４……金属板。
【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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