(57)【要約】      （修正有）【課題】金属回路板を厚くしたり、動作温度が高くなったりしても、金属回路板の外周端部付近のセラミック基板にクラックの生じる可能性が低減されており、高い温度サイクル信頼性をもつ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と、前記セラミック基板１の上面に接合された複数の金属回路板２と、前記セラミック基板１の上面に接合されており、複数の金属回路板２に対応する複数の開口部を有している拘束金属板３とを備えるセラミック回路基板である。金属回路板２によってセラミック基板１に加わる応力を拘束金属板３によって緩和することで、セラミック基板１にクラックが生じる可能性の低減された温度サイクル信頼性の高いセラミック回路基板となる。【選択図】図１
2013012687.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基板と、
前記セラミック基板の上面に接合された複数の金属回路板と、
前記セラミック基板の上面に接合されており、前記複数の金属回路板に対応する複数の開口部を有している拘束金属板とを備えていることを特徴とするセラミック回路基板。
【請求項２】
前記拘束金属板が、前記セラミック基板の前記上面の端まで設けられていることを特徴とする請求項１に記載のセラミック回路基板。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載されたセラミック回路基板と、
該セラミック回路基板の前記複数の金属回路板に実装された電子部品とを備え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が用いられている。この様な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】
また、パワーモジュールやスイッチングモジュールにおいては、例えばＳｉＣ（シリコンカーバイド）半導体素子やＧａＮ（窒化ガリウム）半導体素子を用いた半導体装置が使われること等によって装置の大出力化が進もうとしている。そしてＳｉＣ半導体素子やＧａＮ半導体素子を用いた半導体装置では、より多くの電流が流れ、より高温となっても安定に動作するため、このような用途で使用されるセラミック回路基板は、より大電流を流すことを要求されると共に、より高い温度で動作した場合の温度サイクル信頼性が高いことを要求されることになる。
【０００４】
しかし、セラミック回路基板に大電流を流すために、金属回路板を厚くしたり、動作温度が高くなったりすると、セラミック基板と金属回路板の熱膨張係数の違いから、金属回路板の外周部が接合されているセラミック基板の表面部により大きな引っ張り応力が加わりやすくなるので、セラミック基板にクラックが発生しやすく、温度サイクル信頼性が低下しやすい問題があった。
【０００５】
その対策として、図６に示す例のように、第１のセラミック基板11の上面に形成した金属回路板12に対し、下面に形成した第１の金属板15の厚みを厚くすると共に、更に第１の金属板15の下面に第２のセラミック基板19と第２の金属板20をそれぞれろう材14で接合し形成することで、回路基板を反り難くし、且つ第１の金属板15によって加わる圧縮応力によって第１のセラミック基板11の上面にも圧縮応力が加わるようにすることで、金属回路板12の外周部が接合されているセラミック基板11の表面部に引っ張り応力が加わり難くなり、温度サイクル信頼性を高めたものがある（例えば、特許文献１を参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開2003-086747号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、図６に示す例のようにすると、厚みの厚い第１の金属板15の下面に第２のセラミック基板19と第２の金属板20を形成することで、回路基板の厚みが厚くなると共に構造が複雑になり、コストも上昇するという問題があった。
【０００８】
本発明は上記問題点に鑑み完成されたものであり、大きな電流を流すために金属回路板を厚くしたり、動作温度が高くなったりしても、金属回路板の接合されているセラミック基板にクラックが生じる可能性の低減されており、高い温度サイクル信頼性をもつ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】
【０００９】
本発明のセラミック回路基板は、セラミック基板と、前記セラミック基板の上面に接合された複数の金属回路板と、前記セラミック基板の上面に接合されており、前記複数の金属回路板に対応する複数の開口部を有している拘束金属板とを備えていることを特徴とするものである。
【００１０】
本発明のセラミック回路基板は、前記拘束金属板が、前記セラミック基板の前記上面の端まで設けられていることを特徴とするものである。
【００１１】
本発明の電子装置は、本発明のセラミック回路基板と、該セラミック回路基板の前記複数の金属回路板に実装された電子部品とを備えていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のセラミック回路基板は、セラミック基板と、セラミック基板の上面に接合された複数の金属回路板と、セラミック基板の上面に接合されており、複数の金属回路板に対応する複数の開口部を有している拘束金属板とを備えている。このことから、金属回路板によってセラミック基板に加わる応力を拘束金属板によって緩和することで、セラミック基板にクラックが生じる可能性の低減された温度サイクル信頼性の高いセラミック回路基板となる。
【００１３】
本発明のセラミック回路基板は、拘束金属板が、セラミック基板の上面の端まで設けられていることから、拘束金属板の外周部が接合されているセラミック基板の引っ張り応力が加わる部分がないので、拘束金属板の外周部においてもセラミック基板にクラックが生じる可能性が低減されるために、より温度サイクル信頼性の高いセラミック回路基板となる。
【００１４】
本発明の電子装置は、本発明のセラミック回路基板と、セラミック回路基板の複数の金属回路板に実装された電子部品とを備えていることから、より温度サイクル信頼性の高い電子装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【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る。
【図２】図１（ｂ）のＢ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一例を示す要部拡大図である。
【図４】（ａ）は本発明の電子装置の実施の形態の他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る。
【図５】本発明の電子装置の実施の形態の他の一例を示す要部拡大図である。
【図６】（ａ）は従来の従来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る。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施形態におけるセラミック回路基板および電子装置について図面を参照しつつ詳細に説明する。図１〜図３において、１はセラミック基板、２は金属回路板、３は拘束金属板、４はろう材、５は放熱板、６は電子部品、７はボンディングワイヤである。
【００１７】
本実施形態のセラミック回路基板は、図１に示す例のように、セラミック基板１と、セラミック基板１の上面に接合された複数の金属回路板２と、セラミック基板１の上面に接合されており、複数の金属回路板２に対応する複数の開口部を有している拘束金属板３と
を備えている。このような構成としたことから、電気伝導率の高い銅やアルミニウム等の金属でできている金属回路板２の熱膨張係数はセラミック基板１の熱膨張係数より大きく、セラミック基板１に対し金属回路板２は縮むように応力が加わるので、金属回路板２の外周部が接合されているセラミック基板１表面には内側に引っ張る応力が働く。それに対し、拘束金属板３は開口部が縮まるようにセラミック基板１に内側への圧縮応力を加えるので、結果として金属回路板２の外周部が接合されているセラミック基板１表面に加わっている引っ張り応力が緩和されることとなり、セラミック基板１にクラックが発生し難くなり温度サイクル信頼性の高いセラミック回路基板となる。
【００１８】
図１（ａ）、（ｂ）に平面図および断面図で示す例では、セラミック回路基板はセラミック基板１の上面には外部回路と接続するための６つの金属回路板２と電子部品６を搭載するための１つの金属回路板２がろう材４で接合され、それらの金属回路板２を取り囲むように拘束金属板３がろう材４で接合されている。拘束金属板３は、金属回路板２よりもひと回り大きい開口部を有しており、この開口部に金属回路板２が配置されている。セラミック基板１の下面には、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５がろう材４で接合されている。
【００１９】
図１（ａ）に平面図で示すように、金属回路板２と拘束金属板３間の隙間がセラミック回路基板内でほぼ同じ寸法となっている場合は、金属回路板２の外周端部付近のセラミック基板１に加わる引っ張り応力の値が拘束金属板３で各部位で同程度緩和されるために、どの部分でも大きくは異ならない値となるので、特定部分でクラックが発生することが減少し、セラミック回路基板の温度サイクル信頼性がより向上するので好ましい。
【００２０】
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、より厚みの厚い金属回路板２および放熱板５を使用してもセラミック基板１にクラックが入り難くなるので、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。
【００２１】
開口部の角部分には丸みが付けられていることによって、角部分に丸みが付けられていない構造に比べてセラミック基板１に生じる応力が低減されている。
【００２２】
セラミック基板１の厚みは、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】
金属回路板２、拘束金属板３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、金属回路板２および拘束金属板３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。
【００２５】
金属回路板２、拘束金属板３および放熱板５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、セラミック基板１と金属回路板２、拘束金属板３または放熱板５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４との濡れ性が良好となるので、接合が強固となる。
【００２６】
上記各部材をろう材４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。
【００２７】
金属回路板２、拘束金属板３および放熱板５が銅から成る場合は、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、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。
【００２８】
金属回路板２、拘束金属板３および放熱板５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４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。
【００２９】
活性金属を含まない、通常のろう材ペーストで金属回路板２または拘束金属板３、あるいは放熱板５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、メタライズ層と金属回路板２または拘束金属板３、あるいは放熱板５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。
【００３０】
また、金属回路板２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、金属回路板２に半導体素子等の電子部品６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、金属回路板２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５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。
【００３１】
セラミック基板１の上面および下面に金属回路板２、拘束金属板３および放熱板５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、セラミック基板１を準備する。また、金属板をプレス加工や、エッチング加工等を用い、金属回路板２、拘束金属板３および放熱板５を所定パターン形状に加工する。次にセラミック基板１と金属回路板２、拘束金属板３および放熱板５が相対する接合部の少なくとも一方に、接合後にろう材４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。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４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。
【００３２】
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金属回路板２、拘束金属板３および放熱板５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金属回路板２、拘束金属板３および放熱板５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。
【００３３】
図２に要部拡大図で示すように、金属回路板２と拘束金属板３の間の隙間ｄは0.3〜２
ｍｍであることが好ましい。隙間ｄが0.3ｍｍ未満であると、絶縁性が低下しやすい傾向
がある。また、隙間ｄが２ｍｍより大きいと金属回路板２の外周部が接合されているセラミック基板１表面に加わる引っ張り応力を緩和する効果が小さくなると共に、無駄に基板が大きくなることになる。
【００３４】
また、本実施形態のセラミック回路基板は、図３に要部拡大図で示すように、拘束金属板３が、セラミック基板１の上面の端まで設けられていることから、拘束金属板３の外周部でセラミック基板１に引っ張り応力が加わる部分がないので、拘束金属板３の外周部においてもセラミック基板１にクラックが生じる可能性が低減されるために、より温度サイクル信頼性の高いセラミック回路基板となる。
【００３５】
このときに、図３に示す例のように、裏面の放熱板５も、セラミック基板１の下面の端まで設けられていると、下面においても外周部でセラミック基板１に引っ張り応力が加わる部分がないのでより好ましい。
【００３６】
拘束金属板３が、セラミック基板１の上面の端まで設けられている場合には、拘束金属板３の外周部でセラミック基板１にクラックが生じる可能性が低減されるため、拘束金属板３は金属回路板２よりヤング率の大きな材料を用いたり、厚みが厚い材料を用いたりした場合には、金属回路板２の外周部付近のセラミック基板１へ加わる引っ張り応力より拘束金属板３の開口部付近のセラミック基板１へ加わる圧縮応力のほうが大きくなることで、金属回路板２によるセラミック基板１にクラックが生じる可能性が低減されるので回路
基板の温度サイクル信頼性が高くなり好ましい。
【００３７】
なお、本実施形態のセラミック回路基板は、図４（ａ）、（ｂ）に平面図および断面図で示すように、例えば、金属回路板２間を電気的に接続するように抵抗やコンデンサーのような第２の電子部品８を配置する場合に拘束金属板３は２つ以上の金属回路板２を含む開口部を有した構造であってもかまわない。なお、金属回路板２同士を第２の電子部品８を介して電気的に接続する部分には金属回路板２間には部分的に拘束金属板３を形成しない構造とすると、金属回路板２の設計の自由度が狭まらないので好ましい。
【００３８】
また、図５に示す例のように、金属回路板２と拘束金属板３の間の隙間ｄに、シリコーン樹脂やポリアミド樹脂等の絶縁体９を充填すると、隙間ｄが狭くなったとしても、絶縁性が低下し難いので好ましい。またシリコーン樹脂やポリアミド樹脂は耐熱性があり、柔軟性があるため、温度サイクルが加わっても樹脂にクラック等が発生しにくいため絶縁信頼性も高いものとなる。
【００３９】
なお、絶縁体９の熱膨張係数はセラミック基板１より大で且つ金属回路板２より大であることが好ましい。この様な構成とすることで、絶縁体９を充填後に室温より高い例えば150℃程度の温度で硬化させたとすれば、絶縁体９によっても隙間ｄの部分のセラミック
基板１に圧縮応力が加わるので、セラミック基板１に加わる引っ張り応力を緩和させることができるようになるからである。
【００４０】
上記のような本実施形態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実施形態の電子装置となる。本実施形態の電子装置によれば、上記各構成の本実施形態のセラミック回路基板と、セラミック回路基板の複数の金属回路板１に実装された電子部品６とを備えていることから、より温度サイクル信頼性の高い電子装置となる。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
なお、上述の例では活性金属接合法等によって得られる基板について説明しているが、本発明はＤＢＣ基板にも適用され得る。
【符号の説明】
【００４４】
１・・・・・セラミック基板
２・・・・・金属回路板
３・・・・・拘束金属板
４・・・・・ろう材
５・・・・・放熱板
６・・・・・電子部品
７・・・・・ボンディングワイヤ
８・・・・・第２の電子部品
９・・・・・絶縁体
【図１】
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【図２】
2013012687.tif 000004
【図３】
2013012687.tif 000005
【図４】
2013012687.tif 000006
【図５】
2013012687.tif 000007
【図６】
2013012687.tif 000008