(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が発生することのない、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、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の下面に接合されており、複数の金属回路板２に対応して設けられている複数の放熱金属板５と、セラミック基板１の下面に接合されており、複数の放熱金属板５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。金属回路板２によって加わる応力を放熱金属板５によって緩和し、放熱金属板５によって加わる応力を拘束金属板３によって緩和することで、薄型でありながら、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
2013021115.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下面に接合されており、前記複数の金属回路板に対応して設けられている複数の放熱金属板と、
前記セラミック基板の下面に接合されており、前記複数の放熱金属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下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、パワーモジュールまたは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、パワーモジュールまたはスイッチングモジュールにおいては、電力変換効率を高めるために、例えば、電力変換効率が高く、高温でも安定動作するＳｉＣ（シリコンカーバイド）半導体素子または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によって装置の大出力化が進もうとしている。そして、例えば、ＳｉＣ半導体素子または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では、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、セラミック基板の表面のうち金属回路板の外周部に対応する部分に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、セラミック基板11の表面のうち金属回路板12の外周部に対応する部分において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に示す例において、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、薄型でありながら、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た、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】
本発明の一つの態様による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下面に接合されており、前記複数の金属回路板に対応して設けられている複数の放熱金属板と、前記セラミック基板の下面に接合されており、前記複数の放熱金属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】
本発明の他の態様による電子装置は、上記構成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】
【００１１】
本発明の一つの態様によるセラミック回路基板は、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、セラミック基板の下面に接合されており複数の金属回路板に対応して設けられている複数の放熱金属板と、セラミック基板の下面に接合されており複数の放熱金属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。本発明の一つの態様によるセラミック回路基板がこのような構成を備えていることによって、金属回路板によってセラミック基板の上面に加えられる応力が複数の金属回路板に対応して設けられた複数の放熱金属板によって緩和されるとともに、さらに、複数の放熱金属板によってセラミック基板の下面に加えられる応力が複数の放熱金属板に対応する複数の開口部を有する拘束金属板によって緩和されて、本発明の一つの態様によるセラミック回路基板は、セラミック基板にクラックが生じる可能性に関して低減されており温度サイクル信頼性に関して向上されている。
【００１２】
本発明の他の態様による電子装置は、上記構成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によって、温度サイクル信頼性に関して向上されている。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】（ａ）は本発明の第１の実施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り、（ｃ）は下面図である。
【図２】図１（ｂ）のＢ部の拡大図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の他の一例を示す要部拡大図である。
【図４】（ａ）は本発明の第１の実施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り、（ｃ）は下面図である。
【図５】（ａ）は本発明の第２の実施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り、（ｃ）は下面図である。
【図６】（ａ）は従来の電子装置の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】
【００１４】
以下、本発明のいくつかの例示的な実施形態について図面を参照して説明する。
【００１５】
（第１の実施形態）
図１に示されているように、本発明の第１の実施形態におけるセラミック回路基板は、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の下面に接合されており複数の金属回路板２に対応して設けられている複数の放熱金属板５と、セラミック基板１の下面に接合されており複数の放熱金属板５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、セラミック基板１の表面のうち金属回路板２の外周部に対応する部分には金属回路板２の中央部に対応する部分の方向へ引っ張り応力が働くのに対し、下面の放熱金属板５によってセラミック基板１の上面の応力が緩和されることで、セラミック基板１上面のクラックが発生し難くなる。そして、セラミック基板１表面のうち放熱金属板５の外周部に対応する部分には内側に引っ張り応力が働くのに対し、下面の拘束金属板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応力を緩和することで、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。また、本実施形態のセラミック回路基板は、複数の放熱金属板５の周囲に設けられた拘束金属板３を有していることによって、放熱性に関して向上されている。
【００１６】
なお、複数の放熱金属板５が複数の金属回路板２に対応して設けられているとは、平面透視において複数の放熱金属板５が複数の金属回路板２に重なるように設けられていることを意味している。複数の放熱金属板５は、平面透視において複数の金属回路板２よりも大きい寸法を有している。複数の金属回路板２は、平面透視において複数の放熱金属板５の配置領域内に設けられている。複数の放熱金属板５の縁（アウトライン）は、平面透視において複数の金属回路板２の縁（アウトライン）よりも外側に位置している。
【００１７】
図１（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に平面図、断面図および下面図で示す例では、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３がろう材４で接合されている。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複数の放熱金属板５が複数の金属回路板２に対応してろう材４で接合され、それらの放熱金属板５よりも少し大きい寸法の開口部を有しており開口部内に放熱金属板５が配置される拘束金属板３がろう材４で接合されている。
【００１８】
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または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および放熱金属板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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
金属回路板２、拘束金属板３および放熱金属板５は、銅または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。
【００２２】
金属回路板２、拘束金属板３および放熱金属板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または放熱金属板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。
【００２３】
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。
【００２４】
金属回路板２、拘束金属板３および放熱金属板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。
【００２５】
金属回路板２、拘束金属板３および放熱金属板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。
【００２６】
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、あるいは放熱金属板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、あるいは放熱金属板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。
【００２７】
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、放熱金属板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。
【００２８】
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および放熱金属板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および放熱金属板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および放熱金属板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。
【００２９】
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および放熱金属板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および放熱金属板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。
【００３０】
放熱金属板５は、対応する金属回路板２の相似形状を有しており、金属回路板２よりも一回り大きい寸法を有している。放熱金属板５が金属回路板２よりも一回り大きい寸法を有していることによって、金属回路板２によるセラミック基板１における応力を低減させやすい。
【００３１】
図２に要部拡大図で示すように、セラミック基板１の厚みをｔとした場合に、上面の金属回路板２に対しての下面の放熱金属板５のはみ出し寸法ｐはｔ以上であることが好ましい。はみ出し寸法ｐがｔｍｍ以上あると、熱はほぼ45度の角度で伝わるため、放熱金属板５と拘束金属板３の間に隙間があったとしても、放熱性が低下しにくいからである。また、放熱金属板５と拘束金属板３の間の距離ｄは0.3〜２ｍｍであることが好ましい。距離
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、距離ｄが２ｍｍよ
り大きいと放熱金属板５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。
【００３２】
また、本実施例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の下面の端まで設けられていることから、拘束金属板３の外周端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。
【００３３】
拘束金属板３が、セラミック基板１の下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は放熱金属板３よりヤング率の大きな材料を用いた場合には、放熱金属板５の外周端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へ加わる圧縮応力が大きくなることで、金属回路板２の外周部のセラミック基板１に加わる応力をより緩和できるようになりセラミック基板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。この時に、放熱金属板５も拘束金属板３と同じくヤング率の大きな材料を用いた場合には、より効果的に金属回路板２の外周部のセラミック基板１に加わる応力を緩和することができセラミック基板１にクラックが生じる可能性が低減されるのでより回路基板の温度サイクル信頼性が高くなり好ましい。
【００３４】
なお、本実施例のセラミック回路基板は、図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に平面図、断面図および裏面図で示すように、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、拘束金属板３を形成しても、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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
なお、拘束金属板３において開口部から縁にかけて溝が形成されていると、拘束金属板３をセラミック基板１に接合する際の接合部材における空気抜きに関して改善される。
【００３９】
（第２の実施形態）
図５（ａ）〜（ｃ）を参照して、本発明の第２の実施形態における電子装置について説明する。第２の実施形態の電子装置において第２の実施形態の電子装置と異なる構成は、セラミック回路基板がセラミック基板の上面に設けられた上面拘束金属板９をさらに備えていることである。その他の構成は、第１の実施形態における電子装置と同様である。
【００４０】
上面拘束金属板９は、複数の金属回路板２に対応する複数の開口部を有しており、複数の開口部のそれぞれは、金属回路板２よりも少し大きい寸法を有している。本実施形態のセラミック回路基板は、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上面拘束金属板９をさらに備えていることによって、金属回路板２によってセラミック基板に加わる応力を拘束金属板９によって緩和することができ、セラミック基板１にクラックが生じる可能性に関して低減されており温度サイクル信頼性に関して向上されている。また、本実施形態のセラミック回路基板は、上面拘束金属板９をさらに備えていることによって、セラミック基板の上面において金属部材が接合されている面積とセラミック基板の下面において金属部材が接合されている面積との差が低減されており、上下面方向における反りに関して低減されている。
【００４１】
本実施形態における電子装置は、上記構成のセラミック回路基板を備えていることによって、温度サイクル信頼性に関して向上されているとともに、上下面方向における反りに関して低減されている。
【符号の説明】
【００４２】
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・・・・・放熱金属板
６・・・・・電子部品
７・・・・・ボンディングワイヤ
８・・・・・第２の電子部品
【図１】
2013021115.tif 000003
【図２】
2013021115.tif 000004
【図３】
2013021115.tif 000005
【図４】
2013021115.tif 000006
【図５】
2013021115.tif 000007
【図６】
2013021115.tif 000008