(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基板の上面に該セラミック基板よりも熱膨張係数の大きい金属から成る金属回路板を接合したセラミック回路基板であって、前記セラミック基板の上面より該セラミック基板の厚みの１／３以内内側の距離Ａの位置に、電気的に独立したメタライズ層を配設し、該メタライズ層の外周を、前記金属回路板の外周より距離Ａ小さい領域よりも大きく、かつ前記金属回路板の外周よりも小さくしたセラミック回路基板。
【請求項２】
前記メタライズ層の厚みが５μｍ乃至５０μｍであ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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミック基板に金属回路板をロウ付けにより接合したセラミック回路基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パワーモジュール用基板やスイッチングモジュール用基板等の回路基板として、セラミック基板上に被着させたメタライズ金属層に銀ー銅合金等のロウ材を介して銅等から成る金属回路板を接合させたセラミック回路基板、あるいはセラミック基板上に銀ー銅共晶合金にチタン、ジルコニウム、ハフニウムまたはその水素化物を添加した活性金属ロウ材を介して銅等から成る金属回路板を直接接合させた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、例えば、セラミック基板上に被着させたメタライズ金属層にロウ材を介して銅等から成る金属回路板を接合させたセラミック回路基板は、一般に酸化アルミニウム質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結体、ムライト質焼結体等の電気絶縁性のセラミックス材料から成るセラミック基板の表面にメタライズ金属層を被着させておき、該メタライズ金属層に銅等の金属材料からなる金属回路板を銀ロウ等のロウ材を介しロウ付けすることによって形成されており、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なる場合には、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厚膜形成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て表面にメタライズ金属層を有する酸化アルミニウム質焼結体から成るセラミック基板を形成し、最後に前記セラミック基板表面のメタライズ金属層上に銅等から成る所定パターンの金属回路板を間に銀ロウ等のロウ材を挟んで載置させるとともにこれを還元雰囲気中、約９００℃の温度に加熱してロウ材を溶融させ、該溶融したロウ材でメタライズ金属層と金属回路板とを接合することによって製作されている。
【０００４】
なお、前記メタライズ金属層及び金属回路板の露出表面には酸化腐蝕を有効に防止するとともに金属回路板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】
また前記金属回路板への電子部品の接続は、まず金属回路板上に半田粉末に有機溶剤、溶媒を添加混合して形成した半田ペーストを従来周知のスクリーン印刷法等の印刷技術を用いることによって所定パターンに印刷塗布し、次にこの印刷塗布した半田ペースト上に電子部品の電極を載置当接させ、しかる後、これを所定温度（約１８０℃）に加熱し、半田ペーストの有機溶剤，溶媒等を揮散させるとともに半田を溶融させ、該溶融した半田により金属回路板と電子部品の電極とを接合させることによって行われている。
【０００６】
【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、セラミック基板の熱膨張係数が約３ｐｐｍ／℃〜７ｐｐｍ／℃（酸化アルミニウム質焼結体：約７ｐｐｍ／℃、窒化アルミニウム質焼結体：約４ｐｐｍ／℃、窒化珪素質焼結体：約３ｐｐｍ／℃）であるのに対し、銅やアルミニウム等からなる金属回路板の熱膨張係数が約１８ｐｐｍ／℃〜２３ｐｐｍ／℃（（銅：約１８ｐｐｍ／℃、アルミニウム：約２３ｐｐｍ／℃）であり、セラミック基板と金属回路板の熱膨張係数が大きく相違することからセラミック基板の上面に被着させたメタライズ金属層に金属回路板を銀ロウ等のロウ材を介して取着する際、セラミック基板と金属回路板との間に両者の熱膨張係数の相違に起因する大きな応力が発生するとともにこれが金属回路板の外周部に集中してしまい、その結果、金属回路板の外周部が位置する領域のセラミック基板に深さ方向に向かってクラックが発生するとともに成長してセラミック基板に割れを生じてしまうという欠点を有していた。
【０００７】
本発明は上記欠点に鑑み案出されたもので、その目的はセラミック基板に割れが発生するのを有効に防止し、半導体素子等の電子部品を信頼性よく、安定して作動させることができるセラミック回路基板を提供することにある。
【０００８】
本発明は、セラミック基板の上面に該セラミック基板よりも熱膨張係数の大きい金属から成る金属回路板を接合したセラミック回路基板であって、前記セラミック基板の上面より該セラミック基板の厚みの１／３以内内側の距離Ａの位置に、電気的に独立したメタライズ層を配設し、該メタライズ層の外周を、前記金属回路板の外周より距離Ａ小さい領域よりも大きく、かつ前記金属回路板の外周よりも小さくしたことを特徴とするものである。
【０００９】
また本発明は、前記メタライズ層の厚みが５μｍ乃至５０μｍであ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によれば、セラミック基板の上面より該セラミック基板の厚みの１／３以内内側の距離Ａにメタライズ層を配設するとともに、該メタライズ層の外周を前記金属回路板の外周より距離Ａ小さい領域よりも大きく形成したことから、セラミック基板と金属回路板との熱膨張係数の相違に起因して発生する大きな応力によって金属回路板の外周部が位置する領域のセラミック基板に深さ方向に向かってクラックが発生したとしても、該クラックは前記メタライズ層によりその成長が有効に阻止され、その結果、セラミック基板に割れが発生することはない。従って、本発明のセラミック回路基板は金属回路板上に電子部品の電極を確実強固に電気的接続することができるとともに該金属回路板に接続された電子部品を長期間にわたり正常、かつ安定に作動させることが可能となる。
【００１１】
【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。
図１は、本発明のセラミック回路基板の一実施例の断面図を示し、１はセラミック基板、２はメタライズ金属層、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、その上面にメタライズ金属層２が被着されており、該メタライズ金属層２には金属回路板３がロウ付けされている。
【００１３】
前記セラミック基板１は金属回路板３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、炭化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、ムライト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℃の高温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はその表面にメタライズ金属層２が被着されており、該メタライズ金属層２は金属回路板３をセラミック基板１にロウ付けする際の下地金属層として作用する。
【００１６】
前記メタライズ金属層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（１０〜５０μｍ）に被着される。
【００１７】
なお、前記メタライズ金属層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、メタライズ金属層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金属層２と金属回路板３とのロウ付けを極めて強固となすことができる。従って、前記メタライズ金属層２の酸化腐蝕を有効に防止し、メタライズ金属層２と金属回路板３とのロウ付けを強固となすにはメタライズ金属層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、前記メタライズ金属層２はその上面に金属回路板３がロウ材を介して取着されている。
【００１９】
前記金属回路板３は銅やアルミニウム等の金属材料から成り、セラミック基板１の表面に形成されたメタライズ金属層２上に金属回路板３を、例えば、銀ロウ材（銀：７２重量％、銅：２８重量％）やアルミニウムロウ材（アルミニウム：８８重量％、シリコン：１２重量％）等から成るロウ材を挟んで載置させ、しかる後、これを真空中もしくは中性、還元雰囲気中、所定温度（銀ロウ材の場合は約９００℃、アルミニウムロウ材の場合は約６００℃）で加熱処理し、ロウ材を溶融せしめるとともにメタライズ金属層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セラミック基板１の表面に取着されることとなる。
【００２０】
前記銅やアルミニウム等から成る金属回路板３は、銅やアルミニウム等のインゴット（塊）に圧延加工方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、例えば、厚さが５００μｍで、メタライズ金属層２のパターン形状に対応する所定パターン形状に製作される。
【００２１】
前記金属回路板３はまた銅から成る場合、金属回路板３を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との濡れ性が良好となり、メタライズ金属層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】
更に前記金属回路板３はその表面にニッケルから成る良導電性で、かつ耐蝕性及びロウ材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なる良導電性で、かつ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％含有させたニッケルー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ロウ材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ー燐のアモルファス合金としておくことが好ましい。
【００２４】
なお、前記金属回路板３の表面にニッケルー燐のアモルファス合金から成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ー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。
【００２５】
従って、前記金属回路板３の表面にニッケルー燐のアモルファス合金から成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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
前記上面に金属回路板３が取着されているセラミック基板１は更にその上面よりセラミック基板３の厚みの１／３以内で距離Ａの位置にメタライズ層４が配設されており、該メタライズ層４はその外周が前記金属回路板３の外周より距離Ａ小さい領域よりも大きく形成されている。そのためセラミック基板１の上面に被着させたメタライズ金属層２に金属回路板３を銀ロウ等のロウ材を介して取着する際、セラミック基板１と金属回路板３との間に両者の熱膨張係数の相違に起因する大きな応力が発生し、これが金属回路板３の外周部に集中して金属回路板３の外周部が位置する領域のセラミック基板１に深さ方向に向かってクラックが発生したとしても、該クラックは前記メタライズ層４によりその成長が有効に阻止され、その結果、セラミック基板１に割れが発生することはない。
【００２９】
これはセラミック基板１の深さ方向に向かって発生するクラックは金属回路板３の外周部を起点にセラミック基板１の深さ方向に４５°より低い角度で展進するため、セラミック基板１の上面より距離Ａの位置に、前記金属回路板３の外周よりも距離Ａ小さい領域よりも大きくメタライズ層４を形成しておけばメタライズ層４でクラックの進展を確実に受け止めることができるためである。
【００３０】
前記メタライズ層４は前記メタライズ金属層２と同様の材料、方法によってセラミック基板１の上面より距離Ａの位置に、その外周が前記金属回路板３の外周より距離Ａ小さい領域よりも大きく形成されている。
【００３１】
なお、前記メタライズ層４はセラミック基板１の厚みに対し１／３を超える位置に配設されているとメタライズ層４まで進展したクラックによってセラミック基板１の機械的強度が著しく低下し、セラミック回路基板としての信頼性が無くなる。従って、前記メタライズ層４はセラミック基板１の上面から該セラミック基板１の厚みに対し１／３以内の範囲に配設されることに特定される。
【００３２】
また前記メタライズ層４は前記金属回路板３の外周よりも距離Ａ小さい領域よりも小さく形成しておくと金属回路板３の外周部を起点に発生し、セラミック基板１の深さ方向に４５°より低い角度で展進するクラックをを確実に受け止めることができなくなってセラミック基板１に割れが生じてしまう。従って、前記メタライズ層４は前記金属回路板３の外周よりも距離Ａ小さい領域よりも大きく形成しておくことに特定される。
【００３３】
更に、前記メタライズ層４はその厚みが５μｍ未満なるとメタライズ層５でクラックの進展を有効に防止するのが困難となる傾向にあり、また５０μｍを超えるとメタライズ層４と絶縁基体１との間に剥離等が発生してしまう危険性がある。従って、前記メタライズ層４はその厚みを５μｍ乃至５０μｍの範囲としておくことが好ましい。
【００３４】
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の上面に取着された金属回路板３に半田等の接着材を介して半導体素子等の電子部品を接着固着させ、半導体素子等の電極をボンディングワイヤ等の電気的接続手段を介して金属回路板３に電気的に接続させれば半導体素子等の電子部品はセラミック回路基板に実装され、金属回路板３を介して外部電気回路と接続される。
【００３５】
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、上述の実施例ではセラミック基板１がアルミニウム質焼結体で形成された例を示したが、電子部品が多量の熱を発し、この熱を効率良く除去したい場合にはセラミック基板１を熱伝導率の高い窒化アルミニウム質焼結体や窒化珪素質焼結体で形成すれば良く、金属回路板３に高速で電気信号を伝播させたい場合にはセラミック基板１を誘電率の低いムライト質焼結体で形成すれば良い。
【００３６】
さらに、上述の実施例ではセラミック基板１の表面に予めメタライズ金属２を被着させておき、該メタライズ金属層２に金属回路板３をロウ付けしてセラミック回路基板となしたが、これをセラミック基板１の表面に、例えば、銀−銅共晶合金にチタンもしくは水素化チタンを２〜５重量％添加した活性金属ロウ材を介して直接金属回路板３を取着させてセラミック回路基板を形成してもよい。
【００３７】
【発明の効果】
本発明のセラミック回路基板によれば、セラミック基板の上面より該セラミック基板の厚みの１／３以内内側の距離Ａにメタライズ層を配設するとともに、該メタライズ層の外周を前記金属回路板の外周より距離Ａ小さい領域よりも大きく形成したことから、セラミック基板と金属回路板との熱膨張係数の相違に起因して発生する大きな応力によって金属回路板の外周部が位置する領域のセラミック基板に深さ方向に向かってクラックが発生したとしても、該クラックは前記メタライズ層によりその成長が有効に阻止され、その結果、セラミック基板に割れが発生することはない。従って、本発明のセラミック回路基板は金属回路板上に電子部品の電極を確実強固に電気的接続することができるとともに該金属回路板に接続された電子部品を長期間にわたり正常、かつ安定に作動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一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・・・・メタライズ金属層
３・・・・金属回路板
４・・・・メタライズ層
【図１】
0004191860.tif 000002