(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（１）アルミニウム粉末とシリコン粉末および／またはアルミニウム−シリコン合金粉末を主成分とするロウ材粉末と、融点が９５０℃以上の高融点金属粉末を点接合で接合して成る凝集体とを含有するロウ材ペーストを作製する工程と、
（２）セラミック基板上に前記ロウ材ペーストを間に挟んでアルミニウム製金属回路板を載置させる工程と、
（３）前記セラミック基板とアルミニウム製金属回路板との間に配されているロウ材ペーストを非酸化性雰囲気中で加熱し、セラミック基板に凝集体を含有するアルミニウムーシリコン合金を主成分とするロウ材を接合させるとともに該ロウ材をアルミニウム製金属回路板に接合させる工程と、
から成るセラミック回路基板の製造方法。
【請求項２】
前記凝集体がロウ材に対して３乃至２０重量％含有さ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の製造方法。
【請求項３】
前記凝集体の平均径が１０乃至１００μｍであること特徴とする請求項１に記載のセラミック回路基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミック基板にアルミニウム製金属回路板をロウ材により接合したセラミック回路基板の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従央の技術】
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銀一銅合金にチタン、ジルコニア、ハフニウムおよびこれらの水素化物の少なくとも１種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】
かかるセラミツク回路基板は、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っており、例えば、酸化アルミニウム質焼結体から成る場合には、具体的には以下の方法によって製作される。
【０００４】
即ち、
（１）まず、銀一銅合金にチタン、ジルコニウム、ハフニウムおよぴこれらの水素化物の少なくとも１種を添加した活性金属粉末に有機溶剤、溶媒を添加混合してロウ材ペ一ストを作製する。
（２）次に、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セラミック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た後、所定寸法に形成し、次に前記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を焼結一体化させて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する。
（３）次に、前記セラミツク基板上に前記ロウ材ぺ−ストを間に挟んで銅等から成る金属回路板を載置させる。
（４）そして最後に、前記セラミック基板と金属回路板との間に配されているロウ材ペーストを非酸化性雰囲気中で約９００℃の温度に加熱し、セラミック基板に活性金属粉末を介して銀一銅合金から成るロウ材を接合させるとともに該ロウ材を金属回路板に接合させることによってセラミック回路基板が製作される。
【０００５】
なお、前記ロウ材および金属回路板の露出表面には酸化腐食を有効に防止すると同時に金属回路板に半導体素子等の電子部品を接着固定する半田等の接着材との接合を強固にするため、ニッケル等の金属がメッキ法等の技術を用いることによって被着されている。
【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、一般に金属回路板が銅により形成されており、該銅は熱膨張係数が１８ｐｐｍ／℃で、酸化アルミニウム質焼結体や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からなるセラミック基板の熱膨張係数（酸化アルミニウム質焼結体：７ｐｐｍ／℃、窒化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体：４ｐｐｍ／℃、窒化珪素質焼結体：３ｐｐｍ／℃）と大きく相違すること、銅の金属回路板は厚みが厚くなってきた場合、その硬さが硬く容易に変形しないこと等から金属回路板をセラミック基板上に接合させた後に、金属回路板とセラミック基板に熱が作用すると金属回路板とセラミック基板の間に両者の熱膨張係数の差に起因する応力が発生し、該応力が脆弱なセラミック基板に作用してセラミック基板にクラックや割れ等が発生してしまうという欠点を有していた。
【０００７】
またセラミック基板への金属回路板の接合はセラミツク基板上にロウ材ペーストを挟んで銅から成る所定パターンの金属回路板を載置させた後、これを還元雰囲気中、約９００℃の温度に加熱することによって行われており、前記ロウ材ペーストは液相線温度以上の温度で加熱されることから、大きく熔け広がり、この熔け広がったロウ材ペーストによって隣接する金属回路板間が電気的に短絡するという欠点も有していた。
【０００８】
なお、前記ロウ材ペーストの熔け広がりを防止するためにロウ材ペーストの厚みを、例えば、１０μｍ未満に薄くしておくことが考えられる。
【０００９】
しかしながら、ロウ材ペーストの厚みを薄くすると、セラミツク基板上に金属回路板を取着する際、セラミック基板と金属回路板との間に発生する両者の熱膨張係数の相違に起因する応力を前記ロウ材が有効に吸収することができなくなってセラミック基板に大きな応力が作用し、該応力によってセラミツク基板にクラックや割れが発生するという欠点が誘発されてしまう。
【００１０】
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金属回路板を、隣接する金属回路板間の電気的短絡を発生することなく、またセラミック基板に割れ等を発生することなく強固に接着させることができるセラミック回路基板の製造方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明のセラミック回路基板の製造方法は、
（１）アルミニウム粉末とシリコン粉末および／またはアルミニウムーシリコン合金粉末を主成分とするロウ材粉末と、融点が９５０℃以上の高融点金属粉末を点接合で接合して成る凝集体とを含有するロウ材ペーストを作製する工程と、
（２）セラミック基板上に前記ロウ材ペーストを間に挟んでアルミニウム製金属回路板を載置させる工程と、
（３）前記セラミック基板とアルミニウム製金属回路板との間に配されているロウ材ペーストを非酸化性雰囲気中で加熱し、セラミック基板に凝集体を含有するアルミニウム−シリコン合金を主成分とするロウ材を接合させるとともに該ロウ材をアルミニウム製金属回路板に接合させる工程と、
から成ることを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明のセラミック回路基板の製造方法は、前記凝集体がロウ材に対して３乃至２０重量％含有されていることを特徴とするものである。
【００１３】
更に、本発明のセラミック回路基板の製造方法は、前記凝集体の平均径が１０乃至１００μｍの平均径であること特徴とするものである。
【００１４】
本発明のセラミック回路基板の製造方法によれば、金属回路板を軟質なアルミニウムで形成したことから金属回路板をセラミック基板上に接合させた後に、金属回路板とセラミック基板に熱が作用し両者間に両者の熱膨張係数の差に起因する応力が発生したとしても該応力は金属回路板を変形させることによって吸収され、その結果、セラミック基板に大きな応力が作用することはなく、セラミック基板にクラックや割れ等が発生するのを有効に防止することができる。
【００１５】
また本発明のセラミック回路基板の製造方法によれば、セラミック基板への金属回路板の接合は、セラミック基板上に融点が９５０℃以上の高融点金属粉末を点接合で接合して成る平均径が１０乃至１００μｍの凝集体をロウ材に対して３乃至２０重量％含有したロウ材ペーストを挟んでアルミニウムから成る所定パターンの金属回路板を載置させた後、これを還元雰囲気中、約６００℃の温度に加熱することによって行われることから、前記ロウ材ペーストがロウ材の液相線温度以上の温度で加熱されたとしても、前記凝集体がセラミック基板と金属回路板との間でスペーサの役目を果たして前記ロウ材ペーストが大きく熔け広がることはなく、その結果、隣接する金属回路板間に電気的な短絡が発生するのが有効に防止される。
【００１６】
更に同時に、融点が９５０℃以上の高融点金属粉末を点接合で接合させた凝集体によって金属回路板とセラミック基板との間に所定厚みのスペースが確保され、該スペースに所定量のロウ材が介在することから金属回路板とセラミック基板の熱膨張係数の相違によって発生する応力は前記ロウ材にも吸収され、セラミック基板にクラックや割れ等を発生するのがより一層有効に防止される。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を添付図面に基づき詳細に説明する。
図１及び図２は、本発明の製造方法によって製作したセラミック回路基板の一実施例を示す断面図であり、１はセラミック基板、２はロウ材層、３は金属回路板である。
【００１８】
前記セラミック基板１は窒化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体等の電気絶縁材料からなり、その上面に金属回路板３がロウ材層２を介してロウ付けされている。
【００１９】
前記セラミック基板１はその上面にロウ付けされる金属回路板３を支持する支持部材として作用する。
【００２０】
また前記セラミック基板１の上面にロウ付けされている金属回路板３はアルミニウムから成り、セラミック回路基板に実装される半導体素子等の電子部品に電気信号や電力を供給する作用をなす。
【００２１】
更に前記セラミック基板１の上面に金属回路板３をロウ付けするロウ材はアルミニウムーシリコン合金を主成分としたロウ材で形成されており、セラミック基板１の上面および金属回路板３の下面に接合して金属回路板３をセラミック基板１上に取着する作用をなす。
【００２２】
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上面の金属回路板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電気的に接続させるとともに金属回路板３を外部電気回路に接続すれば半導体素子等の電子部品は金属回路板３を介して外部電気回路に電気的に接続されることとなる。
【００２３】
次に上記セラミック回路基板の製造方法について説明する。
（１）先ず、セラミック基板１を製作する。
【００２４】
前記セラミック基板１は窒化珪素質焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、酸化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体、炭化珪素質焼結体等の電気絶縁材料から成り、例えば、窒化珪素質焼結体から成る場合には、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、しかる後、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すとともにこれを複数枚積層し、窒素雰囲気中、１６００乃至２０００℃の高温で焼成することによって製作される。
（２）次に、金属回路板３を製作する。
【００２５】
前記金属回路板３はアルミニウムから成り、例えば、アルミニウムのインゴット（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、厚さが５００μｍの所定パターン形状に製作される。
（３）次に、ロウ材ペーストを製作する。
【００２６】
前記ロウ材ペーストは、アルミニウム粉末とシリコン粉末および／またはアルミニウムーシリコン合金粉末を主成分とするロウ材粉末に、融点が９５０℃以上の高融点金属粉末を点接合で接合して成る平均径が１０乃至１００μｍの凝集体２ａを３乃至２０重量％と、適当な有機溶剤、溶媒を添加混合し、混練することによって製作される。
（４）次に、前記セラミック基板１上面に前記ロウ材ペーストを従来周知のスクリーン印刷技法を用いて、例えば、３０乃至５０μｍの厚さで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ロウ材ペースト上に前記金属回路板３を載置する。
（５）そして最後に、前記セラミック基板１と金属回路板３との間に配されているロウ材ペーストを、前記金属回路板３に５０乃至１００ｇの荷重をかけるながら、水素ガス雰囲気や水素・窒素ガス雰囲気の非酸化性雰囲気中で、６００℃に加熱し、前記ロウ材ペーストの有機溶剤や溶媒を気散させるとともにロウ材を溶融せしめセラミック基板１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の上面に金属回路板が取着されることとなる。
【００２７】
なお、この場合、セラミック基板１へのロウ材の接合メカニズムは明らかでははないが、ロウ材中のアルミニウムがセラミック基板１中に含まれている焼結助剤としての酸化マグネシウムや酸化珪素と反応し、反応層を形成することによっておこなわれるものと推測される。
【００２８】
また前記セラミック基板１と金属回路板３とをロウ材を介して接合させる場合、ロウ材ペースト中には、融点が９５０℃以上の高融点金属粉末を点接合で接合して成る凝集体２ａが添加されていることからセラミック基板１と金属回路板３との間に所定厚みのスペースが確保されてロウ材が大きく熔け広がることはなく、その結果、隣接する金属回路板３間に電気的な短絡が発生するのが有効に防止される。更に同時に、融点が９５０℃以上の高融点金属粉末を点接合で接合して成る凝集体２ａによって金属回路板３とセラミック基板１との間に所定厚みのスペースが確保され、該スペースに所定量のロウ材が介在することから金属回路板３とセラミック基板１の熱膨張係数の相違によって発生する応力はその一部が前記ロウ材に吸収され、セラミック基板１にクラックや割れ等が発生することはない。
【００２９】
前記ロウ材ペーストのアルミニウム粉末とシリコン粉末および／またはアルミニウムーシリコン合金粉末を主成分とするロウ材粉末は、例えば、アルミニウムとシリコンがそれぞれ８８重量％と１８重量％含有されている共晶合金からなり、マグネシウムを添加物として添加したり、チタン、ジルコニウム、ハフニウムおよびこれらの水素化物の少なくとも１種より成る活性金属粉末を添加してもよい。ロウ材ペーストにマグネシウムを添加物として添加する場合にはアルミニウム、シリコン、マグネシウムをそれぞれ９０重量％、７．５重量％、２．５重量％とした合金が好適に使用され、またチタン、ジルコニウム、ハフニウムおよびこれらの水素化物の少なくとも１種より成る活性金属粉末を添加する場合には、その量を２乃至５重量％としておくとセラミック基板１との接合をより強固となすことができる。
【００３０】
更に、前記ロウ材粉末はその粒径が１μｍ未満となるとロウ材粉末の比表面積が大きくなってロウ材粉末表面に形成される酸化皮膜中に多くの酸素が存在し、該酸素によってロウ材のセラミック基板１や金属回路板３に対する濡れ性が低下して、前記セラミック基板１と金属回路板３との接合強度が低下してしまう危険性がある。従って、前記ロウ材粉末はその粒径を１μｍ以上としておくことが好ましい。
【００３１】
また更に前記ロウ材ペースト中に添加されている凝集体２ａは銅、銀、金、タングステン、モリブデン、マンガン等の融点が９５０℃以上の高融点金属の粉末から形成されており、例えば、高融点金属粉末がモリブデンの場合であれば還元雰囲気中で約２０００℃の温度に加熱し、約５分間保持することにより、粉体同士を点接合で接合した後、室温まで徐冷し、所定の径に分級することによって製作される。
【００３２】
前記高融点金属はその融点が９５０℃とロウ材の液相線温度よりも充分に高い融点を有することから、ロウ材が液相線温度以上の温度に加熱され場合でも凝集体２ａは溶融することなく前記セラミック基板１と金属回路板３との間に所定厚みのスペースを確実に確保することができる。
【００３３】
前記凝集体２ａはまたその径が１０μｍ未満となるとセラミック基板１と金属回路板３との間の所定厚みのスペースを確保するのが困難となり、また１００μｍを超えるとロウ材ペーストをセラミック基板１上面に従来周知のスクリーン印刷法等の印刷技術を用いて印刷塗布する際、凝集体２ａがスクリーンのメッシュに引っかかって所定パターンに印刷塗布するのが困難となる。従って、前記凝集体２ａはその径を１０乃至１００μｍの範囲に、より好適には２０乃至５０μｍの範囲にしておくことが好ましい。
【００３４】
更に、前記凝集体２ａを形成する銅、銀、金、タングステン、モリブデン、マンガン等の高融点金属粉末はその径が１μｍ未満となると比表面積が大きくなって、高融点金属粉末表面に形成される酸化皮膜中に多くの酸素が存在し、該酸素によってロウ材のセラミック基板１や金属回路板３に対する濡れ性が低下して、前記セラミック基板１と金属回路板３との接合強度が低下してしまう危険性があり、また６μｍを超えると高融点金属粉末間の接合点が少なくて凝集体２ａの機械的強度が弱くなり、セラミック基板１に金属回路板３をロウ付けする際に凝集体２ａの高融点金属粉末間にばらけが発生してセラミック基板１と金属回路板３との間に所定厚みのスペースを確保することが困難となってしまう。従って、前記凝集体２ａを形成する各高融点金属粉末はその径を１乃至６μｍの範囲としておくことが好ましい。
【００３５】
前記凝集体２ａのロウ材への添加量は３重量％未満となると、前記セラミック基板１と金属回路板３との間に所定厚みのスペースを確保するのが困難となり、また２０重量％を超えるとセラミック基板１及び金属回路板３に対するロウ材の接合面積が狭くなってセラミック基板１への金属回路板３のロウ付け強度が低下してしまう傾向にある。従って、前記凝集体２ａのロウ材への添加量は３乃至２０重量％の範囲としておくことが好ましい。
【００３６】
また更に、前記凝集体２ａを形成する高融点金属粉末に銅、銀、金を選択すると、該銅、銀、金は熱伝導率が約３００W／ｍ・Kと高いことから金属回路板３上に接着固定された電子部品が作動時に多量の熱を発生した際、その熱をロウ材中の凝集体２ａを通してセラミック基板１へ良好に伝達・放散させることができる。従って、前記凝集体２ａは銅、銀、金等の熱伝導率が約３００W／ｍ・K以上の高いものを使用することが好ましい。
【００３７】
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が窒化珪素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で形成しても良く、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。
【００３８】
また前記金属回路板３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強固に接着させることができる。
【００３９】
前記アルミニウム製金属回路板３にニッケルメッキを施す場合、ニッケルメッキの前処理としてアルミニウム製金属回路板３にジンケート処理を施しておくとニッケルメッキ層をアルミニウム製金属回路板３へ均一に、かつ強固に被着させることができる。従って、前記アルミニウム製金属回路板３にニッケルメッキを施す場合、前記アルミニウム製金属回路板３にジンケート処理を施しておくことが好ましい。また前記ジンケート処理としては、例えば、市販の上村工業株式会社製ＡＤ−３−１Ｆ  ３Ｘを用いたジンケート浴中にアルミニウム製金属回路板３を３０秒間浸漬し、次に５０％硝酸液にて金属回路板３表面に析出した亜鉛を溶解し、最後に再度前記ジンケート浴に３０秒浸漬することによって行われる。
【００４０】
更に、前記ニッケルメッキ層は燐を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層の表面酸化を良好に防止することができる。従って、前記アルミニウム製金属回路板３にニッケルメッキ層を被着させる場合、ニッケルメッキ層は燐を８〜１５重量％含有する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。
【００４１】
また更に、前記金属回路板３の表面にニッケルメッキ層を被着させる場合、該ニッケルメッキ層は、その厚みが１．５μｍ未満となると金属回路板３の表面をニッケルメッキ層で完全に被覆するのが困難となって金属回路板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に反りや割れ等を発生してしまう危険性がある。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の表面にニッケルメッキ層を被着させる場合、ニッケルメッキ層の厚みは１．５μｍ乃至３μｍの範囲としておくことが好ましい。
【００４２】
【発明の効果】
本発明のセラミック回路基板の製造方法によれば、金属回路板を軟質なアルミニウムで形成したことから金属回路板をセラミック基板上に接合させた後に、金属回路板とセラミック基板に熱が作用し両者間に両者の熱膨張係数の差に起因する応力が発生したとしても該応力は金属回路板を変形させることによって吸収され、その結果、セラミック基板に大きな応力が作用することはなく、セラミック基板にクラックや割れ等が発生するのを有効に防止することができる。
【００４３】
また本発明のセラミック回路基板の製造方法によれば、セラミック基板への金属回路板の接合は、セラミック基板上に融点が９５０℃以上の高融点金属粉末を点接合で接合して成る平均径が１０乃至１００μｍの凝集体をロウ材に対して３乃至２０重量％含有したロウ材ペーストを挟んでアルミニウムから成る所定パターンの金属回路板を載置させた後、これを還元雰囲気中、約６００℃の温度に加熱することによって行われることから、前記ロウ材ペーストがロウ材の液相線温度以上の温度で加熱されたとしても、前記凝集体がセラミック基板と金属回路板との間でスペーサの役目を果たして前記ロウ材ペーストが大きく熔け広がることはなく、その結果、隣接する金属回路板間に電気的な短絡が発生するのが有効に防止される。
【００４４】
更に同時に、融点が９５０℃以上の高融点金属粉末を点接合で接合させた凝集体によって金属回路板とセラミック基板との間に所定厚みのスペースが確保され、該スペースに所定量のロウ材が介在することから金属回路板とセラミック基板の熱膨張係数の相違によって発生する応力は前記ロウ材にも吸収され、セラミック基板にクラックや割れ等を発生するのがより一層有効に防止される。
【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。
【図２】本発明のセラミック回路基板の一実施例を示す断面図の要部拡大図である。
【符号の説明】
１・・・・セラミック基板
２・・・・ロウ材層
２ａ・・・凝集体
３・・・・金属回路板
【図１】
0004295409.tif 000002
【図２】
0004295409.tif 000003