(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基板の表面に活性金属ロウ材を介して金属回路板を取着して成るセラミック回路基板であって、
前記セラミック基板は主成分としての窒化珪素と焼結助剤とで形成されている窒化珪素質焼結体から成り、
前記セラミック基板の表面にブラスト処理を施して前記焼結助剤を選択的に除去することにより、前記セラミック基板の前記表面における前記金属回路板が取着される領域の面積に対し、前記金属回路板が取着される領域において前記焼結助剤の露出面積を５％以下としたことを特徴とするセラミック回路基板。
【請求項２】
前記ブラスト処理は、粒径２０〜２５０μｍの研磨剤が添加された溶液を０．１〜０．５ＭＰaの吹き付け圧力で１〜１０分間、前記セラミック基板の前記表面に吹き付けることにより施されることを特徴とする請求項１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−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が用いられている。
【０００３】
かかる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成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、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、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印刷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る。
【０００４】
【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、一般にセラミック基板が酸化アルミニウム質焼結体により形成されており、該酸化アルミニウム質焼結体は熱伝達率が２０Ｗ／ｍ・Ｋと小さいため金属回路板上に載置固定された電子部品の作動時に発生する熱をセラミック基板を介して外部に効率よく放散させることができず、その結果、電子部品が該電子部品の発する熱によって高温となり、電子部品に熱破壊や特性に劣化を招来して電子部品を安定に、かつ信頼性よく作動させることができないという問題点を有していた。
【０００５】
そこで上記問題点を解決するために、セラミック基板を熱伝達率が６０W／ｍ・Ｋ以上と非常に高い窒化珪素質焼結体で形成することが考えられる。
【０００６】
かかるセラミック基板を窒化珪素質焼結体で形成した場合、窒化珪素質焼結体は固相焼結であり、ガラス質をあまり含有しておらずメタライズ金属層の強固な被着が困難であるため窒化珪素質焼結体からなるセラミック基板への金属回路板の取着は窒化珪素質焼結体と直接反応して接合するチタン、ジルコニウム、ハフニウム及び／またはそれらの水素化物を少なくとも１種含有させた活性金属ロウ材を使用しなければならない。
【０００７】
しかしながら、窒化珪素質焼結体は固相焼結を容易に行うために内部に焼結助剤が多量に含有され、その一部が窒化珪素質焼結体の表面に１５〜２０％程度の面積で存在しており、かかる焼結助剤は活性金属ロウ材と濡れ性が悪いため窒化珪素質焼結体からなるセラミック基板に活性金属ロウ材を介して金属回路板を強固に接合させることはできずセラミック回路基板としての信頼性が低いものとなる欠点を誘発する。
【０００８】
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と金属回路板との接合を強固とし、かつ搭載される電子部品の発生する熱を外部に効率よく放散す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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、セラミック基板の表面に活性金属ロウ材を介して金属回路板を取着して成るセラミック回路基板であって、前記セラミック基板は主成分としての窒化珪素と焼結助剤とで形成されている窒化珪素質焼結体から成り、前記セラミック基板の表面にブラスト処理を施して前記焼結助剤を選択的に除去することにより、前記セラミック基板の前記表面における前記金属回路板が取着される領域の面積に対し、前記金属回路板が取着される領域において前記焼結助剤が露出している領域の面積が５％以下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、セラミック基板を熱伝達率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上と非常に高い窒化珪素質焼結体で形成したことから、金属回路板に載置固定された電子部品が作動時に大量の熱を発生したとしてもその熱は金属回路板およびセラミック基板を介して大気中に良好に放散され、その結果、電子部品は適温となり、電子部品を常に安定、かつ正常に作動させることが可能となる。
【００１１】
また、本発明のセラミック回路基板によれば、金属回路板の取着されるセラミック基板表面の面積に対し、該表面に露出している焼結助剤の面積を５％以下としたことからセラミック基板と活性金属ロウ材との接合面積が広いものとなり、その結果、セラミック基板に対する金属回路板の取着を極めて強固となすことが可能となる。
【００１２】
【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き詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本発明のセラミック回路基板の一実施例を示し、１はセラミック基板、２は活性金属ロウ材、３は金属回路板である。
【００１４】
前記セラミック基板１は四角形状をなし、その上面に活性金属ロウ材２を介して金属回路板３がロウ付けされている。
【００１５】
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、窒化珪素質焼結体で形成されている。
【００１６】
前記窒化珪素質焼結体から成るセラミック基板１はその熱伝達率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、熱を伝え易いことから金属回路板３に電子部品を載置固定し、該電子部品が多量の熱を発生したとしてもその熱は金属回路板３およびセラミック基板１を介して大気中に良好に放散され、その結果、電子部品は適温となり、電子部品を常に安定、かつ正常に作動させることができる。
【００１７】
前記窒化珪素質焼結体から成るセラミック基板１は、窒化珪素、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム等の原料粉末と酸化イットリウム、酸化セシウム、酸化サマリウム、酸化エルビウム、酸化イッテリビウム、酸化ルテニウム等の希土類元素から成る焼結助剤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、これを窒素雰囲気等の非酸化性雰囲気中、１６００乃至２０００℃の高温で焼成することによって製作される。
【００１８】
また前記窒化珪素質焼結体から成るセラミック基板１は、その上面に金属回路板３が活性金属ロウ材２を介してロウ付け取着されている。
【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、銅やアルミニウム等のインゴット（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、例えば、厚さが５００μｍで、所定パターン形状に製作される。
【００２０】
前記金属回路板３は銅から成る場合、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活性金属ロウ材２との濡れ性が良好となり、セラミック基板１への活性金属ロウ材２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。
【００２１】
また前記金属回路板３はその表面にニッケルから成る良導電性で、かつ耐蝕性及び活性金属ロウ材２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成る良導電性で、かつ耐蝕性及び活性金属ロウ材２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。
【００２２】
更に前記金属回路板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−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活性金属ロウ材２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−燐のアモルファス合金としておくことが好ましい。
【００２３】
なお、前記金属回路板３の表面にニッケル−燐のアモルファス合金からな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−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。従って、前記金属回路板３の表面にニッケル−燐のアモルファス合金からなるメッキ層を被着させる場合い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。
【００２４】
また、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。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。
【００２５】
更に前記セラミック基板１に金属回路板３をロウ付け取着する活性金属ロウ材２はセラミック基板１と金属回路板３とを接合する接合材として作用し、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％）等から成るロウ材にチタン、タングステン、ハフニウム及び／またはその水素化物の少なくとも１種を２乃至５重量％添加したものが好適に使用される。
【００２６】
前記活性金属ロウ材２によるセラミック基板１への金属回路板３の取着は、セラミック基板１上に金属回路板３を間に活性金属ロウ材２を挟んで載置し、次に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、活性金属ロウ材２を溶融せしめるとともにセラミック基板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行われる。
【００２７】
本発明においては金属回路板３が取着されるセラミック基板１の表面面積に対し、該表面に露出している焼結助剤の面積を５％以下としておくことが重要である。
【００２８】
前記金属回路板３が取着されるセラミック基板１表面の焼結助剤面積を５％以下としておくとセラミック基板１に金属回路板３を活性金属ロウ材２を介して取着する際、セラミック基板１と活性金属ロウ材２との接合面積が広いものとなり、その結果、セラミック基板１に対する金属回路板３の取着を極めて強固となすことができる。
【００２９】
前記セラミック基板１は、その表面の焼結助剤面積が５％を超えると、セラミック基板１と活性金属ロウ材２との接合面積が小さくなってセラミック基板１と活性金属ロウ材２との接合強度が弱いものとなってしまう。従って、前記セラミック基板１の金属回路板３が取着される表面の焼結助剤面積は５％以下の範囲に特定される。
【００３０】
なお、前記セラミック基板１の表面に露出する焼結助剤の面積を５％以下とするにはセラミック基板１を形成する窒化珪素に比べ焼結助剤が柔らかいことを利用し、セラミック基板１の表面に特殊なブラスト処理を施こし、焼結助剤を選択的に除去することによって行われる。
【００３１】
また前記特殊なブラスト処理としては、具体的には、粒径２０〜２５０μｍのアルミナ球状粉末等の研磨剤を適量添加した水等の溶液を０．１〜０．５ＭＰａの吹きつけ圧力でセラミック基板１の上面に１〜１０分間吹き付けることによって実施され、このブラスト処理によりセラミック基板１表面の焼結助剤面積は５％以下となる。
【００３２】
前記ブラスト処理において、アルミナ球状粉末の粒径が２０μｍ未満となるとセラミック基板１の表面に露出する焼結助剤を効率よく除去するのが困難となって露出する焼結助剤の面積を５％以下にするのができなくなる危険性があり、また２５０μｍを超えるとセラミック基板１の表面に２０ＭＰａを超える残留応力が内在し、セラミック基板１に金属回路板３を安定して強固に接合させることができなくなる危険性がある。従って、前記アルミナ球状粉末の粒径は２０〜２５０μｍの範囲としておくことが好ましい。
【００３３】
また前記吹きつけ圧力は０．１ＭＰａ未満となるとセラミック基板１の表面に露出する焼結助剤を効率よく除去するのが困難となって露出する焼結助剤の面積を５％以下にするのができなくなる危険性があり、また０．５ＭＰａを超えるとセラミック基板１の表面に２０ＭＰａを超える残留応力が内在し、セラミック基板１に金属回路板３を安定して強固に接合させることができなくなる危険性がある。従って、前記吹きつけ圧力は０．１〜０．５ＭＰａ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、金属回路板３の上面に半田を間に挟んで電子部品の電極を当接させ、しかる後、これを所定温度（約１８０℃）に加熱し、半田を溶融させるとともに該溶融した半田を金属回路板３及び電子部品の電極に接合させることによって電子部品は金属回路板３に電気的に接続され、金属回路板３を外部電気回路に接続すれば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。
【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の表面に研磨剤を含有した溶液を吹き付けるブラスト処理を施すことによってセラミック基板１の表面に露出する焼結助剤を選択的に除去したが、これに限定されるものではなく、水とアルミナ粉末から成るメディアが収容されている容器内にセラミック基板１を投入し、しかる後、前記容器を回転、或いは振動させメディアをセラミック基板１の表面の露出する焼結助剤に接触させて除去する、いわゆる、回転バレル処理や振動バレル処理等の方法を用いてもよい。
【００３６】
【発明の効果】
本発明のセラミック回路基板によれば、セラミック基板を熱伝達率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上と非常に高い窒化珪素質焼結体で形成したことから、金属回路板に載置固定された電子部品が作動時に大量の熱を発生したとしてもその熱は金属回路板およびセラミック基板を介して大気中に良好に放散され、その結果、電子部品は適温となり、電子部品を常に安定、かつ正常に作動させることが可能となる。
【００３７】
また、本発明のセラミック回路基板によれば、金属回路板の取着されるセラミック基板表面の面積に対し、該表面に露出している焼結助剤の面積を５％以下としたことからセラミック基板と活性金属ロウ材との接合面積が広いものとなり、その結果、セラミック基板に対する金属回路板の取着を極めて強固となすことが可能となる。
【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・・・・活性金属ロウ材
３・・・・金属回路板
【図１】
0003758939.tif 000002