JP2001024296A - セラミック回路基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】金属回路板に電子部品を接着材を介して強固に
接着することができず、また電子部品が作動時に発した
熱を金属回路板に効率良く伝達できない。 【解決手段】セラミック基板１の表面に金属回路板３を
ロウ材４を介して取着するとともに、該金属回路板３の
表面にニッケルメッキ層５を被着させて成るセラミック
回路基板であって、前記ニッケルメッキ層５の表面粗さ
を十点平均粗さ（Ｒｚ）で１０μｍ以下とした。

Description

【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
ク基板上に銅等から成る金属回路板をロウ付けにより接
合させたセラミック回路基板がよく用いられている。

【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、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、セラミック基板が酸化アルミニウム質
焼結体から成る場合には、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
ーストと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食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】

【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、金属回路板の表面
に、例えば、ニッケル等の金属をメッキ法により被着さ
せる際、前処理として１０〜１５％硫酸浴を用いて金属
回路板の表面を酸洗いしており、この酸洗いによって金
属回路板の表面がエッチングされて表面粗さが粗くなる
とともに金属回路板の表面に被着されるニッケルメッキ
層も表面が十点平均粗さ（Ｒｚ）で１５μｍ以上の粗い
ものとなっており、その結果、金属回路板に半田等の接
着材を介して半導体素子等の電子部品を接着固定する
と、金属回路板の表面に被着されたニッケルメッキ層の
表面粗さが粗いことに起因して半田等の接着材中に多数
の空隙が形成され、該空隙によって半導体素子等の電子
部品が作動時に発する熱を効率よく金属回路板に伝達放
散させることが不可となって半導体素子等の電子部品を
高温としてしまい、半導体素子等の電子部品に熱破壊や
特性に熱劣化を招来してしまうという欠点を有してい
た。

【０００６】本発明は上記欠点に鑑み案出されたもの
で、その目的は半導体素子等の電子部品を金属回路板に
強固に接続させることを可能とするとともに電子部品が
作動時に発する熱を効率良く吸収除去し、電子部品を常
に適温として安定、かつ正常に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。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、セラミック基
板の表面に金属回路板をロウ材を介して取着するととも
に、該金属回路板の表面にニッケルメッキ層を被着させ
て成るセラミック回路基板であって、前記ニッケルメッ
キ層の表面粗さを十点平均粗さ（Ｒｚ）で１０μｍ以下
としたことを特徴とするものである。

【０００８】本発明のセラミック回路基板によれば、金
属回路板の表面に施したニッケルメッキ層の表面粗さを
ＪＩＳ−Ｂ０６０１に記載されている十点平均粗さ（Ｒ
ｚ）で１０μｍ以下としたことから、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接着固定
する際、半田等の接着材中にニッケルメッキ層表面の粗
さに起因する空隙が形成されることはほとんどなく、そ
の結果、半導体素子等の電子部品を金属回路板に極めて
強固に接着固定させることができるとともに電子部品の
作動時に発する熱を金属回路板に効率良く伝達放散させ
て電子部品を適温となし、半導体素子等の電子部品を常
に正常に作動させることが可能となる。

【０００９】

【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。

【００１０】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。

【００１１】前記セラミック基板１は酸化アルミニウム
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等の電気絶縁材料から成り、例え
ば、酸化アルミニウム質焼結体から成る場合には、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し、所定形状と
なすとともに高温（約１６００℃）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機によって所定形状に形成
し、しかる後、前記形成体を約１６００℃の温度で焼成
することによって製作される。

【００１２】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、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。

【００１３】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）の上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。

【００１４】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。

【００１５】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４を介して取着されている。

【００１６】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の上面に形成され
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：１
２重量％）等から成るロウ材４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４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の上面に取着されることとなる。

【００１７】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、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
状に形成される。

【００１８】更に前記金属回路板３はその表面にニッケ
ルメッキ層５が所定厚みに被着されている。

【００１９】前記ニッケルメッキ層５は金属回路板３の
酸化腐蝕を有効に防止するとともに半田等の接着材の金
属回路板３に対する濡れ性を良好とする作用をなし、無
電解メッキ法や電解メッキ法によって金属回路板３の表
面に所定厚みに被着される。

【００２０】前記金属回路板３表面へのニッケルメッキ
層５の被着は、 （１）まず、金属回路板３を酸洗いし、金属回路板３の
表面に付着している酸化物、有機物、塵等を清浄除去す
る。前記酸洗いは金属回路板３を、過酸化水素水が５〜
１５％添加された３〜７％硫酸浴に５〜１０分間（室
温）浸漬することによって行われる。

【００２１】前記過酸化水素水を含有させた硫酸浴によ
る酸洗いは、金属回路板３の表面に付着している酸化
物、有機物、塵等を過酸化水素及び硫酸によって効率よ
く清浄除去することができるとともに含有されている過
酸化水素水によって金属回路板３表面の凸部を選択的に
エッチングし、金属回路板３の表面をＪＩＳ−Ｂ０６０
１に記載されている十点平均粗さ（Ｒｚ）で１０μｍ以
下の平滑なものとなすことができる。

【００２２】（２）次に前記酸洗いされた金属回路板３
の表面にニッケルを例えば、無電解メッキ法によって所
定厚みに被着させる。

【００２３】前記無電解メッキ法によって金属回路板３
の表面にニッケルを被着させる具体的な方法としては、
硫酸ニッケルが８０〜２５０グラム／リットル、次亜燐
酸ナトリウムが２００〜４００グラム／リットル、クエ
ン酸ナトリウム、琥珀酸ナトリウム、りんご酸ナトリウ
ム等の有機酸が１００〜１５０グラム／リットルからな
る無電解ニッケルメッキ浴を準備し、次にこの無電解ニ
ッケルメッキ浴中（浴温８０〜９５℃）に金属回路板３
を１０〜３０分間浸漬させ、金属回路板３の表面にニッ
ケルを析出させることによって行われる。

【００２４】この場合、金属回路板３は表面の粗さが十
点平均粗さ（Ｒｚ）で１０μｍ以下の平滑なものである
ことから金属回路板３の表面に被着されるニッケルメッ
キ層５も表面の粗さがＪＩＳ−Ｂ０６０１に記載されて
いる十点平均粗さ（Ｒｚ）で１０μｍ以下の平滑なもの
となり、金属回路板３に半導体素子等の電子部品を半田
等の接着材を介して接着固定する際、半田等の接着材中
にニッケルメッキ層５表面の粗さに起因する空隙が形成
されることはほとんどなく、その結果、半導体素子等の
電子部品を金属回路板３に極めて強固に接着固定させる
ことができるとともに電子部品の作動時に発する熱を金
属回路板３に効率良く伝達放散させて電子部品を適温と
なし、半導体素子等の電子部品を常に正常に作動させる
ことが可能となる。

【００２５】なお、前記ニッケルメッキ層５はその表面
の粗さが十点平均粗さ（Ｒｚ）で１０μｍを超えると、
金属回路板３に半導体素子等の電子部品を半田等の接着
材を介して接着固定する際、半田等の接着材中に多量の
空隙が形成されて金属回路板３に電子部品を強固に接着
させることができなくなるとともに電子部品の作動時に
発する熱を金属回路板３に効率よく伝達放散させること
ができず、半導体素子等の電子部品を高温として熱破壊
や特性に熱劣化等を招来させてしまう。従って、前記ニ
ッケルメッキ層５はその表面の粗さが十点平均粗さ（Ｒ
ｚ）で１０μｍ以下に特定される。

【００２６】また、前記金属回路板３の表面に被着され
るニッケルメッキ層５は、その厚みが１．５μｍ未満の
場合、金属回路板３の表面をニッケルメッキ層５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り、また３μｍを超える
とニッケルメッキ層５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メッキ層５は、その厚
みを１．５μｍ〜３μｍの範囲としておくことが好まし
い。

【００２７】更に、前記ニッケルメッキ層５はその内部
に燐を８〜１５重量％含有させ、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メッキ層５の表面酸化
を良好に防止することができる。従って、前記ニッケル
メッキ層５はその内部に燐を８〜１５重量％含有させ、
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。この場合、ニッケルメッキ層５に含有される燐
（Ｐ）の量が８重量％未満であるとニッケルメッキ層５
が酸化しやすいニッケルー燐の多結晶構造と成って金属
回路板３に半導体素子等の電子部品を半田等の接着材を
介して強固に接着するのが困難となる傾向にあり、また
１５重量％を超えるとニッケルメッキ層５を形成する
際、燐が単独に、また優先的に析出してニッケルー燐の
アモルファス合金を形成することができなくなってしま
う危険性がある。従って、前記ニッケルメッキ層５の内
部に燐を含有させる場合、含有される燐の量は８〜１５
重量％の範囲、好適には１０〜１５重量％の範囲として
おくのがよい。

【００２８】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。

【００２９】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が酸化アルミニウム質焼結体で形成した
場合の例を示したが、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を誘電率の小
さいムライト質焼結体で形成すれば良い。

【００３０】更に、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層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。

【００３１】

【発明の効果】本発明のセラミック回路基板によれば、
金属回路板の表面に施したニッケルメッキ層の表面粗さ
を十点平均粗さ（Ｒｚ）で１０μｍ以下としたことか
ら、金属回路板に半導体素子等の電子部品を半田等の接
着材を介して接着固定する際、半田等の接着材中にニッ
ケルメッキ層表面の粗さに起因する空隙が形成されるこ
とはほとんどなく、その結果、半導体素子等の電子部品
を金属回路板に極めて強固に接着固定させることができ
るとともに電子部品の作動時に発する熱を金属回路板に
効率良く伝達放散させて電子部品を適温となし、半導体
素子等の電子部品を常に正常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・・・・ロウ材 ５・・・・ニッケルメッキ層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4E351 AA07 AA09 AA17 BB01 BB31 BB33 BB35 BB38 CC12 CC22 DD04 DD06 DD10 DD17 DD19 EE01 EE11 GG04 GG15 5E319 AA03 AA07 AB05 AC04 AC17 CC22 CD01 GG03 GG11 5E343 AA23 AA36 BB04 BB17 BB23 BB24 BB39 BB40 BB44 BB52 BB72 BB75 CC33 DD02 DD33 DD43 EE02 EE22 EE52 ER35 FF23 GG16 GG18

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】セラミック基板の表面に金属回路板をロウ
   材を介して取着するとともに、該金属回路板の表面にニ
   ッケルメッキ層を被着させて成るセラミック回路基板で
   あって、前記ニッケルメッキ層の表面粗さを十点平均粗
   さ（Ｒｚ）で１０μｍ以下としたことを特徴とするセラ
   ミック回路基板。