JP2001177194A - セラミック回路基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】セラミック回路基板に反りが生じ電子部品を確
実、強固に実装できない。 【解決手段】セラミック基板１の上面に金属回路板３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１の下面に前記金属回路板３と対応するダミー
金属回路板４を取着するとともに、該ダミー金属回路板
４の外周位置を前記金属回路板３よりも外側に位置さ
せ、かつその位置がダミー金属回路板４の外周位置を
Ｘ、前記金属回路板３の外周位置をＹ、セラミック基板
１の厚みをＺとしたとき、Ｙ＋０．１（ｍｍ）≦Ｘ≦Ｙ
＋Ｚである。

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、あるいはセラミック基板上に銀−
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】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、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３ｐ
ｐｍ／℃）であるのに対し、銅やアルミニウム等から成
る金属回路板の熱膨張係数が約１８ｐｐｍ／℃〜約２３
ｐｐｍ／℃（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
の上面に被着され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
大きな応力が発生し、該応力によってセラミック回路基
板に反りが生じて半導体素子の実装に支障をきたすとい
う欠点を有していた。またこの時の反りが大きいとセラ
ミック基板が脆弱であるためセラミック基板に割れが発
生し、セラミック回路基板としての機能が喪失してしま
うという欠点も有する。

【０００６】本発明は上記欠点に鑑み案出されたもの
で、その目的は反りや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
く実装可能とするとともに電子部品を安定して作動させ
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。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、セラミック基
板の上面に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の下面に前記金属回路
板と対応するダミー金属回路板を取着するとともに、該
ダミー金属回路板の外周位置を前記金属回路板よりも外
側に位置させ、かつその位置がダミー金属回路板の外周
位置をＸ、前記金属回路板の外周位置をＹ、セラミック
基板の厚みをＺとしたとき、Ｙ＋０．１（ｍｍ）≦Ｘ≦
Ｙ＋Ｚである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、上
面に金属回路板が取着されているセラミック基板の下面
に前記金属回路板と対応するダミー金属回路板を対称に
取着したことからセラミック基板と金属回路板との間お
よびセラミック基板とダミー金属回路板との間に、熱膨
張係数の相違に起因する応力が生じ、反りが発生しよう
とするがその反りの発生方向は互いに異なるために相殺
され、その結果、セラミック基板に反りが発生すること
はなく平坦となり、セラミック回路基板に半導体素子等
の電子部品を確実、強固に実装することが可能となる。

【０００９】また本発明のセラミック回路基板によれ
ば、金属回路板の外周位置とダミー金属回路板の外周位
置とを異ならせたことからセラミック基板と金属回路板
との間に発生する応力によって生じるセラミック基板の
クラック発生位置と、セラミック基板とダミー金属回路
板との間に発生する応力によって生じるセラミック基板
のクラック発生位置とが異なり,その結果、セラミック
基板の割れ等が有効に防止され、セラミック回路基板と
しての機械的強度の信頼性を高いものとなすことができ
る。

【００１０】更に本発明のセラミック回路基板によれ
ば、ダミー金属回路板の外周位置を金属回路板の外周位
置より外側とするとともにその位置を金属回路板の外周
位置より０．１ｍｍ以上、セラミック基板の厚み分以内
としたことからセラミック回路基板に熱が作用したとし
てもセラミック回路基板に大きな反りが生じることはな
く、同時に半導体素子等の電子部品が作動時に発する熱
をダミー金属回路板がセラミック基板を介して効率よく
吸収するとともに外部に良好に放出し、電子部品の冷却
効果を良として電子部品を安定に作動させることができ
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、４はダミ
ー金属回路板である。

【００１２】前記セラミック基板１は四角形状をなし、
その上下両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、ダミー金属回
路板４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、ダ
ミー金属回路板４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、窒化珪素質焼結
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、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上下に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℃の温度で焼
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はその上下両面
に所定パターンのメタライズ金属層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やダミー金属
回路板４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の上下両面に所定パタ
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
腐食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及びダミー金属回路板４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及びダミー金属回路板４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やダミー金属回路板４がロウ材５を介して
取着されている。

【００１９】前記金属回路板３及びダミー金属回路板４
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の上下両面に被着形成されているメタライズ金属
層２上に金属回路板３及びダミー金属回路板４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５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℃）に加熱処理し、ロウ材
５を溶融せしめるとともに各メタライズ金属層２の上面
と金属回路板３、ダミー金属回路板４の下面とを接合さ
せることによってセラミック基板１の上下両面に取着さ
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やダミー金属回路板４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製作される。

【００２１】前記ダミー金属回路板４はその形状がほぼ
金属回路板３の形状に対応しており、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の下面に前記金属
回路板３と対応するダミー金属回路板４を対称に取着し
たことからセラミック基板１と金属回路板３との間およ
びセラミック基板１とダミー金属回路板４との間に、熱
膨張係数の相違に起因する応力が生じ、反りが発生しよ
うとしてもその反りの発生方向は互いに異なるために相
殺され、その結果、セラミック基板１に反りが発生する
ことはなく平坦となり、セラミック回路基板に半導体素
子等の電子部品を確実、強固に実装することが可能とな
る。

【００２２】また前記ダミー金属回路板４はその外周位
置が前記金属回路板３の外周位置よりも外側に位置し、
かつその位置がダミー金属回路板４の外周位置をＸ、金
属回路板３の外周位置をＹ、セラミック基板１の厚みを
Ｚとしたとき、Ｙ＋０．１（ｍｍ）≦Ｘ≦Ｙ＋Ｚとなっ
ている。

【００２３】前記ダミー金属回路板４はその外周位置が
金属回路板３の外周位置に対して異なる位置にあること
からセラミック基板１と金属回路板３との間に発生する
応力によって生じるセラミック基板１のクラック発生位
置と、セラミック基板１とダミー金属回路板４との間に
発生する応力によって生じるセラミック基板１のクラッ
ク発生位置とは異なり,その結果、セラミック基板１に
割れ等が発生するのが有効に防止され、セラミック回路
基板としての機械的強度の信頼性を高いものとなすこと
ができる。

【００２４】また同時にダミー金属回路板４の外周位置
を金属回路板３の外周位置より外側とするとともにその
位置を金属回路板３の外周位置より０．１ｍｍ以上、セ
ラミック基板１の厚み分以内としたことからセラミック
回路基板に熱が作用したとしてもセラミック回路基板に
大きな反りが生じることはなく、同時に半導体素子等の
電子部品が作動時に発する熱はセラミック基板１の上面
から下面に向かって４５°の角度に広がっていくが、こ
の広がった熱をダミー金属回路板４が効率よく吸収する
とともに外部に良好に放出し、電子部品の冷却効果を良
として電子部品を安定に作動させることができる。

【００２５】なお、前記ダミー金属回路板４はその外周
位置が前記金属回路板３の外周位置よりも内側に位置す
る、或は外側に位置するとしても金属回路板３の外周位
置より０．１ｍｍ未満外側であった場合、ダミー金属回
路板４は電子部品の作動時に発する熱を効率よく吸収す
るとともに外部に良好に放出することができなくなって
しまう。また前記ダミー金属回路板４はその外周位置が
前記金属回路板３の外周位置に対し、セラミック基板１
の厚み分をこえるような外側に位置する場合、セラミッ
ク基板１とダミー金属回路板４との間に発生する応力が
セラミック基板１と金属回路板３との間に発生する応力
に対し大きなものとなってセラミック回路基板に反りが
発生してしまう。従って、前記ダミー金属回路板４はそ
の外周位置が前記金属回路板３の外周位置よりも外側に
位置し、かつその位置がダミー金属回路板４の外周位置
をＸ、金属回路板３の外周位置をＹ、セラミック基板１
の厚みをＺとしたとき、Ｙ＋０．１（ｍｍ）≦Ｘ≦Ｙ＋
Ｚの範囲に特定される。

【００２６】なお、前記金属回路板３及びダミー金属回
路板４は銅から成る場合、金属回路板３及びダミー金属
回路板４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５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５を介しての接合が強固とな
る。従って、前記金属回路板３及びダミー金属回路板４
はこれを無酸素銅で形成しておくことが好ましい。

【００２７】また前記金属回路板３及びダミー金属回路
板４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及びダミー金属回路
板４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及びダミー金属回路板４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ことが好ま
しい。

【００２８】更に前記金属回路板３及びダミー金属回路
板４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
及びダミー金属回路板４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。

【００２９】また更に前記金属回路板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。

【００３０】更にまた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。

【００３１】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及びダミー金属回路
板４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及びダミー
金属回路板４を取着させてセラミック回路基板を形成し
てもよい。

【００３２】

【発明の効果】本発明のセラミック回路基板によれば、
上面に金属回路板が取着されているセラミック基板の下
面に前記金属回路板と対応するダミー金属回路板を対称
に取着したことからセラミック基板と金属回路板との間
およびセラミック基板とダミー金属回路板との間に、熱
膨張係数の相違に起因する応力が生じ、反りが発生しよ
うとするがその反りの発生方向は互いに異なるために相
殺され、その結果、セラミック基板に反りが発生するこ
とはなく平坦となり、セラミック回路基板に半導体素子
等の電子部品を確実、強固に実装することが可能とな
る。

【００３３】また本発明のセラミック回路基板によれ
ば、金属回路板の外周位置とダミー金属回路板の外周位
置とを異ならせたことからセラミック基板と金属回路板
との間に発生する応力によって生じるセラミック基板の
クラック発生位置と、セラミック基板とダミー金属回路
板との間に発生する応力によって生じるセラミック基板
のクラック発生位置とが異なり,その結果、セラミック
基板の割れ等が有効に防止され、セラミック回路基板と
しての機械的強度の信頼性を高いものとなすことができ
る。

【００３４】更に本発明のセラミック回路基板によれ
ば、ダミー金属回路板の外周位置を金属回路板の外周位
置より外側とするとともにその位置を金属回路板の外周
位置より０．１ｍｍ以上、セラミック基板の厚み分以内
としたことからセラミック回路基板に熱が作用したとし
てもセラミック回路基板に大きな反りが生じることはな
く、同時に半導体素子等の電子部品が作動時に発する熱
をダミー金属回路板がセラミック基板を介して効率よく
吸収するとともに外部に良好に放出し、電子部品の冷却
効果を良として電子部品を安定に作動させることができ
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・・・・ダミー金属回路板

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】セラミック基板の上面に金属回路板を取着
   して成るセラミック回路基板であって、前記セラミック
   基板の下面に前記金属回路板と対応するダミー金属回路
   板を取着するとともに、該ダミー金属回路板の外周位置
   を前記金属回路板よりも外側に位置させ、かつその位置
   がダミー金属回路板の外周位置をＸ、前記金属回路板の
   外周位置をＹ、セラミック基板の厚みをＺとしたとき、
   Ｙ＋０．１（ｍｍ）≦Ｘ≦Ｙ＋Ｚであることを特徴とす
   るセラミック回路基板。