JP2001168482A - セラミックス回路基板 - Google Patents

セラミックス回路基板

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JP2001168482A JP2000277578A JP2000277578A JP2001168482A JP 2001168482 A JP2001168482 A JP 2001168482A JP 2000277578 A JP2000277578 A JP 2000277578A JP 2000277578 A JP2000277578 A JP 2000277578A JP 2001168482 A JP2001168482 A JP 2001168482A
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隆之 那波
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裕 小森田
Norio Nakayama
憲隆 中山
Yasushi Iyogi
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Abstract

(57)【要約】 【課題】高い接合強度を有するとともに、高耐熱サイク
ル性を有し、電子機器としての動作信頼性を向上させた
セラミックス回路基板を提供する。 【解決手段】セラミックス基板と金属回路板とをろう材
層を介して接合したセラミックス回路基板において、ろ
う材層がＡｌ−Ｓｉ系ろう材から成り、ろう材に含有さ
れるＳｉ量が７重量％以下であることを特徴とするセラ
ミックス回路基板である。また、金属回路板の周縁部に
薄肉部，孔，溝を形成することが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高耐熱サイクル性
および高い接合強度特性を兼ね備え、パワートランジス
タモジュール用基板として好適なセラミックス回路基板
に係り、特に窒化珪素基板などのセラミックス基板とア
ルミニウム回路板などの金属回路板との接合により高熱
伝導性および高強度を付与したセラミックス回路基板に
関する。
【０００２】
【従来の技術】従来から、セラミックス基板に金属回路
板を接合したセラミックス回路基板が、電子部品や機械
部品等に広く適用されている。また、半導体素子等の電
子部品を搭載するための基板として、セラミックス基板
や樹脂基板等の種々の基板が用いられている。これらの
基板のうち、セラミックス基板は優れた絶縁性および放
熱性等を有することから、高放熱性電子部品を搭載する
ための基板として多用されている。
【０００３】セラミックス基板には、これまで、比較的
入手が容易なアルミナ焼結体が主として用いられてきた
が、最近の半導体素子の高集積化、高周波化、高出力化
等に伴う半導体素子からの発熱量の増加傾向に対し、ア
ルミナ基板では放熱性の点で限界が生じている。そこ
で、アルミナに比べて熱伝導率が約１０倍程度高く、さ
らに熱膨張率がＳｉに近似する窒化アルミニウム（Ａｌ
Ｎ）焼結体からなるセラミックス基板が提案され、すで
に実用化されている。
【０００４】すなわち、各種電子機器の構成部品とし
て、高熱伝導率を有する回路基板が広く使用されてい
る。例えば、１７０Ｗ／ｍＫクラスの高熱伝導率を有す
る窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体をセラミックス基
板とし、または、７０Ｗ／ｍＫクラスの高熱伝導率を有
する窒化けい素（Ｓｉ３Ｎ４）焼結体をセラミックス基
板としたセラミックス回路基板が広く使用されている。
【０００５】ところが、窒化アルミニウム基板は上述し
たような特性を有する反面、機械的強度や靭性等が低い
ことから、アッセンブリ工程での締付により割れが発生
したり、また熱サイクルが付加された際にクラックが発
生し易い等の難点を有している。特に、自動車や航空
機、工作機械やロボット等の苛酷な荷重、熱的条件下で
適用されるパワートランジスタモジュールに適用する場
合には、この難点が顕著となってきている。
【０００６】このため、電子部品搭載用のセラミックス
基板としては、機械的な信頼性の向上が求められ、窒化
アルミニウム基板より熱伝導率は劣るものの、熱膨張率
がＳｉに近似すると共に、機械的強度や靭性に優れる窒
化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）焼結体からなるセラミックス基板
が注目されている。窒化珪素基板においても、焼結体原
料となる窒化珪素粉末の粒径や焼結助剤組成等を制御す
ることによって、例えば５０ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率
が実現されるようになってきている。
【０００７】窒化けい素（Ｓｉ３Ｎ４）焼結体をセラミ
ックス基板とした回路基板は、例えば、以下に示す活性
金属法により製造される。
【０００８】まず、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材を窒化け
い素（Ｓｉ３Ｎ４）基板上にスクリーン印刷し、この印
刷面上にＣｕからなる金属回路板を配置し、８５０℃程
の温度で加熱処理し、セラミックス基板と金属回路板と
を接合してセラミックス回路基板とする。
【０００９】このようにして得られたセラミックス回路
基板は、活性金属であるＴｉと窒化物系セラミックス基
板のＮとが共有結合してＴｉＮ（窒化チタン）となり、
このＴｉＮにより接合層を形成するため、ある程度の高
い接合強度を得ることができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、車載用
半導体モジュール等にセラミックス回路基板を適用した
場合には、セラミックス回路基板に厳しい熱負荷がかか
り、金属回路板の縁部に微小クラックが発生してしま
う。この微小クラックが発生したまま熱負荷サイクルが
かかり続けた場合、金属回路板がセラミックス基板から
剥がれてしまい、接合強度不良または熱抵抗不良を招
き、電子機器としての動作信頼性が低下してしまう等の
問題を有していた。
【００１１】ところで、上述したセラミックス基板に金
属回路板を接合してなるセラミックス回路基板におい
て、従来では金属回路板に主として銅回路板が適用され
ている。これは、銅の高導電性および低歪特性等によ
り、良好な回路機能が得られるためである。
【００１２】しかし、上述したパワートランジスタモジ
ュールへの適用に際し、セラミックス基板を窒化珪素基
板とし、金属回路板を銅回路板としたものでは、アッセ
ンブリ工程での締付により発生する割れ防止に対しては
有効性が高いものの、熱サイクルが付加された際に窒化
珪素基板に発生するクラックの抑制効果については、な
お不満足な状態にあり、同効果の一層の向上について強
い要望がある。
【００１３】また近年、電子機器の小型化はさらに進ん
でおり、それに伴って回路基板の実装スペースの一層の
縮小も強く望まれている。これに対し、従来の一般的な
単層構造のセラミックス基板では一定の平面積を必要と
するため、実装スペースの縮小には限界がある。
【００１４】本発明は、このような問題を解決するため
になされたものであり、高い接合強度を有するととも
に、高耐熱サイクル性を有し、電子機器としての動作信
頼性を向上させたセラミックス回路基板を得ることを目
的とする。
【００１５】また、本発明の他の目的は、セラミックス
基板を窒化珪素基板とすることにより、アッセンブリ工
程での締付により発生する割れ防止に対して高い有効性
を発揮できるのは勿論、金属回路板を銅回路板とした場
合に比し、熱サイクルが付加された際に窒化珪素基板に
発生するクラックの抑制効果を大幅に向上でき、それに
より特に耐用性の面での有用性を高めることができるセ
ラミックス回路基板を提供することにある。
【００１６】また、本発明の他の目的は、機器に対する
実装スペースの縮小化に寄与でき、しかもその場合に、
熱サイクルに対する窒化珪素基板のクラック抑制効果を
失うことがないセラミックス回路基板を提供することに
ある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本願発明者は、セラミックス基板および金属回路板
を接合するろう材の種類およびこのろう材からなる接合
層の配置を検討した結果、以下のような知見を得た。
【００１８】接合層を形成するＡｌを主成分とするろう
材は、ＡｌＮまたはＳｉ３Ｎ４などのセラミックス基板
に濡れて強固に結合し、セラミックスをメタライズする
作用がある。このため、金属回路板としてＡｌＮ板を適
用する場合には、Ａｌを主成分とするろう材を用いてセ
ラミックス基板およびＡｌＮ回路板を接合すると良い。
【００１９】一方、Ａｌを主成分とするろう材を介して
銅板をセラミックス基板に接合すると、ＣｕとＡｌとが
合金化し、Ａｌのセラミックス基板への濡れ性が悪くな
り接合できない。そこで、接合層と銅板との間に、Ｓ
ｎ、Ｉｎなどの、周期率表Ｉｂ、ＩＩｂ、ＩＩＩｂ、Ｉ
Ｖｂ族の少なくとも１種類の元素からなる金属箔等の隔
離層を挿入することで、この隔離層がＣｕとＡｌとの合
金化を防止し、その結果、セラミックス基板と銅板とを
高い接合強度で接合することができることが判明した。
【００２０】また、隔離層として使用したＩＶｂ族のＳ
ｎ、ろう材であるＡｌは、いずれも降伏応力が２０ＭＰ
ａ以下の軟質金属であるため、回路基板の銅板とセラミ
ックス基板との線膨張係数差に起因する残留応力、また
はその後の熱負荷サイクルによる熱応力を著しく低減で
き、耐熱サイクル性が向上しセラミックス自体に熱応力
によるクラックが生じにくくなる。また、熱サイクルに
よるクラックが生じないことから、接合強度が低下しな
いということも判明した。
【００２１】本願発明は、これらの知見に基づいて完成
されたものである。すなわち、本願第１の発明に係るセ
ラミックス回路基板は、セラミックス基板と金属回路板
とをろう材層を介して接合したセラミックス回路基板に
おいて、ろう材層がＡｌ−Ｓｉ系ろう材から成り、ろう
材に含有されるＳｉ量が７重量％以下であることを特徴
とする。
【００２２】また、上記セラミックス回路基板におい
て、前記セラミックス基板が窒化けい素で構成されるこ
とが好ましい。さらに前記金属回路板がアルミニウム
（Ａｌ）板またはアルミニウム合金板であることが好ま
しい。また、前記アルミニウム合金がＡｌ−Ｓｉ合金で
あることが好ましい。さらに、前記金属回路板のピール
強度が７ｋｇ／ｃｍ以上であることが好ましい。
【００２３】また、Ａｌ−Ｓｉ合金の代りにＡｌとアル
カリ土類金属元素またはその化合物から成るろう材層を
適用することも可能である。その際は、ろう材層中のア
ルカリ土類金属元素またはその化合物の含有量は１２ｗ
ｔ％以下であることが好ましい。
【００２４】本願の第２の発明に係るセラミックス回路
基板は、セラミックス基板に金属回路板を接合して成る
セラミックス回路基板において、窒化アルミニウム，窒
化けい素および酸化アルミニウムの少なくとも１種から
なるセラミックス基板と、このセラミックス基板に一体
に形成されたＡｌを主成分とするろう材からなる接合層
と、この接合層に一体に形成され、上記ろう材と金属回
路板との合金化を防止する隔離層と、この隔離層を介し
て接合される金属回路板とを備えることを特徴とする。
【００２５】また、上記第２の発明に係るセラミックス
回路基板において、前記隔離層は、粒径が１０μｍ以下
の金属粉末を含む金属ペーストまたは厚さ１０μｍ以上
の金属箔からなることが好ましい。さらに、前記隔離層
の厚さが１０μｍ以上であることが好ましい。また、前
記隔離層の金属ペーストまたは金属箔を構成する金属が
Ｎｉ，ＳｎおよびＩｎのいずれかの金属であることが好
ましい。
【００２６】本願第３の発明に係るセラミックス回路基
板は、セラミックス基板に金属回路板を接合して成るセ
ラミックス回路基板において、窒化アルミニウム，窒化
けい素および酸化アルミニウムの少なくとも１種からな
るセラミックス基板と、このセラミックス基板に一体に
形成されＡｌを主成分とするろう材または合金からなる
第１接合層と、この第１接合層に一体に接合され、第１
接合層と金属回路板との合金化を防止する隔離層と、こ
の隔離層表面に形成されＡｌを主成分とするろう材また
は合金からなる第２接合層と、この第２接合層を介して
接合される金属回路板とを備えることを特徴とする。
【００２７】また、上記第３の発明に係るセラミックス
回路基板において、前記接合層および隔離層の厚さがそ
れぞれ１０μｍ以上であることが好ましい。
【００２８】また前記の他の目的を達成するため、本願
第４の発明では基本的に、セラミックス基板に金属回路
板を接合してなるセラミックス回路基板において、前記
セラミックス基板は熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であ
る窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）基板から成る一方、前記金属
回路板はアルミニウム回路板から成り、上記窒化珪素基
板とアルミニウム回路基板とがろう材層を使用すること
なく直接接合されていることを特徴とするセラミックス
回路基板を提供する。ここで、アルミニウム回路板とし
ては、アルミニウム（Ａｌ）の単体または合金を適用す
る。
【００２９】本願第４の発明によれば、金属回路板をア
ルミニウム回路板としたことにより、銅回路板とした場
合に比べて、熱サイクルが付加される使用条件下におい
て窒化珪素基板に発生するクラックの抑制効果を大幅に
向上することができる。
【００３０】すなわち、発明者の検討によれば、銅（Ｃ
ｕ）は一定温度範囲内、例えば０℃〜１００℃の範囲内
で熱サイクルを受けた場合に、弾性的な変形により熱延
びおよび熱収縮を繰返し、定形性（平板の場合は平坦
性）を維持する。このことは、窒化珪素基板に銅回路板
を接合したセラミックス回路基板においては、熱サイク
ルによって生じる銅回路板の延びと収縮とが窒化珪素基
板に常時作用することを意味し、それにより窒化珪素基
板には熱サイクルによる大きい応力が発生し、クラッ
ク、ひび割れ等の原因となっていたものである。
【００３１】これに対し、アルミニウムは熱サイクルに
よって塑性変形が残留し易く、例えば０℃〜１００℃の
範囲内で熱サイクルを受けた場合に、塑性変形が次第に
蓄積してゆく。つまり熱延びが蓄積して、平板の場合は
微細な皺が発生する状態となる。したがって、窒化珪素
基板にアルミニウム回路板を接合したセラミックス回路
基板においては、熱サイクルによってアルミニウム回路
板自身が変形し、窒化珪素基板には熱サイクルによる応
力がそれほど生じない。このため、窒化珪素基板にはク
ラック、ひび割れ等が殆ど発生しない。
【００３２】以上の現象から、金属回路板をアルミニウ
ム回路板とした本願第４の発明においては、銅回路板と
した場合に比べて、熱サイクルが付加される使用条件下
において窒化珪素基板に発生するクラックの抑制効果が
大幅に向上するものである。
【００３３】本願第４の発明に係るセラミックス回路基
板においては、回路基板の高い放熱性を確保するため
に、窒化珪素基板は熱伝導率が５０ｗ／ｍ・Ｋ以上であ
ることが必要である。
【００３４】また、第４の発明においては窒化珪素基板
とアルミニウム回路板とは、ろう材層を介することなく
直接接合されていることが特徴であり、アルミニウム回
路板中にＳｉを含有したＡｌ−Ｓｉ合金板を使用する
と、より優れた接合強度が得られる。これは、第１また
は第２の発明で使用したＡｌろう材層をＡｌ板またはＡ
ｌ合金板に置き換えることにより、Ａｌ−Ｓｉ合金板に
接合層と回路板と両方の機能効果を持たせたものであ
る。
【００３５】このように本発明は第１ないし第４の発明
の形態を具備するものである。Ａｌろう材層中のＳｉ量
は、第１の発明では７ｗｔ％以下であることが望まし
く、第２ないし第４の発明では５０ｗｔ％以下であるこ
とが望ましい。
【００３６】第１の発明の形態においてＡｌろう材中の
Ｓｉ量が７ｗｔ％を超えてしまうと、例えば金属回路板
がＣｕ板である場合、Ｃｕ板とＡｌろう材が溶融混合し
て合金化し易くなってしまう。合金化してしまうと、Ａ
ｌとＣｕとで脆弱な金属間化合物が形成されて、接合強
度を低下させてしまう。
【００３７】それに対し、第２および第３の発明の形態
では、Ａｌろう材層と金属回路板との合金化を防止する
隔離層を設けていることから、Ａｌろう材中のＳｉ量を
５０ｗｔ％以下まで添加しても問題はない。また、金属
回路板と隔離層は若干の合金化現象を示すが、隔離層と
してＳｎ、Ｉｎなどの周期律表Ｉｂ、ＩＩｂ、ＩＩＩ
ｂ、ＩＶｂ族の少なくとも１種の元素を用いることによ
り、合金化現象を金属回路板の厚さの１０％以下に抑え
ることができる。
【００３８】同様に第４の発明の形態においてもＡｌ−
Ｓｉ回路板を直接接合していることから、別途設けた金
属回路板との合金化を考慮する必要がないため、Ｓｉ量
を５０ｗｔ％以下まで適用可能である。５０ｗｔ％を超
えてＳｉを添加すると、Ｓｉが単独で結晶化してしまい
接合強度を低下させてしまう。したがって、第２ないし
第４の発明の形態においては、Ａｌろう材またはＡｌ回
路板におけるＳｉ含有量は５０ｗｔ％以下、好ましくは
１５ｗｔ％以下となる。
【００３９】なお、第１ないし第４の発明の形態におい
てＳｉの含有量は少なくとも０．０１ｗｔ％以上である
ことが好ましい。Ｓｉ含有量が０．０１ｗｔ％未満であ
ると添加の効果が得られないからである。また、共晶接
合を維持するためにはＳｉ含有量が０．０５ｗｔ％以上
であることが好ましい。
【００４０】したがって、Ａｌろう材または金属回路板
中のＳｉ量をまとめると、第１の発明の形態においては
０．０１ｗｔ％以上７ｗｔ％以下、第２の発明の形態に
おいては０．０１ｗｔ％以上５０ｗｔ％以下、第３の発
明の形態においては０．０１ｗｔ％以上５０ｗｔ％以
下、第４の発明においては０．０１ｗｔ％以上５０ｗｔ
％以下、さらに好ましくは第１の発明の形態において
０．０５ｗｔ％以上１ｗｔ％以下、第２の発明の形態に
おいて０．０５ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下、第３の発明
の形態において０．０５ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下、第
４の発明の形態において０．０５ｗｔ％以上１５ｗｔ％
以下となる。また、第１の発明の形態においてアルカリ
土類金属またはその化合物を添加する場合においても、
０．０１ｗｔ％以上１２ｗｔ％以下の範囲が好ましい。
【００４１】また、セラミックス基板としては窒化珪
素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなど様々なセ
ラミックスが適用可能であるが、窒化珪素基板を用いた
場合は第１ないし第４の発明の形態において、Ａｌろう
材中のＳｉ量を７ｗｔ％以下、さらには２ｗｔ％以下と
少なくすることができる。これは窒化珪素基板中に接合
に寄与するＳｉが元々含まれているため、接合層におい
て窒化珪素基板側からＳｉの供給が行われるためであ
る。
【００４２】また、本発明に係るセラミックス回路基板
においては、少なくとも２枚以上のアルミニウム回路板
が窒化珪素基板を介して積層された多層回路基板構成と
されていることが望ましい。
【００４３】このような構成によれば、基板厚さ方向へ
の積層構造によって必要平面積を縮小することができ、
機器に対する実装スペースの縮小化、ひいては電子機器
の小型化の進展に寄与できる。しかもその場合、前記の
各構成に基づく熱サイクルに対する窒化珪素基板のクラ
ック抑制効果は失うことがなく、したがって、強度向上
とスペース縮小の両面から優れた効果が奏される。
【００４４】図６は、本発明のセラミックス回路基板の
他の好適な構造例を示すものである。
【００４５】本発明のセラミックス回路基板１ｃは、例
えばセラミックス基板２に金属回路板としてのアルミニ
ウム板３を接合したものである。このときアルミニウム
板３の外周縁部を３ａとした場合、外周縁部内側を薄肉
部３ｂとすることにより、製造時および使用時にセラミ
ックス基板にクラックが発生することを抑制できる。こ
こで、外周縁部内側とは、外周縁部から中央方向に向う
一定距離の部分のことである。
【００４６】例えば、アルミニウム板をセラミックス板
に直接接合する際、アルミニウム板の融点以上に加熱す
るが、アルミニウム板の外周縁部内側に薄肉部を設ける
ことによって、アルミニウム板外周縁部に発生する熱応
力を、アルミニウム板の薄肉部の塑性変形により吸収
し、セラミックス板にクラックが発生するのを抑制する
ことが可能となる。
【００４７】また、アルミニウム板とセラミックス板の
接合時だけでなく、これらを接合した後の使用の際に
も、冷熱サイクルにより熱応力が発生するが、この場合
にもアルミニウム板外周縁部に発生する応力を、アルミ
ニウム板の薄肉部の塑性変形により吸収し、セラミック
ス板にクラックが発生するのを抑制することが可能とな
る。
【００４８】薄肉部３ｂの形状としては、例えば図７に
示すように、アルミニウム板のセラミックス板と接合し
ていない面を削り、段差を設けることが挙げられる。こ
のような薄肉部３ｂの形成方法としては、機械的に加工
する方法の他に、エッチング等により加工する方法が挙
げられる。
【００４９】薄肉部３ｂは、セラミックス基板とアルミ
ニウム板とを接合した後に形成してもよいが、セラミッ
クス板と接合する前に形成することによって、接合時の
応力によりセラミックス板にクラックが発生することを
抑制できるため、より効果的である。
【００５０】このような薄肉部３ｂの形成範囲として
は、例えばアルミニウム板の外周縁部からの長さをＷ、
薄肉部の厚さをＴとすると、Ｗは０．３ｍｍ以上１．０
ｍｍ以下、Ｔはアルミニウム板の実装面の厚さの１／６
以上５／６以下であることが好ましい。この薄肉部の外
周縁部からの長さＷが０．３ｍｍ未満であると、応力緩
和効果が十分に得られずクラック発生の原因となる。ま
た、１．０ｍｍを超えた部分に形成されたものは、応力
緩和効果が十分でなく、かつ実装面積も減少させてしま
う。薄肉部３ｂの厚さＴはアルミニウム板の実装面の厚
さの１／６未満であると、アルミニウム板の強度を低下
させる虞があり、５／６を超えると応力緩和効果が認め
られなくなる。
【００５１】次に、本発明の他のセラミックス回路基板
１ｄの一例を図８に示す。
【００５２】本発明のセラミックス回路基板１ｄは、図
８に示されるように、例えば金属回路板としてのアルミ
ニウム板３とセラミックス板２との接合面と反対面側の
外周縁部内側に複数の孔６が形成されているものであ
る。
【００５３】上述した本発明のセラミックス回路基板１
ｄの好ましい形態としては、前記複数の孔６が例えばア
ルミニウム板３の外周縁部に沿って直線状に形成されて
いるものである。この孔の断面形状は図９に示されるよ
うな、円形状であっても、また図１０に示されるような
矩形状であってもよい。このような複数の孔は、エッチ
ングにより形成してもよいし、金型を用いたプレス加工
により形成してもよい。このように、複数の孔を直線状
に形成することによって、アルミニウム板の外周縁部へ
の応力集中を効率的に緩和させることができる。
【００５４】このような孔の大きさとしては、図９に示
されるように孔が円の場合は、孔の直径をＤとしたと
き、Ｄが０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であることが好
ましい。また、孔と孔との間隔をＬとしたとき、Ｌは
０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であることが好ましい。
さらに、金属板の外周縁部から孔までの距離をＺとした
とき、Ｚは０．３ｍｍ以上であることが好ましい。
【００５５】孔の直径が０．３ｍｍ未満では十分に応力
を緩和することができず、また１．０ｍｍを超えるとア
ルミニウム板の強度低下をもたらすとともに、実装面積
の低下を招いてしまう。また、孔と孔との間隔はあまり
大きすぎると、応力の緩和効果を十分に得られないおそ
れがあり、小さすぎると孔を加工するときにアルミニウ
ム板の変形等を招いてしまう場合がある。また、金属板
の外周縁部から孔の外周縁部までの距離Ｚが０．３ｍｍ
未満であると応力緩和効果が十分でなくなる虞がある。
【００５６】上述した複数の孔は図１１や図１２に示さ
れるような非貫通孔６ａであってもよいし、また図１３
に示すように貫通孔６ｂであってもよい。例えば、非貫
通孔６ａはプレス加工等により容易に形成することがで
きるため、製造工数の削減等に有効である。また、貫通
孔６ｂはＤＢＡ法を適用する場合に、接合に寄与せずに
ガス化した酸素などの排出孔としても機能させることが
できる。
【００５７】ここで複数の孔を非貫通孔６ａとする場
合、その深さ方向の形状は図１１に示すようにほぼ均一
形状であってもよいし、また図１２に示すように逆円錐
状であってもよい。
【００５８】次に、本発明のセラミックス回路基板の他
の例について説明する。
【００５９】本発明のセラミックス回路基板１ｅは、図
１４に示されるように、アルミニウム板３とセラミック
ス板２との接合面と反対面側の外周縁部内側に不連続な
溝７が形成されているものである。このような不連続な
溝７を設けることによってアルミニウム板３の外周縁部
に発生する応力を効率的に緩和させることができる。こ
こで外周縁部内側とは、図１４に示すように、金属回路
板の外周縁部から中央方向に向った部分のことである。
本発明のセラミックス回路基板においては、不連続な溝
は直線状に配置されていることが好ましい。このように
不連続な溝を直線状に形成することによって、より効率
的に応力集中を緩和することができる。
【００６０】図１５は本発明のセラミックス回路基板１
ｅの一部分を拡大したものである。ここで、Ｗは単体溝
の幅を、Ｅは単体溝の長さを、Ｚは単体溝の外周縁部か
らの距離を表している。
【００６１】不連続な溝を構成する各単体溝の形状、す
なわち単体溝の幅Ｗ、長さＥおよび外周縁部からの距離
Ｚとしては、幅Ｗが０．０５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下、
長さＥが２０ｍｍ以下、かつ外周縁部からの距離Ｚが
０．３ｍｍ以上であることが好ましい。
【００６２】幅Ｗが０．０５ｍｍ未満の場合は、十分に
応力を緩和することができず、１．０ｍｍを超える場合
は、アルミニウム板の強度低下を招くとともに、実装面
積の低下を招くことになる。また、各単体溝の長さＥが
２０ｍｍを超えると、溝非形成領域の減少に伴ってアル
ミニウム板の変形を十分に抑制できない虞がある。ま
た、外周縁部からの距離Ｚが０．３ｍｍ未満であると、
十分な応力緩和効果が得られなくなる虞がある。
【００６３】また、不連続な溝７の縦断面形状は図１６
に示すように、Ｕ字状の溝７ａでもよいし、図１７に示
すように断面が逆三角形状の溝７ｂであってもよい。但
し、その深さＨはアルミニウム板の実装面の厚さの１／
６以上５／６以下であることが好ましい。
【００６４】深さＨがアルミふニウム板の実装面の厚さ
の１／６未満の場合、応力の分散効果が不十分となる虞
があり、またアルミニウム板の実装面の厚さの５／６を
超える場合、アルミニウム板の強度低下等を招き易くな
る。
【００６５】さらに本発明のセラミックス回路基板に用
いられるセラミックス基板としては、主としてアルミ
ナ、窒化アルミニウムおよび窒化けい素から成る群から
選ばれた少なくとも１種の材料からなるものであること
が好ましい。
【００６６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につい
て、以下の実施例および比較例を用いて説明する。
【００６７】実施例１（表１；試料Ｎｏ．１〜試料Ｎ
ｏ．１５） 本実施例１は、表１に示すＮｏ．１ないしＮｏ．１５の
試料に基づいて説明する。試料Ｎｏ．１ないし試料Ｎ
ｏ．９は、ＡｌＮ基板（熱伝導率ｋ＝１７０Ｗ／ｍＫ）
をセラミックス基板とし、試料Ｎｏ．１０ないし試料Ｎ
ｏ．１５は、Ｓｉ ３Ｎ４基板（ｋ＝７０Ｗ／ｍＫ）をセ
ラミックス基板として用いた。
【００６８】これらのセラミックス基板の両面に、表１
に示すＡｌを主成分としたろう材ペーストをスクリーン
印刷し、それぞれ金属回路板としてのＣｕ回路板または
Ａｌ回路板を配置し、真空中６５０℃の温度で接合し、
各実施例１に係るセラミックス回路基板を調製した。
【００６９】図１は、上記各実施例に係るセラミックス
回路基板１の平面図であり、図２は図１に示すセラミッ
クス回路基板１の断面図であり、図３は図１に示すセラ
ミックス回路基板１の背面図である。
【００７０】図１は、セラミックス回路基板１の表パタ
ーンを示す図であり、厚さ０．６３５ｍｍのセラミック
ス基板としてのＡｌＮ基板またはＳｉ３Ｎ４基板２上
に、厚さ０．３ｍｍの金属回路板としてのＡｌ回路板３
が配置される。また、図２に示すようにＡｌ回路板３，
４は、図示しないろう材層を介してセラミックス基板２
の両面に接合されている。
【００７１】図３は、セラミックス回路基板１の裏パタ
ーンを示す図であり、ＡｌＮ基板またはＳｉ３Ｎ４基板
２上に、厚さ０．２５ｍｍのＡｌ回路板４が配置され
る。なお、金属回路板としてＣｕ板を用いた場合、セラ
ミックス基板としてＳｉ３Ｎ４を用いた場合もＡｌＮ基
板と同一のサイズとした。
【００７２】比較例１（表１；試料Ｎｏ．１６〜試料Ｎ
ｏ．２０） 本比較例１では、表１に示すＮｏ．１６ないしＮｏ．２
０の試料に基づいて説明する。試料Ｎｏ．１６，１８，
２０］はＡｌＮ基板（ｋ＝１７０Ｗ／ｍＫ）、試料Ｎ
ｏ．１７，１９はＳｉ３Ｎ４基板（ｋ＝７０Ｗ／ｍＫ）
をセラミックス基板として用いた。
【００７３】ＡｌＮ基板およびＳｉ３Ｎ４基板の上下面
に、表１に示すＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ（Ｔｉ含有量２ｗｔ
％）などのろう材ペーストをスクリーン印刷した。その
後、各基板上にＣｕ回路板を配置した後、真空中、８５
０℃の温度で加熱処理して接合し、比較例１に係るセラ
ミックス回路基板を調製した。
【００７４】このようにして得られた実施例１および比
較例１における、試料Ｎｏ．１ないし試料Ｎｏ．２０の
セラミックス回路基板について、耐熱サイクル特性およ
び接合強度の評価を行った。評価は、５００サイクル後
または１０００サイクル後でのＴＣＴサイクル毎におけ
る微小クラック発生の有無の観察および接合強度（ピー
ル強度）測定により行った。なお、ＴＣＴ条件は、−４
０℃×３０ｍｉｎ→ＲＴ×１０ｍｉｎ→１２５℃×３０
ｍｉｎ→ＲＴ×１０ｍｉｎとした。また、微小クラック
の有無は各ＴＣＴ試験後のセラミックス回路基板に対
し、金属回路板をエッチングにより除去し、蛍光探傷法
により調べた。また、併せて各ＴＣＴ試験後の金属回路
板のピール強度を評価した。評価結果を表１に示す。
【００７５】
【表１】
【００７６】表１に示すように、微小クラック発生有無
の観察を行ったところ、実施例１の試料では、５００サ
イクル後また１０００サイクル後での微小クラックの発
生がいずれにおいてもみられなかったが、比較例１で
は、微小クラックの発生が観察された。
【００７７】また、ピール強度を測定した結果、実施例
１は、５００サイクル後また１０００サイクル後でのピ
ール強度はいずれの場合においても１０ｋｇｆ／ｃｍ以
上の値を示しており、高耐熱サイクル性を有するセラミ
ックス回路基板が得られることが分かった。特に、Ｓｉ
元素を添加したＡｌろう材については、Ｓｉ含有量が
０．０１ｗｔ％以上７ｗｔ％以下、さらには０．０５ｗ
ｔ％以上２ｗｔ％以下が好ましいことが分かった。
【００７８】また、アルカリ土類金属についてもほぼ同
様の傾向が見られ、Ａｌろう材に含有させる第２の成分
の量は１２ｗｔ％以下、好ましくは１ｗｔ％以下がよ
く、それ以上多いと添加のさらなる効果が十分得られ
ず、逆に、０．０１ｗｔ％未満であると添加そのものの
効果が得られず、接合強度も７ｋｇ／ｃｍ未満になって
しまった。各種添加元素の中ではＳｉが最も効果的であ
る。これはＡｌと共晶化合物を形成しやすいためである
と考えられる。また、金属回路板にＡｌ板またはＣｕ板
を用いたものどちらに関してもほぼ同様の傾向が得られ
た。
【００７９】比較例１の試料１６，１７ではろう材とし
てＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉを用いた。すなわち活性金属法によ
りセラミックス基板とＣｕ回路板とを接合したため、両
者は強固に結合され、これにより残留応力が高くなり、
また、その後の熱負荷サイクルによる熱応力が増大して
しまった。
【００８０】一方、本実施例１では、降伏応力が２０Ｍ
Ｐａ以下の軟質金属であるＡｌを主成分とするろう材を
用いたため、セラミックス基板とＣｕ回路板との線膨張
係数差に起因する残留応力を低減でき、さらには熱負荷
サイクルによる熱応力をも低減できることから、熱応力
によるクラックが生じにくく、セラミックス基板とＣｕ
回路板との接合強度を向上することができた。
【００８１】一方、ろう材中のＳｉまたはアルカリ土類
金属元素含有量を過大または過少に設定した試料１８，
１９，２０の回路基板においては、接合強度が低下する
ことが判明した。これはＡｌろう材と金属回路板とが合
金化してしまい脆弱な金属間化合物を金属回路板の厚さ
の１０％を超えて厚さの４０％と多量に形成してしまっ
たためである。
【００８２】実施例２（表２；試料Ｎｏ．２１〜試料Ｎ
ｏ．３１） 本実施例２は、表２に示すＮｏ．２１ないしＮｏ．３１
の試料に基づいて説明する。試料Ｎｏ．２１ないし試料
Ｎｏ．２５、試料Ｎｏ．２８ないし試料Ｎｏ．３１は、
ＡｌＮ基板（ｋ＝１７０Ｗ／ｍＫ）をセラミックス基板
として用いた。また、試料Ｎｏ．２６は、Ｓｉ３Ｎ４基
板（ｋ＝７０Ｗ／ｍＫ）を用い、試料Ｎｏ．２７は、Ａ
ｌ２Ｏ３基板をセラミックス基板として用いた。これら
のセラミックス基板の上下面に、表２に示すＡｌを主成
分とし、Ｓｉを０．１〜２ｗｔ％添加したＡｌ−Ｓｉろ
う材ペーストをスクリーン印刷した。
【００８３】次に印刷面上に、表２に示す厚さ５０μｍ
のＡｇ箔、Ｚｎ箔、Ｉｎ箔、Ｓｎ箔またはＮｉ箔からな
る隔離層を配置した。なお、試料Ｎｏ．２９において
は、Ａｌ−Ｓｉろう材ペーストをスクリーン印刷した
後、さらに、平均粒径１０μｍのＳｎ粉末を含むＳｎペ
ーストをスクリーン印刷して隔離層を形成した。また、
試料Ｎｏ．３０においては、隔離層としてＡｇ箔の厚さ
を５μｍにしたもの、試料Ｎｏ．３１は、隔離層として
Ｓｎ粉末の平均粒径が２０μｍのＳｎペーストを使用し
た。
【００８４】その後、隔離層を介して金属回路板として
のＣｕ回路板またはＮｉ回路板を配置した。そして、真
空中、６５０℃の温度で加熱処理し、セラミックス基板
とＣｕ回路板またはＮｉ回路板とを接合し、各試料のセ
ラミックス回路基板を調製した。
【００８５】セラミックス回路基板の表パターンは、厚
さ０．６３５ｍｍのＳｉ３Ｎ４基板上に接合された厚さ
０．３ｍｍのＣｕ板によって形成される。また、裏パタ
ーンは、Ｓｉ３Ｎ４基板上に接合された厚さ０．２５ｍ
ｍのＣｕ板によって形成される。
【００８６】比較例２（表２；試料Ｎｏ．３２、試料Ｎ
ｏ．３３） 本比較例２では、表２に示すＮｏ．３２およびＮｏ．３
３の試料に基づいて説明する。試料Ｎｏ．３２はＡｌＮ
基板（ｋ＝１７０Ｗ／ｍＫ）を用い、試料Ｎｏ．３３は
Ｓｉ３Ｎ４基板（ｋ＝７０Ｗ／ｍＫ）をセラミックス基
板として用いた。
【００８７】試料Ｎｏ．３２および試料Ｎｏ．３３は、
ＡｌＮ基板およびＳｉ３Ｎ４基板の上下面に、表２に示
すＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材ペースト（Ｔｉ含有量２．
５ｗｔ％）をスクリーン印刷した。その後、各基板の各
印刷面上に、Ｃｕ回路板を配置した。その後、真空中で
８５０℃の温度で加熱処理し、セラミックス基板とＣｕ
回路板とを接合し、比較例２に係るセラミックス回路基
板を調製した。
【００８８】このようにして得られた試料Ｎｏ．２１な
いし試料Ｎｏ．３３のセラミックス回路基板について耐
熱サイクル特性および接合強度の評価を行った。評価
は、ＴＣＴサイクル毎での微小クラック発生有無の観察
および接合強度（ピール強度）測定により行った。な
お、ＴＣＴ条件は、実施例１と同様とした。評価結果を
表２に示す。
【００８９】
【表２】
【００９０】表２に示すように、微小クラック発生の有
無を調査したところ、実施例２の試料では、５００サイ
クル後また１０００サイクル後での微小クラックの発生
が観察されなかったが、比較例２の試料では、微小クラ
ックの発生が観察された。
【００９１】また、表２に示すように、接合強度を測定
した結果、実施例２の試料は、５００サイクル後および
１０００サイクル後でのピール強度はいずれの場合にお
いても１２．０ｋｇｆ／ｃｍ以上の値を示しており、比
較例２の試料に比較して接合強度が格段に向上している
ことが分かった。
【００９２】実施例２では、金属回路板としてＣｕ回路
板を用いており、またろう材からなる接合層と金属回路
板との間に、周期率表のＩｂ、ＩＩｂ、ＩＩＩｂ、ＩＶ
ｂ族の少なくとも１種類の元素からなる隔離層（Ａｇ
箔、Ｚｎ箔などの金属箔）を設けているため、ろう材中
のＡｌ成分と金属回路板のＣｕ成分との合金化を防止す
ることができ、接合強度が高く維持された。
【００９３】また、同じ材料のＡｇ箔を用いた試料Ｎ
ｏ．２１とＮｏ．３０を見て分かる通り、Ａｇ箔の厚さ
が１０μｍより小さくなると接合強度はやや落ちる。こ
れは隔離層の厚さが１０μｍ以下になるとＡｌ系ろう材
とＣｕ板との合金化を防止する効果が低下するためと考
えられる。
【００９４】同様に同じ材料のＳｎ粉末ペーストを用い
た試料Ｎｏ．２９とＮｏ．３１とを比較すると、隔離層
を形成する金属粉末の平均粒径が大きい試料Ｎｏ．３１
の方が接合強度はやや低下している。これは隔離層の密
度が十分でないためＡｌ系ろう材とＣｕ回路板の合金化
を防止する効果が十分でないためと考えられる。
【００９５】実施例３（表３；試料Ｎｏ．３４〜試料Ｎ
ｏ．３９） 本実施例３は、表３に示すＮｏ．３４ないしＮｏ．３９
の試料に基づいて説明する。
【００９６】試料Ｎｏ．３４ないし試料Ｎｏ．３６、試
料Ｎｏ．３８は、同一焼成ロットのＡｌＮ基板（ｋ＝１
７０Ｗ／ｍＫ）をセラミックス基板として用いた。試料
Ｎｏ．３７および試料Ｎｏ．３９では、Ｓｉ３Ｎ４基板
（ｋ＝７０Ｗ／ｍＫ）を用いた。
【００９７】これらのセラミックス基板の上下面に、試
料Ｎｏ．３４ないし試料Ｎｏ．３７は、表３に示すＡｌ
を主成分とし、平均粒径が１０μｍのＳｉ粉末を含むろ
う材ペーストをそれぞれスクリーン印刷して第１接合層
を形成した。
【００９８】その後、印刷面上に、表３に示すように、
厚さ３０μｍのＮｉ箔、Ｉｎ箔またはＳｎ箔を配置して
隔離層を形成した。さらに、この隔離層上に表３に示す
Ａｌを主成分としたろう材ペーストを再度スクリーン印
刷して第２接合層を形成した後、Ｃｕ回路板を配置し
た。
【００９９】一方、試料Ｎｏ．３８および試料Ｎｏ．３
９は、各セラミックス基板上に、表３に示すＡｌを主成
分としＳｉを添加したＡｌ−Ｓｉ合金を配置し、第１接
合層を形成した。
【０１００】第１接合層上に、厚さ５０μｍのＮｉ箔を
配置して隔離層を形成し、この隔離層上にＡｌを主成分
としＳｉを添加したＡｌ−Ｓｉ合金を配置し、第２接合
層を形成した。さらにこの第２接合層上にＣｕ回路板を
配置した。
【０１０１】その後、Ｎｏ．３４ないしＮｏ．３９の試
料を、真空中、６５０℃の温度で加熱処理し、セラミッ
クス基板とＣｕ回路板とを接合し、それぞれ実施例３に
係るセラミックス回路基板を調製した。
【０１０２】比較例３（表３；試料Ｎｏ．４０、試料Ｎ
ｏ．４１） 比較例３は、表３に示すＮｏ．４０およびＮｏ．４１の
試料に基づいて説明する。そして、実施例３の第１接合
層の形成のみを行い、第２接合層の形成は行わず、以下
のように製造した。
【０１０３】すなわち、試料Ｎｏ．４０および試料Ｎ
ｏ．４１においては、それぞれＡｌＮ基板（ｋ＝１７０
Ｗ／ｍＫ）およびＳｉ３Ｎ４基板（ｋ＝７０Ｗ／ｍＫ）
を用い、これらのセラミックス基板に対し、Ａｌを主成
分としＳｉを添加したＡｌ−Ｓｉろう材ペーストをスク
リーン印刷して第１接合層を形成した。この印刷面上に
厚さ５μｍのＮｉ箔を配置して隔離層を形成した後、Ｃ
ｕ回路板を配置した。そして、真空中、６５０℃の温度
で加熱処理し、セラミックス基板とＣｕ回路板とを接合
して、比較例３に係るセラミックス回路基板を調製し
た。
【０１０４】このようにして得られた実施例３および比
較例３の試料について、耐熱サイクル特性および接合強
度の評価を行った。評価は、ＴＣＴサイクル毎における
微小クラック発生の有無の観察および接合強度（ピール
強度）測定により行った。なお、ＴＣＴ条件は、実施例
１と同様とした。評価結果を表３に示す。
【０１０５】
【表３】
【０１０６】表３に示すように、微小クラック発生の有
無を観察したところ、実施例３の試料では、５００サイ
クル後および１０００サイクル後での微小クラックの発
生がみられなかったが、比較例３の試料では、微小クラ
ックの発生が観察された。
【０１０７】また、表３に示すように、接合強度を測定
した結果、比較例３の試料においても、隔離層を設けた
ため、ろう材のＡｌと金属回路板のＣｕとの合金化を防
止して、クラックの発生が防止でき、また、セラミック
ス基板とＣｕ回路板との接合強度を向上させることがで
きた。
【０１０８】さらに、本実施例３のように、隔離層上に
Ａｌなどの軟質金属を主成分とした第２接合層を設けた
ため、実施例３の試料は、５００サイクル後および１０
００サイクル後でのピール強度はいずれの場合において
も１０ｋｇｆ／ｃｍ以上の高い値を示しており、比較例
３の試料に比較して接合強度が格段に向上していること
が判明した。また、表には示さないがＡｌ系ろう材の厚
さ、隔離層の厚さ等の変化に対する影響は、実施例２と
ほぼ同様の傾向を示した。
【０１０９】従って、本実施形態によれば、軟質金属で
あるＡｌを主成分としたろう材からなる接合層と、周期
率表のＩｂ、ＩＩｂ、ＩＩＩｂ、ＩＶｂ、ＶＩＩＩｂ族
の少なくとも１種類の元素からなる隔離層とを介して金
属回路板を接合し回路基板とすることにより、クラック
発生を防止できるとともに、長時間熱負荷がかかった場
合でも高い接合強度を維持できる。
【０１１０】さらに、本実施例のように、ろう材からな
る接合層を複数積層することにより、接合層を一層とし
た場合と比較して、熱負荷サイクルによる熱応力をより
低減できるため、熱応力によるクラックが生じにくく、
セラミックス基板とＣｕ回路板との接合強度を向上させ
ることができる。
【０１１１】このように、本実施例のセラミックス回路
基板によれば、高耐熱サイクル性および高接合強度を兼
ね備え、電子機器としての動作信頼性を向上させたセラ
ミックス回路基板を得ることができる。
【０１１２】次に、セラミックス基板として高熱伝導性
窒化けい素基板を用いるとともに、金属回路板としてア
ルミニウム回路板を用いた本発明の他の実施形態につい
て、図４および図５を参照して説明する。
【０１１３】実施例４〜９および比較例４〜５ 図４は、単層構造のセラミックス回路基板の構成を示す
断面図である。この図４に示すように、本実施形態のセ
ラミックス回路基板１ａは、窒化珪素基板２の両面にア
ルミニウム回路板３，４を接合した単層基板構成とされ
ている。
【０１１４】窒化珪素基板２の作製にあたっては、まず
窒化珪素粉末に希土類酸化物粉末、ハフニア粉末、アル
ミナ粉末等の焼結助剤を添加、混合して原料混合粉末を
調製する。出発原料としての窒化珪素粉末には、平均粒
径が５μｍ以下の微粉末を用いることが好ましい。この
ような微粒子状の窒化珪素粉末を用いることによって、
緻密質で機械的特性に優れると共に、熱伝導率の高い窒
化珪素焼結体、即ち、窒化珪素基板２が得られる。窒化
珪素粉末の平均粒径は１μｍ以下であることがさらに好
ましく、特に好ましくは０．５μｍ以下である。
【０１１５】また、焼結助剤として添加する希土類元素
としては、Ｙ，Ｌａ，Ｓｃ，Ｐｒ，Ｃｅ，Ｎｄ，Ｄｙ，
Ｇｄ，Ｅｒ等の酸化物、もしくは焼結操作によりこれら
の酸化物となる物質が挙げられる。また、Ｈｆの酸化物
を用いることもできる。これらは単独で、または２種以
上の組合せて含有される。特に、酸化イットリウム（Ｙ
２Ｏ３）が好ましい。これらの焼結助剤は、窒化珪素原
料粉末と反応して液相を生成し、焼結促進剤として機能
する。
【０１１６】上記焼結助剤の添加量は、酸化物換算で窒
化珪素粉末に対して２〜１７．５ｗｔ％の範囲に設定す
ることが好ましい。この添加量が２ｗｔ％未満である
と、焼結体が緻密化されず、低強度で低熱伝導率の窒化
珪素焼結体となってしまう。一方、添加量が１７．５ｗ
ｔ％を超えると、過量の粒界相が生成し、熱伝導率や強
度が低下し始める。特に好ましくは５〜１２ｗｔ％の範
囲である。
【０１１７】また、他の添加成分としてのアルミナ（Ａ
ｌ２Ｏ３）は、上記希土類元素の焼結促進剤としての機
能を助長する役割を果たすものである。アルミニウム源
としてのアルミナの添加量が０．５ｗｔ％未満の場合に
は緻密化が不十分となる一方、２ｗｔ％を超えると過量
の粒界相が生成したり、また窒化珪素に固溶し始めて熱
伝導率の低下が起こる。このため、アルミナの添加量は
０．５〜２．０ｗｔ％の範囲に設定することが好まし
い。
【０１１８】特に強度および熱伝導率共に良好な性能を
確保するためには、添加量を０．７〜１．５ｗｔ％の範
囲に設定することが望ましい。酸化マグネシウム（Ｍｇ
Ｏ）または酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）などを０．１〜
２ｗｔ％添加しても強度や焼結性の向上が見られる。ま
た、必要に応じ焼結後に１００℃／時間以下の除冷によ
り、粒界相の結晶化を行うことができ、これにより窒化
珪素焼結体の熱伝導性を向上させることができる。粒界
相の結晶化率は２０％以上、好ましくは５０％以上とす
る。
【０１１９】さらに、上記したような窒化珪素焼結体原
料粉末には、脱脂後の炭素分の残留防止等を目的とし
て、酸化タンタル、酸化ニオブ、酸化チタン、酸化タン
グステン等を添加してもよい。但し、その他の不純物陽
イオン元素としてのＬｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｆｅ，Ｃａ，Ｓ
ｒ，Ｂａ，Ｍｎ，Ｂ等は、熱伝導性を阻害する物質とな
るため、５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を確保するため
に、上記不純物陽イオン元素の含有量は合計で０．３ｗ
ｔ％以下となるようにすることが好ましい。
【０１２０】上述したような窒化珪素原料混合粉末に、
有機バインダや有機溶剤等を添加、混合してスラリー化
する。このスラリーをドクターブレード法等の通常の成
形法でシート状に成形して、窒化珪素グリーンシートを
作製する。この窒化珪素グリーンシートを、空気中もし
くは窒化雰囲気等の非酸化性雰囲気中で脱脂処理した
後、窒素雰囲気等の非酸化性雰囲気中で焼成して、窒化
珪素基板２を作製する。
【０１２１】このようにして作製した窒化珪素基板２に
アルミニウム回路板としてのＡｌ−Ｓｉ合金板３，４を
ＤＢＡ法により直接接合した（実施例４〜実施例９）。
この場合、Ａｌ−Ｓｉ合金板のＳｉ含有量を、表４に示
すように種々変化させた。
【０１２２】表４は、実施例４〜９について、ＴＣＴ試
験を行う前のピール強度、およびＴＣＴ試験後のピール
強度をそれぞれ示したものである。ＴＣＴ試験は、−４
０℃×３０分→常温×１０分→１２５℃×３０分→常温
×１０分を１サイクルとし、これを１０００サイクル行
ったものである。また、比較例４，５として、金属回路
板を銅板に変え、ろう材としてＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ（Ｔ
ｉ：２ｗｔ％）ろう材からなる活性金属法を用いた比較
例４、および直接接合により形成した比較例５のデータ
を併記した。
【０１２３】
【表４】
【０１２４】上記表４に示すように、本実施形態（実施
例４〜９）の回路基板は、比較例のものと接合後のピー
ル強度は変わらないが、１０００サイクルのＴＣＴ試験
後のピール強度を比較すると本実施例の方が優れている
ことが認められた。特に、比較例のものはＴＣＴ試験後
のピール強度の落ち込みが大きく、このような特性では
近年のパワートランジスタモジュール等の発熱の大きな
用途に適用することは難しいと言える。
【０１２５】また、前記表４から明らかなように、Ａｌ
−Ｓｉ合金板のＳｉ含有量が、０．０１〜５０ｗｔ％，
さらには０．０５〜２ｗｔ％である場合に、特に好まし
い結果が得られることがわかった。
【０１２６】このように、本実施形態によれば、金属回
路板を銅回路板とした場合に比べて熱サイクルが付加さ
れた際に窒化珪素基板２に発生するクラックの抑制効果
を大幅に向上でき、それにより特に耐用性の面での有用
性を高めることができる。
【０１２７】図５は、多層構造のセラミックス回路基板
１ｂの構成を示す断面図である。この図５に示すよう
に、本実施形態のセラミックス回路基板１ｂは、２枚の
窒化珪素基板２，２がアルミニウム回路板５を介して接
合され、さらに各窒化珪素基板２，２の外面側にそれぞ
れアルミニウム回路板３，４が接合されている。接合構
成は図４の場合と同様である。
【０１２８】このような構成の場合にも、前記同様の強
度結果が得られた。そして、この場合には、積層構造と
することにより機器に対する実装スペースの縮小化に寄
与でき、しかもその場合に、熱サイクルに対する窒化珪
素基板のクラック抑制効果を失うこともない。
【０１２９】以上のように、本実施例に係るセラミック
ス基板によれば、アッセンブリ工程での締付により発生
する割れ防止に対して高い有効性を発揮できるのは勿
論、金属回路板を銅回路板とした場合に比し、熱サイク
ルが付加された際に窒化珪素基板に発生するクラックの
抑制効果を大幅に向上でき、それにより特に耐用性の面
での有用性を高めることができる。
【０１３０】また、機器に対する実装スペースの縮小化
に寄与でき、しかもその場合に、熱サイクルに対する窒
化珪素基板のクラック抑制効果を失うことがなく、小型
化および強度の両面から優れた効果が奏される。
【０１３１】次に金属回路板の周縁部に薄肉部，孔，溝
を形成したセラミック回路基板の実施例について説明す
る。
【０１３２】実施例１０ 厚さ０．５ｍｍ、純度９９％以上のアルミニウム板を用
意し、エッチングによりこのアルミニウム板の外周縁部
より１ｍｍまでの部分の厚さを０．２５ｍｍとして、図
１８に示すように薄肉部３ｂを形成した。その後、この
アルミニウム板を厚さ０．７ｍｍの窒化アルミニウム基
板に直接接合してセラミックス回路基板を作製した。
【０１３３】実施例１１ 厚さ０．５ｍｍ、純度９９％以上のアルミニウム板を用
意し、図１９に示すように、エッチングによりこのアル
ミニウム板の外周縁部内側に複数の孔６ａを設けた。孔
の直径は０．５ｍｍ、各孔の間隔は、０．５ｍｍ、かつ
孔の縁部が外周縁部より０．５ｍｍとなるようにした。
このアルミニウム板を厚さ０．７ｍｍの窒化アルミニウ
ム基板に直接接合してセラミックス回路基板を作製し
た。
【０１３４】実施例１２ 厚さ０．５ｍｍ、純度９９％以上のアルミニウム板を用
意し、図２０に示すように、エッチングによりこのアル
ミニウム板の外周縁部内側に複数の溝７を設けた。溝の
深さは０．２５ｍｍ、溝の幅は、０．０５ｍｍ、かつ溝
の縁部が外周縁部より０．５ｍｍとなるようにした。こ
のアルミニウム板を厚さ０．７ｍｍの窒化アルミニウム
基板に直接接合してセラミックス回路基板を作製した。
【０１３５】比較例６ 厚さ０．５ｍｍ、純度９９％以上のアルミニウム板を用
意し、このアルミニウム板には薄肉部，孔，溝は形成し
なかった。このアルミニウム板を厚さ０．７ｍｍの窒化
アルミニウム基板に直接接合してセラミックス回路基板
を作製した。
【０１３６】上記のようにして作製した実施例１０〜１
２および比較例６のセラミックス回路基板に対して冷熱
サイクル試験（ＴＣＴ：２３３Ｋ×３０分→ＲＴ×１０
分→３９８Ｋ×３０分→ＲＴ×１０分を１サイクルとす
る。ＲＴは室温。）を施し、この熱サイクル付加時にお
ける応力分布を測定した。
【０１３７】各実施例と比較例６の結果を図１８，１９
および２０に示す。
【０１３８】各図から明らかなように、アルミニウム板
の外周縁部内側に薄肉部３ｂ、孔６ａまたは溝７を設け
たものは、いずれも外周縁部に発生した応力を緩和し、
アルミニウム板の外周縁部付近の応力は、低くなってい
ることがわかる。
【０１３９】これに対して、アルミニウム板に何も加工
をしなかった比較例６においては、アルミニウム板の外
周縁部に大きな応力が生じており、クラック等の発生の
虞があることが判明した。
【０１４０】上記実施例のセラミックス回路基板によれ
ば、金属回路板の周縁部に薄肉部，孔，溝が形成されて
いるため、冷熱サイクルが付加された場合等に、金属回
路板に生じる熱応力や残留応力を分散させることによっ
て金属回路板の外周縁部への応力集中を抑制し、セラミ
ックス回路基板にクラックが発生することを抑制するこ
とができる。
【０１４１】
【発明の効果】以上説明の通り、本発明に係るセラミッ
クス回路基板によれば、高い接合強度を有するととも
に、高耐熱サイクル性を有し、電子機器としての動作信
頼性を向上させたセラミックス回路基板を得ることがで
きる。
【０１４２】特に、セラミックス基板を窒化珪素基板と
することにより、アッセンブリ工程での締付により発生
する割れ防止に対して高い有効性を発揮できるのは勿
論、金属回路板を銅回路板とした場合に比し、熱サイク
ルが付加された際に窒化珪素基板に発生するクラックの
抑制効果を大幅に向上でき、それにより特に耐用性の面
での有用性を高めることができるセラミックス回路基板
を提供することができる。
【０１４３】また、機器に対する実装スペースの縮小化
に寄与でき、しかもその場合に、熱サイクルに対する窒
化珪素基板のクラック抑制効果を失うことがないセラミ
ックス回路基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るセラミックス回路基板の構成を示
す平面図。
【図２】図１に示すセラミックス回路基板の断面図。
【図３】図１に示すセラミックス回路基板の背面図。
【図４】本発明に係るセラミックス回路基板の他の実施
例を示すもので、単層基板構造とした回路基板の構造を
示す断面図。
【図５】本発明に係るセラミックス回路基板の他の実施
例を示すもので、多層基板構造とした回路基板の構造を
示す断面図。
【図６】金属回路板の外周縁部内側に薄肉部を設けた場
合の一例を示す平面図。
【図７】金属回路板の外周縁部内側に薄肉部を設けた場
合の一例を示す断面図。
【図８】金属回路板の外周縁部内側に孔を設けた場合の
一例を示す平面図。
【図９】図８の一部分を拡大した平面図。
【図１０】孔の形状を矩形とした場合の一例を示す平面
図。
【図１１】金属回路板の外周縁部内側に孔を設けた場合
の一例を示す断面図。
【図１２】孔の深さ方向の形状の他の例を示す断面図。
【図１３】孔を貫通孔とした場合の一例を示す断面図。
【図１４】金属回路板の外周縁部内側に不連続な溝を設
けた場合の一例を示す平面図。
【図１５】図１４の一部分を拡大した平面図。
【図１６】溝の断面形状の一例を示す断面図。
【図１７】溝の断面形状の他の例を示す断面図。
【図１８】冷熱サイクル試験実施後の実施例１０の応力
分布を表す図。
【図１９】冷熱サイクル試験実施後の実施例１１の応力
分布を表す図。
【図２０】冷熱サイクル試験実施後の実施例１２の応力
分布を表す図。
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ セラミックス回路
基板 ２ セラミックス基板（ＡｌＮ基板，Ｓｉ３Ｎ４基板，
Ａｌ２Ｏ３基板） ３，４，５ 金属回路板（Ａｌ回路板，Ｃｕ回路板） ３ａ 金属回路板の外周縁部 ３ｂ 金属回路板の薄肉部 ６ 孔 ６ａ 非貫通孔 ６ｂ 貫通孔 ７ 溝 ７ａ Ｕ字状溝 ７ｂ Ｖ字状溝
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中山 憲隆 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株 式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者 五代儀 靖 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株 式会社東芝横浜事業所内 Ｆターム(参考） 4E351 AA07 AA08 BB01 BB24 BB30 BB38 CC18 DD10 DD11 DD21 GG01 5E338 AA02 AA03 AA18 BB75 CC01 CD01 CD11 EE28 5E343 AA02 AA24 BB08 BB15 BB28 BB67 CC01 CC07 DD51 EE21 GG01 5E346 AA02 AA22 BB01 CC17 CC19 CC34 EE43 GG28 HH11

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 セラミックス基板と金属回路板とをろう
    材層を介して接合したセラミックス回路基板において、
    ろう材層がＡｌ−Ｓｉ系ろう材から成り、ろう材に含有
    されるＳｉ量が７重量％以下であることを特徴とするセ
    ラミックス回路基板。
  2. 【請求項２】 請求項１記載のセラミックス回路基板に
    おいて、前記セラミックス基板が窒化けい素から構成さ
    れることを特徴とするセラミックス回路基板。
  3. 【請求項３】 請求項１記載のセラミックス回路基板に
    おいて、前記金属回路板がアルミニウム（Ａｌ）板また
    はアルミニウム合金板であることを特徴とするセラミッ
    クス回路基板。
  4. 【請求項４】 請求項３記載のセラミックス回路基板に
    おいて、前記アルミニウム合金がＡｌ−Ｓｉ合金である
    ことを特徴とするセラミックス回路基板。
  5. 【請求項５】 請求項１記載のセラミックス回路基板に
    おいて、前記金属回路板のピール強度が７ｋｇ／ｃｍ以
    上であることを特徴とするセラミックス回路基板。
  6. 【請求項６】 セラミックス基板と金属回路板とをろう
    材層を介して接合したセラミックス回路基板において、
    ろう材層がＡｌとアルカリ土類金属元素またはその化合
    物から成り、ろう材層に含有されるアルカリ土類金属元
    素またはその化合物の量が１２ｗｔ％以下であることを
    特徴とするセラミックス回路基板。
  7. 【請求項７】 セラミックス基板に金属回路板を接合し
    て成るセラミックス回路基板において、窒化アルミニウ
    ム，窒化けい素および酸化アルミニウムの少なくとも１
    種からなるセラミックス基板と、このセラミックス基板
    に一体に形成されたＡｌを主成分とするろう材からなる
    接合層と、この接合層に一体に形成され、上記ろう材と
    金属回路板との合金化を防止する隔離層と、この隔離層
    を介して接合される金属回路板とを備えることを特徴と
    するセラミックス回路基板。
  8. 【請求項８】 請求項７記載のセラミックス回路基板に
    おいて、前記隔離層は、粒径が１０μｍ以下の金属粉末
    を含む金属ペーストまたは金属箔からなることを特徴と
    するセラミックス回路基板。
  9. 【請求項９】 請求項７記載のセラミックス回路基板に
    おいて、前記隔離層の厚さが１０μｍ以上であることを
    特徴とするセラミックス回路基板。
  10. 【請求項１０】 請求項８記載のセラミックス回路基板
    において、前記隔離層の金属ペーストまたは金属箔を構
    成する金属がＮｉ，ＳｎおよびＩｎのいずれかの金属で
    あることを特徴とするセラミックス回路基板。
  11. 【請求項１１】 セラミックス基板に金属回路板を接合
    して成るセラミックス回路基板において、窒化アルミニ
    ウム，窒化けい素および酸化アルミニウムの少なくとも
    １種からなるセラミックス基板と、このセラミックス基
    板に一体に形成されＡｌを主成分とするろう材または合
    金からなる第１接合層と、この第１接合層に一体に接合
    され、第１接合層と金属回路板との合金化を防止する隔
    離層と、この隔離層表面に形成されＡｌを主成分とする
    ろう材または合金からなる第２接合層と、この第２接合
    層を介して接合される金属回路板とを備えることを特徴
    とするセラミックス回路基板。
  12. 【請求項１２】 請求項１１記載のセラミックス回路基
    板において、前記接合層および隔離層の厚さがそれぞれ
    １０μｍ以上であることを特徴とするセラミックス回路
    基板。
  13. 【請求項１３】 セラミックス基板に金属回路板を接合
    してなるセラミックス回路基板において、前記セラミッ
    クス基板は熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である窒化珪
    素基板から成る一方、前記金属回路板はアルミニウム回
    路板から成り、上記窒化珪素基板とアルミニウム回路板
    とがろう材層を使用することなく、直接接合されている
    ことを特徴とするセラミックス回路基板。
  14. 【請求項１４】 請求項１３記載のセラミックス回路基
    板において、前記アルミニウム回路板のＳｉ含有量が５
    ０ｗｔ％以下であることを特徴とするセラミックス回路
    基板。
  15. 【請求項１５】 請求項１３または１４記載のセラミッ
    クス回路基板において、少なくとも２枚以上のアルミニ
    ウム回路板が窒化珪素基板を介して積層された多層回路
    基板構成とされていることを特徴とするセラミックス回
    路基板。
  16. 【請求項１６】 請求項１，６，７，１１，１３のいず
    れかに記載のセラミックス回路基板において、前記金属
    回路板は外周縁部内側に薄肉部を有することを特徴とす
    るセラミックス回路基板。
  17. 【請求項１７】 請求項１，６，７，１１，１３のいず
    れかに記載のセラミックス回路基板において、前記金属
    回路板は、前記セラミックス基板との接合面の反対側の
    面の外周縁部内側に設けられる複数の孔を有することを
    特徴とするセラミックス回路基板。
  18. 【請求項１８】 請求項１，６，７，１１，１３のいず
    れかに記載のセラミックス回路基板において、前記金属
    回路板は、前記セラミックス基板との接合面の反対側の
    面の外周縁部内側に設けられ、外周縁部に沿って複数の
    不連続な溝を有することを特徴とするセラミックス回路
    基板。
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