JP2002057413A - セラミックス基板及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】パワーモジュール等のセラミックス回路基板に
おいて、金属回路接合強度を高め、実装ボードへの締着
時のセラミックス基板の割れ等を防止し、また実使用時
の熱強度の高いセラミックス基板とその製造方法を提供
する。 【解決手段】所定の幅Ｄ１を有するセラミックス枠３に
セラミックス基板１を載置し、その上にセラミックス板
４、所定の厚みＴ２を有する重石５を載置しセラミック
ス基板１の焼結温度より低い温度で熱処理することによ
り、周縁部１ａが平坦で中央部１ｂに凹曲面状を有する
セラミックス基板１が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子部品用セラミ
ックス基板及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】セラミックス基板には、一般的に反りが
少ないことが要求される。しかし、電子部品用セラミッ
クス基板の中には、図１２（ａ）に示すように、セラミ
ックス基板１に金属回路１２が接合されるものがあり、
この金属回路１２を接合しその後熱処理する際に金属回
路１２の収縮により、図１２（ｂ）に示すように金属回
路１２側に凹形状の反りが発生しやすく、この反りを相
殺するために、セラミックス基板１をその反対側に故意
に反らすことも行われている。

【０００３】また、特開平１１−３３０３０８号公報で
は、図１３（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、パワーモ
ジュール等のセラミックス回路基板１１において、金属
回路１２上に装着してある電子部品１４が実使用時発熱
しヒートサイクルがかかる。このため前述の図１２
（ｂ）に示すように、金属回路１２側に適度に反りがあ
りセラミックス基板１に圧縮応力が残留した状態の方
が、このヒートサイクルに対し基板強度が高く、従って
セラミックス基板１には金属回路１２側に凹形状となる
反りを形成する方が好ましいと示している。この反りの
形成方法として、金属板１３とセラミックス基板１とを
接合してセラミックス回路基板１１を形成した後に、該
セラミックス回路基板１１に強制的に荷重を負荷するこ
とによりセラミックス基板１を金属回路１２側に凹曲面
状に反らせる方法、またはセラミックス基板１の片面に
ホーニング加工或いは研磨加工を施すことにより反り量
が５０〜１５０μｍの範囲となる凹曲面状を形成する方
法を示している。

【０００４】また、特開平１０−１６７８０４号公報で
は図１４（ａ）に示すように、セラミックスグリーンシ
ート２を、全体的な曲面状の反りを有する焼成冶具１５
上に載置し焼成することにより、図１４（ｂ）に示すよ
うに、焼成後のセラミックス１６に全体的な曲面状の反
りを形成する方法を示している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】パワーモジュール用等
の発熱の大きい用途においてセラミックス回路基板１１
を実装する場合、ヒートシンク銅板への接合時等に発生
する残留応力を増大させ、クラックが発生する問題、あ
るいは、その後、モジュールを使用時の繰り返し加熱冷
却による応力のためにクラックが発生するという問題
や、また、組立時にセラミックス回路基板１１を実装ボ
ードにねじで締着固定しようとすると、ねじの僅かな締
着力によってセラミックス基板１が破壊してしまうとい
う問題があった。

【０００６】これらを解決するため従来技術においては
基板に反りを付けることが示されているが、基板に反り
を形成する方法として前述の特開平１１−３３０３０８
号公報のように、セラミックス回路基板１１を形成後に
強制的に反りを付ける方法或いはセラミックス基板１を
研磨加工等により反りを付ける方法においてはセラミッ
クス基板１自体に欠陥を与え強度低下の原因となるとい
う課題があった。また、セラミックス回路基板１１を実
装ボードにねじで締着固定する際のセラミックス基板１
破壊の対策としてセラミックス基板１自体の強度を向上
することを示しているが、締着部のセラミックス基板１
は曲面状でありその僅かな変形により締着時の応力集中
があるという問題は解決されていなかった。

【０００７】また、前述の図１４（ａ）（ｂ）に示すよ
うに、焼成治具１５によりセラミックス１６に反りを付
ける方法においても焼成冶具１５の繰り返し焼成による
経時的変化により、反りを常に一定の形状、値とするこ
とが困難であった。

【０００８】また、従来技術により形成されたセラミッ
クス基板１の反りは、いずれも全体的な曲面状であるた
めに、パワーモジュール用等の金属回路１２を形成する
際において、図１５に示すように、まずセラミックス基
板１の両主面にろう材１７ａ、１７ｂを印刷し、次に金
属板１３ａ、１３ｂを基板の両主面に張り合わせ荷重を
かけ焼成して接合させるが、このときにセラミックス基
板１の周縁部１ａの反りが原因でろう材１７ａと金属板
１３ａの間に隙間が発生し接合後、ろう材１７ａ部にボ
イドが発生し、その結果、金属板１３とセラミックス基
板１の接合が不十分となる課題があった。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明はこれらに鑑みて
行われたもので、周縁部は平坦で中央部が凹曲面状であ
るセラミックス基板を特徴とする。また、上記セラミッ
クス基板は厚みが１ｍｍ以下であり、上記凹曲面状の中
央部の反り量が５０〜１００μｍであり、前記周縁部の
平坦面は基板の長辺方向、短辺方向のいずれの方向にも
５ｍｍ以上の幅にわたって存在し、この平坦面は反り量
が１５μｍ未満であることを特徴とする。

【００１０】本発明のセラミックス基板の製造方法は、
セラミックス枠にセラミックス基板を載置し、該セラミ
ックス基板の中央部に重石を載置して高温で熱処理する
ことにより、上記セラミックス基板の周縁部を平坦とす
るとともに中央部を凹曲面状とすることを特徴とする。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施形態について説
明する。本発明のセラミックス基板１は、図１に示すよ
うに、周縁部１ａは平坦で中央部１ｂが凹曲面状をなし
たものであり、上記セラミックス基板１の厚みＴが１ｍ
ｍ以下であり、凹曲面状の中央部１ｂの反り量Ａは５０
〜１００μｍである。

【００１２】ここで、反り量Ａを５０〜１００μｍとし
たのは、セラミックス回路基板１１形成時の反りの戻り
を考慮すると、金属回路１２を形成前の基板の反り量Ａ
は、５０μｍ以上あることが好ましく、一方、反り量Ａ
が１００μｍを越えると印刷工程或いは組み立て時の押
圧等によりセラミックス基板１の割れが発生しやすくな
るためである。

【００１３】また、図２（ａ）に示す上記セラミックス
基板１の長辺方向Ｘ並びに短辺方向Ｙのいずれの方向に
も、図２（ｂ）（ｃ）に示すように、平坦な周縁部１ａ
の幅Ｄが５ｍｍ以上存在し、さらに、図２（ｄ）に示す
ようにこの周縁部１ａはうねりを含む反り量Ａ１が１５
μｍ未満となることが好ましい。その理由は、セラミッ
クス回路基板１１を実装ボードにねじで締着固定する場
合に、上記平坦面を利用することにより締着時の部分的
な応力集中を避け基板が破壊することを防止出来るとい
う点と、前述したように、金属板１３を基板上に形成さ
れたろう材１７と接合する際のボイドの発生が防止出来
る点である。

【００１４】本発明で使用されるセラミックス基板１の
材質は、電気的絶縁性ならびに耐熱性に優れるセラミッ
クス材料であればいずれを用いてもよく、好ましくはア
ルミナ、窒化アルミニウム、炭化珪素、ガラスセラミッ
クス等であって、これらのセラミックス原料と焼結助
剤、溶剤、バインダー等を含むスラリーまたは粉末を調
整した後ドクターブレード法或いはロールコンパクショ
ン法等の公知の方法によりセラミックスグリーンシート
２を成形する。該グリーンシート２を所定の形状に金型
等で成型した後、所定の温度で焼成しセラミックス基板
１を作製する。

【００１５】次に、本発明の上記セラミックス基板１の
製造方法を詳細に説明する。まず焼結して得られた前述
のセラミックス基板１を、図３（ａ）に示すように、セ
ラミックス枠３に載置し、上記セラミックス基板１上に
セラミックス板４と重石５を載置し高温で熱処理するこ
とにより、熱処理中にセラミックス基板１の中央部が撓
んで凹曲面状となり、セラミックス基板１の周縁部１ａ
はセラミックス枠３に支えられているため平坦となる。

【００１６】上記セラミックス枠３はセラミックス基板
１の外径と同一サイズの四角形状で、図３（ｂ）に示す
ように、所定の幅Ｄ１をもつ枠状のものである。このセ
ラミックス枠３に載置するセラミックス基板１の数量は
１〜３０枚程度の範囲で良いがズレがないようにして載
置し、また重石５は図３（ｃ）に示すように、セラミッ
クス板４の中央に載置する。熱処理温度は前述のセラミ
ックス基板１の焼結温度より低い温度で行う。以上より
得られたセラミックス基板１は周縁部１ａの平坦性は維
持したまま中央部１ｂが凹曲面状となる反り形状を付加
することが出来る。

【００１７】この周縁部１ａの平坦面の幅Ｄの調整はセ
ラミックス枠３の幅Ｄ１で、また中央部１ｂの凹曲面状
の反り量Ａは重石５の厚みＴ１で自由に調整することが
可能である。

【００１８】また、１シートの基板に複数の本発明のセ
ラミックス基板１を形成する場合には、前記セラミック
ス枠３を複数個連結したものを作製し、セラミックス基
板１並びにセラミックス板４の載置方法は前述と同様で
あるが、重石５はセラミックス枠３のそれぞれの枠の中
央に位置するように載置する。また、セラミックス基板
１には、予め単体に分割するための分割線を入れたもの
を用い熱処理後に各単体に分割するか、或いは熱処理後
にレーザースクライブにて分割用溝を加工し各単体に分
割し、所望のセラミックス基板１を得る。

【００１９】

【実施例】まず、ドクターブレード法によりＡｌ₂Ｏ₃含
有量９９．６％のアルミナセラミックスのグリーンシー
ト２を成形し、これを金型にて所定の形状に成型した
後、ローラーハースキルン炉で焼成し、厚みＴが０．６
３５ｍｍ、外辺サイズが５０ｍｍ×７０ｍｍのシート状
セラミックス基板１を作製した。

【００２０】次に、図４に示すように、上記セラミック
ス基板１をズレが無いようにして２０シート重ね焼成用
棚板６で荷重を掛けた状態で１３５０℃で熱処理を行
い、全体的な反り量Ａが５０μｍ以下で５ｍｍ当たりの
部分的な凹凸が１５μｍ以下となるようなセラミックス
基板１を作製し、以下の実施例にはこのセラミックス基
板１を用いた。

【００２１】（実施例１）図５（ａ）に示すように、上
記セラミックス基板１をズレが無いようにして１２枚重
ね棚板６に載置してあるセラミックス枠３に載置し、さ
らにその上にセラミックス板４、重石５、棚板６の順で
載置し、前述と同じく１３５０℃で熱処理を行い、図５
（ｂ）に示すように周縁部１ａに平坦面を有し中央部１
ｂが凹曲面状となる本発明のセラミックス基板１を作製
した。

【００２２】本発明実施例では、この四角形状のセラミ
ックス枠３の厚みＴ２は０．１ｍｍで幅Ｄ１は表１に示
すように、試料１＝３．５ｍｍ、試料２＝７ｍｍ、試料
３＝１０．５ｍｍ、試料４＝１４ｍｍ、試料５＝１７．
５ｍｍの５種類を用い、重石５の厚みＴ１は上記試料全
て０．１ｍｍとし、また重石５の長辺寸法Ｌは上記セラ
ミックス枠３の幅Ｄ１にそれぞれ対応させ、３．５ｍ
ｍ、７ｍｍ、１０．５ｍｍ、１４ｍｍ、１７．５ｍｍと
し、重石５の短辺寸法はセラミックス基板１の長辺寸法
と重石５の長辺寸法Ｌの比率に合わせ、それぞれ２．５
ｍｍ、５ｍｍ、７．５ｍｍ、１０ｍｍ、１４ｍｍとし
た。ここで得られた基板の反り量Ａ、周縁部１ａの平坦
面の幅Ｄ、その周縁部１ａの平坦面の反り量Ａ１につい
て、各試料毎１２シートのセラミックス基板１の平均値
を表１に示す。

【００２３】

【表１】

【００２４】以上の結果より本発明実施例の試料１〜５
のいずれのセラミックス基板１においても中央部１ｂに
５０〜１００μｍの範囲内の凹曲面状の反りが形成さ
れ、また、周縁部１ａの平坦面はセラミックス枠３の幅
Ｄ１と関係があり、周縁部１ａには平坦面が形成され、
その平坦面の幅Ｄを５ｍｍ以上とするには、セラミック
ス枠３の幅Ｄ１を７ｍｍ以上とすればよいことが解っ
た。また、上記周縁部１ａの平坦面の反り量Ａ１は、全
ての試料が１５μｍ未満を満足しており、これは本実施
例で使用したセラミックス基板１を事前に図４で示した
ように一旦平坦となるように熱処理で矯正したためであ
る。

【００２５】（実施例２）次に、上記実施例１で得られ
た試料１〜５の各基板の両主面にＡｇ−Ｃｕ系の活性金
属含有ろう材ペーストをスクリーン印刷法により塗布し
乾燥した後、基板の凹面側主面に厚み０．３ｍｍの金属
回路１２用Ｃｕ板を、基板の凸面側主面に厚み０．１５
ｍｍの金属放熱用Ｃｕ板を接触配置し重石を載せ、真空
中で熱処理しセラミックス基板１とＣｕ板の接合体を得
た。

【００２６】その後、上記Ｃｕ板上にエッチングレジス
トを回路パターンに印刷し硬化させた後、エッチング液
を用いてパターン外のＣｕ板を除去した。次にＣｕパタ
ーン間の不要ろう材１７を除去した後、レジストを除去
した。これらを超音波探知装置にてろう材１７部分のボ
イドの調査を行った。得られたセラミックス回路基板１
１の反り量Ａ、ならびにボイドの発生有無についてその
結果を表２に示す。尚、ボイドについては裸眼目視で確
認できないものを○、確認できるものを×とした。

【００２７】

【表２】

【００２８】以上の結果より、本発明実施例のセラミッ
クス基板１の試料１〜５のいずれも、セラミックス回路
基板１１を形成した状態において、その反りは金属回路
１２用Ｃｕ板側が凹曲面状となる反りであって、回路形
成前のセラミックス基板１の反り量Ａに対し各試料共反
りが４０μｍ減少し、セラミックス回路基板１１での好
ましい反り量Ａである０を越え１００μｍ以下の範囲内
であった。

【００２９】またろう材１７と金属回路１２用Ｃｕ板間
へのボイドの発生の有無については、セラミックス基板
１の周縁部１ａの平坦面の幅Ｄが２ｍｍである試料１で
ボイドカ゛発生していたものの、上記周縁部１ａの平坦面
の幅Ｄが５ｍｍ以上である試料２〜５においてはボイド
の発生はなかった。

【００３０】（実施例３）次に、反り量Ａを制御する条
件を見出すために、セラミックス枠３の厚みＴ２と重石
５の厚みＴ１をそれぞれ変えた場合について実験を行っ
た。セラミックス枠３の幅Ｄ１は７ｍｍとし、その厚み
Ｔ２を０．１ｍｍ、０．２５ｍｍ、０．３８ｍｍ、０．
６４ｍｍの４種類とし、重石５の長辺寸法Ｌは７ｍｍと
し、その厚みＴ１を０．１ｍｍ、０．２５ｍｍ、０．３
８ｍｍ、０．６４ｍｍの４種類として、他の条件は実施
例１と同様にして熱処理を行った。尚、表３に示すよう
に、重石５の厚みＴ１を０．１ｍｍとしセラミックス枠
３の厚みＴ２を変えたものを試料１１〜１４に、同様に
重石５の厚みＴ１を０．２５ｍｍとしたものを試料１５
〜１７に、重石５の厚みＴ１を０．３８ｍｍとしたもの
を試料１８〜１９、重石５の厚みＴ１を０．６４ｍｍと
したものを試料２０とした。

【００３１】熱処理後のセラミックス基板１は実施例１
と同じく、周縁部１ａは平坦で中央部１ｂは凹曲面状の
反りが形成されていて、各試料の反り量Ａは表３に示
す。

【００３２】

【表３】

【００３３】試料１１〜１４は重石５の厚みＴ１は０．
１ｍｍでセラミックス枠３の厚みＴ２をそれぞれ変えて
いるものの熱処理後のセラミックス基板１の反り量Ａは
ほぼ同じ値であった。このことは、重石５の厚みＴ１が
０．２５ｍｍである試料１５〜１７と試料１８〜１９で
も同じであり、以上のことより、セラミックス基板１の
中央部１ｂの凹曲面状の反り量Ａを制御するためには、
重石５の厚みＴ１を調整すれば良いことが解る。尚、本
発明者はこの実験の前に、上記反り量Ａを左右するのは
セラミックス枠３の厚みＴ２であると仮定しそのテスト
を実施したものの相関が見られず、この結果を踏まえて
実施例３を行ったものである。

【００３４】以上の結果より反り量Ａを５０μｍ〜１０
０μｍとするためには重石５の厚みＴ１を０．１ｍｍと
しセラミックス枠３の厚みＴ２はいずれでも良いことが
判る。ただし、セラミックス枠３を繰り返し使用するこ
とを考慮すると、上記厚みＴ２は０．３８ｍｍ以上とす
ることが強度的に好ましい。

【００３５】（実施例４）実施例１、実施例２について
はセラミックス基板１が１シートの単体としての場合で
あったが、分割用の分割線加工等を施した２個取りシー
トの場合についての実施例を以下に説明する。

【００３６】本発明実施例で得られる２個取りのセラミ
ックス基板１は、図６に示すように、その中央に分割線
１８が施されていて、上記セラミックス基板１のＸ方向
からの断面図は図７に示すように、凹曲面状が二つあ
り、Ｙ方向の断面図は図８に示すように単一の凹曲面状
となっている。（尚、ここでは周縁部１ａの平坦面も実
施例１と同様に形成するが説明を割愛する。）その製造
方法は、図９に示すように、セラミックス枠３を２個取
り用の形状とし、また図１０に示すように、セラミック
ス板４に載置する重石５は図９で示したセラミックス枠
３の空間部３ａの中央に位置するようにセラミックス板
４に載置した。使用したセラミックス基板１は、その中
央に金型で分割線１８が施されているものを、実施例１
と同様に熱処理で一旦平坦にしたものである。

【００３７】上記セラミックス基板１を、図１１（ａ）
に示すように前述のセラミックス枠３、セラミックス板
４、重石５を用い棚板６に載置しまた、重石５の上にも
棚板６を載置し熱処理した。

【００３８】次に、図１１（ｂ）に示すように熱処理が
完了し、このセラミックス基板１の中央部の分割線１８
を分割することにより、本発明である周縁部１ａは平坦
で中央部１ｂに凹曲面状の反りを有するセラミックス基
板１が得られた。実際の量産に於いては本実施例による
方が効率的である。

【００３９】

【発明の効果】このように、本発明のセラミックス基板
の製造方法によれば、周縁部は平坦で中央部が凹曲面状
となるセラミックス基板を精度よく形成することが可能
で、周縁部の平坦面の幅ならびに中央部の凹曲面状の反
り量を自由に調整出来る。

【００４０】また本発明で得られたセラミックス基板を
パワーモジュール用等のセラミックス回路基板として用
いることによりセラミックス基板とろう材を介して接合
する金属回路間に発生するボイドを低減出来、また、接
合前のセラミックス基板に５０μｍ〜１００μｍの範囲
で反りを付けることにより、耐ヒートサイクルに優れた
セラミックス回路基板を形成出来る。さらに周縁部に平
坦面を有するためにセラミックス回路基板を実装ボード
へねじ等で締着する際に、この平坦面を利用することに
より締着時の応力集中によるセラミックス基板の割れ等
が防止出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセラミックス基板の断面図である。

【図２】（ａ）は本発明のセラミックス基板の平面図
で、（ｂ）はＸ方向の断面図、（ｃ）はＹ方向の断面
図、（ｄ）は周縁部の部分拡大断面図である。

【図３】（ａ）は本発明のセラミックス基板の製造方法
である熱処理方法を示す断面図で、（ｂ）はセラミック
ス枠の平面図、（ｃ）はセラミックス板と重石の平面図
である。

【図４】本発明に使用するセラミックス基板の熱処理方
法を示す断面図である。

【図５】（ａ）は本発明のセラミックス基板の製造方法
を示す熱処理前の断面図で、（ｂ）は熱処理後の断面図
である。

【図６】本発明の応用例であるセラミックス基板の平面
図である。

【図７】本発明の応用例であるセラミックス基板のＸ方
向の断面図である。

【図８】本発明の応用例であるセラミックス基板のＹ方
向の断面図である。

【図９】本発明の応用例であるセラミックス枠の平面図
である。

【図１０】本発明の応用例であるセラミックス板と重石
の平面図である。

【図１１】（ａ）は本発明の応用例であるセラミックス
基板の製造方法を示す熱処理前の断面図で、（ｂ）は熱
処理後の断面図である。

【図１２】（ａ）（ｂ）は従来のセラミックス回路基板
の断面図である。

【図１３】（ａ）は従来のセラミックス回路基板の断面
図で、（ｂ）は金属回路側からみた平面図、（ｃ）は金
属板側からみた平面図である。

【図１４】（ａ）は従来の反り形成方法の一例を示す断
面図で、（ｂ）は得られた曲面状のセラミックスの断面
図である。

【図１５】従来のセラミックス回路基板の周縁部の拡大
断面図である。

【符号の説明】

１：セラミックス基板 １ａ：周縁部 １ｂ：中央部 ２：グリーンシート ３：セラミックス枠 ３ａ：空間部 ４：セラミックス板 ５：重石 ６：棚板 １１：セラミックス回路基板 １２：金属回路 １３、１３ａ、１３ｂ：金属板 １４：電子部品 １５：焼成治具 １６：セラミックス １７、１７ａ、１７ｂ：ろう材 １８：分割線 Ａ、Ａ１：反り量 Ｄ、Ｄ１：幅 Ｌ：押さえの長辺寸法 Ｔ、Ｔ１、Ｔ２：厚み

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】周縁部は平坦で中央部が凹曲面状であるこ
   とを特徴とするセラミックス基板。
2. 【請求項２】厚みが１ｍｍ以下であり、上記凹曲面状の
   中央部の反り量が５０〜１００μｍであることを特徴と
   する請求項１記載のセラミックス基板。
3. 【請求項３】前記周縁部の平坦面は基板の長辺方向、短
   辺方向のいずれの方向にも５ｍｍ以上の幅にわたって存
   在し、この平坦面は反り量が１５μｍ未満であることを
   特徴とする請求項２記載のセラミックス基板。
4. 【請求項４】セラミックス枠にセラミックス基板を載置
   し、該セラミックス基板の中央部に重石を載置して高温
   で熱処理することにより、上記セラミックス基板の周縁
   部を平坦とするとともに中央部を凹曲面状とすることを
   特徴とするセラミックス基板の製造方法。