JP5023165B2 - セラミックス回路基板 - Google Patents

Description

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。

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。

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（ＡｌＮ）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。

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（Ｓｉ_３Ｎ_４）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。

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。

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（Ｓｉ_３Ｎ_４）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。

窒化けい素（Ｓｉ_３Ｎ_４）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。

まず、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材を窒化けい素（Ｓｉ_３Ｎ_４）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。

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。

特開平１１−２５１４９１号公報 特開平０１−０５９９８６号公報 特開平０８−２５０８２３号公報 特開平１０−０８４０５９号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

接合層を形成するＡｌを主成分とするろう材は、ＡｌＮまたはＳｉ_３Ｎ_４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。

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、Ｓｎ、Ｉｎなどの、周期率表Ｉｂ、ＩＩｂ、ＩＩＩｂ、ＩＶｂ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。

また、隔離層として使用したＩＶｂ族のＳｎ、ろう材であるＡｌは、いずれも降伏応力が２０ＭＰａ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。

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、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。

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。

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１２ｗｔ％以下であることが好ましい。

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、窒化アルミニウムおよび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を主成分とし、Ｓｉを０．０５〜２重量％含有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、上記隔離層がＮｉ，Ｓｎ，Ｉｎ，Ａｇ，Ｚｎの１種から成り、この隔離層の厚さが１０μｍ以上であることを特徴とする。

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。

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、窒化アルミニウムおよび窒化けい素の少なくとも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を主成分とし、Ｓｉを含有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を主成分とし、Ｓｉを０．１〜１２重量％含有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、上記隔離層がＮｉ，Ｓｎ，Ｉｎの１種から成り、上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。

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。

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（Ｓｉ_３Ｎ_４）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。

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。

すなわち、発明者の検討によれば、銅（Ｃｕ）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。

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。

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。

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。

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Ａｌ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。

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。

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、Ａｌ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。

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、ＩＩＩｂ、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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１．０ｍｍ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。

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。

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。

上述した本発明のセラミックス回路基板１ｄ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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

図１５は本発明のセラミックス回路基板１ｅ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。

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。

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。

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。

深さＨがアルミ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。

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。

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。

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。

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。

参考例に係るセラミックス回路基板の構成を示す平面図。 図１に示すセラミックス回路基板の断面図。 図１に示すセラミックス回路基板の背面図。 セラミックス回路基板の他の参考例を示すもので、単層基板構造とした回路基板の構造を示す断面図。 セラミックス回路基板の他の参考例を示すもので、多層基板構造とした回路基板の構造を示す断面図。 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。 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。 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８の一部分を拡大した平面図。 孔の形状を矩形とした場合の一例を示す平面図。 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。 孔の深さ方向の形状の他の例を示す断面図。 孔を貫通孔とした場合の一例を示す断面図。 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１４の一部分を拡大した平面図。 溝の断面形状の一例を示す断面図。 溝の断面形状の他の例を示す断面図。 冷熱サイクル試験実施後の参考例１０の応力分布を表す図。 冷熱サイクル試験実施後の参考例１１の応力分布を表す図。 冷熱サイクル試験実施後の参考例１２の応力分布を表す図。

以下、本発明の実施形態について、以下の参考例、実施例および比較例を用いて説明する。

［参考例１（表１；試料Ｎｏ．１〜試料Ｎｏ．１５）］
参考例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Ｎｏ．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Ｎｏ．１５は、Ｓｉ_３Ｎ_４基板（ｋ＝７０Ｗ／ｍＫ）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、各参考例１に係るセラミックス回路基板を調製した。

図１は、上記各参考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。

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Ｓｉ_３Ｎ_４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。

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Ｓｉ_３Ｎ_４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Ｓｉ_３Ｎ_４を用いた場合もＡｌＮ基板と同一のサイズとした。

［比較例１（表１；試料Ｎｏ．１６〜試料Ｎｏ．２０）］
本比較例１では、表１に示すＮｏ．１６ないしＮｏ．２０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Ｎｏ．１７，１９はＳｉ_３Ｎ_４基板（ｋ＝７０Ｗ／ｍＫ）をセラミックス基板として用いた。

ＡｌＮ基板およびＳｉ_３Ｎ_４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、８５０℃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。

このようにして得られた参考例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、−４０℃×３０ｍｉｎ→ＲＴ×１０ｍｉｎ→１２５℃×３０ｍｉｎ→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。

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、参考例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。

また、ピール強度を測定した結果、参考例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０．０５ｗｔ％以上２ｗｔ％以下が好ましいことが分かった。

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。

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。

一方、参考例１では、降伏応力が２０ＭＰａ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。

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。

［実施例２（表２；試料Ｎｏ．２１〜試料Ｎ０．２６，試料Ｎｏ．２８，試料Ｎｏ．２９および試料Ｎｏ．３１）及び参考例の試料Ｎｏ．２７］
本実施例２は、表２に示すＮｏ．２１ないし試料Ｎｏ．２９および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．２９および試料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、Ｓｉ_３Ｎ_４基板（ｋ＝７０Ｗ／ｍＫ）を用い、参考例の試料Ｎｏ．２７は、Ａｌ_２Ｏ_３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。

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．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。

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。

セラミックス回路基板の表パターンは、厚さ０．６３５ｍｍのＳｉ_３Ｎ_４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、Ｓｉ_３Ｎ_４基板上に接合された厚さ０．２５ｍｍのＣｕ板によって形成される。

［比較例２（表２；試料Ｎｏ．３２、試料Ｎｏ．３３）］
本比較例２では、表２に示すＮｏ．３２およびＮｏ．３３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Ｓｉ_３Ｎ_４基板（ｋ＝７０Ｗ／ｍＫ）をセラミックス基板として用いた。

試料Ｎｏ．３２および試料Ｎｏ．３３は、ＡｌＮ基板およびＳｉ_３Ｎ_４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。

このようにして得られた試料Ｎｏ．２１ないし試料Ｎｏ．２９および試料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、参考例１と同様とした。評価結果を表２に示す。

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。

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。

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、ＩＶｂ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。

また、同じ材料のＡｇ箔を用いた試料Ｎｏ．２１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。

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。

［実施例３（表３；試料Ｎｏ．３４〜試料Ｎｏ．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。

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＝１７０Ｗ／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、Ｓｉ_３Ｎ_４基板（ｋ＝７０Ｗ／ｍＫ）を用いた。

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。

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。

一方、試料Ｎｏ．３８および試料Ｎｏ．３９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。

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。

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。

［比較例３（表３；試料Ｎｏ．４０、試料Ｎｏ．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。

すなわち、試料Ｎｏ．４０および試料Ｎｏ．４１においては、それぞれＡｌＮ基板（ｋ＝１７０Ｗ／ｍＫ）およびＳｉ_３Ｎ_４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、Ｃｕ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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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参考形態について、図４および図５を参照して説明する。

[参考例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、参考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。

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。

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種以上を組合せて含有される。特に、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）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。

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１７．５ｗｔ％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。

また、他の添加成分としてのアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）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。

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（ＭｇＯ）または酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）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。

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，Ｓｒ，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０．３ｗｔ％以下となるようにすることが好ましい。

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。

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（参考例４〜参考例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。

表４は、参考例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、−４０℃×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（Ｔｉ：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。

上記表４に示すように、参考例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参考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。

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。

このように、本参考形態によれば、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。

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。

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。

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。

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。

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。

［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。

［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。

［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。

［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。

上記のようにして作製した実施例１０〜１２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。

各実施例と比較例６の結果を図１８，１９および２０に示す。

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。

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。

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。

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，Ｓｉ_３Ｎ_４基板，Ａｌ_２Ｏ_３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

Claims (7)

1. 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、窒化アルミニウムおよび窒化けい素の少なくとも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を主成分とし、Ｓｉを０．０５〜２重量％含有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、上記隔離層がＮｉ，Ｓｎ，Ｉｎ，Ａｇ，Ｚｎの１種から成り、この隔離層の厚さが１０μｍ以上であることを特徴とするセラミックス回路基板。
2. 請求項１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。
3. 請求項１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。
4. 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、窒化アルミニウムおよび窒化けい素の少なくとも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を主成分とし、Ｓｉを含有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を主成分とし、Ｓｉを０．１〜１２重量％含有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、上記隔離層がＮｉ，Ｓｎ，Ｉｎの１種から成り、上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。
5. 請求項１，４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。
6. 請求項１，４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。
7. 請求項１，４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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