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【発明の名称】 セラミックス回路基板およびその製造方法
【発明者】 【氏名】中山 憲隆
【住所又は居所】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

【氏名】白井 隆雄
【住所又は居所】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

【氏名】山口 晴彦
【住所又は居所】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
【要約】 【課題】高精細で寸法精度が高い配線と通電容量が大きい回路配線とを共に備え、高出力の半導体素子を搭載することができ、また回路層の配線密度を高めることが可能な小型のセラミックス回路基板およびその製造方法を提供する。

【解決手段】セラミックス基板２の少なくとも一方の表面に回路層を一体に接合したセラミックス回路基板１ａにおいて、上記回路層がろう材から成る第１の回路層６と、ろう材を介してセラミックス基板２の表面に接合された金属回路板４から成る第２の回路層７とから構成されていることを特徴とするセラミックス回路基板１ａである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板の少なくとも一方の表面に回路層を一体に接合したセラミックス回路基板において、上記回路層がろう材から成る第１の回路層と、ろう材を介してセラミックス基板表面に接合された金属回路板から成る第２の回路層と、から構成されていることを特徴とするセラミックス回路基板。
【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、前記ろう材から成る第１の回路層の線幅が０．０５〜０．５ｍｍの範囲であることを特徴とするセラミックス回路基板。
【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、前記第１の回路層を構成するろう材および前記第２の回路層をセラミックス基板表面に接合するろう材が、Ａｇ，Ｃｕ，Ｔｉ，Ｚｒ，ＳｉおよびＡｌから選択される少なくとも１種の元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。
【請求項４】
請求項１記載のセラミックス回路基板において、前記金属回路板から成る第２の回路層が銅およびアルミニウムの少なくとも１種の金属から成ることを特徴とするセラミックス回路基板。
【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、前記セラミックス基板が窒化アルミニウム、窒化珪素、アルミナ、およびアルミナとジルコニアとの化合物から選択される少なくとも１種のセラミックス焼結体から成ることを特徴とするセラミックス回路基板。
【請求項６】
請求項１記載のセラミックス回路基板において、前記金属回路板から成る第２の回路層の表面に、Ｎｉ，Ａｇ，Ｓｎ，Ａｕから選択される少なくとも１種の金属から成るめっき層が形成されていることを特徴とするセラミックス回路基板。
【請求項７】
セラミックス基板の少なくとも一方の表面にろう材ペーストを印刷してろう材から成る第１の回路層を形成すると同時に、金属回路板から成る第２の回路層を接合するためのろう材層をセラミックス基板表面に形成し、しかる後に上記ろう材層を介して金属回路板をセラミックス基板表面に一体に接合して第２の回路層を形成することを特徴とするセラミックス回路基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として高出力トランジスタ、パワーモジュール等の実装に使用されるセラミックス回路基板およびその製造方法に係り、特に高精細で寸法精度が高い配線と通電容量が大きい回路配線とを兼ね備え、回路層の配線密度を高めることが可能なセラミックス回路基板およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高出力トランジスタ、パワーモジュール等の実装に使用されるセラミックス回路基板は、セラミックス材と金属回路材とを一体に接合して製造されている。このセラミックス材と金属回路材との接合方法としては、従来から回路層となるＭｏまたはＷ等の高融点金属ペーストをセラミックスのシート状成形体表面に印刷して焼結する同時焼成法、回路構成材としての銅と酸素の共晶反応を利用して回路層（Ｃｕ回路板）をセラミックス基板表面に一体に接合する銅直接接合法（ＤＢＣ法）、同じくセラミックス基板とＡｌ板とを熱処理で直接接合するＤＢＡ法、およびＴｉ等の活性金属を含有するろう材を金属回路層とセラミックス基板との接合材（ろう材層）として用いた活性金属法などが広く使用されている。
【０００３】
上記のような接合方法を用いて形成されたセラミックス材と金属材との接合体は、様々な分野に用いられており、その代表例として半導体素子等を搭載接合するセラミックス回路基板が挙げられる。このセラミックス回路基板に要求される特性としては、放熱性が良好であること、セラミックス回路基板全体としての構造強度が高いこと、セラミックス基板と金属回路板との接合強度が高いこと、回路基板としての耐熱サイクル特性が良好であること、高電圧が印加された場合においても金属回路間における部分放電の発生を抑制できる程度に絶縁性が高いことなどが挙げられる。
【０００４】
また、セラミックス回路基板を構成するセラミックス基板としては、従来から窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）などの焼結体が使用されている。
【０００５】
例えば、窒化アルミニウム基板は熱伝導率が１６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、他のセラミックス基板と比べて高い熱伝導率を具備していることから特に放熱性に優れている。また、窒化珪素基板は三点曲げ強度（室温）が６００ＭＰａ以上であるため、セラミックス基板構成材として使用した場合には回路基板の強度を向上させることができる。それに対し、酸化アルミニウム基板は熱伝導率が２０Ｗ／ｍ・Ｋ程度であり、また三点曲げ強度も３６０ＭＰａ程度である。そのため、特に高い放熱性や構造強度を得るためには、酸化物系セラミックス基板より窒化物系セラミックス基板を使用する方が回路基板としては好ましいと言える。
【０００６】
一方、セラミックス基板と金属回路板との接合強度に着目すると前述の接合方法の中では活性金属法が好ましい。活性金属法は、Ｔｉ，Ｈｆ，Ｚｒ，Ｎｂ等の活性金属の少なくとも１種を含む金属箔、またはこれら活性金属をＡｇ−Ｃｕろう材に添加したペーストをセラミックス基板と金属回路板との間に塗布した後に、熱処理することにより両部材を一体に接合する方法である。窒化物系セラミックス基板を用いた活性金属法による接合を行う場合には、熱処理後に前記活性金属の窒化物から成る接合層が形成され、より強固な接合状態が形成される。このように活性金属法による窒化物系セラミックスと金属部材との接合体は回路基板として求められる特性を満たしており、パワー半導体素子を搭載した半導体モジュール用基板等の電子回路用基板として広く活用されている。
【０００７】
従来のセラミックス回路基板として、例えば図３および図４に示すようなセラミックス回路基板１が一般に使用されている。このセラミックス回路基板１は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）などの焼結体から成るセラミックス基板２表面にろう材層３を介して、銅（Ｃｕ）などの導電材料から成る金属回路板４を一体に接合して形成される。また、セラミックス基板２の反りを防止したり、実装機器との接合性を高めたりするために、図４に示すようにセラミックス基板２の裏面側にもろう材層３を介して裏金属板５が接合されている。
【０００８】
なお、上記金属回路板４は、予め平板状の金属材をプレス切断して所定の回路パターンを有するように調製した後にセラミックス基板２に接合される。または平板状の金属材をセラミックス基板２に接合した後にエッチング処理により金属材を蝕刻し所定の回路パターンを有するように形成される。
【０００９】
上記構成のセラミックス回路基板によれば、通電容量が大きい厚い金属回路板で回路および配線層が形成されているため、特に高出力のトランジスタやパワーモジュール等の実装に使用されるセラミックス回路基板として好適である。
【００１０】
また、従来のセラミックス回路基板として、例えばセラミックス基板の表面に半導体素子が搭載される金属板と半導体素子が電気的に接続される金属回路板とが０．０５〜２．０ｍｍの間隔を隔てるように微細に配置され、それぞれ活性金属ろう材を介して接合されたセラミックス回路基板であり、金属板と金属回路板との間で対向している部位の直線度を所定値内にすることにより、半導体素子を搭載し高電圧が印加されたときの金属回路間における部分放電の発生を抑制することができ、その結果、セラミックス回路基板の絶縁性が低下せず、半導体素子を正常に長時間動作させることが可能な信頼性が高いセラミックス回路基板も提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００２−１８５０８９号公報（請求項１、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
近年、電子機器の高出力化、高密度集積化、高機能化が更に進展し、高出力トランジスタ、パワーモジュールの多用化や、半導体製造装置の高信頼性化が希求される状況下において、これまで以上に微細で高精細な回路層を有するセラミックス回路基板の需要が増大しつつある。
【００１２】
しかしながら、図３および図４に示すような従来構造のセラミックス回路基板１においては、金属板とセラミックス基板２とを接合した後に金属板をエッチング処理して所定の回路パターンを有する金属回路層４を形成する場合では、エッチング液の作用時間が金属板の上面側（表面側）と底面側（接合面側）とにおいて異なるため、金属回路層４の断面形状が、図４に示すように台形状になり、金属回路層４の配線幅に厚さの２０〜５０％の範囲で寸法差が生じてしまう。
【００１３】
そのため、エッチング処理によって形成できる金属回路層４の幅Ｗ１は０．５ｍｍ程度が限度であり、μ単位での寸法精度を保持して回路層を接合することは極めて困難である。また接合前にエッチング法やプレス切断法によって回路形成する場合においても、微細な回路要素をセラミックス基板上の所定位置に正確に位置決めして固定接合するには高度な技量と治具が必要であり、同様に高精細な寸法精度を得ることは極めて困難であった。
【００１４】
また、通電容量が大きい厚い金属回路板で回路および配線層が形成されている従来のセラミックス回路基板は、特に高出力のトランジスタやパワーモジュール等の実装に使用されるセラミックス回路基板として好適である。しかしながら、金属回路板で形成される回路および配線層の幅Ｗ１は前記のように０．５ｍｍ程度が限界であったために、高精細な配線層を高密度で形成することが不可能であり、回路基板自体が大型化する難点があった。
【００１５】
本発明は上記従来の問題点を解決するためになされたものであり、特に高精細で寸法精度が高い配線と通電容量が大きい回路配線とを共に備え、高出力の半導体素子を搭載することができ、また回路層の配線密度を高めることが可能な小型のセラミックス回路基板およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するために本発明に係るセラミックス回路基板は、セラミックス基板の少なくとも一方の表面に回路層を一体に接合したセラミックス回路基板において、上記回路層がろう材から成る第１の回路層と、ろう材を介してセラミックス基板表面に接合された金属回路板から成る第２の回路層とから構成されていることを特徴とする。
【００１７】
上記セラミックス回路基板においては、ろう材から成る第１の回路層のパターンが、金属回路板から成る第２の回路層を接合するためのろう材パターンからはみ出だしており、このはみ出したろう材パターン（第１の回路層）が同一基板面内の他の金属回路パターン（第２の回路層）に電気的に接続するように形成される。
【００１８】
また、上記セラミックス回路基板において、前記ろう材から成る第１の回路層の線幅が０．０５〜０．５ｍｍの範囲であることが好ましい。このろう材から成る第１の回路層は、第２の回路層（金属回路板）を接合するためのろう材層と同時にスクリーン印刷法によって形成されるため、エッチング法のように線幅に制約を受けることなく上記のような微細な線幅で形成できる。
【００１９】
さらに、上記セラミックス回路基板において、前記第１の回路層を構成するろう材および前記第２の回路層をセラミックス基板表面に接合するろう材が、Ａｇ，Ｃｕ，Ｔｉ，Ｚｒ，ＳｉおよびＡｌから選択される少なくとも１種の元素から構成されることことが好ましい。
【００２０】
上記ろう材は第１の回路層を構成する材料となると共に、第２の回路層をセラミックス基板表面に接合する材料にもなるので、導電性および接合性を共に兼ね備えたろう材組成物で構成する必要がある。具体的には、質量％でＣｕを１５〜３５％、Ｔｉ，Ｚｒ，ＳｉおよびＡｌから選択される少なくとも１種の元素を１〜１０％、残部が実質的にＡｇから成る活性金属ろう材組成物が例示される。特に活性金属であるＴｉ，Ｚｒを含有するＴｉ−Ａｇ−Ｃｕ系の活性金属ろう材を使用することにより、金属回路板の接合強度を大幅に高めることが可能になる。
【００２１】
上記ろう材組成物を有機溶媒中に分散して調製したろう材ペーストをセラミックス基板表面にスクリーン印刷することにより、ろう材から成る第１の回路層と、第２の回路層をセラミックス基板表面に接合するろう材層とが同時に形成される。
【００２２】
また、上記セラミックス回路基板において、前記金属回路板から成る第２の回路層が銅およびアルミニウムの少なくとも１種の金属から成ることが好ましい。第２の回路層は特に通電容量を必要とするため、導電抵抗が小さく厚さが大きい金属回路板で形成されるが、特に導電性および経済性の観点からＣｕ，Ａｌおよびそれらの合金材で構成することが望ましい。
【００２３】
さらに、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は特に限定されるものではなく、絶縁性，放熱性、強度特性等の要求特性に応じて適宜選択できる。具体的には、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、およびアルミナとジルコニア（ＺｒＯ２）との化合物から選択される少なくとも１種のセラミックス焼結体から成ることが好ましい。特に高出力の半導体素子を搭載する回路基板には、熱伝導率が高い窒化アルミニウム基板を用いることにより放熱性を高めることが好ましい。
【００２４】
また、上記セラミックス回路基板において、前記金属回路板から成る第２の回路層の表面に、Ｎｉ，Ａｇ，Ｓｎ，Ａｕから選択される少なくとも１種の金属から成るめっき層が形成されていることが好ましい。このめっき層を第２の回路層の表面に１〜５μｍ程度の厚さで形成することにより、第２の回路層に対する端子、ボンディングワイヤ等の接合部品の接合強度を高めることができ、また第２の回路層の耐食性も向上させることができる。
【００２５】
本発明に係るセラミックス回路基板の製造方法は、セラミックス基板の少なくとも一方の表面にろう材ペーストを印刷してろう材から成る第１の回路層を形成すると同時に、金属回路板から成る第２の回路層を接合するためのろう材層をセラミックス基板表面に形成し、しかる後に上記ろう材層を介して金属回路板をセラミックス基板表面に一体に接合して第２の回路層を形成することを特徴とする。
【００２６】
すなわち、セラミックス基板上にろう材ペーストをスクリーン印刷法にて印刷して、金属回路板を接合するための回路状パターンを有する厚さ１０〜２０μｍ程度のろう材層を形成すると同時に、エッチング法では形成が困難である線幅が０．０５〜０．５ｍｍの精細な回路パターン（第１の回路層）についても、同時にスクリーン印刷法で形成する。
【００２７】
その後、金属板を上記ろう材層表面に貼り合わせた状態で真空雰囲気中において熱処理し、印刷されたろう材層を介して金属板をセラミックス基板表面に一体に接合して、線幅が大きな第２の回路層を形成する。接合する金属板は予め所定の回路パターン状に形成された金属回路板でもよいが、接合された金属板上にレジストを塗布し、その後エッチング処理によって所定の回路状パターンを有するように第２の回路層を形成しても良い。
【００２８】
具体的には、窒化アルミニウム基板等のセラミックス基板の表面上に、Ａｇ／Ｃｕ／Ｔｉ系等のろう材ペーストをスクリーン印刷法で塗布することにより、チップマウント範囲およびボンディング位置や導通電力の大きい回路層（第２の回路層、金属回路板）を接合するためのろう材層を形成すると同時に、この高通電範囲以外においては導通電力が比較的小さく配線幅が０．１ｍｍ程度に微細であり配線密度が高い回路層（第１回路層）を、上記ろう材ペーストのスクリーン印刷により同時に形成することが可能である。
【００２９】
また、ろう材ペーストが印刷されたセラミックス基板上に、厚さが０．２ｍｍ〜０．３ｍｍ程度のＣｕ製の金属板等を乗せ、真空雰囲気中にて熱処理を行うことにより、ろう材の塗布領域においては、金属板がセラミックス基板に接合される。しかし、この後、接合されたＣｕ板等の所定領域のみをエッチング処理で除去することにより、上記した導通電力は比較的小さいものの、線幅が０．１ｍｍ程度と微細であり配線密度が高い回路層（第１回路層）であって、ろう材から成る精細な回路を形成することも可能である。
【発明の効果】
【００３０】
本発明に係るセラミックス回路基板およびその製造方法によれば、ろう材から成る微細な第１の回路層と、ろう材を介してセラミックス基板表面に接合された厚い金属回路板から成る第２の回路層とから構成されているため、高精細で寸法精度が高く形成できる第１回路層と、通電容量を大きく形成できる第２回路層とが同一基板表面に形成された回路構造が実現する。したがって、通電容量が小さく配線密度が高い回路層と、通電容量が大きく配線密度が低い回路層とを必要とする高出力素子を搭載することが可能となり、かつ回路基板全体として回路層の配線密度を高め、小型のセラミックス回路基板を提供することが可能になる。
【００３１】
また、配線密度および通電容量が異なる２種の回路層が並存する特異な構造ではあるが、この構造を実現するためのプロセスは、ろう材の印刷塗布と金属回路板の接合と金属板の回路形成とから成る従来の製造プロセスと比較して何ら工程数に増加はなく、従来と同様の製造コストで効率的に製造できる利点もある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明に係るセラミックス回路基板の実施形態について添付図面を参照してより具体的に説明する。
【００３３】
厚さ０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板表面上および裏面上に、Ａｇ／Ｃｕ／Ｔｉ系のろう材ペーストをスクリーン印刷法により塗布し、厚さが１５μｍのろう材層を形成した。この際、ＡｌＮ基板の表面側に位置するチップマウント範囲およびボンディング位置や導通電力の大きい領域においては、金属回路板としての銅板を接合するためのろう材層を塗布形成する一方、同時に通電容量は比較的小さいものの配線密度が高く線幅が０．０５〜０．５ｍｍである微細な回路層を形成するために、ろう材ペーストをスクリーン印刷法により印刷塗布することにより、ろう材から成る第１の回路層を形成した。さらに、ＡｌＮ基板の裏面側にも、Ａｇ／Ｃｕ／Ｔｉ系のろう材ペーストをスクリーン印刷法により塗布し、裏金属板を接合するための厚さが１５μｍのろう材層を形成した。
【００３４】
次に、ろう材ペーストが印刷された窒化アルミニウム基板の表裏両面上に、厚さ０．２ｍｍである回路用金属板および裏金属板としてのＣｕ板をそれぞれ押圧して接触させた状態で、真空度が１×１０−４ｔｏｒｒ以下の雰囲気中において温度８００℃で１５分間熱処理を実施することにより、上記回路用金属板および裏金属板を窒化アルミニウム基板に一体に接合した。しかる後に、上記したチップマウント範囲およびボンディング位置や通電容量が大きい範囲に対しては、所定の回路パターンを形成するために紫外線硬化型のレジストを塗布し、さらに紫外線照射によって硬化させた後に、上記回路パターン以外の銅板部分についてはエッチング処理により除去し、回路パターン上に残るレジストを洗浄液で除去することにより、所定の回路パターンを有する金属回路板から成る第２の回路層を形成した。
【００３５】
こうして調製された実施例に係るＡｌＮセラミックス回路基板１ａは、図１および図２に示すように、ろう材から成り配線幅Ｗ２が０．０５〜０．５ｍｍである微細な第１の回路層６と、金属回路板４から成り配線幅が０．５ｍｍ以上である第２の回路層７が窒化アルミニウム基板２表面側に並存しており、この第２の回路層７はろう材層３を介して窒化アルミニウム基板２に一体に接合されており、さらに窒化アルミニウム基板２の裏面側には、ろう材層３を介して裏金属板５が一体に接合された構造を有している。
【００３６】
上記実施例に係るセラミックス回路基板１ａおよびその製造方法によれば、ろう材から成る微細な第１の回路層６と、ろう材層３を介してＡｌＮセラミックス基板２の表面に接合された厚い金属回路板４から成る第２の回路層７とから構成されているため、高精細で寸法精度が高く形成できる第１の回路層１と、通電容量を大きく形成できる第２の回路層７とが同一基板表面に形成された回路構造が実現する。したがって、通電容量が小さく配線密度が高い回路層と、通電容量が大きく配線密度が低い回路層とを必要とする高出力素子を搭載することが可能となり、かつ回路基板全体として回路層の配線密度を高め、小型のセラミックス回路基板１ａを提供することが可能になる。
【００３７】
具体的に、実施例に係るセラミックス回路基板における配線層を全て厚い金属回路板で形成した場合には、回路基板面積が実施例と比較して２５〜４５％も増大することが確認されており、本実施例によれば回路基板を大幅に小型化できる。
【００３８】
また、配線密度および通電容量が異なる２種の回路層６，７が並存する特異な構造ではあるが、この構造を実現するためのプロセスは、ろう材の印刷塗布と金属回路板４の接合と金属板の回路形成とから成る従来の製造プロセスと比較して何ら工程数に増加はなく、従来と同様の製造コストで効率的に製造できる利点もある。
【００３９】
さらに、金属回路板から成る第２の回路層の表面に、Ｎｉ，Ａｇ，Ｓｎ，Ａｕから選択される少なくとも１種の金属から成るめっき層を形成した場合には、第２の回路層に対する端子、ボンディングワイヤ等の接合部品の接合強度を高めることができ、また耐食性も向上させることができた。
【００４０】
なお、上記実施例においては、ろう材としてＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材を使用し、第２の回路層が銅から成り、セラミックス基板として窒化アルミニウムを使用した実施例を示しているが、Ａｇ，Ｃｕ，Ｔｉ，Ｚｒ，ＳｉおよびＡｌから選択される少なくとも１種の元素から構成されるろう材を使用し、第２の回路層がアルミニウムから成り、セラミックス基板として、窒化珪素、アルミナ、およびアルミナとジルコニアとの化合物から選択される少なくとも１種のセラミックス焼結体を使用した場合においても、上記実施例と同様な作用効果が得られることが確認されている。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明に係るセラミックス回路基板の一実施例を示す平面図。
【図２】図１に示すセラミックス回路基板のＩＩ−ＩＩ矢視断面図。
【図３】従来のセラミックス回路基板の構成例を示す平面図。
【図４】図２に示す従来のセラミックス回路基板のＩＶ−ＩＶ矢視断面図。
【符号の説明】
【００４２】
１，１ａ セラミックス回路基板
２ セラミックス基板
３ ろう材層
４ 金属回路板（金属回路層、銅回路板）
５ 裏金属板
６ 第１の回路層
７ 第２の回路層
Ｗ１，Ｗ２ 配線幅
【出願人】 【識別番号】０００００３０７８
【氏名又は名称】株式会社東芝
【住所又は居所】東京都港区芝浦一丁目１番１号
【出願日】 平成１５年９月２６日（２００３．９．２６）
【代理人】 【識別番号】１０００７８７６５
【弁理士】
【氏名又は名称】波多野 久

【識別番号】１０００７８８０２
【弁理士】
【氏名又は名称】関口 俊三

【識別番号】１０００７７７５７
【弁理士】
【氏名又は名称】猿渡 章雄

【識別番号】１００１２２２５３
【弁理士】
【氏名又は名称】古川 潤一
【公開番号】 特開２００５−１０１４１５（Ｐ２００５−１０１４１５Ａ）
【公開日】 平成１７年４月１４日（２００５．４．１４）
【出願番号】 特願２００３−３３４９３９（Ｐ２００３−３３４９３９）