セラミックス回路基板の接合構造およびパワーモジュール
【課題】セラミックス回路基板を他部材に強固にネジ締結することができ、かつ貫通孔周辺部分にクラックが発生することを抑制することができる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２の表裏面に金属板が固着されたセラミックス回路基板１をネジ６で他部材８に締結する接合構造において、セラミックス回路基板は、裏面金属板４とセラミックス基板の二部材にネジを通す貫通穴５が形成され、表面側は補強部材７を介してネジ締めされており、補強部材はネジを通す貫通穴７１が形成され、セラミックス基板との当接面における凹部の直径Ｌはセラミックス基板の貫通穴の直径ｂに対し、Ｌ＞ｂである、また、裏面金属板の貫通穴５４の直径ａは、セラミックス基板の貫通穴の直径ｂに対し、ａ≧ｂであるセラミックス回路基板の接合構造。
【解決手段】セラミックス基板２の表裏面に金属板が固着されたセラミックス回路基板１をネジ６で他部材８に締結する接合構造において、セラミックス回路基板は、裏面金属板４とセラミックス基板の二部材にネジを通す貫通穴５が形成され、表面側は補強部材７を介してネジ締めされており、補強部材はネジを通す貫通穴７１が形成され、セラミックス基板との当接面における凹部の直径Ｌはセラミックス基板の貫通穴の直径ｂに対し、Ｌ＞ｂである、また、裏面金属板の貫通穴５４の直径ａは、セラミックス基板の貫通穴の直径ｂに対し、ａ≧ｂであるセラミックス回路基板の接合構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子を実装するのに用いられるセラミックス回路基板であって、特にその接合構造体及びこの回路基板を用いたパワーモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在の自動車、鉄道車輌、エレベータ、産業機器、ロボット、空調機器などには、トランジスタ、ＣＰＵ、ＩＧＢＴなどの半導体素子を搭載した回路基板をヒートシンクなどに直接或いは共通板を介して接合したパワーモジュールが多く用いられている。このような半導体素子は大きな電流を流すことができるが、発生した熱が半導体素子そのものを破壊する場合があり、素子を実装する回路基板としては、電気絶縁性と熱伝導性に優れた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミックス基板を用い、その表面に銅、アルミニウム等の金属回路板を接合し、裏面に銅等の高熱伝導体からなる金属板を接合したセラミックス回路基板が用られている。また、セラミックス回路基板は、熱サイクルを受けてもヒートシンク或いは共通板等他部材面と密接していなければならない。この接合は、通常はセラミックス回路基板の裏面金属板と他部材間をはんだ接合する事等により行なわれてきたが、最近では、更にこの接合部の信頼性を高めるために、はんだ接合部に代えて、セラミックス回路基板に貫通穴を形成し、高熱伝導性のグリース等を介してネジで締結する方法も用いられるようになっている。
【０００３】
上記ネジ締結型セラミックス回路基板のセラミックス基板にはネジを通すための貫通穴が形成されているが、他部材へネジ締めする時の締め付け力が大きくなると、セラミックス基板とネジ座面との接触部分、特にセラミックス基板の貫通穴周辺部分にクラックが入ってしまうという問題があった。この問題を解決するためのセラミックス回路基板として、例えば特許文献１に開示されたものがある。このセラミックス回路基板は、図９に示すように、セラミックス基板１１の表裏両主面に金属板１４が接合されたセラミックス回路基板において、セラミックス基板１１は両主面を繋ぐ貫通穴１２を有し、少なくとも一つの貫通穴の少なくともネジ頭部側の端部に、前記貫通穴１２と同径の貫通穴を有する補強部材１３が具備されたものである。補強部材１３を接合することで、貫通穴１２を起点とするクラックの発生が抑制することができ、このような補強部材１３としては、金属材料および樹脂材料を使用することができ、その形成範囲がネジの頭部と同等の大きさから２ｍｍ程度大きく、厚さは０．１ｍｍ〜０．３ｍｍとすることが好ましい、とされている。また、このセラミックス回路基板の貫通穴１２を利用して固定する方法としては、ネジ溝を利用したボルト方式に限らず、ネジ溝のないピン等を使用し、先端をかしめたり、ろう材や接着材で固定してもよい、と説明されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１９７８２４号公報（段落番号００１０、００２３〜００２４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１における補強部材１３は、セラミックス基板と当接する面の面積をネジ頭部の座面面積より大きくしたものであり、セラミックス基板１１に作用する圧縮力やせん断力を小さくすることによりクラックの発生を抑制しようとするものである。実施例には補強部材１３が接合された場合と接合されていない場合とでは不良発生率に差があることが示されている。しかし、この実施例においては、貫通穴は１ｍｍであると説明されており、ネジ止め時の締め付け力は小さいと思われるが、依然として不良が生じていることが示されている。これは、補強部材１３の貫通穴内径がセラミックス基板１１の貫通穴１２の内径と同径であるため、該貫通穴１２のエッジ部に締め付け力が作用するためであると思われる。セラミックス回路基板は熱サイクルを受けても他部材と密接していなければならないが、ネジ径１ｍｍ程度のネジでは締結力が不十分であり、少なくとも３ｍｍ程度以上のネジを用いることが望ましい。この点で、この構造では大きなネジを用いてより大きな締め付け力を付与すると、不良率が高くなることが予想される。また、補強部材１３は、ネジ頭部側の貫通穴１２の端部に設ければよく、裏側の金属板１４は貫通穴１２を覆わないサイズでもよいと説明されているが、貫通穴１２の裏側部が裏金属板１４で支持されている場合と支持されていない場合では、ネジ締めの際に前者では貫通穴１２周辺には圧縮荷重だけが作用するのに対し、後者では曲げ荷重も作用するため、後者の方が小さい締め付け力で破壊してしまう。しかもネジ締結部材の補強部材（座金）として一般的な平座金を用いた場合には、補強部材１３または、金属板１４とセラミックス部材１１との接合界面端部に応力集中が発生し、セラミックス基板１１に割れが起こりやすくなる問題もある。このように、補強部材を設けるにしてもこのセラミックス回路基板の構造には問題がある。
【０００６】
本発明は、セラミックス回路基板を他部材に強固にネジ締結することができ、かつ貫通穴周辺部分にクラックが発生することを抑制することができるセラミックス回路基板を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のセラミックス回路基板の接合構造は、セラミックス基板の表裏面に金属板が固着されたセラミックス回路基板をネジで他部材に締結する接合構造において、セラミックス回路基板は、裏面金属板とセラミックス基板の二部材にネジを通す貫通穴が形成され、補強部材を介してネジ締めされており、補強部材はネジを通す貫通穴が形成され、セラミックス基板との当接面における凹部の直径Ｌはセラミックス基板の貫通穴の直径ｂに対し、Ｌ＞ｂであることを特徴としている。
前記本発明において、裏面金属板の貫通穴の直径ａは、セラミックス基板の貫通穴の直径ｂに対し、ａ≧ｂであることが望ましいが、前記直径Lに対してはL＞ａであることが好ましい。
本発明において、表面金属板は電気の流路をなす回路部と該回路部とは電気的に切り離された非回路部を備えた場合も考えられ、補強部材は、セラミックス基板と固着した該非回路部の表面金属板を用いた形態をとることができる。
【０００８】
また、本発明の別のセラミックス回路基板の接合構造は、セラミックス基板の表裏面に金属板が固着されたセラミックス回路基板をネジで他部材に締結する接合構造において、セラミックス回路基板は、表裏面金属板とセラミックス基板の三部材にネジを通す貫通穴が形成され、補強部材を介してネジ締めされており、補強部材はネジを通す貫通穴が形成され、表面金属板との当接面における凹部の直径Ｌはセラミックス基板の貫通穴の直径ｂに対し、Ｌ＞ｂであることを特徴としている。
前記本発明において、表面金属板及び裏面金属板の貫通穴の直径ａは、セラミックス基板の貫通穴の直径ｂに対し、ａ≧ｂであり、かつL＞aであることが好ましい。
また、本発明においては、表面金属板は、電気の流路をなす回路部と該回路部とは電気的に切り離された非回路部が形成されており、該非回路部に貫通穴が形成されている形態をとることができる。
また、本発明においては、表面金属板は、電気の流路をなす回路部と該回路部とは電気的に切り離された非回路部が形成されており、貫通穴は少なくとも回路部にも形成された形態もとることができるが、表面金属板の貫通穴の直径ａはセラミックス基板の貫通穴の直径ｂに対しａ＞ｂであり、かつL＞aとすることが好ましい。
また、本発明においては、補強部材は、セラミックス基板との当接面に逃げ穴が形成され、断面がコ字状であることが好ましい。
前述した発明においては、セラミックス基板は、窒化ケイ素を主成分とする焼結体からなるものを用いることが好ましい。
本発明のパワーモジュールは、表面金属板の回路部に半導体素子を搭載したセラミックス回路基板が、前記のいずれかのセラミックス回路基板の接合構造でヒートシンクにネジ締結されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のセラミックス回路基板の接合構造によれば、ネジ締め力は補強部材によりセラミックス基板の貫通穴エッジ部より離れた位置でセラミックス基板に伝達されるので、貫通穴エッジ部に生ずる応力は小さくなり、クラックの発生を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明のセラミックス回路基板の接合構造について、三つの実施の形態をもとに説明する。
（実施の形態１）
図１は実施の形態１におけるセラミックス回路基板の接合構造の一例を示した外観図であり、図２はネジ締結部の断面図である。セラミックス回路基板１は、セラミックス基板２とその表裏面に接合された金属板３、４を備え、セラミックス基板２と金属板３、４とは、直接接合法、ろう材接合法または接着剤で接合されている。表面金属板３には、半導体素子（図示せず）が搭載される回路や半導体素子への電力供給もしくは電気信号を授受するための回路などからなる回路部３１が形成されている。裏面金属板４はヒートシンクなど別部材との接合部材であり回路は形成されていない。表面金属板３には導電性の優れた金属を、裏面金属板４には熱伝導の優れた金属を使用するが、銅、アルミニウムまたはその合金或いはクラッド材はどちらの面にも使用することができて好ましい。セラミックス基板（以降、基板と略す）２としては特に限定されるものではなく、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）基板や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板や窒化ケイ素基板（Ｓｉ３Ｎ４）を用いることができる。ネジ締結仕様の基板としては機械的強度に優れている窒化ケイ素基板が望ましく、厚さは熱伝導性面からは薄い方がよいが、薄すぎるとネジ締め時に破損する恐れがあるので０．２ｍｍ〜０．８ｍｍ程度がよい。金属板３、４の厚さはセラミックスとの熱膨張の差で基板２にクラックが生じないよう１ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００１１】
セラミックス回路基板１は、回路部３１から離れた例えば周辺４箇所の所定位置に基板２、裏面金属板４の二部材を貫いたネジ締め用貫通穴部５を有している。裏面金属板４の貫通穴５４（図２参照）は、基板２に形成された貫通穴５２とほぼ同心で、その直径ａ１が貫通穴５２の直径ｂより大きな寸法となるように形成されている。裏面金属４は放熱性の観点からベタ状とするのがよいが、セラミックス回路基板１の反りを抑制し、ネジ締結時のセラミックス基板２の割れや、放熱性を確保するために表面金属板３のパターンに応じた適宜なパターンが形成されていてもよい。また、ネジ部の絶縁を考慮しなくても良い場合には、貫通穴５４回りの直径ａ１を直径ｂよりも小さくしても良い。更に基板２に加えられるネジ締め力を広く分散できるように、補強部材７と基板２の接触面積を広く取るのが好ましい。
【００１２】
セラミックス回路基板１は、図２（ａ）に示すように、着脱自在な補強部材７を介して呼び径ｄのネジ６でヒートシンク８にグリースを介して（図示せず）ネジ込み或いはナットで締結される。補強部材７は、金属或いはセラミックスなどの材質を用いることができ、外形は円状或いは矩形状等特に限定はされないが、少なくともネジ頭部の座面面積以上の範囲、好ましくはネジ外径の２倍以上の相当直径Ｄとするとよく、中心部にはネジ６を通す貫通穴７１が形成されている。補強部材７の裏面、即ち基板２の表側と当接する面に形成された凹部の直径Ｌは、基板の貫通穴５２の直径ｂより大きな寸法とするとよい。この場合、裏面金属板４の貫通穴５４の直径ａ１はbと比較して大小考えられるが、少なくともL＞ａ１とすることが好ましい。前記凹部の直径Ｌは、図２（ｂ）に示すように、逃げ穴７２を形成した場合はこの直径であり、逃げ穴７２を形成しない場合は貫通穴７１の直径である。補強部材７と基板２の接触面積は大きい方がよく、ネジ径ｄと相当外径Ｄと凹部直径Ｌの関係は、（Ｄ−Ｌ）＞ｄとすることが好ましい。補強部材７の最小厚さｔは、ネジ頭部からの圧縮力をできるだけ均等に基板２に伝達できるよう、ネジ６の大きさや補強部材７の材質や内外径寸法などを考慮して決めるが、１ｍｍ以上あることが望ましい。
【００１３】
これより、締結時の締め付け力は、ネジ座面からは補強部材７を介して基板２の表側に伝達され、ヒートシンク８側からは裏面金属板４を介して基板２の裏側に伝達される。いずれから伝達される締め付け力も、当接面を広くすることで分散されて基板面では小さな面圧にすることができる。また、補強部材７裏面の凹部の直径Ｌ及び裏面金属板４の貫通穴５４の直径ａ１を基板２の貫通穴５２の直径ｂより大きくした場合には、締め付け力は、基板２の貫通穴５２のエッジ部２４には伝わらないか、伝わっても上記よりさらに小さな面圧となる。従って、エッジ部２４にクラックを発生するのを防止できるだけでなく、基板面におけるクラックの発生も抑制することができる。
【００１４】
上記説明における補強部材７は、セラミックス回路基板１とは別体で着脱自在であり、製作が容易であるが、装着時に裏面の凹部を基板貫通穴５２と同心になるようにセットすることが難しい。この点で、凹部の直径Ｌをネジ通し用貫通穴７１の直径に規制されずに自由に設定できるよう、逃げ穴７２を形成したコ字形とすることが好ましい。また、補強部材７として表面金属板３の一部を利用することもできる。前述したように、表面金属板３には回路部３１が形成されているが、表面金属板３に回路部３１を形成する際に回路部３１とは分離した非回路部３２も形成し、これを補強部材７として用いるとよい。この補強部材７は基板２と固着しているので、前記逃げ穴７２を形成することはできないが、凹部と基板貫通穴５２との位置ずれがないという利点がある。
また、上記説明では、裏面金属４の貫通穴５４の直径ａ１は、基板２の貫通穴５２の直径ｂより大きくするとしたが、基板２との当接面の相当直径が例えばネジ外径の３倍以上とかなり広い場合にはほぼ同一としてもよい。これは、基板２裏側に生じる面圧が小さくなり、エッジ部２４に作用する応力が小さいためである。
【００１５】
（実施の形態２）
図３は実施の形態２におけるセラミックス回路基板の接合構造の一例を示した外観図であり、図４はネジ締結部の断面図である。実施の形態２におけるセラミックス回路基板１０は、ネジ締め用貫通穴部５が表面金属板３、セラミックス基板２、裏面金属板４の三部材を貫いて構成されているという点で、実施の形態１で説明したセラミックス回路基板１と異なっているが、基本的な構造は同様であり同じ部分は同じ符号で示すとともに重複する説明は省略する。
【００１６】
表面金属板３は、回路部３１の他に電気回路としては用いない非回路部３２を有している。非回路部３２は、表面金属板３に回路部３１を形成する際に、回路部３１とは分離して形成した表面金属板３の一部で、ネジ締め用貫通穴部５はこの非回路部３２に形成されている。表裏面金属板３、４の貫通穴５３、５４は、ほぼ同一寸法の直径ａ（場合に応じて貫通穴５３の直径をａ２、貫通穴５４の直径をａ１と区別して示す）で、基板２に形成された貫通穴５２とほぼ同心位置に形成されており、直径ａの寸法は基板貫通穴５２の直径ｂとほぼ同一とする。
【００１７】
セラミックス回路基板１０は、図４に示すように、着脱自在な補強部材７を介して呼び径ｄのネジ６でヒートシンク８にネジ締結される。補強部材７は、金属或いはセラミックスなどの材質を用いることができ、外形は円状或いは矩形状または半球状等特に限定はされないが、少なくともネジ頭部の座面との接触面積が、ネジ頭部の座面面積以上、好ましくはネジ外径の２倍以上の相当直径とするとよく、中心部にはネジ６を通す貫通穴７１が形成されている。補強部材７の裏面、即ち表面金属板３と当接する面に形成された凹部の直径Ｌは、基板の貫通穴５２の直径ｂより大きな寸法とする。前記凹部の直径Ｌは、逃げ穴７２を形成した場合はこの直径であり、逃げ穴７２を形成しない場合は貫通穴７１の直径である。
【００１８】
これより、締結時の締め付け力は、ネジ座面からは補強部材７を伝わり表面金属板３を介して基板２の表側に伝達され、ヒートシンク８側からは裏面金属板４を介して基板２の裏側に伝達される。補強部材７から伝わった締め付け力は、表面金属板３をほぼ補強部材７との当接範囲で伝達され、基板２の貫通穴５２のエッジ部２４には伝わらないか、伝わっても上記よりさらに小さな面圧となる。この締結時の補強部材７から基板２に作用する応力範囲は表面金属板３が薄くなるほど狭まり、応力集中を起こすため、直径Ｌの大きさにも因るが、厚さは０．２ｍｍ以上とするのがよい。また、裏面金属板４は、通常、基板２との当接面の相当直径が例えばネジ外径の３倍以上とかなり広いので、基板２裏側に生じる面圧が小さくなり、エッジ部２４に作用する応力は小さい。従って、エッジ部２４にクラックを発生するのを防止できるだけでなく、基板面におけるクラックの発生も抑制することができる。
【００１９】
上記説明では、表裏面金属３、４の貫通穴５３、５４の直径ａは、基板２の貫通穴５２の直径ｂとほぼ同一にするとしたが、ａ＞ｂとなるように形成する方が好ましい。この場合、金属板３、４は基板２の貫通穴５２のエッジ部２４に当接しないので、金属板３、４を介した締め付け力が基板２の貫通穴５２のエッジ部２４に一層伝わり難くなるためであり、表面金属板３が厚い場合にも対応することができる。なお、表面金属板３の厚さが薄く、基板２と補強部材７及び裏面金属４との当接面積が広い場合などでは、前記直径ａを直径ｂより小さい寸法にすることもできると考えている。これは、表面金属板３が薄くても基板当接面に働く応力は分散して大きくはないと考えるからである。
以上説明したように、実施の形態２の接合構造は、補強部材７の裏面がセラミックス回路基板１０の表面金属板３に当接されて、締結時の締め付け力がネジ座面から補強部材７に伝わり表面金属板３を介して基板２の表側に伝達されるという点に違いがあるが、実施の形態１で説明したのと同様の作用効果を有している。
【００２０】
（実施の形態３）
基本的には実施の形態２で説明したセラミックス回路基板１０の接続構造と同様であるが、締結箇所を増やして強固に接合する場合や、構造的に非回路部が充分に形成できないような場合に、表面金属板３の回路部３１を貫いてネジ締めを行なうようにした形態である。図５に実施の形態３におけるセラミックス回路基板２０の一例を示す。同じ部分は同じ符号で示すとともに重複する説明は省略する。
【００２１】
図５のセラミックス回路基板２０の表面金属板３は、素子を実装する３１ａ部と、ボンディングワイヤーにより３１ａまたは外部端子と接続される３１ｂ、３１ｃにより構成されている。このように表面金属板３全てが電気回路として働く場合、図３の非回路部３２に相当する個所は無く、必然的に回路部にネジ締結用の貫通穴部５を形成せざるを得ない。ただしこの場合、当然のことながら、ネジ６もしくは、ネジ６および補強部材７と回路部３１（３１ａ、３１ｂ、３１ｃ）との絶縁は必要となる。また、貫通穴部５を４隅に設ける構造が一般的ではあるが、回路部３１の形状によっては貫通穴部５を設けるスペースが十分に確保できない場合も考えられる。その場合、セラミックス回路基板２０の４隅以外に貫通穴部５を設けたり、使用するネジ径を部分的に変更して使用することも可能である。中でも特にセラミックス回路基板２０の４隅と中央の両方に貫通穴部５を設けた場合、ヒートシンク８にセラミックス回路基板２０を固着した際のセラミックス回路基板２０の反り量を低減でき、セラミックス回路基板２０の放熱性も改善できるメリットもある。これ以外にも、前述した図３に示したセラミックス回路基板１０のように非回路部３２と回路部３１が混在する場合に、表面金属板３の貫通穴５３を、非回路部３２と回路部３１の両方に形成したり、回路部３１のみに形成したりするのに適用するとよい。
【００２２】
本実施の形態３では、前述したようにネジ締結部は基本的には実施の形態２の場合と同様であり、図６に示す通りである。ただし、本実施の形態３においては、回路部３１におけるネジ締め部では、該回路３１ａの電気が他の回路や非回路部３２に伝わらないよう電気的に絶縁されなければならない。このためには、該回路３１ａの電気が補強部材７を通じてネジ６に伝わらないようにすればよく、非導電性セラミックス製の補強部材７を用いたり、金属製の補強部材７を用いても表面金属板３との間にセラミックス、樹脂又はゴムなどの絶縁材を装着すればよい。しかし、回路３１ａの電気を補強部材７を通る経路ではネジ６に伝わらないようにしても、回路３１ａに形成された貫通穴５３の側面とネジ６の側面との隙間空間で絶縁が破壊されてはならない。このため、本セラミックス回路基板２０においては、回路部貫通穴直径ａ２は基板２の貫通穴直径ｂより大きく形成している。これにより、ネジ６との間隙は（ａ２−ｄ）／２＞（ｂ−ｄ）／２となり、回路部貫通穴直径ａ２と基板貫通穴直径ｂが同一寸法のものに比べて、回路部貫通穴側面とネジ側面との距離が長くなり、絶縁破壊の防止に有効である。
【００２３】
さらに、基板２の厚さが薄くなり回路部３１と裏面金属板４との間隔が狭くなっても、貫通穴部５で回路３１ａと裏面金属板４間の絶縁が破壊されてはならない。この点でも、本セラミックス回路基板２０は、表裏金属板貫通穴直径ａと基板貫通穴直径ｂが同一寸法のものに比べて、基板２が貫通穴部５内で両金属板３、４より内径方向に突出しているので、突出長さの２倍分絶縁距離が長くなり、絶縁破壊の防止に有効である。
【実施例１】
【００２４】
実施の形態１において、本発明の接合構造のクラック発生防止面での有効性を確認するため、窒化ケイ素を主成分とするセラミックス基板を用いた試料を作成してネジ締めし、その時のクラックの発生状況を調べた。試料は次の様にして作成した。窒化ケイ素を主成分とするセラミックス粉末を焼結助剤および有機バインダー等の粘結助剤と混合して一辺が約１００ｍｍの正方形状グリーンシートとし、脱脂処理および焼結を行ってセラミックス基板（基板と略す）２とした後、所定直径ｂの貫通穴５２を２０mmピッチでレーザー加工した。基板２は、０．３２ｍｍと０．６３ｍｍの２種類の厚さのものを作製した。次いで、基板２の裏面全面に厚さ０．３ｍｍの銅板を活性金属材でろう接した。ろう接後、裏面銅板４に、所定直径ａ１の貫通穴５４を基板貫通穴５２と同心になるようにエッチングで形成した。その後、一辺２０ｍｍの正方形に切断し、二つの部材を貫いた貫通穴部５を中央部に有する試料を作製した。
【００２５】
締め付けテストは、試料を、タップ穴を有し上面を研磨仕上げされた鉄板にネジ頭部と基板の間に補強部材を介して締め付けて行なった。ネジはＭ５、Ｍ６の２種類を用いた。同一サイズのネジによる締め付けは、試料に所定の同じ締め付け力が作用するようトルクレンチを用いた。しかし、トルクを制御してもネジ面、座面等摺動部材間の摩擦抵抗の違いで各試料に同じ締め付け力が付与されるとは限らないため、締め付けトルクを変えてテストした。補強部材７は、図７、図８に示すように、Ｍ５、Ｍ６用として外径Ｄがそれぞれ１２ｍｍ、１４ｍｍで、全厚さは同じ１．５ｍｍのステンレス製円板状部材を準備し、図中（ａ）、（ｂ）で示す２種の断面形状のものを製作した。（ｂ）で示すものは、逃げ穴を形成した断面コ字状のものである。基板の貫通穴直径ｂは、Ｍ５、Ｍ６のネジに対して各々５．５ｍｍ、６．６ｍｍとした。表１、表２に、主として裏面銅板の貫通穴直径ａ１と補強部材の凹部直径Ｌを変えた時のテストデータを示す。
【００２６】
【表１】
【００２７】
表１は、Ｍ５のネジで締め付けた場合で、締め付けトルクをそれぞれ３、５、７Ｎ・ｍと違えても、補強部材直径Ｌが基板穴径ｂより大きくなる（Ｌ／ｂ＞１）と、基板の貫通穴エッジ部に割れやクラックが発生しないことがわかる。これは、裏面銅板の穴径ａ１が基板穴径ｂと同一の場合でも同様である。
【００２８】
【表２】
【００２９】
表２は、Ｍ６のネジで締め付けた場合である。ネジの大きさが変ることにより関係する穴寸法を変えたが、Ｌ／ｂ値と不良発生の関係は表１の結果と同様であると言える。また、基板の厚さを変えた場合でも、ほぼ同様であると言える。テストＮｏ．２８でＬ／ｂが約１．０６のものに不良が１個発生したが、テストに用いた基板の破壊強度に対して、この締め付けトルクは過大で適切でないためと思われる。
【００３０】
以上、上記結果によれば、ネジ締め付け時における基板の貫通穴エッジ部の破損防止には、補強部材の凹部直径Ｌを基板の貫通穴直径ｂより大きくすればよいことがわかる。この時、裏面金属板の貫通穴直径ａ１は、ａ１≧ｂになるようにすることが好ましいことがわかる。
【実施例２】
【００３１】
実施の形態２において、本発明の接合構造のクラック発生防止面での有効性を確認するため、窒化ケイ素を主成分とするセラミックス基板を用いた試料を作成してネジ締めし、その時のクラックの発生状況を調べた。試料は次の様にして作成した。窒化ケイ素を主成分とするセラミックス粉末を焼結助剤および有機バインダー等の粘結助剤と混合して一辺が約１００ｍｍの正方形状グリーンシートとし、脱脂処理および焼結を行ってセラミックス基板（基板と略す）２とした後、所定直径ｂの貫通穴を２０mmピッチでレーザー加工した。基板２は、０．３２ｍｍと０．６３ｍｍの２種類の厚さのものを作製した。次いで、基板の表裏面全面に厚さ０．３ｍｍの銅板を活性金属材でろう接した。ろう接後、表裏面銅板３、４に、ほぼ同一の所定直径ａ２、ａ１の貫通穴５３、５４を、基板貫通穴５２と同心になるようにエッチングで形成した。その後、一辺２０ｍｍの正方形に切断し、三つの部材を貫いた貫通穴部５を中央部に有する試料を作製した。締め付けテストは実施例１と同様にして行なったが、ネジ頭部と表面銅板３の間に補強部材７を介して締め付けた点だけが異なっている。表３、表４にテストデータを示す。
【００３２】
【表３】
【００３３】
【表４】
【００３４】
表３はＭ５のネジで締め付けた場合、表４はＭ６のネジで締め付けた場合であるが、表面金属板貫通穴の直径ａ２と基板貫通穴の直径ｂが同一であっても、補強部材の凹部直径Ｌをそれより大きくすれば不良発生の抑制に効果があることがわかる。しかし、テストＮｏ．６８に示すように、締め付け力が大きくなると、補強部材の凹部直径Ｌが基板の貫通穴ｂより大きくても不良が出る場合がある。しかし、テストＮｏ．６９に示すように、表面金属板貫通穴の直径ａ２を基板貫通穴の直径ｂより大きくすれば不良は発生しないことがわかる。
これより、裏面金属板或いは表裏金属板の貫通穴直径ａは、基板の貫通穴直径ｂに対しａ＞ｂとすることが好ましいことがわかる。
【００３５】
以上、本発明のセラミックス回路基板の接合構造について説明したが、回路部に半導体素子を搭載したセラミックス回路基板をこの接合構造でヒートシンクに接合すると、接合時の割れ等の不良発生の少ない熱伝達性の良好なパワーモジュールとして提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施の形態１におけるセラミックス回路基板の接合構造を示す外観略図である。
【図２】上記における接合構造を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態２におけるセラミックス回路基板の接合構造を示す外観略図である。
【図４】上記における接合構造を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態３におけるセラミックス回路基板の接合構造を示す外観略図である。
【図６】上記における接合構造を示す断面図である。
【図７】本発明のセラミックス回路基板の接合構造に用いる補強部材を示す断面図である。
【図８】本発明のセラミックス回路基板の接合構造に用いる他の補強部材を示す断面図である。
【図９】特許文献１に示された従来のセラミックス回路基板の断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１、１０、２０…本発明に係わるセラミックス回路基板、 ２…セラミックス基板、
３…表面金属板、 ４…裏面金属板、 ５…貫通穴部、 ６…ネジ、 ７…補強部材、
８…ヒートシンク、 ２４…セラミックス基板貫通穴のエッジ部、
５２…セラミックス回路基板の貫通穴、 ５３…表面金属板の貫通穴、
５４…裏面金属板の貫通穴、 ａ…金属板の貫通穴直径、
ｂ…セラミックス基板の貫通穴直径、 Ｌ…補強部材の凹部直径、
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子を実装するのに用いられるセラミックス回路基板であって、特にその接合構造体及びこの回路基板を用いたパワーモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在の自動車、鉄道車輌、エレベータ、産業機器、ロボット、空調機器などには、トランジスタ、ＣＰＵ、ＩＧＢＴなどの半導体素子を搭載した回路基板をヒートシンクなどに直接或いは共通板を介して接合したパワーモジュールが多く用いられている。このような半導体素子は大きな電流を流すことができるが、発生した熱が半導体素子そのものを破壊する場合があり、素子を実装する回路基板としては、電気絶縁性と熱伝導性に優れた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミックス基板を用い、その表面に銅、アルミニウム等の金属回路板を接合し、裏面に銅等の高熱伝導体からなる金属板を接合したセラミックス回路基板が用られている。また、セラミックス回路基板は、熱サイクルを受けてもヒートシンク或いは共通板等他部材面と密接していなければならない。この接合は、通常はセラミックス回路基板の裏面金属板と他部材間をはんだ接合する事等により行なわれてきたが、最近では、更にこの接合部の信頼性を高めるために、はんだ接合部に代えて、セラミックス回路基板に貫通穴を形成し、高熱伝導性のグリース等を介してネジで締結する方法も用いられるようになっている。
【０００３】
上記ネジ締結型セラミックス回路基板のセラミックス基板にはネジを通すための貫通穴が形成されているが、他部材へネジ締めする時の締め付け力が大きくなると、セラミックス基板とネジ座面との接触部分、特にセラミックス基板の貫通穴周辺部分にクラックが入ってしまうという問題があった。この問題を解決するためのセラミックス回路基板として、例えば特許文献１に開示されたものがある。このセラミックス回路基板は、図９に示すように、セラミックス基板１１の表裏両主面に金属板１４が接合されたセラミックス回路基板において、セラミックス基板１１は両主面を繋ぐ貫通穴１２を有し、少なくとも一つの貫通穴の少なくともネジ頭部側の端部に、前記貫通穴１２と同径の貫通穴を有する補強部材１３が具備されたものである。補強部材１３を接合することで、貫通穴１２を起点とするクラックの発生が抑制することができ、このような補強部材１３としては、金属材料および樹脂材料を使用することができ、その形成範囲がネジの頭部と同等の大きさから２ｍｍ程度大きく、厚さは０．１ｍｍ〜０．３ｍｍとすることが好ましい、とされている。また、このセラミックス回路基板の貫通穴１２を利用して固定する方法としては、ネジ溝を利用したボルト方式に限らず、ネジ溝のないピン等を使用し、先端をかしめたり、ろう材や接着材で固定してもよい、と説明されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１９７８２４号公報（段落番号００１０、００２３〜００２４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１における補強部材１３は、セラミックス基板と当接する面の面積をネジ頭部の座面面積より大きくしたものであり、セラミックス基板１１に作用する圧縮力やせん断力を小さくすることによりクラックの発生を抑制しようとするものである。実施例には補強部材１３が接合された場合と接合されていない場合とでは不良発生率に差があることが示されている。しかし、この実施例においては、貫通穴は１ｍｍであると説明されており、ネジ止め時の締め付け力は小さいと思われるが、依然として不良が生じていることが示されている。これは、補強部材１３の貫通穴内径がセラミックス基板１１の貫通穴１２の内径と同径であるため、該貫通穴１２のエッジ部に締め付け力が作用するためであると思われる。セラミックス回路基板は熱サイクルを受けても他部材と密接していなければならないが、ネジ径１ｍｍ程度のネジでは締結力が不十分であり、少なくとも３ｍｍ程度以上のネジを用いることが望ましい。この点で、この構造では大きなネジを用いてより大きな締め付け力を付与すると、不良率が高くなることが予想される。また、補強部材１３は、ネジ頭部側の貫通穴１２の端部に設ければよく、裏側の金属板１４は貫通穴１２を覆わないサイズでもよいと説明されているが、貫通穴１２の裏側部が裏金属板１４で支持されている場合と支持されていない場合では、ネジ締めの際に前者では貫通穴１２周辺には圧縮荷重だけが作用するのに対し、後者では曲げ荷重も作用するため、後者の方が小さい締め付け力で破壊してしまう。しかもネジ締結部材の補強部材（座金）として一般的な平座金を用いた場合には、補強部材１３または、金属板１４とセラミックス部材１１との接合界面端部に応力集中が発生し、セラミックス基板１１に割れが起こりやすくなる問題もある。このように、補強部材を設けるにしてもこのセラミックス回路基板の構造には問題がある。
【０００６】
本発明は、セラミックス回路基板を他部材に強固にネジ締結することができ、かつ貫通穴周辺部分にクラックが発生することを抑制することができるセラミックス回路基板を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のセラミックス回路基板の接合構造は、セラミックス基板の表裏面に金属板が固着されたセラミックス回路基板をネジで他部材に締結する接合構造において、セラミックス回路基板は、裏面金属板とセラミックス基板の二部材にネジを通す貫通穴が形成され、補強部材を介してネジ締めされており、補強部材はネジを通す貫通穴が形成され、セラミックス基板との当接面における凹部の直径Ｌはセラミックス基板の貫通穴の直径ｂに対し、Ｌ＞ｂであることを特徴としている。
前記本発明において、裏面金属板の貫通穴の直径ａは、セラミックス基板の貫通穴の直径ｂに対し、ａ≧ｂであることが望ましいが、前記直径Lに対してはL＞ａであることが好ましい。
本発明において、表面金属板は電気の流路をなす回路部と該回路部とは電気的に切り離された非回路部を備えた場合も考えられ、補強部材は、セラミックス基板と固着した該非回路部の表面金属板を用いた形態をとることができる。
【０００８】
また、本発明の別のセラミックス回路基板の接合構造は、セラミックス基板の表裏面に金属板が固着されたセラミックス回路基板をネジで他部材に締結する接合構造において、セラミックス回路基板は、表裏面金属板とセラミックス基板の三部材にネジを通す貫通穴が形成され、補強部材を介してネジ締めされており、補強部材はネジを通す貫通穴が形成され、表面金属板との当接面における凹部の直径Ｌはセラミックス基板の貫通穴の直径ｂに対し、Ｌ＞ｂであることを特徴としている。
前記本発明において、表面金属板及び裏面金属板の貫通穴の直径ａは、セラミックス基板の貫通穴の直径ｂに対し、ａ≧ｂであり、かつL＞aであることが好ましい。
また、本発明においては、表面金属板は、電気の流路をなす回路部と該回路部とは電気的に切り離された非回路部が形成されており、該非回路部に貫通穴が形成されている形態をとることができる。
また、本発明においては、表面金属板は、電気の流路をなす回路部と該回路部とは電気的に切り離された非回路部が形成されており、貫通穴は少なくとも回路部にも形成された形態もとることができるが、表面金属板の貫通穴の直径ａはセラミックス基板の貫通穴の直径ｂに対しａ＞ｂであり、かつL＞aとすることが好ましい。
また、本発明においては、補強部材は、セラミックス基板との当接面に逃げ穴が形成され、断面がコ字状であることが好ましい。
前述した発明においては、セラミックス基板は、窒化ケイ素を主成分とする焼結体からなるものを用いることが好ましい。
本発明のパワーモジュールは、表面金属板の回路部に半導体素子を搭載したセラミックス回路基板が、前記のいずれかのセラミックス回路基板の接合構造でヒートシンクにネジ締結されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のセラミックス回路基板の接合構造によれば、ネジ締め力は補強部材によりセラミックス基板の貫通穴エッジ部より離れた位置でセラミックス基板に伝達されるので、貫通穴エッジ部に生ずる応力は小さくなり、クラックの発生を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明のセラミックス回路基板の接合構造について、三つの実施の形態をもとに説明する。
（実施の形態１）
図１は実施の形態１におけるセラミックス回路基板の接合構造の一例を示した外観図であり、図２はネジ締結部の断面図である。セラミックス回路基板１は、セラミックス基板２とその表裏面に接合された金属板３、４を備え、セラミックス基板２と金属板３、４とは、直接接合法、ろう材接合法または接着剤で接合されている。表面金属板３には、半導体素子（図示せず）が搭載される回路や半導体素子への電力供給もしくは電気信号を授受するための回路などからなる回路部３１が形成されている。裏面金属板４はヒートシンクなど別部材との接合部材であり回路は形成されていない。表面金属板３には導電性の優れた金属を、裏面金属板４には熱伝導の優れた金属を使用するが、銅、アルミニウムまたはその合金或いはクラッド材はどちらの面にも使用することができて好ましい。セラミックス基板（以降、基板と略す）２としては特に限定されるものではなく、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）基板や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板や窒化ケイ素基板（Ｓｉ３Ｎ４）を用いることができる。ネジ締結仕様の基板としては機械的強度に優れている窒化ケイ素基板が望ましく、厚さは熱伝導性面からは薄い方がよいが、薄すぎるとネジ締め時に破損する恐れがあるので０．２ｍｍ〜０．８ｍｍ程度がよい。金属板３、４の厚さはセラミックスとの熱膨張の差で基板２にクラックが生じないよう１ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００１１】
セラミックス回路基板１は、回路部３１から離れた例えば周辺４箇所の所定位置に基板２、裏面金属板４の二部材を貫いたネジ締め用貫通穴部５を有している。裏面金属板４の貫通穴５４（図２参照）は、基板２に形成された貫通穴５２とほぼ同心で、その直径ａ１が貫通穴５２の直径ｂより大きな寸法となるように形成されている。裏面金属４は放熱性の観点からベタ状とするのがよいが、セラミックス回路基板１の反りを抑制し、ネジ締結時のセラミックス基板２の割れや、放熱性を確保するために表面金属板３のパターンに応じた適宜なパターンが形成されていてもよい。また、ネジ部の絶縁を考慮しなくても良い場合には、貫通穴５４回りの直径ａ１を直径ｂよりも小さくしても良い。更に基板２に加えられるネジ締め力を広く分散できるように、補強部材７と基板２の接触面積を広く取るのが好ましい。
【００１２】
セラミックス回路基板１は、図２（ａ）に示すように、着脱自在な補強部材７を介して呼び径ｄのネジ６でヒートシンク８にグリースを介して（図示せず）ネジ込み或いはナットで締結される。補強部材７は、金属或いはセラミックスなどの材質を用いることができ、外形は円状或いは矩形状等特に限定はされないが、少なくともネジ頭部の座面面積以上の範囲、好ましくはネジ外径の２倍以上の相当直径Ｄとするとよく、中心部にはネジ６を通す貫通穴７１が形成されている。補強部材７の裏面、即ち基板２の表側と当接する面に形成された凹部の直径Ｌは、基板の貫通穴５２の直径ｂより大きな寸法とするとよい。この場合、裏面金属板４の貫通穴５４の直径ａ１はbと比較して大小考えられるが、少なくともL＞ａ１とすることが好ましい。前記凹部の直径Ｌは、図２（ｂ）に示すように、逃げ穴７２を形成した場合はこの直径であり、逃げ穴７２を形成しない場合は貫通穴７１の直径である。補強部材７と基板２の接触面積は大きい方がよく、ネジ径ｄと相当外径Ｄと凹部直径Ｌの関係は、（Ｄ−Ｌ）＞ｄとすることが好ましい。補強部材７の最小厚さｔは、ネジ頭部からの圧縮力をできるだけ均等に基板２に伝達できるよう、ネジ６の大きさや補強部材７の材質や内外径寸法などを考慮して決めるが、１ｍｍ以上あることが望ましい。
【００１３】
これより、締結時の締め付け力は、ネジ座面からは補強部材７を介して基板２の表側に伝達され、ヒートシンク８側からは裏面金属板４を介して基板２の裏側に伝達される。いずれから伝達される締め付け力も、当接面を広くすることで分散されて基板面では小さな面圧にすることができる。また、補強部材７裏面の凹部の直径Ｌ及び裏面金属板４の貫通穴５４の直径ａ１を基板２の貫通穴５２の直径ｂより大きくした場合には、締め付け力は、基板２の貫通穴５２のエッジ部２４には伝わらないか、伝わっても上記よりさらに小さな面圧となる。従って、エッジ部２４にクラックを発生するのを防止できるだけでなく、基板面におけるクラックの発生も抑制することができる。
【００１４】
上記説明における補強部材７は、セラミックス回路基板１とは別体で着脱自在であり、製作が容易であるが、装着時に裏面の凹部を基板貫通穴５２と同心になるようにセットすることが難しい。この点で、凹部の直径Ｌをネジ通し用貫通穴７１の直径に規制されずに自由に設定できるよう、逃げ穴７２を形成したコ字形とすることが好ましい。また、補強部材７として表面金属板３の一部を利用することもできる。前述したように、表面金属板３には回路部３１が形成されているが、表面金属板３に回路部３１を形成する際に回路部３１とは分離した非回路部３２も形成し、これを補強部材７として用いるとよい。この補強部材７は基板２と固着しているので、前記逃げ穴７２を形成することはできないが、凹部と基板貫通穴５２との位置ずれがないという利点がある。
また、上記説明では、裏面金属４の貫通穴５４の直径ａ１は、基板２の貫通穴５２の直径ｂより大きくするとしたが、基板２との当接面の相当直径が例えばネジ外径の３倍以上とかなり広い場合にはほぼ同一としてもよい。これは、基板２裏側に生じる面圧が小さくなり、エッジ部２４に作用する応力が小さいためである。
【００１５】
（実施の形態２）
図３は実施の形態２におけるセラミックス回路基板の接合構造の一例を示した外観図であり、図４はネジ締結部の断面図である。実施の形態２におけるセラミックス回路基板１０は、ネジ締め用貫通穴部５が表面金属板３、セラミックス基板２、裏面金属板４の三部材を貫いて構成されているという点で、実施の形態１で説明したセラミックス回路基板１と異なっているが、基本的な構造は同様であり同じ部分は同じ符号で示すとともに重複する説明は省略する。
【００１６】
表面金属板３は、回路部３１の他に電気回路としては用いない非回路部３２を有している。非回路部３２は、表面金属板３に回路部３１を形成する際に、回路部３１とは分離して形成した表面金属板３の一部で、ネジ締め用貫通穴部５はこの非回路部３２に形成されている。表裏面金属板３、４の貫通穴５３、５４は、ほぼ同一寸法の直径ａ（場合に応じて貫通穴５３の直径をａ２、貫通穴５４の直径をａ１と区別して示す）で、基板２に形成された貫通穴５２とほぼ同心位置に形成されており、直径ａの寸法は基板貫通穴５２の直径ｂとほぼ同一とする。
【００１７】
セラミックス回路基板１０は、図４に示すように、着脱自在な補強部材７を介して呼び径ｄのネジ６でヒートシンク８にネジ締結される。補強部材７は、金属或いはセラミックスなどの材質を用いることができ、外形は円状或いは矩形状または半球状等特に限定はされないが、少なくともネジ頭部の座面との接触面積が、ネジ頭部の座面面積以上、好ましくはネジ外径の２倍以上の相当直径とするとよく、中心部にはネジ６を通す貫通穴７１が形成されている。補強部材７の裏面、即ち表面金属板３と当接する面に形成された凹部の直径Ｌは、基板の貫通穴５２の直径ｂより大きな寸法とする。前記凹部の直径Ｌは、逃げ穴７２を形成した場合はこの直径であり、逃げ穴７２を形成しない場合は貫通穴７１の直径である。
【００１８】
これより、締結時の締め付け力は、ネジ座面からは補強部材７を伝わり表面金属板３を介して基板２の表側に伝達され、ヒートシンク８側からは裏面金属板４を介して基板２の裏側に伝達される。補強部材７から伝わった締め付け力は、表面金属板３をほぼ補強部材７との当接範囲で伝達され、基板２の貫通穴５２のエッジ部２４には伝わらないか、伝わっても上記よりさらに小さな面圧となる。この締結時の補強部材７から基板２に作用する応力範囲は表面金属板３が薄くなるほど狭まり、応力集中を起こすため、直径Ｌの大きさにも因るが、厚さは０．２ｍｍ以上とするのがよい。また、裏面金属板４は、通常、基板２との当接面の相当直径が例えばネジ外径の３倍以上とかなり広いので、基板２裏側に生じる面圧が小さくなり、エッジ部２４に作用する応力は小さい。従って、エッジ部２４にクラックを発生するのを防止できるだけでなく、基板面におけるクラックの発生も抑制することができる。
【００１９】
上記説明では、表裏面金属３、４の貫通穴５３、５４の直径ａは、基板２の貫通穴５２の直径ｂとほぼ同一にするとしたが、ａ＞ｂとなるように形成する方が好ましい。この場合、金属板３、４は基板２の貫通穴５２のエッジ部２４に当接しないので、金属板３、４を介した締め付け力が基板２の貫通穴５２のエッジ部２４に一層伝わり難くなるためであり、表面金属板３が厚い場合にも対応することができる。なお、表面金属板３の厚さが薄く、基板２と補強部材７及び裏面金属４との当接面積が広い場合などでは、前記直径ａを直径ｂより小さい寸法にすることもできると考えている。これは、表面金属板３が薄くても基板当接面に働く応力は分散して大きくはないと考えるからである。
以上説明したように、実施の形態２の接合構造は、補強部材７の裏面がセラミックス回路基板１０の表面金属板３に当接されて、締結時の締め付け力がネジ座面から補強部材７に伝わり表面金属板３を介して基板２の表側に伝達されるという点に違いがあるが、実施の形態１で説明したのと同様の作用効果を有している。
【００２０】
（実施の形態３）
基本的には実施の形態２で説明したセラミックス回路基板１０の接続構造と同様であるが、締結箇所を増やして強固に接合する場合や、構造的に非回路部が充分に形成できないような場合に、表面金属板３の回路部３１を貫いてネジ締めを行なうようにした形態である。図５に実施の形態３におけるセラミックス回路基板２０の一例を示す。同じ部分は同じ符号で示すとともに重複する説明は省略する。
【００２１】
図５のセラミックス回路基板２０の表面金属板３は、素子を実装する３１ａ部と、ボンディングワイヤーにより３１ａまたは外部端子と接続される３１ｂ、３１ｃにより構成されている。このように表面金属板３全てが電気回路として働く場合、図３の非回路部３２に相当する個所は無く、必然的に回路部にネジ締結用の貫通穴部５を形成せざるを得ない。ただしこの場合、当然のことながら、ネジ６もしくは、ネジ６および補強部材７と回路部３１（３１ａ、３１ｂ、３１ｃ）との絶縁は必要となる。また、貫通穴部５を４隅に設ける構造が一般的ではあるが、回路部３１の形状によっては貫通穴部５を設けるスペースが十分に確保できない場合も考えられる。その場合、セラミックス回路基板２０の４隅以外に貫通穴部５を設けたり、使用するネジ径を部分的に変更して使用することも可能である。中でも特にセラミックス回路基板２０の４隅と中央の両方に貫通穴部５を設けた場合、ヒートシンク８にセラミックス回路基板２０を固着した際のセラミックス回路基板２０の反り量を低減でき、セラミックス回路基板２０の放熱性も改善できるメリットもある。これ以外にも、前述した図３に示したセラミックス回路基板１０のように非回路部３２と回路部３１が混在する場合に、表面金属板３の貫通穴５３を、非回路部３２と回路部３１の両方に形成したり、回路部３１のみに形成したりするのに適用するとよい。
【００２２】
本実施の形態３では、前述したようにネジ締結部は基本的には実施の形態２の場合と同様であり、図６に示す通りである。ただし、本実施の形態３においては、回路部３１におけるネジ締め部では、該回路３１ａの電気が他の回路や非回路部３２に伝わらないよう電気的に絶縁されなければならない。このためには、該回路３１ａの電気が補強部材７を通じてネジ６に伝わらないようにすればよく、非導電性セラミックス製の補強部材７を用いたり、金属製の補強部材７を用いても表面金属板３との間にセラミックス、樹脂又はゴムなどの絶縁材を装着すればよい。しかし、回路３１ａの電気を補強部材７を通る経路ではネジ６に伝わらないようにしても、回路３１ａに形成された貫通穴５３の側面とネジ６の側面との隙間空間で絶縁が破壊されてはならない。このため、本セラミックス回路基板２０においては、回路部貫通穴直径ａ２は基板２の貫通穴直径ｂより大きく形成している。これにより、ネジ６との間隙は（ａ２−ｄ）／２＞（ｂ−ｄ）／２となり、回路部貫通穴直径ａ２と基板貫通穴直径ｂが同一寸法のものに比べて、回路部貫通穴側面とネジ側面との距離が長くなり、絶縁破壊の防止に有効である。
【００２３】
さらに、基板２の厚さが薄くなり回路部３１と裏面金属板４との間隔が狭くなっても、貫通穴部５で回路３１ａと裏面金属板４間の絶縁が破壊されてはならない。この点でも、本セラミックス回路基板２０は、表裏金属板貫通穴直径ａと基板貫通穴直径ｂが同一寸法のものに比べて、基板２が貫通穴部５内で両金属板３、４より内径方向に突出しているので、突出長さの２倍分絶縁距離が長くなり、絶縁破壊の防止に有効である。
【実施例１】
【００２４】
実施の形態１において、本発明の接合構造のクラック発生防止面での有効性を確認するため、窒化ケイ素を主成分とするセラミックス基板を用いた試料を作成してネジ締めし、その時のクラックの発生状況を調べた。試料は次の様にして作成した。窒化ケイ素を主成分とするセラミックス粉末を焼結助剤および有機バインダー等の粘結助剤と混合して一辺が約１００ｍｍの正方形状グリーンシートとし、脱脂処理および焼結を行ってセラミックス基板（基板と略す）２とした後、所定直径ｂの貫通穴５２を２０mmピッチでレーザー加工した。基板２は、０．３２ｍｍと０．６３ｍｍの２種類の厚さのものを作製した。次いで、基板２の裏面全面に厚さ０．３ｍｍの銅板を活性金属材でろう接した。ろう接後、裏面銅板４に、所定直径ａ１の貫通穴５４を基板貫通穴５２と同心になるようにエッチングで形成した。その後、一辺２０ｍｍの正方形に切断し、二つの部材を貫いた貫通穴部５を中央部に有する試料を作製した。
【００２５】
締め付けテストは、試料を、タップ穴を有し上面を研磨仕上げされた鉄板にネジ頭部と基板の間に補強部材を介して締め付けて行なった。ネジはＭ５、Ｍ６の２種類を用いた。同一サイズのネジによる締め付けは、試料に所定の同じ締め付け力が作用するようトルクレンチを用いた。しかし、トルクを制御してもネジ面、座面等摺動部材間の摩擦抵抗の違いで各試料に同じ締め付け力が付与されるとは限らないため、締め付けトルクを変えてテストした。補強部材７は、図７、図８に示すように、Ｍ５、Ｍ６用として外径Ｄがそれぞれ１２ｍｍ、１４ｍｍで、全厚さは同じ１．５ｍｍのステンレス製円板状部材を準備し、図中（ａ）、（ｂ）で示す２種の断面形状のものを製作した。（ｂ）で示すものは、逃げ穴を形成した断面コ字状のものである。基板の貫通穴直径ｂは、Ｍ５、Ｍ６のネジに対して各々５．５ｍｍ、６．６ｍｍとした。表１、表２に、主として裏面銅板の貫通穴直径ａ１と補強部材の凹部直径Ｌを変えた時のテストデータを示す。
【００２６】
【表１】
【００２７】
表１は、Ｍ５のネジで締め付けた場合で、締め付けトルクをそれぞれ３、５、７Ｎ・ｍと違えても、補強部材直径Ｌが基板穴径ｂより大きくなる（Ｌ／ｂ＞１）と、基板の貫通穴エッジ部に割れやクラックが発生しないことがわかる。これは、裏面銅板の穴径ａ１が基板穴径ｂと同一の場合でも同様である。
【００２８】
【表２】
【００２９】
表２は、Ｍ６のネジで締め付けた場合である。ネジの大きさが変ることにより関係する穴寸法を変えたが、Ｌ／ｂ値と不良発生の関係は表１の結果と同様であると言える。また、基板の厚さを変えた場合でも、ほぼ同様であると言える。テストＮｏ．２８でＬ／ｂが約１．０６のものに不良が１個発生したが、テストに用いた基板の破壊強度に対して、この締め付けトルクは過大で適切でないためと思われる。
【００３０】
以上、上記結果によれば、ネジ締め付け時における基板の貫通穴エッジ部の破損防止には、補強部材の凹部直径Ｌを基板の貫通穴直径ｂより大きくすればよいことがわかる。この時、裏面金属板の貫通穴直径ａ１は、ａ１≧ｂになるようにすることが好ましいことがわかる。
【実施例２】
【００３１】
実施の形態２において、本発明の接合構造のクラック発生防止面での有効性を確認するため、窒化ケイ素を主成分とするセラミックス基板を用いた試料を作成してネジ締めし、その時のクラックの発生状況を調べた。試料は次の様にして作成した。窒化ケイ素を主成分とするセラミックス粉末を焼結助剤および有機バインダー等の粘結助剤と混合して一辺が約１００ｍｍの正方形状グリーンシートとし、脱脂処理および焼結を行ってセラミックス基板（基板と略す）２とした後、所定直径ｂの貫通穴を２０mmピッチでレーザー加工した。基板２は、０．３２ｍｍと０．６３ｍｍの２種類の厚さのものを作製した。次いで、基板の表裏面全面に厚さ０．３ｍｍの銅板を活性金属材でろう接した。ろう接後、表裏面銅板３、４に、ほぼ同一の所定直径ａ２、ａ１の貫通穴５３、５４を、基板貫通穴５２と同心になるようにエッチングで形成した。その後、一辺２０ｍｍの正方形に切断し、三つの部材を貫いた貫通穴部５を中央部に有する試料を作製した。締め付けテストは実施例１と同様にして行なったが、ネジ頭部と表面銅板３の間に補強部材７を介して締め付けた点だけが異なっている。表３、表４にテストデータを示す。
【００３２】
【表３】
【００３３】
【表４】
【００３４】
表３はＭ５のネジで締め付けた場合、表４はＭ６のネジで締め付けた場合であるが、表面金属板貫通穴の直径ａ２と基板貫通穴の直径ｂが同一であっても、補強部材の凹部直径Ｌをそれより大きくすれば不良発生の抑制に効果があることがわかる。しかし、テストＮｏ．６８に示すように、締め付け力が大きくなると、補強部材の凹部直径Ｌが基板の貫通穴ｂより大きくても不良が出る場合がある。しかし、テストＮｏ．６９に示すように、表面金属板貫通穴の直径ａ２を基板貫通穴の直径ｂより大きくすれば不良は発生しないことがわかる。
これより、裏面金属板或いは表裏金属板の貫通穴直径ａは、基板の貫通穴直径ｂに対しａ＞ｂとすることが好ましいことがわかる。
【００３５】
以上、本発明のセラミックス回路基板の接合構造について説明したが、回路部に半導体素子を搭載したセラミックス回路基板をこの接合構造でヒートシンクに接合すると、接合時の割れ等の不良発生の少ない熱伝達性の良好なパワーモジュールとして提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施の形態１におけるセラミックス回路基板の接合構造を示す外観略図である。
【図２】上記における接合構造を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態２におけるセラミックス回路基板の接合構造を示す外観略図である。
【図４】上記における接合構造を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態３におけるセラミックス回路基板の接合構造を示す外観略図である。
【図６】上記における接合構造を示す断面図である。
【図７】本発明のセラミックス回路基板の接合構造に用いる補強部材を示す断面図である。
【図８】本発明のセラミックス回路基板の接合構造に用いる他の補強部材を示す断面図である。
【図９】特許文献１に示された従来のセラミックス回路基板の断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１、１０、２０…本発明に係わるセラミックス回路基板、 ２…セラミックス基板、
３…表面金属板、 ４…裏面金属板、 ５…貫通穴部、 ６…ネジ、 ７…補強部材、
８…ヒートシンク、 ２４…セラミックス基板貫通穴のエッジ部、
５２…セラミックス回路基板の貫通穴、 ５３…表面金属板の貫通穴、
５４…裏面金属板の貫通穴、 ａ…金属板の貫通穴直径、
ｂ…セラミックス基板の貫通穴直径、 Ｌ…補強部材の凹部直径、
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板の表裏面に金属板が固着されたセラミックス回路基板をネジで他部材に締結する接合構造において、
セラミックス回路基板は、裏面金属板とセラミックス基板の二部材にネジを通す貫通穴が形成され、表面側は補強部材を介してネジ締めされており、補強部材はネジを通す貫通穴が形成され、セラミックス基板との当接面における凹部の直径Ｌはセラミックス基板の貫通穴の直径ｂに対し、Ｌ＞ｂであることを特徴とするセラミックス回路基板の接合構造。
【請求項２】
裏面金属板の貫通穴の直径ａは、セラミックス基板の貫通穴の直径ｂに対し、ａ≧ｂであることを特徴とする請求項１記載のセラミックス回路基板の接合構造。
【請求項３】
前記表面金属板は、電気の流路をなす回路部と該回路部とは電気的に切り離された非回路部とで形成されており、補強部材として該非回路部を用いたことを特徴とする請求項１又は２記載のセラミックス回路基板の接合構造。
【請求項４】
セラミックス基板の表裏面に金属板が固着されたセラミックス回路基板をネジで他部材に締結する接合構造において、
セラミックス回路基板は、表裏面金属板とセラミックス基板の三部材にネジを通す貫通穴が形成され、表面金属側は補強部材を介してネジ締めされており、補強部材はネジを通す貫通穴が形成され、表面金属板との当接面における凹部の直径Ｌはセラミックス基板の貫通穴の直径ｂに対し、Ｌ＞ｂであることを特徴とするセラミックス回路基板の接合構造。
【請求項５】
前記表面金属板及び裏面金属板の貫通穴の直径ａは、セラミックス基板の貫通穴の直径ｂに対し、ａ≧ｂであることを特徴とする請求項４記載のセラミックス回路基板の接合構造。
【請求項６】
前記表面金属板は、電気の流路をなす回路部と該回路部とは電気的に切り離された非回路部とで形成されており、該非回路部に貫通穴が形成されていることを特徴とする請求項４又は５記載のセラミックス回路基板の接合構造。
【請求項７】
前記表面金属板は、電気の流路をなす回路部と該回路部とは電気的に切り離された非回路部とで形成されており、貫通穴は少なくとも回路部にも形成され、表面金属板の貫通穴の直径ａはセラミックス基板の貫通穴の直径ｂに対し、ａ＞ｂであることを特徴とする請求項４又は５記載のセラミックス回路基板の接合構造。
【請求項８】
補強部材は、セラミックス基板との当接面に逃げ穴が形成され、断面がコ字状であることを特徴とする請求項４乃至７のいずれかに記載のセラミックス回路基板の接合構造。
【請求項９】
セラミックス基板は、窒化ケイ素を主成分とする焼結体からなることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のセラミックス回路基板。
【請求項１０】
表面金属板の回路部に半導体素子を搭載したセラミックス回路基板が、前記請求項１乃至９のいずれかに記載のセラミックス回路基板の接合構造でヒートシンクにネジ締結されていることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項１】
セラミックス基板の表裏面に金属板が固着されたセラミックス回路基板をネジで他部材に締結する接合構造において、
セラミックス回路基板は、裏面金属板とセラミックス基板の二部材にネジを通す貫通穴が形成され、表面側は補強部材を介してネジ締めされており、補強部材はネジを通す貫通穴が形成され、セラミックス基板との当接面における凹部の直径Ｌはセラミックス基板の貫通穴の直径ｂに対し、Ｌ＞ｂであることを特徴とするセラミックス回路基板の接合構造。
【請求項２】
裏面金属板の貫通穴の直径ａは、セラミックス基板の貫通穴の直径ｂに対し、ａ≧ｂであることを特徴とする請求項１記載のセラミックス回路基板の接合構造。
【請求項３】
前記表面金属板は、電気の流路をなす回路部と該回路部とは電気的に切り離された非回路部とで形成されており、補強部材として該非回路部を用いたことを特徴とする請求項１又は２記載のセラミックス回路基板の接合構造。
【請求項４】
セラミックス基板の表裏面に金属板が固着されたセラミックス回路基板をネジで他部材に締結する接合構造において、
セラミックス回路基板は、表裏面金属板とセラミックス基板の三部材にネジを通す貫通穴が形成され、表面金属側は補強部材を介してネジ締めされており、補強部材はネジを通す貫通穴が形成され、表面金属板との当接面における凹部の直径Ｌはセラミックス基板の貫通穴の直径ｂに対し、Ｌ＞ｂであることを特徴とするセラミックス回路基板の接合構造。
【請求項５】
前記表面金属板及び裏面金属板の貫通穴の直径ａは、セラミックス基板の貫通穴の直径ｂに対し、ａ≧ｂであることを特徴とする請求項４記載のセラミックス回路基板の接合構造。
【請求項６】
前記表面金属板は、電気の流路をなす回路部と該回路部とは電気的に切り離された非回路部とで形成されており、該非回路部に貫通穴が形成されていることを特徴とする請求項４又は５記載のセラミックス回路基板の接合構造。
【請求項７】
前記表面金属板は、電気の流路をなす回路部と該回路部とは電気的に切り離された非回路部とで形成されており、貫通穴は少なくとも回路部にも形成され、表面金属板の貫通穴の直径ａはセラミックス基板の貫通穴の直径ｂに対し、ａ＞ｂであることを特徴とする請求項４又は５記載のセラミックス回路基板の接合構造。
【請求項８】
補強部材は、セラミックス基板との当接面に逃げ穴が形成され、断面がコ字状であることを特徴とする請求項４乃至７のいずれかに記載のセラミックス回路基板の接合構造。
【請求項９】
セラミックス基板は、窒化ケイ素を主成分とする焼結体からなることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載のセラミックス回路基板。
【請求項１０】
表面金属板の回路部に半導体素子を搭載したセラミックス回路基板が、前記請求項１乃至９のいずれかに記載のセラミックス回路基板の接合構造でヒートシンクにネジ締結されていることを特徴とするパワーモジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００６−２０３１０８（Ｐ２００６−２０３１０８Ａ）
【公開日】平成１８年８月３日（２００６．８．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１５２６５（Ｐ２００５−１５２６５）
【出願日】平成１７年１月２４日（２００５．１．２４）
【出願人】（０００００５０８３）日立金属株式会社 (2,051)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年８月３日（２００６．８．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１月２４日（２００５．１．２４）
【出願人】（０００００５０８３）日立金属株式会社 (2,051)
【Ｆターム（参考）】
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