JP5075308B2

JP5075308B2 - Manufacturing method of ceramic circuit board

Info

Publication number: JP5075308B2
Application number: JP2001210948A
Authority: JP
Inventors: 山憲隆中; 井隆雄白; 波隆之那
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Materials Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Materials Co Ltd
Priority date: 2001-07-11
Filing date: 2001-07-11
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2021-07-11
Also published as: JP2003031733A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックス基板およびセラミックス回路基板に関するものである。さらに詳細には、本発明は、高出力トランジスタやパワーモジュールなどの実装に使用されるセラミックス基板およびセラミックス回路基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
セラミックス基板は従来から各用途に使用されており、基板の少なくとも片面に電気回路を形成したセラミックス回路基板は、各種の電子素子等の実装に使用されている。このようなセラミックス回路基板、特に高出力トランジスタや各種パワー素子などの実装に使用されるセラミックス基板には、高い実装信頼性が要求されている。
【０００３】
このため、基板の機械的特性、例えば抗折強度および靱性については、一定水準以上の特性が求められている。セラミックス基板は、単に機械的特性が良好であるばかりでなく、基板状に実装された半導体素子等の熱を効率よく発散させるために、熱伝導性が良好（即ち、熱抵抗が低い）であることも同時に求められている。従って、セラミックス基板は、機械的特性と熱抵抗の双方を同時に高いレベルで満足させる必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、セラミックス基板は、セラミックスの原料粉末と必要に応じて焼結助剤およびバインダーとを混合し、これを例えばドクターブレード法等によってシート状に成形し、この成形体を例えばプレス機等で打抜いた後に焼結するか、あるいは前記のシート状の成形体を焼結して、この焼結体に例えばレーザー加工によってスクライブ加工を施しこれに沿って焼結体を分割することによって、製造されている。
【０００５】
上記のシート状の成形体をプレス機等で打抜いた後に焼結する方法は、プレス打抜きの際にバリ等が発生する頻度が大きくなり、一方、スクライブ加工を施し、これをスクライブを利用して焼結体を分割する方法は、基板側面部の表面粗さがレーザー加工によるスポットとそれ以外の部分とで大きく変わってしまうことがある。
【０００６】
セラミックス基板には高い機械的特性および信頼性が求められていることは前記の通りである。しかし、セラミックス基板は、その製造時において、セラミックスシート（成形体）のプレス打抜きや、焼結工程、焼結体の分割工程等の工程履歴を受けるため、回路基板の側面部の形状ないしその表面特性は安定せず、側面部の形状のばらつき（例えば、表面粗さのばらつき）に対する対策は十分でなかった。このような側面の形状のばらつきが生じると、同じ製法により製造したセラミックス基板であるにも関わらず、個々のセラミックス基板の強度のばらつきが大きかった。
【０００７】
セラミックス回路基板は、電子素子等を実装した後においても様々な熱的変化ならびに振動等の機械的負荷にさらされる。温度変化や振動あるいはセラミックス基板と電気回路として形成された金属板との熱膨張係数の違いによる応力を繰り返し受けることにより、実装信頼性の低下が見られた。つまりは、個々に強度にばらつきのあるセラミックス基板を回路基板に用いると、熱応力を繰返し受けたときにセラミックス回路基板の強度のばらつきが更に大きくなってしまっていた。
【０００８】
このようなことから同じ製法により製造したセラミックス基板を用いた回路基板であるにも関わらず、熱応力に対する耐久性にはばらつきがあり、その結果、実装信頼性にもばらつきが生じていた。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、機械的特性および信頼性がすぐれたセラミックス基板およびセラミックス回路基板を提供するものである。
【００１０】
したがって、本発明によるセラミックス基板は、基板側面部の表面粗さが、Ｒａ０．３〜０．７μｍであり、Ｒｍａｘが３．０〜７．０μｍであること、を特徴とするものである。
【００１１】
そして、本発明によるセラミックス回路基板は、上記のセラミックス基板の両面に金属板が接合されたものであること、特徴とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明によるセラミックス基板は、基板側面部の表面粗さが、Ｒａ０．３〜０．７μｍであり、Ｒｍａｘが３．０〜７．０μｍであること、を特徴とするものである。
【００１３】
ここで、本発明において表面粗さを規定するＲａおよびＲｍａｘは、それぞれセラミックス基板の各側面部の任意の３カ所を測定し、その平均値をもって示すものとする。例えば、直方体形状のセラミックス基板である場合、直方体の４つの側面部のそれぞれについて３カ所を測定し、これらの合計１２カ所（４側面×３個所）の測定結果の平均値によって、ＲａおよびＲｍａｘを示すものとする。
【００１４】
また、セラミックス基板の側面部のうち、最も大きなＲａを有する第一の側面部におけるＲａをＲａ１とし、最も小さなＲａを有する第二の側面部におけるＲａをＲａ２としたとき、（Ｒａ１）≦２（Ｒａ２）の関係式を満たすものであることが好ましい。
【００１５】
前述のように本発明の側面部の表面粗さＲａとは個々の側面部の表面粗さの平均値により示されるものである。本発明は、このような方法により測定された側面部の表面粗さＲａが所定の値であれば効果が得られるものであるが、個々の側面部の表面粗さＲａがあまり違いすぎると強度のばらつきを改善し難くなる。そのため、個々の側面部の表面粗さＲａにおいて、最も大きなＲａを示す側面部のＲａをＲａ１、最も小さなＲａを示す側面部のＲａをＲａ２としたとき、（Ｒａ１）≦２（Ｒａ２）の範囲内となるよう研磨加工を施すことが好ましい。
【００１６】
本発明でのセラミックス基板は、従来から一般的に用いられている各種のセラミックス基板材料から形成することができる。例えば、好ましくは窒化アルミニウム、窒化珪素、アルミナ、およびアルミナとジルコニアの化合物の少なくとも１種を主成分とするセラミックス材料から形成することができる。このうち、熱伝導性の観点からは窒化アルミニウムを主体とする基板材料から形成されたものが好ましく、強度等の観点からは窒化ケイ素を主体とする基板材料から形成されたものが好ましい。また、アルミナとジルコニアの化合物とはアルミナとジルコニアの合計量に対し、アルミナを２０〜８０質量％含有したものである。
【００１７】
このようなセラミックス基板材料は、必要に応じ、焼結助剤として各種の希土類化合物、好ましくは例えばイットリウム（Ｙ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、エルビウム（Ｅｒ）、セリウム（Ｃｅ）の酸化物等を含有することができる。本発明において特に好ましい希土類化合物の種類およびその添加量は、セラミックス基板材料の種類、セラミックス回路基板の要求性能等に応じて決定することができる。例えば、窒化アルミニウムを主成分とし、特に熱伝導性が高いセラミックス基板を得る場合には、焼結助剤として酸化イットリウムを２〜５質量％使用することが好ましい。例えば、窒化珪素を主成分とし、特に機械的特性が高いセラミックス基板を得る場合には、焼結助剤として酸化イットリウム、酸化イッテルビウム、酸化エルビウムの少なくとも１種を２〜１７質量％使用することが好ましい。
【００１８】
なお、本発明は焼結助剤として一種類の希土類化合物であっても所定の特性が得られるものであるが、複数の焼結助剤を組合せたものを排除するものでないことは言うまでもない。また、必要に応じチタン（Ｔｉ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）等の金属元素または酸化物、窒化物等の黒色化材等を添加してよいことは言うまでもない。
【００１９】
前記のセラミックス原料粉末と焼結助剤との混合は常法に従って行うことができる。本発明でば、例えばボールミル等を使用して前記の窒化アルミニウム粉末と希土類化合物との混合を行うことができる。混合に際しては、必要に応じて、各種の補助材料を配合することができる。本発明では、この種のセラミックス基板の製造において従来から使用されてきた補助材料、例えばバインダーとして作用する各種の炭素質物質を配合することができる。そのような炭素質物質の好ましい具体例としては、アクリル樹脂等の有機物バインダーを挙げることができる。
【００２０】
前記のセラミックス原料粉末、希土類化合物粉末および必要に応じて配合された補助材料の混合物は、その後、例えばドクターブレード法等によってシート状に成形される。得られたシート状の成形体は、最終的に所望の大きさおよび形状のセラミックス基板が得られるように、打抜き加工したのちに焼結工程に付すことができ、またシート状で焼結工程に付したのちに、得られたシート状焼結体を所望の大きさおよび形状に分割することもできる。
【００２１】
上記のシート状成形体（この成形体は、所望の大きさおよび形状に打抜き加工されているもの、および所望の大きさおよび形状に分割されていないものの両者を含む）は、必要に応じ脱脂工程に付された後、焼結される。脱脂工程は、例えば３００〜８００℃×１〜５時間が好ましい。脱脂工程の温度や処理時間はセラミックス基板のサイズおよび種類等に応じて適宜選択することができる。焼結温度は、好ましくは１６００〜１９５０℃の範囲内である。焼結温度および焼結時間は、成形体の形状、大きさ、成形体の密度、焼成体の強度、硬度、具体的用途や、焼結温度及び焼結時間との関連性を考慮したうえで、上記範囲内で最も適当な条件を具体的に定めることができる。
【００２２】
上記のようにして得られたセラミックス焼結体は、必要に応じ、所望の大きさおよび形状に分割される。セラミックス焼結体の分割は、例えばレーザー等によってセラミックス焼結体に線状ないし点状に切れ込み（スクライブラインまたはスクライブドット）を入れ、これに沿って応力を印加することによって分割することができる。また、セラミックス焼結体は、所望の回路パターンが得られるように、その片面または両面の少なくとも一部に金属板を積層する。ここで、セラミックス焼結体の分割と金属板の積層は、どちらを先に行っても良い。即ち、金属板を積層した後に分割することもできるし、分割した後に金属板を積層することもできる。また、金属板の積層を複数回に分け、一部の回路を形成した後に分割しその後残りの回路を形成するようにすることもできる。金属板は、従来から一般的に用いられてきたものを使用することができる。好ましくは、例えば銅、アルミニウムの少なくとも１種を主成分とする金属から形成された金属板を使用することができる。セラミックス基板への金属板の接合は、活性金属法および直接接合法によって行うことができる。
【００２３】
本発明によるセラミックス基板およびセラミックス回路基板は、その基板側面部の表面粗さが、Ｒａ０．３〜０．７μｍであり、Ｒｍａｘが３．０〜７．０μｍであることが必要である。基板側面部の表面粗さが上記範囲内であることによって、セラミックス基板の強度のばらつきが低減できるため高い機械的特性および信頼性を得ることができるようになる。
【００２４】
基板側面部を上記範囲内のものとする操作は、数々の方法によって行うことができる。最も好ましい方法としては、研磨加工によるものを挙げることができる。例えば、基板側面部を平面研削盤などによって研磨加工をすることができる。なお、この研磨加工は、金属板を積層する前に行うこともできるし、金属板を積層した後に行うこともできる。本発明において好ましいのは前者である。
【００２５】
本発明によるセラミックス基板およびセラミックス回路基板は、その基板の少なくも一側面部が前記の表面粗さを有しているものであるが、本発明の好ましいのは基板の全ての側面部が前記の表面粗さを有しているものである。その中でも、側断面図の表面粗さのばらつきが少ないもの、特にセラミックス基板の側面のうち、最も大きなＲａを有する第一の側面部におけるＲａをＲａ１とし、最も小さなＲａを有する第二の側面部におけるＲａをＲａ２としたとき、（Ｒａ１）≦２（Ｒａ２）の関係式を満たすもの、が特に好ましい。
【００２６】
図１は、本発明によるセラミックス回路基板の一例を示すものである。
【００２７】
図１に示されるセラミックス回路基板１では、セラミックス基板１上の少なくとも一部に金属板２が形成されている。セラミックス回路基板１の側面部は、Ｒａ０．３〜０．７μｍ、Ｒｍａｘが３．０〜７．０μｍの範囲内になるように研磨加工がなされている。
【００２８】
このような本発明によるセラミックス回路基板は、機械的特性がすぐれたものであって、電子素子等を実装した後の様々な熱的変化ならびに振動等を繰り返し受けた際に従来みられた実装信頼性の低下の問題が抑制されたものである。
【００２９】
図２は、従来のセラミックス回路基板の一例を示すものである。図２に示すように、従来のセラミックス回路基板の側断面は、表面特性が安定しておらず、用途によっては十分な実装信頼性が得られなかった。
【００３０】
【実施例】
＜実施例１〜８、比較例１＞
主成分となるセラミックス粉末、必要に応じ焼結助剤粉末および有機物バインダー等とを混合し、得られたスラリーをドクターブレード法によって、シート状に厚さ１．２ｍｍに成形した。この成形体をプレスして長方形状に打ち抜いたものを脱脂、焼結を行って、縦５０ｍｍ×横５０ｍｍ×厚さ１ｍｍのセラミックス基板形状とした後、セラミックス基板の側面部（外周面部分）について、研磨加工を行い、表１に示す表面粗さＲａおよびＲｍａｘを測定した。側面部の表面粗さＲａおよびＲｍａｘが所定の範囲内の基板と、比較のためにＲａおよびＲｍａｘが本発明の範囲外のものを用意した。
【００３１】
このような基板を１００枚用意し、３点曲げ強度とそのばらつきを測定した。このばらつきは、各基板の平均値に対する最大値と最小値とをパーセントで表した。
【００３２】
【表１】

表１に示した通り、セラミックス基板の基板側面部のＲａおよびＲｍａｘが本発明の範囲内のものは３点曲げ強度のばらつきが小さかったが、比較例１の基板はばらつきが大きかった。特に平均値に対して低いものできてしまうのは問題である。なお、３点曲げ強度：ＪＩＳ‐Ｒ‐１６０１に従って測定したものである。
【００３３】
＜実施例９〜１６、比較例２＞
実施例１〜８および比較例１のセラミックス基板を用い、両面に金属板を接合した。表面は回路板として２０ｍｍ×２０ｍｍ×０．３ｍｍの金属板を２枚、裏面には反り防止などの裏金属板として４０ｍｍ×２０ｍｍ×０．３ｍｍの金属板を１枚接合した。
【００３４】
各セラミックス回路基板に対し、ＴＣＴ特性を測定した。ＴＣＴ特性は、−４０℃×３０分 → ２５℃×１０分 → １２５℃×３０分 → ２５℃×１０分を１サイクルとし、１００サイクル後のセラミックス回路基板の３点曲げ強度のバラツキを測定した。なお、３点曲げ強度のばらつきについては、実施例１と同様の方法により測定した。
【００３５】
接合方法の「活性金属法」は、69wt%Ａｇ−28wt%Ｃｕ−3wt%Ｔｉろう材を用いた接合方法でああり、「直接接合法」はＤＢＣ法である。また、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）および窒化硅素（Ｓｉ_３Ｎ_４）の窒化物系セラミックス基板においてＤＢＣ法を用いる場合は、厚さ１．０μｍの酸化膜を基板に設けたあとに接合を行った。
【００３６】
【表２】

表２に示した通り、セラミックス基板を用いたセラミックス回路基板はＴＣＴの１００サイクル後の３点曲げ強度のばらつきが小さいことが分かる。
【００３７】
それに対し、比較例２は、３点曲げ強度の低下度合いが大きく、回路基板としての信頼性が劣ることが分かる。
【００３８】
＜実施例１７〜１９、比較例３＞
セラミックス焼結体に対しレーザー加工によりスクライブ溝を形成した。その後、各焼結体を上記のスクライブ溝部分でブレイクすることによって、複数のセラミックス基板を得た。各基板に対し、その側面部を研磨した後、各セラミックス基板に対し、69wt%Ａｇ−28wt%Ｃｕ−3wt%Ｔｉろう材を用いた活性金属法により銅板を接合することによって、本発明の実施例に係るセラミックス回路基板を製造した。なお、実施例１７〜１９に係るセラミックス基板の側面部のＲａは０．５μｍであり、Ｒｍａｘは６μｍに統一した。
【００３９】
比較例３として、側面部を研磨しないこと以外は実施例１７と同様にして、セラミックス回路基板を製造した。比較例３のセラミックス基板の側面部はスクライブ穴形状がそのまま残ってしまっているので、ＲａおよびＲｍａｘは本発明の範囲外となっている。
【００４０】
各セラミックス回路基板に対し、実施例９と同様のＴＣＴ試験を行い、３点曲げ強度のバラツキを測定した。
【００４１】
【表３】

表３から分かる通り、本実施例にかかるセラミックス基板はＴＣＴ試験後の強度の低下が小さいことが分かった。
【００４２】
＜実施例２０〜２４＞
セラミックス基板の側面部のＲａの最大値と最小値の差を表４のように変えた場合のセラミックス基板の３点曲げ強度のバラツキを測定した。なお、ここでの最大値、最小値とは、一つの側面部におけるＲａを３点測定したときの平均値による値と、他の側面部のＲａの平均値を比べたものである。言い換えると、一つのセラミックス基板において、個々の側面部のＲａの平均値を比べたものである。
【００４３】
【表４】

表４から分かる通り、一つの基板の側面部において、Ｒａの値の最大値と最小値の差を無くすことにより、３点前曲げ強度のバラツキも小さくすることができることが分かった。特に、基板の強度が窒化硅素基板の６５０〜１２００ＭＰａと比べて、３００〜５５０ＭＰａ程度と小さい窒化アルミニウム基板においては有効であることが分かった。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によるセラミックス基板およびセラミックス回路基板は、強度のばらつきを低減したものであって、電子素子等を実装した後の様々な熱的応力を繰り返し受けた際に従来みられた実装信頼性の低下の問題が抑制されたものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるセラミックス回路基板の一例を示す図
【図２】従来のセラミックス回路基板を示す図
【符号の説明】
１セラミックス回路基板
２金属板[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a ceramic substrate and a ceramic circuit substrate. More specifically, the present invention relates to a ceramic substrate and a ceramic circuit substrate used for mounting a high output transistor, a power module, and the like.
[0002]
[Prior art]
Ceramic substrates have been conventionally used for various applications, and ceramic circuit substrates in which an electric circuit is formed on at least one side of the substrate are used for mounting various electronic elements and the like. High mounting reliability is required for such ceramic circuit boards, particularly ceramic boards used for mounting high-power transistors and various power elements.
[0003]
For this reason, the mechanical characteristics of the substrate, for example, the bending strength and toughness, are required to exceed a certain level. Ceramic substrates not only have good mechanical properties, but also have good thermal conductivity (that is, low thermal resistance) in order to efficiently dissipate heat from semiconductor elements mounted on the substrate. That is also demanded at the same time. Therefore, the ceramic substrate needs to satisfy both mechanical properties and thermal resistance at a high level at the same time.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In general, a ceramic substrate is prepared by mixing a ceramic raw material powder and, if necessary, a sintering aid and a binder, forming this into a sheet shape by, for example, a doctor blade method, and then pressing the formed body with, for example, a press machine. Sintered after being pulled out, or sintered by the above-mentioned sheet-like molded body, and the sintered body is subjected to scribing, for example, by laser processing, and the sintered body is divided along this. ing.
[0005]
In the method of sintering after punching the above-mentioned sheet-like molded body with a press machine or the like, the frequency of occurrence of burrs or the like is increased during press punching, and on the other hand, scribing is performed and this is used for scribing. In the method of dividing the sintered body, the surface roughness of the side surface portion of the substrate may greatly change between the spot formed by laser processing and the other portion.
[0006]
As described above, the ceramic substrate is required to have high mechanical characteristics and reliability. However, since the ceramic substrate receives a process history such as press punching of a ceramic sheet (molded body), a sintering process, and a dividing process of the sintered body at the time of manufacture, the shape of the side surface of the circuit board or its surface The characteristics were not stable, and countermeasures against variations in the shape of the side surface (for example, variations in surface roughness) were not sufficient. When such variation in the shape of the side surface occurred, the variation in the strength of the individual ceramic substrates was large, even though they were ceramic substrates manufactured by the same manufacturing method.
[0007]
Ceramic circuit boards are exposed to various thermal changes and mechanical loads such as vibrations after mounting electronic elements and the like. The mounting reliability was reduced by repeatedly receiving stress due to temperature changes, vibrations, or differences in the thermal expansion coefficient between the ceramic substrate and the metal plate formed as an electric circuit. In other words, when a ceramic substrate with individual variations in strength is used for the circuit board, the variation in the strength of the ceramic circuit substrate is further increased when thermal stress is repeatedly applied.
[0008]
For this reason, although it is a circuit board using a ceramic substrate manufactured by the same manufacturing method, the durability against thermal stress varies, and as a result, the mounting reliability also varies.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides a ceramic substrate and a ceramic circuit board having excellent mechanical properties and reliability.
[0010]
Therefore, the ceramic substrate according to the present invention is characterized in that the surface roughness of the side surface portion of the substrate is Ra 0.3 to 0.7 μm and Rmax is 3.0 to 7.0 μm.
[0011]
The ceramic circuit board according to the present invention is characterized in that a metal plate is bonded to both surfaces of the ceramic substrate.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The ceramic substrate according to the present invention is characterized in that the surface roughness of the side surface of the substrate is Ra 0.3 to 0.7 μm and Rmax is 3.0 to 7.0 μm.
[0013]
Here, Ra and Rmax that define the surface roughness in the present invention are measured at three arbitrary points on each side surface of the ceramic substrate, and are shown as average values. For example, in the case of a rectangular parallelepiped ceramic substrate, three locations are measured for each of the four side portions of the rectangular parallelepiped, and Ra and Rmax are determined by the average value of the measurement results of these 12 locations (4 sides × 3 locations) in total. Shall be shown.
[0014]
Further, among the side surface portions of the ceramic substrate, when Ra is Ra1 in the first side surface portion having the largest Ra and Ra2 is Ra in the second side surface portion having the smallest Ra, (Ra1) ≦ 2 ( It is preferable that the relational expression of Ra2) is satisfied.
[0015]
As described above, the surface roughness Ra of the side surface portion of the present invention is indicated by the average value of the surface roughness of each side surface portion. The present invention is effective if the surface roughness Ra of the side surface measured by such a method is a predetermined value, but if the surface roughness Ra of the individual side surface is too different, the strength is increased. It becomes difficult to improve the variation of. Therefore, in the surface roughness Ra of each side surface portion, when Ra of the side surface portion showing the largest Ra is Ra1 and Ra of the side surface portion showing the smallest Ra is Ra2, the range of (Ra1) ≦ 2 (Ra2) It is preferable to perform polishing so as to be inside.
[0016]
The ceramic substrate in the present invention can be formed from various ceramic substrate materials generally used conventionally. For example, it can be preferably formed from a ceramic material containing as a main component at least one of aluminum nitride, silicon nitride, alumina, and a compound of alumina and zirconia. Among these, those formed from a substrate material mainly composed of aluminum nitride are preferable from the viewpoint of thermal conductivity, and those formed from a substrate material mainly composed of silicon nitride are preferable from the viewpoint of strength and the like. The compound of alumina and zirconia contains 20 to 80% by mass of alumina with respect to the total amount of alumina and zirconia.
[0017]
Such a ceramic substrate material contains various rare earth compounds as a sintering aid, preferably, for example, oxides of yttrium (Y), ytterbium (Yb), erbium (Er), cerium (Ce), etc., if necessary. can do. In the present invention, the type of rare earth compound and the amount of addition thereof that are particularly preferable can be determined according to the type of ceramic substrate material, the required performance of the ceramic circuit board, and the like. For example, when obtaining a ceramic substrate mainly composed of aluminum nitride and having high thermal conductivity, it is preferable to use 2 to 5% by mass of yttrium oxide as a sintering aid. For example, when obtaining a ceramic substrate mainly composed of silicon nitride and having particularly high mechanical properties, 2 to 17% by mass of at least one of yttrium oxide, ytterbium oxide and erbium oxide may be used as a sintering aid. preferable.
[0018]
In the present invention, a predetermined characteristic can be obtained even with one kind of rare earth compound as a sintering aid, but it goes without saying that a combination of a plurality of sintering aids is not excluded. Further, if necessary, a blackening material such as a metal element such as titanium (Ti), hafnium (Hf), zirconium (Zr), tungsten (W), molybdenum (Mo), or an oxide or nitride may be added. Needless to say.
[0019]
The ceramic raw material powder and the sintering aid can be mixed according to a conventional method. In the present invention, the aluminum nitride powder and the rare earth compound can be mixed using, for example, a ball mill. In mixing, various auxiliary materials can be blended as necessary. In the present invention, auxiliary materials conventionally used in the production of this type of ceramic substrate, for example, various carbonaceous substances acting as a binder can be blended. Preferable specific examples of such a carbonaceous material include organic binders such as acrylic resins.
[0020]
The mixture of the ceramic raw material powder, the rare earth compound powder, and the auxiliary material blended as necessary is then formed into a sheet by, for example, a doctor blade method or the like. The obtained sheet-like molded body can be subjected to a sintering process after being punched so that a ceramic substrate having a desired size and shape can be finally obtained. After attaching, the obtained sheet-like sintered body can be divided into a desired size and shape.
[0021]
The above-mentioned sheet-like molded body (this molded body includes both those that have been punched into a desired size and shape and those that are not divided into the desired size and shape), if necessary, a degreasing step And then sintered. The degreasing step is preferably, for example, 300 to 800 ° C. × 1 to 5 hours. The temperature and processing time of the degreasing step can be appropriately selected according to the size and type of the ceramic substrate. The sintering temperature is preferably in the range of 1600-1950 ° C. Sintering temperature and sintering time are based on the shape and size of the compact, density of the compact, strength and hardness of the fired body, specific applications, and the relationship with the sintering temperature and sintering time. The most appropriate conditions within the above range can be specifically determined.
[0022]
The ceramic sintered body obtained as described above is divided into a desired size and shape as necessary. The ceramic sintered body can be divided, for example, by cutting the ceramic sintered body in a linear or dot shape (scribe line or scribe dot) with a laser or the like and applying a stress along the cut. The ceramic sintered body is formed by laminating a metal plate on at least a part of one side or both sides so that a desired circuit pattern can be obtained. Here, either the division of the ceramic sintered body or the lamination of the metal plate may be performed first. That is, the metal plate can be divided after being laminated, or the metal plate can be laminated after being divided. Further, it is possible to divide the stack of metal plates into a plurality of times, divide the circuit after forming a part of the circuit, and then form the remaining circuit. The metal plate that has been generally used can be used. Preferably, for example, a metal plate formed from a metal mainly composed of at least one of copper and aluminum can be used. The metal plate can be bonded to the ceramic substrate by an active metal method or a direct bonding method.
[0023]
The ceramic substrate and the ceramic circuit board according to the present invention are required to have a surface roughness Ra of 0.3 to 0.7 [mu] m and Rmax of 3.0 to 7.0 [mu] m. When the surface roughness of the side surface of the substrate is within the above range, the variation in strength of the ceramic substrate can be reduced, so that high mechanical characteristics and reliability can be obtained.
[0024]
The operation of setting the side surface portion of the substrate within the above range can be performed by various methods. As the most preferable method, a polishing method can be mentioned. For example, the side surface portion of the substrate can be polished by a surface grinding machine or the like. In addition, this grinding | polishing process can also be performed before laminating | stacking a metal plate, and can also be performed after laminating | stacking a metal plate. The former is preferred in the present invention.
[0025]
In the ceramic substrate and the ceramic circuit board according to the present invention, at least one side surface portion of the substrate has the surface roughness as described above. It has a surface roughness. Among them, the one with the least variation in the surface roughness of the side sectional view, in particular, the first side surface portion having the largest Ra among the side surfaces of the ceramic substrate is Ra1, and the second side surface portion having the smallest Ra. When Ra in Ra is Ra2, those satisfying the relational expression of (Ra1) ≦ 2 (Ra2) are particularly preferable.
[0026]
FIG. 1 shows an example of a ceramic circuit board according to the present invention.
[0027]
In the ceramic circuit substrate 1 shown in FIG. 1, a metal plate 2 is formed on at least a part of the ceramic substrate 1. The side surface portion of the ceramic circuit board 1 is polished so that Ra is 0.3 to 0.7 μm and Rmax is in the range of 3.0 to 7.0 μm.
[0028]
Such a ceramic circuit board according to the present invention has excellent mechanical characteristics, and mounting reliability that has been observed in the past when it is repeatedly subjected to various thermal changes and vibrations after mounting an electronic element or the like. The problem of deterioration of the property is suppressed.
[0029]
FIG. 2 shows an example of a conventional ceramic circuit board. As shown in FIG. 2, the surface profile of the conventional ceramic circuit board is not stable, and sufficient mounting reliability cannot be obtained depending on the application.
[0030]
【Example】
<Examples 1-8, Comparative Example 1>
A ceramic powder as a main component, a sintering aid powder and an organic binder as necessary were mixed, and the resulting slurry was formed into a sheet shape with a thickness of 1.2 mm by a doctor blade method. After pressing this shaped body and punching it into a rectangular shape, degreasing and sintering to form a ceramic substrate shape of 50 mm long × 50 mm wide × 1 mm thick, and then the side surface portion (outer peripheral surface portion) of the ceramic substrate Then, polishing was performed, and the surface roughness Ra and Rmax shown in Table 1 were measured. A substrate in which the surface roughness Ra and Rmax of the side surface portion are within a predetermined range and a substrate having Ra and Rmax outside the range of the present invention were prepared for comparison.
[0031]
100 such substrates were prepared, and the three-point bending strength and variations thereof were measured. For this variation, the maximum value and the minimum value with respect to the average value of each substrate were expressed as a percentage.
[0032]
[Table 1]

As shown in Table 1, when the substrate side surface portion Ra and Rmax of the ceramic substrate were within the range of the present invention, the three-point bending strength variation was small, but the substrate of Comparative Example 1 had large variation. In particular, it is problematic that the average value is low. Three-point bending strength: measured according to JIS-R-1601.
[0033]
<Examples 9 to 16, Comparative Example 2>
Using the ceramic substrates of Examples 1 to 8 and Comparative Example 1, metal plates were bonded to both surfaces. Two metal plates of 20 mm × 20 mm × 0.3 mm were joined on the surface as circuit boards, and one metal plate of 40 mm × 20 mm × 0.3 mm was joined on the back surface as a back metal plate for preventing warpage.
[0034]
TCT characteristics were measured for each ceramic circuit board. The TCT characteristic was -40 ° C. × 30 minutes → 25 ° C. × 10 minutes → 125 ° C. × 30 minutes → 25 ° C. × 10 minutes, and the variation in the three-point bending strength of the ceramic circuit board after 100 cycles was measured. . The variation in the three-point bending strength was measured by the same method as in Example 1.
[0035]
The “active metal method” of the bonding method is a bonding method using a 69 wt% Ag-28 wt% Cu-3 wt% Ti brazing material, and the “direct bonding method” is a DBC method. When the DBC method is used in a nitride-based ceramic substrate of aluminum nitride (AlN) and silicon nitride (Si ₃ N ₄ ), bonding is performed after an oxide film having a thickness of 1.0 μm is provided on the substrate.
[0036]
[Table 2]

As shown in Table 2, it can be seen that the ceramic circuit board using the ceramic substrate has a small variation in three-point bending strength after 100 cycles of TCT.
[0037]
In contrast, Comparative Example 2 shows that the degree of decrease in the three-point bending strength is large and the reliability as a circuit board is inferior.
[0038]
<Examples 17 to 19, Comparative Example 3>
Scribe grooves were formed on the ceramic sintered body by laser processing. Thereafter, the sintered bodies were broken at the scribe groove portions to obtain a plurality of ceramic substrates. After polishing the side surfaces of each substrate, the copper plate is bonded to each ceramic substrate by an active metal method using a 69 wt% Ag-28 wt% Cu-3 wt% Ti brazing material. A ceramic circuit board according to an example was manufactured. In addition, Ra of the side part of the ceramic substrate which concerns on Examples 17-19 was 0.5 micrometer, and Rmax was unified into 6 micrometers.
[0039]
As Comparative Example 3, a ceramic circuit board was manufactured in the same manner as in Example 17 except that the side surface portion was not polished. Since the scribe hole shape remains as it is on the side surface portion of the ceramic substrate of Comparative Example 3, Ra and Rmax are outside the scope of the present invention.
[0040]
Each ceramic circuit board was subjected to the same TCT test as in Example 9, and the variation in the three-point bending strength was measured.
[0041]
[Table 3]

As can be seen from Table 3, the ceramic substrate according to this example was found to have a small decrease in strength after the TCT test.
[0042]
<Examples 20 to 24>
The variation of the three-point bending strength of the ceramic substrate when the difference between the maximum value and the minimum value of Ra on the side surface portion of the ceramic substrate was changed as shown in Table 4 was measured. Here, the maximum value and the minimum value are values obtained by comparing the average value obtained by measuring Ra at one side part at three points with the average value of Ra at the other side part. In other words, in one ceramic substrate, the average values of Ra of the individual side surface portions are compared.
[0043]
[Table 4]

As can be seen from Table 4, it was found that, by eliminating the difference between the maximum value and the minimum value of Ra in the side surface portion of one substrate, the variation in bending strength at three points can be reduced. In particular, it was found that the strength of the substrate is effective for an aluminum nitride substrate as small as about 300 to 550 MPa as compared with 650 to 1200 MPa of a silicon nitride substrate.
[0044]
【Effect of the invention】
The ceramic substrate and the ceramic circuit board according to the present invention have reduced variations in strength, and the deterioration in mounting reliability that has been observed in the past when various thermal stresses are repeatedly applied after mounting an electronic element or the like. This problem is suppressed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows an example of a ceramic circuit board according to the present invention. FIG. 2 shows a conventional ceramic circuit board.
1 Ceramic circuit board 2 Metal plate

Claims

A step of manufacturing a ceramic substrate having a surface roughness Ra of 0.3 to 0.7 μm and a Rmax of 3.0 to 7.0 μm by polishing ;
A method of manufacturing a ceramic circuit board , comprising: a step of bonding metal plates to both surfaces of the ceramic substrate by an active metal method or a direct bonding method .

Ceramic substrate, aluminum nitride, silicon nitride, alumina, and those formed from ceramic material mainly composed of at least one compound of alumina and zirconia, method of manufacturing a ceramic circuit board according to claim 1.

When the ceramic substrate has Ra of the first side surface portion having the largest Ra among its side surfaces, Ra1 and Ra2 of the second side surface portion having the smallest Ra, (Ra1) ≦ 2 (Ra2). The method for manufacturing a ceramic circuit board according to claim 1 , wherein the relational expression is satisfied.

The method for producing a ceramic circuit board according to any one of claims 1 to 3, wherein the metal plate is formed of a metal mainly composed of at least one of copper and aluminum.

The method for producing a ceramic circuit board according to any one of claims 1 to 4, wherein any of the metal plates bonded to both surfaces of the ceramic board is used as an electric circuit.

The obtained ceramic circuit board had a cycle of −40 ° C. × 30 minutes → 25 ° C. × 10 minutes → 125 ° C. × 30 minutes → 25 ° C. × 10 minutes, and the variation in 3-point bending strength after 100 cycles of TCT was −20 The method for manufacturing a ceramic circuit board according to any one of claims 1 to 5, wherein the ratio is in a range of% to + 15%.