JP3056852B2 - 銅回路を有するセラミックス基板 - Google Patents
銅回路を有するセラミックス基板Info
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- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
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- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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- Manufacturing Of Printed Wiring (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、電子部品のパワーモジ
ュール等に使用される銅回路を有するセラミックス基板
に関する。
ュール等に使用される銅回路を有するセラミックス基板
に関する。
【０００２】近年、ロボットやモーター等の産業機器の
高性能化に伴い、大電力・高能率インバーターなど大電
力モジュールの変遷が進んでおり、半導体素子から発生
する熱も増加の一途をたどっている。この熱を効率よく
放散するため、大電力モジュール基板では従来よりさま
ざまな方法がとられてきた。特に最近、良好な熱伝導率
を有するセラミックス基板が利用できるようになったた
め、基板上に銅板などの金属板を接合し、回路を形成
後、そのままあるいはメッキ等の処理を施してから半導
体素子を実装する構造も採用されつつある。
高性能化に伴い、大電力・高能率インバーターなど大電
力モジュールの変遷が進んでおり、半導体素子から発生
する熱も増加の一途をたどっている。この熱を効率よく
放散するため、大電力モジュール基板では従来よりさま
ざまな方法がとられてきた。特に最近、良好な熱伝導率
を有するセラミックス基板が利用できるようになったた
め、基板上に銅板などの金属板を接合し、回路を形成
後、そのままあるいはメッキ等の処理を施してから半導
体素子を実装する構造も採用されつつある。
【０００３】金属とセラミックスを接合する方法には種
々あるが、回路基板の製造という点からは、Mo−Mn法、
活性金属ろう付け法、硫化銅法、ＤＢＣ法、銅メタライ
ズ法などがあげられる。
々あるが、回路基板の製造という点からは、Mo−Mn法、
活性金属ろう付け法、硫化銅法、ＤＢＣ法、銅メタライ
ズ法などがあげられる。
【０００４】特に大電力モジュール基板では、従来のア
ルミナにかわって高熱伝導性の窒化アルミニウム基板が
注目されており、銅板との接合方法としては、銅板と窒
化アルミニウム基板との間に活性金属を含むろう材（以
下、単に「ろう材」という）を介在させ、加熱処理して
接合体とする活性金属ろう付け法（例えば特開昭60−17
7634号公報）や表面を酸化処理した窒化アルミニウム基
板と銅板を銅の融点以下でCu−O の共晶温度以上で加熱
接合するＤＢＣ法（例えば特開昭56−163093号公報）な
どが用いられている。
ルミナにかわって高熱伝導性の窒化アルミニウム基板が
注目されており、銅板との接合方法としては、銅板と窒
化アルミニウム基板との間に活性金属を含むろう材（以
下、単に「ろう材」という）を介在させ、加熱処理して
接合体とする活性金属ろう付け法（例えば特開昭60−17
7634号公報）や表面を酸化処理した窒化アルミニウム基
板と銅板を銅の融点以下でCu−O の共晶温度以上で加熱
接合するＤＢＣ法（例えば特開昭56−163093号公報）な
どが用いられている。
【０００５】活性金属ろう付け法は、ＤＢＣ法に比べて
以下の利点がある。 １）上記接合体を得るための処理温度が低いので、窒化
アルミニウムと銅板の熱膨張差によって生じる残留応力
が小さい。 ２）ろう材が延性金属であるので、ヒートショックやヒ
ートサイクルに対して耐久性が大である。
以下の利点がある。 １）上記接合体を得るための処理温度が低いので、窒化
アルミニウムと銅板の熱膨張差によって生じる残留応力
が小さい。 ２）ろう材が延性金属であるので、ヒートショックやヒ
ートサイクルに対して耐久性が大である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、活性金
属ろう付け法を用いても、ヒートショックやヒートサイ
クルなどの熱衝撃、熱履歴によって生じる損傷に対して
十分な耐久性があるとはいえず新しい技術の提案が待た
れていた。
属ろう付け法を用いても、ヒートショックやヒートサイ
クルなどの熱衝撃、熱履歴によって生じる損傷に対して
十分な耐久性があるとはいえず新しい技術の提案が待た
れていた。
【０００７】本発明者らは、以上のような問題点を解決
するために鋭意検討を重ねた結果、セラミックス基板や
ろう材成分あるいは回路構造の大幅な変更等を行うこと
なく、裏面の銅板の沿面距離を小さくすることによっ
て、銅回路を有するセラミックス基板の熱衝撃や熱履歴
に対する耐久性、すなわち耐ヒートショック性と耐ヒー
トサイクル性を向上できることを見出し、本発明を完成
させたものである。
するために鋭意検討を重ねた結果、セラミックス基板や
ろう材成分あるいは回路構造の大幅な変更等を行うこと
なく、裏面の銅板の沿面距離を小さくすることによっ
て、銅回路を有するセラミックス基板の熱衝撃や熱履歴
に対する耐久性、すなわち耐ヒートショック性と耐ヒー
トサイクル性を向上できることを見出し、本発明を完成
させたものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、セ
ラミックス基板の表裏面に接合された銅板を化学エッチ
ングを行い、その表面には沿面距離が１．０〜２．０ｍ
ｍ、厚さ０．１ｍｍ以上の銅回路を、また、その裏面に
は沿面距離が０．１〜０．３ｍｍのヒートシンク等への
取り付け用銅板を形成させてなるものであることを特徴
とするセラミックス基板である。
ラミックス基板の表裏面に接合された銅板を化学エッチ
ングを行い、その表面には沿面距離が１．０〜２．０ｍ
ｍ、厚さ０．１ｍｍ以上の銅回路を、また、その裏面に
は沿面距離が０．１〜０．３ｍｍのヒートシンク等への
取り付け用銅板を形成させてなるものであることを特徴
とするセラミックス基板である。
【０００９】以下、さらに詳しく本発明について説明す
る。
る。
【００１０】本発明における沿面距離とは、セラミック
ス基板の端面と接合された銅板の端部との距離をいう。
通常、回路が形成されている面の反対側の面（裏面）に
は、基板をヒートシンク等に半田付け等するために回路
が形成されていない１枚の銅板（裏銅板）が接合されて
いる。この裏銅板としては、従来、セラミックス基板よ
りも少し小さいものが使用されてきた。それは、基板端
面より裏銅板がはみだすと絶縁特性が低下したからであ
る。
ス基板の端面と接合された銅板の端部との距離をいう。
通常、回路が形成されている面の反対側の面（裏面）に
は、基板をヒートシンク等に半田付け等するために回路
が形成されていない１枚の銅板（裏銅板）が接合されて
いる。この裏銅板としては、従来、セラミックス基板よ
りも少し小さいものが使用されてきた。それは、基板端
面より裏銅板がはみだすと絶縁特性が低下したからであ
る。
【００１１】一方、回路の形成法としては、予めパター
ン形状に加工された銅板をセラミックス基板に接合する
搭載法と、板状の銅板をセラミックス基板に接合した
後、化学エッチングによって回路パターンを形成するエ
ッチング法があり、さらには前者を改良したプッシュバ
ック法（特開平３ー１０２８９１号公報）や後者を改良
したハーフエッチ法（特開平３ー１０２８９２号公報）
などがある。いずれの方法においても、沿面距離と公差
を大きく取った方が歩留りの点で有利である。何故な
ら、セラミックス基板は焼成時の収縮のバラツキ等によ
って大きさが変化するのでそれをなくしたり、接合時の
銅板ズレやレジスト印刷時の位置ズレなどによって生じ
る不良を軽減するためである。これらを考慮して、従来
より、沿面距離は0.５〜1.０mmが採用されてきた。
ン形状に加工された銅板をセラミックス基板に接合する
搭載法と、板状の銅板をセラミックス基板に接合した
後、化学エッチングによって回路パターンを形成するエ
ッチング法があり、さらには前者を改良したプッシュバ
ック法（特開平３ー１０２８９１号公報）や後者を改良
したハーフエッチ法（特開平３ー１０２８９２号公報）
などがある。いずれの方法においても、沿面距離と公差
を大きく取った方が歩留りの点で有利である。何故な
ら、セラミックス基板は焼成時の収縮のバラツキ等によ
って大きさが変化するのでそれをなくしたり、接合時の
銅板ズレやレジスト印刷時の位置ズレなどによって生じ
る不良を軽減するためである。これらを考慮して、従来
より、沿面距離は0.５〜1.０mmが採用されてきた。
【００１２】しかしながら、量産性の点で有利なエッチ
ング法が主流となったため銅板ズレはあまり問題とはな
らず、基板の大きさを予めサイズごとに分けておいて、
印刷時にスクリーン版の位置や大きさを変えれば位置ズ
レも歩留りには殆んど影響しないことから、技術的には
０．５ｍｍ未満の沿面距離にも十分対応できるようにな
った。本発明においては、熱衝撃や熱履歴の耐久性を向
上させるための沿面距離は０．１ｍｍ〜０．３ｍｍであ
る。耐熱衝撃性向上の点からは沿面距離０ｍｍが最も好
ましいが、歩留りの点で問題がある。
ング法が主流となったため銅板ズレはあまり問題とはな
らず、基板の大きさを予めサイズごとに分けておいて、
印刷時にスクリーン版の位置や大きさを変えれば位置ズ
レも歩留りには殆んど影響しないことから、技術的には
０．５ｍｍ未満の沿面距離にも十分対応できるようにな
った。本発明においては、熱衝撃や熱履歴の耐久性を向
上させるための沿面距離は０．１ｍｍ〜０．３ｍｍであ
る。耐熱衝撃性向上の点からは沿面距離０ｍｍが最も好
ましいが、歩留りの点で問題がある。
【００１３】熱衝撃や熱履歴を受けた際には、脆性材料
であるセラミックス基板に損傷が発生することがある
が、この原因となるのは、銅板とセラミックス基板の熱
膨張差によって生じる熱応力である。従って、最も損傷
を受けやすいのは銅板とセラミックス基板の接合端部で
ある。セラミックス基板には、両面に銅板が接合される
ため、この端部位置が一致するとその位置が受ける熱応
力は倍加して破壊的損傷が生じやすくなり、時にはセラ
ミックス基板を貫通するクラックを生じることがある
が、回路面と裏面の端部位置をずらすことによって、こ
れを解決することができる。
であるセラミックス基板に損傷が発生することがある
が、この原因となるのは、銅板とセラミックス基板の熱
膨張差によって生じる熱応力である。従って、最も損傷
を受けやすいのは銅板とセラミックス基板の接合端部で
ある。セラミックス基板には、両面に銅板が接合される
ため、この端部位置が一致するとその位置が受ける熱応
力は倍加して破壊的損傷が生じやすくなり、時にはセラ
ミックス基板を貫通するクラックを生じることがある
が、回路面と裏面の端部位置をずらすことによって、こ
れを解決することができる。
【００１４】しかるに、回路面の沿面距離は、絶縁特性
を保つため、１．０ｍｍ〜２．０ｍｍ程度であるので、
裏面の沿面距離を小さくすれば、両面の接合端部位置の
差が大きくなって熱衝撃や熱履歴に対する耐久性を高め
ることができる。
を保つため、１．０ｍｍ〜２．０ｍｍ程度であるので、
裏面の沿面距離を小さくすれば、両面の接合端部位置の
差が大きくなって熱衝撃や熱履歴に対する耐久性を高め
ることができる。
【００１５】本発明における銅回路とは、銅を含む導電
性の金属板であれば特に制限はないが、コスト、加工
性、導電性等から、通常は銅板が用いられる。ＤＢＣ法
ではタフピッチ銅板を、また活性金属ろう付け法では無
酸素銅板が好適に使用されるが、十分な接合強度があれ
ばこれに限られるものではない。銅板の厚さについて
も、通常使用されている0.１〜0.３mm程度のものでよ
い。しかし、あまりにも薄いと大電流を流すのに不適当
であり、またあまりにも厚いと接合時の熱応力によりセ
ラミックス基板に損傷を生じやすくなるので、0.１〜0.
５mm特に0.１５〜0.４mmが適切である。
性の金属板であれば特に制限はないが、コスト、加工
性、導電性等から、通常は銅板が用いられる。ＤＢＣ法
ではタフピッチ銅板を、また活性金属ろう付け法では無
酸素銅板が好適に使用されるが、十分な接合強度があれ
ばこれに限られるものではない。銅板の厚さについて
も、通常使用されている0.１〜0.３mm程度のものでよ
い。しかし、あまりにも薄いと大電流を流すのに不適当
であり、またあまりにも厚いと接合時の熱応力によりセ
ラミックス基板に損傷を生じやすくなるので、0.１〜0.
５mm特に0.１５〜0.４mmが適切である。
【００１６】熱応力の発生を防ぐ措置、例えば低熱膨張
性合金板の使用や、クラック発生防止スリット（特願平
３−142644号明細書参照）の採用等により、さらに厚い
銅板の使用も可能である。
性合金板の使用や、クラック発生防止スリット（特願平
３−142644号明細書参照）の採用等により、さらに厚い
銅板の使用も可能である。
【００１７】本発明におけるセラミックス基板とは、銅
回路を接合して使用できるものであれば特に制限される
ものではないが、通常、アルミナ又は窒化アルミニウム
を主成分とするものが最もよく使用される。特に、銅回
路を有するセラミックス基板は、高熱伝導性の基板が好
適であるので、それには窒化アルミニウムを含む基板が
好ましい。
回路を接合して使用できるものであれば特に制限される
ものではないが、通常、アルミナ又は窒化アルミニウム
を主成分とするものが最もよく使用される。特に、銅回
路を有するセラミックス基板は、高熱伝導性の基板が好
適であるので、それには窒化アルミニウムを含む基板が
好ましい。
【００１８】本発明における銅回路のセラミックス基板
への接合方法も、特に制限されるものではなく、通常の
方法でかまわないが、量産性やコストの点からＤＢＣ法
や活性金属ろう付け法が多用される。特に活性金属ろう
付け法は信頼性に優れているので本発明には好適であ
る。
への接合方法も、特に制限されるものではなく、通常の
方法でかまわないが、量産性やコストの点からＤＢＣ法
や活性金属ろう付け法が多用される。特に活性金属ろう
付け法は信頼性に優れているので本発明には好適であ
る。
【００１９】ろう材成分の活性金属についても各種の金
属が知られており、本発明では特に制限されるものでは
ないが、接合の安定性、入手の容易さ、安全性などを考
慮すると、Ti、TiH2、Zr、ZrH2のうち少なくとも一種を
含むことが好適である。また、ろう材は合金箔の形で使
用することもできるが、各成分粉末と有機溶剤を混合し
て、必要に応じてバインダー等を加え、ペースト状にし
て塗布することもできる。活性金属と共に使用されるろ
う材の他の金属成分としては、AgやAg−Cuを主成分とす
るものが一般的である。
属が知られており、本発明では特に制限されるものでは
ないが、接合の安定性、入手の容易さ、安全性などを考
慮すると、Ti、TiH2、Zr、ZrH2のうち少なくとも一種を
含むことが好適である。また、ろう材は合金箔の形で使
用することもできるが、各成分粉末と有機溶剤を混合し
て、必要に応じてバインダー等を加え、ペースト状にし
て塗布することもできる。活性金属と共に使用されるろ
う材の他の金属成分としては、AgやAg−Cuを主成分とす
るものが一般的である。
【００２０】
【実施例】以下、実施例と比較例をあげて本発明を具体
的に説明する。
的に説明する。
【００２１】実施例１〜８ 比較例１〜５ ４０mm×４０mm×0.６３５mmt の窒化アルミニウム基板
（熱伝導率１４０ｗ／ｍ・ｋ）とアルミナ基板（熱伝導
率２０ｗ／ｍ・ｋ）に、表１に示すような各種組成の活
性金属を含むろう材を用いた活性金属ろう付け法又はＤ
ＢＣ法によって厚さ0.１〜0.４mmの銅板を接合し、スク
リーン版を用いてレジスト印刷した後エッチング法によ
り回路を形成した。回路面の沿面は1.５mm、裏面は0.１
〜1.５mmとした。
（熱伝導率１４０ｗ／ｍ・ｋ）とアルミナ基板（熱伝導
率２０ｗ／ｍ・ｋ）に、表１に示すような各種組成の活
性金属を含むろう材を用いた活性金属ろう付け法又はＤ
ＢＣ法によって厚さ0.１〜0.４mmの銅板を接合し、スク
リーン版を用いてレジスト印刷した後エッチング法によ
り回路を形成した。回路面の沿面は1.５mm、裏面は0.１
〜1.５mmとした。
【００２２】これらの試料を各１０枚作製し、以下の条
件で耐ヒートショック性と耐ヒートサイクル性の試験を
行なった。 （１）耐ヒートショック性試験 液中で−４０℃で５分間浸漬後、１５０℃で５分間保持
を１サイクルとして１００サイクル繰り返した。 （２）耐ヒートサイクル性試験 気中−４０℃で３０分保持後、２５℃で１０分、さらに
１２５℃で３０分後、２５℃で１０分間放置を１サイク
ルとして１００サイクル繰り返した。
件で耐ヒートショック性と耐ヒートサイクル性の試験を
行なった。 （１）耐ヒートショック性試験 液中で−４０℃で５分間浸漬後、１５０℃で５分間保持
を１サイクルとして１００サイクル繰り返した。 （２）耐ヒートサイクル性試験 気中−４０℃で３０分保持後、２５℃で１０分、さらに
１２５℃で３０分後、２５℃で１０分間放置を１サイク
ルとして１００サイクル繰り返した。
【００２３】耐ヒートショック性と耐ヒートサイクル性
の試験後は、絶縁不良の原因となる貫通クラックと貫通
クラックへと進展する垂直クラックの発生個数を調べ、
さらに銅板を溶解除去して水平クラックの発生状況を調
べた。水平クラックは、基板表面と平行方向に進展しや
すいクラックで甚しい場合には回路パターンの剥離へつ
ながるものである。以上の結果を表１に示す。
の試験後は、絶縁不良の原因となる貫通クラックと貫通
クラックへと進展する垂直クラックの発生個数を調べ、
さらに銅板を溶解除去して水平クラックの発生状況を調
べた。水平クラックは、基板表面と平行方向に進展しや
すいクラックで甚しい場合には回路パターンの剥離へつ
ながるものである。以上の結果を表１に示す。
【００２４】
【表１】
【００２５】表１から、本発明の実施例は比較例に比べ
て、ヒートショック性とヒートサイクル性において著し
い改善効果が認められた。
て、ヒートショック性とヒートサイクル性において著し
い改善効果が認められた。
【発明の効果】本発明によれば、セラミック基板やろう
材成分、あるいは接合法や回路構造の大幅な変更等をす
ることなく、熱衝撃や熱履歴に対する耐久性すなわち耐
ヒートショック性や耐ヒートサイクル性を向上させるこ
とができる。
材成分、あるいは接合法や回路構造の大幅な変更等をす
ることなく、熱衝撃や熱履歴に対する耐久性すなわち耐
ヒートショック性や耐ヒートサイクル性を向上させるこ
とができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−101153（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−87790（ＪＰ，Ａ) 特公 平３−61353（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H05K 1/02
Claims (1)
- 【請求項１】セラミックス基板の表裏面に接合された銅
板を化学エッチングを行い、その表面には沿面距離が
１．０〜２．０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍ以上の銅回路を、
また、その裏面には沿面距離が０．１〜０．３ｍｍのヒ
ートシンク等への取り付け用銅板を形成させてなるもの
であることを特徴とするセラミックス基板。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3289337A JP3056852B2 (ja) | 1991-10-08 | 1991-10-08 | 銅回路を有するセラミックス基板 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3289337A JP3056852B2 (ja) | 1991-10-08 | 1991-10-08 | 銅回路を有するセラミックス基板 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05102620A JPH05102620A (ja) | 1993-04-23 |
| JP3056852B2 true JP3056852B2 (ja) | 2000-06-26 |
Family
ID=17741895
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3289337A Expired - Fee Related JP3056852B2 (ja) | 1991-10-08 | 1991-10-08 | 銅回路を有するセラミックス基板 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3056852B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2562283Y2 (ja) * | 1993-06-30 | 1998-02-10 | 株式会社ランダム | 水道用節水具 |
| DE10212495B4 (de) | 2002-03-21 | 2004-02-26 | Schulz-Harder, Jürgen, Dr.-Ing. | Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrats, vorzugsweise eines Kupfer-Keramik-Substrats |
| US8584924B2 (en) * | 2002-03-13 | 2013-11-19 | Curamik Electronics Gmbh | Method for the production of a metal-ceramic substrate, preferably a copper ceramic substrate |
| JP7179550B2 (ja) * | 2018-09-20 | 2022-11-29 | 株式会社東芝 | セラミックス回路基板およびそれを用いた半導体装置 |
-
1991
- 1991-10-08 JP JP3289337A patent/JP3056852B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05102620A (ja) | 1993-04-23 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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