JPH0345571A - 銅・セラミックス複合基板 - Google Patents
銅・セラミックス複合基板Info
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- JPH0345571A JPH0345571A JP1180606A JP18060689A JPH0345571A JP H0345571 A JPH0345571 A JP H0345571A JP 1180606 A JP1180606 A JP 1180606A JP 18060689 A JP18060689 A JP 18060689A JP H0345571 A JPH0345571 A JP H0345571A
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Landscapes
- Ceramic Products (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
[産業上の利用分野]
この発明は金属とセラくツクスを接合した複合基板に関
し、特にパワーモジュール用基板に適した銅・セラミッ
ク複合基板に関するものである。
し、特にパワーモジュール用基板に適した銅・セラミッ
ク複合基板に関するものである。
[従来の技術]
近年、基板上に電子素子を搭載し各素子間を導体て接続
して1つのモジュールとして使用したり、基板上にダイ
オード、トランジスター、コンデンサー、抵抗などの単
体部品を装着し、各部品を膜回路技術を駆使して組合わ
せたいわゆるハイブリット回路か普及している。この場
合基板の材質としては軽くて安価であるため、絶縁性の
合成樹脂を使用するのか一般的である。また、ハイブリ
ツドIC回路のように寸法制度を必要とし高い信頼性を
求められるものや、大電力て使用されるパワーモジュー
ル用には耐熱性のセラミックス基板か使用されている。
して1つのモジュールとして使用したり、基板上にダイ
オード、トランジスター、コンデンサー、抵抗などの単
体部品を装着し、各部品を膜回路技術を駆使して組合わ
せたいわゆるハイブリット回路か普及している。この場
合基板の材質としては軽くて安価であるため、絶縁性の
合成樹脂を使用するのか一般的である。また、ハイブリ
ツドIC回路のように寸法制度を必要とし高い信頼性を
求められるものや、大電力て使用されるパワーモジュー
ル用には耐熱性のセラミックス基板か使用されている。
一方回路導体としては銅の板や箔の回路を張合せたり、
あるいは量産する場合は張合せた銅の板や箔の不要部分
をエツチングにより除去して回路を形成する方法か採ら
れている。 このような金属とセラミックスとの接合技
術にはMo−Mnメタライズ法、銅−酸素共晶法、活性
金属法などが有る。セラミックスは一般に硬くて脆く、
靭性か乏しいため、接合体が然サイクルを繰返すとセラ
ミックスと金属との熱膨張の差異によりセラミックスに
熱応力が蓄積し、セラミックスにクラックか発生し、そ
の成長によりゃかて回路の破壊に至るようになる。熱応
力破壊は熱機器の制御回路ユニット、高密度ハイブリッ
トIC5自動車用等のパワーモジュールなど繰返し熱応
力を受ける部品に発生しやすい。これら心臓部の部品の
寿命は機器本体の寿命を制し、信頼性を大きく左右する
結果となる。
あるいは量産する場合は張合せた銅の板や箔の不要部分
をエツチングにより除去して回路を形成する方法か採ら
れている。 このような金属とセラミックスとの接合技
術にはMo−Mnメタライズ法、銅−酸素共晶法、活性
金属法などが有る。セラミックスは一般に硬くて脆く、
靭性か乏しいため、接合体が然サイクルを繰返すとセラ
ミックスと金属との熱膨張の差異によりセラミックスに
熱応力が蓄積し、セラミックスにクラックか発生し、そ
の成長によりゃかて回路の破壊に至るようになる。熱応
力破壊は熱機器の制御回路ユニット、高密度ハイブリッ
トIC5自動車用等のパワーモジュールなど繰返し熱応
力を受ける部品に発生しやすい。これら心臓部の部品の
寿命は機器本体の寿命を制し、信頼性を大きく左右する
結果となる。
[発明か解決すべき課題]
活性金属法により銅とセラミックスとの接合強度を高め
、耐クラツク性を向上させるために植種の金属質接合材
か提案されている。本出願人も先に(C:u、Ni)
−(Ti、Zr、Nb) −Ag系金属質接合材を提案
した(特願昭62−210704参照)。しかしながら
この接合材を使用してもなお使用するセラミックス基板
の性質によりクラックの発生か生しることか判明した。
、耐クラツク性を向上させるために植種の金属質接合材
か提案されている。本出願人も先に(C:u、Ni)
−(Ti、Zr、Nb) −Ag系金属質接合材を提案
した(特願昭62−210704参照)。しかしながら
この接合材を使用してもなお使用するセラミックス基板
の性質によりクラックの発生か生しることか判明した。
活性金属法では活性金属組成、特にそのTi濃度、接合
荷重、接合温度、接合雰囲気などを制御することにより
接合強度が高くなり、一般に接合強度の高いものほど耐
クラツク性は悪くなる傾向にある。しかし上記因子を最
適値に選定して接合体を作成しても、なお十分な耐クラ
ツク性か得られない場合かある。耐クラツク性は実装機
器におけるライフを決めるものであり、高密度のハイブ
リッドモジュールやパワーモジュールなど大電力を使用
するため発熱か著しく、しかも発熱と放熱が繰返される
環境で使用される回路基板て寿命を決定するものとなる
。耐クラツク性を迅速に判定する手段として、マイナス
40°Cに30分保持した後プラス125°Cて30分
保持する熱衝撃試験により評価することかてきる。上記
熱サイクルを与えた場合に、60サイクル経過後もクラ
ックか発生しなければ実用上の寿命は何ら問題ないとい
える。本発明の目的は耐熱衝撃性、すなわち耐クラツク
性を著しく改善した銅・セラくツクス接合体を提供しよ
うとするものである。
荷重、接合温度、接合雰囲気などを制御することにより
接合強度が高くなり、一般に接合強度の高いものほど耐
クラツク性は悪くなる傾向にある。しかし上記因子を最
適値に選定して接合体を作成しても、なお十分な耐クラ
ツク性か得られない場合かある。耐クラツク性は実装機
器におけるライフを決めるものであり、高密度のハイブ
リッドモジュールやパワーモジュールなど大電力を使用
するため発熱か著しく、しかも発熱と放熱が繰返される
環境で使用される回路基板て寿命を決定するものとなる
。耐クラツク性を迅速に判定する手段として、マイナス
40°Cに30分保持した後プラス125°Cて30分
保持する熱衝撃試験により評価することかてきる。上記
熱サイクルを与えた場合に、60サイクル経過後もクラ
ックか発生しなければ実用上の寿命は何ら問題ないとい
える。本発明の目的は耐熱衝撃性、すなわち耐クラツク
性を著しく改善した銅・セラくツクス接合体を提供しよ
うとするものである。
[課題を解決するための手段]
本発明者らは活性金属法による金属とセラミックスとの
接合体の耐クラツク性について研究を重ねた結果、耐ク
ラツク性を支配しているのは単に接合強度ばかりでなく
、セラミックス基板の抗折強度か大きく影響しているこ
とが判明した。たとえばアルミナ基板と窒化アルミ基板
について抗折強度とへアークラック発生回数との関係を
調べてみると第1図のとおりとなる。また、セラミック
スの密度とへアークラックとの関係をみると、密度か高
いほど熱衝撃を受けた場合にヘアークラックが発生し難
い。第1図からアルミナ基板ては抗折力27kg/■”
以上、窒化アルミニウム基板では抗折力34kg/mm
2以上の基板を使用すれば熱サイクルによるヘアークラ
ック発生回数は60サイクル以上になることかわかる。
接合体の耐クラツク性について研究を重ねた結果、耐ク
ラツク性を支配しているのは単に接合強度ばかりでなく
、セラミックス基板の抗折強度か大きく影響しているこ
とが判明した。たとえばアルミナ基板と窒化アルミ基板
について抗折強度とへアークラック発生回数との関係を
調べてみると第1図のとおりとなる。また、セラミック
スの密度とへアークラックとの関係をみると、密度か高
いほど熱衝撃を受けた場合にヘアークラックが発生し難
い。第1図からアルミナ基板ては抗折力27kg/■”
以上、窒化アルミニウム基板では抗折力34kg/mm
2以上の基板を使用すれば熱サイクルによるヘアークラ
ック発生回数は60サイクル以上になることかわかる。
セラミックス基板はセラミックス微粉末を圧縮成形後、
またはドクターブレード法てシート成形したものを焼結
して作るか、抗折力は使用するセラミックス粉末の純度
、粒度。
またはドクターブレード法てシート成形したものを焼結
して作るか、抗折力は使用するセラミックス粉末の純度
、粒度。
焼結助剤の種類と量および焼結条件によって決まる。ま
た、基板のソリやウネリ等も影響する。
た、基板のソリやウネリ等も影響する。
般にアルミナ基板の抗折力は15〜55 kg/a1、
窒化アルミ基板の抗折力は20〜60 kg/i+m2
程度と幅広く分布している。実験の結果、アルミナ基板
では抗折力 27kg/a1以上、窒化アルミ基板ては
抗折力34kg/+ue2以上になると、熱サイクルに
よりヘアークラックか急激に発生しにくくなることがわ
かった。
窒化アルミ基板の抗折力は20〜60 kg/i+m2
程度と幅広く分布している。実験の結果、アルミナ基板
では抗折力 27kg/a1以上、窒化アルミ基板ては
抗折力34kg/+ue2以上になると、熱サイクルに
よりヘアークラックか急激に発生しにくくなることがわ
かった。
次に本発明では接合する活性金属として、CuまたはN
iのうちの少なくとも1種を10〜60%、Ti。
iのうちの少なくとも1種を10〜60%、Ti。
Nb、Zrのうち少なくとも1種を0.5〜lO%含み
、残部が不可避的不純物を含むAgからなる組成を有す
る合金を使用する。
、残部が不可避的不純物を含むAgからなる組成を有す
る合金を使用する。
CuまたはNiは接合力を出すための成分てあって、上
記範囲を外れると接合力か不十分となる。Ti。
記範囲を外れると接合力か不十分となる。Ti。
Nb、Zrは接合力を得るための主要な役割をする活性
化金属である。活性化金属の量か0.5%未満ては拡散
接合か不十分となる。一方、10%を越えると対熱衝撃
性(対クラック性)か低下する。
化金属である。活性化金属の量か0.5%未満ては拡散
接合か不十分となる。一方、10%を越えると対熱衝撃
性(対クラック性)か低下する。
接合金属層は上記1tiaを有するものであれば特に制
限はないか、上記活性化金属の微粉末をメカニカルアロ
イ法て複合化した活性化金属を用いるのか良い、活性化
金属は粉末状で使用したものであっても、ペースト状て
使用したものてあっても、またシート状て使用したもの
であっても何れても良い。銅とセラミックスとの間に上
記活性化金属を介在させ、通常使用されている熱間圧接
して焼成する方法により、対熱衝撃性に優れた銅・セラ
ミックス接合体か得られる。
限はないか、上記活性化金属の微粉末をメカニカルアロ
イ法て複合化した活性化金属を用いるのか良い、活性化
金属は粉末状で使用したものであっても、ペースト状て
使用したものてあっても、またシート状て使用したもの
であっても何れても良い。銅とセラミックスとの間に上
記活性化金属を介在させ、通常使用されている熱間圧接
して焼成する方法により、対熱衝撃性に優れた銅・セラ
ミックス接合体か得られる。
[作用]
本発明ては、基板そのものに強固な基板を選択使用し、
応力か蓄積しても破壊を防止するようにしたものである
。基板の強度の指標として抗折力を採用した。強固な基
板を選択すれば、(Cu、N1)−(Ti、Zr、Nb
) −Ag系金属質接合材の接合力が最大限に発揮され
、耐熱衝撃にも優れたものとなる。
応力か蓄積しても破壊を防止するようにしたものである
。基板の強度の指標として抗折力を採用した。強固な基
板を選択すれば、(Cu、N1)−(Ti、Zr、Nb
) −Ag系金属質接合材の接合力が最大限に発揮され
、耐熱衝撃にも優れたものとなる。
[実施例]
次に本発明の実施例を示す。
実施例1
表1に示す各種金属粉末を窒素雰囲気中て分級し、lo
pmの粉末とした後、表1に示す割合で配合し、アトラ
イターボールミル中で7時間混合粉砕し複合粉末を得た
。次にこの複合粉末24重量部にエチルセルロース4.
4重量部、テキサノール5.0重量部、界面活性剤0.
5重量部の割合で配合し3本ロールミルて混練してペー
ストとした。
pmの粉末とした後、表1に示す割合で配合し、アトラ
イターボールミル中で7時間混合粉砕し複合粉末を得た
。次にこの複合粉末24重量部にエチルセルロース4.
4重量部、テキサノール5.0重量部、界面活性剤0.
5重量部の割合で配合し3本ロールミルて混練してペー
ストとした。
次に表1に示す抗折力を有する厚さ0.63511のア
ルミナ基板と、厚さ0.3mmの銅板を準備した。
ルミナ基板と、厚さ0.3mmの銅板を準備した。
上記ペーストをスクリーン印刷法を用いて銅板表面に3
0gmの厚さに印刷した。使用したスクリーンはステン
レス鋼製200メツシュバイアス張ってエマルジョン厚
さは457zmである。印刷後、10分間室温にてレベ
リングし、引続き 105°Cて30分間乾燥した。乾
燥後、厚膜乾燥炉を使用して窒素雰囲気中て600°C
に加熱して脱脂した。脱脂処理を完了した銅版にアルミ
ナ基板を重ね、10kg/cm”の加重を加え真空雰囲
気中で860℃×15分間加熱し接合して複合基板を得
た。
0gmの厚さに印刷した。使用したスクリーンはステン
レス鋼製200メツシュバイアス張ってエマルジョン厚
さは457zmである。印刷後、10分間室温にてレベ
リングし、引続き 105°Cて30分間乾燥した。乾
燥後、厚膜乾燥炉を使用して窒素雰囲気中て600°C
に加熱して脱脂した。脱脂処理を完了した銅版にアルミ
ナ基板を重ね、10kg/cm”の加重を加え真空雰囲
気中で860℃×15分間加熱し接合して複合基板を得
た。
このようにして作成した複合基板につき、接合強度測定
と熱衝撃試験を実施した。それらの結果を表1に併記す
る。
と熱衝撃試験を実施した。それらの結果を表1に併記す
る。
なお、ビール強度試験は複合基板を第2図に示すような
試験片に加工し、銅板を基板に対し90度の方向に引張
り試験機で引き剥がし、剥かれたときの加重を測定した
。また、熱衝撃試験は一40°c×30分保持と+12
5 ℃×30分保持とを1サイクルとし、各サイクル
終了後に銅板表面を硝酸でエツチング除去した後、セラ
ミックスをレットエチングし、そのセラミックスの表面
を顕微鏡lli!察し。
試験片に加工し、銅板を基板に対し90度の方向に引張
り試験機で引き剥がし、剥かれたときの加重を測定した
。また、熱衝撃試験は一40°c×30分保持と+12
5 ℃×30分保持とを1サイクルとし、各サイクル
終了後に銅板表面を硝酸でエツチング除去した後、セラ
ミックスをレットエチングし、そのセラミックスの表面
を顕微鏡lli!察し。
ヘアクラック発生の有無をU察し・た。
表 1
第1表から明らかなとお゛す、本発明範囲内の複合基板
の場合は、いずれも接着状態が良好て冷熱サイクルに対
してもクラックの発生するサイクルが長い、一方、アル
ミナ基板の抗折力か弱い場合には、冷熱サイクルにおい
てクラックか発生しやすいことか分かる。
の場合は、いずれも接着状態が良好て冷熱サイクルに対
してもクラックの発生するサイクルが長い、一方、アル
ミナ基板の抗折力か弱い場合には、冷熱サイクルにおい
てクラックか発生しやすいことか分かる。
実施例2
表2に示した抗折力を有する窒化アルミ基板を用いて実
施例1と同様にして複合基板を作威し、実施例1と同様
な接合強度の測定と、冷熱サイクルでの熱衝撃試験を実
施した。結果を表2に示した。
施例1と同様にして複合基板を作威し、実施例1と同様
な接合強度の測定と、冷熱サイクルでの熱衝撃試験を実
施した。結果を表2に示した。
表 2
表2からも本発明の複合基板は#熱衝撃性に優れている
ことかわかる。
ことかわかる。
[効果]
本発明の複合基板は耐熱衝撃性に優れているのて高電力
密度て使用されるハイブリツトICやパワーモジュール
などの寿命を著しく伸ばし、信頼性の高い電子回路を提
供することができるようになる。
密度て使用されるハイブリツトICやパワーモジュール
などの寿命を著しく伸ばし、信頼性の高い電子回路を提
供することができるようになる。
第1図はセラミックス基板の抗折力と耐8衝撃性との関
係を示す図て、Aはアルミナ基板、Bは窒化アルミ基板
である。第2図は引張試験のし試験片を示す図である。 l・・・・セラミックス基板 2・・・・銅 板
係を示す図て、Aはアルミナ基板、Bは窒化アルミ基板
である。第2図は引張試験のし試験片を示す図である。 l・・・・セラミックス基板 2・・・・銅 板
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1)銅と抗折力27kg/mm^2以上のアルミナ基板
とが、CuまたはNiのうちの少なくとも1種を10〜
60%(重量%、以下同じ)、Ti、Nb、Zrのうち
少なくとも1種を0.5〜10%含み、残部が不可避的
不純物を含むAgからなる組成を有する接合層を介して
接合されていることを特徴とする銅・セラミックス複合
基板。 2)銅と抗折力34kg/mm^2以上の窒化アルミ基
板とが、CuまたはNiのうちの少なくとも1種を10
〜60%(重量%、以下同じ)、Ti、Nb、Zrのう
ち少なくとも1種を0.5〜10%含み、残部が不可避
的不純物を含むAgからなる組成を有する接合層を介し
て接合されていることを特徴とする銅・セラミックス複
合基板。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP1180606A JPH0345571A (ja) | 1989-07-14 | 1989-07-14 | 銅・セラミックス複合基板 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP1180606A JPH0345571A (ja) | 1989-07-14 | 1989-07-14 | 銅・セラミックス複合基板 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0345571A true JPH0345571A (ja) | 1991-02-27 |
Family
ID=16086191
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP1180606A Pending JPH0345571A (ja) | 1989-07-14 | 1989-07-14 | 銅・セラミックス複合基板 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0345571A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH04290462A (ja) * | 1991-03-19 | 1992-10-15 | Hitachi Ltd | 金属接合回路基板およびそれを用いた電子装置 |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS60177635A (ja) * | 1984-02-24 | 1985-09-11 | Toshiba Corp | 良熱伝導性基板の製造方法 |
JPS6453795A (en) * | 1987-08-25 | 1989-03-01 | Showa Denko Kk | Metallic adhesive material |
-
1989
- 1989-07-14 JP JP1180606A patent/JPH0345571A/ja active Pending
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS60177635A (ja) * | 1984-02-24 | 1985-09-11 | Toshiba Corp | 良熱伝導性基板の製造方法 |
JPS6453795A (en) * | 1987-08-25 | 1989-03-01 | Showa Denko Kk | Metallic adhesive material |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JPH04290462A (ja) * | 1991-03-19 | 1992-10-15 | Hitachi Ltd | 金属接合回路基板およびそれを用いた電子装置 |
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