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 |
|---|---|---|---|---|
| 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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