JPH0541566A

JPH0541566A - 耐熱衝撃性に優れたセラミツクス−銅接合基板

Info

Publication number: JPH0541566A
Application number: JP3221118A
Authority: JP
Inventors: Masami Kimura; 正美木村; Tetsuo Kohata; 哲夫降幡; Masaya Takahara; 昌也高原
Original assignee: Dowa Mining Co Ltd
Current assignee: Dowa Holdings Co Ltd
Priority date: 1991-08-06
Filing date: 1991-08-06
Publication date: 1993-02-19
Anticipated expiration: 2013-10-27
Also published as: JP2815498B2

Abstract

(57)【要約】【目的】パワーデバイス搭載用絶縁性回路基板など信
頼性の高い部品としても十分に使用することができる耐
熱衝撃性に優れるセラミックス−銅接合基板の提供。【構成】まず、26mm×51mmのＨＩＣ用96％アルミナ基
板１の両主面上に、厚さ0.25mmおよび 0.2mmのタフピッ
チ銅板２を接触配置し、これを不活性ガス雰囲気中にお
いて加熱、冷却して接合体を得る。次いで、得られた接
合体における厚さ0.25mmのパターン面用の銅板２を所定
の形状にパターニングした後、銅板パターンにおける各
凸部コーナー部分に直径 1.5mmの円形の銅板を貫通する
穴３を、円の中心が銅板２の縁から１mm内側に入ったと
ころに位置するように形成し、銅板２の表面上に２〜３
μｍの厚さのＮｉメッキを施す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、セラミックス−銅接合
基板に関し、さらに詳しくはパワーデバイス搭載用絶縁
回路基板など高い信頼性の要求される部品としても十分
に使用することができるセラミックス−銅接合基板に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、セラミックス部材と金属部材
とを接合する方法として、Ｍｏ−Ｍｎ法やＷメタライズ
法等のように、高融点金属でセラミックス部材の表面を
金属化した後、銀ろうＢＡｇ−８（JIS Z-3261）等のろ
う材で両部材を接合する方法が広く用いられており、こ
れらの方法は特に電子部品搭載用絶縁基板やサイリスタ
等の絶縁管の製造の際に用いられてきた。しかしなが
ら、上記方法においては、通常 850℃程度の高温で接合
が行われるため、接合後の冷却速度によってセラミック
ス部材にクラックが発生することがあった。すなわち、
接合体の冷却速度が大きければ、セラミックス部材自体
が直接熱衝撃を受けるためクラックが発生し、接合体の
冷却速度が小さい場合でも、金属部材とセラミックス部
材との熱膨脹差による残留応力が発生するため、該応力
によってクラックが発生するのである。

【０００３】そこで、セラミックス部材と金属部材との
熱膨張差に起因するクラックの発生を防止するため、接
合の際、金属化したセラミックス部材の表面と接合する
金属との間にＭｏなどの低熱膨脹金属を介在させてろう
付けすることにより、セラミックス部材と金属部材との
熱膨脹差の緩和を図っていた。

【０００４】一方、活性金属ろうを使用した接合方法が
各種開発されている。これらの方法では、活性金属とし
てＴｉやＺｒなどが用いられており、いずれの活性金属
も金属部材とセラミックス部材との接合に有効であるこ
とが確認されている（表面科学第４巻第１号(1983) p.1
〜10）。また、上記活性金属とＣｕ、Ｎｉ、Ｆｅ等の遷
移金属とを合金化することによってろう材の融点を下
げ、共晶融点あるいはその近傍の温度で接合を行うとい
った方法も開発されている（米国特許第 2857663号）。

【０００５】また、接合時あるいは接合後の熱衝撃によ
りセラミックス部材と金属部材との間に発生する熱膨脹
差による応力を緩和し、セラミックス部材へのクラック
発生を防止する方法として、ＣｕやＣｕ合金のように延
性に富む金属の薄板を熱応力緩衝層としてセラミックス
部材と金属部材との間に介在させ、発生する熱応力を、
上記の介在させた金属薄板の塑性変形によって吸収させ
ることにより緩和するという方法が特開昭56−163092に
開示されている。

【０００６】さらに、酸化物系セラミックス部材と延性
に富む金属部材、例えばアルミナ基板と銅板の接合方法
として、アルミナ基板と銅板とを接触配置し、これを不
活性雰囲気中において1065℃よりも低いがそれに近い温
度に加熱し、接触部に銅とアルミナ基板表面のアルミナ
およびガラス質形成物質との化合物を形成させた後冷却
することにより行う方法が米国特許 4811893号に開示さ
れている。この方法では、上記冷却の速度を小さくして
熱衝撃が大きくならないようにすると共に、発生する熱
応力を延性に富む金属である銅の塑性変形により吸収さ
せて緩和し、アルミナ基板におけるクラックの発生を防
止しており、このような接合基板は特にパワーデバイス
搭載用絶縁回路基板等に使用されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述従
来のセラミックス−金属接合体の製造法のうち、タング
ステン等の高融点金属でセラミックス部材表面を金属化
する方法は、多くの工程を要する上製造コストが高く、
しかもセラミックス部材と金属部材との熱膨脹差を緩和
するために両者の間にＭｏ等の熱伝導率の低い金属を介
在させているため、接合体としての熱伝導性に不満があ
った。

【０００８】また、活性金属ろうによる接合法や、酸化
物系セラミックス部材と金属部材との接合法において
は、特にセラミックス部材よりも接合される金属部材の
厚さや面積が大きい場合、接合体に繰り返し熱衝撃が付
与された際にセラミックス部材の内部にクラックが発生
し、接合強度、気密性、熱伝導性または電気絶縁性など
の低下の原因となっていた。そのため、パワーデバイス
搭載用絶縁回路基板などのように高い信頼性が要求され
る部品として使用するには十分なものではなかった。

【０００９】そこで、本発明は上述従来の技術の問題点
を解決し、パワーデバイス搭載用絶縁回路基板など高い
信頼性が要求される部品としても十分に使用することが
できる耐熱衝撃性に優れるセラミックス−銅接合基板を
提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記目的
を達成するために鋭意研究の結果、セラミックス基板と
銅板との接合体において、銅板パターンの主面縁部に銅
板を貫通する穴あるいは貫通しない穴を形成することに
より、接合時または接合後に熱衝撃が付与された際に発
生する応力が分散され、セラミックス基板におけるクラ
ックの発生が防止されることを見い出し、本発明を達成
することができた。

【００１１】すなわち、本発明は、セラミックス基板と
その少なくとも一方の主面上に接合された銅板とからな
り、該銅板がその縁部近傍に、同一または異なる形状お
よび寸法の複数の小さな穴を、規則的または不規則的に
配置されて有していることを特徴とするセラミックス−
銅接合基板；および、セラミックス基板の両主面上に接
合された銅板により、パターン面とヒートシンク面とが
形成されてなるセラミックス−銅接合基板であって、上
記パターン面を形成する銅板における主面縁部に、該銅
板を貫通する穴が形成されていることを特徴とするセラ
ミックス−銅接合基板を提供するものである。

【００１２】

【作用】セラミックス−金属接合基板に繰り返し熱衝撃
を付与すると、両部材の熱膨張差から残留応力が発生す
る。その際、セラミックス部材が、発生する応力に耐え
得る強度を有していない場合、接合体におけるセラミッ
クス部材表面の金属部材縁部近傍からクラックが発生
し、この基板にさらに熱衝撃を付与するとセラミックス
部材内部にまでクラックが進行することが確認されてい
る。

【００１３】また、セラミックス−銅接合基板に繰り返
し熱衝撃を付与した場合、その繰り返し回数が増加する
につれてクラック４はセラミックス基板５における次の
ような部分に発生することが確認されている。まず、図
４（ａ）に示すように銅板パターンにおける凸コーナー
部分近傍に発生し、次いで図４（ｂ）に示すように銅板
パターンにおける直線部分に発生し、最後に図４（ｃ）
に示すように銅板パターンにおける凹コーナー部分に発
生する。このことは、セラミックス基板に、あるパター
ン形状の銅板が接合された場合、セラミックス基板にか
かる応力の大きさが場所により凸コーナー部が最も大き
く、次に直線部、凹コーナー部の順であることが、クラ
ックの発生順よりわかる。

【００１４】本発明のセラミックス−銅接合基板は、セ
ラミックス基板と接合する銅板主面における縁部近傍に
銅板を貫通する穴あるいは貫通しない穴を形成すること
により、耐熱衝撃性の向上を図っている。銅板に上記穴
を形成することにより、耐熱衝撃性が向上する理由につ
いては明確ではないが次のように考えることができる。
すなわち、銅板に形成した穴によって熱衝撃により生じ
る応力が分散、減少され、セラミックス基板に加わる応
力分布が変えられるためであると考えられる。例えば、
銅板パターンにおける凸部コーナー部分に穴を形成する
と、クラックはまずセラミックス基板における銅板パタ
ーンの直線部分から発生するようになる。

【００１５】このことは、穴のない場合凸コーナー部が
最大であったのに対し、直線部が最大の応力分布に変わ
ったことを示す。また、クラックの発生そのものが、同
じ熱衝撃を繰り返しかけた場合、穴を開けないものより
開けたものの方が遅い、すなわち耐熱衝撃性が良いの
は、セラミックス基板にかかる最大応力が小さくなって
いるためではないかと考えられる。

【００１６】また、同一の接合基板を２枚用意し、銅板
パターンの同じ位置に直径の異なる円形の穴を開けた場
合、直径の大きい穴を形成した接合基板の方がクラック
が発生しにくく、パターンに形成する穴の大きさは大き
いほどクラック発生防止効果が大きいことが確認され
た。さらに、穴の形状は円形などのように直線部分がま
ったくないか、または直線部分の長さがなるべく短いも
のが好ましいことが確認された。例えば、穴の形状が長
方形であると、穴の内部の直線部分にクラックが発生し
てしまう。しかしながら、いかなる形状、大きさの穴で
あっても、穴をあけていないパターンに比べると穴をあ
けたパターンのほうが優れた耐熱衝撃性を示す。

【００１７】以下、実施例により本発明をさらに詳細に
説明する。しかし本発明の範囲は以下の実施例により制
限されるものではない。

【００１８】

【実施例１】まず、金属部材として厚さ0.25mmのパター
ン面用のタフピッチ銅板と厚さ 0.2mmのヒートシンク面
用のタフピッチ銅板を用意し、セラミックス部材として
26mm×51mmの市販のＨＩＣ用96％アルミナ基板を用意し
た。用意したアルミナ基板１の両主面に銅板２を接触配
置し、これを不活性ガス雰囲気中において加熱、冷却し
て接合体を得た。次いで、得られた接合体におけるパタ
ーン面用の銅板にエッチング処理を施し、該銅板を所定
の形状にパターニングした。

【００１９】次に、上記銅板パターンにおける各凸コー
ナー部分に、直径１mmまたは 1.5mmの円形の銅板を貫通
する穴３を、円の中心が銅板の縁から１mm内側に入った
ところに位置するように形成し、銅板２の表面上に２〜
３μｍの厚さのＮｉメッキを施して２種類のアルミナ−
銅接合基板を作製した。

【００２０】このようにして作製した２種類のアルミナ
−銅接合基板について熱衝撃試験を行った。熱衝撃試験
は、ベルト炉を用いＨ₂雰囲気中で最高温度 360℃×10
分、昇降温速度が20℃/minの条件で５回通炉し、クラッ
ク発生の有無を調べ、その結果を表１に示した。なお、
クラック発生の有無は、通炉したアルミナ−銅接合基板
を実体顕微鏡による外観検査により調べた。また、サン
プルはそれぞれ３ピース以上用い、全ピースにクラック
が発生しなかった場合にクラック発生無しとし、１ピー
ス以上にクラックが発生した場合にクラック発生有りと
した。

【００２１】

【実施例２】銅板パターンにおける各凸部コーナー部分
に、直径 1.5mmの円形の銅板を貫通する穴を、円の中心
が銅板の縁から１mm内側に入ったところに位置するよう
に形成し、さらに銅板パターンにおける各直線部に、銅
板の縁から 0.5mm離れたところに平行に幅 0.5mmの長方
形の銅板を貫通する穴を形成したこと以外は実施例１と
同様にしてアルミナ−銅接合基板を作製した。作製した
アルミナ−銅接合基板について実施例１と同様の耐熱衝
撃性試験を行い、その結果を表１に併記した。

【００２２】

【実施例３】銅板パターンにおける各凸部コーナー部分
に、直径0.75mmまたは1.25mmの円形の銅板を貫通する穴
を、円の中心が銅板の縁から１mm内側に入ったところに
位置するように形成し、さらに銅板パターンにおける各
直線部に、直径 0.5mmの円形の銅板を貫通する穴を、４
mm置きまたは１mm置きに、かつ円の中心が銅板の縁から
0.5mm内側に入ったところに位置するように形成したこ
と以外は実施例１と同様にして計４種類のアルミナ−銅
接合基板を作製した（図２）。作製した、４種類のアル
ミナ−銅接合基板について実施例１と同様の耐熱衝撃性
試験を行い、その結果を表１に併記した。

【００２３】

【比較例】銅板パターンに銅板を貫通する穴を形成しな
いこと以外は実施例１と同様にしてアルミナ−銅接合基
板を作製し（図３）、実施例１と同様の耐熱衝撃性試験
を行い、その結果を表１に併記した。

【表１】

【００２４】表１からもわかるように、実施例１ないし
３における本発明のアルミナ−銅接合基板は、最低４回
の衝撃に耐えることができたのに対し、比較例における
従来のアルミナ−銅接合基板は、１回目の衝撃でクラッ
クが発生してしまった。また、実施例１より、円形の銅
板を貫通する穴を形成した場合、その直径が大きい方が
耐熱衝撃性に優れることが確認され、実施例２および３
より、銅板パターンの直線部に形成する銅板を貫通する
穴は、長方形よりも円形の方が耐熱衝撃性に優れること
が確認された。さらに、実施例３より、銅板パターンの
直線部に形成する銅板を貫通する穴の数は多いほど耐熱
衝撃性に優れることが確認された。

【００２５】

【発明の効果】本発明のアルミナ−銅接合基板は、従来
のアルミナ−銅接合基板と比較して耐熱衝撃性および熱
伝導性が著しく向上した。また、本発明のアルミナ−銅
接合基板は、低コストで製造することができるため商業
的価値の高いものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のアルミナ−銅接合基板の一例を示す図
であって、（ａ）はパターン面の平面図、（ｂ）はヒー
トシンク面の平面図、（ｃ）は側断面図である。

【図２】本発明のアルミナ−銅接合基板の別の一例を示
す図であって、（ａ）はパターン面の平面図、（ｂ）は
ヒートシンク面の平面図、（ｃ）は側断面図である。

【図３】従来のアルミナ−銅接合基板を示す図であっ
て、（ａ）はパターン面の平面図、（ｂ）はヒートシン
ク面の平面図、（ｃ）は側断面図である。

【図４】図３に例示されるような従来のセラミックス−
銅接合基板に繰り返し熱衝撃を施した際のパターン面に
おけるクラックの発生状況を示した平面図であって、
（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は熱衝撃の繰り返し回数が
異なり、その回数は（ａ）よりも（ｂ）、（ｂ）よりも
（ｃ）が多い。

【符号の説明】１‥‥‥アルミナ基板２‥‥‥銅板３‥‥‥銅板を貫通する穴４‥‥‥クラック５‥‥‥セラミックス基板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミックス基板とその少なくとも一方
の主面上に接合された銅板とからなり、該銅板がその縁
部近傍に、同一または異なる形状および寸法の複数の小
さな穴を、規則的または不規則的に配置されて有してい
ることを特徴とする、耐熱衝撃性に優れたセラミックス
−銅接合基板。
【請求項２】セラミックス基板の両主面上に接合され
た銅板により、パターン面とヒートシンク面とが形成さ
れてなるセラミックス−銅接合基板であって、上記パタ
ーン面を形成する銅板における主面縁部に、該銅板を貫
通する穴あるいは貫通しない穴が形成されていることを
特徴とする、耐熱衝撃性に優れたセラミックス−銅接合
基板。