JPH0786703A - セラミックス回路基板 - Google Patents
セラミックス回路基板Info
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- JPH0786703A JPH0786703A JP22611193A JP22611193A JPH0786703A JP H0786703 A JPH0786703 A JP H0786703A JP 22611193 A JP22611193 A JP 22611193A JP 22611193 A JP22611193 A JP 22611193A JP H0786703 A JPH0786703 A JP H0786703A
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- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K1/00—Printed circuits
- H05K1/02—Details
- H05K1/0201—Thermal arrangements, e.g. for cooling, heating or preventing overheating
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K1/00—Printed circuits
- H05K1/02—Details
- H05K1/03—Use of materials for the substrate
- H05K1/0306—Inorganic insulating substrates, e.g. ceramic, glass
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 セラミックス基板の種類、表面側金属板のパ
ターン形状等によらず、金属板接合時や素子搭載用のハ
ンダリフロー時の加熱等による基板の反りを再現性よく
抑制することを可能にすると共に、耐熱サイクル特性に
対する信頼性の向上を図ったセラミックス回路基板を提
供する。 【構成】 セラミックス基板１の一方の主面１ａに、活
性金属法により素子搭載側金属板２を接合すると共に、
セラミックス基板１の他方の主面１ｂに放熱側金属板３
を活性金属法により接合したセラミックス回路基板５で
ある。この際、放熱側金属板３の体積（Ｖ2 ）と素子搭
載側金属板２の体積（Ｖ1 ）との比（Ｖ2／Ｖ1 ）を 1.
0未満とする。上記体積比は、放熱側金属板３の板厚や
放熱側金属板３に体積減少用凹部を設けることで制御す
る。
ターン形状等によらず、金属板接合時や素子搭載用のハ
ンダリフロー時の加熱等による基板の反りを再現性よく
抑制することを可能にすると共に、耐熱サイクル特性に
対する信頼性の向上を図ったセラミックス回路基板を提
供する。 【構成】 セラミックス基板１の一方の主面１ａに、活
性金属法により素子搭載側金属板２を接合すると共に、
セラミックス基板１の他方の主面１ｂに放熱側金属板３
を活性金属法により接合したセラミックス回路基板５で
ある。この際、放熱側金属板３の体積（Ｖ2 ）と素子搭
載側金属板２の体積（Ｖ1 ）との比（Ｖ2／Ｖ1 ）を 1.
0未満とする。上記体積比は、放熱側金属板３の板厚や
放熱側金属板３に体積減少用凹部を設けることで制御す
る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、セラミックス基板の両
面に金属板を活性金属法により接合してなるセラミック
ス回路基板に関する。
面に金属板を活性金属法により接合してなるセラミック
ス回路基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】セラミックス基板を半導体素子の搭載基
板等として利用する場合には、素子搭載部や回路パター
ンの形成等を目的として、セラミックス基板に金属部材
を接合することが行われている。このようなセラミック
ス基板と金属部材との接合方法としては、従来から、Mo
やW 等の高融点金属を用いる方法や、4A族元素や5A族元
素のような活性金属を用いる方法等が知られており、中
でも、高強度、高封着性、高信頼性等が得られることか
ら、活性金属法が多用されている。
板等として利用する場合には、素子搭載部や回路パター
ンの形成等を目的として、セラミックス基板に金属部材
を接合することが行われている。このようなセラミック
ス基板と金属部材との接合方法としては、従来から、Mo
やW 等の高融点金属を用いる方法や、4A族元素や5A族元
素のような活性金属を用いる方法等が知られており、中
でも、高強度、高封着性、高信頼性等が得られることか
ら、活性金属法が多用されている。
【０００３】上記活性金属法は、Ti、Zr、Nb等の活性金
属を添加したろう材を用いたろう付け法や、セラミック
ス基板と金属部材との間に活性金属の箔や粉体を介在さ
せ、加熱接合する方法（固相拡散接合）等として利用さ
れている。一般的には、取扱い性や処理のしやすさ等か
ら、CuとAgとの共晶ろう材（Ag:72wt%）にTi等の活性金
属を添加し、これをセラミックス基板と金属部材との間
に介在させ、適当な温度で熱処理して接合する方法が採
用されている。
属を添加したろう材を用いたろう付け法や、セラミック
ス基板と金属部材との間に活性金属の箔や粉体を介在さ
せ、加熱接合する方法（固相拡散接合）等として利用さ
れている。一般的には、取扱い性や処理のしやすさ等か
ら、CuとAgとの共晶ろう材（Ag:72wt%）にTi等の活性金
属を添加し、これをセラミックス基板と金属部材との間
に介在させ、適当な温度で熱処理して接合する方法が採
用されている。
【０００４】上述したような活性金属法を利用して、セ
ラミックス基板に素子搭載部や回路パターンを形成する
場合、金属板接合時や素子搭載用のハンダリフロー時の
加熱によるセラミックス基板の反り等を抑制する上で、
また放熱用部材として、セラミックス基板の裏面側にも
金属板を接合することが行われている。ただし、表面側
の金属板（素子搭載側金属部材）は、回路形成のために
パターニングされている場合が多く、裏面側の金属板の
板厚を表面側のそれと同厚とすると、反りの発生を十分
に抑制することができない。そこで、裏面側金属板の板
厚を表面側のそれより薄くすることが行われている。
ラミックス基板に素子搭載部や回路パターンを形成する
場合、金属板接合時や素子搭載用のハンダリフロー時の
加熱によるセラミックス基板の反り等を抑制する上で、
また放熱用部材として、セラミックス基板の裏面側にも
金属板を接合することが行われている。ただし、表面側
の金属板（素子搭載側金属部材）は、回路形成のために
パターニングされている場合が多く、裏面側の金属板の
板厚を表面側のそれと同厚とすると、反りの発生を十分
に抑制することができない。そこで、裏面側金属板の板
厚を表面側のそれより薄くすることが行われている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、セラ
ミックス基板の両面に金属板を接合する場合には、従来
から、裏面側金属板の板厚を表面側のそれより薄くする
ことにより、セラミックス基板の反り等を抑制してい
る。しかしながら、セラミックス基板の種類や表面側金
属板のパターン形状、板厚等によっては、反りの発生を
再現性よく抑制することができず、接合後の回路基板の
反り量、あるいは半導体素子搭載時にハンダリフローの
ために通炉した後の反りの増加量が大幅に大きくなるこ
とがあり、その後の実装工程で重大な問題となってい
る。
ミックス基板の両面に金属板を接合する場合には、従来
から、裏面側金属板の板厚を表面側のそれより薄くする
ことにより、セラミックス基板の反り等を抑制してい
る。しかしながら、セラミックス基板の種類や表面側金
属板のパターン形状、板厚等によっては、反りの発生を
再現性よく抑制することができず、接合後の回路基板の
反り量、あるいは半導体素子搭載時にハンダリフローの
ために通炉した後の反りの増加量が大幅に大きくなるこ
とがあり、その後の実装工程で重大な問題となってい
る。
【０００６】また、セラミックス基板に金属板を接合し
てなる回路基板においては、セラミックス基板と金属板
との熱膨張率の差に起因する欠点、すなわち接合後の冷
却過程や熱サイクルの付加により、熱膨張差に起因して
生じる熱応力による信頼性の低下やクラックの発生等を
防止することが求められている。しかし、このような熱
膨張差に起因する問題も、表面側金属板のパターン形状
や板厚によっては十分に防止することができず、耐熱サ
イクル特性の低下を招いている。特に近年の半導体素子
の高集積化や大電力化等によって、半導体素子からの放
熱量は飛躍的に増大しており、搭載基板側への熱伝達量
が増加していることから、耐熱サイクル特性に対する信
頼性の向上が強く望まれている。
てなる回路基板においては、セラミックス基板と金属板
との熱膨張率の差に起因する欠点、すなわち接合後の冷
却過程や熱サイクルの付加により、熱膨張差に起因して
生じる熱応力による信頼性の低下やクラックの発生等を
防止することが求められている。しかし、このような熱
膨張差に起因する問題も、表面側金属板のパターン形状
や板厚によっては十分に防止することができず、耐熱サ
イクル特性の低下を招いている。特に近年の半導体素子
の高集積化や大電力化等によって、半導体素子からの放
熱量は飛躍的に増大しており、搭載基板側への熱伝達量
が増加していることから、耐熱サイクル特性に対する信
頼性の向上が強く望まれている。
【０００７】本発明は、このような課題を解決するため
になされたもので、セラミックス基板の種類、表面側金
属板のパターン形状等によらず、金属板接合時や素子搭
載用のハンダリフロー時の加熱等による基板の反りを再
現性よく抑制することを可能にすると共に、耐熱サイク
ル特性に対する信頼性の向上を図ったセラミックス回路
基板を提供することを目的としている。
になされたもので、セラミックス基板の種類、表面側金
属板のパターン形状等によらず、金属板接合時や素子搭
載用のハンダリフロー時の加熱等による基板の反りを再
現性よく抑制することを可能にすると共に、耐熱サイク
ル特性に対する信頼性の向上を図ったセラミックス回路
基板を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段と作用】本発明に関する第
１のセラミックス回路基板は、セラミックス基板と、前
記セラミックス基板の一方の主面に活性金属法により接
合された素子搭載側金属板と、前記セラミックス基板の
他方の主面に活性金属法により接合された放熱側金属板
とを有するセラミックス回路基板において、前記放熱側
金属板の体積（Ｖ2 ）と前記素子搭載側金属板の体積
（Ｖ1 ）との比（Ｖ2 ／Ｖ1 ）が 1.0未満あることを特
徴としている。
１のセラミックス回路基板は、セラミックス基板と、前
記セラミックス基板の一方の主面に活性金属法により接
合された素子搭載側金属板と、前記セラミックス基板の
他方の主面に活性金属法により接合された放熱側金属板
とを有するセラミックス回路基板において、前記放熱側
金属板の体積（Ｖ2 ）と前記素子搭載側金属板の体積
（Ｖ1 ）との比（Ｖ2 ／Ｖ1 ）が 1.0未満あることを特
徴としている。
【０００９】また、第２のセラミックス回路基板は、セ
ラミックス基板と、前記セラミックス基板の一方の主面
に活性金属法により接合された素子搭載側金属板と、前
記セラミックス基板の他方の主面に活性金属法により接
合された放熱側金属板とを有するセラミックス回路基板
において、前記放熱側金属板の表面には、体積減少用凹
部が設けられていることを特徴としている。
ラミックス基板と、前記セラミックス基板の一方の主面
に活性金属法により接合された素子搭載側金属板と、前
記セラミックス基板の他方の主面に活性金属法により接
合された放熱側金属板とを有するセラミックス回路基板
において、前記放熱側金属板の表面には、体積減少用凹
部が設けられていることを特徴としている。
【００１０】本発明に用いられるセラミックス基板は、
特にその材質に限定されるものではなく、窒化アルミニ
ウム系基板、窒化ケイ素系基板、酸化アルミニウム系基
板等の種々のセラミックス基板を適用することができ
る。また、金属板の材質は、用途に応じて各種金属材料
から適宜選択すればよく、例えばCu、Cu合金、Ni、Ni合
金、W 、Mo等が挙げられる。
特にその材質に限定されるものではなく、窒化アルミニ
ウム系基板、窒化ケイ素系基板、酸化アルミニウム系基
板等の種々のセラミックス基板を適用することができ
る。また、金属板の材質は、用途に応じて各種金属材料
から適宜選択すればよく、例えばCu、Cu合金、Ni、Ni合
金、W 、Mo等が挙げられる。
【００１１】また、本発明のセラミックス回路基板にお
いて、セラミックス基板と金属板との接合は、一般的な
4A族元素や5A族元素等の活性金属を含むろう材（以下、
活性金属ろう材と称する）を用いた活性金属ろう材法
や、活性金属の箔や粉体を用いた活性金属固相接合法等
により行う。例えば、活性金属ろう材としては、例えば
Ag-Cuの共晶組成（72wt%Ag-28wt%Cu)もしくはその近傍
の組成のろう材を主成分とし、これにTi、Zr、Hfおよび
Nbから選ばれた少なくとも 1種の活性金属を添加したも
のや、Cuに同様な活性金属を添加したもの等が例示され
る。上記した Ag-Cu系の共晶ろう材の組成としては、ろ
う材の全量に対してCu量を15重量% 〜35重量% 程度、ま
た活性金属の量を 1重量% 〜10重量% 程度とすることが
好ましい。第１の発明によるセラミックス回路基板にお
いては、放熱側（裏面側）金属板の体積（Ｖ2 ）と素子
搭載側（表面側）金属板の体積（Ｖ1 ）との比（Ｖ2 ／
Ｖ1 ）を 1.0未満に設定している。ここで、セラミック
スと金属との接合においては、その熱膨張率差により接
合後の形状が大きく変位し、本発明の回路基板のよう
に、板材同士の接合では反りの問題が生じやすくなる。
反り量は、材料力学（弾性理論）における多層はりの理
論から明らかなように、部材厚さによって変化するが、
回路基板として素子搭載側金属板がパターン形状を有す
ると、単純に金属板厚により反り量を規定することがで
きなくなる（例えば、厚くても僅かな面積しかパターン
がない、あるいは薄くてもかなりの面積にパターンがあ
る等）。そこで、本発明においては、放熱側金属板の体
積（Ｖ2 ）と素子搭載側金属板の体積（Ｖ1 ）との比
（Ｖ2 ／Ｖ1 ）を規定している。このように、両金属板
の体積に着目すると、それらの比と反り量との間には相
関が存在するため、Ｖ2 ／Ｖ1 比を 1.0未満と規定する
ことによって、素子搭載側金属板のパターン形状等によ
らずに、再現性よく反りの発生を防止することができ
る。
いて、セラミックス基板と金属板との接合は、一般的な
4A族元素や5A族元素等の活性金属を含むろう材（以下、
活性金属ろう材と称する）を用いた活性金属ろう材法
や、活性金属の箔や粉体を用いた活性金属固相接合法等
により行う。例えば、活性金属ろう材としては、例えば
Ag-Cuの共晶組成（72wt%Ag-28wt%Cu)もしくはその近傍
の組成のろう材を主成分とし、これにTi、Zr、Hfおよび
Nbから選ばれた少なくとも 1種の活性金属を添加したも
のや、Cuに同様な活性金属を添加したもの等が例示され
る。上記した Ag-Cu系の共晶ろう材の組成としては、ろ
う材の全量に対してCu量を15重量% 〜35重量% 程度、ま
た活性金属の量を 1重量% 〜10重量% 程度とすることが
好ましい。第１の発明によるセラミックス回路基板にお
いては、放熱側（裏面側）金属板の体積（Ｖ2 ）と素子
搭載側（表面側）金属板の体積（Ｖ1 ）との比（Ｖ2 ／
Ｖ1 ）を 1.0未満に設定している。ここで、セラミック
スと金属との接合においては、その熱膨張率差により接
合後の形状が大きく変位し、本発明の回路基板のよう
に、板材同士の接合では反りの問題が生じやすくなる。
反り量は、材料力学（弾性理論）における多層はりの理
論から明らかなように、部材厚さによって変化するが、
回路基板として素子搭載側金属板がパターン形状を有す
ると、単純に金属板厚により反り量を規定することがで
きなくなる（例えば、厚くても僅かな面積しかパターン
がない、あるいは薄くてもかなりの面積にパターンがあ
る等）。そこで、本発明においては、放熱側金属板の体
積（Ｖ2 ）と素子搭載側金属板の体積（Ｖ1 ）との比
（Ｖ2 ／Ｖ1 ）を規定している。このように、両金属板
の体積に着目すると、それらの比と反り量との間には相
関が存在するため、Ｖ2 ／Ｖ1 比を 1.0未満と規定する
ことによって、素子搭載側金属板のパターン形状等によ
らずに、再現性よく反りの発生を防止することができ
る。
【００１２】本発明のセラミックス回路基板におけるＶ
2 ／Ｖ1 比は、使用したセラミックス基板の材質に応じ
て設定することがより好ましい。すなわち、セラミック
ス基板の板厚にもよるが、基本的には用いたセラミック
ス材料のヤング率によって、たわみやすさ（反り量）が
異なるため、それに応じてＶ2 ／Ｖ1 比を設定すること
が好ましい。例えば、窒化アルミニウム系基板を用いる
場合には、0.75≦Ｖ2／Ｖ1 ＜ 1とすることが好まし
い。窒化ケイ素系基板を用いる場合には、0.85≦Ｖ2 ／
Ｖ1 ＜ 1とすることが好ましい。また、酸化アルミニウ
ム系基板を用いる場合には、0.70≦Ｖ2 ／Ｖ1 ＜ 1とす
ることが好ましい。
2 ／Ｖ1 比は、使用したセラミックス基板の材質に応じ
て設定することがより好ましい。すなわち、セラミック
ス基板の板厚にもよるが、基本的には用いたセラミック
ス材料のヤング率によって、たわみやすさ（反り量）が
異なるため、それに応じてＶ2 ／Ｖ1 比を設定すること
が好ましい。例えば、窒化アルミニウム系基板を用いる
場合には、0.75≦Ｖ2／Ｖ1 ＜ 1とすることが好まし
い。窒化ケイ素系基板を用いる場合には、0.85≦Ｖ2 ／
Ｖ1 ＜ 1とすることが好ましい。また、酸化アルミニウ
ム系基板を用いる場合には、0.70≦Ｖ2 ／Ｖ1 ＜ 1とす
ることが好ましい。
【００１３】このように、セラミックス基板の材質に応
じてＶ2 ／Ｖ1 比を適切な範囲とすることにより、両金
属板間の熱膨張による変位量が適性となり、その結果加
熱接合後の回路基板の反り量を、例えば50μm 以下とい
うように小さくすることができる。さらに、半導体素子
搭載時にハンダリフローのために通炉した後の反り量の
増加率(=（通炉後の反り量−通炉前の反り量）／通炉前
の反り量×100(%)）の絶対値を例えば100%以下とするこ
とができ、実装時の問題を大幅に低減することが可能と
なる。
じてＶ2 ／Ｖ1 比を適切な範囲とすることにより、両金
属板間の熱膨張による変位量が適性となり、その結果加
熱接合後の回路基板の反り量を、例えば50μm 以下とい
うように小さくすることができる。さらに、半導体素子
搭載時にハンダリフローのために通炉した後の反り量の
増加率(=（通炉後の反り量−通炉前の反り量）／通炉前
の反り量×100(%)）の絶対値を例えば100%以下とするこ
とができ、実装時の問題を大幅に低減することが可能と
なる。
【００１４】上述したようなＶ2 ／Ｖ1 比を満足させる
ための具体的な方法としては、放熱側金属板には通常パ
ターン形成等は行わない（べた状）ため、例えば素子搭
載側金属板の板厚およびパターン形状に応じて、放熱側
金属板の板厚を設定すればよい。また、放熱側金属板の
表面に体積減少用の凹部、例えば溝や穴等を形成して、
上記体積比を満足させることも可能である。このよう
に、放熱側金属板に体積減少用凹部を設けてＶ2 ／Ｖ1
比を 1未満とすることによっても、放熱側金属板の板厚
を薄くした場合と同様に、反りの発生を抑制することが
できる。なお、体積減少用凹部として溝を設けることに
より、回路基板をハンダ付けする場合等において、ボイ
ドの発生を抑制することができ、熱抵抗不良の削減にも
寄与する。また、セラミックス回路基板のＴＣＴ特性
は、放熱側金属板の板厚が薄いほど向上するため、反り
が適正な範囲となるようにＶ2 ／Ｖ1 比を規定すること
で、すなわち放熱側金属板の板厚を薄くしたり、体積減
少用凹部を設けて見掛上の板厚を薄くすることで、耐熱
サイクル特性を向上させることができる。
ための具体的な方法としては、放熱側金属板には通常パ
ターン形成等は行わない（べた状）ため、例えば素子搭
載側金属板の板厚およびパターン形状に応じて、放熱側
金属板の板厚を設定すればよい。また、放熱側金属板の
表面に体積減少用の凹部、例えば溝や穴等を形成して、
上記体積比を満足させることも可能である。このよう
に、放熱側金属板に体積減少用凹部を設けてＶ2 ／Ｖ1
比を 1未満とすることによっても、放熱側金属板の板厚
を薄くした場合と同様に、反りの発生を抑制することが
できる。なお、体積減少用凹部として溝を設けることに
より、回路基板をハンダ付けする場合等において、ボイ
ドの発生を抑制することができ、熱抵抗不良の削減にも
寄与する。また、セラミックス回路基板のＴＣＴ特性
は、放熱側金属板の板厚が薄いほど向上するため、反り
が適正な範囲となるようにＶ2 ／Ｖ1 比を規定すること
で、すなわち放熱側金属板の板厚を薄くしたり、体積減
少用凹部を設けて見掛上の板厚を薄くすることで、耐熱
サイクル特性を向上させることができる。
【００１５】
【実施例】次に、本発明の実施例について説明する。
【００１６】実施例１ 図１に示すように、セラミックス基板１として窒化アル
ミニウム基板を用いて、この窒化アルミニウム基板１の
表面１ａおよび裏面１ｂに、素子搭載側金属板２および
放熱側金属板３として銅板を、それぞれ活性金属ろう材
４を用いて接合して、目的とするセラミックス回路基板
（半導体用回路基板）５を作製した。この際に、放熱側
金属板３の厚さを変化させて、反り特性等を調べた。
ミニウム基板を用いて、この窒化アルミニウム基板１の
表面１ａおよび裏面１ｂに、素子搭載側金属板２および
放熱側金属板３として銅板を、それぞれ活性金属ろう材
４を用いて接合して、目的とするセラミックス回路基板
（半導体用回路基板）５を作製した。この際に、放熱側
金属板３の厚さを変化させて、反り特性等を調べた。
【００１７】すなわち、63×29×0.635mm の窒化アルミ
ニウム基板（熱伝導率:170W/m K)の表裏面１ａ、１ｂ
に、それぞれ重量比でAg:Cu:Ti=67.7:26.3:6.0の組成を
有する活性金属ろう材ペーストを印刷（ペースト印刷厚
= 26.8μm)し、これら印刷層上に素子搭載側金属板２と
して所望の回路パターンを有する厚さ 0.3mmの銅板を、
また放熱側金属板３として種々の異なる銅板を配置した
後、 1×10-4Torr以下の真空中にて 850℃×10分の条件
で熱処理して、窒化アルミニウム基板１と銅板２、３と
を接合した。
ニウム基板（熱伝導率:170W/m K)の表裏面１ａ、１ｂ
に、それぞれ重量比でAg:Cu:Ti=67.7:26.3:6.0の組成を
有する活性金属ろう材ペーストを印刷（ペースト印刷厚
= 26.8μm)し、これら印刷層上に素子搭載側金属板２と
して所望の回路パターンを有する厚さ 0.3mmの銅板を、
また放熱側金属板３として種々の異なる銅板を配置した
後、 1×10-4Torr以下の真空中にて 850℃×10分の条件
で熱処理して、窒化アルミニウム基板１と銅板２、３と
を接合した。
【００１８】放熱側金属板３としての銅板の厚さは、
0.1mm、 0.2mm、0.25mm、 0.3mmの 4種類とした。これ
ら銅板の面積は 1515.52mm2 としたので、それぞれの銅
板の体積は、厚さが 0.1mmのものは151.55mm3 、厚さが
0.2mmのものは303.10mm3 、厚さが0.25mmのものは378.
88mm3 、厚さが 0.3mmのものは454.66mm3 である。ま
た、素子搭載側金属板２としての銅板の面積（パターン
面積）は 1118.48mm2 としたので、この銅板の体積は33
5.54mm3 である。
0.1mm、 0.2mm、0.25mm、 0.3mmの 4種類とした。これ
ら銅板の面積は 1515.52mm2 としたので、それぞれの銅
板の体積は、厚さが 0.1mmのものは151.55mm3 、厚さが
0.2mmのものは303.10mm3 、厚さが0.25mmのものは378.
88mm3 、厚さが 0.3mmのものは454.66mm3 である。ま
た、素子搭載側金属板２としての銅板の面積（パターン
面積）は 1118.48mm2 としたので、この銅板の体積は33
5.54mm3 である。
【００１９】上述した各セラミックス回路基板の接合後
の基板長手方向の反り量、およびハンダリフローのため
に 400℃で通炉した後の反りの増加率(=（通炉後の反り
量−通炉前の反り量）／通炉前の反り量×100(%)）の絶
対値を求めた。それらの結果を、各回路基板のＶ2 ／Ｖ
1 比と共に表１に示す。
の基板長手方向の反り量、およびハンダリフローのため
に 400℃で通炉した後の反りの増加率(=（通炉後の反り
量−通炉前の反り量）／通炉前の反り量×100(%)）の絶
対値を求めた。それらの結果を、各回路基板のＶ2 ／Ｖ
1 比と共に表１に示す。
【００２０】
【表１】 表１から明らかなように、放熱側銅板の体積と素子搭載
側銅板の体積との比（Ｖ2 ／Ｖ1 比）を0.75以上 1.0未
満の範囲とすることによって、接合後の回路基板の反り
量を50μm 以下とすることができ、しかもハンダリフロ
ーのための通炉後の反りの増加率を100%以下とすること
ができる。このように、Ｖ2 ／Ｖ1 比を所定の範囲内と
することによって、反りの発生を再現性よく抑制するこ
とが可能となる。
側銅板の体積との比（Ｖ2 ／Ｖ1 比）を0.75以上 1.0未
満の範囲とすることによって、接合後の回路基板の反り
量を50μm 以下とすることができ、しかもハンダリフロ
ーのための通炉後の反りの増加率を100%以下とすること
ができる。このように、Ｖ2 ／Ｖ1 比を所定の範囲内と
することによって、反りの発生を再現性よく抑制するこ
とが可能となる。
【００２１】また、上述した各セラミックス回路基板に
ついて、熱サイクル試験（ＴＣＴ:-40℃×30分＋ R.T×
10分＋ 125℃×30分＋ R.T×10分を 1サイクルとする）
を実施し、クラック発生までのサイクル数を調べたとこ
ろ、図２に示す結果が得られた。図２から分かるよう
に、放熱側銅板の厚さが小さくなるほどクラックが入る
までのサイクル数が大きくなり、しかもサイクル数を対
数表示した場合に直線的に変化することが明らかとなっ
た。この実施例では、放熱側銅板の板厚が 0.2mmの場合
に、特に反り量が小さくかつ耐熱サイクル特性に優れた
窒化アルミニウム回路基板が得られる。
ついて、熱サイクル試験（ＴＣＴ:-40℃×30分＋ R.T×
10分＋ 125℃×30分＋ R.T×10分を 1サイクルとする）
を実施し、クラック発生までのサイクル数を調べたとこ
ろ、図２に示す結果が得られた。図２から分かるよう
に、放熱側銅板の厚さが小さくなるほどクラックが入る
までのサイクル数が大きくなり、しかもサイクル数を対
数表示した場合に直線的に変化することが明らかとなっ
た。この実施例では、放熱側銅板の板厚が 0.2mmの場合
に、特に反り量が小さくかつ耐熱サイクル特性に優れた
窒化アルミニウム回路基板が得られる。
【００２２】なお、各セラミックス回路基板の接合強度
（ピール強度）は、いずれも10〜15kgf/cmの範囲であっ
た。
（ピール強度）は、いずれも10〜15kgf/cmの範囲であっ
た。
【００２３】実施例２ 図３に示すように、放熱側金属板として体積減少用溝６
を設けた銅板７を用いて、半導体用回路基板５を作製し
た。すなわち、実施例１と同様に、63×29×0.635mm の
窒化アルミニウム基板（熱伝導率:170W/m K)１の表裏面
１ａ、１ｂに、それぞれ重量比でAg:Cu:Ti=67.7:26.3:
6.0の組成を有する活性金属ろう材ペーストを印刷し、
表面１ａ側の印刷層上に所望の回路パターンを有する素
子搭載側銅板（厚さ:0.3mm）２を配置すると共に、裏面
１ｂ側の印刷層上に、表面（セラミックス基板との接合
面と反対側の面）に幅 0.5mm、深さ 0.1mmの溝５を、長
手方向に40本、短手方向に15本設けた銅板（厚さ:0.3m
m）６を配置した後、 1×10-4Torr以下の真空中にて 85
0℃×10分の条件で熱処理して、窒化アルミニウム基板
１と銅板２、６とを接合した。
を設けた銅板７を用いて、半導体用回路基板５を作製し
た。すなわち、実施例１と同様に、63×29×0.635mm の
窒化アルミニウム基板（熱伝導率:170W/m K)１の表裏面
１ａ、１ｂに、それぞれ重量比でAg:Cu:Ti=67.7:26.3:
6.0の組成を有する活性金属ろう材ペーストを印刷し、
表面１ａ側の印刷層上に所望の回路パターンを有する素
子搭載側銅板（厚さ:0.3mm）２を配置すると共に、裏面
１ｂ側の印刷層上に、表面（セラミックス基板との接合
面と反対側の面）に幅 0.5mm、深さ 0.1mmの溝５を、長
手方向に40本、短手方向に15本設けた銅板（厚さ:0.3m
m）６を配置した後、 1×10-4Torr以下の真空中にて 85
0℃×10分の条件で熱処理して、窒化アルミニウム基板
１と銅板２、６とを接合した。
【００２４】放熱側銅板６の体積は、溝の体積分93.0mm
3 だけ減って361.66mm3 であり、また素子搭載側銅板２
の体積は335.54mm3 であるため、体積比（Ｖ2 ／Ｖ
1 比）は1.08である。
3 だけ減って361.66mm3 であり、また素子搭載側銅板２
の体積は335.54mm3 であるため、体積比（Ｖ2 ／Ｖ
1 比）は1.08である。
【００２５】この実施例の半導体素子搭載用回路基板の
接合後の反り量は10μm 、またハンダリフローのために
400℃で通炉した後の反りの増加率は-24%と、いずれも
良好な値を示した。また、ＴＣＴによるクラック発生ま
でのサイクル数は、 400サイクルと良好な値を示した。
なお、接合強度（ピール強度）は12kgf/cmであった。 実施例３ 実施例１におけるセラミックス基板を、同形状の窒化ケ
イ素基板（熱伝導率:70W/m K)に代える以外は、同一形
状の素子搭載側銅板および放熱側銅板を用いて、実施例
１と同様な手順で、放熱側銅板の厚さが異なる 4種類の
半導体用回路基板を作製した。これらについても、接合
後の基板長手方向の反り量、およびハンダリフローのた
めに 400℃で通炉した後の反りの増加率を求めた。それ
らの結果を、各回路基板のＶ2 ／Ｖ1 比と共に表２に示
す。
接合後の反り量は10μm 、またハンダリフローのために
400℃で通炉した後の反りの増加率は-24%と、いずれも
良好な値を示した。また、ＴＣＴによるクラック発生ま
でのサイクル数は、 400サイクルと良好な値を示した。
なお、接合強度（ピール強度）は12kgf/cmであった。 実施例３ 実施例１におけるセラミックス基板を、同形状の窒化ケ
イ素基板（熱伝導率:70W/m K)に代える以外は、同一形
状の素子搭載側銅板および放熱側銅板を用いて、実施例
１と同様な手順で、放熱側銅板の厚さが異なる 4種類の
半導体用回路基板を作製した。これらについても、接合
後の基板長手方向の反り量、およびハンダリフローのた
めに 400℃で通炉した後の反りの増加率を求めた。それ
らの結果を、各回路基板のＶ2 ／Ｖ1 比と共に表２に示
す。
【００２６】
【表２】 表２から明らかなように、放熱側銅板の体積と素子搭載
側銅板の体積との比（Ｖ2 ／Ｖ1 比）を0.85以上 1.0未
満の範囲とすることによって、接合後の回路基板の反り
量を50μm 以下とすることができ、しかもハンダリフロ
ーのための通炉後の反りの増加率の絶対値を100%以下と
することができる。このように、Ｖ2／Ｖ1 比を所定の
範囲内とすることによって、反りの発生を再現性よく抑
制することが可能となる。
側銅板の体積との比（Ｖ2 ／Ｖ1 比）を0.85以上 1.0未
満の範囲とすることによって、接合後の回路基板の反り
量を50μm 以下とすることができ、しかもハンダリフロ
ーのための通炉後の反りの増加率の絶対値を100%以下と
することができる。このように、Ｖ2／Ｖ1 比を所定の
範囲内とすることによって、反りの発生を再現性よく抑
制することが可能となる。
【００２７】また、上述した各半導体用回路基板につい
て、実施例１と同様に、熱サイクル試験を実施し、クラ
ック発生までのサイクル数を調べたところ、図４に示す
結果が得られた。実施例１と同様に、放熱側銅板の厚さ
が小さくなるほどクラックが入るまでのサイクル数が大
きくなり、しかもサイクル数を対数表示した場合に直線
的に変化することが明らかとなった。この実施例では、
放熱側銅板の板厚が0.2mmの場合に、特に反り量が小さ
くかつ耐熱サイクル特性に優れた窒化アルミニウム回路
基板が得られる。
て、実施例１と同様に、熱サイクル試験を実施し、クラ
ック発生までのサイクル数を調べたところ、図４に示す
結果が得られた。実施例１と同様に、放熱側銅板の厚さ
が小さくなるほどクラックが入るまでのサイクル数が大
きくなり、しかもサイクル数を対数表示した場合に直線
的に変化することが明らかとなった。この実施例では、
放熱側銅板の板厚が0.2mmの場合に、特に反り量が小さ
くかつ耐熱サイクル特性に優れた窒化アルミニウム回路
基板が得られる。
【００２８】なお、各セラミックス回路基板の接合強度
（ピール強度）は、いずれも18〜27kgf/cmの範囲であっ
た。
（ピール強度）は、いずれも18〜27kgf/cmの範囲であっ
た。
【００２９】実施例４ 実施例２における窒化アルミニウム基板を、実施例３で
用いた窒化ケイ素基板に代える以外は、実施例２と同様
な溝付きの放熱側銅板を用いて、半導体用回路基板を作
製した。
用いた窒化ケイ素基板に代える以外は、実施例２と同様
な溝付きの放熱側銅板を用いて、半導体用回路基板を作
製した。
【００３０】この実施例の半導体用回路基板の接合後の
反り量は10μm 、またハンダリフローのために 400℃で
通炉した後の反りの増加率は-40%と、いずれも良好な値
を示した。また、ＴＣＴによるクラック発生までのサイ
クル数は、1200サイクルと良好な値を示した。なお、接
合強度（ピール強度）は22kgf/cmであった。
反り量は10μm 、またハンダリフローのために 400℃で
通炉した後の反りの増加率は-40%と、いずれも良好な値
を示した。また、ＴＣＴによるクラック発生までのサイ
クル数は、1200サイクルと良好な値を示した。なお、接
合強度（ピール強度）は22kgf/cmであった。
【００３１】実施例５ 実施例１におけるセラミックス基板を、同形状のアルミ
ナ基板（熱伝導率: 21W/m K)に代える以外は、同一形状
の素子搭載側銅板および放熱側銅板を用いて、実施例１
と同様な手順で、放熱側銅板の厚さが異なる 4種類の半
導体用回路基板を作製した。これらについても、接合後
の基板長手方向の反り量、およびハンダリフローのため
に 400℃で通炉した後の反りの増加率を求めた。それら
の結果を、各回路基板のＶ2 ／Ｖ1 比と共に表３に示
す。
ナ基板（熱伝導率: 21W/m K)に代える以外は、同一形状
の素子搭載側銅板および放熱側銅板を用いて、実施例１
と同様な手順で、放熱側銅板の厚さが異なる 4種類の半
導体用回路基板を作製した。これらについても、接合後
の基板長手方向の反り量、およびハンダリフローのため
に 400℃で通炉した後の反りの増加率を求めた。それら
の結果を、各回路基板のＶ2 ／Ｖ1 比と共に表３に示
す。
【００３２】
【表３】 表３から明らかなように、放熱側銅板の体積と素子搭載
側銅板の体積との比（Ｖ2 ／Ｖ1 比）を0.70以上 1.0未
満の範囲とすることによって、接合後の回路基板の反り
量を50μm 以下とすることができ、しかもハンダリフロ
ーのための通炉後の反りの増加率の絶対値を100%以下と
することができる。このように、Ｖ2／Ｖ1 比を所定の
範囲内とすることによって、反りの発生を再現性よく抑
制することが可能となる。
側銅板の体積との比（Ｖ2 ／Ｖ1 比）を0.70以上 1.0未
満の範囲とすることによって、接合後の回路基板の反り
量を50μm 以下とすることができ、しかもハンダリフロ
ーのための通炉後の反りの増加率の絶対値を100%以下と
することができる。このように、Ｖ2／Ｖ1 比を所定の
範囲内とすることによって、反りの発生を再現性よく抑
制することが可能となる。
【００３３】また、上述した各半導体用回路基板につい
て、実施例１と同様に、熱サイクル試験を実施し、クラ
ック発生までのサイクル数を調べたところ、図５に示す
結果が得られた。実施例１と同様に、放熱側銅板の厚さ
が小さくなるほどクラックが入るまでのサイクル数が大
きくなり、しかもサイクル数を対数表示した場合に直線
的に変化することが明らかとなった。この実施例では、
放熱側銅板の板厚が0.2mmの場合に、特に反り量が小さ
くかつ耐熱サイクル特性に優れた窒化アルミニウム回路
基板が得られる。
て、実施例１と同様に、熱サイクル試験を実施し、クラ
ック発生までのサイクル数を調べたところ、図５に示す
結果が得られた。実施例１と同様に、放熱側銅板の厚さ
が小さくなるほどクラックが入るまでのサイクル数が大
きくなり、しかもサイクル数を対数表示した場合に直線
的に変化することが明らかとなった。この実施例では、
放熱側銅板の板厚が0.2mmの場合に、特に反り量が小さ
くかつ耐熱サイクル特性に優れた窒化アルミニウム回路
基板が得られる。
【００３４】なお、各セラミックス回路基板の接合強度
（ピール強度）は、いずれも10.4〜19.5kgf/cmの範囲で
あった。
（ピール強度）は、いずれも10.4〜19.5kgf/cmの範囲で
あった。
【００３５】実施例６ 実施例２における窒化アルミニウム基板を、実施例５で
用いたアルミナ基板に代える以外は、実施例２と同様な
溝付きの放熱側銅板を用いて、半導体用回路基板を作製
した。
用いたアルミナ基板に代える以外は、実施例２と同様な
溝付きの放熱側銅板を用いて、半導体用回路基板を作製
した。
【００３６】この実施例の半導体用回路基板の接合後の
反り量は16.8μm 、またハンダリフローのために 400℃
で通炉した後の反りの増加率は-16%と、いずれも良好な
値を示した。また、ＴＣＴによるクラック発生までのサ
イクル数は、 500サイクルと良好な値を示した。なお、
接合強度（ピール強度）は11kgf/cmであった。
反り量は16.8μm 、またハンダリフローのために 400℃
で通炉した後の反りの増加率は-16%と、いずれも良好な
値を示した。また、ＴＣＴによるクラック発生までのサ
イクル数は、 500サイクルと良好な値を示した。なお、
接合強度（ピール強度）は11kgf/cmであった。
【００３７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のセラミッ
クス回路基板によれば、セラミックス基板の種類、表面
側金属板のパターン形状や板厚等によらずに、金属板接
合時や素子搭載用のハンダリフロー時の加熱等による基
板の反りを再現性よく抑制することが可能になる。よっ
て、半導体素子実装時の問題を大幅に解消することがで
きる。また、耐熱サイクル特性の向上を図ることも可能
となるため、より信頼性に優れたセラミックス回路基板
を提供することができる。
クス回路基板によれば、セラミックス基板の種類、表面
側金属板のパターン形状や板厚等によらずに、金属板接
合時や素子搭載用のハンダリフロー時の加熱等による基
板の反りを再現性よく抑制することが可能になる。よっ
て、半導体素子実装時の問題を大幅に解消することがで
きる。また、耐熱サイクル特性の向上を図ることも可能
となるため、より信頼性に優れたセラミックス回路基板
を提供することができる。
【図１】 本発明の一実施例によるセラミックス回路基
板の構成を示す断面図である。
板の構成を示す断面図である。
【図２】 セラミックス基板として窒化アルミニウム基
板を用いたセラミックス回路基板の放熱側金属板の板厚
とクラック発生までのＴＣＴサイクル数との関係を示す
図である。
板を用いたセラミックス回路基板の放熱側金属板の板厚
とクラック発生までのＴＣＴサイクル数との関係を示す
図である。
【図３】 本発明の他の実施例によるセラミックス回路
基板の構成を示す断面図である。
基板の構成を示す断面図である。
【図４】 セラミックス基板として窒化ケイ素基板を用
いたセラミックス回路基板の放熱側金属板の板厚とクラ
ック発生までのＴＣＴサイクル数との関係を示す図であ
る。
いたセラミックス回路基板の放熱側金属板の板厚とクラ
ック発生までのＴＣＴサイクル数との関係を示す図であ
る。
【図５】 セラミックス基板としてアルミナ基板を用い
たセラミックス回路基板の放熱側金属板の板厚とクラッ
ク発生までのＴＣＴサイクル数との関係を示す図であ
る。
たセラミックス回路基板の放熱側金属板の板厚とクラッ
ク発生までのＴＣＴサイクル数との関係を示す図であ
る。
１……セラミックス基板 ２……素子搭載側金属板 ３……放熱側金属板 ４……活性金属ろう材層 ５……セラミックス回路基板 ６……体積減少用溝 ７……溝付き放熱側金属板
Claims (5)
- 【請求項１】 セラミックス基板と、前記セラミックス
基板の一方の主面に活性金属法により接合された素子搭
載側金属板と、前記セラミックス基板の他方の主面に活
性金属法により接合された放熱側金属板とを有するセラ
ミックス回路基板において、 前記放熱側金属板の体積（Ｖ2 ）と前記素子搭載側金属
板の体積（Ｖ1 ）との比（Ｖ2 ／Ｖ1 ）が 1.0未満ある
ことを特徴とするセラミックス回路基板。 - 【請求項２】 請求項１記載のセラミックス回路基板に
おいて、 前記セラミックス基板が窒化アルミニウム系基板であ
り、かつ前記Ｖ2 ／Ｖ1比が0.75以上 1未満であること
を特徴とするセラミックス回路基板。 - 【請求項３】 請求項１記載のセラミックス回路基板に
おいて、 前記セラミックス基板が窒化ケイ素系基板であり、かつ
前記Ｖ2 ／Ｖ1 比が0.85以上 1未満であることを特徴と
するセラミックス回路基板。 - 【請求項４】 請求項１記載のセラミックス回路基板に
おいて、 前記セラミックス基板が酸化アルミニウム系基板であ
り、かつ前記Ｖ2 ／Ｖ1比が0.70以上 1未満であること
を特徴とするセラミックス回路基板。 - 【請求項５】 セラミックス基板と、前記セラミックス
基板の一方の主面に活性金属法により接合された半導体
素子搭載側金属板と、前記セラミックス基板の他方の主
面に活性金属法により接合された放熱側金属板とを有す
るセラミックス回路基板において、 前記放熱側金属板の表面には、体積減少用凹部が設けら
れていることを特徴とするセラミックス回路基板。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22611193A JPH0786703A (ja) | 1993-09-10 | 1993-09-10 | セラミックス回路基板 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22611193A JPH0786703A (ja) | 1993-09-10 | 1993-09-10 | セラミックス回路基板 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0786703A true JPH0786703A (ja) | 1995-03-31 |
Family
ID=16840013
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP22611193A Pending JPH0786703A (ja) | 1993-09-10 | 1993-09-10 | セラミックス回路基板 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0786703A (ja) |
Cited By (14)
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-
1993
- 1993-09-10 JP JP22611193A patent/JPH0786703A/ja active Pending
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