JP2712778B2 - 金属・セラミックス複合基板の製造方法 - Google Patents
金属・セラミックス複合基板の製造方法Info
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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ミッ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金属・セラ
ミックス複合基板に関するものである。
関し、特にパワーモジュール用基板に適した金属・セラ
ミックス複合基板に関するものである。
近年、基板上に電子素子を搭載し各素子間を導体で接
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ド回路が普及している。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が一般的である。また、ハイブ
リッドIC回路のように寸法精度を必要とし、高い信頼性
を求められるものや、大電力で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が使用されてい
る。一方回路導体としては銅や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
部分をエッチングにより除去して回路を形成する方法が
とられている。また反対側には放熱用のヒートシンクと
して銅板やアルミニウム板を接合した金属・セラミック
ス複合基板が使用されている。
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ド回路が普及している。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が一般的である。また、ハイブ
リッドIC回路のように寸法精度を必要とし、高い信頼性
を求められるものや、大電力で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が使用されてい
る。一方回路導体としては銅や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
部分をエッチングにより除去して回路を形成する方法が
とられている。また反対側には放熱用のヒートシンクと
して銅板やアルミニウム板を接合した金属・セラミック
ス複合基板が使用されている。
このようなハイパワー用モジュール基板用として金属
とセラミックスを接合する方法にはMo−Mnメタライズ
法、銅−酸素共晶法、活性金属法などがある。セラミッ
クスは一般に硬くて脆く、靱性が乏しいため、接合体が
熱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
スにクラックが発生し、その成長によりやがて回路の破
壊に至るようになる。熱応力破壊は高電力を負荷した場
合の制御回路ユニット、高密度ハイブリッドIC、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。
とセラミックスを接合する方法にはMo−Mnメタライズ
法、銅−酸素共晶法、活性金属法などがある。セラミッ
クスは一般に硬くて脆く、靱性が乏しいため、接合体が
熱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
スにクラックが発生し、その成長によりやがて回路の破
壊に至るようになる。熱応力破壊は高電力を負荷した場
合の制御回路ユニット、高密度ハイブリッドIC、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。
従来、熱応力破壊に耐える複合基板としては、金属と
セラミックスを強固に接合する手段が追求され、上述の
接合方法もひたすら接合強度の向上を目指したものであ
る。これらの接合方法のうち接着強度の面からは活性金
属法が優れていると言える（特開昭60−200868参照）。
セラミックスを強固に接合する手段が追求され、上述の
接合方法もひたすら接合強度の向上を目指したものであ
る。これらの接合方法のうち接着強度の面からは活性金
属法が優れていると言える（特開昭60−200868参照）。
活性金属法により金属とセラミックスとの接合強度を
高め、耐クラック性を向上させるために種々の金属質接
合材が提案されている。本出願人も先に（Cu、Ni）−
（Ti,Zr、Nb）−Ag系金属質接合材を提案した（特願昭6
2−210704参照）。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
の発生が生じることが判明した。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ック性は悪くなる傾
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、なお十分な耐クラック性が得られない場合
がある。耐クラッ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が著しく、
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
板で寿命を決定するものとなる。
高め、耐クラック性を向上させるために種々の金属質接
合材が提案されている。本出願人も先に（Cu、Ni）−
（Ti,Zr、Nb）−Ag系金属質接合材を提案した（特願昭6
2−210704参照）。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
の発生が生じることが判明した。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ック性は悪くなる傾
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、なお十分な耐クラック性が得られない場合
がある。耐クラッ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が著しく、
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
板で寿命を決定するものとなる。
本発明の目的は耐熱衝撃性、すなわち耐クラック性を
著しく改善した金属・セラミックス接合体を提供しよう
とするものである。
著しく改善した金属・セラミックス接合体を提供しよう
とするものである。
本発明者らは活性金属法による金属とセラミックスと
の接合体の耐クラック性について研究を重ねた結果、耐
クラック性を支配しているのは材料相互の熱膨張率の
差、接合強度、セラミックスの抗折強度の他に、積極的
に応力緩和を施すことにり、耐クラック性を大幅に改善
できることが分った。
の接合体の耐クラック性について研究を重ねた結果、耐
クラック性を支配しているのは材料相互の熱膨張率の
差、接合強度、セラミックスの抗折強度の他に、積極的
に応力緩和を施すことにり、耐クラック性を大幅に改善
できることが分った。
熱衝撃を受けた場合のヘアークラックの発生原因は、
金属とセラミックスと熱膨張の差に起因するソリであ
り、そのソリを小さくするための応力緩和の方法を見い
だした。
金属とセラミックスと熱膨張の差に起因するソリであ
り、そのソリを小さくするための応力緩和の方法を見い
だした。
すなわち、本発明では金属板とセラミックス板との間
に設ける接合層に所定の厚さを与え、しかも接合層の寸
法を金属板よりも大きく設定し、接合層の金属板よりは
み出す部分に厚みの変化をもたせ、この斜面を利用して
応力を緩和させるようにしたものである。本発明の構造
を第１図に示す。
に設ける接合層に所定の厚さを与え、しかも接合層の寸
法を金属板よりも大きく設定し、接合層の金属板よりは
み出す部分に厚みの変化をもたせ、この斜面を利用して
応力を緩和させるようにしたものである。本発明の構造
を第１図に示す。
第１図において１はアルミナ、窒化アルミ、炭化硅素
等のセラミックス基板、２は回路用又はヒートシンク用
の金属板、３は金属粉を含む接合材である。接合材３は
シート状のものを使用してもよいし、ペースト状のもの
を印刷してもよい。いずれにしても接合材３は金属板２
に対してｌだけ大きな寸法にしておく。金属板の大きさ
によっても異なるが、通常金属板の大きさが２〜10mmの
場合にはｌ＝0.05〜0.25mmとするのが適当である。接合
材の厚さｔは接合面積にもよるが通常は10〜50μｍであ
る。このように接合材３を金属板より若干大き目に3bで
例示した寸法に設けて熱間圧接すると、接合材３は第１
図中3bで示すような形状の斜面を形成する。
等のセラミックス基板、２は回路用又はヒートシンク用
の金属板、３は金属粉を含む接合材である。接合材３は
シート状のものを使用してもよいし、ペースト状のもの
を印刷してもよい。いずれにしても接合材３は金属板２
に対してｌだけ大きな寸法にしておく。金属板の大きさ
によっても異なるが、通常金属板の大きさが２〜10mmの
場合にはｌ＝0.05〜0.25mmとするのが適当である。接合
材の厚さｔは接合面積にもよるが通常は10〜50μｍであ
る。このように接合材３を金属板より若干大き目に3bで
例示した寸法に設けて熱間圧接すると、接合材３は第１
図中3bで示すような形状の斜面を形成する。
複合基板の破壊はセラミックス板１と金属板２の熱膨
張の差により基板と接合材との不連続接点である1a点か
ら起こるが、第１図に示すような接合材の斜面3bを設け
ることにより1a部の応力を分散させることができる。
張の差により基板と接合材との不連続接点である1a点か
ら起こるが、第１図に示すような接合材の斜面3bを設け
ることにより1a部の応力を分散させることができる。
次に本発明では接合する活性金属としては、たとえば
CuまたはNiのうちの少なくとも１種を10〜60％、Ti、N
b、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合金を使用
するのが適当である。
CuまたはNiのうちの少なくとも１種を10〜60％、Ti、N
b、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合金を使用
するのが適当である。
CuまたはNiは接合力を出すための成分であって、上記
範囲を外れると接合力が不十分となる。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。
活性化金属の量が0.5％未満では拡散接合が不十分とな
る。一方、10％を超えると耐熱衝撃性（耐クラック性）
が低下する。
範囲を外れると接合力が不十分となる。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。
活性化金属の量が0.5％未満では拡散接合が不十分とな
る。一方、10％を超えると耐熱衝撃性（耐クラック性）
が低下する。
接合金属層は上記組成を有するものであれば好ましい
が、組成には特に制限がない。上記活性化金属の微粉末
はメカニカルアロイ法で複合化した活性化金属を用いる
のがよい。活性化金属は粉末状で使用したものであって
も、ペースト状で使用したものであっても、またシート
状で使用したものであっても何れでもよい。金属とセラ
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、耐熱衝撃
性に優れた金属・セラミックス接合体が得られる。
が、組成には特に制限がない。上記活性化金属の微粉末
はメカニカルアロイ法で複合化した活性化金属を用いる
のがよい。活性化金属は粉末状で使用したものであって
も、ペースト状で使用したものであっても、またシート
状で使用したものであっても何れでもよい。金属とセラ
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、耐熱衝撃
性に優れた金属・セラミックス接合体が得られる。
本発明では、接合材の寸法効果により応力を分散さ
せ、応力が発生しても破壊を防止するようにしたもので
ある。
せ、応力が発生しても破壊を防止するようにしたもので
ある。
実施例１ 表１に示す各種金属粉末を窒素雰囲気中で分級し、10
μｍ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本ロールミルで混練してペーストとし
た。
μｍ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本ロールミルで混練してペーストとし
た。
次に厚さ0.635mmのアルミナ基板と、厚さ0.3mmの銅板
を準備した。
を準備した。
アルミナ基板の両面に第３図に示すようなパターンの
導電回路とヒートシンクを接合した。導電回路の寸法を
第３図（ａ）に、またヒートシンクの寸法を第３図
（ｂ）に示す。
導電回路とヒートシンクを接合した。導電回路の寸法を
第３図（ａ）に、またヒートシンクの寸法を第３図
（ｂ）に示す。
次に上記ペーストをスクリーン印刷法を用いてアルミ
ナ基板上に30μｍの厚さに印刷した。印刷したペースト
の寸法は表１に示したとおりである。使用したスクリー
ンはステンレス鋼製200メッシュバイアス張りでエマル
ジョン厚さは45μｍである。印刷後、10分間室温にてレ
ベリングし、引続き105℃で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で600℃に加熱して
脱脂した。脱脂処理を完了したアルミナ基板に銅板を重
ね、10kg/cm2の荷重を加え真空雰囲気中で850℃×15分
間加熱し接合して複合基板を得た。
ナ基板上に30μｍの厚さに印刷した。印刷したペースト
の寸法は表１に示したとおりである。使用したスクリー
ンはステンレス鋼製200メッシュバイアス張りでエマル
ジョン厚さは45μｍである。印刷後、10分間室温にてレ
ベリングし、引続き105℃で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で600℃に加熱して
脱脂した。脱脂処理を完了したアルミナ基板に銅板を重
ね、10kg/cm2の荷重を加え真空雰囲気中で850℃×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。
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。
なお、ピール強度試験は複合基板に引張端子を接合し
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、剥がれたときの荷重を測定した。また、熱衝撃試験
は−40℃×30分保持と＋125℃×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ッチン
グ除去した後、セラミックスをレッドエッチングし、そ
のセラミックスの表面を顕微鏡観察し、ヘアークラック
発生の有無を観察した。
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、剥がれたときの荷重を測定した。また、熱衝撃試験
は−40℃×30分保持と＋125℃×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ッチン
グ除去した後、セラミックスをレッドエッチングし、そ
のセラミックスの表面を顕微鏡観察し、ヘアークラック
発生の有無を観察した。
耐クラック性を迅速に判定する手段として、マイナス
40℃に30分保持した後プラス125℃で30分保持する熱衝
撃試験により評価することができる。上記熱サイクルを
与えた場合に、50サイクル経過後もクラックが発生しな
ければ実用上の寿命は何ら問題ないといえる。
40℃に30分保持した後プラス125℃で30分保持する熱衝
撃試験により評価することができる。上記熱サイクルを
与えた場合に、50サイクル経過後もクラックが発生しな
ければ実用上の寿命は何ら問題ないといえる。
表１から明らかなとおり、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で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
ナ基板の抗折力が弱い場合には、冷熱サイクルにおいて
クラックが発生しやすいことが分かる。
場合は、いずれも接着状態が良好で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
ナ基板の抗折力が弱い場合には、冷熱サイクルにおいて
クラックが発生しやすいことが分かる。
実施例２ 窒化アルミ基板を用いて実施例１と同様にして複合基
板を作成し、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。
板を作成し、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からも本発明の複合基板は耐熱衝撃性に優れてい
ることが分かる。
ることが分かる。
本発明の複合基板は耐熱衝撃性に優れているので高電
力密度で使用されるハイブリッド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。
力密度で使用されるハイブリッド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。
【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の複合基板の構造を説明する図、第２図
は従来の複合基板の構造を説明する図、第３図は本発明
の実施例における金属板の寸法を示し、第３図（ａ）は
導電回路、第３図（ｂ）はヒートシンクである。 １……セラミックス基板 ２……金属板 ３……接合材
は従来の複合基板の構造を説明する図、第３図は本発明
の実施例における金属板の寸法を示し、第３図（ａ）は
導電回路、第３図（ｂ）はヒートシンクである。 １……セラミックス基板 ２……金属板 ３……接合材
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０５Ｋ 3/00 Ｈ０１Ｌ 23/12 Ｑ (72)発明者 河内 恒夫 埼玉県秩父市大字下影森1505 昭和電工 株式会社秩父研究所内 (72)発明者 宇都宮 正英 埼玉県秩父市大字下影森1505 昭和電工 株式会社秩父研究所内 (72)発明者 渋江 義博 埼玉県秩父市大字下影森1505 昭和電工 株式会社秩父研究所内 (56)参考文献 特開 昭62−72472（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−204881（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−252975（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−196074（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−261669（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−74773（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- 【請求項１】活性金属法により金属板又は金属箔とアル
ミナ又は窒化アルミからなるセラミックス基板を接合し
て複合基板を製造するに際し、Cu又はNiのうち少なくと
も１種を10〜60％、Ti、Nb、Zrのうち少なくとも１種を
0.5〜10％含み、残部が不可避的不純物を含むAgからな
る活性金属を含む接合材をセラミックス基板表面に厚さ
が10〜50μｍであって、金属板又は金属箔材料寸法より
も0.05mm以上0.25mm未満大きく配置し、金属板又は金属
箔材料を張合せた後、圧接・加熱することを特徴とする
金属・セラミックス複合基板の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2187493A JP2712778B2 (ja) | 1990-07-16 | 1990-07-16 | 金属・セラミックス複合基板の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2187493A JP2712778B2 (ja) | 1990-07-16 | 1990-07-16 | 金属・セラミックス複合基板の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0477369A JPH0477369A (ja) | 1992-03-11 |
| JP2712778B2 true JP2712778B2 (ja) | 1998-02-16 |
Family
ID=16207030
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2187493A Expired - Lifetime JP2712778B2 (ja) | 1990-07-16 | 1990-07-16 | 金属・セラミックス複合基板の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2712778B2 (ja) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3845925B2 (ja) * | 1996-02-05 | 2006-11-15 | 住友電気工業株式会社 | 窒化アルミニウム基材を用いた半導体装置用部材及びその製造方法 |
| JPH09275165A (ja) * | 1996-02-07 | 1997-10-21 | Hitachi Ltd | 回路基板及びそれを用いた半導体装置 |
| JP3512977B2 (ja) * | 1996-08-27 | 2004-03-31 | 同和鉱業株式会社 | 高信頼性半導体用基板 |
| EP0935286A4 (en) * | 1997-05-26 | 2008-04-09 | Sumitomo Electric Industries | COPPER CIRCUIT JUNCTION SUBSTRATE AND PROCESS FOR PRODUCING THE SAME |
| JP4168114B2 (ja) * | 2001-09-28 | 2008-10-22 | Ｄｏｗａホールディングス株式会社 | 金属−セラミックス接合体 |
| JP5266508B2 (ja) * | 2011-06-17 | 2013-08-21 | Ｄｏｗａメタルテック株式会社 | 金属−セラミックス接合基板 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS58204881A (ja) * | 1982-05-20 | 1983-11-29 | 日本航空電子工業株式会社 | 金属とセラミツクスとの接合方法 |
| JPS6272472A (ja) * | 1985-09-27 | 1987-04-03 | Hitachi Ltd | セラミツクスと金属等との接合方法 |
| JPS63252975A (ja) * | 1987-04-09 | 1988-10-20 | 古河電気工業株式会社 | セラミツクス材と金属部材との接合方法 |
| JP2797020B2 (ja) * | 1990-07-12 | 1998-09-17 | 同和鉱業株式会社 | 窒化珪素と金属との接合体およびその製造法 |
-
1990
- 1990-07-16 JP JP2187493A patent/JP2712778B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0477369A (ja) | 1992-03-11 |
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