JP3056889B2 - 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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- JP3056889B2 JP3056889B2 JP4212458A JP21245892A JP3056889B2 JP 3056889 B2 JP3056889 B2 JP 3056889B2 JP 4212458 A JP4212458 A JP 4212458A JP 21245892 A JP21245892 A JP 21245892A JP 3056889 B2 JP3056889 B2 JP 3056889B2
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- circuit
- ceramic
- circuit board
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- 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
- H05K1/0201—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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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、セラミックス回路基
板、詳しくはパワー半導体モジュール等に使用されるセ
ラミックス回路基板に関する。
板、詳しくはパワー半導体モジュール等に使用されるセ
ラミックス回路基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、ロボットやモーター等の産業機器
の高性能化に伴い、大電力・高能率インバーターなど大
電力モジュールの変遷が進んでおり、半導体素子から発
生する熱も増加の一途をたどっている。この熱を効率よ
く放散するため、大電力モジュール基板では従来より様
々な方法がとられてきた。特に最近、良好な熱伝導率を
有するセラミックス基板の出現により、基板上に半導体
素子を搭載する構造も採用されている。
の高性能化に伴い、大電力・高能率インバーターなど大
電力モジュールの変遷が進んでおり、半導体素子から発
生する熱も増加の一途をたどっている。この熱を効率よ
く放散するため、大電力モジュール基板では従来より様
々な方法がとられてきた。特に最近、良好な熱伝導率を
有するセラミックス基板の出現により、基板上に半導体
素子を搭載する構造も採用されている。
【０００３】従来より、金属とセラミックスを接合する
方法には様々な方法があるが、特に回路基板の構造とい
う点からは、Ｍｏ−Ｍｎ法、活性金属メタライズ法（以
下、単に活性金属法という）、硫化銅法、ＤＢＣ法、銅
メタライズ法があげられる。これらの中で大電力モジュ
ール基板の製造では、現在、金属として銅を用い、セラ
ミックスとの接合方法として活性金属法又はＤＢＣ法を
用いることが主流となっており、更に、高熱伝導を有す
る窒化アルミニウムを絶縁基板として使用することが普
及しつつある。
方法には様々な方法があるが、特に回路基板の構造とい
う点からは、Ｍｏ−Ｍｎ法、活性金属メタライズ法（以
下、単に活性金属法という）、硫化銅法、ＤＢＣ法、銅
メタライズ法があげられる。これらの中で大電力モジュ
ール基板の製造では、現在、金属として銅を用い、セラ
ミックスとの接合方法として活性金属法又はＤＢＣ法を
用いることが主流となっており、更に、高熱伝導を有す
る窒化アルミニウムを絶縁基板として使用することが普
及しつつある。
【０００４】従来の銅板と窒化アルミニウム基板を接合
する方法としては、銅板を窒化アルミニウム基板との間
に活性金属を含むろう材を介在させ、加熱処理し接合体
を形成する活性金属法（例えば、特開昭60ー177634 号公
報）や、銅板と表面を酸化処理してなる窒化アルミニウ
ム基板とを銅の融点以下、Cu2O-Oの共晶温度以上で加熱
接合するＤＢＣ法（例えば、特開昭56ー163093号公報）
などが知られている。
する方法としては、銅板を窒化アルミニウム基板との間
に活性金属を含むろう材を介在させ、加熱処理し接合体
を形成する活性金属法（例えば、特開昭60ー177634 号公
報）や、銅板と表面を酸化処理してなる窒化アルミニウ
ム基板とを銅の融点以下、Cu2O-Oの共晶温度以上で加熱
接合するＤＢＣ法（例えば、特開昭56ー163093号公報）
などが知られている。
【０００５】活性金属法はＤＢＣ法に比べて、 （１）接合処理温度が低いので、ＡｌＮ−Ｃｕの熱膨張
差によって生じる残留応力が小さい。 （２）接合層が延性金属であるので、ヒートショックや
ヒートサイクルに対して耐久性が良好である。 などの利点があるが、絶縁基板にセラミックスを使用す
るため、曲げ応力に弱く、クラックが生じ易いという問
題があった。
差によって生じる残留応力が小さい。 （２）接合層が延性金属であるので、ヒートショックや
ヒートサイクルに対して耐久性が良好である。 などの利点があるが、絶縁基板にセラミックスを使用す
るため、曲げ応力に弱く、クラックが生じ易いという問
題があった。
【０００６】これは、パワーモジュール組立工程の中で
セラミックス回路基板を厚さ数mmのベース銅板へ半田付
けする際、半田の融点、例えばPb:Sn=37:63 共晶半田の
場合には、230 ℃以上に加熱する必要があるので、この
時の熱履歴によりベース銅板が反りセラミックス回路基
板に曲げ応力が加わってクラックが生じたり、また、組
み立てられたパワーモジュールを放熱フィンにボルト締
めする際、機械的な曲げ応力により、クラックが生じ絶
縁不良となる問題があった。このクラックは歩留りを低
下させるだけでなく、高い信頼性が要求されるパワーモ
ジュールの分野では致命的な欠陥となる。
セラミックス回路基板を厚さ数mmのベース銅板へ半田付
けする際、半田の融点、例えばPb:Sn=37:63 共晶半田の
場合には、230 ℃以上に加熱する必要があるので、この
時の熱履歴によりベース銅板が反りセラミックス回路基
板に曲げ応力が加わってクラックが生じたり、また、組
み立てられたパワーモジュールを放熱フィンにボルト締
めする際、機械的な曲げ応力により、クラックが生じ絶
縁不良となる問題があった。このクラックは歩留りを低
下させるだけでなく、高い信頼性が要求されるパワーモ
ジュールの分野では致命的な欠陥となる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、セラミ
ックス回路基板に曲げ応力が加わった場合、金属回路の
パターンの端部に沿ってクラックが発生していることに
着目した。セラミックスと金属板の接合面において、熱
膨張率の差によって生じる引張応力は、 Wittmerらによ
る"Mechanical Properties of Liquid-Phase-Bonded Co
pper-Ceramic Substrates" (Journal of the American
Ceramic Society March 1982,vol.65,No.3,p149-153)
には、金属板の厚みに支配されることが記載されてい
る。
ックス回路基板に曲げ応力が加わった場合、金属回路の
パターンの端部に沿ってクラックが発生していることに
着目した。セラミックスと金属板の接合面において、熱
膨張率の差によって生じる引張応力は、 Wittmerらによ
る"Mechanical Properties of Liquid-Phase-Bonded Co
pper-Ceramic Substrates" (Journal of the American
Ceramic Society March 1982,vol.65,No.3,p149-153)
には、金属板の厚みに支配されることが記載されてい
る。
【０００８】しかしながら、その接合面は金属板により
補強されているため、曲げ応力が集中しにくい。一方、
金属回路のパターン端部は、熱膨張率の差から生じる金
属回路板の引張応力が加わっている上に、金属板の補強
効果もないため、曲げ応力が集中しやすく、クラックが
生じる。
補強されているため、曲げ応力が集中しにくい。一方、
金属回路のパターン端部は、熱膨張率の差から生じる金
属回路板の引張応力が加わっている上に、金属板の補強
効果もないため、曲げ応力が集中しやすく、クラックが
生じる。
【０００９】本発明者らは、上記問題を解決するために
鋭意検討した結果、例えば、セラミックス回路基板の中
心部のように、曲げ応力が集中し易い部分の金属回路の
パターン形状を金属板の補強効果が得られるように設計
し、しかも金属回路の厚みを薄くすれば、金属回路のパ
ターン端部にかかる引張応力が小さくなることによって
セラミックス回路基板の抗折強度が大きくなり、クラッ
クの発生を抑制できることを見いだし、本発明を完成し
たものである。
鋭意検討した結果、例えば、セラミックス回路基板の中
心部のように、曲げ応力が集中し易い部分の金属回路の
パターン形状を金属板の補強効果が得られるように設計
し、しかも金属回路の厚みを薄くすれば、金属回路のパ
ターン端部にかかる引張応力が小さくなることによって
セラミックス回路基板の抗折強度が大きくなり、クラッ
クの発生を抑制できることを見いだし、本発明を完成し
たものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、セ
ラミックス基板の表面に金属回路、裏面に金属板がそれ
ぞれ活性金属法で接合されてなるセラミックス回路基板
であって、金属回路の厚みが０．１〜０．３ｍｍ、金属
回路の体積に対する裏面金属板の体積の比（裏面金属板
体積／金属回路体積）が０．５０〜１．０であり、しか
も金属回路が形成されているセラミックス回路基板の全
ての断面において、金属回路とセラミックス基板との接
合部分の長さの合計がセラミックス基板の長さに対して
２０％以上であることを特徴とするセラミックス回路基
板である。
ラミックス基板の表面に金属回路、裏面に金属板がそれ
ぞれ活性金属法で接合されてなるセラミックス回路基板
であって、金属回路の厚みが０．１〜０．３ｍｍ、金属
回路の体積に対する裏面金属板の体積の比（裏面金属板
体積／金属回路体積）が０．５０〜１．０であり、しか
も金属回路が形成されているセラミックス回路基板の全
ての断面において、金属回路とセラミックス基板との接
合部分の長さの合計がセラミックス基板の長さに対して
２０％以上であることを特徴とするセラミックス回路基
板である。
【００１１】以下、さらに詳しく本発明について説明す
ると、本発明の最大の特徴は、従来用いられている材料
や工程をほとんど変更することなしに、セラミックス回
路基板の抗折強度を高め、クラックの抑制に大きな効果
をあげたことである。
ると、本発明の最大の特徴は、従来用いられている材料
や工程をほとんど変更することなしに、セラミックス回
路基板の抗折強度を高め、クラックの抑制に大きな効果
をあげたことである。
【００１２】金属回路とセラミックスが接合している部
分は、金属回路の補強効果により、曲げ応力が集中しな
いためにクラックが生じにくい。従って、本発明では、
金属回路の補強効果を示す指標として、セラミックス回
路基板の断面において、金属回路とセラミックス基板と
の接合部分の長さの合計とセラミックス基板の長さとの
割合（以下、この割合をパターン率という。）で表すこ
ととした。
分は、金属回路の補強効果により、曲げ応力が集中しな
いためにクラックが生じにくい。従って、本発明では、
金属回路の補強効果を示す指標として、セラミックス回
路基板の断面において、金属回路とセラミックス基板と
の接合部分の長さの合計とセラミックス基板の長さとの
割合（以下、この割合をパターン率という。）で表すこ
ととした。
【００１３】なお、金属回路が形成されていてもセラミ
ックス基板と接合していない部分すなわち非接合部は、
金属回路からの引張応力はなく曲げ応力は集中しない
が、金属回路の補強効果がないので、パターン率の算出
にあたっては、金属回路とセラミックス基板とは接合し
ていないものとして扱う。
ックス基板と接合していない部分すなわち非接合部は、
金属回路からの引張応力はなく曲げ応力は集中しない
が、金属回路の補強効果がないので、パターン率の算出
にあたっては、金属回路とセラミックス基板とは接合し
ていないものとして扱う。
【００１４】本発明においては、パターン率は20％以上
が必要であり、30％以上特に40％以上が好ましい。パタ
ーン率が20％未満では、補強効果が小さくセラミックス
回路基板のクラック防止効果が十分でなくなる。
が必要であり、30％以上特に40％以上が好ましい。パタ
ーン率が20％未満では、補強効果が小さくセラミックス
回路基板のクラック防止効果が十分でなくなる。
【００１５】本発明において、パターン率２０％以上に
する位置は、金属回路が形成されているセラミックス回
路基板の全ての断面においてであるが、中でも曲げ応力
が集中し易い部分、例えばセラミックス回路基板の中心
部のパターン率をより大きくすることが望ましい。
する位置は、金属回路が形成されているセラミックス回
路基板の全ての断面においてであるが、中でも曲げ応力
が集中し易い部分、例えばセラミックス回路基板の中心
部のパターン率をより大きくすることが望ましい。
【００１６】金属回路を形成するのに使用される金属板
の材質については、特に制限はなく、通常は、銅、ニッ
ケル、銅合金、ニッケル合金が用いられる。金属回路の
厚みは、0.1 〜0.3mm とする。0.1mm 未満では、パター
ン率を20％以上にしても十分な補強効果が得られず、ま
た、0.3mm をこえると、セラミックス基板と金属回路の
熱膨張率の差により、接合・冷却時に発生する金属回路
の引張応力が大きくなって耐ヒートサイクル性が低下す
る。
の材質については、特に制限はなく、通常は、銅、ニッ
ケル、銅合金、ニッケル合金が用いられる。金属回路の
厚みは、0.1 〜0.3mm とする。0.1mm 未満では、パター
ン率を20％以上にしても十分な補強効果が得られず、ま
た、0.3mm をこえると、セラミックス基板と金属回路の
熱膨張率の差により、接合・冷却時に発生する金属回路
の引張応力が大きくなって耐ヒートサイクル性が低下す
る。
【００１７】一方、セラミックス基板の裏面に設けられ
る金属板の材質についても上記したものが用いられる。
また、その厚みは、セラミックス基板の回路面に形成さ
せた金属回路部分の体積に応じて決定することが望まし
い。すなわち、本発明では、金属回路の体積に対する裏
面金属板の体積の比（裏面金属板体積／金属回路体積）
を０．５０〜１．０とすることが望ましい。これによっ
て、セラミックス回路基板の反りがなくなるか、又は反
りが生じたとしてもその方向は回路面が凹になるので耐
ヒートサイクル性が向上し、そのように反ったものをベ
ース銅板に半田付けしても、セラミックス回路基板とベ
ース銅板との間にはボイドが発生しないので、熱伝導性
は低下しない。
る金属板の材質についても上記したものが用いられる。
また、その厚みは、セラミックス基板の回路面に形成さ
せた金属回路部分の体積に応じて決定することが望まし
い。すなわち、本発明では、金属回路の体積に対する裏
面金属板の体積の比（裏面金属板体積／金属回路体積）
を０．５０〜１．０とすることが望ましい。これによっ
て、セラミックス回路基板の反りがなくなるか、又は反
りが生じたとしてもその方向は回路面が凹になるので耐
ヒートサイクル性が向上し、そのように反ったものをベ
ース銅板に半田付けしても、セラミックス回路基板とベ
ース銅板との間にはボイドが発生しないので、熱伝導性
は低下しない。
【００１８】これに対して、裏面の金属板の体積が金属
回路の体積をこえると、すなわち上記体積の比が１．０
をこえると、裏面の金属板の引張応力が大きくなるの
で、耐ヒートサイクル性が劣るようになり（後記の比較
例７参照）、それをベース銅板に半田付けすると、セラ
ミックス回路基板は回路面が凸の方向に反ってしまい、
セラミックス回路基板とベース銅板との間にボイドが発
生して熱伝導性が低下する。また、上記体積の比が０．
５０よりも小さくなると、セラミックス回路基板の抗折
強度が小さくなり、高信頼性が損なわれてくる（後記の
比較例６参照）。
回路の体積をこえると、すなわち上記体積の比が１．０
をこえると、裏面の金属板の引張応力が大きくなるの
で、耐ヒートサイクル性が劣るようになり（後記の比較
例７参照）、それをベース銅板に半田付けすると、セラ
ミックス回路基板は回路面が凸の方向に反ってしまい、
セラミックス回路基板とベース銅板との間にボイドが発
生して熱伝導性が低下する。また、上記体積の比が０．
５０よりも小さくなると、セラミックス回路基板の抗折
強度が小さくなり、高信頼性が損なわれてくる（後記の
比較例６参照）。
【００１９】本発明で使用されるセラミックス基板の材
質については、特に制限はなく、窒化アルミニウム（Al
N ）、窒化ケイ素（Si3N4 ）、酸化アルミニウム（Al2O
3 ）、ムライト等から選ばれた少なくとも一種又は二種
以上を主成分とするものがあげられ、中でも熱伝導率が
大きい窒化アルミニウムが好ましい。
質については、特に制限はなく、窒化アルミニウム（Al
N ）、窒化ケイ素（Si3N4 ）、酸化アルミニウム（Al2O
3 ）、ムライト等から選ばれた少なくとも一種又は二種
以上を主成分とするものがあげられ、中でも熱伝導率が
大きい窒化アルミニウムが好ましい。
【００２０】金属板とセラミックス基板との接合体を製
造する際の接合方法としては、ＤＢＣ法や活性金属法を
用いることができるが、本発明においては、上記利点を
有する活性金属法を採用する。
造する際の接合方法としては、ＤＢＣ法や活性金属法を
用いることができるが、本発明においては、上記利点を
有する活性金属法を採用する。
【００２１】
【実施例】以下、実施例と比較例をあげて更に具体的に
説明する。
説明する。
【００２２】実施例１ 比較例１〜７ 市販の窒化アルミニウム基板（６０ｍｍ×４０ｍｍ×
０．５ｍｍ）に、Ｚｒ−Ａｇ−Ｃｕ系の活性金属ろう材
を図１及び図２に示すように、金属回路のａ値とｂ値を
変えて種々の回路パターンをスクリーン印刷し、この回
路パターンと同じ形状に打ち抜いた表１に示す厚みを有
する無酸素銅板を接合し、接合体を製造した。接合条件
は、温度９００℃、真空度１．０×１０-6ｔｏｒｒと
し、得られた接合体はいずれも無電解Ｎｉ−Ｐメッキを
５μｍ施した。
０．５ｍｍ）に、Ｚｒ−Ａｇ−Ｃｕ系の活性金属ろう材
を図１及び図２に示すように、金属回路のａ値とｂ値を
変えて種々の回路パターンをスクリーン印刷し、この回
路パターンと同じ形状に打ち抜いた表１に示す厚みを有
する無酸素銅板を接合し、接合体を製造した。接合条件
は、温度９００℃、真空度１．０×１０-6ｔｏｒｒと
し、得られた接合体はいずれも無電解Ｎｉ−Ｐメッキを
５μｍ施した。
【００２３】得られた接合体について、以下に従う抗折
強度と耐ヒートサイクル性を測定した。また、セラミッ
クス回路基板の全ての断面における最小のパターン率
と、図１のＡ部におけるパターン率を算出した。更に
は、金属回路の体積、裏面金属板の体積及び裏面金属板
体積／金属回路体積の比を算出した。それらの結果を表
１に示す。
強度と耐ヒートサイクル性を測定した。また、セラミッ
クス回路基板の全ての断面における最小のパターン率
と、図１のＡ部におけるパターン率を算出した。更に
は、金属回路の体積、裏面金属板の体積及び裏面金属板
体積／金属回路体積の比を算出した。それらの結果を表
１に示す。
【００２４】（１）抗折強度 測定機器：島津製作所製「オートグラフAG-2000A型」ロ
ードセル；50kg 測定条件：スパン；30mm、３点曲げ、クロスヘッド速
度；0.5mm/min図２に示すセラミックス回路基板のＢの
位置にクロスヘッドをあて、JIS R1601 に準拠して測定
した。
ードセル；50kg 測定条件：スパン；30mm、３点曲げ、クロスヘッド速
度；0.5mm/min図２に示すセラミックス回路基板のＢの
位置にクロスヘッドをあて、JIS R1601 に準拠して測定
した。
【００２５】（２）耐ヒートサイクル性 測定機器：八島製作所製 ロータリー熱衝撃試験機 TS
ER-2252-A 測定条件：気中にて、-40 ℃×30分、25℃×10分、125
℃×30分、25℃×10分を１サイクルとし、500 サイクル
実施した。 評 価 ：Ａ；電極剥離なし Ｂ；僅かに電極剥離発生
Ｃ；電極剥離発生
ER-2252-A 測定条件：気中にて、-40 ℃×30分、25℃×10分、125
℃×30分、25℃×10分を１サイクルとし、500 サイクル
実施した。 評 価 ：Ａ；電極剥離なし Ｂ；僅かに電極剥離発生
Ｃ；電極剥離発生
【００２６】
【表１】
【００２７】
【発明の効果】本発明のように、金属回路のパターン率
を大きくし、しかも金属回路の厚みと金属回路の体積に
対する裏面金属板の体積の比とを適正化することによっ
て、セラミックス回路基板の抗折強度を増大させること
ができ、その結果、曲げ応力に対するクラックの発生を
著しく抑えることができ、耐ヒートサイクル性に優れた
セラミックス回路基板が提供される。
を大きくし、しかも金属回路の厚みと金属回路の体積に
対する裏面金属板の体積の比とを適正化することによっ
て、セラミックス回路基板の抗折強度を増大させること
ができ、その結果、曲げ応力に対するクラックの発生を
著しく抑えることができ、耐ヒートサイクル性に優れた
セラミックス回路基板が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 セラミックス回路基板の一例を示す上面図で
ある。
ある。
【図２】 図１の裏面図である。
１ セラミックス基板 ２ 金属回路 ３ 裏面金属板 Ａ パターン率測定位置 Ｂ 抗折強度測定位置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−121890（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−248195（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−32557（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H05K 1/02
Claims (1)
- 【請求項１】 セラミックス基板の表面に金属回路、裏
面に金属板がそれぞれ活性金属法で接合されてなるセラ
ミックス回路基板であって、金属回路の厚みが０．１〜
０．３ｍｍ、金属回路の体積に対する裏面金属板の体積
の比（裏面金属板体積／金属回路体積）が０．５０〜
１．０であり、しかも金属回路が形成されているセラミ
ックス回路基板の全ての断面において、金属回路とセラ
ミックス基板との接合部分の長さの合計がセラミックス
基板の長さに対して２０％以上であ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 |
|---|---|---|---|
| JP4212458A JP3056889B2 (ja) | 1992-07-17 | 1992-07-17 | セラミックス回路基板 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4212458A JP3056889B2 (ja) | 1992-07-17 | 1992-07-17 | セラミックス回路基板 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0637410A JPH0637410A (ja) | 1994-02-10 |
| JP3056889B2 true JP3056889B2 (ja) | 2000-06-26 |
Family
ID=16622967
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4212458A Expired - Lifetime JP3056889B2 (ja) | 1992-07-17 | 1992-07-17 | セラミックス回路基板 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3056889B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5042129B2 (ja) * | 2008-06-11 | 2012-10-03 | 電気化学工業株式会社 | 絶縁金属ベース回路基板の製造方法及び混成集積回路モジュールの製造方法 |
| WO2018021473A1 (ja) * | 2016-07-28 | 2018-02-01 | 株式会社 東芝 | 回路基板および半導体モジュール |
-
1992
- 1992-07-17 JP JP4212458A patent/JP3056889B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0637410A (ja) | 1994-02-10 |
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