JP3430348B2 - 金属−セラミックス複合基板 - Google Patents
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Description
大電力電子部品の実装に好適な金属−セラミックス複合
基板に関し、更に詳しくは特に優れた耐ヒートサイクル
特性が要求される自動車用電子部品の実装に好適な複合
基板を提供することを目的とする。
電子部品の実装に使用する基板として、セラミックス基
板の表面に銅板を接合して作製された銅張りセラミック
ス複合基板が使用されている。この複合基板は更に、使
用するセラミックス基板の種類やその製造法によって、
銅/アルミナ直接接合基板、銅/窒化アルミニウム直接
接合基板、銅/アルミナろう接基板、及び銅/窒化アル
ミニウムろう接基板に分けられている。
特開昭52−37914号公報に開示されるように、酸
素を含有する銅板を使用するか、無酸素銅板を使用して
酸化性雰囲気中で加熱することによって無酸素銅板の表
面に酸化銅を発生させてから、銅板とアルミナ基板を重
ねて不活性雰囲気中で加熱し、銅板とアルミナ基板との
界面に銅とアルミニウムとの複合酸化物を生成させ銅板
とアルミナ基板とを接合するものである。
の場合には、予め窒化アルミニウム基板の表面に酸化物
を形成する必要がある。例えば特開平3−93687号
公報に開示するように、予め空気中において、約100
0℃の温度で窒化アルミニウム基板を処理し、表面に酸
化物を生成させてから、この酸化物層を介して上述の方
法により銅板と窒化アルミニウム基板とを接合してい
る。
アルミニウムろう接基板は、銅板とセラミックス基板と
の間に低触点のろう材を用いて接合するが、この場合、
使用するろう材に銅の他、融点を下げる為の合金元素及
びセラミックスとの濡れを良くする為の合金元素が添加
され、一例としてAg−Cu−Ti系のような活性金属
ろう材はよく使用されている。
広く使用されるにもかかわらず、製造中及び実用上幾つ
かの問題点がある。その中で最も重大な問題点は、電子
部品の実装及び使用中にセラミックス基板の内部にクラ
ックが形成し、基板の表裏間を電気的に導通することに
よる故障である。
数より約一桁大きいことに起因する。接合する場合、セ
ラミックス基板と銅が1000℃近くまで加熱され、接
合温度から室温に冷却する時に、熱膨張係数の違いによ
り複合基板の内部に多大の熱応力が発生する。
装するときに、銅・セラミックス複合基板は400℃近
くまで加熱されるため、さらに使用環境や使用中の発熱
により、同複合基板の温度が常に変化し、同複合基板に
変動熱応力が掛けられる。これらの熱応力によってセラ
ミックス基板にクラックが発生する。
ヒートサイクル特性がある。これは基板を−40℃から
125℃まで繰り返し、加熱・冷却する際の熱応力によ
って基板にクラックが発生するまでの循環回数で示して
いるが、直接接合法で作製した銅・セラミックス複合基
板は約50回で、ろう接法で作製した同複合基板のこの
特性値は50回以下である。
ミックス基板の厚さを両主表面に接合された銅板の厚さ
の合計により厚くするという制限条件が有り、セラミッ
クス基板の厚さを基板本来の電気絶縁性を保つために必
要な厚さより倍以上に厚くしなければならないという問
題があった。逆に、上記複合基板にとってもう一つ重要
な特性である熱伝導性の方は犠牲にされているのが現状
である。
発により、耐ヒートサイクル特性の優れた複合基板への
要望が特に高まっており、例えば電気自動車の様に温度
変化が激しく、振動が大きい使用条件の場合、複合基板
の耐ヒートサイクル特性が3000回以上必要であると
言われているが現在使用されている銅・セラミックス複
合基板では、このような要望に対応できない。
するアルミニウムを導電回路材料として使う構想は以前
からあり、例えば特開昭59−121890号にこのよ
うな構想が記述されている。アルミニウムとセラミック
スとの接合にろう接法は使用され、特開平3−1254
63号、特開平4−12554号及び特開平4−187
46号にろう接法で作製したアルミニウム−セラミック
ス基板を開示している。これによると、作製したアルミ
ニウム−セラミックス基板の耐ヒートサイクル特性は約
200回であり、上述のように高い耐ヒートサイクル特
性が要求される用途には、依然として充分対応できない
ものであった。
行わなければならないし、また非酸化物セラミックスの
場合、あらかじめ予備処理を施し、セラミックスの表面
に酸化物を形成しなければならない、製造コストおよび
熱伝導性の面においても満足できないところがあった。
された銅/セラミックス直接基板やアルミニウムろう接
基板は耐ヒートサイクル特性の面からは、電気自動車向
けの基板としては向かなかった。本発明は電気自動車向
けの耐ヒートサイクル特性として3000回以上の性能
を有する新規な基板を提供することを目的とするもので
ある。
使用されるろう材は接合する金属より硬いとの事実に着
眼した。硬いろう材の使用により、金属自身が持つ応力
緩和機能が阻害され、基板中に比較的に大きい熱応力が
発生し、耐ヒートサイクル特性などは低下する。熱応力
が低く、耐ヒートサイクル特性の優れた基板を開発する
ために本発明者らは発明者の一人の以前の発明(特願平
4−355211号)をさらに改良し、アルミニウム−
セラミックス直接接合基板を作製した。これらの基板を
評価する所、優れた耐ヒートサイクル特性が確認され、
本発明を提出することができた。
の少なくとも一主面に電気導通及び電子部品搭載のため
の金属部分を形成した金属−セラミックス複合基板にお
いて、アルミニウム溶湯がアルミナ基板上に直接凝固し
接合されていることを特徴とする金属−セラミックス複
合基板である。また、本発明の第2番目の発明は、窒化
アルミニウム基板の少なくとも一主面に電気導通及び電
子部品搭載のための金属部分を形成した金属−セラミッ
クス複合基板において、アルミニウム溶湯が窒化アルミ
ニウム基板上に直接凝固し接合されていることを特徴と
する金属−セラミックス複合基板である。また、本発明
の第3番目の発明は、第1番目または第2番目の発明の
金属−セラミックス複合基板において、アルミニウムを
エッチング処理し、所定の回路を形成したことを特徴と
する金属−セラミックス複合基板である。
純金属であるが、これにより導電性が向上し、且つ、軟
らかさを得るものである。この場合、純度が高い程導電
性が向上するが、逆に価格が高くなるため、本発明では
99.9%(3N)の純アルミニウムを使用した。
湯接合法で行ない、これにより高い接合強度と未接欠陥
の少ない複合基板が得られる。また、接合雰囲気として
窒素雰囲気下で行うことができるため、従来法のように
真空下で行う必要がなく製造コストが安くなり、さらに
窒化アルミニウム基板にも、表面改質することなく直接
に接合することができる。
属の厚さとの関係においては、従来の銅張りのセラミッ
クス複合基板に比べ、金属の厚さをさらに厚くする一
方、セラミックス基板の厚さを逆に薄くすることができ
るため、金属/セラミックスの厚さの比は従来品よりさ
らに大きくすることができる。この結果、本発明複合基
板の放熱性及び流れる電流の量は増大することが容易に
考えられる。
アルミニウム−セラミックス直接接合基板とする)につ
いて詳細に説明する。
ス直接接合基板を製造するための設備の原理図である。
純度99.9%のアルミニウムをルツボ10にセットし
てから蓋13をしめて、ケース12の内部に窒素ガスを
充填する。ヒーター11で750℃に加熱し、アルミニ
ウムを溶化してから、ルツボ10内に設けたガイド一体
型ダイス14の左側入口からセラミックス基板1として
36mm×52mm×0.635mmのアルミナ基板を
順番に挿入した。ルツボ10内に入った該アルミナ基板
にアルミニウム溶湯を接触させ、次いで出口側において
凝固させることによって、厚さ0.5mmのアルミニウ
ム板が両面に接合されたアルミニウム−アルミナ直接接
合基板を得た。
エッチングレジストを加熱圧着し、遮光、現像処理を行
って所望のパターンを形成した後、塩化第2鉄溶液にて
エッチングを行って回路を形成した。さらに回路表面を
Zn置換してNiめっき処理を施して、図1に示すよう
な形状のアルミニウム−セラミックス直接接合基板を得
た。
下の結果を得た。
ムが切れる)
し)
mm×0.635mmのアルミナ基板6の上下面に直接
接合し、図2に示す形状の銅−アルミナ直接接合基板を
得た。なお、3は酸化物(Al−Cu−Si−O)であ
る。
ろ、
Cuとの界面で切れる)
し、600回で銅板が剥離
て窒化アルミニウム板(36mm×52mm×0.63
5mm)を用いた他は、実施例1と同様の手段でアルミ
ニウム−窒化アルミニウム直接接合基板を得た。
車向けとして好ましいものであった。
3mmの銅板を活性金属ろう材(Ag−Cu−Ti)5
を介して窒化アルミニウム板8に接合して得た銅−窒化
アルミニウムろう接基板を用いて、実施例2と同様に特
性を測定したところ、
し、500回で銅板剥離
的とする耐ヒートサイクル特性は要求にほど遠いもので
あった。
ルミナ基板の片面に厚さ0.5mmのアルミニウム層を
形成し、360℃に加熱された連続加熱炉に通炉したも
ののソリ量を図5に示すように測定し、同様な操作を繰
り返し行って該基板のソリ量を回数毎にまとめ図6に示
した。尚、加熱炉内の雰囲気はH2 :N2 =1:4であ
った。
板を用いて直接接合させた銅張りアルミナ基板以外は、
実施例3に示す手段でソリ量を測定し、その結果を図6
に併せて示した。
に比べ、本発明に係るアルミニウム/アルミナ基板のソ
リ量は約1/3であった。このソリ量は基板内部の応力
の増大に伴って増加するため、アルミニウム/アルミナ
基板内部の応力は銅張りアルミナ基板と比べてはるかに
小さいことがわかった。
/セラミックス直接接合基板は、従来の複合基板では得
られなかった耐ヒートサイクル特性に富み、電気自動車
向けパワーモジュール基板として好ましいものである。
接合基板の模式図である。
る。
図である。
である。
ソリ量を求めた線図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 アルミナ基板の少なくとも一主面に電気
導通及び電子部品搭載のための金属部分を形成した金属
−セラミックス複合基板において、アルミニウム溶湯が
アルミナ基板上に直接凝固し接合されていることを特徴
とする金属−セラミックス複合基板。 - 【請求項2】 窒化アルミニウム基板の少なくとも一主
面に電気導通及び電子部品搭載のための金属部分を形成
した金属−セラミックス複合基板において、アルミニウ
ム溶湯が窒化アルミニウム基板上に直接凝固し接合され
ていることを特徴とする金属−セラミックス複合基板。 - 【請求項3】 アルミニウムをエッチング処理し、所定
の回路を形成したことを特徴とする請求項1または2記
載の金属−セラミックス複合基板。
Priority Applications (1)
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JP02726295A JP3430348B2 (ja) | 1995-01-24 | 1995-01-24 | 金属−セラミックス複合基板 |
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JP02726295A JP3430348B2 (ja) | 1995-01-24 | 1995-01-24 | 金属−セラミックス複合基板 |
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Publication Number | Publication Date |
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JPH08208359A JPH08208359A (ja) | 1996-08-13 |
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CN110168140B (zh) | 2017-01-17 | 2021-07-30 | 国立大学法人信州大学 | 陶瓷电路基板的制造方法 |
-
1995
- 1995-01-24 JP JP02726295A patent/JP3430348B2/ja not_active Expired - Fee Related
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JPH08208359A (ja) | 1996-08-13 |
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