JPH01249669A - セラミックス回路基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、セラミックス基板上に金属板を直接接合して
なるセラミックス回路基板に関する。

（従来の技術） 近年、パワートランスモジュール用基板やスイッチング
電源モジュール用基板等の回路基板としてのセラミック
ス基板上に銅板なとの金属板を接合させたものがよく用
いられている。

このようなセラミックス回路基板の製造方法として、所
要形状の銅回路板をセラミックス基板上に接触配置させ
て加熱し、接合界面にＣｕ−０の共晶液相を生成させ、
この液相によりセラミックス基板の表面を濡らし、次い
で冷却固化してセラミックス基板と銅回路板とを直接接
合させる、いわゆるＤＢＣ法（ダイレクト・ボンディン
グ・カッパー法）が多用されるようになってきている。

このＤＢＣ法により形成されたセラミックス回路基板は
、セラミックス基板と銅回路板との接合強度が強く、単
純構造なので小型高実装化が可能であり、また作業工程
も短縮できるなどの長所を有している。

（発明が解決しようとする課題） ところで、このようなりＢＣ法によるセラミックス回路
基板においては、大電流を流せるように導電路となる銅
回路板の厚さを０．３ｍｍ〜０．５ｍｍと厚いものを使
用しているため熱履歴に対して信頼性に乏しいという問
題があった。

すなわち加熱接合後の冷却過程や冷熱サイクルが付加さ
れることにより、セラミックス部材と銅との熱膨脹差に
起因する熱応力が発生する。この応力は接合部近傍のセ
ラミックス基板側に圧縮と引張の残留応力分布として存
在する。そして、この残留応力のうちの引張成分として
の最大応力値がセラミックスの引張強度を超えるとセラ
ミックス基板にクラックを生じさせたり、さらには銅板
剥離を生じさせてまう。特に、残留応力の主応力が作用
する銅板の端部に近接するセラミックス部分にクラック
などが発生しやすい。

また、クラックが生じないまでもこの残留応力は、セラ
ミックス基板の強度を低下させるという悪影響を及ぼし
ている。

本発明はこのような従来技術の課題に対処するためにな
されたもので、熱履歴に対する信頼性を向上させたＤＢ
Ｃ法によるセラミックス回路基板を提供することを目的
とする。

［発明の構成コ （課題を解決するための手段） すなわち本発明は、セラミックス基板上に、所要形状の
金属板が加熱接合されてなるセラミックス回路基板にお
いて、前記金属板は、前記セラミックス基板との接合面
と外表面とを銅部材で構成し、これら銅部材間に低熱膨
脹合金を介在させたクラツド材からなることを特徴とし
ている。

本発明に使用する金属板は、接合面と外表面とを銅部材
で構成し、これら銅部材間に低熱膨脹合金を介在させた
クラツド材であり、このクラツド材としては鍛接法、鋳
造法、表面付着法など、各種の方法によって形成したも
のを用いることが可能である。

この低熱膨脹合金としては、熱膨脹係数が１０×１０−
７〜１００　Ｘ　１０−７／　℃の範囲の合金、たとえ
ばインバー系合金（たとえば３６重量％旧−残部Ｆ、ｅ
）やコバール系合金（２８重量％Ｎｉ−１８重量％Ｃｏ
−残部Ｆｅ）などを使用することが好ましい。低熱膨脹
合金の熱膨脹係数が１０　Ｘ　１０−７／　℃未満であ
ると、銅との熱膨脹差が大きくなりすぎ、銅と低熱膨脹
合金との接合に対する信頼性が低下し、また１００×１
０−７／℃を超えると冷熱サイクルの付加による残留応
力低減化効果が薄れる。

本発明で使用する銅および低熱膨脹合金で構成された金
属板の厚さとしては、０．２ｍｍ〜０．［ｉｍｍの範囲
が好ましい。また、この金属板中の低熱膨脹合金の厚さ
は、全体の１０％〜６０％の範囲が好ましい。金属板の
厚さが全体の１０％未満であると残留応力低減化効果が
十分に得られず、６０％を超えると金属板中に占める銅
部材の厚さが薄くなり、放熱性や導電性が低下するとと
もにセラミックス基板との接合性が低下する。

本発明において金属板を構成する銅部材としては、少な
くとも表面に結合剤となる酸素を１１００ｐｐ〜３００
０ｐｐｍ程度の割合で含有する銅を圧延してなるものが
好ましい。

また、本発明に使用するセラミックス基板としては、ア
ルミナ、ベリリアなどの酸化物系のセラミックス焼結体
や窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化チタン、炭化ケ
イ素などの非酸化物系のセラミックス焼結体など、各種
セラミックス基板を用いることが可能である。

なお、非酸化物系のセラミックス基板を使用する場合に
は、予め接合表面を酸化処理してから使用することが好
ましい。

本発明のセラミックス回路基板は、たとえば以下のよう
にして製造される。

すなわちまず、上述したような銅−低熱膨脹合金一銅の
クラツド材からなる金属板を所要の形状に加工した後、
あるいは平板状のままでセラミックス基板上に接触配置
し、銅の融点（１０８３℃）以下で銅と酸素の共晶温度
（１０８５℃）以上の温度に加熱することにより接合し
、必要に応じて金属板にエツチング加工などを施して回
路パターンを形成することにより得られる。

また、加熱時の雰囲気は銅板として酸素を含有する銅を
使用する場合には不活性ガス雰囲気が好ましく、酸素を
含有しない銅を使用する場合には８０〜３９００ｐｐＩ
１１の酸素を含有する雰囲気が好ましい。

（作　用） 本発明のセラミックス回路基板においては、セラミック
ス基板に接合する金属板の中間層として低熱膨脹合金を
配置しているため、接合や熱伝導および導電性に関与す
る熱膨脹係数の大きい銅部材の厚さを薄くすることが可
能になる。そして、冷熱サイクルの付加などによって発
生する応力の影響は低熱膨脹合金によって遮られるため
、発生する応力はセラミックス基板側に配置した銅板の
厚さのみによってほぼ決定される。ここで、銅部材の厚
さを薄くするほど残留応力は低減され、本発明の金属板
においても、実質的に銅部材を薄くしたのと同じ効果が
得られるため、残留応力か低減されて、熱履歴に対する
信頼性か向上する。また、セラミックス回路基板として
の放熱性や導電性は、外表面側に配置された銅部材によ
って作用させているので、同一の厚さを有する銅板を使
用したセラミックス回路基板から、これら特性をそれほ
ど低下させることもない。

（実施例） 次に、本発明の実施例について説明する。

実施例 まず、酸素含有量か３００ｐｐｍのタフピッチ銅からな
る　２枚の銅板の間に、低熱膨脹合金として熱膨脹係数
が１５　ｘ　１０’　／　’ｃの３６重Ｉ％Ｎｉ−残部
Ｆｅ合金を介在させ、鍛接によるクラッド処理を施して
厚さ　１．　ＩＮ　ｍの銅板間に厚さ　１ｍｍの低熱膨
脹合金が配置された金属板を得た。

次に、第１図に示すように、セラミックス基板１の両面
に上記クラツド材２、すなわち銅板３間に低熱膨脹合金
４を介在させた金属板を接触配置し、窒素ガス雰囲気中
で１０７５℃、１０分の条件で加熱し接合させてセラミ
ックス回路基板を作製した。

このようにして得られたセラミックス回路基板を用いて
一５０°Ｃ×３０分＋２５°Ｃ×１０分＋　１２５°Ｃ
×３０分→−２５°Ｃ×１０分を１ザイクルとしてサー
マルサイクル試験を行ったところ、５００サイクルの試
験後にもクラツド材２のはがれやセラミックス基板のク
ラックは発見されなかった。

一方、クラットＨの代わりに厚さ　３ｍｍの銅板を表裏
両面に配置する以外は実施例と同一条件でセラミックス
回路基板を作製し、同様にしてサーマルサイクル試験を
行ったところ、２００サイクルの試験後にセラミックス
基板にクラックが多数発見された。

［発明の効果コ 以上説明したように本発明のセラミックス回路基板にお
いては、銅板の中間層として低熱膨脹合金を介在させて
いるので、この低熱膨脹合金により残留応力が低減され
、この残留応力によって発生するクラックや金属板の剥
離か防止される。よって、熱履歴に対する信頼性を大幅
に向上したセラミックス回路基板を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のセラミックス回路基板の構
成を示す断面図である。 ］・・・・・・・・セラミックス基板 ２・・・・・・・・・クラツド材 ３・・・・・・・・銅板 ４・・・・・・・・低熱膨脹合金 出願人　　　　　　株式会社　東芝 代理人　弁理士　　須　山　佐　−

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）セラミックス基板上に、所要形状の金属板が加熱
   接合されてなるセラミックス回路基板において、 前記金属板は、前記セラミックス基板との接合面と外表
   面とを銅部材で構成し、これら銅部材間に低熱膨脹合金
   を介在させたクラッド材からなることを特徴とするセラ
   ミックス回路基板。