JPH02208032A - 回路基板用金属板 - 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】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、放熱性、耐熱性に優れた回路基板を製造する
ために電気的絶縁性を有するセラミックス板上に接合さ
れて積層体を構成する回路基板用金属板に関する。

〈従来の技術〉 パワースイッチ、パワーの制御回路、モータの制御回路
、高周波発振出力、広帯域電力増幅などに用いられるパ
ワー半導体モジュールは、近年、高密度集積化、大電流
制御化の傾向にあり、それらモジュールに用いられる基
板には素子から出る多量の熱を速やかに放出する放熱性
とモジュールの高密度集積化に対応する導体回路パター
ンの微細化・高精度化が求められている。

従来このような半導体モジュール基板として、第４図に
示すように、電気的絶縁性を有するセラミックス板ｌの
１つの面に回路パターンを有する金属板２を接合し、そ
の上に素子４を搭載し、発生した熱を金属板２からセラ
ミックス板１を伝導させ他方の側に接合した金属板３を
介して放熱板５へと放散させる機構が用いられており、
例えば、金属板としてあらかじめ所要のパターンに切り
ぬかれた銅板を、絶縁性を有するセラミックスとして、
ＡｆＬ２０３を用いて加熱によりＣｕ−０共晶を発生さ
せるいわゆる共晶法で接合したものが商品化されている
。

このような、半導体モジュール基板の放熱性を改良する
手段としては、セラミックスの熱伝導性を向上させる傾
向にあり、Ａ　Ｊ２２０３に替ってＢｅＯ％ＡＩＮなど
熱伝導率のより高い材料の使用が試みられている。　こ
のような新材料の中にはパターン化した銅板を、共晶法
により接合する方法を直接応用することがむずかしいも
のもあり、たとえば、Ａｊ２Ｎは熱伝導率こそＢｅＯに
劣るものの、ＢｅＯのような毒性を心配する必要もなく
、期待される材料であるが、共晶法を応用するためには
、基板を予じめ酸化処理して表面にＡｆ２０３層を形成
することが必要である。

この共晶法のほか、従来、金属板とセラミックス板を接
合する方法としては、接合前にセラミックス板表面にメ
タライズ処理を施こし、その後で加熱により金属板と接
合する方法や特開昭６２−２４７５９２号公報に開示さ
れた銅箔面にガラス微粉層を形成させた後にセラミック
ス板と重ね合わせ、加熱、加圧して接着する方法もある
。　例えば、メタライズ処理法としては、めっき法、薄
膜法、Ｍｏ−Ｍ、法、Ｗ−Ｍｎ法などがある。　　しか
し、このような従来のメタライズ処理法による接合では
、金属板とセラミックス板、特にＡＩＮ板との接合強度
が十分でない場合もある。　また、特開昭６２−２４７
５９２号公報に開示された方法では、パワー半導体モジ
ュールの基板に必要な０．１ｍｍ以上の厚さの金属板で
はセラミックス板が割れたりすることもある。

また、ＡＩＮなどの熱伝導性の大きいセラミックスを用
いる場合には、接合法によっては、Ａ４Ｎ板と金属板と
の間の接合層の熱抵抗が問題になる場合がある。　例え
ば、上述したように、共晶法を用いるために、ＡｋＮ板
表面を酸化してＡＪ２２０３層を形成する場合、ＡＪ！
２０．層やＣｕ０−ＡＪ！、ｏ３層が厚くなると熱抵抗
が大になってしまう。

このため、セラミックス板と金属板との間の接合に活性
金属を用いて、接合強度を増大させ、接合部の熱抵抗を
増大させないようにして熱放散性の良いＡＩＬＮのよう
なセラミックス板を回路基板に用いる試みがなされてい
る。　例えば、特開昭６３−２７０４５４号公報にはＡ
Ｊ２Ｎ基板にＴｉ薄層をスパッタリング法に形成し、そ
の上に回路形成のための導電性金属層を形成する方法が
開示されている。　また、特開昭６０−３２６４８号公
報には、活性金属を含む遷移金属箔をセラミックス板表
面に配置した後加熱してセラミックス板表面をメタライ
ズする方法が開示されている。

〈発明が解決しようとする課題〉 ところで、Ｔｉ％Ｚｒ％Ｙ、Ｈｆなどの活性金属を、金
属板とセラミックス板、特にＡＪ２Ｎ板との間の接合に
用いる場合、活性金属とセラミックス板との濡れ性が良
いため接合強度は十分に改善できるが、特開昭６３−２
７０４５４号に開示された方法では、スパッタリングで
Ｔｉ層を形成した後に、スパッタリング、真空蒸着、電
気めっきおよび電解めっきなどにより導電性金属層を形
成するものであるため、パワー半導体モジュールの基板
として必要な厚さの導電性金属層を形成するのが困難も
しくは極めてコストがかかるなどの問題がある。

また、特開昭６０−３２６４８号公報に開示された方法
では、金属板とセラミックス板とを積層して加熱ろう付
けして接合する場合、セラミックス板を極く薄い金属箔
を用いてメタライズしておくものであるので、取り扱い
がやっかいで熟練を要する。　また、金属板として導体
回路パターン化された金属板や導体回路微細パターン以
外のラフパターンが形成された金属板を用いる場合に、
セラミックス板上に正確なパターニングでメタライズす
るのが困難であり、例え正確にパターニングされていた
としても、そのセラミックス板と金属板との位置決めが
極めて困難であるなどの問題がある。　位置決めが不十
分で、位置ずれが生じると、接合が不十分であったり、
ずれた金属箔層をエツチングで修正しなければならない
問題もある。

本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解消し、セラ
ミックス板に容易に、接合強度も大きくかつ接合層の熱
抵抗を増大させることもなく接合でき、例え、パターニ
ングされた金属板であっても位置合わせや位置ずれ修正
などをなくすことができる回路基板用金属板を提供する
にある。

く課題を解決するための手段〉 上記目的を達成するために、本発明は、導体回路パター
ンを有する、あるいは導体回路パターンが形成される回
路基板を製造するために電気的絶縁性を有するセラミッ
クス板の少なくとも一方に接合される回路基板用金属板
であって、前記金属板表面の一方に前記セラミックス板
との接合のための活性金属を含む接合用ろう材を積層し
たことを特徴とする回路基板用金属板を提供するもので
ある。

また、前記活性金属は、チタン、ジルコニウム、イツト
リウムおよびハフニウムの少なくとも１　ｆｉｌである
のが好ましい。

また、前記接合用ろう材は、銀ろうであるのが好ましい
。

また、前記金属板は、前記導体回路パターンが形成され
た金属板であるのが好ましい。

また、前記金属板は、銅板であるのが好ましい。

さらに、前記セラミックス板は、窒化アルミニウム板で
あるのが好ましい。

以下に、本発明に係る回路基板用金属板を添付の図面に
示す好適実施例に基づいて詳細に説明する。

本発明に用いられる金属板は、熱および電気伝導率が大
きい金属で導体回路を形成できるものであればどのよう
な金属の板でもよく、例えば、代表的に銅板、黄銅板、
青銅板、ニッケル板、タングステン板、モリブデン板、
銀板、金板およびこれらの金属の合金板、鋼板などを挙
げることができる。　また、これらの金属板は１枚の単
板であっても、複数枚の同種または異種の金属を成層し
たものであってもよい、　これらの金属板の厚さは、特
に制限はないが、パワー半導体モジュール等の基板とし
て用いる場合は０．１ｍｍ以上、より好ましくは０．１
〜０．５ｍｍがよく、さらに好ましくは０．２〜０．３
ｍｍがよい、　この理由は、金属板の厚さが０．１ｍｍ
未満では、パワー半導体モジュールとして用いる場合所
要の電流を信頼性よく流すことができないからである。

上述の金属板上に積層される接合用ろう材に含まれる活
性金属は、この金属板を接合するセラミックス板との濡
れ性がよく、接合性が高く、ろう材とのなじみがよいも
のであればどのようなものでもよいが、例えば、代表的
にチタン（Ｔ　ｉ　）　、ジルコニウム（Ｚｒ）、イツ
トリウム（Ｙ）およびハフニウム（Ｈｆ）などが挙げら
れる。　これらの金属は活性が高く、酸化物系あるいは
窒化物系のセラミックス板との二面において、酸化物も
しくは窒化物となって、セラミックス板と強固な結合を
図ることができる。

本発明に用いられる接合用ろう材としては、金属板より
低融点であり、金属板との接合性が高く、また、接合強
度も高く、とり扱いやすいもので、セラミックス板との
接合性が悪くないものであればいかなるものでもよく、
例えば、Ａｇ％Ｃｕ％Ａｕまたは黄銅などを主成分とす
る比較的高溶融点のろう材合金であればよく、代表的に
銀ろう、金ろう、黄銅ろう、洋銀ろうなどが挙げられる
。　ここで、銀ろうとしてはＡｇ−Ｃｕ合金、Ａｇ−Ｃ
ｕ＆：Ｚｎ、Ｃｄ。

Ｍｎ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｐのいずれかを付加したＡｇ−Ｃｕ
系合金、Ａｇ−５ｎ系合金、Ａｇ−Ｐｄ系合金、Ａｇ−
Ｚｎ系合金およびＡｇ−Ｃｄ系合金が挙げられる。　ま
た、余ろうとしては、Ａｕ−Ａｇ−Ｃｕ＆：Ｚｎ％Ｃｄ
などを付加したＡｕ−Ａｇ−Ｃｕ系合金などが挙げられ
る。　また、黄銅ろうとしては、Ｃｕ−Ｚｎ系の黄銅や
Ｃｕ−Ｚｎ系黄銅を主体にＡｇ、Ｓｎを少量付加した合
金などが挙げられ、洋銀ろうとしてはＣｕ−Ｚｎ−Ｎｆ
金合金挙げられる。

ここで、好ましくは、銀ろうがよく、より好ましくはＡ
ｇ−Ｃｕ合金ろうがよく、融点が最も低くなる点からす
れば、Ａｇ−Ｃｕ共晶合金がさらに好ましい。

また、ろう材として用いる場合、これらの合金のほかに
、融剤としてホウ酸、粉末ガラス、水ガラス、ケイ石粉
とソーダの混合物等を含んでいてもよい。

本発明の回路基板用金属板２０は、第１図に示すように
、金属板２１の表面全面上に活性金属を含む接合用ろう
材２２を積層したものである。　ろう材２２を積層する
のは金属板２１の片面のみが好ましいが両面であっても
よい。

接合用ろう材２２の積層厚さは、第２図に示すように金
属板２１とセラミックス板１とを強固に接合するのに十
分な厚さであれば十分であり、特に制限はないが３〜１
００μｍ程度あればよい、　より好ましくは５〜５０μ
ｍがよい、　この理由は３μｍ末溝では、ろう材２２の
量が不足して、金属板２１とセラミックス板１とを十分
に接合することができないし、１００μｍ超では、ろう
材２２の量が多すぎて、不経済であるとともに、厚い程
熱抵抗が大きくなるからである。

接合用ろう材２２に含ましめる活性金属の含有量は全ろ
う材の０．０１〜２０ｗｔ％がよく、より好ましくは、
０．１〜５ｗｔ％がよし）、　この理由は０．０１ｗｔ
％未満では、界面に作用する程十分な量とならないから
であり、２０ｗｔ％超では、融点上昇を招いたり、接合
後硬くもろい層を形成するからである。

活性金属を含む接合用ろう材・２２を金属板２１の表面
上に積層する方法としては、特に制限的ではないが、例
えば、代表的に以下のような方法を挙げることができる
。

■活性金属成分とろう材合金の各金属成分との全成分を
同時スパッタリングする方法。

■活性金属粉末とろう材合金粉末とをバインダに加えて
ペースト状にし、このペーストを金属板表面に塗布後、
加熱して、バインダを蒸発させ、活性金属およびろう材
合金を溶融または焼結させる方法。

■まず、金属板表面にろう材（活性金属含ます）のみを
公知の方法で積層した後、活性金属を所要の含有量とな
るまでイオンブレーティングする方法。

■まず、金属板表面にろう材（活性金属含まず）のみを
公知の方法で積層した後、活性金属を所要の含有量とな
るまでスパッタまたは蒸着する方法。

活性金属を含まないろう材合金のみを金属板表面に積層
する方法としては、特に制限はなく、電気めっき、無電
解めっき、溶融めっきなどのめっき法、蒸着、スパッタ
リング、イオンブレーティング、ＣＶＤなどの薄膜法、
溶融コート法、ペースト法などを用いることができる。

この他、活性金属を含むろう材２２を金属板上に積層す
る方法には、めっき法、ＣＶＤ。

ペースト法なども挙げることができる。

このようにして得られた本発明の回路基板用金属板２０
は、第２図に示すように、接合用ろう材２２側を内側に
して電気的絶縁性を有するセラミックス板１の両側に配
され、真空を含む不活性雰囲気中で加熱されて接合され
ることにより、積層体２３を構成する。　この後、エツ
チング等の公知の方法により導体回路パターンを積層体
２３のどちらか一方の回路基板用金属板２０に形成し、
積層体２３を導体回路パターンを有する回路基板とする
ことができる。

セラミックス板１の両側に接合される金属板２０は、同
種かつ、同厚であってもよいが異っていてもよい。

また、第３図に示すように、一方の回路基板用金属板２
０をプレス、エツチング等の公知の方法で導体回路パタ
ーンもしくは導体回路パターンのラフパターンを予め形
成したパターニング金属板２４とした場合でも、正確な
位置合わせをする必要もなく、セラミックス板１上に載
置し、加熱することにより容易に接合することができる
。　もちろん、この場合にもセラミックス板１の裏面に
は回路基板用金属板２゜を接合する。

ここでラフパターンとは、完成された導体回路パターン
ではなく、導体回路パターンのうち微細パターン以外の
導体回路パターンを言う。

このように、予めラフパターンがパターニングされた金
属板２４をセラミックス板１に接合した積層体２５を用
いる場合は、微細導体回路パターンのみをエツチングに
より形成すればよいので第２図に示す積層体２３をエツ
チングして導体回路パターンを形成する場合に比べてエ
ツチングの負荷（エツチング時間、エツチング剤、エツ
チング電流など）を大幅に低減させることができる。　
本発明の回路基板用金属板２０は、微細導体回路パター
ンを形成した金属板であってもセラミックス板１に従来
に比べて容易に接合できるが、上述のようにラフバター
ニングされた金属板を接合後、微細バターニングするほ
うがパターニング精度を挙げることができるので好まし
い。

本発明の回路基板用金属板を接合するセラミックス板と
しては、導体回路パターンを形成する金属板の支持体と
なるもので、電気的絶縁性を有し、所要の強度を有する
ものであればいかなるものでもよいが、熱放散性が良好
なものが好ましい、　例えば、代表的に窒化アルミニウ
ム（ＡＪ２Ｎ）　　酸化アルミニウム（ＡＪ！ｚ　Ｏｓ
　）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、炭化ケイ素（Ｓ　ｔ
　Ｃ＞などが挙げられる。　ここで、熱放散性の点でＡ
１１Ｎがより好ましい。

また、セラミックス板１の厚さは、接合される金属板の
厚さに応じて適宜定めればよく、特に制限はないが、パ
ワー半導体モジュール用回路基板の場合、０．２５〜２
ｍｍがよい。　好ましくは、０．５〜１．０ｍｍがよい
、　このように限定する理由は、薄くなるにしたがいク
ラックが入り易くなり、そのクラックからのリークによ
り絶縁性が低下する。　また厚すぎると熱抵抗が高くな
ってしまうからである。

また、本発明の回路基板用金属板と上記セラミックス板
とを接合する場合、真空を含む不活性雰囲気中で行うの
が好ましい、　ここで不活性雰囲気とは活性金属やろう
材成分金属が酸化されない、すなわち、不活性になる雰
囲気であって真空、Ｎ２ガス雰囲気、Ｈｅ、Ｎ６、Ａｒ
％Ｘｅなどの不活性ガス雰囲気などを言う。

接合温度としては、使用する活性金属を含む接合用ろう
材によって定まるものであるので、特に限定的ではない
が、使用する活性金属を含むろう材を溶融する必要があ
るのでこのろう材の融点より少なくとも高い必要がある
。　好ましくは、使用するろう材の融点より１０℃以上
高いのがよい、　より好ましくは、使用する融点より５
０℃〜１００を高い温度がよい。

例えば、活性金属としてチタンを０．５・２冑ｔ％、ろ
う材としてＡｇ−Ｃｕ共晶合金を用いる場合は、Ａｇ−
Ｃｕ共晶合金の融点は７７９℃であるが、チタンを含ん
でおり、予め金属板上に積層され、セラミックス板と接
合されるため、融点は８００℃以上となるので、接合温
度は、８００〜１０５０℃とするのがよい、　好ましく
は、８５０〜１０００℃であり、より好ましくは８５０
〜９００℃がよい。

以上のようにして得られた第２図に示す積層体２３およ
び第３図に示すラフパターンを有する積層体２５に、所
要の導体回路パターンを施す方法としては、種々の公知
の方法を用いることができる。

〈実施例〉 以下に、本発明を、実施例に基づいて具体的に説明する
。

（実施例１） 金属板として厚さ０．２ｍｍの銅板（寸法２０φ）を用
い、この銅板の片面に接合用ろう材として銀−銅（Ａｇ
−Ｃｕ）共晶合金（Ａｇ７１．９ｗｔ％）を３０μｍ厚
さに溶融コートした後、活性金属としてチタン（Ｔ　ｉ
　）を５μｍ厚さにイオンブレーティングして、本発明
の回路基板用金属板を得た。

この回路基板用金属板をその接合面を内側にして、厚さ
０．８３５ｍｍのＡＩＮセラミックス板（寸法２０φ）
の両側に配置し、真空中で加熱温度８５０℃で接合して
積層体を得た。

得られた積層体のせん断強度を測定したところ、１０　
ｋｇｆ／ｍ■２と良好な値であった。

（実施例２） 実施例１と同様にして得られた回路基板用金属板を第３
図に示す回路基板用金属板２４と同様のパターンを放電
加工により形成した。

第３図のように、このパターニング金属板２４とパター
ニングされていない金属板２０との間に実施例１と同様
のＡｆＮセラミックス板１を挟み、実施例１と同様の条
件で接合して、積層体２５を得た。

得られた積層体２５のＡｆＮ板１とパターニングＣｕ板
２１との間の接合強度を、実施例１と同様にして測定し
た結果、同じく１０　ｋｇｆ／ａｍ”と良好であった。

（比較例１） 実施例１で用いたものと同様の金属板（銅板）およびセ
ラミックス板（ＡｉＮ板）を用い、実施例１と異なり、
活性金属を含まない、ろう材としてＡｇ−Ｃｕ共晶合金
（Ａｇ７１．９ｗｔ％）を用いて、セラミックス板の両
側に銅板を真空雰囲気中で、加熱温度８５０℃で、接合
層の厚さ３０μｍで得られた積層体のＡｉＮ板とＣｕ板
との接合強度を実施例１と同様な方法で測定した結果、
０．４ｋｇｆ／■■２であった。

（比較例２） 実施例１で用いたものと同様の銅板およびＡｊｉＮ板を
用い、ろう材として、活性金属としてＴｉを１　ｗｔ％
含有するＡｇ−Ｃｕ共晶合金箔（厚さ５０μｍ）を用い
たが、一方の銅板および合金箔にはそれぞれ、第３図に
示すパターンをプレスで、および長さ１０ｍｍ、幅０．
２ｍｍの十字形状微細パターンエツチングで予め形成し
た後、Ａｊ２Ｎ板の片側にはそれぞれパターニングした
合金箔および銅板を正確に位置合わせして、合金箔を間
に挟んで配置し、もう一方の側にはパターニングしてい
ない合金箔および銅板を配置して、真空雰囲気中で、８
５０℃で接合した。

接合強度は、８　ｋｇｆ／＋ｍ’で十分であったが、合
金箔の厚さが５０μｍと極めて薄いので、取り扱いが極
めて面倒であり、特に、パターニングした後の金属板と
合金箔とを正確に位置合わせするには、高度の熟練を要
した。　金属板と合金箔のパターンの位置ずれが少しで
もあると、パターン中の開口内にろう材がはみ出して、
特に、微細パターンでは、パターンの下部を埋めてしま
うこともあった。

以上の結果、本発明の実施例１および２は、比較例１に
比べて、接合強度が大きく、強固な接合力を有すること
がわかる。

また、実施例２のように、予めパターニングされた金属
板であっても、位置合わせすることもなく、容易に接合
することが可能で、接合後も好適に微細パターン形成が
できるので、比較例２のように位置合わせに熟練を要す
ることもなく、また、パターン中の開口内にろう材がは
み出したり、微細パターンを埋めることもない。

〈発明の効果〉 以上、詳述したように、本発明によれば、金属板には予
め活性金属を含む接合用ろう材層が形成されているので
、セラミックス板に接合する際の操作を極めて簡単なも
のとすることができ、金属板とセラミックス板との間の
接合層の熱抵抗を増やすこともなく、接合強度も大きく
することができる。

また、本発明によれば、予めバターニングされた金属板
をセラミックス板に接合する場合であっても、位置合わ
せの必要がないので、接合に熟練を要することもないの
で、容易に、熱抵抗の増大のない強固な接合を行うこと
ができるし、しかも、接合後の位置ずれ修正も行う必要
がない。

従りて、本発明の回路基板用金属板を用いて製造された
回路基板は、パワー半導体モジュール用として最適であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る回路基板用金属板の部分断面図
である。 第２図は、本発明の回路基板用金属板を用いてセラミッ
クス板に接合して得た積層体の一実施例の部分断面図で
ある。 第３図は、本発明の回路基板用金属板を用いてセラミッ
クス板に接合して積層体とする際の方法を示す分解斜視
図である。 第４図は、従来使用されていた半導体モジュール基板を
示す断面図である。 符号の説明 １・・・絶縁性を有するセラミックス板、２・・・回路
パターンが形成される、 あるいは回路パターンを有する金属板、３・・・金属板
、 ４・・・素子、 ５・・・放熱板、 ２０．２４・・・本発明の回路基板用金属板、２１・・
・金属板、 ２２・・・活性金属を含む接合用ろう材、２３．２５・
・・積層体 ＦＩＧ、１ ＦＩＧ、２ 特許出願人　　川崎製鉄株式会社 代理人　弁理士　　渡　辺　望　稔

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）導体回路パターンを有する、あるいは導体回路パ
   ターンが形成される回路基板を製造するために電気的絶
   縁性を有するセラミックス板の少なくとも一方の接合さ
   れる回路基板用金属板であって、前記金属板表面の一方
   に前記セラミックス板との接合のための活性金属を含む
   接合用ろう材を積層したことを特徴とする回路基板用金
   属板。
2. （２）前記活性金属は、チタン、ジルコニウム、イット
   リウムおよびハフニウムの少なくとも１種である請求項
   １に記載の回路基板用金属板。
3. （３）前記接合用ろう材は、銀ろうである請求項１また
   は２に記載の回路基板用金属板。
4. （４）前記金属板は、前記導体回路パターンが形成され
   た金属板である請求項１ないし３のいずれかに記載の回
   路基板用金属板。
5. （５）前記金属板は、銅板である請求項１ないし４のい
   ずれかに記載の回路基板用金属板。
6. （６）前記セラミックス板は、窒化アルミニウム板であ
   る請求項１ないし５のいずれかに記載の回路基板用金属
   板。