JPH02208033A - 回路基板用セラミックス板 - Google Patents

回路基板用セラミックス板

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JPH02208033A
JPH02208033A JP2943489A JP2943489A JPH02208033A JP H02208033 A JPH02208033 A JP H02208033A JP 2943489 A JP2943489 A JP 2943489A JP 2943489 A JP2943489 A JP 2943489A JP H02208033 A JPH02208033 A JP H02208033A
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metal
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ceramic
ceramic plate
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JP2943489A
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Kenichi Otsuka
大塚 研一
Yumiko Kouno
有美子 河野
Masao Iguchi
征夫 井口
Masato Kumagai
正人 熊谷
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Kawasaki Steel Corp
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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得るため
に金属板の一方の表面に接合される回路基板用セラミッ
クス板に関する。
〈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6図に
示すように、電気的絶縁性を有するセラミックス板1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、
AJZ、O,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、Al2.O,に替ってBe01AJ2N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、Al2N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An、O,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では、めっき法、薄
膜法、Mo−M11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AfN板との接合強
度が十分でない場合もある。 また、特開昭62−24
7592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、Al2N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、A1N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、AfN
板表面を酸化してA j! 205層を形成する場合、
AllzOs層やCuO−Al2O5共晶層が厚くなる
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AfN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Af
N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°ヲメタライ
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層 Zr%Y%Hfなどの活性金属を、
金属板とセラミックス板、特にAfLN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−
270454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、セラミックス板を掻く薄い金属箔
を用いてメタライズしておくものであるので、取り扱い
が面倒で、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バターニングでメタライズする
のが困難である。 さらに、例え正確にバターニングさ
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見、セラ
ミックス板と金属板とを容易に、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
、バターニングされた金属板であっても位置合わせや位
置ずれ修正などの困難さを大幅に低減することができる
回路基板用セラミックス板を提供するにある。
<8j!!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
路基板用金属板の一方の表面に接合される回路基板用セ
ラミックス板であって、前記セラミックス板の接合面に
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
る回路基板用セラミックス板を提供するものである。
また、前記金属板は、前記導体回路パターンのまたは前
記導体回路パターンのラフパターンが形成された金属板
であり、前記ろう材は、前記セラミックス板の接合面に
前記ラフパターンに応じて積層されるものであるのが好
ましい。
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 fl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セラミックス板を添付
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セラミックス板21としては、導体
回路パターンを形成する金属板3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(AAN
)  酸化アルミニウム(Aj!zOs)、ベリリウム
(BeO)、炭化ケイ素(S i C)などが挙げられ
る。 こ こで、熱放散性の点でAJ!Nが好ましい、
 また、セラミックス板の厚さは、接合され名金属板の
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、0.5〜1mm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
縁性が低下するからである。 また、厚すぎると熱抵抗
が高くなってしまう。
上述のセラミックス板上に積層される接合用ろう材に含
まれる活性金属は、このセラミックス板との濡れ性がよ
く、接合性が高く、金属板を接合するろう材とのなじみ
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(Ti)  ジルコニウム(Zr)、
イツトリウム(Y)およびハフニウム(If)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界面において、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
接合性がよ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はよく、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−Cuに
Zn、Cd。
Mn、Pb、Sn、Pのいずれかを付加したAg−Cu
系合金、Ag−3n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に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C
u−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−Ni合
金が挙げられる。
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
、融剤としてホウ砂、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セラミックス板は、まず、第1図に
示すように、セラミックス板21の両表面全面上に活性
金属を含む接合用ろう材22を積層した接合用セラミッ
クス板20を製造する。 この時、ろう材22を積層す
るのはセラミックス板21の両面が好ましいが片面のみ
であってもよい。
接合用ろう材22の積層厚さは、第2図に示すようにセ
ラミックス板21と金属板3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未満では、ろう材22の
量が不足して、金属板3とセラミックス板21とを十分
に接合することが・できなル)シ、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%がよい、 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をセラミックス板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か
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打合金粉末とをバインダに加えて
ペースト状にし、このペーストをセラミックス板表面に
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、セラミックス板表面に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した後、ろう材(活性
金属含まず)のみを所定量公知の方法で積層する方法。
■まず、セラミックス板表面に活性金属を所定の含有量
となるまでスパッタまたは蒸着した後、ろう材(活性金
属含まず)のみを所定量公知の方法で積層する方法。
活性金属を含まないろう材合金のみをセラミックス板表
面に形成された活性金属層上に積層する方法としては、
特に制限はなく、電気めっき、無電解めっ籾、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をセラミックス板上
に積層する方法には、めフき法、CVD法、ペースト法
なども挙げることがで台る。
次に、本発明においては、このようにして得られた接合
用セラミックス板20の両側には、第2図に示すように
、金属板3がそれぞ配され、必要に応じて加圧され、真
空を含む不活性雰囲気中で加熱されて、活性金属を含む
ろう材22によりセラミックス板21と金属板3とが接
合されることにより、積層体23が得られる。
接合用セラミックス板20と金属板3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
空もしくはN2ガス雰囲気、He%Ne%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
50℃〜100℃高い温度がよい。
例えば、活性金属としてチタンを0.5〜2wt%、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、予めセラミックス板上に積層されているため、
融点は800℃以上となるため、接合温度は、800〜
1050℃とするのがよい、 好ましくは、850〜1
000℃であり、より好ましくは850〜900℃がよ
い。
こうして、セラミックス板21に金属板3が接合され、
積層体23が得られる。
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のどちらか一方の金属板3およびろう
材22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。
また、第3図に示すように、接合用セラミックス板20
に接合する金属板をプレス、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バターニング金属板2とした場合
には、接合用セラミックス板も予め、全く同様なパター
ンをバターニングして積層したろう材24としておく必
要がある。 すなわち、第3図に示すように、金属板2
と同じパターンでバターニングされたろう材24を一方
の面に有し、他方の面にはろう材22を全面に積層した
本発明のセラミックス板25を予め製造しておくことに
より、バターニングされた金属板2をバターニングろう
材22上に正確に位置合わせすることができる。 正確
に位置合わせをした後、接合用セラミックス板20と金
属板2とは必要に応じて加圧され、加熱され、容易に接
合される。
もちろん、この場合にも接合用セラミックス板25の裏
面にも金属板3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。
セラミックス板21にバターニング金属板2と同じパタ
ーンのろう材24の層を積層するためには、金属板2の
パターンとちょうど逆パターンのマスキングを行って、
前述の方法により活性金属を含む接合用ろう材の積層を
行えばよい。
マスキングの方法としては、例えば、逆パターンのマス
クを作成し、セラミックス板21上に固定することによ
り行うことができる。
このように、予めラフパターンがバターニングされた金
属板2を接合用セラミックス板25に接合した積層体2
6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。 本発明においては、微細導体回路パターンを形成
した金属板2であっても、予めセラミックス板21に同
じパターンのろう材24が積層されているので金属板2
を本発明の回路基板用セラミックス板25に従来に比べ
て容易に接合できるが、上述のようにラフパターニング
金属板2を接合後、この金属板2に微細パターンを形成
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。
第2図および第3図においても、金属板3と3あるいは
金属板2と3とを接合用セラミックス板20または25
の両側に配置した後、特に金属板2と接合用セラミック
ス板25は位置合わせした後、ずれたり、相対的に動い
たりしないよう、固定しておくのが好ましい、 固定方
法としては特に制限はなく、公知の方法によればよく、
例えば金属板の両側からクランプ等に用いて加圧固定す
ればよい。
〈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) セラミックス板として厚さ0.635mmのAlNセラ
ミックス板(寸法20φ)の両側に、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グし
た後、その上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
融コートして、両側にろう材を積層した本発明の回路基
板用セラミックス板を得た。
次に、金属板として厚さ0.2mmの銅板(寸法20φ
)を2枚用い、この2枚の銅板をそれぞれ、ここで得ら
れた接合用セラミックス板の両側に配置し、真空雰囲気
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結果、10 k
gf/mm” と良好な値であった。
(実施例2) 実施例1で用いた金属板に第3図に示す金属板2と同様
のパターンを放電加工により形成し、パターニング金属
板2とした。
実施例1で用いたセラミックス板の片面には、得られた
パターニング金属板2と逆パターンのマスクをし、もう
一方の面にはマスクをせず、両面に、Tiをイオンブレ
ーティングで5μmコーティングした後、その上にCu
−Ag共晶合金ろう材をスパッタリングにより30μm
厚さに積層して、第3図に示すような本発明の回路基板
用セラミックス板25を製造した。
次にこの接合用セラミックス板25のパターニングろう
材24を有する側には、前述のパターニング金属板2を
正確に位置合わせして配置し、もう一方の面には実施例
1で用いた金属板3を配置し、クランプで加圧固定した
まま、真空下900℃で接合して、積層体26を得た。
得られた積層体26のAJZN板21上21−ニングC
u板2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、12 kgf/+m2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(AJlN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Aj2N板とC
u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 、3 kgf/mm”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Aj2N板を
用い、ろう材として、活性金属としてTiを1wt%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、AJlN板の片側にはそれぞれバターニングした
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/+m2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、バ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、同じパターンのろう材層をセラミックス
板に容易かつ正確に形成することができ、本発明の回路
基板用セラミックス板とすることができ、その後、接合
するので、金属板とセラミックス板との正確な位置合わ
せを容易に行うことができ、従って、容易かつ正確に接
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、セラミックス
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、金属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d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、同じパタ
ーンの活性金属を有するろう材層がセラミックス板に容
易に形成されており、しかも、形成された後に接合され
るので、正確な位置合わせを容易に行うことができ、接
合に熟練を要することもなく、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、位置合
わせが正確であるので、接合後の位置ずれ修正も行う必
要がない。
従って、本発明の回路基板用セラミックス板を用いて金
属板が接合された積層体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セラミックス板の一
実施例の部分断面図である。 第2図は、本発明の回路基板用セラミックス板を用いて
金属板を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セラミックス板へのパタ
ーニング金属板の接合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、 20.25・・・接合用セラミックス板、21・・・セ
ラミックス板、 22.24・・・活性金属を含む接合用ろう材、23.
26・・・積層体 F I G、 3 FIG、1 F I G、 2 F I G、 4

Claims (5)

    【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用金属板の一方の表面に接
    合される回路基板用セラミックス板であって、前記セラ
    ミックス板の接合面に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セラミックス板。
  2. (2)前記金属板は、前記導体回路パターンのまたは前
    記導体回路パターンのラフパターンが形成された金属板
    であり、前記ろう材は、前記セラミックス板の接合面に
    前記ラフパターンに応じて積層されるものである請求項
    1に記載の回路基板用セラミックス板。
  3. (3)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または2に記載の回路基板用セラミックス板。
  4. (4)前記接合用ろう材は、銀ろうである請求項1ない
    し3のいずれかに記載の回路基板用セラミックス板。
  5. (5)前記セラミックス板は、AlN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セラミックス板
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