【発明の詳細な説明】
【産業上の利用分野】
本発明は、パワー半導体用等に適した高い放熱性を有し
、耐熱衝撃性に優れたセラミックス回路基板に関する。
ｒ従来の技術】
近年、素子の高集積密度化、高速化、大電力制御化の傾
向に伴い、素子から発生する大量の熱を速やかに放散す
ることのできる基板が求められてきた。
そのような基板の１つとして、高熱伝導性絶縁セラミッ
クスであるＡｌ２Ｎセラミックスをベースとし、その上
に、熱伝導性が良く、電気伝導性にも優れた金属である
銅を接合して回路を形成した基板が注目されている。そ
の製法として従来、大きく分類して次の（１）（２）が
紹介されている。
（１）表面を酸化させたＡβＮセラミックスと銅板を配
置し加熱してＣｕ−０共晶を発生させて接合する方法（
東芝レビュー４１．９ｐｐ８１１〜８１４ （１９８６
）
（２）積層箔、合金板、混合粉１合金粉等のいずれかの
形態で、活性金属入りのろう材をＡβＮセラミックスと
銅板の間に介在させ、不活性雰囲気で加熱し、接合する
方法（特開昭５６−１６３０９３、特開平２−１４９４
７８号公報）
上記（２）の技術手段は（１）の手段に比べ、接着力も
強く、信頼性の高い接合状態が得られるが、銅とＡｌ２
Ｎ基板の熱膨張差に起因する残留応力が発生し、接合、
冷却後あるいは素子搭載復電力ＯＮ −ＯＦＦ切換に伴
う熱衝撃後に、クラックが発生しやすい欠点があった。
因みに銅及びＡｌｘの熱膨張率はそれぞれｌ ７ ｘ
１０−’／”Ｃ。
４〜５Ｘ１０−６／”Ｃである。
その解決策として従来よりろう材層を３０μｍ以下の厚
さの合金箔から成る合金層としたり（特開昭６０−３２
６４８号公報）、厚さ０．５ ｕ ｍから１０μｍのチ
タン層を銅と、６１Ｎの間に介在させる（特開昭６０−
１７７６３４号公報）など、ろう材層や活性金属層を薄
くする方法が提案されてきた。
【発明が解決しようとする課題〕
上記の接合部残留応力の低減、耐熱衝撃性の向上を目的
としてろう材層を薄（すると接合欠陥が出易くなり、ろ
う材ペーストを用いた場合、箔に比べてその傾向が顕著
で問題であった。
一方、接合欠陥が現れないように、ろう材層を厚く印刷
又は塗布すると接合部残留応力の増大、耐熱衝撃性の低
下を来すばかりか甚だしい場合、ろう材が銅板からはみ
出して問題であった。
本発明者らは、接合の信頼性を低下させることなく耐熱
衝撃性を向上させるためのろう材層の構造について種々
検討した結果、接合欠陥の起き易さ、及びＡβＮセラミ
ックスに加わる残留応力の大きさはろう材層の厚さと平
坦度に大きく支配され、これらを適切に選定することに
よって信頼性が高く耐熱衝撃性に優れたろう材層を見出
した。
本発明はこの知見に基いて完成されたもので、王妃従来
技術の欠点を解消した回路基板を提供することを目的と
する。
［課題を解決するための手段］
本発明はＡβＮセラミックス焼結体と銅板との間に、含
チタン層を含み、平均乾燥膜厚が１０μｍ以上５０μｍ
以下でかつ最大膜厚と最小膜厚の差が１０μｍ以下であ
るろう材層を介在させたことを特徴とするセラミックス
回路基板である。
［作用］
本発明のセラミックス回路基板は上記構成を有すること
により残留応力が少なく耐熱衝撃性が高い。
本発明の基板のろう材層は、活性金属であるＴｉを含む
ろう材を用いて形成し、ＴｉＮ層等の含チタン層を包含
する。このろう材層の平均乾燥膜厚さは１０μｍ未満で
は接合欠陥を生ずるので１０μｍ以上とし、５０μｍを
越えると膜厚が大きいために残留応力の値が大きくなり
耐熱衝撃性が低下するので上限を５０ｔＬｍに限定した
。
さらに重要なことは膜厚の均一性であって、最大膜厚と
最小膜厚との差ＲｍａＸが重要である。このＲ１１１ａ
Ｘについて本発明者が調査した実験結果を第１図を用い
て説明する。
第１図（ａ）はＡｌ２Ｎセラミックス１の上に印刷し乾
燥したろう材層２を模式的に示したものである。従来の
厚膜印刷法はファインラインを精度良く形成することに
傾注した結果本件のように比較的広い面積を印刷すると
、この図に示すように端の部分が盛り上がる傾向にあっ
た。第１図（ｂ）に示すようにこの上に銅板３を載せる
と銅板３とろう材層２の間にはすきまが生じているが、
これらを真空中で加熱接合すると第１図（Ｃ）に示すよ
うに、ろう材層は銀銅層４と窒化チタン層５を形成し、
窒化チタン層５はＡ１２Ｎセラミツクスｌと銀銅層４の
間に介在する。
この時、銀銅層４は溶融流動して第１図（ｂ）に存在し
ていたすきまを充填する傾向にあるが、第１図（ａ）に
おけるろう材層の平坦性が悪い場合、すなわち、最大膜
厚と最小膜厚の差ＲｆｆｊａＸが大きい場合には完全に
充填することが難しく、接合欠陥を誘起し易いことがわ
かった。
そこでＲｍａＸに注目し、スクリーンメツシュ数、エマ
ルジョン厚さ、印刷スキージの硬さ、圧力、等、種々の
印刷条件を検討した結果接合欠陥はＲｍａＸが小さいほ
ど低減され、ＲｒｎａＸが１０μｍ以下のような平坦化
した乾燥膜を有することにより、乾燥時平均膜厚１０〜
５０μｍの回路基板は良好な接合性を示した。
〔実施例）
本発明の実施例の回路基板を次の方法により製造した。
水素化チタン粉末２〜７重量％を含む一２２ｇｍの銀銅
共晶合金粉末に、有機物を加えて粘度が５０，０００〜
７０，０ＯＯｃｐｓのろう材ペーストを調整した。この
ペーストをスクリーン印刷法により５０ｍｍＸ３０ｍｍ
ｘ０．６３５ｍｍのＡρＮセラミックス焼結体に印刷し
た。このとき、印刷厚さ及び最大膜厚と最小膜厚の差は
、第１表に示す平均乾燥膜厚Ｔｍ、最大膜厚と最小膜厚
の膜厚差ＲｒｌｌａＸになるようにした。
ろう材ペーストが乾燥した後、その上に銅板を載せ１〜
ｌ０ＸＩＯ−５Ｔｏｒｒの真空中で９００℃で３０分保
持して焼成し銅板を接合した。このようにして接合した
セラミックス回路基板の接合欠陥及び熱衝撃数を調査し
た結果を第１表に示した。実施例では、接合欠陥を発見
せずまた熱衝撃数は高い値を示したが、第１表において
、接合状態を示す記号は
○：良好
△：最大欠陥１０ｍｍφ未満
Ｘ：最大欠陥１０ｍｍφ以上
であり、熱衝撃性を示す表示は、−６５℃から＋１５０
℃の繰返し熱衝撃サイクルに対して熱衝撃後の観察によ
り
○：２０サイクルで割れ、ひび、変形などの外観異常な
し
×：２０サイクル未満で割れ、ひび、変形などの外観異
常発生
を示す。実施例であるＮｏ、 １〜５では良好な成績を
示したが、Ｎｏ、６ではＲｍａｘが大きく接合不良が見
られ、Ｎｏ７はＴＬＩ＋が大きいので耐熱衝撃性が劣っ
ている。
〔発明の効果〕
本発明のセラミックス回路基板は、接合欠陥が少なく、
接合部の残留応力が低く、接合の信頼性、耐熱衝撃性と
もに優れ、放熱性が高い。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a ceramic circuit board having high heat dissipation properties and excellent thermal shock resistance suitable for use in power semiconductors and the like. 2. Description of the Related Art In recent years, with the trend toward higher integration density, higher speed, and higher power control of devices, there has been a demand for substrates that can quickly dissipate large amounts of heat generated from devices. One such substrate is based on Al2N ceramics, which is an insulating ceramic with high thermal conductivity, and a circuit is formed by bonding copper, a metal with good thermal conductivity and excellent electrical conductivity, on top of it. This board is attracting attention. Conventionally, the following methods (1) and (2) have been introduced as their manufacturing methods, broadly classified. (1) A method of bonding by placing AβN ceramics with an oxidized surface and a copper plate and heating them to generate Cu-0 eutectic (
Toshiba Review 41.9pp811-814 (1986
) (2) A method of interposing a brazing filler metal containing an active metal between AβN ceramics and a copper plate in the form of laminated foil, alloy plate, mixed powder 1 alloy powder, etc., and heating and bonding in an inert atmosphere. (JP-A-56-163093, JP-A-2-1494
Publication No. 78) The technical means of (2) above has stronger adhesive force and can provide a more reliable bonding state than the means of (1), but
Residual stress is generated due to the difference in thermal expansion of the N substrate, causing bonding and
There was a drawback that cracks were likely to occur after cooling or after thermal shock associated with ON/OFF switching of the element-mounted recovery power. Incidentally, the coefficient of thermal expansion of copper and Alx is l 7 x
10-'/"C. 4-5X10-6/"C. As a solution to this problem, the brazing material layer has been conventionally made of alloy foil with a thickness of 30 μm or less (Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-32
No. 648), a titanium layer with a thickness of 0.5 μm to 10 μm is interposed between copper and 61N (Japanese Patent Application Laid-open No. 60-1999).
177634), methods of thinning the brazing material layer and the active metal layer have been proposed. [Problems to be Solved by the Invention] In order to reduce the residual stress in the joint and improve thermal shock resistance, the brazing material layer is made thinner (thus, bonding defects are more likely to occur, and when a brazing material paste is used, the foil On the other hand, printing or coating a thick layer of brazing material to prevent bonding defects not only increases the residual stress in the bonding area and reduces thermal shock resistance, but also causes serious problems. The problem was that the brazing filler metal protruded from the copper plate.As a result of various studies on the structure of the brazing filler metal layer to improve thermal shock resistance without reducing bonding reliability, the present inventors found that The ease with which AβN occurs and the magnitude of residual stress applied to AβN ceramics are largely controlled by the thickness and flatness of the brazing material layer, and by appropriately selecting these factors, it is possible to find a brazing material layer that is highly reliable and has excellent thermal shock resistance. The present invention was completed based on this knowledge, and an object thereof is to provide a circuit board that eliminates the drawbacks of the conventional technology. A titanium-containing layer is included between the aggregate and the copper plate, and the average dry film thickness is 10 μm or more and 50 μm.
This is a ceramic circuit board characterized by interposing a brazing material layer having a thickness of 10 μm or less and a difference between a maximum film thickness and a minimum film thickness of 10 μm or less. [Function] The ceramic circuit board of the present invention has little residual stress and high thermal shock resistance because it has the above configuration. The brazing material layer of the substrate of the present invention is formed using a brazing material containing Ti, which is an active metal, and includes a titanium-containing layer such as a TiN layer. If the average dry film thickness of this brazing material layer is less than 10 μm, bonding defects will occur, so it should be 10 μm or more, and if it exceeds 50 μm, the film thickness will be large, resulting in a large residual stress value and a decrease in thermal shock resistance, so the upper limit should be 50 tL. limited to. What is more important is the uniformity of the film thickness, and the difference RmaX between the maximum film thickness and the minimum film thickness is important. This R111a
The experimental results investigated by the present inventor regarding X will be explained using FIG. FIG. 1(a) schematically shows a brazing material layer 2 printed and dried on an Al2N ceramic 1. Conventional thick film printing methods focus on forming fine lines with high precision, and as a result, when printing a relatively wide area as in this case, the edges tend to swell as shown in this figure. As shown in FIG. 1(b), when the copper plate 3 is placed on top of this, a gap is created between the copper plate 3 and the brazing metal layer 2.
When these are heated and bonded in a vacuum, the brazing material layer forms a silver copper layer 4 and a titanium nitride layer 5, as shown in FIG. 1(C).
A titanium nitride layer 5 is interposed between the A12N ceramic 1 and the silver copper layer 4. At this time, the silver-copper layer 4 tends to melt and flow and fill the gap that existed in FIG. 1(b), but if the flatness of the brazing material layer in FIG. 1(a) is poor, i.e. It was found that when the difference RffjaX between the maximum film thickness and the minimum film thickness is large, it is difficult to completely fill the film, and bonding defects are likely to occur. Therefore, we focused on RmaX and examined various printing conditions such as screen mesh number, emulsion thickness, printing squeegee hardness, pressure, etc. As a result, bonding defects are reduced as RmaX is smaller, and when RrnaX is 10 μm or less, By having a flattened dry film, the average dry film thickness is 10~
The 50 μm circuit board showed good bonding properties. [Example] A circuit board according to an example of the present invention was manufactured by the following method. Organic matter is added to 122 gm of silver-copper eutectic alloy powder containing 2-7% by weight of titanium hydride powder to give a viscosity of 50,000 to 50,000.
A brazing paste of 70,000 cps was prepared. This paste was printed into 50mm x 30mm by screen printing method.
It was printed on an AρN ceramic sintered body with a size of 0.635 mm. At this time, the printing thickness and the difference between the maximum film thickness and the minimum film thickness were set to be the average dry film thickness Tm and the film thickness difference RrllaX between the maximum film thickness and the minimum film thickness shown in Table 1. After the brazing paste has dried, place a copper plate on top of it.
The copper plates were bonded by firing by holding at 900° C. for 30 minutes in a vacuum of 10XIO-5 Torr. Table 1 shows the results of investigating the bonding defects and thermal shock counts of the ceramic circuit boards bonded in this manner. In the example, no joining defects were found and the thermal shock number showed a high value, but in Table 1, the symbols indicating the joining state are: ○: Good △: Maximum defect less than 10 mmφ X: Maximum defect greater than 10 mmφ , The display indicating thermal shock resistance is from -65℃ to +150℃.
Observation after thermal shock for repeated thermal shock cycles at 0.degree. C.: ○: No appearance abnormalities such as cracks, cracks, deformation, etc. occurred after 20 cycles. ×: Appearance abnormalities such as cracks, deformations, etc. occurred after less than 20 cycles. Examples Nos. 1 to 5 showed good results, but Nos. 6 had a large Rmax and poor bonding was observed, and No. 7 had a large TLI+ and had poor thermal shock resistance. [Effects of the Invention] The ceramic circuit board of the present invention has few bonding defects and
Low residual stress in the joint, excellent joint reliability and thermal shock resistance, and high heat dissipation.
【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]
第１図は本発明の効果を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing the effects of the present invention.