JPH0451583A - 金属板接合セラミックス基板 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、大電流を使用する電子部品搭載用基板として
用いられる、耐熱サイクル性に優れた金属板接合セラミ
ックス基板に関する。

［従来の技術］ 大電流を使用する電子部品搭載用基板として、セラミッ
クス板の両面にろう材を用いて金属板を接合した基板が
用いられており、第１図に典型的な例のセラミックス基
板に垂直な縦断面模式図を示す。図において、１は電子
部品搭載側金属板、２は電子部品搭載側ろう材、３はセ
ラミックス基板、４−は放熱側ろう材、５は放熱側金属
板である。４と５の面積は同じであり、放熱性を高める
ために、セラミックス基板のほぼ全面を覆っている。

このような金属板接合セラミックス基板を実用化するに
は、金属板接合セラミックス基板に一６５〜＋１５０℃
の熱サイクルを与え、セラミックス基板に亀裂が入るま
での回数を測定する試験（耐熱サイクル試験）を行なっ
て評価する必要がある。試験中に、金属板及びろう材と
セラミックス基板の熱膨張率の差に起因して、セラミッ
クス基板に熱応力が発生し、基板に亀裂が発生する。こ
の熱応力を減少させて耐熱サイクル性を向上させるため
に放熱側金属板を薄（する方法が提案されている（特開
昭６３−’２４８１’９５号公報）。

しかし、セラミックス基板と金属板の接合のために活性
金属を含む合金のろう材を用いる場合には、ろう材の降
伏応力が非常に大きいので、セラミックス基板に大きな
熱応力が発生し、耐熱サイクル試験時に亀裂が入りやす
く、前記公報に記述されているような、放熱側金属板を
薄くするという方法だけでは熱応力を十分に軽減するに
は不十分である。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は、活性金属を含む合金のろう材で接合した金属
板セラミックス基板に発生する熱応力による割れについ
て広範囲に検討し、実際の使用に耐える製品を提供し、
上記従来技術の問題点を解決しようとするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上記課題を解決するために、セラミックス基板
の一方の面に電子部品搭載側金属板を、他方の面に放熱
側金属板を、活性金属を含む合金のろう材によりそれぞ
れ接合した基板において、ろう材の厚さが２５ａｍ以下
、放熱側ろう材の面積が電子部品搭載側ろう材の面積の
５０〜１５０％、かつ放熱側金属板の厚さが電子部品搭
載側金属板の厚さの８０％以下であることを特徴とする
金属板接合セラミックス基板を提供するものである。

〔作用］ 本発明に使用されるセラミックス基板にはＡｆｆＮ、Ｓ
　ｉ３　Ｎ４等、活性金属にはＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等、金
属板にはＣｕ、Ｍｏ、不鎮鋼等がある。

−Ｍに、純金属の降伏応力と比較して合金のそれは非常
にに大きい。例えば、室温に於てＣｕの降伏応力は約５
ｋｇｆ／ｍｒｎ”であるがＴｉ−Ａｇ−Ｃｕろう材のそ
れは約７０　ｋ　ｇ　ｆ　／　ｍ　ｍ’である。従って
、活性金属を含む合金のろう材を用いた金属板接合セラ
ミックス基板には非常に大きな熱応力が発生して、耐熱
サイクル試験中に亀裂が入りやすい。

ろう材の厚さを２５μｍ以下にすると、接合後の冷却中
、及び耐熱サイクル試験中にセラミックス基板に発生す
る熱応力が急激に減少し耐熱サイクル性を向上させるこ
とができる。

放熱側ろう材の面積を電子部品搭載側ろう材の面積の５
０〜１５０％に抑えることによりセラミックス基板の拘
束が弱まり、熱応力が軽減されて耐熱サイクル性が向上
する。

放熱側ろう材の面積が多いと熱応力は軽減されないが、
反対に、少な過ぎると放熱性が悪（なるとともに信頼性
のある接合強度が得られない。

従って、放熱側ろう材の面積は、電子部品搭載側ろう材
の面積の５０〜１５０％にする必要がある。放熱測ろう
材の上記割合が小さいときは基板の縦断面模式図は第２
図に示したようになる。

放熱側銅板の厚さを電子部品搭載側銅板の８０％以下に
することにより熱応力を軽減して、耐熱サイクル性を向
上させる。

放熱側金属板の厚さが、電子部品搭載側金属板の厚さの
８０％を越えると電子部品搭載側と放熱側に発生する熱
応力のバランスが悪いので、セラミックス基板に発生す
る熱応力が大きくなり、耐熱サイクル回数が少なく、放
熱側金属板の厚さは、電子部品搭載側金属板の厚さの８
０％以下にする必要がある。

上記の効果を組合わせることにより、すなわち、ろう材
の厚さを２５μｍ以下にして、放熱側ろう材の面積を電
子部品搭載側ろう材の面積の５０−１５０％にするとと
もに、放熱側金属板の厚さを電子部品搭載側金属板の厚
さの８０％以下にすることにより、熱応力が大幅に軽減
され、耐熱サイクル性の飛躍的な向上が得られてる。

［実施例］ ５４ｍｍＸ３６ｍｍ、厚さ０．６３５±０．０５ｍｍの
Ａｌ２Ｎ又はＳｉ３Ｎ４基板の両面にＴｉ−Ａｇ−Ｃｕ
ろう材を介在させた後、下記の各実施例における条件下
で、真空中（１０−６Ｔｏｒｒ）約８５０℃で４０分焼
成して、電子部品搭載側銅板と放熱側銅板をセラミック
ス基板に接合後、接合体に一６５〜＋１５０℃の熱サイ
クル（１サイクル６０分）を与えて、目視によりＡｌ２
Ｎ、Ｓｉ３Ｎ４基板に亀裂が発生するまでの回数（耐熱
サイクル回数）を測定した。

実施例Ｉ ＡＪ２Ｎ又はＳｉ３Ｎ４基板の一方の面に厚さ０、３　
ｍ　ｍの電子部品搭載側銅板を、もう一方の面に５０Ｘ
３２ｍｍ厚さ０．２４　ｍ　ｍの放熱側銅板を、Ｔｉ−
Ａｇ−Ｃｕろう材で接合した。ろう材の条件は、電子部
品搭載側ろう材の面積が１８ｃｒｎ’、放熱側ろう材の
面積が１２ｃｒｎ”、ろう材の厚さが１５．２０．２５
．３０．４０ｕｍである。

第１表にＡｌ２Ｎ基板、第２表にＳｉ３Ｎ４基板を用い
た耐熱サイクル試験結果を示す。

Ａｌ２Ｎ基板を用いた接合体の耐熱サイクル回数は、ろ
う材の厚さが４０μｍでは、接合後、冷却中に亀裂が入
り、３０μｍでは１０回以下であるが、２５ｕｍでは３
０〜５０回、１５μｍでは７０回を越える。１５μｍよ
り薄（なるとさらに増加すると推測される。

Ｓｉ３Ｎ４基板を用いた接合体の耐熱サイクル回数は、
ろう材の厚さが３０μｍ以上では１０回以下であるが、
２５μｍで３０〜５５回、１５μｍでは９０回を越える
。１５μｍより薄くなるとさらに増加すると推測される
。

これは、ろう材の厚さが２５μｍ以下になると、冷却中
、及び、耐熱サイクル試験中にセラミックス基板に発生
する熱応力が急激に減少するためである。従って、実際
の使用に耐える銅板接合セラミックス基板を作製するに
は、ろう材の厚さを２５μｍ以下にする必要がある。

実施例２ セラミックス基板：材質　ＡβＮ 電子部品搭載側銅板：厚さ　０．３　ｍ　ｍ電子部品搭
載側ろう材：面積　１２ｃｒｎ’厚さ　２０μｍ 放熱側銅板：５０Ｘ３２ｍｍ 厚さ　０９１０．０．１５． ０．２０．０．２４． ０、’３０．０．４０　ｍ　ｍ 放熱側ろう材：面積　１８ｃｒｎ’ 厚さ　２０μｍ 第３表に耐熱サイクル試験結果を示す。

第　　３　　表 ×：接合後、冷却中に亀裂が入った。

放熱側銅板の厚さが０．４　ｍ　ｍの接合体は、接合後
、冷却中に発生する熱応力が大きいので、冷却中にＡｌ
２Ｎ基板に亀裂が入る。放熱側銅板の厚さが０．３　ｍ
　ｍの接合体の耐熱サイクル回数は１０回以下であり、
実際には使用できない。耐熱サイクル回数は放熱側銅板
のの厚さが０．２４　ｍ　ｍで２０〜５０回、０．２４
．　ｍ　ｍより薄くなると急激に増加して、０．１ｍｍ
では５００回を越える。

実施例３ 実施例２におけるＡ４２ＮをＳｉ３Ｎ４に替えたほかは
実施例２と同様に行い、第４表に耐熱サイクル試験結果
を示す。

全体的にＡｇＮ基板を用いた接合体より耐熱サイクル回
数は多い。これは、Ｓｉ３Ｎ４の強度がＡｌ２Ｎの強度
よりも高いためである。しかし、３ｉ３Ｎ４の基板を用
いても、放熱側銅板の厚さが０．３　ｍ　ｍの接合体の
耐熱サイクル回数は８〜１５回であり、安定して１０回
を越えない。放熱側銅板の厚さが０．２４　ｍ　ｍ以下
になると安定して１０回を越えて、０．１ｍｍの接合体
では７００回以上になる。

実施例２と３の結果から、どちらのセラミックス基板を
用いた接合体も、放熱銅板の厚さを０、２４　ｍ　ｍ以
下にすると十分な耐熱サイクル回数を得る。電子部品搭
載側銅板の厚さは０．３　ｍ　ｍなので、０．２４ｍｍ
はその８０％である。従って、実際の使用に耐える接合
体を作製するには放熱側銅板の厚さを電子部品搭載側銅
板の厚さの８０％以下にする必要がある。

実施例４ セラミックス基板：材質　ＡＪ２Ｎ 電子部品搭載側銅板：厚さ　０１３ｍｍ電子部品搭載側
ろう材：面積　１２ｃｒｒ１″厚さ　２０μｍ 放熱側銅板：５０Ｘ３２ｍｍ 厚さ　０．２０　ｍ　ｍ 放熱側ろう材：面積　４．８．６．０．８．４．１２．
０．１８．Ｏｌ ２０、４　ｃは 厚さ　２０ｕｍ 第５表に耐熱サイクル試験結果を示す。

放熱側ろう材の面積が２０．４ｃｍ″の接合体は、接合
後冷却中、及び耐熱サイクル試験中に発生する熱応力が
大きいので、耐熱サイクル回数は１０回以下であり、実
際には使用できない。放熱側ろう材の面積が１８ｃｒｎ
’の接合体の耐熱サイクル回数は２０〜１００回であり
、実際の使用に耐える。さらに、放熱側ろう材の面積を
減少させると８．４ｃｒｎ’までは耐熱サイクル回数は
増加するが、８、４　ｃ　ｒｎ”より放熱側ろう材の面
積を減少させると逆に耐熱サイクル回数は減少する。こ
れは、放熱側ろう材の面積が２０．４〜８．４ｃｍ’の
範囲では、ろう材の面積を減少させるにつれてＡ［Ｎ基
板に発生する熱応力が減少するので耐熱サイクル回数は
増加するが、６．０ｃｒｎ’以下では放熱側と商品搭載
側に発生する熱応力のバランスにより、反対に熱応力が
増加するので耐熱サイクル回数は減少するからである。

放熱側ろう材の面積が４．８　ｃ　ｒｄの接合体でも耐
熱サイクル回数は５０回以上であり、耐熱サイクル回数
は十分であるが、放熱側ろう材の面積が６．０　ｃ　ｍ
”より減少すると放熱性が悪くなり実際には使用できな
い。従って、実際の使用に耐える銅板接合ＡＡＮ基板に
おいては、放熱側ろう材の面積は、電子部品搭載側ろう
材の面積の５０〜１５０％である必要がある。

実施例５ 実施例４におけるＡβＮをＳｉ３Ｎ＜に替えたほかは実
施例４と同様に行った。

第６表に耐熱サイクル試験結果を示す。

第　　６　　表 Ｓｉ３Ｎ４の強度はＡｆｆＮの強度よりも大きいので全
体的に耐熱サイクル回数は多い。放熱側ろう材の面積が
’；１０．４Ｑｄの接合体の耐熱サイクル回数は５〜１
５回であり、安定して１０回を越えず、実際には使用で
きない。放熱側ろう材の面積が１８．　Ｏｃ　ｒｎ”の
接合体の耐熱サイクル回数は５０回を越えて実際の使用
に耐える。さらに、放熱側ろう材の面積を減少させると
８．４ｃｒｎ’までは耐熱サイクル回数は増加するが、
８．４ｃｒｎ’より放熱側ろう材の面積を減少させると
逆に耐熱サイクル回数は減少する。これは、放熱測ろう
相の面積が２０．４〜８．４　ｃ　ｒｎ’の範囲では、
ろう材の面積を減少させるにつれてＳｉ３Ｎ４基板に発
生する熱応力が減少するので耐熱サイクル回数は増加し
、６．０ｃｍ″以下では放熱側と電子部品搭載側に発生
する熱応力のバランスにより、反対に熱応力が増加する
ので耐熱サイクル回数は減少するためである。

放熱側ろう材の面積が４．８　ｃ　ｍ″の接合体でも耐
熱サイクル回数は８０回程度あり、耐熱サイクル回数は
十分であるが、放熱側ろう材の介在面積が６．０ｃｍ″
より減少すると放熱性が悪くなり実際には使用できない
ので、放熱側ろう材の面積は、電子部品搭載側ろう材の
面積の５０〜１５０％である必要がある。

従って、実施例５と６の結果から、実際の使用に耐える
Ｔｉ−Ａｇ−Ｃｕろう材を用いて作製する金属板接合セ
ラミックス基板の放熱側ろう材の面積は、電子部品搭載
側ろう材の面積の５０〜１５０％である必要がある。

［発明の効果］ 本発明による金属板接合セラミックス基板は、セラミッ
クス基板に発生する熱応力が小さく、耐熱サイクル性に
すぐれており、実際の使用に十分に耐えることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は放熱側金属板が放熱側ろう材によってセラミッ
クス基板に全面的に接合されている金属板接合セラミッ
クス基板の模式縦断面図、第２図は放熱側金属板が放熱
側ろう材によってセラミックス基板に部分的に接合され
ている金属板接合セラミックス基板の模式縦断面図であ
る。 １・・・電子部品搭載側金属板 ２・・・電子部品搭載側ろう材 ３・・・セラミックス基板 ４・・・放熱側ろう材 ５・・・放熱側合ａ板 第１図 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １　セラミックス基板の一方の面に電子部品搭載側金属
   板を、他方の面に放熱側金属板を、活性金属を含む合金
   のろう材によりそれぞれ接合した基板において、ろう材
   の厚さが２５μｍ以下、放熱側ろう材の面積が電子部品
   搭載側ろう材の面積の５０〜１５０％、かつ放熱側金属
   板の厚さが電子部品搭載側金属板の厚さの８０％以下で
   あることを特徴とする金属板接合セラミックス基板。