JPH05152461A - セラミツクス回路基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】電源スイッチのオン、オフ等の繰返しに対して
もクラックの発生がなく、長期間に亘って信頼性が保持
できるセラミックス回路基板を提供することを目的とす
る。 【構成】セラミックス基板１１の片面もしくは両面に、
活性な金属の接合層を介して銅回路板１２を接合する。
銅回路板１２の端縁を段部１４を介して薄肉とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばパワートランジ
スタモジュール等の半導体実装用基板として好適なセラ
ミックス回路基板に係り、特にセラミックス基板上に活
性な金属の接合層を介して銅回路板を接合したものにお
いて、使用時の熱サイクルに対する信頼性向上等を図っ
たセラミックス回路基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、パワートランジスタモジュール用
回路基板やスイッチング電源モジュール用回路基板等に
適用されるセラミックス回路基板として、セラミックス
基板と銅回路板とを活性金属法によって接合したセラミ
ックス回路基板が開発されている。

【０００３】このセラミックス回路基板は、例えば図８
および図９に示すように、セラミックス基板１の一側面
に銅回路板２を活性な金属、例えばチタン（Ｔｉ）、銀
（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）等を主体とする接合層を介して一
体的に接合したものである。

【０００４】なお、図８および図９の例ではセラミック
ス基板１の他側面に同じく活性な金属の接合層を介して
熱変形防止用の銅板３が接合されている。

【０００５】また、モジュールとしての製品には、銅回
路板２の表面に図示しないＳｉチップ等の半導体チップ
が半田層を介して接合されるとともに、必要な配線が施
され、さらに銅板３側がヒートシンクに半田層を介して
接合される。

【０００６】なお、活性金属法は、Ｔｉ，Ｃｕ，Ａｇ等
の活性な金属の粉末に有機化合物等のバインダおよび溶
媒を混合してなるペーストを、セラミックス基板１上に
パターン印刷し、そのセラミックス基板１の上に銅回路
板２をパターンに沿って配置して、不活性雰囲気（Ａ
ｒ，Ｎ_２ガス雰囲気等）または真空中で加熱接合する方
法である（銅板３についても同様である）。

【０００７】この方法により、Ｔｉはセラミックス基板
中の窒素（Ｎ）または酸素（Ｏ）と反応してＴｉＮまた
はＴｉＯを形成するとともに、ＣｕおよびＡｇは銅板と
共晶結合体を形成し、これらによる接合層を介してセラ
ミックス基板１と、銅回路板２および銅板３とが強固に
接合される。

【０００８】このようなセラミックス回路基板は比較的
単純な構造なことから、小型高実装化が可能であり、ま
たマウント工程も短縮できる等の長所を有している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
活性金属層を介して接合されたセラミックス回路基板を
モジュールに組込んで、電源スイッチのオン・オフを繰
返した場合、図８に示すように、セラミックス基板１に
クラック４が発生する現象が見られる。

【００１０】そして、さらに電源スイッチのオン・オフ
を長時間続けると、クラック４の部分からセラミックス
基板１のへき開破壊が起こり、モジュール自体の熱抵抗
が上昇し、またピール強度が劣化する。

【００１１】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、電源スイッチのオン、オフ等の繰返しに対して
もクラックの発生がなく、長期間に亘って信頼性が保持
できるセラミックス回路基板を提供することを目的とす
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段および作用】発明者におい
て、セラミックス基板のクラック発生原因を検討した結
果、次のような点が明らかとなった。

【００１３】すなわち、モジュールは長時間の使用によ
り１００℃以上に温度上昇し、この温度上昇によって、
セラミックス回路基板全体は熱膨張する。銅回路板はセ
ラミックス基板よりも熱膨脹が大きいので、セラミック
ス基板の一側面に銅回路板を接合しただけの構造では反
りが生じ易い。そこで、この反りを防止するために、前
記のようにセラミックス基板の他側面に熱変形防止用の
銅板を接合する等の手段が講じられる。

【００１４】しかし、このような手段を講じて反りを防
止した場合でも、電源スイッチのオン・オフにより生じ
る温度差（ΔＴ）によって、銅回路板とセラミックス基
板との間には熱膨張差（α差）が発生し、これに基づく
熱サイクルによりセラミックス基板に圧縮応力が残留す
る。

【００１５】この圧縮応力は、セラミックス基板に対す
る銅回路板の接触面と非接触面との境界部分、つまり銅
回路板の端縁に接触する部位で最も大きい。

【００１６】その結果、図８に示すように、セラミック
ス基板の銅回路板端縁部との接触部位でクラックが生
じ、この部分からセラミックス基板が破壊等して、モジ
ュールに悪影響が生じていたものである。

【００１７】なお、クラックの発生頻度および大きさ等
は、銅回路板が厚肉な場合に顕著であることから、接合
面に沿う方向の力は、銅回路板の厚みに相乗的に影響さ
れるものと考えられる。

【００１８】したがって、この応力を緩和すればクラッ
クの発生を抑止できるものと考えられ、その手段として
銅回路板の薄肉化が想起されるが、パワートランジスタ
モジュール用回路基板やスイッチング電源モジュール用
回路基板のように、大電流が使用されるものでは、銅回
路板全体の過度の薄肉化は困難である。

【００１９】以上の知見に基づき、一の発明は、セラミ
ックス基板に活性金属により接合される銅回路板の端縁
を段部を介して薄肉としたことを特徴とするものであ
る。

【００２０】このように、銅回路板の端縁のみを薄肉と
する本発明の構成によれば、銅回路板の主体部分の肉厚
を十分に保持しつつ、薄肉化された端部からセラミック
ス基板に作用する熱膨張差による圧縮歪の発生量は少な
くなり、この結果セラミックス基板に対する銅回路板の
接触面と非接触面との境界部分へのクラック発生を抑止
することが可能となる。

【００２１】したがって、大電流供給のために全体の肉
厚を大きくした場合でも、セラミックス基板へのクラッ
ク発生が防止できるようになり、信頼性向上が図れるよ
うになる。

【００２２】薄肉部分を形成する手段としては、エッチ
ングによって銅回路板の非接合面の外周部位を削る等の
化学的手段、またプレスで外周を圧潰する等の機械的手
段等、種々の手段が採用できる。

【００２３】この場合、厚肉部分と薄肉部分との間が段
部となっている本発明によれば、前記の手段による肉厚
差の形成および寸法設定等が容易に行えるものである。

【００２４】ここで、銅回路板の端縁部に形成する肉薄
部分の厚さが、その銅回路板の厚肉部分の２／３を越え
る値では、セラミックス基板のクラック発生防止が必ず
しも確実に図れないことが多くの実験例から明らかとな
った。

【００２５】したがって、本発明において好ましくは、
銅回路板の端縁部に形成される肉薄部分の厚さを、銅回
路板の厚肉部分の厚さの２／３以下に設定する。

【００２６】また、銅回路板の端縁部に形成される肉薄
部分の段方向の幅が、その銅回路板の厚肉部分の１／２
以下でも、セラミックス基板のクラック発生防止が必ず
しも確実に図れない。

【００２７】したがって、本発明において好ましくは、
銅回路板の端縁部に形成される肉薄部分の段方向の幅
を、その銅回路板の厚肉部分の厚さの１／２以上に設定
する。

【００２８】また他の発明は、セラミックス基板に活性
金属により接合される銅回路板の端縁を、斜面を介して
薄肉としたことを特徴とするものである。

【００２９】本発明によっても、銅回路板からセラミッ
クス基板への接合方向の応力が小さくなり、このような
応力緩和により、セラミックス基板に対する銅回路板の
接触面と非接触面との境界部分へのクラック発生を抑止
することが可能となる。

【００３０】したがって、大電流供給のために全体の肉
厚を大きくした場合でも、セラミックス基板へのクラッ
ク発生が防止できるようになり、信頼性向上が図れるよ
うになる。

【００３１】薄肉部分を形成する手段としては、エッチ
ングによって銅回路板の非接合面の外周部位を削る等の
化学的手段、またプレスで外周を圧潰する等の機械的手
段等、種々の手段が採用できる。

【００３２】この場合、銅回路板の斜面の傾斜角度が２
０°に満たない場合は加工困難または半導体チップ搭載
面積の確保困難等の不都合がある。

【００３３】また、７０°を越えると、セラミックス基
板のクラック発生防止が必ずしも確実に図れない。

【００３４】したがって、本発明において好ましくは、
銅回路板の斜面の傾斜角度を２０〜７０°の範囲内に設
定する。

【００３５】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。

【００３６】＜実施例１ （図１〜図４）＞図１は本実
施例のセラミックス回路基板を一部断面で示す側面図、
図２は同平面図、図３および図４は本実施例による特性
を示すグラフである。

【００３７】図１および図２に示すように、窒化アルミ
ニウム（ＡｌＮ）からなるセラミックス基板１１の一側
面に銅回路板１２を活性金属法による接合層１３を介し
て接合するとともに、そのセラミックス基板１１の他側
面に同法による接合層１３を介して補助用の銅板３を接
合した。

【００３８】すなわち、Ｔｉ、Ａｇ、Ｃｕの各粉末をＴ
ｉ３％、Ａｇ３７％、Ｃ６０％の割合で、有機化合物等
のバインダおよび溶媒を用いて混合してなるペースト
を、セラミックス基板１１上にパターン印刷し、そのセ
ラミックス基板１１の上に銅回路板１２をパターンに沿
って配置して、Ａｒガス雰囲気で加熱し、接合層１３を
介して接合した（銅板１３についても略同様である）。

【００３９】このような構成のセラミックス回路基板に
おいて、銅回路板１２は、厚さａが０．３mmの素材に対
し、非接合面側の全端縁部つまり周辺部をエッチング加
工し、これにより周辺部が段部１４を介して薄肉となる
薄肉部分１５を形成した。

【００４０】この薄肉部分１５の厚さｂは、素材厚さａ
の１／３〜１／１までの範囲で種々変更した。

【００４１】図３は、冷熱衝撃試験（ＴＣＴ）後のマイ
クロクラックの発生状況を示したものである。すなわ
ち、縦軸にクラック発生までの加熱および冷却のサイク
ル数（回）を表し、横軸に肉薄部分１５の肉厚（mm）を
表している。

【００４２】ＴＣＴの条件は、次の通りである。

【００４３】

【外１】 マイクロクラックのチェックは、銅回路板１１を溶融さ
せ、赤インクに浸した後、顕微鏡観察により行った。

【００４４】つまり、加熱および冷却を繰返し、その冷
熱５サイクル毎にマイクロクラックを確認し、発生した
ときのサイクル数をグラフにプロットしたのが図３であ
る。

【００４５】この図３に示すように、銅回路板１２の端
縁部に形成する肉薄部分１５の厚さｂが、その銅回路板
１２の厚肉部分の２／３を越える値では、セラミックス
基板１１のクラック発生防止が必ずしも確実に図れない
ことが認められる。

【００４６】すなわち、銅回路板１２の端縁部に形成さ
れる肉薄部分１５の厚さは、銅回路板の厚肉部分の厚さ
ａの２／３以下に設定することが好ましい。

【００４７】一方、薄肉部分１５の幅ｃについても、素
材厚さａの０〜１／５までの範囲で種々変更した。

【００４８】図４は、薄肉部分の幅ｃを変化させて冷熱
衝撃試験（ＴＣＴ）を行った後のマイクロクラックの発
生状況を示したものである。すなわち、縦軸にクラック
発生までの加熱および冷却のサイクル数（回）を表し、
横軸に肉薄部分１５の幅（mm）を表している。

【００４９】ＴＣＴの条件およびマイクロクラックチェ
ック方法は、前記同様である。

【００５０】この結果、図４に示すように、銅回路板１
２の端縁部に形成する肉薄部分１５の幅ｃが、その銅回
路板１２の厚肉部分の肉厚ａの１／２を越える値では、
セラミックス基板１１のクラック発生防止が必ずしも確
実に図れないことが認められた。

【００５１】すなわち、銅回路板１２の端縁部に形成さ
れる肉薄部分１５の幅ｃは、銅回路板１２の厚肉部分の
厚さａの１／２以下に設定することが好ましい。

【００５２】＜実施例２ （図５〜図７）＞図５は本実
施例のセラミックス回路基板を一部断面で示す側面図、
図６は同平面図、図７は本実施例による特性を示すグラ
フである。

【００５３】図５および図６に示すように、本実施例が
前記の実施例１と異なる点は、銅回路板１２に斜面１６
を介して薄肉部１５を形成した点である。

【００５４】その他の構成は実施例１と略同様であるか
ら、図５および図６の対応部分について、図１および図
２と同一符号を付して説明を省略する。

【００５５】薄肉部分１５の斜面１６の角度θを、２０
〜５０°の範囲に亘って種々変更した。

【００５６】図７は、冷熱衝撃試験（ＴＣＴ）後のマイ
クロクラックの発生状況を示したものである。すなわ
ち、縦軸にクラック発生までの加熱および冷却のサイク
ル数（回）を表し、横軸に斜面１６の角度θ（°）を表
している。

【００５７】この結果、図３に示すように、銅回路板１
２の端縁部に形成する肉薄部分１５の斜面１６の角度θ
が７０°を越えると、セラミックス基板のクラック発生
防止が必ずしも確実に図れないことが認められた。

【００５８】なお、銅回路板１２の斜面１６の傾斜角度
が２０°に満たない場合は加工困難または半導体チップ
搭載面積の確保困難等の不都合がある。

【００５９】したがって、銅回路板１２の斜面１６の傾
斜角度を２０〜７０°の範囲内に設定することが好まし
いことが判る。

【００６０】なお、以上の各実施例では、セラミックス
基板１１の片面に銅回路板１２を接合した場合を示した
が、これに限らず、セラミックス基板の両面に銅回路板
を接合した場合についても前記同様に実施できるもので
ある。

【００６１】

【発明の効果】以上のように、本発明のセラミックス回
路基板によれば、銅回路板の周縁部を段付きまたは傾斜
構造で薄肉としたことにより、銅回路板からセラミック
ス基板に伝達される熱応力が従来に比して緩和でき、ま
たモジュールに組込んだ状態での冷熱サイクルの負荷に
より生じる熱応力が緩和され、信頼性の向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における実施例１の構成を一部断面で示
す側面図。

【図２】図１の平面図。

【図３】同実施例による薄肉部分の厚さとクラック発生
サイクル数との関係を示す特性図。

【図４】同実施例による薄肉部分の幅とクラック発生サ
イクル数との関係を示す特性図。

【図５】本発明における実施例２の構成を一部断面で示
す側面図。

【図６】図５の平面図。

【図７】同実施例による薄肉部分の斜面の傾斜角度とク
ラック発生サイクル数との関係を示す特性図。

【図８】従来例を一部断面で示す側面図。

【図９】図８の平面図。

【符号の説明】

１１ セラミックス基板 １２ 銅回路板 １３ 銅板 １４ 段部 １５ 薄肉部 １６ 斜面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 忠 神奈川県横浜市鶴見区末広町２の４ 株式 会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 池田 和男 神奈川県横浜市鶴見区末広町２の４ 株式 会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 那波 隆之 神奈川県横浜市鶴見区末広町２の４ 株式 会社東芝京浜事業所内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミックス基板の片面もしくは両面
   に、活性な金属の接合層を介して銅回路板を接合したセ
   ラミックス回路基板において、前記銅回路板の端縁を段
   部を介して薄肉としたことを特徴とするセラミックス回
   路基板。
2. 【請求項２】 銅回路板の端縁の薄肉な部分の厚さは、
   厚肉な部分の厚さの２／３以下に設定されている請求項
   １に記載のセラミックス回路基板。
3. 【請求項３】 銅回路板の端縁の薄肉な部分の幅は、厚
   肉な部分の厚さの１／２以上に設定されている請求項１
   に記載のセラミックス回路基板。
4. 【請求項４】 セラミックス基板の片面もしくは両面
   に、活性な金属の接合層を介して銅回路板を接合したセ
   ラミックス回路基板において、前記銅回路板の端縁を斜
   面を介して薄肉としたことを特徴とするセラミックス回
   路基板。
5. 【請求項５】 銅回路板の斜面の傾斜角度は２０〜７０
   °の範囲内に設定されている請求項４に記載のセラミッ
   クス回路基板。