JPH0525397B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、セラミツクス基板に銅板を直接接合
してなるセラミツクス回路基板に関する。

（従来の技術） 近年、パワートランスモジユール用基板やスイ
ツチング電源モジユール用基板等の回路基板とし
て、セラミツクス基板上に銅板等の金属板を接合
させたものがよく用いられている。

このようなセラミツクス回路基板の製造方法と
して、所定形状に打ち抜かれた厚さ0.3〜0.5mm程
度の銅回路板を、例えば酸化アルミニウム焼結体
や窒化アルミニウム焼結体からなるセラミツクス
基板上に接触配置させて加熱し、接合界面にCuO
の共晶液相を生成させ、この液相によりセラミツ
クス基板の表面を濡らし、次いで冷却固化してセ
ラミツクス基板と銅回路板とを直接接合させる、
いわゆるDBC法（ダイレクト・ボンデイング・
カツパー法）が多用されるようになつてきてい
る。

このDBC法により形成されたセラミツクス回
路基板は、セラミツクス基板と銅回路板との接合
強度が強く、単純構造なので小型高実装化が可能
であり、また作業工程も短縮できる等の長所を有
している。

（発明が解決しようとする問題点） ところで、このようなDBC法によるセラミツ
クス回路基板においては、大電流を流せるように
導電路となる銅回路板の厚さを0.3〜0.5mmと厚い
ものを使用しているため、熱履歴に対して信頼性
に乏しいという問題がある。すなわち、加熱接合
後の冷却過程や冷熱サイクルの付加により、セラ
ミツクス部と銅との熱膨脹差に起因する熱応力が
発生する。この応力は接合部付近のセラミツクス
基板側に圧縮と引張の残留応力分布として存在
し、特に銅板の端部と近接するセラミツクス部分
に残留応力の主応力が作用する。そして、この残
留応力のうちの引張成分としての最大応力値がセ
ラミツクスの引張強度を超えるとセラミツクス基
板にクラツクを生じさせ、さらには銅板剥離を起
こしてしまう。また、クラツクが生じないまでも
この残留応力は、セラミツクス基板の強度を低下
させるという悪影響を及ぼす。この残留応力のう
ち、銅板の加熱接合後の冷却過程により発生する
残留応力は、冷却速度を調節する等によつてある
程度まで低減させることが可能であるのに対し、
実際の使用時における搭載部品から発生する熱等
による熱応力によつて生じる残留応力は、外的条
件によつては低減することができず、重大な問題
である。

また、このようなセラミツクス回路基板は、通
常、セラミツクス基板の裏面にも表面、すなわち
半導体素子等の実装部と同一の厚さの銅板を接合
して用いているが、この裏面の銅板はセラミツク
ス基板の端部より所定の間隔を開けてそれ以外の
部分全面に接合しているので、特に冷熱サイクル
による収縮が大きく、クラツク発生の一因となつ
ている。

本発明はこのような従来の問題点を解消するた
めになされたもので、熱履歴に対する信頼性を向
上させたDBC法によるセラミツクス回路基板を
提供することを目的とする。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明のセラミツクス回路基板は、セラミツク
ス基板上に所定の形状の銅板を接触配置し加熱接
合させてなるセラミツクス回路基板において、前
記銅板が各端部に薄肉部を有することを特徴とし
ている。

本発明における銅板端部の薄肉部の形状として
は、例えば以下のようなものが挙げられる。

銅板端部を段付形状とすることにより薄肉部
を形成する。

銅板端部をテーパ形状とすることにより薄肉
部を形成する。

銅板端部を内湾曲形状とすることんにより薄
肉部を形成する。

また、これらを組合せた形状としてもよい。

この銅板端部に形成する薄肉部の厚さとして
は、その先端が少なくとも実装部の厚さの1/2以
下とし、好ましくは0.1mm以下の範囲である。こ
の薄肉部の先端の厚さが実装面となる部分の厚さ
の1/2を超えるとこの薄肉部の塑性変型による残
留応力低減の効果が十分に得られない。また、こ
の厚さを薄くするほど残留応力の低減を図れる
が、段付形状のような場合には、この厚さが薄す
ぎると熱応力によつて破断する危険が生じるた
め、実用的には0.05mm程度までがよい。

これら銅板端部の薄肉部は、所定形状とした銅
板の端部にエツチングを施したり、機械加工する
ことにより形成できる。また、所定の実装面積と
厚さを有する銅板とこの実装部より大面積の残留
応力低減のための薄板とを積層してセラミツクス
基板上に載置し、同時に加熱接合することによつ
ても同様な効果が得られる。さらに、板状の銅素
材を予めセラミツクス基板上に加熱接合し、この
後所定のパターン形状に銅板をエツチングし、こ
の１回目のエツチング処理によつて形成された各
パターン部の端部に薄肉部がそれぞれ形成される
ように２回目のエツチングを行う等、セラミツク
ス基板上に銅板を加熱接合した後に薄肉部を形成
してもよい。

また、薄肉部の形成範囲としては、銅板の外周
より0.1〜１mmが好ましい。この薄肉部の形成範
囲が0.1mm未満であるとその効果が十分に得られ
ず、１mmを超えて形成してもそれ以上の効果が得
られず、実装面積が減少する。

本発明に使用する銅板としては、タフピツチ銅
のような酸素を100〜3000ppmの割合で含有する
銅を圧延してなるものが好ましい。また、この銅
板のうち、回路を構成し実装部となる銅板の厚さ
は、0.25〜6.0mmの範囲が好ましく、この実装部
の反対側の面、すなわち裏面にも銅板を接合する
場合のその厚さは、実装部の銅板の厚さの30〜90
％の範囲が好ましい。このように裏面の銅板の厚
さを薄くすることによりセラミツクス基板の疲労
を減少でき、さらに熱履歴に対する信頼性が向上
する。裏面の銅板の厚さの実装部の銅板の厚さの
90％を超えるとこのセラミツクス基板の疲労低減
効果が十分でなく、また30％未満では実装部との
熱応力の差が大きくなりすぎ逆にセラミツクス基
板の疲労が大きくなる。また裏面の銅板の端部に
も薄肉部を設けたほうがよいことは当然である。

本発明に使用するセラミツクス基板としては、
アルミナ、ベリリア等の酸化物系のセラミツクス
焼結体や窒化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化チ
タン、窒化ケイ素等の非酸化物系のセラミツクス
焼結体等からなるセラミツクス基板が挙げられ、
特に平均結晶粒径が0.5〜10μｍ範囲のものが好ま
しい。これは結晶粒径が小さく、緻密質な焼結体
ほど熱衝撃に強いためである。この平均結晶粒径
が10μｍを超えるとその効果が十分に得られず、
0.5μｍ未満では接着性が低下する。このような結
晶粒径小さいセラミツクス焼結体は、原料粉末の
粒径や焼成条件を調節することにより得られる。
なお、非酸化物系のセラミツクス基板を使用する
場合には、予め接合表面を酸化処理してから使用
することが好まし。

本発明のセラミツクス回路基板は、例えば薄肉
部を形成した所定形状の銅回路板をセラミツクス
基板上に接触配置し、銅の融点（1083℃）以下で
銅と酸素の共晶温度（1065℃）以上の温度で加熱
することにより得られる。また、前述したように
予め板状の銅素材をセラミツクス基板上に上記し
た条件で加熱接合し、この後エツチング処理によ
つて銅板に所定のパターン形状の形成と各パター
ン部の端部への薄肉部の形成を行うようにしても
得られる。なお、銅板接合時の加熱雰囲気は、銅
板として酸素を含有する銅板を使用する場合には
不活性ガス雰囲気中が好ましく、酸素を含有しな
い銅板を使用する場合には80〜3900ppmの酸素を
含有する雰囲気中が好ましい。

（作用） 本発明のセラミツクス回路基板において、加熱
接合後の冷却過程や冷熱サイクルの付加により生
じる熱応力の主応力部となる銅板の端部を薄肉部
としているので、この熱応力を薄肉部の塑性変形
により吸収し、残留応力を低減することができ、
熱履歴に対する信頼性が向上する。また、薄肉部
により残留応力が低減できるので、実装面となる
部分を従来より肉厚とすることが可能となり、電
流値を向上することができる。

（実施例） 次に、本発明の実施例について説明する。

実施例 １ まず、平均粒径1μｍの酸化アルミニウム粉末
96重量％と、焼結助剤として酸化ケイ素粉末２重
量％と酸化マグネシウム粉末1.5重量％と酸化カ
ルシウム粉末0.5重量％とを十分に混合し、この
混合粉末100重量部に対してバインダ30重量部を
加えて混練し、板状に成形して脱脂後、酸化性雰
囲気中で1500℃、２時間の条件で焼成し、63mm×
29mm×0.635mmのセラミツクス基板を作製した。
なお、このセラミツクス基板の平均結晶粒径を電
子顕微鏡観察により測定したところ、3μｍであ
つた。

次に、第１図ないし第３図に示すように、厚さ
0.3mmの酸素含有量が300ppmのタフピツチ銅を使
用して厚さ0.15mmの薄肉部１ａを外周より幅１mm
の範囲に形成した段付形状の実装部となる所望の
回路パターンの銅板１と、厚さ0.25mmの酸素含有
量が300ppmのタフピツチ銅を使用して厚さ0.12
mmの薄肉部２ａを外周より幅１mmの範囲に形成し
た段付形状の裏面となる銅板２とを、前述のセラ
ミツクス基板３の両面に配置し、窒素ガス雰囲気
中で1075℃、10分の条件で加熱し接合させ、セラ
ミツクス回路基板を作製した。

このようにして得たセラミツクス回路基板を用
いて、サーマルサイクルテストを行つた。なお、
テスト条件は、−40℃×30分＋25℃×10分＋150℃
×30分＋25℃×10分を１サイクルとして100サイ
クルを行つた。

テスト後に銅板を硝酸で溶解し、セラミツクス
基板の蛍光探傷法試験を行い、クラツクの有無を
判定したところ、クラツクは発生していなかつ
た。

なお、このようなセラミツクス回路基板の熱履
歴に対する信頼性の評価、すなわちクラツクの有
無の判定は、このように銅板を硝酸等の薬品で溶
解除去し、その後セラミツクス基板の蛍光探傷法
試験を行うことにより微細なクラツクまで発見で
き非常に有効である。

比較例 １ 厚さ0.3mmの銅板を表裏両面に配置する以外は
実施例１と同一条件でセラミツクス回路基板を作
製し、実施例１と同様にしてサーマルサイクルテ
ストを行つた後、実施例１と同様に蛍光探傷法試
験によりクラツクの有無を判定したところ、実装
面となる回路パターンの各端部に相当するセラミ
ツクス基板部にクラツクが多数存在していた。

実施例 ２ まず、平均粒径0.5μｍの窒化アルミニウム粉末
98重量％と、焼結助剤として酸化イツトリウム粉
末２重量％とを十分に混合し、この混合粉末100
重量部に対してバインダ30重量部を加えて混練
し、板状に成形して脱脂した後、窒素ガス雰囲気
中で1700℃、２時間の条件で焼成し徐冷し、次い
で空気中で1200℃で１時間熱処理した表面に酸化
アルミニウム層を形成して63mm×29mm×0.635mm
のセラミツクス基板（平均結晶粒径0.5μｍ）を作
製し、このセラミツクス基板を使用する以外は実
施例１と同一条件でセラミツクス回路基板を作製
し、実施例１と同様にしてサーマルサイクルテス
トを行つた後、実施例１と同様に蛍光探傷法試験
により判定したところ、クラツクは発生していな
かつた。

実施例 ３ 第４図に示すように、実施例１における銅板
１，２と同素材のものを使用し、各端部を30°の
テーパ状として薄肉部１ａ，２ａを形成する以外
は実施例１と同一条件でセラミツクス回路基板を
作製し、同様にサーマルサイクルテストを行つた
後、実施例１と同様に蛍光探傷法試験により判定
したところ、クラツクは発生していなかつた。

実施例 ４ 第５図に示すように、酸素含有量300ppmの銅
素材を用い、実施例１で使用したものと同一のセ
ラミツクス基板３の実装部となる一方の面に、厚
さ0.25mmの薄肉部用銅板４と厚さ0.25mmの実装面
用銅板５とを積層して配置し、他方の面にも厚さ
0.2mmの薄肉部用銅板６と厚さ0.2mmの実装面用銅
板７とを積層して配置する以外は実施例１と同一
条件でセラミツクス回路基板を作製し、同様にサ
ーマルサイクルテストを行つた後、実施例１と同
様に蛍光探傷法試験により判定したところ、クラ
ツクは発生していなかつた。

実施例 ５ 実施例１で使用したものと同素材の厚さ0.5mm
の実装部となる板状の銅板と、これと同素材の厚
さ0.4mmの裏面となる銅板とを、実施例１で使用
したものと同素材のセラミツクス基板の両面に配
置し、実施例１と同一条件で加熱して銅板を接合
した。

次に、実装面となる銅板に所定のパターン形状
となるようにマスキング膜を形成し、硝酸または
塩化第二鉄溶液によりエツチングいて回路パター
ンを形成した。次に、この１回目のエツチング処
理によつて形成された実装面の各パターン部の外
周から幅１mmの範囲を除いてマスキング膜を形成
し、同様に裏面となる銅板にも外周から幅１mmの
範囲を除いてマスキング膜を形成し、実装面およ
び裏面ともに外周部の厚さが0.1mmとなるまでエ
ツチングして薄肉部を形成し、セラミツクス回路
基板を作製した。

このようにして得たセラミツクス回路基板を用
いて、実施例１と同様にサーマルサイクルテスト
を行つた後、実施例１と同様に蛍光探傷法試験に
より判定したところ、クラツクは発生していなか
つた。

このように、予め板状の銅部材をセラミツクス
基板上に加熱接合し、この後にエツチングによつ
て銅板の各端部に薄肉部を形成することによつ
て、各回路パターンの形成精度が向上し、また低
コストで本発明のセラミツクス回路基板を製造で
きる等の効果が得られる。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明のセラミツクス回路
基板は、銅板の各端部に薄肉部を形成しているの
で、この薄肉部の塑性変形により残留応力が低減
され、熱履歴に対する信頼性が著しく向上したも
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のセラミツクス回路
基板を示す平面図、第２図はその正面図、第３図
はその裏面図、第４図および第５図は他の実施例
のセラミツクス回路基板を示す断面図である。 １，２……銅板、１ａ，２ａ……薄肉部、３…
…セラミツクス基板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ セラミツクス基板上に所定の形状の銅板を接
   触配置し加熱接合させてなるセラミツクス回路基
   板において、 前記銅板が、各端部に薄肉部を有することを特
   徴とするセラミツクス回路基板。 ２ 薄肉部の先端の厚さが、銅板の実装面となる
   部分の厚さの1/2以下である特許請求の範囲第１
   項記載のセラミツクス回路基板。 ３ 薄肉部は、銅板の各端部を段付形状にするこ
   とにより形成されている特許請求の範囲第１項ま
   たは第２項記載のセラミツクス回路基板。 ４ 薄肉部は、銅板の各端部をテーパ形状にする
   ことにより形成されている特許請求の範囲第１項
   または第２項記載のセラミツクス回路基板。 ５ 薄肉部は、銅板の各端部を湾曲形状にするこ
   とにより形成されている特許請求の範囲第１項ま
   たは第２項記載のセラミツクス回路基板。 ６ セラミツクス基板の両面に銅板が接合されて
   おり、一方の銅板の厚さが他方の実装部となる銅
   板の厚さの30〜90％の範囲である特許請求の範囲
   第１項ないし第５項のいずれか１項記載のセラミ
   ツクス回路基板。 ７ セラミツクス基板の平均結晶粒径が、0.5〜
   10μｍの範囲である特許請求の範囲第１項ないし
   第６項のいずれか１項記載のセラミツクス回路基
   板。