JPH05275557A - パワーモジュール用セラミックス回路基板の製造方法 - Google Patents

パワーモジュール用セラミックス回路基板の製造方法

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JPH05275557A
JPH05275557A JP6820492A JP6820492A JPH05275557A JP H05275557 A JPH05275557 A JP H05275557A JP 6820492 A JP6820492 A JP 6820492A JP 6820492 A JP6820492 A JP 6820492A JP H05275557 A JPH05275557 A JP H05275557A
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JP
Japan
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alumina substrate
circuit board
silver
alloy plate
power module
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Application number
JP6820492A
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English (en)
Inventor
Osamu Miyazawa
修 宮沢
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Mitsubishi Materials Corp
Original Assignee
Mitsubishi Materials Corp
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05KPRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00Printed circuits
    • H05K1/02Details
    • H05K1/03Use of materials for the substrate
    • H05K1/0306Inorganic insulating substrates, e.g. ceramic, glass
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05KPRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K3/00Apparatus or processes for manufacturing printed circuits
    • H05K3/10Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern
    • H05K3/20Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern by affixing prefabricated conductor pattern
    • H05K3/202Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern by affixing prefabricated conductor pattern using self-supporting metal foil pattern

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  • Manufacturing Of Printed Wiring (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高品質、高性能で安価なパワーモジュール用
セラミックス回路基板を提供する。 【構成】 パターン化した銅被覆銀−タングステン合金
板と、厚さ30〜150μmのアルミナ基板とを積層し
て酸化雰囲気中、1065〜1085℃で加熱して接合
する。 【効果】 超薄型アルミナ基板を用いるため、アルミナ
基板による熱伝導性の問題が改善され、系外への熱放散
性の高いセラミックス回路基板が提供される。このよう
な超薄型アルミナ基板を回路基板として銅被覆銀−タン
グステン合金板と酸化加熱接合するため、回路基板とア
ルミナ基板との熱膨張係数を同等とすることができ、両
板間の熱膨張係数の差に起因する割れや剥離の問題は解
決される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、パワーIC、パワート
ランジスター等搭載のモジュールやスイッチ電源用モジ
ュール用回路基板等のパワーモジュール用セラミックス
回路基板の製造方法に係り、特に、セラミックス基板と
銅板とを直接接合して得られる、高品質かつ高性能で安
価に提供されるパワーモジュール用セラミックス回路基
板の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、パワーIC、パワートランジスタ
ー等搭載のモジュールやスイッチ電源用モジュールで
は、使用電力が増々増大し、大電力を使用することか
ら、発生する熱量が多く、そのため高温化に対処した高
熱放散性と高信頼性を具備したパワーモジュール用回路
基板が要望されてきた。
【0003】従来、この種のパワーモジュール用回路基
板は、一般に厚さが0.6〜1mm程度、表面粗さRa
が0.5〜0.6μm程度のアルミナ基板と、厚さが
0.3〜0.5mmの回路用銅板とを接触させながら、
微量酸素を含む窒素雰囲気中で銅−酸素の共晶温度、即
ち1060〜1090℃の温度で加熱して直接接合する
ことにより製造された、所謂、DBC回路基板が製品化
されている。
【0004】このDBC回路基板は、アルミナ基板と銅
板との間の接合層が比較的薄く、しかも、銅ないし銅酸
化物から形成されるので、比較的熱放散性に優れるとい
う利点があり、大電力用のモジュール用回路基板として
適用されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
DBC回路基板には、次のような欠点があった。 アルミナ基板と銅板との接合力にバラツキがあり、
これが弱い場合には剥離が生ずることがあった。この原
因は、焼成窒素雰囲気中の酸素量の微量コントロールが
難しいことと、アルミナ基板表面の粗さが大きいので接
合層の接触面積が小さいことによると思われる。
【0006】 使用するアルミナ基板の厚みが厚いた
め、熱伝導性が低く、系外への熱放散性が十分でないた
め、熱的問題が発生する。
【0007】 基板と銅板との熱膨張係数が大きく異
なるため、両者を接合した回路基板は、ヒートショック
に弱く、例えば半田付け等により、アルミナ基板自体の
クラック、割れが発生したり、アルミナ基板/銅板間で
の剥離が生じることがある。
【0008】このように、従来の回路基板では、いずれ
も品質、性能、価格等の面で問題があった。
【0009】本発明は上記従来の問題点を解決し、ハイ
パワー、大電力用パワーハイブリッド用回路基板として
好適な、高品質、高性能かつ安価なパワーモジュール用
回路基板の製造方法を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】請求項1のパワーモジュ
ール用セラミックス回路基板の製造方法は、銅被覆を有
するパターン化した銀−タングステン合金板と、厚さ3
0〜150μmのアルミナ基板とを積層して、酸素雰囲
気中、1065〜1085℃に加熱することにより接合
することを特徴とする。
【0011】請求項2のパワーモジュール用セラミック
ス回路基板の製造方法は、請求項1の方法において、銀
−タングステン合金板が銀5〜30重量%を含有するこ
とを特徴とする。
【0012】請求項3のパワーモジュール用セラミック
ス回路基板の製造方法は、請求項1又は2の方法におい
て、アルミナ基板の銀−タングステン合金板との積層面
の表面粗さRaが0.2μm以下であることを特徴とす
る。
【0013】以下に本発明を詳細に説明する。本発明に
おいて使用される銀−タングステン合金板は、例えば、
タングステン粉末を焼結して多孔体とし、これに銀を溶
浸させることにより製造される複合材料であって、銀と
タングステンとの配合比によりその熱膨張係数をある程
度任意に変えることができる。このような銀−タングス
テン合金板には市販品があり、それを購入して使用する
ことができる。アルミナの熱膨張係数に適応する銀−タ
ングステン合金中の銀含有量は、5〜30重量%の範囲
が好適であり、特に10〜30重量%の範囲が好まし
い。
【0014】この銀−タングステン合金板は、回路用と
して用いるものであるため、プレスでパターン状に打ち
抜くことにより、或いは、エッチング等によりパターン
状とすることによりパターン化されたものである。この
ような銀−タングステン合金板の厚みは、通常0.3〜
0.5mm程度であることが好ましいが、この範囲外の
厚みのものであっても良い。
【0015】このような銀−タングステン合金板は、ア
ルミナ基板との接合のために、好ましくは100μm厚
さ程度の銅被覆を施す。銅被覆は電気又は無電界による
めっき、更には、スパッタ、イオンプレーティング等に
より形成することができる。
【0016】一方、アルミナ基板は厚さ30〜150μ
mで、その少なくとも銅被覆銀−タングステン合金板と
の積層面の表面粗さ(以下、単に「表面粗さ」と称
す。)Raが好ましくは0.2μm以下のものである。
アルミナ基板の厚さが30μm未満であると基板として
の機械的特性を満足し得ず、150μmを超えると本発
明による熱放散性の改善効果が十分に得られない。
【0017】また、アルミナ基板の表面粗さRaが0.
2μmを超えると、アルミナ基板と銅被覆銀−タングス
テン合金板との接合層の接触面積が十分に得られず、剥
離の問題を確実に解決し得ない。
【0018】このような極薄フィルム状のアルミナ基板
は、従来のアルミナ粉末法では製造が困難であり、好ま
しくは、水酸化アルミニウムのコロイド物質を出発原料
とする製造法、例えば、アルコキシド加水分解法により
製造するのが有利である。
【0019】アルコキシド加水分解法による場合、アル
ミニウムアルコキシドを合成した後、これに水を加えて
加水分解し、ベーマイトを生成させる。更に、これに酸
を添加して解膠させ、超微粒子のコロイドを作製する。
次いで、これに有機バインダーを加えて粘度調整し、成
形乾燥した後、得られたグリーンシートを焼成すること
によって、30〜150μmという極薄で、しかも、表
面粗さRa0.2μm以下の緻密なアルミナ基板を得る
ことができる。
【0020】もちろん、本発明に係るアルミナ基板の製
造方法は、上記アルコキシド加水分解法に何ら限定され
るものでなく、無機塩加水分解法、その他の従来の一般
的な製造方法である粉末法により得たアルミナ基板を必
要に応じて研磨することにより製造することもできる。
【0021】銅被覆銀−タングステン合金板とアルミナ
基板との接合は、銅被覆銀−タングステン合金板とアル
ミナ基板とを積層した状態で加熱することにより、積層
面に銅酸化層を形成させて直接接合することにより行な
う。
【0022】この加熱接合は、酸化雰囲気中、1065
〜1085℃で、5〜30分程度、好ましくは10〜2
0分程度行なう。なお、加熱時の酸化雰囲気としては、
空気、酸素、或いは、酸素と不活性ガスとの混合ガスが
挙げられる。
【0023】この加熱接合温度が1065℃未満である
と十分な接合強度が得られず、1085℃を超えると銅
が融解し始める。加熱処理後は冷却し、必要に応じて銅
被覆銀−タングステン合金板の表面に形成された酸化膜
を酸処理等により除去して製品とする。
【0024】
【作用】本発明においては、厚さ30〜150μmとい
う超薄型アルミナ基板を用いるため、アルミナ基板によ
る熱伝導性の問題が改善され、系外への熱放散性の高い
セラミックス回路基板が提供される。
【0025】しかも、このような超薄型アルミナ基板を
回路基板として銅被覆銀−タングステン合金板と酸化加
熱接合するため、回路基板とアルミナ基板との熱膨張係
数を同等とすることができ、両板間の熱膨張係数の差に
起因する割れや剥離の問題は解決される。
【0026】特に、請求項2の方法によれば、銅被覆銀
−タングステン合金板の熱膨張係数をアルミナ基板の熱
膨張係数に一致させて、両板間の熱膨張係数の差に起因
する割れや剥離の問題をより一層確実に防止することが
できる。
【0027】特に、請求項3の方法によれば、アルミナ
基板の表面が平滑であるため、銅被覆銀−タングステン
合金板との接触面積を大きく確保することができ、より
一層接合強度が高められる。
【0028】
【実施例】以下に実施例を挙げて本発明をより具体的に
説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、以下の
実施例に限定されるものではない。
【0029】実施例1 超微粒子のベーマイトゾルを出発原料とし、アルコキシ
ド加水分解法によりアルミナ基板を作製した。具体的に
は、アルミニウムインゴットとアルコールとを反応さ
せ、アルミニウムアルコキシドを合成し、加水分解した
後、更に酸を添加して解膠し、ベーマイトゾルを生成さ
せた。これに有機バインダーを加え、スラリー化した
後、ドクターブレードを通してキャスティングしながら
成形、乾燥してグリーンシートとした。その後、所定の
形状に切断して電気炉で焼成し、表面粗さRaが0.2
μmで、厚さ100μmの緻密なアルミナ基板を得た。
なお、このようにして得られるアルミナ基板は、微粒子
から構成されているため、厚みが薄くてもピンホールを
生成することがなく、表面粗さが小さく、平滑性が非常
に良いものであった。また、厚さも所望の厚さに容易に
制御することができた。
【0030】このアルミナ基板と、電気めっきにより1
00μm厚さの銅被覆を形成したパターン状の銀−タン
グステン合金板(銀10重量%,タングステン90重量
%,厚さ0.5mm)とを積層配置して加熱炉内に入
れ、酸素100ppmを含む窒素雰囲気中、1065℃
で20分間加熱し、その後冷却した。
【0031】このようにして得た回路付きアルミナ基板
は、大電力用のパワーモジュール用セラミックス回路基
板として好適に使用することができた。
【0032】実施例2 実施例1と同様のゾルゲル法により、表面粗さRa0.
1μm程度で、厚さ50μmのアルミナ基板を作製し
た。このアルミナ基板と、100μm厚さの銅被覆を有
するパターン化した銀−タングステン合金板(銀20重
量%,タングステン80重量%,厚さ0.5mm)とを
積層してバッチタイプの加熱炉に入れ、酸素500pp
m含有の窒素ガス雰囲気にて1080℃で10分間加熱
した後、冷却した。このようにして得た回路付きアルミ
ナ基板は、大電力用のパワーモジュール用セラミックス
回路基板として好適に使用することができた。
【0033】実施例3 実施例1と同様のゾルゲル法により、表面粗さRa0.
05μm程度で、厚さ30μmのアルミナ基板を作製し
た。このアルミナ基板と、100μm厚さの銅被覆を有
するパターン化した銀−タングステン合金板(銀30重
量%,タングステン70重量%,厚さ0.5mm)とを
積層して連続加熱炉に入れ、酸素200ppm含有の窒
素ガス雰囲気にて1070℃で10分間加熱した後、冷
却した。このようにして得た回路付きアルミナ基板は、
大電力用のパワーモジュール用セラミックス回路基板と
して好適に使用することができた。
【0034】
【発明の効果】以上詳述した通り、本発明のパワーモジ
ュール用セラミックス回路基板の製造方法によれば、回
路用銅被覆銀−タングステン合金板とアルミナ基板との
接合強度が強く、また、熱放散性の良い、高信頼性、高
性能、高品質、低コストのパワーモジュール用セラミッ
クス回路基板が提供される。
【0035】請求項2のパワーモジュール用セラミック
ス回路基板の製造方法によれば、銅被覆銀−タングステ
ン合金板とアルミナ基板との熱膨張係数を一致させるこ
とができ、両板の熱膨張係数の差に起因する割れや剥離
の問題はより一層確実に防止される。
【0036】請求項3のパワーモジュール用セラミック
ス回路基板の製造方法によれば、接合強度はより一層改
善される。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 銅被覆を有するパターン化した銀−タン
    グステン合金板と、厚さ30〜150μmのアルミナ基
    板とを積層して、酸素雰囲気中、1065〜1085℃
    に加熱することにより接合することを特徴とするパワー
    モジュール用セラミックス回路基板の製造方法。
  2. 【請求項2】 銀−タングステン合金板が銀5〜30重
    量%を含有することを特徴とする請求項1に記載のパワ
    ーモジュール用セラミックス回路基板の製造方法。
  3. 【請求項3】 アルミナ基板の銀−タングステン合金板
    との積層面の表面粗さRaが0.2μm以下であること
    を特徴とする請求項1又は2に記載のパワーモジュール
    用セラミックス回路基板の製造方法。
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Legal Events

Date Code Title Description
A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 19990323