JPH05347469A - セラミックス回路基板 - Google Patents
セラミックス回路基板Info
- Publication number
- JPH05347469A JPH05347469A JP15331292A JP15331292A JPH05347469A JP H05347469 A JPH05347469 A JP H05347469A JP 15331292 A JP15331292 A JP 15331292A JP 15331292 A JP15331292 A JP 15331292A JP H05347469 A JPH05347469 A JP H05347469A
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- Japan
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- circuit board
- metal
- ceramic
- brazing material
- brazing
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 高接合強度を満足すると共に、冷熱サイクル
等の付加に対して高い信頼性が得られるセラミックス回
路基板を提供する。 【構成】 セラミックス基板３と、このセラミックス基
板３上にろう材層２を介して接合された金属回路板１と
を有するセラミックス回路基板である。ろう材層２は、
金属回路板１の側面１ａの一部を覆うように設けられて
いる。
等の付加に対して高い信頼性が得られるセラミックス回
路基板を提供する。 【構成】 セラミックス基板３と、このセラミックス基
板３上にろう材層２を介して接合された金属回路板１と
を有するセラミックス回路基板である。ろう材層２は、
金属回路板１の側面１ａの一部を覆うように設けられて
いる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、耐冷熱サイクル特性に
優れたセラミックス回路基板に関する。
優れたセラミックス回路基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】窒化アルミニウムに代表される窒化物系
セラミックス材料は、熱伝導率が酸化物系セラミックス
材料に比べて 4倍〜10倍と高く、放熱性に優れ、高電気
絶縁性、低誘電率を示し、さらにシリコンチップに近似
した低熱膨張率を示す等、優れた特性を有することか
ら、電子部品特に高出力、高電力型の半導体素子の搭載
基板用材料として期待されており、実用化が進められて
いる。
セラミックス材料は、熱伝導率が酸化物系セラミックス
材料に比べて 4倍〜10倍と高く、放熱性に優れ、高電気
絶縁性、低誘電率を示し、さらにシリコンチップに近似
した低熱膨張率を示す等、優れた特性を有することか
ら、電子部品特に高出力、高電力型の半導体素子の搭載
基板用材料として期待されており、実用化が進められて
いる。
【０００３】ところで、セラミックス材料を電子部品の
搭載基板等として利用する場合、電気回路の形成等を目
的として、金属と接合することが行われている。このよ
うなセラミックス基板と金属回路部品との接合方法とし
ては、従来から、MoやW 等の高融点金属を用いる方法
や、4A族元素や5A族元素のような活性金属を用いる方法
等が知られており、中でも、高強度、高封着性、高信頼
性等が得られることから、活性金属法が多用されてい
る。
搭載基板等として利用する場合、電気回路の形成等を目
的として、金属と接合することが行われている。このよ
うなセラミックス基板と金属回路部品との接合方法とし
ては、従来から、MoやW 等の高融点金属を用いる方法
や、4A族元素や5A族元素のような活性金属を用いる方法
等が知られており、中でも、高強度、高封着性、高信頼
性等が得られることから、活性金属法が多用されてい
る。
【０００４】上記活性金属法は、Ti、Zr、Nb等の金属元
素が窒化物系セラミックス材料に対して濡れやすく、反
応しやすいことを利用した接合法であり、具体的には活
性金属を添加したろう材を用いたろう付け法や、窒化物
系セラミックス部材と金属回路部品との間に活性金属の
箔や粉体を介在させ、加熱接合する方法（固相拡散接
合）等として利用されている。また、被接合体となる金
属回路部品として、活性金属を直接使用することも行わ
れている。一般的には、取扱い性や処理のしやすさ等か
ら、CuとAgとの共晶ろう材（Ag:72wt%）にTi等の活性金
属を添加し、これをセラミックス部材と金属部材との間
に介在させ、適当な温度で熱処理して接合する方法が採
用されている。
素が窒化物系セラミックス材料に対して濡れやすく、反
応しやすいことを利用した接合法であり、具体的には活
性金属を添加したろう材を用いたろう付け法や、窒化物
系セラミックス部材と金属回路部品との間に活性金属の
箔や粉体を介在させ、加熱接合する方法（固相拡散接
合）等として利用されている。また、被接合体となる金
属回路部品として、活性金属を直接使用することも行わ
れている。一般的には、取扱い性や処理のしやすさ等か
ら、CuとAgとの共晶ろう材（Ag:72wt%）にTi等の活性金
属を添加し、これをセラミックス部材と金属部材との間
に介在させ、適当な温度で熱処理して接合する方法が採
用されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ところで、セラミック
ス基板に金属回路部品を接合してなる回路基板には、高
接合強度が求められるる共に、セラミックス材料と金属
材料との熱膨張率の差に起因する欠点の発生を抑制する
ことが強く求められている。すなわち、熱膨張率が大き
く異なるセラミックス基板と金属回路部品とを接合する
と、接合後の冷却過程で熱膨張差に起因する残留応力が
生じ、外部応力との相乗によって接合強度が大幅に低下
したり、また接合後の冷却過程や冷熱サイクルの付加に
よって応力の最大点からクラックが発生したり、さらに
はセラミックス基板が破壊される等の問題を招いてしま
う。
ス基板に金属回路部品を接合してなる回路基板には、高
接合強度が求められるる共に、セラミックス材料と金属
材料との熱膨張率の差に起因する欠点の発生を抑制する
ことが強く求められている。すなわち、熱膨張率が大き
く異なるセラミックス基板と金属回路部品とを接合する
と、接合後の冷却過程で熱膨張差に起因する残留応力が
生じ、外部応力との相乗によって接合強度が大幅に低下
したり、また接合後の冷却過程や冷熱サイクルの付加に
よって応力の最大点からクラックが発生したり、さらに
はセラミックス基板が破壊される等の問題を招いてしま
う。
【０００６】このような点に対して、上述した従来の活
性金属ろう材を用いた接合方法では、十分な接合強度が
得られておらず、よって冷熱サイクル等の付加に対して
も、十分な信頼性を得るまでには至っていない。例え
ば、窒化アルミニウム基板上に銅回路板等を活性金属ろ
う材を用いて接合したものを、半導体素子等の搭載用基
板として用いているが、近年の半導体素子の高集積化や
大電力化によって、半導体素子からの放熱量は飛躍的に
増大しており、搭載基板側への熱伝達量が増加している
ことから、冷熱サイクル等に対する信頼性の向上が強く
望まれている。
性金属ろう材を用いた接合方法では、十分な接合強度が
得られておらず、よって冷熱サイクル等の付加に対して
も、十分な信頼性を得るまでには至っていない。例え
ば、窒化アルミニウム基板上に銅回路板等を活性金属ろ
う材を用いて接合したものを、半導体素子等の搭載用基
板として用いているが、近年の半導体素子の高集積化や
大電力化によって、半導体素子からの放熱量は飛躍的に
増大しており、搭載基板側への熱伝達量が増加している
ことから、冷熱サイクル等に対する信頼性の向上が強く
望まれている。
【０００７】本発明は、このような課題を解決するため
になされたもので、高接合強度を満足すると共に、冷熱
サイクル等の付加に対して高い信頼性が得られるセラミ
ックス回路基板を提供することを目的としている。
になされたもので、高接合強度を満足すると共に、冷熱
サイクル等の付加に対して高い信頼性が得られるセラミ
ックス回路基板を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段と作用】本発明のセラミッ
クス回路基板は、セラミックス基板と、このセラミック
ス基板上にろう材層を介して接合された金属回路板とを
有するセラミックス回路基板において、前記ろう材層
は、前記金属回路板の側面の一部を覆うように設けられ
ていることを特徴としている。
クス回路基板は、セラミックス基板と、このセラミック
ス基板上にろう材層を介して接合された金属回路板とを
有するセラミックス回路基板において、前記ろう材層
は、前記金属回路板の側面の一部を覆うように設けられ
ていることを特徴としている。
【０００９】本発明に用いられるセラミックス基板の材
質は、特に限定されるものではないが、放熱性等の点か
ら、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等の窒化物系セラミ
ックス基板が好ましく用いられる。また、金属回路板の
材質は、用途に応じて各種金属材料から適宜選択すれば
よく、例えばCu、Cu合金、Ni、Ni合金、W 、Mo等が挙げ
られる。
質は、特に限定されるものではないが、放熱性等の点か
ら、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等の窒化物系セラミ
ックス基板が好ましく用いられる。また、金属回路板の
材質は、用途に応じて各種金属材料から適宜選択すれば
よく、例えばCu、Cu合金、Ni、Ni合金、W 、Mo等が挙げ
られる。
【００１０】また、本発明に用いられるろう材として
は、一般的な活性金属を含むろう材（以下、活性金属ろ
う材と称する）を用いることができる。活性金属ろう材
としては、例えば Ag-Cuの共晶組成（72wt%Ag-28wt%Cu)
もしくはその近傍の組成のろう材を主成分とし、これに
Ti、Zr、HfおよびNbから選ばれた少なくとも 1種の活性
金属を添加したものや、Cuに同様な活性金属を添加した
もの等が例示される。上記した Ag-Cu系の共晶ろう材の
組成としては、ろう材の全量に対してCu量を15重量％〜
35重量％程度、また活性金属の量を 1重量％〜10重量％
程度とすることが好ましい。また、Cu系ろう材において
も、活性金属の量は上記した範囲程度とすることが好ま
しい。
は、一般的な活性金属を含むろう材（以下、活性金属ろ
う材と称する）を用いることができる。活性金属ろう材
としては、例えば Ag-Cuの共晶組成（72wt%Ag-28wt%Cu)
もしくはその近傍の組成のろう材を主成分とし、これに
Ti、Zr、HfおよびNbから選ばれた少なくとも 1種の活性
金属を添加したものや、Cuに同様な活性金属を添加した
もの等が例示される。上記した Ag-Cu系の共晶ろう材の
組成としては、ろう材の全量に対してCu量を15重量％〜
35重量％程度、また活性金属の量を 1重量％〜10重量％
程度とすることが好ましい。また、Cu系ろう材において
も、活性金属の量は上記した範囲程度とすることが好ま
しい。
【００１１】そして、本発明のセラミックス回路基板
は、セラミックス基板と金属回路板との接合層となるろ
う材層を、金属回路板の側面の一部を覆うように設けた
ものである。このように、セラミックス基板と金属回路
板との接合面間のみならず、金属回路板の側面の一部を
覆うようにろう材層を設けることにより、接合強度の大
幅な向上を図ることができ、よって冷熱サイクルに対し
て高い信頼性を得ることが可能となる。上記ろう材層
は、金属回路板の厚さの 1/4以上が覆われるように設け
ることが好ましい。ただし、金属回路板の側面全面がろ
う材により覆われると、リーク等を招くおそれが生じる
ため、金属回路板の上面から板厚の 1/4程度の幅がろう
材で覆われることなく残るように、ろう材で覆う面積を
設定することが好ましい。
は、セラミックス基板と金属回路板との接合層となるろ
う材層を、金属回路板の側面の一部を覆うように設けた
ものである。このように、セラミックス基板と金属回路
板との接合面間のみならず、金属回路板の側面の一部を
覆うようにろう材層を設けることにより、接合強度の大
幅な向上を図ることができ、よって冷熱サイクルに対し
て高い信頼性を得ることが可能となる。上記ろう材層
は、金属回路板の厚さの 1/4以上が覆われるように設け
ることが好ましい。ただし、金属回路板の側面全面がろ
う材により覆われると、リーク等を招くおそれが生じる
ため、金属回路板の上面から板厚の 1/4程度の幅がろう
材で覆われることなく残るように、ろう材で覆う面積を
設定することが好ましい。
【００１２】また、上記ろう材層の端部は、テーパー形
状とすることが好ましい。このように、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
力部となるろう材層の端部形状をテーパー状とし、肉厚
を薄くすることによって、熱応力を薄肉部の塑性変形に
より吸収することができるため、より一層冷熱サイクル
に対する信頼性の向上を図ることができる。
状とすることが好ましい。このように、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
力部となるろう材層の端部形状をテーパー状とし、肉厚
を薄くすることによって、熱応力を薄肉部の塑性変形に
より吸収することができるため、より一層冷熱サイクル
に対する信頼性の向上を図ることができる。
【００１３】本発明のセラミックス回路基板は、特にフ
ァインパターンを有する金属回路板を用いる際に効果的
である。例えば、最小線幅が 0.3mm以下程度で、最小線
間が0.3mm以上というようなファインパターンを形成す
る場合、当然セラミックス基板と金属回路板との接合面
積が減少するため、ろう材層の一部が金属回路板の側面
を覆うようにすることにより、上記ファインパターン化
による接合面積の減少に伴う強度低下を補うことができ
る。
ァインパターンを有する金属回路板を用いる際に効果的
である。例えば、最小線幅が 0.3mm以下程度で、最小線
間が0.3mm以上というようなファインパターンを形成す
る場合、当然セラミックス基板と金属回路板との接合面
積が減少するため、ろう材層の一部が金属回路板の側面
を覆うようにすることにより、上記ファインパターン化
による接合面積の減少に伴う強度低下を補うことができ
る。
【００１４】本発明のセラミックス回路基板は、例えば
以下のようにして製造される。
以下のようにして製造される。
【００１５】まず、セラミックス基板と金属回路板とを
用意し、上述したような活性金属ろう材をペースト化し
たものをセラミックス基板側に塗布する。この際、ろう
材ペーストは、接合しようとする金属回路板の面積より
若干大面積となるように塗布する。また、ろう材ペース
トの塗布厚は、金属回路板の厚さにもよるが、通常より
若干厚くなるように、例えば40〜60μm 程度とすること
が好ましい。
用意し、上述したような活性金属ろう材をペースト化し
たものをセラミックス基板側に塗布する。この際、ろう
材ペーストは、接合しようとする金属回路板の面積より
若干大面積となるように塗布する。また、ろう材ペース
トの塗布厚は、金属回路板の厚さにもよるが、通常より
若干厚くなるように、例えば40〜60μm 程度とすること
が好ましい。
【００１６】次に、ろう材ペーストが乾燥する以前に、
すなわちろう材ペーストが流動性を有するうちに、ろう
材ペーストの塗布層上に金属回路板を押し付け、ろう材
ペーストが金属回路板の側面の一部と接触するようにす
る。この状態で乾燥させた後、真空中や窒素雰囲気のよ
うな不活性雰囲気中にて、用いたろう材の接合温度で熱
処理し、セラミックス基板と金属回路板とを接合する。
すなわちろう材ペーストが流動性を有するうちに、ろう
材ペーストの塗布層上に金属回路板を押し付け、ろう材
ペーストが金属回路板の側面の一部と接触するようにす
る。この状態で乾燥させた後、真空中や窒素雰囲気のよ
うな不活性雰囲気中にて、用いたろう材の接合温度で熱
処理し、セラミックス基板と金属回路板とを接合する。
【００１７】
【実施例】次に、本発明の実施例について説明する。
【００１８】実施例１ まず、厚さ0.8mmtの板状の窒化アルミニウム基板と、厚
さ0.3mmtの銅回路板（最小線幅 0.3mm、最小線間 0.3m
m）とを用意した。一方、重量比でAg:Cu:Ti=70.6:27.4:
2.0 のろう材を用意し、このろう材に樹脂バインダおよ
び分散媒を適量加え、十分に混合してろう材ペーストを
作製した。
さ0.3mmtの銅回路板（最小線幅 0.3mm、最小線間 0.3m
m）とを用意した。一方、重量比でAg:Cu:Ti=70.6:27.4:
2.0 のろう材を用意し、このろう材に樹脂バインダおよ
び分散媒を適量加え、十分に混合してろう材ペーストを
作製した。
【００１９】次に、窒化アルミニウム基板の一方の主面
に、上記したろう材ペーストをスクリーン印刷により塗
布した。このろう材ペーストは、回路パターンの幅より
20%広く、かつ厚さが50μm 程度となるように塗布し
た。なお、通常のろう材ペーストの塗布厚は20〜40μm
程度である。次いで、このろう材ペーストが流動性を有
するうちに、その塗布層上に銅回路板を載せた後、乾燥
させた。この段階で、ろう材ペーストは銅回路板の側面
の一部を覆った状態となる。
に、上記したろう材ペーストをスクリーン印刷により塗
布した。このろう材ペーストは、回路パターンの幅より
20%広く、かつ厚さが50μm 程度となるように塗布し
た。なお、通常のろう材ペーストの塗布厚は20〜40μm
程度である。次いで、このろう材ペーストが流動性を有
するうちに、その塗布層上に銅回路板を載せた後、乾燥
させた。この段階で、ろう材ペーストは銅回路板の側面
の一部を覆った状態となる。
【００２０】この後、上記窒化アルミニウム基板と銅回
路板との積層物を、 1×10-4Torr以下の真空中にて 850
℃×10分の条件で熱処理して、窒化アルミニウム基板と
銅回路板とをろう材層を介して接合し、目的とするセラ
ミックス回路基板を得た。
路板との積層物を、 1×10-4Torr以下の真空中にて 850
℃×10分の条件で熱処理して、窒化アルミニウム基板と
銅回路板とをろう材層を介して接合し、目的とするセラ
ミックス回路基板を得た。
【００２１】このようにして得たセラミックス回路基板
の接合状態を観察したところ、図１に示すように、銅回
路板１の側面１ａの板厚の約 1/2のところまで、ろう材
層２により覆われていた。また、ろう材層２の端部２ａ
は、図１に示すように、テーパー形状を有していた。な
お、図中３は窒化アルミニウム基板である。
の接合状態を観察したところ、図１に示すように、銅回
路板１の側面１ａの板厚の約 1/2のところまで、ろう材
層２により覆われていた。また、ろう材層２の端部２ａ
は、図１に示すように、テーパー形状を有していた。な
お、図中３は窒化アルミニウム基板である。
【００２２】また、上記セラミックス回路基板における
銅回路板のピール強度、および冷熱サイクル特性を評価
したところ、ピール強度は25kgf/cmと良好な値を示し、
また冷熱サイクル試験(-40℃×30分＋RT×10分＋ 125℃
×30分＋RT×10分を 1サイクルとする）においては 300
サイクルまでクラックの発生は認められず、十分な応力
緩和効果が得られていることを確認した。
銅回路板のピール強度、および冷熱サイクル特性を評価
したところ、ピール強度は25kgf/cmと良好な値を示し、
また冷熱サイクル試験(-40℃×30分＋RT×10分＋ 125℃
×30分＋RT×10分を 1サイクルとする）においては 300
サイクルまでクラックの発生は認められず、十分な応力
緩和効果が得られていることを確認した。
【００２３】比較例１ 上記実施例１において、ろう材ペーストを銅回路板と同
形状で、かつ塗布厚が40〜50μm 程度となるように印刷
すると共に、ろう材ペーストを乾燥させた後に銅回路板
を載置する以外は、実施例１と同一条件で、セラミック
ス回路基板を作製した。
形状で、かつ塗布厚が40〜50μm 程度となるように印刷
すると共に、ろう材ペーストを乾燥させた後に銅回路板
を載置する以外は、実施例１と同一条件で、セラミック
ス回路基板を作製した。
【００２４】このようにして得たセラミックス回路基板
の接合状態を観察したところ、図２に示すように、ろう
材層２は窒化アルミニウム基板３と銅回路板１との接合
面間のみにしか存在していなかった。また、このセラミ
ックス回路基板のピール強度と冷熱サイクル特性を、実
施例１と同様にして評価したところ、ピール強度は 6kg
f/cmと低く、かつ冷熱サイクル試験においては 100サイ
クルでクラックが発生した。
の接合状態を観察したところ、図２に示すように、ろう
材層２は窒化アルミニウム基板３と銅回路板１との接合
面間のみにしか存在していなかった。また、このセラミ
ックス回路基板のピール強度と冷熱サイクル特性を、実
施例１と同様にして評価したところ、ピール強度は 6kg
f/cmと低く、かつ冷熱サイクル試験においては 100サイ
クルでクラックが発生した。
【００２５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のセラミッ
クス回路基板によれば、セラミックス基板と金属回路板
との高接合強度を再現性よく実現することができ、よっ
て冷熱サイクル等の付加に対して高い信頼性を得ること
ができる。
クス回路基板によれば、セラミックス基板と金属回路板
との高接合強度を再現性よく実現することができ、よっ
て冷熱サイクル等の付加に対して高い信頼性を得ること
ができる。
【図１】本発明の一実施例によるセラミックス回路基板
の構成を示す断面図である。
の構成を示す断面図である。
【図２】本発明との比較として示した従来のセラミック
ス回路基板の構成を示す断面図である。
ス回路基板の構成を示す断面図である。
１……銅回路板 １ａ…銅回路板の側面 ２……ろう材層 ３……窒化アルミニウム基板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 23/15
Claims (1)
- 【請求項１】 セラミックス基板と、このセラミックス
基板上にろう材層を介して接合された金属回路板とを有
するセラミックス回路基板において、 前記ろう材層は、前記金属回路板の側面の一部を覆うよ
うに設けられていることを特徴とするセラミックス回路
基板。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15331292A JPH05347469A (ja) | 1992-06-12 | 1992-06-12 | セラミックス回路基板 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15331292A JPH05347469A (ja) | 1992-06-12 | 1992-06-12 | セラミックス回路基板 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05347469A true JPH05347469A (ja) | 1993-12-27 |
Family
ID=15559741
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15331292A Pending JPH05347469A (ja) | 1992-06-12 | 1992-06-12 | セラミックス回路基板 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05347469A (ja) |
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JPH0832204A (ja) * | 1994-07-19 | 1996-02-02 | Dowa Mining Co Ltd | セラミックス配線基板の製造方法 |
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-
1992
- 1992-06-12 JP JP15331292A patent/JPH05347469A/ja active Pending
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