JPH0585848A - 複合セラミツクス回路基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明の目的は、回路基板全体の放熱特性を損
うことなく、製造コストを低減することが可能であり、
またセラミックス基板と銅回路板との接合強度が大き
く、ヒートサイクル特性が優れた複合セラミックス回路
基板を提供することにある。 【構成】本発明に係る複合セラミックス回路基板は、熱
伝導率が相互に異なる複数のセラミックス基板６，７を
同一平面上に配置し、このセラミックス基板６，７の表
裏両面に、Ｔｉ，ＺｒおよびＨｆから選択される少なく
とも１種の活性金属とＡｇおよびＣｕから選択される少
なくとも１種のろう材とを含有する接合剤を介して銅回
路板３ａ，３ｂをそれぞれ一体に加熱接合して成り、熱
伝導率が高いセラミックス基板７，７に形成された銅回
路板３ａ，３ｂの表面に半導体素子４，４を接合して構
成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は複合セラミックス回路基
板に係り、特に製造コストを低減することができ、かつ
セラミックス基板と銅回路板との接合強度が高く耐久性
に優れた複合セラミックス回路基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から各種電子機器の構成部品とし
て、図２（Ａ），（Ｂ）に示すようなセラミックス回路
基板１が広く使用されている。このセラミックス回路基
板１は、パワートランジスタモジュールとして構成され
たものであり、アルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）から成るセラミ
ックス基板２の両面にそれぞれ銅回路板３ａ，３ｂを一
体に接合し、さらに銅回路板３ａの上部に半導体素子
（ＩＣチップ）４を一体に接合して形成される。さらに
半導体素子４の各端子と銅回路板３ａの端子とがＡｌ製
またはＡｕ製のリード線（図示せず）によってワイヤボ
ンディングされ相互に電気的に接続されている。

【０００３】上記セラミックス基板２と銅回路板３ａ，
３ｂとの接合方法としては、予めメタライズ層およびＮ
ｉめっき層を接合面に形成したセラミックス基板に半田
やろう材を介して銅回路板を一体に接合する方法やセラ
ミックス基板表面に銅回路板を直接接合する銅直接接合
法（ＤＢＣ法：Direct Bonding Copper ）などがある。

【０００４】ここでＤＢＣ法は、所定の回路パターン形
状に打ち抜いた銅回路板３ａ，３ｂをセラミックス基板
２上に載置した状態で、所定温度に加熱し、加熱するこ
とによって両者の接合界面に発生する銅と酸素との共晶
化合物を接合材としてセラミックス基板２表面に銅回路
板３ａ，３ｂを直接強固に接合する方法である。

【０００５】そしてセラミックス回路基板１の動作時に
半導体素子４において発生した熱は、銅回路板３ａ、セ
ラミックス基板２および銅回路板３ｂを経て、放熱板
（ヒートシンク）５方向に伝達され系外に排出される。

【０００６】近年、半導体素子の高集積化および動作速
度の改善が進行し、半導体素子からの発熱量も大幅に増
加する傾向にあり、より放熱性が優れた回路基板が求め
られている。そこで従来のＡｌ₂ Ｏ₃ 製のセラミックス
基板と比較して熱伝導率が４〜１０倍程度高い窒化アル
ミニウム（ＡｌＮ）等で形成したセラミックス基板にＤ
ＢＣ法によって銅回路板を一体に接合した回路基板も広
く使用されるに至っている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来のセラミックス回路基板においては、絶縁材
および伝熱材として窒化アルミニウムのような高熱伝導
性セラミックス材をセラミックス基板全体の構成材とし
て使用しており、この高熱伝導性セラミックスは、従来
一般的に使用されてきたアルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）と比較
して原料コストが数１０倍と極めて高価であるため、製
品としてのセラミックス回路基板の価格が極めて高くな
る問題点があった。

【０００８】一方、セラミックス基板と銅回路板とをＤ
ＢＣ法によって接合した回路基板では、半田層やろう材
層および半田層等に対する濡れ性を改善するためのメタ
ライズ層やめっき層を形成する必要がないため、製造プ
ロセスを簡略化できる利点がある反面、セラミックス基
板と銅回路板との接合強度が充分ではなく、ヒートサイ
クル特性（ＴＣＴ特性）が低く、セラミックス基板や銅
回路板に割れなどの欠陥が生じ易い問題点もあった。

【０００９】本発明は上記の問題点を解決するためにな
されたものであり、回路基板全体の放熱特性を損うこと
なく、製造コストを低減することが可能であり、またセ
ラミックス基板と銅回路板との接合強度が大きく、ヒー
トサイクル特性が優れた複合セラミックス回路基板を提
供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者は上記目的を達
成するために鋭意研究を重ねたところ、特にある種の活
性金属を含有する接合剤を介して銅回路板をセラミック
ス基板に接合したときに両者の接合強度が高まり、ヒー
トサイクル特性が大幅に改善されるという知見を得た。
またセラミックス基板全体のうち、半導体素子が搭載さ
れ高い放熱特性を要する部分のみに高熱伝導性セラミッ
クス材を配し、他の部分には通常の伝熱性を有するセラ
ミックス材を配した場合においても、回路基板全体とし
ての放熱特性を損うことが少ないという知見を得た。本
発明は上記知見に基づいて完成されたものである。

【００１１】すなわち本発明に係る複合セラミックス回
路基板は、熱伝導率が相互に異なる複数のセラミックス
基板を同一平面上に配置し、このセラミックス基板の表
裏両面に、Ｔｉ，ＺｒおよびＨｆから選択される少なく
とも１種の活性金属とＡｇおよびＣｕから選択される少
なくとも１種のろう材とを含有する接合剤を介して銅回
路板をそれぞれ一体に加熱接合して成り、熱伝導率が高
いセラミックス基板に形成された銅回路板表面に半導体
素子を接合したことを特徴とする。

【００１２】また、熱伝導率が高いセラミックス基板
は、窒化アルミニウム、ベリリア、炭化けい素の少なく
とも１種から構成する。

【００１３】さらに、隣接するセラミックス基板は所定
幅の空隙をおいて配置するとよい。本発明において使用
されるセラミックス基板を構成する材料としては、窒化
けい素（Ｓｉ₃ Ｎ₄ ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、
窒化チタン（ＴｉＮ）等の窒化物、炭化けい素（Ｓｉ
Ｃ）、炭化チタン（ＴｉＣ）等の炭化物またはホウ化ラ
ンタン（ＬａＢ）等のホウ化物等の非酸化物セラミック
スおよび酸化けい素（ＳｉＯ₂ ）、アルミナ（Ａｌ₂ Ｏ
₃ ）、ベリリア（ＢｅＯ）、ムライト、マグネシア（Ｍ
ｇＯ）等の酸化物系セラミックスがあり、これらには酸
化イットリウム（Ｙ₂ Ｏ₃ ）などの焼結助剤が含まれて
もよい。

【００１４】特に半導体素子を搭載する部位における良
好な放熱特性を確保するために、窒化アルミニウム、ベ
リリア、炭化けい素から選択される少なくとも１種から
成る高熱伝導性セラミックス基板を使用することが重要
である。

【００１５】セラミックス基板と銅回路板とを接合する
ために使用する接合剤は、Ｔｉ，ＺｒおよびＨｆから選
択される少なくとも１種の活性金属とＡｇおよびＣｕか
ら選択される少なくとも１種のろう材とを含有したもの
を使用する。上記活性金属はいずれもセラミックス基板
との濡れ性を改善するために有効な元素である。接合剤
の具体例としては、重量％でＣｕを１５〜３５％、Ｔ
ｉ，ＺｒおよびＨｆから選択される少なくとも１種を１
〜４０％、残部実質的にＡｇから成る組成物の薄膜や、
その組成物を酢酸ブチル等の有機溶媒中に分散した混合
ペーストが使用される。

【００１６】特に導電性を有するＡｇ−Ｃｕを主体にし
たろう材に、熱膨脹係数がセラミックス基板に比較的に
近いＭｏやＴａを添加することにより、接合層に応力緩
和作用を発揮させ、高い接合強度を有し、かつヒートサ
イクル特性に優れた複合セラミックス回路基板を得るこ
とができる。

【００１７】導電性を発揮するＡｇ−Ｃｕ成分は、セラ
ミックス基板とＴｉとの接合層の形成を促進する成分と
して有効であり、Ｔｉを拡散させ強固な接合体を形成す
るのに寄与する。

【００１８】上記複合セラミックス回路基板は、例えば
次のような工程で製造される。すなわち相対的に熱伝導
率が低いセラミックス基板において半導体素子を搭載す
る部位に穴を設け、この穴に熱伝導率が高いセラミック
ス基板を嵌め込み、同一平面上に配置した後に、これら
のセラミックス基板の両面に、上記ペースト状または薄
膜状の接合剤を介して、所定形状に打ち抜いた銅回路板
を仮付けする。ここで隣接するセラミックス基板は０．
１〜２mm程度の幅を有する空隙をおいて配置するとよ
い。

【００１９】また半導体素子を搭載する側の銅回路板パ
ターンは、半導体素子の各リード線と接続するためのパ
ターン形状とする一方、上記銅回路板と反対側の銅回路
板パターンは、応力緩和および反り防止の目的を達成す
るような形状とする。

【００２０】そして、銅回路板を仮付けしたセラミック
ス基板を、Ａｒ，Ｈｅ，Ｎ₂ などの不活性ガス雰囲気ま
たは真空中で温度７００〜９５０℃で５〜２０分間加熱
することによって、複数のセラミックス基板と銅回路板
とが一体に接合される。そして、熱伝導率が高いセラミ
ックス基板に形成された銅回路板表面に半導体素子を半
田等によって接合することによって本発明の複合セラミ
ックス回路基板が製造される。

【００２１】熱伝導率が異なる複数のセラミックス基板
は銅回路板によって同一平面上に保持固定される。そし
て隣接するセラミックス基板間に所定幅の空隙を置くこ
とにより、隣接するセラミックス基板の熱膨脹差によっ
て生じる基板の変位を上記空隙によって吸収することが
可能となる。そのためセラミックス基板に熱応力による
割れを生じるおそれがなく、耐久性に優れたセラミック
ス回路基板とすることができる。

【００２２】

【作用】上記構成に係る複合セラミックス回路基板によ
れば、半導体素子を接合する部位のみに部分的に、高価
な高熱伝導性セラミックス基板を配置する一方、その他
の部分に通常の熱伝導率を有する安価なセラミックス基
板を配置して構成しているため、セラミックス基板全体
を高価な高熱伝導性セラミックスで形成した場合と比較
してセラミックス回路基板の製造コストを大幅に低減す
ることができる。

【００２３】またＴｉ，ＺｒおよびＨｆから選択される
少なくとも１種の活性金属とＡｇおよびＣｕから選択さ
れる少なくとも１種のろう材とを含有する接合剤を介し
てセラミックス基板と銅回路板とを強固に一体に接合し
ているため、従来のＤＢＣ法によって接合した場合と比
較して接合強度が高まり、ヒートサイクル特性に優れた
回路基板を提供することができる。

【００２４】

【実施例】次に本発明の一実施例について添付図面を参
照して説明する。図１（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ本発明
に係る複合セラミックス回路基板の一実施例を示す平面
図および断面図であり、パワートランジスタモジュール
に適用した例を示している。なお図２に示す従来例と同
一要素には同一符号を付してその重複した説明を省略す
る。

【００２５】すなわち本実施例に係る複合セラミックス
回路基板は、熱伝導率が相互に異なる厚さ０．６３５mm
のＡｌ₂ Ｏ₃ 製セラミックス基板６およびこのセラミッ
クス基板６に形成した角穴に遊嵌するＡｌＮ製セラミッ
クス基板７を同一平面上に配置し、このセラミックス基
板６，７の表裏両面に、重量％でＡｇ粉末を３０％、Ｃ
ｕ粉末を６５％、Ｔｉ粉末を５％ずつ配合した混合体を
溶剤としてのテレピネオールに分散させた接合剤を介し
て、厚さ０．３mmの銅回路板３ａ，３ｂをそれぞれ一体
に加熱接合して成り、熱伝導率が高いＡｌＮ製セラミッ
クス基板７に形成さた銅回路板３ａ，３ｂ表面にそれぞ
れ半導体素子４，４を接合して構成される。

【００２６】また隣接するセラミックス基板６，７間は
０．５mm幅の空隙８をおいて配設されている。加熱接合
条件は、真空中で温度８５０℃、加熱時間１０分間とし
た。

【００２７】本実施例に係る複合セラミックス回路基板
によれば、半導体素子４，４を接合する部位のみに部分
的に、高価なＡｌＮを原料とする高熱伝導性セラミック
ス基板７，７（熱伝導率７０Ｗ／ｍ・Ｋ）を配置する一
方、その他の部分に通常の熱伝導率（２０Ｗ／ｍ・Ｋ）
を有する安価なＡｌ₂ Ｏ₃製セラミックス基板６（熱伝
導率２０Ｗ／ｍ・Ｋ）を配置して構成しているため、セ
ラミックス基板全体を高価な高熱伝導性セラミックス
（ＡｌＮ）で形成した場合と比較して高熱伝導製セラミ
ックスを使用する面積割合に比例してセラミックス回路
基板の製造コストを１／２〜１／５程度に大幅に低減す
ることができる。

【００２８】また隣接するセラミックス基板６，７間に
０．５mm幅の空隙８がそれぞれ形成されているため、両
基板６，７の熱膨脹差による変位が生じた場合において
も両基板６，７が相互に接触して熱応力を互いに受ける
おそれがなく、熱応力による割れの発生は皆無であっ
た。

【００２９】一方、比較例として図２（Ａ），（Ｂ）に
示すようにセラミックス基板２全体を窒化アルミニウム
で形成するとともに、セラミックス基板２と銅回路板３
ａ，３ｂとをＤＢＣ法によって一体に接合した以外は実
施例と全く同一条件寸法で従来のセラミックス回路基板
１を多数製造した。

【００３０】こうして製造された実施例および比較例の
セラミックス回路基板の耐久性および信頼性を評価する
ために、各回路基板を使用して、−６５℃〜＋１５０℃
の範囲で加熱し、引き続いて＋１５０℃〜−６５℃に冷
却する操作を１サイクルとするヒートサイクル試験（熱
衝撃試験）を繰り返して実施したところ、実施例の回路
基板では３００サイクル後においても、クラック、割
れ、剥離の発生率は０％であった。

【００３１】一方、比較例のセラミックス回路基板１に
おいては、１００サイクル後に銅回路板３ａ，３ｂと、
セラミックス基板２との接合部に１５％の発生率でクラ
ックまたは剥離が発生した。

【００３２】

【発明の効果】以上説明の通り、本発明に係る複合セラ
ミックス回路基板によれば、半導体素子を接合する部位
のみに部分的に、高価な高熱伝導性セラミックス基板を
配置する一方、その他の部分に通常の熱伝導率を有する
安価なセラミックス基板を配置して構成しているため、
セラミックス基板全体を高価な高熱伝導性セラミックス
で形成した場合と比較してセラミックス回路基板の製造
コストを大幅に低減することができる。

【００３３】またＴｉ，ＺｒおよびＨｆから選択される
少なくとも１種の活性金属とＡｇおよびＣｕから選択さ
れる少なくとも１種のろう材とを含有する接合剤を介し
てセラミックス基板と銅回路板とを強固に一体に接合し
ているため、従来のＤＢＣ法によって接合した場合と比
較して接合強度が高まり、ヒートサイクル特性に優れた
回路基板を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ本発明に係る複合セ
ラミックス回路基板の一実施例を示す平面図および断面
図。

【図２】（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ従来のセラミックス
回路基板の構成例を示す平面図および断面図。

【符号の説明】

１．セラミックス回路基板 ２ セラミックス基板 ３ａ，３ｂ 銅回路板 ４ 半導体素子（ＩＣチップ） ５ 放熱板（ヒートシンク） ６ Ａｌ₂ Ｏ₃ 製セラミックス基板 ７ ＡｌＮ製セラミックス基板 ８ 空隙

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大石 裕信 東京都港区芝浦一丁目１番１号 株式会社 東芝本社事務所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱伝導率が相互に異なる複数のセラミッ
   クス基板を同一平面上に配置し、このセラミックス基板
   の表裏両面に、Ｔｉ，ＺｒおよびＨｆから選択される少
   なくとも１種の活性金属とＡｇおよびＣｕから選択され
   る少なくとも１種のろう材とを含有する接合剤を介して
   銅回路板をそれぞれ一体に加熱接合して成り、熱伝導率
   が高いセラミックス基板に形成された銅回路板表面に半
   導体素子を接合したことを特徴とする複合セラミックス
   回路基板。
2. 【請求項２】 熱伝導率が高いセラミックス基板は、窒
   化アルミニウム、ベリリア、炭化けい素の少なくとも１
   種から成る請求項１記載の複合セラミックス回路基板。
3. 【請求項３】 隣接するセラミックス基板は所定幅の空
   隙をおいて配置されたことを特徴とする請求項１記載の
   複合セラミックス回路基板。