JPH06310822A - セラミックス基板及びその用途 - Google Patents
セラミックス基板及びその用途Info
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- JPH06310822A JPH06310822A JP5093238A JP9323893A JPH06310822A JP H06310822 A JPH06310822 A JP H06310822A JP 5093238 A JP5093238 A JP 5093238A JP 9323893 A JP9323893 A JP 9323893A JP H06310822 A JPH06310822 A JP H06310822A
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- H05K1/02—Details
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- H05K1/0306—Inorganic insulating substrates, e.g. ceramic, glass
Abstract
(57)【要約】
【目的】 熱抵抗の小さいセラミックス基板、及び熱衝
撃・熱履歴に対する耐久性に著しく優れた銅回路を有す
るセラミックス基板の提供。 【構成】 窒化アルミニウム又は窒化ホウ素からなり、
その熱抵抗が０．１０℃／Ｗ以下であることを特徴とす
るセラミックス基板、及びこのセラミックス基板の片面
には銅回路が形成され、反対の面にはセラミックス基板
とほぼ等しい面積を有する銅板が接合されてなることを
特徴とする銅回路を有するセラミックス基板。
撃・熱履歴に対する耐久性に著しく優れた銅回路を有す
るセラミックス基板の提供。 【構成】 窒化アルミニウム又は窒化ホウ素からなり、
その熱抵抗が０．１０℃／Ｗ以下であることを特徴とす
るセラミックス基板、及びこのセラミックス基板の片面
には銅回路が形成され、反対の面にはセラミックス基板
とほぼ等しい面積を有する銅板が接合されてなることを
特徴とする銅回路を有するセラミックス基板。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、電子部品のパワーモジ
ュール等に使用されるセラミックス基板及びそのセラミ
ックス基板を用いてなる銅回路を有するセラミックス基
板に関する。
ュール等に使用されるセラミックス基板及びそのセラミ
ックス基板を用いてなる銅回路を有するセラミックス基
板に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、ロボットやモーター等の産業機器
の高性能化に伴い、大電力・高能率インバーター等大電
力モジュールの変遷が進んでおり、半導体素子から発生
する熱も増加の一途をたどっている。この熱を効率よく
放散するため、大電力モジュール基板では従来より様々
な方法が取られてきた。特に最近、良好な熱伝導を有す
るセラミックス基板が利用できるようになったため、基
板上に銅板などの金属板を接合し、回路を形成後、その
ままあるいはメッキ等の処理を施してから半導体素子を
実装する構造も採用されつつある。
の高性能化に伴い、大電力・高能率インバーター等大電
力モジュールの変遷が進んでおり、半導体素子から発生
する熱も増加の一途をたどっている。この熱を効率よく
放散するため、大電力モジュール基板では従来より様々
な方法が取られてきた。特に最近、良好な熱伝導を有す
るセラミックス基板が利用できるようになったため、基
板上に銅板などの金属板を接合し、回路を形成後、その
ままあるいはメッキ等の処理を施してから半導体素子を
実装する構造も採用されつつある。
【０００３】金属とセラミックスを接合する方法には種
々あるが、回路基板の製造という点からは、Mo-Mn 法、
活性金属ろう付け法、硫化銅法、ＤＢＣ法、銅メタライ
ズ法などがあげられる。
々あるが、回路基板の製造という点からは、Mo-Mn 法、
活性金属ろう付け法、硫化銅法、ＤＢＣ法、銅メタライ
ズ法などがあげられる。
【０００４】特に大電力モジュール基板では、従来のア
ルミナに変わって高熱伝導性の窒化アルミニウム基板が
注目されており、銅板の接合方法としては、銅板と窒化
アルミニウム基板との間に活性金属を含むろう材を介在
させ、加熱処理して接合体とする活性金属ろう付け法
（例えば特開昭60-177634 号公報）や表面を酸化処理し
た窒化アルミニウム基板と銅板を銅の融点以下でCu-Oの
共晶温度以上で加熱接合するＤＢＣ法（例えば特開昭56
-163093 号公報）などがある。
ルミナに変わって高熱伝導性の窒化アルミニウム基板が
注目されており、銅板の接合方法としては、銅板と窒化
アルミニウム基板との間に活性金属を含むろう材を介在
させ、加熱処理して接合体とする活性金属ろう付け法
（例えば特開昭60-177634 号公報）や表面を酸化処理し
た窒化アルミニウム基板と銅板を銅の融点以下でCu-Oの
共晶温度以上で加熱接合するＤＢＣ法（例えば特開昭56
-163093 号公報）などがある。
【０００５】現在、このような大電力モジュール基板を
使用したインバーターの用途は、ロボットやモーター等
から各種工作機械や鉄道、エレベーター、そして将来は
電気自動車の分野にまで広がることが期待されている。
使用したインバーターの用途は、ロボットやモーター等
から各種工作機械や鉄道、エレベーター、そして将来は
電気自動車の分野にまで広がることが期待されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】これまで、このような
大電力モジュール基板に対する技術的な問題点として
は、放熱、信号遅延、接合の信頼性等であり、特に放熱
性については基板の材料特性に負うところが大きかっ
た。従来、この種の基板としては、高熱伝導性の観点か
ら、ＢｅＯ、ＡｌＮ、ＳｉＣ等のセラミックス基板が検
討されてきたが、これらには一長一短がある。例えば、
ＢｅＯは熱伝導性に優れるが毒性であり、一方、ＡｌＮ
は熱伝導率を理論値に近づけるには技術的に困難な点が
多くコスト高となる。
大電力モジュール基板に対する技術的な問題点として
は、放熱、信号遅延、接合の信頼性等であり、特に放熱
性については基板の材料特性に負うところが大きかっ
た。従来、この種の基板としては、高熱伝導性の観点か
ら、ＢｅＯ、ＡｌＮ、ＳｉＣ等のセラミックス基板が検
討されてきたが、これらには一長一短がある。例えば、
ＢｅＯは熱伝導性に優れるが毒性であり、一方、ＡｌＮ
は熱伝導率を理論値に近づけるには技術的に困難な点が
多くコスト高となる。
【０００７】近年、トランジスタに負荷される電力が１
ｋＷや１０ｋＷになってきているため、これまでは余り
重要視されなかった小数点以下２桁目や３桁目の熱抵抗
値が問題とされるようになった。すなわち、強度・熱伝
導性等の特性が十分満たされたセラミックス基板であっ
ても、それをモジュール化する際、メタライズや銅板と
の接合界面に生じたボイド等の欠陥によってシリコンチ
ップからの放熱が不十分となる、すなわち熱抵抗が計算
どおりに低くならないという問題がある。したがって、
可能な限り実使用の場合と差が生じないように熱抵抗を
管理することが要求されてきた。
ｋＷや１０ｋＷになってきているため、これまでは余り
重要視されなかった小数点以下２桁目や３桁目の熱抵抗
値が問題とされるようになった。すなわち、強度・熱伝
導性等の特性が十分満たされたセラミックス基板であっ
ても、それをモジュール化する際、メタライズや銅板と
の接合界面に生じたボイド等の欠陥によってシリコンチ
ップからの放熱が不十分となる、すなわち熱抵抗が計算
どおりに低くならないという問題がある。したがって、
可能な限り実使用の場合と差が生じないように熱抵抗を
管理することが要求されてきた。
【０００８】本発明者らは、以上のような問題点を解決
するために鋭意検討を重ねた結果、セラミックス基板の
厚みを薄くするなどして、基板の構造的な観点から熱抵
抗を減少させるとともに、この場合、当然予想される基
板の信頼性についても何ら問題のない、換言すれば、低
熱抵抗であり、熱衝撃や熱履歴に対しても十分な耐久性
をもったセラミックス基板を完成し、本発明を提案する
に至ったものである。
するために鋭意検討を重ねた結果、セラミックス基板の
厚みを薄くするなどして、基板の構造的な観点から熱抵
抗を減少させるとともに、この場合、当然予想される基
板の信頼性についても何ら問題のない、換言すれば、低
熱抵抗であり、熱衝撃や熱履歴に対しても十分な耐久性
をもったセラミックス基板を完成し、本発明を提案する
に至ったものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、窒
化アルミニウム又は六方晶窒化ホウ素からなり、その熱
抵抗が０．１０℃／Ｗ以下であることを特徴とするセラ
ミックス基板、このセラミックス基板の片面には銅回路
が形成され、反対の面にはセラミックス基板とほぼ等し
い面積を有する銅板が接合されてなることを特徴とする
銅回路を有するセラミックス基板、銅回路側が凹となる
ような反りを有してなることを特徴とする上記の銅回路
を有するセラミックス基板、非酸化性雰囲気下、温度５
００〜７００℃の熱処理が加えられてなるセラミックス
基板と銅板との接合体から銅回路が形成されたものであ
ることを特徴とする上記の銅回路を有するセラミックス
基板、及びセラミックス基板が、平均粒径１μｍ以下の
窒化アルミニウム粉末又は六方晶窒化ホウ素粉末を用い
て製造されたものであることを特徴とする上記の銅回路
を有するセラミックス基板である。
化アルミニウム又は六方晶窒化ホウ素からなり、その熱
抵抗が０．１０℃／Ｗ以下であることを特徴とするセラ
ミックス基板、このセラミックス基板の片面には銅回路
が形成され、反対の面にはセラミックス基板とほぼ等し
い面積を有する銅板が接合されてなることを特徴とする
銅回路を有するセラミックス基板、銅回路側が凹となる
ような反りを有してなることを特徴とする上記の銅回路
を有するセラミックス基板、非酸化性雰囲気下、温度５
００〜７００℃の熱処理が加えられてなるセラミックス
基板と銅板との接合体から銅回路が形成されたものであ
ることを特徴とする上記の銅回路を有するセラミックス
基板、及びセラミックス基板が、平均粒径１μｍ以下の
窒化アルミニウム粉末又は六方晶窒化ホウ素粉末を用い
て製造されたものであることを特徴とする上記の銅回路
を有するセラミックス基板である。
【００１０】以下、さらに詳しく本発明について説明す
ると、一般的にセラミックス基板の熱伝導率と熱抵抗と
の関係は、（１）式として表すことができる。 Ｒp ＝ｋ・（１／λ）・（ｔ／Ｓ） ・・・（１） Ｒp ：熱抵抗（℃／Ｗ） λ：熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）
ｋ：係数 ｔ ：セラミックス基板の厚み（ｍ） Ｓ ：セラミックス基板の面積（ｍ2 ）
ると、一般的にセラミックス基板の熱伝導率と熱抵抗と
の関係は、（１）式として表すことができる。 Ｒp ＝ｋ・（１／λ）・（ｔ／Ｓ） ・・・（１） Ｒp ：熱抵抗（℃／Ｗ） λ：熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）
ｋ：係数 ｔ ：セラミックス基板の厚み（ｍ） Ｓ ：セラミックス基板の面積（ｍ2 ）
【００１１】上式からセラミックス基板の熱抵抗を小さ
くするには、熱伝導率を大きくする、厚みを薄くする、
面積を大きくするの３つの方法が考えられる。このうち
熱伝導率は、選択する材料によって決まってしまい同一
材料で熱伝導率を向上させるには技術的に困難で限界が
ある。また、セラミックス基板の面積は容易に変えるこ
とができるが他の技術的な側面、例えばモジュールの大
きさ等から制限を受けるので、余り自由に変えることは
できない。そこで、本発明者らはセラミックス基板の厚
みを小さくすることに着目した。
くするには、熱伝導率を大きくする、厚みを薄くする、
面積を大きくするの３つの方法が考えられる。このうち
熱伝導率は、選択する材料によって決まってしまい同一
材料で熱伝導率を向上させるには技術的に困難で限界が
ある。また、セラミックス基板の面積は容易に変えるこ
とができるが他の技術的な側面、例えばモジュールの大
きさ等から制限を受けるので、余り自由に変えることは
できない。そこで、本発明者らはセラミックス基板の厚
みを小さくすることに着目した。
【００１２】通常、この分野で用いられる銅回路を有す
るセラミックス基板は、例えば、窒化アルミニウムの場
合、その厚みが０．６３５〜１ｍｍである。ここで、例
えば、その厚みを６０％にしたとすると熱抵抗も６０％
となる。つまり、セラミックス基板の熱伝導率を１／
０．６＝１．６７倍にしたのと同様の効果がある。本発
明者らは、このような観点にたって種々検討し、実用に
際しても強度等の耐久性の問題のないセラミックス基板
を完成させたものである。
るセラミックス基板は、例えば、窒化アルミニウムの場
合、その厚みが０．６３５〜１ｍｍである。ここで、例
えば、その厚みを６０％にしたとすると熱抵抗も６０％
となる。つまり、セラミックス基板の熱伝導率を１／
０．６＝１．６７倍にしたのと同様の効果がある。本発
明者らは、このような観点にたって種々検討し、実用に
際しても強度等の耐久性の問題のないセラミックス基板
を完成させたものである。
【００１３】本発明において、セラミックス基板の熱抵
抗は、例えば、以下のようにして測定することができ
る。まず、図１に示される装置を用い、トランジスタに
負荷された電力（Ｗ）に対するトランジスタ温度Ｔ1 と
アルミニウム放熱ブロック温度Ｔ2 との温度差（℃）か
ら総熱抵抗を（ＲALL ）を（１）式を用いて算出する。
その際のセラミックス基板のサイズとしては、１６ｍｍ
×１４ｍｍが適切である。
抗は、例えば、以下のようにして測定することができ
る。まず、図１に示される装置を用い、トランジスタに
負荷された電力（Ｗ）に対するトランジスタ温度Ｔ1 と
アルミニウム放熱ブロック温度Ｔ2 との温度差（℃）か
ら総熱抵抗を（ＲALL ）を（１）式を用いて算出する。
その際のセラミックス基板のサイズとしては、１６ｍｍ
×１４ｍｍが適切である。
【００１４】この総熱抵抗（ＲALL ）は（２）式のよう
に分解することができるので、セラミックス基板の熱抵
抗Ｒp は（３）式で与えられる。 ＲALL ＝ＲTr＋ＲGr1 ＋ＲP ＋ＲGr2 ・・・（２） ＲTr ：トランジスタ（シリコン）の熱抵抗 ＲGr1 ：トランジスタ側の放熱グリースの熱抵抗 ＲP ：セラミックス基板の熱抵抗 ＲGr2 ：アルミニウム放熱ブロック側の放熱グリースの
熱抵抗 Ｒp ＝ＲALL −（ＲTr＋ＲGr1 ＋ＲGr2 ） ・・・（３）
に分解することができるので、セラミックス基板の熱抵
抗Ｒp は（３）式で与えられる。 ＲALL ＝ＲTr＋ＲGr1 ＋ＲP ＋ＲGr2 ・・・（２） ＲTr ：トランジスタ（シリコン）の熱抵抗 ＲGr1 ：トランジスタ側の放熱グリースの熱抵抗 ＲP ：セラミックス基板の熱抵抗 ＲGr2 ：アルミニウム放熱ブロック側の放熱グリースの
熱抵抗 Ｒp ＝ＲALL −（ＲTr＋ＲGr1 ＋ＲGr2 ） ・・・（３）
【００１５】そこで、図２に示されるように、セラミッ
クス基板を挟まないで部品を組立た装置を用い、トラン
ジスタ温度Ｔ3 とアルミニウム放熱ブロック温度Ｔ4 の
温度差を測定してセラミックス基板以外の部品の熱抵抗
を算出する。両者の差が求めるセラミックス基板の熱抵
抗となる。この場合において、セラミックス基板以外の
部品の熱抵抗は、それを十分に無視できるような材料、
例えば厚みの十分薄い銅板等で熱抵抗を測定し、その値
で代用することもできる。
クス基板を挟まないで部品を組立た装置を用い、トラン
ジスタ温度Ｔ3 とアルミニウム放熱ブロック温度Ｔ4 の
温度差を測定してセラミックス基板以外の部品の熱抵抗
を算出する。両者の差が求めるセラミックス基板の熱抵
抗となる。この場合において、セラミックス基板以外の
部品の熱抵抗は、それを十分に無視できるような材料、
例えば厚みの十分薄い銅板等で熱抵抗を測定し、その値
で代用することもできる。
【００１６】しかしながら、このようにセラミックス基
板の厚みを従来よりも薄くして銅回路を形成する場合、
その信頼性に対しては次のような問題点が考えられる。
すなわち、通常、回路側の銅板厚の方が裏側の銅板厚よ
りも厚い（例えば特公平3-51119 号公報）ので、ヒート
サイクル試験を行った場合のセラミック基板に対する熱
応力は、銅とセラミックスとの熱膨張係数の差から回路
側に引張りの応力として作用する。従来のセラミックス
基板は回路側が凸になっており、このような銅回路を有
するセラミックス基板を使用すると、回路側がさらに凸
になるような反りの力、すなわち回路側に引張りの応力
を受けて反り量がさらに大きくなってしまい、回路側の
銅板が剥がれ易くなる。このような現象は、セラミック
ス基板の厚みが薄くなると全体の強度が小さくなるた
め、上記熱膨張差による熱応力に対する抗力が弱くな
る。したがって、銅とセラミックスとの熱膨張差による
熱応力を可能な限り減少させる必要がある。
板の厚みを従来よりも薄くして銅回路を形成する場合、
その信頼性に対しては次のような問題点が考えられる。
すなわち、通常、回路側の銅板厚の方が裏側の銅板厚よ
りも厚い（例えば特公平3-51119 号公報）ので、ヒート
サイクル試験を行った場合のセラミック基板に対する熱
応力は、銅とセラミックスとの熱膨張係数の差から回路
側に引張りの応力として作用する。従来のセラミックス
基板は回路側が凸になっており、このような銅回路を有
するセラミックス基板を使用すると、回路側がさらに凸
になるような反りの力、すなわち回路側に引張りの応力
を受けて反り量がさらに大きくなってしまい、回路側の
銅板が剥がれ易くなる。このような現象は、セラミック
ス基板の厚みが薄くなると全体の強度が小さくなるた
め、上記熱膨張差による熱応力に対する抗力が弱くな
る。したがって、銅とセラミックスとの熱膨張差による
熱応力を可能な限り減少させる必要がある。
【００１７】そこで、本発明者らは、このような問題が
現実となった場合には、以下の対策を講ずればよいこと
を併せ見いだしたものである。その第１の方策は、ヒー
トサイクル時にかかる熱応力とは逆の応力、換言すれ
ば、回路側に圧縮の応力を加えた銅回路を有するセラミ
ックス基板を用いることによって、ヒートサイクル時の
熱応力を打ち消すことである。具体的には、回路側が凹
となるような反りをもたせ、銅回路を有するセラミック
ス基板に回路側に圧縮の残留応力を残すことである。こ
の残留応力の大きさは反りの大きさによって決まり、反
りの量が大きいほど残留応力が大きくなる。しかし、反
りがあまり大きすぎるとヒートシンクとなる銅板に半田
付けする際にボイドが生じたりする危険があるため、反
りの値としては４００μｍ以下であることが望まれ、さ
らに好ましくは３００μｍ以下であることが望ましい。
なお、反りは、スリットゲージ法、ダイアルゲージ法、
表面粗さ計などによって測定することができる。
現実となった場合には、以下の対策を講ずればよいこと
を併せ見いだしたものである。その第１の方策は、ヒー
トサイクル時にかかる熱応力とは逆の応力、換言すれ
ば、回路側に圧縮の応力を加えた銅回路を有するセラミ
ックス基板を用いることによって、ヒートサイクル時の
熱応力を打ち消すことである。具体的には、回路側が凹
となるような反りをもたせ、銅回路を有するセラミック
ス基板に回路側に圧縮の残留応力を残すことである。こ
の残留応力の大きさは反りの大きさによって決まり、反
りの量が大きいほど残留応力が大きくなる。しかし、反
りがあまり大きすぎるとヒートシンクとなる銅板に半田
付けする際にボイドが生じたりする危険があるため、反
りの値としては４００μｍ以下であることが望まれ、さ
らに好ましくは３００μｍ以下であることが望ましい。
なお、反りは、スリットゲージ法、ダイアルゲージ法、
表面粗さ計などによって測定することができる。
【００１８】その第２の方策は、セラミックス基板と銅
板を接合させた後、非酸化性雰囲気下において、５００
〜７００℃の熱処理を加えることにより、銅板の熱収縮
によって生じるセラミックス基板への熱応力を緩和させ
ることによって、反り量の変化を減少させることであ
る。具体的には、セラミックス基板と銅板を接合させ、
室温まで冷却した後炉に入れ、非酸化性雰囲気下、例え
ば窒素ガス中、水素ガス中、アルゴン等の不活性ガス中
において、温度５００〜７００℃、処理時間１〜３時間
程度の熱処理を行い、２℃／分程度の速度で冷却を行
う。この熱処理は、接合後であれば、室温に冷却するま
での途中において、温度５００〜７００℃、保持時間１
〜３時間で保持することによっても行うことができる。
板を接合させた後、非酸化性雰囲気下において、５００
〜７００℃の熱処理を加えることにより、銅板の熱収縮
によって生じるセラミックス基板への熱応力を緩和させ
ることによって、反り量の変化を減少させることであ
る。具体的には、セラミックス基板と銅板を接合させ、
室温まで冷却した後炉に入れ、非酸化性雰囲気下、例え
ば窒素ガス中、水素ガス中、アルゴン等の不活性ガス中
において、温度５００〜７００℃、処理時間１〜３時間
程度の熱処理を行い、２℃／分程度の速度で冷却を行
う。この熱処理は、接合後であれば、室温に冷却するま
での途中において、温度５００〜７００℃、保持時間１
〜３時間で保持することによっても行うことができる。
【００１９】その第３の方策は、セラミックス基板の材
質に着目し、その破壊の原因となる欠陥の存在確率を減
少させることである。すなわち、銅とセラミックスとの
熱膨張差による熱応力に対してセラミックス基板自体の
強度を向上させることによって対処するものである。例
えば、窒化アルミニウム基板を焼結する際に、従来より
も粒度の細かい原料粉を用いて焼結することである。具
体的には、通常、平均粒径３μｍ以下の窒化アルミニウ
ム粉末を含むスラリーを調整した後グリーンシートを成
形し、バインダーを除去した後、不活性雰囲気下、１７
００℃以上の温度で焼結させるが、本発明では、平均粒
径１μｍ以下の窒化アルミニウム粉末を使用することに
よって焼結体内に生じる欠陥の存在確率を減少させるこ
とができる。
質に着目し、その破壊の原因となる欠陥の存在確率を減
少させることである。すなわち、銅とセラミックスとの
熱膨張差による熱応力に対してセラミックス基板自体の
強度を向上させることによって対処するものである。例
えば、窒化アルミニウム基板を焼結する際に、従来より
も粒度の細かい原料粉を用いて焼結することである。具
体的には、通常、平均粒径３μｍ以下の窒化アルミニウ
ム粉末を含むスラリーを調整した後グリーンシートを成
形し、バインダーを除去した後、不活性雰囲気下、１７
００℃以上の温度で焼結させるが、本発明では、平均粒
径１μｍ以下の窒化アルミニウム粉末を使用することに
よって焼結体内に生じる欠陥の存在確率を減少させるこ
とができる。
【００２０】以上の事柄をまとめると、本発明のよう
に、低熱抵抗をもったセラミックス基板を得るための方
法としては種々あるが、セラミックス基板の厚みを減じ
る方法が好都合である。しかし、厚みを減じることが問
題となる場合には、以下の方策の少なくとも１つを講じ
ることによって対処することができる。 （イ）銅回路を有するセラミックス基板に回路側が凹と
なるような反りをもたせ、回路側に圧縮の残留応力を残
す。 （ロ）セラミックス基板と銅板を接合させた後、非酸化
性雰囲気下において、温度５００〜７００℃の熱処理を
加え、銅板の熱収縮によって生じるセラミックス基板へ
の熱応力を緩和させる。 （ハ）セラミックス基板の材質を破壊の原因となる欠陥
の存在確率を減少させるためにそれ自体の強度を高め
る。
に、低熱抵抗をもったセラミックス基板を得るための方
法としては種々あるが、セラミックス基板の厚みを減じ
る方法が好都合である。しかし、厚みを減じることが問
題となる場合には、以下の方策の少なくとも１つを講じ
ることによって対処することができる。 （イ）銅回路を有するセラミックス基板に回路側が凹と
なるような反りをもたせ、回路側に圧縮の残留応力を残
す。 （ロ）セラミックス基板と銅板を接合させた後、非酸化
性雰囲気下において、温度５００〜７００℃の熱処理を
加え、銅板の熱収縮によって生じるセラミックス基板へ
の熱応力を緩和させる。 （ハ）セラミックス基板の材質を破壊の原因となる欠陥
の存在確率を減少させるためにそれ自体の強度を高め
る。
【００２１】本発明の銅回路を有するセラミックス基板
の構造としては、例えば、セラミックス基板の厚みが
０．４ｍｍ、回路側の銅板の厚みが０．３〜０．５ｍｍ
である場合、裏銅板の厚みは０．１〜０．２５ｍｍであ
ることが望ましい。銅板の種類については、無酸素銅、
タフピッチ銅などが使用される。セラミックス基板と銅
板の接合法としては、活性金属ろう付け法、ＤＢＣ法の
いずれでも問題はないが、接合温度の低い活性金属ろう
付け法がより好ましい。
の構造としては、例えば、セラミックス基板の厚みが
０．４ｍｍ、回路側の銅板の厚みが０．３〜０．５ｍｍ
である場合、裏銅板の厚みは０．１〜０．２５ｍｍであ
ることが望ましい。銅板の種類については、無酸素銅、
タフピッチ銅などが使用される。セラミックス基板と銅
板の接合法としては、活性金属ろう付け法、ＤＢＣ法の
いずれでも問題はないが、接合温度の低い活性金属ろう
付け法がより好ましい。
【００２２】銅回路の形成方法としては、あらかじめ全
面に銅板を張りつけ、接合後に塩化第２鉄や塩化第２銅
によってエッチングを行う手法が望ましい。このとき、
銅板の厚みに応じて、エッチングスピード、処理温度、
塩素イオン濃度などを変化させる必要がある。パターン
の形状としては、セラミックス基板との熱膨張差を可能
な限り小さくするように、セラミックス基板の長さに対
して連続したパターンの長さが短い方が望ましい。ま
た、使用するセラミックス基板のサイズについても、基
板の長さに比例して基板の端面にかかる熱応力が大きく
なるので、可能な限り小さい方が望ましい。
面に銅板を張りつけ、接合後に塩化第２鉄や塩化第２銅
によってエッチングを行う手法が望ましい。このとき、
銅板の厚みに応じて、エッチングスピード、処理温度、
塩素イオン濃度などを変化させる必要がある。パターン
の形状としては、セラミックス基板との熱膨張差を可能
な限り小さくするように、セラミックス基板の長さに対
して連続したパターンの長さが短い方が望ましい。ま
た、使用するセラミックス基板のサイズについても、基
板の長さに比例して基板の端面にかかる熱応力が大きく
なるので、可能な限り小さい方が望ましい。
【００２３】
【実施例】以下、本発明を実施例と比較例をあげて具体
的に説明する。 実施例１〜２１、比較例１〜３ 実施例１〜３、実施例１０〜１５及び比較例１〜３では
平均粒径３μｍ以下の窒化アルミニウム粉末、実施例４
〜９及び実施例１６〜２１では平均粒径１μｍ以下の窒
化アルミニウム粉末を含むスラリーを調整した後グリー
ンシートを成形し、バインダーを除去してから窒素雰囲
気下１８５０℃の温度で焼結し、サイズ２２．０ｍｍ×
２２．５ｍｍ、厚み０．４〜１．０ｍｍの窒化アルミニ
ウム基板を製造し、その熱抵抗と熱伝導率を測定した。
熱抵抗は図１及び図２の装置を組立て測定し、また、熱
伝導率はレーザーフラッシュ法で測定した。
的に説明する。 実施例１〜２１、比較例１〜３ 実施例１〜３、実施例１０〜１５及び比較例１〜３では
平均粒径３μｍ以下の窒化アルミニウム粉末、実施例４
〜９及び実施例１６〜２１では平均粒径１μｍ以下の窒
化アルミニウム粉末を含むスラリーを調整した後グリー
ンシートを成形し、バインダーを除去してから窒素雰囲
気下１８５０℃の温度で焼結し、サイズ２２．０ｍｍ×
２２．５ｍｍ、厚み０．４〜１．０ｍｍの窒化アルミニ
ウム基板を製造し、その熱抵抗と熱伝導率を測定した。
熱抵抗は図１及び図２の装置を組立て測定し、また、熱
伝導率はレーザーフラッシュ法で測定した。
【００２４】銀粉末７５重量部、銅粉末２５重量部、ジ
ルコニウム粉末２０重量部、 テルピネオール１５重量部
及び有機結合剤としてポリイソブチルメタアクリレート
のトルエン溶液を固形分で１．５重量部を混合してろう
材ペーストを調整し、それを上記で得られた窒化アルミ
ニウム基板の両面にスクリーン印刷によって全面塗布し
た。その際の塗布量（乾燥後）を６〜８mg/cm2とした。
ルコニウム粉末２０重量部、 テルピネオール１５重量部
及び有機結合剤としてポリイソブチルメタアクリレート
のトルエン溶液を固形分で１．５重量部を混合してろう
材ペーストを調整し、それを上記で得られた窒化アルミ
ニウム基板の両面にスクリーン印刷によって全面塗布し
た。その際の塗布量（乾燥後）を６〜８mg/cm2とした。
【００２５】次いで、上記ろう材ペーストの塗布された
セラミックス基板の両面に、そのサイズに応じた種々の
厚みの銅板を接触配置してから炉に投入し、高真空中、
温度９００℃で３０分加熱した後、２℃／分の降温速度
で室温まで冷却して活性金属ろ付け法による接合体を製
造した。そして、実施例１０〜２１については、得られ
た接合体を別の炉内に入れ、窒素ガス中、温度６５０
℃、処理時間２時間の熱処理を行い、２℃／分程度の速
度で冷却を行った。
セラミックス基板の両面に、そのサイズに応じた種々の
厚みの銅板を接触配置してから炉に投入し、高真空中、
温度９００℃で３０分加熱した後、２℃／分の降温速度
で室温まで冷却して活性金属ろ付け法による接合体を製
造した。そして、実施例１０〜２１については、得られ
た接合体を別の炉内に入れ、窒素ガス中、温度６５０
℃、処理時間２時間の熱処理を行い、２℃／分程度の速
度で冷却を行った。
【００２６】次に、上記接合体の銅板上に、ＵＶ硬化タ
イプのエッチングレジストをスクリーン印刷にて回路パ
ターンに塗布後、塩化第２銅溶液を用いてエッチング処
理を行って銅板不要部分を溶解除去し、さらにエッチン
グレジストを５％苛性ソーダー溶液で剥離した。エッチ
ング処理後の接合体には、銅回路パターン間に残留不要
ろう材及び活性金属成分とセラミックス基板の反応物が
あるのでそれを除去するため、温度６０℃、１０％フッ
化アンモニウム溶液に１０分間浸漬した。
イプのエッチングレジストをスクリーン印刷にて回路パ
ターンに塗布後、塩化第２銅溶液を用いてエッチング処
理を行って銅板不要部分を溶解除去し、さらにエッチン
グレジストを５％苛性ソーダー溶液で剥離した。エッチ
ング処理後の接合体には、銅回路パターン間に残留不要
ろう材及び活性金属成分とセラミックス基板の反応物が
あるのでそれを除去するため、温度６０℃、１０％フッ
化アンモニウム溶液に１０分間浸漬した。
【００２７】これら一連の処理を経て得られた銅回路を
有するセラミックス基板について、ヒートサイクル（熱
衝撃）試験を行った。ヒートサイクル試験は、気中、−
４０℃×３０分保持後、２５℃×１０分間放置、さらに
１２５℃×３０分保持後、２５℃×１０分間放置を１サ
イクルとして行った。評価は、各実施例及び比較例の１
例毎にサンプルを数十枚ずつ作製し、直ちにヒートサイ
クル試験を行った。そして、３サイクル毎に各サンプル
の状態を観察し、その中で１枚のサンプルにでも銅板剥
離を起こしているものがあればその時のサイクル数を銅
板剥離開始回数とし、その数の大小にて耐ヒートサイク
ル性を評価した。また、反りは、ダイアルゲージによっ
て測定した。
有するセラミックス基板について、ヒートサイクル（熱
衝撃）試験を行った。ヒートサイクル試験は、気中、−
４０℃×３０分保持後、２５℃×１０分間放置、さらに
１２５℃×３０分保持後、２５℃×１０分間放置を１サ
イクルとして行った。評価は、各実施例及び比較例の１
例毎にサンプルを数十枚ずつ作製し、直ちにヒートサイ
クル試験を行った。そして、３サイクル毎に各サンプル
の状態を観察し、その中で１枚のサンプルにでも銅板剥
離を起こしているものがあればその時のサイクル数を銅
板剥離開始回数とし、その数の大小にて耐ヒートサイク
ル性を評価した。また、反りは、ダイアルゲージによっ
て測定した。
【００２８】実施例２２ 窒化アルミニウム粉末のかわりに六方晶窒化ホウ素粉末
を用い、そのグリーンシートの焼成温度を１９００℃と
し、そしてろう材ペーストのジルコニウム粉末のかわり
に水素化チタン粉末を用いたこと以外は実施例に準じて
窒化ホウ素基板を製造し、評価を行った。
を用い、そのグリーンシートの焼成温度を１９００℃と
し、そしてろう材ペーストのジルコニウム粉末のかわり
に水素化チタン粉末を用いたこと以外は実施例に準じて
窒化ホウ素基板を製造し、評価を行った。
【００２９】以上の結果を表１〜表４に示す。表１と表
２は実施例１〜２２の結果であり、表３と表４は比較例
の結果である。そして、表１及び表３はセラミックス基
板についての結果であり、表２及び表４は銅板又は銅回
路を有するセラミックス基板についての結果である。
２は実施例１〜２２の結果であり、表３と表４は比較例
の結果である。そして、表１及び表３はセラミックス基
板についての結果であり、表２及び表４は銅板又は銅回
路を有するセラミックス基板についての結果である。
【００３０】
【表１】
【００３１】
【表２】
【００３２】
【表３】
【００３３】
【表４】
【００３４】
【発明の効果】本発明によれば、熱抵抗の小さいセラミ
ックス基板が得られ このセラミックス基板を用いて作
製された銅回路を有するセラミックス基板は、熱衝撃や
熱履歴に対する耐久性、すなわち耐ヒートショック性と
耐ヒートサイクル性が著しく向上する。
ックス基板が得られ このセラミックス基板を用いて作
製された銅回路を有するセラミックス基板は、熱衝撃や
熱履歴に対する耐久性、すなわち耐ヒートショック性と
耐ヒートサイクル性が著しく向上する。
【図１】 セラミックス基板の熱抵抗を測定するための
説明図
説明図
【図２】 セラミックス基板の熱抵抗を測定するための
説明図
説明図
１ トランジスタ（「２ＳＣ−３０４２」底面積：１６
×２０ｍｍ2 ） ２ セラミックス基板（１６ｍｍ×２０ｍｍ×厚み） ３ トランジスタ側の放熱グリース ４ アルミニウム放熱ブロック側の放熱グリース ５ アルミニウム放熱ブロック（水冷式）
×２０ｍｍ2 ） ２ セラミックス基板（１６ｍｍ×２０ｍｍ×厚み） ３ トランジスタ側の放熱グリース ４ アルミニウム放熱ブロック側の放熱グリース ５ アルミニウム放熱ブロック（水冷式）
───────────────────────────────────────────────────── 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 23/36 Ｈ０５Ｋ 1/02 Ｄ 8824−4Ｅ
Claims (5)
- 【請求項１】 窒化アルミニウム又は六方晶窒化ホウ素
からなり、その熱抵抗が０．１０℃／Ｗ以下であること
を特徴とするセラミックス基板。 - 【請求項２】 請求項１記載のセラミックス基板の片面
には銅回路が形成され、反対の面にはセラミックス基板
とほぼ等しい面積を有する銅板が接合されてなることを
特徴とする銅回路を有するセラミックス基板。 - 【請求項３】 銅回路側が凹となるような反りを有して
なることを特徴とする請求項２記載の銅回路を有するセ
ラミックス基板。 - 【請求項４】 非酸化性雰囲気下、温度５００〜７００
℃の熱処理が加えられてなるセラミックス基板と銅板と
の接合体から銅回路が形成されたものであることを特徴
とする請求項２記載の銅回路を有するセラミックス基
板。 - 【請求項５】 セラミックス基板が、平均粒径１μｍ以
下の窒化アルミニウム粉末又は六方晶窒化ホウ素粉末を
用いて製造されたものであることを特徴とする請求項２
記載の銅回路を有するセラミックス基板。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5093238A JPH06310822A (ja) | 1993-04-20 | 1993-04-20 | セラミックス基板及びその用途 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5093238A JPH06310822A (ja) | 1993-04-20 | 1993-04-20 | セラミックス基板及びその用途 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06310822A true JPH06310822A (ja) | 1994-11-04 |
Family
ID=14076956
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5093238A Pending JPH06310822A (ja) | 1993-04-20 | 1993-04-20 | セラミックス基板及びその用途 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06310822A (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09119788A (ja) * | 1995-10-25 | 1997-05-06 | Showa Alum Corp | 放熱器 |
| JP2001077485A (ja) * | 1999-08-31 | 2001-03-23 | Kyocera Corp | セラミック基板と金属放熱器の接合構造 |
| JP2008053641A (ja) * | 2006-08-28 | 2008-03-06 | Teac Corp | 温度調節機構および温度調節方法 |
| JP2008053759A (ja) * | 2000-08-09 | 2008-03-06 | Mitsubishi Materials Corp | パワーモジュール及びヒートシンク付パワーモジュール |
| JPWO2015022956A1 (ja) * | 2013-08-14 | 2017-03-02 | デンカ株式会社 | 窒化ホウ素−樹脂複合体回路基板、窒化ホウ素−樹脂複合体放熱板一体型回路基板 |
| JP2019033129A (ja) * | 2017-08-04 | 2019-02-28 | デンカ株式会社 | パワーモジュール |
| WO2022163646A1 (ja) * | 2021-01-26 | 2022-08-04 | デンカ株式会社 | 窒化ホウ素焼結体シートの製造方法、及び焼結体シート |
-
1993
- 1993-04-20 JP JP5093238A patent/JPH06310822A/ja active Pending
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09119788A (ja) * | 1995-10-25 | 1997-05-06 | Showa Alum Corp | 放熱器 |
| JP2001077485A (ja) * | 1999-08-31 | 2001-03-23 | Kyocera Corp | セラミック基板と金属放熱器の接合構造 |
| JP2008053759A (ja) * | 2000-08-09 | 2008-03-06 | Mitsubishi Materials Corp | パワーモジュール及びヒートシンク付パワーモジュール |
| JP2008053641A (ja) * | 2006-08-28 | 2008-03-06 | Teac Corp | 温度調節機構および温度調節方法 |
| JPWO2015022956A1 (ja) * | 2013-08-14 | 2017-03-02 | デンカ株式会社 | 窒化ホウ素−樹脂複合体回路基板、窒化ホウ素−樹脂複合体放熱板一体型回路基板 |
| JP2019033129A (ja) * | 2017-08-04 | 2019-02-28 | デンカ株式会社 | パワーモジュール |
| WO2022163646A1 (ja) * | 2021-01-26 | 2022-08-04 | デンカ株式会社 | 窒化ホウ素焼結体シートの製造方法、及び焼結体シート |
| JPWO2022163646A1 (ja) * | 2021-01-26 | 2022-08-04 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A602 | Written permission of extension of time |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A602 Effective date: 20060322 |