JPH0680873B2 - 回路基板 - Google Patents

回路基板

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JPH0680873B2
JPH0680873B2 JP61161783A JP16178386A JPH0680873B2 JP H0680873 B2 JPH0680873 B2 JP H0680873B2 JP 61161783 A JP61161783 A JP 61161783A JP 16178386 A JP16178386 A JP 16178386A JP H0680873 B2 JPH0680873 B2 JP H0680873B2
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Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は回路基板に関し、さらに詳しくは、一部に放熱
性に優れた窒化アルミニウム板が接合されたアルミナ板
よりなる複合型回路基板であって、両者の熱膨張率の差
に起因するクラックなどが両者間の接合部で生ずること
がない回路基板に関する。
（従来の技術） 従来、半導体用回路基板としては、安価なアルミナ（Al
2O3）の基板上に回路を形成し、ここに半導体装置をは
じめとする各種素子を搭載した形式のものが一般的であ
った。
ところが、近年、半導体装置の大出力化に伴って、素子
の発熱量が増大しており、上記のAl2O3基板では放熱性
の点で必ずしも満足し得ないという問題が生じている。
かかる問題を解消するためには、Al2O3に代えて放熱性
の優れた窒化アルミニウム（AlN）で回路基板を構成す
ればよいが、しかし、AlNはAl2O3に比べてはるかに高価
であるため、あまり実用的であるとは言い難い。
そこで、最近、Al2O3板とAlN板とを組合せて回路基板を
構成し、発熱量がとくに大きい素子の下部のみにAlN板
を配置せしめることにより放熱性の改善およびコストの
低廉化を図ることが試みられている。
このような複合型の回路基板の構成としては、第３図に
示したようにAl2O3板１の所望の箇所に、AlN板の形状に
対応する開口部1aを設け、ここにAlN板２を嵌め込み、A
lN板２の側面を、開口部1a内壁面に接合した構成、ある
いは第４図に示したように、Al2O3板１の裏面の開口1a
周縁部に、AlN板２の一方の面の周縁部を接合した構成
などをあげることができる。この接合に際して、両板の
接合領域にそれぞれ公知のメタライズを施したのち、ろ
う材を介して接合を行うことが一般的である。
しかしながら、AlNとAl2O3とではその熱膨張係数に大き
な差があるため、使用時にこの熱膨張係数の差に起因し
て応力が発生し、これにより接合部にクラックが生じ
て、極端な場合にはAlN板が脱落したり、この回路基板
に封着シールを施してパッケージとした場合は、その気
密性が低下してしまうなどの不都合がある。
（発明が解決しようとする問題点） このように、従来のAl2O3/AlN複合型回路基板にあって
は、両者の熱膨張係数の差に起因して、使用時にクラッ
クが生じるという問題があった。
本発明は、従来のかかる問題を解消し、一部にAlN板が
接合されてなるAl2O3/AlN複合型回路基板において、使
用時に両者の接合部にクラックなどが生ずることのない
回路基板の提供を目的とする。
［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明者は、上記目的を達成すべく、主として、Al2O3
板とAlN板の接合部の構造に焦点を絞って鋭意研究を重
ねた結果、各々の接合面間に、両者の熱膨張の差を吸収
する緩衝材として機能する金属層を介在せしめればよい
との着想を得、かかる金属材料が満足すべき条件を見出
して本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明の回路基板は、アルミナ板と窒化アル
ミニウム板とが接合されてなる回路基板であって、該ア
ルミナ板および窒化アルミニウム板の接合面にはそれぞ
れメタライズ層が形成されており、これら２つのメタラ
イズ層の間に、 （ａ）500℃以下で再結晶し、 （ｂ）500℃における引張強度が35kgf/mm2以下であり、
かつ、 （ｃ）500℃における伸びが10％以上である 金属材料よりなる緩衝材層が介在せしめられてなること
を特徴とする。
ここで上記（ａ）、（ｂ）、（ｃ）について説明する。
まず（ａ）について説明する。Al2O3板およびAlN板間に
は両者の熱膨張率差に起因する応力が発生する。この応
力は両部材間に介在する緩衝材層にかかり、この応力に
より緩衝材層が塑性変形する。この塑性変形により上記
応力の一部を吸収するが、この緩衝材層が再結晶するこ
とにより軟化している時に応力が加わり塑性変形する場
合には、より応力の緩和に寄与するものである。また同
時に緩衝材層の破壊という事態を招来することもなくな
る。
次に（ｂ）について説明する。緩衝材層の引張強度が大
きい場合、両部材間に発生した応力に耐えようとする結
果、両部材間に大きな応力がかかり、Al2O3板またはAlN
板にクラックなどを招来してしまうため、ある程度引張
強度が小さい必要がある。ここで引張強度が35kgf/mm2
を超える場合にはAl2O3板またはAlN板の許容限度に到達
して、クラックなどを招来してしまう可能性があるた
め、好ましくない。
次に（ｃ）について説明する。緩衝材層がよく伸びる材
質であれば延性や展性が高いことになり、やはり両部材
間で発生した応力の吸収に寄与する。ここで伸びが10％
未満の場合には、Al2O3板またはAlN板の許容限度に到達
してクラックなどを招来してしまう可能性があるため、
好ましくない。
なお、（ａ）では500℃以下、（ｂ）および（ｃ）では5
00℃で各特性を規定したのは、回路基板の使用条件（特
に両部材の接合時）によって500℃程度まで温度上昇す
る可能性があること、および２部材間に発生する応力は
上昇温度に略比例し、最大温度差の場合に最大応力が発
生するためである。
本発明の回路基板は、前述したように、Al2O3板とAlN板
との接合構造に特徴を有するものであり、その形状など
は全く限定されるものではない。具体的には、第３図、
第４図に示した如き構造があげられるが、AlN板は１箇
所に限らず複数箇所に嵌め込まれていてもよく、また、
Al2O3板の中央に限らず端部に位置していてもよい。
第１図は、第３図に示した回路基板の接合部の縦断面図
を示し、Al2O3板１の開口1a（第３図）内にAlN板２が嵌
め込まれて両者が接合されている。AlN板は放熱性の向
上を目的として使用するのであるから、熱伝導率が50W/
m・ｋ以上のものであることが好ましい。この接合部の
構造を詳細に説明すると、まず、Al2O3板１の開口1aの
内壁面1bにはメタライズ層３およびメッキ層４がこの順
に形成されている。メタライズ層３の材料としてはモリ
ブデン（Mo）、タングステン（Ｗ）などを使用すること
ができ、公知のメタライズ法を適用することにより形成
される。メッキ層４の材料としてはとくに限定されるも
のではなく、通常のニッケル（Ni）メッキなどを使用す
ることができる。一方、AlN板２の側面2aにも、上記と
同様のメタライズ層５およびメッキ層６が形成されてい
る。これらの接合面1bおよび2aは互いに対向し、それぞ
れのメタライズ面４および６の間に例えば銀ろうなどの
ろう材層７および８、並びに緩衝材層９を介して接合さ
れている。この緩衝材層９は本発明の骨子をなすもので
あり、上記の（ａ）〜（ｃ）の条件をすべて満足する金
属材料によって構成されている。この条件が１つでも満
足されないと、緩衝機能が充分に発揮されず、クラック
発生の原因となる。これらの具体例としては、例えば、
ニッケル（Ni）系合金；クロム（Cr）系合金；りん青
銅、ベリリウム銅、タフピッチ銅、黄銅などの銅（Cu）
系合金；その他KOV−Cuクラッド材、Mo−Cuクラッド
材、Ｗ−Cuクラッド材などをあげることができる。
これらの金属材料は上記（ａ）〜（ｃ）の条件に加え
て、さらに、（ｄ）熱伝導率が50W/m・ｋ以上であるこ
とを満足すると、緩衝機能を向上させる上で有効であ
る。
一方、第２図は第４図に示した回路基板の接合部の縦断
面図を示したもので、Al2O3板１の接合面を裏面の開口1
a周縁部1c、およびAlN板２の接合面を表面周縁部2bとし
た以外は上記第１図と同様の接合部の構造となってい
る。
（作用） このような本発明の回路基板にあっては、AlN板上にと
くに発熱量の大きい半導体素子を搭載しても、充分な放
熱効果を得ることができる。また、AlNとAl2O3との接合
部には、緩衝材層が介在せしめられているため、素子の
発熱により接合部の温度が上昇しても、AlNとAl2O3の熱
膨張係数の差に起因して発生する応力を緩衝材層が吸収
するため、クラックなどの発生が防止される。
（実施例） 第１図、第３図に示した如き回路基板を製造した。すな
わち、50×50mm、厚さ0.5mmのAl2O3板１の中央に20×20
mmの開口1aを穿設し、この開口1a内にこれと略同形状の
AlN板２を接合した。各々の接合面1bおよび2aにはモリ
ブデンよりなるメタライズ層３、５、ニッケルメッキ層
４、６がそれぞれ形成され、これらの接合面は銀ろう層
７、８および無酸素銅よりなる緩衝材層９を介して接合
されている。
このようにして得られた回路基板において、AlN板２表
面にメタライズ層を介してSiチップを搭載し、Al2O3板
１表面に公知の方法によって回路を形成して全体を封着
することによりパッケージを製造した。このパッケージ
100個について、その動作状態を観察したところ、Al2O3
とAlNの接合部にクラックが発生したものは皆無であっ
た。
なお、比較のために、緩衝材層を介在せしめなかったこ
とを除いては上記実施例と同様にして回路基板およびパ
ッケージを製造し、同様の評価を行ったところ、100個
中90個にクラックが発生したことが確認された。
［発明の効果］ 以上の説明から明らかなように、本発明の回路基板は、
Al2O3板とAlN板を組合せてなるものであるため、放熱効
果が満足すべきものであるとともに価格は低廉となり、
しかも、Al2O3とAlNとの接合部には緩衝材層が介在せし
められているため、作動時に接合部の温度が上昇しても
クラックなどが発生することがなく、極めて信頼性の高
いものである。したがって、その工業的価値は大であ
る。
【図面の簡単な説明】
第１図および第２図は本発明の回路基板の接合部の構造
を示し、それぞれ第３図のＡ−Ａ線および第４図のＢ−
Ｂ線に沿う縦断面図、第３図および第４図は複合型回路
基板の斜視図である。 １……Al2O3板、 ２……AlN板、 1a……開口、 1b、1c、2a、2b……接合面、 ３、５……メタライズ層、 ９……緩衝材層。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】アルミナ板と窒化アルミニウム板とが接合
    されてなる回路基板であって、該アルミナ板および窒化
    アルミニウム板の接合面にはそれぞれメタライズ層が形
    成されており、これら２つのメタライズ層の間に、 （ａ）500℃以下で再結晶し、 （ｂ）500℃における引張強度が35kgf/mm2以下であり、
    かつ （ｃ）500℃における伸びが10％以上である 金属材料よりなる緩衝材層が介在せしめられてなること
    を特徴とする回路基板。
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