JPH07202073A - セラミックス回路基板 - Google Patents

セラミックス回路基板

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JPH07202073A
JPH07202073A JP5335315A JP33531593A JPH07202073A JP H07202073 A JPH07202073 A JP H07202073A JP 5335315 A JP5335315 A JP 5335315A JP 33531593 A JP33531593 A JP 33531593A JP H07202073 A JPH07202073 A JP H07202073A
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aluminum nitride
ceramic circuit
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裕 小森田
Nobuyuki Mizunoya
信幸 水野谷
Takao Shirai
隆雄 白井
Takayuki Naba
隆之 那波
Takashi Hino
高志 日野
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    • H01L2924/351Thermal stress
    • H01L2924/3511Warping
    • 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
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 各種装置に組み込む際等に荷重が加わった場
合においても、クラック等の発生を防止することを可能
にしたセラミックス回路基板を提供する。 【構成】 窒化アルミニウム基板1の両面に、DBC法
や活性金属ろう付け法により金属板、例えば銅板2、3
を接合したセラミックス回路基板である。このセラミッ
クス回路基板に 3点曲げ荷重を加えた際に、支点間距離
が30mmの場合のたわみ量(x) は 0.1〜 0.5mmの範囲であ
る。あるいは、支点間距離が50mmの場合のたわみ量(x)
は0.15〜 1.0mmの範囲である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体実装基板等とし
て有用な窒化アルミニウム焼結体を用いたセラミックス
回路基板に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、パワーICモジュール用基板やス
イッチング電源モジュール用基板等の回路基板として、
セラミックス基板上に銅板等の金属板を接合したものが
用いられている。また、上記セラミックス基板として
は、電気絶縁性を有すると共に、熱伝導性に優れた窒化
アルミニウム基板が注目されている。
【0003】上述したような窒化アルミニウム基板上に
回路構成用の銅板等を接合する方法としては、例えば窒
化アルミニウム基板上に銅板を Cu-Cu2 O 等の共晶液相
を利用して直接接合する、いわゆる銅直接接合法(DB
C法:Direct Bond Copper法)や、4A族元素や5A族元素
のような活性金属を含むろう材を用いて、窒化アルミニ
ウム基板上に銅板を接合する方法(活性金属ろう付け
法)等が用いられている。これらDBC法や活性金属ろ
う付け法により得られるセラミックス回路基板は、いず
れも単純構造で熱抵抗が小さく、大電流型や高集積型の
半導体チップに対応できる等の利点を有している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上述したよ
うな窒化アルミニウム基板を用いたセラミックス回路基
板上に半導体チップを搭載し、かつベースとなるヒート
シンクをはんだ付けしたモジュールを、各種装置に組み
込む際には、ヒートシンクに設けたねじ穴に差し込んだ
固定用ボルトを用いて、装置側の支持板に対してねじ止
めすることが一般的である。このような組み込み工程に
おいて、ねじ止め時の荷重によりヒートシンクが反り、
このヒートシンクにはんだ付けされたセラミックス回路
基板も同様に反るため、特に窒化アルミニウム基板を用
いたセラミックス回路基板においてはクラックが入りや
すいという問題があった。
【0005】本発明は、このような課題に対処するため
になされたもので、各種装置に組み込む際等に荷重が加
わった場合においても、クラック等の発生を防止するこ
とを可能にした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。
【0006】
【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、窒化アルミニウム焼結体からなるセラ
ミックス基板と、このセラミックス基板の両面に接合さ
れた金属板とを具備するセラミックス回路基板におい
て、前記セラミックス回路基板に 3点曲げ荷重を加えた
際に、支点間距離が30mmの場合のたわみ量が 0.1〜 0.5
mmの範囲、あるいは支点間距離が50mmの場合のたわみ量
が0.15〜 1.0mmの範囲であることを特徴としている。
【0007】本発明のセラミックス回路基板において
は、 3点曲げ荷重を加えた際のたわみ量を 0.1〜 0.5mm
(支点間距離:30mm)の範囲、あるいは0.15〜 1.0mm
(支点間距離:50mm)の範囲に規定することによって、
各種装置に組み込む際等にセラミックス回路基板に荷重
が加わった場合においても、クラック等が発生すること
を防止している。
【0008】上記たわみ量とは、図1に示すように、い
わゆる 3点曲げ荷重(支点間距離:y)を加えた際に中央
部のたわんだ距離(x) である。なお図1において、1は
窒化アルミニウム基板、2、3は窒化アルミニウム基板
に接合された金属板である。この金属板2、3の接合方
法としては、DBC法および活性金属ろう付け法のいず
れでもよく、また金属板2、3の材質は接合法に応じて
選択するものとする。このたわみ量が支点間距離が30mm
の場合に 0.1mm未満、あるいは支点間距離が50mmの場合
に0.15mm未満であるということは、曲げ荷重が加わった
際の抵抗力が弱いことを示し、よって容易にクラックが
発生してしまう。一方、たわみ量が支点間距離が30mmの
場合に 0.5mmを超える、あるいは支点間距離が50mmの場
合に 1.0mmを超えることも好ましくない。上記セラミッ
クス回路基板のより好ましいたわみ量は、支点間距離が
30mmの場合には 0.2〜 0.4mmの範囲、また支点間距離が
50mmの場合には 0.5〜 0.8mmの範囲である。
【0009】上述したようなセラミックス回路基板のた
わみ量を実現するための具体的な手法としては、 (1) 破壊靭性値や機械的強度に優れた窒化アルミニウ
ム焼結体を、セラミックス基板として用いる。
【0010】(2) セラミックス基板(窒化アルミニウ
ム基板)を薄型化する。
【0011】(3) セラミックス基板(窒化アルミニウ
ム基板)上に接合する金属板の配置により、窒化アルミ
ニウム基板の曲げ荷重が加わった際に最大荷重点となる
部分の応力を緩和する。
【0012】等が例示され、これらは複合して適用する
ことも可能である。特に、上記 (1)の手法が効果的であ
り、 (1)の手法に (2)の手法や (3)の手法を組合わせる
ことが好ましい。
【0013】上記 (1)の手法における破壊靭性値や機械
的強度に優れる窒化アルミニウム基板としては、例えば
平均結晶粒子径が 1〜 4μm と微細な組織を有するもの
が例示される。このような微細組織を有する窒化アルミ
ニウム基板は、例えば焼結助剤として3A族元素、Ca、Sr
およびBaの酸化物から選ばれた少なくとも 1種を 1〜10
重量% の範囲で含有させると共に、Si成分濃度を0.01〜
0.2重量% の範囲とすることにより得られる。Si成分
は、 SiO2 、Si3 N 4 、 SiCおよびSi2 N 2 O から選ば
れた少なくとも 1種のSi化合物として含有させることが
好ましい。さらに、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Moおよび Wか
ら選ばれた少なくとも 1種の金属元素を酸化物換算で
0.1〜 0.5重量% の範囲で含有させることも効果的であ
る。また、FeMo等の不純物陽イオンの含有量は 0.2重量
% 以下にするとよい。このような条件を満足させること
により、破壊靭性値K1Cが2.8MPa m1/2 以上で、 3点曲
げ強度が50kgf/mm2 以上の窒化アルミニウム基板を再現
性よく得ることが可能となる。また、上記 (2)の手法
は、窒化アルミニウム基板を薄型化することにより、セ
ラミックス回路基板をたわみやすくさせたものであり、
具体的には窒化アルミニウム基板の厚さを 0.3〜 1.0mm
の範囲とすることが好ましい。窒化アルミニウム基板の
厚さが 1.0mmを超えると、セラミックス回路基板がたわ
みにくくなり、また窒化アルミニウム基板の厚さが 0.3
mm未満であると、逆に機械的強度の低下を招いてしま
う。
【0014】さらに、上記 (3)の手法は、例えば曲げ荷
重が加わった際に最大荷重点となる部分(具体的には中
央部付近)に、金属板の端部が存在していると、金属板
の加熱接合においては金属板端部の残留応力が大きくな
るため、曲げ荷重が加わった際に窒化アルミニウム基板
にクラックが生じやすくなる。これに対して、最大荷重
点となる中央部付近を金属板で覆うことによって、曲げ
荷重が加わった際に窒化アルミニウム基板のクラック発
生を抑制することが可能となる。
【0015】
【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。
【0016】実施例1、2 まず、不純物としての酸素含有量が 0.8重量% である平
均粒径 1μm の AlN粉末を用い、これに焼結助剤として
5重量% の Y2 O 3 粉末と、Si成分として 0.1重量% の
SiO2 粉末を添加(実施例1)し、あるいは AlN粉末に
焼結助剤として5重量% の Y2 O 3 粉末および 0.2重量%
の HfO2 粉末と、Si成分として 2.5重量% のSi3 N 4
粉末を添加(実施例2)し、これらをそれぞれエチルア
ルコールを溶媒としてボールミルで20時間混合して、各
々原料混合体を作製した。
【0017】次に、これら原料混合体に有機バインダと
してPVAをそれぞれ 5.5重量% 添加して、各々造粒粉
を作製した。次いで、得られた各造粒粉を1200kgf/cm2
の圧力で一軸プレスして、それぞれ66×44× 1.0mmの成
形体を作製した。得られた各成形体を窒素雰囲気中にて
700℃で脱脂した後、窒素雰囲気中にて1740℃、1720℃
の各焼成下限温度で 4時間焼成して、それぞれ窒化アル
ミニウム基板を得た。これら窒化アルミニウム基板の特
性は、 3点曲げ強度が60kgf/mm2 、63kgf/mm2であり、
破壊靭性値K1Cは 2.86MPa m1/2 、 2.90MPa m1/2 であ
った。
【0018】次に、このようにして得た各窒化アルミニ
ウム基板を用いて、図2に示すセラミックス回路基板1
0およびそれを用いた半導体モジュール20を作製し
た。すなわち、各窒化アルミニウム基板11の両表面
に、厚さ 0.3mmのタフピッチ銅板12と厚さ0.25mmのタ
フピッチ銅板13とをそれぞれ接触配置し、窒素ガス雰
囲気中にて1075℃×10分の条件で加熱して接合させ、目
的とするセラミックス回路基板10をそれぞれ得た。な
お、銅板12、13はそれぞれ窒化アルミニウム基板1
1のほぼ全面に接合した。これら各セラミックス回路基
板のたわみ量を支点間距離30mmで測定したところ、それ
ぞれ0.15mm、 0.2mmであった。また、支点間距離50mmで
測定したたわみ量は、それぞれ 0.6mm、 0.7mmであっ
た。
【0019】次に、これら各セラミックス回路基板10
の表面側の銅板12上に、半導体チップ14を接合搭載
すると共に、裏面側の銅板12を介してヒートシンク
(厚さ3mmの銅板)15をはんだ層16によりはんだ付
けし、それぞれ半導体モジュール20を得た。なお、図
中17はモールド用樹脂である。
【0020】これら各半導体モジュール20を、ヒート
シンク15に設けたねじ穴に差し込んだ固定用ボルト2
1を用いて、アルミ製支持板22に対してそれぞれねじ
止めした。このねじ止めによって、各セラミックス回路
基板10は 0.1mmたわんだが、それぞれ窒化アルミニウ
ム基板11にクラックが生じることはなかった。
【0021】比較例1 3点曲げ強度が46kgf/mm2 で、破壊靭性値K1Cは2.3MPa
m1/2 である窒化アルミニウム基板を用いて、上記実施
例と同様にして、セラミックス回路基板を作製した。こ
のセラミックス回路基板のたわみ量を支点間距離30mmで
測定したところ0.12mmであった。また、支点間距離50mm
で測定したたわみ量は 0.5mmであった。このようなセラ
ミックス回路基板を用いて、実施例1と同様に半導体モ
ジュールを作製した後、アルミ製支持板に対して実施例
1と同一条件でねじ止めしたところ、ねじ止め途中で窒
化アルミニウム基板の中央付近にクラックが生じた。
【0022】
【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、各種装置に組み込む際等に荷重
が加わった場合においても、セラミックス回路基板自体
が十分にたわむため、窒化アルミニウム基板にクラック
等が生じることを防止することができる。従って、セラ
ミックス回路基板を用いた各種モジュール等の信頼性を
大幅に高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明のセラミックス回路基板におけるたわ
み量を説明するための図である。
【図2】 本発明の一実施例によるセラミックス回路基
板を用いた半導体モジュールの構成を示す断面図であ
る。
【符号の説明】
1、11……窒化アルミニウム基板 2、3、12、13……銅板 10……セラミックス回路基板 15……ヒートシンク 20……半導体モジュール
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 那波 隆之 神奈川県横浜市鶴見区末広町2の4 株式 会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 日野 高志 神奈川県横浜市鶴見区末広町2の4 株式 会社東芝京浜事業所内

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 窒化アルミニウム焼結体からなるセラミ
    ックス基板と、このセラミックス基板の両面に接合され
    た金属板とを具備するセラミックス回路基板において、 前記セラミックス回路基板に 3点曲げ荷重を加えた際
    に、支点間距離が30mmの場合のたわみ量が 0.1〜 0.5mm
    の範囲、あるいは支点間距離が50mmの場合のたわみ量が
    0.15〜 1.0mmの範囲であることを特徴とするセラミック
    ス回路基板。
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Cited By (5)

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