JPH08255973A - Ceramic circuit board - Google Patents
Ceramic circuit boardInfo
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- JPH08255973A JPH08255973A JP5863895A JP5863895A JPH08255973A JP H08255973 A JPH08255973 A JP H08255973A JP 5863895 A JP5863895 A JP 5863895A JP 5863895 A JP5863895 A JP 5863895A JP H08255973 A JPH08255973 A JP H08255973A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、セラミックス回路基板
に係り、特にパワーデバイスの搭載用として好適なセラ
ミックス回路基板に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a ceramic circuit board, and more particularly to a ceramic circuit board suitable for mounting a power device.
【０００２】[0002]
【従来の技術】近年、パワートランジスタモジュールや
スイッチング電源モジュール等の比較的高電力を扱う半
導体部品（パワーデバイス）の搭載用基板等として、セ
ラミックス基板上に銅板等の金属板を接合したセラミッ
クス回路基板、特に熱伝導性に優れる窒化アルミニウム
基板を用いたセラミックス回路基板が用いられている。
上述したようなセラミックス回路基板の製造方法として
は、Ti、Zr、Hf、Nb等の活性金属を Ag-Cuろう材等に数
% 程度添加した活性金属ろう材を用いる方法（活性金属
法）や、金属板として銅を用いてセラミックス基板と銅
板とを直接接合させる、いわゆるＤＢＣ法（ダイレクト
・ボンディング・カッパー法）等が知られている。2. Description of the Related Art In recent years, a ceramic circuit board in which a metal plate such as a copper plate is bonded onto a ceramic substrate is used as a mounting substrate for semiconductor components (power devices) that handle relatively high power such as power transistor modules and switching power supply modules. In particular, a ceramic circuit board using an aluminum nitride substrate having excellent thermal conductivity is used.
As a method of manufacturing the ceramic circuit board as described above, active metals such as Ti, Zr, Hf, and Nb are used as Ag-Cu brazing filler metal.
A method using an active metal brazing material added with about 100% (active metal method) and a so-called DBC method (direct bonding copper method) in which copper is directly bonded to a ceramic substrate by using copper as a metal plate are known. ing.
【０００３】例えば、ＤＢＣ法においては、まず所定形
状に打ち抜かれた厚さ 0.3mm〜 0.5mm程度の銅回路板
を、窒化アルミニウム基板上に接触配置させて加熱し、
接合界面にCu- Cu2 O の共晶液相を生成させ、この液相
で窒化アルミニウム基板の表面を濡らした後、液相を冷
却固化することによって、窒化アルミニウム基板と銅回
路板とが接合される。また、活性金属法においては、窒
化アルミニウム基板上に上述したような活性金属ろう材
と銅回路板とを順に配置し、活性金属ろう材が溶融する
温度に加熱して、活性金属ろう材の液相で窒化アルミニ
ウム基板表面を濡らすことによって、窒化アルミニウム
基板と銅回路板とが接合される。For example, in the DBC method, first, a copper circuit board having a thickness of about 0.3 mm to 0.5 mm punched into a predetermined shape is placed in contact with an aluminum nitride substrate and heated,
A Cu-Cu 2 O eutectic liquid phase is generated at the bonding interface, the liquid phase wets the surface of the aluminum nitride substrate, and then the liquid phase is cooled and solidified to bond the aluminum nitride substrate and the copper circuit board. To be done. Further, in the active metal method, an active metal brazing material and a copper circuit board as described above are sequentially arranged on an aluminum nitride substrate, and heated to a temperature at which the active metal brazing material melts, so that the liquid of the active metal brazing material is melted. The aluminum nitride substrate and the copper circuit board are joined by wetting the aluminum nitride substrate surface with the phases.
【０００４】上述したようなＤＢＣ法や活性金属法で作
製した窒化アルミニウム−銅系の回路基板は、窒化アル
ミニウム基板および銅板の熱伝導率がそれぞれ170W/m
K、320W/m Kと大きいことから、優れた熱特性を得るこ
とができる。また、銅板の熱膨張係数は17×10-6/Kと大
きいものの、窒化アルミニウム基板のヤング率が銅板の
それより大きいために、窒化アルミニウム基板に接合さ
れた状態では、窒化アルミニウム基板の熱膨張係数に拘
束され、回路基板全体としては窒化アルミニウム基板の
熱膨張係数に近い値となる。その結果、回路基板とSiチ
ップとの熱膨張係数が近似することになるため、大型の
パワーデバイスを半田材料等で接合搭載しても、比較的
良好な信頼性が得られるという利点がある。The aluminum nitride-copper circuit board manufactured by the DBC method or the active metal method as described above has a thermal conductivity of 170 W / m for the aluminum nitride board and the copper plate, respectively.
Since it is as large as K and 320 W / m K, excellent thermal characteristics can be obtained. Although the thermal expansion coefficient of the copper plate is as large as 17 × 10 -6 / K, the Young's modulus of the aluminum nitride substrate is larger than that of the copper plate, so the thermal expansion coefficient of the aluminum nitride substrate is large when it is bonded to the aluminum nitride substrate. Being restricted by the coefficient, the circuit board as a whole has a value close to the coefficient of thermal expansion of the aluminum nitride board. As a result, the thermal expansion coefficients of the circuit board and the Si chip are close to each other, so that there is an advantage that relatively good reliability can be obtained even when a large power device is bonded and mounted with a solder material or the like.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たＤＢＣ法や活性金属法は、接合に伴う熱処理が1073〜
1473K程度の高温プロセスであるため、窒化アルミニウ
ム基板と銅回路板との接合部に比較的大きな残留応力が
残りやすく、特に高信頼性が要求される用途においては
課題を残していた。すなわち、上述した残留応力は、熱
サイクルが印加された際に生じる熱応力と相乗して、窒
化アルミニウム基板にクラックを生じさせたり、あるい
は銅板剥離の発生原因等となる。また、窒化アルミニウ
ム基板にクラックが生じないまでも、窒化アルミニウム
基板の強度を低下させるという悪影響を及ぼす。However, in the above-mentioned DBC method and active metal method, the heat treatment associated with the bonding is 1073 to
Since it is a high temperature process of about 1473K, a relatively large residual stress is likely to remain at the joint between the aluminum nitride substrate and the copper circuit board, and there remains a problem particularly in applications where high reliability is required. That is, the above-mentioned residual stress synergizes with the thermal stress generated when a thermal cycle is applied, and causes a crack in the aluminum nitride substrate or causes the copper plate to peel. Further, even if the aluminum nitride substrate is not cracked, it has a bad effect of lowering the strength of the aluminum nitride substrate.
【０００６】さらに、上述したＤＢＣ法や活性金属法等
は、液相を利用して窒化アルミニウム基板と銅回路板と
を接合させる方法であり、条件によっては窒化アルミニ
ウム基板が液相に濡れにくいというような現象が起こる
ため、部分的に接合不良が発生しやすいという問題があ
った。この部分的な接合不良は、熱抵抗の増加等を招く
と共に、エッチング等で微細回路を形成した際に配線の
浮き等を生じさせる。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、熱サイクルの付加等に対し
て高い接合信頼性が得られると共に、部分的な接合不良
等の発生を防止し得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。Further, the above-mentioned DBC method, active metal method and the like are methods of joining an aluminum nitride substrate and a copper circuit board by utilizing a liquid phase, and depending on conditions, the aluminum nitride substrate is hard to be wet with the liquid phase. Since such a phenomenon occurs, there is a problem that defective bonding is likely to occur partially. This partial bonding failure causes an increase in thermal resistance and the like, and also causes wiring floating when a fine circuit is formed by etching or the like. The present invention has been made to address such problems, and a ceramic circuit board that can obtain high bonding reliability against the addition of heat cycles and can prevent the occurrence of partial bonding defects and the like. Is intended to provide.
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】本発明のセラミックス回
路基板は、窒化アルミニウム基板と、前記窒化アルミニ
ウム基板の主面上に形成された接合層と、前記接合層を
介して前記窒化アルミニウム基板の主面に固相接合され
たアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる回路板
とを具備することを特徴としている。A ceramic circuit board of the present invention is an aluminum nitride substrate, a bonding layer formed on the main surface of the aluminum nitride substrate, and a main layer of the aluminum nitride substrate with the bonding layer interposed therebetween. And a circuit board made of aluminum or an aluminum alloy solid-phase bonded to the surface.
【０００８】[0008]
【作用】本発明のセラミックス回路基板においては、ま
ず窒化アルミニウム基板上に接合層として例えば金属薄
膜を形成し、この金属薄膜を介してアルミニウムまたは
アルミニウム合金からなる回路板を固相接合している。
この際、固相接合を利用していることに加えて、アルミ
ニウムの融点は930Kと銅の融点より低いことから、接合
を 573〜920K程度の低温で実施することができる。さら
に、アルミニウムは銅より柔らかいことから、接合時の
熱処理に伴う残留応力の低減を図ることが可能となる。In the ceramic circuit board of the present invention, a metal thin film, for example, is first formed as a bonding layer on an aluminum nitride substrate, and a circuit board made of aluminum or an aluminum alloy is solid-phase bonded via the metal thin film.
At this time, in addition to utilizing solid phase bonding, the melting point of aluminum is 930 K, which is lower than the melting point of copper, so that bonding can be performed at a low temperature of about 573 to 920 K. Furthermore, since aluminum is softer than copper, it is possible to reduce the residual stress associated with the heat treatment during bonding.
【０００９】ここで、熱サイクルが付加された際に問題
となる応力は、接合等に伴う材料応力と熱サイクルが付
加された際に生じる熱応力とであり、上述したように接
合に伴う残留応力を低減することができるため、耐熱特
性が向上する。さらに、アルミニウムのヤング率は銅の
約 60%であるため、熱サイクルの付加により生じる熱応
力自体も小さくすることができる。これらによって、本
発明のセラミックス回路基板は、従来の銅板を用いた回
路基板より耐ＴＣＴ特性等の耐熱サイクル特性の向上を
図ることができ、接合部の信頼性を大幅に高めることが
可能となる。Here, the stress that becomes a problem when a heat cycle is applied is the material stress associated with joining and the like and the thermal stress that occurs when a heat cycle is applied. Since the stress can be reduced, the heat resistance characteristics are improved. Furthermore, since the Young's modulus of aluminum is about 60% that of copper, the thermal stress itself caused by the addition of thermal cycles can be reduced. As a result, the ceramic circuit board of the present invention can be improved in thermal cycle resistance such as TCT resistance and the like, compared with the conventional circuit board using a copper plate, and the reliability of the joint can be significantly improved. .
【００１０】また、本発明のセラミックス回路基板は、
液相を利用しない固相接合であるため、製造プロセスの
ばらつき等が少なく、部分的な接合不良の発生を抑制す
ることができ、より完全性の高い接合部を得ることがで
きる。The ceramic circuit board of the present invention is
Since the solid phase joining does not use the liquid phase, there are few variations in the manufacturing process, the occurrence of partial joining defects can be suppressed, and a joined portion with higher integrity can be obtained.
【００１１】[0011]
【実施例】次に、本発明の実施例について説明する。EXAMPLES Next, examples of the present invention will be described.
【００１２】図１は、本発明の一実施例によるセラミッ
クス回路基板の構造を示す断面図である。同図におい
て、１は窒化アルミニウム基板であり、この窒化アルミ
ニウム基板１は窒化アルミニウムを主成分とし、これに
酸化イットリウムや酸化アルミニウム等の焼結助剤を添
加、混合したセラミックス粉末を成形、焼結してなるも
のである。FIG. 1 is a sectional view showing the structure of a ceramics circuit board according to an embodiment of the present invention. In the figure, reference numeral 1 denotes an aluminum nitride substrate. The aluminum nitride substrate 1 has aluminum nitride as a main component, and a sintering aid such as yttrium oxide or aluminum oxide is added to the aluminum nitride substrate to form a ceramic powder, which is then sintered. It will be done.
【００１３】上述した窒化アルミニウム基板１の両面に
は、それぞれ接合層として金属薄膜２、３が形成されて
いる。これら金属薄膜２、３は、窒化アルミニウム基板
１と後述するアルミニウムやアルミニウム合金からなる
回路板との接合中間層となるものであるため、窒化アル
ミニウム基板１との接合強度が大きく、かつアルミニウ
ムと固相拡散しやすい金属材料で形成することが好まし
く、具体的にはAl、Ni、 Ni-Cr、Ti、Cu等から選ばれる
少なくとも 1種が例示される。Metal thin films 2 and 3 are formed as bonding layers on both surfaces of the aluminum nitride substrate 1 described above. Since these metal thin films 2 and 3 serve as a bonding intermediate layer between the aluminum nitride substrate 1 and a circuit board made of aluminum or an aluminum alloy, which will be described later, the bonding strength with the aluminum nitride substrate 1 is high and the metal thin film is solid. It is preferably formed of a metal material that easily causes phase diffusion, and specific examples thereof include at least one selected from Al, Ni, Ni-Cr, Ti, Cu and the like.
【００１４】また、上記金属薄膜２、３の膜厚は、 0.1
〜10μm 程度とすることが好ましい。金属薄膜２、３の
膜厚が 0.1μm 未満であると、窒化アルミニウム基板１
と後述するアルミニウムやアルミニウム合金からなる回
路板との接合が不十分となるおそれがあり、一方10μm
を超えると金属薄膜２、３自体の接合不良等を招くおそ
れがある。The thickness of the metal thin films 2 and 3 is 0.1
It is preferably about 10 μm. If the thickness of the metal thin films 2 and 3 is less than 0.1 μm, the aluminum nitride substrate 1
And the circuit board made of aluminum or aluminum alloy, which will be described later, may be insufficiently bonded.
If it exceeds the range, there is a possibility that the bonding failure of the metal thin films 2 and 3 itself may be caused.
【００１５】上記したような金属薄膜２、３は、蒸着
法、スパッタ法、無電界メッキ法等の各種薄膜形成法に
より形成される。また、このような薄膜形成法で金属薄
膜２、３を形成することから、窒化アルミニウム基板の
表面は予め平滑化しておくことが好ましく、具体的には
表面粗さＲa を 0.4μm 以下としておくことが好まし
く、望ましくは 0.1μm 以下である。窒化アルミニウム
基板１の表面粗さＲa が0.4μm を超えると、金属薄膜
２、３の接合不良、さらにはその後のアルミニウムやア
ルミニウム合金からなる回路板の接合時に部分的な接合
不良等を招くおそれがある。The metal thin films 2 and 3 as described above are formed by various thin film forming methods such as a vapor deposition method, a sputtering method and an electroless plating method. Further, since the metal thin films 2 and 3 are formed by such a thin film forming method, it is preferable to smooth the surface of the aluminum nitride substrate in advance. Specifically, the surface roughness Ra is 0.4 μm or less. The thickness is preferably 0.1 μm or less. If the surface roughness R a of the aluminum nitride substrate 1 exceeds 0.4 μm, the metal thin films 2 and 3 may be defectively bonded, and further, a partial bonding defect may be caused when the circuit board made of aluminum or aluminum alloy is subsequently bonded. There is.
【００１６】上述した金属薄膜２、３上には、これらと
固相拡散接合されたアルミニウムやアルミニウム合金か
らなる回路板４、５（以下、アルミニウム回路板と記
す）がそれぞれ配置されており、これらによってセラミ
ックス回路基板６が構成されている。アルミニウム回路
板４、５は、銅に比べて融点が低く、かつヤング率が低
く柔らかいアルミニウム、またはアルミニウムを主成分
とする合金からなるものであり、その厚さは使用用途等
に応じて適宜設定されるものであるが、0.05〜 1mm程度
とすることが好ましい。アルミニウム回路板４、５の厚
さが0.05mm以下であると流せる電流の値が小さくなり、
また 1mmを超えると接合の信頼性が損われるおそれがあ
る。On the above-mentioned metal thin films 2 and 3, there are arranged circuit boards 4 and 5 (hereinafter referred to as aluminum circuit boards) made of aluminum or aluminum alloy, which are solid-phase diffusion bonded thereto, respectively. The ceramic circuit board 6 is constituted by. The aluminum circuit boards 4 and 5 are made of soft aluminum having a lower melting point and a lower Young's modulus than copper or an alloy containing aluminum as a main component, and the thickness thereof is appropriately set according to the intended use. However, it is preferably about 0.05 to 1 mm. When the thickness of the aluminum circuit boards 4 and 5 is 0.05 mm or less, the value of the current that can be passed becomes small,
If it exceeds 1 mm, the reliability of bonding may be impaired.
【００１７】上記アルミニウム回路板４、５のうち、一
方のアルミニウム回路板４はパワーデバイス等の半導体
部品が搭載される実装部となるものであり、所望の回路
形状にパターニングされている。また、他方のアルミニ
ウム回路板５は、接合時における窒化アルミニウム基板
１の反り等を防止するものであり、窒化アルミニウム基
板１の裏面全面に形成されている。なお、裏面側のアル
ミニウム回路板５は、必要に応じて形成するものであ
り、条件によっては省くことができる。Of the aluminum circuit boards 4 and 5, one aluminum circuit board 4 serves as a mounting portion on which a semiconductor component such as a power device is mounted and is patterned into a desired circuit shape. The other aluminum circuit board 5 is for preventing warpage of the aluminum nitride substrate 1 during bonding, and is formed on the entire back surface of the aluminum nitride substrate 1. The aluminum circuit board 5 on the back side is formed as necessary and can be omitted depending on the conditions.
【００１８】また、アルミニウム回路板４、５の表面に
は、Niや Ni-Cu等のメッキ層７が形成されている。この
ようなメッキ層７を形成することによって、パワーデバ
イス等の半導体部品（Siチップ）をアルミニウム回路板
４上に接合搭載することが可能となる。A plating layer 7 of Ni, Ni-Cu or the like is formed on the surfaces of the aluminum circuit boards 4 and 5. By forming such a plated layer 7, it becomes possible to jointly mount a semiconductor component (Si chip) such as a power device on the aluminum circuit board 4.
【００１９】上述したような構成を有するセラミックス
回路基板６は、例えば以下のようにして製造される。セ
ラミックス回路基板６の製造工程について、図２を参照
して説明する。The ceramic circuit board 6 having the above-mentioned structure is manufactured, for example, as follows. The manufacturing process of the ceramic circuit board 6 will be described with reference to FIG.
【００２０】すなわち、まず窒化アルミニウム基板１の
両面に、図２（ａ）に示すように、Al、Ni、 Ni-Cr、T
i、Cu等から金属薄膜２、３を蒸着法、スパッタ法、無
電界メッキ法等の各種薄膜形成法で形成する。この際、
半導体部品等の実装部側の金属薄膜２は、レジスト等を
用いて予め回路形状にパターンニングしておく。That is, first, on both sides of the aluminum nitride substrate 1, as shown in FIG. 2 (a), Al, Ni, Ni-Cr, T
Metal thin films 2 and 3 are formed from i, Cu or the like by various thin film forming methods such as vapor deposition, sputtering and electroless plating. On this occasion,
The metal thin film 2 on the mounting portion side of a semiconductor component or the like is previously patterned into a circuit shape by using a resist or the like.
【００２１】次に、所望形状に加工したアルミニウム回
路板４、５となるアルミニウム板やアルミニウム合金板
を、図２（ｂ）に示すように、上記金属薄膜２、３上に
配置する。半導体部品等の実装部側のアルミニウム回路
板４としては、所望の回路形状にパターンニングしたも
のを用いる。この後、アルミニウムの融点(930K)または
アルミニウム合金の融点以下で、アルミニウム板または
アルミニウム合金板と金属薄膜２、３とが十分に固相拡
散反応を起し得る温度以上で熱処理して、アルミニウム
回路板４、５を窒化アルミニウム基板１に固相接合す
る。Next, as shown in FIG. 2B, an aluminum plate or an aluminum alloy plate, which will be the aluminum circuit plates 4 and 5 processed into a desired shape, is placed on the metal thin films 2 and 3. As the aluminum circuit board 4 on the mounting portion side of the semiconductor component or the like, one patterned into a desired circuit shape is used. After that, heat treatment is performed at a melting point of aluminum (930 K) or a melting point of the aluminum alloy or lower and at a temperature at which the aluminum plate or the aluminum alloy plate and the metal thin films 2 and 3 can sufficiently cause a solid phase diffusion reaction, and then an aluminum circuit is formed. The plates 4 and 5 are solid-state bonded to the aluminum nitride substrate 1.
【００２２】上記固相接合に要する熱処理温度は、具体
的には 573〜920K程度とすることが好ましい。熱処理温
度が573K未満であると、アルミニウム板またはアルミニ
ウム合金板と金属薄膜２、３とを十分に固相拡散反応さ
せることができないおそれがあり、一方920Kを超えると
アルミニウム板またはアルミニウム合金板と金属薄膜
２、３との固相拡散反応は良好であるものの、熱処理後
の残留応力が増大して接合部の信頼性を低下させるおそ
れがある。The heat treatment temperature required for the above solid phase bonding is preferably about 573 to 920K. If the heat treatment temperature is lower than 573K, the aluminum plate or the aluminum alloy plate and the metal thin films 2 and 3 may not be able to sufficiently perform solid phase diffusion reaction, while if it exceeds 920K, the aluminum plate or the aluminum alloy plate and the metal may be insufficient. Although the solid-phase diffusion reaction with the thin films 2 and 3 is good, the residual stress after the heat treatment may increase and the reliability of the joint may decrease.
【００２３】また、上記熱処理の際の雰囲気は、真空ま
たは不活性ガス雰囲気とすることが好ましい。さらに、
熱処理時間は熱処理温度にもよるが、0.05〜 2時間程度
とすることが好ましい。上述した熱処理に際しては、重
し等を利用してアルミニウム回路板４、５を加圧するこ
とが好ましく、この際の加圧力は 0.1〜10kPa の範囲と
することが好ましい。加圧力が0.1kPa未満であると、ア
ルミニウム板またはアルミニウム合金板と金属薄膜２、
３との固相拡散反応を十分に補助できないおそれがあ
り、一方10kPa を超えるとアルミニウム板またはアルミ
ニウム合金板の変形等を招くおそれがある。The atmosphere during the heat treatment is preferably a vacuum or an inert gas atmosphere. further,
Although the heat treatment time depends on the heat treatment temperature, it is preferably about 0.05 to 2 hours. At the time of the heat treatment described above, it is preferable to press the aluminum circuit boards 4 and 5 using a weight or the like, and the pressing force at this time is preferably in the range of 0.1 to 10 kPa. If the applied pressure is less than 0.1 kPa, the aluminum plate or aluminum alloy plate and the metal thin film 2,
The solid-phase diffusion reaction with 3 may not be sufficiently assisted, while if it exceeds 10 kPa, the aluminum plate or the aluminum alloy plate may be deformed.
【００２４】なお、上述した製造工程においては、金属
薄膜２およびアルミニウム回路板４を予めパターニング
した状態で形成もしくは配置する例について説明した
が、アルミニウム板またはアルミニウム合金板を接合し
た後にエッチング等でパターニングすることによって、
アルミニウム回路板４を形成することも可能である。In the manufacturing process described above, an example in which the metal thin film 2 and the aluminum circuit board 4 are formed or arranged in a pre-patterned state has been described. However, after the aluminum plate or the aluminum alloy plate is joined, patterning is performed by etching or the like. By,
It is also possible to form the aluminum circuit board 4.
【００２５】そして、アルミニウム回路板４、５の表面
に、Niや Ni-Cu等のメッキ層７を形成して、パワーデバ
イス等のSiチップの接合搭載を可能にする。Then, a plating layer 7 of Ni, Ni-Cu or the like is formed on the surfaces of the aluminum circuit boards 4 and 5 to enable the bonding and mounting of Si chips such as power devices.
【００２６】上述したような構成のセラミックス回路基
板６においては、接合を 573〜920K程度の低温で行うこ
とができ、さらにアルミニウムは銅より柔らかいため、
接合時の熱処理に伴う残留応力の低減を図ることができ
る。またさらに、アルミニウムはヤング率が銅の約 60%
であるため、例えば熱サイクル試験（ＴＣＴ）を実施し
た際に生じる熱応力を小さくすることができる。これら
によって、従来の銅板を用いた回路基板より耐ＴＣＴ特
性の向上を図ることができる。具体的には、窒化アルミ
ニウム基板１のクラック発生や強度低下等を有効に防止
することができる。従って、接合部の信頼性を大幅に高
めることが可能となる。また、液相を利用しない固相拡
散接合であるため、製造プロセスのばらつき等による濡
れ不良等を生じることがなく、よって部分的な接合不良
の発生を抑制することができ、より完全性の高い接合部
を得ることができる。In the ceramic circuit board 6 having the above-mentioned structure, the bonding can be performed at a low temperature of about 573 to 920K, and since aluminum is softer than copper,
It is possible to reduce the residual stress due to the heat treatment at the time of joining. Furthermore, the Young's modulus of aluminum is about 60% that of copper.
Therefore, it is possible to reduce the thermal stress generated when a thermal cycle test (TCT) is performed, for example. As a result, the TCT resistance can be improved as compared with the conventional circuit board using the copper plate. Specifically, it is possible to effectively prevent the occurrence of cracks in the aluminum nitride substrate 1 and the reduction in strength. Therefore, it is possible to significantly improve the reliability of the joint portion. In addition, since the solid phase diffusion bonding does not use the liquid phase, wetting defects and the like due to variations in the manufacturing process do not occur, and therefore partial bonding defects can be suppressed and higher integrity is achieved. A joint can be obtained.
【００２７】次に、上記実施例の具体例およびその評価
結果について述べる。Next, a concrete example of the above-mentioned embodiment and its evaluation result will be described.
【００２８】実施例１〜７ まず、表面粗さＲa が0.06μm の窒化アルミニウム基板
（50×20×0.08mm）と、幅 5mm×厚さ 0.3mmのアルミニ
ウム板（箔）とを用意した。上記窒化アルミニウム基板
の両面に、表１に材料、厚さ、形成法等の条件を示す金
属薄膜をそれぞれ形成した。この後、それら金属薄膜上
に上記アルミニウム板を配置し、その上に250gの重しを
載せた状態で、表１に示す条件で N2 ガス中にて熱処理
を施し、窒化アルミニウム基板とアルミニウム板とを接
合することによって、セラミックス回路基板をそれぞれ
作製した。Examples 1 to 7 First, an aluminum nitride substrate (50 × 20 × 0.08 mm) having a surface roughness Ra of 0.06 μm and an aluminum plate (foil) having a width of 5 mm and a thickness of 0.3 mm were prepared. On both surfaces of the aluminum nitride substrate, metal thin films whose conditions such as material, thickness, and forming method shown in Table 1 are formed are formed. After that, the aluminum plate is placed on these metal thin films, and a weight of 250 g is placed on the thin metal film, and heat treatment is performed in N 2 gas under the conditions shown in Table 1 to obtain the aluminum nitride substrate and the aluminum plate. By joining and, ceramic circuit boards were produced.
【００２９】また、本発明との比較例として、ＤＢＣ法
により銅板を窒化アルミニウム基板に接合したセラミッ
クス回路基板を作製した。As a comparative example with the present invention, a ceramics circuit board in which a copper plate was joined to an aluminum nitride substrate by the DBC method was prepared.
【００３０】このようにして得た各実施例および比較例
によるセラミックス回路基板の特性を以下のようにして
測定した。すなわち、まずアルミニウム板または銅板の
接合強度を、インストロン社製強度試験装置で垂直方向
に引張って剥離強度を測定することにより評価した。剥
離強度測定の際のクロスヘッドスピードは 5mm/minとし
た。また、耐熱サイクル信頼性を評価するために、各セ
ラミックス回路基板を208Kで30分間保持した後に398Kで
30分間保持することを 200サイクル繰り返し行い、その
後のアルミニウム板または銅板周辺における窒化アルミ
ニウム基板の亀裂の有無を観察した。さらに、アルミニ
ウム板または銅板のふくれ数を測定した。これらの結果
を表１に併せて示す。The characteristics of the ceramic circuit boards according to the examples and comparative examples thus obtained were measured as follows. That is, first, the bonding strength of an aluminum plate or a copper plate was evaluated by pulling in a vertical direction with a strength tester manufactured by Instron Co. to measure peel strength. The crosshead speed when measuring the peel strength was set to 5 mm / min. In addition, in order to evaluate the thermal cycle reliability, hold each ceramic circuit board at 208K for 30 minutes and then at 398K.
Holding for 30 minutes was repeated 200 cycles, and then the presence or absence of cracks in the aluminum nitride substrate around the aluminum plate or the copper plate was observed. Furthermore, the number of blisters on the aluminum plate or the copper plate was measured. The results are also shown in Table 1.
【００３１】[0031]
【表１】 表１から明らかなように、各実施例によるセラミックス
回路基板は、いずれも良好な接合強度を有している上
に、優れた耐ＴＣＴ特性と接合性が得られていることが
分かる。従って、比較的高電力を扱うパワーデバイスの
搭載用基板等として、高信頼性を有するセラミックス回
路基板を提供することが可能となる。[Table 1] As is clear from Table 1, it is understood that the ceramic circuit boards according to the respective examples all have good bonding strength and, at the same time, excellent TCT resistance and bondability are obtained. Therefore, it is possible to provide a highly reliable ceramic circuit board as a mounting board for a power device that handles relatively high power.
【００３２】[0032]
【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、冷熱サイクルの付加等に対して
高い接合信頼性が得られると共に、部分的な接合不良等
の発生を防止した完全性の高い接合部を得ることができ
る。従って、パワーデバイスの搭載用基板等として好適
な信頼性に優れたセラミックス回路基板を提供すること
が可能となる。As described above, according to the ceramics circuit board of the present invention, it is possible to obtain high joining reliability against the addition of a cooling / heating cycle, and to prevent the occurrence of partial joining defects. It is possible to obtain a highly bonded joint. Therefore, it is possible to provide a highly reliable ceramic circuit board suitable as a board for mounting a power device.
【図１】 本発明の一実施例によるセラミックス回路基
板の構造を示す断面図である。FIG. 1 is a sectional view showing a structure of a ceramics circuit board according to an embodiment of the present invention.
【図２】 図１に示すセラミックス回路基板の製造工程
の要部を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a main part of a manufacturing process of the ceramics circuit board shown in FIG.
１……窒化アルミニウム基板 ２、３……金属薄膜 ４、５……アルミニウム回路板 ６……セラミックス回路基板 ７……メッキ層 1 ... Aluminum nitride substrate 2, 3 ... Metal thin film 4, 5 ... Aluminum circuit board 6 ... Ceramic circuit board 7 ... Plating layer
Claims (3)
ミニウム基板の主面上に形成された接合層と、前記接合
層を介して前記窒化アルミニウム基板の主面に固相接合
されたアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる回
路板とを具備することを特徴とするセラミックス回路基
板。1. An aluminum nitride substrate, a bonding layer formed on a main surface of the aluminum nitride substrate, and aluminum or an aluminum alloy solid-phase bonded to the main surface of the aluminum nitride substrate via the bonding layer. A ceramic circuit board comprising:
おいて、 前記接合層は、Al、Ni、 Ni-Cr、TiおよびCuから選ばれ
る少なくとも 1種からなる金属薄膜であることを特徴と
するセラミックス回路基板。2. The ceramic circuit board according to claim 1, wherein the bonding layer is a metal thin film made of at least one selected from Al, Ni, Ni—Cr, Ti and Cu. substrate.
おいて、 前記回路板の表面には、Niまたは Ni-Cuメッキが施され
ていることを特徴とするセラミックス回路基板。3. The ceramic circuit board according to claim 1, wherein the surface of the circuit board is plated with Ni or Ni—Cu.
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| JP5863895A JPH08255973A (en) | 1995-03-17 | 1995-03-17 | Ceramic circuit board |
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|---|---|---|---|
| JP5863895A JPH08255973A (en) | 1995-03-17 | 1995-03-17 | Ceramic circuit board |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08255973A true JPH08255973A (en) | 1996-10-01 |
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ID=13090133
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