JPH11340598A

JPH11340598A - セラミックス回路基板

Info

Publication number: JPH11340598A
Application number: JP14178098A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Naba; 隆之那波
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-05-22
Filing date: 1998-05-22
Publication date: 1999-12-10
Anticipated expiration: 2018-05-22
Also published as: JP3847954B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高い接合強度および優れた耐熱サイクル特性に
加えて、高い曲げ強度（抗折強度）およびたわみ特性を
有し、大きな曲げ荷重が作用した場合においても割れや
破壊を招くことなく、大きくたわむことが可能なセラミ
ックス回路基板を提供する。【解決手段】セラミックス基板２の少なくとも一方の主
面にろう材層５を介して金属板３，４を接合し、金属板
３をエッチング処理することにより所定の金属回路パタ
ーンを形成したセラミックス回路基板１において、上記
ろう材層５が金属回路パターンの側面よりも外方に張り
出すように形成されていることを特徴とするセラミック
ス回路基板１である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はセラミックス回路基
板に係り、特に曲げ強度およびたわみ特性を改善し、取
付時および使用時における割れの発生を効果的に防止で
きるセラミックス回路基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、パワートランジスタモジュール用
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
たセラミックス回路基板が広く使用されている。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や窒化け
い素基板等が一般的に使用されている。

【０００３】上述したような銅板で回路を構成したセラ
ミックス回路基板１１は、例えば図５〜図７に示すよう
にセラミックス基板１２の一方の表面に金属回路板１３
としての銅板を接合する一方、他方の表面に裏金属板１
４としての銅板を接合して形成される。上記セラミック
ス基板１２表面に各種金属板を一体に形成する手法とし
ては、下記のような直接接合法，高融点金属メタライズ
法，活性金属法などが使用されている。

【０００４】すなわち、直接接合法は、例えばセラミッ
クス基板１２上に銅板を、Ｃｕ−Ｃｕ₂Ｏ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 Bonding Copper 法）であり、高融点金属
メタライズ法はＭｏやＷなどの高融点金属をセラミック
ス基板表面に焼き付けて形成する方法である。また、活
性金属法は、４Ａ族元素や５Ａ族元素のような活性金属
を含むろう材層１５を介してセラミックス基板１２上に
金属板を一体に接合する方法である。一般的には、高強
度・高封着性等が得られる観点から、ＣｕとＡｇとの共
晶組成（７２重量％Ａｇ−２８重量％Ｃｕ）を有する共
晶ろう材にＴｉ等の活性金属を添加したろう材ペースト
をセラミックス基板と金属部材との間に介在させ、適当
な温度で熱処理して接合する活性金属法が広く使用され
ている。

【０００５】セラミックス基板と金属部材との具体的な
接合構造としては、例えば特開平５−３４７４６９号公
報に開示され図８に示すように、ろう材層１５ａが金属
回路板１３の側面１３ａの一部を覆うように設けた構造
がある。このような接合構造により、接合強度の向上を
図ることができ、よって冷熱サイクルに対して高い信頼
性を得ることが可能であるとされている。

【０００６】また、他の接合構造として、例えば特開平
６−２６３５５４号公報に開示され、図９に示すよう
に、金属回路板１３とセラミックス基板１２との接合面
１７の面積Ａを表面１６側の面積Ｂより小さくし、かつ
活性金属を含むろう材層１５ｂの面積Ｃを金属回路板１
３の接合面１７の面積Ａより大きくした構造もある。こ
の接合構造によれば、金属回路板の接合面側はろう材層
に固定されているが、表面側は特に制約がないため、線
膨張係数差に応じて膨張した状態となる。したがって、
残留応力を低減でき、耐熱サイクル特性の向上が図れる
ものとされている。

【０００７】また、具体的な回路の形成方法としては、
予めプレス加工やエッチング加工によりパターニングし
た銅板を用いたり、接合後にエッチング等の手法により
金属部をパターニングする等の方法が知られている。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。

【０００８】近年、セラミックス回路基板を使用した半
導体装置の高出力化，半導体素子の高集積化が急速に進
行し、セラミックス回路基板に繰り返して作用する熱応
力や熱負荷も増加する傾向にあり、セラミックス回路基
板に対しても上記熱応力や熱サイクルに対して十分な接
合強度と耐久性が要求されている。特にセラミックス回
路基板に搭載する半導体素子の高集積化に対応してより
高精細な回路パターンを有するセラミックス回路基板が
必要とされている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図８お
よび図９に示すような接合構造を有するセラミックス回
路基板においては、エッチング処理を適用して回路パタ
ーンを形成することが不可能であり、プレス機等で打ち
抜いた比較的粗大な金属回路板要素を多数接合して形成
しているため、高精細な回路パターンを形成することは
不可能であった。また、図８に示す接合構造において
は、金属回路板の側面をも覆うように多量のろう材を使
用しているため、熱膨張係数差によってセラミックス基
板に作用する応力が大きくなり、割れが発生し易くなる
問題点があった。

【００１０】さらに、図９に示す接合構造においては、
金属回路板の接合面端部とろう材層端部との間にＶ字状
の切欠きが形成され、この部分に応力が集中し易いため
に、金属板路板の剥離が発生し易く、回路基板の耐久性
および信頼性が低くなる問題点があった。

【００１１】また、従来のセラミックス回路基板におい
ては、セラミックス基板の種類や金属板の接合方法を改
良することにより高い接合強度および高耐熱サイクル性
は得られていたが、曲げ強度が十分に得られず、セラミ
ックス回路基板を用いた半導体装置の信頼性や製品歩留
りが低くなるという問題点があった。

【００１２】すなわち、セラミックス回路基板に搭載す
る半導体素子の高集積化および高出力化に対応して熱サ
イクル負荷も大幅に上昇し、熱応力によって基板に割れ
が発生して回路基板の機能が喪失されてしまう問題点が
あった。また、セラミックス回路基板の曲げ強度が小さ
くたわみ量も少ないため、組立時にセラミックス回路基
板を実装ボードにねじで締着固定しようとすると、ねじ
の僅かな締着力によってセラミックス基板が破壊してし
まう場合があり、回路基板を使用した半導体装置の製品
歩留りが低下してしまう問題点もあった。さらに、使用
時に発生する熱応力によって割れが発生する場合も多く
半導体装置の信頼性が低下する難点もあった。

【００１３】本発明は上記問題点を解決するためになさ
れたものであり、高い接合強度および優れた耐熱サイク
ル特性に加えて、高い曲げ強度（抗折強度）およびたわ
み特性を有し、大きな曲げ荷重が作用した場合において
も割れや破壊を招くことなく、大きくたわむことが可能
なセラミックス回路基板を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本願発明者らは、特にエッチング処理によって高精
細な回路パターンを形成したセラミックス回路基板の取
付時および使用時に発生する割れを防止するための構造
を種々検討した。その結果、特にろう材層を金属回路パ
ターンの側面よりも外方に張り出すように形成したとき
に、セラミックス回路基板全体の曲げ強度およびたわみ
量を大きくすることができ、割れの発生が少ないセラミ
ックス回路基板が得られるという知見を得た。また、金
属回路パターンのセラミックス基板との接合面の面積が
金属回路パターンの表面側の面積より大きくなるよう
に、金属回路パターンの側面を傾斜させることにより、
金属回路パターンとセラミックス基板との接合端部にお
ける応力集中が効果的に防止でき、割れの発生をより防
止できるという知見を得た。

【００１５】本発明は上記知見に基づいて完成されたも
のである。すなわち、本発明に係るセラミックス回路基
板は、セラミックス基板の少なくとも一方の主面にろう
材層を介して金属板を接合し、金属板をエッチング処理
することにより所定の金属回路パターンを形成したセラ
ミックス回路基板において、上記ろう材層が金属回路パ
ターンの側面よりも外方に張り出すように形成されてい
ることを特徴とする。

【００１６】また、セラミックス回路基板の曲げ強度が
セラミックス基板自体のの曲げ強度より大きいことが望
ましい。さらに、金属回路パターンのセラミックス基板
との接合面の面積が金属回路パターンの表面側の面積よ
り大きくなるように、金属回路パターンの側面が傾斜し
ていることを特徴とする。また、金属回路パターンの側
面が滑かな曲面状に傾斜していることが好ましい。さら
に、ろう材層がＴｉ，Ｚｒ，ＨｆおよびＮｂから選択さ
れる少なくとも１種の活性金属を含有することが望まし
い。

【００１７】本発明に係るセラミックス回路基板に使用
されるセラミックス基板としては、特に限定されるもの
ではなく、酸化アルミニウム（アルミナ：Ａｌ₂Ｏ₃）
等の酸化物系セラミックス基板の他に、窒化アルミニウ
ム（ＡｌＮ），窒化けい素（Ｓｉ₃Ｎ₄），窒化チタン
（ＴｉＮ）等の窒化物、炭化けい素（ＳｉＣ），炭化チ
タン（ＴｉＣ）等の炭化物、またはほう化ランタン等の
ほう化物等の非酸化物系セラミックス基板でもよい。但
し、金属板を活性金属法でセラミックス基板に接合する
ため、窒化アルミニウム，窒化けい素のような非酸化物
系セラミックス基板が、特に好適である。これらのセラ
ミックス基板には酸化イットリウムなどの焼結助剤等が
含有されていてもよい。

【００１８】また金属回路板，裏金属板等の金属板を構
成する金属としては、銅，アルミニウム，鉄，ニッケ
ル，クロム，銀，モリブデン，コバルトの単体またはそ
の合金など、活性金属法を適用できる金属であれば特に
限定されないが、特に導電性および価格の観点から銅，
アルミニウムまたはその合金、特にコバール合金等が好
ましい。

【００１９】金属回路板等の厚さは、通電容量等を勘案
して決定されるが、セラミックス基板の厚さを０．２５
〜１．２mmの範囲とする一方、金属回路板等の厚さを
０．１〜０．５mmの範囲に設定して両者を組み合せると
熱膨張差による変形などの影響を受けにくくなる。

【００２０】本発明に係るセラミックス回路基板におい
て、活性金属法によって金属回路板等を接合する際に形
成されるろう材層は、Ｔｉ，Ｚｒ，ＨｆおよびＮｂから
選択される少なくとも１種の活性金属を含有し適切な組
成比を有するＡｇ−Ｃｕ系ろう材等で構成され、このろ
う材組成物を有機溶媒中に分散して調製した接合用組成
物ペーストをセラミックス基板表面にスクリーン印刷す
る等の方法で形成される。

【００２１】上記接合用組成物ペーストの具体例として
は、下記のようなものがある。すなわち重量％でＣｕを
１５〜３５％、Ｔｉ、Ｚｒ、ＨｆおよびＮｂから選択さ
れる少くとも１種の活性金属を１〜１０％、残部が実質
的にＡｇから成る組成物を有機溶媒中に分散して調製し
た接合用組成物ペーストを使用するとよい。

【００２２】上記活性金属はセラミックス基板に対する
ろう材の濡れ性を改善するための成分であり、特に窒化
アルミニウム（ＡｌＮ）基板に対して有効である。上記
の活性金属の配合量は、接合用組成物全体に対して１〜
１０重量％が適量である。

【００２３】また本発明に係るセラミックス回路基板に
おいては、ろう材層が金属回路パターンの側面よりも外
方に張り出すように形成される。このろう材層の張り出
し量は、隣接する金属回路パターン間の絶縁性に支障が
ない程度であればよいが、通常０．２〜０．５mmの範囲
とされる。このように、セラミックス基板と金属回路パ
ターンとを接合するろう材層を、金属回路パターンの側
面より外方に張り出すように形成することにより、セラ
ミックス基板と金属回路パターンとの接合端部に作用す
る集中応力を低減することができ、セラミックス回路基
板の曲げ応力およびたわみ性を向上させることが可能と
なる。

【００２４】また、上記接合構造である場合にはエッチ
ング処理が適用可能であり、図８および図９に示す接合
構造を有する従来のセラミックス基板と比較して、高精
細な回路パターンを形成することが可能であり、高集積
化が進む半導体素子を搭載する上で極めて有効である。

【００２５】さらに、上記接合構造によれば、セラミッ
クス基板の種類や回路パターンの形状によっては、セラ
ミックス回路基板全体の曲げ強度をセラミックス基板自
体の曲げ強度よりも大きくすることも可能である。

【００２６】また、金属回路パターンのセラミックス基
板との接合面の面積が金属回路パターンの表面側の面積
より大きくなるように、金属回路パターンの側面を傾斜
させることにより、金属回路パターンとセラミックス基
板との接合端部における応力集中が効果的に防止でき、
割れの発生をより確実に防止できる。特に金属回路パタ
ーンの側面を滑かな曲面状に傾斜するように形成するこ
とにより、接合端部に作用する集中応力をさらに緩和す
ることができる。

【００２７】本発明に係るセラミックス回路基板は、例
えば以下のような手順で製造される。すなわち、まずセ
ラミックス基板と金属回路板とを用意し、前記のような
活性金属を含有する接合用組成物ペースト（ろう材ペー
スト）をセラミックス基板の表面に塗布する。この際、
ろう材ペーストは接合しようとする金属回路板や裏金属
板などの金属板の面積より若干大面積となるように塗布
する。また、ろう材ペーストの塗布厚さは、金属板の厚
さにより異なるが、例えば２０〜５０μｍ程度とするこ
とが望ましい。

【００２８】次にろう材ペーストの塗布層上に金属回路
板等を押し付けた状態で乾燥させた後に、真空中や窒素
雰囲気のような不活性雰囲気中にて、用いたろう材の接
合温度で熱処理し、セラミックス基板と金属板とを一体
に接合する。しかる後に、接合体をエッチング処理して
所定の金属回路パターンを有するセラミックス回路基板
が製造される。

【００２９】上記構成に係るセラミックス回路基板によ
れば、セラミックス基板と金属回路パターンとを接合す
るろう材層を、金属回路パターンの側面より外方に張り
出すように形成することにより、セラミックス基板と金
属回路パターンとの接合端部に作用する集中応力を低減
することができ、セラミックス回路基板の曲げ応力およ
びたわみ性を向上させることが可能となる。そして、こ
のセラミックス回路基板を使用することにより、割れの
発生が少なく耐久性および信頼性に優れた半導体装置を
高い製造歩留りで量産することが可能になる。

【００３０】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施形態について添
付図面を参照して以下の実施例に基づいて、より具体的
に説明する。

【００３１】セラミックス基板として、図１〜図３に示
す寸法を有し、３点曲げ強度が６００ＭＰａ，たわみ量
が１．６０mmである窒化けい素（Ｓｉ₃Ｎ₄）基板と、
３点曲げ強度が３００ＭＰａ，たわみ量が０．５０mmで
ある窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板とを多数用意し
た。

【００３２】一方、金属板として図１〜図３に示す形状
および厚さを有し、Ｃｕ（タフピッチ電解銅），Ｎｉ，
コバール合金（２８％Ｎｉ−１８Ｃｏ−Ｆｅ）の各金属
材から成る金属板路板（厚さ０．３mm）および裏金属板
（厚さ０．２５mm）をそれぞれ調製した。

【００３３】一方、重量比でＴｉ粉末を３％、Ａｇ粉末
を２７％、Ｃｕ粉末を７０％含有する粉末混合体１００
重量部に対して、溶媒としてのテレピネオールにバイン
ダーとしてのエチルセルロースを溶解したバインダー溶
液を２０重量部添加して、擂回機で混合後、三段ロール
で混練してペースト状の接合用組成物を調製した。

【００３４】実施例１〜５表１に示すように窒化けい素（Ｓｉ₃Ｎ₄）基板（実施
例１〜４）および窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板（実
施例５）の両面に前記ペースト状接合用組成物を印刷し
た。この際、接合用組成物ペーストは、最終的に形成さ
れるべき金属回路パターン間の絶縁性に支障がない程度
に、具体的には、金属回路パターンの側面からの張り出
し量が表１に示す値となるように、金属回路パターンの
面積より広く印刷した。

【００３５】次に、各セラミックス基板に、上記ペース
トを介してそれぞれ金属回路板および裏金属板を接触配
置して３層構造の積層体とし、この各積層体を加熱炉内
に配置し、炉内を１．３×１０^-8ＭＰａの真空度に調整
した後に、温度８５０℃にて１５分間加熱して図１〜図
４に示すように、各セラミックス基板２にろう材層５を
介して金属回路板３および裏金属板４を一体に接合し
て、多数の接合体を得た。そして各接合体についてエッ
チング処理を実施して所定の金属回路パターン６を有す
る実施例１〜５に係るセラミックス回路基板１とした。

【００３６】このように調製した各実施例に係るセラミ
ックス回路基板１においては、図１〜図４に示すよう
に、最終的にパターニングされた金属板３（金属回路パ
ターン６）の側面からろう材層５が所定の張り出し量Ｄ
をもって外方に張り出すように形成されている。また、
各金属回路パターン６の側面は、図４に示すように、エ
ッチング処理によって滑かな曲面状の傾斜面７として形
成されている。

【００３７】比較例１〜３一方、実施例１，実施例３および実施例５において、ろ
う材ペーストの金属板側面からの張り出し量をゼロとし
て、ろう材層の面積と金属板の面積とを一致させた点以
外は、それぞれ実施例１，３，５と同一条件でろう材ペ
ーストの印刷塗布，加熱接合処理およびエッチング処理
を実施することにより、それぞれ対応する比較例１〜３
に係るセラミックス回路基板をそれぞれ調製した。

【００３８】このように調製した各比較例に係るセラミ
ックス回路基板１１においては、図５〜図７に示すよう
に、ろう材層１５の側面は金属回路板１３および裏金属
板１４の側面と面一に形成されている。

【００３９】上記のように調製した各実施例および比較
例に係るセラミックス回路基板について、その両端部を
２点で支持する一方、中央部の１点に荷重を付加して３
点曲げ強度を測定するとともにセラミックス基板の両縁
部を含む平面に対する最大たわみ量を測定して下記表１
に示す結果を得た。

【００４０】

【表１】

【００４１】上記表１に示す結果から明らかなように、
ろう材層を金属回路パターンの側面より外方に所定の張
り出し量で張り出すように形成した各実施例に係るセラ
ミックス回路基板においては、セラミックス基板と金属
回路パターンとの接合端部に作用する集中応力を低減す
ることができるため、セラミックス基板の母材強度と同
等以上、または若干低下した程度の高い曲げ強度を有し
ており、特に最大たわみ量が、従来構造のものと比較し
て大幅に増加しており、割れの発生量が極めて低くなる
効果が得られている。特に、実施例１および実施例５の
セラミックス回路基板の曲げ応力は、セラミックス基板
自体の曲げ応力より高い値が得られている。

【００４２】一方、ろう材層の張り出し量をゼロにした
従来の接合構造を有する比較例１〜３に係るセラミック
ス回路基板では、曲げ強度およびたわみ量がいずれもセ
ラミックス基板の母材よりもかなり劣化することが再確
認できた。

【００４３】図１〜図２に示すように隣接する金属回路
パターン間の空隙がセラミックス基板の中央部に存在す
るような、上記実施例および比較例のセラミックス回路
基板においては、セラミックス基板と各金属回路パター
ンとの接合端部に集中する応力によって、回路基板全体
としての曲げ強度はセラミックス基板自体の曲げ強度よ
り低下する傾向がある。しかしながら、本実施例のよう
にろう材層の面積を金属回路パターンの面積より広くす
ることにより、上記の応力集中を低減することができ、
回路基板の曲げ強度を向上させることができるのであ
る。

【００４４】また各実施例および比較例に係るセラミッ
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−４０℃で３０分間保持し、次に室温（Ｒ
Ｔ：２５℃）で１０分間保持し、さらに１２５℃で３０
分間保持し、さらに室温で１０分間保持するという加熱
−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。その結果、各実
施例の回路基板では３００サイクル経過後においてもク
ラック，割れ，剥離の発生割合は得られず、十分な冷熱
サイクル特性が得られることが確認できた。一方、比較
例においては１１〜２５％と高い割合でファインクラッ
クが発生していた。

【００４５】

【発明の効果】以上説明の通り、本発明に係るセラミッ
クス回路基板によれば、セラミックス基板と金属回路パ
ターンとを接合するろう材層を、金属回路パターンの側
面より外方に張り出すように形成することにより、セラ
ミックス基板と金属回路パターンとの接合端部に作用す
る集中応力を低減することができ、セラミックス回路基
板の曲げ応力およびたわみ性を向上させることが可能と
なる。そして、このセラミックス回路基板を使用するこ
とにより、割れの発生が少なく耐久性および信頼性に優
れた半導体装置を高い製造歩留りで量産することが可能
になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るセラミックス回路基板の一実施例
を示す平面図。

【図２】図１に示すセラミックス回路基板の断面図。

【図３】図１に示すセラミックス回路基板の底面図。

【図４】図２におけるIV部の部分拡大断面図。

【図５】従来のセラミックス回路基板の構成例を示す平
面図。

【図６】図５に示す従来のセラミックス回路基板の断面
図。

【図７】図５に示す従来のセラミックス回路基板の底面
図。

【図８】図６におけるVIII部の部分拡大断面図。

【図９】図６におけるIX部の部分拡大断面図。

【符号の説明】

１，１１セラミックス回路基板２，１２セラミックス基板３，１３金属回路板（銅回路板）１３ａ側面４，１４裏金属板（裏銅板）５，１５，１５ａ，１５ｂろう材層６金属回路パターン７曲面状傾斜面１６表面１７接合面Ｄろう材層の張出し量

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミックス基板の少なくとも一方の主
面にろう材層を介して金属板を接合し、金属板をエッチ
ング処理することにより所定の金属回路パターンを形成
したセラミックス回路基板において、上記ろう材層が金
属回路パターンの側面よりも外方に張り出すように形成
されていることを特徴とするセラミックス回路基板。
【請求項２】セラミックス回路基板の曲げ強度がセラ
ミックス基板自体のの曲げ強度より大きいことを特徴と
する請求項１記載のセラミックス回路基板。
【請求項３】金属回路パターンのセラミックス基板と
の接合面の面積が金属回路パターンの表面側の面積より
大きくなるように、金属回路パターンの側面が傾斜して
いることを特徴とする請求項１記載のセラミックス回路
基板。
【請求項４】金属回路パターンの側面が滑かな曲面状
に傾斜していることを特徴とする請求項３記載のセラミ
ックス回路基板。
【請求項５】ろう材層がＴｉ，Ｚｒ，ＨｆおよびＮｂ
から選択される少なくとも１種の活性金属を含有するこ
とを特徴とする請求項１記載のセラミックス回路基板。
【請求項６】セラミックス基板が窒化けい素基板であ
ることを特徴とする請求項１記載のセラミックス回路基
板。
【請求項７】セラミックス基板が窒化アルミニウム基
板であることを特徴とする請求項１記載のセラミックス
回路基板。
【請求項８】ろう材層がＡｇ，Ｃｕ，Ｔｉを全て含有
することを特徴とする請求項１記載のセラミックス回路
基板。