JPH1197807A - 回路基板 - Google Patents

回路基板

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JPH1197807A
JPH1197807A JP25307697A JP25307697A JPH1197807A JP H1197807 A JPH1197807 A JP H1197807A JP 25307697 A JP25307697 A JP 25307697A JP 25307697 A JP25307697 A JP 25307697A JP H1197807 A JPH1197807 A JP H1197807A
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JP
Japan
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metal
circuit
substrate
copper
ceramic substrate
Prior art date
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Pending
Application number
JP25307697A
Other languages
English (en)
Inventor
Yoshihiko Tsujimura
好彦 辻村
Yasuto Fushii
康人 伏井
Yoshiyuki Nakamura
美幸 中村
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Denka Co Ltd
Original Assignee
Denki Kagaku Kogyo KK
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Publication date
Application filed by Denki Kagaku Kogyo KK filed Critical Denki Kagaku Kogyo KK
Priority to JP25307697A priority Critical patent/JPH1197807A/ja
Publication of JPH1197807A publication Critical patent/JPH1197807A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • H05K1/0271Arrangements for reducing stress or warp in rigid printed circuit boards, e.g. caused by loads, vibrations or differences in thermal expansion
    • 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
    • H05K1/0306Inorganic insulating substrates, e.g. ceramic, glass
    • 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
    • H05K1/05Insulated conductive substrates, e.g. insulated metal substrate
    • H05K1/053Insulated conductive substrates, e.g. insulated metal substrate the metal substrate being covered by an inorganic insulating layer

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  • Laminated Bodies (AREA)
  • Structure Of Printed Boards (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】耐ヒートサイクル性に優れた高信頼性の回路基
板を提供すること。 【解決手段】セラミックス基板の一方の面に金属回路、
他方の面に金属放熱板が設けられてなるものであって、
金属回路及び/又は金属放熱板が異なる3種以上の金属
が層状に重なったクラッド箔であることを特徴とする回
路基板である。更に、この回路基板において、セラミッ
クス基板の材質が窒化アルミニウムであり、金属回路及
び/又は金属放熱板が窒化アルミニウム基板側からアル
ミニウム、チタニウム、銅の順で層状に重なったクラッ
ド箔であることを特徴とする回路基板。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、セラミックス基板
に金属回路と金属放熱板とが設けられてなる回路基板の
改良に関するものであって、回路基板の信頼性を向上す
ることを目的とするものである。本発明の回路基板は、
電子部品のパワーモジュール等の組立に好適なものであ
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パワ
ー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
放散させるため、パワー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、
その基板上に銅板等の金属板を接合し、回路を形成後、
そのままあるいはNi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】このようなモジュールは、当初、簡単な工
作機械に使用されてきたが、ここ数年、溶接機、電車の
駆動部、電気自動車に使用されるようになり、より厳し
い環境条件下における耐久性と更なる小型化が要求され
るようになってきた。そこで、セラミックス基板に対し
ても、電流密度を上げるための金属回路厚の増加、熱衝
撃等に対する耐久性の向上が要求され、セラミックス焼
結体の新たな製造研究により対応している。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従来、汎用されている
回路基板は、アルミナ基板又は窒化アルミニウム基板に
銅回路を形成させてなる構造のものであるが、更なる耐
ヒートサイクル性に対する信頼性を向上させるため、最
近では窒化アルミニウム基板にアルミニウム回路を形成
させたものが開発されている。しかしながら、アルミニ
ウムは電流密度等の電気的特性が銅よりも劣るので、そ
のような回路基板は広く普及されるまでには至っていな
い。
【0005】本発明は、上記に鑑みてなされたものであ
り、その目的は耐ヒートサイクル性に優れた高信頼性の
回路基板を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、セ
ラミックス基板の一方の面に金属回路、他方の面に金属
放熱板が設けられてなるものであって、金属回路及び/
又は金属放熱板が異なる3種以上の金属が層状に重なっ
たクラッド箔であることを特徴とする回路基板である。
更に、本発明は、この回路基板において、セラミックス
基板の材質が窒化アルミニウムであり、金属回路及び/
又は金属放熱板が窒化アルミニウム基板側からアルミニ
ウム、チタニウム、銅の順で層状に重なったクラッド箔
であることを特徴とするものである。
【0007】
【発明の実施の形態】更に詳しく本発明について説明す
ると、回路基板の金属回路部分には数百アンペア、数千
ボルトの高電圧、高電流が流れるため、現在、銅回路が
主として用いられている。しかし、使用時の環境の変化
や、スイッチングによる熱等によって熱衝撃を繰り返し
て受けるため、銅とセラミックスの熱膨張差による熱応
力により、セラミックス基板の界面より銅回路が剥離す
る問題が生じていた。
【0008】銅とセラミックスの熱膨張差による熱応力
は、熱膨張率だけではなく、その金属自体が持つ機械的
性質、主に引張強度や耐力でその大きさが決まる。した
がって、熱応力を軽減させるには、銅よりも引張強度や
耐力の小さい金属を用いればよいが、そのような特性を
持ち、しかも銅と同程度の電気的特性を有する金属は、
今のところ現存しない。
【0009】そこで、本発明者らは、種々検討した結
果、引張強度や耐力が小さい金属aをセラミックス基板
と接合する面に配置することによって、金属aとセラミ
ックス間の熱膨張差による熱応力を低減させ、その上に
電気的特性の良好な金属bを重ね合わせるが、その際
に、セラミックスと金属の接合時の熱によって金属aと
金属bとが反応、拡散しあわないように、金属aと金属
bとの間に金属cを介在さて金属回路を形成すればよい
ことを見いだしたものである。
【0010】本発明で使用されるセラミックス基板の材
質としては、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、アルミナ
等であるが、パワーモジュールには窒化アルミニウムが
適している。セラミックス基板の厚みとしては、厚すぎ
ると熱抵抗が大きくなり、薄すぎると耐久性がなくなる
ため、0.5〜0.8mm程度が好ましい。
【0011】セラミックス基板の表面性状は重要であ
り、微少な欠陥や窪み等は、金属回路、金属放熱板ある
いはそれらの前駆体である金属板をセラミックス基板に
接合する際に悪影響を与えるため、平滑であることが望
ましい。従って、セラミックス基板は、ホーニング処理
や機械加工等による研磨処理が施されていることが好ま
しい。
【0012】金属回路及び金属放熱板を形成するクラッ
ド箔の材質は、引張強度や耐力が小さく、セラミックス
との熱膨張差による熱応力を低減する役割を持つ金属a
としては、アルミニウム、鉛、白金等が好ましく、中で
もアルミニウムが特に好ましい。また、電気的特性の良
好な金属bとしては、銅、銀、金、アルミニウム等が好
ましく、中でも銅が特に好ましい。金属cとしては、チ
タン、ジルコニウム、モリブデン、タングステン等が好
ましいが、特に好適な金属は、金属aと金属bとの共晶
点温度や反応性によって選択する。場合によっては、金
属cの部分はチタンとジルコニウムからなる構造であっ
ても良い。
【0013】クラッド箔を構成するそれぞれの金属の厚
みは、金属aが30〜200μm、金属bが100〜5
00μm、金属cが5〜30μmであることが好まし
い。
【0014】セラミックス基板にクラッド箔の回路及び
/又は放熱板を形成する方法としては、セラミックス基
板とクラッド箔との接合体をエッチングする方法、クラ
ッド箔から打ち抜かれた回路及び/又は放熱板のパター
ンをセラミックス基板に接合する方法等によって行うこ
とができ、これらの際における接合方法としては、活性
金属ろう付け法が好ましい。
【0015】活性金属ろう付け法については、例えば特
開昭60−177634号公報に記載されている。活性
金属ろう付け法におけるろう材の金属成分は、アルミニ
ウムとシリコンを主成分とし、溶融時のセラミックス基
板との濡れ性を確保するために活性金属を副成分とした
ものが好ましい。活性金属成分は、セラミックス基板と
反応して酸化物や窒化物を生成し、ろう材とセラミック
ス基板との結合を強固なものにする。活性金属の具体例
をあげれば、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオ
ブ、タンタル、バナジウムやこれらの化合物である。本
発明におけるこれらの比率としては、アルミニウム70
〜95重量部、シリコン30〜5重量部及び銅0〜5重
量部の合計量100重量部あたり、活性金属1〜30重
量部である。接合温度は、560〜640℃が望まし
い。
【0016】
【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。
【0017】実施例1〜10 表1に示したろう材組成100重量部にテルピネオール
15部を配合し、ポリイソブチルメタアクリレートのト
ルエン溶液を加えて混練し、ろう材ペーストを調製し
た。このろう材ペーストを窒化アルミニウム基板(サイ
ズ:60mm×36mm×0.65mm 曲げ強さ:4
0kg/mm2 熱伝導率:135W/mK)の両面に
スクリーン印刷によって回路パターン状に塗布した。そ
の際の塗布量(乾燥後)は3mg/cm2 とした。
【0018】次に、窒化アルミニウム基板の両面に、表
1に示した各種クラッド箔(56mm×32mm×0.
3mm)のパターンを接触配置してから、真空度1×1
-5Torr以下の真空下、620℃で30分加熱した
後、2℃/分の降温速度で冷却して回路基板を製造し
た。
【0019】比較例1 重量割合で、銀粉末90部、銅粉末10部、ジルコニウ
ム粉末3部、チタン粉末3部及びテルピネオール15部
を配合し、ポリイソブチルメタアクリレートのトルエン
溶液を加えて混練し、ろう材ペーストを調製した。この
ろう材ペーストを実施例1と同様の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回路パターン状に塗
布した。その際の塗布量(乾燥後)は9mg/cm2
した。
【0020】次に、金属回路形成面に56mm×32m
m×0.3mmの銅回路パターンを、また金属放熱板形
成面に56mm×32mm×0.15mm銅放熱板のパ
ターンを接触配置してから、真空度1×10-5Torr
以下の真空下、830℃で30分加熱した後、2℃/分
の降温速度で冷却して回路基板を製造した。
【0021】これら一連の処理を経て製作された回路基
板について、気中、−40℃×30分保持後、25℃×
10分間放置を1サイクルとするヒートサイクル試験を
行い、金属回路又は金属放熱板が剥離するサイクル数を
測定した。それらの結果を表1に示す。
【0022】
【表1】
【0023】
【発明の効果】本発明によれば、耐ヒートサイクル性に
優れた高信頼性の回路基板が提供される。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 セラミックス基板の一方の面に金属回
    路、他方の面に金属放熱板が設けられてなるものであっ
    て、金属回路及び/又は金属放熱板が異なる3種以上の
    金属が層状に重なったクラッド箔であることを特徴とす
    る回路基板。
  2. 【請求項2】 セラミックス基板の材質が窒化アルミニ
    ウムであり、金属回路及び/又は金属放熱板が窒化アル
    ミニウム基板側からアルミニウム、チタニウム、銅の順
    で層状に重なったクラッド箔であることを特徴とする請
    求項1記載の回路基板。
JP25307697A 1997-09-18 1997-09-18 回路基板 Pending JPH1197807A (ja)

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JP25307697A JPH1197807A (ja) 1997-09-18 1997-09-18 回路基板

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JP25307697A JPH1197807A (ja) 1997-09-18 1997-09-18 回路基板

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JPH1197807A true JPH1197807A (ja) 1999-04-09

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JP25307697A Pending JPH1197807A (ja) 1997-09-18 1997-09-18 回路基板

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012248697A (ja) * 2011-05-27 2012-12-13 Showa Denko Kk 絶縁基板用積層材の製造方法

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