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JPH0637410A - セラミックス回路基板 - Google Patents

セラミックス回路基板

Info

Publication number
JPH0637410A
JPH0637410A JP21245892A JP21245892A JPH0637410A JP H0637410 A JPH0637410 A JP H0637410A JP 21245892 A JP21245892 A JP 21245892A JP 21245892 A JP21245892 A JP 21245892A JP H0637410 A JPH0637410 A JP H0637410A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
ceramic
metal
circuit board
circuit
board
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP21245892A
Other languages
English (en)
Other versions
JP3056889B2 (ja
Inventor
Katsunori Terano
克典 寺野
Yoshiyuki Nakamura
美幸 中村
Koichi Uchino
紘一 内野
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=16622967&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=JPH0637410(A) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Denki Kagaku Kogyo KK filed Critical Denki Kagaku Kogyo KK
Priority to JP4212458A priority Critical patent/JP3056889B2/ja
Publication of JPH0637410A publication Critical patent/JPH0637410A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP3056889B2 publication Critical patent/JP3056889B2/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime 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
    • H05K1/0201Thermal arrangements, e.g. for cooling, heating or preventing overheating
    • 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

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  • Structure Of Printed Boards (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 抗折強度が大で、曲げ応力に対するクラック
の発生を著しく抑えることができ、耐ヒートサイクル性
にも優れたセラミックス回路基板の提供。 【構成】 セラミックス回路基板の全ての断面におい
て、金属回路とセラミックス基板との接合部分の長さの
合計がセラミックス基板の長さに対して20%以上であ
り、金属回路の厚みが0.1 〜0.3mm であることを特徴と
するセラミックス回路基板。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、セラミックス回路基
板、詳しくはパワー半導体モジュール等に使用されるセ
ラミックス回路基板に関する。
【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など大
電力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
く放散するため、大電力モジュール基板では従来より様
々な方法がとられてきた。特に最近、良好な熱伝導率を
有するセラミックス基板の出現により、基板上に半導体
素子を搭載する構造も採用されている。
【0003】従来より、金属とセラミックスを接合する
方法には様々な方法があるが、特に回路基板の構造とい
う点からは、Mo−Mn法、活性金属メタライズ法(以
下、単に活性金属法という)、硫化銅法、DBC法、銅
メタライズ法があげられる。これらの中で大電力モジュ
ール基板の製造では、現在、金属として銅を用い、セラ
ミックスとの接合方法として活性金属法又はDBC法を
用いることが主流となっており、更に、高熱伝導を有す
る窒化アルミニウムを絶縁基板として使用することが普
及しつつある。
【0004】従来の銅板と窒化アルミニウム基板を接合
する方法としては、銅板を窒化アルミニウム基板との間
に活性金属を含むろう材を介在させ、加熱処理し接合体
を形成する活性金属法(例えば、特開昭60ー177634 号公
報)や、銅板と表面を酸化処理してなる窒化アルミニウ
ム基板とを銅の融点以下、Cu2O-Oの共晶温度以上で加熱
接合するDBC法(例えば、特開昭56ー163093号公報)
などが知られている。
【0005】活性金属法はDBC法に比べて、 (1)接合処理温度が低いので、AlN−Cuの熱膨張
差によって生じる残留応力が小さい。 (2)接合層が延性金属であるので、ヒートショックや
ヒートサイクルに対して耐久性が良好である。 などの利点があるが、絶縁基板にセラミックスを使用す
るため、曲げ応力に弱く、クラックが生じ易いという問
題があった。
【0006】これは、パワーモジュール組立工程の中で
セラミックス回路基板を厚さ数mmのベース銅板へ半田付
けする際、半田の融点、例えばPb:Sn=37:63 共晶半田の
場合には、230 ℃以上に加熱する必要があるので、この
時の熱履歴によりベース銅板が反りセラミックス回路基
板に曲げ応力が加わってクラックが生じたり、また、組
み立てられたパワーモジュールを放熱フィンにボルト締
めする際、機械的な曲げ応力により、クラックが生じ絶
縁不良となる問題があった。このクラックは歩留りを低
下させるだけでなく、高い信頼性が要求されるパワーモ
ジュールの分野では致命的な欠陥となる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、セラミ
ックス回路基板に曲げ応力が加わった場合、金属回路の
パターンの端部に沿ってクラックが発生していることに
着目した。セラミックスと金属板の接合面において、熱
膨張率の差によって生じる引張応力は、 Wittmerらによ
る"Mechanical Properties of Liquid-Phase-Bonded Co
pper-Ceramic Substrates" (Journal of the American
Ceramic Society March 1982,vol.65,No.3,p149-153)
には、金属板の厚みに支配されることが記載されてい
る。
【0008】しかしながら、その接合面は金属板により
補強されているため、曲げ応力が集中しにくい。一方、
金属回路のパターン端部は、熱膨張率の差から生じる金
属回路板の引張応力が加わっている上に、金属板の補強
効果もないため、曲げ応力が集中しやすく、クラックが
生じる。
【0009】本発明者らは、上記問題を解決するために
鋭意検討した結果、例えば、セラミックス回路基板の中
心部のように、曲げ応力が集中し易い部分の金属回路の
パターン形状を金属板の補強効果が得られるように設計
し、しかも金属回路の厚みを薄くすれば、金属回路のパ
ターン端部にかかる引張応力が小さくなることによって
セラミックス回路基板の抗折強度が大きくなり、クラッ
クの発生を抑制できることを見いだし、本発明を完成し
たものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、セ
ラミックス回路基板の全ての断面において、金属回路と
セラミックス基板との接合部分の長さの合計がセラミッ
クス基板の長さに対して20%以上であり、金属回路の厚
みが0.1 〜0.3mm であることを特徴とするセラミックス
回路基板である。
【0011】以下、さらに詳しく本発明について説明す
ると、本発明の最大の特徴は、従来用いられている材料
や工程をほとんど変更することなしに、セラミックス回
路基板の抗折強度を高め、クラックの抑制に大きな効果
をあげたことである。
【0012】金属回路とセラミックスが接合している部
分は、金属回路の補強効果により、曲げ応力が集中しな
いためにクラックが生じにくい。従って、本発明では、
金属回路の補強効果を示す指標として、セラミックス回
路基板の断面において、金属回路とセラミックス基板と
の接合部分の長さの合計とセラミックス基板の長さとの
割合(以下、この割合をパターン率という。)で表すこ
ととした。
【0013】なお、金属回路が形成されていてもセラミ
ックス基板と接合していない部分すなわち非接合部は、
金属回路からの引張応力はなく曲げ応力は集中しない
が、金属回路の補強効果がないので、パターン率の算出
にあたっては、金属回路とセラミックス基板とは接合し
ていないものとして扱う。
【0014】本発明においては、パターン率は20%以上
が必要であり、30%以上特に40%以上が好ましい。パタ
ーン率が20%未満では、補強効果が小さくセラミックス
回路基板のクラック防止効果が十分でなくなる。
【0015】本発明において、パターン率を20%以上に
する断面の位置については特に限定しないが、曲げ応力
が集中し易い部分、例えばセラミックス回路基板の中心
部のパターン率を大きくすることが望ましい。
【0016】金属回路を形成するのに使用される金属板
の材質については、特に制限はなく、通常は、銅、ニッ
ケル、銅合金、ニッケル合金が用いられる。金属回路の
厚みは、0.1 〜0.3mm とする。0.1mm 未満では、パター
ン率を20%以上にしても十分な補強効果が得られず、ま
た、0.3mm をこえると、セラミックス基板と金属回路の
熱膨張率の差により、接合・冷却時に発生する金属回路
の引張応力が大きくなって耐ヒートサイクル性が低下す
る。
【0017】一方、セラミックス基板の裏面に設けられ
る金属板の材質についても上記したものが用いられる。
また、その厚みは、セラミックス基板の回路面に形成さ
せた金属回路部分の体積によって決定するのが望まし
い。すなわち、本発明では、裏面の金属板の体積を金属
回路部分の金属板の体積以下とすることが望ましい。こ
れによって、セラミックス回路基板の反りがなくなる
か、又は反りが生じたとしてもその方向は回路面が凹に
なるので、そのように反ったものをベース銅板に半田付
けしても、セラミックス回路基板とベース銅板との間に
はボイドが発生しないので、熱伝導性は低下しない。
【0018】これに対して、裏面の金属板の体積が回路
面の金属回路部分の金属板の体積をこえると、裏面の金
属板の引張応力が大きくなるので、それをベース銅板に
半田付けすると、セラミックス回路基板は回路面が凸の
方向に反ってしまい、セラミックス回路基板とベース銅
板との間にボイドが発生して熱伝導性が低下する。
【0019】本発明で使用されるセラミックス基板の材
質については、特に制限はなく、窒化アルミニウム(Al
N )、窒化ケイ素(Si3N4 )、酸化アルミニウム(Al2O
3 )、ムライト等から選ばれた少なくとも一種又は二種
以上を主成分とするものがあげられ、中でも熱伝導率が
大きい窒化アルミニウムが好ましい。
【0020】金属板とセラミックス基板との接合体を製
造する際の接合方法としては、上記したDBC法や活性
金属法を用いることができる。
【0021】
【実施例】以下、実施例と比較例をあげて更に具体的に
説明する。
【0022】実施例1〜5 比較例1〜3 市販の窒化アルミニウム基板(60mm×40mm×0.5mm )
に、Zr-Ag-Cu系の活性金属ろう材を図1及び図2に示す
ように、金属回路のa値とb値を変えた種々の回路パタ
ーンをスクリーン印刷し、この回路パターンと同じ形状
に打ち抜いた表1に示す厚みを有する無酸素銅板を接合
し、接合体を製造した。接合条件は、温度900 ℃、真空
度1.0 ×10-6torrとし、得られた接合体はいずれも無電
解Ni-Pメッキを5μm 施した。
【0023】得られた接合体について、以下に従う抗折
強度と耐ヒートサイクル性を測定した。それらの結果を
表1に示す。なお、表1に示したパターン率は、図1の
A部における値である。
【0024】(1)抗折強度 測定機器:島津製作所製「オートグラフAG-2000A型」ロ
ードセル;50kg 測定条件:スパン;30mm、3点曲げ、クロスヘッド速
度;0.5mm/min図2に示すセラミックス回路基板のBの
位置にクロスヘッドをあて、JIS R1601 に準拠して測定
した。
【0025】(2)耐ヒートサイクル性 測定機器:八島製作所製 ロータリー熱衝撃試験機 TS
ER-2252-A 測定条件:気中にて、-40 ℃×30分、25℃×10分、125
℃×30分、25℃×10分を1サイクルとし、500 サイクル
実施した。 評 価 :A;電極剥離なし B;僅かに電極剥離発生
C;電極剥離発生
【0026】
【表1】
【0027】
【発明の効果】本発明のように、金属回路のパターン率
を大きくし、しかも金属回路の厚みを薄くするだけで、
セラミックス回路基板の抗折強度を増大させることがで
きるので、曲げ応力に対するクラックの発生を著しく抑
えることができ、耐ヒートサイクル性にも優れたセラミ
ックス回路基板となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 セラミックス回路基板の一例を示す上面図で
ある。
【図2】 図1の裏面図である。
【符号の説明】
1 セラミックス基板 2 金属回路 3 裏面金属板 A パターン率測定位置 B 抗折強度測定位置

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 セラミックス回路基板の全ての断面にお
    いて、金属回路とセラミックス基板との接合部分の長さ
    の合計がセラミックス基板の長さに対して20%以上であ
    り、金属回路の厚みが0.1 〜0.3mm であることを特徴と
    するセラミックス回路基板。
JP4212458A 1992-07-17 1992-07-17 セラミックス回路基板 Expired - Lifetime JP3056889B2 (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009302187A (ja) * 2008-06-11 2009-12-24 Denki Kagaku Kogyo Kk 絶縁金属ベース回路基板及びそれを用いた混成集積回路モジュール
JP2021132238A (ja) * 2016-07-28 2021-09-09 株式会社東芝 回路基板および半導体モジュール

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009302187A (ja) * 2008-06-11 2009-12-24 Denki Kagaku Kogyo Kk 絶縁金属ベース回路基板及びそれを用いた混成集積回路モジュール
JP2021132238A (ja) * 2016-07-28 2021-09-09 株式会社東芝 回路基板および半導体モジュール

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