JPH05167205A - 耐熱衝撃性に優れたセラミックス−金属接合基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 パワーデバイス搭載用絶縁性回路基板など信
頼性の高い部品としても十分に使用することができる耐
熱衝撃性に優れるセラミックス−金属接合基板の提供。 【構成】 まず、金属部材として厚さ0.25mmの回路側用
のタフピッチ銅板２と、厚さ 0.2mmのヒートシンク側用
のタフピッチ銅板２とを用意し、セラミックス部材とし
て22mm角の市販のＨＩＣ用アルミナ基板を用意する。次
いで、用意したアルミナ基板１の両主面に銅板２を接触
配置し、これを不活性ガス雰囲気中において加熱および
冷却して接合体を得る。次に、得られた接合体における
回路側銅板２を、縁部が幅 0.3mm、間隔0.25mm、長さが
0.5mmの凹凸形状をした所定のパターン形状に、および
ヒートシンク側をベタ形状にエッチングする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、優れた耐熱衝撃性をも
つセラミックス−金属接合基板に関し、さらに詳しくは
パワーデバイス搭載用絶縁回路基板など高い信頼性の要
求される部品としても十分に使用することができるセラ
ミックス−金属接合基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、セラミックス部材と金属部材とを
接合する方法として、両部材を直接接触させて接合する
直接接合法や、セラミックス部材と金属部材との間に中
間層を介在させて接合する中間材法等が実用化されてい
る。直接接合法としては、例えばアルミナと銅とを不活
性ガス雰囲気中において直接接触させ、これを加熱・冷
却することにより接合体を得る方法（USP. 4811893に開
示）が知られている。また、ニオブとアルミナや窒化ケ
イ素とニッケル等の組み合わせでも直接接合体が得られ
ることが知られている。

【０００３】一方、中間材法としては、活性金属法やメ
タライズ法等がある。活性金属法とは、ＴｉやＺｒ等の
第IV族元素または第IV族元素を含む合金を中間材とし、
この中間材をセラミックス部材と金属部材との間に挟ん
で接合する方法である。例えば、窒化ケイ素とステンレ
スとの接合においてはＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系合金、アルミ
ナと銅との接合においてはＣｕ−Ｔｉ系合金が中間材と
して用いられてきた。また、メタライズ法とは、セラミ
ックス部材の表面に金属膜を形成した後、ろう材を介し
て金属部材を接合する方法である。メタライズ法として
は、例えばアルミナにＭｏメタライズ層を形成し、その
表面にＮｉめっきを施した後、ろう材を介してＣｕ板を
接合する方法が知られている。

【０００４】電気回路用のセラミックス−金属接合基板
は、チップや端子などのハンダ付け時または接合基板使
用時などにおける温度変化すなわち熱衝撃が付与される
と、セラミックス部材と金属部材との熱膨張係数の違い
から熱応力が発生する。発生した熱応力がセラミックス
部材の強度を上回ると、セラミックス部材にクラックが
発生したり破壊されてしまうため、熱応力をいかに緩和
するかということが大きな課題となっていた。

【０００５】そこで、従来の技術では、接合温度からゆ
っくり冷却することによって熱衝撃を小さくしたり、セ
ラミックス部材と金属部材との間に中間材を挿入するこ
とにより、熱応力の緩和を図っていた。上記熱応力を緩
和するために両部材の間に挿入する中間材としては、セ
ラミックス部材の熱膨張係数と金属部材の熱膨張係数の
中間的なものや、塑性変形をする延性金属などが用いら
れてきた。

【０００６】セラミックス部材と金属部材との間に熱応
力緩和用の中間材を介在させる方法は、例えば自動車用
ターボチャージャーのセラミックス製タービンローター
と金属シャフトとの接合、船舶ディーゼルエンジン用エ
キゾートバルブのセラミックスフェイス面と金属弁との
接合などの際に用いられてきた。また、Ｍｏ板を中間材
として介在させて接合したアルミナ−銅接合回路基板な
ども知られている。

【０００７】一方、接合体の形状を変えることにより、
上記熱応力を緩和する方法も開発されている。例えば、
電子材料として使われるセラミックス−金属接合回路基
板における回路側金属板の厚さを薄くしたり、回路側金
属板の端部のみを薄くして段差を付けることにより、セ
ラミックスにかかる応力を減少させていた。

【０００８】しかしながら、上述のようにセラミックス
部材と金属部材の間に熱応力緩和用の中間材を挿入する
と、挿入した中間材によって放熱性が劣化したり、接合
体の厚さや重量が増大してしまうなどといった問題点が
あった。また、上述のように接合体の形状を変えると、
放熱性を確保するには金属板にある程度の厚みが必要で
あるため、十分な放熱性を確保することができなかった
り、薄くした部分にデバイスを搭載することができない
ため、根本的なパターンサイズを変更しなければならな
いなどといった問題点があった。さらに、上述従来の熱
応力緩和法によると、様々な中間材や特殊な形状の金属
板の作製を必要とするため、大幅なコストアップが避け
られないという問題点があった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述従来の
技術の問題点を解決し、放熱性の劣化や重量の増大がな
く、パターンサイズの変更や基板面積の増大を行なわな
くとも熱応力を緩和することができる耐熱衝撃性に優れ
るセラミックス−銅接合基板を提供することを目的とす
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記目的
を達成するために鋭意研究の結果、セラミックス基板と
金属板との接合体において、セラミックス基板主面の広
がり方向にみて金属部材の縁部が凹凸状となるように金
属板を形成するか、またはセラミックス部材の両主面上
に同形状の金属部材をセラミックス基板の厚みを２等分
する平面に関して面対称である位置に接合することによ
り、上記課題が解決されることを見い出し、本発明を達
成することができた。

【００１１】すなわち、本発明は、セラミックス基板と
その少なくとも一方の主面上に接合された金属板とから
なり、該金属板はその縁部がセラミックス基板主面と平
行する方向に凹凸状となるように形成されていることを
特徴とする耐熱衝撃性に優れたセラミックス−金属接合
基板；セラミックス基板の両主面上に同形状の金属板が
セラミックス基板の厚みを２等分する平面に関して面対
称である位置に接合されていることを特徴とするセラミ
ックス−金属接合基板；およびセラミックス基板の両主
面上に同形状の金属板がセラミックス基板の厚みを２等
分する平面に関して面対称である位置に接合されてお
り、かつ少なくとも一方の主面上に接合された金属板は
その縁部がセラミックス基板主面と平行する方向に凹凸
状となるように形成されていることを特徴とする耐熱衝
撃性に優れたセラミックス−金属接合基板を提供するも
のである。

【００１２】

【作用】セラミックス−金属接合基板に繰り返し熱衝撃
を付与すると、セラミックス部材と金属部材との熱膨張
係数の差から熱応力が発生する。その際、セラミックス
部材が、発生した熱応力に耐え得る強度を有していない
場合、セラミックス部材表面における金属部材縁部近傍
からクラックが発生する。また、この接合基板にさらに
熱衝撃を付与するとセラミックス部材内部にまでクラッ
クが進行し、最後には破壊することが確認されている。

【００１３】上記クラックの進行態様を図４および図５
を用いて以下に説明する。図４に示す従来のアルミナ−
銅接合基板に繰り返し熱衝撃を付与した場合、その繰り
返し回数が増加するにつれてクラック３はアルミナ基板
１における次のような部分に発生することが確認されて
いる。まず、図５（ａ）に示すように銅板パターンにお
ける凸コーナー部分近傍に発生し、次いで図５（ｂ）に
示すように銅板パターンにおける直線部分に発生し、最
後に図５（ｃ）に示すように銅板パターンにおける凹コ
ーナー部分に発生する。すなわち、セラミックス基板
に、あるパターン形状の金属板を接合したセラミックス
−金属接合基板においては、セラミックス基板にかかる
応力の大きさが場所によって違い、凸コーナー部が最も
大きく、次に直線部、凹コーナー部の順であることが、
クラックの発生順よりわかる。

【００１４】本発明のセラミックス−金属接合基板は、
第１にセラミックス基板とその少なくとも一方の主面上
に接合された金属板とからなり、該金属板の縁部が基板
主面の平面的広がり方向に凹凸状となるように形成する
ことにより、耐熱衝撃性の向上を図っている。このよう
に金属板の縁部を凹凸状に形成することにより、耐熱衝
撃性が向上する理由は明らかではないが、次のように考
えることができる。金属板の縁部を凹凸状に形成する
と、はじめにセラミックス基板表面における金属板の縁
部近傍のうち、直線部分からクラックが発生するように
なる。また、金属板の縁部が凹凸状に形成されていない
接合基板と比較して凹凸状に形成されている接合基板
は、繰り返し熱衝撃を付与した際におけるクラックの発
生時期が遅い。これらのことから、金属板の縁部を凹凸
状に形成することにより、応力のかかる方向が変わって
応力分布が変化し、熱応力の大きさが減少するものと考
えられる。

【００１５】本発明は第２に、セラミックス基板の両主
面上に同形状の金属板をセラミックス基板の厚みを２等
分する平面に関して面対称である位置に接合することに
より、耐熱衝撃性の向上を図っている。このように金属
板を接合することにより耐熱衝撃性が向上する理由は次
のように考えることができる。セラミックス基板の両主
面上に接合した金属板の形状がそれぞれ違う場合、熱衝
撃を付与すると面積が大きい金属板が接合された側が凹
となる反りがセラミックス基板に生じ、この反りによっ
て面積が小さい金属板が接合された側のセラミックス基
板表面に引張応力が発生する。

【００１６】このことは、パワーデバイス搭載用セラミ
ックス−金属接合絶縁回路基板などのようにヒートシン
ク側がベタ面となっている接合基板は、ヒートシンク側
よりもパターン状に形成された回路側のセラミックス基
板表面からの方がクラックの発生が早いことからもわか
る。したがって、ヒートシンク側の金属板の形状を、回
路側と同形状にし、かつセラミックス基板の厚みを２等
分する平面に関して面対称である位置に接合することに
より、接合基板の反りがキャンセルされ、クラックの発
生が遅れるのである。

【００１７】すなわち、本発明のセラミックス−金属接
合基板は、金属板を上記のような形状とすることにより
優れた耐熱衝撃性を得ているため、中間材などを介在さ
せる必要がなくなり、放熱性の劣化や重量の増加が防止
される。また、本発明のセラミックス−金属接合基板
は、金属板の縁部を凹凸状に形成しているが、回路のパ
ターンサイズ変更が必要となるようなレベルではないた
め、基板の面積を増大させる必要がない。さらに、本発
明のセラミックス−金属接合基板における金属板は、金
型法またはエッチング法といった従来の一般的な方法で
作製することができるため、低コストで量産することが
できる。

【００１８】以下、実施例により本発明をさらに詳細に
説明する。しかし本発明の範囲は以下の実施例により制
限されるものではない。

【００１９】

【実施例１】まず、金属部材として厚さ0.25mmの回路側
用のタフピッチ銅板２と、厚さ 0.2mmのヒートシンク側
用のタフピッチ銅板２とを用意し、セラミックス部材と
して22mm角の市販のＨＩＣ用アルミナ基板を用意した。
次いで、用意したアルミナ基板１の両主面に銅板２を接
触配置し、これを不活性ガス雰囲気中において加熱およ
び冷却して接合体を得た。次に、得られた接合体におけ
る回路側銅板２を、縁部の幅が 0.3mmで、長さが 0.5m
m、間隔だけはそれぞれ0.25mm、 0.5mmおよび 1.0mmと
寸法的に多少異なる凹凸形状をした所定のパターン形状
に、およびヒートシンク側をベタ形状にエッチングし、
３種類のアルミナ−銅接合基板を作製した（図１）。

【００２０】このようにして作製した３種類のアルミナ
−銅接合基板について耐熱衝撃性試験を行った。熱衝撃
試験はベルト炉を使用し、実際にチップをはんだ付けす
る条件と同じ、水素雰囲気中で最高温度 360℃×10分、
昇降温速度が20℃／分の条件で通炉し、クラック発生の
有無を調べ、その結果を表１に示した。なお、クラック
発生の有無はアルミナ−銅接合基板を所定の回数通炉
し、銅板を薬品で溶かした後赤インクに浸漬し水洗、乾
燥したものを実体顕微鏡でクラックのチェックを行う浸
透深傷法で評価した。また、サンプルはそれぞれ３ピー
ス以上とし、全ピースにクラックが発生しなかった場合
にクラックの発生なしとし、１ピースでもクラックが発
生した場合にクラック発生ありとした。

【００２１】

【表１】

【００２２】

【実施例２】金属部材として厚さ0.25mmのタフピッチ銅
板２を、アルミナ基板１の回路側およびヒートシンク側
に配置したこと以外は実施例１と同様にして接合体を得
た。次いで、回路側銅板２およびヒートシンク側銅板２
を同形状であり、かつアルミナ基板１の厚みを２等分す
る平面に関して面対称となるパターン形状にエッチング
し、本発明のアルミナ−銅接合基板を作製した（図
２）。また、上記銅板２の縁部を幅 0.3mm、間隔0.25m
m、長さ 0.5mmの凹凸形状にエッチングしたものも作製
した（図３）。

【００２３】上記のようにして作製した２種類のアルミ
ナ−銅接合基板について、実施例１と同様にして耐熱衝
撃性試験験および評価を行ない、その結果を表１に併記
した。

【００２４】

【比較例】回路側銅板２を縁部に凹凸のないパターン形
状、およびヒートシンク側をベタ形状にエッチングした
こと以外は実施例１と同様にして、従来のアルミナ−銅
接合基板を作製した（図４）。

【００２５】上記のようにして作製したアルミナ−銅接
合基板について、実施例１と同様にして耐熱衝撃性試験
および評価を行ない、その結果を表１に併記した。

【００２６】表１からもわかるように、比較例における
従来のアルミナ−銅接合基板（Ｎｏ．４）は、１回目の
通炉でクラックが発生してしまったのに対し、実施例１
および２における本発明のアルミナ−銅接合基板のうち
銅板の縁部に凹凸を形成したもの（Ｎｏ．１、２、３、
６）は、最低３回の通炉に耐えることができ、銅板の縁
部に凹凸を形成していないもの（Ｎｏ．５）であっても
１回の通炉に耐えることができ、耐熱衝撃性に優れてい
た。

【００２７】さらに、実施例２より、縁部に凹凸のある
同形状の銅板をアルミナ基板の両主面上に基板の厚みを
２等分する平面に対して面対称的に接合したもの（Ｎ
ｏ．６）が、最も耐熱衝撃性に優れていることが確認さ
れた。

【００２８】

【発明の効果】本発明のセラミックス−金属接合基板の
開発により、従来のセラミックス−金属接合基板と比較
して放熱性の劣化や重量の増大、およびパターンサイズ
の変更や基板面積を増大することなく耐熱衝撃性を向上
させることができるようになった。そのため、本発明の
セラミックス−金属接合基板は、低コストで製造するこ
とができ、商業的価値の極めて高いものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のアルミナ−銅接合基板の一例を示す図
であって、（ａ）は回路側の平面図、（ｂ）はヒートシ
ンク側の平面図、（ｃ）は側断面図である。

【図２】本発明のアルミナ−銅接合基板の別の一例を示
す図であって、（ａ）は回路側の平面図、（ｂ）はヒー
トシンク側の平面図、（ｃ）は側断面図である。

【図３】本発明のアルミナ−銅接合基板のさらに別の一
例を示す図であって、（ａ）は回路側の平面図、（ｂ）
はヒートシンク側の平面図、（ｃ）は側断面図である。

【図４】従来のアルミナ−銅接合基板を示す図であっ
て、（ａ）は回路側の平面図、（ｂ）はヒートシンク側
の平面図、（ｃ）は側断面図である。

【図５】図４に例示されるような従来のセラミックス−
銅接合基板に繰り返し熱衝撃を施した際、パターン側基
板表面におけるクラックの発生状況を示した平面図であ
って、（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は熱衝撃の繰り返し
回数が異なり、その回数は（ａ）よりも（ｂ）、（ｂ）
よりも（ｃ）が多い。

【符号の説明】

１‥‥‥アルミナ基板 ２‥‥‥銅板 ３‥‥‥クラック

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミックス基板とその少なくとも一方
   の主面上に接合された金属板とからなり、該金属板はそ
   の縁部がセラミックス基板主面と平行する方向に凹凸状
   となるように形成されていることを特徴とする耐熱衝撃
   性に優れたセラミックス−金属接合基板。
2. 【請求項２】 セラミックス基板の両主面上に同形状の
   金属板がセラミックス基板の厚みを２等分する平面に関
   して面対称である位置に接合されていることを特徴とす
   るセラミックス−金属接合基板。
3. 【請求項３】 セラミックス基板の両主面上に同形状の
   金属板がセラミックス基板の厚みを２等分する平面に関
   して面対称である位置に接合されており、かつ少なくと
   も一方の主面上に接合された金属板はその縁部がセラミ
   ックス基板主面と平行する方向に凹凸状となるように形
   成されていることを特徴とする耐熱衝撃性に優れたセラ
   ミックス−金属接合基板。