JPH0570256A

JPH0570256A - セラミツクス接合基板

Info

Publication number: JPH0570256A
Application number: JP23331691A
Authority: JP
Inventors: Hironori Asai; 博紀浅井; Takayuki Naba; 隆之那波; Kazuo Ikeda; 和男池田; Naritaka Tamura; 成敬田村
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1991-09-12
Filing date: 1991-09-12
Publication date: 1993-03-23

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明の目的は、最終的な使用単位であるセラ
ミックス接合体を個別に製造する必要がなく、多数のセ
ラミックス接合体を同時に効率良く製造することが可能
なセラミックス接合基板を提供することにある。【構成】本発明に係るセラミックス接合基板は、セラミ
ックス基板２に異種材料層３を一体に接合したセラミッ
クス接合基板１において、上記セラミックス基板２およ
び異種材料層３の表面部にそれぞれ切欠き溝５，６を形
成したことを特徴とする。

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接合基板に
係り、特に最終的な使用単位となるセラミックス接合体
を個別に製造する必要がなく、多数のセラミックス接合
体を同時に効率良く製造することが可能なセラミックス
接合基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来からセラミックス基板に、金属、金
属化合物、または金属とセラミックスとの混合物などの
異種材料を一体に接合したセラミックス接合体が電子機
器等に広く使用されている。例えば、セラミックス基板
上に半導体素子を搭載する場合には、両者の接合強度を
高めるために、セラミックス基板上に予め導体層を形成
し、さらにめっき処理を施しセラミックス接合体を形成
した後に、半導体素子を半田接合等によって接合してい
た。

【０００３】このセラミックス接合体の代表例として、
アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）基板や窒化アルミニウム（Ａｌ
Ｎ）基板上にＭｏ板を接合したモジュールやパッケージ
などがある。このようなセラミックス板と金属板とを一
体に接合する方法が、種々実用化されている。例えば特
開昭５９−３０７６、特開昭５９−３０７７、特開昭５
９−４０４０４号公報には、窒化アルミニウム基板にＣ
ｕ板を直接接合してモジュール等のセラミックス接合体
を形成する方法が開示されている。また“マイクロ接合
研究会資料ＭＪ−１３３−９０”（溶接学会１９９０年
２月８日発行）には、窒化アルミニウム基板に銅板をろ
う材により一体に接合してセラミックス接合体を形成す
る方法が開示されている。

【０００４】そして、これらのモジュール等のセラミッ
クス接合体は、セラミックス基板と金属板とをそれぞれ
１個ずつ個別に接合して組み立てられていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、近年、
電子機器の高速化、小型化に伴う半導体部品の高密度実
装化がより希求され、必然的にセラミックス接合体もよ
り寸法が小さなものが要求されている。ところが、セラ
ミックス接合体の小型化が現実化するに伴って製造工程
における構成材料のハンドリングが困難になるととも
に、構成材料相互の位置合せも困難になり、セラミック
ス接合体の製造効率が大幅に低下してしまう問題点があ
った。

【０００６】一方、銅板を窒化アルミニウム基板表面に
直接接合してセラミックス接合体を形成する場合には、
発生した酸素などの気相成分が接合面に巻き込まれ、膨
れや未接合部が生じ易く、その結果、熱伝導性や強度が
低下したセラミックス接合体が発生し易い問題点もあっ
た。

【０００７】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、最終的な使用単位であるセラミックス
接合体を個別に製造する必要がなく、多数のセラミック
ス接合体を同時に効率良く製造することが可能なセラミ
ックス接合基板を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段と作用】上記目的を達成す
るために本発明は、セラミックス基板に異種材料層を一
体に接合したセラミックス接合基板において、上記セラ
ミックス基板および異種材料層の表面部にそれぞれ切欠
き溝を形成したことを特徴とする。

【０００９】本発明におけるセラミックス基板として
は、例えばアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）等の酸化物系セラミ
ックス基板、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素等
の非酸化物系セラミックス基板などが例示される。

【００１０】また異種材料層を形成する材料としては、
例えばＣｕ材、軟鋼材、高融点金属材などの金属材、そ
の化合物、あるいはセラミックス粉末と金属粉末との混
合物の焼結体等が挙げられるが、これらに限定されるも
のではない。

【００１１】切欠き溝は、セラミックス接合基板に曲げ
応力等を作用させた場合に、応力集中作用によってセラ
ミック接合基板が容易に破断し、複数のセラミックス接
合体に分離できるようにするために設けられる。

【００１２】切欠き溝の断面形状は、応力集中を容易に
受け易いＶ形状が好ましく、開口縁の幅は０．０５〜
０．５mm、深さ０．１〜５mm程度が望ましい。切欠き溝
の配設ピッチは、最終的に使用されるセラミックス接合
体の寸法によって適宜決定される。

【００１３】セラミックス基板に形成する切欠き溝は、
成形体の段階でプレス成形やグリーンシートにパンチン
グする方法等により形成する。一方、異種材料層に形成
する切欠き溝は、板状素材段階でプレス成形やエッチン
グ処理等によって形成してもよいが、セラミックス基板
と異種材料層とを一体に接合した後に、レーザ加工機等
によって形成してもよい。

【００１４】上記のセラミックス接合基板の製造方法の
一例としては、下記の手順が採用される。すなわち予め
切欠き溝を形成したセラミックス基板と、同じく切欠き
溝を形成した異種材料層とを、ろう材を使用して一体に
接合して形成される。

【００１５】上記の他に、セラミックス基板と、異種材
料層としての金属材とを一体に接合する方法としては、
例えば、接着剤法、高融点金属法、溶射法、酸化物法な
どがある。接着剤法は、主に有機接着剤を使用しセラミ
ックス基板と金属材等との面接合を行なう方法である。
高融点金属法は、Ｍｏ，Ｍｏ−Ｍｎ等の高融点金属の微
粉末をセラミックス基板上で焼結してコーティングし、
さらにＮｉめっきを施した後にろう材によって金属等と
接合する方法である。また溶射法は、金属表面に下盛り
層として、金属サーメット等を溶射した後に、セラミッ
ク微粉末を溶射コーティングする方法である。酸化物法
は、セラミックス基板と金属間に酸化銅等の金属酸化物
をインサート材として介装し、高温度に加熱して接合す
る方法である。

【００１６】ここでセラミックス基板として窒化アルミ
ニウム焼結体を使用する場合には、接合に使用するろう
材としては、金属、金属の化合物または金属とセラミッ
クスとの混合物に対して良好な接合特性を有するＴｉ−
Ａｇ−Ｃｕ系のろう材が好適である。この理由は、Ａｇ
−Ｃｕ系ろう材などを単体で使用しても、窒化アルミニ
ウムに対する濡れ性が低い反面、Ｔｉ，Ｈｆ，Ｚｒなど
の活性金属を添加したＡｇ−Ｃｕろう材では濡れ性が大
幅に向上し、ろう材と窒化アルミニウムとの接合強度が
高まるからである。またＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系のろう材に
Ｗ，Ｍｏなどを添加したろう材も好適である。Ａｇ−Ｃ
ｕ系はセラミックスとＴｉとの接合層の形成を促進する
成分として有用であり、強固なセラミックス接合体を製
造することに寄与するのみならず、導体層としての回路
も形成することができる。

【００１７】またセラミックス基板に異種材料層として
の銅板を接合するには、結合剤としての酸素を含む銅板
とセラミックス基板とを積層して加熱し、接合面に生じ
た銅と酸素との共晶生成物によって両部材を一体に接合
する直接接合法が有利である。

【００１８】上記のように製造されたセラミックス接合
基板は、切欠き溝の底部方向に折り曲げることにより、
厚さ方向に容易に破断し、複数のセラミックス接合体に
分離される。したがって従来のように微小寸法に形成し
たセラミックス基板および異種材料層を個別に組み合
せ、セラミックス接合体を１個ずつ順次製造していた場
合と異なり、本発明に係るセラミックス接合基板によれ
ば、実質的に多数の微小セラミックス基板および微小異
種材料層を同時に接合することが可能であり、さらに形
成された大型のセラミックス接合基板を単に切欠き溝に
沿って破断するだけで、多数の小型のセラミックス接合
体を効率的に製造することができる。

【００１９】

【実施例】次に本発明の実施例について添付図面を参照
しながら以下に説明する。

【００２０】実施例１１辺の長さが１インチの正方形状の窒化アルミニウムグ
リーンシートに予めプレス成形により切欠き溝を形成し
たものを、温度１７００〜１８００℃で焼成し窒化アル
ミニウム基板を形成した。一方、異種材料層としての銅
板にも同様に切欠き溝を形成した。またＡｇ粉末、Ｃｕ
粉末およびＴｉ粉末をそれぞれ重量比で３０：６５：５
の割合で配合した混合物にエチルセルロースおよび酢酸
ブチルを添加し、さらにテレピネオールを加え、擂回機
で混合後、３段ロールで混練してろう材ペーストを調製
した。

【００２１】次にろう材ペーストを上記窒化アルミニウ
ム基板の接合面に印刷により塗布した後に、この窒化ア
ルミニウムおよび銅板の双方に形成した切欠き溝の開口
縁が接合面と反対側の自由面に位置するように両部材を
重ね、８００〜９５０℃に加熱して一体に接合し、図１
に示すようなセラミックス接合基板１を得た。

【００２２】このセラミックス接合基板１は、セラミッ
クス基板としての窒化アルミニウム基板２と、異種材料
層としての銅板３とがろう材４を介して一体に接合され
ている。窒化アルミニウム基板２の切欠き溝５および銅
板３の切欠き溝６の形成位置は一致しており、また両切
欠き溝５，６の開口縁５ａ，６ａが両部材の接合面Ｃの
反対側の自由面に位置するように形成されている。

【００２３】こうして得られたセラミックス接合基板１
を、図２に矢印で示す方向に折り曲げる（スクライブす
る）ことによって、切欠き溝５の底部に曲げ応力が集中
して該部が破断し、１辺の長さが５mmの正方形状の多数
の微小なセラミックス接合体７に分離される。したがっ
て微小な窒化アルミニウム基板と微小な銅板との接合体
が容易に多数個同時に製造することが可能となり、セラ
ミックス接合体７の製造効率および製造コストを大幅に
改善できることが確認された。

【００２４】比較例１比較例１として、１辺が１インチの正方形状窒化アルミ
ニウム基板に銅板をセッティング後、温度１０７０〜１
１００℃にて加熱して、銅−酸素の共晶化合物によって
両者を一体に接合した。なお窒化アルミニウム基板およ
び銅板の双方とも切欠き溝は形成していない。そして得
られたセラミックス接合基板をダイシングソーで切断分
離することにより１辺の長さが５mmの正方形状の微小セ
ラミックス接合体を製造した。

【００２５】しかしながら、ダイシングソーで切断分離
する工程において多大な加工時間を要し、また異種材料
の同時切断のため、ブレードの消耗が激しく、製造効率
は実施例１の場合の１／５以下に低下し、実用化は困難
であることが判明した。

【００２６】次に図３〜４を参照して本発明に係るセラ
ミックス接合基板の第２実施例を説明する。

【００２７】実施例２実施例１において用意した１インチ角の窒化アルミニウ
ム基板２と銅板３とを図３に示すように積層した状態で
温度１０７０〜１１００℃に加熱することによって接合
面Ｃに生じた銅−酸素の共晶生成物により、基板２およ
び銅板３の両部材を一体に接合し、図３に示すような、
実施例２のセラミックス接合基板１ａを製造した。

【００２８】このセラミックス接合基板１ａにおいて
は、セラミックス基板２および銅板３の切欠き溝５，６
の形成位置を一致させるとともに、銅板３の切欠き溝６
の開口縁６ａが接合面Ｃに接するように形成されてい
る。

【００２９】こうして得られたセラミックス接合基板１
ａを、図４に矢印で示す方向に折り曲げることによって
切欠き溝５，６の底部に応力集中が起こって破断を生
じ、１辺の長さが２mmの正方形状の微小なセラミックス
接合体７ａが得られる。したがって実施例１と同様に、
微小なセラミックス接合体７ａを、多数個同時に製造す
ることができる。

【００３０】すなわち、従来のように切欠き溝を形成せ
ず、互いに平坦な接合面を有する基板と銅板とを直接接
合する方法の場合、接合面に酸素やろう材蒸気などの気
相成分が滞留し易く、膨れや未接合部を生じ易い欠点が
あった。しかし本実施例では上記気相成分は、接合面Ｃ
に開口する切欠き溝６内に収容されるため、膨れや気相
の巻込み等の欠陥を生じることが少なく、両部材間の接
合強度を大幅に高めることができる。

【００３１】また実施例２のように窒化アルミニウムセ
ラミックス基板２と銅板３とを共晶化合物により直接接
合したセラミックス接合基板１ａにおいては、従来のよ
うな接着剤を使用する必要がない。したがって接着剤に
起因する熱伝導性の低下が起こらず、放熱特性が優れた
セラミックス接合体７ａを得ることができた。

【００３２】比較例２銅板として切欠き溝６を形成しないものを使用した以外
は、実施例２と同一条件でセラミックス接合基板を製造
した。しかしながら、得られたセラミックス接合基板に
は、接合面に接して切欠き溝が形成されていないため、
気相成分の巻込みや滞留が部分的に生じ、膨れが一部に
観察された。

【００３３】次に図５〜８を参照して本発明に係るセラ
ミックス接合基板の第３実施例を説明する。

【００３４】実施例３窒化アルミニウムグリーンシートにプレス成形機を使用
して予め切欠き溝を形成したものを温度１７００〜１８
００℃で焼成して、図５に示すように、表裏両面に千鳥
状に所定間隔で切欠き溝５を形成した窒化アルミニウム
基板２を用意した。一方、酸化銅粉とアルミナ（Ａｌ₂
Ｏ₃）粉末を均一に混合した混合体を還元焼結して、さ
らに切欠き溝６を表裏両面に千鳥状に形成したアルミナ
分散銅板８を、図６に示すように調製した。

【００３５】次に実施例１において調製したろう材ペー
スト４を、図５に示すように、窒化アルミニウム基板２
の接合面側の表面部および切欠き溝５に塗布する一方、
図６に示すように、アルミナ分散銅板８に形成した接合
面側の切欠き溝６にも塗布した。

【００３６】次に図７に示すように、ステンレス鋼（Ｓ
ＵＳ３０４）製の冷却管９を、アルミナ分散銅板８に形
成した一部の切欠き溝６内に載置し、さらにその切欠き
溝６の開口縁６ａに切欠き溝５の開口縁５ａが対向する
ように、窒化アルミニウム基板２を位置決めし積層し
た。ここで冷却管９は対向した切欠き溝５，６によって
形成される空間のうちの半分の空間に配設した。

【００３７】そして積層した状態で温度８５０℃で真空
中で１０分間加熱することにより、冷却管９、窒化アル
ミニウム基板２およびアルミナ分散銅板８がろう材４に
よって一体に接合されたセラミックス接合基板１ｂを製
造した。

【００３８】本実施例に係るセラミックス接合基板１ｂ
についても、図８に示すように、冷却管９が配設されて
いない切欠き溝５，６部分を折り曲げることにより、そ
れぞれ微小なセラミックス接合体７ｂに分離することが
可能であり、実施例１〜２と同様に、製造効率を大幅に
改善できる。

【００３９】また上記効果に加えて、本実施例では接合
面において対向した切欠き溝５，６によって形成される
空間に冷却管９を配置しているため、より放熱特性に優
れたセラミックス接合体を得ることができる。

【００４０】すなわち、近年の半導体素子の高周波化お
よび高出力化に伴って半導体素子の発熱量も増大してい
る。したがって半導体素子を搭載するセラミックス接合
体には、熱を逃がし易くする特性が必要になる。この対
応の一環として、ＢｅＯやＳｉＣなどの高熱伝導性セラ
ミックス基板をヒートシンクとする構造も実用化されて
いる。この構造によりＡｌ₂Ｏ₃セラミックス基板を使
用していた場合と比較して熱の除去効率はやや改善さ
れ、特別な冷却システムを採用せずとも高出力の半導体
素子を搭載できるようになった。

【００４１】しかしながら、高速化の要請がより高ま
り、半導体素子の出力がさらに増大すると、上記のよう
な高熱伝導性セラミックス基板だけでは対応できなくな
り、風冷や水冷などの冷却システムを採用して素子の熱
抵抗をより低減することが必要になる。水冷方式では、
例えば IEPS.CONFERENCE,P118-124,1989.9に開示されて
いるように、ヒートシンクとなるセラミックス基板表面
に水冷用の端子を、ある接触圧力を保持させつつ接触さ
せて熱交換する例がある。

【００４２】本実施例においては、セラミックス基板２
およびアルミナ分散銅板８にそれぞれ形成した切欠き溝
５，６を対向させて形成される空間内に冷却管９を配設
しているため、より信頼性が高い放熱特性を発揮させる
ことができる。

【００４３】ちなみに、図８に示すように製造したセラ
ミックス接合体７ｂに出力１５Ｗのの半導体素子を搭載
し、冷却管９内に冷却水を流通させた状態で熱抵抗値を
測定した結果、２℃／Ｗと低い値が得られた。

【００４４】比較例３一方、比較のため、冷却管を配設しない点を除き、実施
例３と全く同一条件で同一寸法のセラミックス接合体を
製造し、同一出力の半導体素子を搭載して熱抵抗値を測
定したところ、５℃／Ｗと相対的に極めて高い値が得ら
れた。

【００４５】

【発明の効果】以上説明の通り本発明に係るセラミック
ス接合基板は、切欠き溝の底部方向に折り曲げることに
より、厚さ方向に容易に破断し、複数のセラミックス接
合体に分離される。したがって従来のように微小寸法に
形成したセラミックス基板および異種材料層を個別に組
み合せ、セラミックス接合体を１個ずつ順次製造してい
た場合と異なり、本発明に係るセラミックス接合基板に
よれば、実質的に多数の微小セラミックス基板および微
小異種材料層を同時に接合することが可能であり、さら
に形成された大型のセラミックス接合基板を単に切欠き
溝に沿って破断するだけで、多数の小型のセラミックス
接合体を効率的に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るセラミックス接合基板の第１実施
例を示す部分断面図。

【図２】図１に示すセラミックス接合基板の切欠き溝に
沿って破断して得られるセラミックス接合体を示す断面
図。

【図３】本発明に係るセラミックス接合基板の第２実施
例を示す部分断面図。

【図４】図３に示すセラミックス接合基板の切欠き溝に
沿って破断して得られるセラミックス接合体を示す断面
図。

【図５】本発明に係るセラミックス接合基板の第３実施
例を構成する窒化アルミニウム基板を示す断面図。

【図６】本発明に係るセラミックス接合基板の第３実施
例を構成するアルミナ分散銅板を示す部分断面図。

【図７】本発明に係るセラミックス接合基板の第３実施
例を示す部分断面図。

【図８】図７に示すセラミックス接合基板の切欠き溝に
沿って破断して得られるセラミックス接合体を示す断面
図。

【符号の説明】

１，１ａ，１ｂセラミックス接合基板２窒化アルミニウム基板（セラミックス基板）３銅板（異種材料層）４ろう材（ペースト）５，６切欠き溝５ａ，６ａ開口縁７，７ａ，７ｂセラミックス接合体８アルミナ分散銅板９冷却管Ｃ接合面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田村成敬神奈川県横浜市鶴見区末広町２の４株式会社東芝京浜事業所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミックス基板に異種材料層を一体に
接合したセラミックス接合基板において、上記セラミッ
クス基板および異種材料層の表面部にそれぞれ切欠き溝
を形成したことを特徴とするセラミックス接合基板。
【請求項２】セラミックス基板の切欠き溝および異種
材料層の切欠き溝の形成位置を一致させるとともに、双
方の切欠き溝の開口縁が、セラミックス基板と異種材料
層との接合面の反対側に位置するように形成したことを
特徴とする請求項１記載のセラミックス接合基板。
【請求項３】セラミックス基板の切欠き溝および異種
材料層の切欠き溝の形成位置を一致させるとともに、一
方の切欠き溝の開口縁がセラミックス基板と異種材料層
との接合面に接するように形成したことを特徴とする請
求項１記載のセラミックス接合基板。
【請求項４】セラミックス基板の切欠き溝および異種
材料層の切欠き溝の形成位置を一致させるとともに、双
方の切欠き溝の開口縁が、セラミックス基板と異種材料
層との接合面に接するように形成し、対向した切欠き溝
によって形成される空間に冷却管を配設したことを特徴
とする請求項１記載のセラミックス接合基板。
【請求項５】セラミックス基板は窒化アルミニウムま
たはアルミナから成ることを特徴とする請求項１記載の
セラミックス接合基板。