JPH0777246B2

JPH0777246B2 - セラミックス回路基板

Info

Publication number: JPH0777246B2
Application number: JP1285711A
Authority: JP
Inventors: 一也松浦; 博高道; 弘深山
Original assignee: 株式会社住友金属セラミックス
Priority date: 1989-10-31
Filing date: 1989-10-31
Publication date: 1995-08-16
Anticipated expiration: 2010-08-16
Also published as: JPH03145748A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は、半導体装置に適したセラミックスに金属を
接合して回路形成するセラミックス回路基板に関する。

［従来の技術］セラミックスと金属との接合技術では、両者は熱膨張係
数等の材料の特性に大きな差異があるため、温度変化を
受けると接合界面に局部的に大きな熱応力を生じて、セ
ラミックス内の割れを生じるという問題がある。そのた
め、セラミックスと金属の界面接合部に発生する局部的
な熱応力を緩和する方法として、セラミックスと金属
との間に両者の中間的な性質を持つインサート材を入れ
ることによって材質的不連続性を少なくする方法と、
接合部の幾何学的形状を変化させて熱応力の集中を力学
的に緩和する方法とがある。

最近、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
ックス基板上に銅等の金属を接合させたものを用いる。
この回路基板は半導体装置の高密度化、高速化、高出力
化等が進むなかで、高放熱性の特性が求められている。
そうした要求を満たすためには、上記のインサート材
を介在させるよりは、セラミックスに金属を直接結合し
た方が望ましく、特開昭52-37914号にはセラミックスに
金属を直接接合する製造方法を開示している。

セラミックスに金属を直接結合する場合のセラミックス
に発生する局部的な熱応力を緩和する方法として、上述
のの接合部の幾何学的形状による点として、実開昭64
-8764号にはセラミックス基板上に接合する導体金属層
の角部或は周辺部が、中心部に比べて薄くすることを開
示している。また、特開昭64-59986号にはセラミックス
回路基板に接合する銅板の各端部に薄肉部を形成するこ
とを開示している。これらは、いずれも第６図の（ａ）
〜（ｃ）に示すような、外周端面部４の形状である。

回路基板の製造は、セラミックス基板上に回路パターン
用金属板を接触配置し、所定の条件下で熱処理して接合
して形成される。このとき、回路パターン用金属板をセ
ラミックス基板上の所定位置に配置するために回路パタ
ーンの形状に打抜いた板状の治具をセラミックス基板上
に置き、この打抜いた部分に個々の回路パターン用金属
板を１つ１つ置く方法では作業性が悪いし、また接合の
ために加熱炉を搬送される際振動等でパターン精度が低
下する。そこで、個々の回路パターン用金属板をブリッ
ジ部で連絡してなる回路パターンフレームを、セラミッ
クス基板上に載せて熱処理により直接接合させ、その
後、前記回路パターンフレームのブリッジ部は除去され
る。ブリッジ部の形成位置はセラミックス基板に接合し
ていない面に設けられる。その一例として、第７図の
（ａ）および（ｂ）にブリッジ部５の形状の要部の断面
図を示した。

［発明が解決しようとする課題］上述の回路パターンフレームを連絡するブリッジ部を設
けることとセラミックスに金属を直接結合する場合のセ
ラミックスに発生する局部的な熱応力を緩和するために
外周端面の形状を薄肉部とすることの両方を同時に行う
ことはできない。

さらに、回路パターンの外周端面の形状を肉薄部の場
合、その薄肉部はパターン機能上不要な部分で、限られ
た面積の中での設計上の制約事項であり、設計上調整が
できなければ回路基板の面積を増すことになり、コスト
高となるばかりか、半導体装置の高速化等を阻害すると
いう課題があった。

また、熱応力を緩和するための外周端面の形状を薄肉部
とする方法はブリッジを必要とする精度の高い回路パタ
ーンで行うことができないという課題があった。

本発明の目的は、熱サイクルが繰り返されるとき、セラ
ミックス基板とこれに金属板を加熱接合させた外周縁の
接合部に発生する熱応力の局部集中によるセラミックス
基板の亀裂の発生を防止するものである。

［課題を解決するための手段］上記目的を達成するために、本発明はセラミックス基板
上に所定形状の金属板を加熱接合させてなるセラミック
ス回路基板において、前記金属板の外周縁に沿った内側
に溝を備えたことを特徴とするセラミックス回路基板
（以下単に回路基板という）である。

［作用］セラミックス基板上に加熱接合された、所定形状の金属
板が外周縁の沿った内側に溝を備えた作用を説明する。

第１図の（ａ）および（ｂ）は本発明の回路基板であ
り、（ａ）は回路基板の平面図で金属１の外周縁に添っ
た内側に溝３を備えている。（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ部
の拡大断面図である。

熱サイクルが繰り返されるとき、セラミックス基板２に
接合した金属板１の外周縁に添った内側の溝３によりセ
ラミックス基板２の亀裂の発生を防止できるのは、受け
る熱応力が局部に集中することなく形成した溝３の部分
に分散するためである。さらに、ブリッジで連絡してな
る回路パターンフレームを形成でき、回路パターンの設
計上の制約もない。

［実施例および比較例］次に、回路基板の実施例および比較例について図面を参
照して説明する。

セラミックス基板２として厚み0.64mmのアルミナセラミ
ックス基板２に、金属板１として0.3mmの銅板を直接接
合法の製造方法で接合して得た回路基板を用いて、有限
要素法で基板の受ける熱応力を解析した。接合した銅板
の回路パターンは上述した第１図に示したもので、本発
明の一実施例として、第２図の断面拡大図にその寸法を
示した。また、比較例として溝のない銅板の回路パター
ンを用いた。

熱サイクルとして、−40℃〜125℃、すなわち165℃の温
度差における、断面の受ける熱応力の分布を測定した。
その結果を実施例は第３図に、また、比較例は第４図に
示した。それぞれ、（ａ）は接合面の断面図で、（ｂ）
はその断面の受ける熱応力の分布を示す。これから、溝
の有無にかかわらず、最外周端面部Ａには最大の熱応力
がかかる。しかし、溝を備えた場合の熱応力の最大値は
11.5Kg/mm²で、溝のない場合の最大値23.6Kg/mm²の約49
％に減少している。この減少は溝のある場合は、Ｂ部に
はＡ部よりも小さい、7.2Kg/mm²の熱応力がかかり、２
カ所に熱応力は分散している。このために熱応力の最大
値が小さくなって亀裂発生の防止ができるためとみられ
る。

溝の形成と回路パターンフレームの作製時に、同時に行
うことができる。一般には第５図（ａ）〜（ｄ）に示す
作製工程で行われる。金属シート材の脱脂、表面粗化等
の表面処理を施した後、第５図（ａ）のように両面にフ
ォトレジストを塗布してフォトレジスト塗布膜13を形成
する。次いで、乾燥した後、所定のパターンを形成する
ため両面にマスクを当てて露光、現像した後ベーキング
してフォトレジスト塗布膜13を第５図（ｂ）のように密
着させる。次いで、エッチング液（例えば、金属シート
が銅であればFeCl₃＋HClを用いる）でエッチングして第
５図（ｃ）のようにする。フォトレジスト塗布膜13を剥
離させ、洗浄して第５図（ｄ）のような金属板を得る。
このように、パターン形成と溝形成はフォトレジスト膜
のパターンの選択で、同時に特別な工程を要することな
く容易に行うことができる。

金属板１に形成する溝３の深さは、金属板１の厚みｔの
約（1/2）ｔ〜約（2/3）ｔである。また、溝３の位置は
金属板１の厚みが約0.3〜約0.5mmの範囲であれば、外周
縁から溝３の幅の外周縁側までの距離は約1tである。ま
た、溝３の幅は約（2/3）ｔである。

［具体例１］セラミックス基板として、アルミナ成分96％のアルミナ
板をセラミックスの通常の方法で製造した。そのアルミ
ナ板の寸法はタテ43mm×ヨコ30mm、厚み0.64mmである。

接合する金属としては、無酸素銅の厚みが0.3mmの銅板
である。

これを、下記の条件で 100回の熱サイクル試験（必要以上に苛酷な回数）を行
って亀裂発生の有無を調べた。その結果、本発明の溝３
を備えたものの亀裂発生は０％であった。

銅の種類として上記の他に、タフピッチ銅、脱リン酸銅
等を用いても同様の結果を得た。

［具体例２］セラミックス基板として、窒化アルミ板をセラミックス
の通常の方法で製造した。その寸法はタテ43mm×ヨコ30
mm、厚み0.64mmである。

接合する金属としては、表面を酸で粗化したタフピッチ
銅銅の厚みが0.5mmの銅板である。

その他、試験方法等は実施例１と同様に行った結果、本
発明の溝３を備えたものの亀裂発生は０％であった。

本発明の上述以外の実施例として、回路基板用のセラミ
ックスとして、ベリリヤ磁器、ジルコニア磁器等の酸化
物系セラミックスを、また窒素アルミニウム、炭化珪素
等の非酸化物系セラミックスを選ぶことができる。ま
た、回路基板用の金属として、アルミニウム、ニッケ
ル、モリブデン、銀、クロム、鉄等の単体金属やこれら
の単体金属の合金を選ぶことができる。またそれらの複
数の金属を組み合わせて用いてもよい。

金属板１に形成する溝３は上記のエッチング法の他に、
金型による打ち抜き、旋盤等の機械加工によっても良い
のは当然である。

［発明の効果］本発明は、以上の説明のように、回路基板の金属の外周
縁に添った内側に溝を備えることにより、半導体装置の
高密度化、高速化、高出力化に適し、熱的特性に優れた
回路基板を提供する効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図の（ａ）および（ｂ）は本発明の回路基板であ
り、（ａ）は回路基板の平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−
Ｘ部の拡大断面図である。第２図は第１図の（ｂ）に一実施例として寸法を入れた
説明図である。第３図の（ａ）は本実施例の熱応力分布を測定した断面
図である。（ｂ）は（ａ）に示す断面の受ける熱応力分
布である。第４図の（ａ）は従来例の熱応力分布を測定した断面図
である。（ｂ）は（ａ）に示す断面の受ける熱応力分布
である。第５図（ａ）〜（ｄ）は本発明の回路パターンの作製工
程を示す図である。第６図の（ａ）〜（ｃ）は従来例の銅板の外周端面の形
状である。第７図の（ａ）および（ｂ）は従来例のブリッジであ
る。１……金属板、２……セラミックス基板、３……溝、４
……外周端面部、５……ブリッジ部、13……フォトレジ
スト塗布膜。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミックス基板上に所定形状の金属板を
加熱接合させてなるセラミックス回路基板において、前
記金属板の外周縁に沿った内側に溝を備えたことを特徴
とするセラミックス回路基板。