JPH09283671A - セラミックス−金属複合回路基板 - Google Patents
セラミックス−金属複合回路基板Info
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- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 従来のセラミックス−金属複合回路基板はボ
イド率が大きく放熱性が悪い欠点があった。 【解決手段】 本発明のセラミックス−金属複合回路基
板においては、セラミックス基板の主面上に接合した金
属板上の半導体搭載部分の接合界面におけるボイドを面
積率で１．５％以下とする。また、上記セラミックス基
板として表面粗さ計で１５μｍ／２０ｍｍ以下のアルミ
ナ基板を用いる。活性金属法では脱バインダー条件を６
００℃×４Ｈｒ以上、あるいは６５０℃×２Ｈｒ以上で
ボイド率を１．５％以下にできた。
イド率が大きく放熱性が悪い欠点があった。 【解決手段】 本発明のセラミックス−金属複合回路基
板においては、セラミックス基板の主面上に接合した金
属板上の半導体搭載部分の接合界面におけるボイドを面
積率で１．５％以下とする。また、上記セラミックス基
板として表面粗さ計で１５μｍ／２０ｍｍ以下のアルミ
ナ基板を用いる。活性金属法では脱バインダー条件を６
００℃×４Ｈｒ以上、あるいは６５０℃×２Ｈｒ以上で
ボイド率を１．５％以下にできた。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は回路上の半導体素子
からの発熱量を回路から効率よく除去できるセラミック
ス−金属複合回路基板を提供することを目的とする。
からの発熱量を回路から効率よく除去できるセラミック
ス−金属複合回路基板を提供することを目的とする。
【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、これらの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が実用化され
ている。このうち直接接合法としては、例えばアルミナ
基板と銅板とを不活性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（Ｕ
ＳＰ４８１１８９３号等）が知られている。
接合する方法として、これらの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が実用化され
ている。このうち直接接合法としては、例えばアルミナ
基板と銅板とを不活性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（Ｕ
ＳＰ４８１１８９３号等）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
タライズ法等があり、この内活性金属法は、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
をアルミナと銅との接合にはＣｕ−Ｔｉ系合金を中間材
として用いていた。
タライズ法等があり、この内活性金属法は、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
をアルミナと銅との接合にはＣｕ−Ｔｉ系合金を中間材
として用いていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】然しながら、近年、半
導体装置を含む電子機器のより小型化に伴い内部に設置
される半導体素子自体の高集積化及び高出力化が求めら
れ、この結果、動作時における半導体素子からの発熱量
も増大するという問題が発生してきた。
導体装置を含む電子機器のより小型化に伴い内部に設置
される半導体素子自体の高集積化及び高出力化が求めら
れ、この結果、動作時における半導体素子からの発熱量
も増大するという問題が発生してきた。
【０００５】本発明は上述のような従来の技術上の問題
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抵
抗を小さくする為回路用金属板とセラミックス基板との
接合界面のボイド（空洞）を極力小さく抑え、半導体素
子からの発熱量を効率よく逃し得る新規なセラミックス
−金属複合回路基板を開発することを目的とするもので
ある。
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抵
抗を小さくする為回路用金属板とセラミックス基板との
接合界面のボイド（空洞）を極力小さく抑え、半導体素
子からの発熱量を効率よく逃し得る新規なセラミックス
−金属複合回路基板を開発することを目的とするもので
ある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明者等は斯かる課題
を解決するために鋭意研究したところ、セラミックス基
板と金属板との接合界面のボイド（空洞）率を制御する
ことによって半導体素子からの発生熱を問題なく逃し得
ることを見い出し、本発明を提供することができた。
を解決するために鋭意研究したところ、セラミックス基
板と金属板との接合界面のボイド（空洞）率を制御する
ことによって半導体素子からの発生熱を問題なく逃し得
ることを見い出し、本発明を提供することができた。
【０００７】即ち、本発明の第１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、少なくとも該金属板上の半導体搭載部分の接合
界面におけるボイドが超音波探傷装置測定で、面積率が
１．５％以下であることを特徴とするセラミックス−金
属複合回路基板である。
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、少なくとも該金属板上の半導体搭載部分の接合
界面におけるボイドが超音波探傷装置測定で、面積率が
１．５％以下であることを特徴とするセラミックス−金
属複合回路基板である。
【０００８】本発明の第２は、上記接合がセラミックス
基板と金属板の直接接合である場合においては、セラミ
ックス基板表面のうねりが表面粗さ計で１５μｍ／２０
ｍｍ以下であるセラミックス基板を用いることを特徴と
するものである。
基板と金属板の直接接合である場合においては、セラミ
ックス基板表面のうねりが表面粗さ計で１５μｍ／２０
ｍｍ以下であるセラミックス基板を用いることを特徴と
するものである。
【０００９】本発明の第３は、上記接合がセラミックス
基板と金属板の活性金属ろう接合である場合において、
Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂから選択される少なくとも１種
以上の活性金属を含有するろう材を介して接合すること
を特徴とするものである。
基板と金属板の活性金属ろう接合である場合において、
Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂから選択される少なくとも１種
以上の活性金属を含有するろう材を介して接合すること
を特徴とするものである。
【００１０】本発明の第４は、上記セラミックス基板
は、Ａｌ2 Ｏ3 ，ＡｌＮ，ＢｅＯ，ＳｉＣ，Ｓｉ
3 Ｎ4 ，ＺｒＯ2 から選択される少なくとも１種のセラ
ミックス基板であることを特徴とするものである。
は、Ａｌ2 Ｏ3 ，ＡｌＮ，ＢｅＯ，ＳｉＣ，Ｓｉ
3 Ｎ4 ，ＺｒＯ2 から選択される少なくとも１種のセラ
ミックス基板であることを特徴とするものである。
【００１１】（作用）
【００１２】本発明で用いられるセラミックス−金属複
合回路基板は、セラミックス部材としてＡｌ2 Ｏ3 ，Ａ
ｌＮ，ＢｅＯ，ＳｉＣ，Ｓｉ3 Ｎ4 ，ＺｒＯ2 から選ば
れる少なくとも１種の部材であり、一方、金属板として
は銅、アルミニウム等の導電特性に優れた部材である。
合回路基板は、セラミックス部材としてＡｌ2 Ｏ3 ，Ａ
ｌＮ，ＢｅＯ，ＳｉＣ，Ｓｉ3 Ｎ4 ，ＺｒＯ2 から選ば
れる少なくとも１種の部材であり、一方、金属板として
は銅、アルミニウム等の導電特性に優れた部材である。
【００１３】本発明において、セラミックス部材として
アルミナ基板を用いる場合においては、基板表面のうね
りを表面粗さ計で測定して１５μｍ／２０ｍｍ以下であ
ることを要する。逆にこの数値より多い場合には、ボイ
ド（空洞）の最大径が大きくなると共に、径１００μｍ
以上のボイド数も増え、結果として面積当たりのボイド
率が比例して増えるためである。
アルミナ基板を用いる場合においては、基板表面のうね
りを表面粗さ計で測定して１５μｍ／２０ｍｍ以下であ
ることを要する。逆にこの数値より多い場合には、ボイ
ド（空洞）の最大径が大きくなると共に、径１００μｍ
以上のボイド数も増え、結果として面積当たりのボイド
率が比例して増えるためである。
【００１４】また、セラミックス部材として上記のアル
ミナ基板に代え窒化アルミニウム基板や炭化珪素基板等
を用いる場合には、活性金属としてＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，
Ｎｂから選ばれる少なくとも１種を含有するＡｇ−Ｃｕ
系ろう材を介して接合するが、この場合、ろう材をペー
スト化して塗布する方法で行なわれる。
ミナ基板に代え窒化アルミニウム基板や炭化珪素基板等
を用いる場合には、活性金属としてＴｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，
Ｎｂから選ばれる少なくとも１種を含有するＡｇ−Ｃｕ
系ろう材を介して接合するが、この場合、ろう材をペー
スト化して塗布する方法で行なわれる。
【００１５】上記ろう材をペースト化するには、ろう材
の混合粉末に有機溶剤（テルピネオール、ＢＣＡ、ＤＢ
Ｐ、メチルセルソルブ等）や有機結合剤（エチルセルソ
ーズ等）を所定量配合してペーストとしている。このペ
ーストをセラミックス基板上にスクリーン印刷してその
上に金属板を接合するが、この場合、加熱炉中で加熱す
ると温度や時間によってバインダーの除去、特にバイン
ダー中に含有されるカーボンの除去量に変化があること
を発見した。
の混合粉末に有機溶剤（テルピネオール、ＢＣＡ、ＤＢ
Ｐ、メチルセルソルブ等）や有機結合剤（エチルセルソ
ーズ等）を所定量配合してペーストとしている。このペ
ーストをセラミックス基板上にスクリーン印刷してその
上に金属板を接合するが、この場合、加熱炉中で加熱す
ると温度や時間によってバインダーの除去、特にバイン
ダー中に含有されるカーボンの除去量に変化があること
を発見した。
【００１６】加熱炉中の温度域を５５０℃，６００℃，
６５０℃と３段階に分けて夫々保持時間を変えたものの
ボイドを調べたところ、５５０℃での脱バインダー温度
ではボイド径の大きいものが見られるのに対し、脱バイ
ンダー温度が上昇するに従ってこの径が小さくなり、更
に同一温度でも保持時間を長くして脱バインダー処理を
行なって、バインダー中のカーボンを除去すると同様に
ボイド径が小さくなり、結果として面積当たりのボイド
率が低下することが測定できた。
６５０℃と３段階に分けて夫々保持時間を変えたものの
ボイドを調べたところ、５５０℃での脱バインダー温度
ではボイド径の大きいものが見られるのに対し、脱バイ
ンダー温度が上昇するに従ってこの径が小さくなり、更
に同一温度でも保持時間を長くして脱バインダー処理を
行なって、バインダー中のカーボンを除去すると同様に
ボイド径が小さくなり、結果として面積当たりのボイド
率が低下することが測定できた。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下実施例により本発明法を更に
詳細に説明するが、本発明の範囲は以下の実施例により
制限されものではない。
詳細に説明するが、本発明の範囲は以下の実施例により
制限されものではない。
【００１８】（実施例１）
【００１９】先ず、金属部材として厚さ０．３ｍｍの回
路側用の銅板と、厚さ０．２５ｍｍのヒートシンク側用
の銅板とを用意し、セラミックス部材として３０×５０
×０．６３５ｍｍの大きさである表面のうねり幅の異な
るアルミナ基板を用意した。次いで、用意したアルミナ
基板の両主面に銅板を接触配置し、これを不活性ガス雰
囲気中において加熱及び冷却して接合体を得た後、所定
の回路形状にエッチング処理して目的とする金属−セラ
ミックス複合回路基板を得た。
路側用の銅板と、厚さ０．２５ｍｍのヒートシンク側用
の銅板とを用意し、セラミックス部材として３０×５０
×０．６３５ｍｍの大きさである表面のうねり幅の異な
るアルミナ基板を用意した。次いで、用意したアルミナ
基板の両主面に銅板を接触配置し、これを不活性ガス雰
囲気中において加熱及び冷却して接合体を得た後、所定
の回路形状にエッチング処理して目的とする金属−セラ
ミックス複合回路基板を得た。
【００２０】これらの金属−セラミックス複合回路基板
のうち、Ｓｉチップ等の半導体素子を搭載する部分の回
路用銅板とアルミナ基板との接合界面を日立建機製の超
音波探傷装置（ｍｉ−ｓｃｏｐｅ−ｉ）を用いてボイド
最大径、１５ｃｍ2 当たりの径１００μｍ以上のボイド
数及びボイド率を夫々測定し、これらの結果を表１に併
せて示した。なお、超音波探傷装置で得られたボイドの
画像は、実際のボイド箇所の切断面観察で得られたボイ
ド径と一致するように超音波探傷条件を設定した。
のうち、Ｓｉチップ等の半導体素子を搭載する部分の回
路用銅板とアルミナ基板との接合界面を日立建機製の超
音波探傷装置（ｍｉ−ｓｃｏｐｅ−ｉ）を用いてボイド
最大径、１５ｃｍ2 当たりの径１００μｍ以上のボイド
数及びボイド率を夫々測定し、これらの結果を表１に併
せて示した。なお、超音波探傷装置で得られたボイドの
画像は、実際のボイド箇所の切断面観察で得られたボイ
ド径と一致するように超音波探傷条件を設定した。
【００２１】
【表１】
【００２２】（実施例２）
【００２３】金属部材として厚さ０．３ｍｍの回路側用
の銅板と、厚さ０．２５ｍｍのヒートシンク側用の銅板
とを用意し、セラミックス部材として３０×５０×０．
６３５ｍｍの窒化アルミニウム基板に予めＡｇ−Ｃｕ−
Ｔｉ系のペーストろう材をスクリーン印刷して乾燥した
ものを９枚用意した。
の銅板と、厚さ０．２５ｍｍのヒートシンク側用の銅板
とを用意し、セラミックス部材として３０×５０×０．
６３５ｍｍの窒化アルミニウム基板に予めＡｇ−Ｃｕ−
Ｔｉ系のペーストろう材をスクリーン印刷して乾燥した
ものを９枚用意した。
【００２４】次いで、上記窒化アルミニウム基板を加熱
炉中で加熱温度、保持時間を夫々変えて脱バインダー処
理を行ない、バインダー中に含まれるカーボンを除去し
た後、更に８５０℃一定にして銅板を基板の上下面に接
合した接合体を得、所定の回路形状にエッチング処理し
て目的とする金属−セラミックス複合回路基板を得た。
炉中で加熱温度、保持時間を夫々変えて脱バインダー処
理を行ない、バインダー中に含まれるカーボンを除去し
た後、更に８５０℃一定にして銅板を基板の上下面に接
合した接合体を得、所定の回路形状にエッチング処理し
て目的とする金属−セラミックス複合回路基板を得た。
【００２５】これらの金属−セラミックス複合回路基板
のうち、Ｓｉチップ等の半導体素子を搭載する部分の回
路用銅板と窒化アルミニウム基板とのろう材接合による
接合界面を実施例１に示す超音波探傷装置を用いてボイ
ド最大径、１５ｃｍ2 当たりの径１００μｍ以上のボイ
ド数及びボイド率を夫々測定し、これらの結果を表２に
併せて示した。
のうち、Ｓｉチップ等の半導体素子を搭載する部分の回
路用銅板と窒化アルミニウム基板とのろう材接合による
接合界面を実施例１に示す超音波探傷装置を用いてボイ
ド最大径、１５ｃｍ2 当たりの径１００μｍ以上のボイ
ド数及びボイド率を夫々測定し、これらの結果を表２に
併せて示した。
【００２６】
【表２】
【００２７】測定後の複合基板の回路面に半導体素子と
してＳｉチップを搭載して電力を通す試験を行なったと
ころ、少なくとも６００℃以上で、２時間以上加熱処理
してバインダー中のカーボンを除去したものが実施例１
同様にボイド率が１．５％以下であった。
してＳｉチップを搭載して電力を通す試験を行なったと
ころ、少なくとも６００℃以上で、２時間以上加熱処理
してバインダー中のカーボンを除去したものが実施例１
同様にボイド率が１．５％以下であった。
【００２８】
【発明の効果】本発明のセラミックス−金属複合回路基
板の開発により、同一の素材を用いて接合する場合にお
いても、接合界面のボイド率を１．５％以下に制御する
ことができた。これにより熱抵抗に優れた回路基板を低
コストで製造でき、商業的価値の極めて高いものであ
る。
板の開発により、同一の素材を用いて接合する場合にお
いても、接合界面のボイド率を１．５％以下に制御する
ことができた。これにより熱抵抗に優れた回路基板を低
コストで製造でき、商業的価値の極めて高いものであ
る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高原 昌也 東京都千代田区丸の内一丁目８番２号 同 和鉱業株式会社内
Claims (4)
- 【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、少なくとも該
金属板上の半導体搭載部分の接合界面におけるボイドが
超音波探傷装置測定で、面積率が１．５％以下であるこ
とを特徴とするセラミックス−金属複合回路基板。 - 【請求項２】 上記接合がセラミックス基板と金属板の
直接接合である場合においては、セラミックス基板表面
のうねりが表面粗さ計で１５μｍ／２０ｍｍ以下である
セラミックス基板を用いることを特徴とする請求項１記
載のセラミックス−金属複合回路基板。 - 【請求項３】 上記接合がセラミックス基板と金属板の
活性金属ろう接合である場合において、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈ
ｆ，Ｎｂから選択される少なくとも１種以上の活性金属
を含有するろう材を介して接合することを特徴とする請
求項１または２記載のセラミックス−金属複合回路基
板。 - 【請求項４】 上記セラミックス基板は、Ａｌ2 Ｏ3 ，
ＡｌＮ，ＢｅＯ，ＳｉＣ，Ｓｉ3 Ｎ4 ，ＺｒＯ2 から選
択される少なくとも１種のセラミックス基板であること
を特徴とする請求項１，２または３記載のセラミックス
−金属複合回路基板。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11436796A JP3890539B2 (ja) | 1996-04-12 | 1996-04-12 | セラミックス−金属複合回路基板 |
| US08/898,880 US6071592A (en) | 1996-04-12 | 1997-07-23 | Metal-ceramic composite substrate |
| EP19970305683 EP0895284B1 (en) | 1996-04-12 | 1997-07-29 | Process for manufacturing metal-ceramic composite circuit substrates |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11436796A JP3890539B2 (ja) | 1996-04-12 | 1996-04-12 | セラミックス−金属複合回路基板 |
| US08/898,880 US6071592A (en) | 1996-04-12 | 1997-07-23 | Metal-ceramic composite substrate |
| EP19970305683 EP0895284B1 (en) | 1996-04-12 | 1997-07-29 | Process for manufacturing metal-ceramic composite circuit substrates |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2005126858A Division JP4584764B2 (ja) | 2005-04-25 | 2005-04-25 | セラミックス−金属複合回路基板の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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