JPH03145748A

JPH03145748A - セラミックス回路基板

Info

Publication number: JPH03145748A
Application number: JP28571189A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Matsuura; 一也松浦; Hiroshi Takamichi; 博高道; Hiroshi Miyama; 深山　弘
Original assignee: Narumi China Corp
Current assignee: Narumi China Corp
Priority date: 1989-10-31
Filing date: 1989-10-31
Publication date: 1991-06-20
Anticipated expiration: 2010-08-16
Also published as: JPH0777246B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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■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
に発生ず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６
４−８７６４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−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］」二連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」−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。

この発明は、従来のような課題を取り除くことを目的と
する。

［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
上に所定の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、前記金属板が、前記接合面の反
対側の面で外周縁に添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］前記金属板が、前記接合面の反対側の面で外周縁に添っ
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
内側に講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講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４１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
照にして説明する。

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１６
５℃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、比敦例は
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１１．５Ｋ
ｇ／開２で、溝のない場合の最大値２３．６Ｋｇ／　＋
ｎ＋＋＋２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／
ｌ１ｌＩ１１２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。

溝の形成は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、エツチング液（例えば、金属シ
ートが銅であればＦｅＣｌ３　＋ＨＣＩを用いる）でエ
ツチングして第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、パターン形成と講形成は
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０．５關の範
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ｔ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４３ｍｍｘヨコ３０ｍｍ、
厚み０．６４開である。

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、脱リン酸銀
等を用いても同様の結果を得た。

［具体例２］セラミック基板として、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４３關×ヨコ３
０關、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
銅鋼の厚みが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、また窒化アルミニウム、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は上記のエツチング法の他に、
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
縁に添った内側で、接合面の反対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ＸＸ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】

（１）セラミックス基板上に所定の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
属板が、前記接合面の反対側の面で外周縁に添った内側
に溝を備えたことを特徴とするセラミックス回路基板。