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JPH09315874A - Al−セラミックス複合基板 - Google Patents

Al−セラミックス複合基板

Info

Publication number
JPH09315874A
JPH09315874A JP15476196A JP15476196A JPH09315874A JP H09315874 A JPH09315874 A JP H09315874A JP 15476196 A JP15476196 A JP 15476196A JP 15476196 A JP15476196 A JP 15476196A JP H09315874 A JPH09315874 A JP H09315874A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
substrate
aluminum
ceramic substrate
copper
ceramic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP15476196A
Other languages
English (en)
Inventor
Takashi Zenimori
隆志 銭盛
Michihiro Kosaka
満弘 小坂
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dowa Holdings Co Ltd
Original Assignee
Dowa Mining Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dowa Mining Co Ltd filed Critical Dowa Mining Co Ltd
Priority to JP15476196A priority Critical patent/JPH09315874A/ja
Publication of JPH09315874A publication Critical patent/JPH09315874A/ja
Pending legal-status Critical Current

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  • Ceramic Products (AREA)
  • Manufacturing Of Printed Wiring (AREA)

Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 従来のAl−セラミックス複合基板において
は、Alとセラミックス基板との接合強度が弱く、ヒー
トサイクル耐量が低いという欠点があった。 【解決手段】 Al−セラミックス複合基板において
は、所定の表面粗さを有するセラミックス基板にアルミ
ニウム溶融を直接接合せしめる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、セラミックス基板
にアルミニウム溶湯を直接接合した接合強度の大きいA
l−セラミックス複合基板に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、パワーモジュールのような大電力
電子部品の実装に使用する基板として、セラミックス基
板の表面に銅板を接合して作製された銅張りセラミック
ス複合基板が使用されている。この複合基板は更に、使
用するセラミックス基板の種類やその製造法によって、
銅/アルミナ直接接合基板、銅/窒化アルミニウム直接
接合基板、銅/アルミナろう接基板、及び銅/窒化アル
ミニウムろう接基板に分けられている。
【0003】このうち、銅/アルミナ直接接合基板は、
特開昭52−37914号公報に開示されるように、酸
素を含有する銅板を使用するか、無酸素銅板を使用して
酸化性雰囲気中で加熱することによって無酸素銅板の表
面に酸化銅を発生させてから、銅板とアルミナ基板を重
ねて不活性雰囲気中で加熱し、銅板とアルミナ基板との
界面に銅とアルミニウムとの複合酸化物を生成させ銅板
とアルミナ基板とを接合するものである。
【0004】一方、銅/窒化アルミニウム直接接合基板
の場合には、予め窒化アルミニウム基板の表面に酸化物
を形成する必要がある。例えば特開平3−93687号
公報に開示するように、予め空気中において、約100
0℃の温度で窒化アルミニウム基板を処理し、表面に酸
化物を生成させてから、この酸化物層を介して上述の方
法により銅板と窒化アルミニウム基板とを接合してい
る。
【0005】また銅/アルミナろう接基板及び銅/窒化
アルミニウムろう接基板は、銅板とセラミックス基板と
の間に低触点のろう材を用いて接合するが、この場合、
使用するろう材に銅の他、融点を下げる為の合金元素及
びセラミックスとの濡れを良くする為の合金元素が添加
され、一例としてAg−Cu−Ti系のような活性金属
ろう材はよく使用されている。
【0006】上述のように銅/セラミックス複合基板は
広く使用されるにもかかわらず、製造中及び実用上幾つ
かの問題点がある。その中で最も重大な問題点は、電子
部品の実装及び使用中にセラミックス基板の内部にクラ
ックが形成し、基板の表裏間を電気的に導通することに
よる故障である。
【0007】これは銅の熱膨張係数がセラミックスの係
数より約一桁大きいことに起因するが、接合の場合、セ
ラミックス基板と銅が1000℃近くまで加熱され、接
合温度から室温に冷却する時に、熱膨張係数の違いによ
り複合基板の内部に多大の熱応力が発生する。
【0008】また、パワーモジュール等の電子部品を実
装するときに、銅・セラミックス複合基板は400℃近
くまで加熱されるため、さらに使用環境や使用中の発熱
により、同複合基板の温度が常に変化し、同複合基板に
変動熱応力が掛けられる。これらの熱応力によってセラ
ミックス基板にクラックが発生する。
【0009】近年、電気自動車用パワーモジュールの開
発により、ヒートサイクル耐量の優れた複合基板への要
望が特に高まっており、例えば電気自動車の様に温度変
化が激しく、振動が大きい使用条件の場合、複合基板の
ヒートサイクル耐量が500回以上必要であると言われ
ているが現在使用されている銅・セラミックス複合基板
では、このような要望に対応できない。
【0010】銅と同じような優れた電気と熱伝導性を有
するアルミニウムを導電回路材料として使う構想は以前
からあり、例えば特開昭59−121890号にこのよ
うな構想が記述されている。アルミニウムとセラミック
スとの接合に一般的にろう接法は使用され、特開平3−
125463号、特開平4−12554号及び特開平4
−18746号にろう接法で作製したアルミニウム−セ
ラミックス基板を開示しているが、上述のように高いヒ
ートサイクル耐量が要求される用途には、依然として充
分対応できないものであった。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】上述のように従来の銅
/セラミックス複合基板やアルミニウム材をAl−Si
系ろう材を介して接合したアルミニウム−セラミックス
基板はいずれも自動車用又は電車用パワーモジュール体
として使用するには問題があった。
【0012】本発明はアルミニウム溶湯を特定範囲の表
面粗さを有するセラミックス基板に直接的接合せしめる
ことによって接合強度を高め最終的にヒートサイクル耐
量の高い接合基板を開発することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明者らは斯かる課題
を解決するために鋭意研究したところ使用するセラミッ
クス基板によって表面粗さ(最大表面粗さ)の範囲が異
なるが、特定範囲のセラミックス基板を用いると接合強
度並びにヒートサイクル耐量に富むアルミニウム−セラ
ミックス複合基板を得ることができることを見出し本発
明を提出することができた。
【0014】即ち、本発明の第1は、表面粗さ(最大表
面粗さ)が1.0〜5.0μmRyのセラミックス基板
の片面または両面にアルミニウム溶湯を直接接合せしめ
たことを特徴とするAl−セラミックス複合基板に関す
る。
【0015】本発明の第2は、上記セラミックス基板と
アルミニウム材との接合強度が5.0kg/cm2 以上
であることを特徴とする請求項1記載のAl−セラミッ
クス複合基板に関する。
【0016】
【作用】本発明において使用する基板としては、アルミ
ナ、窒化アルミニウム、炭化硅素、ジルコニア等のセラ
ミックス基板やガラス等であり、この場合、高純度の素
材であればなおさら好ましい。そして、これらの基板の
うち、表面粗さ(最大表面粗さ)が1.0〜5.0μm
Ryの範囲にあるものが特に好ましいが、この理由とし
て1.0μmRaより小さいと溶湯アルミニウムが漏れ
にくくなり、接着強度が弱くなり、逆に5.0μmより
大きくなるとポアーが大きくなって溶湯アルミニウムと
接合する面積が小さくなるので接着強度が不充分となる
ことによる。
【0017】また、本発明でベースとして用いる金属は
アルミニウムの純金属または合金であるが、これにより
導電性が向上し、且つ、軟らかさを得るものである。こ
の場合、純度が高い程導電性が向上するが、逆に価格が
高くなるため本発明では99.9%(3N)の純アルミ
ニウムを使用した。
【0018】この金属とセラミックス基板との接合は溶
融接合法で行ない、これにより高い接合強度と未接欠陥
の少ない複合基板が得られる。また、接合雰囲気として
窒素雰囲気下で行なうことができるため、従来法のよう
に真空下で行なう必要がなく製造コストが安くなり、更
に、窒化アルミニウム基板や炭化硅素基板にも表面改質
することなく直接に接合することができる(第1工
程)。
【0019】上記溶湯接合法で得られた金属−セラミッ
クス複合基板の一主面にエッチングレジストを加熱圧着
し、遮光・現像処理を行なって所望のパターンを形成し
た後、塩化第2鉄溶液にてエッチングを行なって回路を
形成する(第2工程)。
【0020】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明複合
基板(以下、アルミニウム−セラミックス直接接合基板
とする)について詳細に説明する。
【0021】(実施例1)
【0022】図2は本発明のアルミニウム−セラミック
ス直接接合基板を製造するための設備の原理図である。
純度99.9%のアルミニウム2をヒーター7を有する
ルツボ6にセットしてから蓋9をしめて、ケース8の内
部に窒素ガスを充填する。ルツボ6内に設けたガイド一
体型ダイス10の左側入口からセラミックス基板1(3
6mm×52mm×0.685mm)を順番に挿入し
た。
【0023】この場合、セラミックス基板1として表面
粗さ(最大表面粗さ)が1.0〜5.0μmの範囲内に
あるアルミナ基板や窒化アルミニウム基板を選択して用
いた。これらのセラミックス基板1はルツボ6内におい
て、基板両面に純アルミニウム溶湯が接触し、次いで出
口側において凝固されることによって、厚さ0.5mm
のアルミニウム板が接合されたアルミニウム−セラミッ
クス直接接合基板を得た(第1工程)。
【0024】次いで、該接合基板上のアルミニウム部に
エッチングレジストを加熱圧着し、遮光・現像処理を行
なって所望のパターンを形成した後、塩化第2鉄溶液に
てエッチングを行なって図1aに示す回路4を形成した
(第2工程)。
【0025】次いで、得られた上記各接合基板のヒート
サイクル耐性及び接合強度(ピール強度)を調べたとこ
ろ、アルミナ基板及び窒化アルミニウム基板のいずれも
ヒートサイクル耐性を1000回以上でもクラックの発
生は見られず、また接合強度もユーザー指定の5.0k
g/cm2 以上の10〜40kg/cm2 であった。
【0026】なお、図1aにおいて3は電子部品搭載
部、図1bにおいて5は放熱板である。
【0027】
【発明の効果】上述のように本発明に斯かるアルミニウ
ム−セラミックス直接接合基板は、従来の複合基板では
得られなかったヒートサイクル耐性に富み、またそのた
めにある程度の接合強度を併せて確保し、電気自動車や
電車向けのように大電力パワーモジュール基板として特
に好ましいものである。
【図面の簡単な説明】
【図1a】本発明におけるアルミニウム−セラミックス
直接接合基板の模式平面図である。
【図1b】本発明におけるアルミニウム−セラミックス
直接接合基板の模式底面図である。
【図2】本発明接合基板の製造装置の原理図である。
【符号の説明】
1 セラミックス基板 2 アルミニウム 3 電子部品搭載部 4 回路 5 放熱板 6 ルツボ 7 ヒーター 8 ケース 9 蓋 10 ガイド一体型ダイス

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 表面粗さ(最大表面粗さ)が1.0〜
    5.0μmRyのセラミックス基板の片面または両面に
    アルミニウム溶湯を直接接合せしめたことを特徴とする
    Al−セラミックス複合基板。
  2. 【請求項2】 上記セラミックス基板とアルミニウム材
    との接合強度が5.0kg/cm2 以上であることを特
    徴とする請求項1記載のAl−セラミックス複合基板。
JP15476196A 1996-05-28 1996-05-28 Al−セラミックス複合基板 Pending JPH09315874A (ja)

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JP15476196A JPH09315874A (ja) 1996-05-28 1996-05-28 Al−セラミックス複合基板

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JP2005223363A Division JP2006028018A (ja) 2005-08-01 2005-08-01 Al−セラミックス複合基板

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JPH09315874A true JPH09315874A (ja) 1997-12-09

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JP15476196A Pending JPH09315874A (ja) 1996-05-28 1996-05-28 Al−セラミックス複合基板

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008283210A (ja) * 2008-07-14 2008-11-20 Dowa Holdings Co Ltd 金属セラミックス回路基板の製造方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008283210A (ja) * 2008-07-14 2008-11-20 Dowa Holdings Co Ltd 金属セラミックス回路基板の製造方法

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