JP2911644B2 - 回路基板 - Google Patents
回路基板Info
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- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
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- H05K3/38—Improvement of the adhesion between the insulating substrate and the metal
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- Structure Of Printed Boards (AREA)
- Manufacturing Of Printed Wiring (AREA)
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、回路基板、詳しくはセ
ラミックス基板のクラック発生とその進行を抑制するこ
とを目的とした金属回路とセラミックス基板との接合体
からなる回路基板に関する。
ラミックス基板のクラック発生とその進行を抑制するこ
とを目的とした金属回路とセラミックス基板との接合体
からなる回路基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、ロボットやモーター等の産業機器
の高性能化に伴い、大電力・高能率インバーターなど大
電力モジュールの変遷が進んでおり、半導体素子から発
生する熱も増加の一途をたどっている。この熱を効率よ
く放散するため、大電力モジュール基板では従来よりさ
まざまな方法がとられてきた。とくに最近、良好な熱伝
導率を有するセラミックス基板の出現により、基板上に
金属板を接合して回路を形成後、そのまま金属板上に半
導体素子を搭載する構造も採用されている。
の高性能化に伴い、大電力・高能率インバーターなど大
電力モジュールの変遷が進んでおり、半導体素子から発
生する熱も増加の一途をたどっている。この熱を効率よ
く放散するため、大電力モジュール基板では従来よりさ
まざまな方法がとられてきた。とくに最近、良好な熱伝
導率を有するセラミックス基板の出現により、基板上に
金属板を接合して回路を形成後、そのまま金属板上に半
導体素子を搭載する構造も採用されている。
【０００３】従来より、金属とセラミックスを接合する
方法には様々な方法があるが、とくに回路基板の製造と
いう点からはMo−Mn法、活性金属ろう付法（以下、単に
活性金属法という）、硫化銅法、DBC 法、銅メタライズ
法があげられる。これらの中で大電力モジュール基板の
製造では、現在、金属として銅を用い、セラミックスと
の接合方法として活性金属法又はDBC 法を用いることが
主流となっており、さらに高熱伝導性を有する窒化アル
ミニウムを絶縁基板として使用することが普及しつつあ
る。
方法には様々な方法があるが、とくに回路基板の製造と
いう点からはMo−Mn法、活性金属ろう付法（以下、単に
活性金属法という）、硫化銅法、DBC 法、銅メタライズ
法があげられる。これらの中で大電力モジュール基板の
製造では、現在、金属として銅を用い、セラミックスと
の接合方法として活性金属法又はDBC 法を用いることが
主流となっており、さらに高熱伝導性を有する窒化アル
ミニウムを絶縁基板として使用することが普及しつつあ
る。
【０００４】従来の銅板と窒化アルミニウム基板を接合
する方法としては、銅板と窒化アルミニウム基板との間
に活性金属を含むろう材を介在させ、加熱処理し接合体
を形成する活性金属法（たとえば特開昭60-177634 号公
報）や、銅板と表面を酸化処理してなる窒化アルミニウ
ム基板とを銅の融点以下、Cu2O-Oの共晶温度以上で加熱
接合するDBC 法（たとえば特開昭56-163093 号公報）な
どが知られている。
する方法としては、銅板と窒化アルミニウム基板との間
に活性金属を含むろう材を介在させ、加熱処理し接合体
を形成する活性金属法（たとえば特開昭60-177634 号公
報）や、銅板と表面を酸化処理してなる窒化アルミニウ
ム基板とを銅の融点以下、Cu2O-Oの共晶温度以上で加熱
接合するDBC 法（たとえば特開昭56-163093 号公報）な
どが知られている。
【０００５】活性金属法はDBC 法に比べて、 （１）接合処理温度が低いので、AlN-Cuの熱膨張差によ
って生じる残留応力が小さい。 （２）接合層が延性金属であるので、ヒートショックや
ヒートサイクルに対して耐久性が良好である。 などの利点があるが、最近のパワーモジュールの用途拡
大によって、使用条件が一段と厳しくなってきたのに伴
いさらに高い信頼性が要求されるにおよび、これまでの
ヒートサイクルとヒートショックの耐久性程度では十分
に対応しきれなくなってきている。
って生じる残留応力が小さい。 （２）接合層が延性金属であるので、ヒートショックや
ヒートサイクルに対して耐久性が良好である。 などの利点があるが、最近のパワーモジュールの用途拡
大によって、使用条件が一段と厳しくなってきたのに伴
いさらに高い信頼性が要求されるにおよび、これまでの
ヒートサイクルとヒートショックの耐久性程度では十分
に対応しきれなくなってきている。
【０００６】そこで、金属回路とセラミックス基板との
接合体を形成するに際し、意図的に非接合部を設けるこ
とによって接合面積を減らし、もって界面に生じる熱応
力を小さくして上記耐久性を改善しようとする提案があ
る（特開昭61-176142 号公報）。しかし、この方法では
非接合部に溜まったエッチング液やメッキ液を除去する
のが困難なために歩留りが低下する上に、DBC法では非
接合部を設けるために金属板に特殊な加工をしなければ
ならないという問題がある。
接合体を形成するに際し、意図的に非接合部を設けるこ
とによって接合面積を減らし、もって界面に生じる熱応
力を小さくして上記耐久性を改善しようとする提案があ
る（特開昭61-176142 号公報）。しかし、この方法では
非接合部に溜まったエッチング液やメッキ液を除去する
のが困難なために歩留りが低下する上に、DBC法では非
接合部を設けるために金属板に特殊な加工をしなければ
ならないという問題がある。
【０００７】一方、セラミックス基板に近い熱膨張係数
を有する特殊な金属を用いる提案もあるが（例えば特開
昭63-140540 号公報など）、そのようなクラッド材やモ
リブデン等の金属は高価で加工が難しく、通常のエッチ
ングができないことを考えると、非常に限られた特殊用
途にしか使用できないという問題がある。
を有する特殊な金属を用いる提案もあるが（例えば特開
昭63-140540 号公報など）、そのようなクラッド材やモ
リブデン等の金属は高価で加工が難しく、通常のエッチ
ングができないことを考えると、非常に限られた特殊用
途にしか使用できないという問題がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、上記問
題点を解決するために鋭意検討した結果、金属回路にス
リットを入れることによりクラックの発生とその進行を
抑制できることを見い出し本発明を完成したものであ
る。
題点を解決するために鋭意検討した結果、金属回路にス
リットを入れることによりクラックの発生とその進行を
抑制できることを見い出し本発明を完成したものであ
る。
【０００９】
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、ス
リットを有する金属回路とセラミックス基板との接合体
からなることを特徴とする回路基板である。
リットを有する金属回路とセラミックス基板との接合体
からなることを特徴とする回路基板である。
【００１０】以下、さらに詳しく本発明について説明す
る。
る。
【００１１】本発明の最大の特徴は、従来用いられてい
る材料や工程を殆んど変更することなしに、回路パター
ンの一部にスリットを加えるだけでクラックの発生とそ
の進行の抑制に大きな効果をあげたことである。
る材料や工程を殆んど変更することなしに、回路パター
ンの一部にスリットを加えるだけでクラックの発生とそ
の進行の抑制に大きな効果をあげたことである。
【００１２】本発明でいうスリットとは、金属回路に設
けられた切り込み部分のことであり、長さ１mm以上、幅
0.２mm以上であるものが望ましい。また端部から切り込
まれていない孔であってもよい。さらに好ましくは、長
さは1.５mm以上特に２mm以上であり、幅は厚さ１００μ
m 以上の金属板の場合には0.３mm以上特に0.４mm以上で
ある。
けられた切り込み部分のことであり、長さ１mm以上、幅
0.２mm以上であるものが望ましい。また端部から切り込
まれていない孔であってもよい。さらに好ましくは、長
さは1.５mm以上特に２mm以上であり、幅は厚さ１００μ
m 以上の金属板の場合には0.３mm以上特に0.４mm以上で
ある。
【００１３】本発明において、スリットを設ける位置に
ついては特に限定しないが、熱応力が大きくなる部分、
例えば長い回路パターンの長手方向の端部や電極等の半
田付け部に設けるのが望ましい。
ついては特に限定しないが、熱応力が大きくなる部分、
例えば長い回路パターンの長手方向の端部や電極等の半
田付け部に設けるのが望ましい。
【００１４】スリットの形成方法としては、打ち抜き金
属板を用いる方法やエッチングによる方法等が採用され
る。打ち抜き金属板を用いる場合はあまり細長いスリッ
トを設けることは難しいので、比較的形成容易な長さの
スリットを数個にして回路パターン端部や内部に設ける
のが望ましい。また、エッチング法によって回路パター
ンを形成する場合も同様であり、その際のスリットの数
や長さ、幅等の上限は必要に応じて適宜定めることがで
きる。
属板を用いる方法やエッチングによる方法等が採用され
る。打ち抜き金属板を用いる場合はあまり細長いスリッ
トを設けることは難しいので、比較的形成容易な長さの
スリットを数個にして回路パターン端部や内部に設ける
のが望ましい。また、エッチング法によって回路パター
ンを形成する場合も同様であり、その際のスリットの数
や長さ、幅等の上限は必要に応じて適宜定めることがで
きる。
【００１５】金属回路を形成するのに使用される金属板
の材質については特に制限はなく、通常は、銅、ニッケ
ル、銅合金、ニッケル合金が用いられる。また、その厚
みについても特に制限はなく、通常、金属箔といわれて
いる肉厚の薄いものでも使用可能であり、0.１〜1.２mm
のものが好ましい。
の材質については特に制限はなく、通常は、銅、ニッケ
ル、銅合金、ニッケル合金が用いられる。また、その厚
みについても特に制限はなく、通常、金属箔といわれて
いる肉厚の薄いものでも使用可能であり、0.１〜1.２mm
のものが好ましい。
【００１６】本発明で使用されるセラミックス基板の材
質についても特に制限はなく、窒化アルミニウム（Al
N)、窒化ケイ素（Si3N4)、酸化アルミニウム（Al2O3)、
ムライト等から選ばれた少なくとも一種又は二種以上を
主成分とするものがあげられ、中でも熱伝導率の大きい
窒化アルミニウムが好ましい。
質についても特に制限はなく、窒化アルミニウム（Al
N)、窒化ケイ素（Si3N4)、酸化アルミニウム（Al2O3)、
ムライト等から選ばれた少なくとも一種又は二種以上を
主成分とするものがあげられ、中でも熱伝導率の大きい
窒化アルミニウムが好ましい。
【００１７】金属回路又は金属板とセラミックス基板と
の接合体を得る際の接合方法としては、上記したDBC 法
や活性金属法等を採用することができる。
の接合体を得る際の接合方法としては、上記したDBC 法
や活性金属法等を採用することができる。
【００１８】
【作用】スリットを加えた部分の金属回路は、回路が分
割された場合と同じ状態になり、熱膨張の絶対値も分割
されて小さくなるので、熱応力も小さくなる。従ってク
ラックの発生が抑制され、発生しても進行しにくくな
る。
割された場合と同じ状態になり、熱膨張の絶対値も分割
されて小さくなるので、熱応力も小さくなる。従ってク
ラックの発生が抑制され、発生しても進行しにくくな
る。
【００１９】一般に、発生するクラックには、セラミッ
クス基板の厚み方向にも進行する垂直クラックと、厚み
方向にはあまり進行せずに主にセラミックス基板面と平
行に進行する水平クラックとがある。垂直クラックは、
特に大きな応力が発生した場合や応力が急激に発生した
場合、さらには衝撃を受けた場合等に生じやすく、他の
場合には水平クラックが生じやすい。水平クラックは回
路パターンの端部に沿って発生・進行して行く。半田付
け部等特にクラックが発生しやすい箇所の周囲に回路パ
ターンの沿面に垂直方向にスリットを入れておけば、ク
ラックがパターン端部に沿って進行する際に、スリット
部を回り込むために進行のエネルギーが分散され、クラ
ックが進行しにくくなる。
クス基板の厚み方向にも進行する垂直クラックと、厚み
方向にはあまり進行せずに主にセラミックス基板面と平
行に進行する水平クラックとがある。垂直クラックは、
特に大きな応力が発生した場合や応力が急激に発生した
場合、さらには衝撃を受けた場合等に生じやすく、他の
場合には水平クラックが生じやすい。水平クラックは回
路パターンの端部に沿って発生・進行して行く。半田付
け部等特にクラックが発生しやすい箇所の周囲に回路パ
ターンの沿面に垂直方向にスリットを入れておけば、ク
ラックがパターン端部に沿って進行する際に、スリット
部を回り込むために進行のエネルギーが分散され、クラ
ックが進行しにくくなる。
【００２０】
【実施例】以下、実施例と比較例をあげてさらに具体的
に説明する。
に説明する。
【００２１】実施例１〜９ 比較例１〜５ 市販の窒化アルミニウム基板とアルミナ基板（いずれも
35mm×60mm×0.5 mm）を用い、DBC 法の場合にはタフピ
ッチ銅板を、また活性金属法の場合には無酸素銅板を接
合し表１に示す接合体を製造した。
35mm×60mm×0.5 mm）を用い、DBC 法の場合にはタフピ
ッチ銅板を、また活性金属法の場合には無酸素銅板を接
合し表１に示す接合体を製造した。
【００２２】接合条件は、DBC 法では温度1050℃、真空
度1.0 ×10-6torrとし、一方、活性金属法の実施例３
（Zr−Ag−Cu系ろう材を使用）では900 ℃の温度で、ま
た他の活性金属法（Ti−Ag−Cu系ろう材を使用）では88
0 ℃の温度で、それぞれ真空度を1.0 ×10-6torrとし
た。なお、DBC 法で用いた窒化アルミニウム基板はあら
かじめ大気中で加熱して表面酸化されたものである。
度1.0 ×10-6torrとし、一方、活性金属法の実施例３
（Zr−Ag−Cu系ろう材を使用）では900 ℃の温度で、ま
た他の活性金属法（Ti−Ag−Cu系ろう材を使用）では88
0 ℃の温度で、それぞれ真空度を1.0 ×10-6torrとし
た。なお、DBC 法で用いた窒化アルミニウム基板はあら
かじめ大気中で加熱して表面酸化されたものである。
【００２３】DBC 法ではセラミックス基板と同じ大きさ
の銅板を両面に接合し、レジスト印刷後塩化第二鉄溶液
でエッチングし、図１に示す回路パターンを形成した。
スリットなしの比較例の場合は、図１（ａ）の回路面の
かわりに図２の回路を用いた。活性金属法では、活性金
属を含むろう材ペーストを打ち抜き銅板に塗布して100
℃で乾燥後セラミックス基板に接合して回路パターンと
した。回路はDBC 法と同じにした。
の銅板を両面に接合し、レジスト印刷後塩化第二鉄溶液
でエッチングし、図１に示す回路パターンを形成した。
スリットなしの比較例の場合は、図１（ａ）の回路面の
かわりに図２の回路を用いた。活性金属法では、活性金
属を含むろう材ペーストを打ち抜き銅板に塗布して100
℃で乾燥後セラミックス基板に接合して回路パターンと
した。回路はDBC 法と同じにした。
【００２４】得られた接合体は、いずれも無電解Ni−Ｐ
メッキを５μm施してヒートショック及びヒートサイク
ルの試験をした。その結果を表２に示す。
メッキを５μm施してヒートショック及びヒートサイク
ルの試験をした。その結果を表２に示す。
【００２５】ヒートショック試験は、０℃の液中に10分
間浸漬後100℃に15分間浸漬するのを１サイクルとし、3
0サイクル実施した。ヒートサイクル試験の条件は、−4
0℃で30分間冷却後25℃に30分間放置、その後125 ℃の
気中で30分間加熱してから25℃に30分間放置するのを１
サイクルとし、50サイクル行なった。
間浸漬後100℃に15分間浸漬するのを１サイクルとし、3
0サイクル実施した。ヒートサイクル試験の条件は、−4
0℃で30分間冷却後25℃に30分間放置、その後125 ℃の
気中で30分間加熱してから25℃に30分間放置するのを１
サイクルとし、50サイクル行なった。
【００２６】上記試験終了後、外観を観察して垂直クラ
ックの有無や回路パターンの剥離を調べ、クラックや剥
離のないものについてはさらに硝酸とフッ酸の１：１の
混酸に浸漬して回路を溶解剥離してセラミックス基板の
水平クラックをカラーチェック法で調べた。
ックの有無や回路パターンの剥離を調べ、クラックや剥
離のないものについてはさらに硝酸とフッ酸の１：１の
混酸に浸漬して回路を溶解剥離してセラミックス基板の
水平クラックをカラーチェック法で調べた。
【００２７】
【表１】
【００２８】
【表２】
【００２９】表１と表２から明らかなように、窒化アル
ミニウム基板を用いた実施例１〜５は、比較例１〜３に
比べて、ヒートショック試験、ヒートサイクル試験共に
クラックの発生とその進行が抑えられていることがわか
る。また、アルミナ基板を用いた実施例６〜９において
も比較例４と５に比べてクラックが生じにくくなってい
る。さらには特に重大な欠陥である垂直クラックについ
ては、実施例１〜９ではいずれも発生していない。
ミニウム基板を用いた実施例１〜５は、比較例１〜３に
比べて、ヒートショック試験、ヒートサイクル試験共に
クラックの発生とその進行が抑えられていることがわか
る。また、アルミナ基板を用いた実施例６〜９において
も比較例４と５に比べてクラックが生じにくくなってい
る。さらには特に重大な欠陥である垂直クラックについ
ては、実施例１〜９ではいずれも発生していない。
【００３０】
【発明の効果】本発明によれば、特殊な材料の使用や工
程を変更することなしに、ヒートサイクルとヒートショ
ックの耐久性を著しく向上させた回路基板となる。
程を変更することなしに、ヒートサイクルとヒートショ
ックの耐久性を著しく向上させた回路基板となる。
【図１】 本発明の回路基板の一例を示す平面図であ
り、（ａ）は回路面、（ｂ）は裏面である。
り、（ａ）は回路面、（ｂ）は裏面である。
【図２】 比較例の回路基板の回路面を示す平面図であ
る。
る。
１：セラミックス基板 ２：金属回路 ３：金属板 ４：スリット
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−68157（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−120886（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−145748（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H05K 1/02 H01L 23/12 H01L 23/14 H01L 23/373 H05K 3/20
Claims (1)
- 【請求項１】 スリットを有する金属回路とセラミック
ス基板との接合体からなることを特徴とする回路基板。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3142644A JP2911644B2 (ja) | 1991-05-20 | 1991-05-20 | 回路基板 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3142644A JP2911644B2 (ja) | 1991-05-20 | 1991-05-20 | 回路基板 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04343287A JPH04343287A (ja) | 1992-11-30 |
| JP2911644B2 true JP2911644B2 (ja) | 1999-06-23 |
Family
ID=15320150
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3142644A Expired - Fee Related JP2911644B2 (ja) | 1991-05-20 | 1991-05-20 | 回路基板 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2911644B2 (ja) |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100277204B1 (ko) * | 1998-07-24 | 2001-01-15 | 김충섭 | 질화규소와 탄소강의 접합방법 |
| DE10212495B4 (de) | 2002-03-21 | 2004-02-26 | Schulz-Harder, Jürgen, Dr.-Ing. | Verfahren zum Herstellen eines Metall-Keramik-Substrats, vorzugsweise eines Kupfer-Keramik-Substrats |
| EP1487759B1 (de) * | 2002-03-13 | 2007-05-23 | Electrovac AG | Verfahren zum herstellen eines metal-keramik-subtrats, vorzugsweise eines kupfer-keramik-substrats |
| JP4401096B2 (ja) | 2003-03-26 | 2010-01-20 | Ｄｏｗａホールディングス株式会社 | 回路基板の製造方法 |
| JP2006028018A (ja) * | 2005-08-01 | 2006-02-02 | Dowa Mining Co Ltd | Ａｌ−セラミックス複合基板 |
| JP2007165588A (ja) * | 2005-12-14 | 2007-06-28 | Omron Corp | パワーモジュール構造及びこれを用いたソリッドステートリレー |
| JP5167977B2 (ja) * | 2007-09-06 | 2013-03-21 | 日亜化学工業株式会社 | 半導体装置 |
| JP5664517B2 (ja) * | 2011-10-06 | 2015-02-04 | トヨタ自動車株式会社 | 通電加熱式触媒装置 |
| JP5765221B2 (ja) * | 2011-12-28 | 2015-08-19 | トヨタ自動車株式会社 | 通電加熱式触媒装置及びその製造方法 |
| JP6456182B2 (ja) * | 2015-02-24 | 2019-01-23 | 株式会社三社電機製作所 | 銅貼り基板 |
| CN108191449B (zh) * | 2018-01-03 | 2021-04-27 | 上海富乐华半导体科技有限公司 | 一种铜-氧化铝陶瓷基板及其制备方法 |
-
1991
- 1991-05-20 JP JP3142644A patent/JP2911644B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04343287A (ja) | 1992-11-30 |
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| JP3260224B2 (ja) | 回路基板の製造方法 |
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