説明

回路基板

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、金属回路と金属放熱板を有するセラミックス基板からなる回路基板の改良に関するものであって、電子部品のパワーモジュール等に使用されるものである。
【0002】近年、ロボット・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等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させるため、大電力モジュール基板では従来より様々な方法が取られてきた。特に最近、良好な熱伝導性を有するセラミックス基板が利用できるようになったため、基板上に銅板等の金属板を接合し、回路を形成後、そのままあるいはメッキ等の処理を施してから半導体素子を実装する構造も採用されつつある。
【0003】金属とセラミックスを接合する方法には種々あるが、回路基板の製造という点からは、Mo−Mn法、活性金属ろう付け法、硫化銅法、DBC法、銅メタライズ法等があげられる。
【0004】特に大電力モジュール基板では、従来のアルミナに変わって高熱伝導性の窒化アルミニウム基板が注目されており、銅板の接合方法としては、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(以下、単に「ろう材」という)を介在させ、加熱処理して接合体とする活性金属ろう付け法(例えば特開昭60-177634 号公報)や、表面が酸化処理された窒化アルミニウム基板と銅板とを銅の融点以下でCu−Oの共晶温度以上で加熱接合するDBC法(例えば特開昭56-163093 号公報)等がある。
【0005】活性金属ろう付け法は、DBC法に比べて以下の利点がある。
(1)接合体を得るための処理温度が低いので、窒化アルミニウム基板と銅板の熱膨張差によって生じる残留応力が小さい。
(2)ろう材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する耐久性が大である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、活性金属ろう付け法を用いても、ヒートショックやヒートサイクル等の熱衝撃、熱履歴によって生じる損傷に対して充分な耐久性があるとはいえず新しい技術の提案が待たれていた。そこで、金属放熱板(通常はセラミックス基板の下面に設けられる)の体積を金属回路(通常はセラミックス基板の上面に設けられる)の体積の50〜90%となるように調整したり(特開昭63-24815号公報)、金属放熱板の厚さを金属回路のそれの50%以下にする(特開平5-170564号公報)ことによってある程度は改善された。
【0007】しかし、これらの技術においては、金属回路と金属放熱板の材質は共に銅であるので、両者の体積を変えることは熱膨張による応力のバランスが異なったものとなる。その結果、接合体自体の耐熱衝撃性は良好となり、金属回路又は金属放熱板が剥離することが少なくなったが、金属放熱板にベース銅板、金属回路に半導体素子をそれぞれ半田付けする際の急激な温度上昇によって接合体の反りの変位が著大となって金属放熱板とベース銅板との間に隙間ができ、その部分が半田付け後にボイドとなる危険性があった。
【0008】本発明者らは、以上のような問題点を解消するために鋭意検討を重ねた結果、このような熱応力は回路パターンの形状に大きく左右され、金属回路とセラミックス基板とが接合している部分と接合していない部分との割合と回路基板の温度変化に対する反り量の変化とに相関があること見いだし、本発明を完成させたものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、セラミックス基板の一方の面に金属回路、他方の面には金属放熱板が設けられてなるものであって、以下の(1)〜(3)の条件を備えてなることを特徴とする回路基板である。
(1)金属回路の厚みが0.3mmよりも大きいこと。
(2)回路基板の長手方向の中央部から±20mmの領域における断面において、金属回路とセラミックス基板とが接合している部分の長さの合計の最小値がセラミックス基板の長さに対して20%以下である箇所があること。
(3)温度−40℃〜300℃に冷却・加熱した場合における反り量が100μm以下であること。
【0010】以下、さらに詳しく本発明について説明すると、本発明で使用されるセラミックス基板としては、窒化アルミニウム基板、ベリリア基板、アルミナ基板等をあげることができるが、中でも窒化アルミニウム基板が好ましく、その焼結密度は、機械的強度及び電気特性の点から相対密度95%以上であることが望ましい。セラミックス基板の厚みとしては、0.4〜0.7mm程度が好ましい。
【0011】一方、金属回路及び/又は金属放熱板としては、銅、アルミニウム、タングステン、モリブデン等が使用されるが、銅が一般的である。金属回路の厚みとしては、近年、電流密度が増大している傾向から0.3mmよりも厚いことが必要であり、また金属放熱板の厚みは、熱抵抗を下げるために0.2mm以下であることが望ましい。
【0012】セラミックス基板の一方の面に金属回路、他方の面に金属放熱板を設ける方法としては、セラミックス基板と金属板との接合体をエッチングする方法、金属板から打ち抜かれた金属回路及び/又は金属放熱板のパターンをセラミックス基板に接合する方法等によって行うことでき、これらの際における金属板又はパターンとセラミックス基板との接合方法としては、活性金属ろう付け法やDBC法等を採用することができる。
【0013】活性金属ろう付け法におけるろう材の金属成分は、銀と銅を主成分とし、溶融時のセラミックス基板との濡れ性を確保するために活性金属を副成分とする。この活性金属成分は、セラミックス基板と反応して酸化物や窒化物を生成させ、それらの生成物がろう材とセラミックス基板との結合を強固なものにする。活性金属の具体例をあげれば、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、バナジウム及びこれらの化合物である。これらの比率としては、銀69〜75重量部と銅25〜31重量部の合計量100重量部あたり活性金属3〜35重量部である。
【0014】活性金属ろう付け法で使用されるろう材ペーストは、上記ろう材の金属成分に有機溶剤及び必要に応じて有機結合剤を加え、ロール、ニーダ、バンバリミキサー、万能混合器、らいかい機等で混合することによって調整することができる。有機溶剤としては、メチルセルソルブ、テルピネオール、イソホロン、トルエン等、また有機結合剤としては、エチルセルロース、メチルセルロース、ポリメチルメタクリレート等が使用される。なお、金属回路又は金属放熱板の材質がアルミニウムである場合には、上記ろう材である必要はなく、例えばアルミニウムとシリコンを金属成分とするものでも充分である。
【0015】本発明は、このような回路基板において、以下の(1)〜(3)の条件を満たすものである。
(1)金属回路の厚みが0.3mmよりも大きいこと。
(2)回路基板の長手方向の中央部から±20mmの領域における断面において、金属回路とセラミックス基板とが接合している部分の長さの合計の最小値がセラミックス基板の長さに対して20%以下である箇所があること。
(3)温度−40℃〜300℃に冷却・加熱した場合における反り量が100μm以下であること。
【0016】まず、第1の条件は、金属回路の厚みであり、本発明において0.3mmよりも大きくしたのは、近年の電流密度の増大に対応するためである。
【0017】第2の条件は、回路基板の断面において、セラミックス基板の長さ対する金属回路とセラミックス基板との接合部分の長さの合計の最小値の割合(以下、この割合をパターン率という。)が20%以下にしたことである。パターン率が20%をこえると、金属回路とセラミックス基板の熱膨張係数の差による熱応力が大きくなって回路基板の反りが大きくなる。その結果、第3の条件を満たすためには裏面の金属放熱板の厚みを厚くする必要があるので熱衝撃等によって生じる損傷に対する耐久性が著しく低下する。
【0018】パターン率の算出にあたっては、通常、セラミックス基板に金属回路を形成する場合、金属回路の熱膨張から生じる熱応力を直接セラミックス基板に伝播することがないように、セラミックス基板と金属回路との間に非接合部が設けられることがあるが、本発明においては、そのような非接合部も接合部として見做される。
【0019】また、パターン率を算出する回路基板の位置は、図1のXで示されるように、回路基板の長手方向の中央部付近であることが最適であるが、長手方向の中央部から±20mmの範囲内であればよい。
【0020】次に、第3の条件は、温度−40℃〜300℃に冷却・加熱した場合における反り量が100μm以下であるということである。従来技術においては、電気伝導性等の点から、金属回路又は金属放熱板の材質は、無酸素銅又はそれに僅かな酸素を混入させたタフピッチ銅が好ましく使用されているが、このような銅の熱膨張係数は、文献値とほぼ等しく17×10-6/℃であり、セラミックス基板例えば窒化アルミニウム基板の4.5×10-6/℃よりも大きいので回路基板に熱が加えられたときに熱応力が発生していた。
【0021】また、金属回路と金属放熱板の体積比を変える方法においては、金属板とセラミックス基板との接合体の製造時や、得られた回路基板をベース銅板に取りつける等の際、さらにはその使用時に温度差からくる熱衝撃等によって熱応力がかかる機会が多いものであった。
【0022】しかしながら、金属回路の厚みは電流容量を保つために今後はますます厚くなる方向にあり、また金属放熱板は熱抵抗を下げる点からも薄い方が望ましい。しかしながら、従来の技術では、このような構造の回路基板では熱応力が大きくなり耐久性が低下していたが、本発明では、熱応力がセラミックス基板に分散して伝達されるようにするため、第3の条件が必要となるものである。
【0023】
【実施例】以下、本発明を実施例と比較例をあげて具体的に説明する。
実施例1〜2 比較例1〜3銀粉末75重量部、銅粉末25重量部、ジルコニウム粉末5重量部 テルピネオール15重量部及び有機結合剤としてポリイソブチルメタアクリレートのトルエン溶液を固形分で1.5重量部を加えてよく混練し、ろう材ペーストを調整した。このろう材ペーストを51×36×0.65mmの窒化アルミニウム基板の両面にスクリーン印刷によって全面に塗布した。その際の塗布量(乾燥後)は6〜8mg/cm2 とした。
【0024】次に、ろう材ペーストの塗布された窒化アルミニウム基板の一方の面に51×36×0.5mmの金属回路形成用銅板を、そして他方の面には51×36×0.2mmの金属放熱板用銅板をそれぞれ接触配置してから、真空度1×10-5Torr以下の真空下、温度900℃で30分加熱した後、2℃/ 分の速度で冷却して接合体を製造した。
【0025】得られた接合体の銅板上にUV硬化タイプのエッチングレジストをスクリーン印刷で図1及び表1に示す回路パターンに塗布した後、塩化第2銅溶液によりエッチング処理を行って銅板不要部分を溶解除去し、さらにエッチングレジストを5%苛性ソーダ溶液で剥離した。このエッチング処理後の回路基板には、銅回路間等に残留不要ろう材や活性金属成分と窒化アルミニウム基板との反応物があるので、それを除去するため、温度60℃、10%フッ化アンモニウム溶液に10分間浸漬した。
【0026】以上のようにして製作された回路基板についてヒートサイクル(熱衝撃)試験を行った。ヒートサイクル試験は、気中、−40℃×30分保持後、25℃×10分間放置、さらに125℃×30分保持後、25℃×10分間放置を1サイクルとして行い、銅が剥離開始したヒートサイクル回数を測定した。また、温度300℃の空気中で10分間加熱したときの回路基板の反り量を非接触式レーザー変位計で測定した。さらには、温度250℃のリフロー炉中、回路基板を厚さ4mmのベース銅板に無荷重で半田付けを行った後、ボイドを超音波探査機で測定し、ボイド発生率(%)を(ボイド面積/回路基板面積)×100として算出した。これらの結果を表1に示す。
【0027】
【表1】


(注)回路基板の反りの方向は回路面が凹となる方向を+として表示してある。
【0028】
【発明の効果】本発明の回路基板は、温度変化による反りの変位が著しく小さいので、ベース銅板に半田付けする際のボイドの発生が減少し、しかも熱衝撃や熱履歴に対する耐久性すなわち耐ヒートサイクル性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の回路基板の一例を示す上面図である(寸法の単位はmmである)。
【図2】図1の下面図である(寸法の単位はmmである)。
【符号の説明】
1 セラミックス基板
2 金属回路
3 金属放熱板
a パターン幅
b パターン幅
X 最小パターン率(a÷36)を算出した位置

【特許請求の範囲】
【請求項1】 セラミックス基板の一方の面に金属回路、他方の面には金属放熱板が設けられてなるものであって、以下の(1)〜(3)の条件を備えてなることを特徴とする回路基板。
(1)金属回路の厚みが0.3mmよりも大きいこと。
(2)回路基板の長手方向の中央部から±20mmの領域における断面において、金属回路とセラミックス基板とが接合している部分の長さの合計の最小値がセラミックス基板の長さに対して20%以下である箇所があること。
(3)温度−40℃〜300℃に冷却・加熱した場合における反り量が100μm以下であること。

【図1】
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【図2】
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【特許番号】特許第3155874号(P3155874)
【登録日】平成13年2月2日(2001.2.2)
【発行日】平成13年4月16日(2001.4.16)
【国際特許分類】
【出願番号】特願平5−261095
【出願日】平成5年10月19日(1993.10.19)
【公開番号】特開平7−115252
【公開日】平成7年5月2日(1995.5.2)
【審査請求日】平成11年11月26日(1999.11.26)
【出願人】(000003296)電気化学工業株式会社 (1,539)
【参考文献】
【文献】特開 昭63−42152(JP,A)
【文献】特開 平2−208033(JP,A)
【文献】特開 平3−101153(JP,A)