JP2000340716A

JP2000340716A - 配線基板

Info

Publication number: JP2000340716A
Application number: JP15097799A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Nakagawa; 彰一仲川
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-05-31
Filing date: 1999-05-31
Publication date: 2000-12-08

Abstract

(57)【要約】【課題】絶縁基板と該基板表面に被着形成される金属板
との熱膨張差により生じるクラックや剥離の発生を抑制
できる配線基板を提供する。【解決手段】セラミックスからなる複数の絶縁層７，８
を積層してなる絶縁基板２の表面２ａに、低抵抗金属を
主体とする金属板３を接合し、絶縁基板２を高熱膨張率
の絶縁層７と低熱膨張率の絶縁層８との積層体によって
構成し、かつ絶縁基板２の少なくとも金属板接合面２ａ
に低熱膨張率の絶縁層８を配設する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子が収容
搭載される半導体素子収納用パッケージや、半導体素子
の他にコンデンサや抵抗体等の各種電子部品が搭載され
る混成集積回路装置等に用いられ、特に、パワーモジュ
ール基板、ＩＧＢＴ基板などの大電流を流すことが可能
な配線導体層を有する配線基板に関するものである。

【０００２】

【従来技術】従来、半導体素子収納用パッケージや混成
集積回路装置等に用いられる配線基板は、一般にアルミ
ナ質焼結体などの電気絶縁性のセラミック焼結体からな
る絶縁基板を用い、その内部および／または表面に、タ
ングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、マンガン（Ｍ
ｎ）等の高融点金属からなる複数の配線導体を配設する
とともに、各配線導体層を絶縁基体内に設けた前記同様
の高融点金属からなるスルーホール導体で接続した構造
を成している。

【０００３】そして、前述のように構成された配線基板
は、例えばその一例である半導体素子収納用パッケージ
では、凹部を有する絶縁基板の凹部底面に半導体素子を
ガラスあるいは樹脂、ろう材などの接着剤を介して接着
固定すると共に、半導体素子の各電極が凹部周辺に位置
する配線導体層にボンディングワイヤを介して電気的に
接続され、蓋体にて半導体素子を気密に封止するものが
知られている。

【０００４】かかる半導体素子を搭載したパッケージ
は、その絶縁基板に設けた配線導体層の一部に半田等か
らなる外部リード端子を外部回路表面に形成されたリー
ド端子と接続することによって外部回路に接続され、半
導体素子は配線導体層、ボンディングワイヤ及び外部リ
ード端子を介して外部回路に電気的に接続されるもので
あった。

【０００５】ところが、前記従来のアルミナ質焼結体を
絶縁基板とする配線基板は、配線導体層及びビアホール
導体を形成するタングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍ
ｏ）の電気抵抗値が４〜８×１０^-6Ω・ｃｍと極めて高
いため、大電流を流すような配線基板、具体的には車載
環境の様な厳しい環境下で使用される配線導体層のさら
なる低抵抗化が望まれているような用途には適用できな
かった。

【０００６】そこで、配線導体層の抵抗値を低減する為
に、銅（Ｃｕ）や銀（Ａｇ）等を主成分とする低抵抗導
体材料を用いて、絶縁基板の表面に厚膜法や無電解めっ
き法により形成するとともに、線幅の広い配線導体層を
形成することが行われているが、かかる方法では配線の
高密度化のために配線パターンの線幅が配線基板の面積
により制限され、一定以上に幅広く形成することができ
ず、しかも、短時間に低コストで充分な厚さの配線導体
層を形成することが困難であった。

【０００７】また、低抵抗金属からなる配線導体層を絶
縁基板と同時焼成によって形成することが考えられる
が、アルミナなどの絶縁基板を構成するセラミックスと
低抵抗金属とは焼成温度が異なる為に、同時焼成するこ
とができなかった。

【０００８】そこで、最近では、銅板（銅箔）やアルミ
ニウム板（アルミニウム箔）等の金属板により形成した
低抵抗配線導体を銀やアルミニウム等のろう材で絶縁基
板表面に接着し、この金属板を大電流用の配線導体層と
して用いることが提案されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、銅、
銀、アルミニウムなどの低抵抗配線材料は、アルミナ、
窒化アルミニウム等のセラミックスに比較して、熱膨張
率が大きい為に、配線導体層の幅が広く、配線長さが長
くなるほど、熱膨張差による変位量の差が大きくなり、
絶縁基板の金属板接合端部に応力が集中して金属板の絶
縁基板への接合時や使用時に半導体素子等の電子部品が
発生する熱によって、長期間使用した場合、金属板と絶
縁基板との接合面の端部に剥離が生じたり、絶縁基板の
金属板接合端部にクラックが生じる問題があった。

【００１０】上記絶縁基板に生じるクラックや剥離は、
配線基板の信頼性のみならず配線導体層を経由した配線
基板の熱放散性をも阻害し、配線基板に搭載される半導
体素子等の電子部品が発生する熱によって前記配線基板
の温度が上昇し、前記半導体素子等の電子部品が誤作動
を起こす恐れがあった。

【００１１】かかる配線導体端部のクラックや剥離を防
止する方法としては、金属板の厚みを低減することが最
も効果的であるが、金属板自体の抵抗の増大、金属板の
温度上昇に伴う配線基板の高熱化などの不具合が生じる
ものであった。また、金属板の配線幅を広げると基板表
面における実装密度が低下してしまうという問題があっ
た。

【００１２】したがって、本発明は、表面に金属板を接
合した絶縁基板に生じるクラックや剥離の発生を防止
し、熱放散性に優れるとともに、セラミック絶縁基板表
面の強度を高めることによって、配線基板の強度をも高
めることができる高信頼性のセラミック配線基板を提供
することを目的とするものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明者は、セラミック
絶縁基板の金属板接合面側の絶縁層の熱膨張率を内部の
それよりも小さくすることによって金属板接合面付近に
圧縮の残留応力を生じせしめ、表面の強度、破壊靭性を
高めることができ、これにより絶縁基板の金属板接合面
側に生じるクラックや剥離を低減できることを見出し、
本発明に至った。

【００１４】すなわち、本発明の配線基板は、セラミッ
クスからなる複数の絶縁層を積層してなる絶縁基板の表
面に、低抵抗金属を主体とする金属板を接合してなるも
のであって、前記絶縁基板を高熱膨張率の絶縁層と低熱
膨張率の絶縁層との積層体によって構成し、かつ前記絶
縁基板の少なくとも前記金属板接合面に前記低熱膨張率
の絶縁層を配設したことを特徴とするものである。

【００１５】また、前記低熱膨張率の絶縁層が、前記高
熱膨張率の絶縁層と同時焼成により形成されてなること
が望ましく、前記絶縁基板の熱膨張率が前記金属板接合
面から内部に向かって連続的または段階的に高くなるこ
とが望ましい。

【００１６】なお、本発明の配線基板は、前記金属板の
厚みが１５μｍ以上である場合に特に有効である。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１〜２は、本発明のセラミック
配線基板の一例について、その概略平面図である図１お
よび概略断面図である図２を基に説明する。

【００１８】図１、２によれば、セラミック配線基板１
はセラミック絶縁基板２の表面２ａの所定の位置に接着
層４を介して金属板３が接合形成されている。また、図
２によれば、セラミック絶縁基板２の表面および／また
は内部には一般の配線回路を形成するためのタングステ
ン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）または銅（Ｃｕ）等のセ
ラミックスと同時焼成が可能な金属を主成分とする配線
回路層５やスルーホール導体６が形成されている。

【００１９】金属板３は、低抵抗金属、例えば、銅（Ｃ
ｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａ
ｌ）、錫（Ｓｎ）および鉛（Ｐｂ）の群から選ばれる少
なくとも１種によって構成され、特に、熱伝導性に優
れ、かつ安価である等の点からは銅（Ｃｕ）が最適であ
る。

【００２０】金属板３は、１Ａ以上、特に１０Ａ以上、
更には５０Ａ以上の大電流を印加するため配線として好
適に用いられるものであり、低抵抗化の点で１５μｍ以
上、特に５０μｍ以上、望ましくは１００μｍ以上、さ
らには２００μｍ以上の厚みを有することが望ましく、
また、セラミック絶縁基板２の表面に活性金属ろうなど
のろう材からなる接着層４を介して接合されている。

【００２１】なお、本発明は、絶縁基板２の金属板３接
合面２ａの金属板３接合部分の面積比率は１０〜９５
％、特に３０〜８０％の場合に特に有効である。

【００２２】一方、セラミック絶縁基板２は、アルミナ
（Ａｌ₂Ｏ₃）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪
素（Ｓｉ₃Ｎ₄）のうちの少なくとも１種を主成分とす
るセラミック焼結体からなることが望ましく、特に、熱
放散性が高く、低コストで製造できる点で、アルミナ
（Ａｌ₂Ｏ₃）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が、さら
に、高熱伝導性が要求されるパワーモジュール基板で
は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を主成分とすることが
望ましい。

【００２３】本発明によれば、配線基板１における絶縁
基板２が、高熱膨張率の絶縁層（以下、高熱膨張層と略
す。）７と低熱膨張率の絶縁層（以下、低熱膨張層と略
す。）８の積層体によって構成され、かつ金属板接合面
２ａに低熱膨張層８を配設することにより、絶縁基板２
の金属板接合面２ａに圧縮応力を発生せしめたことが大
きな特徴である。

【００２４】これにより、アルミナや窒化アルミニウム
のように低強度、低靭性の材料からなる絶縁基板の強度
および靭性を高めることができ、前記絶縁基板２と金属
板３との熱膨張差に起因して生じる絶縁基板２の金属板
接合面２ａに発生するクラックや剥離などを抑制するこ
とができる。

【００２５】なお、本発明によれば、絶縁基板２の金属
板接合面２ａに発生させる圧縮応力は５０ＭＰａ以上、
特に１００ＭＰａ以上、さらに２００ＭＰａ以上である
ことが望ましい。

【００２６】また、低熱膨張層８と高熱膨張層７は、例
えば、セラミックスの主成分としてアルミナを用いた場
合、通常の添加物であるシリカ、マグネシア、カルシア
等のアルミナよりも低熱膨張率を有する成分を添加する
際にはアルミナの含有量を高めること、すなわち低熱膨
張率を有する添加物の添加量を増やすことにより低熱膨
張化することができ、また、クォーツや高熱膨張率を有
するガラス成分を添加することにより高熱膨張化するこ
ともできる。

【００２７】さらに、主成分として窒化アルミニウムを
用いた場合、通常の添加物である希土類元素やアルカリ
土類元素およびアルミナ等の高熱膨張率を有する添加物
の添加量を低減することによって低熱膨張化することが
できる。

【００２８】また、高熱膨張層８と低熱膨張層７とは同
じ主成分からなるセラミックスにて形成することが焼成
の容易性の点で望ましい。

【００２９】さらに、図１の配線基板は高熱膨張層８を
低熱膨張層７で挟持した構成となっており、これによれ
ば、配線基板２自体の反り等の変形や剥離を防止するこ
とができる。

【００３０】なお、本発明によれば、低熱膨張層７およ
び／または高熱膨張層８を複数層形成してもよいが、こ
の場合には各絶縁層の熱膨張率を、絶縁基板２の熱膨張
率が金属板接合面２ａから内部に向かって連続的または
段階的に高くなるように形成すれば、各絶縁層間の熱膨
張差によるクラックや剥離をさらに抑制することができ
る。

【００３１】本発明のセラミック配線基板を製造する方
法は、先ず、２種類以上の成分のセラミック原料粉末
に、それぞれ所望によりアクリル樹脂などの有機バイン
ダ、可塑剤、溶剤等を添加混合してスラリーを調整し、
該スラリーをドクターブレード法、カレンダーロール
法、圧延法等のシート成型によってそれぞれシート状に
成形する。

【００３２】また、各セラミックグリーンシートの所定
位置に打ち抜き加工を施してスルーホールを形成しタン
グステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）および銅（Ｃｕ）
等を含有するセラミックスと同時焼成可能な金属に所定
量の樹脂成分や溶剤等を混合した導体ペーストを充填
し、また、該導体ペーストをスクリーン印刷法によって
印刷塗布し、一般の配線回路層およびビアホール導体を
形成するためパターンを形成した後、焼成によって得ら
れるセラミックスの熱膨張率が低いグリーンシートが表
層となるように積層して所定の温度にて焼成することに
より配線回路層を備えた絶縁基板を作製することができ
る。

【００３３】ここで、低熱膨張層と高熱膨張層とを同時
焼成することによって層間の成分が拡散し絶縁基板の熱
膨張率を連続的に変化させることができる。

【００３４】次に、得られた絶縁基板の低熱膨張層が形
成された表面の所定の位置に、Ｃｕなどの低抵抗金属材
料からなる金属板を活性金属ろうなどのろう材により接
合する。より具体的には、Ｃｕ板をＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系
の活性金属ろうにより接合する場合は、８００〜１１０
０℃の温度で処理することにより接着でき、表面に低抵
抗金属材料からなる金属板を被着形成したセラミック配
線基板を作製することができる。

【００３５】なお、本発明のセラミック配線基板におい
ては、その表面に金属板と接続されるパワー半導体素子
等が実装され、金属板３がパワー半導体素子用の配線層
として機能することができる。また、セラミック配線基
板１の裏面には、アルミニウム、銅、銅−タングステン
等からなるヒートシンク（図示せず。）などの放熱体を
接合することにより、表面に実装されたパワー半導体素
子から発生した熱を絶縁基板２や大電流用の金属板３を
介して前記ヒートシンクに伝達して効率的に放熱させ、
パワー半導体素子等の誤動作の発生を防止することがで
きる。

【００３６】

【実施例】先ず、アルミナ、シリカ、マグネシア、カル
シア等の原料粉末をアルミナの比率が表１となるように
混合し、これに有機バインダ、可塑剤、溶剤を添加混合
してスラリーを調整した。そして、これをドクターブレ
ード法により成形して表１に示す厚さのセラミックグリ
ーンシートを作製した。

【００３７】得られたグリーンシートに、タングステン
を主成分とする粉末にアルミナ粒子を少量添加し、有機
バインダ、可塑剤、溶剤を添加混合した金属ペーストを
スクリーン印刷法によって所定のパターンに印刷塗布し
た。

【００３８】そして、２種類の前記グリーンシートを表
１に示すように組み合わせ、高熱膨張層を低熱膨張層に
て挟持するように位置合わせして積層圧着し、還元性雰
囲気中、１６００℃で焼成して、長さ１５０ｍｍ、幅、
１００ｍｍ、厚さ約０．７５ｍｍ、１．００ｍｍの絶縁
基板を作製した。

【００３９】得られた試料についてスパン１００ｍｍの
３点曲げ試験により抗折強度を測定し表１に示した。

【００４０】得られた導体回路層を備えた絶縁基板に対
して絶縁基板表面に生じている残留応力をＸ線応力測定
法により測定した。測定位置は、後述する基板中央部の
銅板が接合される端部に相当する箇所（中心から５１ｍ
ｍの位置）とし、測定領域は直径０．３ｍｍの領域にて
行った。結果を表１に示した。

【００４１】次に、前記絶縁基板の表面に、長さ１００
ｍｍ、幅５０ｍｍで表１に示す厚さの銅板をＡｇ−Ｃｕ
−Ｔｉからなるろうにより９００℃の温度で接合し、銅
板が基板表面に接合された配線基板を作製した。

【００４２】得られた配線基板の銅板接合部付近の切断
面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）観察により観察し、ク
ラックおよび剥離の有無を確認し、サンプル数５個中ク
ラックが発生した数を表１に示した。

【００４３】また、配線基板に対して、１２５℃にて２
５分間保持した後、−４０℃にて２５分間保持すること
を１サイクルとして最高１０００サイクルまで繰り返す
熱衝撃試験を行い、セラミック絶縁基板にクラックや剥
離が生じるまでのサイクル数を表１に示した。

【００４４】

【表１】

【００４５】表１の結果から明らかなように、表層と内
部層の熱膨張係数差のない試料Ｎｏ．３，６では、接合
時に全ての試料にクラックが発生してしまった。これに
対し、本発明の範囲内の試料ではいずれも接合不良を生
じず、また熱サイクル試験においても６００回以上接続
不良が見られなかった。

【００４６】また、絶縁基板の厚みが同じである試料Ｎ
ｏ．１〜５の抗折強度について比較すると、表層と内部
層の熱膨張係数差のない試料Ｎｏ．３に比べ圧縮応力を
生ぜしめた本発明の試料である試料Ｎｏ．１、２、４、
５の方が高く、同様に試料Ｎｏ．６〜１０についても試
料Ｎｏ．６に比べて試料Ｎｏ．７〜１０の方が高いもの
であった。

【００４７】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明によれば、絶
縁基板の金属板接合面側の熱膨張率を内部よりも低くす
ることにより、配線基板の強度を高めることができると
ともに、前記絶縁基板の金属板接合側表面に圧縮応力を
発生せしめることができ、金属板接合時や使用環境下で
セラミック絶縁基板の金属板接合部付近に生じるクラッ
クや剥離を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の配線基板の一例を示す概略平面図であ
る。

【図２】図１の配線基板の概略断面図である。

【符号の説明】

１配線基板２絶縁基板３金属板４接着層５導体回路層６ビアホール導体７高熱膨張率の絶縁層８低熱膨張率の絶縁層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミックスからなる複数の絶縁層を積層
してなる絶縁基板の表面に、低抵抗金属を主体とする金
属板を接合してなる配線基板において、前記絶縁基板を
高熱膨張率の絶縁層と低熱膨張率の絶縁層との積層体に
よって構成し、かつ前記絶縁基板の少なくとも前記金属
板接合面に前記低熱膨張率の絶縁層を配設したことを特
徴とする配線基板。
【請求項２】前記低熱膨張率の絶縁層が、前記高熱膨張
率の絶縁層と同時焼成により形成されてなることを特徴
とする請求項１記載の配線基板。
【請求項３】前記絶縁基板の熱膨張率が前記金属板接合
面から内部に向かって連続的または段階的に高くなるこ
とを特徴とする請求項１または２記載の配線基板。
【請求項４】前記金属板の厚みが１５μｍ以上であるこ
とを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の配線基
板。