JP2000349400A - 回路基板 - Google Patents

回路基板

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JP2000349400A
JP2000349400A JP15763399A JP15763399A JP2000349400A JP 2000349400 A JP2000349400 A JP 2000349400A JP 15763399 A JP15763399 A JP 15763399A JP 15763399 A JP15763399 A JP 15763399A JP 2000349400 A JP2000349400 A JP 2000349400A
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circuit board
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alloy
heat sink
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JP15763399A
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English (en)
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Yasuto Fushii
康人 伏井
Masanori Hisamoto
雅則 久本
Nobuyuki Yoshino
信行 吉野
Yoshihiko Tsujimura
好彦 辻村
Katsunori Terano
克典 寺野
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Denka Co Ltd
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Denki Kagaku Kogyo KK
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Abstract

(57)【要約】 【課題】安価かつ安定に電気的信頼性の高い回路基板を
提供すること。 【解決手段】セラミックス基板(1)の表面に回路
(2)、裏面に放熱板(3)が形成されてなる回路基板
において、回路又は放熱板とセラミックス基板とが接し
ている回路及び放熱板の周囲底部には、幅(W)1〜1
00μm、長さ(L)100μm以上、かつL/W≧2の
突起状(41)・窪み状(42)等の変形部(4)がな
いことを特徴とする回路基板。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、パワーモジュール
等に使用される、部分放電の発生し難い回路基板に関す
るものである。
【0002】
【従来の技術】従来、パワーモジュール等に利用される
半導体装置においては、アルミナ、ベリリア、窒化ケイ
素、窒化アルミニウム等のセラミックス基板の表面と裏
面に、Cu、Al、それらの金属を成分とする合金等の
回路と放熱板とがそれぞれ形成されてなる回路基板が用
いられている。このような回路基板は、樹脂と金属との
複合基板又は樹脂基板よりも、高絶縁性が安定して得ら
れることが特長である。
【0003】セラミックス基板と回路又は放熱板の接合
方法としては、大別してろう材を用いたろう付け法と、
ろう材を用いない方法がある。後者の代表的な例は、タ
フピッチ銅板とアルミナをCu−Oの共晶点を利用して
接合するDBC法である。
【0004】回路基板の使用される電圧は、1.2〜
1.5kV程度から、3.3〜4.5kV、更には6〜10
kVへと著しく高められてきており、回路基板にも電気的
信頼性が求められるようになってきた。ここで、電気的
信頼性とは、高電圧下における耐絶縁性と部分放電の難
発生性のことである。耐絶縁性については、窒化アルミ
ニウム基板又は窒化ケイ素基板を用いることによって対
応することができるが、部分放電難発生性に対しては、
10pC以下の非常に小さな放電電荷が要求されており、
まだ十分な解決法はないのが現状である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】部分放電の難発生性
は、セラミックス基板の絶縁性のみで解決できる問題で
はなく、放電する回路との関わりが重要である。セラミ
ックス基板に徒に高絶縁性を求めるのではなく、放電部
位、すなわち電界集中部をなくすことが最も現実的かつ
重要な解決方法である。
【0006】このような観点からのアプローチは、当該
技術分野においてはむしろ常識とも言えるが、その具体
的な方策として、実際の回路基板について、どの因子を
どこまで制御したらよいかについては、よく知られてい
ない。
【0007】本発明は、このような状況に鑑みてなされ
たものであり、パワーモジュール用回路基板の電気的信
頼性を高めることを目的とするものである。
【0008】
【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(1)の表面に回路(2)、裏面に放熱
板(3)が形成されてなる回路基板において、回路又は
放熱板とセラミックス基板とが接している回路及び放熱
板の周囲底部には、幅(W)1〜100μm、長さ
(L)100μm以上、L/W≧2である突起状(4
1)・窪み状(42)等の変形部(4)がないことを特
徴とする回路基板である。更に、本発明は、この回路基
板において、セラミックス基板の材質が窒化アルミニウ
ム又は窒化ケイ素であり、回路及び放熱板が銅、銅合
金、アルミニウム、アルミニウム合金の単体、又はそれ
を一層として含む積層体であり、回路及び放熱板の沿面
距離が1mm以上で、両者の差が1mm以下(0を含
む)であることを特徴とする回路基板である。
【0009】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら更に詳
しく本発明を説明する。図1は、本発明の回路基板を説
明するための斜視図であり、図2は、変形部の幅(W)
と長さ(L)を測定するための説明図である。
【0010】本発明で使用されるセラミックス基板
(1)としては、アルミナ、ベリリア、炭化珪素、窒化
ホウ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等である。これ
らの中で、高信頼性が求められるパワーモジュールに
は、少なくとも70W/mK以上の熱伝導率を有する窒化ア
ルミニウムや窒化ケイ素が好適である。炭化珪素、酸化
ベリリウム等の材質でもよいが、絶縁性と安全性の点で
劣る。また、セラミックス基板の厚みは、通常0.63
5mmであるが、0.5〜0.3mm程度の薄物でもよ
い。しかし、高電圧下での絶縁耐圧や部分放電難発生性
を著しく高めたいときには、1〜3mmの厚物を用いる
ことが好ましい。
【0011】また、本発明で使用される回路(2)及び
放熱板(3)の材質としては、銅、銅合金、アルミニウ
ム、アルミニウム合金等であり、これらの単体ないしは
これを一層として含むクラッド等の積層体の形態で用い
られる。また、回路及び放熱板の厚みは、通常0.3〜
0.5mmである。
【0012】セラミックス基板に回路及び放熱板を形成
させるには、金属板とセラミックス基板とを接合した
後、エッチングする方法、金属板から打ち抜かれた回路
及び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、行うことができる。
【0013】セラミックス基板に金属板又はパターンを
接合するに際し、金属が銅又は銅合金である場合は、活
性金属ろう付け法(例えば、特開平1−33989号公
報等参照)が好都合である。一方、金属がアルミニウム
又はアルミニウム合金である場合は、Al−Cu系合
金、Al−Si系合金、Al−Si−Mg系、Al−G
e系、Al−Si−Ge系等の接合材を用いて接合する
ことができるが、Al−Cu系合金を使用することが望
ましい。その理由は、次のとおりである。
【0014】まず、Al−Cu系合金は、Al−Si
系、Al−Ge系、あるいはこれらにMgを加えた系に
比べて、高力Al合金や耐熱Al合金として広く普及し
ており、箔化も容易であることからコスト的にも有利で
あることである。
【0015】更には、Al−Cu系合金は、SiやGe
に比べてCuがAl中に均一に拡散し易いため、局部的
な溶融が生じたり、余分なろう材が押し出されてハミダ
シが生じ難く、比較的短時間で安定した接合が可能とな
るからである。
【0016】Al−Cu系合金は、Al、Cuの二成分
合金はもとより、その他の成分を含んでいてもよい。例
えば、Al、Cu以外に、Mg、Zn、In、Mn、C
r、Ti、Bi等の成分を合計で5重量%程度以下を含
んでいてもよい。
【0017】また、Al−Cu系合金のCuの割合は、
1〜6重量%であることが好ましい。1重量%未満で
は、接合温度が高くなってAlの融点に近くなってしま
い、また6重量%超では、接合後のろう材の拡散部が特
に硬くなって回路基板の熱履歴に対して不利となる。好
ましくは1.5〜5重量%である。
【0018】Al−Cu系合金は、箔又は粉末として使
用することができるが、箔が好ましく、特に回路の厚み
に対し1/10〜1/50の厚みであることが好ましい。
1/50未満では、十分な接合が難しくなり、また1/1
0超では回路が硬くなり回路基板の熱履歴に対して不利
となる。特に好ましくは、100μm以下の厚みであっ
て、しかも回路の厚みに対して1/12〜1/40の厚み
である。
【0019】Al−Cu系合金を接合材として用いた場
合の接合温度は、540〜640℃であるが、接合材の
組成によって適正範囲は異なる。Zn、In等の比較的低
融点成分が添加されていたり、CuやMg等の含有量が
比較的多い場合には、600℃以下でも十分接合でき
る。接合温度が640℃をこえると、接合時にろう接欠
陥が生じ易くなるので、好ましくない。
【0020】また、接合時にセラミックス基板面と垂直
方向に1〜50kgf/cm2で加圧することが特に好まし
い。通常、回路基板の製造においては、金属板とセラミ
ックス基板の接合時に重しを載せて加圧することが行わ
れているが、その圧力はせいぜい0.1kgf/cm2程度で
ある。この程度の圧力では、セラミックス基板の比較的
緩やかな反りやうねりにしか金属板は追随できない。こ
れに対し、本発明においては、1〜50kgf/cm2と従来
技術では非常識な高い圧力をかけることが好ましい。こ
れによって、セラミックス基板に特に厳しい平滑度や平
面度を求めることなく、通常のレベルのものでもそのま
ま使用することができ、生産性が向上する。
【0021】Al又はAl合金等は、300〜350℃
で焼き鈍しすることからもわかるように、500℃以上
では非常に柔らかい金属となる。従って、この範囲で加
圧することによってろう接欠陥部(回路又は放熱板に生
じた虫食い現象)は押しつぶされてなくなる。特に、ろ
う接欠陥部を排除することを重要視する場合には、接合
後に400℃以上の温度で加圧しながら再加熱するか、
又は接合後の冷却中に少なくとも400℃以上の温度範
囲で加圧する。
【0022】加圧方向はセラミックス基板に垂直な方向
であり、その方法等は特に限定するものではない。重し
を載せる方法、治具等を用いて機械的に挟み込む方法等
が採用される。
【0023】接合材を用いる場合は、セラミックス基板
側、金属板、又は回路ないしは放熱板のパターン側のど
ちらに配置してもよく、また合金箔は、あらかじめ金属
板又は回路ないしは放熱板のパターンと積層化しておい
てもよい。DBC法では、接合材は必要でない。
【0024】本発明は、このような回路基板において、
高電圧下におかれても部分放電の発生を著しく少なくす
るために、セラミックス基板に形成された回路と放熱板
の周囲底部に、本発明で定義された突起状(41)・窪
み状(42)等のいかなる変形部(4)をも形成させな
いことが特徴である。
【0025】本発明者の検討によれば、部分放電の発生
部位は、セラミックス基板と回路及び放熱板とが接して
いる周囲にあって、直線性ないしは平面性の乱れている
部分に起こることがわかっている。これは、直線性ない
しは平面性の乱れた部分では、いわゆる避雷針効果によ
って電界集中が生じるためであると推察される。従っ
て、鋭く長い突起(41)や、窪み(42)が多いほど
部分放電が発生しやすい。このような変形部(4)を回
路及び放熱板の周囲底部からなくすことによって、放電
電荷を10pC以下程度に抑制することができるようにな
ったものである。
【0026】本発明において、「変形部」とは、セラミ
ックス基板と回路又は放熱板とが接している回路及び放
熱板の周囲底部に形成された、幅(W)1〜100μ
m、長さ(L)100μm以上、かつL/W≧2の突起状
・窪み状等の変形部のことであり、周辺部と比べて相対
的に直線性ないしは平面性の乱れている部分であると定
義される。
【0027】図1〜2には、変形部(4)の一例とし
て、突起状変形部(41)と窪み状変形部(42)を示
した。本発明の回路基板が、接合材を用いて回路及び放
熱板が形成されているときや、あるいは回路や放熱板に
更にメッキが施されているときには、それらの接合層と
メッキ層には上記した変形部を有させないようにしなけ
ればならない。
【0028】図2は、変形部の幅(W)と長さ(L)を
測定するための説明図である。本発明において重要なこ
とは、変形部の幅、すなわち回路及び放熱板の底部にお
ける非直線性の部分と、その長さ、すなわち突起状の場
合は突起部の長さであり、窪み状の場合は窪みの深さで
ある。変形部の高さについては、セラミックス基板と回
路又は放熱板とが接している回路及び放熱板の周囲底部
に少なくとも形成されていると、高電圧下において、部
分放電が発生しやすくなる。
【0029】本発明で定義された変形部を有する現状の
回路基板では、1.2〜1.5kV程度の電圧下では殆ど
実害を生じない。しかしながら、今日、要求されている
3.3〜4.5kV、更には6〜10kVでは、回路基板が
変形部を有すると、部分放電が発生するようになる。
【0030】本発明の回路基板においては、回路及び放
熱板の沿面距離が1mm以上で、両者の差が1mm以下
(0を含む)であることが好ましい。沿面距離が大きい
程、部分放電が発生し難いが、あまり大きいと、回路基
板のサイズが大きくなってしまう。ここで、「沿面距
離」とは、回路又は放熱板のパターンの端部からセラミ
ックスの端部までの最短距離のことである。
【0031】沿面距離の差が小さくなると、端部での電
界強度が小さくなって部分放電は発生し難くなるが、逆
に沿面距離の差が1mm超であると、電界強度が高くな
り、部分放電が発生しやすくなる。好ましい沿面距離の
差は0.8mm以下であり、0mmが最適である。
【0032】本発明のように、回路及び放熱板の周囲部
に変形部を有さない回路基板を製造するには、セラミッ
クス基板と回路及び放熱板とが均一かつ十分に接合され
ていることが重要である。それには、上記した製造技術
を基本とするが、以下、更に説明する。
【0033】窒化アルミニウム基板にAl回路及びAl
放熱板を形成させた回路基板の場合には、接合材とし
て、2017合金のようなAl−Cu系合金箔を用い、
それを窒化アルミニウム基板の両面に配置し、更にその
上にAl板を積層する。この積層体を加圧しながら、A
lの融点(660℃)よりも低い620℃程度で加熱す
る。これによって、接合不良やろう接欠陥をなくして接
合体を製造することができる。この接合体をエッチング
して回路と放熱板を形成させる。
【0034】また、窒化ケイ素基板にCu回路及びCu
放熱板を形成させた回路基板の場合には、Ag−Cu−
Tiの合金箔又はペースト接合材として用い、その積層
体を加圧下、815℃程度の温度で加熱して接合体を
得、それをエッチングすることによって製造することが
できる。
【0035】
【実施例】以下、実施例と比較例をあげて更に具体的に
本発明を説明する。 実施例1〜5 比較例1〜3 使用したセラミックス基板は、表1に示す各厚みのもの
で、大きさは2インチ角である。熱伝導率は、窒化アル
ミニウム基板が170W/mK、窒化ケイ素基板が70W/mK
であり、3点曲げ強度は、窒化アルミニウム基板が40
0MPa、窒化ケイ素基板が800MPaである。回路及び放
熱板を形成させるための金属板は、厚み0.4mmのA
l(>99.9%)、厚さ0.3mmの無酸素銅(C102
0)、又は厚さ0.3mmの無酸素銅と0.02mmの
Ni箔のクラッドである。また、接合材は、Al−4%
Cu合金箔、Al−7%Si合金ペースト、Ag−25%
Cu−2.5%Ti合金箔、Ag−20%Cu−5%Ti
2ペーストを用い、接合時の加圧力と温度を表1に示
した。
【0036】セラミックス基板と金属板とを接合材を介
して重ね、カーボン板(厚さ3mm)に挟んでホットプレ
ス装置によりセラミックス基板と垂直方向に均等に加圧
しながら加熱し、サンドイッチ構造の接合体を製造し
た。次いで、エッチングレジストを、表2に示されるよ
うな、(a)0.8mm、(b)1.5mm、又は(c)
2.3mmの沿面距離となるように塗布した後、FeC
3液でエッチングした。
【0037】実施例2、3では、活性金属を用いて接合
しているため、エッチング後の白板表面に活性金属残り
がないように20%NH4F−15%H22混合温液
(35℃)を10分間吹き付けた。各試料は、無電解Ni
−Pメッキを約3μm施して回路基板とした。
【0038】得られた回路基板について、最大の突起状
変形部と最大の窪み状変形部の幅(W)と長さ(L)を
顕微鏡で60倍に拡大して観察した。次いで、市販の部
分放電測定システム「DAC―6018」を用い、フロ
リナート中、9kVでの放電電荷を測定した。それらの結
果を表2に示す。
【0039】
【表1】
【0040】
【表2】
【0041】表1、2に明らかなように、本発明の実施
例はいずれも9kVでの放電電荷は10pC未満であり、電
気的信頼性の高い回路基板が得られたのに対し、比較例
では、放電電荷が大きく、高電圧での実用には耐え得な
いものであった。
【0042】
【発明の効果】本発明によれば、安価かつ安定に電気的
信頼性の高い回路基板が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の回路基板を説明するための斜視図。
【図2】変形部の幅(W)と長さ(L)を測定するため
の説明図。
【符号の説明】
1 セラミックス基板 2 回路 3 放熱板 4 変形部 41 突起状変形部 42 窪み状変形部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 辻村 好彦 福岡県大牟田市新開町1 電気化学工業株 式会社大牟田工場内 (72)発明者 寺野 克典 福岡県大牟田市新開町1 電気化学工業株 式会社大牟田工場内 Fターム(参考) 5E322 AA11 AB11 EA11 5E338 AA01 AA18 BB63 BB71 CC01 CD01 CD11 EE02 EE11 EE12

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 セラミックス基板(1)の表面に回路
    (2)、裏面に放熱板(3)が形成されてなる回路基板
    において、回路又は放熱板とセラミックス基板とが接し
    ている回路及び放熱板の周囲底部には、幅(W)1〜1
    00μm、長さ(L)100μm以上、L/W≧2である
    突起状(41)・窪み状(42)等の変形部(4)がな
    いことを特徴とする回路基板。
  2. 【請求項2】 セラミックス基板の材質が窒化アルミニ
    ウム又は窒化ケイ素であり、回路及び放熱板が銅、銅合
    金、アルミニウム、アルミニウム合金の単体、又はそれ
    を一層として含む積層体であり、回路及び放熱板の沿面
    距離が1mm以上で、両者の差が1mm以下(0を含
    む)であることを特徴とする請求項1記載の回路基板。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003100965A (ja) * 2001-09-20 2003-04-04 Denki Kagaku Kogyo Kk 回路基板の信頼性評価方法及び回路基板
JP2013069767A (ja) * 2011-09-21 2013-04-18 Mitsubishi Materials Corp パワーモジュール用基板およびその製造方法
JP2013182983A (ja) * 2012-03-01 2013-09-12 Denki Kagaku Kogyo Kk 窒化けい素回路基板およびそれを用いたモジュール
EP2978018A4 (en) * 2013-03-18 2016-11-02 Mitsubishi Materials Corp METHOD FOR PRODUCING A CURRENT MODULE SUBSTRATE
US10199237B2 (en) 2013-03-18 2019-02-05 Mitsubishi Materials Corporation Method for manufacturing bonded body and method for manufacturing power-module substrate

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003100965A (ja) * 2001-09-20 2003-04-04 Denki Kagaku Kogyo Kk 回路基板の信頼性評価方法及び回路基板
JP2013069767A (ja) * 2011-09-21 2013-04-18 Mitsubishi Materials Corp パワーモジュール用基板およびその製造方法
JP2013182983A (ja) * 2012-03-01 2013-09-12 Denki Kagaku Kogyo Kk 窒化けい素回路基板およびそれを用いたモジュール
EP2978018A4 (en) * 2013-03-18 2016-11-02 Mitsubishi Materials Corp METHOD FOR PRODUCING A CURRENT MODULE SUBSTRATE
US9833855B2 (en) 2013-03-18 2017-12-05 Mitsubishi Materials Corporation Method for manufacturing power module substrate
US10199237B2 (en) 2013-03-18 2019-02-05 Mitsubishi Materials Corporation Method for manufacturing bonded body and method for manufacturing power-module substrate

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