JP2001007465A - 回路基板 - Google Patents
回路基板Info
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- JP2001007465A JP2001007465A JP11172338A JP17233899A JP2001007465A JP 2001007465 A JP2001007465 A JP 2001007465A JP 11172338 A JP11172338 A JP 11172338A JP 17233899 A JP17233899 A JP 17233899A JP 2001007465 A JP2001007465 A JP 2001007465A
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】機械的、熱的かつ絶縁的に高信頼性があり、パ
ワーモジュール用として好適な回路基板を提供するこ
と。 【解決手段】窒化アルミニウム基板の一方の面にＡｌ又
はＡｌ合金の回路が、また他方の面には必要に応じて放
熱板が形成されてなる回路基板において、上記窒化アル
ミニウム基板が、Ａｌ板又はＡｌ合金板を介して接合さ
れた窒化アルミニウム基板の多層構造体であることを特
徴とする回路基板。
ワーモジュール用として好適な回路基板を提供するこ
と。 【解決手段】窒化アルミニウム基板の一方の面にＡｌ又
はＡｌ合金の回路が、また他方の面には必要に応じて放
熱板が形成されてなる回路基板において、上記窒化アル
ミニウム基板が、Ａｌ板又はＡｌ合金板を介して接合さ
れた窒化アルミニウム基板の多層構造体であることを特
徴とする回路基板。
Description
【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、機械的、熱的かつ絶縁的に高信頼性の
回路基板に関するものである。
等に使用される、機械的、熱的かつ絶縁的に高信頼性の
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、樹脂基板と金属
基板との複合基板ないしは樹脂基板よりも、高絶縁性が
安定して得られることが特長である。
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、樹脂基板と金属
基板との複合基板ないしは樹脂基板よりも、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。
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】しかし、Ｃｕ回路の場合は、セラミックス
や半田との熱膨張差に起因する熱応力の発生は避けられ
ず、繰り返しの熱履歴によってセラミックスや半田にク
ラックが発生し易いため、長期的な信頼性の点で問題が
ある。これに対し、熱伝導性や電気伝導性ではややＣｕ
より劣るものの、Ａｌを回路材質に選定すれば、熱応力
を受けた際に容易に塑性変形し、セラミックス基板や半
田へかかる応力は緩和され、信頼性は飛躍的に改善され
る。
や半田との熱膨張差に起因する熱応力の発生は避けられ
ず、繰り返しの熱履歴によってセラミックスや半田にク
ラックが発生し易いため、長期的な信頼性の点で問題が
ある。これに対し、熱伝導性や電気伝導性ではややＣｕ
より劣るものの、Ａｌを回路材質に選定すれば、熱応力
を受けた際に容易に塑性変形し、セラミックス基板や半
田へかかる応力は緩和され、信頼性は飛躍的に改善され
る。
【０００５】回路基板は、通常、その放熱板の部分をベ
ース板と呼ばれる厚い金属板に半田付けして用いられる
が、セラミックス基板と金属板の熱膨張率の差によって
半田付け後冷却すると反りが生じる。反りは大きなベー
ス板を用いる程大きくなって、半田付けされた回路基板
にはタワミも大きくなる。モジュールとするには、この
ベース板の部分が熱フィンや水冷板にネジ止めされるの
で、更なる繰り返しの加熱・冷却と、大きな曲げ荷重が
加わり、セラミックス基板にクラックやワレが生じ、信
頼性が低下する。
ース板と呼ばれる厚い金属板に半田付けして用いられる
が、セラミックス基板と金属板の熱膨張率の差によって
半田付け後冷却すると反りが生じる。反りは大きなベー
ス板を用いる程大きくなって、半田付けされた回路基板
にはタワミも大きくなる。モジュールとするには、この
ベース板の部分が熱フィンや水冷板にネジ止めされるの
で、更なる繰り返しの加熱・冷却と、大きな曲げ荷重が
加わり、セラミックス基板にクラックやワレが生じ、信
頼性が低下する。
【０００６】今日、回路基板が用いられるＩＧＢＴモジ
ュールの適用範囲は、年々拡大しており、使用される電
圧の範囲も拡がりつつある。例えば、通常の産業機械用
では、モーターの使用電圧に近い１．５kV程度までであ
るが、電車車輌用では、３．３kVであり、更に、高電圧
への適用が検討されている。これらに伴い、回路基板に
は絶縁性が厳しく求められるようになっているが、絶縁
性は基本的にセラミックス固有の特性であるので、これ
を向上させるためには、セラミックス基板を厚くする必
要がある。
ュールの適用範囲は、年々拡大しており、使用される電
圧の範囲も拡がりつつある。例えば、通常の産業機械用
では、モーターの使用電圧に近い１．５kV程度までであ
るが、電車車輌用では、３．３kVであり、更に、高電圧
への適用が検討されている。これらに伴い、回路基板に
は絶縁性が厳しく求められるようになっているが、絶縁
性は基本的にセラミックス固有の特性であるので、これ
を向上させるためには、セラミックス基板を厚くする必
要がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、セラミ
ックス基板を厚くすると、タワミ量が小さくなって熱抵
抗が増大し、一方、大きなタワミ量を持たせて機械的信
頼性を確保するために、薄板のセラミックス基板を用い
ると、絶縁性が低下し、二律背反に陥ってしまう。これ
に対して、窒化ケイ素のような高強度・高靱性材料を絶
縁性の低下なく高熱伝導化して基板材料とする試みもな
されているが、十分とは言えない。
ックス基板を厚くすると、タワミ量が小さくなって熱抵
抗が増大し、一方、大きなタワミ量を持たせて機械的信
頼性を確保するために、薄板のセラミックス基板を用い
ると、絶縁性が低下し、二律背反に陥ってしまう。これ
に対して、窒化ケイ素のような高強度・高靱性材料を絶
縁性の低下なく高熱伝導化して基板材料とする試みもな
されているが、十分とは言えない。
【０００８】本発明は、このような状況に鑑みてなされ
たものであり、その目的は、機械的、熱的かつ絶縁的に
高信頼性のパワーモジュール用回路基板を提供すること
である。
たものであり、その目的は、機械的、熱的かつ絶縁的に
高信頼性のパワーモジュール用回路基板を提供すること
である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、窒
化アルミニウム基板の一方の面にＡｌ又はＡｌ合金の回
路が、また他方の面には必要に応じて放熱板が形成され
てなる回路基板において、上記窒化アルミニウム基板
が、Ａｌ板又はＡｌ合金板を介して接合された窒化アル
ミニウム基板の多層構造体であることを特徴とする回路
基板である。
化アルミニウム基板の一方の面にＡｌ又はＡｌ合金の回
路が、また他方の面には必要に応じて放熱板が形成され
てなる回路基板において、上記窒化アルミニウム基板
が、Ａｌ板又はＡｌ合金板を介して接合された窒化アル
ミニウム基板の多層構造体であることを特徴とする回路
基板である。
【００１０】特に、本発明は、上記窒化アルミニウム基
板の多層構造体において、その厚さが１〜５mm、一層の
Ａｌ板又はＡｌ合金板の厚さが０．１〜２ｍｍ、しかも
抗折強度が４００ＭＰａ以上であることを特徴とするも
のである。更には、回路の厚さをＴ1、多層構造体にお
いて、そのＡｌ板又はＡｌ合金板と放熱板との合計厚さ
をＴ2、その窒化アルミニウム基板の合計厚さをＴ3とし
て、３Ｔ2＞Ｔ3＞Ｔ2＞Ｔ1、であることを特徴とするも
のである。
板の多層構造体において、その厚さが１〜５mm、一層の
Ａｌ板又はＡｌ合金板の厚さが０．１〜２ｍｍ、しかも
抗折強度が４００ＭＰａ以上であることを特徴とするも
のである。更には、回路の厚さをＴ1、多層構造体にお
いて、そのＡｌ板又はＡｌ合金板と放熱板との合計厚さ
をＴ2、その窒化アルミニウム基板の合計厚さをＴ3とし
て、３Ｔ2＞Ｔ3＞Ｔ2＞Ｔ1、であることを特徴とするも
のである。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、更に詳しく本発明について
説明する。
説明する。
【００１２】本発明の大きな特徴は、窒化アルミニウム
基板を、Ａｌ板又はＡｌ合金板（以下、Ａｌ板又はＡｌ
合金板を「Ａｌ板等」ともいう。）を介させた窒化アル
ミニウム基板の多層構造体としたことである。同じ厚さ
の窒化アルミニウム基板を１枚で作製した場合に比べ
て、多層構造体では、１枚の窒化アルミニウム基板の厚
さが薄いので曲げ耐性は向上する。また、Ａｌ板等は、
多くの場合、窒化アルミニウム基板よりも高い熱伝導率
を有しているので熱抵抗の増大は避けられるし、薄板１
枚では得られない高い絶縁性も、これを重ねることで確
保できる。更には、例えば２〜３mm程度の厚い窒化アル
ミニウム基板を安定的に入手するのは現状では困難であ
り、またコスト的にも非常に高価であるのに対して、多
層構造体は、市販の薄い窒化アルミニウム基板をそのま
ま利用することができるので、そのような問題はない。
基板を、Ａｌ板又はＡｌ合金板（以下、Ａｌ板又はＡｌ
合金板を「Ａｌ板等」ともいう。）を介させた窒化アル
ミニウム基板の多層構造体としたことである。同じ厚さ
の窒化アルミニウム基板を１枚で作製した場合に比べ
て、多層構造体では、１枚の窒化アルミニウム基板の厚
さが薄いので曲げ耐性は向上する。また、Ａｌ板等は、
多くの場合、窒化アルミニウム基板よりも高い熱伝導率
を有しているので熱抵抗の増大は避けられるし、薄板１
枚では得られない高い絶縁性も、これを重ねることで確
保できる。更には、例えば２〜３mm程度の厚い窒化アル
ミニウム基板を安定的に入手するのは現状では困難であ
り、またコスト的にも非常に高価であるのに対して、多
層構造体は、市販の薄い窒化アルミニウム基板をそのま
ま利用することができるので、そのような問題はない。
【００１３】本発明で使用される窒化アルミニウム基板
は、その熱伝導率が少なくとも１００Ｗ／ｍＫであるこ
とが好ましく、特に１３０Ｗ／ｍＫ、更には１７０Ｗ／
ｍＫであることが好ましい。
は、その熱伝導率が少なくとも１００Ｗ／ｍＫであるこ
とが好ましく、特に１３０Ｗ／ｍＫ、更には１７０Ｗ／
ｍＫであることが好ましい。
【００１４】多層構造体を構成する１枚の窒化アルミニ
ウム基板の厚みとその枚数は、多層構造体の好適な厚み
が１〜５ｍｍであることを考慮して決定される。あまり
薄いものは製造が難しく、取り扱いも困難であり、ま
た、あまり厚いと熱抵抗が増大し、タワミ耐力が低下す
るので、０．２〜１．５ｍｍの厚さが適当であり、０．
３〜１．３ｍｍ、特に０．４〜１ｍｍが好ましい。この
ような点から、市販の０．６３５ｍｍ品は、最適品の一
例である。
ウム基板の厚みとその枚数は、多層構造体の好適な厚み
が１〜５ｍｍであることを考慮して決定される。あまり
薄いものは製造が難しく、取り扱いも困難であり、ま
た、あまり厚いと熱抵抗が増大し、タワミ耐力が低下す
るので、０．２〜１．５ｍｍの厚さが適当であり、０．
３〜１．３ｍｍ、特に０．４〜１ｍｍが好ましい。この
ような点から、市販の０．６３５ｍｍ品は、最適品の一
例である。
【００１５】一方、多層構造体を構成するＡｌ板等とし
ては、Ａｌ板や、Ａｌ−Ｍｎ系、Ａｌ−Ｍｇ系、Ａｌ−
Ｍｇ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系等のＡｌ合金板が使
用され、Ａｌ合金の一例をあげれば、ＡＡ記号の３００
３、５０５２、６０６２、２０１８等である。その１枚
の厚さは、０．１〜２ｍｍ、特に０．３〜０．６ｍｍで
あることが好ましい。多層構造体の形成法については、
後記する。
ては、Ａｌ板や、Ａｌ−Ｍｎ系、Ａｌ−Ｍｇ系、Ａｌ−
Ｍｇ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系等のＡｌ合金板が使
用され、Ａｌ合金の一例をあげれば、ＡＡ記号の３００
３、５０５２、６０６２、２０１８等である。その１枚
の厚さは、０．１〜２ｍｍ、特に０．３〜０．６ｍｍで
あることが好ましい。多層構造体の形成法については、
後記する。
【００１６】本発明においては、上記多層構造体からな
る窒化アルミニウム基板の一方の面に、Ａｌ又はＡｌ合
金の回路が形成される。その反対面は、多層構造体の繰
り返し単位の違いによって相違するが、Ａｌ板等でもよ
いし、窒化アルミニウム基板のままであってもよい。更
には、この窒化アルミニウム基板に放熱板を形成させた
ものであってもよい。
る窒化アルミニウム基板の一方の面に、Ａｌ又はＡｌ合
金の回路が形成される。その反対面は、多層構造体の繰
り返し単位の違いによって相違するが、Ａｌ板等でもよ
いし、窒化アルミニウム基板のままであってもよい。更
には、この窒化アルミニウム基板に放熱板を形成させた
ものであってもよい。
【００１７】回路又は放熱板の材質は、上記多層構造体
を構成しているＡｌ板等の材質と同じであることが望ま
しい。Ａｌ又はＡｌ合金は、柔らかい金属であり、熱応
力によって容易に塑性変形するので、窒化アルミニウム
基板や半田へかかる応力は緩和され、信頼性は飛躍的に
改善される。Ａｌ又はＡｌ合金の純度は、３Ｎ以上が好
ましく、また回路又は放熱板の厚みは、０．３〜０．６
ｍｍであることが好ましい。
を構成しているＡｌ板等の材質と同じであることが望ま
しい。Ａｌ又はＡｌ合金は、柔らかい金属であり、熱応
力によって容易に塑性変形するので、窒化アルミニウム
基板や半田へかかる応力は緩和され、信頼性は飛躍的に
改善される。Ａｌ又はＡｌ合金の純度は、３Ｎ以上が好
ましく、また回路又は放熱板の厚みは、０．３〜０．６
ｍｍであることが好ましい。
【００１８】一般に、回路基板においては、回路の形状
と、抗折強度やタワミ量とに大きな関連がある。すなわ
ち、回路基板をベース板やシリコンチップに半田付けす
る際の加熱・冷却の熱履歴によって、回路又は放熱板と
窒化アルミニウム基板との熱膨張差に起因した熱応力が
発生し、窒化アルミニウム基板の強度が低下する。発生
する熱応力は、回路又は放熱板の形状によって異なるた
め、抗折強度もその形状に左右される。窒化ケイ素のよ
うにセラミックス自体が高強度であるものは、強度低下
の影響は少ないが、窒化アルミニウムでは、回路又は放
熱板の形状によっては著しい低下が起こり、甚だしい場
合は、１／２〜１／３、あるいはそれ以上に低くなるこ
ともある。
と、抗折強度やタワミ量とに大きな関連がある。すなわ
ち、回路基板をベース板やシリコンチップに半田付けす
る際の加熱・冷却の熱履歴によって、回路又は放熱板と
窒化アルミニウム基板との熱膨張差に起因した熱応力が
発生し、窒化アルミニウム基板の強度が低下する。発生
する熱応力は、回路又は放熱板の形状によって異なるた
め、抗折強度もその形状に左右される。窒化ケイ素のよ
うにセラミックス自体が高強度であるものは、強度低下
の影響は少ないが、窒化アルミニウムでは、回路又は放
熱板の形状によっては著しい低下が起こり、甚だしい場
合は、１／２〜１／３、あるいはそれ以上に低くなるこ
ともある。
【００１９】このような強度低下を避けるためには、窒
化アルミニウム基板の全面にベタ付けしたベタパターン
形状が好ましいが、実際的にはこれに限定する訳にはい
かないので、できるだけこれに準じた形状とする。しか
しながら、熱応力を考慮したこのような形状は、回路設
計を著しく制約し、回路基板やモジュールが大型化する
欠点がある。本発明においては、それを解決するため
に、以下の構造を提案するものである。
化アルミニウム基板の全面にベタ付けしたベタパターン
形状が好ましいが、実際的にはこれに限定する訳にはい
かないので、できるだけこれに準じた形状とする。しか
しながら、熱応力を考慮したこのような形状は、回路設
計を著しく制約し、回路基板やモジュールが大型化する
欠点がある。本発明においては、それを解決するため
に、以下の構造を提案するものである。
【００２０】すなわち、Ａｌ又はＡｌ合金からなる回路
の厚さをＴ1、積層構造体を構成しているＡｌ板等と放
熱板を形成させたときはその放熱板との合計をＴ2、窒
化アルミニウム基板の厚さの合計をＴ3として、３Ｔ2＞
Ｔ3＞Ｔ2＞Ｔ1、とすることである。Ａｌ板等や放熱板
は、いわゆるベタパターンであるので、これらの層の合
計厚さＴ2が大きいと強度面では好適となり、Ｔ2が回路
の厚さＴ1より小さいとパターン形状の影響が過大にな
る。
の厚さをＴ1、積層構造体を構成しているＡｌ板等と放
熱板を形成させたときはその放熱板との合計をＴ2、窒
化アルミニウム基板の厚さの合計をＴ3として、３Ｔ2＞
Ｔ3＞Ｔ2＞Ｔ1、とすることである。Ａｌ板等や放熱板
は、いわゆるベタパターンであるので、これらの層の合
計厚さＴ2が大きいと強度面では好適となり、Ｔ2が回路
の厚さＴ1より小さいとパターン形状の影響が過大にな
る。
【００２１】一方、熱応力は、窒化アルミニウム基板と
Ａｌ又はＡｌ回路との熱膨張差、体積比、弾性率によっ
て決まるが、熱膨張係数や弾性率は材料固有の値なの
で、高強度回路基板を得るためには、体積比で調節する
必要がある。そのために、本発明においては、窒化アル
ミニウム基板の合計厚さＴ3は、Ａｌ板等と放熱板との
合計厚さＴ2に対して、３Ｔ2＞Ｔ3＞Ｔ2の関係を満足さ
せることである。Ｔ3がＴ2より小さい場合や、逆にＴ3
が３Ｔ2より大きいと、Ａｌ板等と窒化アルミニウム基
板のバランスが悪くなって、熱履歴を受けた時に回路基
板に反りが生じ易くなり、強度低下を引き起こす。
Ａｌ又はＡｌ回路との熱膨張差、体積比、弾性率によっ
て決まるが、熱膨張係数や弾性率は材料固有の値なの
で、高強度回路基板を得るためには、体積比で調節する
必要がある。そのために、本発明においては、窒化アル
ミニウム基板の合計厚さＴ3は、Ａｌ板等と放熱板との
合計厚さＴ2に対して、３Ｔ2＞Ｔ3＞Ｔ2の関係を満足さ
せることである。Ｔ3がＴ2より小さい場合や、逆にＴ3
が３Ｔ2より大きいと、Ａｌ板等と窒化アルミニウム基
板のバランスが悪くなって、熱履歴を受けた時に回路基
板に反りが生じ易くなり、強度低下を引き起こす。
【００２２】窒化アルミニウム基板に回路又は回路と放
熱板を形成させるには、金属板と窒化アルミニウム基板
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窒化アルミニウム
基板に接合する方法等によって、行うことができる。
熱板を形成させるには、金属板と窒化アルミニウム基板
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窒化アルミニウム
基板に接合する方法等によって、行うことができる。
【００２３】窒化アルミニウム基板に、回路、放熱板、
Ａｌ板等を接合するには、Ａｌ−Ｃｕ系合金、Ａｌ−Ｓ
ｉ系合金、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｇｅ系、及びこ
れらにＭｇを加えた合金系等の接合材を用いて行うこと
ができるが、Ａｌ−Ｃｕ系合金又はＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系
合金を使用することが望ましい。その理由は、以下のと
おりである。
Ａｌ板等を接合するには、Ａｌ−Ｃｕ系合金、Ａｌ−Ｓ
ｉ系合金、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｇｅ系、及びこ
れらにＭｇを加えた合金系等の接合材を用いて行うこと
ができるが、Ａｌ−Ｃｕ系合金又はＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系
合金を使用することが望ましい。その理由は、以下のと
おりである。
【００２４】まず、Ａｌ−Ｃｕ系合金又はＡｌ−Ｃｕ−
Ｍｇ系合金は、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｓ
ｉ−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。
Ｍｇ系合金は、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｓ
ｉ−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。
【００２５】次に、Ａｌ−Ｃｕ系合金又はＡｌ−Ｃｕ−
Ｍｇ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、余分な接
合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。
Ｍｇ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、余分な接
合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。
【００２６】Ａｌ−Ｃｕ系合金又はＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系
合金は、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｇの三成分合金はもとより、そ
れ以外の成分を含んでいてもよい。例えばＡｌ、Ｃｕ、
Ｍｇ以外に、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、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。
合金は、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｇの三成分合金はもとより、そ
れ以外の成分を含んでいてもよい。例えばＡｌ、Ｃｕ、
Ｍｇ以外に、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、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。
【００２７】Ａｌ−Ｃｕ系合金又はＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系
合金中の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。Ｍｇについては、添加されている方が好ましく、好
ましくは、０．３〜２重量％である。更に、接合材は、
箔、粉末、又はペーストとして使用することができる
が、箔の方が好ましい。
合金中の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。Ｍｇについては、添加されている方が好ましく、好
ましくは、０．３〜２重量％である。更に、接合材は、
箔、粉末、又はペーストとして使用することができる
が、箔の方が好ましい。
【００２８】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やＩｎを
始めとした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
でも十分に接合できる。一方、接合温度が６４０℃をこ
えると、接合時にろう接欠陥（回路に生じる虫食い現
象）が生じ易くなるので、好ましくない。
接合材の組成によって適正範囲は異なる。ＺｎやＩｎを
始めとした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
でも十分に接合できる。一方、接合温度が６４０℃をこ
えると、接合時にろう接欠陥（回路に生じる虫食い現
象）が生じ易くなるので、好ましくない。
【００２９】また、接合時に窒化アルミニウム基板面と
垂直方向に１０〜１００ｋｇｆ／ｃｍ2で加圧すること
が好ましい。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、１０〜１
００ｋｇｆ／ｃｍ2と従来技術では非常識な高い圧力を
かける。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。
垂直方向に１０〜１００ｋｇｆ／ｃｍ2で加圧すること
が好ましい。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、１０〜１
００ｋｇｆ／ｃｍ2と従来技術では非常識な高い圧力を
かける。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。
【００３０】Ａｌ又はＡｌ合金自体は、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は押しつぶされてな
くなる。特に、ろう接欠陥の排除を重要視するときは、
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、少なくとも４００℃以上の温
度範囲で加圧する。
℃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は押しつぶされてな
くなる。特に、ろう接欠陥の排除を重要視するときは、
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、少なくとも４００℃以上の温
度範囲で加圧する。
【００３１】加圧方向は窒化アルミニウム基板に垂直な
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。
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。
【００３２】接合材は、セラミックス側、金属板又は回
路パターン側のどちらに配置してもよい。
路パターン側のどちらに配置してもよい。
【００３３】
【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。
本発明を説明する。
【００３４】実施例１〜４ 比較例１〜４ 使用した窒化アルミニウム基板は市販品であり、表１に
示す厚さのもので、大きさは２インチ角である。熱伝導
率は、１７０Ｗ／ｍＫであり、３点曲げ強度は、４００
MPaである。回路、放熱板及びＡｌ板等は市販品であ
り、表１に示す厚さで、純度９９．９％以上のＡｌであ
る。表２に示す接合条件で、表２及び図１に示される構
造の回路基板を得るための接合体を製造した。すなわ
ち、例えば、実施例１では、Ａｌ板は、回路、放熱板及
びＡｌ板等を含めて四層、窒化アルミニウム基板が三層
の構造である。これらの接合体は、その未焼成の積層物
をカーボン板(厚さ３ｍｍ)に挟み、ホットプレス装置に
より窒化アルミニウム基板と垂直方向に均等に加圧しな
がら加熱して製造されたものである。
示す厚さのもので、大きさは２インチ角である。熱伝導
率は、１７０Ｗ／ｍＫであり、３点曲げ強度は、４００
MPaである。回路、放熱板及びＡｌ板等は市販品であ
り、表１に示す厚さで、純度９９．９％以上のＡｌであ
る。表２に示す接合条件で、表２及び図１に示される構
造の回路基板を得るための接合体を製造した。すなわ
ち、例えば、実施例１では、Ａｌ板は、回路、放熱板及
びＡｌ板等を含めて四層、窒化アルミニウム基板が三層
の構造である。これらの接合体は、その未焼成の積層物
をカーボン板(厚さ３ｍｍ)に挟み、ホットプレス装置に
より窒化アルミニウム基板と垂直方向に均等に加圧しな
がら加熱して製造されたものである。
【００３５】用いた接合材は、（ａ）Ａｌ−４%Ｃｕ合
金箔、（ｂ）Ａｌ−１１%Ｓｉ合金ペースト、（ｃ）Ａ
ｌ−３．５%Ｃｕ−０．６%Ｍｇ合金箔である。
金箔、（ｂ）Ａｌ−１１%Ｓｉ合金ペースト、（ｃ）Ａ
ｌ−３．５%Ｃｕ−０．６%Ｍｇ合金箔である。
【００３６】次いで、接合体にエッチングレジストを塗
布してＦeＣｌ3液でエッチングし、図２又は図３に示す
回路と図３に示す放熱板とを形成させ、更に無電解Ｎｉ
−Ｐメッキを約３μm施して、回路基板を作製した。
布してＦeＣｌ3液でエッチングし、図２又は図３に示す
回路と図３に示す放熱板とを形成させ、更に無電解Ｎｉ
−Ｐメッキを約３μm施して、回路基板を作製した。
【００３７】得られた回路基板について、３点曲げ強度
と、絶縁耐圧をカットオフ電流１ｍＡで測定した。更
に、ヒートサイクル試験（−４０℃、３０分→室温、１
０分→１２５℃、３０分→室温、１０分を１サイクルと
する）により、３００サイクルの熱履歴を与えた後、曲
げ強度を測定した。それらの結果を表３に示す。
と、絶縁耐圧をカットオフ電流１ｍＡで測定した。更
に、ヒートサイクル試験（−４０℃、３０分→室温、１
０分→１２５℃、３０分→室温、１０分を１サイクルと
する）により、３００サイクルの熱履歴を与えた後、曲
げ強度を測定した。それらの結果を表３に示す。
【００３８】
【表１】
【００３９】
【表２】
【００４０】
【表３】
【００４１】表１、２、３に明らかなように、本発明の
実施例１〜４は、回路形状が異なっていても、いずれも
高曲げ強度とタワミ量を有しおり、また高い絶縁耐圧も
確保できていた。これに対し、比較例１〜４では、強
度、タワミ量共に実施例に劣ったものであった。
実施例１〜４は、回路形状が異なっていても、いずれも
高曲げ強度とタワミ量を有しおり、また高い絶縁耐圧も
確保できていた。これに対し、比較例１〜４では、強
度、タワミ量共に実施例に劣ったものであった。
【００４２】特に、比較例１と比較例２の対比から明ら
かなように、回路形状の違いによって熱履歴後の強度低
下率が著しいことから、回路パターンの影響を十分に考
慮して回路設計する必要があることがわかった。また、
１枚の窒化アルミニウム基板と１枚のＡｌ板を用いた比
較例３では、熱履歴後のタワミ量が小さくなり、更には
窒化アルミニウム基板の薄板を用いた比較例４では、熱
履歴後の曲げ強度と絶縁耐圧が実施例よりも低下した。
かなように、回路形状の違いによって熱履歴後の強度低
下率が著しいことから、回路パターンの影響を十分に考
慮して回路設計する必要があることがわかった。また、
１枚の窒化アルミニウム基板と１枚のＡｌ板を用いた比
較例３では、熱履歴後のタワミ量が小さくなり、更には
窒化アルミニウム基板の薄板を用いた比較例４では、熱
履歴後の曲げ強度と絶縁耐圧が実施例よりも低下した。
【００４３】
【発明の効果】本発明によれば、機械的、熱的かつ絶縁
的に高信頼性があり、パワーモジュール用として好適な
回路基板が提供される。
的に高信頼性があり、パワーモジュール用として好適な
回路基板が提供される。
【図１】回路基板の一例を示す正面図
【図２】図１の上面図の一例
【図３】図１の上面図の他の一例、又は図１の下面図の
一例
一例
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 (72)発明者 浦川 剛 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
Claims (3)
- 【請求項１】 窒化アルミニウム基板の一方の面にＡｌ
又はＡｌ合金の回路が、また他方の面には必要に応じて
放熱板が形成されてなる回路基板において、上記窒化ア
ルミニウム基板が、Ａｌ板又はＡｌ合金板を介して接合
された窒化アルミニウム基板の多層構造体であることを
特徴とする回路基板。 - 【請求項２】 窒化アルミニウム基板の多層構造体にお
いて、その厚さが１〜５mm、一層のＡｌ板又はＡｌ合金
板の厚さが０．１〜２ｍｍ、しかも抗折強度が４００Ｍ
Ｐａ以上であることを特徴とする請求項１記載の回路基
板。 - 【請求項３】 回路の厚さをＴ1、多層構造体におい
て、Ａｌ板又はＡｌ合金板と放熱板との合計厚さを
Ｔ2、その窒化アルミニウム基板の合計厚さをＴ3とし
て、３Ｔ2＞Ｔ3＞Ｔ2＞Ｔ1、であることを特徴とする請
求項１又は２記載の回路基板。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11172338A JP2001007465A (ja) | 1999-06-18 | 1999-06-18 | 回路基板 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11172338A JP2001007465A (ja) | 1999-06-18 | 1999-06-18 | 回路基板 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001007465A true JP2001007465A (ja) | 2001-01-12 |
Family
ID=15940062
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11172338A Pending JP2001007465A (ja) | 1999-06-18 | 1999-06-18 | 回路基板 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001007465A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2012127695A1 (ja) | 2011-03-23 | 2012-09-27 | Ｄｏｗａメタルテック株式会社 | 金属－セラミックス接合基板およびその製造方法 |
| JP2012256880A (ja) * | 2011-05-17 | 2012-12-27 | Alstom Transport Sa | 第２電位に対して第１電位を有する導電面を電気的に絶縁するためのデバイスであって、導電面の周辺端部の点における静電場の値を低減するための手段を含む、デバイス |
-
1999
- 1999-06-18 JP JP11172338A patent/JP2001007465A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2012127695A1 (ja) | 2011-03-23 | 2012-09-27 | Ｄｏｗａメタルテック株式会社 | 金属－セラミックス接合基板およびその製造方法 |
| US9713253B2 (en) | 2011-03-23 | 2017-07-18 | Dowa Metaltech Co., Ltd. | Metal/ceramic bonding substrate and method for producing same |
| JP2012256880A (ja) * | 2011-05-17 | 2012-12-27 | Alstom Transport Sa | 第２電位に対して第１電位を有する導電面を電気的に絶縁するためのデバイスであって、導電面の周辺端部の点における静電場の値を低減するための手段を含む、デバイス |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20050419 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20050427 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20050524 |