JP2001077491A - セラミックス回路基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高信頼性のセラミックス回路基板を提供する。 【解決手段】セラミックス基板の表裏面にアルミニウム
を主成分とする金属板を接合して、表裏面の金属板のそ
れぞれを回路と裏板としてなるセラミックス回路基板で
あって、前記裏板側の金属板のアルミニウム純度が回路
側の金属板のアルミニウム純度よりも低く、好ましく
は、裏板側の金属板のアルミニウム純度が９９．０重量
％以上９９．９５重量％以下であることを特徴とするセ
ラミックス回路基板。

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
等に使用される高信頼性のセラミックス回路基板に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来から、熱発生の大きい半導体素子等
を搭載するためのパワーモジュール等の回路基板とし
て、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）セラミックスなどのような絶
縁性に優れたセラミックス基板の表面に、導電性を有す
る回路層を接合した回路基板が広く普及している。

【０００３】しかし、近年これら半導体素子は機器類の
小型化、高性能化に伴って熱発生の密度が増加する傾向
にあり、信頼性高く安定動作を得るためには半導体素子
の発生する熱を放散して、素子が破壊されない温度より
充分低くできるようにすることが一層重要な課題となっ
てきており、前記回路基板の特性として電気絶縁性が高
いことに加え、より高い熱伝導性が要求されてきてい
る。

【０００４】上記の要求に伴って、熱伝導性の高い窒化
アルミニウム（ＡｌＮ）などのセラミックスを基板材料
として用いた、放熱性の高い銅回路基板が開発されてい
る。しかし、前記銅回路基板は機械的特性が不十分であ
り、回路基板として用いる場合には、半導体素子の作動
に伴う繰り返しの熱サイクルや動作環境の温度変化等
で、銅回路層の接合部付近のセラミックス部分にクラッ
クが発生しやすく、信頼性が低いという問題点があっ
た。

【０００５】この問題の解決として、例えば特開平４−
１２５５４号公報や特開平４−１８７４６号公報に回路
材料として銅よりも降伏耐力の小さいアルミニウム（Ａ
ｌ）を用いたセラミックス回路基板が開示されている。

【０００６】しかし、信頼性の指標となる−４０℃から
１２５℃までの繰り返し冷却、加熱する耐ヒートサイク
ル性についは、前記回路基板であっても３０００回以内
でセラミックス基板にクラックが入る等の問題が発生
し、上述のように高い信頼性の要求される用途には充分
対応ができない。

【０００７】また、特開平８−２０８３５９号公報に
は、Ａｌの溶湯を用いてＡｌを直接ＡｌＮ基板に接合し
た回路基板が開示されている。この発明によれば、Ａｌ
回路基板単体で３０００回を越える耐ヒートサイクル性
が達成されている。

【０００８】しかし、このようにして得られたＡｌ回路
基板を実際に使用されるモジュール形態に組み上げた後
に耐ヒートサイクル性を調べると、１０００回程度で回
路材の剥離やＡｌ回路基板と放熱板との間のはんだクラ
ックが生じる等の問題があり、実用上満足できるもので
はない。

【０００９】耐ヒートサイクル性の他に、Ａｌ回路基板
の回路材料の特性としては、高い熱伝導性を持ち熱の放
散性が良いこと、低い電気抵抗を持ち電力ロスが低いこ
とがより好ましい。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記公知技
術の事情に鑑みてなされたものであり、例えば、電気自
動車や鉄道等の用途に適用できるパワーモジュールのよ
うな、高い信頼性が要求される用途に対応できるセラミ
ックス回路基板を提供することを目的とするものであ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記目的を
達成するために鋭意検討した結果、回路材料と放熱用で
ある表裏のアルミニウム（Ａｌ）材の純度をそれぞれ調
整することにより、Ａｌ回路基板の表裏面のＡｌの降伏
耐力等の機械的性質と熱的・電気的性質を制御でき、そ
の結果、得られる回路基板の信頼性が向上できることを
見出し、本発明に至ったものである。

【００１２】すなわち、本発明はセラミックス基板の表
裏面にアルミニウムを主成分とする金属板を接合して、
表裏面の金属板のそれぞれを回路と裏板としてなるセラ
ミックス回路基板であって、前記裏板側の金属板のアル
ミニウム純度が回路側の金属板のアルミニウム純度より
も低いことを特徴とするセラミックス回路基板であり、
好ましくは、裏板側の金属板のアルミニウム純度が９
９．０重量％以上９９．９５重量％以下であることを特
徴とし、ことに、セラミックス基板が、窒化アルミニウ
ム又は窒化珪素の何れかであることを特徴とするセラミ
ックス回路基板である。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明においては、セラミックス
回路基板の放熱板に接合される側（裏板側）のアルミニ
ウム（Ａｌ）板の純度は、半導体素子等を搭載する側
（回路側）よりも低いことが重要である。本発明者らの
実験的検討の結果、裏板側に回路側よりも降伏応力が高
いアルミニウム板の存在させる場合に、理由は不明では
あるが、得られるセラミックス回路基板の耐熱サイクル
特性が著しく向上すること、更に、裏板側アルミニウム
板の純度が９９．０重量％以上９９．９５重量％以下の
範囲にあるとき前記効果が一層顕著になるという知見を
得たものである。

【００１４】裏板側アルミニウム板のアルミニウム純度
について、９９．０重量％よりも低純度では裏板側アル
ミニウム板の降伏耐力があまりに大きく、回路基板とし
た場合に、回路基板単体だけでも、ヒートサイクル試験
において１０００回以下で基板にクラックやＡｌ回路剥
離等が発生してしまうし、９９．９９重量％以上では、
モジュール化後のヒートサイクル試験において１０００
回以下で基板と放熱板との間のはんだクラックや回路剥
離等が発生することがある。また、発生した熱を効率よ
く除去するためには熱伝導性の高いより高純度の材料を
選ぶ方がよい。これらのバランスから、本発明に於いて
は、Ａｌ純度は前記範囲が選択されるが、一層好ましく
は、９９．５０重量％以上９９．９０重量％以下であ
る。

【００１５】一方、本発明で用いるセラミックス回路基
板の半導体素子等を搭載する側（回路側）のアルミニウ
ム板については、パワーモジュール等の大電力素子に用
いることを考慮すると回路における電力ロスを低く抑え
るためにできるだけ電気抵抗が低い方がよく、また、熱
の放散性が高い、より高純度の材料が用いられる。モジ
ュール化後のヒートサイクル試験では、半導体素子であ
るＳｉチップの大きさが通常基板の大きさに比べて十分
小さいことから、回路側のアルミニウム（Ａｌ）板の純
度が９９．９９重量％以上でもヒートサイクル３０００
回でＳｉチップと基板との間のはんだクラックは発生し
ない。

【００１６】また、基材となるセラミックスとしては、
電気絶縁性で熱伝導性に富むものならばどの様なもので
も構わず、例えば、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）やベリリア
（ＢｅＯ）を添加した炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化珪素、
窒化アルミニウム等を挙げることができるが、これらの
内では、電力が大きなパワーデバイスで熱の発生が大き
いことを考慮すると、絶縁耐圧が高く、熱伝導性の高い
ことから窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板や窒化珪素
（Ｓｉ₃Ｎ₄）が適している。

【００１７】本発明の回路基板は、アルミニウム板と窒
化アルミニウム基板等のセラミックス基板とを接合材を
用いて加熱接合した後、エッチングする方法、或いは、
アルミニウム板から打ち抜き法等により予め回路パター
ンを形成し、これをセラミックス基板に接合材を用いて
接合する方法等によって製造することができる。

【００１８】上記のいずれの接合方法においても、接合
時の熱応力をできるだけ低く抑えるためにより低温で接
合できることが重要である。アルミニウム板と窒化アル
ミニウム基板等のセラミックス基板との接合について、
いろいろ実験的に検討を重ねた結果、液相を生じる温度
が５００℃〜６３０℃である低融点ろう材を用いて接合
するときに、得られるセラミックス回路基板、更にそれ
を用いて作製したモジュールの信頼性を高く改善でき
る。

【００１９】即ち、界面を活性化する作用のあるとされ
るＭｇを含み、更に、アルミニウム材の融点以下の温度
でアルミニウム板や窒化アルミニウム等のセラミックス
基板に良く濡れるように、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｃｕのいずれか
一種以上を含むＡｌ合金が、前記アルミニウム板とセラ
ミックス基板の接合材として好ましい。また、前記合金
は５００℃〜６３０℃の温度範囲で液相を形成するもの
が良い。即ち、５００℃未満では接合性の面で充分でな
いことがあるし、６３０℃を越える温度ではアルミニウ
ム板やセラミックス基板に残留する熱応力が大きくなる
こと、或いはアルミニウム材の融点に近くなるためロウ
接欠陥が生じやすくなることがあるからである。尚、前
記合金を用いてアルミニウム板とセラミックス基板とを
接合（ろう接）する場合に、接合する面に１〜５０ｋｇ
ｆ／ｃｍ²の垂直力を付加することが望ましい。

【００２０】

【実施例】以下、実施例と比較例とをあげて、本発明を
詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるもので
はない。

【００２１】〔実施例１〜３および比較例１、２〕セラ
ミックス基板として、５０ｍｍ×５０ｍｍ×０．６３５
ｍｍの窒化アルミニウム基板で、レーザーフラッシュ法
による熱伝導率は１７５Ｗ／ｍＫ、３点曲げ強さの平均
値は４２０ＭＰａのものを用意した。

【００２２】前記窒化アルミニウム基板の表裏両面に、
表１に示す各種純度の厚さ０．４ｍｍのアルミニウム板
を、２０μｍのろう材合金箔を介して重ね、垂直方向に
３５ｋｇｆ／ｃｍ²で加圧した。そして、１０^-4Ｔｏｒ
ｒの真空中、温度６３０℃の条件下で加圧しながらアル
ミニウム板と窒化アルミニウム基板とを接合した。ろう
材合金箔の組成は、Ｃｕ４重量％、Ｍｇ０．５重量％
（残Ａｌ）である。実施例、比較例の各々の接合条件を
表２に示す。

【００２３】

【表１】

【００２４】

【表２】

【００２５】接合後、アルミニウム板表面の所望部分に
エッチングレジストをスクリーン印刷して、塩化第二鉄
溶液にてエッチング処理し回路パターンを形成した。次
いで、レジストを剥離した後、無電解Ｎｉ−Ｐメッキを
３μｍ行い、回路基板とした。

【００２６】前記操作で得た回路基板について、回路側
に０．４ｍｍ×１５ｍｍ×１５ｍｍのＳｉチップ２枚を
Ｐｂ−Ｓｎ共晶はんだではんだ付けしてモジュールを作
製した。尚、裏板側には７０×１００×３ｍｍのＡｌ−
ＳｉＣ複合材からなるヒートシンク（熱膨張率７．５ｐ
ｐｍ／Ｋ、熱伝導率２００Ｗ／ｍＫ）をＰｂ−Ｓｎ共晶
はんだではんだ付けした。このモジュールに付いて、−
４０℃×３０分→室温×１０分→１２５℃×３０分→室
温×１０分を１サイクルとするヒートサイクルを負荷し
た。ヒートサイクル付与後、回路部の剥離、窒化アルミ
ニウム基板のクラック発生、はんだ部分でのクラック発
生等の異常の有無を観察した。この結果を表３に示す。

【００２７】

【表３】

【００２８】表３で明らかなように、本発明のセラミッ
クス回路基板は、いずれもモジュールでの評価におい
て、回路側に熱伝導性と電気伝導性に優れた高純度アル
ミ（９９．９９重量％）を用いているにも拘わらず、ヒ
ートサイクル３０００回後においても回路の剥離やはん
だクラック等の異常が何等認められず、高信頼性を示し
ている。一方、比較例１の表裏面に高純度アルミを用い
た場合では裏板側にはんだクラックが発生してしまった
し、比較例２のモジュールでの評価では異常はなかった
ものの、回路側のＡｌ板の熱伝導性、電気伝導性につい
ては十分満足できるものではなかった。

【００２９】

【発明の効果】本発明のセラミックス回路基板は、セラ
ミックス基板の表裏面にアルミニウム純度の異なるもの
が接合され、しかも裏板側のアルミニウム純度が低く、
特定の範囲に制御されていることにより、モジュールと
して評価したときに、回路剥離、基板のクラック発生、
はんだクラックの発生といった異常が発生しない、高信
頼性の特徴を有しており、産業上非常に有用である。

フロントページの続き (72)発明者 檜山 茂雄 東京都町田市旭町３丁目５番１号 電気化 学工業株式会社中央研究所内 (72)発明者 伊吹山 正浩 東京都町田市旭町３丁目５番１号 電気化 学工業株式会社中央研究所内 Ｆターム(参考） 4E351 AA09 BB01 BB30 BB33 CC06 DD10 DD21 DD24 GG04

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】セラミックス基板の表裏面にアルミニウム
   を主成分とする金属板を接合して、表裏面の金属板のそ
   れぞれを回路と裏板としてなるセラミックス回路基板で
   あって、前記裏板側の金属板のアルミニウム純度が回路
   側の金属板のアルミニウム純度よりも低いことを特徴と
   するセラミックス回路基板。
2. 【請求項２】裏板側の金属板のアルミニウム純度が９
   ９．０重量％以上９９．９５重量％以下であることを特
   徴とする請求項１記載のセラミックス回路基板。
3. 【請求項３】セラミックス基板が、窒化アルミニウム又
   は窒化珪素の何れかであることを特徴とする請求項１又
   は請求項２記載のセラミックス回路基板。