JP2001085808A - Circuit board - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[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回路基板に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a highly reliable circuit board used for a power module or the like.
【０００２】[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開発
され（例えば米国特許第５，３５４，４１５号）、実用
化されている。このような回路基板は、樹脂基板と金属
基板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徴である。2. Description of the Related Art Conventionally, in a semiconductor device used for a power module or the like, Cu, Al, alloys containing these metals as components, etc. are formed on the front and back surfaces of a ceramic substrate such as alumina, beryllia, silicon nitride, and aluminum nitride. A circuit board formed with the above circuit and a heat sink is developed (for example, US Pat. No. 5,354,415) and put into practical use. Such a circuit board is characterized in that higher insulating properties can be obtained more stably than a resin board and a metal board composite board or a resin board.
【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るろう付け法とろ
う材を用いない方法がある。後者の代表的な方法とし
て、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法が知られている。[0003] As a method of joining a ceramic substrate and a circuit or a heat radiating plate, there are roughly a brazing method using a brazing material and a method using no brazing material. As the latter typical method, a DBC method in which a tough pitch copper plate and alumina are joined using a eutectic point of Cu-O is known.
【０００４】しかし、回路の材質がＣｕの場合は、セラ
ミックス基板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
ス基板や半田にクラックを発生し、高信頼性が十分では
ない。これに対して、熱伝導性や電気伝導性ではややＣ
ｕに劣るものの、Ａｌを回路材質に選定すれば、熱応力
を受けても容易に塑性変形するのでセラミックス基板や
半田へかかる応力は緩和され、信頼性が飛躍的に改善さ
れる。However, when the material of the circuit is Cu, the generation of thermal stress due to the difference in thermal expansion between the ceramic substrate and the solder is unavoidable, and cracks occur in the ceramic substrate and the solder due to repeated heat history. High reliability is not enough. On the other hand, thermal conductivity and electrical conductivity are slightly C
Although Al is inferior to u, if Al is selected for the circuit material, it is easily plastically deformed even when subjected to thermal stress, so that the stress applied to the ceramic substrate and solder is alleviated, and the reliability is dramatically improved.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Ａｌ回
路の問題点は、高価であることである。その理由は、Ａ
ｌ回路を形成するには、(１)溶融アルミニウムをセラミ
ックス基板に接触・冷却して両者の接合体を製造した
後、機械研削してＡｌ板の厚みを整え、その後エッチン
グする溶湯法（例えば特開平７−１９３３５８号公報、
特開平７−２７２６２号公報）、(２)Ａｌ箔又はＡｌ合
金箔をろう付けしてからエッチングする方法（例えば特
開平３−１２５４６３号公報）があるが、両者ともにＣ
ｕ回路を形成する場合と比較して２〜５倍程度のコスト
が必要となるので、特殊用途以外には広く普及する可能
性が少ない。However, a problem with the Al circuit is that it is expensive. The reason is A
To form a circuit, (1) a molten aluminum method (for example, a method in which molten aluminum is brought into contact with a ceramic substrate to produce a joined body by contacting and cooling the ceramic substrate, and then mechanically ground to adjust the thickness of the Al plate, followed by etching); JP-A-7-193358,
JP-A-7-27262) and (2) a method of brazing and etching an Al foil or an Al alloy foil (for example, JP-A-3-125463).
Since the cost is about 2 to 5 times that in the case of forming a u circuit, it is unlikely to be widely used for purposes other than special purposes.
【０００６】生産効率の悪い溶湯法は別としても、ろう
付け法のＡｌ回路がＣｕ回路よりもコストアップする主
な原因は、接合条件が非常に狭いことである。すなわ
ち、Ａｌの溶融温度(６６０℃)と接合温度(最も一般的
なろう材であるＡｌ−Ｓｉ系の場合は、６５０℃程度)
とが近いため、局部的にＡｌが溶融してろう接欠陥（Ａ
ｌ回路に生じた虫食い現象）が生じ易いので、それを防
いで接合するにはかなりの熟練と労力が必要となること
である。[0006] Apart from the molten metal method, which has a low production efficiency, the main reason why the cost of the Al circuit of the brazing method is higher than that of the Cu circuit is that the bonding conditions are very narrow. That is, the melting temperature of Al (660 ° C.) and the joining temperature (about 650 ° C. in the case of Al—Si system, which is the most common brazing material)
, Al melts locally and the soldering defect (A
In this case, a great deal of skill and labor is required to prevent the occurrence of the insect-eating phenomenon which occurs in the 1-circuit.
【０００７】また、Ａｌは塑性変形するが、その大きさ
は、熱応力の大きさ、熱応力を受ける部分によって左右
され、一部に集中して発生すると半田の塑性変形量を超
えてしまい、半田クラックを生じることもある。従っ
て、セラミックス板への応力緩和効果を十分維持し、か
つ半田クラックを抑制する二律背反を達成する必要があ
る。[0007] Al, Al undergoes plastic deformation, and its size depends on the magnitude of the thermal stress and the portion subjected to the thermal stress. Solder cracks may occur. Therefore, it is necessary to achieve a trade-off between maintaining a sufficient stress relaxation effect on the ceramic plate and suppressing solder cracks.
【０００８】本発明は、上記に鑑みてなされたものであ
り、これまで省みられなかったＡｌ−Ｃｕ系の安価な合
金を接合材として用い、特定の条件で接合すれば、Ａｌ
回路をセラミックス基板に容易に形成できること、また
裏面に放熱板が形成される回路基板においては、Ａｌ回
路と放熱板の体積比を適正化すればよいことを見出し、
本発明を完成させたものである。[0008] The present invention has been made in view of the above, and if an inexpensive Al-Cu-based alloy, which has not been omitted so far, is used as a bonding material and is bonded under specific conditions, Al-Cu
It has been found that the circuit can be easily formed on the ceramic substrate, and that in a circuit board having a heat sink formed on the back surface, the volume ratio between the Al circuit and the heat sink should be optimized.
The present invention has been completed.
【０００９】本発明の目的は、セラミックス基板にＡｌ
又はＡｌ合金の回路が形成されてなる回路基板、又はセ
ラミックス基板のＡｌ回路の反対面に更に放熱板の形成
された回路基板を、その高信頼性を保持しつつ安価に提
供することである。特に、半田やセラミックス基板への
クラックの発生のみならず、ボンディングワイヤやメッ
キの剥離をも著しく防止した高信頼性の回路基板を提供
することである。An object of the present invention is to provide a ceramic substrate with Al.
Another object of the present invention is to provide a circuit board on which an Al alloy circuit is formed, or a circuit board on which a heat radiating plate is further formed on a surface of a ceramic substrate opposite to the Al circuit, while maintaining its high reliability at a low cost. In particular, it is an object of the present invention to provide a highly reliable circuit board in which not only cracks in solder and ceramic substrates but also peeling of bonding wires and plating are significantly prevented.
【００１０】[0010]
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、以
下の回路基板である。 （請求項１）セラミックス基板とＡｌ又はＡｌ合金から
なるＡｌ回路とが、ＡｌとＣｕを主成分とする層を経て
接合されてなることを特徴とする回路基板。 （請求項２）ＡｌとＣｕを主成分とする層のＣｕの割合
が、１〜６重量％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）ＡｌとＣｕを主成分とする層が、Ｍｇを含
有してなることを特徴とする請求項１記載の回路基板。 （請求項４）セラミックス基板とＡｌ又はＡｌ合金から
なるＡｌ回路とが、Ａｌ−Ｃｕ系合金及び／又はＡｌと
Ｃｕを含む混合物からなる接合材を用いて接合されてな
ることを特徴とする回路基板。 （請求項５）接合材がＡｌ−Ｃｕ系合金箔であることを
特徴とする請求項４記載の回路基板。 （請求項６）接合材の組成が、Ａｌ８６重量％以上、Ｃ
ｕ１〜６重量％、Ｍｇ３重量％以下（０を含まず）を含
むものであることを特徴とする請求項５記載の回路基
板。 （請求項７）Ａｌ回路を形成させたセラミックス基板の
反対面（裏面）に、Ａｌ又はＡｌ合金からなる放熱板を
形成させたものであることを特徴とする請求項１〜６の
いずれかに記載の回路基板。 （請求項８）放熱板に対するＡｌ回路の体積比（回路体
積／放熱板体積）が０．８０〜１．２であることを特徴
とする請求項７記載の回路基板。 （請求項９）Ａｌ回路のビッカース硬度が１６ｋｇｆ／
ｍｍ2（１５７ＭＰａ、１ｋｇｆ／ｍｍ2）以下、放熱板
のビッカース硬度が１９〜３０ｋｇｆ／ｍｍ2であるこ
とを特徴とする請求項７又は８記載の回路基板。 （請求項１０）セラミックス基板が窒化アルミニウム基
板又は窒化ケイ素基板であることを特徴とする請求項１
〜９のいずれかに記載の回路基板。 （請求項１１）セラミックス基板の熱伝導率が７０Ｗ／
ｍＫ以上であることを特徴とする請求項１０記載の回路
基板。 （請求項１２）Ａｌ又はＡｌ合金からなるＡｌ回路が、
純度９９．８５％以上のＡｌを用いて形成されたもので
あることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の
回路基板。That is, the present invention relates to the following circuit board. (Claim 1) A circuit board comprising a ceramic substrate and an Al circuit made of Al or an Al alloy joined through a layer mainly composed of Al and Cu. (2) The circuit board according to (1), wherein the proportion of Cu in the layer mainly composed of Al and Cu is 1 to 6% by weight. (Claim 3) The circuit board according to claim 1, wherein the layer mainly composed of Al and Cu contains Mg. (Claim 4) A circuit characterized in that a ceramic substrate and an Al circuit made of Al or an Al alloy are joined using a joining material made of an Al-Cu alloy and / or a mixture containing Al and Cu. substrate. (Claim 5) The circuit board according to claim 4, wherein the joining material is an Al-Cu alloy foil. (Claim 6) The composition of the bonding material is at least 86% by weight of Al,
The circuit board according to claim 5, further comprising u1 to 6% by weight and Mg 3% by weight or less (excluding 0). (Claim 7) A heat radiation plate made of Al or an Al alloy is formed on the opposite surface (back surface) of the ceramic substrate on which the Al circuit is formed. The described circuit board. (Claim 8) The circuit board according to claim 7, wherein a volume ratio of the Al circuit to the heat sink (circuit volume / heat sink volume) is 0.80 to 1.2. (Claim 9) The Vickers hardness of the Al circuit is 16 kgf /
mm 2 (157MPa, 1kgf / mm 2) or less, the circuit board according to claim 7 or 8, wherein the Vickers hardness of the heat sink is characterized in that it is a 19~30kgf / mm 2. (Claim 10) The ceramic substrate is an aluminum nitride substrate or a silicon nitride substrate.
10. The circuit board according to any one of claims 9 to 9. (Claim 11) The ceramic substrate has a thermal conductivity of 70 W /
The circuit board according to claim 10, wherein the circuit board has a mK or more. (Claim 12) An Al circuit comprising Al or an Al alloy,
The circuit board according to any one of claims 1 to 9, wherein the circuit board is formed using Al having a purity of 99.85% or more.
【００１１】[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。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
【００１２】本発明の大きな特徴は、ＡｌとＣｕを含む
層が介在して、Ａｌ回路又はＡｌ合金回路(以下、両者
をまとめて「Ａｌ回路」という。)がセラミックス基板
の少なくとも一方の面に形成されていることである。言
葉を換えれば、セラミックス基板の少なくとも一方の面
にＡｌ回路が、Ａｌ−Ｃｕ系合金、又はＡｌとＣｕを含
む混合物を用いて接合されていることである。本発明の
回路基板は、Ａｌ回路を形成させたセラミックス基板の
反対面（裏面）が、放熱板を接合させた構造であっても
よい。A major feature of the present invention is that an Al circuit or an Al alloy circuit (hereinafter collectively referred to as "Al circuit") is formed on at least one surface of a ceramic substrate with a layer containing Al and Cu interposed. It is formed. In other words, the Al circuit is bonded to at least one surface of the ceramic substrate using an Al-Cu-based alloy or a mixture containing Al and Cu. The circuit board of the present invention may have a structure in which the opposite surface (back surface) of the ceramic substrate on which the Al circuit is formed is joined to a heat sink.
【００１３】これまでは、Ａｌ回路を接合させるため
に、Ａｌ−Ｓｉ系合金が最も多く用いらており、Ａｌ−
Ｓｉ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｇｅ系等に
ついても検討はされてきた。しかし、Ａｌ−Ｃｕ系合金
を用いて接合させる先行技術は見あたらなかった。その
理由は、Ｃｕを多量に含むＡｌ−Ｃｕ系合金は、比較的
硬くて脆いことから、回路基板の熱応力を解放する塑性
変形に対して不利であるとの先入観にとらわれ、省みら
れなかったのではないかと推察される。Until now, Al-Si alloys have been most frequently used to join Al circuits.
Studies have also been made on Si-Mg, Al-Ge, Al-Si-Ge, and the like. However, no prior art for joining using an Al-Cu alloy has been found. The reason is that Al-Cu based alloys containing a large amount of Cu are relatively hard and brittle, and are prejudiced that they are disadvantageous to plastic deformation that releases the thermal stress of the circuit board, and cannot be omitted. It is presumed that it was.
【００１４】しかしながら、Ａｌ−Ｃｕ系合金は、Ａｌ
−Ｓｉ系やＡｌ−Ｇｅ系あるいはこれらにＭｇを加えた
系と比較すると、ＣｕがＳｉやＧｅに比べて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
接合材のはみ出しが起こり難く、比較的短時間でＡｌ回
路の安定した接合が可能となる点で有利である。また、
Ａｌ−Ｓｉ系やＡｌ−Ｇｅ系では、融点を低下させるた
めにはＳｉやＧｅを比較的多量に添加する必要がある
が、多量に添加すると硬くて脆くなるので、共晶組成よ
りＡｌリッチな組成を選ぶこととなる。その結果とし
て、融点がＡｌに近くなり、６２０℃以下では接合が難
しい。一方、Ａｌ−Ｃｕ系合金では、例えばＣｕの添加
量が４重量％程度であっても、加圧等の手段を講じるこ
とにより６００℃程度の低温でも接合が可能であり、
接合条件の許容幅においても、Ａｌ−Ｓｉ系やＡｌ−Ｇ
ｅ系に比べて有利である。However, Al-Cu alloys are
Compared with Si-based, Al-Ge-based or Mg-based systems, Cu is more easily diffused into Al than Si or Ge, so that local melting occurs or extra joining material is used. This is advantageous in that protrusion does not easily occur and stable bonding of the Al circuit can be performed in a relatively short time. Also,
In the case of Al-Si or Al-Ge, it is necessary to add a relatively large amount of Si or Ge in order to lower the melting point. The composition will be selected. As a result, the melting point is close to that of Al, and bonding is difficult at 620 ° C. or lower. On the other hand, in an Al-Cu alloy, for example, even if the addition amount of Cu is about 4% by weight, bonding can be performed at a low temperature of about 600 ° C. by taking measures such as pressurization.
Al-Si or Al-G
It is advantageous as compared with the e system.
【００１５】Ａｌ−Ｃｕ系合金は、ＡＡ記号の２０００
番台の合金として、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
にも有利となる。Al-Cu based alloys have an AA symbol of 2000
As an alloy of the series, it is widely used as a high-strength Al alloy or a heat-resistant Al alloy, and it is advantageous in terms of cost because it is easily formed into a foil.
【００１６】本発明の回路基板においては、セラミック
ス基板とＡｌ回路とが、ＡｌとＣｕを主成分とする層が
介在して接合されているものであるが、このような層
は、Ａｌ、Ｃｕの二成分はもとより、他に第三成分を含
んでいてもよい。第三成分としては、これらに限定され
るものではないが、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔ
ｉ、Ｂｉ等が挙げられ、中でもＭｇが含まれているもの
が特に好ましい。In the circuit board of the present invention, the ceramic substrate and the Al circuit are joined together with a layer containing Al and Cu as main components. In addition to the two components described above, the composition may further contain a third component. Examples of the third component include, but are not limited to, Mg, Zn, In, Mn, Cr, and T.
i, Bi and the like, among which Mg is particularly preferable.
【００１７】上記のＡｌとＣｕを主成分とする層は、セ
ラミックス基板に、Ａｌ−Ｃｕ系合金、Ａｌ又はＡｌ合
金の板、パターン又はその両方を、順に配置した後、加
圧しながら加熱接合することによって、形成させること
ができる。The above-mentioned layer containing Al and Cu as main components is obtained by arranging an Al-Cu alloy, Al or Al alloy plate, pattern, or both on a ceramic substrate in order, and then performing heat bonding while applying pressure. Thereby, it can be formed.
【００１８】ＡｌとＣｕを主成分とする層は、セラミッ
クス基板に接しており、その表面から１００μｍまでの
厚み部分にあることが望ましい。ＡｌとＣｕを主成分と
する層とＡｌ回路の間に他の層があってもよい。The layer mainly composed of Al and Cu is in contact with the ceramic substrate, and preferably has a thickness of up to 100 μm from the surface. There may be another layer between the layer mainly composed of Al and Cu and the Al circuit.
【００１９】高信頼性回路基板とするため、接合材の好
ましい組成は、Ａｌ８６重量％以上、Ｃｕ１〜６重量
％、Ｍｇ３重量％以下（０を含まず）を含むものであ
る。Ｃｕの含有率が１重量％未満では、接合温度が高く
なってＡｌの融点に近くなり、また６重量％を超える
と、接合後にＡｌ回路にＣｕが拡散して回路基板の熱履
歴に対して不利となるので、Ｃｕの含量は好ましくは
１．５〜５重量％である。In order to obtain a highly reliable circuit board, a preferable composition of the bonding material is one containing 86% by weight or more of Al, 1 to 6% by weight of Cu, and 3% by weight or less of Mg (not including 0). If the Cu content is less than 1% by weight, the joining temperature increases and approaches the melting point of Al, and if it exceeds 6% by weight, Cu diffuses into the Al circuit after joining to reduce the thermal history of the circuit board. Due to disadvantages, the Cu content is preferably 1.5 to 5% by weight.
【００２０】ＡｌとＣｕを主成分とする層のＣｕの含有
率は、接合に用いられる接合材中のＣｕ含有率によって
ほぼ決められる。The Cu content of the layer mainly composed of Al and Cu is substantially determined by the Cu content of the bonding material used for bonding.
【００２１】Ｍｇにより、Ａｌ−Ｃｕ系の特徴を活か
し、かつセラミックス基板とＡｌ回路の密着性が改善さ
れる。Ｍｇの効果発現の詳細なメカニズムは明確ではな
いが、ＭｇがＡｌ表面の酸化被膜と反応してＭｇＯを形
成することで被膜除去を行い、セラミックス基板表面に
ＭｇＮ2が形成され、濡れ性を改善するためと推察され
る。Ｍｇの含有率が３重量％を超えると、Ｍｇが接合操
作中に多量に揮発してＡｌ回路等を破損したり、Ａｌ回
路中に多量に拡散してＡｌの硬化が著しくなる等の問題
がある。Ｍｇが少なすぎると密着性の改善効果が顕著で
なくなる。Ｍｇの含有率は好ましくは０．２〜２．０重
量％である。Mg makes use of the characteristics of the Al-Cu system and improves the adhesion between the ceramic substrate and the Al circuit. The detailed mechanism of the manifestation of the effect of Mg is not clear, but Mg reacts with the oxide film on the Al surface to form MgO, thereby removing the film, forming MgN 2 on the ceramic substrate surface and improving wettability. It is presumed to be. If the Mg content exceeds 3% by weight, problems such as a large amount of Mg being volatilized during the joining operation and damaging the Al circuit and the like, and a large amount of Mg being diffused into the Al circuit and hardening of the Al become remarkable. is there. If the amount of Mg is too small, the effect of improving the adhesion will not be remarkable. The Mg content is preferably from 0.2 to 2.0% by weight.
【００２２】更には、接合材はＺｎ、Ｉｎ、Ｍｎ、Ｃ
ｒ、Ｔｉ、Ｂｉ、Ｂ、Ｆｅ等の第四の成分を合計で５重
量％程度以下を含んでいてもよい。このような組成を有
する接合材を用いることによって、回路基板をより安定
かつ安価に供給することができる。Further, the bonding material is Zn, In, Mn, C
A fourth component such as r, Ti, Bi, B, Fe, etc., may contain about 5% by weight or less in total. By using a bonding material having such a composition, a circuit board can be supplied more stably and at low cost.
【００２３】接合材としては、Ａｌ−Ｃｕ系合金、又は
ＡｌとＣｕを含む混合物が用いられる。中でも、Ａｌ−
Ｃｕ系合金箔が好ましい。As the joining material, an Al-Cu alloy or a mixture containing Al and Cu is used. Among them, Al-
Cu-based alloy foils are preferred.
【００２４】特に、Ａｌ−Ｃｕ系合金箔はＡｌ回路の厚
みに対し１／１０〜１／５０の厚みを持つものが好まし
い。１／５０未満の厚みでは、十分な接合が難しくな
り、また１／１０超では合金成分がＡｌに拡散し、Ａｌ
回路が硬くなり回路基板の熱履歴に対して信頼性が低下
する原因となる。特に好ましくは、１００μｍ以下の厚
みであって、しかもＡｌ回路の厚みに対して１／１２〜
１／４０の厚みである。通常、厚み０．４〜０．６ｍｍ
のＡｌ回路が使用されるので、接合材の厚みは１０〜５
０μｍ、特に１５〜３０μｍ程度となる。In particular, the Al-Cu alloy foil preferably has a thickness of 1/10 to 1/50 of the thickness of the Al circuit. If the thickness is less than 1/50, it is difficult to achieve sufficient bonding. If the thickness is more than 1/10, alloy components diffuse into Al, and
The circuit becomes hard and causes a decrease in reliability against the thermal history of the circuit board. Particularly preferably, the thickness is 100 μm or less, and more than 1/12 to the thickness of the Al circuit.
The thickness is 1/40. Usually 0.4 to 0.6 mm thick
Is used, the thickness of the bonding material is 10 to 5
0 μm, especially about 15 to 30 μm.
【００２５】また、この合金ないしは、合金と同様の組
成を有する金属混合物の粉末を、有機バインダーと溶剤
でペースト化したものを使用することもできる。この場
合は、酸化に十分な注意が必要であり、粉末中の酸素量
は１重量％以下、特に０．８重量％以下に調整して使用
される。また、上記したようなＡｌ回路との厚み関係を
保持するには、合金箔相当の厚みに換算して使用され
る。すなわち、充填密度５０重量％のペースト層１００
μmの場合には、合金箔５０μm相当となる。Further, it is also possible to use a powder of the alloy or a metal mixture having the same composition as the alloy, which is made into a paste with an organic binder and a solvent. In this case, sufficient attention must be paid to oxidation, and the amount of oxygen in the powder is adjusted to 1% by weight or less, particularly 0.8% by weight or less. Further, in order to maintain the thickness relationship with the Al circuit as described above, the thickness is converted into a thickness equivalent to an alloy foil. That is, the paste layer 100 having a packing density of 50% by weight.
In the case of μm, it is equivalent to 50 μm of the alloy foil.
【００２６】接合材の具体例（市販品合金）を示すと、
Ｃｕ含有量１〜６重量％のＡｌ−Ｃｕ合金、４重量％程
度のＣｕと０．５重量％程度のＭｇとが含まれる２０１
８合金、更に０．５重量％程度のＭｎが含まれる２０１
７合金等であり、更には、ＪＩＳ合金の２００１、２０
０３、２００５、２００７、２０１１、２０１４、２０
２４、２０２５、２０３０、２０３４、２０３６、２０
４８、２０９０、２１１７、２１２４、２２１８、２２
２４、２３２４、７０５０等の合金である。Specific examples of the joining material (commercially available alloy) are as follows.
201 containing an Al—Cu alloy having a Cu content of 1 to 6% by weight, about 4% by weight of Cu, and about 0.5% by weight of Mg
8 alloy, further containing about 0.5% by weight of Mn 201
7 and the like, and further, JIS alloys 2001 and 20
03, 2005, 2007, 2011, 2014, 20
24, 2025, 2030, 2034, 2036, 20
48, 2090, 2117, 2124, 2218, 22
24, 2324, 7050 and the like.
【００２７】次に、Ａｌ回路について説明する。Next, the Al circuit will be described.
【００２８】Ａｌ回路の材質は、１０００系の純Ａｌは
勿論のこと、接合が容易な４０００系のＡｌ−Ｓｉ系合
金や、６０００系のＡｌ−Ｍｇ−Ｓｉ系合金等が使用さ
できる。なかでも、降伏耐力の低い高純度Ａｌ（純度９
９．８５％以上）が好ましい。このようなＡｌ板は、１
０８５、１Ｎ８５材として市販されている。また、９
９．９％（３Ｎ）品、９９．９９％（４Ｎ）品、９９．
９９９％（５Ｎ）品でもそれ程高価ではないので使用す
ることができる。As the material of the Al circuit, not only 1000 series pure Al, but also 4000 series Al-Si series alloy or 6000 series Al-Mg-Si series alloy which can be easily joined can be used. Above all, high-purity Al having a low yield strength (purity 9
9.85% or more). Such an Al plate is composed of 1
It is commercially available as 085, 1N85 material. Also, 9
9.9% (3N) product, 99.99% (4N) product, 99.
Even 999% (5N) products can be used because they are not so expensive.
【００２９】Ａｌ回路は単体でもよく、二種又は三種以
上のクラッド等の積層体であってもよい。積層体の例を
あげれば、Ａｌ−Ｎｉ、Ａｌ−Ｎｉ−Ｃｕ、Ａｌ−Ｍ
ｏ、Ａｌ−Ｗ、Ａｌ−Ｃｕ等である。これらは、使用目
的や接合方法により適宜選択される。これらのなかにあ
っても、純度９９．９９％以上のＡｌ単体の圧延板、特
に圧延率１０％以上の圧延板を用いることが好ましい。
圧延Ａｌ板が好適である理由は、上記溶融アルミニウム
法に比べて、ロールで均一な圧延が繰り返し行われてい
るので、均一な塑性変形が生じやすいことである。The Al circuit may be a single unit or may be a laminate of two or three or more clads. Examples of the laminate include Al-Ni, Al-Ni-Cu, and Al-M.
o, Al-W, Al-Cu and the like. These are appropriately selected depending on the purpose of use and the joining method. Among them, it is preferable to use a rolled plate of Al alone having a purity of 99.99% or more, particularly a rolled plate having a rolling reduction of 10% or more.
The reason why the rolled Al plate is suitable is that uniform plastic deformation is more likely to occur since uniform rolling is repeatedly performed with a roll as compared with the above-described molten aluminum method.
【００３０】Ａｌ回路の厚みは、通常０．３〜０．５ｍ
ｍである。この範囲を著しく逸脱すると、上記の好適な
接合材厚みとの関係を維持することができなくなる。例
えば、３ｍｍ厚みのＡｌ回路に対して、１/１５の厚さ
である２００μｍの合金箔は適切な厚みとはならず、熱
履歴に対して不利な硬い層が形成される。The thickness of the Al circuit is usually 0.3 to 0.5 m
m. If the value deviates significantly from this range, the above relationship with the preferable thickness of the bonding material cannot be maintained. For example, for an Al circuit having a thickness of 3 mm, an alloy foil of 200 μm, which is 1/15 thick, does not have an appropriate thickness, and a hard layer disadvantageous to the heat history is formed.
【００３１】Ａｌ回路を形成させたセラミックス基板の
反対面（裏面）に、放熱板を形成させた構造において、
放熱板はセラミックス基板に固定させるためにほぼ全面
に半田付けされるので、半田への熱応力も大きくなり、
半田クラックの発生、進行が放熱性を支配することとな
る。セラミックス基板への熱応力は回路パターン端部に
集中して発生する。回路端部で発生して、パターン内部
へと進行する「水平クラック」が放熱性を支配する一因
となる場合が多い。In a structure in which a heat sink is formed on the opposite surface (back surface) of the ceramic substrate on which the Al circuit is formed,
Since the heat sink is soldered to almost the entire surface to fix it to the ceramic substrate, the thermal stress on the solder also increases,
The occurrence and progress of solder cracks govern heat dissipation. Thermal stress on the ceramic substrate is concentrated at the end of the circuit pattern. In many cases, “horizontal cracks” that occur at the end of the circuit and propagate into the inside of the pattern contribute to controlling the heat dissipation.
【００３２】本発明の回路基板では、これらの点から、
放熱板に対するＡｌ回路の体積比（回路体積／放熱板体
積）を１に近づけることが望ましく、該比を０．８〜
１．２、特に０．８５〜１．１５、更には０．９〜１．
１とすることが好ましい。この場合において、放熱板の
厚みは、回路の厚みよりも同等以下であることが望まし
い。該体積比に著しい差異があると、発生する熱応力に
偏りが生じて、反りやうねりが発生し、半田クラック等
の損傷、ボンディングワイヤやメッキの剥離を十分に防
止することができなくなる。In the circuit board of the present invention, from these points,
It is desirable that the volume ratio of the Al circuit to the heat sink (circuit volume / heat sink volume) be close to 1, and the ratio be 0.8 to
1.2, especially 0.85-1.15, and even 0.9-1.
It is preferably set to 1. In this case, it is desirable that the thickness of the heat sink be equal to or less than the thickness of the circuit. If there is a remarkable difference in the volume ratio, the generated thermal stress will be biased, causing warpage or undulation, and it will not be possible to sufficiently prevent damage such as solder cracks and peeling of bonding wires and plating.
【００３３】Ａｌ回路の体積は、（回路面積×回路厚
み）によって、また放熱板の体積は(放熱板面積×放熱
板厚み)によってそれぞれ算出される。The volume of the Al circuit is calculated by (circuit area × circuit thickness), and the volume of the heat sink is calculated by (heat sink area × heat sink thickness).
【００３４】また、Ａｌ回路のビッカース硬度を１６ｋ
ｇｆ／ｍｍ2（１５７ＭＰａ、但し１ｋｇｆ／ｍｍ2＝
９．８ＭＰａ）以下で、放熱板のビッカース硬度を１９
〜３０ｋｇｆ／ｍｍ2とすることが好ましく、特に上記
体積比関係を満たし、かつこのビッカース硬度関係を満
たしていることが好ましい。The Vickers hardness of the Al circuit is 16 k.
gf / mm 2 (157 MPa, where 1 kgf / mm 2 =
9.8 MPa) or less and the heat sink has a Vickers hardness of 19
-30 kgf / mm 2, and it is particularly preferable that the above-mentioned volume ratio relationship be satisfied and that this Vickers hardness relationship be satisfied.
【００３５】ここで規定するビッカース硬度は、Ａｌ回
路又は放熱板の硬度であり、接合前のＡｌ板の硬度とは
異なる。Ａｌ板は接合材を用いて、５００〜６４０℃の
範囲で加熱してセラミックス基板に接合されるため、熱
処理により微構造が変化し、又接合材が拡散することに
よってＡｌの純度が低下するためである。更に、接合後
に熱処理することにより、Ａｌ特性が変化する。従っ
て、接合前のＡｌ板の硬度を規定しても意味をなさな
い。The Vickers hardness specified here is the hardness of the Al circuit or the heat sink, and is different from the hardness of the Al plate before joining. Since the Al plate is joined to the ceramic substrate by heating at a temperature in the range of 500 to 640 ° C. using the joining material, the microstructure changes due to heat treatment, and the purity of Al decreases due to diffusion of the joining material. It is. Further, by performing a heat treatment after the bonding, the Al characteristics are changed. Therefore, it does not make sense to specify the hardness of the Al plate before joining.
【００３６】ビッカース硬度は、金属やセラミックスの
高度の測定方法として広範に用いられている。荷重をか
けて微細な圧子を打ち込んで測定するため、測定条件に
よってはやや異なる値を示すこともある。本発明では、
荷重１ｋｇｆ、保持時間１５秒の条件で測定を行った。Vickers hardness is widely used as a high-level measuring method for metals and ceramics. Since the measurement is performed by driving a fine indenter under a load, the value may be slightly different depending on the measurement conditions. In the present invention,
The measurement was performed under the conditions of a load of 1 kgf and a holding time of 15 seconds.
【００３７】Ａｌ回路のビッカース硬度が１６ｋｇｆ／
ｍｍ2を超えると、熱応力による塑性変形が不均一とな
り、部分的な変形が大きくなるため、ボンディングワイ
ヤやメッキの剥離が生じる恐れがある。硬度は小さいほ
ど好ましいが、軟らかとすぎると傷つきやすくなるの
で、好ましくは１１〜１５ｋｇｆ／ｍｍ2である。一
方、放熱板のビッカース硬度が３０ｋｇｆ／ｍｍ2を超
えると、塑性変形が困難となり、セラミックス基板、半
田共にクラックが発生しやすくなる。また１９ｋｇｆ／
ｍｍ2未満では塑性変形が容易ではあるが、繰り返しの
熱履歴により大きな変形が生じることで、半田クラック
が発生しやすくなる。従って、特に好ましい放熱板のビ
ッカース硬度は２０〜２８ｋｇｆ／ｍｍ2である。The Vickers hardness of the Al circuit is 16 kgf /
If it exceeds mm 2 , plastic deformation due to thermal stress becomes non-uniform, and partial deformation increases, so that there is a possibility that peeling of the bonding wire or plating may occur. The hardness is preferably as small as possible, but if it is too soft, it is easily damaged, so it is preferably from 11 to 15 kgf / mm 2 . On the other hand, if the Vickers hardness of the heat radiating plate exceeds 30 kgf / mm 2 , plastic deformation becomes difficult, and cracks easily occur in both the ceramic substrate and the solder. 19kgf /
If it is less than mm 2 , plastic deformation is easy, but solder cracks are likely to occur due to large deformation due to repeated thermal history. Therefore, a particularly preferred Vickers hardness of the heat sink is 20 to 28 kgf / mm 2 .
【００３８】Ａｌ回路及び放熱板の硬度は、材料の選択
とその熱処理条件によって調整可能である。材料につい
ては、接合後のＡｌ板は高純度であるほど柔らかくなる
ので、純度を基準にして選択すればよい。通常、純Ａｌ
として市販されているもので、９９．０％〜９９．９９
９％とかなりの幅があり、硬度に大きな差が生じる。９
９．５％以下のＡｌでは接合後にビッカース硬度を１６
ｋｇｆ／ｍｍ2以下とするのは困難であり、９９．５％
以上では接合後に１９ｋｇｆ／ｍｍ2以上とするのは難
しい。すなわち、本発明においては、Ａｌ回路には高純
度のＡｌ材を、放熱板には比較的低純度のＡｌ又はＡｌ
合金が用いられる。Ａｌ合金の例としては、ＡＡ記号で
３００３を始めとするＡｌ−Ｍｎ系合金、５０５２を始
めとするＡｌ−Ｍｇ系合金が挙げられる。The hardness of the Al circuit and the radiator plate can be adjusted by selecting the material and the heat treatment conditions. As for the material, the higher the purity of the Al plate after joining, the softer the material. Therefore, the material may be selected based on the purity. Usually pure Al
As 99.0% to 99.99%.
There is a considerable range of 9%, and there is a large difference in hardness. 9
With Al of 9.5% or less, the Vickers hardness after bonding is 16
kgf / mm 2 or less is difficult, and 99.5%
With the above, it is difficult to increase the pressure to 19 kgf / mm 2 or more after joining. That is, in the present invention, high-purity Al material is used for the Al circuit, and relatively low-purity Al or Al is used for the heat sink.
An alloy is used. Examples of the Al alloy include an Al-Mn alloy such as AA symbol 3003 and the like, and an Al-Mg alloy such as 5052 and the like.
【００３９】次に、熱処理条件については、本発明の回
路基板を製造する際に、Ａｌ板とセラミックス基板との
接合温度は、Ａｌの焼鈍温度３００〜３５０℃よりも高
くなるので、接合後の冷却条件が重要である。Ａｌの焼
鈍温度より高い温度域での冷却を２℃／分以下で行えば
硬度が低下し、５℃／分以上で行えば硬度が比較的高く
なる。Next, regarding the heat treatment conditions, when the circuit board of the present invention is manufactured, the bonding temperature between the Al plate and the ceramic substrate is higher than the annealing temperature of Al of 300 to 350 ° C. Cooling conditions are important. If the cooling is performed at a temperature higher than the annealing temperature of Al at a rate of 2 ° C./min or less, the hardness decreases, and at a rate of 5 ° C./min or more, the hardness relatively increases.
【００４０】次に、セラミックス基板について説明す
る。Next, the ceramic substrate will be described.
【００４１】セラミックス基板の材質については、高信
頼性が求められるパワーモジュールに使用されることを
考えれば、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に使用され
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。As for the material of the ceramic substrate, aluminum nitride or silicon nitride having a thermal conductivity of at least 70 W / mK is preferably used, considering that it is used for a power module requiring high reliability. Materials such as silicon carbide and beryllium oxide may be used, but are inferior in insulation and safety.
【００４２】このようなセラミックス基板は、窒化アル
ミニウム粉末に、イットリア、アルミナ、マグネシア、
希土類元素酸化物等の焼結助剤を０．５〜１０重量％程
度の内割で配合し、ブチラールやメチルセルロース等の
有機バインダーを用いて成形した後、脱バインダーし、
窒素、アルゴン等の非酸化性雰囲気中、温度１７００〜
１９００℃で１〜１２時間程度保持することによって製
造することができる。このような製造法は公知であり、
また市販品もある。Such a ceramic substrate is prepared by adding yttria, alumina, magnesia,
A sintering aid such as a rare earth element oxide is blended in an amount of about 0.5 to 10% by weight, molded using an organic binder such as butyral or methyl cellulose, and then debindered.
In a non-oxidizing atmosphere such as nitrogen or argon, temperature 1700
It can be manufactured by holding at 1900 ° C. for about 1 to 12 hours. Such production methods are known,
There are also commercial products.
【００４３】セラミックス基板の厚みは、通常０．６３
５mmであるが、要求特性によって変えることができる。
例えば、高電圧での絶縁性があまり重要でなく熱抵抗が
重要である場合は、０．５〜０．３mmの薄い基板を用い
ることができ、逆に高電圧での絶縁耐圧や部分放電特性
が重要である場合には、１〜３mmの厚いものが用いられ
る。The thickness of the ceramic substrate is usually 0.63
It is 5 mm, but can be changed according to required characteristics.
For example, when thermal resistance is important and insulation at a high voltage is not so important, a thin substrate of 0.5 to 0.3 mm can be used. Is important, a thickness of 1 to 3 mm is used.
【００４４】次に、本発明の回路基板の製造方法につい
て説明する。Next, a method of manufacturing a circuit board according to the present invention will be described.
【００４５】本発明の回路基板は、例えば、Ａｌ板又は
Ａｌ合金板とセラミックス基板とを上記Ａｌ−Ｃｕ系合
金を用いて加熱接合した後エッチングする方法、Ａｌ板
又はＡｌ合金板から打ち抜かれたＡｌ回路又は放熱板の
パターンをセラミックス基板に上記Ａｌ−Ｃｕ系合金を
用いて接合する方法等、によって製造することができ
る。The circuit board of the present invention is, for example, a method in which an Al plate or an Al alloy plate and a ceramic substrate are heated and joined by using the above-mentioned Al-Cu alloy and then etched, and is punched from the Al plate or the Al alloy plate. It can be manufactured by, for example, a method of joining a pattern of an Al circuit or a heat sink to a ceramic substrate using the above Al-Cu alloy.
【００４６】いずれの方法においても、セラミックス基
板、Ａｌ回路、及び必要に応じて放熱板を接合する必要
がある。接合方法には溶湯法のように接合材を用いない
方法もあるが、本発明ではＡｌ−Ｃｕ系合金、又はＡｌ
とＣｕを含む混合物を用いて接合する方法が好ましい。In any method, it is necessary to bond the ceramic substrate, the Al circuit, and, if necessary, the heat sink. As a joining method, there is a method that does not use a joining material as in a molten metal method. However, in the present invention, an Al—Cu-based alloy or Al
And a method of joining using a mixture containing Cu and Cu.
【００４７】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く、また合金箔を
用いる場合は、予め金属板又は回路パターンとクラッド
化しておくこともできる。The bonding material may be arranged on either the ceramic side, the metal plate or the circuit pattern side. When an alloy foil is used, the bonding material may be clad with the metal plate or the circuit pattern in advance.
【００４８】接合温度は、５４０〜６４０℃の範囲にあ
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、６０
０℃以下でも十分に接合できる。一方、接合温度が６４
０℃を超えると、接合時にろう接欠陥（Ａｌ回路に生じ
た虫食い現象）が生じ易くなるので、好ましくない。The joining temperature is in the range of 540 to 640 ° C., but the appropriate range varies depending on the composition of the joining material. When a relatively low melting point component such as Zn or In is added, or when the content of Cu or Mg is relatively large, 60
Even at 0 ° C. or less, sufficient bonding can be achieved. On the other hand, when the joining temperature is 64
If the temperature exceeds 0 ° C., a soldering defect (insect eating phenomenon generated in the Al circuit) is likely to occur at the time of joining, which is not preferable.
【００４９】従来、回路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０．１ｋｇ
ｆ／ｃｍ2（９８００Ｐａ）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、１〜１００ｋｇｆ／ｃｍ2と従来技術では非
常識な高い圧力をかける。そのため、セラミックス基板
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るので、生産
性が向上する。セラミックス基板は、圧縮強度が高いの
で、この程度に加圧されても損傷を受けることはない。
しかし、通常、セラミックス基板には、多少の反りやう
ねりがあるので、５０ｋｇｆ／cm2超、特に１００ｋｇ
ｆ／cm2超の圧力をかけるとワレ等を生じる危険性があ
るので注意が必要である。Conventionally, in the production of a circuit board, a weight has been placed on the metal plate and the ceramics substrate when the metal substrate and the ceramic substrate are joined, and the pressure is applied.
It is about f / cm 2 (9800 Pa). At such a pressure, the metal plate can follow only a relatively gentle warpage or undulation of the ceramic substrate. On the other hand, in the present invention, an insanely high pressure of 1 to 100 kgf / cm 2 is applied in the prior art. Therefore, the ceramic substrate can be used as it is at a normal level without requiring strict smoothness and flatness, thereby improving the productivity. Since the ceramic substrate has a high compressive strength, it is not damaged even if pressed to such an extent.
However, usually, since the ceramic substrate has some warpage or undulation, it exceeds 50 kgf / cm 2 , especially 100 kgf / cm 2.
Care must be taken because applying a pressure exceeding f / cm 2 may cause cracks or the like.
【００５０】Ａｌ又はＡｌ合金自体は、３００〜３５０
℃で焼鈍を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、接合時にろう
接欠陥が生じても、１〜１００kgf／cm2で加圧すること
によってそれが押しつぶされてなくなる。従って、ろう
接欠陥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をするか、又
は接合後の冷却過程において、少なくとも４００℃以上
の温度範囲において加圧を行う。Al or Al alloy itself is 300 to 350
As can be seen from annealing at a temperature of 500 ° C., the metal becomes very soft at a temperature of 500 ° C. or higher. Therefore, even if a brazing defect occurs at the time of joining, it is not crushed by applying a pressure of 1 to 100 kgf / cm 2 . Therefore, when it is important to eliminate brazing defects, re-heating while applying pressure at a temperature of 400 ° C. or more after joining, or in a cooling process after joining, at least in a temperature range of 400 ° C. or more. Pressurize.
【００５１】本発明において、特に好ましい接合条件
は、厚み１５〜３５μｍのＡｌ−Ｃｕ系合金箔を用い、
５９０℃以上で８〜５０kgf／cm2で加圧し、加熱・加圧
状態を少なくとも２０分間保持することである。これに
よって、Ａｌ回路のビッカース硬度を１６kgf／ｍｍ2以
下に容易に実現させることができる。更に好ましくは、
５９５〜６３５℃に加熱し、２０〜９０分間保持するこ
とである。In the present invention, a particularly preferable joining condition is to use an Al—Cu alloy foil having a thickness of 15 to 35 μm,
Pressing at 590 ° C. or higher at 8 to 50 kgf / cm 2 , and maintaining the heated and pressed state for at least 20 minutes. As a result, the Vickers hardness of the Al circuit can be easily reduced to 16 kgf / mm 2 or less. More preferably,
Heat to 595-635 ° C and hold for 20-90 minutes.
【００５２】本発明におけるビッカース硬度低減効果の
メカニズムの詳細は明らかではないが、本発明では、通
常の焼鈍温度３００〜３５０℃よりも非常識な高温領域
で接合を行っているので、Ａｌは非常にソフトな状態と
なっており、圧力が均一に伝わることで粒成長が抑制さ
れているためではないかと考えている。Although the details of the mechanism of the Vickers hardness reduction effect in the present invention are not clear, in the present invention, since the bonding is performed in an insane high-temperature region higher than the normal annealing temperature of 300 to 350 ° C., Al is extremely low. It is thought that this may be because grain growth is suppressed by transmitting pressure uniformly.
【００５３】本発明において、例えば、セラミックス基
板の両面に合金箔、Ａｌ等の板、パターン等を配置し、
セラミックス基板と垂直方向に加圧することが好まし
い。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。In the present invention, for example, an alloy foil, a plate of Al or the like, a pattern, or the like is arranged on both surfaces of a ceramic substrate.
It is preferable to apply pressure in a direction perpendicular to the ceramic substrate. The pressing direction is a direction perpendicular to the ceramic substrate, and the method and the like are not particularly limited. A method of placing a weight, a method of mechanically sandwiching with a jig or the like, and the like are employed.
【００５４】次いで、接合体は必要に応じてエッチング
される。Ａｌ回路又は放熱板のパターンを接合したとき
には、エッチングは特に必要でない。エッチングは、通
常のレジスト、エッチング工程によって行うことができ
る。また、メッキ等の表面処理も必要に応じて行われ
る。Next, the joined body is etched as necessary. When the pattern of the Al circuit or the heat sink is joined, etching is not particularly required. The etching can be performed by a usual resist and etching process. Further, surface treatment such as plating is also performed as needed.
【００５５】[0055]
【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。The present invention will be described more specifically below with reference to examples and comparative examples.
【００５６】実施例１〜６ 比較例１〜３ 窒化アルミニウム基板は、表面研削や反り直し等の後加
工のない焼成されたままのものであり、厚みは０．６３
５mmで、大きさは２インチ角、熱伝導率１７０Ｗ／ｍ
Ｋ、曲げ強さ４００ＭＰａであるものを用いた。また、
Ａｌ回路形成用のＡｌ板は、ＪＩＳ１０９０（厚み０．
５mm、Ａｌ純度９９．９％）を用いた。Examples 1 to 6 Comparative Examples 1 to 3 The aluminum nitride substrates were as fired without post-processing such as surface grinding and re-warping, and had a thickness of 0.63.
5mm, 2 inch square, thermal conductivity 170W / m
K and those having a bending strength of 400 MPa were used. Also,
The Al plate for forming the Al circuit is JIS1090 (thickness of 0. 1).
5 mm, 99.9% Al purity).
【００５７】まず、窒化アルミニウム基板の表裏面に接
合材を介してＡｌ板を重ね、Ｃ−Ｃコンポジット板(厚
さ２mm)に挟んで、ホットプレス装置により、セラミッ
クス基板に垂直方向に均等に加圧しながら５５０〜６２
０℃に真空中又はＮ2中で加熱した。First, an Al plate is placed on the front and back surfaces of an aluminum nitride substrate via a bonding material, and sandwiched between CC composite plates (thickness: 2 mm). 550-62 while pressing
Heated to 0 ° C. in vacuo or N 2 .
【００５８】接合材は、（ａ）Ａｌ−９．５重量％Ｓｉ
−１重量％Ｍｇ合金箔、（ｂ）Ａｌ−１５重量％Ｇｅ合
金箔、（ｃ）Ａｌ−４．１重量％Ｃｕ−０．５重量％Ｍ
ｎ合金箔、（ｄ）Ａｌ−２．８重量％Ｃｕ合金箔、
（ｅ）上記（ｃ）をＮ2中で平均径１０μｍにアトマイ
ズした粉末を有機バインダー(ＰＩＢＭＡ)と溶剤(テレ
ピネオール)によりペースト化したものを使用した。The bonding material is (a) Al-9.5% by weight Si
-1 wt% Mg alloy foil, (b) Al-15 wt% Ge alloy foil, (c) Al-4.1 wt% Cu-0.5 wt% M
n alloy foil, (d) Al-2.8% by weight Cu alloy foil,
(E) A powder obtained by atomizing the above (c) in N 2 to an average diameter of 10 μm and pasting it with an organic binder (PIBMA) and a solvent (terpineol) was used.
【００５９】接合体は、各条件で１００枚ずつ作製し、
軟Ｘ線を用い、３倍に拡大して接合不良やろう接欠陥を
検査した。検出下限は直径０．３mmφ程度である。ま
た、各試料を１０枚抜き取って、Ａｌ板の周囲２ｍｍを
ＦｅＣｌ3液でエッチングし、無電解Ｎｉ−Ｐメッキを
３μｍ施した後、１２．５mm角のシリコンチップを中央
に２ケずつ共晶半田で半田付けし、その反対面をＡｌ／
ＳｉＣヒートシンクに半田付けした。半田厚みは両者と
も１５０μｍである。[0059] 100 bonded bodies were prepared under each condition.
Using soft X-rays, three times magnification was used to inspect for poor bonding and soldering defects. The lower detection limit is about 0.3 mmφ in diameter. Also, 10 samples were taken out, 2 mm of the periphery of the Al plate was etched with FeCl 3 solution, electroless Ni-P plating was applied at 3 μm, and two 12.5 mm square silicon chips were eutectic at the center. Solder with solder, and the other side is Al /
It was soldered to a SiC heat sink. The solder thickness of both is 150 μm.
【００６０】その後、−４０℃、３０分→室温、１０分
→１２５℃、３０分→室温、１０分を１サイクルとして
３０００サイクル及び５０００サイクルの熱履歴試験を
実施し、膨れ、剥がれ等の外観チェック、３枚の断面観
察による半田クラックの発生の有無を調べ、更に７枚の
回路基板の回路部分を溶解し、インクテスト法(レッド
チェック)によりクラックの発生の有無を測定した。そ
れらの結果を表１に示す。Thereafter, a thermal hysteresis test of 3,000 cycles and 5000 cycles was carried out at -40 ° C., 30 minutes → room temperature, 10 minutes → 125 ° C., 30 minutes → room temperature, 10 minutes, and the appearance such as swelling and peeling was observed. Check was performed to check for the occurrence of solder cracks by observing the cross section of three sheets. Further, the circuit portions of the seven circuit boards were melted, and the presence or absence of cracks was measured by an ink test method (red check). Table 1 shows the results.
【００６１】実施例７ 比較例４ 実施例２又は比較例２において、窒化アルミニウム基板
の代わりに窒化ケイ素基板（厚み０．６３５mm、大きさ
は２インチ角、熱伝導率７０Ｗ／ｍＫ、曲げ強さ８００
ＭＰａ）を用いたこと以外は、同様にして回路基板を製
造した。その結果を表１に示す。Example 7 Comparative Example 4 In Example 2 or Comparative Example 2, a silicon nitride substrate (thickness: 0.635 mm, size: 2 inch square, thermal conductivity: 70 W / mK, flexural strength) was used instead of the aluminum nitride substrate. 800
A circuit board was manufactured in the same manner except that MPa) was used. Table 1 shows the results.
【００６２】[0062]
【表１】 [Table 1]
【００６３】表１から明らかなように、本発明の実施例
１〜７は、いずれも良好な接合状態を示し、Ｎ2中でも
安定して回路基板を製造できたのに対して、比較例１〜
４では、不良が多発し、生産性の悪いものであった。し
かも、驚くべきことに、特性的には、本発明の実施例は
いずれも比較例に比べて何ら遜色ないものであった。As is clear from Table 1, all of Examples 1 to 7 of the present invention showed a good bonding state, and a circuit board could be manufactured stably even in N 2 , while Comparative Example 1 ~
In the case of No. 4, failures occurred frequently and productivity was poor. Moreover, surprisingly, all of the examples of the present invention were not inferior to the comparative examples in terms of characteristics.
【００６４】また、比較例で用いた（ａ）、（ｂ）の合
金箔は、特開平３−１２５４６３号公報で示された組成
であるが、合金箔としてはいずれも特注品で一般には市
販されておらず入手が容易でなかったのに対して、実施
例の（ｃ）合金箔は、２０１７合金を箔化した市販品
で、容易かつ安価に入手できたものである。The alloy foils (a) and (b) used in the comparative examples have the compositions shown in JP-A-3-125463, but as alloy foils, both are custom-ordered and generally commercially available. In contrast, the alloy foil (c) of the example was a commercially available product obtained by converting the 2017 alloy into a foil, and was easily and inexpensively available.
【００６５】実施例８〜１２ 窒化アルミニウム基板（厚み０．６３５ｍｍ、大きさ２
インチ角、熱伝導率１７５Ｗ／ｍＫ、３点曲げ強度が４
２０ＭＰａ）の表裏面に、接合材、Ａｌ板（純度９９．
９９％以上、表２に示した厚み）の順に重ね、カーボン
板をねじ込んで基板に押しつける治具を用いて窒化アル
ミニウム基板に対して垂直方向に均等に加圧した。接合
条件を表２に示す。接合材は、（ｆ）Ａｌ−３．９重量
％Ｃｕ合金箔、又は（ｇ）、（ｆ）をＮ２中で平均径９
μｍにアトマイズ後、４５μｍ以下のものを集めて有機
バインダーと溶剤を加えてペースト化したものを使用し
た。それらの結果を表３に示す。Examples 8 to 12 Aluminum nitride substrates (thickness: 0.635 mm, size: 2
Inch square, thermal conductivity 175W / mK, 3 point bending strength 4
A bonding material and an Al plate (purity: 99.20 MPa) on the front and back surfaces.
99% or more (thickness shown in Table 2), and a carbon plate was screwed into the aluminum nitride substrate and pressed uniformly against the aluminum nitride substrate using a jig that pressed the substrate against the substrate. Table 2 shows the joining conditions. The joining material is (f) Al-3.9 wt% Cu alloy foil, or (g) and (f) in N2 with an average diameter of 9
After atomizing to μm, those having a size of 45 μm or less were collected, and an organic binder and a solvent were added to form a paste. Table 3 shows the results.
【００６６】[0066]
【表２】 [Table 2]
【００６７】[0067]
【表３】 [Table 3]
【００６８】表２、表３から明らかなように、Ａｌ回路
の厚みが１００μｍ以上で、ビッカース硬度を１５ｋｇ
ｆ／ｍｍ2以下とすることによって、ヒートサイクル試
験５０００サイクル後においてもボンディングワイヤや
メッキの損傷がなく、半田や窒化アルミニウム基板への
クラック発生も少なくすることができた。特に実施例
８、１０、１１と実施例９、１２の対比から、Ａｌ回路
の厚みが１５０〜３００μｍで、放熱板に対するＡｌ回
路の体積比（回路体積／放熱板体積）を０．８０〜１．
２とすることによって、この効果が顕著となった。As is clear from Tables 2 and 3, when the thickness of the Al circuit is 100 μm or more, the Vickers hardness is 15 kg.
By setting it to f / mm 2 or less, even after 5000 cycles of the heat cycle test, there was no damage to the bonding wires and plating, and the occurrence of cracks in the solder or aluminum nitride substrate could be reduced. In particular, from the comparison between Examples 8, 10, and 11, and Examples 9 and 12, the thickness of the Al circuit was 150 to 300 μm, and the volume ratio of the Al circuit to the heat sink (circuit volume / heat sink volume) was 0.80 to 1. .
By setting to 2, this effect became remarkable.
【００６９】実施例１３〜１８ 実施例１で用いた窒化アルミニウム基板を用い、表４に
示すＡｌ板（市販品）、接合材及び接合条件以外は、実
施例１と同様にして回路基板を製造した。それらの結果
を表５に示す。Examples 13 to 18 Using the aluminum nitride substrate used in Example 1, a circuit board was manufactured in the same manner as in Example 1 except for the Al plate (commercially available), bonding materials and bonding conditions shown in Table 4. did. Table 5 shows the results.
【００７０】[0070]
【表４】 [Table 4]
【００７１】[0071]
【表５】 [Table 5]
【００７２】表４、５と表１との対比から明らかなよう
に、接合材として、Ａｌ８６重量％以上、Ｃｕ１〜６重
量％、Ｍｇ３重量％以下（０を含まず）のものを用いる
ことによって、ボイドのない良好な接合状態を示し、ヒ
ートサイクル試験５０００サイクル後においても、半田
クラックと窒化アルミニウム基板クラックの発生が殆ど
ない、熱履歴に対する耐久性が大きい回路基板を製造す
ることができた。As is clear from the comparison between Tables 4 and 5 and Table 1, the use of a bonding material of 86% by weight or more, 1 to 6% by weight of Cu, and 3% by weight or less of Mg (not including 0) is used. A good bonding state without voids was obtained, and even after 5000 cycles of the heat cycle test, a circuit board with almost no occurrence of solder cracks and aluminum nitride substrate cracks and having high durability against heat history could be manufactured.
【００７３】また、実施例１３、１８と実施例１４〜１
７との対比から明らかなように、Ａｌ板のＡｌ純度が高
くなると、ヒートサイクル試験５０００サイクル後にお
いても、基板クラック発生による不良数が減少する傾向
が認められた。特に、実施例１４と実施例１５等との対
比からわかるように、純度９９．９９％以上の圧延Ａｌ
板を用いると、この効果が顕著となった。Further, Embodiments 13 and 18 and Embodiments 14 to 1
As is clear from comparison with No. 7, when the Al purity of the Al plate was increased, the number of defects due to the occurrence of substrate cracks tended to decrease even after 5000 cycles of the heat cycle test. In particular, as can be seen from a comparison between Example 14 and Example 15, etc., the rolled Al having a purity of 99.99% or more was obtained.
This effect was remarkable when a plate was used.
【００７４】実施例１５が最良の効果を示している理由
は、接合材厚みが適正化されているためである。実施例
１６と１７との対比からいえることは、実施例１７では
接合材の厚みが厚く、基板クラックに対しては不利な条
件でありながら、Ａｌ板純度が高いために、基板クラッ
クは実施例１６を凌いでいることである。The reason why the fifteenth embodiment shows the best effect is that the thickness of the bonding material is optimized. It can be said from the comparison between Examples 16 and 17 that, in Example 17, the thickness of the bonding material was large, which was a disadvantageous condition for the substrate crack, but the purity of the Al plate was high. That is to surpass 16.
【００７５】実施例１９〜２２ Ａｌ回路用Ａｌ板／接合材／実施例８で用いた窒化アル
ミニウム基板／接合材／放熱板用Ａｌ板のように重ね、
表７に示す接合条件で接合した。接合材は表６に示すも
のを用いた。Examples 19 to 22 Al plate for Al circuit / joining material / aluminum nitride substrate used in Example 8 / joining material / Al plate for heat radiating plate
The joining was performed under the joining conditions shown in Table 7. The bonding materials shown in Table 6 were used.
【００７６】接合後、エッチングレジストをスクリーン
印刷してＦｅＣｌ3液でエッチングした。Ａｌ回路面、
放熱板面のパターンは正方形（コーナーＲは２ｍｍ）と
し、それをセラミックス基板中央に形成させ、その大き
さを変えて、放熱板に対するＡｌ回路の体積比を表６に
示す比率で調整した。次いで、レジストを剥離した後、
無電解Ｎｉ−Ｐメッキを３μｍ施して回路基板とした。After bonding, the etching resist was screen-printed and etched with a FeCl 3 solution. Al circuit surface,
The pattern of the heat radiating plate surface was a square (the corner R was 2 mm), which was formed in the center of the ceramic substrate, and the size thereof was changed to adjust the volume ratio of the Al circuit to the heat radiating plate at the ratio shown in Table 6. Then, after removing the resist,
Electroless Ni-P plating was applied to 3 μm to obtain a circuit board.
【００７７】得られた回路基板の一部を用い、Ａｌ回路
と放熱板を剥離してそれらのビッカース硬度を測定し
た。その結果を表７に示す。Using a part of the obtained circuit board, the Al circuit and the heat sink were peeled off and their Vickers hardness was measured. Table 7 shows the results.
【００７８】また、別の一部の回路基板の中央部に１３
ｍｍ角のＳｉチップを半田付けした後、ヒートサイクル
試験を行った。ヒートサイクル試験は、−４０℃、３０
分→室温、１０分→１２５℃、３０分→室温、１０分を
１サイクルとし、３０００サイクル及び５０００サイク
ルのヒートサイクル試験を行った後、外観観察により基
板の不良数を数え、更に超音波深傷装置（ＳＡＴ）によ
りチップ半田と基板下半田の接合状態を調べた。直径１
ｍｍ以上の非接合部分又は１％以上の非接合面積部分が
確認できたものを接合不良とした。それらの結果を表８
に示す。Also, 13 is provided at the center of another circuit board.
A heat cycle test was performed after soldering the Si chip of mm square. The heat cycle test was performed at -40 ° C and 30 ° C.
Minutes → room temperature, 10 minutes → 125 ° C., 30 minutes → room temperature, 10 minutes as one cycle, and after 3000 cycles and 5000 cycles of heat cycle test, the number of defective substrates is counted by external appearance observation, and ultrasonic depth The bonding state between the chip solder and the solder under the board was examined by a scratch device (SAT). Diameter 1
When a non-joined portion of not less than 1 mm or a non-joined area portion of not less than 1% could be confirmed, it was regarded as poor joining. Table 8 shows the results.
Shown in
【００７９】[0079]
【表６】 [Table 6]
【００８０】[0080]
【表７】 [Table 7]
【００８１】[0081]
【表８】 [Table 8]
【００８２】実施例１９〜２１と実施例２２との対比か
ら明らかなように、Ａｌ回路のビッカース硬度が１６ｋ
ｇｆ／ｍｍ2 以下で、放熱板のビッカース硬度を１９〜
３０ｋｇｆ／ｍｍ2とすることによって、５０００サイ
クル後においても半田クラックや基板クラックの発生を
著しく抑制することができた。この効果は、放熱板に対
するＡｌ回路の体積比が０．８０〜１．２である回路基
板において、特に顕著であった。As is clear from the comparison between Examples 19 to 21 and Example 22, the Vickers hardness of the Al circuit was 16 k.
gf / mm 2 or less, and the heat sink has a Vickers hardness of 19 to
By setting the pressure at 30 kgf / mm 2 , the occurrence of solder cracks and substrate cracks could be significantly suppressed even after 5000 cycles. This effect was particularly remarkable in a circuit board having a volume ratio of the Al circuit to the heat sink of 0.80 to 1.2.
【００８３】なお、実施例１３〜２２において、各接合
層中のＡｌとＣｕを主成分とする層のＣｕ含有割合が１
〜６重量％となっていることを、断面観察による元素分
析のピーク比を定量化することにより確認した。In Examples 13 to 22, the Cu content of the layer mainly containing Al and Cu in each bonding layer was 1%.
６6% by weight was confirmed by quantifying the peak ratio of elemental analysis by cross-sectional observation.
【００８４】[0084]
【発明の効果】本発明によれば、安価かつ安定して、パ
ワーモジュール用として好適な高信頼性の回路基板が提
供される。According to the present invention, a highly reliable circuit board which is inexpensive, stable and suitable for a power module is provided.
【００８５】本発明によれば、半田クラックとセラミッ
クス基板へのクラックの発生を著しく少なくすることが
でき、しかもボンディングワイヤやメッキの剥離も著し
く防止した高信頼性の回路基板が提供される。According to the present invention, there is provided a highly reliable circuit board in which the occurrence of solder cracks and cracks in the ceramics substrate can be significantly reduced, and peeling of bonding wires and plating is also significantly prevented.
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０５Ｋ 1/03 ６１０ Ｈ０５Ｋ 3/38 Ｅ 3/38 Ｈ０１Ｌ 23/36 Ｃ (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 (72)発明者 後藤 猛 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 吉野 信行 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 杉本 勲 東京都町田市旭町３−５−１ 電気化学工 業株式会社中央研究所内Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat II (Reference) H05K 1/03 610 H05K 3/38 E 3/38 H01L 23/36 C (72) Inventor Yoshihiko Tsujimura Shinkai, Omuta-shi, Fukuoka Town 1 Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd. Omuta Plant (72) Inventor Katsunori Terano 1 Shinkaicho, Omuta-shi, Fukuoka Prefecture Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd. Omuta Plant (72) Inventor Takeshi Goto 1 Shinkaicho, Omuta-shi, Fukuoka Electrochemical In the Omuta Plant of Industrial Co., Ltd. (72) Nobuyuki Yoshino, 1 Shinkaicho, Omuta-shi, Fukuoka Prefecture In the Omuta Plant of Electrochemical Industry Co., Ltd. (72) Isao Sugimoto, 3-5-1 Asahimachi, Machida-shi, Tokyo Electrochemistry Industrial Research Institute Central Research Laboratory
Claims (12)
らなるＡｌ回路とが、ＡｌとＣｕを主成分とする層を経
て接合されてなることを特徴とする回路基板。1. A circuit board comprising a ceramic substrate and an Al circuit made of Al or an Al alloy joined via a layer mainly composed of Al and Cu.
合が、１〜６重量％であることを特徴とする請求項１記
載の回路基板。2. The circuit board according to claim 1, wherein the proportion of Cu in the layer mainly composed of Al and Cu is 1 to 6% by weight.
有してなることを特徴とする請求項１記載の回路基板。3. The circuit board according to claim 1, wherein the layer mainly containing Al and Cu contains Mg.
らなるＡｌ回路とが、Ａｌ−Ｃｕ系合金及び／又はＡｌ
とＣｕを含む混合物からなる接合材を用いて接合されて
なることを特徴とする回路基板。4. A ceramic substrate and an Al circuit made of Al or an Al alloy are made of an Al—Cu-based alloy and / or an Al circuit.
A circuit board, which is joined by using a joining material made of a mixture containing Cu and Cu.
を特徴とする請求項４記載の回路基板。5. The circuit board according to claim 4, wherein the bonding material is an Al—Cu alloy foil.
Ｃｕ１〜６重量％、Ｍｇ３重量％以下（０を含まず）を
含むものであることを特徴とする請求項５記載の回路基
板。6. The composition of the bonding material is at least 86% by weight of Al.
6. The circuit board according to claim 5, comprising 1 to 6% by weight of Cu and 3% by weight or less of Mg (not including 0).
の反対面（裏面）に、Ａｌ又はＡｌ合金からなる放熱板
を形成させたものであることを特徴とする請求項１〜６
のいずれかに記載の回路基板。7. A heat radiation plate made of Al or an Al alloy is formed on an opposite surface (back surface) of a ceramic substrate on which an Al circuit is formed.
The circuit board according to any one of the above.
体積／放熱板体積）が０．８０〜１．２であることを特
徴とする請求項７記載の回路基板。8. The circuit board according to claim 7, wherein the volume ratio of the Al circuit to the heat sink (circuit volume / heat sink volume) is 0.80 to 1.2.
／ｍｍ2（１５７ＭＰａ、但し１ｋｇｆ／ｍｍ2＝９．８
ＭＰａである）以下、放熱板のビッカース硬度が１９〜
３０ｋｇｆ／ｍｍ2であることを特徴とする請求項７又
は８記載の回路基板。9. The Vickers hardness of the Al circuit is 16 kgf.
/ Mm 2 (157 MPa, but 1 kgf / mm 2 = 9.8
The Vickers hardness of the heat sink is 19 to
The circuit board according to claim 7, wherein the circuit board has a weight of 30 kgf / mm 2 .
基板又は窒化ケイ素基板であることを特徴とする請求項
１〜９のいずれかに記載の回路基板。10. The circuit board according to claim 1, wherein the ceramic substrate is an aluminum nitride substrate or a silicon nitride substrate.
／ｍＫ以上であることを特徴とする請求項１０記載の回
路基板。11. A ceramic substrate having a thermal conductivity of 70 W
The circuit board according to claim 10, wherein the value is not less than / mK.
が、純度９９．８５％以上のＡｌを用いて形成されたも
のであることを特徴とする請求項１〜９いずれかに記載
の回路基板。12. The circuit board according to claim 1, wherein the Al circuit made of Al or an Al alloy is formed using Al having a purity of 99.85% or more.
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