JP2002050841A - 金属ベース板付Ａｌ回路基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】安価かつ安定に耐半田クラック性の高い金属ベ
ース板付Ａｌ回路基板が提供する。 【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
を、熱膨張係数１０ｐｐｍ以上である金属を主成分とす
るベース板（４）に、Ｓｎ−Ｐｂ系半田を用いて、半田
（５）付けしてなる接合体において、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Ａｌ又はＡｌ合金であり、放熱板の厚み
が０．１〜０．２ｍｍであることを特徴とする金属ベー
ス板付Ａｌ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、半導体素子等の電
子部品を搭載したモジュールとして用いられる、耐半田
クラック性に優れた金属ベース板付Ａｌ回路基板に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子等の電子部品を搭載したモジ
ュールは、近来のエレクトロニクス技術の発展に伴い高
出力化が進む中、達成すべき課題は、セラミックス回路
基板の高い耐久性とともに、電子部品から発生した熱を
効率よく速やかに系外に逃がすため、伝熱を阻害する半
田クラックを低減することである。

【０００３】電子部品搭載モジュール用のセラミックス
基板としては、セラミックス基板の両面に活性金属など
の接合ろう材を用いて、Ｃｕ板を接合した基板がよく用
いられている。しかしながら、ヒートサイクルなどの熱
負荷をかけた際に、セラミックス基板と金属である回路
板および放熱板の熱膨張差に起因する熱応力が発生し、
セラミックス基板と金属板の接合端面において、基板の
クラックが生じる。このクラックは、熱負荷のサイクル
数の増加と共に進展し、極端な場合には、絶縁破壊が起
こる。このような、セラミックス基板のクラックを抑制
するため、金属回路端部の形状を最適化し、熱応力を低
減する技術が提案されているが、基板クラックを完全に
抑制するまでには至っていないのが現状である。

【０００４】さらに、セラミックス回路基板とベース板
との間の半田においては、金属回路との熱膨張差によっ
て大きな熱応力（歪み）が生じるため、半田がその歪み
に耐え切れず、クラックが発生する。このクラックによ
って、伝熱面積が大幅に減少し、電子部品の温度調節を
困難なものにしている。そこで、モジュールとしての高
い信頼性を確保するために、Ａｌ／ＳｉＣに代表される
ような、セラミックス基板と同程度の熱膨張係数を有す
る、ベース板を使用する場合がある。しかしながら、こ
のようなベース板は、一般的な金属ベース板と比較して
高価であるため、特殊な用途に限定して使用される場合
が多い。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
状況に鑑みてなされたものであり、安価な金属ベース板
を用いて、セラミックス回路基板の耐久性と半田クラッ
クの抑制（耐半田クラック性）を高めることを目的とす
るものである。

【０００６】

【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を、熱膨張係数１０
ｐｐｍ以上である金属を主成分とするベース板（４）
に、Ｓｎ−Ｐｂ系半田を用いて、半田（５）付けしてな
る接合体において、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Ａ
ｌ又はＡｌ合金であり、放熱板の厚みが０．１〜０．２
ｍｍであることを特徴とする金属ベース板付Ａｌ回路基
板である。更に、本発明は、金属ベース板付Ａｌ回路基
板において、使用する半田のＰｂ含有量が３０％以上で
ある、金属ベース板付Ａｌ回路基板である。

【０００７】

【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、本発明の金属ベース板
付Ａｌ回路基板を説明するための説明図であり、図２
は、半田クラック長さ（Ｌ）を測定するための説明図で
ある。

【０００８】本発明で使用されるセラミックス基板
（１）としては、窒化アルミニウム又は窒化ケイ素であ
り、高信頼性及び高絶縁性を得ることができる。また、
セラミックス基板の厚みは、通常０．６３５ｍｍ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。

【０００９】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、Ａｌ又はＡｌ合金であ
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。Ａｌ、Ａｌ合金は、
Ｃｕ板と比較して、降伏応力が小さく、塑性変形に富
み、ヒートサイクルなどの熱応力負荷時において、セラ
ミックス基板にかかる熱応力を大幅に低減できる。従っ
て、基板に発生するクラックを抑制することが可能とな
り、高い信頼性が得られる。

【００１０】回路の厚みは、電気的、熱的特性の面から
０．４〜０．５ｍｍであることが好ましい。一方、放熱
板の厚みは、本発明において、半田クラックを抑制する
最も重要な因子である。半田クラックは、セラミックス
基板と放熱板との熱膨張差から生じる歪みとベース板と
半田の熱膨張差から生じる歪みの差が大きい場合に生じ
る。従って、半田クラックを抑制するためには、この歪
み差を小さくすることが重要となる。

【００１１】本発明で、用いる金属ベース板としては、
様々な種類の金属を使用することが可能であるが、機械
的特性、熱的特性やコストの面から、一般的には、Ｃｕ
やＡｌを主成分とするベース板が用いられ、その熱膨張
係数は１０〜３０ｐｐｍである。使用する半田の熱膨張
係数も比較的近いため、ベース板と半田の熱膨張差から
生じる歪みは小さなものとなる。従って、半田クラック
を抑制するためには、セラミックス基板と放熱板の熱膨
張差から生じる歪みを小さくすることが重要であり、放
熱板の厚みを小さくすることが有効である。すなわち、
放熱板の厚みは０．１〜０．２ｍｍが良い。放熱板の厚
みが０．２ｍｍより大きくなると、セラミックス基板と
放熱板との熱膨張差から生じる歪みが大きくなり、半田
はこの歪みを吸収しきれず、半田クラックが発生する。
一方、放熱板の厚みが、０．１ｍｍよりも小さい場合に
は、回路厚みとのバランスが崩れることによって、半田
付け時にセラミックス基板自体の反りが大きくなる。従
って、放熱板とベース板の間にボイドを生じる結果とな
り、本発明の目的を達成することができない。

【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Ａｌ又はＡｌ合金である場合
は、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ
系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｇｅ系等の合金を用い
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】さらには、Ａｌ−Ｃｕ系合金は、ＳｉやＧ
ｅ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その
ハミダシが生じ難くなり、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％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％であることが好ましい。１％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％
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
％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１/３〜１/３０の厚みであることが好ましい。１
/３０未満では、十分な接合が難しくなり、また１/３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。

【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２〜９ＭＰａ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０．０１ＭＰａ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、２〜９ＭＰａ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】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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】本発明においては、セラミックス基板の表
面に回路、裏面に放熱板が形成されてなる回路基板は、
熱膨張係数１０ｐｐｍ以上である金属を主成分とするベ
ース板に、半田を用いて接合される。

【００２５】熱膨張係数１０ｐｐｍ以上である金属を主
成分とするベース板としては、銅又はアルミニウムが好
ましい。また、ベース板の厚みは、５ｍｍ以下であるこ
とが好ましい。

【００２６】半田は、Ｓｎ−Ｐｂ系が用いられ、中でも
Ｐｂ含有量が３０％以上、特に３５〜７０％であるもの
が好ましい。また、半田付けに際しては、放熱板の側面
を覆うように盛り上げて行うことが好ましい。

【００２７】

【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。

【００２８】実施例１〜７ 比較例１〜４ 使用したセラミックス基板は、０．６３５ｍｍの厚みの
もので、大きさは３５ｍｍ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４００ＭＰａ、窒化ケイ素基板が８００ＭＰａ
である。回路を形成させるための金属板は、厚み０．４
ｍｍのＡｌ(＞９９．９％)である。放熱板を形成させる
ための金属板は、０．０５〜０．４ｍｍのＡｌ（＞９
９．９％）である。また、接合材は、Ａｌ−４％Ｃｕ合
金箔を用い、６３０℃にて、３ＭＰａに加圧し接合し
た。

【００２９】セラミックス基板と金属板とを接合材を挟
んで重ね、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塗布した後、ＦeＣ
ｌ₃液でエッチングした。

【００３０】得られた回路基板に無電解Ｎｉ−Ｐメッキ
を２〜５μｍ施し、銅を主成分とするベース板又はアル
ミニウムを主成分とするベース板に窒素雰囲気中にて、
半田付けした。半田は、放熱板の側面を覆うように盛り
上げて行われた。用いた半田は、表１に示すＰｂ含有量
で、厚さ０．３ｍｍのＳｎ−Ｐｂ系板である。

【００３１】得られた金属ベース板付Ａｌ回路基板につ
いて、市販の超音波探傷映像装置「ＨＡ−７０１」を用
いて、半田付け後の半田の状態を確認し、ヒートサイク
ル試験を実施した。ヒートサイクル試験においては、−
４０〜１２５℃の熱負荷（１サイクル５０分）を与え
て、５００回後に取り出し、超音波探傷映像装置にて半
田の状態を確認し、図２に示すように、コーナー部の半
田クラック長さ（Ｌ）を基板１枚につき、４箇所測定し
その平均値を半田クラック長さとした。その結果を表１
に示す。

【００３２】

【表１】

【００３３】表１に明らかなように、本発明の実施例は
いずれもヒートサイクル後の半田クラック長さが３ｍｍ
以下であり、耐半田クラック性の高い基板が得られたの
に対し、比較例では、半田クラックが大きく、実用には
耐え得ないものであった。

【００３４】

【発明の効果】本発明によれば、安価かつ安定に耐半田
クラック性の高い金属ベース板付Ａｌ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説明図。

【図２】半田クラック長さ（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 金属ベース板 ５ 半田

───────────────────────────────────────────────────── 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 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 Ｆターム(参考） 5E315 AA03 BB03 GG01 GG16 5E319 BB07 GG11

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
   を、熱膨張係数１０ｐｐｍ以上である金属を主成分とす
   るベース板（４）に、Ｓｎ−Ｐｂ系半田を用いて、半田
   （５）付けしてなる接合体において、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Ａｌ又はＡｌ合金であり、放熱板の厚み
   が０．１〜０．２ｍｍであることを特徴とする金属ベー
   ス板付Ａｌ回路基板。
2. 【請求項２】 半田のＰｂ含有量が３０％以上であるこ
   とを特徴とする請求項２記載の金属ベース板付Ａｌ回路
   基板。