JP2002344094A - パワーモジュール用回路基板 - Google Patents
パワーモジュール用回路基板Info
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- JP2002344094A JP2002344094A JP2001144332A JP2001144332A JP2002344094A JP 2002344094 A JP2002344094 A JP 2002344094A JP 2001144332 A JP2001144332 A JP 2001144332A JP 2001144332 A JP2001144332 A JP 2001144332A JP 2002344094 A JP2002344094 A JP 2002344094A
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- JP
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- circuit board
- power module
- brazing material
- metal
- substrate
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-
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
- H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00
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- Ceramic Products (AREA)
- Structure Of Printed Boards (AREA)
- Manufacturing Of Printed Wiring (AREA)
- Parts Printed On Printed Circuit Boards (AREA)
Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】 従来においては、銅回路のエッジ部分の応力
緩和策が何も取られず、通常品の場合、５０サイクル程
度で、セラミックスにマイクロクラックが発生してい
た。これを解決するため、改良基板が種々提案されてい
るが、これらの回路基板のヒートサイクル性は３０００
サイクルまで到達していなかった。 【解決手段】 本発明のパワーモジュール用回路基板に
おいては、セラミックス基板１上にろう材４を介して所
定の形状の金属２を接合し、上記セラミックス基板１上
において上記ろう材４の一部を上記所定の形状の金属２
の外周から外部にはみ出すようにし、上記所定の形状の
金属の縁１２の内側に上記縁に沿った溝９を形成する。
緩和策が何も取られず、通常品の場合、５０サイクル程
度で、セラミックスにマイクロクラックが発生してい
た。これを解決するため、改良基板が種々提案されてい
るが、これらの回路基板のヒートサイクル性は３０００
サイクルまで到達していなかった。 【解決手段】 本発明のパワーモジュール用回路基板に
おいては、セラミックス基板１上にろう材４を介して所
定の形状の金属２を接合し、上記セラミックス基板１上
において上記ろう材４の一部を上記所定の形状の金属２
の外周から外部にはみ出すようにし、上記所定の形状の
金属の縁１２の内側に上記縁に沿った溝９を形成する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はパワーモジュール用
回路基板、特に自動車用インバーター装置に好適な高ヒ
ートサイクル性を有するパワーモジュール用回路基板に
関するものである。
回路基板、特に自動車用インバーター装置に好適な高ヒ
ートサイクル性を有するパワーモジュール用回路基板に
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、図１２及び図１３に示すようにア
ルミナやAlNのような絶縁性に優れたセラミックス１と
所定の形状の金属２とを接合した回路基板はインバータ
ーを形成する半導体装置の構成部品として広く使用され
ている。
ルミナやAlNのような絶縁性に優れたセラミックス１と
所定の形状の金属２とを接合した回路基板はインバータ
ーを形成する半導体装置の構成部品として広く使用され
ている。
【０００３】金属とセラミックスを接合する場合、通常
の方法として直接接合法、活性金属法などが一般的に採
用されている。直接接合法としては、例えばCu−Cu2O等
の共晶液相を利用して銅板をセラミックスに接合するも
の、また、活性金属法としてはAg，Cuを主成分とし、T
i、Zr、Hf等を含むろう材を用いて金属とセラミックス
を接合するものがある。
の方法として直接接合法、活性金属法などが一般的に採
用されている。直接接合法としては、例えばCu−Cu2O等
の共晶液相を利用して銅板をセラミックスに接合するも
の、また、活性金属法としてはAg，Cuを主成分とし、T
i、Zr、Hf等を含むろう材を用いて金属とセラミックス
を接合するものがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記セラミックス回路
基板には、パワーモジュールを組み立てる際の熱衝撃に
耐えうる基板強度が求められる他、搭載された半導体素
子の繰り返し発熱及び周囲の環境の温度変化に充分耐え
うるヒートサイクル特性が要求され、即ち冷熱サイクル
試験（TCT）において、セラミックスと金属の熱膨張差
に起因するクラックの発生を抑える必要がある。
基板には、パワーモジュールを組み立てる際の熱衝撃に
耐えうる基板強度が求められる他、搭載された半導体素
子の繰り返し発熱及び周囲の環境の温度変化に充分耐え
うるヒートサイクル特性が要求され、即ち冷熱サイクル
試験（TCT）において、セラミックスと金属の熱膨張差
に起因するクラックの発生を抑える必要がある。
【０００５】回路基板の重要な評価項目の１つにヒート
サイクル耐量がある。これは、絶縁基板を−40℃から12
5℃まで繰り返し加熱、冷却する際、基板にクラックが
発生するまでの回数である。
サイクル耐量がある。これは、絶縁基板を−40℃から12
5℃まで繰り返し加熱、冷却する際、基板にクラックが
発生するまでの回数である。
【０００６】然しながら、従来においては、銅回路のエ
ッジ部分の応力緩和策が何も取られず、汎用品の場合、
50サイクル程度で、セラミックスにマイクロクラックが
発生していた。これを解決するため、改良基板が種々提
案されている。
ッジ部分の応力緩和策が何も取られず、汎用品の場合、
50サイクル程度で、セラミックスにマイクロクラックが
発生していた。これを解決するため、改良基板が種々提
案されている。
【０００７】近年になり環境に配慮し、自動車業界で
は、廃ガスの少ない電気自動車、ハイブリットカー、燃
料電池車などが脚光を浴びだしている。これらには、モ
ーターが搭載される為、これを制御するインバーターが
必要となる。インバーターの半導体装置用回路基板に
は、車載用ということで高信頼性が求められ、ヒートサ
イクル性は３０００サイクル以上の回路基板が要求され
てきた。従って、従来の回路基板では、その特性要求値
を満たすことができず、さらにヒートサイクル性の優れ
た回路基板が必要となる。
は、廃ガスの少ない電気自動車、ハイブリットカー、燃
料電池車などが脚光を浴びだしている。これらには、モ
ーターが搭載される為、これを制御するインバーターが
必要となる。インバーターの半導体装置用回路基板に
は、車載用ということで高信頼性が求められ、ヒートサ
イクル性は３０００サイクル以上の回路基板が要求され
てきた。従って、従来の回路基板では、その特性要求値
を満たすことができず、さらにヒートサイクル性の優れ
た回路基板が必要となる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明のパワーモジュー
ル用回路基板は、セラミックス基板と、このセラミック
ス基板上にろう材を介して接合した所定の形状の金属と
より成り、上記セラミックス基板上において上記ろう材
の一部が上記所定の形状の金属外周から外部にはみ出し
ており、上記所定の形状の金属の縁の内側に上記縁に沿
った溝が形成されていることを特徴とする。
ル用回路基板は、セラミックス基板と、このセラミック
ス基板上にろう材を介して接合した所定の形状の金属と
より成り、上記セラミックス基板上において上記ろう材
の一部が上記所定の形状の金属外周から外部にはみ出し
ており、上記所定の形状の金属の縁の内側に上記縁に沿
った溝が形成されていることを特徴とする。
【０００９】上記溝は、上記ろう材まで達していること
が望ましい。
が望ましい。
【００１０】上記ろう材は、Ag、Cuを主成分とし、Ti、
Zr、Hfの中から選択される少なくとも１種の活性金属を
含有する事を特徴とする。
Zr、Hfの中から選択される少なくとも１種の活性金属を
含有する事を特徴とする。
【００１１】上記セラミックスは、AlN（窒化アルミニ
ウム）、アルミナ、Si3N4から選ばれる事を特徴とす
る。
ウム）、アルミナ、Si3N4から選ばれる事を特徴とす
る。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下図面によって本発明の実施例
を説明する。
を説明する。
【００１３】（実施例１）
【００１４】市販の厚さ0.635mmのAlN基板１と厚さ0.3
及び0.15mmの所定の形状の銅板（無酸素銅）２、３を準
備した。また、ろう材４として、金属成分がAg：70.7wt
％，Cu：27.3wt％，Ti：２wt％の組成のペーストを準備
した。
及び0.15mmの所定の形状の銅板（無酸素銅）２、３を準
備した。また、ろう材４として、金属成分がAg：70.7wt
％，Cu：27.3wt％，Ti：２wt％の組成のペーストを準備
した。
【００１５】AlN基板１の表側にろう材４を所定のパタ
ーンに印刷し、乾燥し、次に裏面にも同様にろう材ペー
ストを印刷、乾燥した。
ーンに印刷し、乾燥し、次に裏面にも同様にろう材ペー
ストを印刷、乾燥した。
【００１６】次いで、図１及び図２に示すように、表側
に厚さ0.3mmの無酸素銅２、裏面に厚さ0.15mmの無酸素
銅３を上記ろう材４の各パターン上に重ね、真空炉中85
0℃で焼成し、接合基板を得た。
に厚さ0.3mmの無酸素銅２、裏面に厚さ0.15mmの無酸素
銅３を上記ろう材４の各パターン上に重ね、真空炉中85
0℃で焼成し、接合基板を得た。
【００１７】次いで、図３〜図５に示すように、基板１
の表と裏においてエッチングレジストインク５を、銅板
２、３上にその縁から内側に0.4mmだけ離して幅0.4mm上
記縁に沿って印刷し、更にこのエッチングレジストイン
ク５の内側に幅0.4mmだけエッチングレジストインクを
印刷しない部分６を残してエッチングレジストインク７
を印刷し、エッチング処理して、図６〜図８に示すよう
に不要の銅を除去し、ろう材はみ出し部８とろう材４に
達する溝９とを形成し、その後図９に示すように銅板
２、３の表面にNiメッキ１０を行い試験サンプルとし
た。
の表と裏においてエッチングレジストインク５を、銅板
２、３上にその縁から内側に0.4mmだけ離して幅0.4mm上
記縁に沿って印刷し、更にこのエッチングレジストイン
ク５の内側に幅0.4mmだけエッチングレジストインクを
印刷しない部分６を残してエッチングレジストインク７
を印刷し、エッチング処理して、図６〜図８に示すよう
に不要の銅を除去し、ろう材はみ出し部８とろう材４に
達する溝９とを形成し、その後図９に示すように銅板
２、３の表面にNiメッキ１０を行い試験サンプルとし
た。
【００１８】出来上がったサンプルをヒートサイクル試
験機に投入し、所定のヒートサイクルでAlN基板１にク
ラックが入ったか調査した。
験機に投入し、所定のヒートサイクルでAlN基板１にク
ラックが入ったか調査した。
【００１９】なお、ヒートサイクルは室温から−40℃に
下げ30分間維持し、次いで室温に上げ10分間維持し、次
いで125℃に上げ30分間維持し、次いで室温に下げ10分
間維持することを１サイクルとした。
下げ30分間維持し、次いで室温に上げ10分間維持し、次
いで125℃に上げ30分間維持し、次いで室温に下げ10分
間維持することを１サイクルとした。
【００２０】（実施例２）
【００２１】市販の厚さ0.635mmのアルミナ基板１と厚
さ0.3及び0.15mmの所定の形状の銅板（無酸素銅）２、
３を準備し、実施例１と同様にサンプルを作成し、ヒー
トサイクル試験機でアルミナ基板にクラックが入るヒー
トサイクル数を調査した。
さ0.3及び0.15mmの所定の形状の銅板（無酸素銅）２、
３を準備し、実施例１と同様にサンプルを作成し、ヒー
トサイクル試験機でアルミナ基板にクラックが入るヒー
トサイクル数を調査した。
【００２２】（実施例３）
【００２３】市販の厚さ0.635mmのSi3N4基板１と厚さ0.
3及び0.15mmの所定の形状の銅板（無酸素銅）２、３を
準備し、実施例１と同様にサンプルを作成し、ヒートサ
イクル試験機でSi3N4基板にクラックが入るヒートサイ
クル数を調査した。
3及び0.15mmの所定の形状の銅板（無酸素銅）２、３を
準備し、実施例１と同様にサンプルを作成し、ヒートサ
イクル試験機でSi3N4基板にクラックが入るヒートサイ
クル数を調査した。
【００２４】（比較例１）
【００２５】市販の厚さ0.635mmのAlN基板１と厚さ0.3
及び0.15mmの所定の形状の銅板（無酸素銅）２、３を準
備した。また、ろう材４として、金属成分がAg：70.7wt
％，Cu：27.3wt％，Ti：２wt％の組成のペーストを準備
した。
及び0.15mmの所定の形状の銅板（無酸素銅）２、３を準
備した。また、ろう材４として、金属成分がAg：70.7wt
％，Cu：27.3wt％，Ti：２wt％の組成のペーストを準備
した。
【００２６】AlN基板１の表側にろう材４を所定のパタ
ーンに印刷し、乾燥し、次に裏面にも同様にろう材ペー
ストを印刷、乾燥した。
ーンに印刷し、乾燥し、次に裏面にも同様にろう材ペー
ストを印刷、乾燥した。
【００２７】次いで、図１及び図２に示すように表側に
厚さ0.3mmの無酸素銅２、裏面に厚さ0.15mmの無酸素銅
３を上記ろう材４の各パターン上に重ね、真空炉中850
℃で焼成し、接合基板を得た。
厚さ0.3mmの無酸素銅２、裏面に厚さ0.15mmの無酸素銅
３を上記ろう材４の各パターン上に重ね、真空炉中850
℃で焼成し、接合基板を得た。
【００２８】次いで、基板１の表と裏においてエッチン
グレジストインクを銅板２、３上にその縁から内側に0.
4mmだけ離して上記縁に沿って印刷し、乾燥し、エッチ
ングを行い、図１０に示すように不要の銅を除去し、ろ
う材はみ出し部１１のみを形成しその後銅板２、３の表
面にNiメッキ１０を行い試験サンプルとした。
グレジストインクを銅板２、３上にその縁から内側に0.
4mmだけ離して上記縁に沿って印刷し、乾燥し、エッチ
ングを行い、図１０に示すように不要の銅を除去し、ろ
う材はみ出し部１１のみを形成しその後銅板２、３の表
面にNiメッキ１０を行い試験サンプルとした。
【００２９】出来上がったサンプルをヒートサイクル試
験機に投入し、何ヒートサイクルでAlN基板１にクラッ
クが入ったか調査した。
験機に投入し、何ヒートサイクルでAlN基板１にクラッ
クが入ったか調査した。
【００３０】（比較例２）
【００３１】市販の厚さ0.635mmのAlN基板１と厚さ0.3
及び0.15mmの所定の形状の銅板（無酸素銅）２、３を準
備した。また、ろう材４として、金属成分がAg：70.7wt
％，Cu：27.3wt％，Ti：２wt％の組成のペーストを準備
した。
及び0.15mmの所定の形状の銅板（無酸素銅）２、３を準
備した。また、ろう材４として、金属成分がAg：70.7wt
％，Cu：27.3wt％，Ti：２wt％の組成のペーストを準備
した。
【００３２】AlN基板１の表側にろう材４を所定のパタ
ーンに印刷し、乾燥し，次に裏面にも同様にろう材ペー
ストを印刷、乾燥した。
ーンに印刷し、乾燥し，次に裏面にも同様にろう材ペー
ストを印刷、乾燥した。
【００３３】次いで、図１及び図２に示すように表側に
厚さ0.3mmの無酸素銅２、裏面に厚さ0.15mmの無酸素銅
３を上記ろう材４の各パターン上に重ね、真空炉中850
℃で焼成し、接合基板を得た。
厚さ0.3mmの無酸素銅２、裏面に厚さ0.15mmの無酸素銅
３を上記ろう材４の各パターン上に重ね、真空炉中850
℃で焼成し、接合基板を得た。
【００３４】その後銅板２、３の表面をNiメッキ１０を
行い図１１に示すような試験サンプルとした。
行い図１１に示すような試験サンプルとした。
【００３５】出来上がったサンプルをヒートサイクル試
験機に投入し、何ヒートサイクルでAlN基板１にクラッ
クが入ったか調査した。
験機に投入し、何ヒートサイクルでAlN基板１にクラッ
クが入ったか調査した。
【００３６】上記サンプルを用いたヒートサイクル試験
結果は表１に示す通りである。
結果は表１に示す通りである。
【００３７】
【表１】
【００３８】以上のヒートサイクル試験結果より本発明
の回路基板は従来の回路基板より格段にヒートサイクル
性が向上し、これによりヒートサイクル３０００回が必
要とされる自動車にも搭載可能な、しかも安価なパワー
モジュール基板が完成したことが明らかである。
の回路基板は従来の回路基板より格段にヒートサイクル
性が向上し、これによりヒートサイクル３０００回が必
要とされる自動車にも搭載可能な、しかも安価なパワー
モジュール基板が完成したことが明らかである。
【００３９】なお、上記ろう材はみ出し部８の幅、上記
溝９の幅、上記ろう材はみ出し部８と上記溝９とに挟ま
れる金属部分１２の幅は夫々0.25〜0.5mmの範囲が応力
緩和と回路の高密度化の両面から好ましいが、夫々それ
以上の幅であってもよい。
溝９の幅、上記ろう材はみ出し部８と上記溝９とに挟ま
れる金属部分１２の幅は夫々0.25〜0.5mmの範囲が応力
緩和と回路の高密度化の両面から好ましいが、夫々それ
以上の幅であってもよい。
【００４０】また、上記ろう材はみ出し部８の幅と上記
溝９の幅と上記金属部分１２の幅との合計が1.5mm以下
であることが回路の高密度化の面から望ましい。更には
端子を半田付する場所等の大きな応力が発生する可能性
のある部分のみ、上記のような形状を形成することで、
局所的に基板にかかる応力を緩和することもできる。
溝９の幅と上記金属部分１２の幅との合計が1.5mm以下
であることが回路の高密度化の面から望ましい。更には
端子を半田付する場所等の大きな応力が発生する可能性
のある部分のみ、上記のような形状を形成することで、
局所的に基板にかかる応力を緩和することもできる。
【００４１】
【発明の効果】上述のように本発明のパワーモジュール
用回路基板はろう材はみ出し部８及び溝９の変形により
基板１にかかる応力が分散し、ヒートサイクル特性が極
めて優れたものとなる大きな利益がある。
用回路基板はろう材はみ出し部８及び溝９の変形により
基板１にかかる応力が分散し、ヒートサイクル特性が極
めて優れたものとなる大きな利益がある。
【図１】本発明のパワーモジュール用回路基板の製造工
程を示すための平面図である。
程を示すための平面図である。
【図２】図１に示すパワーモジュール用回路基板の縦断
側面図である。
側面図である。
【図３】本発明のパワーモジュール用回路基板の製造工
程を示すための平面図である。
程を示すための平面図である。
【図４】図３に示すパワーモジュール用回路基板の縦断
側面図である。
側面図である。
【図５】本発明のパワーモジュール用回路基板の製造工
程を示すための要部の拡大縦断側面図である。
程を示すための要部の拡大縦断側面図である。
【図６】本発明のパワーモジュール用回路基板の製造工
程を示すための平面図である。
程を示すための平面図である。
【図７】図６に示すパワーモジュール用回路基板の縦断
側面図である。
側面図である。
【図８】図７に示すパワーモジュール用回路基板の要部
の拡大縦断側面図である。
の拡大縦断側面図である。
【図９】本発明のパワーモジュール用回路基板の要部の
拡大縦断側面図である。
拡大縦断側面図である。
【図１０】本発明のパワーモジュール用回路基板に対す
る比較例の要部の拡大縦断側面図である。
る比較例の要部の拡大縦断側面図である。
【図１１】本発明のパワーモジュール用回路基板に対す
る比較例の要部の拡大縦断側面図である。
る比較例の要部の拡大縦断側面図である。
【図１２】従来のパワーモジュール用回路基板の平面図
である。
である。
【図１３】図１２に示す回路基板の底面図である。
１ 基板 ２ 銅板 ３ 銅板 ４ ろう材 ５ エッチングレジストインク ６ 部分 ７ エッチングレジストインク ８ はみ出し部 ９ 溝 １０ Niメッキ １１ ろう材はみ出し部 １２ 金属部分
───────────────────────────────────────────────────── 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 3/20 Ｈ０５Ｋ 3/24 Ｚ 3/24 Ｃ０４Ｂ 37/02 Ｂ // Ｃ０４Ｂ 37/02 Ｈ０１Ｌ 23/12 Ｃ Ｆターム(参考） 4E351 AA08 AA09 BB01 BB06 BB46 CC11 CC14 DD04 DD05 DD21 DD24 DD54 EE03 GG03 4G026 BA03 BA16 BA17 BB23 BF16 BF17 BF24 BF44 BG02 BG23 BH07 5E338 AA01 AA18 BB01 BB02 BB12 CD22 CD23 EE21 EE26 EE28 EE31 5E343 AA02 AA23 AA24 BB08 BB24 BB67 CC61 DD55 DD56 DD62 DD76 GG01 GG11
Claims (4)
- 【請求項１】 セラミックス基板と、このセラミックス
基板上にろう材を介して接合した所定の形状の金属とよ
り成り、上記セラミックス基板上において上記ろう材の
一部が上記所定の形状の金属外周から外部にはみ出して
おり、上記所定の形状の金属の縁の内側に上記縁に沿っ
た溝が形成されていることを特徴とするパワーモジュー
ル用回路基板。 - 【請求項２】 上記溝が上記ろう材まで達していること
を特徴とする請求項１記載のパワーモジュール用回路基
板。 - 【請求項３】 上記ろう材が、Ag、Cuを主成分とし、T
i、Zr、Hfの中から選択される少なくとも１種の活性金
属を含有する事を特徴とする請求項１または２記載のパ
ワーモジュール用回路基板。 - 【請求項４】 上記セラミックスが、AlN、アルミナ、S
i3N4から選ばれる事を特徴とする請求項１、２または３
記載のパワーモジュール用回路基板。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001144332A JP2002344094A (ja) | 2001-05-15 | 2001-05-15 | パワーモジュール用回路基板 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001144332A JP2002344094A (ja) | 2001-05-15 | 2001-05-15 | パワーモジュール用回路基板 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002344094A true JP2002344094A (ja) | 2002-11-29 |
Family
ID=18990296
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001144332A Pending JP2002344094A (ja) | 2001-05-15 | 2001-05-15 | パワーモジュール用回路基板 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002344094A (ja) |
Cited By (6)
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| JP2010238952A (ja) * | 2009-03-31 | 2010-10-21 | Dowa Metaltech Kk | 金属セラミックス接合基板及びその製造方法 |
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2001
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