JP2004055576A

JP2004055576A - Circuit board and power module using it

Info

Publication number: JP2004055576A
Application number: JP2002206654A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kadota; 門田　健次; Masahiro Ibukiyama; 伊吹山　正浩
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2002-07-16
Filing date: 2002-07-16
Publication date: 2004-02-19

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a module that can suppress cracks of solder by using an inexpensive copper heat sink, having a high coefficient of thermal conductivity. <P>SOLUTION: In a circuit board, in which a metallic circuit and a metallic heat sink are respectively formed on both surfaces of a ceramic substrate via jointing layers, the margin width (called as the metallic heat sink-side margin width) between the outer peripheral edge of the ceramic substrate and that of the metallic heat sink is made broader than the margin width (called as "the metallic circuit-side margin width") between the outer peripheral edge of the ceramic substrate and that of the metallic circuit and, in addition, either of the margin widths is adjusted to be between 0.3-3 mm. Moreover, the difference between both margin widths is adjusted to be smaller than or equal to 0.5 mm. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半田クラックに対する耐久性を向上させた、特に、ＩＣパッケージやＩＧＢＴ、ＧＴＯ等のパワーモジュールに好適なセラミックス回路基板とそれを用いたパワーモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体分野において、ＬＳＩの集積化や高速化がすすむことに加え、ＧＴＯやＩＧＢＴ等のパワーデバイスの用途が拡大することなどの事情から、シリコンチップの発熱量が増加の一途をたどっている。そして、前記パワーモジュールが電気鉄道車両や電気自動車などの長期信頼性が要求される分野に採用されるにつれ、シリコンチップが搭載されている回路基板、あるいは回路基板が搭載されているモジュールの放熱特性が一層重大な関心事となっている。
【０００３】
これらの用途に於いては、半導体素子を搭載したセラミックス回路基板が銅等の熱放散性に優れる金属製ヒートシンクに半田を介して接合されて用いられている。しかし、セラミックス回路基板と金属製ヒートシンクとの熱膨張差が大きいため、前記半導体素子から発生した熱に原因して、セラミックス回路基板とヒートシンクとを接合している半田部に「半田クラック」と呼ばれるクラックを生じさせ、その結果、セラミックス回路基板とヒートシンクとの間の熱の伝導経路を遮断し、その結果、半導体素子の放熱が充分に行われずに前記半導体素子の温度上昇、熱的劣化を生じさせ、機能が停止してしまう問題がある。
【０００４】
半田クラックの発生は電気鉄道車両、電気自動車などの長期的に信頼性を必要とする用途にとっては致命的な欠点であり、放熱特性に優れ、電気的信頼性が大幅に向上したセラミックス回路基板とそれを用いたモジュールが切望されている。
【０００５】
最近、前述の熱膨張差の発生を抑制することを目的に、Ａｌ−ＳｉＣ複合体からなる低熱膨張率のヒートシンクを使用したパワーモジュールが開発され、長期信頼性を必要とするハイブリッドカーや電気鉄道車両などに使用されはじめている。
【０００６】
Ａｌ―ＳｉＣ複合体からなる低熱膨張率のヒートシンクは、パワーモジュールの長期信頼性に対して非常に効果的であり、いろいろな製法によるものが市販されている。例えば、ダイキャスト法（特開平５−５０８３５０号公報）や溶湯鍛造法（「まてりあ」第３６巻、第１号、１９９７年、４０−４６頁）などの高圧鋳造法、或いは、自発浸透法（特開平２−１９７３６８号公報）等が知られている。
【０００７】
しかし、Ａｌ−ＳｉＣ複合体を用いたヒートシンクは、前記のいずれの製法によるものであっても、従来公知の銅製ヒートシンクよりも製造コストが高いという欠点がある。その理由として、Ａｌ−ＳｉＣ複合体の製造法自体から由来する要因や、また板状のヒートシンクとしての寸法的な歩留まり要因などが挙げられるが、いずれせよ従来から使用されている銅板にはコストや寸法精度の点で及ばない。
【０００８】
また、Ａｌ−ＳｉＣ複合体の熱伝導率は、ＳｉＣの含有量に依存するが、約１５０Ｗ／ｍ・Ｋ〜２００Ｗ／ｍ・Ｋ程度であり、銅製ヒートシンクの熱伝導率の約４００Ｗ／ｍ・Ｋに対して約半分以下の低熱伝導率である。従って、半導体素子から発生する熱を効率的にパワーモジュールから外部に逃すには不利であり、パワーモジュールとしての許容電力量が低くなってしまう欠点がある。
【０００９】
前記理由のために、Ａｌ−ＳｉＣ複合体からなるヒートシンクは、その信頼性の高さは認められながらも、使用用途は限定され、銅製ヒートシンクからのＡｌ−ＳｉＣ複合体からなるヒートシンクへの置き換えは進んでいない。特に、廉価であることを要求される汎用品のパワーモジュールについては、銅製ヒートシンクを今後とも用いる趨勢にある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
即ち、廉価で熱伝導率の高い銅製ヒートシンクを使用し、しかも、前記半田クラックを抑制し得るセラミックス回路基板、或いはそれを用いたモジュールが強く望まれているものの、実用的に満足できるものは得られていなかった。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記の事情に鑑み鋭意検討を重ねた結果、セラミックス回路基板の構造を特定のものとすることにより、耐半田クラック性を大幅に向上することができることを実験的に見出し、本発明に至ったものである。
【００１２】
即ち、本発明は、セラミックス基板の片面に金属回路が、その反対面に金属放熱板が接合層を介して形成されてなる回路基板において、セラミックス基板の外周縁と金属放熱板の外周縁とのマージン幅（金属放熱板側マージン幅という）が、セラミックス基板の外周縁と金属回路の外周縁とのマージン幅（金属回路側マージン幅という）よりも大きく、しかも前記金属放熱板側マージン幅と前記金属回路側マージン幅の何れかが０．３ｍｍ以上３ｍｍ以下であって、しかも、両マージン幅の差が０．５ｍｍ以下であることを特徴とする回路基板である。
【００１３】
さらに本発明は、セラミックス基板の片面に金属回路が、その反対面に金属放熱板が接合層を介して形成されてなる回路基板において、金属放熱板側マージン幅が金属回路側マージン幅より大きく、さらに、金属回路側マージン幅並びに金属放熱板側マージン幅が３ｍｍより大きく２０ｍｍ以下であることを特徴とする回路基板である。
【００１４】
さらに本発明は、前記の両マージン幅の差が０．１ｍｍ以上２０ｍｍ未満であることを特徴とする前記の回路基板である。
【００１５】
また本発明は、セラミックス基板に窒化アルミニウム焼結体或いは窒化珪素焼結体基板を用いたことを特徴とする前記の回路基板である。
【００１６】
加えて、前記のセラミックス回路基板の放熱金属板上にヒートシンクを設けたことを特徴とするセラミックス回路基板、更に、前記の回路基板を用いてなることを特徴とするパワーモジュールも本発明である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明のセラミックス回路基板は、図１、図２、図３、並びに図４に例示したとおりに、セラミックス基板１の表裏に金属板２、３が接合され、片面（表面）の金属板２は、パターニングされ回路として使用され、他の片面（裏面）の金属板３は、金属放熱板として使用される。また、必要応じて、ヒートシンクと呼ばれる放熱部材４に半田５を介して接合された構造を有している。
【００１８】
本発明においては、セラミックス基板の外周縁と金属放熱板外周縁とのマージン幅（放熱板側マージン幅）ｂが、セラミックス基板の外周縁と金属回路外周縁とのマージン幅（金属回路側マージン幅）ａより大きい。本発明者は、前記目的を達成するべくいろいろ実験的検討を重ねた結果、前記特定な構造に加えて、放熱板側マージン幅と金属回路側マージン幅のいずれかが０．３ｍｍ以上３ｍｍ以下であって、しかも、両マージン幅の差が０．５ｍｍ以下である場合、或いは、金属回路側マージン幅並びに金属放熱板側マージン幅が３ｍｍより大きく２０ｍｍ以下である場合に、銅などのヒートシンクを半田接合した場合に耐半田クラック性が極めて優れる回路基板が得られるという知見を得て、本発明に至ったものである。
【００１９】
なお、本発明は、セラミックス基板の強度が２５０ＭＰａ以上の場合に、特に有効である。なぜなら、セラミックスの強度が２５０ＭＰａを下回る場合には、半田クラックの発生よりも、セラミックス割れの方が発生し易いからである。
【００２０】
前記構造を採用するときに耐半田クラック性が優れるという理由は明らかではないが、本発明者らは以下のように推察している。即ち、従来のセラミックス回路基板は、セラミックス基板の外周縁と金属回路外周縁とのマージン幅ａが、セラミックス基板の外周縁と金属放熱板外周縁とのマージン幅ｂと等しいか、ｂよりも大きい構造を採用している（図５）。このため、従来のセラミックス回路基板では、セラミックス回路基板と金属製ヒートシンクとの熱膨張差に起因する応力が、半田内部に集中的に加わるため、半田クラックを発生しやすい。
【００２１】
これに対して、本発明のセラミックス回路基板では、セラミックス基板の外周縁と金属放熱板外周縁とのマージン幅ｂが、セラミックス基板の外周縁と金属回路外周縁とのマージン幅ａより大きいことにより、応力の一部を放熱金属板３とセラミックス基板１の接合部分に分担させるようになり、半田に加わる応力集中を緩和させることができ、その結果、半田クラックに対する耐久性を向上させることができるものである。そして、放熱板側マージン幅と金属回路側マージン幅のいずれかが０．３ｍｍ以上３ｍｍ以下であって、しかも、両マージン幅の差が０．５ｍｍ以下である場合、或いは、金属回路側マージン幅並びに金属放熱板側マージン幅が３ｍｍより大きく２０ｍｍ以下である場合に、前記効果が一層顕著になると推測される。
【００２２】
本発明者等は、各種数値解析を行った結果をもとに、セラミックス回路基板の回路と金属放熱板の外周縁の位置関係とセラミックス回路基板と銅などのヒートシンクを半田接合した後のヒートサイクル時における半田クラックの発生度合いについて実験を行なって調べた。その結果、図２の回路基板断面図に例示するとおりに、金属放熱板側マージン幅ｂが、金属回路側マージン幅ａよりも大きくなるとき、ヒートサイクル試験時の耐半田クラック性に優れていることを見出し本発明に到達したものである。
【００２３】
更に詳述すれば、セラミックス基板の片面に金属回路が、その反対面に金属放熱板が接合層を介して形成されている回路基板において、図３に例示すように、金属回路及び金属放熱板の外周縁のなす線を平面図で表した場合、金属放熱板の外周縁のなす線が、金属回路の外周縁よりも内側になるように、特定の量をずらして、金属回路と金属放熱板をセラミックス基板上に配置した回路基板とする事である。
【００２４】
この時、それぞれのマージン幅は０．３ｍｍ以上２０ｍｍ以下としておくことが重要である。マージン幅の何れかが０．３ｍｍより小さくなると沿面放電を生じやすくなり、また２０ｍｍを越えて大きくするにつれ、必要なセラミックス基板のサイズも大型化する必要があり、不経済であると同時に、大型化による半田接合面積の増大も招き、セラミックス割れや半田クラックを発生する危険性が高くなるからである。
【００２５】
さらに、金属回路側及び金属放熱板側マージン幅の差は、０．１ｍｍ以上にすることが重要である。マージン幅の差が０．１ｍｍより小さくなると、耐半田クラック性向上効果がないため適当でない。また、上限はマージン幅が２０ｍｍ以下であるから２０ｍｍを越える事はない。
【００２６】
また、前記マージン幅の差は、金属放熱板の全周囲で完全に達成されている必要はなく、その一部が達成されていれば十分である。すなわち図４に示すように、回路のコーナー部などの残留応力が残りやすい部分で達成されていればよく、金属放熱板の外周の全長さの２０％以上が本発明の請求範囲を満足していればよい。
【００２７】
本発明で使用されるセラミックス基板はアルミナ、ムライト、窒化珪素、窒化アルミ、酸化ベリリウムなど絶縁性、耐熱性に優れる材料であればいずれを用いても良いが、一般に窒化アルミニウム基板、窒化珪素基板のように非酸化物セラミックスの基板は室温に於ける熱膨張係数が５×１０^−６１／℃以下と小さく、銅等のヒートシンクとの熱膨張係数差が大きいため、接合に用いる半田にかかる負荷が大きい為、本発明による半田クラック防止効果が大きい。
【００２８】
セラミックス基板として材料特性には特に制限はないが、良好な放熱性を示すためには、熱伝導率が６５Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものが適している。また、セラミックス基板の曲げ強さについては、回路基板形成後の強さに影響を及ぼすため２５０ＭＰａ以上のものが適当である。
【００２９】
本発明のセラミックス基板に用いられる接合層はろう材を用いて形成されたものである。ここで使用されるろう材は、例えば金属回路又は金属放熱板の材質が銅である場合、銀もしくは銀と銅を含むろう材である。セラミックス基板が非酸化物セラミックスの基板である場合には、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等の活性金属を含むものが好ましい。
【００３０】
セラミックス基板上に形成される金属回路と金属放熱板の材質は、銅、ニッケル、アルミニウム、モリブデン、タングステン等の純金属もしくは合金を用いる事が出来る。
【００３１】
また、ヒートシンクなどの放熱部材は、前記したとおりに、熱伝導性に優れる銅が用いられることが多く、放熱部材と放熱金属板との接合用金属としても銅が好ましく使用されるが、本発明においては、これに限定されるものでなく、本発明の効果を阻害しない限り、アルミニウム、タングステン、モリブデン等の金属、もしくは前述の金属−セラミックス複合材などを用いることも出来る。
【００３２】
本発明のセラミックス回路基板を得る方法としては、従来公知の方法を組み合わせて得ることができるが、次に例示する、ろう材を介して金属回路及び金属放熱板をセラミックス基板に接合する方法を用いれば、作製しやすく、更に、従来の基板寸法やプロセスを用いることができる。
【００３３】
即ち、セラミックス基板の表面全体にＡｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｕなどの金属のうちの幾つかを含むろう材ペーストを塗布し、次いでそのペースト面を覆うに十分な広さの金属板を接触配置する。金属回路及び金属放熱板の材質に応じて、必要ならば、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等の活性金属を含むことができる。金属板の配置されたセラミックス基板を熱処理して両者の接合体を製造する。接合の方法に関しては、従来公知の方法で加熱し、前記ろう材を溶融、反応させて、セラミックス基板と金属板とを接合する。
【００３４】
次いで、回路用金属板、金属放熱板にエッチングレジスト膜を被せ、エッチング処理により、パターン外の不要な金属やろう材等を除去して、回路形成、金属放熱板の寸法調整を行うことで、本発明にかかるセラミックス回路基板を容易に得ることが出来る。このときの金属回路及び金属放熱板の外周縁の構造は本請求項に従う。
【００３５】
その後、エッチングレジスト膜を除去して、金属回路の酸化と腐食を防止するため、必要に応じてＮｉメッキ等により選択的に金属回路上に保護膜を形成させる。
【００３６】
また、本発明は、前記のセラミックス回路基板の金属放熱板上にヒートシンクを設けたことを特徴とするセラミックス回路基板である。前記セラミックス回路基板の有する耐半田クラック性がそのままに反映されるので、半導体部品を搭載し、ワイヤーボンディング等の回路形成するのみで、半田クラックが生じ難い、その結果信頼性に富むパワーモジュールを簡単に得ることができる。
【００３７】
加えて、本発明は、前記のセラミックス回路基板を用いてなることを特徴とするパワーモジュールである。前記特徴のあるセラミックス回路基板を用いているので、耐半田クラック性に優れ、信頼性の高い特徴を有する。
【００３８】
【実施例】
（実施例１〜７、比較例１〜６）
銀粉末７５質量部、銅粉末２５質量部、ジルコニウム粉末１５質量部、テルピネオール１５質量部、及びポリイソブチルメタアクリレートのトルエン溶液を固形分で１質量部加えて良く混練し、ろう材ペーストを調整した。このろう材ペーストを厚み０．３２ｍｍ或いは厚み０．６３５ｍｍの６０×５０ｍｍの窒化珪素焼結体の両面にスクリーン印刷法により塗布した。その際の塗布量（乾燥後）は６〜８ｍｇ／ｃｍ^２とした。
【００３９】
ろう材ペーストが全面に塗布された窒化珪素の表面側に大きさ６０×５０ｍｍの無酸素銅板（厚み：金属回路用銅板については０．３ｍｍ或いは０．４ｍｍ或いは０．６ｍｍ、金属放熱用銅板については０．１５ｍｍ或いは０．２５ｍｍ或いは０．３ｍｍ）を接触配置した。これを、圧力１×１０^−３Ｐａ以下の真空下、９００℃で３０分加熱した後、炉冷し、接合体を作製した。
【００４０】
前記接合体の銅板上に紫外線硬化型エッチングレジストをスクリーン印刷で塗布、硬化させ、塩化第２鉄水溶液を用いてエッチング処理を行なうことにより、パターン外の不要な銅を除去し、回路及び放熱板を形成した。さらに、銅回路間には不要なろう材や活性金属成分と窒化珪素の反応生成物が残留するので、温度６０℃、１０質量％フッ化アンモニウム水溶液に１０分間浸漬して、前記残留物を除去し、セラミックス回路基板を作製した。
【００４１】
以上のようにして、表１の実施例１〜５、比較例１〜５に示す窒化珪素回路基板を完成させた。実施例６、７及び比較例６の試料については、セラミックス基板として窒化アルミニウム焼結体を用いた以外は前記に示した方法で試料を得た。
【００４２】
これらのセラミックス回路基板各々について、９０×８０×３ｍｍの銅板中央部に鉛−錫共晶半田（実施例１、２、３、４、６、比較例１、２、３、４、６）あるいは、錫−銀−銅半田（実施例５、７、比較例５）を用い、２３０℃の温度でリフローにより半田付けを行ない一体構造とし、モジュールを作製した。これらのモジュールについて、ヒートサイクル試験を行なった。
【００４３】
ヒートサイクル試験は気相中において−４０℃で３０分保持した後に室温で１０分放置し、次に気相中１２５℃で３０分保持した後に室温で１０分放置することを１回とした。この試験を１００、３００、５００回経過させた後に、超音波映像探査装置（日立建機製ｍｉ−ｓｃｏｐｅ）を用いて、セラミックス回路基板と銅製ヒートシンクとの間に存在する半田のクラック発生状態を調べた。各々の結果を表１に示す。
【００４４】
【表１】

【００４５】
表１に示す結果から明らかなように、実施例１〜７に示す回路基板を用いたモジュールは、ヒートサイクル試験５００回経過後も半田接合部にクラックは発生しておらず、高い信頼性を有し、実用的である。
【００４６】
一方、比較例１〜６に係る回路基板を用いたモジュールは、ヒートサイクル試験３００回後に部分的にクラックが認められ、５００回後にはかなりの部分にクラック、剥離が認められたため、充分な信頼性が得られない。
【００４７】
【発明の効果】
本発明のセラミックス回路基板は、熱サイクル時に発生するセラミックス回路基板と金属製ヒートシンクとの間に発生しがちな半田クラックを大幅に抑制しているという特徴を有し、産業上非常に有用なものである。また、該セラミックス回路基板を用いたパワーモジュールは、安価で放熱性が高い金属製ヒートシンク用いながらも、熱サイクルを被る実使用条件下での信頼性が大幅に向上しているという特徴があり、産業上非常に有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る回路基板の一例の断面図。
【図２】本発明に係る回路基板の他の一例の断面図。
【図３】本発明に係る回路基板の他の一例の平面図。
【図４】本発明に係る回路基板の他の一例の平面図。
【図５】従来の回路基板の平面図。
【符号の説明】
１　セラミックス基板
２　金属板（金属回路）
３　金属板（金属放熱板）
４　放熱部材（ヒートシンク）
５　半田
６　半導体部品
ａ　金属回路の外周縁とセラミックス基板の外周縁とのマージン幅
（金属回路側マージン幅）
ｂ　金属放熱板の外周縁とセラミックス基板の外周縁とのマージン幅
（放熱板側マージン幅）[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a ceramic circuit board having improved durability against solder cracks, and particularly suitable for a power module such as an IC package or IGBT or GTO, and a power module using the same.
[0002]
[Prior art]
In the field of semiconductors, the amount of heat generated by silicon chips has been increasing steadily due to the fact that LSIs are being integrated and operated at higher speeds, and applications of power devices such as GTOs and IGBTs are expanding. As the power module is adopted in fields requiring long-term reliability such as electric railway vehicles and electric vehicles, the heat dissipation characteristics of a circuit board on which a silicon chip is mounted or a module on which a circuit board is mounted Is of even greater concern.
[0003]
In these applications, a ceramic circuit board on which a semiconductor element is mounted is joined to a metal heat sink having excellent heat dissipation such as copper via solder. However, since the difference in thermal expansion between the ceramic circuit board and the metal heat sink is large, the solder portion joining the ceramic circuit board and the heat sink is called “solder crack” due to the heat generated from the semiconductor element. Cracks are generated, and as a result, the heat conduction path between the ceramic circuit board and the heat sink is cut off. As a result, the semiconductor element is not sufficiently radiated, causing a temperature rise and thermal deterioration of the semiconductor element. Causes the function to stop.
[0004]
The occurrence of solder cracks is a fatal drawback for applications requiring long-term reliability such as electric railway vehicles and electric vehicles, and it is important to use ceramic circuit boards with excellent heat dissipation characteristics and greatly improved electrical reliability. There is a long-awaited need for modules that use it.
[0005]
Recently, a power module using a heat sink having a low coefficient of thermal expansion made of an Al-SiC composite has been developed for the purpose of suppressing the occurrence of the above-mentioned difference in thermal expansion, and a hybrid car or an electric railway that requires long-term reliability has been developed. It has begun to be used in vehicles.
[0006]
A heat sink having a low coefficient of thermal expansion made of an Al—SiC composite is extremely effective for long-term reliability of a power module, and heat sinks manufactured by various methods are commercially available. For example, a high-pressure casting method such as a die casting method (Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-508350) and a molten forging method (Materia, Vol. 36, No. 1, 1997, pp. 40-46), or spontaneous infiltration A method (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-197368) and the like are known.
[0007]
However, the heat sink using the Al-SiC composite has a drawback that the production cost is higher than that of a conventionally known copper heat sink, regardless of any of the above manufacturing methods. The reasons include factors derived from the manufacturing method of the Al—SiC composite itself, and dimensional yield factors as a plate-like heat sink. In any case, the cost and cost of the conventionally used copper plate are high. Inferior in dimensional accuracy.
[0008]
The thermal conductivity of the Al—SiC composite is about 150 W / m · K to about 200 W / m · K, depending on the content of SiC, and is about 400 W / m · K, which is the thermal conductivity of the copper heat sink. Low thermal conductivity of about half or less of K. Therefore, it is disadvantageous to efficiently release heat generated from the semiconductor element to the outside from the power module, and there is a disadvantage that the allowable power amount of the power module is reduced.
[0009]
For the above-mentioned reason, the heat sink made of the Al-SiC composite is recognized for its high reliability, but its use is limited, and the replacement of the copper heat sink with the heat sink made of the Al-SiC composite is difficult. Not progressing. In particular, there is a tendency to continue using copper heat sinks for general-purpose power modules that are required to be inexpensive.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
That is, a ceramic circuit board that uses a low-cost, high-heat-conductivity copper heat sink and can suppress the solder cracks or a module using the same is strongly desired, but a practically satisfactory one can be obtained. Had not been.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have conducted intensive studies in view of the above circumstances, and as a result, have experimentally found that by making the structure of the ceramic circuit board specific, solder crack resistance can be significantly improved, This has led to the present invention.
[0012]
That is, the present invention relates to a circuit board in which a metal circuit is formed on one side of a ceramic substrate and a metal heat radiating plate is formed on the opposite surface via a bonding layer. A margin width (referred to as a metal heat sink side margin width) is larger than a margin width (referred to as a metal circuit side margin width) between an outer peripheral edge of the ceramic substrate and an outer peripheral edge of the metal circuit. A circuit board characterized in that any one of the metal circuit side margin widths is 0.3 mm or more and 3 mm or less, and a difference between both margin widths is 0.5 mm or less.
[0013]
Further, according to the present invention, in a circuit board in which a metal circuit is formed on one side of a ceramic substrate and a metal radiator plate is formed on the opposite surface via a bonding layer, the metal radiator plate side margin width is larger than the metal circuit side margin width, Furthermore, the circuit board is characterized in that the margin width on the metal circuit side and the margin width on the metal radiator plate are larger than 3 mm and 20 mm or less.
[0014]
Further, the present invention is the above circuit board, wherein the difference between the two margin widths is 0.1 mm or more and less than 20 mm.
[0015]
Further, the present invention is the above-mentioned circuit board, characterized in that an aluminum nitride sintered body or a silicon nitride sintered body substrate is used as the ceramic substrate.
[0016]
In addition, the present invention also includes a ceramic circuit board characterized in that a heat sink is provided on the heat-dissipating metal plate of the ceramic circuit board, and a power module characterized by using the circuit board.
[0017]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In the ceramic circuit board of the present invention, as illustrated in FIGS. 1, 2, 3, and 4,

metal plates

2 and 3 are joined to the front and back of the ceramic substrate 1, and the metal plate 2 on one surface (front surface) is The metal plate 3 on one side (back side) is used as a metal radiator plate. Further, it has a structure in which it is joined to a heat radiating member 4 called a heat sink via solder 5 as necessary.
[0018]
In the present invention, the margin width (the radiator side margin width) b between the outer peripheral edge of the ceramic substrate and the outer peripheral edge of the metal heat sink is the margin width (the margin width of the metal circuit side) between the outer peripheral edge of the ceramic substrate and the outer peripheral edge of the metal circuit. ) Greater than a. The present inventor has conducted various experimental studies to achieve the above object, and as a result, in addition to the specific structure, any one of the heat sink side margin width and the metal circuit side margin width is 0.3 mm or more and 3 mm or less. When the difference between the two margin widths is 0.5 mm or less, or when the metal circuit side margin width and the metal radiator side margin width are more than 3 mm and 20 mm or less, a heat sink such as copper is soldered. The present inventors have found that a circuit board having extremely excellent solder crack resistance can be obtained when joined, and have reached the present invention.
[0019]
The present invention is particularly effective when the strength of the ceramic substrate is 250 MPa or more. This is because when the strength of the ceramics is less than 250 MPa, ceramic cracks are more likely to occur than solder cracks.
[0020]
The reason that the solder crack resistance is excellent when the above structure is employed is not clear, but the present inventors speculate as follows. That is, in the conventional ceramic circuit board, the margin width a between the outer periphery of the ceramic substrate and the outer periphery of the metal circuit is equal to or larger than the margin width b between the outer periphery of the ceramic substrate and the outer periphery of the metal heat sink. The structure is adopted (FIG. 5). For this reason, in the conventional ceramic circuit board, stress due to a difference in thermal expansion between the ceramic circuit board and the metal heat sink is applied intensively inside the solder, so that solder cracks are easily generated.
[0021]
On the other hand, in the ceramic circuit board of the present invention, the margin width b between the outer peripheral edge of the ceramic substrate and the outer peripheral edge of the metal heat sink is larger than the margin width a between the outer peripheral edge of the ceramic substrate and the outer peripheral edge of the metal circuit. In addition, a part of the stress is shared between the joint portion between the heat radiating metal plate 3 and the ceramic substrate 1, so that the concentration of the stress applied to the solder can be reduced, and as a result, the durability against the solder crack can be improved. Things. When either the heat sink side margin width or the metal circuit side margin width is 0.3 mm or more and 3 mm or less, and the difference between the two margin widths is 0.5 mm or less, or the metal circuit side margin width In addition, when the margin width on the metal heat sink side is larger than 3 mm and equal to or smaller than 20 mm, it is presumed that the above-mentioned effect becomes more significant.
[0022]
Based on the results of various numerical analyses, the present inventors conducted a heat cycle after soldering the ceramic circuit board and a heat sink such as copper based on the positional relationship between the circuit of the ceramic circuit board and the outer peripheral edge of the metal heat sink. An experiment was conducted to examine the degree of occurrence of solder cracks at the time. As a result, as illustrated in the cross-sectional view of the circuit board in FIG. 2, when the metal heat sink side margin width b is larger than the metal circuit side margin width a, the solder crack resistance during the heat cycle test is excellent. The inventors have found that the present invention has been achieved.
[0023]
More specifically, in a circuit board in which a metal circuit is formed on one surface of a ceramic substrate and a metal radiator plate is formed on the opposite surface via a bonding layer, as shown in FIG. When the line formed by the outer edge of the metal circuit is shown in a plan view, the metal line formed by the metal heat sink is shifted by a specific amount so that the line formed by the outer edge of the metal heat sink is inside the outer edge of the metal circuit. That is, the board is a circuit board arranged on a ceramic substrate.
[0024]
At this time, it is important that each margin width is set to 0.3 mm or more and 20 mm or less. If any of the margin widths is smaller than 0.3 mm, creeping discharge is likely to occur, and as the width exceeds 20 mm, the size of the required ceramic substrate also needs to be increased, which is uneconomical and large. This leads to an increase in the solder joint area due to the formation of the solder, which increases the risk of generating ceramic cracks and solder cracks.
[0025]
Further, it is important that the difference between the margin width on the metal circuit side and the margin width on the metal radiator plate be 0.1 mm or more. If the difference in the margin width is smaller than 0.1 mm, it is not appropriate because there is no effect of improving the solder crack resistance. In addition, the upper limit does not exceed 20 mm because the margin width is 20 mm or less.
[0026]
Further, the difference in the margin width does not need to be completely achieved all around the metal heat sink, but it is sufficient if a part of the margin is achieved. That is, as shown in FIG. 4, it is sufficient that the residual stress is achieved in a portion where residual stress is likely to remain, such as a corner portion of a circuit. Just do it.
[0027]
The ceramic substrate used in the present invention may be any material having excellent insulation and heat resistance, such as alumina, mullite, silicon nitride, aluminum nitride, and beryllium oxide. As described above, since the non-oxide ceramic substrate has a small thermal expansion coefficient at room temperature of 5 × 10 ⁻⁶ 1 / ° C. or less and a large difference in thermal expansion coefficient from a heat sink such as copper, the load applied to the solder used for bonding is large. Therefore, the effect of preventing solder cracks according to the present invention is large.
[0028]
The material properties of the ceramic substrate are not particularly limited, but those having a thermal conductivity of 65 W / m · K or more are suitable for exhibiting good heat dissipation. Further, the bending strength of the ceramic substrate has an influence on the strength after the formation of the circuit board, and therefore, a bending strength of 250 MPa or more is appropriate.
[0029]
The bonding layer used for the ceramic substrate of the present invention is formed using a brazing material. The brazing material used here is, for example, a brazing material containing silver or silver and copper when the material of the metal circuit or the metal radiating plate is copper. When the ceramic substrate is a non-oxide ceramic substrate, a substrate containing an active metal such as Ti, Zr, or Hf is preferable.
[0030]
Pure metal or alloy such as copper, nickel, aluminum, molybdenum, and tungsten can be used as the material of the metal circuit and the metal radiator formed on the ceramic substrate.
[0031]
Further, as described above, copper having excellent thermal conductivity is often used for a heat radiating member such as a heat sink, and copper is preferably used as a metal for joining the heat radiating member and the heat radiating metal plate. However, the present invention is not limited to this, and a metal such as aluminum, tungsten, molybdenum, or the above-described metal-ceramic composite material can be used as long as the effects of the present invention are not impaired.
[0032]
As a method for obtaining the ceramic circuit board of the present invention, a conventionally known method can be used in combination. For example, a method in which a metal circuit and a metal heat radiating plate are joined to a ceramic substrate via a brazing material is used. If it is easy to manufacture, further, conventional substrate dimensions and processes can be used.
[0033]
That is, a brazing material paste containing some of metals such as Ag, Al, Si, and Cu is applied to the entire surface of the ceramic substrate, and then a metal plate large enough to cover the paste surface is placed in contact therewith. . An active metal such as Ti, Zr, or Hf can be included, if necessary, depending on the material of the metal circuit and the metal radiator plate. The ceramic substrate on which the metal plate is placed is heat-treated to produce a joined body of both. Regarding the joining method, a ceramic substrate and a metal plate are joined by heating and melting and reacting the brazing material by a conventionally known method.
[0034]
Next, the circuit metal plate and the metal heat sink are covered with an etching resist film, and by etching, unnecessary metal and brazing material outside the pattern are removed, and the circuit is formed and the dimensions of the metal heat sink are adjusted. The ceramic circuit board according to the present invention can be easily obtained. At this time, the structure of the outer periphery of the metal circuit and the metal radiator plate conforms to the present invention.
[0035]
Thereafter, in order to prevent the oxidation and corrosion of the metal circuit by removing the etching resist film, a protection film is selectively formed on the metal circuit by Ni plating or the like as necessary.
[0036]
Further, the present invention is a ceramic circuit board, wherein a heat sink is provided on the metal heat sink of the ceramic circuit board. Since the solder crack resistance of the ceramic circuit board is reflected as it is, only a semiconductor component is mounted and a circuit such as wire bonding is formed, so that solder cracks are unlikely to occur, and as a result, a highly reliable power module can be easily manufactured. Can be obtained.
[0037]
In addition, the present invention is a power module characterized by using the above-mentioned ceramic circuit board. Since the ceramic circuit board having the above characteristics is used, it has excellent solder crack resistance and high reliability.
[0038]
【Example】
(Examples 1 to 7, Comparative Examples 1 to 6)
75 parts by mass of silver powder, 25 parts by mass of copper powder, 15 parts by mass of zirconium powder, 15 parts by mass of terpineol, and 1 part by mass of a toluene solution of polyisobutyl methacrylate were added at 1 part by mass as a solid content and kneaded well to prepare a brazing material paste. . This brazing material paste was applied on both sides of a 60 × 50 mm silicon nitride sintered body having a thickness of 0.32 mm or 0.635 mm by a screen printing method. The coating amount (after drying) at that time was 6 to 8 mg / cm ² .
[0039]
Oxygen-free copper plate of 60 x 50 mm size (thickness: 0.3 mm or 0.4 mm or 0.6 mm for metal circuit copper plate, metal heat dissipation copper plate) on the surface side of silicon nitride coated with brazing material paste on the entire surface 0.15 mm, 0.25 mm, or 0.3 mm). This was heated at 900 ° C. for 30 minutes under a vacuum of a pressure of 1 × 10 ⁻³ Pa or less, and then cooled in a furnace to produce a joined body.
[0040]
An ultraviolet-curable etching resist is applied on the copper plate of the joined body by screen printing, cured, and etched using an aqueous ferric chloride solution to remove unnecessary copper outside the pattern, thereby removing a circuit and a heat sink. Was formed. Furthermore, since unnecessary brazing material or a reaction product of the active metal component and silicon nitride remains between the copper circuits, the residue is removed by immersing in a 10% by mass aqueous ammonium fluoride solution at a temperature of 60 ° C. for 10 minutes. Then, a ceramic circuit board was produced.
[0041]
As described above, the silicon nitride circuit boards shown in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 5 in Table 1 were completed. With respect to the samples of Examples 6, 7 and Comparative Example 6, samples were obtained by the method described above except that the aluminum nitride sintered body was used as the ceramic substrate.
[0042]
For each of these ceramic circuit boards, a lead-tin eutectic solder (Examples 1, 2, 3, 4, 6, Comparative Examples 1, 2, 3, 4, 6) or 90-80 × 3 mm copper plate central part was used. Using tin-silver-copper solder (Examples 5, 7 and Comparative Example 5), soldering was performed by reflow at a temperature of 230 ° C. to form an integrated structure, thereby producing a module. A heat cycle test was performed on these modules.
[0043]
In the heat cycle test, one time of holding at -40 ° C. for 30 minutes in a gas phase and then allowing it to stand at room temperature for 10 minutes, then holding at 125 ° C. for 30 minutes in a gas phase and then allowing it to stand at room temperature for 10 minutes. After passing this test 100, 300, and 500 times, a crack generation state of the solder existing between the ceramic circuit board and the copper heat sink is examined using an ultrasonic imaging device (mi-scope manufactured by Hitachi Construction Machinery). Was. Table 1 shows the results.
[0044]
[Table 1]

[0045]
As is clear from the results shown in Table 1, in the modules using the circuit boards shown in Examples 1 to 7, no cracks occurred in the solder joint even after 500 heat cycle tests, and high reliability was obtained. Has and is practical.
[0046]
On the other hand, in the module using the circuit board according to Comparative Examples 1 to 6, cracks were partially observed after 300 heat cycle tests, and cracks and peeling were observed in a considerable portion after 500 heat cycles. I can not get the nature.
[0047]
【The invention's effect】
The ceramic circuit board of the present invention has a feature that solder cracks, which are likely to occur between the ceramic circuit board and a metal heat sink generated during a heat cycle, are greatly suppressed, and are industrially very useful. It is. In addition, the power module using the ceramic circuit board has a feature that the reliability under actual use conditions that undergo a thermal cycle is greatly improved while using a metal heat sink that is inexpensive and has high heat dissipation. Very useful in industry.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of an example of a circuit board according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of another example of the circuit board according to the present invention.
FIG. 3 is a plan view of another example of the circuit board according to the present invention.
FIG. 4 is a plan view of another example of the circuit board according to the present invention.
FIG. 5 is a plan view of a conventional circuit board.
[Explanation of symbols]
1 ceramic substrate 2 metal plate (metal circuit)
3 metal plate (metal heat sink)
4 Heat dissipation member (heat sink)
5 Solder 6 Semiconductor component a Margin width between outer periphery of metal circuit and outer periphery of ceramic substrate (margin width on metal circuit side)
b Margin width between the outer edge of the metal heat sink and the outer edge of the ceramic substrate (heat sink side margin width)

Claims

In a circuit board in which a metal circuit is formed on one side of a ceramic substrate and a metal radiator is formed on the opposite side via a bonding layer, the margin width between the outer rim of the ceramic substrate and the outer rim of the metal radiator (metal radiator) Side margin width) is larger than the margin width (referred to as metal circuit side margin width) between the outer peripheral edge of the ceramic substrate and the outer periphery of the metal circuit, and the margin width between the metal radiator plate side and the metal circuit side margin width is larger. A circuit board, wherein either one is 0.3 mm or more and 3 mm or less, and a difference between both margin widths is 0.5 mm or less.

In a circuit board in which a metal circuit is formed on one side of a ceramic substrate and a metal radiator plate is formed on the opposite side via a bonding layer, a margin width on a metal radiator side is larger than a margin width on a metal circuit side. A circuit board, wherein a margin width and a margin width on a metal heat sink side are larger than 3 mm and 20 mm or less.

3. The circuit board according to claim 2, wherein the difference between the two margin widths is 0.1 mm or more and less than 20 mm.

4. The circuit board according to claim 1, wherein an aluminum nitride sintered body or a silicon nitride sintered body substrate is used as the ceramic substrate.

5. A ceramic circuit board according to claim 1, wherein a heat sink is provided on the metal radiator plate of the ceramic circuit board according to claim 1.

A power module comprising the ceramic circuit board according to claim 5.