JP2005129625A - スリット入り回路基板及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】セラミックス基板の一主面に金属回路、他の主面に金属放熱板を形成させてなるパワーモジュール用セラミックス回路基板に関して、半田付け後の反りや、環境温度の変化に伴うモジュールの変形がない集約化された大型化基板を提供する。
【解決手段】セラミックス回路基板の回路面側、または両主面に分割溝を設け、分割溝が回路パターン端部より１．０mm以上の距離にあり、且つ、分割溝の底部肉厚が０．２〜０．５ｍｍであることを特徴とするスリット入り回路基板により、上記課題を解決する。
【選択図】図１

Description

本発明は、スリット入りセラミックス回路基板及びその製造方法に関する。なお、本発明における長軸は、基板の形状が四角形の場合は対角線を、円の場合は直径を、楕円の場合は長軸を、その他の形状の場合は最大長の軸をそれぞれ表す。

従来、セラミックス基板の一主面に金属回路、他の主面に金属放熱板を形成させてなるセラミックス回路基板がパワーモジュール用基板として使用されており、金属回路部に半導体素子と、電極又はＡｌ等のボンディングワイヤーとが半田付けされモジュール化されている。

このようなセラミックス回路基板は、半田付け後、回路側の収縮が大きくなり反りが発生したり、また、モジュール使用時には、環境温度の変化によりモジュールの変形が起こる場合が多かった。そこで従来は、モジュールの変形によるセラミックス回路基板の割れを防止するため、集約化した大型の基板を用いることができず、基板を分割して個片にして使用するのが一般的であった。しかし、モジュール製造の際の生産性が低く、モジュールが変形しても割れの発生しない、大型集約化の可能なセラミックス回路基板の開発が望まれていた。
特開２００３−１４２７８５号公報

本発明が解決しようとする課題は、基板を集約化し大型化した際に生じる上記課題を解決することである。

すなわち、本発明は、セラミックス回路基板の回路面側、又は両主面に分割溝を設けてなり、分割溝が回路パターン端部より１．０mm以上の距離にあり、且つ、分割溝の底部肉厚が０．２〜０．５ｍｍであることを特徴とするスリット入り回路基板であり、セラミックス回路基板の長軸が３０ｍｍ以上であることを特徴とする該スリット入り回路基板であり、セラミックス回路基板の回路面側または両主面に分割溝を設けることを特徴とするスリット入り回路基板の製造方法である。さらに、セラミックスグリーン成形体に分割溝を設けてから脱脂、焼結することを特徴とする該スリット入り回路基板の製造方法であり、セラミックス基板に金属板を接合した後、分割溝を設けることを特徴とする該スリット入り回路基板の製造方法であり、セラミックス基板に金属板を接合し、金属板にエッチングを施した後、分割溝を設けることを特徴とする該スリット入り回路基板の製造方法である。

本発明のスリット入り回路基板は、半田付け後の反りの発生や、環境温度の変化によるモジュールの変形が発生した場合、分割溝に沿って基板が分割されて発生した応力が緩和されるため、基板割れの発生を防ぐことが可能である。従って、集約化した大型の基板の状態で使用することが可能であり、モジュール製造の生産性が著しく高まるという利点を有する。

本発明で用いられるセラミックス基板は、窒化アルミニウム基板又は窒化ケイ素基板の使用が、熱伝導率及び強度の点で好ましい。窒化アルミニウム基板は、曲げ強度、熱伝導率、純度がそれぞれ４００ＭＰａ以上、１５０Ｗ／ｍＫ以上、９３％以上であることが、また、窒化珪素基板は、曲げ強度、熱伝導率、純度がそれぞれ６００ＭＰａ以上、５０Ｗ／ｍＫ以上、９３％以上であることが、モジュールの高性能化の観点から好ましい。セラミックス基板の厚みは特に限定されないが、０．５〜１．０ｍｍ程度が一般的である。

窒化アルミニウム基板は、窒化アルミニウム粉末、アルミナやイットリア等の焼結助剤及びバインダ−を含む混合物を、また、窒化ケイ素基板は、窒化ケイ素粉末、焼結助剤及びバインダ−を含む混合物を、グリーン成形体とし、脱脂、焼結を行って窒化アルミニウム焼結体または窒化ケイ素焼結体とし、さらに、それを加工することによって製造される。セラミックス基板の表面性状は重要であり、微少な欠陥や窪み等は、金属板との接合時の接触面積を低減させるため、平滑であることが好ましく、ホーニング処理や機械加工等による研磨処理を行うのが一般的である。

本発明において用いられるセラミックス回路基板の大きさは、長軸が３０ｍｍ以上であることが好ましい。セラミックス回路基板の長軸が３０ｍｍ未満の場合は、モジュールが変形した際に基板に発生する応力が小さいため、本願発明の効果が十分に発揮されない場合がある。

本発明において、セラミックスグリーン成形体、セラミックス基板、またはセラミックス回路基板に設けられる分割溝の形状、位置、及び深さは重要である。分割溝の形状は直線であることが好ましい。分割溝は、回路基板側若しくは両主面に、回路パターン端部より１．０mm以上離れた場所に設けることが好ましい。分割溝を回路パターン端部より１．０mm未満の場所に設けた場合、回路基板に電圧がかかった際に沿面放電を起こす恐れがある。分割溝の幅は特に限定されないが、５０〜３００μmが一般的である。

分割溝底部の肉厚は、０．２〜０．５ｍｍであることが好ましい。分割溝底部の肉厚が０．２ｍｍ未満であると、グリーン成形体に分割溝を形成する方法では、脱脂、焼結時にセラミックス基板が割れる場合があり、また、セラミックス基板に分割溝を形成する方法では、小さな衝撃によってセラミックス基板が分割溝から割れる恐れがある。一方、分割溝底部の肉厚が０．５ｍｍを超えると、モジュールが大きく変形した際、基板割れの発生を防ぐことができない場合がある。

本発明に係る分割溝は、脱脂、焼結前のグリーン成形体の段階、セラミックス焼結体の段階、セラミックス焼結体に金属板を接合した段階、さらに、金属板をエッチングした後の段階、何れの段階においても形成することが可能である。分割溝の形成は、金型法、レーザー法、「ダイサー」と呼ばれる円盤状の砥石を用い、湿式法によりダイシングを行う、所謂ダイサー法等、いずれの方法によっても可能であり、特に限定されるものではない。

金型法は、グリーン成形体の段階での加工に適しており、また、レーザー法は、セラミックス焼結体の加工に適している。一方、ダイサー法は、上記のどの段階においても分割溝の形成が可能である。例えば、窒化ケイ素回路基板を例にとると、焼結時の収縮を考慮して所定寸法の分割溝をグリーン成形体に加工した後、脱脂、焼結する方法、あるいは、窒化ケイ素焼結体そのもの、窒化ケイ素焼結体に金属板接合後、さらには、金属板のエッチング後に所定寸法の分割溝を直接加工する方法が採用可能である。グリーン成形体に溝加工を行う場合は、工程が単純化され更なる量産化が可能となるとともに、直接加工する方法に比べてより精密な寸法精度での分割が可能である。

本発明に係る分割溝は、セラミックス回路基板の回路面側、または、回路面側と放熱面側の両主面に設けることが可能である。分割溝をセラミックス回路基板の放熱面側のみに形成した場合は、モジュールの組み立て工程やモジュール使用時に、放熱面側が凸の反りとなるため、絶縁不良やブレイク不良の原因となる場合がある。

本発明に係る金属回路または放熱金属板の材質は、銅、ニッケル、アルミニウム、モリブデン等の金属、これらの金属の２種以上からなる積層板、または、これらの金属の２種以上の合金であることが好ましい。金属回路の厚みは０．３〜０．５ｍｍ程度、また金属放熱板の厚みは０．１〜０．４ｍｍ程度が一般的である。

本発明に係る回路パターンの形成方法は特に限定されるものではなく、セラミックス基板に金属板を接合後、所定の形状にエッチングする方法や、予め回路パターン形状に加工した金属板を、セラミックス基板に接合する方法等が採用可能である。次に、一例として、セラミックス基板に金属板を接合後エッチングする方法について説明する。

セラミックス基板と金属板の接合は特に限定されないが、例えば、ろう材ペーストまたはろう材ペーストと同等の組成の金属箔を使用することが可能である。例えば、金属板として銅を使用した場合、真空度１×１０^−５〜１×１０^−６Ｔｏｒｒの高真空中、温度８００〜８４０℃程度の条件で接合可能である。

ろう材ペーストの金属成分は、ＡｇとＣｕを主成分とし、溶融時のセラミックス基板との濡れ性を確保するために、活性金属を副成分とする。この活性金属成分は、セラミックス基板と反応して酸化物や窒化物を生成させ、それらの生成物がろう材と基板との結合を強固なものにする。活性金属の具体例をあげれば、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖやこれらの化合物等である。これらの含有量は、Ａｇ８０〜９５質量部とＣｕ２０〜５質量部の合計１００質量部に対して、活性金属１〜７質量部が一般的である。

ろう材ペーストは、上記ろう材の金属成分に有機溶剤、必要に応じて有機結合剤を加え、ロール、ニーダ、万能混合機、らいかい機等で混合することによって調製することができる。有機溶剤として、例えばメチルセルソルブ、テルピネオール、イソホロン、トルエン等が、また有機結合剤としては、エチルセルロース、メチルセルロース、ポリメタクリレート等が挙げられる。

パターン形成は、セラミックス基板と回路用金属板を接合後、金属板上に所定の回路パターン形状にエッチングレジストを塗布する。金属回路と反対側の主面に放熱金属板を設ける構造のものについては、さらに、その放熱金属板上にも所定の放熱パターン、またはベタパターンのエッチングレジストを塗布し、塩化第二鉄溶液、塩化第二銅溶液等のエッチング溶液で金属を溶解する。

本発明において、エッチング後の放熱金属板をベタパターンとする場合、集約化基板上の単位回路基板毎にベタパターンとしても、基板全体にベタパターンとしても構わないが、モジュールの放熱特性を向上させるためには、集約化基板全体をベタパターンとした方が好ましい。

次に、塩酸、硫酸、過酸化水素水、ハロゲン化フッ素化合物等のろう材除去液によって、短絡の原因となる不要な接合層を除去することにより、分割溝で区画された複数個の回路基板を備えた集約化基板を製造することが可能である。

本発明においては、上記の集約化基板上の単位回路基板それぞれの金属回路及び／又は金属放熱板に、ニッケル、金等のメッキを施すことが可能である。さらに、金属回路及び／又は金属放熱板の表面に、半田レジストをパターン印刷し、紫外線や加熱等により硬化させて、所定の半田レジストパターンを形成させることも可能である。半田レジストパターンの形成には、多くの工数が必要であり、単一の回路基板に半田レジストパターンを形成させる場合に比べて、大幅な生産性の向上が可能となる。

半田レジストには、半導体チップ、電極端子等を半田付けする際の所定位置以外への半田の流れ出しと、それに伴う半導体チップ等の搭載位置ズレを防止する効果がある。したがって、本発明で使用される半田レジストは、半導体チップ等の形状、サイズに合わせ、幅１．０ｍｍ程度にしてチップ搭載位置の周囲を囲むように塗布することが好ましい。

窒化アルミニウム粉末に、焼結助剤としてイットリアを５質量％内割り添加し、メチルセルロース及び水を、窒化アルミニウム粉末１００質量部に対してそれぞれ５．６質量部及び１１質量部加えてスラリーを調製した。これを厚み１．０ｍｍのシートに成形後、９０×５０mmのサイズに切り出してグリーン成形体を得た。一部のシートに関しては、長手方向に均等に３分割出来るよう、不二越社製のダイサー装置「高精度スライサー ＳＭＧ２０Ｐ」を用い、幅０．１ｍｍ、深さ０．７ｍｍの凹型の分割溝を、３０ｍｍ間隔に２本形成した。次いで、空気中５００℃で２時間脱脂を行い、続いて窒素雰囲気中、１８５０℃、４時間焼結を行なって、９０×５０×１．０ｍｍの窒化アルミニウム基板（熱伝導率１５０Ｗ／ｍ・Ｋ、３点曲げ強度４２０ＭＰａ、純度９３％）を作製した。また、窒化ケイ素粉末に、焼結助剤としてマグネシアとイットリアをそれぞれ３質量％と５質量％を内割り添加して、窒化アルミニウム粉末の場合と同様に処理して、窒化ケイ素基板（熱伝導率５０Ｗ／ｍ・Ｋ、３点曲げ強度６００ＭＰａ、純度９３％）を作製した。

次に、これらのセラミックス基板の両主面の全面にろう材ペースト（金属成分は、Ａｇ８０％、Ｃｕ１５％、Ｔｉ５％）を塗布量8.5g/cm²塗布し、回路面側には厚み０．３ｍｍの銅板を配置すると共に、放熱面側には厚み０．１５ｍｍの銅板を配置し、１×１０^−６Torrの真空中、８３０℃で熱処理して接合した。その後、エッチングレジストを塗布し、ろう材（接合層）部分の除去を目的に、塩化第二鉄溶液からなるエッチング溶液を用いて金属板の除去を行い、さらに、過酸化水素水とフッ化水素アンモニウムの混合溶液からなるろう材除去液でろう材の除去を行った。

〈使用材料〉
窒化アルミニウム粉末：電気化学工業社製商品名「AP１０」
窒化ケイ素粉末：電気化学工業社製商品名「SN-9S」
イットリア：阿南化成社製商品名「SY」
マグネシア：岩谷化学工業社製商品名「MJ-30」
メチルセルロース：松本油脂製薬社製商品名「６５MP-4000」
銅板：住友金属社製商品名「無酸素銅条」
塩化第二鉄：タイキ薬品工業社製
過酸化水素水：日本パーオキサイド社製
フッ化水素アンモニウム：ステラケミファ社製

実験Ｎｏ．１では窒化アルミニウムのグリーン成形体を形成した時点、実験Ｎｏ．２、５〜１０では窒化アルミニウム基板を製造した時点、実験Ｎｏ．３では窒化アルミニウム基板に銅板を接合させた時点、実験Ｎｏ．４では銅板とセラミックス基板からなる接合体をエッチングして銅回路を形成させた時点で、パターン及び分割溝を形成した。

回路面側のパターンは、実験No.１〜８では母板（９０×５０ｍｍ、厚み０．３ｍｍ）に沿面距離１．０ｍｍ、パターン間隔２．０ｍｍになるよう３つのベタパターンを、実験No.９では、母板に沿面距離１．５ｍｍ、パターン間隔３．０ｍｍになるように３つのベタパターンを、実験No.１０では、母板に沿面距離２．０ｍｍ、パターン間隔４．０ｍｍになるように３つのベタパターンを形成した。放熱面側のパターンは、母板（９０×５０ｍｍ、厚み０．１５mm）に沿面距離１．０ｍｍとなるようにベタパターンを形成した。

分割溝に関しては、窒化アルミニウム基板の長手方向に均等に３分割出来るよう、３０ｍｍ間隔に幅０．１ｍｍの分割溝を２本形成した。実験No.１〜４及び９〜１０は、回路面側に分割溝の底部肉厚が０．３ｍｍになるように、実験No.５は両主面に片面あたり０．３５ｍｍの分割溝を、実験No.６は回路面側に分割溝の底部肉厚が０．２ｍｍになるように、実験No.7は回路面側に分割溝の底部肉厚が０．４ｍｍになるように、実験No.８は回路面側に分割溝の底部肉厚が０．５ｍｍになるように、それぞれ分割溝を形成した。また、放熱面側は母板（９０×５０ｍｍ、厚み０．１５mm）に沿面距離１．０ｍｍとなるようにベタパターンを形成した。

実験Ｎｏ．１１〜１５は、窒化ケイ素を使用した以外は、実験Ｎｏ．１〜５と同様に行った。

実験Ｎｏ．１６は、分割溝の無い窒化アルミニウム基板を使用した。実験Ｎｏ．１７は、窒化アルミニウムのグリーン成形体を形成した時点、実験Ｎｏ．１８、２１、２２は窒化アルミニウム基板を製造した時点、実験Ｎｏ．１９は窒化アルミニウム基板に銅板を接合した時点、実験Ｎｏ．２０は銅板と窒化アルミニウム基板からなる接合体をエッチングして銅回路を形成させた時点で、窒化アルミニウム基板の長手方向に均等に３分割出来るよう、３０ｍｍ間隔に幅０．１ｍｍの分割溝を２本形成した。分割溝は、実験Ｎｏ．１７、１９、２２は回路面側に、実験Ｎｏ．１８、２０は両主面に、実験Ｎｏ．２１は放熱面側に形成した。また、分割溝底部の肉厚は実験Ｎｏ．１７、１８は０．１ｍｍ、実験Ｎｏ．１９，２０は０．７ｍｍ、実験Ｎｏ．２１、２２は０．３ｍｍとした。パターン端部から分割溝までの距離は、実験Ｎｏ．１７〜２１に関しては１．０ｍｍとなるように、実験Ｎｏ．２２に関しては０．７ｍｍとなるように形成した。また、放熱面側は母板（９０×５０ｍｍ、厚み０．１５mm）に沿面距離１．０ｍｍとなるようにベタパターンを形成した。

実験Ｎｏ．２３〜２９は、窒化ケイ素基板を使用した以外は、実験Ｎｏ．１６〜２２と同様に行った。

〈測定方法〉
ヒートサイクル試験：基板の大きさは、集約化基板サイズ９０×５０mm、個片サイズ３０×５０mmであり、実際のモジュールを想定して、集約化基板の放熱面側に１２０×８０ｍｍ（厚み４．０mm）の銅ベース板を半田付けし、絶縁油中にて冷却時は−５５℃×１０分、高温時は１２５℃×１０分の熱サイクルを室温を経由せずに５０回繰り返し、スリット入りセラミックス回路基板の割れ発生状況を調べた（ｎ＝１０）。
電圧負荷試験：フロリナート中で、ヒートサイクル試験後の供試体の銅回路部に７．５kVの電圧を３０秒間負荷し、沿面放電及び絶縁不良の有無を調べた。結果を表１に示す。

表１から、分割溝の位置並びに分割溝底部の肉厚を適正化した本願発明によれば、基板の大型化に伴う基板割れの発生がなく、絶縁不良や沿面放電のない高信頼性スリット入りセラミックス回路基板の製造が可能であることが判る。

実験No.1の回路形成後の状態を示した説明図である。

符号の説明

１回路面側銅板
２放熱面側銅板
３窒化アルミニウム基板
４分割溝

Claims (6)

1. セラミックス回路基板の回路面側、または両主面に分割溝を設けてなり、分割溝が回路パターン端部より１．０mm以上の距離にあり、且つ、分割溝の底部肉厚が０．２〜０．５ｍｍであることを特徴とするスリット入り回路基板。
2. セラミックス回路基板の長軸が３０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１記載のスリット入り回路基板。
3. セラミックス回路基板の回路面側または両主面に分割溝を設けることを特徴とするスリット入り回路基板の製造方法。
4. セラミックスグリーン成形体に分割溝を設けてから脱脂、焼結することを特徴とする請求項３記載のスリット入り回路基板の製造方法。
5. セラミックス基板に金属板を接合した後、分割溝を設けることを特徴とする請求項３記載のスリット入り回路基板の製造方法。
6. セラミックス基板に金属板を接合し、金属板にエッチングを施した後、分割溝を設けることを特徴とする請求項３記載のスリット入り回路基板の製造方法。
   

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