JP2010114469A - セラミック回路基板および半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 上下両面の金属回路板間をセラミック基板の貫通孔内の金属柱により電気的に接続するセラミック回路基板において、金属柱と金属回路板との接合部に電流が集中することによる発熱を抑えた、信頼性の高いセラミック回路基板を得る。
【解決手段】 金属回路板３と、貫通孔４を有し、第１のロウ材２を介して両面に金属回路板３が接合されたセラミック基板１と、セラミック基板１の貫通孔４内に配置され、第２のロウ材６を介して金属回路板３に接合された金属柱５とを有しており、第２のロウ材６は、金属柱５の端部から金属回路板３に向かって広がってメニスカスを形成しているセラミック回路基板である。電流はロウ材６に設けたメニスカス中を滑らかに流れ、金属柱５と金属回路板３とのロウ材６による接合部に電流の集中が発生しにくく、局所的な発熱が少なくなるため、長期間にわたって正常かつ安定に作動させることが可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明はセラミック回路基板に関するものである。

近年、パワーモジュール用基板やスイッチングモジュール用基板等の回路基板として、セラミック基板上に被着させたメタライズ金属層に銀−銅合金等のロウ材を介して銅等から成る金属回路板を接合させたセラミック回路基板や、セラミック基板上に銀−銅共晶合金にチタン・ジルコニウム・ハフニウムあるいはその水素化物を添加した活性金属ロウ材を介して銅等から成る金属回路板を直接接合させたセラミック回路基板、あるいはセラミック基板上に銅板を載置して加熱し、セラミック基板と銅板とを直接接合させた、いわゆるＤＢＣ（Direct Bond Copper）法によって作製されたセラミック回路基板が用いられている。

また、これら各セラミック回路基板は、金属回路板の実装密度を高めるために、セラミック基板の上下両面に金属回路板を接合させておき、これら上下両面の金属回路板間をセラミック基板に設けた貫通孔内に配置した金属柱により電気的に接続することが行なわれている。

なお、これらセラミック回路基板、例えばセラミック基板上に活性金属ロウ材を介して銅等から成る金属回路板を直接接合させたセラミック回路基板は、一般に酸化アルミニウム質焼結体・窒化アルミニウム質焼結体・窒化珪素質焼結体・ムライト質焼結体等の電気絶縁性のセラミックス材料から成り、厚み方向に貫通する貫通孔を設けたセラミック基板を準備し、次にこのセラミック基板の貫通孔内に金属柱を配置し、銀ロウ粉末（銀と銅との合金粉末）に有機溶剤や溶媒を添加混合して得たロウ材ペーストを金属柱両面に塗布するとともに、セラミック基板上に間に銀−銅合金にチタン・ジルコニウム・ハフニウムおよびこれらの水素化物の少なくとも１種を添加した活性金属ロウ等のロウ材を挟んで所定パターンの金属回路板を載置当接させ、しかる後、これを還元雰囲気中にて約900℃の温
度に加熱し、ロウ材ペーストおよびロウ材を溶融させて、メタライズ金属層と金属回路板とを活性金属ロウ材を介して、および金属回路板と金属柱とを銀ロウ等のロウ材を介して接合することによって製作される。

このように製作されたセラミック回路基板は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor - Field Effect Transistor）等の半導体素子等の電子部品を半田等の接着剤を介して実装した後、外部入出力用の端子が一体成型された樹脂ケースに組み立てられ、半導体モジュールとなる。この半導体モジュールは、ロボット等の産業機器から電車の駆動部や電気自動車等の幅広い用途に使用され、厳しい環境下での高い信頼性が要求されている。

特開平６−１２０６３４号公報

しかしながら、パワーモジュールに流れる電流が500Ａを超えるような大電流や数ｋＨ
ｚに達する高周波になると、従来のセラミック回路基板は金属回路板と金属柱の間にメニスカスがなく垂直に接合されているので、金属回路板から金属柱へ、あるいは金属柱から
金属回路板へ電流が流れる際に、金属板の表面や金属柱の側面の電流密度が高くなる現象により、接合された金属板の表面と金属柱の側面とのなすコーナー部分に電流が集中し、局所的にジュール発熱する。その熱が金属回路板上に半田等の接着材を介して接着固定される半導体素子等の電子部品に作用し、電子部品が高温となるため、電子部品を安定に作動させることができないという問題点を有していた。

本発明は以上のような従来の技術の問題点を解決すべく案出されたものであり、その目的は、金属柱と金属回路板との接合部に電流が集中することによる発熱を抑えた、信頼性の高いセラミック回路基板を提供することにある。

本発明のセラミック回路基板は、金属回路板と、貫通孔を有し、第１のロウ材を介して両面に前記金属回路板が接合されたセラミック基板と、該セラミック基板の前記貫通孔内に配置され、第２のロウ材を介して前記金属回路板に接合された金属柱とを有しており、前記第２のロウ材は、前記金属柱の端部から前記金属回路板に向かって広がってメニスカスを形成していることを特徴とするものである。

また、本発明の回路基板は、上記構成において、前記第２のロウ材は、前記金属柱の端部から前記金属回路板にかけて、前記金属柱の最大幅の５％以上の幅で、前記金属柱の全周にわたって広がってメニスカスを形成していることを特徴とするものである。

また、本発明の半導体モジュールは、上記いずれかの本発明のセラミック回路基板と、該セラミック回路基板上に接着剤を介して固定された電子部品とを有することを特徴とするものである。

本発明のセラミック回路基板によれば、第２のロウ材が金属柱の端部から金属回路板に向かって広がってメニスカスを形成しているので、大電流を印加しても、電流は第２のロウ材に設けたメニスカス中を滑らかに流れ、金属回路板と金属柱との接合部に電流の集中が発生しにくく、局所的な発熱が少なくなるため、金属回路板上に半田等の接合材を用いて接着固定される半導体素子等の電子部品は常に適温となり、長期間にわたって正常かつ安定に作動させることが可能となる。

また、本発明のセラミック回路基板によれば、第２のロウ材が、金属柱の端部から金属回路板にかけて、金属柱の最大幅の５％以上の幅で金属柱の全周にわたって広がってメニスカスを形成しているときには、広がりが小さいことによって電流が集中し易くなる部分が存在しないことから、500Ａかつ数ｋＨｚを超える大電流が金属回路板から金属柱へ大
電流が流れ込む、あるいはその逆に金属柱から金属回路板に流れ出す際に、メニスカス内を滑らかに電流が通過することができ、接合部分のコーナーに電流が集中して局所的にジュール発熱することがない。

本発明のセラミック回路基板の実施の形態の一例を示す断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、それぞれ本発明のセラミック回路基板の金属柱の最大幅およびその端部におけるロウ材の広がりの幅の例を示す平面図である。

次に、本発明のセラミック回路基板について図面に基づいて説明する。

図１は本発明のセラミック回路基板の実施の形態の一例を示す断面図であり、１はセラ
ミック基板、２は活性金属ロウ材（第１のロウ材）、３は金属回路板、４はセラミック基板１の貫通孔、５は金属柱、６はロウ材（第２のロウ材）である。このセラミック回路基板は、セラミック基板１の上下両面に所定パターンの金属回路板３が活性金属ロウ材２を介して取着されており、同時にセラミック基板１に設けた厚み方向に貫通する貫通孔４内に金属柱５がその両端面をロウ材６を介して金属回路板３に接合されて配置されているものである。

セラミック基板１に設けた貫通孔４内に配置されている金属柱５は、その両端が金属回路板３にロウ材６を介して接合されており、これによってセラミック基板１の上下両面に取着されている金属回路板３は金属柱５およびロウ材６を介して電気的に接続されることとなる。

貫通孔４を有するセラミック基板１は、酸化アルミニウム質焼結体・ムライト質焼結体・窒化珪素質焼結体・窒化アルミニウム質焼結体・炭化珪素質焼結体等の電気絶縁材料で形成されている。例えば、窒化珪素質焼結体から成る場合であれば、窒化珪素・酸化アルミニウム・酸化マグネシウム・酸化イットリウム等の原料粉末に適当な有機バインダ・可塑剤・溶剤を添加混合して泥漿状となすとともに、この泥漿物に従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法を採用することによってセラミックグリーンシート（セラミック生シート）を形成し、次にこのセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施して所定形状となすとともに、必要に応じて複数枚を積層して成形体となし、しかる後、これを窒素雰囲気等の非酸化性雰囲気中にて1600〜2000℃の温度で焼成することによって製作される。

金属回路板３は銅もしくはアルミニウムから成り、銅もしくはアルミニウムのインゴット（塊）に圧延加工法や打ち抜き加工法等、従来周知の金属加工法を施すことによって、例えば500μｍの厚みで、所定パターンに形成される。

金属回路板３は、銅から成る場合はこれを無酸素銅で形成しておくと、無酸素銅は活性金属ロウ材２を介して取着する際に銅の表面が銅中に存在する酸素により酸化されることなく活性金属ロウ材２との濡れ性が良好となるので、金属回路板３のセラミック基板１への活性金属ロウ材２を介しての取着接合が強固となる。従って、金属回路板３は、銅から成る場合はこれを無酸素銅で形成しておくことが好ましい。

活性金属ロウ材（第１のロウ材）２は、金属回路板３が銅から成る場合であれば、銀−銅共晶合金にチタン・ジルコニウム・ハフニウム等の金属もしくはその水素化物を２〜５重量％添加させたものが用いられ、また金属回路板３がアルミニウムから成る場合であれば、アルミニウム−シリコン共晶合金にチタン・ジルコニウム・ハフニウム等の金属もしくはその水素化物を２〜５重量％添加させたものが用いられる。

金属柱５は、比抵抗が３μΩ・ｃｍ以下と非常に小さい良導電性の銅（1.72μΩ・ｃｍ）もしくはアルミニウム（2.65μΩ・ｃｍ）等により形成しておくと、金属柱５に大きな電流が流れたとしても金属回路板３・金属柱５およびその接続部分からジュール熱による大量の熱が発生することがなく、その結果、金属回路板３上に半田等の接着材を用いて接着固定される半導体素子等の電子部品を常に適温として、長期間にわたって正常かつ安定に作動させることが可能となる。

また、金属柱５は、銅から成る場合にはこれを無酸素銅で形成しておくことが好ましい。これは、ロウ付けの際に金属回路板３の表面が金属柱５の銅中に存在する酸素により酸化されることがなく、活性金属ロウ材２との濡れ性が良好となり、金属回路板３のセラミック基板１への活性金属ロウ材２を介しての接合が強固となるからである。

金属柱５の長さはセラミック基板１の厚みに対して０〜150μｍ短いものとすることが
好ましい。金属柱５がセラミック基板１の厚みより長いと、金属柱５が上下に取着された金属回路板３を突き上げてしまい、セラミック基板１と上下の金属回路板３とが良好に接合されなくなってしまう。また、セラミック基板１の厚みに対して150μｍより短いと、
金属柱５に多くのロウ材６を被着させる必要がありコストアップになる他、ロウ材６を加熱溶融した際に金属柱５が上下に移動したり傾いたりして、金属柱５と金属回路板３とを良好に接合することが困難となる傾向がある。

ロウ材（第２のロウ材）６は、金属回路板３が銅から成る場合であれば、銀−銅共晶合金から成る銀ロウ材が、また金属回路板３がアルミニウムから成る場合であれば、アルミニウム−シリコン共晶合金から成るアルミニウムロウ材が用いられる。ロウ材６は貫通孔４の内部に配置され、金属柱５と金属回路板３とを接合するものであり、活性金属ロウ材２とは区別されて配置されている。

本発明のセラミック回路基板においては、ロウ材６は金属柱５の端部から金属回路板３にかけて広がっていることが重要である。このようにロウ材６が広がっていることにより、電流はロウ材６に設けたメニスカス中を滑らかに流れ、金属柱５と金属回路板３とのロウ材６による接合部に電流の集中が発生しにくく、局所的な発熱が少なくなるため、金属回路板３上に半田等の接合材を用いて接着固定される半導体素子等の電子部品は常に適温となり、長期間にわたって正常かつ安定に作動させることが可能となる。

また、そのロウ材６の広がりの幅は、金属柱５の最大幅の５％以上の幅で、金属柱５の全周にわたって広がっていることが望ましい。この最大幅は、図２（ａ）〜（ｃ）にそれぞれ平面図で示すように、（ａ）のように金属柱５の断面が円形の場合であれば、その直径Ａ_１に相当し、（ｂ）のように金属柱５の断面が四角形であれば、その最大の対角線Ａ_２の長さに相当し、（ｃ）のように金属柱５の断面が十字形であれば、金属柱５の断面の最大の長さＡ_３に相当する。なお、図２（ａ）〜（ｃ）において、金属柱５の周りの点線は、金属回路板３側におけるロウ材６の広がりを示しており、この広がりの幅ａ_１・ａ_２・ａ_３が、それぞれ最大幅Ａ_１・Ａ_２・Ａ_３の５％以上であることが望ましい。

このロウ材６の広がりが５％以下だと、500Ａかつ数ｋＨｚを超える大電流が金属回路
板３から金属柱５へ大電流が流れ込む、あるいはその逆に金属柱５から金属回路板３に流れ出す際に、メニスカス内を滑らかに電流が通過することができないため、接合部分のコーナーに電流が集中し、局所的にジュール発熱する。その結果セラミック回路基板が高温になり、その熱が金属回路板上に半田等の接着材を介して接着固定される半導体素子等の電子部品に作用し、電子部品を高温として安定に作動させることが困難になるという傾向がある。

また、ロウ材６は金属柱５の全周にわたって広がっているので、広がりが小さいことにより電流が集中し易くなる部分が存在しないことから、接合部分のコーナーに電流が集中し局所的にジュール発熱するということがない。

貫通孔４の内壁面と金属柱５の外壁面との間の空間の長さ（両者の断面形状が円形の場合は、貫通孔４の半径と金属柱５の半径との差に相当する）は、30〜200μｍの範囲とし
ておくことが好ましい。これは、この空間の長さが30μｍ未満の場合は、セラミック回路基板に熱が加わった際に、セラミック基板１と金属柱５との熱膨張係数の差によって膨張した金属柱５の外壁面がセラミック基板１の貫通孔４の内壁面を押し広げようとするのをセラミック基板１の貫通孔４の内壁面と金属柱５の外壁面との間にある空間で確実に吸収することが困難となり、金属柱５の外壁面がセラミック基板１の貫通孔４の内壁面を押し
広げてしまい、セラミック基板１にクラックや割れを発生させてしまうことがあるためである。また、この空間の長さが200μｍを超えた場合は、セラミック基板１の貫通孔４に
ロウ材６付き金属柱５を挿着する際に、ロウ材６付き金属柱５が傾いてしまい金属回路板３と確実に接続できなくなることがあるためである。

また、セラミック基板１と金属回路板３とを接合する活性金属ロウ材２は、貫通孔４の外周よりも100μｍ以上外側に配置することが望ましい。このことにより、金属柱５の熱
膨張とセラミック基板１の熱膨張との差による熱応力がセラミック基板１の貫通孔４の周辺のマイクロクラックに作用してセラミック基板１にクラックや割れを発生させることがなくなり、また製造工程において活性金属ロウ材２が貫通孔４内に垂れ込んで、金属回路板３と金属柱５とを接合するためのロウ材６と融合してロウ材の組成が変化することがないので、金属回路板３とセラミック基板１および金属回路板３と金属柱５との接合が良好で、搭載される半導体素子等の電子部品を正常かつ安定に作動させることのできる信頼性の高いセラミック回路基板を得ることが可能となる。

貫通孔４の内壁面と金属柱５の外壁面との間に空間を設けたり、セラミック基板１と金属回路板３とを接合する活性金属ロウ材２を貫通孔４の外周よりも100μｍ以上外側に配
置したりすると、上述した効果以外にも、ロウ材６を金属柱５の端部から金属回路板４にかけて広がるような形状のメニスカスを形成しやすくなるという効果がある。

貫通孔４を有するセラミック基板１への活性金属ロウ材２を使用しての金属回路板３の取着は、以下のようにして行なうとよい。

まず、活性金属ロウ材２は、例えば金属回路板３が銅から成る場合であれば、銀−銅共晶合金にチタン・ジルコニウム・ハフニウム等の金属もしくはその水素化物を２〜５重量％添加させたものに有機溶剤・溶媒を混合して活性金属ロウ材ペーストを作製し、次にセラミック基板１の上下両面にこの活性金属ロウ材ペーストを従来周知のスクリーン印刷法を採用することによって約10〜40μｍの厚みで所定パターンに印刷塗布する。

次に、セラミック基板１の貫通孔４内にロウ材６付き金属柱５を挿入配置するとともに、セラミック基板１の上下両面に印刷塗布されている活性金属ロウ材ペースト上に金属回路板３を載置し、しかる後、これを真空中もしくは中性または還元雰囲気中にて、所定温度（銅の場合は約900℃）で加熱処理し、活性金属ロウ材ペーストおよびロウ材６付き金
属柱５の両端面に被着されたロウ材６を溶融せしめ、溶融した活性金属ロウ材２でセラミック基板１と金属回路板３を、ロウ材６で金属回路板３と金属柱５とを接合させる。

上述した製造方法において、ロウ材６付き金属柱５は、セラミック基板１の厚みに対して０〜150μｍ短い金属柱５の両端にロウ材６を被着して、セラミック基板１の厚みに対
して40〜140μｍ長くしたものがよい。これは、金属柱５の長さがセラミック基板１の厚
みよりも０〜150μｍ短いと、前述したように金属柱５が上下に取着された金属回路板３
を突き上げることがなく、セラミック基板１とその両面の金属回路板３との良好な接合を損なうことがないからであり、また、ロウ材６付き金属柱５の長さがセラミック基板１の厚みに対して40〜140μｍ長いと、その両端のロウ材６が確実に上下の金属回路板３と接
触し、その後の溶融工程で金属柱５と金属回路板３とがロウ材６を介して確実に接合され、信頼性の高い電気的接合が得られるからである。

ロウ材６付き金属柱５は、例えば、銅もしくはアルミニウムのインゴット（塊）に圧延加工法や打ち抜き加工法・引き抜き加工法等の従来周知の金属加工法を施すことによって円柱状に形成して金属柱５を作製し、その後、金属柱５の上下両端面に、銅の場合には銀ロウ材を、アルミニウムの場合にはアルミニウムロウ材を被着させて作製される。また、
他の方法としては、ロウ材／銅板もしくはアルミニウム板／ロウ材の順で積層し、圧延加工法によって所定の厚みにしたものに打ち抜き加工法・引き抜き加工法等の金属加工法を施すことにより作製する方法がある。

なお、本発明は上述の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能である。

例えば、上述の実施の形態の例ではセラミック基板１に活性金属ロウ材２を介して直接に金属回路板３をロウ付けしたが、これをセラミック基板１の表面に予めタングステンまたはモリブデン等のメタライズ金属層を被着させておき、このメタライズ金属層に金属回路板３をロウ材を介して接合させてもよい。

また、上述の実施の形態の例ではセラミック基板１に活性金属ロウ材２を介してあらかじめ回路配線パターン形状に形成された金属回路板３をロウ付けしたが、セラミック基板１と略同形状の金属板をロウ付けした後にエッチングにより不要な金属部分を除去して回路配線パターン形成を行なって金属回路板３としてもよい。

さらには、上述の実施の形態の例ではセラミック基板１の貫通孔４内にロウ材６付き金属柱５を挿入配置したが、金属柱５を挿入配置し、ロウ材ペーストをその上下両面に塗布するという方法を採ってもよい。

１・・・・セラミック基板
２・・・・活性ロウ材
３・・・・金属回路板
４・・・・貫通孔
５・・・・金属柱
６・・・・ロウ材

Claims (3)

1. 金属回路板と、貫通孔を有し、第１のロウ材を介して両面に前記金属回路板が接合されたセラミック基板と、該セラミック基板の前記貫通孔内に配置され、第２のロウ材を介して前記金属回路板に接合された金属柱とを有しており、前記第２のロウ材は、前記金属柱の端部から前記金属回路板に向かって広がってメニスカスを形成していることを特徴とするセラミック回路基板。
2. 前記第２のロウ材は、前記金属柱の端部から前記金属回路板にかけて、前記金属柱の最大幅の５％以上の幅で、前記金属柱の全周にわたって広がってメニスカスを形成していることを特徴とする請求項１記載のセラミック回路基板。
3. 請求項１または請求項２記載のセラミック回路基板と、該セラミック回路基板上に接着剤を介して固定された電子部品とを有することを特徴とする半導体モジュール。

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