JP2010118682A

JP2010118682A - セラミックス回路基板

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Publication number: JP2010118682A
Application number: JP2010014396A
Authority: JP
Inventors: Norio Nakayama; 山憲隆中
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Materials Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Materials Co Ltd
Priority date: 2010-01-26
Filing date: 2010-01-26
Publication date: 2010-05-27
Anticipated expiration: 2020-09-07
Also published as: JP5047315B2

Abstract

【課題】はんだフロー性が改良されたセラミックス回路基板を提供する。
【解決手段】セラミックス基板上に複数の金属回路板が設けられ、このセラミックス基板の反対面側には前記金属回路板と同一の金属から構成された金属板が設けられてなるセラミックス回路基板であって、前記セラミックス回路基板が前記金属回路板側に凸状形状に反っており、（イ）前記金属回路板の厚さが０．２５〜１ｍｍであり、（ロ）前記金属板の厚さが前記金属回路板の厚さの０．５〜０．８倍であり、（ハ）その反り量が前記セラミックス回路基板の長手方向の長さの０．１５〜０．３０％であることを特徴とする、セラミックス回路基板。
【選択図】図１

Description

本発明は、セラミックス回路基板に関するものである。さらに詳細には、本発明は、高出力トランジスタ、パワーモジュール等の実装に好適なセラミックス回路基板に関するものである。

近年、セラミックス基板上に導電性材料、例えば銅板、からなる金属回路板を設けたセラミックス回路基板が使用されている。このようなセラミックス回路基板は、一般に電気絶縁性が高く耐熱性が良好であることから高出力トランジスタやパワーモジュールなどの回路基板として特に有用なものである。

しかし、セラミックス基板とこの基板上に設けられる金属回路板とは熱膨張係数が通常大きく異なっており、また両者の接合が高温度条件下でなされることが多いことから、接合後に冷却された場合、両者間の残留応力によってセラミックス回路基板が金属回路層側に凹状に湾曲することがあった。

このように金属回路層側に凹状に湾曲したセラミックス回路基板は、電子素子、例えば高出力トランジスタやパワーモジュールなどの実装工程におけるはんだフロー性が悪い場合が多くて実装信頼性低下の要因となっていた。
セラミックス回路基板を例えば産業用機械などに搭載する場合には特に高い実装信頼性が要求されるが、上記理由によりこの要求を満たすことは容易ではなかった。

本発明は、電子素子の実装工程におけるはんだフロー性が向上したセラミックス回路基板を提供しようとするものである。

したがって、本発明によるセラミックス回路基板は、セラミックス基板上に金属回路板が設けられ、このセラミックス基板の反対面側には前記金属回路板と同一または異なる金属から構成された金属板が設けられてなるセラミックス回路基板であって、前記セラミックス回路板が前記金属板側に凹状形状に反っており、その反り量が前記セラミックス回路基板の長手方向の長さの０．１５〜０．３０％であること、を特徴とするものである。

本発明によるセラミックス回路基板は、電子素子が実装される金属回路板側に凸状形状に反っており、その反り量が前記セラミックス回路基板の長手方向の長さの０．１５〜０．３０％であることから、電子素子の実装時のはんだフロー性が良好になり、はんだが金属回路板上で局在化するのが抑制される。

本発明によるセラミックス回路基板の一具体例を模式的に示す断面図。金属回路板側に凹状に湾曲した従来のセラミックス回路基板を模式的に示す断面図。

以下、本発明によるセラミックス回路基板を必要に応じて図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明によるセラミックス回路基板の好ましい一具体例の断面を示すすものである。このセラミックス回路基板１は、セラミックス基板２上に金属回路板３が設けられ、このセラミックス基板１の前記金属回路板３の反対面側には金属板４が設けられてなるものであり、このセラミックス回路板１は、前記金属回路板３側に凸状形状に反っており、その反り量Ａは前記セラミックス回路基板の長手方向の長さＢの０．１５〜０．３０％となっている。このように反り量Ａは金属回路板を接合後の反り量を示すものである。セラミックス回路基板の長手方向とは、セラミックス基板の縦横に対し長い方を示すものである。また、セラミックス回路基板の長手方向の長さＢとは接合後のセラミックス基板の端部から端部までの距離を示すものである。このとき簡易的には金属回路板接合前の実質的に反りがないセラミックス基板の長手方向の長さを長さＢとして適用してもよい。なぜなら本発明は（反り量Ａ／セラミックス回路基板の長手方向の長さＢ）×１００が０．１５〜０．３０％と小さいからであり実測においての影響は少ないからである。

このような本発明によるセラミックス回路基板に使用されるセラミックス基板は、特に限定されるものでなく、合目的的な任意のものを使用することができる。例えば、（イ）窒化物系セラミックス、例えば窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化チタン等、（ロ）酸化物系セラミックス、例えば酸化アルミニウム、酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムとの化合物、（ハ）炭化物系セラミックス、例えば炭化珪素、炭化チタン等、（ニ）硼化物系セラミックス、例えば硼化ランタン等、を使用することができる。これらの中では、窒化アルミニウム、窒化珪素、酸化アルミニウム、および酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムとの化合物が好ましい。

これらの各セラミックスには、焼結助剤、例えば酸化イットリウム等の希土類酸化物、酸化マグネシウム等の金属酸化物を含有されていてもよい。焼結助剤の含有量は、２〜２０重量％の範囲が好ましい。

セラミックス基板の厚さは、実装される電子素子の大きさや重量、発熱量、セラミックス回路基板の大きさ、必要な強度、耐久性等を考慮したうえで、セラミックス回路基板が所定の反り量のものとなるように、金属回路板の厚さないしセラミックス基板の反対面に設けられる金属板（以下、本明細書において「裏金属板」という場合がある）の厚さなどとの関連から定めることができる。セラミックス基板の厚さは特に限定されるものではないが０．３〜１ｍｍ、さらには０．３〜０．７ｍｍの範囲が好ましい。セラミックス基板の厚さが０．３ｍｍ未満であると基板の強度が保ち難く割れの原因になり易い。一方、基板厚さが１ｍｍを超えるとセラミックス回路基板の薄型化が困難になると共に所定の反り量を保ち難い。

本発明によるセラミックス回路基板の金属回路板を構成する金属は、前記のセラミックス基板の構成成分と共晶化合物を生成し、直接接合法や活性金属法による接合方法を適用できる金属であれば特に限定されない。本発明では、例えば銅、アルミニウム、鉄、ニッケル、クロム、銀、モリブデン、コバルトの単体またはその合金などを使用することができる。導電性および価格などの観点からは、銅、アルミニウムおよびその合金が特に好ましい。

この金属回路板の厚さは、通電容量およびセラミックス回路基板の反り量を考慮して決定することができる。金属回路板の厚さは、０．２５〜１ｍｍ、さらには０．２５〜０．６ｍｍの範囲が好ましい。金属回路板の厚さが０．２５ｍｍ未満では通電容量を確保し難く回路板としての効果が小さい。一方、金属回路板の厚さが１ｍｍを超えると通電容量は確保できるものの金属回路板が厚すぎるため所定の反り量を確保し難い。

前記のセラミックス基板と金属回路板の接合は、直接接合法および活性金属法によって行うことができる。特に金属回路板として銅回路板を使用し直接接合法によって接合する場合には、酸素を１００〜１０００ｐｐｍ含有するタフピッチ電解銅からなる銅回路板を使用し、さらに後述するよう銅回路板表面に所定の厚さで酸化銅層を予め形成することにより、直接接合時に発生するＣｕ‐Ｏ共晶の量を増加させることによって基板と銅回路板との接合強度をより向上させることができる。なお、直接接合法は、酸化アルミニウムなどの酸化物系セラミックス基板を使用した場合には直ちに適用可能であるが、非酸化物系セラミックス（例えば窒化アルミニウムや窒化珪素等）の場合のように金属回路板との接合強度が不足する場合には、非酸化物系セラミックス基板の表面に予め酸化物層を形成させることが好ましい。この酸化物層は、セラミックス基板を酸化雰囲気中で１０００〜１４００℃の温度で２〜１５時間加熱処理することによって形成させることができる。また、他にはＡｌ−Ｓｉ合金板を金属回路板に用いて直接接合することも可能である。

活性金属法でセラミックス基板と金属回路板との接合を行う場合には、適当なろう付け材、例えばＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂから選択される少なくとも一種の活性金属を含有するＡｇ‐Ｃｕ系ろう付け材を使用して、好ましくは真空中で７００〜９５０℃で５〜３０分間加熱することによって接合を行うことができる。

セラミックス回路基板の金属回路板の反対側に設けられる金属板（裏金属板）の金属も特に限定されない。本発明での裏金属板は、前記の金属回路板を構成する金属と同一または異なる金属によって構成することができるが、本発明で好ましい金属は前記の金属回路板を構成している金属である。このように裏金属板を金属回路板と同じ金属で構成することにより、裏金属板とセラミックス基板との接合を、金属回路板と同じ方法によって金属回路板の接合と同時に行うことができるようになる。

この裏金属板の厚さは、セラミックス回路基板が金属回路板側に凸状形状に反りかつその反り量が所定のものとなるようにするために、通常、金属回路板の厚さよりも薄くした方が効果的である。裏金属板の具体的な厚さは、金属回路板の厚さおよびセラミックス基板の厚さ、セラミックス回路基板の反り量に応じて変化するが、金属回路板の厚さの０．５〜１．５倍、好ましくは０．５〜０．８倍、の厚さが適当である。

また、セラミックス回路基板を金属回路板側に凸状に反りかつその反り量を所定のものにするためには、セラミックス基板上の前記金属回路板の面積と裏金属板の面積とが所定の面積比を有するようにすることも効果的である。即ち、金属回路板のセラミックス基板との接合面積を面積（１）、裏金属板のセラミックス基板との接合面積を面積（２）とした場合の（面積（１）／面積（２））×１００が４０〜９５％、さらには５０〜９０％であることが好ましい。なお、金属回路板が複数の金属回路板からなる場合は、その金属回路板のすべての面積を合わせた数値を面積（１）とする。同様に裏金属板が複数の金属板からなるときは、すべての裏金属板の面積を合わせた数値を面積（２）とする。

金属回路板の面積（１）が裏金属板の面積（２）の９５％を超える場合には、セラミックス回路基板の反り量が不足し、一方、金属回路層の面積（１）が裏金属層の面積（２）の４０％未満の場合にはセラミックス回路基板の反り量が大きくなりすぎる場合がある。このように所定の反り量を持たせるためには上記のような方法があり、これらの２つの方法を組合せて反り量を制御することも可能である。また、当然ながら本発明はセラミックス回路基板に所定の反り量を具備させたことに特徴のあるものであるから必ずしも製造方法が上記方法に限定されるものではない。

そして、本発明によるセラミックス回路基板の反り量は、セラミックス回路基板の長手方向の長さの０．１５〜０．３０％、好ましくは０．１５〜０．２０％、である。反り量が０．１５％未満の場合には、はんだフロー性の向上効果が充分得られず、一方、０．３０％を超える場合には、セラミックス回路基板の反り量が大きくなりすぎて、強度および電子素子の実装上の問題が発生する場合がある。

（実施例１〜６、比較例１〜３）
表１に示した材質を主成分とするセラミックス基板の縦５０ｍｍ×横５０ｍｍ×厚さ０．６３５ｍｍ、金属回路板を縦３０ｍｍ×横１０ｍｍ×厚さ０．２５ｍｍの銅板を２枚（接合時の間隔は１ｍｍ）、裏金属板を縦４０ｍｍ×横４０ｍｍ×厚さ０．２０ｍｍの銅板とし、直接接合法または活性金属法により所定の反り量Ａを有するセラミックス回路基板を作製した。

このセラミックス回路基板に対し、リフロー工法により電子素子を表面実装した際のはんだフロー性を検討した。はんだフロー性の測定としては、リフロー工程の際はんだフローによる金属回路板のショートなどの不具合の発生の有無を各１００個ずつ測定し、不具合発生が０〜１個のものをはんだフロー性「良好」、２〜４個のものを「やや不良」、５個以上のものを「不良」として表示した。その結果を表１に示す。

また、比較のために反り量を本発明の範囲外のセラミックス回路基板を作製し、同様の測定を行った。なお、（反り量／セラミックス回路基板の長手方向の長さ）×１００の測定において、セラミックス基板の長手方向の長さＢとして金属回路板接合前のセラミックス基板の長手方向の長さである５０ｍｍを用いて算出した。

表１から分かる通り、本実施例にかかるセラミックス回路基板のはんだフロー性は良好であり、不具合の発生は０〜１個に抑えられた。

それに対し、反り量の大きい比較例２および裏金属板側に反った比較例３は不具合が多く、はんだフロー性は不良またはやや不良となった。これは反り量が不十分であることから２つの金属回路板の間隔１ｍｍの間にはんだが流れ込んでしまいショートの原因となってしまったことが原因である。また、反り量の小さい比較例１は反り量が不十分であることから金属回路板側に凸状に反った効果が十分得られていないことが分かった。

（実施例７〜１１、比較例４）
次に金属回路板と裏金属板の厚さおよび面積率とを関係を検討する。縦６０ｍｍ×横４０ｍｍ×厚さ０．８ｍｍの酸化アルミニウム基板を用意した。これに対し、板厚および面積率［（面積（１）／面積（２））×１００（％）］を表２のように変えたときの反り量を測定した。

なお、（反り量／セラミックス回路基板の長手方向の長さ）×１００（％）の値を測定する際のセラミックス回路基板の長手方向の長さは金属回路板接合後の長さＢにて対応した。また、金属回路板は同一サイズのものを３枚用意し、その全ての面積を合せて面積（１）とし、裏金属板は１枚で形成し面積（２）とした。

また、比較例４として金属回路板と裏金属板の厚さおよび面積率との関係が本発明の好ましい範囲外であるものを用意した。各金属回路板および裏金属板はいずれも直接結合法にて接合することによりセラミックス回路基板を作製した。

表２から分かる通り、金属回路板の厚さ＞裏金属板の厚さ、（金属回路板の面積（１）／裏金属板の面積（２））×１００（％）＝５０〜９５％のものは、（反り量Ａ／基板の長手方向の長さＢ）×１００（％）を０．１５〜０．３０（％）にできることが判明した。

また、裏金属板の厚さ／金属回路板の厚さの比が０．５〜０．８である実施例８、実施例１０、実施例１１はいずれも（反り量Ａ／基板の長手方向の長さＢ）×１００（％）の値が０．１５〜０．２０％と本発明の好ましい範囲にすることができた。

このような本実施例にかかるセラミックス回路基板はいずれもはんだフロー性は良好であった。
それに対し、比較例４のものは裏金属板側に凸状に反ってしまい反りが発生する方向が逆になってしまった。

（実施例１２〜１３）
セラミックス基板として、窒化アルミニウム基板（厚さ０．６３５ｍｍ）と窒化珪素基板（厚さ０．３５ｍｍ）を用意した。金属回路板（厚さ０．３５ｍｍ）および裏金属板（厚さ０．２５ｍｍ）としてＡｌ‐６ｗｔ％Ｓｉ合金板を用意した。

金属回路板と裏金属板の面積比［（面積（１）／面積（２））×１００％］を８０％になるよう調整しセラミックス基板に直接結合した。このようなセラミックス回路基板に対し、（反り量Ａ／セラミックス基板の長手方向の長さ）×１００（％）を求め、更にはんだリフロー性を実施例１と同条件により測定した。その結果を表３に示す。

表３から分かる通り、金属回路板および裏金属板の材質を変えたとしても同様な効果が得られることが分かった。

（発明の効果）
本発明によるセラミックス回路基板は、電子素子が実装される金属回路板側に凸状形状に反っており、その反り量が前記セラミックス回路基板の長手方向の長さの０．１５〜０．３０％であることから、電子素子の実装時のはんだフロー性が良好になり、はんだが金属回路板上で局在化するのが抑制される。

１セラミックス回路基板
２セラミックス基板
３金属回路板
４金属板（裏金属板）
Ａ反り量
Ｂセラミックス回路基板の長手方向の長さ

Claims

セラミックス基板上に複数の金属回路板が設けられ、このセラミックス基板の反対面側には前記金属回路板と同一の金属から構成された金属板が設けられてなるセラミックス回路基板であって、前記セラミックス回路基板が前記金属回路板側に凸状形状に反っており、
（イ）前記金属回路板の厚さが０．２５〜１ｍｍであり、（ロ）前記金属板の厚さが前記金属回路板の厚さの０．５〜０．８倍であり、（ハ）その反り量が前記セラミックス回路基板の長手方向の長さの０．１５〜０．３０％であることを特徴とする、セラミックス回路基板。
前記の複数の金属回路板の面積が前記金属板の面積の４０〜９５％である、請求項１に記載のセラミックス回路基板。
前記金属回路板上にはんだを介して電子素子を実装するためのものである、請求項１または２に記載のセラミックス回路基板。
前記セラミックス基板が、窒化アルミニウム、窒化珪素、酸化アルミニウム、および酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムとの化合物のいずれかからなるものである、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のセラミックス回路基板。
前記金属回路板が、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金の少なくとも１種からなるものである、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のセラミックス回路基板。
前記金属回路板が２枚または３枚である、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のセラミックス回路基板。