JP2010278172A - 多数個取り回路基板、回路基板、及びそれを用いたモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】分割孔が施されたセラミックス基板を用いて製造されたものにして、電気特性と熱サイクルに対する信頼性を向上させた、多数個取り回路基板と、この多数個取り回路基板から分割された回路基板と、この回路基板を用いたモジュールを提供する。
【解決手段】セラミックス基板の表面に金属回路、裏面に金属放熱板が形成されてなる回路基板であって、上記セラミックス基板にはレーザー痕による分割孔が施されており、セラミックス基板の厚み（Ｄ）に対するレーザー痕の深さ（ｄ）の比（ｄ／Ｄ）が０．１〜０．２５で、しかもレーザー痕の深さ（ｄ）に対する隣接するレーザー痕の外周面の交点高さ（ｈ）の比（ｈ／ｄ）が０．２〜０．６であることを特徴とする多数個取り回路基板。この多数個取り回路基板から分割された回路基板と、この回路基板を用いたモジュール。
【選択図】図１

Description

本発明は、多数個取り回路基板、回路基板、及びそれを用いたモジュールに関する。

エレクトロニクス技術の発展に伴う高出力化が進む中、モジュールが達成すべき今日の課題は、電子部品が搭載された回路基板を、放熱部材にはんだ接合する際に、はんだが回路基板の特に側面に付着することによって生じる電気特性の低下を防止し、また更なる高強度化をして使用環境における熱サイクルに対する信頼性を向上させることである。

回路基板の基本構造は、セラミックス基板の表面に金属回路、裏面に金属放熱板が形成され、該金属回路と金属放熱板に無電解Ｎｉめっきが施されている。そして、モジュールの組み立ての際に、金属回路に半導体素子が搭載され、金属放熱板面を放熱部材にはんだ付けして固定される。

セラミックス基板の材質としては、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等が用いられ、金属回路、金属放熱板の材質としては、銅、アルミニウム、それらの合金等が用いられている。金属回路、金属放熱板とセラミックス基板との接合には、Ａｇ、Ｃｕ又はＡｇ−Ｃｕ合金とＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等の活性金属成分を含むろう材を用いる活性金属ろう付け法が主流となっている。

近年、一枚のセラミックス基板から多数個の回路基板を製造するために、セラミックス基板にレーザー痕による分割孔を施すことが提案されている（特許文献１）。回路基板が５０ｍｍ以下の小さい場合や数量が多い場合は、作業性及び生産性の面から、この方法が賞用されている。しかしながら、分割孔が施されたセラミックス基板に金属回路、金属放熱板を接合し無電解Ｎｉめっき行うと、ろう材やめっき液がレーザー痕（注：分割孔を構成する単位孔のこと、以下同じ。）に残留し、分割された回路基板の特に側面には、ろう材やめっき液等の残渣が露出する。このため、回路基板の金属放熱板面を放熱部材にはんだ付けする際、その露出部を起点としてはんだが付着し、電気特性の低下や熱サイクルに対する信頼性が損なわれる恐れがあった。

すなわち、通常、レーザー痕の形状は、円錐でありその円錐角は３０°〜４０°であり、先端は尖っている。このレーザー痕にろう材やめっき液等が入ると容易に除去することができず、分割された回路基板の特に側面からろう材やめっき液等の残査が露出し、モジュールの組み立て時に用いたはんだがその露出部を起点に付着して電気特性の低下を招いた。また、セラミックス基板表面に残るレーザー痕の形状は応力を集中しやすい形状であるので、分割の際の力などによってセラミックス基板の表面に微小クラックが生じていると、セラミックス基板が割れ、絶縁がとれなくなり、熱サイクルに対する信頼性が損なわれる恐れがあった。

これを解決するには、回路基板を分割した後に、レーザー痕の痕跡を除去する研磨処理やエッチング処理を施せばよいが、これらは煩雑であり、余分なコストがかかるだけでなく、金属回路や金属放熱板に施したＮｉめっき面に研磨くずによる擦傷等を生じさせ、はんだ濡れ等に影響を及ぼす問題があった。

特開平６−８７０８５号公報

本発明の目的は、分割孔が施されたセラミックス基板を用いて製造されたものにして、電気特性と熱サイクルに対する信頼性を向上させた、多数個取り回路基板と、この多数個取り回路基板から分割された回路基板と、この回路基板を用いたモジュールを提供することである。

本発明は、セラミックス基板の表面に金属回路、裏面に金属放熱板が形成されてなる回路基板であって、上記セラミックス基板にはレーザー痕による分割孔が施されており、セラミックス基板の厚み（Ｄ）に対するレーザー痕の深さ（ｄ）の比（ｄ／Ｄ）が０．１〜０．２５で、しかもレーザー痕の深さ（ｄ）に対する隣接するレーザー痕の外周面の交点高さ（ｈ）の比（ｈ／ｄ）が０．２〜０．６であることを特徴とする多数個取り回路基板である。この発明にあっては、レーザー痕の形状が円錐でありその円錐角が７０°〜１１０°であることが好ましい。

また、本発明は、本発明の多数個取り回路基板から分割された回路基板であり、更にはこの分割された回路基板を用いて構成されたモジュールである。

本発明によれば、レーザー痕を施されたセラミックス基板を用いて製造されたものにして、電気特性と熱サイクルに対する信頼性を向上させた、多数個取り回路基板と、この多数個取り回路基板から分割された回路基板と、この回路基板を用いたモジュールを提供される。

本発明で用いられるセラミックス基板の材質は、高信頼性及び高絶縁性の点から、窒化アルミニウムまたは窒化ケイ素が好ましい。セラミックス基板の厚みは目的によって自由に変えられる。通常は０．６３５ｍｍであるが、０．５〜０．３ｍｍ程度の薄物でもよい。高電圧下での絶縁耐圧を著しく高めたいときには、１〜３ｍｍの厚物が用いられる。

セラミックス基板に、レーザー加工機により、連続したレーザー痕による分割孔を形成しておくことによって、その分割孔に沿って分割することによって、単数又は複数の回路基板を作製することができる。とくに、所望の回路基板が５０ｍｍ以下の小さい場合や数量が多い場合は、作業性及び生産性の面から分割孔の形成は有用である。

分割孔を施すレーザー加工機は、ＹＡＧレーザー、炭酸ガスレーザー、色素系レーザーを発振するものを用いることができるが、特にセラミックス基板の材質が窒化アルミニウムまたは窒化ケイ素の場合は、特定の吸収領域を有するＹＡＧレーザー又は炭酸ガスレーザーが好ましい。

分割孔を構成するレーザー痕の形状は、レーザー加工機の焦点距離によって調整できる。具体的には、レーザー径、集光レンズの焦点とセラミックス基板の距離などによって調整可能である。また、そのレーザー痕の深さは、レーザー加工機のレーザー出力を調整することで所望の深さを安定して得ることができる。

レーザー痕の形状が円錐でありその円錐角が７０°〜１１０°あるものは、ろう材やめっき液等が進入しやすくなる反面、洗浄等により除去されやすいので、はんだ付着の起点がなくなりはんだ付着を激減させることができる（図１参照）。また、この形状は、回路基板が受ける熱サイクルに起因する応力を緩和しやすい形状でもある。円錐角が７０°未満では、ろう材やめっき液等の残渣の除去が容易でなくなり、また１１０°をこえると、分割した回路基板の寸法が安定しなくなる恐れがある。特に好ましい円錐角は８０°〜１００°である。

円錐角が７０°〜１１０°であるレーザー痕は、集光レンズの焦点より高い位置、すなわち焦点レンズ近くにセラミックス基板を設置することによって形成させることができる。また、この方法によって、レーザー痕の先端部は丸みを有するものとなる。レーザー痕の深さは、レーザー出力によって調整できる。

セラミックス基板の厚み（Ｄ）に対するレーザー痕の深さ（ｄ）の比（ｄ／Ｄ）が０．１未満であると、分割孔に沿って回路基板を分割することが困難となり、０．２５をこえると、セラミックス基板に金属回路を形成する際、セラミックス基板が、分割孔に沿って割れる恐れがある。特に好ましいｄ／Ｄは０．１５〜０．２０である。

また、図１に示すレーザー痕の深さ（ｄ）に対する隣接するレーザー痕の外周面の交点高さ（ｈ）の比（ｈ／ｄ）が０．２〜０．６以外であると、分割後の回路基板の寸法が安定しないか、又はろう材やめっき液等の残渣の除去が困難となる。特に好ましいｈ／ｄは０．３〜０．５である。

分割孔を構成するレーザー痕の数は、セラミックス基板の厚みが０．５〜３ｍｍである場合、その長さに応じて増減させることが好ましい。具体的には、ピッチを５０〜２８０μｍにして設けることが好ましい。

ｄ／Ｄとｈ／ｄは、集光レンズの焦点とセラミックス基板との距離、レーザー加工機のレーザー出力などによって増減させることができる。具体的には、ｈ／ｄを小さくするためには、ピッチを小さくし、大きくする場合はピッチを大きくすることで調整可能である。

レーザー痕は、隣接するレーザー痕が重なり合うようにして施し分割孔を形成することが好ましい（図１参照）。これによって、分割する際に発生するマイクロクラック等の欠陥を基板表面からなくすことができるため、回路基板の抗折強度を向上することができ、惹いては、信頼性を向上できるという利点がある。

金属回路等の材質としては、Ａｌ、Ｃｕ又はＡｌ−Ｃｕ合金であることが好ましい。これらは、単体ないしはこれを一層として含むクラッド等の積層体の形態で用いられる。Ａｌは、Ｃｕよりも降伏応力が小さく、塑性変形に富み、ヒートサイクルなどの熱応力負荷時において、セラミックス基板にかかる熱応力を大幅に低減できるので、Ｃｕよりもセラミックス基板に発生するクラックを抑制することが可能となり、高い信頼性回路基板となる。

金属回路の厚みは、電気的、熱的特性の点から、Ａｌ回路の場合は０．４〜０．５ｍｍ、Ｃｕ回路は０．３〜０．５ｍｍであることが好ましい。一方、金属放熱板の厚みは、はんだ付け時の反りを生じさせないように決定される。具体的には、Ａｌ放熱板の場合は０．１〜０．４ｍｍ、Ｃｕ放熱板は０．１５〜０．４ｍｍであることが好ましい。

セラミックス基板に金属回路、金属放熱板を形成させるには、金属板とセラミックス基板とを接合した後、エッチングする方法、金属板から打ち抜かれた回路及び放熱板のパターンをセラミックス基板に接合する方法等によって行うことができる。

無電解Ｎｉめっきが施される前の金属回路等の表面は、研削、物理研磨、化学研磨等によって金属表面の傷を平滑化されていることが好ましく、表面粗さがＲａ≦０．２μｍであることが好ましい。Ｎｉめっき膜厚は２〜８μｍであることが好ましい。

実施例１〜１０ 比較例１〜４
厚み１．０ｍｍ、サイズ１２７ｍｍ×１２７ｍｍの窒化アルミニウム基板（熱伝導率１７０Ｗ／ｍＫ、３点曲げ強度４００ＭＰａ）から、サイズ５８ｍｍ×１５．５ｍｍの回路基板が複数個得られるように、炭酸ガスレーザー加工機（進和テック社製ＬＭＰ−２２１−２００）にてレーザー痕による分割孔を施し、表１、図１に示されるセラミックス基板を製造した。なお、レーザー加工機の焦点距離によってレーザー痕の円錐角を調整し、レーザー出力によってレーザー痕の深さ（ｄ）を調整し、ピッチによって交点高さ（ｈ）を調整した。

その後、セラミックス基板の表面にＡｌ回路形成用Ａｌ板（厚み０．４ｍｍ、純度＞９９．９％）を、また裏面にはＡｌ放熱板形成用Ａｌ板（厚み０．１ｍｍ、純度＞９９．９％）を、それぞれろう材（Ａｌ−Ｃｕ（４質量％）合金箔、厚み３０μｍ）を挟み、温度６３０℃、３ＭＰａにホットプレスして接合した。

得られた接合体にエッチングレジストを塗布し、塩化第２鉄水溶液でエッチングを行い、一枚の窒化アルミニウム基板に複数のＡｌ回路と複数のＡｌ放熱板を有する多数個取り回路基板を作製した。

得られた多数個取り回路基板に無電解Ｎｉ−Ｐめっきを施してから、分割孔に沿って分割して回路基板を得、以下の評価を実施した。それらの結果を表１に示す。

レーザー痕への残査率
回路基板の分割破断面を実体顕微鏡にて観察し、ろう材やめっき液等の残査のあったレーザー痕数を数え、全レーザー痕数に対する比率を算出した。

寸法評価
回路基板の最大長さをノギスで測定し、寸法許容範囲を基準として寸法判定を行った。

抗折強度
ＪＩＳ Ｒ １６０１に準拠して測定した。

信頼性評価
回路基板、回路基板の大きさのはんだ片（はんだ組成；Ｐｂ９０質量％−Ｓｎ１０質量％）、銅製放熱板（厚み１０ｍｍ）を積層し、水素雰囲気中ではんだ付けした後、−４０℃×３０分〜２５℃×１０分〜１２５℃×３０分〜２５℃×１０分を１サイクルとし、１００サイクル実施後にフロリナート（住友３Ｍ社製「フロリナートＦＣ−７７」）中、回路面、放熱板間にＡＣ７．０Ｋｖを１分印加し、リーク電流１ｍＡにて判定した。

本発明の多数個取り回路基板、回路基板は例えばモジュールの製造に用いられる。本発明のモジュールは例えば電鉄、電気自動車、一般産業用のインバータ等に用いられる。

セラミックス回路基板に施されるレーザー痕の説明図

Ｄ セラミックス基板の厚み
ｄ レーザー痕の深さ
ｈ 隣接するレーザー痕の外周面の交点高さ
θ 円錐角

Claims (4)

1. セラミックス基板の表面に金属回路、裏面に金属放熱板が形成されてなる回路基板であって、上記セラミックス基板にはレーザー痕による分割孔が施されており、セラミックス基板の厚み（Ｄ）に対するレーザー痕の深さ（ｄ）の比（ｄ／Ｄ）が０．１〜０．２５で、しかもレーザー痕の深さ（ｄ）に対する隣接するレーザー痕の外周面の交点高さ（ｈ）の比（ｈ／ｄ）が０．２〜０．６であることを特徴とする多数個取り回路基板。
2. レーザー痕の形状が円錐でありその円錐角が７０°〜１１０°であることを特徴とする請求項１記載の多数個取り回路基板。
3. 請求項１又は２記載の多数個取り回路基板から分割された回路基板。
4. 請求項３記載の分割された回路基板を用いて構成されたモジュール。