JP2013247158A

JP2013247158A - セラミックス回路基板

Info

Publication number: JP2013247158A
Application number: JP2012117944A
Authority: JP
Inventors: Kenji Miyagawa; 健志宮川
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2012-05-23
Filing date: 2012-05-23
Publication date: 2013-12-09

Abstract

【課題】低コストで耐熱衝撃性などに優れた信頼性の高いセラミックス回路基板を提供する。
【解決手段】
非酸化物セラミックスで構成されるセラミックス基板の一方の主面に金属回路板を他方の主面に金属板が接合されたセラミックス回路基板において、金属回路板および金属板が、それぞれ少なくとも最外層が銅を主成分とする層であり、その内部に少なくとも１層以上のモリブデンまたはタングステンを主成分とする層を有した３層以上からな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し、特に耐熱衝撃性などに優れた信頼性の高いセラミックス回路基板およびそのセラミック回路基板を用いた信頼性の高いパワーモジュールに関する。

従来、電子部品の実装に使用する基板の１つとして、セラミックス基板の少なくとも一方の表面に金属板を接合したセラミックス回路基板が用いられている。セラミックス基板は、ガラスエポキシ基板や金属基板などと比べて絶縁耐圧や熱伝導性が優れているため、特にパワーモジュール用の基板などの大電力素子用の基板として利用されている。近年、自動車や電車のモータ制御用などにもパワーモジュールが搭載されるようになり、セラミックス回路基板の信頼性に対する要求も高くなっている。

このような要求に応じて信頼性を向上させたセラミックス回路基板として、特許文献１に見られるようにセラミックス基板と銅との熱膨張差を緩和するために、メタライズされたセラミックス表面と銅の間に緩衝層としてモリブデン層を設けるいわゆるＭｏ−Ｍｎメタライズ法が実用化されており、また、特許文献１や特許文献２では金属板の断面形状を応力緩和が可能な構造にすることが提案されている。

一般文書の任意の一部を入力する用途において、この欠点は入力操作性に関して大きな障害である。具体的には、不必要な情報をも入力したり、入力情報の前後がかけたり、あるいは、手送りの曲りによって必要な情報の上下が欠落したりするなどの問題があった。

特公平７−７７９８９号公報特開平３−２６１６６９号公報

しかしながら、上記Ｍｏ−Ｍｎメタライズ法や特許文献１、特許文献２で提案されている構造は、応力緩和に一定の効果はあるものの銅回路が厚い場合には応力の発生も大きくなり、十分な信頼性が得られない場合がある。

従って、本発明は、このような従来の問題点に鑑み、低コストでさらに優れた信頼のセラミックス回路基板およびそのセラミックス回路基板を使用した信頼性の高いパワーモジュールを提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究した結果、非酸化物セラミックスで構成されるセラミックス基板の一方の主面に金属回路板を他方の主面に金属板が接合されたセラミックス回路基板において、金属回路板および金属板が、それぞれ銅を主成分とする層とモリブデンまたはタングステンを主成分とする層を有し、少なくとも最外層が銅を主成分とする層であり、その内部に少なくとも１層以上のモリブデンまたはタングステンを主成分とする層を有した３層以上とすることで、製品としてのヒートサイクル性が向上することを見出し、本発明を完成するに至った。

本発明によれば、低コストで耐熱衝撃性などに優れた信頼性の高いセラミックス回路基板を提供することができる。

図１はセラミックス回路基板の実施例の断面図である。図２はセラミックス回路基板の比較例の断面図である。

本発明によるセラミックス回路基板の実施の形態では、セラミックス基板としては、非酸化物セラミックスで構成されるセラミックス基板が好ましく、より具体的にはパワーモジュールに用いられている絶縁性の窒化アルミニウム基板または窒化珪素基板を使用することが好ましい。これらの基板は、シート成形やプレス成形などの方法により汎用的に用いられており、窒化アルミニウム基板は比較的高価であるが熱伝導率が高く、窒化珪素基板は比較的高価であるが窒化アルミニウム基板と比べて高強度・高靭性であるなどの特徴がある。

また、金属回路板および金属板は、銅を主成分とする層とモリブデンまたはタングステンを主成分とする層を有し、少なくとも最外層が銅を主成分とする層であり、その内部に少なくとも１層以上のモリブデンまたはタングステンを主成分とする層を有した３層以上からなることを特徴とする。

金属回路板および金属板の厚さは５００μｍ以上、３０００μｍ以下が好ましい。５００μｍ未満でも、本発明を用いることは可能であるが、５００μｍ未満では一般の銅板を用いても耐熱衝撃性などの信頼性に問題がなく、コスト的には一般の銅板が有利である。また、３０００μｍ以上になると、セラミックス板から回路基板への回路を形成することが困難となってしまう。

金属回路板および金属板の構成は、銅を主成分とする層（Ａ）とモリブデンまたはタングステンを主成分とする層（Ｂ）からなるＡ−Ｂ−Ａの３層以上であり、必要応じてそれ４層以上の構成をとることも可能であるが、金属回路板と金属板の最外層には銅板を配置しておくことが必要である。また、積層された金属回路板および金属板を後述する拡散接合法により直接セラミックス板に積層する場合にはセラミックス板と接する面にも銅板を配置しておく必要があるが、ろう材を利用する活性金属法で接合する場合にはモリブデンまたはタングステンを主成分とする層がセラミックス板と接していてもよい。

金属回路板中に占めるモリブデンまたはタングステンを主成分とする層の厚みの合計が５μｍ以上であり、且つ前記金属回路板の厚みの２０％以下であることが好ましい。厚みが５μｍ未満では本発明の十分な効果が得られない場合があり、金属回路板の厚みの２０％を超えるとセラミックス基板上に回路を形成することが困難となる場合がある。

金属板中に占めるモリブデンまたはタングステンを主成分とする層の厚みの合計が５μｍ以上であり、且つ前記金属板の厚みの２０％以下であることが好ましい。厚みが５μｍ未満では本発明の十分な効果が得られない場合があり、金属回路板の厚みの２０％を超えると金属回路板とのバランスが悪くなってしまう場合があり、得られるセラミックス基板が大きく反ってしまう可能性がある。

セラミックス基板上に金属回路板および金属板を接合する方法は、ろう材を利用する活性金属法などや直接セラミックス基板上に金属回路板や金属板を配置して不活性雰囲気下で加熱する拡散接合法があり、製造コストを考えても有利である。例えば、銅板とセラミックス基板を接合する場合、無酸素銅板の表面を酸化処理したものやタフピッチ銅板をアルミナなどの酸化物系セラミックス基板上に配置して不活性ガス中で加熱すると、銅板とセラミックス基板が直接接合することが知られている。本発明では、どちらの場合でも同様の効果が得られる。

また、金属回路板の所定の回路パターンを形成する方法として、金属板を接合した後にその金属板の表面に回路形状のレジストを形成してエッチングによりパターンニングを行う方法、予め回路形状の金属板をプレスやエッチングにより形成した後にセラミックス基板に接合する方法などがある。パターンを形成した後に必要に応じて金属板にＮｉめっきやＮｉ合金めっきを施してもよい。

さらに、上述したセラミックス回路基板を用いて、半田付けおよびワイヤーボンディングによりチップや端子を取り付け、絶縁樹脂で封止し、プラスチックパッケージに接着するなどの工程を経てパワーモジュールを作製すると、セラミックス回路基板の信頼性がモジュールとしての信頼性に寄与し、信頼性の高いモジュールができる。

以下、本発明によるセラミックス回路基板の実施例について詳細に説明する。

［実施例１］
まず、４００μｍの銅板、１０μｍのモリブデン箔、６００μｍの銅板を真空ホットプレスを用いて、９７０℃、９．８ＭＰａの圧力にて１時間真空条件下においてプレスを行い、
拡散接合法により接合を行った。次に図１に示すように、セラミックス板として厚さ０．３２ｍｍの窒化ケイ素を用いて、４００μｍの銅板側がセラミックス板と接するように、前記積層板をセラミックス板の両面に拡散接合法により、積層を行い、セラミックス基板を得た。

得られたセラミックス基板について気相ヒートサイクル試験機にて−４０℃、３０分〜１２５℃、３０分のヒートサイクル試験１０００サイクル後のセラミック板の割れ、セラミックス板と銅板間での剥離の有無を評価したところ、割れ、剥離ともなく良好であった。

［実施例２］
銅板として２００μｍと８００μｍの板を用いて、２００μｍの銅板側がセラミックス板と接するようにした以外は実施例１と同様にしてセラミックス基板を得た。

［実施例３］
モリブデン箔として２５μｍの箔を用いた以外は実施例１と同様にしてセラミックス基板を得た。

［実施例４］
モリブデン箔として２５μｍの箔を用いた以外は実施例２と同様にしてセラミックス基板を得た。

［実施例５］
セラミックス板と銅の接合に銀粉末７２質量部、銅粉末２８質量部、水素化チタン４質量部、テレピネオール１５質量部を混合調整して作成した活性金属ろう材ペーストを用いた以外は、実施例１と同様にしてセラミックス基板を得た。

［実施例６］
まず、２００μｍの銅板、１０μｍのモリブデン箔、２００μｍの銅板、１０μｍのモリブデン箔、６００μｍの銅板の順に積層し真空ホットプレスを用いて、９７０℃、９．８ＭＰａの圧力にて１時間真空条件下においてプレスして積層板を作製し、拡散接合法により接合を行った。次に、セラミックス板として厚さ０．３２ｍｍの窒化ケイ素を用いて、２００μｍの銅板側がセラミックス板と接するように、前記積層板をセラミックス板の両面に拡散接合法により、積層を行い、セラミックス基板を得た。

［比較例１］
１０００μｍの銅板を厚さ０．３２ｍｍの窒化ケイ素からなるセラミックス板の両面に拡散接合法により、積層を行いセラミックス基板を得た。

［比較例２］
セラミックス板と銅の接合に銀粉末７２質量部、銅粉末２８質量部、水素化チタン４質量部、テレピネオール１５質量部を混合調整して作成した活性金属ろう材ペーストを用いた以外は、比較例１と同様にしてセラミックス基板を得た。

これらの実施例２〜６、比較例１および２について実施例１と同様にしてヒートサイクル試験を行った結果、実施例２〜６についてはセラミック板の割れ、セラミックス板と銅板間での剥離ともになく良好であったが、比較例１ではセラミックス板に割れが見られ、比較例２ではろう材部のクラックによるセラミックス板と銅板間での剥離が見られた。

本発明はパワー半導体モジュール等に使用されるセラミックス回路基板とそれを用いたパワー半導体モジュールに関する。

１１金属回路板
１２金属板
１３銅層
１４モリブデン層
１５セラミックス基板

Claims

非酸化物セラミックスで構成されるセラミックス基板の一方の主面に金属回路板を他方の主面に金属板が接合されたセラミックス回路基板において、金属回路板および金属板が、それぞれ銅を主成分とする層とモリブデンまたはタングステンを主成分とする層を有し、少なくとも最外層が銅を主成分とする層であり、その内部に少なくとも１層以上のモリブデンまたはタングステンを主成分とする層を有した３層以上からなることを特徴とするセラミックス回路基板。
前記セラミックス基板の主成分が窒化アルミニウムまたは窒化珪素であることを特徴とする請求項１記載のセラミックス回路基板。
前記金属回路板中に占めるモリブデンまたはタングステンを主成分とする層の厚みの合計が５μｍ以上であり、且つ前記金属回路板の厚みの２０％以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のセラミックス回路基板。
前記金属板中に占めるモリブデンまたはタングステンを主成分とする層の厚みの合計が５μｍ以上であり、且つ前記金属板の厚みの２０％以下であることを特徴とする請求項１乃至３に記載のセラミックス回路基板。
前記金属回路板および前記金属板がそれぞれ前記セラミックス基板に直接接合していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のセラミックス回路基板。
前記金属回路板および前記金属板がそれぞれ前記セラミックス基板に活性金属を含むろう材を用いて接合していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のセラミックス回路基板。
請求項１乃至６のいずれかに記載のセラミックス回路基板を用いて組み立てられたパワーモジュール。