JP2015065313A

JP2015065313A - 回路基板および電子装置

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Publication number: JP2015065313A
Application number: JP2013198498A
Authority: JP
Inventors: 範高新納; Noritaka Shinno
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2013-08-28
Filing date: 2013-09-25
Publication date: 2015-04-09

Abstract

【課題】ろう材にかかるせん断応力を軽減し、金属板の絶縁基体からの剥離を防止した信頼性の高い回路基板および電子装置を提供する。
【解決手段】回路基板１は、絶縁基体４と、この絶縁基体４の主面にＡｇ−Ｃｕ系のろう材３を介して接合された金属板２とを備えており、ろう材は、Ａｇ系金属相８とＣｕ系金属相１１とを有し、このＡｇ系金属相８は、端部が絶縁基体４の主面に接続されており、ろう材３の厚み方向に伸びている。絶縁基体５の主面に接続された端部を起点として、Ａｇ系金属相８がせん断応力の方向に撓むことによって、せん断応力を緩和し、ろう材３がせん断応力で破断することを抑制し、金属板２が絶縁基体４から剥離する可能性を低減する。
【選択図】図２

Description

本発明は、回路導体等に用いられる回路基板および電子装置に関するものである。

パワーモジュールまたはスイッチングモジュール等の例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの電子素子が搭載された電子装置に用いられる回路基板として、例えば、セラミックから成る絶縁基体の主面に、Ａｇ−Ｃｕ系のろう材を介して銅（Ｃｕ）から成る金属板が接合された回路基板が用いられる。

特開平２−208031号公報

上記従来技術の回路基板においては、金属板と絶縁基体との熱膨張係数の差に起因する熱応力によって、両部材の間に存在するろう材に、せん断応力がかかりやすくなる。しかしながら、従来技術の回路基板においては、ろう材がＡｇ−Ｃｕ系の共晶組織となり、弾性率が高くなりやすいので、前述のせん断応力によって、ろう材が破断し、金属板が絶縁基体から剥離する可能性が高くなるという問題点があった。

本発明の目的は、前記の問題を鑑みて、ろう材にかかるせん断応力を軽減し、金属板の絶縁基体からの剥離を防止した信頼性の高い回路基板および電子装置を提供することにある。

本発明の一つの態様の回路基板は、絶縁基体と、該絶縁基体の主面にＡｇ−Ｃｕ系のろう材を介して接合された金属板とを備えており、前記ろう材は、Ａｇ系金属相とＣｕ系金属相とを有し、前記Ａｇ系金属相は、端部が前記絶縁基体の前記主面に接続されており、前記ろう材の厚み方向に伸びている。

本発明の一つの態様の電子装置は、上記構成の回路基板と、該回路基板に搭載された電子部品とを含んでいる。

本発明の回路基板によれば、ろう材は、Ａｇ系金属相とＣｕ系金属相とを有し、そのＡｇ系金属相は、端部が絶縁基体の主面に接続されており、ろう材の厚み方向に伸びているので、金属板と絶縁基体との熱膨張係数の差に起因するせん断応力がろう材にかかった場合、絶縁基体の主面に接続された端部を起点として、Ａｇ系金属相がせん断応力の方向に撓むことによって、せん断応力を緩和することができる。従って、ろう材は、せん断応力の緩和効果を発揮するので、ろう材がせん断応力で破断することを抑制し、金属板が絶縁基体から剥離する可能性を低減することができる。

本発明の電子装置によれば、上述の回路基板を有することから、金属板が絶縁基体から剥離する可能性を低減することができる。

本発明の実施形態の回路基板および電子装置を示す断面図である。図１のＡ部の拡大図である。図２に示されたＡｇ系金属相の一つを拡大した模式図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態における回路基板および電子装置について説明する。なお、図面において、回路基板および電子装置は、仮想のｘｙｚ空間内に設けられており、ｘｙ平面上に載置されている。また、本実施形態における上方、上面、上部とは仮想のｚ軸の正方向を示しており、下方、下面、下部とは仮想のｚ軸の負方向を示している。

図１に示す例においては、回路基板１は、絶縁基体４と、金属板２と、ろう材３とを備えている。また、図１に示す例において、電子装置１０は、回路基板１と、電子部品７とを備えている。

絶縁基体４は、その主面に金属板２が接合されている。絶縁基体４は、電気絶縁材料からなり、例えば、酸化アルミニウム質セラミックス，ムライト質セラミックス，炭化ケイ素質セラミックス，窒化アルミニウム質セラミックス，または窒化ケイ素質セラミックス等のセラミックスからなる。これらセラミック材料の中では放熱性に影響する熱伝導性の点に関して、炭化ケイ素質セラミックス，窒化アルミニウム質セラミックス，または窒化ケイ素質セラミックスが好ましく、強度の点に関して、窒化ケイ素質セラミックスまたは炭化ケイ素質セラミックスが好ましい。

絶縁基体４が窒化ケイ素質セラミックスのように比較的強度の高いセラミック材料からなる場合、より厚みの大きい金属板２を用いたとしても絶縁基体４にクラックが入る可能性が低減されるので、小型化を図りつつより大きな電流を流すことができる回路基板を実現することができる。

絶縁基体４の厚みは、薄い方が熱伝導性の点ではよく、例えば約0.1ｍｍ〜１ｍｍであ
り、回路基板１の大きさまたは用いる材料の熱伝導率または強度に応じて選択すればよい。

絶縁基体４は、例えば窒化ケイ素質セラミックスからなる場合であれば、窒化ケイ素，酸化アルミニウム，酸化マグネシウム，および酸化イットリウム等の原料粉末に適当な有機バインダー，可塑剤，および溶剤を添加混合して泥漿物に従来周知のドクターブレード法または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等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、これを窒化雰囲気等の非酸化性雰囲気にて1600〜2000℃の温度で焼成することによって製作される。

金属板２は、絶縁基体４の主面にＡｇ−Ｃｕ系のろう材を介して接合されている。金属板２は、電気抵抗が低く高熱伝導性を有する材料が好ましい。この観点から、金属板２としては、例えば、放熱性の観点から、高熱伝導率の金属材料である銅（Ｃｕ）が好適に用いられる（Ｃｕの熱伝導率：395Ｗ／ｍ・Ｋ）。金属板２は平板状であり、その厚みは、
例えば、10〜300μｍである。

また、金属板２の主成分が銅である場合、ろう材３も銅成分を有するので、両部材の接合部において互いの部材中の銅成分が拡散し合うことによって拡散層が形成されるので、金属板２およびろう材３が互いに強固に接合されることとなり好ましい。

金属板２に用いられる銅は、例えば無酸素銅である。金属板２の材料として無酸素銅を用いると、金属板２と絶縁基体４とを接合する際に、銅の表面が銅中に存在する酸素によって酸化されることが低減されるとともに、ろう材３との濡れ性が良好となるので、金属板２と絶縁基体４との接合強度が向上される。

図１に示す例において、中央部の金属板２の上面には接合材５を介して電子部品７が実装されており、この電子部品７は、左右の金属板２に導電性接続材６（ボンディングワイヤ）によって接続されている。このように、図１に示す例において、金属板２は、回路導体として機能している。また、金属板２は、回路導体に限らず、回路基板１に搭載される電子部品７のマウント用の金属部材、接地導体用の金属部材または放熱板等としても用いることができる。また、このように、金属板２は、例えば数十Ａ程度の比較的大きな電流を通電するための導電路、または放熱材として、セラミックス等からなる絶縁基体４に接合されて用いられる。

電子部品７は、例えば、トランジスタ、ＣＰＵ（Central Processing Unit）用のＬＳ
Ｉ（Large Scale Integrated circuit）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、またはＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor - Field Effect Transistor）等の半導体素子である。

接合材５は、例えば、金属または導電性樹脂等からなる。接合材５は、例えば、半田、金−スズ（Ａｕ−Ｓｎ）合金、またはスズ−銀−銅（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）合金等である。

なお、金属板２の表面に、めっき法によってめっき膜を形成しても良い。この構成によれば、接合材５との濡れ性が良好となるので電子部品７を金属板２の表面に強固に接合することができる。めっき膜は、導電性および耐食性が高い金属を用いれば良く、例えば、ニッケル、コバルト、銅、若しくは金、またはこれらの金属材料を主成分とする合金材料が挙げられる。めっき膜の厚みは、例えば1.5〜10μｍであれば良い。

また、めっき膜は内部にリンを含有することが好ましい。例えば、ニッケル−リンのアモルファス合金のめっき膜であれば、ニッケルめっき膜の表面酸化を抑制して接合材５等の濡れ性等を長く維持することができるので好ましい。また、ニッケルに対するリンの含有量が８〜15質量程度であると、ニッケル−リンのアモルファス合金が形成されやすくなって、めっき膜に対する接合材５等の接着強度を更に向上させることができる。

ろう材３は、図１に示す例において、金属板２を絶縁基体４に接合させている。このろう材はＡｇ−Ｃｕ系の材料から成る。ろう材３の厚みは、例えば約５〜100μｍ程度であ
ればよい。

ろう材３は、絶縁基体４に対して濡れることにより強固に接合されるために、例えば、チタン、ハフニウムおよびジルコニウムのうち少なくとも１種の活性金属材料を含有している。ろう材３が活性金属材料を含有する場合、絶縁基体４との接合界面に活性金属材料が偏在した部分が形成される。

また、ろう材３は、図２に示す例において、Ａｇ系金属相８とＣｕ系金属層１１とを有しており、このＡｇ系金属相８は、端部が絶縁基体４の主面に接続されており、ろう材３の厚み方向に伸びている。Ａｇ系金属相８は、前述した活性金属材料が偏在した部分を介して、その端部が絶縁基板４に接続されることとなる。このような構成によって、金属板２と絶縁基体４との熱膨張係数の差に起因するせん断応力がろう材３にかかった場合、絶縁基体４の主面に接続された端部を起点として、Ａｇ系金属相８がせん断応力の方向に撓
むことによって、せん断応力を緩和することができる。従って、ろう材３は、せん断応力の緩和効果を発揮するので、ろう材３がせん断応力で破断することを抑制し、金属板２が絶縁基体４から剥離する可能性を低減することができる。また、Ａｇ系金属相８はＡｇが主成分であるか、またはＡｇのみから成るため、Ｃｕ系金属相１１よりも弾性率が低いので、Ａｇ系金属相８は、せん断応力に対して銅よりも撓みやすい。よって、材料的な観点からも応力緩和効果を発揮しやすい。

また、ろう材３は、例えば、Ｉｎ、Ｓｎのうち少なくとも１つを有していることが好ましい。この場合には、低融点のろう材とすることができる。例えば、ろう材３の具体的な組成としては、銅が15〜70質量％、銀が20〜65質量％、チタンが１〜２０質量％およびインジウムが１〜５質量％程度である。より具体的な例としては、銅が69質量％、銀が27質量％、チタンが１質量％、およびインジウムが３質量％のものが挙げられる。

Ａｇ系金属相８は、例えばＡｇのみから成る場合もあるが、Ａｇだけでなく、Ｃｕ、ＩｎまたはＳｎ等を含んでいても良い。Ａｇ系金属相８がＡｇだけでなくＡｇ以外の金属を含む場合、Ａｇ系金属相８はＡｇが主成分であることが好ましい。この場合には、Ａｇ系金属相８の弾性率が低くなるので上述した応力緩和効果を向上させることができる。さらに、Ａｇ系金属相８はＡｇのみから成ることが好ましい。この場合は弾性率が更に低くなるので上述した応力緩和効果を更に向上させることができる。

Ｃｕ系金属相１１は、例えばＣｕのみから成る場合もあるが、Ｃｕだけでなく、Ａｇ、ＩｎまたはＳｎ等を含んでいても良い。

Ａｇ系金属相８は、例えば、ろう材３の厚みの半分以上の長さを有することが好ましい。この場合には、せん断応力に対応して撓みやすくなるので、せん断応力を緩和させる効果が向上する。また、応力緩和効果の観点から、図２に示す例のように、Ａｇ系金属相８の長さは、ろう材３の厚みの８割〜９割程度であることが好ましい。

また、Ａｇ系金属相８は、厚み方向と交差する方向に枝状に伸びている枝部９を有している。このような枝部９を有することによって、Ａｇ系金属相８は、アンカー効果により、ろう材３中のＣｕ系金属相１１に強固に接合される。従って、ろう材３と絶縁基体４との接合力を向上させることができるので好ましい。

図３は、図２に示されたＡｇ系金属相８の一つを拡大した模式図である。上記では、Ａｇ系金属相８が厚み方向に伸びている、と記載したが、図３に示すように、Ａｇ系金属相８のうちの幹部が厚み方向に伸びていると解釈して良い。ここで、幹部とは、一定の方向に線状に伸びていると同時に、そこから複数の枝部９が分岐しているものであると解釈して良い。また、厚み方向とは、ｚ方向から約０〜３０度傾いた方向と解釈する。また、図２に示す例の枝部９および幹部の幅は0.1〜３０μｍ程度である。

次に、本発明の図１に示す例の実施形態に係る回路基板１の製造方法について説明する。

（１）まず、金属板２を所望の形状にパターニングする。金属板２の具体的なパターニングの方法としては、例えば、マスキングを併用したエッチング加工が挙げられる。また、レーザー加工や打ち抜き加工を使用しても良い。金属板２としてＣｕが使用される場合には、エッチング液として塩化第二鉄を用いる。

（２）次に、ろう材３を準備する。金属板２と絶縁基体４とを接合するためのろう材３としては、例えば、融点が約600℃のものを用いる。ろう材３はＡｇ、Ｃｕを主成分とす
るものを用い、融点の調整は、スズ、インジウムの少なくとも１つの量を、ろう材の主成分であるＡｇ、Ｃｕの量に対して調整することによって行う。組成の一例としては、銅が18.31質量％、銀が41.69質量％、チタンが１質量％、スズが36質量％およびインジウムが３質量％のものが挙げられる。

（３）次に、パターニングされた金属板２を絶縁基体４に接合する。この工程においては、ろう材によって絶縁基体４に接合すれば良い。金属板２の下面にペースト状のろう材を塗布した後、その面を下にして絶縁基体４上に載置し、以下の熱処理によって金属板２を絶縁基体４に接合させる。

ここで、熱処理として、ろう材を急速に加熱するとともに急速に冷却する方法を採用することによって、ろう材３中に、図２に示す例のようなＡｇ系金属相８を形成することができる。このように急速に加熱するとともに急冷する熱処理方法としては、例えば、金属板２の上面に、レーザー光を短時間のみ照射する方法が挙げられる。具体的には、例えば、焦点におけるレーザー光出力が１ｋＷ以上になるよう調整されたレーザー光を、０．５秒乃至３０数秒程度の時間で金属板２の上表面の一部に照射する。次に、当該レーザー光を、金属板２の上表面において走査させることにより、ろう材３全体に熱が伝わるようにする。このような方法により、ろう材３が急速に加熱および冷却されることにより、Ａｇ成分がＣｕ成分から分離し、かつ、Ａｇ成分がＡｇ系金属相８のような形状となる。

レーザー光は、ＹＡＧ、ＹＶＯ４、ＹＬＦ、ファイバーレーザーなどを用いて励起されるレーザーを用いる。レーザー波長は、９００ｎｍから１４００ｎｍの光を主成分とするＩＲ波長のレーザーを用いれば良い。

より詳細な製造条件を、以下に示す。例えば、ろう材の融点、レーザー光の投入エネルギーを以下のような条件とすればよい。

ろう材３が、例えば、Ａｇ，Ｃｕを主成分とし、Ｉｎ，Ｔｉの微量添加物によって融点を７５０〜８５０℃に調整した場合、Ａｇ系金属相８を形成するには、例えば、投入エネルギーが５〜１０ｋＪであるレーザー光を照射する。ここで、投入エネルギーとは、出力に照射時間を掛け合わせた値である。例えば、出力が１ｋＷであるレーザー光を１０秒照射するか、または、出力が２．５ｋＷであるレーザー光を２秒照射することにより、上記の条件を満たせる。

ろう材３が、例えば、Ａｇ，Ｃｕ、Ｉｎを主成分とし、Ｔｉの微量添加物によって融点を５２０〜６５０℃に調整した場合、Ａｇ系金属相８を形成するには、例えば、投入エネルギーが０．５ｋＪより大きく１００ｋＪ以下であるレーザー光を照射する。ここで、投入エネルギーとは、出力に照射時間を掛け合わせた値である。投入エネルギーが０．５ｋＪ以下となると、ろう材３を十分焼結させることができないので、金属板２を絶縁基体２に十分接合させることができない。また、投入エネルギーが１００ｋＪより大きくなると、焼結が進み過ぎてしまい、ＡｇとＣｕの合金化が進み、所望のＡｇ系金属相８を得ることができない。上記の条件を満たすためには、例えば、出力が１ｋＷであるレーザー光を１０秒照射するか、または、出力が２．５ｋＷであるレーザー光を１秒照射すると良い。

なお、上述の工程では、予めパターニングした金属板２を絶縁基体４に接合する、として説明したが、絶縁基体４に対して平面視で絶縁基体４と同等の大きさの金属板２を先に接合してからパターニングを行ってもよい。この場合には、金属板２だけでなく、金属板２と絶縁基体４との間のろう材３もエッチング除去しなければならない。よって、例えば、金属板２、ろう材３の順で、エッチング液を変更しながら順次各部材をエッチング除去すればよい。なお、ろう材用のエッチング液としては例えばフッ硝酸を使用する。

前述したように、図３に示す例のＡｇ系金属相８の幹部の幅は0.1〜３０μｍ程度であ
る。幹部の幅は、１．５〜１５μｍ程度であることが好ましい。幹部の幅が１．５μｍ以上であれば、Ａｇ系金属相８は一定の強度を保つことができるので熱応力を継続して緩和することができる。幹部の幅が１５μｍ以下であれば、せん断応力の方向に撓みやすくなるので応力緩和機能を向上させることができる。幹部の幅を１．５〜１５μｍ程度に調整するためには、例えば、ろう材３を、Ａｇ，Ｃｕ、Ｉｎを主成分とし、Ｔｉの微量添加物によって融点が５２０〜６５０℃となるよう調整した場合、前述したレーザー光の投入エネルギーを２．５ｋＪ以上６０ｋＪ以下にすれば良い。

前述したように、Ａｇ系金属相８はＡｇのみから成るか、または、Ａｇが主成分であることが好ましい。例えば、Ａｇ系金属相８のＡｇ比率は、７０〜１００％程度であれば良い。Ａｇ比率をこのような値にするには、ろう材３を、Ａｇ、Ｃｕ、Ｉｎを主成分とし、Ｔｉの微量添加物によって融点が５２０〜６５０℃となるよう調整した場合、前述したレーザー光の投入エネルギーを２．４ｋＪ以上２５ｋＪ以下にすれば良い。なお、Ａｇ系金属相８がＡｇのみから成るものではない場合、Ａｇ系金属相８にはＣｕ、Ｉｎが含まれることとなる。

１・・・回路基板
２・・・金属板
３・・・ろう材
４・・・絶縁基体
５・・・接合材
６・・・導電性接続材
７・・・電子部品
８・・・Ａｇ系金属相
９・・・枝部
１０・・電子装置
１１・・Ｃｕ系金属相

Claims

絶縁基体と、
該絶縁基体の主面にＡｇ−Ｃｕ系のろう材を介して接合された金属板とを備えており、
前記ろう材は、Ａｇ系金属相とＣｕ系金属相とを有し、
前記Ａｇ系金属相は、端部が前記絶縁基体の前記主面に接続されており、前記ろう材の厚み方向に伸びている
回路基板。
前記Ａｇ系金属相は、前記厚み方向と交差する方向に枝状に伸びている枝部を有している
請求項１記載の回路基板。
前記ろう材は、Ｉｎ、Ｓｎのうち少なくとも１つを含有しており、
前記Ａｇ系金属相は、Ｉｎ、Ｓｎのうち少なくとも１つを含有している
請求項１または請求項２に記載の回路基板。
請求項１乃至３のいずれかに記載の回路基板と、
該回路基板に搭載された電子部品とを含んでいる
電子装置。