JP2015070050A

JP2015070050A - 回路基板と、その製造方法

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Publication number: JP2015070050A
Application number: JP2013201732A
Authority: JP
Inventors: 範高新納; Noritaka Shinno
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2015-04-13
Anticipated expiration: 2033-09-27
Also published as: JP6185353B2

Abstract

【課題】金属板と絶縁基体との間における熱応力を軽減し、金属板の絶縁基体からの剥離や絶縁基体のクラックを防止する信頼性の高い回路基板を提供する。
【解決手段】回路基板10は、絶縁基体11と、絶縁基体11の主面に、銀成分５を含有するろう材１を介して接合されている、銅粒子３が焼結されて成る金属板２と、を有しており、金属板２において、銅粒子３の粒界に、ろう材１中から拡散した銀成分５が充填されている。銅粒子３よりヤング率の低い銀成分５が金属板２全体のヤング率を下げる効果を持つことから、金属板２および絶縁基体１１の熱応力が緩和されやすくなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、回路基板と、その製造方法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）などの電子部品が搭載された電子装置に用いられる回路基板とし
て、セラミック基板に例えば銅またはアルミニウム等からなる金属板がＡｇを含むろう材で接合されたものが用いられる。電子部品は、金属板に搭載され、例えばボンディングワイヤによって他の金属板に電気的に接続される。金属板としては、電気抵抗（抵抗率）が小さい銅またはアルミニウムを主成分とした箔が用いられている。

特開2012−178513号公報

しかしながら、上記従来技術の回路基板においては、金属板に搭載された電子部品から熱が発生した場合に、絶縁基体と、この絶縁基体の主面に接合された金属板との熱膨張係数の差に起因した熱応力によって、絶縁基体から金属板が剥離したり絶縁基体にクラックが生じる可能性があ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、金属板と絶縁基体との間における熱応力を軽減し、金属板の絶縁基体からの剥離や絶縁基体のクラックを防止する信頼性の高い回路基板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、銀成分を含有するろう材を介して接合されている、銅粒子が焼結されて成る金属板と、を有しており、前記金属板において、前記銅粒子の粒界に、前記ろう材中から拡散した前記銀成分が充填されている。

本発明の回路基板の製造方法は、セラミックスから成る絶縁基体上に、銀成分を含むろう材ペーストを塗布する工程と、該ろう材ペーストの上に、銅粒子を含む銅ペーストを塗布する工程と、前記絶縁基体を加熱することにより、前記銅粒子が焼結して成る金属板を、ろう材を介して、前記絶縁基体に接合させる工程と、を有する。

本発明の一つの態様による回路基板によれば、金属板において、銅粒子の粒界に、ろう材中から拡散した銀成分が充填されているので、銅粒子よりヤング率の低い銀成分が金属板全体のヤング率を下げる効果を持つことから、金属板および絶縁基体の熱応力が緩和されやすくなる。

本発明の回路基板の製造方法によれば、銅粒子の粒界に、ろう材中から拡散した銀成分が充填された金属板を得ることができるので、金属板および絶縁基体の熱応力が緩和されやすい回路基板を提供することができる。

本発明の実施形態の回路基板を示す断面図である。図１のＡ部の拡大図である。図２のＢ部の拡大図である。図３のＣ部の拡大図である。

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について説明する。なお、図面において、回路基板は、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10は、絶縁基体11と、金属板２とを備えている。絶縁基体11の主面に、金属板２がろう材１で接合されている。

絶縁基体11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11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11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11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10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11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。

図１、２に示すように、金属板２は、絶縁基体11の主面に、銀成分を含有するろう材１を介して接合されており、銅ペーストの銅粒子が焼結されて成る。金属板２は、絶縁基体11の主面に、ろう材１となるろう材ペースト、金属板２となる銅ペーストを順次スクリーン印刷をした後、焼成することにより得られる。製造方法の詳細は後述する。金属板２の材料として銅が使用されているので、低電気抵抗および高熱伝導性に優れる。特に、高熱伝導性に関しては、銅は熱伝導率が約395Ｗ／ｍ・Ｋであるため優れている。

銅ペーストは、主成分となる銅粉末にアクリル樹脂やニトロセルロース樹脂等の有機バインダー、テルピネオールやＤＢＰ等の有機溶剤、必要に応じて分散剤等を加えて、ボールミル、三本ロールミル、プラネタリーミキサー等の混練手段により均質混合および混練
することで調整する。真空炉中の４００℃以下の雰囲気で脱バインダーできることが望ましいため、通常はバインダとしてアクリル樹脂を用いる。

銅粉末は、できるだけ緻密な焼結体を得るためと早く焼結を進行させるため、アトマイズ法で球状にした微細粉末が望ましく、平均粒径０．１μｍ〜１０μｍ程度の粒径が好適に用いられる。

また有機バインダーや有機溶剤の種類や添加量を少なくし、一般的な配線導体層用のメタライズペーストよりも放熱用金属板の成形に適した高い粘度に調整してもよい。金属板２の厚みは５〜300μｍ程度あれば効率的な放熱が可能である。

図１、２に示すように、金属板２の絶縁基体11の主面への接合は、ろう材１が用いられる。ろう材１は、銀成分を含有する。ろう材１は、前述したように、絶縁基体11の主面に、ろう材１となるろう材ペースト、金属板２となる銅ペーストを順次スクリーン印刷をした後、焼成することにより得られる。この焼成中に、銅粒子が焼結して金属板２が形成され、ろう材１となるろう材ペースト中の銀成分が銅ペースト側へ拡散するとともに金属板２が、ろう材１を介して絶縁基体１１に接合される。

よって、焼成後には、図３に示すように、金属板２において、銅粒子３の粒界に、ろう材１中から拡散した銀成分５が充填されこととなる。この構成により、銅粒子３よりヤング率の低い銀成分５が金属板２全体のヤング率を下げる効果を持つことから、金属板２および絶縁基体１１の熱応力が緩和されやすくなる。また、銅粒子３の粒界に銀成分５が充填されていることにより、金属板２の熱伝導率が向上し、熱応力の発生を抑制することができる。

ろう材１となるろう材ペーストに含まれる銀粉末は、拡散しやすくするためアトマイズ法により粒状化された微細粉末が望ましく、平均粒径は０．１μｍ〜１０μｍが好適である。

ろう材１の厚みは、例えば約５〜100μｍ程度あればよい。また、ろう材１は、銀成分
の他に融点を下げるために、例えば、スズ、インジウムの一種類以上を含み、１〜20質量％程度の他の金属材料、または金属板２の成分を含有していても構わない。

スズ、インジウムを添加してろう材１の融点は、例えば５２０〜６５０℃あるいは７５０〜８５０℃程度に調整される。ろう材１の融点を下げることで、焼成中にろう材１から銀成分が銅ペースト側へ拡散しやすくなる。その結果、拡散した銀成分が銅粒子の界面に充填される。

また、ろう材１は、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種の金属材料をさらに含有する。活性金属材料であるチタン等の金属材料によって、ろう材１は、金属板２を絶縁基体11に対して強固に接合させることができる。

ろう材１の組成の例としては、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。

拡散した銀成分５には、ろう材１のペーストに添加したスズ、インジウムが混じっていても良い。銀成分５にスズ、インジウムが混じって合金化しても、銀成分本来のヤング率と大きく変わらない。

また、図４に示す例のように、銅粒子３の表面と、銅粒子３の粒界に充填された銀成分５との間には銀−銅合金層６が設けられていることが好ましい。合金化していない銅粒子３よりも銀−銅合金層６は降伏応力が小さくなるため、熱サイクル時に金属板２中の残留応力が低減し、金属板２による絶縁基体１１への応力も弱まる。

金属板２は、回路導体に限らず、回路基板10に搭載される電子部品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11に接合されて用いられる。

次に、本発明の回路基板10の製造方法について説明する。なお、ここでは、図１に示す例の回路基板10の製造方法について説明する。

（１）絶縁基体11は前述の方法で、窒化雰囲気等の非酸化性雰囲気にて約1600〜2000℃の温度で焼成されて製作される。

（２）絶縁基体11上にペースト状のろう材１を印刷した後、ろう材１のペーストの上に重ねてスクリーン印刷法により銅ペーストを所望のパターニングで印刷する。ろう材１のペーストと銅ペーストの印刷マスクは同じ形状の物を用いる。金属板２と絶縁基体11とを接合するためのろう材１としては、例えば、融点が約600℃のものを用いる。融点の調整
は、スズおよびインジウムの量を、ろう材１の主成分である銀の量に対して調整することによって行う。その場合の適した組成は前述した通りである。

（３）次に、絶縁基体11、ろう材１のペースト、銅ペーストを積層したものを真空炉で仮焼する。仮焼は例えば４００℃で３０分〜４時間行われる。真空炉を用いる理由は活性ろう材を反応生成させるためであり、活性ろう材を用いない場合は水素もしくは窒素の非酸化性雰囲気にて仮焼を行う。

（４）次に本焼成は真空炉でろう材１の融点に対し０℃〜１００℃程度高い温度に電気炉の温度を設定し、１分〜３時間かけておこなう。焼成時間は銅ペーストの厚みにより調整される。活性ろう材を用いない場合、前述の理由で水素もしくは窒素の非酸化性雰囲気にて本焼成を行う。

好適にはろう材１の加熱は、ろう材１の融点より約50℃以上高い温度で行えばよく、ろう材１の加熱温度を融点近傍に設定する場合は、熱処理の時間を１時間以上に設定するとよい。

なお、金属板２の表面に、導電性および耐食性が高くかつ電子部品の接合材との濡れ性が良好な金属をめっき法により被着させておいてもよい。この場合には、金属板２と外部電気回路および接合材等との接合がより容易かつ強固なものとなり得る。また、金属板２と外部電気回路等との間の電気的な接続をより良好なものとすることができる。

めっき金属としては、例えばニッケル、コバルト、銅および金等の金属材料、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。例えば、内部にリンを８〜15質量％含有するニッケル−リンのアモルファス合金のめっき層であれば、ニッケルめっき層の表面酸化を抑制して接合材７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。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、めっき層に対する接合材６等の接着強度を向上させることができる。このニッケルめっき層の厚みは、例えば1.5〜10μｍ程度であればよい。

本焼成でろう材１の融点を超えた時点で、ろう材ペーストから銅ペーストへの銀成分の拡散が始まり、焼結が終わると拡散も終わる。

なお、本発明の金属板等は上記実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内であれば種々の変更は可能である。

例えば、金属板２において、ろう材１側の銅粒子３の粒径は、金属板２の表層側の銅粒子３の粒径より小さいことが好ましい。銅粒子３の粒径が小さい方が、粒界４の空間が大きくなるので充填される銀成分５の量が大きくなる。従って、金属板２において、熱応力が最も大きくかかるろう材１側でヤング率を小さくすることができ、熱応力を低減させることができる。

このような構成とするためには、ろう材１となるペースト中の銀含有量などを所定の値に調整しておけば良い。ペーストの焼成が始まると、ろう材ペースト側の銅粒子は、反対側の銅粒子に比べて、ろう材中の銀成分が拡散してきて合金化しやすい。ろう材１側の銅粒子は、合金化しやすいので融点が低くなり、焼結が早く終わるので粒成長せず粒径が小さくなりやすい。

また、例えば、金属板２において、銅粒子３の粒径は均一であることが好ましい。この場合には、粒界４の空間が大きくなるので充填される銀成分５の量が大きくなる。従って、金属板２において、ヤング率をより小さくすることができ、熱応力を低減させることができる。

１・・・ろう材
２・・・金属板
３・・・銅粒子
４・・・粒界
５・・・銀成分
６・・・銀−銅合金層
10・・・回路基板
11・・・絶縁基体

Claims

絶縁基体と、
該絶縁基体の主面に、銀成分を含有するろう材を介して接合されている、銅粒子が焼結されて成る金属板と、を有しており、
前記金属板において、前記銅粒子の粒界に、前記ろう材中から拡散した前記銀成分が充填されている
回路基板。
前記銅粒子の表面と、前記銅粒子の粒界に充填された前記銀成分との間に、銀−銅合金層が設けられている
請求項１記載の回路基板。
セラミックスから成る絶縁基体上に、銀成分を含むろう材ペーストを塗布する工程と、
該ろう材ペーストの上に、銅粒子を含む銅ペーストを塗布する工程と、
前記絶縁基体を加熱することにより、前記銅粒子が焼結して成る金属板を、ろう材を介して、前記絶縁基体に接合させる工程と、
を有する回路基板の製造方法。