JP3155874B2 - 回路基板 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属回路と金属放熱板
を有するセラミックス基板からなる回路基板の改良に関
するものであって、電子部品のパワーモジュール等に使
用されるものである。

【０００２】近年、ロボット・モーター等の産業機器の
高性能化に伴い、大電力・高能率インバーター等大電力
モジュールの変遷が進んでおり、半導体素子から発生す
る熱も増加の一途をたどっている。この熱を効率よく放
散させるため、大電力モジュール基板では従来より様々
な方法が取られてきた。特に最近、良好な熱伝導性を有
するセラミックス基板が利用できるようになったため、
基板上に銅板等の金属板を接合し、回路を形成後、その
ままあるいはメッキ等の処理を施してから半導体素子を
実装する構造も採用されつつある。

【０００３】金属とセラミックスを接合する方法には種
々あるが、回路基板の製造という点からは、Ｍｏ−Ｍｎ
法、活性金属ろう付け法、硫化銅法、ＤＢＣ法、銅メタ
ライズ法等があげられる。

【０００４】特に大電力モジュール基板では、従来のア
ルミナに変わって高熱伝導性の窒化アルミニウム基板が
注目されており、銅板の接合方法としては、銅板と窒化
アルミニウム基板との間に活性金属を含むろう材（以
下、単に「ろう材」という）を介在させ、加熱処理して
接合体とする活性金属ろう付け法（例えば特開昭60-177
634 号公報）や、表面が酸化処理された窒化アルミニウ
ム基板と銅板とを銅の融点以下でＣｕ−Ｏの共晶温度以
上で加熱接合するＤＢＣ法（例えば特開昭56-163093 号
公報）等がある。

【０００５】活性金属ろう付け法は、ＤＢＣ法に比べて
以下の利点がある。 （１）接合体を得るための処理温度が低いので、窒化ア
ルミニウム基板と銅板の熱膨張差によって生じる残留応
力が小さい。 （２）ろう材が延性金属であるので、ヒートショックや
ヒートサイクルに対する耐久性が大である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、活性金
属ろう付け法を用いても、ヒートショックやヒートサイ
クル等の熱衝撃、熱履歴によって生じる損傷に対して充
分な耐久性があるとはいえず新しい技術の提案が待たれ
ていた。そこで、金属放熱板（通常はセラミックス基板
の下面に設けられる）の体積を金属回路（通常はセラミ
ックス基板の上面に設けられる）の体積の５０〜９０％
となるように調整したり（特開昭63-24815号公報）、金
属放熱板の厚さを金属回路のそれの５０％以下にする
（特開平5-170564号公報）ことによってある程度は改善
された。

【０００７】しかし、これらの技術においては、金属回
路と金属放熱板の材質は共に銅であるので、両者の体積
を変えることは熱膨張による応力のバランスが異なった
ものとなる。その結果、接合体自体の耐熱衝撃性は良好
となり、金属回路又は金属放熱板が剥離することが少な
くなったが、金属放熱板にベース銅板、金属回路に半導
体素子をそれぞれ半田付けする際の急激な温度上昇によ
って接合体の反りの変位が著大となって金属放熱板とベ
ース銅板との間に隙間ができ、その部分が半田付け後に
ボイドとなる危険性があった。

【０００８】本発明者らは、以上のような問題点を解消
するために鋭意検討を重ねた結果、このような熱応力は
回路パターンの形状に大きく左右され、金属回路とセラ
ミックス基板とが接合している部分と接合していない部
分との割合と回路基板の温度変化に対する反り量の変化
とに相関があること見いだし、本発明を完成させたもの
である。

【０００９】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、セ
ラミックス基板の一方の面に金属回路、他方の面には金
属放熱板が設けられてなるものであって、以下の（１）
〜（３）の条件を備えてなることを特徴とする回路基板
である。 （１）金属回路の厚みが０．３ｍｍよりも大きいこと。 （２）回路基板の長手方向の中央部から±２０ｍｍの領
域における断面において、金属回路とセラミックス基板
とが接合している部分の長さの合計の最小値がセラミッ
クス基板の長さに対して２０％以下である箇所があるこ
と。 （３）温度−４０℃〜３００℃に冷却・加熱した場合に
おける反り量が１００μｍ以下であること。

【００１０】以下、さらに詳しく本発明について説明す
ると、本発明で使用されるセラミックス基板としては、
窒化アルミニウム基板、ベリリア基板、アルミナ基板等
をあげることができるが、中でも窒化アルミニウム基板
が好ましく、その焼結密度は、機械的強度及び電気特性
の点から相対密度９５％以上であることが望ましい。セ
ラミックス基板の厚みとしては、０．４〜０．７ｍｍ程
度が好ましい。

【００１１】一方、金属回路及び／又は金属放熱板とし
ては、銅、アルミニウム、タングステン、モリブデン等
が使用されるが、銅が一般的である。金属回路の厚みと
しては、近年、電流密度が増大している傾向から０．３
ｍｍよりも厚いことが必要であり、また金属放熱板の厚
みは、熱抵抗を下げるために０．２ｍｍ以下であること
が望ましい。

【００１２】セラミックス基板の一方の面に金属回路、
他方の面に金属放熱板を設ける方法としては、セラミッ
クス基板と金属板との接合体をエッチングする方法、金
属板から打ち抜かれた金属回路及び／又は金属放熱板の
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
行うことでき、これらの際における金属板又はパターン
とセラミックス基板との接合方法としては、活性金属ろ
う付け法やＤＢＣ法等を採用することができる。

【００１３】活性金属ろう付け法におけるろう材の金属
成分は、銀と銅を主成分とし、溶融時のセラミックス基
板との濡れ性を確保するために活性金属を副成分とす
る。この活性金属成分は、セラミックス基板と反応して
酸化物や窒化物を生成させ、それらの生成物がろう材と
セラミックス基板との結合を強固なものにする。活性金
属の具体例をあげれば、チタン、ジルコニウム、ハフニ
ウム、ニオブ、タンタル、バナジウム及びこれらの化合
物である。これらの比率としては、銀６９〜７５重量部
と銅２５〜３１重量部の合計量１００重量部あたり活性
金属３〜３５重量部である。

【００１４】活性金属ろう付け法で使用されるろう材ペ
ーストは、上記ろう材の金属成分に有機溶剤及び必要に
応じて有機結合剤を加え、ロール、ニーダ、バンバリミ
キサー、万能混合器、らいかい機等で混合することによ
って調整することができる。有機溶剤としては、メチル
セルソルブ、テルピネオール、イソホロン、トルエン
等、また有機結合剤としては、エチルセルロース、メチ
ルセルロース、ポリメチルメタクリレート等が使用され
る。なお、金属回路又は金属放熱板の材質がアルミニウ
ムである場合には、上記ろう材である必要はなく、例え
ばアルミニウムとシリコンを金属成分とするものでも充
分である。

【００１５】本発明は、このような回路基板において、
以下の（１）〜（３）の条件を満たすものである。 （１）金属回路の厚みが０．３ｍｍよりも大きいこと。 （２）回路基板の長手方向の中央部から±２０ｍｍの領
域における断面において、金属回路とセラミックス基板
とが接合している部分の長さの合計の最小値がセラミッ
クス基板の長さに対して２０％以下である箇所があるこ
と。 （３）温度−４０℃〜３００℃に冷却・加熱した場合に
おける反り量が１００μｍ以下であること。

【００１６】まず、第１の条件は、金属回路の厚みであ
り、本発明において０．３ｍｍよりも大きくしたのは、
近年の電流密度の増大に対応するためである。

【００１７】第２の条件は、回路基板の断面において、
セラミックス基板の長さ対する金属回路とセラミックス
基板との接合部分の長さの合計の最小値の割合（以下、
この割合をパターン率という。）が２０％以下にしたこ
とである。パターン率が２０％をこえると、金属回路と
セラミックス基板の熱膨張係数の差による熱応力が大き
くなって回路基板の反りが大きくなる。その結果、第３
の条件を満たすためには裏面の金属放熱板の厚みを厚く
する必要があるので熱衝撃等によって生じる損傷に対す
る耐久性が著しく低下する。

【００１８】パターン率の算出にあたっては、通常、セ
ラミックス基板に金属回路を形成する場合、金属回路の
熱膨張から生じる熱応力を直接セラミックス基板に伝播
することがないように、セラミックス基板と金属回路と
の間に非接合部が設けられることがあるが、本発明にお
いては、そのような非接合部も接合部として見做され
る。

【００１９】また、パターン率を算出する回路基板の位
置は、図１のＸで示されるように、回路基板の長手方向
の中央部付近であることが最適であるが、長手方向の中
央部から±２０ｍｍの範囲内であればよい。

【００２０】次に、第３の条件は、温度−４０℃〜３０
０℃に冷却・加熱した場合における反り量が１００μｍ
以下であるということである。従来技術においては、電
気伝導性等の点から、金属回路又は金属放熱板の材質
は、無酸素銅又はそれに僅かな酸素を混入させたタフピ
ッチ銅が好ましく使用されているが、このような銅の熱
膨張係数は、文献値とほぼ等しく１７×１０^-6／℃であ
り、セラミックス基板例えば窒化アルミニウム基板の
４．５×１０^-6／℃よりも大きいので回路基板に熱が加
えられたときに熱応力が発生していた。

【００２１】また、金属回路と金属放熱板の体積比を変
える方法においては、金属板とセラミックス基板との接
合体の製造時や、得られた回路基板をベース銅板に取り
つける等の際、さらにはその使用時に温度差からくる熱
衝撃等によって熱応力がかかる機会が多いものであっ
た。

【００２２】しかしながら、金属回路の厚みは電流容量
を保つために今後はますます厚くなる方向にあり、また
金属放熱板は熱抵抗を下げる点からも薄い方が望まし
い。しかしながら、従来の技術では、このような構造の
回路基板では熱応力が大きくなり耐久性が低下していた
が、本発明では、熱応力がセラミックス基板に分散して
伝達されるようにするため、第３の条件が必要となるも
のである。

【００２３】

【実施例】以下、本発明を実施例と比較例をあげて具体
的に説明する。 実施例１〜２ 比較例１〜３ 銀粉末７５重量部、銅粉末２５重量部、ジルコニウム粉
末５重量部、 テルピネオール１５重量部及び有機結合剤
としてポリイソブチルメタアクリレートのトルエン溶液
を固形分で１．５重量部を加えてよく混練し、ろう材ペ
ーストを調整した。このろう材ペーストを５１×３６×
０．６５ｍｍの窒化アルミニウム基板の両面にスクリー
ン印刷によって全面に塗布した。その際の塗布量（乾燥
後）は６〜８ｍｇ／ｃｍ² とした。

【００２４】次に、ろう材ペーストの塗布された窒化ア
ルミニウム基板の一方の面に５１×３６×０．５ｍｍの
金属回路形成用銅板を、そして他方の面には５１×３６
×０．２ｍｍの金属放熱板用銅板をそれぞれ接触配置し
てから、真空度１×１０^-5Ｔｏｒｒ以下の真空下、温度
９００℃で３０分加熱した後、２℃/ 分の速度で冷却し
て接合体を製造した。

【００２５】得られた接合体の銅板上にＵＶ硬化タイプ
のエッチングレジストをスクリーン印刷で図１及び表１
に示す回路パターンに塗布した後、塩化第２銅溶液によ
りエッチング処理を行って銅板不要部分を溶解除去し、
さらにエッチングレジストを５％苛性ソーダ溶液で剥離
した。このエッチング処理後の回路基板には、銅回路間
等に残留不要ろう材や活性金属成分と窒化アルミニウム
基板との反応物があるので、それを除去するため、温度
６０℃、１０％フッ化アンモニウム溶液に１０分間浸漬
した。

【００２６】以上のようにして製作された回路基板につ
いてヒートサイクル（熱衝撃）試験を行った。ヒートサ
イクル試験は、気中、−４０℃×３０分保持後、２５℃
×１０分間放置、さらに１２５℃×３０分保持後、２５
℃×１０分間放置を１サイクルとして行い、銅が剥離開
始したヒートサイクル回数を測定した。また、温度３０
０℃の空気中で１０分間加熱したときの回路基板の反り
量を非接触式レーザー変位計で測定した。さらには、温
度２５０℃のリフロー炉中、回路基板を厚さ４ｍｍのベ
ース銅板に無荷重で半田付けを行った後、ボイドを超音
波探査機で測定し、ボイド発生率（％）を（ボイド面積
／回路基板面積）×１００として算出した。これらの結
果を表１に示す。

【００２７】

【表１】 （注）回路基板の反りの方向は回路面が凹となる方向を
＋として表示してある。

【００２８】

【発明の効果】本発明の回路基板は、温度変化による反
りの変位が著しく小さいので、ベース銅板に半田付けす
る際のボイドの発生が減少し、しかも熱衝撃や熱履歴に
対する耐久性すなわち耐ヒートサイクル性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の回路基板の一例を示す上面図である
（寸法の単位はｍｍである）。

【図２】図１の下面図である（寸法の単位はｍｍであ
る）。

【符号の説明】

１ セラミックス基板 ２ 金属回路 ３ 金属放熱板 ａ パターン幅 ｂ パターン幅 Ｘ 最小パターン率（ａ÷３６）を算出した位置

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−42152（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−208033（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−101153（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H05K 1/05

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミックス基板の一方の面に金属回
   路、他方の面には金属放熱板が設けられてなるものであ
   って、以下の（１）〜（３）の条件を備えてなることを
   特徴とする回路基板。 （１）金属回路の厚みが０．３ｍｍよりも大きいこと。 （２）回路基板の長手方向の中央部から±２０ｍｍの領
   域における断面において、金属回路とセラミックス基板
   とが接合している部分の長さの合計の最小値がセラミッ
   クス基板の長さに対して２０％以下である箇所があるこ
   と。 （３）温度−４０℃〜３００℃に冷却・加熱した場合に
   おける反り量が１００μｍ以下であること。