JP3255310B2 - 銅回路を有する窒化アルミニウム基板 - Google Patents
銅回路を有する窒化アルミニウム基板Info
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- H05K1/03—Use of materials for the substrate
- H05K1/0306—Inorganic insulating substrates, e.g. ceramic, glass
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、電子部品のパワーモジ
ュール等において好適に使用される銅回路を有する窒化
アルミニウム基板に関する。
ュール等において好適に使用される銅回路を有する窒化
アルミニウム基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、ロボットや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。最近、良好な熱伝導を有する
セラミックス基板が利用できるようになったため、セラ
ミックス基板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。
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。最近、良好な熱伝導を有する
セラミックス基板が利用できるようになったため、セラ
ミックス基板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
ズ法等がある。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、銅回路又は裏銅板となる銅板の接
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60-177634 号
公報）や、表面を酸化処理した窒化アルミニウム基板と
銅板を銅の融点以下で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）等が採用
されている。
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
ズ法等がある。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、銅回路又は裏銅板となる銅板の接
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60-177634 号
公報）や、表面を酸化処理した窒化アルミニウム基板と
銅板を銅の融点以下で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）等が採用
されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】このような大電力モジ
ュール基板を使用したインバーターの用途は、ロボット
・モーター等から各種工作機械や鉄道、エレベーター、
そして将来は電気自動車にまで広がることが予想されて
いる。そのため、モジュールの小型化と軽量化が益々要
求されており、それをかなえるには銅回路を有する窒化
アルミニウム基板も必然的に小型化されなければならな
い。しかし、小型化を行って従来と同等の電流密度を達
成するには銅回路の厚みを増やさなければならないとい
う問題があり、しかも窒化アルミニウム基板の面積も小
さくなる結果、熱抵抗の関係から、その厚みも減らす必
要があった。
ュール基板を使用したインバーターの用途は、ロボット
・モーター等から各種工作機械や鉄道、エレベーター、
そして将来は電気自動車にまで広がることが予想されて
いる。そのため、モジュールの小型化と軽量化が益々要
求されており、それをかなえるには銅回路を有する窒化
アルミニウム基板も必然的に小型化されなければならな
い。しかし、小型化を行って従来と同等の電流密度を達
成するには銅回路の厚みを増やさなければならないとい
う問題があり、しかも窒化アルミニウム基板の面積も小
さくなる結果、熱抵抗の関係から、その厚みも減らす必
要があった。
【０００５】従来、銅回路を有する窒化アルミニウム基
板がヒートサイクル等の熱衝撃を受けた場合、両者の熱
膨張係数の差によって、銅回路又は裏銅板が剥離した
り、窒化アルミニウム基板にクラックが発生したりして
耐久性に問題があった。従って、上記のようにして、銅
回路の厚みを増やし窒化アルミニウム基板の厚みを減ら
して小型化を達成しようとすると、両者の熱膨張係数の
差による応力差が益々大きくなり、耐久性が一段と悪化
する恐れがあった。
板がヒートサイクル等の熱衝撃を受けた場合、両者の熱
膨張係数の差によって、銅回路又は裏銅板が剥離した
り、窒化アルミニウム基板にクラックが発生したりして
耐久性に問題があった。従って、上記のようにして、銅
回路の厚みを増やし窒化アルミニウム基板の厚みを減ら
して小型化を達成しようとすると、両者の熱膨張係数の
差による応力差が益々大きくなり、耐久性が一段と悪化
する恐れがあった。
【０００６】本発明者らは、上記問題点を解決するため
に鋭意検討を重ねた結果、ヒートサイクル時に生じる熱
応力の方向とは逆の方向の応力をあらかじめ銅回路を有
する窒化アルミニウム基板に与えておけばよいことを見
出し、本発明を完成させたものである。
に鋭意検討を重ねた結果、ヒートサイクル時に生じる熱
応力の方向とは逆の方向の応力をあらかじめ銅回路を有
する窒化アルミニウム基板に与えておけばよいことを見
出し、本発明を完成させたものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、窒
化アルミニウム基板の表側には銅回路、裏側には裏銅板
が接合されてなるものであって、上記銅回路と裏銅板の
厚みを調整することによって、反りを銅回路面を凹の方
向に４００μｍ以下（０は含まない）としたことを特徴
とする銅回路を有する窒化アルミニウム基板である。
化アルミニウム基板の表側には銅回路、裏側には裏銅板
が接合されてなるものであって、上記銅回路と裏銅板の
厚みを調整することによって、反りを銅回路面を凹の方
向に４００μｍ以下（０は含まない）としたことを特徴
とする銅回路を有する窒化アルミニウム基板である。
【０００８】以下、さらに詳しく本発明について説明す
ると、通常、この種の銅回路を有する窒化アルミニウム
基板（以下、「銅回路窒化アルミニウム基板」という）
は、回路側の銅板厚の方が裏側の銅板厚よりも厚い（例
えば特公平３−５１１１９号公報）ので、ヒートサイク
ル試験を行った場合、銅と窒化アルミニウムとの熱膨張
係数の差によって回路側に引っ張り応力が働き回路側を
凸にした反りが発生し、しかもヒートサイクルの増加に
伴ってその反りが大きくなるので回路側の銅板が剥がれ
ることがしばしばあった。
ると、通常、この種の銅回路を有する窒化アルミニウム
基板（以下、「銅回路窒化アルミニウム基板」という）
は、回路側の銅板厚の方が裏側の銅板厚よりも厚い（例
えば特公平３−５１１１９号公報）ので、ヒートサイク
ル試験を行った場合、銅と窒化アルミニウムとの熱膨張
係数の差によって回路側に引っ張り応力が働き回路側を
凸にした反りが発生し、しかもヒートサイクルの増加に
伴ってその反りが大きくなるので回路側の銅板が剥がれ
ることがしばしばあった。
【０００９】これに対し、本発明の銅回路窒化アルミニ
ウム基板は、ヒートサイクル時にかかる熱応力とは逆の
応力すなわち回路側に圧縮応力を与えたものであって、
それによってヒートサイクル時の熱応力を打ち消し、耐
ヒートサイクル性を向上させたものである。
ウム基板は、ヒートサイクル時にかかる熱応力とは逆の
応力すなわち回路側に圧縮応力を与えたものであって、
それによってヒートサイクル時の熱応力を打ち消し、耐
ヒートサイクル性を向上させたものである。
【００１０】すなわち、本発明は、銅回路窒化アルミニ
ウム基板にその回路側が凹となるような反りをもたせて
回路側に圧縮の残留応力を残したものである。この残留
応力の大きさは反りの大きさによって定まり、反りが大
きいほど残留応力が大きくなる。しかし、反りがあまり
大きすぎると銅回路窒化アルミニウム基板の裏銅板をヒ
ートシンクに半田付けする際にボイドが生じるので、反
り値は、４００μｍ以下、好ましくは３００μｍ以下特
に好ましくは３０〜２００μｍであることが必要とな
る。反り値は、スリットゲージ法、ダイアルゲージ法、
表面粗さ計の使用等によって測定することができる。
ウム基板にその回路側が凹となるような反りをもたせて
回路側に圧縮の残留応力を残したものである。この残留
応力の大きさは反りの大きさによって定まり、反りが大
きいほど残留応力が大きくなる。しかし、反りがあまり
大きすぎると銅回路窒化アルミニウム基板の裏銅板をヒ
ートシンクに半田付けする際にボイドが生じるので、反
り値は、４００μｍ以下、好ましくは３００μｍ以下特
に好ましくは３０〜２００μｍであることが必要とな
る。反り値は、スリットゲージ法、ダイアルゲージ法、
表面粗さ計の使用等によって測定することができる。
【００１１】本発明のように、回路側が凹となるような
反りを銅回路窒化アルミニウム基板にもたせる具体的な
方法は、窒化アルミニウム基板、表銅板及び裏銅板の厚
みに左右される。例えば、窒化アルミニウム基板の厚み
が０．６３５ｍｍで回路側の表銅板の厚みが０．３〜
０．５ｍｍである場合、裏銅板の厚みが０．１〜０．２
５ｍｍとする。窒化アルミニウム基板の厚みが０．６３
５ｍｍよりも厚いか又は薄い場合には、窒化アルミニウ
ム基板の反り等の変形や圧縮・引っ張り等の応力に対す
る耐久性が変化するので、その厚みに応じて裏銅板の厚
みを変えることが望ましい。
反りを銅回路窒化アルミニウム基板にもたせる具体的な
方法は、窒化アルミニウム基板、表銅板及び裏銅板の厚
みに左右される。例えば、窒化アルミニウム基板の厚み
が０．６３５ｍｍで回路側の表銅板の厚みが０．３〜
０．５ｍｍである場合、裏銅板の厚みが０．１〜０．２
５ｍｍとする。窒化アルミニウム基板の厚みが０．６３
５ｍｍよりも厚いか又は薄い場合には、窒化アルミニウ
ム基板の反り等の変形や圧縮・引っ張り等の応力に対す
る耐久性が変化するので、その厚みに応じて裏銅板の厚
みを変えることが望ましい。
【００１２】本発明で使用される窒化アルミニウム基板
は、特殊なものである必要はなく、熱伝導率が８０Ｗ／
ｍＫ以上のものが好ましく使用され、また銅回路形成用
の表銅板又はヒートシンク取付け用の裏銅板について
も、従来と同様に、無酸素銅板、タフピッチ銅板等が好
ましく採用される。
は、特殊なものである必要はなく、熱伝導率が８０Ｗ／
ｍＫ以上のものが好ましく使用され、また銅回路形成用
の表銅板又はヒートシンク取付け用の裏銅板について
も、従来と同様に、無酸素銅板、タフピッチ銅板等が好
ましく採用される。
【００１３】窒化アルミニウム基板と銅板の接合法とし
ては、活性金属ろう付け法、ＤＢＣ法のいずれでも問題
はないが、接合温度の低い活性金属ろう付け法がより好
ましい。
ては、活性金属ろう付け法、ＤＢＣ法のいずれでも問題
はないが、接合温度の低い活性金属ろう付け法がより好
ましい。
【００１４】活性金属ろう付け法で使用されるろう材ペ
ーストは、金属成分に有機溶剤と必要に応じて有機結合
剤を加え、混合機例えばロール、ニーダ、バンバリミキ
サー、万能混合機、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。その際の金属成分としては、
銀成分及び銅成分の主成分とチタン、ジルコニウム、ハ
フニウム、ニオブ、タンタル、バナジウム等及びこれら
の化合物から選ばれた１種又は２種以上の活性金属成分
とが使用され、また、有機溶剤としては、メチルセルソ
ルブ、エチルセルソルブ、テルピネオール、イソホロ
ン、トルエン等が、さらには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。ろう材ペーストは、スクリーン
印刷法、ロールコーター法等により窒化アルミニウム基
板上に塗布され、銅板が配置された後、加熱接合され
る。
ーストは、金属成分に有機溶剤と必要に応じて有機結合
剤を加え、混合機例えばロール、ニーダ、バンバリミキ
サー、万能混合機、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。その際の金属成分としては、
銀成分及び銅成分の主成分とチタン、ジルコニウム、ハ
フニウム、ニオブ、タンタル、バナジウム等及びこれら
の化合物から選ばれた１種又は２種以上の活性金属成分
とが使用され、また、有機溶剤としては、メチルセルソ
ルブ、エチルセルソルブ、テルピネオール、イソホロ
ン、トルエン等が、さらには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。ろう材ペーストは、スクリーン
印刷法、ロールコーター法等により窒化アルミニウム基
板上に塗布され、銅板が配置された後、加熱接合され
る。
【００１５】銅回路は、塩化第２鉄や塩化第２銅を用い
て表銅板をエッチングして形成させることが望ましい。
このとき、銅板の厚みに応じて、エッチングスピード、
処理温度、塩素イオン濃度を変化させる。銅回路の形状
については、窒化アルミニウム基板と銅板との熱膨張の
差を可能な限り小さくするよう、窒化アルミニウム基板
の長さに対して連続したパターンの長さを短くするのが
望ましい。また、窒化アルミニウム基板の長さは可能な
限り短い方が望ましい。
て表銅板をエッチングして形成させることが望ましい。
このとき、銅板の厚みに応じて、エッチングスピード、
処理温度、塩素イオン濃度を変化させる。銅回路の形状
については、窒化アルミニウム基板と銅板との熱膨張の
差を可能な限り小さくするよう、窒化アルミニウム基板
の長さに対して連続したパターンの長さを短くするのが
望ましい。また、窒化アルミニウム基板の長さは可能な
限り短い方が望ましい。
【００１６】
【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１〜５ 比較例１〜４ 銀粉末75重量部、銅粉末25重量部、ジルコニウム粉末20
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 重量部加えてよく混合し、ろう材ペーストを調
整した。これを窒化アルミニウム基板（75mm×70mm×厚
み0.635mm)の両面にスクリーン印刷によって全面塗布し
た。その際の塗布量（乾燥後）は 6〜8 mg/cm2とした。
的に説明する。 実施例１〜５ 比較例１〜４ 銀粉末75重量部、銅粉末25重量部、ジルコニウム粉末20
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 重量部加えてよく混合し、ろう材ペーストを調
整した。これを窒化アルミニウム基板（75mm×70mm×厚
み0.635mm)の両面にスクリーン印刷によって全面塗布し
た。その際の塗布量（乾燥後）は 6〜8 mg/cm2とした。
【００１７】次いで、表１に示す種々の厚みの表銅板と
裏銅板を接触配置してから炉に投入し、高真空下、温度
900 ℃で30分間加熱した後、2 ℃/minの降温速度で冷却
して接合体を製造した（活性金属ろう付け法）。得られ
た接合体の表銅板上に、ＵＶ硬化タイプのエッチングレ
ジストをスクリーン印刷にて回路パターンに塗布した
後、塩化第２銅溶液を用いて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。
裏銅板を接触配置してから炉に投入し、高真空下、温度
900 ℃で30分間加熱した後、2 ℃/minの降温速度で冷却
して接合体を製造した（活性金属ろう付け法）。得られ
た接合体の表銅板上に、ＵＶ硬化タイプのエッチングレ
ジストをスクリーン印刷にて回路パターンに塗布した
後、塩化第２銅溶液を用いて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。
【００１８】以上のようにして得られた銅回路窒化アル
ミニウム基板には、銅回路パターン間に残留不要ろう材
と活性金属成分と窒化アルミニウム基板の反応物がある
ので、それらを60℃、10％フッ化アンモニウム溶液に10
分間浸漬して除去した。
ミニウム基板には、銅回路パターン間に残留不要ろう材
と活性金属成分と窒化アルミニウム基板の反応物がある
ので、それらを60℃、10％フッ化アンモニウム溶液に10
分間浸漬して除去した。
【００１９】これら一連の処理によって得られた銅回路
窒化アルミニウム基板について、反り値をダイアルゲー
ジによって測定した後、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サイクルとして行った。
窒化アルミニウム基板について、反り値をダイアルゲー
ジによって測定した後、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サイクルとして行った。
【００２０】評価は、各実施例毎にサンプル数10枚を作
製し、直ちにヒートサイクル試験を行った。そして２０
サイクル毎に各サンプルの状態を観察し、その中で１枚
のサンプルでも銅板剥離を起こしているものがあればそ
の時のサイクル数を銅板剥離回数とした。いずれの反り
値もサンプル数10枚の平均で示した。それらの結果を表
１に示す。
製し、直ちにヒートサイクル試験を行った。そして２０
サイクル毎に各サンプルの状態を観察し、その中で１枚
のサンプルでも銅板剥離を起こしているものがあればそ
の時のサイクル数を銅板剥離回数とした。いずれの反り
値もサンプル数10枚の平均で示した。それらの結果を表
１に示す。
【００２１】実施例６ 比較例５ ろう材ペーストを使用するかわりに、酸素量200ppmの銅
板を直接窒化アルミニウム基板に接触配置し、窒素ガス
雰囲気下、温度1065〜1083℃で加熱して接合体を製造し
（ＤＢＣ法）、その後は、実施例１と同様にして銅回路
窒化アルミニウム基板を作製した。それらの結果を表１
に示す。
板を直接窒化アルミニウム基板に接触配置し、窒素ガス
雰囲気下、温度1065〜1083℃で加熱して接合体を製造し
（ＤＢＣ法）、その後は、実施例１と同様にして銅回路
窒化アルミニウム基板を作製した。それらの結果を表１
に示す。
【００２２】
【表１】
【００２３】
【発明の効果】本発明によれば、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と耐ヒートショッ
ク性を著しく向上させた銅回路を有する窒化アルミニウ
ム基板を得ることができる。
る耐久性すなわち耐ヒートサイクル性と耐ヒートショッ
ク性を著しく向上させた銅回路を有する窒化アルミニウ
ム基板を得ることができる。
Claims (1)
- 【請求項１】 窒化アルミニウム基板の表側には銅回
路、裏側には裏銅板が接合されてなるものであって、上
記銅回路と裏銅板の厚みを調整することによって、反り
を銅回路面を凹の方向に４００μｍ以下（０は含まな
い）としたことを特徴とする銅回路を有する窒化アルミ
ニウム基板。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06067693A JP3255310B2 (ja) | 1993-03-19 | 1993-03-19 | 銅回路を有する窒化アルミニウム基板 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06067693A JP3255310B2 (ja) | 1993-03-19 | 1993-03-19 | 銅回路を有する窒化アルミニウム基板 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06275923A JPH06275923A (ja) | 1994-09-30 |
| JP3255310B2 true JP3255310B2 (ja) | 2002-02-12 |
Family
ID=13149168
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP06067693A Expired - Lifetime JP3255310B2 (ja) | 1993-03-19 | 1993-03-19 | 銅回路を有する窒化アルミニウム基板 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3255310B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4839461B2 (ja) * | 2001-02-23 | 2011-12-21 | Ｄｏｗａメタルテック株式会社 | 酸化アルミニウム回路基板の製造方法 |
| JP5047315B2 (ja) * | 2010-01-26 | 2012-10-10 | 株式会社東芝 | セラミックス回路基板 |
-
1993
- 1993-03-19 JP JP06067693A patent/JP3255310B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06275923A (ja) | 1994-09-30 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| R350 | Written notification of registration of transfer |
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