JP3526711B2 - 窒化アルミニウム回路基板 - Google Patents
窒化アルミニウム回路基板Info
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- H05K3/30—Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor
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- Electric Connection Of Electric Components To Printed Circuits (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高い信頼性、放熱
性を要する電子部品のパワーモジュール等に使用される
金属回路を有する窒化アルミニウム回路基板に関する。 【０００２】 【従来の技術】従来から各種電子機器の構成部品とし
て、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（Ａｌ
Ｎ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）などのセラミックス焼
結体基板表面に導電層として銅（Ｃｕ）回路板等を一体
に接合した回路基板が広く使用されている。 【０００３】回路基板は、熱伝導性および電気伝導性に
優れた銅等の金属により回路板を形成しているため、回
路動作の遅延が減少するとともに回路配線の寿命も向上
する。また、一般に回路板の表面はＮｉ系などのメッキ
層が施されており、更に半導体素子（ＩＣチップ）や電
極を取り付けるための接合材としてハンダ膜が形成され
る。 【０００４】ハンダ膜は使用中の熱応力等によりハンダ
膜自体にクラックが発生するという問題があった。これ
に対し、特開昭５６−１６７３９４では、アルミナ基板
を用いた回路基板の電極取り付け部表面に形成されたハ
ンダ部分の端部からハンダ自身にクラックが発生するこ
とを防止するため、電極取り付け部の周縁部を除いてハ
ンダペーストを塗布する方法が提案されている。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら窒化アル
ミニウム回路基板の場合、金属回路上の電極取り付け部
及び半導体素子取り付け部等のハンダにクラックが発生
して電極又は半導体素子が取れるという問題よりも、ハ
ンダの剥がれに問題のない場合でも電極又は半導体の取
り付け部付近の窒化アルミニウム板自体にクラックが発
生して取り付け部の金属回路が窒化アルミニウム板から
剥離したり、絶縁破壊に至るという窒化アルミニウム回
路基板特有の課題が依然として残されていた。 【０００６】本発明は、上記状況に鑑みてなされたもの
であり、取り付け部周囲の窒化アルミニウム基板に発生
する応力を低減し、クラック発生を抑制し信頼性の高い
パワーモジュール用窒化アルミニウム回路基板を提供す
ることを目的とする。 【０００７】 【課題を解決するための手段】本発明者らは、窒化アル
ミニウム回路基板について銅回路の取り付け部表面に乗
せるハンダの位置を種々検討した結果、ハンダの端から
銅回路の外周までの距離が窒化アルミニウム板と銅回路
の剥離に顕著な相関があることを見出し本発明を完成し
た。 【０００８】すなわち本発明は、銅回路を設けてなる窒
化アルミニウム回路基板であって、銅回路の外周と銅回
路表面のハンダとの距離が０．４ｍｍ以上であることを
特徴とする窒化アルミニウム回路基板である。 【０００９】 【発明の実施の形態】以下、さらに詳しく本発明につい
て説明する。窒化アルミニウム板として特に制限はない
が、良好な放熱性を示すためには、熱伝導率が８０Ｗ／
ｍＫ以上のものが適している。また、曲げ強さについて
は、回路基板形成後の強さに影響を及ぼすため３５０Ｍ
Ｐａ以上のものが適当である。また、窒化アルミニウム
板の形状は通常矩形であることが多いが、形状は用途に
よって適宜選択されるものであり、本発明は形状によっ
て何ら制限を受けるものではない。 【００１０】窒化アルミニウム板の厚みは、要求される
回路基板の強さによって異なるが、通常、０．３ｍｍか
ら１．５ｍｍのものが使われる。窒化アルミニウム板に
形成される金属回路及び金属放熱板の材質は、銅、ニッ
ケル、アルミニウム、モリブデン、タングステン等の純
金属もしくは合金が用いられる。その金属回路又は金属
放熱板の厚みは０．１〜２．０ｍｍが使われる。 【００１１】接合する銅回路の厚みは極めて重要で、
０．０７５ｍｍ程度の厚みでは、活性金属法による接合
の場合、接合時に若干の荷重をかけるため、銅板の膨張
が妨げられ、銅板にシワを生じることがあり、量産性に
欠けるという問題がある。従って、０．１ｍｍ以上のも
のを用いるのが好ましいが、あまり厚くなると、接合金
属板による熱応力によって、銅回路の剥離や窒化アルミ
ニウム板にクラックが発生するようになり、０．２ｍｍ
以下とするのが好ましい。 【００１２】銅回路の表面は、回路の腐食保護とハンダ
との接合性改良の為、Ｎｉメッキ等を行うのが一般的で
ある。さらに、窒化アルミニウム回路基板をパワーモジ
ュールに実装する場合、熱処理を施してヒートシンク銅
板へハンダで接合する。この際、比較的高温のハンダが
使用される。さらに半導体チップや電極が回路基板の銅
回路部にハンダで接合される。この接合にはヒートシン
ク銅板の接合に用いたハンダよりも低温のハンダが使用
される。さらに、樹脂封止やケーシング工程を経てモジ
ュール化される。 【００１３】図１は回路基板の回路面側から見た平面図
であり、銅回路のパターンを代表例として示したもので
ある。一般に電極取り付け部は、半導体素子の取り付け
部に比較して、回路端部に配置されるため、基板に応力
を与える影響が大きく、窒化アルミニウム基板のクラッ
ク及び、銅回路の剥離は電極取り付け部で発生しやすい
傾向がある。ここで本発明に云う銅回路の外周とハンダ
との距離とは図２，図３の７に示す距離を云う。すなわ
ち銅回路の外周のなす線と銅回路上のハンダの外周のな
す線との最短距離である。 【００１４】本発明において重要なことは、銅回路の外
周とハンダとの距離が０．３ｍｍ以上であることであ
る。この距離が０．３ｍｍ未満では発生応力低減効果が
少なく、クラックの発生率が大きくなり好ましくない。
好ましくは０．４ｍｍ以上である。一方上限については
特に制限はないが、１ｍｍを越えて大きくしても発生応
力低減効果がそれ以上大きくならず、また小型化の要請
に反するため好ましくない。したがって、この距離は
０．３ｍｍ以上１ｍｍ以下であり、さらに好ましくは
０．４ｍｍ以上１ｍｍ以下である。 【００１５】 【実施例】以下、実施例と比較例をあげてさらに具体的
に説明する。窒化アルミニウム板は窒化アルミニウム粉
末に酸化イットリウム粉末２〜４重量％配合しドクター
ブレード法を用いて成形した成型体を１８５０℃〜１９
００℃で窒素雰囲気中で焼成して、熱伝導率１５０Ｗ／
（ｍ・Ｋ）、相対密度９９．９％の焼結体を得た。長さ
６０ｍｍ、幅３０ｍｍ、厚み０．６３５ｍｍとした。
銀、銅及びジルコニウムの各金属粉末を、銀粉末７５重
量部、銅粉末２５重量部にジルコニウム粉末１５重量部
及びテルピネヲ−ル１５重量部と有機結合材としてポリ
イソブチルメタアクリレ−トのトルエン溶液を固形分で
１．５重量部加えてよく混練し、ろう材ペ−ストを調整
した。このろう材ペ−ストを窒化アルミニウム板の両面
にスクリ−ン印刷によって全面塗布した。その際の塗布
量は（乾燥後）６〜８ｍｇ／ｃｍ２とした。 【００１６】次に、ろう材ペ−ストを塗布した窒化アル
ミニウム基板の両面に銅板（厚み：金属回路用銅板０．
３ｍｍ、金属放熱用銅板０．１５ｍｍ）を接触配置し炉
に投入し、１×１０−４ｔｏｒｒの真空下、温度９００
℃で３０分加熱した後、２℃／ｍｉｎ．の降温速度で冷
却して接合体を製造した。 【００１７】次いで、この接合体の銅板上に紫外線硬化
タイプのエッチングレジストをスクリ−ン印刷法により
パターン印刷し、塩化第２銅溶液を用いて不要銅部分を
溶解除去し、さらにパターン外に残った不要ろう材や反
応生成物を、６０℃、１０％弗化アンモニウム溶液で溶
解除去した。この後、５％苛性ソ−ダ溶液でエッチング
レジストを剥離し、第１図に示す形状の回路基板を得
た。これに、無電解Ｎｉ−Ｐメッキ処理を施し、銅回路
部分に厚さ３μｍのメッキ膜を形成させた。 【００１８】これらの回路基板の銅回路のうち図２に示
す電極取り付け部に銅回路外周からの距離を種々変えて
ハンダ塗布部分を残して熱硬化型ハンダレジストをスク
リーン印刷法により形成した。これらの回路基板を厚み
３ｍｍのヒートシンク銅板に錫−鉛−アンチモン系ハン
ダを用いて２５０〜２８０゜Ｃで接合したのち、底面４
ｍｍ×６ｍｍで厚み１ｍｍのＬ字形状の銅製の電極を銅
回路の電極取り付け部に錫−鉛系のハンダを用いて１６
０〜１９０℃で接合して試験用の模擬モジュールを作製
した。このモジュールを用いてヒートサイクル試験を実
施した。ヒートサイクル試験はＪＩＳ−Ｃ−００２５温
度変化試験方法に準拠して、−４０℃で３０分間保持
し、＋１２５℃で３０分間加熱する加熱冷却操作を１サ
イクルとして２００サイクル実施した。試験後に電極取
り付け部付近の銅回路と窒化アルミニウム基板との剥離
の有無を評価した。剥離状態は超音波検査装置を用いて
行ない、剥離した基板の数の割合を剥離発生率％として
算出した。電極取り付け部のハンダから銅回路外周まで
の距離と剥離発生率との関係を表１にまとめて示した。 【００１９】 【表１】 【００２０】表１から明らかなように窒化アルミニウム
回路基板において、銅回路外周からハンダまでの距離が
０．４ｍｍ以上であると顕著にヒートサイクル性が改善
されることがわかる。 【００２１】 【発明の効果】以上本発明の窒化アルミニウム回路基板
を用いることにより、回路の剥離がなく高信頼性のパワ
ーモジュールを製造することが出来る。 【００２２】
性を要する電子部品のパワーモジュール等に使用される
金属回路を有する窒化アルミニウム回路基板に関する。 【０００２】 【従来の技術】従来から各種電子機器の構成部品とし
て、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（Ａｌ
Ｎ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）などのセラミックス焼
結体基板表面に導電層として銅（Ｃｕ）回路板等を一体
に接合した回路基板が広く使用されている。 【０００３】回路基板は、熱伝導性および電気伝導性に
優れた銅等の金属により回路板を形成しているため、回
路動作の遅延が減少するとともに回路配線の寿命も向上
する。また、一般に回路板の表面はＮｉ系などのメッキ
層が施されており、更に半導体素子（ＩＣチップ）や電
極を取り付けるための接合材としてハンダ膜が形成され
る。 【０００４】ハンダ膜は使用中の熱応力等によりハンダ
膜自体にクラックが発生するという問題があった。これ
に対し、特開昭５６−１６７３９４では、アルミナ基板
を用いた回路基板の電極取り付け部表面に形成されたハ
ンダ部分の端部からハンダ自身にクラックが発生するこ
とを防止するため、電極取り付け部の周縁部を除いてハ
ンダペーストを塗布する方法が提案されている。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら窒化アル
ミニウム回路基板の場合、金属回路上の電極取り付け部
及び半導体素子取り付け部等のハンダにクラックが発生
して電極又は半導体素子が取れるという問題よりも、ハ
ンダの剥がれに問題のない場合でも電極又は半導体の取
り付け部付近の窒化アルミニウム板自体にクラックが発
生して取り付け部の金属回路が窒化アルミニウム板から
剥離したり、絶縁破壊に至るという窒化アルミニウム回
路基板特有の課題が依然として残されていた。 【０００６】本発明は、上記状況に鑑みてなされたもの
であり、取り付け部周囲の窒化アルミニウム基板に発生
する応力を低減し、クラック発生を抑制し信頼性の高い
パワーモジュール用窒化アルミニウム回路基板を提供す
ることを目的とする。 【０００７】 【課題を解決するための手段】本発明者らは、窒化アル
ミニウム回路基板について銅回路の取り付け部表面に乗
せるハンダの位置を種々検討した結果、ハンダの端から
銅回路の外周までの距離が窒化アルミニウム板と銅回路
の剥離に顕著な相関があることを見出し本発明を完成し
た。 【０００８】すなわち本発明は、銅回路を設けてなる窒
化アルミニウム回路基板であって、銅回路の外周と銅回
路表面のハンダとの距離が０．４ｍｍ以上であることを
特徴とする窒化アルミニウム回路基板である。 【０００９】 【発明の実施の形態】以下、さらに詳しく本発明につい
て説明する。窒化アルミニウム板として特に制限はない
が、良好な放熱性を示すためには、熱伝導率が８０Ｗ／
ｍＫ以上のものが適している。また、曲げ強さについて
は、回路基板形成後の強さに影響を及ぼすため３５０Ｍ
Ｐａ以上のものが適当である。また、窒化アルミニウム
板の形状は通常矩形であることが多いが、形状は用途に
よって適宜選択されるものであり、本発明は形状によっ
て何ら制限を受けるものではない。 【００１０】窒化アルミニウム板の厚みは、要求される
回路基板の強さによって異なるが、通常、０．３ｍｍか
ら１．５ｍｍのものが使われる。窒化アルミニウム板に
形成される金属回路及び金属放熱板の材質は、銅、ニッ
ケル、アルミニウム、モリブデン、タングステン等の純
金属もしくは合金が用いられる。その金属回路又は金属
放熱板の厚みは０．１〜２．０ｍｍが使われる。 【００１１】接合する銅回路の厚みは極めて重要で、
０．０７５ｍｍ程度の厚みでは、活性金属法による接合
の場合、接合時に若干の荷重をかけるため、銅板の膨張
が妨げられ、銅板にシワを生じることがあり、量産性に
欠けるという問題がある。従って、０．１ｍｍ以上のも
のを用いるのが好ましいが、あまり厚くなると、接合金
属板による熱応力によって、銅回路の剥離や窒化アルミ
ニウム板にクラックが発生するようになり、０．２ｍｍ
以下とするのが好ましい。 【００１２】銅回路の表面は、回路の腐食保護とハンダ
との接合性改良の為、Ｎｉメッキ等を行うのが一般的で
ある。さらに、窒化アルミニウム回路基板をパワーモジ
ュールに実装する場合、熱処理を施してヒートシンク銅
板へハンダで接合する。この際、比較的高温のハンダが
使用される。さらに半導体チップや電極が回路基板の銅
回路部にハンダで接合される。この接合にはヒートシン
ク銅板の接合に用いたハンダよりも低温のハンダが使用
される。さらに、樹脂封止やケーシング工程を経てモジ
ュール化される。 【００１３】図１は回路基板の回路面側から見た平面図
であり、銅回路のパターンを代表例として示したもので
ある。一般に電極取り付け部は、半導体素子の取り付け
部に比較して、回路端部に配置されるため、基板に応力
を与える影響が大きく、窒化アルミニウム基板のクラッ
ク及び、銅回路の剥離は電極取り付け部で発生しやすい
傾向がある。ここで本発明に云う銅回路の外周とハンダ
との距離とは図２，図３の７に示す距離を云う。すなわ
ち銅回路の外周のなす線と銅回路上のハンダの外周のな
す線との最短距離である。 【００１４】本発明において重要なことは、銅回路の外
周とハンダとの距離が０．３ｍｍ以上であることであ
る。この距離が０．３ｍｍ未満では発生応力低減効果が
少なく、クラックの発生率が大きくなり好ましくない。
好ましくは０．４ｍｍ以上である。一方上限については
特に制限はないが、１ｍｍを越えて大きくしても発生応
力低減効果がそれ以上大きくならず、また小型化の要請
に反するため好ましくない。したがって、この距離は
０．３ｍｍ以上１ｍｍ以下であり、さらに好ましくは
０．４ｍｍ以上１ｍｍ以下である。 【００１５】 【実施例】以下、実施例と比較例をあげてさらに具体的
に説明する。窒化アルミニウム板は窒化アルミニウム粉
末に酸化イットリウム粉末２〜４重量％配合しドクター
ブレード法を用いて成形した成型体を１８５０℃〜１９
００℃で窒素雰囲気中で焼成して、熱伝導率１５０Ｗ／
（ｍ・Ｋ）、相対密度９９．９％の焼結体を得た。長さ
６０ｍｍ、幅３０ｍｍ、厚み０．６３５ｍｍとした。
銀、銅及びジルコニウムの各金属粉末を、銀粉末７５重
量部、銅粉末２５重量部にジルコニウム粉末１５重量部
及びテルピネヲ−ル１５重量部と有機結合材としてポリ
イソブチルメタアクリレ−トのトルエン溶液を固形分で
１．５重量部加えてよく混練し、ろう材ペ−ストを調整
した。このろう材ペ−ストを窒化アルミニウム板の両面
にスクリ−ン印刷によって全面塗布した。その際の塗布
量は（乾燥後）６〜８ｍｇ／ｃｍ２とした。 【００１６】次に、ろう材ペ−ストを塗布した窒化アル
ミニウム基板の両面に銅板（厚み：金属回路用銅板０．
３ｍｍ、金属放熱用銅板０．１５ｍｍ）を接触配置し炉
に投入し、１×１０−４ｔｏｒｒの真空下、温度９００
℃で３０分加熱した後、２℃／ｍｉｎ．の降温速度で冷
却して接合体を製造した。 【００１７】次いで、この接合体の銅板上に紫外線硬化
タイプのエッチングレジストをスクリ−ン印刷法により
パターン印刷し、塩化第２銅溶液を用いて不要銅部分を
溶解除去し、さらにパターン外に残った不要ろう材や反
応生成物を、６０℃、１０％弗化アンモニウム溶液で溶
解除去した。この後、５％苛性ソ−ダ溶液でエッチング
レジストを剥離し、第１図に示す形状の回路基板を得
た。これに、無電解Ｎｉ−Ｐメッキ処理を施し、銅回路
部分に厚さ３μｍのメッキ膜を形成させた。 【００１８】これらの回路基板の銅回路のうち図２に示
す電極取り付け部に銅回路外周からの距離を種々変えて
ハンダ塗布部分を残して熱硬化型ハンダレジストをスク
リーン印刷法により形成した。これらの回路基板を厚み
３ｍｍのヒートシンク銅板に錫−鉛−アンチモン系ハン
ダを用いて２５０〜２８０゜Ｃで接合したのち、底面４
ｍｍ×６ｍｍで厚み１ｍｍのＬ字形状の銅製の電極を銅
回路の電極取り付け部に錫−鉛系のハンダを用いて１６
０〜１９０℃で接合して試験用の模擬モジュールを作製
した。このモジュールを用いてヒートサイクル試験を実
施した。ヒートサイクル試験はＪＩＳ−Ｃ−００２５温
度変化試験方法に準拠して、−４０℃で３０分間保持
し、＋１２５℃で３０分間加熱する加熱冷却操作を１サ
イクルとして２００サイクル実施した。試験後に電極取
り付け部付近の銅回路と窒化アルミニウム基板との剥離
の有無を評価した。剥離状態は超音波検査装置を用いて
行ない、剥離した基板の数の割合を剥離発生率％として
算出した。電極取り付け部のハンダから銅回路外周まで
の距離と剥離発生率との関係を表１にまとめて示した。 【００１９】 【表１】 【００２０】表１から明らかなように窒化アルミニウム
回路基板において、銅回路外周からハンダまでの距離が
０．４ｍｍ以上であると顕著にヒートサイクル性が改善
されることがわかる。 【００２１】 【発明の効果】以上本発明の窒化アルミニウム回路基板
を用いることにより、回路の剥離がなく高信頼性のパワ
ーモジュールを製造することが出来る。 【００２２】
【図面の簡単な説明】
【図１】回路パターン
【図２】平面図：電極取り付け部のハンダと銅回路外周
との距離 【図３】図２の側面拡大図 【符号の説明】 １：窒化アルミニウム板 ２：銅回路板 ３：ハンダ ４：銅回路外周とハンダとの距離
との距離 【図３】図２の側面拡大図 【符号の説明】 １：窒化アルミニウム板 ２：銅回路板 ３：ハンダ ４：銅回路外周とハンダとの距離
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 昭62−111452（ＪＰ，Ａ)
特開 平７−297530（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−136565（ＪＰ，Ａ)
特開 昭63−64397（ＪＰ，Ａ)
実開 昭63−61181（ＪＰ，Ｕ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H05K 3/00 - 3/34
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】銅回路を活性金属法により設けてなる厚み
０．３ｍｍ以上１．５ｍｍ以下の窒化アルミニウム回路
基板であって、銅回路の外周と銅回路上のハンダとの距
離が０．４ｍｍ以上であり、且つ、ヒートサイクル試験
後の銅回路と窒化アルミニウム基板との剥離発生率が０
％であることを特徴とする窒化アルミニウム回路基板。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33671996A JP3526711B2 (ja) | 1996-12-17 | 1996-12-17 | 窒化アルミニウム回路基板 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33671996A JP3526711B2 (ja) | 1996-12-17 | 1996-12-17 | 窒化アルミニウム回路基板 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10178259A JPH10178259A (ja) | 1998-06-30 |
| JP3526711B2 true JP3526711B2 (ja) | 2004-05-17 |
Family
ID=18302089
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP33671996A Expired - Fee Related JP3526711B2 (ja) | 1996-12-17 | 1996-12-17 | 窒化アルミニウム回路基板 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3526711B2 (ja) |
-
1996
- 1996-12-17 JP JP33671996A patent/JP3526711B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH10178259A (ja) | 1998-06-30 |
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