JP3537320B2 - 回路基板 - Google Patents

回路基板

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好彦 辻村
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、セラミックス基板
に銅回路と放熱銅板とが設けられてなる回路基板の改良
に関するものであって、回路基板の信頼性を向上するこ
とを目的とするものである。本発明の回路基板は、電子
部品のパワーモジュール等の組立に好適なものである。
【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パワ
ー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、パワー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、
その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Ｎｉ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】このようなモジュールは、当初、簡単な工
作機械に使用されてきたが、ここ数年、溶接機、電車の
駆動部、電気自動車に使用されるようになり、より厳し
い環境条件下における耐久性と更なる小型化が要求され
るようになってきた。そこで、セラミックス基板に対し
ても、電流密度を上げるための金属回路厚の増加、熱衝
撃等に対する耐久性の向上が要求され、セラミックス焼
結体の新たな製造研究により対応している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従来、汎用されている
回路基板は、アルミナ基板又は窒化アルミニウム基板の
一方の面に銅回路、他方の面に放熱銅板を形成させてな
る構造のものである。このような回路基板は、銅とセラ
ミックスの熱膨張係数が異なるため、熱衝撃が繰り返し
受けるとセラミックスと銅との接合端面に熱応力がかか
り、銅回路又は放熱銅板が剥離したり、セラミックス基
板が割れたりするなどの問題がある。
【０００５】この問題を解決する手段の一つとして、銅
回路と放熱銅板の厚みを変えて、熱サイクル時に熱応力
のかかる方向へ基板を反らせることにより、セラミック
ス基板のクラックや、銅回路又は放熱銅板の剥離に対す
る信頼性を向上させる方法がある。
【０００６】しかし、銅回路と放熱銅板の厚みを変えた
場合、モジュール組立において回路基板とベース銅板と
を半田付けする際、回路基板の反りにより溶融した半田
が均一に塗れ拡がらないことから、半田ボイドが発生
し、熱サイクル時に半田クラックが生じやすくなるとい
う問題があった。
【０００７】本発明は、上記に鑑みてなされたものであ
り、熱履歴を受けたときに発生する反りが小さい高信頼
性の回路基板を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【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銅回路、他方の面に放熱銅
板が、それぞれ活性金属成分を含むろう材を用いて接合
されてなるものにおいて、銅回路に対する放熱銅板の体
積率が３０〜９０％であり、放熱銅板側の接合層の厚み
が銅回路側よりも１０μｍ以上厚くなっていることを特
徴とする回路基板である。また、本発明は、上記回路基
板において、銅回路に対する放熱銅板の体積率が３０〜
９０％であり、空気中で３５０℃×５分、２５℃×５分
を１サイクルとする通炉試験を５回行った後のＪＩＳ
Ｂ ０６２１に従う平面度が１００μｍ以下であること
を特徴とする回路基板である。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下、更に詳しく本発明について
説明すると、回路基板は、モジュールを組み立てる際
に、Ｓｉチップ、ベース銅板の半田付け、シリコーンゲ
ル、エポキシ樹脂の硬化等によって、４〜５回程度の熱
履歴を受ける。熱処理の温度は、使用する半田の種類及
び前工程で使用された半田が溶融しないように調整さ
れ、最高で３５０℃程度となる。ここで、銅回路と放熱
銅板の体積が異なる場合、熱処理によって発生する熱応
力が異なるために回路基板に反りが生じ、溶融した半田
が均一に拡がらずに半田ボイドの原因となっている。
【００１０】このような半田ボイドを防ぐためには、銅
回路と放熱銅板の体積を等しくすればよいが、そうした
場合には発生する熱応力に耐えきれずセラミックス基板
にクラックが発生したり、銅回路が剥離してしまい、熱
サイクル時の信頼性が大きく低下する。
【００１１】そこで、銅回路と放熱銅板の体積が異なる
回路基板において、熱サイクル時の反りを低減させるた
めには、発生する熱応力差を小さくすればよい。本発明
者らは、セラミックス基板と銅板の接合時に形成される
接合層の厚みを銅回路よりも放熱銅板の方を１０μｍ以
上厚くすることにより、発生する熱応力差を小さくする
ことができることを見いだした。
【００１２】高純度の無酸素銅は、加熱処理すると柔ら
かくなり塑性変形しやすいが、これに対し、接合層は比
較的硬く、塑性変形しづらい。したがって、接合層を厚
みにより、回路基板全体の剛性は大きく変化する。
【００１３】本発明において、銅回路側と放熱銅板側に
形成される接合層の厚みを変えるには、セラミックス基
板及び／又は銅板に塗布されるろう材ペーストの塗布量
を変化させることによって行うことができる。そして、
銅回路に対する銅放熱板の体積率が３０〜９０％である
回路基板に対し、銅回路側よりも放熱銅板側の接合層の
厚みを１０μｍ以上厚くすることによって、空気中で３
５０℃×５分、２５℃×５分を１サイクルとする通炉試
験を５回行った後のＪＩＳ Ｂ ０６２１に従う平面度
が１００μｍ以下と小さく抑えることができる。また、
抗折強度も２５ｋｇｆ／ｍｍ2以上と本来の高信頼性を
保ったものとなる。なお、銅回路側に形成される接合層
の厚みとしては１０〜２０μｍ程度が望ましい。
【００１４】本発明で使用されるセラミックス基板の材
質としては、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、アルミナ
等であるが、パワーモジュールには窒化アルミニウムが
適している。窒化アルミニウム基板の厚みとしては、厚
すぎると熱抵抗が大きくなり、薄すぎると耐久性がなく
なるため、０．５〜０．８ｍｍ程度が好ましい。
【００１５】セラミックス基板の表面性状は重要であ
り、微少な欠陥や窪み等は、銅回路、放熱銅板あるいは
それらの前駆体である銅板をセラミックス基板に接合す
る際に悪影響を与えるため平滑であることが望ましい。
従って、セラミックス基板は、ホーニング処理や機械加
工等による研磨処理が施されていることが好ましい。
【００１６】銅回路及び放熱銅板を形成する銅の純度は
９９．５％以上が好ましく、厚みは１００〜５００μｍ
が好ましい。
【００１７】セラミックス基板に銅回路及び放熱銅板を
形成する方法としては、セラミックス基板と銅板との接
合体をエッチングする方法、銅板から打ち抜かれた回路
及び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ができ、これらの際における接合
方法としては、活性金属ろう付け法を用いる。
【００１８】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した
ものである。活性金属成分は、セラミックス基板と反応
して複合酸化物や複合窒化物等の化合物を生成し、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、バナジウムやこれらの化
合物である。本発明におけるこれらの比率としては、重
量割合で、銀６０〜１００部、銅０〜４０部の合計量１
００部あたり、活性金属１〜３０部である。
【００１９】接合温度としては７８０〜８３０℃が好ま
しく、保持時間は２０〜６０分が望ましい。温度が低
く、保持時間が短すぎる場合には、接合が不十分であ
り、逆に高温で保持時間が長すぎる場合には、金属板へ
のろう材成分の拡散が多すぎて金属板が硬くなり、耐ヒ
ートサイクル性が低下する。
【００２０】
【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。
【００２１】実施例１〜２ 重量割合で、Ａｇ粉末９０部、Ｃｕ粉末１０部、ＴｉＨ
2粉末３部、Ｚｒ粉末３部にテルピネオール１５部を配
合し、ポリイソブチルメタアクリレートのテルピネオー
ル溶液を加えて混練し、ろう材ペーストを調製した。そ
れを、窒化アルミニウム基板（サイズ：６０ｍｍ×３６
ｍｍ×０．６５ｍｍ 曲げ強さ：４０ｋｇ／ｍｍ2 熱伝
導率：１３５Ｗ／ｍＫ）の銅回路形成面には塗布量（乾
燥後）を９ｍｇ／ｃｍ2 とし、また放熱銅板形成面には
塗布量（乾燥後）を実施例１では１３ｍｇ／ｃｍ2 、実
施例２では１７ｍｇ／ｃｍ2 として、塗布した。
【００２２】次に、窒化アルミニウム基板の銅回路形成
面に、５６ｍｍ×３２ｍｍ×０．３ｍｍの銅回路パター
ンを、また放熱銅板形成面に５６ｍｍ×３２ｍｍ×０．
１５ｍｍの放熱銅板のパターンを接触配置してから、真
空度１×１０-5Ｔｏｒｒ以下の真空下、表１に示される
条件で加熱した後、６００℃まで急冷し、その後２℃／
分の降温速度で冷却して回路基板を作製した。
【００２３】比較例１ 窒化アルミニウム基板の両面のペースト塗布量を９ｍｇ
／ｃｍ2 としたこと以外は実施例１と同様にして回路基
板を作製した。
【００２４】比較例２ 放熱銅板の厚みを０．３０ｍｍとしたこと以外は比較例
１と同様にして回路基板を作製した。
【００２５】比較例３ 窒化アルミニウム基板の銅回路形成面にはろう材ペース
トの塗布量（乾燥後）を９ｍｇ／ｃｍ2 、放熱銅板形成
面には塗布量（乾燥後）を１１ｍｇ／ｃｍ2 にて塗布し
たこと以外は実施例１と同様にして回路基板を作製し
た。
【００２６】これら一連の処理を経て作製された回路基
板について、空気中、３５０℃×５分、２５℃×５分を
１サイクルとする通炉試験を５回行い、回路基板のＪＩ
ＳＢ ０６２１に従う平面度及び抗折強度を測定した。
また、耐ヒートサイクル性を評価するため、空気中、−
４０℃×３０分保持後、２５℃×１０分放置、更に１２
５℃×３０分保持後、２５℃×１０分放置を１サイクル
とした耐久性試験を行い、銅回路又は放熱銅板が剥離開
始したサイクル数を測定した。更には、銅回路及び放熱
銅板の接合層の厚みを、回路基板を切断後、断面を研磨
し、走査型電子顕微鏡で任意の５箇所で測定しその値を
平均した。それらの結果を表１に示す。
【００２７】
【表１】
【００２８】
【発明の効果】本発明によれば、熱履歴後の反りが少な
く、かつヒートサイクル性に優れた高信頼性の回路基板
が提供される。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 寺野 克典 福岡県大牟田市新開町１ 電気化学工業 株式会社 大牟田工場内 (56)参考文献 特開 平５−170564（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−86703（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−251491（ＪＰ，Ａ) 特開2000−31609（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C04B 37/02 H01L 23/12 - 23/15 H01L 23/36 H05K 1/02

Claims (2)

    (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銅回路、
    他方の面に放熱銅板が、それぞれ活性金属成分を含むろ
    う材を用いて接合されてなるものにおいて、銅回路に対
    する放熱銅板の体積率が３０〜９０％であり、放熱銅板
    側の接合層の厚みが銅回路側よりも１０μｍ以上厚くな
    っていることを特徴とする回路基板。
  2. 【請求項２】 セラミックス基板の一方の面に銅回路、
    他方の面に放熱銅板が形成されてなるものにおいて、銅
    回路に対する放熱銅板の体積率が３０〜９０％であり、
    空気中で３５０℃×５分、２５℃×５分を１サイクルと
    する通炉試験を５回行った後のＪＩＳ Ｂ ０６２１に
    従う平面度が１００μｍ以下であることを特徴とする請
    求項１記載の回路基板。
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