JP3871680B2

JP3871680B2 - セラミック基板、セラミック回路基板およびそれを用いた電力制御部品。

Info

Publication number: JP3871680B2
Application number: JP2004129158A
Authority: JP
Inventors: 誠福田; 信行吉野
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2004-04-26
Filing date: 2004-04-26
Publication date: 2007-01-24
Anticipated expiration: 2024-04-26
Also published as: JP2005307316A

Description

本発明は、高い信頼性を有するセラミックス基板、セラミック回路基板およびそれを用いた電力制御部品に関する。

パワーモジュール等に利用される回路用基板として、熱伝導率やコスト、安全性等の点から、アルミナ、ベリリア、窒化ケイ素、窒化アルミニウム等のセラミック基板が利用されている。これらのセラミック基板は、ＣｕやＡｌ等の金属回路や放熱板を接合し回路基板として用いられる。これらは、樹脂基板や樹脂層を絶縁材とする金属基板に対し、高い絶縁性が安定して得られる点が特長である。

近年、パワーモジュールは、従来のエレベーター，無停電電源装置，産業機械等の分野に加えて、より高い信頼性が求められる電気鉄道用途やハイブリッドカー等に使用されるようになった。特に、電気鉄道用途の場合、従来の使用電圧である（１〜３ｋＶ）に対して、（６〜９ｋＶ）というように、高電圧化が進んでいる。これに伴い、本用途に使用されるセラミック回路基板に対して、十分な耐久性が要求されている。

高電圧に対するセラミック回路基板の絶縁性については、セラミック基板の厚みを厚くすることや、金属回路形状を工夫することによって対応可能であるが、高電圧を印可することによって生じる部分放電電荷量の増加や金属回路表面部分からの放電については、有効な対策が見出されていない。部分放電電荷量が増大すると、その部分で局所的な材料劣化が起こり、最終的には絶縁破壊に至る場合があるので、その解決が急務となっている。沿面距離を長く取れば解決できるが、回路基板のサイズが大きくなるという課題がある。そこで、セラミック回路基板の金属回路とセラミック基板の材質、金属回路の形状等が鋭意検討されているが、十分な解決策が見い出されていないのが現状である。

一方、パワーモジュール用回路基板の耐ヒートサイクル性を向上させるため、接合層のはみ出し部分を比較的長くする提案がある（特許文献１）。しかしながら、接合層のはみ出し部分を長くすると、耐ヒートサイクル性は向上するものの、部分放電特性は低下するという問題がある。また、回路導体を銅より柔らかいアルミニウムにすることで信頼性を向上させる方法が提案されているが（特許文献２）、自動車電装等の高信頼性用途に関しては未だ不十分である。
特開平１０−４１５６号公報特開平４−１２５５４号公報

本発明の目的は、上記課題に鑑み、絶縁性および耐ヒートサイクル性に優れ、かつ、部分放電特性にも優れた高い信頼性を有するセラミックス基板、セラミック回路基板およびその製造方法を提供することである。

即ち、本発明は、セラミック板の両主面にアルミニウム板を接合してなるセラミック基板において、このアルミニウム板にめっき処理が施され、めっき皮膜がこのセラミック板に接触しないことを特徴とするセラミック基板であり、アルミニウム板側面にめっき皮膜が形成されないことを特徴とする該セラミック基板であり、該セラミック基板の一主面に、回路パターンを形成してなるセラミック回路基板である。

さらに、セラミック板とアルミニウム板とを接合してなるセラミック基板において、このアルミニウム板上にめっき皮膜を部分的に形成した後、エッチングにて回路パターンを形成することを特徴とするセラミック回路基板の製造方法であり、該セラミック回路基板において、回路パターンの裏側の主面をベース板にはんだ付けしてなる電力制御部品であり、セラミック回路基板とベース板を接合するはんだ層が、セラミック回路基板のアルミニウム板側面に接触しないことを特徴とする該電力制御部品であり、セラミック回路基板上に半導体デバイスを搭載してなることを特徴とする該電力制御部品である。

本発明によれば、絶縁性および耐ヒートサイクル性に優れ、かつ、部分放電特性にも優れた高い信頼性を有するセラミック基板、セラミック回路基板およびその製造方法が提供される。

本発明者は、鋭意検討を行った結果、セラミック板の両主面にアルミニウム板を接合してなるセラミック基板において、このアルミニウム板にめっき処理が施され、めっき皮膜がこのセラミック板に接触しないこと、さらに、アルミニウム板側面にめっき皮膜が形成されないことにより、絶縁性および耐ヒートサイクル性に優れ、かつ、部分放電特性にも優れた高い信頼性を有するセラミック基板、セラミック回路基板が製造できることを見出した。

セラミック板とアルミニウム板とを接合してなるセラミック基板は、エッチング等の処理を行い、回路を形成した後、はんだ付けやワイヤーボンディングが可能なように、アルミニウム板上に、めっき処理が施される。そして、このセラミック回路基板上に、半導体素子や、電子部品、ベース板等が取り付けられて電力制御部品として使用される。

めっき面を介して、ベース板や半導体素子等と該セラミックス回路基板がはんだ付けされるが、従来の方法では、めっき皮膜がアルミニウム板の側面にも形成されるため、はんだ層がアルミニウム板側面まで被覆する。この状態でヒートサイクル試験を行うと、ベース板とセラミック板との熱膨張率の差により応力が発生し、アルミ板がセラミックス板より剥がれたり、セラミック板に亀裂が入ったり、はんだ層に亀裂が入ったりする場合がある。これは、セラミック回路基板のアルミニウム板側面まではんだ層で被覆されるため、アルミニウム板の応力緩和機能が十分発現されないためである。

そこで、発明者らは鋭意検討した結果、めっき皮膜がこのセラミック板に接触しない、さらには、アルミニウム板側面にめっき皮膜が形成されないようにセラミック回路基板を作製することにより、絶縁性および耐ヒートサイクル性に優れ、かつ、部分放電特性にも優れた高い信頼性を有することを見出した。

本発明に係るセラミック回路基板の製造方法は特に限定されるものではなく、例えば、次の方法で作製することができる。

セラミック板とアルミニウム板とを接合してなるセラミック基板において、セラミック基板の両主面に所望のパターンのめっきレジストを塗布し、めっき処理を施してめっき皮膜を形成する。次に、めっきレジストを除去し、めっき面と同等もしくは広い面積にエッチングレジストを塗布し、エッチングにて回路パターンを形成して、セラミック回路基板を作製する。この方法により、アルミニウム板側面にめっき皮膜が形成されないセラミック回路基板が得られる。

セラミック板は特に限定されないが、熱伝導性、強度等の観点より、窒化アルミニウム板、または窒化珪素板が好ましい。また、その厚みは使用目的により異なるが、０．３〜３．０ｍｍ程度のものが一般的である。

アルミニウム板の厚みは特に限定されないが、流れる電流に応じて適宜決められる。一般に、０．１〜０．５ｍｍのものが用いられることが多い。アルミニウム板の純度は、９０％以上であることが好ましい。純度が９０％より低いと、アルミニウム板とろう材との反応が不十分であったり、アルミニウムが硬くなりセラミック回路基板の信頼性が低下する場合がある。

セラミック板とアルミニウム板の接合は、一般に、接合材を用いない溶湯法、活性金属ろう付け法のいずれをも採用することができるが、生産性が良く、しかも比較的低温で接合ができる活性金属ろう付け法が好ましい。
Si、Mg、Cu、Al、Ge、Ag、Tiなどの金属合金がろう材として用いられるが、本発明ではＡｌ−Ｃｕ系合金、Ａｌ合金、Ｃｕ合金、Mg合金が好ましい。ろう材は、ペースト又は箔として用いられる。
ろう材は、セラミック板、又は、金属板もしくは金属回路のどちらに塗布、或いは配置してもよく、合金箔を用いる場合は、予めアルミニウム板と合金箔をクラッド化しておくこともできる。

ろう材の塗布量は、乾燥基準で５〜２０ｍｇ／ｃｍ^２が好ましい。塗布量が５ｍｇ／ｃｍ^２未満では未反応の部分が生じる場合があり、一方、２０ｍｇ／ｃｍ^２を超えると、接合層を除去する時間が長くなり生産性が低下する場合がある。塗布方法は特に限定されず、スクリーン印刷法、ロールコーター法等の公知の塗布方法を採用できる。

本発明において、めっきレジストは特に限定されず、溶剤乾燥タイプインク、ＵＶ硬化タイプインク等が使用できる。塗布方法は特に限定されず、スクリーン印刷法、ロールコーター法等の公知の塗布方法を採用できる。塗布厚は、乾燥後で0.005〜0.07ｍｍの厚みとなるように塗布することが望ましい。厚みが0.005ｍｍより薄いと、部分的にアルミニウムが表出してしまう場合があり、一方、0.07ｍｍより厚いと、めっきレジストの除去に時間がかかり、生産性が低下する場合がある。

めっき処理は、特に限定されないが、作業性、コスト等の面から、無電解ニッケルめっき、無電解ニッケル金めっき、はんだめっきが好ましい。なお、めっき層の厚みは特に限定されないが、２〜８μｍが望ましい。めっき厚が、２μｍ未満であると、はんだ濡れ性、ワイヤーボンディング特性等の実装特性に悪影響を与える場合がある。一方、めっき厚みが８μｍを超えると、めっき被膜の剥がれ等により基板特性に悪影響を及ぼす場合がある。

めっきレジストの除去方法は特に限定されず、例えば、エタノールやトルエンのような有機溶剤を用いて除去する方法や、アルカリ水溶液に浸浸させる方法が挙げられる。

セラミック回路基板を作製するには、アルミニウム板にエッチングレジストを塗布しエッチングする。エッチングレジストは特に限定されず、例えば、紫外線硬化型や熱硬化型のものが挙げられる。また、エッチング液としては、塩化第２鉄溶液、塩化第２銅液、硫酸、過酸化水素水等の溶液が使用できるが、好ましいものとして、塩化第２鉄溶液、或いは塩化第２銅溶液が挙げられる。

エッチングによって不要な金属部分が除去されたセラミック回路基板には、塗布したろう材、その合金層および窒化物層等が残っているので、ハロゲン化アンモニウム水溶液、硫酸、硝酸等の無機酸、過酸化水素水を含む溶液を用いて、それらを除去するのが一般的である。

このようにして作製されたセラミック回路基板は、はんだによりベース板や半導体素子等の電子部品と接合される。はんだの種類は特に限定されないが、通常、錫、鉛、銀、ビスマス等が用いられる。はんだ付け方法は特に限定されないが、例えば、はんだペーストをスクリーン印刷法等で所定の部分に塗布し、部品等を搭載し、はんだが溶融する所定の温度の炉内にいれることではんだ付けされる。はんだ層は、セラミック回路基板のアルミニウム板側面に接触しない方が、セラミック回路基板の信頼性の点で好ましい。

（実験Ｎｏ．１，５）
厚み０．６３５ｍｍ窒化アルミニウム板の両主面に接合材を介して厚さ0.4mmのアルミニウム板を重ね、クッション材としてカーボンコンポジット板(厚さ２mm)に挟んで、ホットプレス装置により、窒化アルミニウム基板に垂直方向に均等に２ＭＰａで加圧しながら、Ｎ2中で５５０〜６２０℃に加熱、接合した。この接合体のアルミニウム板上に、めっきレジストをスクリーン印刷法でめっき保護箇所に塗布した後、めっき厚みが５μｍとなるように無電解ニッケルめっきを行った。その後、めっきレジストをエタノールで洗浄して除去し、回路面側の主面に、めっき面と同等にエッチングレジストパターンを印刷して、塩化鉄水溶液を用いてエッチングを行い、アルミニウム回路を形成した。得られたアルミニウム回路上に半導体素子、反対側の主面のアルミニウム板にベース板をはんだ付けし、絶縁性、耐ヒートサイクル性、部分放電性の評価を行った。結果を表１に示す。

〈使用材料〉
窒化アルミニウム板：電気化学工業社製商品名「デンカＡＮプレート」
接合材：Ａｌ／９．５質量％Ｓｉ／１質量％Ｍｇ合金箔。
アルミニウム板：ＪＩＳＡ１０８５材。
めっきレジスト：太陽インキ製造社製商品名「ＭＡ−８３０」
ベース板：厚み５ｍｍの銅板（JIS C1020）の表面に、ニッケルめっきを施したもの。
めっき：千住金属社製共晶はんだ（OZ63-221CM5-42-10）。

〈評価方法〉
絶縁性：回路側と放熱板側に、電圧を印可し絶縁破壊電圧を調べた。
耐ヒートサイクル性：（−４０℃、３０分→室温、１０分→125℃、３０分）を１サイクルとし、５０００サイクルの熱履歴を供試体に負荷し、膨れ、剥がれ等の外観異常のチェック、並びに、回路及び放熱板を溶解除去してセラミック板にクラックがないかインクテストを行った。表１の数値は、供試体１００個中、外観異常・クラック発生の認められた供試体数を示す。
部分放電性：回路側と放熱板側に、絶縁油中でAC１０kVの電圧を印可し、部分放電開始電圧を部分放電測定機（総研電気製「DAC−６０１８」）にて測定した。

（実験Ｎｏ．２〜４）
アルミニウム回路形成後にめっき処理したこと以外は、実施例１と同様に行った。結果を表１に示す

従来及び本願発明によるセラミック基板の説明図

Claims

セラミック板の両主面にアルミニウム板を接合してなるセラミック基板において、このアルミニウム板にめっき処理が施され、めっき皮膜がこのセラミック板に接触しないことを特徴とするセラミック基板。
アルミニウム板側面にめっき皮膜が形成されないことを特徴とする請求項１記載のセラミック基板。
請求項１または２記載のセラミック基板の一主面に、回路パターンを形成してなるセラミック回路基板。
請求項３記載のセラミック回路基板において、回路パターンの裏側の主面をベース板にはんだ付けしてなる電力制御部品。
セラミック回路基板とベース板を接合するはんだ層が、セラミック回路基板のアルミニウム板側面に接触しないことを特徴とする請求項４記載の電力制御部品。
セラミック回路基板上に半導体デバイスを搭載してなることを特徴とする請求項４または５記載の電力制御部品。