JP3932343B2 - 半導体用基板およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、高強度セラミック金属複合体からなる回路基板に関し、更に詳しくは自動車や電車等の基板として好適な高ヒートサイクル特性を有する高信頼性半導体用基板である。
従来より、パワーハイブリットICや大電力パワーモジュール等熱が大量に発生する電子部品の実装基板としては、導電回路を有するセラミック回路基板が広く用いられており、特に近年では、高熱電導率を有するAlNセラミック回路基板を製造するために、セラミック基板の製造・通電回路の形成などに様々な工夫がなされている。
このうちヒートサイクル特性を上げるための工夫として、特公平7−93326号公報、特開平1−59986号公報のように、回路基板を構成する金属板の端部が2段あるいは薄肉部を有する形状であったり、また本出願人による特公平7−77989号公報「セラミックスと金属の接合体の製造法」に開示するように、フィレット部を設けて端部の熱応力を緩和する方法は公知である。
これらの方法によって製造された基板は、従来の端部の段差がない基板に比較してヒートサイクル特性は向上し、数百サイクルまでクラックが発生していないことが報告されている。しかしながら近年、大電力用基板や自動車用基板としてはヒートサイクル特性が1500サイクル以上の高信頼性のものが要求されており、上記の方式ではこれらの要求を満たす基板の開発はなされていなかった。
特公平7−93326号公報 特開平1−59986号公報 特公平7−77989号公報
上述のように従来法においては、ヒートサイクル特性としてはせいぜい50〜数100サイクルが常識であったため、自動車や電車等の大電力パワーモジュール基板の実用化が難しかった。
本発明は、新規な製造手段を開発することによって、ヒートサイクル特性が1500サイクル以上の自動車や電車向けの大電力パワーモジュール基板を提供することを目的とする。
本発明者は、斯かる課題を解決するために鋭意研究したところ、回路基板の端部を3段以上とし、特定の背厚みや幅を設けることによって、ヒートサイクル特性が飛躍的に向上することを見いだし、本発明を提供することができた。
すなわち本発明は、第1に、セラミック基板と金属板とが活性金属ろう材で接合されてなる回路基板において、少なくとも回路側の導体回路端部が3段以上の段差を有する半導体用基板の導体回路端部において、最下段の厚さt1が導体総厚みの15%以下であることを特徴とする半導体用基板;第2に、セラミック基板と金属板とが直接接合されてなる回路基板において、少なくとも回路側の導体回路端部が3段以上の段差を有する半導体用基板の導体回路端部において、最下段の厚さt1が導体総厚みの15%以下であることを特徴とする半導体用基板;第3に、セラミック基板と金属板とが活性金属ろう材で接合されてなる回路基板において、少なくとも回路側の導体回路端部が3段以上の段差を有する半導体用基板の導体回路端部において、最下段の厚さと中段の厚さの合計(t1+t2)が導体総厚みの70%以下であることを特徴とする半導体用基板;第4に、セラミック基板と金属板とが直接接合されてなる回路基板において、少なくとも回路側の導体回路端部が3段以上の段差を有する半導体用基板の導体回路端部において、最下段の厚さと中段の厚さの合計(t1+t2)が導体総厚みの70%以下であることを特徴とする半導体用基板;第5に、セラミック基板と金属板とが活性金属ろう材で接合されてなる回路基板において、少なくとも回路側の導体回路端部が3段以上の段差を有し、最下段の厚さt1が導体総厚みの15%以下であり、最下段の厚さと中段の厚さの合計(t1+t2)が導体総厚みの70%以下であることを特徴とする半導体用基板;第6に、セラミック基板と金属板とが直接接合されてなる回路基板において、少なくとも回路側の導体回路端部が3段以上の段差を有し、最下段の厚さt1が導体総厚みの15%以下であり、最下段の厚さと中段の厚さの合計(t1+t2)が導体総厚みの70%以下であることを特徴とする半導体用基板;第7に、セラミック基板と金属板とが活性金属ろう材で接合されてなる回路基板において、少なくとも回路側の導体回路端部が3段以上の段差を有し、最下段の厚さt1が導体総厚みの15%以下であり、最下段の厚さと中段の厚さの合計(t1+t2)が導体総厚みの70%以下であり、且つ最下段の幅l1が5〜500μmであることを特徴とする半導体用基板;第8に、セラミック基板と金属板とが直接接合されてなる回路基板において、少なくとも回路側の導体回路端部が3段以上の段差を有し、最下段の厚さt1が導体総厚みの15%以下であり、最下段の厚さと中段の厚さの合計(t1+t2)が導体総厚みの70%以下であり、且つ最下段の幅l1が5〜500μmであることを特徴とする半導体用基板;第9に、最下段の幅と中段の幅の合計(l1+l2)が1mm以下であることを特徴とする上記第1〜8のいずれかに記載の半導体用基板;第10に、上記導体回路端部において、最下段が活性金属ろう材からなり、他の段が金属よりなることを特徴とする、上記第1、3、5、7または9に記載の半導体用基板;第11に、上記導体回路端部において、その全ての段が金属よりなることを特徴とする、上記第2、4、6、8または9に記載の半導体用基板;第12に、回路形成面の反対側の金属板端部が2段以上であることを特徴とする、上記第1〜11のいずれかに記載の半導体用基板;第13に、金属板を活性金属ろう材を用いてセラミック基板に接合した後、金属板上にエッチングレジストを塗布し、エッチング処理をして回路パターンを形成し、次に2回目のレジストを塗布してエッチング処理を施して銅回路板端部を2段とし、次に3回目のレジストを塗布してエッチング処理を施して銅回路板端部を3段とする工程を有することを特徴とする、回路側の導体回路端部が3段以上の段差を有する半導体用基板の製造方法;第14に、金属板をセラミック基板に直接接合した後、金属板上にエッチングレジストを塗布し、エッチング処理をして回路パターンを形成し、次に2回目のレジストを塗布してエッチング処理を施して銅回路板端部を2段とし、次に3回目のレジストを塗布してエッチング処理を施して銅回路板端部を3段とする工程を有することを特徴とする、回路側の導体回路端部が3段以上の段差を有する半導体用基板の製造方法;第15に、金属板を活性金属ろう材を用いてセラミック基板に接合した後、金属板上にエッチングレジストを塗布し、エッチング処理をして回路パターンを形成し、次に2回目のレジストを塗布してエッチング処理を施して銅回路板端部を2段とし、次に化学研磨液を用いて金属板部分のみを化学研磨し最下段(3段目)がろう材からなる段とする工程を有することを特徴とする、回路側の導体回路端部が3段以上の段差を有する半導体用基板の製造方法を提供するものである。
上述のように本発明に係る回路基板は、従来公知の段差を有する基板に比べ、その段差を少なくとも3段以上に形成することによってヒートサイクル特性を大幅に向上できるものであり、これにより従来は使用不可能だった自動車や電車等の大電力パワーモジュール基板として用いることができるものである。
本発明で使用するセラミック基板は、アルミナ基板や窒化アルミニウム・窒化ケイ素からなる窒化物セラミック基板であり、回路を形成する金属としては銅板を用いる。
本発明において3段以上の段差は次のような手段で作製した。すなわち活性金属ろう材を用いて銅板をセラミック基板に接合する方法(活性金属法)においては、セラミック基板としての窒化アルミニウムやアルミナ基板の両面に活性金属ろう材ペーストを全面塗布した上に、回路用銅板として厚さ0.3mmの銅板を、反対側には厚さ0.25mmの放熱用銅板を接触させ、真空炉内で850℃に加熱して接合させて接合体を得た。次いでこの接合体の銅板上にエッチングレジストを塗布し、塩化鉄溶液でエッチング処理をして回路パターンを形成した後不要なろう材を除去する。次に段差を形成するために2回目のレジストを塗布して、塩化鉄溶液でエッチング処理を施して銅回路板を2段とした。更に、端部を3段とするために、上記と同様に3回目のレジストを塗布して、塩化鉄溶液でエッチング処理を施して最下段にろう材が端部となる回路を形成した。この場合、エッチング条件によって1回目の端部としてはろう材のみを、あるいはろう材と銅板の2段からなる端部でそれぞれ任意の厚みを有する基板を得ることができる。
銅板をセラミック基板に直接接合する方法(直接接合法)においては、アルミナ基板の両面に回路用銅板としての厚さ0.3mmの銅板を、反対面には厚さ0.25mmの銅板を接触させて加熱炉中で1063℃に加熱して接合体を得た。次いで上記と同様にエッチングレジストを塗布し、塩化鉄溶液でエッチング処理をして回路パターンを形成した。次に段差を形成するために2回目のレジストを塗布して、塩化物溶液でエッチング処理を施して2段とした。更に、端部を3段とするために、上記と同様に3回目のレジストを塗布して、塩化鉄溶液でエッチング処理を施して回路用銅板に3段の端部を形成した。
上記のような方法で得た3段の端部を有する回路用基板のヒートサイクル特性を、+125℃で30分、−40℃で30分となるヒートサイクル条件下で調べたところ、従来品では得られなかった1500サイクル以上の結果を得ることができた。
本発明では、更にヒートサイクル特性を向上させるために回路用銅板ばかりでなく、反対面に接合した放熱板用の銅板の端部にも段差を設けたところ、上記ろう接合基板及び直接接合基板のいずれについても、ヒートサイクルが2000サイクル以上になってもクラックの発生が見られなかった。
以下、実施例をもって本発明の詳細を説明するが、本発明の範囲はこれらに限定されるものではない。
セラミック基板1として53×29×0.635mmのアルミナ基板を4枚用意し、この基板両面に厚さ0.3mmの回路用銅板3と厚さ0.25mmの放熱板4用の銅板とを接触させ、加熱炉内で1063℃にて加熱して直接接合した。
次いで回路状にエッチングレジストを塗布し、塩化鉄溶液でエッチング処理を行い、回路パターンを形成すると共に不要なろう材を除去した。
次いで回路面の端部に段差を形成するために、2回目のレジストを塗布しエッチング処理を行って2段目の段差を形成した。
更に端部を3段とするために、3回目のレジストを塗布し塩化鉄溶液でエッチング処理し、図1(A)(B)に示すように3段目の最下段部を有する回路基板としてそれぞれ2枚ずつ2組の基板を得た。
得られた2枚の(A)の3段からなる基板の厚さや幅については、最下段のt=20μm l=0.3mmであり、中段のt=0.1mm l=0.3mmであり、最上段のt=0.18mmであった。
他の形態として(B)に示すような3段からなる2枚の基板の厚さや幅については、最下段のt=40μm l=0.3mmであり、中段のt=0.13mm l=0.3mmであり、最上段のt=0.13mmであった。
得られた(A)(B)のうち各1枚ずつを選んで、+125℃で30分、−40℃で30分を1サイクルとするヒートサイクル試験を行ったところ、表1に示すように1500サイクルではクラックの発生が見られず、2000サイクルで微細なクラックが発生していた。
Figure 0003932343
上記実施例1で得た残りの(A)(B)各1枚ずつを用意し、回路形成面の反対側の放熱面が2段となるようにレジストを塗布し、エッチング処理を施して図2(A)(B)に示すように回路面が3段、放熱部が2段からなる2組の基板を得た。これらのヒートサイクル特性を実施例1と同様の方法で試験したところ、表1に併せて示したように2000サイクルでもクラックの発生が見られず、従来品に比較して格段のヒートサイクル特性を有することが分かった。
セラミック基板1として53×29×0.635mmの窒化アルミニウム基板を2枚用意し、この基板両面にAg71.0%、Cu16.5%、Ti2.0%、TiO 0.5%からなるろう材2のペーストを全面塗布し、その両面に厚さ0.3mmの回路用銅板3と厚さ0.25mmの放熱板4用の銅板とを接触させ、真空炉内で850℃にて加熱接合した。
次いで回路状にエッチングレジストを塗布し、塩化鉄溶液でエッチング処理を行い、回路パターンを形成すると共に不要なろう材を除去した。
次いで回路面の端部に段差を形成するために、2回目のレジストを塗布しエッチング処理を行って2段目の段差を形成した。
更に端部を3段とするために、化学研磨液を用いてCu部分のみを化学研磨し、図3(A)に示すように最下段の全部または一部がろう材からなる段を有する回路基板として2枚の基板を得た。
得られた2枚の(A)の3段からなる基板の厚さや幅については、最下段のt=20μm、l=0.3mm、中段のt=0.095mm、l=0.3mmであり、最上段のt=0.175mmであった。
得られた基板の1枚を、+125℃で30分、−40℃で30分を1サイクルとするヒートサイクル試験を行ったところ、表1に示すように1500サイクルではクラックの発生が見られず、2000サイクルで微細なクラックが発生していた。
セラミック基板1として53×29×0.635mmの窒化アルミニウム基板を2枚用意し、この基板両面にAg71.0%、Cu16.5%、Ti2.0%、TiO 0.5%からなるろう材2のペーストを全面塗布し、その両面に厚さ0.3mmの回路用銅板3と厚さ0.25mmの放熱板4用の銅板とを接触させ、真空炉内で850℃にて加熱接合した。
次いで回路状にエッチングレジストを塗布し、塩化鉄溶液でエッチング処理を行い、回路パターンを形成すると共に不要なろう材を除去した。
次いで回路面、放熱面に2回目のレジストを塗布し、エッチング処理を行って表・裏両面とも2段目の段差を形成した。
更に表側の回路面を3段とするために、化学研磨液を用いてCu部分のみを化学研磨し、図4に示すような回路面3段、放熱部2段からなる基板を得た。
これらのヒートサイクル特性を実施例3と同様の方法で試験したところ、表1に併せて示したように2000サイクルでもクラックの発生が見られず、従来品に比較して格段のヒートサイクル特性を有することがわかった。
比較例1
セラミック基板1として53×29×0.635mmの窒化アルミニウム基板と同じ大きさのアルミナ基板とを用意し、活性金属法では、窒化アルミニウム基板に実施例1において用いた活性金属ろう材2のペーストを全面塗布し、その両面に厚さ0.3mmの銅板と放熱板4としての厚さ0.25mmの銅板とを接触させて、真空炉内で850℃にて加熱接合し、一方、直接接合法では、セラミック基板1としてのアルミナ基板の両面に回路用基板3および放熱板4として同じ厚みの銅板を接触させたものを、加熱炉内で1063℃で加熱接合させた。
得られた接合基板の回路用銅板3にエッチングレジストを塗布し、塩化鉄溶液でエッチング処理を行い、図5(A)(B)に示すような従来の通常タイプの回路基板を得た。これらのヒートサイクル特性を実施例1と同様に試験したところ約50サイクルで微細なクラックが発生していることを確認した。
比較例2
セラミック基板1として53×29×0.635mmの窒化アルミニウム基板を2枚用意し、この基板両面にAg71.0%、Cu16.5%、Ti2.5%からなるろう材2のペーストを全面塗布し、その両面に厚さ0.3mmの回路用基板3としての銅板と厚さ0.25mmの放熱板4用の銅板とを接触させ、真空炉内で850℃にて加熱接合した。
次いで回路状にエッチングレジストを塗布し、塩化鉄溶液でエッチング処理を行い、回路パターンを形成すると共に不要なろう材を除去した。
次いで回路基板の端部に段差を付けるために、2回目のエッチングレジストを銅パターンより小さく塗布し、1回目と同様に塩化鉄溶液でエッチング処理を行い図6に示す形状の回路基板を得た。この場合の下段の端部におけるt=0.1mm l=0.3mmであり、上段の段差厚みをt=0.2mmとした。
このようにして得た回路基板の2組を、図6(A)(B)に示されるように放熱部に段差がないものと段差があるものとに分けてヒートサイクル試験を行ったところ、表1に併せて示したように段差のない基板では、300サイクルまでクラックの発生は見られなかったが、400サイクルで微細なクラックが発生していることを確認した。一方、段差のある回路基板の場合は、400サイクルまでクラックの発生は見られなかったが、500サイクルで微細なクラックが発生していることを確認した。
比較例3
セラミック基板1として53×29×0.635mmのアルミナ基板を2枚用意し、該アルミナ基板上に銅板を接触配置し、窒素ガス雰囲気中1063℃で加熱して接合基板を得た。次いでエッチングレジストを塗布し、塩化鉄溶液でエッチング処理を行い、パターンを形成した。
次いで回路基板の端部に段差を付けるために、2回目のエッチングレジストを銅パターンより小さく塗布し、1回目と同様に塩化鉄溶液でエッチング処理を行い図7(A)に示す形状の回路基板を得た。この場合の下段の端部におけるt=0.1mm l=0.3mmであり、上段の段差厚みをt=0.2mmとした。
このようにして得た回路基板の2組を、図7(A)(B)に示されるように放熱部に段差がないものと段差があるものとに分けてヒートサイクル試験を行ったところ、表1に併せて示したように段差のない基板では、300サイクルまでクラックの発生は見られなかったが、400サイクルで微細なクラックが発生していることを確認した。一方、段差のある回路基板の場合は、400サイクルまでクラックの発生は見られなかったが、500サイクルで微細なクラックが発生していることを確認した。
本発明実施例1によって得られた回路基板の一部断面図である。 本発明実施例2によって得られた回路基板の一部断面図である。 本発明実施例3によって得られた回路基板の一部断面図である。 本発明実施例4によって得られた回路基板の一部断面図である。 本発明比較例1によって得られた回路基板の一部断面図である。 本発明比較例2によって得られた回路基板の一部断面図である。 本発明比較例3によって得られた回路基板の一部断面図である。
符号の説明
1 セラミック基板
2 ろう材
3 回路用基板
4 放熱板

Claims (15)

  1. セラミック基板と金属板とが活性金属ろう材で接合されてなる回路基板において、少なくとも回路側の導体回路端部が3段以上の段差を有する半導体用基板の導体回路端部において、最下段の厚さt1が導体総厚みの15%以下であることを特徴とする半導体用基板
  2. セラミック基板と金属板とが直接接合されてなる回路基板において、少なくとも回路側の導体回路端部が3段以上の段差を有する半導体用基板の導体回路端部において、最下段の厚さt1が導体総厚みの15%以下であることを特徴とする半導体用基板
  3. セラミック基板と金属板とが活性金属ろう材で接合されてなる回路基板において、少なくとも回路側の導体回路端部が3段以上の段差を有する半導体用基板の導体回路端部において、最下段の厚さと中段の厚さの合計(t1+t2)が導体総厚みの70%以下であることを特徴とする半導体用基板
  4. セラミック基板と金属板とが直接接合されてなる回路基板において、少なくとも回路側の導体回路端部が3段以上の段差を有する半導体用基板の導体回路端部において、最下段の厚さと中段の厚さの合計(t1+t2)が導体総厚みの70%以下であることを特徴とする半導体用基板
  5. セラミック基板と金属板とが活性金属ろう材で接合されてなる回路基板において、少なくとも回路側の導体回路端部が3段以上の段差を有し、最下段の厚さt1が導体総厚みの15%以下であり、最下段の厚さと中段の厚さの合計(t1+t2)が導体総厚みの70%以下であることを特徴とする半導体用基板
  6. セラミック基板と金属板とが直接接合されてなる回路基板において、少なくとも回路側の導体回路端部が3段以上の段差を有し、最下段の厚さt1が導体総厚みの15%以下であり、最下段の厚さと中段の厚さの合計(t1+t2)が導体総厚みの70%以下であることを特徴とする半導体用基板
  7. セラミック基板と金属板とが活性金属ろう材で接合されてなる回路基板において、少なくとも回路側の導体回路端部が3段以上の段差を有し、最下段の厚さt1が導体総厚みの15%以下であり、最下段の厚さと中段の厚さの合計(t1+t2)が導体総厚みの70%以下であり、且つ最下段の幅l1が5〜500μmであることを特徴とする半導体用基板
  8. セラミック基板と金属板とが直接接合されてなる回路基板において、少なくとも回路側の導体回路端部が3段以上の段差を有し、最下段の厚さt1が導体総厚みの15%以下であり、最下段の厚さと中段の厚さの合計(t1+t2)が導体総厚みの70%以下であり、且つ最下段の幅l1が5〜500μmであることを特徴とする半導体用基板
  9. 最下段の幅と中段の幅の合計(l1+l2)が1mm以下であることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の半導体用基板
  10. 上記導体回路端部において、最下段が活性金属ろう材からなり、他の段が金属よりなることを特徴とする、請求項1、3、5、7または9に記載の半導体用基板
  11. 上記導体回路端部において、その全ての段が金属よりなることを特徴とする、請求項2、4、6、8または9に記載の半導体用基板
  12. 回路形成面の反対側の金属板端部が2段以上であることを特徴とする、請求項1〜11のいずれかに記載の半導体用基板
  13. 金属板を活性金属ろう材を用いてセラミック基板に接合した後、金属板上にエッチングレジストを塗布し、エッチング処理をして回路パターンを形成し、次に2回目のレジストを塗布してエッチング処理を施して銅回路板端部を2段とし、次に3回目のレジストを塗布してエッチング処理を施して銅回路板端部を3段とする工程を有することを特徴とする、回路側の導体回路端部が3段以上の段差を有する半導体用基板の製造方法。
  14. 金属板をセラミック基板に直接接合した後、金属板上にエッチングレジストを塗布し、エッチング処理をして回路パターンを形成し、次に2回目のレジストを塗布してエッチング処理を施して銅回路板端部を2段とし、次に3回目のレジストを塗布してエッチング処理を施して銅回路板端部を3段とする工程を有することを特徴とする、回路側の導体回路端部が3段以上の段差を有する半導体用基板の製造方法。
  15. 金属板を活性金属ろう材を用いてセラミック基板に接合した後、金属板上にエッチングレジストを塗布し、エッチング処理をして回路パターンを形成し、次に2回目のレジストを塗布してエッチング処理を施して銅回路板端部を2段とし、次に化学研磨液を用いて金属板部分のみを化学研磨し最下段(3段目)がろう材からなる段とする工程を有することを特徴とする、回路側の導体回路端部が3段以上の段差を有する半導体用基板の製造方法。
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