JP4376106B2

JP4376106B2 - セラミックス二層回路基板

Info

Publication number: JP4376106B2
Application number: JP2004097752A
Authority: JP
Inventors: 誠福田; 信行吉野; 豪岩元
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2004-03-30
Filing date: 2004-03-30
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2024-03-30
Also published as: JP2005286100A

Description

本発明は、半導体実装基板や半導体パッケージ等に有用なセラミックス二層回路基板に関する。

従来、パワーモジュール等に利用される半導体装置用回路基板として、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ス基板が利用されている。その材質は、熱伝導率やコスト、安全性等の基準で選択され、大電力を用いるためＣｕやＡｌ等の金属回路や放熱板を厚付けしている。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て、高い絶縁性が安定して得られる点に特長がある。中でも、窒化アルミニウムは、高熱伝導性、高絶縁性、無害性等の点で好適な材料である。

電子製品は高速化、高機能化、高周波数化、高密度化、デジタル化、軽量化及び環境問題に関して日進月歩の状況であり、電子工業製品の小型化への要求はますます強くなっている。

従来、パワーモジュールは、図１に示すように、ベース板に、少なくとも一方の主面に銅板が銅直接接合法または活性金属ろう付け法により接合されたセラミックス基板（以下、シールド基板と言う）を半田付けし、更に主面に金属回路パターンが形成されてなるセラミックス基板（以下、ドライブ基板と言う）が半田付けされた構造が一般的である。

近年、パワーモジュールは、電気鉄道やハイブリッドカー等の用途に使用されるようになり、高信頼性が求められている。しかしながら、高電圧に対応するための対策として、例えば、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長くしたり（特許文献１）、金属回路のコーナー部の曲率半径を特定する（特許文献２）等の提案があるものの、小型化、高集積化に対しては、これまで十分に検討されていなかった。
特開平１０−１９０１７６号公報特開平１０−２１４９１５号公報

即ち本発明は、（請求項１）セラミックス回路基板の回路面側に絶縁層を介して金属回路パターンが形成されてなるセラミックス二層回路基板。（請求項２）セラミックス基板が、窒化アルミニウム基板又は窒化ケイ素基板であることを特徴とする該セラミックス二層回路基板（請求項３）絶縁層が、酸化アルミニウム、窒化ホウ素、ダイアモンド、酸化ベリリウム、窒化アルミニウムから選ばれる１種以上の無機物、並びに、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ＢＴレジン、ポリイミド樹脂より選ばれる樹脂を含むことを特徴とする該セラミックス二層回路基板。（請求項４）絶縁層のボイド率が２０%以下であることを特徴とする該セラミックス二層回路基板。（請求項５）金属回路パターンの厚みが０．０５〜０．３mmであることを特徴とする該セラミックス二層回路基板。（請求項６）金属回路パターンの沿面と絶縁層端部沿面の距離が０．５ｍｍ以上であることを特徴とする該セラミックス二層回路基板である。

本発明によれば、セラミックス回路基板の回路面側に絶縁層を介して金属回路パターンが形成された二層基板が提供される。これにより、ドライブ基板とシールド基板の二枚のセラミックス基板を、一枚の基板にすることが可能になるため、モジュールの大幅な小型化、軽量化が可能となる。

本発明のセラミックス二層回路基板は、セラミックス回路基板の回路面側に絶縁層を介して金属回路パターンが形成されてなる構造を基本としている。また、本発明に係るセラミックス二層回路基板は、金属回路又は金属放熱板にＮｉめっきが施されているものも、本発明の対象として含まれる。

本発明に係るセラミックス基板は、特に限定されるものではないが、高信頼性及び高絶縁性の点から、窒化アルミニウム又は窒化ケイ素が好ましい。セラミックス基板の厚みは、目的に応じて適宜決められる。通常は０．６３５ｍｍであるが、０．３〜０．５ｍｍ程度の薄物でもよい。絶縁耐圧を著しく高めたいときには、１〜３ｍｍの厚物を用いることもできる。

セラミックス回路基板の金属回路は、Ａｌ、Ｃｕ又はＡｌ−Ｃｕ合金であることが好ましい。これらは、単体ないしはこれを一層として含むクラッド等の積層体の形態で用いられる。中でもＡｌは、Ｃｕよりも降伏応力が小さく、塑性変形性に富み、ヒートサイクルなどの熱応力負荷時において、セラミックス基板にかかる熱応力を大幅に低減できるので、Ｃｕよりもセラミックス基板に発生するクラックを抑制することが可能で、高信頼性回路基板の作製に好適である。

セラミックス回路基板の金属回路の厚みは、電気的、熱的特性の面から、Ａｌ回路の場合は０．４〜０．５ｍｍ、Ｃｕ回路の場合は０．３〜０．５ｍｍであることが好ましい。一方、セラミックス回路基板の金属放熱板の厚みは、半田付け時の反りを生じさせないように決定される。具体的には、Ａｌの場合は０．１〜０．４ｍｍ、Ｃｕの場合は０．１５〜０．４ｍｍであることが好ましい。

セラミックス基板に金属回路を形成させるには、金属板とセラミックス基板とを接合した後、エッチングする方法、金属板から打ち抜かれた回路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る。これらの接合には、活性金属ろう付け法が用いるのが一般的である。

セラミックス基板と金属回路又は金属放熱板の接合層は、セラミックス基板に金属回路又は金属放熱板を活性金属ろう付け法によって接合したときに形成される。ろう材の金属成分は銀及び／又は銅を主成分とし、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チタンを副成分とするのが一般的である。このチタンは、セラミックス基板中の窒素成分と反応して窒化物（ＴｉＮ）となり、接合体の結合を強固なものとする。チタンは、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、バナジウム等のチタン以外の活性金属と併用することもできる。これらのチタン以外の活性金属には、ろう材の融点を降下させる効果がある。

ろう材成分の一例を示せば、銀８０〜１００部（質量部、以下同じ）、銅２０〜０部の合計１００部に対し、チタン２〜４部、チタン以外の活性金属０〜６部、特に銀８５〜９０部、銅１５〜１０部の合計１００部に対し、チタン２〜４部、チタン以外の活性金属２〜５部であることが好ましい。

ろう材はペースト又は箔として用いられる。ペーストは、上記ろう材の金属成分に有機溶剤及び必要に応じて有機結合剤を加え、ロール、ニーダ、万能混合機、らいかい機等で混合することによって調製することができる。有機溶剤としては、メチルセルソルブ、テルピネオール、イソホロン、トルエン等、また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、ポリメタクリレート等が使用される。

本発明に係る絶縁層は、酸化アルミニウム、窒化ホウ素、ダイアモンド、酸化ベリリウム、窒化アルミニウムから選ばれる１種以上の無機物を、樹脂に配合して作製する。

本発明に係る樹脂は、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ＢＴレジン、ポリイミド樹脂等が用いられる。エポキシ樹脂は、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂及びビスフェノールＦ型エポキシ樹脂が低粘度で無機物の高充填に適しているため、好ましい。また、本発明に係る絶縁層の無機物と樹脂との配合割合は、無機物の割合が、３０から８０体積％が好ましく、４０〜７０体積％がより好ましい。無機物の割合が３０体積％より低いと、金属回路部より発生した熱を十分に放熱することができないという問題が生じる場合がある。逆に８０体積％より高いと、混合物の粘度が高くなり過ぎて、塗布後の絶縁層の厚みにばらつきが生じたり、気泡を巻き込んでしまうことがある。

絶縁層の製造に際し、樹脂と無機物との界面の接着性を高める為、シランカップリング剤、チタネート系カップリング剤等の表面処理剤を添加してもよい。無機物と樹脂との混合に関しては、特に方法は限定されず、公知の方法を用いることができる。混合機械についても、特に制限はない。

絶縁層のセラミックス回路基板への塗布に関しては、特に方法は限定されず、公知の塗布方法を用いることができる。塗布膜の厚みは、０．０３〜２ｍｍが好ましく、０．０５〜１ｍｍがより好ましい。塗布膜の厚みが０．０３ｍｍ未満では、絶縁が十分にとれず部分的に通電する恐れがあり、一方、２ｍｍを超えると、塗布した絶縁層の縁から絶縁物が流れ出る場合がある。絶縁層の塗布は、事前にエッチングレジストで所望のパターンを印刷したセラミックス基板に、絶縁層を所定箇所へ塗布する（図２参照）。なお、上下の金属板の導通を取るため、スルーホールを設けることも可能である。

金属回路パターン形成用の金属板を積層する前に、絶縁層のボイド率を低減させるため脱泡工程を経ることが好ましい。脱泡の方法は特に限定されず、公知の真空脱泡や加圧脱泡等の方法を採用することができる。ボイド率は、２０%以下であることが好ましい。絶縁層のボイド率が２０%より大きくなると、絶縁破壊の原因となる場合がある。

次に、金属回路パターン形成用の金属板を積層し、絶縁層を硬化させる。金属板は、Ａｌ、Ｃｕ又はＡｌ−Ｃｕ合金であることが好ましい。これらは、単体ないしはこれを一層として含むクラッド等の積層体の形態で用いられる。金属板の厚みは、０．０５〜０．３mmにすることが好ましい。０．３mmよりも厚いと、後工程でのエッチングが不十分となり、絶縁不良を引き起こす場合がある。一方、０．０５mmより薄いと、積層時に金属板にしわよりを起こしたり、破れが生じる場合がある。絶縁層の硬化条件は、使用する樹脂に応じて適宜決められる。

本願発明のセラミックス二層回路基板に金属回路パターンを形成させる方法は、特に限定されず、スクリーン印刷法等の公知の塗布方法が採用できる。エッチングレジストで目的とするパターンを形成した後、エッチングを行う。エッチング方法も特に限定されるものではなく、通常使用される方法が採用可能である。

絶縁層を介して形成される金属回路パターンの沿面と、絶縁層端部沿面の距離は０．５ｍｍ以上であることが好ましい。距離が０．５ｍｍ未満であると、沿面放電が生じやすくなり絶縁性に問題が生じる場合がある。

本発明に係るＮｉめっきは、Ｎｉめっきが施される前の金属回路又は金属放熱板の表面が、研削、物理研磨、化学研磨等によって平滑化されていることが好ましく、表面粗さがＲａ≦０．２μｍであることが好ましい。Ｎｉめっきは無電解法が好ましく、これによってファインパターンに対応可能となる。Ｎｉめっき膜厚は２〜８μｍであることが好ましい。

（実験Ｎｏ．１）
市販窒化珪素基板（電気化学工業社製、商品名「デンカSNプレート」、寸法４０ｍｍ×１５ｍｍ×０．６３５ｍｍ、熱伝導率７０Ｗ／ｍ・Ｋ、曲げ強さ５００ＭＰａ）にろう材ペースト（Ａｇ９０部、Ｃｕ１０部、Ｔｉ３部）を両主面に８．５ｇ／ｃｍ^２となるように塗布した後に、厚さ０．３ｍmの銅板（住友金属社製商品名「無酸素銅条」）をその上に配置し、８５０℃×１時間加熱して接合した後、絶縁層を塗布する箇所を空けたエッチングレジストパターンを印刷した。当該所定箇所に絶縁層を０．１ｍｍ厚みに塗布し、真空度を１×１０^−４Pa以下にして真空脱泡した後、厚さ０．１ｍｍの銅板（住友金属社製商品名「無酸素銅条」）を貼り合わせて、セラミックス二層基板を作成した。絶縁層は、酸化アルミニウム６０体積％とエポキシ樹脂４０体積％を混合したものを主剤とし、これに硬化剤を、エポキシ樹脂１００体積％に対して５０体積％混合して作製した。

次に、銅板上に回路パターンをエッチングレジスト（太陽インキ製造社製、商品名「ＵＶＲ１５０Ｇ」）で形成し、塩化銅水溶液、ついで、過酸化水素と酸性フッ化アンモニウムの混合液を用いてエッチングを行い、回路基板を形成した。さらに、エッチングレジストをアルカリ剥離液で剥離した後、Ｎｉめっきを施して回路基板を製造した。

得られた回路基板について、（１）絶縁層を介して貼り合わせた金属回路パターンの厚み、（２）金属回路パターンの沿面と絶縁層端部沿面との距離、（３）絶縁層のボイド率（４）回路基板の熱特性、電気特性を以下に従って測定した。結果を表１に示す。

〈分析方法〉
（１）金属回路パターンの厚み：マイクロゲージ（ミツトヨ製、デジマチック標準外側マイクロメータＭＤＣ-２５Ｓ）にて導体厚を測定した。
（２）金属回路パターンの沿面と絶縁層端部沿面との距離：工具顕微鏡（ミツトヨ製、商品名「ＴＭ３００」）にてパターン沿面と絶縁層端部沿面との距離の最短部分を測定した。
（３）ボイド率：軟Ｘ線探傷装置（ソフテック社製「ＰＲＯ−ＴＥＳＴ１００」）にて絶縁層中のボイドを測定し、面積よりボイド率を算出した。
（４）回路基板の特性：
（熱特性）回路基板にトランジスタＴＯ２２０を共晶半田を用いて１個半田付けし、その反対面をＡｌ/ＳｉＣヒートシンクに半田付けした後、トランジスに通電し、トランジスタとベース板との温度差と通電時のワット数より回路基板の熱抵抗を算出した。なお、ベース板は空冷し放熱面の温度が室温となるようにした。
（電気特性）ドライブ基板の回路に電圧を印可して、シールド基板へ放電を開始する電圧、絶縁層が絶縁破壊する電圧を調べた。

（使用材料）
酸化アルミニウム：昭和電工社製商品名「ＡＬ−４５−Ｈ」
エポキシ樹脂：ジャパンエポキシレジン社製、商品名「エピコート８２５」
硬化剤：ジャパンエポキシレジン社製、商品名「エピメートＮ００２」

（実験Ｎｏ．２〜２４）
セラミックス基板の種類、絶縁層の無機物及び樹脂、絶縁層のボイド率、金属回路パターンの厚み、並びに、金属回路パターンの沿面と絶縁層端部沿面の距離を変えたこと以外は実施例１と同様にして回路基板を作製し、熱特性及び電気特性を評価した。結果を表１に示す。
実験Ｎｏ．２〜６，１２〜２０は、実施例１と同様の酸化アルミニウムとエポキシ樹脂、硬化剤を、実施例１と同様の混合割合で使用した。
実験Ｎｏ．７〜１１，２１〜２４の絶縁層については、［００３２］段落に示す樹脂及び無機質を、表１に示す無機物の割合で、残部が樹脂として秤量し、ロール混合機で混合した後、実施例１と同様にして塗布した。なお、樹脂がエポキシ樹脂の場合は、実施例１と同様な割合で硬化剤を使用した。
実験Ｎｏ．２０の窒化アルミニウム基板は、市販品を使用した。

（使用材料）
シリコーン樹脂：東レ・ダウコーニング・シリコーン社製商品名「ＳＥ１８８６」
ポリイミド樹脂：宇部興産社製商品名「ユピタイトＵＰＡ−Ｎ１１１」
窒化アルミニウム：トクヤマ社製商品名「窒化アルミニウムＨグレード」
窒化ホウ素：電気化学工業社製商品名「デンカボロンナイトライドＳＧＰグレード」
窒化アルミニウム基板：電気化学工業社製、商品名「デンカＡＮプレート」

従来のパワーモジュールの一般的な構造二層基板の製造方法

符号の説明

（図１）
１ドライブ基板
２シールド基板
３半田
４ベース板

（図２）
１金属板
２セラミックス板
３エッチングレジスト
４絶縁層
５めっき
６半田レジスト

Claims

セラミックス基板と回路形成用金属板又は金属板から打ち抜かれた回路パターンが活性金属ろう付け法により接合されたセラミックス回路基板の回路面側に、酸化アルミニウム、窒化ホウ素、ダイアモンド、酸化ベリリウム、窒化アルミニウムから選ばれる１種以上の無機物、並びに、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ＢＴレジン、ポリイミド樹脂より選ばれる樹脂を含む絶縁層を介して金属回路パターンが形成されてなるパワーモジュール用セラミックス二層回路基板。
セラミックス基板が、窒化アルミニウム基板又は窒化ケイ素基板であることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール用セラミックス二層回路基板。
絶縁層のボイド率が２０%以下であることを特徴とする請求項１又は２記載のパワーモジュール用セラミックス二層回路基板。
金属回路パターンの厚みが０．０５〜０．３mmであることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか一項記載のパワーモジュール用セラミックス二層回路基板。
金属回路パターンの沿面と絶縁層端部沿面の距離が０．５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか一項記載のパワーモジュール用セラミックス二層回路基板。
セラミックス基板に活性金属ろう付け法により金属板を接合した後、以下の工程を順次経ることを特徴とするセラミックス二層回路基板の製造方法。
（１）回路面側に、絶縁層を塗布する箇所を空けて、回路パターンをエッチングレジストで形成する工程。
（２）前記の絶縁層を塗布する箇所に、酸化アルミニウム、窒化ホウ素、ダイアモンド、酸化ベリリウム、窒化アルミニウムから選ばれる１種以上の無機物、並びに、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ＢＴレジン、ポリイミド樹脂より選ばれる樹脂を含む絶縁層を塗布し、真空脱泡してから金属板を貼り合わせる工程。
（３）絶縁層を硬化させる工程。
（４）前記の貼り合わせた金属板上に、回路パターンをエッチングレジストで形成する工程。
（５）エッチングで回路パターンを形成する工程。