JPH04343287A - 回路基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、回路基板、詳しくはセ
ラミックス基板のクラック発生とその進行を抑制するこ
とを目的とした金属回路とセラミックス基板との接合体
からなる回路基板に関する。

【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など大
電力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
く放散するため、大電力モジュール基板では従来よりさ
まざまな方法がとられてきた。とくに最近、良好な熱伝
導率を有するセラミックス基板の出現により、基板上に
金属板を接合して回路を形成後、そのまま金属板上に半
導体素子を搭載する構造も採用されている。

【０００３】従来より、金属とセラミックスを接合する
方法には様々な方法があるが、とくに回路基板の製造と
いう点からはＭｏ−Ｍｎ法、活性金属ろう付法（以下、
単に活性金属法という）、硫化銅法、ＤＢＣ　法、銅メ
タライズ法があげられる。これらの中で大電力モジュー
ル基板の製造では、現在、金属として銅を用い、セラミ
ックスとの接合方法として活性金属法又はＤＢＣ　法を
用いることが主流となっており、さらに高熱伝導性を有
する窒化アルミニウムを絶縁基板として使用することが
普及しつつある。

【０００４】従来の銅板と窒化アルミニウム基板を接合
する方法としては、銅板と窒化アルミニウム基板との間
に活性金属を含むろう材を介在させ、加熱処理し接合体
を形成する活性金属法（たとえば特開昭６０−１７７６
３４　号公報）や、銅板と表面を酸化処理してなる窒化
アルミニウム基板とを銅の融点以下、Ｃｕ２Ｏ−Ｏの共
晶温度以上で加熱接合するＤＢＣ　法（たとえば特開昭
５６−１６３０９３　号公報）などが知られている。

【０００５】活性金属法はＤＢＣ　法に比べて、（１）
接合処理温度が低いので、ＡｌＮ−Ｃｕの熱膨張差によ
って生じる残留応力が小さい。 （２）接合層が延性金属であるので、ヒートショックや
ヒートサイクルに対して耐久性が良好である。 などの利点があるが、最近のパワーモジュールの用途拡
大によって、使用条件が一段と厳しくなってきたのに伴
いさらに高い信頼性が要求されるにおよび、これまでの
ヒートサイクルとヒートショックの耐久性程度では十分
に対応しきれなくなってきている。

【０００６】そこで、金属回路とセラミックス基板との
接合体を形成するに際し、意図的に非接合部を設けるこ
とによって接合面積を減らし、もって界面に生じる熱応
力を小さくして上記耐久性を改善しようとする提案があ
る（特開昭６１−１７６１４２　号公報）。しかし、こ
の方法では非接合部に溜まったエッチング液やメッキ液
を除去するのが困難なために歩留りが低下する上に、Ｄ
ＢＣ法では非接合部を設けるために金属板に特殊な加工
をしなければならないという問題がある。

【０００７】一方、セラミックス基板に近い熱膨張係数
を有する特殊な金属を用いる提案もあるが（例えば特開
昭６３−１４０５４０　号公報など）、そのようなクラ
ッド材やモリブデン等の金属は高価で加工が難しく、通
常のエッチングができないことを考えると、非常に限ら
れた特殊用途にしか使用できないという問題がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、上記問
題点を解決するために鋭意検討した結果、金属回路にス
リットを入れることによりクラックの発生とその進行を
抑制できることを見い出し本発明を完成したものである
。

【０００９】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、ス
リットを有する金属回路とセラミックス基板との接合体
からなることを特徴とする回路基板である。

【００１０】以下、さらに詳しく本発明について説明す
る。

【００１１】本発明の最大の特徴は、従来用いられてい
る材料や工程を殆んど変更することなしに、回路パター
ンの一部にスリットを加えるだけでクラックの発生とそ
の進行の抑制に大きな効果をあげたことである。

【００１２】本発明でいうスリットとは、金属回路に設
けられた切り込み部分のことであり、長さ１ｍｍ以上、
幅０．２ｍｍ以上であるものが望ましい。また端部から
切り込まれていない孔であってもよい。さらに好ましく
は、長さは１．５ｍｍ以上特に２ｍｍ以上であり、幅は
厚さ１００μｍ　以上の金属板の場合には０．３ｍｍ以
上特に０．４ｍｍ以上である。

【００１３】本発明において、スリットを設ける位置に
ついては特に限定しないが、熱応力が大きくなる部分、
例えば長い回路パターンの長手方向の端部や電極等の半
田付け部に設けるのが望ましい。

【００１４】スリットの形成方法としては、打ち抜き金
属板を用いる方法やエッチングによる方法等が採用され
る。打ち抜き金属板を用いる場合はあまり細長いスリッ
トを設けることは難しいので、比較的形成容易な長さの
スリットを数個にして回路パターン端部や内部に設ける
のが望ましい。また、エッチング法によって回路パター
ンを形成する場合も同様であり、その際のスリットの数
や長さ、幅等の上限は必要に応じて適宜定めることがで
きる。

【００１５】金属回路を形成するのに使用される金属板
の材質については特に制限はなく、通常は、銅、ニッケ
ル、銅合金、ニッケル合金が用いられる。また、その厚
みについても特に制限はなく、通常、金属箔といわれて
いる肉厚の薄いものでも使用可能であり、０．１〜１．
２ｍｍのものが好ましい。

【００１６】本発明で使用されるセラミックス基板の材
質についても特に制限はなく、窒化アルミニウム（Ａｌ
Ｎ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化アルミニウム（
Ａｌ２Ｏ３）、ムライト等から選ばれた少なくとも一種
又は二種以上を主成分とするものがあげられ、中でも熱
伝導率の大きい窒化アルミニウムが好ましい。

【００１７】金属回路又は金属板とセラミックス基板と
の接合体を得る際の接合方法としては、上記したＤＢＣ
　法や活性金属法等を採用することができる。

【００１８】

【作用】スリットを加えた部分の金属回路は、回路が分
割された場合と同じ状態になり、熱膨張の絶対値も分割
されて小さくなるので、熱応力も小さくなる。従ってク
ラックの発生が抑制され、発生しても進行しにくくなる
。

【００１９】一般に、発生するクラックには、セラミッ
クス基板の厚み方向にも進行する垂直クラックと、厚み
方向にはあまり進行せずに主にセラミックス基板面と平
行に進行する水平クラックとがある。垂直クラックは、
特に大きな応力が発生した場合や応力が急激に発生した
場合、さらには衝撃を受けた場合等に生じやすく、他の
場合には水平クラックが生じやすい。水平クラックは回
路パターンの端部に沿って発生・進行して行く。半田付
け部等特にクラックが発生しやすい箇所の周囲に回路パ
ターンの沿面に垂直方向にスリットを入れておけば、ク
ラックがパターン端部に沿って進行する際に、スリット
部を回り込むために進行のエネルギーが分散され、クラ
ックが進行しにくくなる。

【００２０】

【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。

【００２１】実施例１〜９　　比較例１〜５市販の窒化
アルミニウム基板とアルミナ基板（いずれも３５ｍｍ×
６０ｍｍ×０．５　ｍｍ）を用い、ＤＢＣ　法の場合に
はタフピッチ銅板を、また活性金属法の場合には無酸素
銅板を接合し表１に示す接合体を製造した。

【００２２】接合条件は、ＤＢＣ　法では温度１０５０
℃、真空度１．０　×１０−６ｔｏｒｒとし、一方、活
性金属法の実施例３（Ｚｒ−Ａｇ−Ｃｕ系ろう材を使用
）では９００　℃の温度で、また他の活性金属法（Ｔｉ
−Ａｇ−Ｃｕ系ろう材を使用）では８８０　℃の温度で
、それぞれ真空度を１．０　×１０−６ｔｏｒｒとした
。なお、ＤＢＣ　法で用いた窒化アルミニウム基板はあ
らかじめ大気中で加熱して表面酸化されたものである。

【００２３】ＤＢＣ　法ではセラミックス基板と同じ大
きさの銅板を両面に接合し、レジスト印刷後塩化第二鉄
溶液でエッチングし、図１に示す回路パターンを形成し
た。 スリットなしの比較例の場合は、図１（ａ）の回路面の
かわりに図２の回路を用いた。活性金属法では、活性金
属を含むろう材ペーストを打ち抜き銅板に塗布して１０
０　℃で乾燥後セラミックス基板に接合して回路パター
ンとした。回路はＤＢＣ　法と同じにした。

【００２４】得られた接合体は、いずれも無電解Ｎｉ−
Ｐメッキを５μｍ施してヒートショック及びヒートサイ
クルの試験をした。その結果を表２に示す。

【００２５】ヒートショック試験は、０℃の液中に１０
分間浸漬後１００℃に１５分間浸漬するのを１サイクル
とし、３０サイクル実施した。ヒートサイクル試験の条
件は、−４０℃で３０分間冷却後２５℃に３０分間放置
、その後１２５　℃の気中で３０分間加熱してから２５
℃に３０分間放置するのを１サイクルとし、５０サイク
ル行なった。

【００２６】上記試験終了後、外観を観察して垂直クラ
ックの有無や回路パターンの剥離を調べ、クラックや剥
離のないものについてはさらに硝酸とフッ酸の１：１の
混酸に浸漬して回路を溶解剥離してセラミックス基板の
水平クラックをカラーチェック法で調べた。

【００２７】

【表１】

【００２８】

【表２】

【００２９】表１と表２から明らかなように、窒化アル
ミニウム基板を用いた実施例１〜５は、比較例１〜３に
比べて、ヒートショック試験、ヒートサイクル試験共に
クラックの発生とその進行が抑えられていることがわか
る。また、アルミナ基板を用いた実施例６〜９において
も比較例４と５に比べてクラックが生じにくくなってい
る。さらには特に重大な欠陥である垂直クラックについ
ては、実施例１〜９ではいずれも発生していない。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、特殊な材料の使用や工
程を変更することなしに、ヒートサイクルとヒートショ
ックの耐久性を著しく向上させた回路基板となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　本発明の回路基板の一例を示す平面図であ
り、（ａ）は回路面、（ｂ）は裏面である。

【図２】　　比較例の回路基板の回路面を示す平面図で
ある。

【符号の説明】

１：セラミックス基板 ２：金属回路 ３：金属板 ４：スリット

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　スリットを有する金属回路とセラミッ
   クス基板との接合体からなることを特徴とする回路基板
   。