JPH11251491A - 回路基板 - Google Patents

回路基板

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JPH11251491A
JPH11251491A JP5048098A JP5048098A JPH11251491A JP H11251491 A JPH11251491 A JP H11251491A JP 5048098 A JP5048098 A JP 5048098A JP 5048098 A JP5048098 A JP 5048098A JP H11251491 A JPH11251491 A JP H11251491A
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aluminum
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Katsunori Terano
克典 寺野
Yoshiyuki Nakamura
美幸 中村
Yasuto Fushii
康人 伏井
Yoshihiko Tsujimura
好彦 辻村
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Denka Co Ltd
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Denki Kagaku Kogyo KK
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Abstract

(57)【要約】 【課題】熱履歴を受けても強度劣化の少ない高信頼性の
回路基板を提供する。 【解決手段】 セラミックス基板の一方の面に金属回
路、他方の面に金属放熱板が設けられてなるものであっ
て、350℃空気中で5分間加熱した後の抗折強度が2
5kgf/mm2 以上、同じくJIS B 0621に
従う平面度が150μm以下であることを特徴とする回
路基板。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、特に電子部品のパ
ワーモジュールに好適な高信頼性の回路基板に関するも
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ている。
【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に
銅回路を形成させてなるものであるが、更なるヒートサ
イクルに対する信頼性を向上させるため、最近では窒化
アルミニウム基板にアルミニウム回路を形成させたもの
も開発されている。
【0005】このような回路基板の問題点は、セラミッ
クス基板と金属板の接合時における加熱冷却ないしは使
用時の冷熱サイクルによって熱応力が発生し、セラミッ
クス基板にクラックが発生したり、金属板が剥離したり
して、耐ヒートサイクルに対する信頼性が十分でないと
いうことである。これを解消するため、従来より多くの
提案がなされている。例えば、表面の金属板の厚みを裏
面のそれよりも厚くする(特開平4−198070号公
報)、金属板端部を薄肉形状とする(特公平5−253
97号公報)、金属板とセラミックス基板の接合部に非
接合部を形成する(実開平2−1408700号公
報)、金属板外周縁部に溝又は孔を形成する(特開平8
−250823号公報、特開平8−274423号公
報)などである。
【0006】このような提案によって、回路基板の信頼
性はかなり高められたが、電車の駆動部や電気自動車等
のパワーモジュールのように、超高信頼性の要求される
分野においてはまだ不十分である。本発明は、上記に鑑
みてなされたものであり、熱履歴を受けても強度劣化の
少な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。
【0007】
【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金属回路、他方の面に金属
放熱板が設けられてなるものであって、350℃空気中
で5分間加熱した後の抗折強度が25kgf/mm2
上、同じくJIS B 0621に従う平面度が150
μm以下であることを特徴とする回路基板である。更
に、本発明は、金属回路に対する金属放熱板の体積率が
70〜115%であって、それらは活性金属成分を含む
ろう材によってセラミックス基板に接合されており、セ
ラミックス基板の材質が窒化アルミニウム又は窒化ケイ
素、金属回路及び/又は金属放熱板の材質がアルミニウ
ム、アルミニウム合金及び/又はそれらの少なくとも一
つを構成材とするクラッド材であることを特徴とする上
記回路基板である。
【0008】
【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。
【0009】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。この熱処理は、回路基
板の抗折強度を劣化させる。
【0010】すなわち、回路基板の金属板には、金属板
とセラミックス基板の熱膨張率の違いにより、その接合
時の熱応力が蓄積されているが、これに更にモジュール
組立時の上記熱処理が加わると残留応力が増加し、セラ
ミックス基板にクラックが生じたり、モジュールを放熱
フィン等にボルト締めする際に割れたりすることがあっ
た。このような残留応力は、回路パターンの周囲に集中
するため、その周囲形状に工夫を凝らし、できるだけそ
れを分散させるべく上記提案がなされている。しかしな
がら、いずれの方法においても、ヒートサイクルに対す
る耐水平クラック性の改善効果が認められるが、その反
面、抗折強度が劣化し、絶縁不良が発生する問題があっ
た。
【0011】この強度劣化の原因について追求したとこ
ろ、金属板の残留応力の増加に伴い、回路基板に反りや
ネジレが発生していることであり、これを抑制するため
には、回路パターンの形状や厚みに合わせて放熱板の体
積を調整することであることを見いだした。すなわち、
金属板及び金属放熱板として、アルミニウム材、アルミ
ニウム合金材、及び/又はアルミニウムもしくはアルミ
ニウム合金を構成材とするクラッド材を用い、しかも金
属放熱板の体積を金属回路の体積の70〜115%とす
ることによって、アルミニウムの応力緩和作用が顕著と
なり、超高信頼性の回路基板となることを見いだしたも
のである。
【0012】本発明の回路基板は、350℃の空気中で
5分間加熱(以下、この加熱を「通炉」という。)した
後の抗折強度が25kgf/mm2 以上であり、しかも
通炉後のJIS B 0621に従う平面度が150μ
m以下である。平面度が150μmを越えると金属回路
に応力集中が起こり、また抗折強度が25kgf/mm
2 未満では絶縁不良が発生しやすくなり、超高信頼性回
路基板とはいえなくなる。
【0013】本発明において、金属回路の体積に対する
金属放熱板の体積の割合が70%未満では通炉後の平面
度が−150μmを越えてしまい、また115%以上で
あると+150μmを越えてしまう。ここで、平面度の
「+」は金属回路面が凸、「−」は凹になることであ
る。このような体積割合の調整は、放熱金属板の形状が
ベタパターンであることが好ましいので、通常は金属回
路と金属放熱板の厚みを調整して行われるが、金属回路
と金属放熱板の周囲に凹凸、溝、窪み、貫通孔等を設け
て調整することもできる。
【0014】本発明で使用されるセラミックス基板の材
質は、窒化ケイ素又は窒化アルミニウムが一般的である
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。セラミックス基板の厚みについては、薄すぎると耐
久性がなくなるため0.5mm以上特に1mm以上が好
ましい。その上限は、3mmであり、それを越えると熱
抵抗が増加し放熱特性が低下する。
【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、金属回路、金属放熱板ある
いはそれらの前駆体である金属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。
【0016】金属回路及び金属放熱板を形成する金属板
の材質は、アルミニウム材、アルミニウム合金材、アル
ミニウムないしはアミニウム合金を構成材とするクラッ
ド材である。クラッド材の相手材は、銅、ニッケル、チ
タン、クロム等であり、二層又は三層以上のクラッド材
として使用される。クラッド材の場合は、アルミニウム
ないしはアミニウム合金側をセラミックス側に接合す
る。金属回路及び金属放熱板の厚みは、100〜700
μmが好ましい。
【0017】セラミックス基板に金属回路及び金属放熱
板を形成する方法としては、セラミックス基板と金属板
との接合体をエッチングする方法、あるいは、あらかじ
め打ち抜かれた回路及び/又は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
る。
【0018】金属板とセラミックス基板を接合するに
は、活性金属ろう付け法が使用される。本発明において
は、アルミニウム又はアルミニウム合金とセラミックス
基板との接合となるので、ろう材は例えば特開昭60−
177634号公報に記載されているように、アルミニ
ウムとシリコンを主成分とし、これに活性金属を添加し
たものが使用される。活性金属は、セラミックス基板と
反応して酸化物や窒化物を生成し、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、マグネシウムやこれらの化
合物である。
【0019】本発明におけるこれらの比率としては、ア
ルミニウム70〜95重量部、シリコン30〜5重量部
及び銅0〜5重量部の合計100重量部あたり、活性金
属1〜30重量部である。
【0020】接合温度は、600〜640℃が好まし
く、またその温度における保持時間は3〜30分が望ま
しい。温度が低く、保持時間が短すぎる場合は、接合が
不十分となり、逆に高温で保持時間が長すぎると、金属
板へのろう材成分の拡散が顕著となって金属板が固くな
り、耐ヒートサイクル性が低下する。
【0021】
【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。
【0022】実施例1〜6 比較例1〜2 重量割合で、Al粉86部、Si粉10部、Cu粉4
部、TiH2 粉20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トルエン溶液を
加えて混練し、ろう材ペーストを調製した。これを窒化
アルミニウム基板(サイズ:50mm×30mm×0.
65mm、曲げ強さ:40kgf/mm2 、熱伝導率:
135W/mK)の両面にスクリーン印刷によって回路
パターン状に塗布した。その際の塗布量(乾燥後)は3
mg/cm2 とした。
【0023】次に、金属回路形成面と金属放熱板形成面
に50mm×30mmの広さで表1に示される厚みと材
質の金属板を接触配置してから、真空度0.1Torr
以下の真空下で630℃×15分加熱した後、300℃
まで急冷し、その後、2℃/分の降温速度で冷却して接
合体を作製した。次いで、エッチングレジストを塗布
し、塩化第2鉄溶液でエッチングした後、Ni−Pメッ
キを3μm施し回路基板とした。金属回路部分の平面形
状は、二つのL字型パターンを互い違いに組合せた形状
(平面パターン率68%)であり、金属放熱板のそれは
ベタ形状(平面パターン率90%)である。
【0024】比較例3 表1に示す銅板を接触配置し、接合したこと以外は実施
例1と同様にして回路基板を製造した。この比較例で用
いたろう材ペーストは、Ag粉90部、Cu粉10部、
TiH2 粉3部、Zr粉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トルエン溶
液を加えて混練した調製されたものであり、その塗布量
(乾燥後)は9mg/cm2 とした。また、接合条件は
830℃×30分とした。
【0025】これら一連の同一条件で製作された複数の
回路基板について、通炉前後にJIS B 0621に
従う平面度をダイヤルゲ−ジを用いて測定した。また、
JIS R 1601に従う抗折強度(3点曲げ強さ、
条件:スパン30mm、クロスヘッド速度0.5mm/
min)を測定した。それらの試料数5個の平均値を表
1に示す。なお、通炉は、350℃の空気中、ホットプ
レート上に回路基板を5分間載置することによって行っ
た。
【0026】更に、気中で、−40℃×30分保持後、
25℃×10分間放置し、125℃×30分保持後、2
5℃×10分間放置を1サイクルとするヒートサイクル
試験を行い、金属回路又は金属放熱板が剥離するサイク
ル数を測定した。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、熱履歴を受けても強度
劣化の少ない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 辻村 好彦 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

Claims (2)

    【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金属回
    路、他方の面に金属放熱板が設けられてなるものであっ
    て、350℃空気中で5分間加熱した後の抗折強度が2
    5kgf/mm2 以上、同じくJIS B 0621に
    従う平面度が150μm以下であることを特徴とする回
    路基板。
  2. 【請求項2】 金属回路に対する金属放熱板の体積率が
    70〜115%であって、それらは活性金属成分を含む
    ろう材によってセラミックス基板に接合されており、セ
    ラミックス基板の材質が窒化アルミニウム又は窒化ケイ
    素、金属回路及び/又は金属放熱板の材質がアルミニウ
    ム、アルミニウム合金及び/又はそれらの少なくとも一
    つを構成材とするクラッド材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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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001168482A (ja) * 1999-09-28 2001-06-22 Toshiba Corp セラミックス回路基板
JP4557398B2 (ja) * 2000-09-07 2010-10-06 株式会社東芝 電子素子

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001168482A (ja) * 1999-09-28 2001-06-22 Toshiba Corp セラミックス回路基板
JP4649027B2 (ja) * 1999-09-28 2011-03-09 株式会社東芝 セラミックス回路基板
JP4557398B2 (ja) * 2000-09-07 2010-10-06 株式会社東芝 電子素子

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