JPH11261183A - 回路基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】耐ヒートサイクル性に優れ、しかも部分放電開
始電圧も十分に高い、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形成されてなる回路基板におい
て、上記金属回路及び／又は上記金属放熱板は、第一の
金属がアルミニウム、第二の金属がニッケル、第三の金
属が銅からなるクラッド箔であってその第一の金属がセ
ラミックス基板に接合されており、しかも検出電荷１０
ｐＣにおける部分放電開始電圧が５ｋＶ以上であり、か
つ第一の金属の端部がそれに隣接する第二の金属の端部
よりも内側に１０μｍ以上、２００μｍ以下の範囲内に
位置しており、また第二の金属の端部が第三の金属の端
部よりも内側に０μｍ以上、１００μｍ以下の範囲内に
位置していることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、セラミックス基板
に金属回路と金属放熱板とが設けられてなる回路基板の
改良に関するものである。本発明の回路基板は、電子部
品のパワーモジュール等の組立に好適なものである。

【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つつある。

【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
い環境条件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構造のものであるが、更なる耐
ヒートサイクル性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
させたものが開発されている。しかしながら、アルミニ
ウムは電流密度等の電気的特性が銅よりも劣るので、そ
のような回路基板は広く普及されるまでには至っていな
い。

【０００５】一方、銅回路を形成した回路基板の信頼性
向上については、従来より多くの提案がある。例えば、
銅回路の厚みをその裏面の放熱銅板のそれよりも厚くす
る（特開平４−１９８０７０号公報）、銅回路縁部を薄
肉形状（段差を設ける）とする（特公平５−２５３９７
号公報）、銅回路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。これによって、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、超信頼性の要求される分野に
おいてはまだ不十分である。

【０００６】そこで、本出願人は、第一（例えばアルミ
ニウム）、第二（例えばニッケル）、第三（例えば銅）
の異なる３種以上の金属からなるクラッド箔によって、
金属回路及び／又は金属放熱板を形成させるが、その際
に第一の金属の端部をそれに隣接する第二の金属の端部
よりもせり出させた構造の回路基板を提案した（特願平
１０−０５０４８１号）。このような構造によって、飛
躍的に耐ヒートサイクルに対する信頼性が高まったが、
その反面、回路基板の表裏間の部分放電開始電圧がトレ
ードオフの関係で低くなり、回路基板の縁部から放電し
やすくなるという問題が未解決であった。

【０００７】本発明は、上記に鑑みてなされたものであ
り、その目的は耐ヒートサイクル性に優れ、しかも部分
放電開始電圧が十分に高い、高信頼性の回路基板を提供
することである。

【０００８】

【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
放熱板が形成されてなる回路基板において、上記金属回
路及び／又は上記金属放熱板は、第一、第二、第三以上
の異なる３種以上の金属からなるクラッド箔であってそ
の第一の金属がセラミックス基板に接合されており、し
かも検出電荷１０ｐＣにおける部分放電開始電圧が５ｋ
Ｖ以上であることを特徴とする回路基板である。

【０００９】更に、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形成されてな
る回路基板において、上記金属回路及び／又は上記金属
放熱板は、第一の金属がアルミニウム、第二の金属がニ
ッケル、第三の金属が銅からなるクラッド箔であってそ
の第一の金属がセラミックス基板に接合されており、し
かも第一の金属の端部がそれに隣接する第二の金属の端
部よりも内側に１０μｍ以上、２００μｍ以下の範囲内
に位置しており、また第二の金属の端部が第三の金属の
端部よりも内側に０μｍ以上、１００μｍ以下の範囲内
に位置していることを特徴とする回路基板である。

【００１０】

【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。

【００１１】回路基板の金属回路部分には数百アンペ
ア、数千ボルトの高電圧、高電流が流れるため、現在、
銅回路が主として用いられている。しかし、使用時の環
境の変化や、スイッチングによる熱等によって熱衝撃を
繰り返して受けるため、銅とセラミックスの熱膨張差に
よる熱応力によってセラミックス基板の界面より銅回路
が剥離する問題がある。

【００１２】銅とセラミックスの熱膨張差による熱応力
は、熱膨張率だけではなく、その金属自体が持つ機械的
性質、主に引張強度や耐力でその大きさが決まる。した
がって、熱応力を軽減させるには、銅よりも引張強度や
耐力の小さい金属を用いればよいが、そのような特性を
持ち、しかも銅と同程度の電気的特性を有する金属は、
今のところ現存しない。

【００１３】そこで、上記のように、本出願人は、異な
る３種以上の金属からなるクラッド箔によって、金属回
路及び／又は金属放熱板を形成することを提案した。す
なわち、第一（例えばアルミニウム）、第二（例えばニ
ッケル）、第三（例えば銅）ないしはそれ以上の異なる
３種以上の金属で構成されたクラッド箔において、引張
強度や耐力の小さい第一の金属をセラミックス基板に接
合させることによって、第一の金属とセラミックス基板
間との熱膨張差による熱応力を低減させ、その上に電気
的特性の良好な第三の金属を、第一の金属と反応・拡散
しあわないように、第二の金属を介在させたクラッド箔
構造の回路基板を提案した。更には、このクラッド箔構
造の回路基板において、セラミックス基板に接合してい
る第一の金属の端部を、その金属に隣接している第二の
金属の端部よりもせり出させた構造のものを提案した。

【００１４】これらのクラッド箔構造の回路基板によっ
て、著しく耐ヒートサイクルに対する信頼性が高まった
が、放電が起こりやすくなり、回路基板に高電圧が印可
された場合に、絶縁破壊の前段階である部分放電開始電
圧の低下が生じるという問題が未解決であった。

【００１５】この点について、更に検討した結果、クラ
ッド箔を構成している各金属の端部のせり出し関係を適
正化することによって、この問題を解決できることを見
いだしたものである。すなわち、セラミックス基板に接
合している第一の金属の端部を、その金属に隣接してい
る第二の金属の端部よりも内側に位置させ、しかも第二
の金属の端部をその金属に隣接している第三の金属の端
部と同等もしくは内側に位置させることによって、クラ
ッド箔構造の耐ヒートサイクルに対する超信頼性を大き
く犠牲にすることなく、部分放電開始電圧を高めること
ができたものである。

【００１６】本発明で使用されるセラミックス基板の材
質としては、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、アルミナ
等であるが、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としては、厚すぎ
ると熱抵抗が大きくなり、薄すぎると耐久性がなくなる
ため、０．５〜０．８ｍｍ程度が好ましい。

【００１７】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。従って、セラミックス基板は、ホーニング処理
や機械加工等による研磨処理が施されていることが好ま
しい。

【００１８】本発明で使用されるクラッド箔の構成金属
について説明すると、引張強度や耐力が小さく、セラミ
ックスとの熱膨張差による熱応力を低減する役割を持つ
第一の金属としては、アルミニウム、鉛、白金等が好ま
しく、中でもアルミニウムが特に好ましい。また、電気
的特性の良好な第三の金属としては、銅、銀、金、アル
ミニウム等が好ましく、中でも銅が特に好ましい。第一
の金属に隣接する第二の金属としては、チタン、ジルコ
ニウム、モリブデン、タングステン、ニッケル等が好ま
しいが、中でもニッケルが特に好ましい。クラッド箔の
構成金属の厚みとしては、第一の金属が３０〜２００μ
ｍ、第二の金属が５〜３０μｍ、第三の金属が１００〜
５００μｍであることが好ましい。

【００１９】本発明において、クラッド箔を構成してい
る各金属の端部のせり出し関係は、第一の金属の端部を
その金属に隣接している第二の金属の端部よりも内側に
１０μｍ以上、２００μｍ以下の範囲内に位置させ、ま
た第二の金属の端部をその金属に隣接している第三の金
属の端部と同等位置ないしは１００μｍ以内の内側に位
置させる。

【００２０】このような構造でないと、実施例で説明す
るとおり、耐ヒートサイクルに対する超信頼性が著しく
損なわれるか、又は部分放電開始電圧を高めることがで
きない。すなわち、後記の耐ヒートサイクル試験におい
て、３０００回を上回る信頼性を有し、しかも部分放電
開始電圧が５ｋＶ以上の回路基板とはならない。

【００２１】本発明における「部分放電開始電圧」と
は、フッ素系化合物からなる絶縁油（例えば住友スリ−
エム社製商品名「フロリナ−ト」）に回路基板を浸漬
し、印加交流電圧を徐々に上昇したとき、検出電荷１０
ｐＣを越える部分放電が回路基板表裏間に発生し始める
電圧のことである。部分放電開始電圧は、ＪＥＣ−０４
０１（電気学会 電気規格調査会標準規格）に準じて測
定することができ、その測定回路の一例を図１に示す。
また、部分放電試験器も市販されているので（例えば菊
水電子社製商品名「ＫＰＤ１０５０」）、それを利用す
ることもできる。

【００２２】本発明におけるせり出し関係を有するクラ
ッド箔構造の金属回路及び／又は金属放熱板を形成する
には、セラミックス基板とクラッド箔との接合体をエッ
チングする方法、クラッド箔から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
方法によって行うことができ、その際の接合方法は活性
金属ろう付け法が用いられる。

【００２３】セラミックス基板とクラッド箔との接合体
をエッチングする方法の場合は、そのエッチング液の種
類、処理条件を工夫して行う。例えば、第一の金属がア
ルミニウム、第二の金属がニッケル、第三の金属が銅で
ある場合、セラミックス基板とクラッド箔との接合体
を、クラッド箔を構成している全ての金属が溶解するエ
ッチング液、例えば塩化第二銅水溶液、塩化第二鉄水溶
液等を用いてエッチングを行う。この場合は、クラッド
箔を構成している全ての金属によってパターンが形成さ
れるが、同時にエッチング速度の速い第一の金属の端部
が最も内側に位置し、次いで第二の金属、第三の金属の
順に内側に位置している。

【００２４】しかしながら、多くの場合、このようなエ
ッチング条件で製造された回路基板は、そのクラッド箔
端部における各金属のせり出し関係が、本発明で規定さ
れる状態にはなっていないので、再エッチングを行って
適正化する。例えば、第一の金属の端部の位置を更に内
側とするためには、第二と第三の金属によるパターンを
マスキングしてから、第一の金属を溶解するエッチング
液、例えば苛性ソーダー水溶液等のアルカリ溶液を用い
てエッチングを行う。また、第三の金属よりも第二の金
属の端部を更に内側に位置させるためには、第三の金属
をマスキングしてから第二の金属を溶解するエッチング
液、例えば５〜２０％硫酸溶液を用いてエッチングを行
う。

【００２５】本発明で用いられる活性金属ろう付け法に
ついては、例えば特開昭６０−１７７６３４号公報に記
載されている。ろう材の金属成分は、アルミニウムとシ
リコンを主成分とし、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活性金属を副成分とする。活性金
属成分は、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
ムやこれらの化合物である。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重量部の合計量１００重量
部あたり、活性金属１〜３０重量部である。接合温度
は、５６０〜６４０℃が望ましい。

【００２６】

【実施例】以下、本発明を実施例と比較例をあげて更に
具体的に説明する。

【００２７】実施例１〜３ 比較例１ 重量割合で、アルミニウム粉末８６部、シリコン粉末１
０部、銅粉末４部及び水素化チタニウム粉末１５部から
なる混合粉末１００部にテルピネオール１５部とポリイ
ソブチルメタアクリレートのトルエン溶液を加え、混練
してろう材ペーストを調製し、それを窒化アルミニウム
基板（寸法：５８ｍｍ×３２ｍｍ×０．６５ｍｍ 曲げ
強さ：４０ｋｇ／ｍｍ² 熱伝導率：１７０Ｗ／ｍ・
Ｋ）の両面に塗布した。その際の塗布量（乾燥後）は３
ｍｇ／ｃｍ² とした。

【００２８】次に、ろう材ペーストの塗布面にアルミニ
ウム板（純度：９９．５％ 寸法：５８ｍｍ×３２ｍｍ
×０．１ｍｍ）を接触配置し、真空度１×１０^-5Ｔｏｒ
ｒ以下の高真空下、温度６４０℃で３０分加熱した後、
２℃／分の降温速度で冷却して接合体を製造した。

【００２９】その後、上記接合体の両面にあるアルミニ
ウム面に、ニッケル（５８ｍｍ×３２ｍｍ×１０μｍ）
と銅（５８ｍｍ×３２ｍｍ×０．３ｍｍ）からなるクラ
ッド箔をニッケル面をアルミニウム面に接触させて載置
し、赤外線加熱方式の接合炉で、真空度０．１Ｔｏｒｒ
以下の高真空下、６３０℃×５分の条件で熱処理して接
合を行った。

【００３０】得られた接合体は、第一の金属がアルミニ
ウム、第二の金属がニッケル、第三の金属が銅であるク
ラッド箔が、そのアルミニウム面を窒化アルミニウム基
板の両面に接合された構造である。

【００３１】次いで、この接合体の表裏面にＵＶ硬化タ
イプのエッチングレジストをスクリーン印刷により塗布
した後、表１に示す条件でエッチングを行い回路基板を
作製した。その結果、クラッド箔の構成金属の全てによ
ってパターンが形成されたが、クラッド箔端部の各金属
のせり出し関係が適切ではなかったので、実施例１〜３
においては、再度レジスト印刷を行い、マスキングして
から第二処理を行った。

【００３２】比較例２ 重量割合で、銀粉末９０部、銅粉末１０部、ジルコニウ
ム粉末３部、チタン粉末３部及びテルピネオール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
溶液を加えてよく混練し、ろう材ペーストを調整した。
このろう材ペーストを窒化アルミニウム基板（サイズ：
６０ｍｍ×３６ｍｍ×０．６５ｍｍ 曲げ強さ：４０ｋ
ｇ／ｍｍ² 熱伝導率：１３５Ｗ／ｍＫ）の両面にスク
リーン印刷によって全面に塗布した。その際の塗布量
（乾燥後）は９ｍｇ／ｃｍ² とした。

【００３３】次に、金属回路形成面に６０ｍｍ×３６ｍ
ｍ×０．３ｍｍの銅板を、また金属放熱板形成面に６０
ｍｍ×３６ｍｍ×０．１５ｍｍの銅板をそれぞれ接触配
置してから、真空度１×１０^-5Ｔｏｒｒ以下の真空下、
８３０℃で３０分加熱した後、２℃／分の降温速度で冷
却して接合体を製造した。銅回路端部からの接合層のは
み出し長さは４０μｍであった。

【００３４】次いで、この接合体の銅板上にＵＶ硬化タ
イプのエッチングレジストをスクリーン印刷で塗布後、
塩化第２銅溶液を用い、処理時間４０分でエッチング処
理を行って銅板不要部分を溶解除去し、更にエッチング
レジストを５％苛性ソーダ溶液で剥離した。このエッチ
ング処理後の接合体には、銅回路パターン間に残留不要
ろう材や活性金属成分と窒化アルミニウム基板との反応
物があるので、それを除去するため、１０重量％のフッ
化アンモニウム（ＮＨ₄ Ｆ）と１０重量％の過酸化水素
（Ｈ₂ Ｏ₂ ）の混合溶液からなる薬液に６０℃、３０分
浸漬し、回路基板を作製した。

【００３５】これら一連の処理を経て作製された回路基
板について、第二の金属（ニッケル）の端部に対する第
一の金属（アルミニウム）の端部の位置、及び第三の金
属（銅）の端部に対する第二の金属（ニッケル）の端部
の位置を、その部分の断面を切断・樹脂包埋・研磨した
後、ＳＥＭ観察により測定した。それらの結果につい
て、金属回路面における結果を表１に示した。表１にお
いて、「＋」は第二又は第三の金属の端部が第一又は第
二の金属の端部よりもせり出ていること示し、「−」は
内側に入り込んでいることを示す。なお、金属放熱板面
におけるクラッド箔端部の各金属のせり出し関係は、金
属回路面とそれとほぼ同等であった。

【００３６】得られた回路基板について、絶縁油（住友
スリ−エム社製商品名「フロリナ−ト」）中、検出電荷
１０ｐＣを越える回路基板表裏間の部分放電開始電圧を
市販試験器（菊水電子社製商品名「ＫＰＤ１０５０」）
を用い、２５℃、ＲＨ４０％、電磁波シールドされた室
内で測定した。また、気中、−４０℃×３０分保持後、
２５℃×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。

【００３７】

【表１】

【００３８】比較例３ 実施例１の第一処理の行われた接合体について、その第
三と第二の金属に再度レジスト印刷を行いマスキングし
てから、５０℃、２％の過酸化水素水溶液に５分間浸漬
し、第二の金属（ニッケル）の端部に対する第一の金属
（アルミニウム）の端部の位置が＋３０μｍ、第三の金
属（銅）の端部に対する第二の金属（ニッケル）の位置
がほぼ同等である回路基板を作製した。その結果、部分
放電開始電圧は３．８ｋＶであり、金属の剥離発生サイ
クル数は４５００回であった。

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、耐ヒートサイクル性に
優れ、しかも部分放電開始電圧も十分に高い、高信頼性
の回路基板が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】 部分放電開始電圧測定の回路図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 寺野 克典 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形成されてなる回路基板に
   おいて、上記金属回路及び／又は上記金属放熱板は、第
   一、第二、第三以上の異なる３種以上の金属からなるク
   ラッド箔であってその第一の金属がセラミックス基板に
   接合されており、しかも検出電荷１０ｐＣにおける部分
   放電開始電圧が５ｋＶ以上であることを特徴とする回路
   基板。
2. 【請求項２】 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形成されてなる回路基板に
   おいて、上記金属回路及び／又は上記金属放熱板は、第
   一の金属がアルミニウム、第二の金属がニッケル、第三
   の金属が銅からなるクラッド箔であってその第一の金属
   がセラミックス基板に接合されており、しかも第一の金
   属の端部がそれに隣接する第二の金属の端部よりも内側
   に１０μｍ以上、２００μｍ以下の範囲内に位置してお
   り、また第二の金属の端部が第三の金属の端部よりも内
   側に０μｍ以上、１００μｍ以下の範囲内に位置してい
   ることを特徴とする回路基板。