JPWO2013103066A1 - 回路基板およびそれを用いた電子装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 長期信頼性に優れた回路基板を提供する。【解決手段】 本発明の回路基板は、セラミック基板と、金属層を介してセラミック基板上に設けられた金属板とを有している。金属層は、セラミック基板に接している第１の金属部と、金属板に接している第２の金属部と、第１の金属部および第２の金属部の間に設けられた第３の金属部とを含んでいる。第１の金属部の一部が、第３の金属部を貫くように第２の金属部の方向に向かって伸びているとともに、第２の金属部に沿って横方向に広がっている。【選択図】図２
Description
本発明は、電子部品が搭載される回路基板およびそれを用いた電子装置に関するものである。
パワーモジュールまたはスイッチングモジュール等の例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの電子部品が搭載された電子装置に用いられる回路基板として、セラミック基板に例えば銅またはアルミニウム等からなる金属板が接合された回路基板が用いられる。金属板は、電子部品搭載領域を有し、電子部品からの熱を伝熱または放熱するための放熱板、電子部品と電気的に接続され、配線となる金属回路板として機能するものある。電子部品は、金属板の電子部品搭載領域に搭載され、例えばボンディングワイヤによってセラミック基板上に設けられた金属回路板に電気的に接続される。
しかしながら、従来、金属板とセラミック基板とをろう材を介して接合した回路基板は、金属板の熱膨張係数とセラミック基板の熱膨張係数との差によって、金属板がセラミック基板から剥がれてしまう場合があった。
本発明の一つの態様によれば、回路基板は、セラミック基板と、金属層を介してセラミック基板上に設けられた金属板とを有している。金属層は、セラミック基板に接している第１の金属部と、金属板に接している第２の金属部と、第１の金属部および第２の金属部の間に設けられた第３の金属部とを含んでいる。第１の金属部の一部が、第３の金属部を貫くように第２の金属部の方向に向かって伸びているとともに、第２の金属部に沿って横方向に広がっている。
本発明の他の態様によれば、電子装置は、上記構成の回路基板と、回路基板の金属板に搭載された電子部品とを含んでいる。
本発明の一つの態様による回路基板は、第１の金属部の一部が、第３の金属部を貫くように第２の金属部の方向に向かって伸びているとともに、第２の金属部に沿って横方向に広がっていることによって、第１の金属部が第３の金属部に引っかかるものとなり、その結果、金属板とセラミック基板との接合が強固になって、金属板がセラミック基板から剥がれにくいものとすることができ、長期信頼性に優れた回路基板を提供することが可能となる。
本発明の他の態様による電子装置は、上記構成の回路基板と、回路基板の金属板に搭載された電子部品とを含んでいるので、長期信頼性に優れたものとなる。
本発明のいくつかの例示的な実施形態について、添付の図面を参照しつつ説明する。
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態における電子装置は、図１および図２に示されているように回路基板１と、回路基板１に搭載された電子部品７とを含んでいる。
本発明の第１の実施形態における電子装置は、図１および図２に示されているように回路基板１と、回路基板１に搭載された電子部品７とを含んでいる。
回路基板１は、セラミック基板２と、金属層３を介してセラミック基板２上に設けられた金属板４とを含んでいる。
セラミック基板２は、略四角形状であり、金属板４を支持する支持部材として機能する。セラミック基板２は、電気絶縁材料からなり、例えば、酸化アルミニウム質セラミックス，ムライト質セラミックス，炭化ケイ素質セラミックス，窒化アルミニウム質セラミックス，または窒化ケイ素質セラミックス等のセラミックスからなる。これらセラミック材料の中では放熱性に影響する熱伝導性の点に関して、炭化ケイ素質セラミックス，窒化アルミニウム質セラミックス，または窒化ケイ素質セラミックスが好ましく、強度の点に関して、窒化ケイ素質セラミックスまたは炭化ケイ素質セラミックスが好ましい。セラミック基板２が窒化ケイ素質セラミックスのように比較的強度の高いセラミック材料からなる場合、より厚みの大きい金属板４を用いたとしてもセラミック基板２にクラックが入る可能性が低減されるので、小型化を図りつつより大きな電流を流すことができる回路基板１を実現することができる。
セラミック基板２の厚みは、薄い方が熱伝導性の点ではよく、例えば約０．１ｍｍ〜１ｍｍであり、回路基板１の大きさまたは用いる材料の熱伝導率または強度に応じて選択すればよい。
セラミック基板２は、例えば窒化ケイ素質セラミックスからなる場合であれば、窒化ケイ素，酸化アルミニウム，酸化マグネシウム，および酸化イットリウム等の原料粉末に適当な有機バインダー，可塑剤，および溶剤を添加混合して泥漿物を作製する。この泥漿物を用いて、従来周知のドクターブレード法またはカレンダーロール法を採用することによってセラミックグリーンシート（セラミック生シート）を形成する。次にこのセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施して所定形状となすとともに、必要に応じて複数枚を積層して成形体とする。その後、成形体を窒化雰囲気等の非酸化性雰囲気にて１，６００〜２，０００℃の温度で焼成することによって製作される。
金属層３は、第１の金属部３aと第２の金属部３ｂと第３の金属部３ｃとを含んでいる。
第１の金属部３ａは、セラミック基板２に接して設けられている。第１の金属部３ａは、加熱された状態において、第３の金属部３ｃに拡散するものであるとともに、第２の金属部３ｂには拡散しないものである。
第１の金属部３ａは、加熱された状態において、溶融状態にある第３の金属部３ｃには拡散していくが、溶融状態にはない第２の金属部３ｂには拡散しない。第１の金属部３ａの拡散を止める第２の金属部３ｂは、第２の金属部３ｂおよび第３の金属部３ｃよりも高い融点を有している。
第１の金属部３ａは、例えば、第３の金属部３ｃ、第２の金属部３ｂおよび金属板４をセラミック基板２に接合するろう材である。
ろう材の例としては、例えば銀を主成分とする銀ろう材（例えば、銀：７２質量％−銅：２８質量％）に、チタン，ハフニウム，ジルコニウムのうち少なくとも１種の活性金属を含む活性ろう材等がある。なお、主成分とは、複数の成分のうち、最も多い成分のことを示すものである。
第２の金属部３ｂは、金属板４に接しており、金属板４をセラミック基板２に接合する際に、第１の金属部３ａの主成分である銀が金属板４側へ拡散するのを止めて、銀を縦断面視における横方向へ広げるためのものである。このような第２の金属部３ｂとしては、第１の金属部３ａおよび第３の金属部３ｃよりも高い融点を有する材料を用いることができる。
第２の金属部３ｂの材料例としては、例えばモリブデン，ニッケル，鉄，タングステン，クロム，マンガン，コバルト、またはこれらを含む合金等の金属材料がある。これら金属材料の中でも、熱伝導性（放熱性）の観点から、モリブデン，タングステン，またはインバーが好ましい。
なお、第２の金属部３ｂは、第１の金属部３ａおよび第３の金属部３ｃよりも熱膨張率の小さい材料を用いることが好ましい。
第３の金属部３ｃは、第１の金属板３ａと第２の金属板３ｂとの間に設けられている。このような第３金属部３ｃは、例えば銅またはアルミニウムを主成分としており、金属板を第１の金属部３ａ（ろう材）により接合する際の加熱によって、ろう材が拡散することのできるものである。
金属板４は、セラミック基板２の少なくとも１つの主面（上面または下面）に取着される。金属板４は、金属板４上に搭載される電子部品７が発生する熱を放散するための放熱板または、電子部品７と電気的に接続される金属回路板として機能する。
金属板４は、放熱性の観点から、熱伝導率の高い金属材料が用いられ、例えば銅等の高熱伝導率の金属材料が好適に用いられ（銅の熱伝導率：３９５Ｗ／ｍ・Ｋ）、銅のインゴット（塊）に圧延加工法または打ち抜き加工法等の機械的加工、またはエッチング等の化学的加工のような金属加工法を施すことによって、例えば厚さが０．０５〜１ｍｍの平板状で所定パターンに形成される。なお、金属板４は、熱膨張を抑えるために、例えば銅より熱膨張係数の小さいモリブデン等の金属材料を用いて、銅およびモリブデンを複数層重ねた構成としてもよい。また、セラミック基板２の下面の金属板４は、図１に示された例のように、セラミック基板２の下面のほぼ全面に設けられ、回路基板１に搭載された電子部品７の放熱性を高めるようにするのが好ましい。
第３の金属部３ｃ、第２の金属部３ｂおよび金属板４とセラミック基板２との接合方法について、図３を参照して以下に具体例を説明する。
はじめに、図３に示された例のように、金属板４と、金属板４の下面に設けられた第２の金属部３ｂと、第２の金属部３ｂの下面に設けられた第３の金属部３ｃとを有する金属部材41を作製する。すなわち、金属部材41は金属板４と第２の金属部３ｂと第３の金属部３ｃとを含んでいる。
このような金属部材41を作製する方法としては、まず、第２の金属部３ｂとなるモリブデン製の金属板と、金属板４となる銅製の金属板とを圧延加工法によって一体化する。次に、一体化された第２の金属部３ｂおよび金属板４に打ち抜き加工法等の機械的加工またはエッチング等の化学的加工のような金属加工法を施し所定寸法に加工する。その後、第２の金属部３ｂの主面のうち、金属板４の設けられていない主面に銅製の第３の金属部３ｃをめっき法または真空蒸着法によって被着する。このようにして、銅−モリブデン−銅の３層構成の金属部材41が作製される。
なお、金属板４は、銅とモリブデンとが積層されたものであってもよく、例えば銅−モリブデンの２層構成または銅−モリブデン−銅−モリブデンの４層構成であってもよい。このような場合には、金属板４の熱膨張率を低下させて、金属板４の熱膨張率とセラミック基板２の熱膨張率との差を低減できる。
また、第３の金属部３ｃの材料は無酸素銅であることが好ましい。第３の金属部３ｃが無酸素銅であると、金属部材41とセラミック基板２とを接合する際に、第３の金属部３ｃの表面が第３の金属部３ｃ中に存在する酸素によって酸化されることが低減でき、第３の金属部３ｃと第１金属層３ａである銀ろう材との濡れ性が良好となる。
次に、第３の金属部３ｃまたはセラミック基板２の少なくとも一方における接合面に、銀ろう材のペーストが、スクリーン印刷等で例えば３０〜５０μｍの厚さで所定パターンに印刷塗布される。
銀ろう材のペーストは、例えば銀および銅粉末，銀−銅合金粉末，またはこれらの混合粉末からなる銀ろう材（例えば、金属板および第３の金属部が銅を主成分として含む場合であれば、銀：７２質量％−銅：２８質量％）粉末に、チタン，ハフニウム，ジルコニウムまたはその水素化物等の活性金属を銀ろう材に対して２〜５質量％添加混合し、適当なバインダーと有機溶剤および溶媒とを添加混合し、混練することによって製作される。上記構成の銀ろう材の接合温度は７８０℃〜９００℃であるが、接合温度または銀ろう材（第１金属層３ａ）の硬度を低下させる目的でインジウム（Ｉｎ）またはスズ（Ｓｎ）を１〜１０質量％程度添加しても良い。金属板４および第３の金属部３ｃがアルミニウムを主成分として含む場合であれば、６００℃の接合温度で接合され、銀ろう材の融点は接合温度より低いものを用いる。
また、所定の構造となるように金属部材41をセラミック基板２に配置した後、金属部材41およびセラミック基板２に５〜１０ｋＰａの荷重をかけながら真空中または非酸化性雰囲気中で７８０℃〜９００℃、１０〜４０分間加熱する。このとき、この加熱によって、銀ろう材は、第３の金属部３ｃの銅に拡散して、第２の金属部３ｂに向かって第３の金属部３ｃを貫くように伸びる。さらに、銀ろう材は、第２の金属部３ｂによって拡散が遮られて、第２の金属部３ｂに沿って横方向に広がる。このようにして、第１の金属部３ａおよび第３の金属部３ｃは、図２に示された例のように、縦断面視において銀を主成分とする第１の金属部３ａが銅を主成分とする第３の金属部３ｃに引っかかった構造となる。
なお、第３の金属部３ｃの一部は銀ろう材へと拡散するため、第１の金属部３ａと第３の金属部３ｃとが相互に拡散する。したがって、第１の金属部３ａおよび第３の金属部３ｃは、図４に示された例のように、縦断面視において第１の金属部３ａ内に第３の金属部３ｃの一部が分散した構造を有する。なお、第３金属層３ｃが銀ろう材の一部を含んでいてもよい。
また、縦断面視において、第１の金属部３ａの第２の金属部３ｂに沿って横方向に広がっている部分同士の一部がつながっていてもよい。このような場合には、第１の金属部３ａの第３の金属部３ｃへの引っかかりを強固にできるので、第１の金属部３ａと第３の金属部３ｃとの接合強度を向上できる。
このような場合には、金属板材41とセラミック基板２とを接合する際の温度を高くするか、または加熱時間を長くすることによって作製できる。例えば、金属板材41とセラミック基板２とを８６０℃〜９６０℃で加熱するかまたは、加熱時間を５０〜１２０分間としておくことによって作製できる。
金属部材41をセラミック基板２に接合した後に、金属部材41をエッチングによって所定パターン形状に加工する場合は、例えば以下の方法を用いる。セラミック基板２の上に接合された金属部材41の表面にエッチングレジストインクをスクリーン印刷法等の技術を用いて所定パターン形状に印刷塗布してレジスト膜を形成した後、例えばリン酸、酢酸、硝酸、過酸化水素水、硫酸、ふっ酸、塩化第２鉄、塩化第２銅溶液等を単体もしくは混合したエッチング液に浸漬したり、エッチング液を吹き付けたりして金属部材41の所定パターン以外の部分を除去し、その後にレジスト膜を除去すればよい。なお、金属部材41をセラミック基板に接合する前に、上記方法または打ち抜き加工等の機械的加工を用いて金属部材41を所定パターン形状に加工してもよい。
なお、セラミック基板２に接合された金属部材41に導電性が高くかつ耐蝕性およびろう材との濡れ性が良好な金属をめっき法により被着させておくと、金属板４と外部電気回路（図示せず）との電気的接続を良好なものとすることができる。この場合は、内部に燐を８〜１５質量％含有させてニッケル−燐のアモルファス合金としておくと、ニッケルからなるめっき層の表面酸化を抑制してろう材との濡れ性等を長く維持することができるので好ましい。ニッケルに対する燐の含有量が８質量％以上１５質量％以下であると、ニッケル−燐のアモルファス合金を形成しやすくなってめっき層に対する半田の接着強度を向上させることができる。このニッケルからなるめっき層は、その厚みが１．５μｍ以上であると、第２の金属部３ｂ、金属板４の露出した表面を被覆しやすく、第２の金属部３ｂ、金属板４の酸化腐蝕を抑制できる。また、１０μｍ以下であると、特にセラミック基板２の厚さが３００μｍ未満の薄いものになった場合には、めっき層の内部に内在する内在応力を低減させることができ、金属部材41に生じる反り、およびそれによって生じるセラミック基板２の反りまたは割れ等を低減できる。
このようにして形成された回路基板１の上面にダイボンド材７を介して電子部品７を搭載し、電子部品７を複数のボンディングワイヤ８によって金属回路板として用いられる金属板４に電気的に接続して電子装置を構成するものとなる。なお、ダイボンド材７は、例えば、金属接合材または導電性樹脂からなる。金属接合材は、例えば、半田、金−スズ（Ａｕ−Ｓｎ）合金、またはスズ−銀−銅（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）合金等である。電子部品７は、例えば、トランジスタ、ＣＰＵ（Central Processing Unit）用のＬＳＩ（Large Scale Integrated circuit）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、またはＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor - Field Effect Transistor）等の半導体素子である。
本実施形態の電子装置において、回路基板１は、セラミック基板２と、金属層３を介してセラミック基板２上に設けられた金属板４とを有しており、金属層３が、セラミック基板２に接している第１の金属部３ａと、金属板４に接している第２の金属部３ｂと、第１の金属部３ａおよび第２の金属部３ｂの間に設けられた第３の金属部３ｃとを含んでおり、第１の金属部３ａの一部が、第３の金属部３ｃを貫くように第２の金属部３ｂの方向に向かって伸びているとともに、第２の金属部３ｂに沿って横方向に広がっている。これらによって、第１の金属部３ａが第３の金属部３ｃに引っかかるものとなり、その結果、金属板４とセラミック基板２との接合が強固になって、金属板４がセラミック基板２から剥がれにくいものとできるので、長期信頼性に優れた回路基板を提供することが可能となる。
本実施形態の回路基板１は、上記構成において、第３の金属部３ｃが第１の金属部３ａよりも高い融点を有する材料を用いた場合には、第１金属部３ａと第３金属部３ｃとの接合時において、第３の金属部３ｃが過度に溶融することを低減できるので、第３の金属部３ｃと第２の金属部３ｂとの接合強度の低下を低減できる。
本実施形態の回路基板１は、上記構成において、第１の金属部３ａが銀を、第３の金属部３ｃが銅またはアルミニウムを、第２の金属部３ｂがモリブデン，タングステンおよびインバーのいずれか一種を、金属板４が銅またはアルミニウムをそれぞれ主成分として含んでいることから、第３の金属部３ｃおよび金属板４の熱伝導性を高めることができる。また、第１の金属部３ａと第３の金属部３ｃとの接合時において、第１の金属部３ａが第３金属部３ｃに拡散されやすく、第２の金属部３ｂに拡散されにくいので、第１の金属部３ａの第３の金属部３ｃに引っかかる部分が広くなり、第１の金属部３ａと第３の金属部３ｃとの接合強度を向上できる。
本実施形態の回路基板１は、上記構成において、第３の金属部３ｃと金属板４とが主成分として同じ金属材料を含んでいる場合には、第３の金属部３ｃと金属板４との熱膨張の差を低減できるので、第３の金属部３ｃと金属板４との熱膨張の差によって生じる熱応力によって、第２の金属部３ｂに生じるそりを低減できる。
本実施形態の電子装置は、上記構成の回路基板１と、回路基板１の金属板４に搭載された電子部品７とを含んでいるので、長期信頼性に優れたものとできる。
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態による電子装置について図５を参照しつつ説明する。
次に、本発明の第２の実施形態による電子装置について図５を参照しつつ説明する。
本実施形態における電子装置において、上記した第１の実施形態の電子装置と異なる点は、第１の金属部３ａが、第１金属体と第１金属体内に分散された複数の第２金属体31ｃとを有しており、複数の第２金属体31ｃと第３の金属部３ｃとが主成分として同じ金属材料を含んでいる点である。このような場合には、第１の金属部３ａの熱膨張率と第３の金属部３ｃの熱膨張率とを近づけることができることから、第１の金属部３aと第３の金属部３ｃとの熱膨張差を低減できるので、第１の金属部３ａと第３の金属部３ｃとが剥がれることを低減できる。
なお、本実施形態の回路基板は、第１の実施形態の回路基板と比較して、金属板材41とセラミック基板２とを接合する際の温度を高くするか、または加熱時間を長くするか、もしくは、ろう材に低融点金属材料を加えておくことによって作製できる。例えば、金属板材41とセラミック基板２を８６０℃〜９６０℃に設定しておくことによって作製できる。また、加熱時間を５０〜１２０分間としておくことによって作製できる。また、ろう材にインジウム（Ｉｎ）または錫（Ｓｎ）等の低融点金属材料を５〜１０質量％加えることによって作製できる。
１・・・・・回路基板
２・・・・・セラミック基板
３ａ・・・・第１の金属部
３ｂ・・・・第２の金属部
３ｃ・・・・第３の金属部
31ｃ・・・・第２金属体
４・・・・金属板
41・・・・・金属部材
２・・・・・セラミック基板
３ａ・・・・第１の金属部
３ｂ・・・・第２の金属部
３ｃ・・・・第３の金属部
31ｃ・・・・第２金属体
４・・・・金属板
41・・・・・金属部材
Claims (7)
- セラミック基板と、
金属層を介して前記セラミック基板上に設けられた金属板とを備えており、
前記金属層が、前記セラミック基板に接している第１の金属部と、前記金属板に接している第２の金属部と、前記第１の金属部および前記第２の金属部の間に設けられた第３の金属部とを含んでおり、前記第１の金属部の一部が、前記第３の金属部を貫くように前記第２の金属部の方向に向かって伸びているとともに、前記第２の金属部に沿って横方向に広がっていることを特徴とする回路基板。 - 前記第２の金属部は、前記第１の金属部および前記第３の金属部よりも高い融点を有する材料から成ることを特徴とする請求項１に記載の回路基板。
- 前記第１の金属部が銀を主成分として含んでおり、
前記第３の金属部が銅またはアルミニウムを主成分として含んでおり、
前記第２の金属部がモリブデン，インバーおよびタングステンのいずれか一種を主成分として含んでおり、前記金属板が銅またはアルミニウムを主成分として含んでいることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回路基板。 - 前記第１の金属部が、第１金属体と該第１金属体内に分散された複数の第２金属体とを有しており、
前記複数の第２金属体と前記第３の金属部とが主成分として同じ金属材料を含んでいることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれかに記載の回路基板。 - 前記第３の金属部と前記金属板とが主成分として同じ金属材料を含んでいることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれかに記載の回路基板。
- 前記第１の金属部がろう材であることを特徴とする請求項１〜５のうちいずれかに記載の回路基板。
- 請求項１〜６のうちいずれかに記載の回路基板と、
該回路基板の前記金属板に搭載された電子部品とを備えていることを特徴とする電子装置。
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