JPWO2019167942A1 - 絶縁回路基板 - Google Patents

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Abstract

セラミックス基板の一方の面に回路パターンが形成された回路層が接合されており、セラミックス基板の他方の面に金属層が接合されてなる絶縁回路基板であって、セラミックス基板は、JIS1601 2008に基づく三点曲げ強度が600MPa以上であり、回路層及び金属層は、銅又は銅合金により構成され、回路層は、複数の打ち抜き板が間隔を開けてセラミックス基板に接合されることにより形成されており、回路層の厚さは、0.4mm以上2.0mm以下であり、回路層の接合面積をS1、金属層の接合面積S2としたときの面積比S1/S2が0.5以上0.8以下、回路層の厚さをT1、金属層の厚さをT2としたときの厚さ比T1/T2が1.2以上1.7以下である。

Description

本発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュール用基板等の絶縁回路基板に関する。
本願は、2018年2月27日に出願された特願2018−032799号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
パワーモジュール用基板として、窒化アルミニウムを始めとするセラミックスからなる絶縁基板の一方の面に回路層が接合されるとともに、他方の面に金属層が接合されたパワーモジュール用基板が知られている。
例えば、特許文献1に開示されているパワーモジュール用基板では、絶縁基板に接合された回路層及び金属層のそれぞれが、純度が99.999%以上の純銅で構成されている。このため、温度サイクルが繰り返し作用した場合に回路層及び金属層に再結晶が生じることにより、回路層及び金属層の内に生じた内部応力を低減させて、クラックなどを防止できる。
近年、絶縁基板として高強度の窒化珪素セラミックス(Si)基板が用いられることが多い。窒化珪素セラミックス基板は、窒化アルミニウムにより構成されるセラミックス基板に比べて、強度及び熱伝導率が高い。このため、絶縁基板の厚さを窒化アルミニウムで構成した場合よりも小さくでき、一方、回路層及び金属層の厚さを従来よりも大きくすることができる(例えば、0.4mm以上)。
特開2004−221547号公報
しかしながら、窒化珪素セラミックスにより絶縁基板(セラミックス基板)が構成され、銅又は銅合金により回路層及び金属層が構成されると、セラミックス基板と回路層及び金属層との線膨張係数(熱膨張率)の差が大きいので、セラミックス基板に回路層及び金属層を接合した後、セラミックス基板の残留応力が大きく反りが発生する。また、セラミックス基板の薄肉化及び銅回路層の厚肉化に伴い、絶縁回路基板へのはんだ付け時の反り変化が大きくなり、はんだ付けに支障をきたすので、高温時の反りの変化が小さい絶縁回路基板が望まれている。
絶縁回路基板は、従来エッチング法を用いて、回路層にパターンを形成している。しかしながらエッチング法では、リードフレームと回路層とを一体化したり、セラミックス基板と回路層との間及びセラミックス基板と金属層との間のはんだ信頼性を確保するため、金属層のサイズをセラミックス基板のサイズより大きくしたりする等の構造設計に対し、制約が生じる。
このため、エッチング法を用いず、プレス法によりパターンを有する金属板を形成して接合することが考えられるが、はんだ付けの際の高温時の反りの変化がより顕著となる。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、プレスで打ち抜いた金属板を用いつつ、はんだ付けの際における高温時の反り変化を抑制することができる絶縁回路基板を提供することを目的とする。
セラミックス基板の表面に生じる残留応力は、回路層や金属層の接合面では圧縮応力となるが、回路層側では、パターンが形成されているので、パターン間の部分では回路層の表側に引張応力が生じ、その反対側に圧縮応力が生じる。このため、回路層側を凸とする反りが生じ易い。この場合、回路層及び金属層が厚くなるほど、反りも顕著になる。
本発明者らは、鋭意研究の結果、回路層と金属層との厚みを適切に制御することにより、反りを抑制できることを見出した。
本発明の絶縁回路基板は、JIS1601 2008に基づく三点曲げ強度が600MPa以上であるセラミックス基板と;銅又は銅合金からなり複数の小回路層が間隔をあけて所定形状をなすように前記セラミックス基板の一方の面に接合されてなる厚さT1が0.4mm以上2.0mm以下の回路層と;銅又は銅合金により構成され、前記セラミックス基板の他方の面に接合された金属層と;を備え、前記セラミックス基板に対する前記回路層の接合面積をS1、前記金属層の接合面積S2としたときの面積比S1/S2が0.5以上0.8以下であり、前記回路層の厚さをT1、前記金属層の厚さをT2としたときの厚さ比T1/T2が1.2以上1.7以下である。
本発明では、セラミックス基板の回路パターン間(回路層における小回路層間)に残留応力が発生しても、金属層の厚さが回路層の厚さよりも薄いので、セラミックス基板の回路層側の面及び金属層側の面の応力をバランスさせることができる。したがって、はんだ付けの際の高温による反り変化を抑制することができる。
厚さ比T1/T2が、1.2未満では回路層側を凸とする反りを解消できず、1.7を超えると金属層が薄くなり過ぎて高温の反り変化が大きくなる。なお、面積比S1/S2が0.5以上0.8以下の場合に厚さ比T1/T2をこのように設定すると、反りの抑制に有効である。
上記三点曲げ強度とは、JIS1601 2008規格に基づくものであり、試験片(セラミックス基板)を一定距離に配置された2支点上に置き、支点間の中央の1点に荷重を加えて折れたときの最大曲げ応力をいう。
本発明の絶縁回路基板の好ましい態様としては、前記セラミックス基板は窒化珪素により構成されているとよい。
本発明の絶縁回路基板の前記回路層において、前記小回路層は打ち抜き板からなってもよい。本発明によれば、回路パターンに対応する所定形状をなす小回路層として打ち抜き板がろう付けなどにより高温で接合されている場合も、加熱冷却による変形を抑制できる。
本発明の絶縁回路基板の前記回路層において、各前記小回路層は矩形などの多角形平板であってもよい。各小回路層が矩形等の多角形であるとその間隔は直線状に形成されるので、セラミックス基板の反りが大きくなるおそれがあるが、本発明によれば反りを抑制できる。
本発明の絶縁回路基板の前記回路層において、複数の前記小回路層の前記間隔は0.5mm以上2.0mm以下であってもよい。
本発明の絶縁回路基板の前記回路層において、複数の前記小回路層は同じ組成であるとよい。
本発明の絶縁回路基板において、前記回路層と前記金属層とは同じ組成であるとよい。
本発明によれば、絶縁回路基板のはんだ付けの際における高温時の反り変化を抑制することができる。
本発明の一実施形態に係る絶縁回路基板を用いたパワーモジュールを示す断面図である。 上記実施形態における絶縁回路基板を回路層側から見た平面図である。 上記実施形態における絶縁回路基板を金属層側から見た平面図である。 図1に示す絶縁回路基板の製造方法を説明する断面図である。 図1に示す絶縁回路基板の製造方法を説明する断面図である。 図1に示す絶縁回路基板の製造方法を説明する断面図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
[絶縁回路基板の概略構成]
本発明に係る絶縁回路基板の製造方法により製造される絶縁回路基板1は、図1に示すように、いわゆるパワーモジュール用基板であり、図1の二点鎖線で示すように絶縁回路基板1の表面に素子30が搭載されパワーモジュール100となる。素子30は、半導体を備えた電子部品であり、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、FWD(Free Wheeling Diode)等の種々の半導体素子が選択される。
素子30は、図示を省略するが、上部に上部電極部が設けられ、下部に下部電極部が設けられている。素子30は、下部電極部が回路層12の上面にはんだ31等により接合されることで、回路層12の上面に搭載される。素子30の上部電極部は、はんだ等で接合されたリードフレーム等を介して、回路層12の回路電極部等に接続される。
[絶縁回路基板の構成]
絶縁回路基板1は、セラミックス基板11と、セラミックス基板11の一方の面に接合された複数の小回路層121,122からなる回路層12と、セラミックス基板11の他方の面に接合された金属層13とを備える。
セラミックス基板11は、回路層12と金属層13の間の電気的接続を防止する絶縁基板であって、その板厚T3は0.2mm〜1.0mm、三点曲げ強度が600MPa以上である。セラミックス基板11は、例えば窒化珪素セラミックス(Si)やジルコニア強化アルミナ基板等により構成される。この場合、窒化アルミニウム(AIN)により構成されているセラミックス基板に比べて、強度及び熱伝達率を高めることができる。
本実施形態のセラミックス基板11は、窒化珪素セラミックスにより構成され、その板厚T3は、0.32mm、三点曲げ強度が600MPa以上1020MPa以下に設定されている。
回路層12は、図1及び図2A,2Bに示す例では、分断された2つの小回路層121,122からなる。各小回路層121,122は、、いずれも多角形状(本実施形態では矩形状)であり、セラミックス基板11の一方の面に相互に間隔(例えば、0.5mm〜2.0mm)を開けて接合される。
回路層12(各小回路層121,122)は、無酸素銅等の銅又はジルコニウム添加銅合金等の銅合金により構成され、その板厚T1は、0.4mm以上2.0mm以下に設定されている。板厚T1は、金属層13の板厚T2よりも大きく、厚さ比T1/T2が1.2以上1.7以下に設定される。本実施形態の回路層12において、各小回路層121,122はいずれも同じ組成である。
本実施形態の回路層12は、無酸素銅により構成され、その板厚T1が0.8mm、各小回路層121,122の間隔は、1.0mmに設定されている。
金属層13は、無酸素銅等の高純度銅又はジルコニウム添加銅合金等の銅合金により構成されその板厚T2は、0.3mm以上1.6mm以下に設定されている。上述したように金属層13の板厚T2は回路層12の板厚T1よりも小さく、厚さ比T1/T2が1.2以上1.7以下に設定される。
本実施形態の金属層13は、回路層12と同じ組成の無酸素銅により構成され、その板厚が0.6mmに設定されている。
このように構成される絶縁回路基板1において、回路層12の接合面積をS1(mm)、金属層13の接合面積をS2(mm)としたときに、面積比S1/S2は、0.5以上0.8以下となる関係に調整される。上記接合面積S1,S2は、いずれも30℃における値である。
本実施形態では、回路層12は小回路層121,122からなるため、回路層12の接合面積S1は、小回路層121の接合面積S11と小回路層122の接合面積S12との総和となる。
[絶縁回路基板の製造方法]
次に、本実施形態の絶縁回路基板1の製造方法について説明する。絶縁回路基板1の製造方法は、銅又は銅合金により構成される板材をプレス加工して金属層13となる一枚板の金属層用金属板130および所定形状(回路パターン)を有する回路層12となる回路層用金属板120を形成する金属板形成工程と、セラミックス基板11にろう材を介して積層した金属層用金属板130及び回路層用金属板120を加圧状態で加熱し接合する接合工程と、を含む。以下、この工程順に説明する。
(金属板形成工程)
まず、図3Aに示すように、銅又は銅合金により構成される圧延された板材(以下、銅圧延材という)をプレス加工により打ち抜き、金属層用金属板130及び回路層用金属板120を形成する。
具体的には、金属層用金属板130は、厚さ0.3mm以上1.6mm以下の銅圧延材をプレスすることにより矩形板状(例えば、40mm×50mm)に形成される。回路層用金属板120は、厚さ0.4mm以上2.0mm以下の銅圧延材をプレスすることにより所望のパターン形状(図2Aに示す例では2枚の矩形状の打ち抜き板)に形成される。すなわち、回路層用金属板120は、本発明の複数の「打ち抜き板」に相当する。このようにして形成された回路層用金属板120の面積S1と金属層用金属板130の面積S2との面積比S1/S2は、0.5以上0.8以下に設定されている。
(接合工程)
次に、図3Bに示すように、セラミックス基板11に金属層用金属板130及び回路層用金属板120を接合する。具体的には、セラミックス基板11の表面及び裏面に、それぞれAg−Cu−Ti系ろう材箔14を介在させて金属層用金属板130及び回路層用金属板120を積層する。これらの積層体をカーボン板により挟持し、積層方向に荷重をかけながら真空中で加熱することにより、セラミックス基板11と金属層用金属板130及び回路層用金属板120を接合する。これにより、図3Cに示すセラミックス基板11の表面に回路層12が接合部(ろう付け部)を介して接合され、裏面に金属層13が接合部(ろう付け部)を介して接合された絶縁回路基板1が形成される。
この接合工程における積層方向への加圧は0.1MPa〜1.0MPa、加熱温度は800℃〜930℃とするとよい。また、Ag−Cu−Ti系ろう材箔は、厚さ5μm〜15μmであるとよい。さらに、Ag−Cu−Ti系ろう材の他、Cu−P系ろう材を用いることもできる。
このような製造方法により製造された絶縁回路基板1は、回路層12の厚さT1が0.4mm以上2.0mm以下であり、回路層12の接合面積S1及び金属層13の接合面積S2の面積比S1/S2が0.5以上0.8以下、回路層12の厚さT1と金属層13の厚さT2との厚さ比T1/T2が1.2以上1.7以下となる。
セラミックス基板11の表面に生じる残留応力は、回路層12や金属層13の接合面では圧縮応力となるが、回路層12側ではパターンが形成されているので、図2Aに示すように、各小回路層121,122間の部分(パターンが形成されることにより露出している領域Ar1)では、裏側に圧縮応力、表側に引張応力が生じる。このため、回路層12側を凸とする反りが生じ易い。この場合、回路層12及び金属層13が厚くなるほど、反りも顕著になる。
これに対し、本実施形態では、セラミックス基板11の各小回路層121,122間(上記領域Ar1)に残留応力が発生しても、金属層13の厚さが回路層12の厚さよりも薄いので、セラミックス基板11の回路層12側の面及び金属層13側の面のバランスを保つことができる。したがって、エッチング法ではなくプレス法により回路層12を形成した場合でも、はんだ付けの際における高温の反り変化を抑制することができる。
その他の細部構成は実施形態の構成のものに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では絶縁回路基板1をパワーモジュール用基板として用いる例を説明したが、この絶縁回路基板1は、LED素子用基板等、各種の絶縁基板として用いることもできる。
次に、本発明の効果について実施例を用いて詳細に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
実施例1〜7及び比較例1及び2の試料を構成する部材には、板厚0.32mmの窒化珪素セラミックスからなるセラミックス基板を用意するとともに、表1に示す板厚、接合面積の無酸素銅により形成される回路層及び金属層を用意した。回路層を構成する2つの小回路層の間隔は、1.0mmとした。
表1では、回路層の厚さをT1(mm)、金属層の厚さをT2(mm)、回路層の接合面積をS1(mm)、金属層の接合面積をS2(mm)とした。
これら部材を上記実施形態で述べた製造方法により接合して絶縁回路基板を作製し、実施例1〜7および比較例1〜2の各試料を作製した。得られた各試料につき、30℃から285℃に加熱した後、冷却して30℃とする一連の加熱試験において、285℃加熱時の反り量(加熱時反り)及び285℃に加熱した後冷却して30℃となった際の30℃での反り量(戻り反り)をそれぞれ金属層側から測定した。反り量は、セラミックス基板の変化をモアレ式三次元形状測定機で測定し、反り量の変化量(加熱時反りと反り戻りとの差)も求めた。各反り量においては、金属層が凹状となる反りを「−」、凸状となる反りを「+」と表記した。表1に結果を示す。
Figure 2019167942
表1からわかるように、回路層の接合面積S1及び金属層の接合面積S2の面積比S1/S2が0.5以上0.8以下、厚さ比T1/T2が1.2以上1.7以下である実施例1〜7では、はんだ付けの際等の高温時における反り量が小さく、変化量も600μm以下と小さい絶縁回路基板が得られることが確認できた。
絶縁回路基板のはんだ付けの際における高温時の反り変化を抑制できる。
1 絶縁回路基板
11 セラミックス基板
12 回路層
13 金属層
14 ろう材箔
30 素子
31 はんだ
100 パワーモジュール
120 回路層用金属板(打ち抜き板)
130 金属層用金属板
121 小回路層
122 小回路層
S1 接合面積
S2 接合面積
S11 接合面積
S12 接合面積
T1 回路層の厚さ
T2 金属層の厚さ
T3 セラミックス基板の厚さ
Ar1 領域
本発明の絶縁回路基板は、JIS1601 2008に基づく三点曲げ強度が600MPa以上であるセラミックス基板と;銅又は銅合金の打ち抜き板からなる複数の小回路層が間隔をあけて所定形状をなすように前記セラミックス基板の一方の面に接合されてなる厚さT1が0.4mm以上2.0mm以下の回路層と;銅又は銅合金からなり、前記セラミックス基板の他方の面に接合されてなる金属層と;を備え、前記セラミックス基板に対する前記回路層の接合面積をS1、前記金属層の接合面積S2としたときの面積比S1/S2が0.5以上0.8以下であり、前記金属層の厚さをT2としたときの厚さ比T1/T2が1.2以上1.7以下であり、前記回路層において、複数の前記小回路層の前記間隔は0.5mm以上2.0mm以下である。
本発明では、セラミックス基板の回路パターン間(回路層における小回路層間)に残留応力が発生しても、金属層の厚さが回路層の厚さよりも薄いので、セラミックス基板の回路層側の面及び金属層側の面の応力をバランスさせることができる。したがって、はんだ付けの際の高温による反り変化を抑制することができる。
回路パターンに対応する所定形状をなす小回路層として打ち抜き板が用いられているにもかかわらず、加熱冷却による変形を抑制できる。
本発明の絶縁回路基板は、JIS1601 2008に基づく三点曲げ強度が600MPa以上であるセラミックス基板と;銅又は銅合金の打ち抜き板からなる複数の小回路層が間隔をあけて所定形状をなすように前記セラミックス基板の一方の面に接合されてなる厚さT1が0.4mm以上2.0mm以下の回路層と;銅又は銅合金の一枚板からなり、前記セラミックス基板の他方の面に接合されてなる金属層と;を備え、前記セラミックス基板に対する前記回路層の接合面積をS1、前記金属層の接合面積S2としたときの面積比S1/S2が0.5以上0.8以下であり、前記金属層の厚さをT2としたときの厚さ比T1/T2が1.以上1.7以下であり、前記回路層において、複数の前記小回路層の前記間隔は0.5mm以上2.0mm以下である。
厚さ比T1/T2が、1.2未満では回路層側を凸とする反りを解消できない。本発明では1.5以上とする。1.7を超えると金属層が薄くなり過ぎて高温の反り変化が大きくなる。なお、面積比S1/S2が0.5以上0.8以下の場合に厚さ比T1/T2をこのように設定すると、反りの抑制に有効である。
Figure 2019167942
表1からわかるように、回路層の接合面積S1及び金属層の接合面積S2の面積比S1/S2が0.5以上0.8以下、厚さ比T1/T2が1.2以上1.7以下である参考例1,2及び実施例3〜7では、はんだ付けの際等の高温時における反り量が小さく、変化量も600μm以下と小さい絶縁回路基板が得られることが確認できた。その中でも、厚さ比T1/T2が1.5以上1.7以下の実施例3〜7が概して好ましいと言える。

Claims (8)

  1. 絶縁回路基板であって、
    JIS1601 2008に基づく三点曲げ強度が600MPa以上であるセラミックス基板と;
    銅又は銅合金からなり、複数の小回路層が間隔をあけて所定形状をなすように前記セラミックス基板の一方の面に接合されてなる厚さT1が0.4mm以上2.0mm以下の回路層と;
    銅又は銅合金からなり、前記セラミックス基板の他方の面に接合されてなる金属層と;
    を備え、
    前記セラミックス基板に対する前記回路層の接合面積をS1、前記金属層の接合面積S2としたときの面積比S1/S2が0.5以上0.8以下であり、
    前記金属層の厚さをT2としたときの厚さ比T1/T2が1.2以上1.7以下であることを特徴とする絶縁回路基板。
  2. 前記セラミックス基板は窒化珪素により構成されていることを特徴とする請求項1に記載の絶縁回路基板。
  3. 前記回路層において、各前記小回路層は打ち抜き板からなることを特徴とする請求項1または2に記載の絶縁回路基板。
  4. 前記回路層において、各前記小回路層は多角形平板であることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の絶縁回路基板。
  5. 各前記小回路層は矩形であることを特徴とする請求項4に記載の絶縁回路基板。
  6. 前記回路層において、複数の前記小回路層の前記間隔は0.5mm以上2.0mm以下であることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の絶縁回路基板。
  7. 前記回路層において、複数の前記小回路層は同じ組成であることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の絶縁回路基板。
  8. 前記回路層と前記金属層とは同じ組成であることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の絶縁回路基板。
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