TWI762771B - 絕緣電路基板 - Google Patents

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TWI762771B
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日商三菱綜合材料股份有限公司
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Abstract

本發明係一種絕緣電路基板係接合形成有電路圖案之電路層於陶瓷基板之一方的面，接合金屬層於另一方的面所成的絕緣電路基板，其特徵為電路層係具有：接合於陶瓷基板之鋁所成之第1電路層，和接合於第1電路層之上面的銅所成之第2電路層；金屬層係具有接合於陶瓷基板之鋁所成之第1金屬層，和接合於第1金屬層之上面的銅所成之第2金屬層；第1電路層及第1金屬層之厚度係為0.2mm以上0.9mm以下，且相同厚度，而第2電路層之厚度係0.65 mm以上2.0mm以下，電路層之接合面積作為S1，而金屬層之接合面積作為S2時之面積比S1/S2為0.5以上0.8以下、第2電路層之厚度作為T1，而第2金屬層之厚度作為T2時之厚度比T1/T2為1.4以上3.2以下。

Description

絕緣電路基板
本發明係有關使用於控制大電流，高電壓之半導體裝置之功率模組用基板等之絕緣電路基板。本申請係依據申請於2018年3月2日之日本特願2018-037269號而主張優先權，而將此內容援用於此。
作為絕緣電路基板，知道有接合電路層於將氮化鋁為始之陶瓷所成之絕緣基板之一方的面同時，於另一方的面，接合金屬層之功率模組用基板。
例如，在揭示於專利文獻1之功率模組用基板中，接合於絕緣基板之各電路層及金屬層係由純度為99.999%以上的純銅所形成。因此，經由對於溫度循環反覆作用之情況，於電路層及金屬層產生再結晶之時，使產生於電路層及金屬層內之內部應力降低，作為呈未產生斷裂，但其效果係有不充分之情況。
近年，使用有於陶瓷基板的表面，接合有鋁或鋁合金所成之鋁層，而於鋁層之上面，固相擴散接合銅或銅合金所成之銅層的絕緣電路基板。對於鋁層係有應力緩衝機能之故，而接合於陶瓷基板的表面之鋁層的厚度及銅層的厚度係作為設定成略相同即可。另外，經由鋁層之應力緩衝機能，可將銅層之厚度，例如，作為成0.4mm以上。 先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本特開2004-221547號公報
發明欲解決之課題
於陶瓷基板的表面，接合鋁或鋁合金所成之電路層及金屬層，而於電路層形成電路圖案之後，於電路層及金屬層之上面，接合比較厚之銅或銅合金所成之金屬板之情況，經由電路圖案的形狀或面積等，係陶瓷基板的電路層側的面之應力，和金屬層側的面之應力的平衡則產生崩壞，而對於陶瓷基板產生有大的彎曲。
當對於絕緣電路基板之焊接時的彎曲變化大時，因對於焊接帶來障礙之故，高溫時之彎曲的變化小之絕緣電路基板為佳。
本發明係有鑑於如此之情事所作為之構成，其目的為提供可抑制彎曲變化的絕緣電路基板。 為了解決課題之手段
本發明之絕緣電路基板係具備：陶瓷基板，和接合於前述陶瓷基板之一方的面而形成電路圖案之電路層，和接合於前述陶瓷基板之另一方的面之金屬層的絕緣電路基板，其中，前述電路層係具有：接合於前述陶瓷基板之鋁或鋁合金所成之第1電路層，和接合於前述第1電路層之上面的銅或銅合金所成之第2電路層；前述金屬層係具有接合於前述陶瓷基板之鋁或鋁合金所成之第1金屬層，和接合於前述第1金屬層之上面的銅或銅合金所成之第2金屬層；前述第1電路層及前述第1金屬層之各厚度係為相等之0.2mm以上0.9mm以下，而前述第2電路層之厚度T1係0.65mm以上2.0mm以下，前述電路層之接合面積S1與前述金屬層之接合面積S2之面積比S1/S2為0.5以上0.8以下、前述第2電路層之厚度T1與前述第2金屬層之厚度T2之厚度比T1/T2為1.4以上3.2以下。
在本發明中，在接合第2電路層及第2金屬層於第1電路層及第1金屬層之上面時，即使於陶瓷基板的電路圖案間產生有應力，因第2金屬層之厚度則較第2電路層之厚度為薄之故，可使陶瓷基板之電路層側的面及金屬層側的面之應力平衡者。隨之，降低絕緣電路基板之彎曲的同時，可抑制在焊接時等之高溫時的彎曲變化。
在厚度比T1/T2不足1.4中，無法消解將電路層側作為凸之彎曲，而厚度比T1/T2超過3.2時，第2金屬層則過薄，而高溫的彎曲變化為大。如此，設定厚度比T1/T2之情況係對於面積比S1/S2為0.5以上0.8以下情況之彎曲降低而為有效。當第1電路層及第1金屬層之厚度不足0.2mm時，經由鋁或鋁合金之應力緩衝效果則降低，而當超過0.9mm時，形成電路圖案時之限制變大。
作為本發明之絕緣電路基板的理想形態係前述第2電路層係固相擴散接合於前述第1電路層之上面，而前述第2金屬層係固相擴散接合於前述第1金屬層之上面即可。
在此絕緣電路基板中，更理想係前述第2電路層之厚度T1為1.0mm以上2.0mm以下。
在此絕緣電路基板中，更理想係前述面積比S1/S2為0.6以上0.8以下。
在此絕緣電路基板中，更理想係前述厚度比T1/T2為1.8以上2.5以下。
在此絕緣電路基板中，更理想係前述第1電路層及前述第1金屬層之各厚度為0.2mm以上0.6mm以下。
在此絕緣電路基板中，前述電路圖案係具有0.5mm~2.0mm寬度之電路層非接合部亦可。
在此絕緣電路基板中，更理想係前述陶瓷基板的厚度係0.2mm~1.2mm。 發明效果
如根據本發明，可抑制在絕緣電路基板之焊接時等之高溫時的彎曲變化。
以下，對於本發明之實施形態，參照圖面同時加以說明。
[絕緣電路基板之概略構成] 經由有關本發明之絕緣電路基板之製造方法而加以製造之絕緣電路基板1係如圖1所示，為所謂之功率模組用基板，對於絕緣電路基板1之表面係如以圖1之二點鎖鏈線所示，搭載有元件30，而成為功率模組用基板100。元件30係具備半導體之電子構件，而加以選擇IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、FWD(Free Wheeling Diode)等各種半導體元件。
元件30係雖省略圖示，但於上部設置有上部電極部，而於下部設置有下部電極部，下部電極部則由經由銲錫31等而接合於電路層12之上面者，將元件30搭載於電路層12之上面。元件30之上部電極部係藉由以焊錫等而接合之引線架等，連接於電路層12之電路電極部等。
[絕緣電路基板之構成] 絕緣電路基板1係具有：陶瓷基板11，和接合於陶瓷基板11之一方的面之電路層12，和接合於陶瓷基板11之另一方的面之金屬層15。
陶瓷基板11係防止電路層12與金屬層15之間的電性連接之矩形板狀的絕緣基板，例如經由氮化鋁(AlN)、氮化矽(Si3 N4 )、鋯強化氧化鋁基板等而加以形成，其厚度T5係0.2mm~1.2mm。
本實施形態之陶瓷基板11係經由氮化鋁而加以形成，尺寸設為100mm×110mm、厚度T5設定為1.0 mm。
電路層12係在圖1及圖2所示的例中，由相互加以分斷而形成電路圖案之2個小電路層121，122所成。各小電路層121，122係於陶瓷基板11之一方的面，相互拉開間隔(例如，0.5mm~2.0mm)而加以接合。換言之，於小電路層121，122之間，形成有未接合有電路層12之金屬的寬度0.5mm~2.0mm之余白部Ar1。電路層12係具備：接合於陶瓷基板11之第1電路層13，和接合於第1電路層13之上面的第2電路層14。
對於第1電路層13係使用純度99質量%以上的純鋁或鋁合金，例如，可使用在JIS規格中1000號的純鋁，特別是1N99(純度99.99質量%以上：所謂4N鋁)。第1電路層13之厚度係0.2mm以上0.9mm。當第1電路層13之厚度不足0.2mm時，因經由純鋁或鋁合金之應力緩衝效果則降低，而當超過0.9mm時，形成電路圖案時之限制變大之故。
本實施形態之第1電路層13係經由純度99質量%以上的純鋁而加以形成，其厚度T3係設定為0.6mm。
第2電路層14係經由無氧銅等之銅或鋯添加銅合金等之銅合金而加以形成，其厚度T1係設定為0.65 mm以上2.0mm以下。第2電路層14之厚度T1係較後述之第2金屬層17之厚度T2為大，而厚度比T1/T2則設定為1.4以上3.2以下。
本實施形態之第2電路層14係經由無氧銅而加以形成，其厚度T1則設定為1.0mm。各小電路層121，122之間隔係設定為1.0mm。
金屬層15係具備：接合於陶瓷基板11之第1金屬層16，和接合於第1金屬層16之上面的第2金屬層17。
第1金屬層16係與上述第1電路層13同樣地，使用純度99質量%以上的純鋁或鋁合金而加以形成，其厚度T4係0.2mm以上0.9mm。
本實施形態之第1金屬層16係經由純度99質量%以上的純鋁而加以形成，其厚度T4係設定為0.6mm。即，第1電路層13及第1金屬層16係為相同的組成，且相同之厚度(T3=T4)。
第2金屬層17係經由無氧銅等之銅或鋯添加銅合金等之銅合金而加以形成，其厚度T2係設定為0.4mm以上1.4mm以下。第2金屬層17之厚度T2係較第2電路層14之厚度T1為小，而厚度比T1/T2則設定為1.4以上3.2以下。
本實施形態之第2金屬層17係經由無氧銅而加以形成，其厚度T2則設定為0.7mm。
在如此所構成之絕緣電路基板1中，將對於陶瓷基板11而言之電路層12的接合面積作為S1(mm2 )、而將對於陶瓷基板11而言之金屬層15的接合面積作為S2 (mm2 )時，面積比S1/S2係調整為成為0.5以上0.8以下之關係。各接合面積S1，S2係均為在30℃的值。
在本實施形態中，電路層12係小回路層121，122所成之故，電路層12之接合面積S1係成為對於陶瓷基板11而言之小電路層121的接合面積S11與小電路層122的接合面積S12的總合。
[絕緣電路基板之製造方法] 接著，對於經由本實施形態之絕緣電路基板1之製造方法加以說明。絕緣電路基板1之製造方法係包含：將成為第1電路層13之鋁或鋁合金所成之第1電路層用金屬板130及鋁或鋁合金所成之成為第1金屬層16之第1金屬層用金屬板150，接合於陶瓷基板11之第1接合工程，和於經由第1接合工程而加以接合之第1電路層用金屬板130(第1電路層前驅物13A)，形成電路圖案而形成第1電路層13之電路圖案形成工程，和沖壓加工銅或銅合金之板材，形成具有成為第2電路層14之電路圖案之第2電路層用金屬板140，和成為第2金屬層17之一片板的第2金屬層用金屬板170之金屬板形成工程，和於第1電路層13之上面接合第2電路層用金屬板140，及於第1金屬層16之上面接合第2金屬層用金屬板170之第2接合工程。於以下，此工程依序進行說明。
(第1接合工程) 首先，如圖3A所示，將具有相同厚度之第1電路層用金屬板130及第1金屬層用金屬板160，各使用Al-Si系之焊料材而接合於陶瓷基板11。具體而言，於陶瓷基板11之表面及背面，各使Al-Si系之焊料材箔18介入存在而層積第1電路層用金屬板130及第1金屬層用金屬板160，再經由碳板而夾持此等層積體，對於層積方向加上負載同時，在真空中進行加熱之時，接合陶瓷基板11與第1電路層用金屬板130及第1金屬層用金屬板160。經由此，成為藉由接合部(焊接部)而接合第1電路層前驅物13A於陶瓷基板11之表面，及接合第1金屬層16於背面之圖3B所示之狀態。
在此工程之層積方向的加壓係作為0.3MPa~ 1.5MPa，溫度係作為630℃以上655℃以下即可。Al-Si系之焊料材箔係厚度5μm~15μm即可。Al-Si系之焊料材之其他，亦可使用Al-Ge系，Al-Cu系、Al-Mg系、Al-Mn系、或Al-Si-Mg系焊料材者。
(電路圖案形成工程) 接著，印刷光罩於第1電路層前驅物13A之表面之後，經由使用酸性的有機溶劑等而進行蝕刻而形成電路圖案。此光罩係因應必要而呈形成電路圖案於第1電路層前驅物13A之表面地加以設置。經由此，形成電路圖案於第1電路層前驅物13A，如圖3C所示地，成為接合第1電路層13於陶瓷基板11之狀態。
(金屬板形成工程) 如圖4A所示，經由沖壓加工而開通經由銅或銅合金而加以形成之延壓的板材(以下，稱為銅延壓材)，形成第2電路層用金屬板140及第2金屬層用金屬板170。具體而言，經由沖壓厚度0.4mm以上1.4mm以下之銅延壓材之時，加以形成矩形板狀(例如，95mm×100mm)之第2金屬層用金屬板170。另外，經由沖壓厚度0.65mm以上2.0mm以下之銅延壓材之時，形成具有期望之圖案形狀(在圖4A~ 4C所示的例中係矩形板狀)之2個第2電路層用金屬板140。如此作為所形成之第2電路層用金屬板140之總面積(相同於接合面積S1)與第2金屬層用金屬板170之面積(相同於接合面積S2)之面積比(相同於面積比S1/S2)係設定為0.5以上0.8以下。
(第2接合工程) 接著，如圖4B所示，於第1電路層13之上面，接合各第2電路層用金屬板140之同時，於第1金屬層16之上面，接合第2金屬層用金屬板170。具體而言，於各第1電路層14之上面及第1金屬層16之上面，各使Ag-Cu-Ti系焊料材箔18介入存在而層積第2電路層用金屬板140及第2金屬層用金屬板170，經由碳板而夾持此等層積體，對於層積方向加上負載之同時，在真空中進行加熱之時，於第1電路層13接合第2電路層用金屬板140而形成厚度T1之第2電路層14之同時，於第1金屬層16接合第2金屬層用金屬板170而形成厚度T2之第2金屬層。
經由此，如圖4C所示，加以形成藉由接合部(焊接部)而加以固相擴散接合層積第1電路層13及第2電路層14所成之電路層12於陶瓷基板11的表面之同時，而藉由接合部(焊接部)加以固相擴散接合層積第1金屬層16及第2金屬層17所成之金屬層15於陶瓷基板11之背面之絕緣電路基板1。
對於在此工程之層積方向的加壓係作為0.1 MPa~1.0MPa，加熱溫度係作為800℃~930℃即可。Ag-Cu-Ti系之焊料材箔係厚度5μm~15μm即可。Ag-Cu-Ti系之焊料材之其他，亦可使用Cu-P系焊料材。
如此所製造之絕緣電路基板1係第2電路層14之厚度T1為0.65mm以上2.0mm以下，而電路層12之接合面積S1及金屬層15之接合面積S2的面積比S1/S2為0.5以上0.8以下、第2電路層14之厚度T1與第2金屬層17之厚度T2之厚度比T1/T2則成為1.2以上1.7以下。
在此，產生於陶瓷基板11之表背面的應力係在電路層12或金屬層15之接合部中係成為壓縮應力。在接合電路層12之表面中，因形成有圖案之故，如圖2B所示，對於圖案間的電路層非接合部Ar1(經由形成有圖案而陶瓷基板11所露出之範圍Ar1)之背面係產生有經由金屬層15之壓縮應力，而對於表面係產生有拉伸應力。因此，容易產生將電路層12側作為凸之彎曲。此情況，電路層12及金屬層15越厚，彎曲亦越顯著。
對此，即使於陶瓷基板11之電路圖案間的電路層非接合部Ar1(上述範圍Ar1)產生有殘留應力，因第2金屬層17之厚度T2則較第2電路層14之厚度T1為薄之故，亦可保持陶瓷基板11之電路層12側的面及金屬層15側的面之平衡。隨之，可抑制在焊接時之高溫的彎曲變化。
細部構成等係未限定於實施形態之構成者，在不脫離本發明之內容的範圍，可加上種種變更者。
例如，在上述實施形態中，經由蝕刻第1電路層前驅物13A而形成第1電路層13，但未限於此，而作為呈將以沖壓開通之複數的金屬板接合於陶瓷基板11亦可。
在上述實施形態中，說明過作為功率模組用基板而使用絕緣電路基板1的例，但此絕緣電路基板1係亦可作為LED元件用基板等，各種的絕緣基板而使用者。 實施例
接著，對於本發明之效果而使用實施例加以詳細說明，但本發明係並不限定於下述之實施例者。
實施例1~7及比較例1~4的各試料係於厚度1.0mm、100mm×110mm之氮化鋁所成之陶瓷基板，接合由純鋁所成之厚度0.6mm的第1電路層及無氧銅所成之厚度T1的第2電路層所成之電路層，和由純鋁所成之厚度0.6 mm的第1金屬層及無氧銅所成之厚度T2的第2金屬層之絕緣電路基板。
對於各試料，於表1顯示第2電路層之厚度T1與第2金屬層之厚度T2及其厚度比T1/T2、對於陶瓷基板而言之電路層之接合面積S1與金屬層之接合面積S2之面積比S1/S2。構成電路層之2個小電路層之間隔係在所有的試料中，作為1.0mm。
對於比較例4，電路層及金屬層係僅具備經由無氧銅而形成之第2電路層及第2金屬層，作為未具備鋁層(第1電路層及第1金屬層)之構成。
經由在上述實施形態所敘述之製造方法而接合各構成構件，製作絕緣電路基板之各試料。並且，對於所得到之各試料，在伴隨自30℃加熱至285℃後，進行冷卻而作為30℃之一連串之溫度變化之加熱試驗中，將285℃加熱時之彎曲量(加熱時彎曲)及加熱至285℃後，進行冷卻而成為30℃時，在30℃之彎曲量(返回彎曲)，各自金屬層側進行測定。
彎曲量係將陶瓷基板的變化，以波紋式三次元形狀測定機而測定陶瓷基板之中央的矩形範圍(75mm× 85mm之範圍)，亦求取其變化量。在各彎曲量中，將金屬層成為凹狀的彎曲以「-」、而將成為凸狀之彎曲以「+」之數值而表記。
對於實施例1~7及比較例1~4之各絕緣電路基板而言，執行在-40℃~150℃之間使溫度做500次變化之溫度循環試驗之後，以目視判定對於陶瓷基板是否有破裂。此時，對於陶瓷基板有破裂之構成，判定為不佳「B」、而對於陶瓷基板未有破裂之構成，判定為佳「A」。將結果示於表1。
Figure 02_image001
從表1了解到，電路層之接合面積S1及金屬層之接合面積S2的面積比S1/S2為0.5以上0.8以下之情況，在厚度比T1/T2為1.4以上3.2以下之實施例1~7中，可確認到得到變化量為小的1000μm以下，在焊接時等之高溫時的彎曲量為小之絕緣電路基板者。
比較例4係從面積比S1/S2及厚度比T1/T2為上述範圍內之情況，彎曲量的變化量係雖為小，但各電路層及金屬層則未具有由鋁或鋁合金所成之第1電路層及第1金屬層之故，上述溫度循環試驗的結果，陶瓷基板則破裂。因此，可確認到為了抑制陶瓷基板的破裂，而各電路層及金屬層則具備：接合於陶瓷基板的鋁或鋁合金所成之第1電路層及第1金屬層，和接合於第1電路層之上面的銅或銅合金所成之第2電路層及接合第1金屬層之上面之銅或銅合金所成之第2金屬層者則為有效。 產業上之利用可能性
抑制在絕緣電路基板之焊接時等之高溫時的彎曲變化。
1‧‧‧絕緣電路基板 11‧‧‧陶瓷基板 12‧‧‧電路層 13‧‧‧第1電路層 13A‧‧‧第1電路層前驅物 14‧‧‧第2電路層 15‧‧‧金屬層 16‧‧‧第1金屬層 17‧‧‧第2金屬層 18‧‧‧焊料材箔 30‧‧‧元件 31‧‧‧焊錫 100‧‧‧功率模組 121‧‧‧小電路層 122‧‧‧小電路層 130‧‧‧第1電路層用金屬板 140‧‧‧第2電路層用金屬板 160‧‧‧第1金屬層用金屬板 170‧‧‧第2金屬層用金屬板 S1‧‧‧接合面積 S2‧‧‧接合面積 S11‧‧‧接合面積 S12‧‧‧接合面積 T1‧‧‧第2電路層之厚度 T2‧‧‧第2金屬層之厚度 T3‧‧‧第1電路層之厚度 T4‧‧‧第1金屬層之厚度 T5‧‧‧陶瓷基板之厚度 Ar1‧‧‧範圍(電路層非接合部)
圖1係顯示使用有關本發明之一實施形態的絕緣電路基板之功率模組的剖面圖。 圖2A係自電路層側而視在上述實施形態之絕緣電路基板的平面圖。 圖2B係自金屬層側而視在上述實施形態之絕緣電路基板的平面圖。 圖3A係說明圖1所示之絕緣電路基板之製造方法之剖面圖。 圖3B係說明圖1所示之絕緣電路基板之製造方法之剖面圖。 圖3C係說明圖1所示之絕緣電路基板之製造方法之剖面圖。 圖4A係說明圖1所示之絕緣電路基板之製造方法之剖面圖。 圖4B係說明圖1所示之絕緣電路基板之製造方法之剖面圖。 圖4C係說明圖1所示之絕緣電路基板之製造方法之剖面圖。
1‧‧‧絕緣電路基板
11‧‧‧陶瓷基板
12‧‧‧電路層
13‧‧‧第1電路層
14‧‧‧第2電路層
15‧‧‧金屬層
16‧‧‧第1金屬層
17‧‧‧第2金屬層
30‧‧‧元件
31‧‧‧焊錫
100‧‧‧功率模組
121‧‧‧小電路層
122‧‧‧小電路層
T1‧‧‧第2電路層之厚度
T2‧‧‧第2金屬層之厚度
T3‧‧‧第1電路層之厚度
T4‧‧‧第1金屬層之厚度
T5‧‧‧陶瓷基板之厚度

Claims (7)

  1. 一種絕緣電路基板，係具備：陶瓷基板，和接合於前述陶瓷基板之一方的面而形成電路圖案之電路層，和接合於前述陶瓷基板之另一方的面之金屬層的絕緣電路基板，其特徵為前述電路層係具有：接合於前述陶瓷基板之鋁或鋁合金所成之第1電路層，和接合於前述第1電路層之上面的銅或銅合金所成之第2電路層；前述金屬層係具有：接合於前述陶瓷基板之鋁或鋁合金所成之第1金屬層，和接合於前述第1金屬層之上面的銅或銅合金所成之第2金屬層；前述第1電路層及前述第1金屬層之各厚度係為相等之0.2mm以上0.9mm以下，而前述第2電路層之厚度T1係0.65mm以上2.0mm以下，而對於前述電路層之前述陶瓷基板而言之接合面積S1與對於前述金屬層之前述陶瓷基板而言之接合面積S2之面積比S1/S2為0.5以上0.8以下、及前述第2電路層之厚度T1與前述第2金屬層之厚度T2之厚度比T1/T2為1.4以上3.2以下，前述電路圖案之電路層之非接合寬度係0.5mm~2.0mm者。
  2. 如申請專利範圍第1項記載之絕緣電路基板，其中，前述第2電路層係固相擴散接合於前述第1電路層之上面，而前述第2金屬層係固相擴散接合於前述第1金屬層之上面者。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項記載之絕緣電路基板，其中，前述第2電路層之厚度T1為1.0mm以上2.0mm以下者。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項記載之絕緣電路基板，其中，前述面積比S1/S2為0.6以上0.8以下者。
  5. 如申請專利範圍第1項或第2項記載之絕緣電路基板，其中，前述厚度比T1/T2為1.8以上2.5以下者。
  6. 如申請專利範圍第1項或第2項記載之絕緣電路基板，其中，前述第1電路層及前述第1金屬層之各厚度為0.2mm以上0.6mm以下者。
  7. 如申請專利範圍第1項或第2項記載之絕緣電路基板，其中，前述陶瓷基板的厚度係0.2mm~1.2mm者。
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