JP2000031609A - 回路基板 - Google Patents

回路基板

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JP2000031609A
JP2000031609A JP10201859A JP20185998A JP2000031609A JP 2000031609 A JP2000031609 A JP 2000031609A JP 10201859 A JP10201859 A JP 10201859A JP 20185998 A JP20185998 A JP 20185998A JP 2000031609 A JP2000031609 A JP 2000031609A
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copper
circuit
copper plate
heat
circuit board
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JP10201859A
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Takeshi Urakawa
剛 浦川
Nobuyuki Yoshino
信行 吉野
Yasuto Fushii
康人 伏井
Yoshihiko Tsujimura
好彦 辻村
Katsunori Terano
克典 寺野
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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】熱履歴後の反りが少なく、かつヒートサイクル
性に優れた高信頼性の回路基板を提供すること。 【解決手段】セラミックス基板の一方の面に銅回路、他
方の面に放熱銅板が、それぞれAg成分と活性金属成分
を含むろう材を用いて接合されてなるものにおいて、放
熱銅板側へ固体拡散しているAg層の厚みが銅回路側よ
りも10μm以上厚くなっていることを特徴とする回路
基板。セラミックス基板の一方の面に銅回路、他方の面
に放熱銅板が形成されてなり、銅回路に対する放熱銅板
の体積率が30〜90%で、しかも空気中で350℃×
5分、25℃×5分を1サイクルとする通炉試験を5回
行った後のJIS B 0621に従う平面度が100
μm以下である回路基板。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、セラミックス基板
に銅回路と放熱銅板とが設けられてなる回路基板の改良
に関するものであって、回路基板の信頼性を向上するこ
とを目的とするものである。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の
一方の面に銅回路、他方の面に放熱銅板を形成させてな
る構造のものである。このような回路基板は、銅とセラ
ミックスの熱膨張係数が異なるため、熱衝撃が繰り返し
受けるととセラミックスと銅との接合端面に熱応力がか
かり、銅回路又は放熱銅板が剥離したり、セラミックス
基板が割れたりするなどの問題がある。
【0005】この問題を解決する手段の一つとして、銅
回路と放熱銅板の厚みを変えて、熱サイクル時に熱応力
のかかる方向へ基板を反らせることにより、セラミック
ス基板のクラックや、銅回路又は放熱銅板の剥離に対す
る信頼性を向上させる方法がある。
【0006】しかし、銅回路と放熱銅板の厚みを変えた
場合、モジュール組立において回路基板とベース銅板と
を半田付けする際、回路基板の反りにより溶融した半田
が均一に塗れ拡がらないことから、半田ボイドが発生
し、熱サイクル時に半田クラックが生じやすくなるとい
う問題があった。
【0007】本発明は、上記に鑑みてなされたものであ
り、熱履歴を受けたときに発生する反りが小さい高信頼
性の回路基板を提供することを目的とするものである。
【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銅回路、他方の面に放熱銅
板が、それぞれAg成分と活性金属成分を含むろう材を
用いて接合されてなるものであって、放熱銅板側へ固体
拡散しているAg層の厚みが銅回路側よりも10μm以
上厚くなっていることを特徴とする回路基板である。ま
た、本発明は、セラミックス基板の一方の面に銅回路、
他方の面に放熱銅板が形成されてなるものにおいて、銅
回路に対する放熱銅板の体積率が30〜90%であり、
空気中で350℃×5分、25℃×5分を1サイクルと
する通炉試験を5回行った後のJIS B 0621に
従う平面度が100μm以下であることを特徴とする回
路基板である。
【0009】
【発明の実施の形態】以下、更に詳しく本発明について
説明すると、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。ここで、銅回路と放熱
銅板の体積が異なる場合、熱処理によって発生する熱応
力が異なるために回路基板に反りが生じ、溶融した半田
が均一に拡がらずに半田ボイドの原因となっている。
【0010】このような半田ボイドを防ぐためには、銅
回路と放熱銅板の体積を等しくすればよいが、そうした
場合には発生する熱応力に耐えきれずセラミックス基板
にクラックが発生したり、銅回路が剥離してしまい、熱
サイクル時の信頼性が大きく低下する。
【0011】そこで、銅回路と放熱銅板の体積が異なる
回路基板において、熱サイクル時の反りを低減させるた
めには、発生する熱応力差を小さくすればよい。本発明
者らは、セラミックス基板と銅板の接合時にろう材中に
含まれるAg成分の固体拡散の距離を、銅回路よりも放
熱銅板の方を10μm以上長くすることにより、発生す
る熱応力差を小さくすることができることを見いだし
た。
【0012】高純度の無酸素銅は、加熱処理すると柔ら
かくなり塑性変形しやすいが、これにろう材中のAg成
分が固体拡散すると、銅は硬化し、これが原因となって
熱応力も大きくなる。銅板中へ固体拡散しているAg層
の厚みの測定法については、特開平10−145039
号公報に示されている。すなわち、回路基板の断面を研
磨後、電子線マイクロアナライザー(EPMA)によ
り、1μm当たりの電子線照射条件を15.0kV、
1.06×10-7A、30msecとして分析を行い、
Ag強度IA が20≦IA ≦40を示す層の厚みを測定
してAg層の厚みとする。
【0013】本発明において、銅回路側と放熱銅板側に
固体拡散しているAg層の厚みを変えるには、例えば実
施例に示すようにろう材の組成を変えるなどして、融点
の異なるろう材を用いればよい。そして、銅回路に対す
る銅放熱板の体積率が30〜90%である回路基板に対
し、銅回路側よりも放熱銅板側に固体拡散しているAg
層の厚みを10μm以上厚くすることによって、空気中
で350℃×5分、25℃×5分を1サイクルとする通
炉試験を5回行った後のJIS B 0621に従う平
面度が100μm以下と小さく抑えることができる。ま
た、抗折強度も25kgf/mm2以上と本来の高信頼
性を保ったものとなる。なお、銅回路側に固体拡散して
いるAg層の厚みとしては10〜35μm程度が望まし
い。
【0014】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。窒化アルミニウム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。
【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、銅回路、放熱銅板あるいは
それらの前駆体である銅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。
【0016】銅回路及び放熱銅板を形成する銅の純度は
99.5%以上が好ましく、厚みは100〜500μm
が好ましい。
【0017】セラミックス基板に銅回路及び放熱銅板を
形成する方法としては、セラミックス基板と銅板との接
合体をエッチングする方法、銅板から打ち抜かれた回路
及び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、これらの際における接合
方法としては、活性金属ろう付け法を用いる。
【0018】活性金属ろう付け法におけるろう材の金属
成分は、銀と銅を主成分とし、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した
ものが好ましい。活性金属成分は、セラミックス基板と
反応して複合酸化物や複合窒化物等の化合物を生成し、
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、重量割合で、銀60〜100部、銅0〜40部の合
計量100部あたり、活性金属1〜30部である。
【0019】接合温度としては780〜830℃が好ま
しく、保持時間は20〜60分が望ましい。温度が低
く、保持時間が短すぎる場合には、接合が不十分であ
り、逆に高温で保持時間が長すぎる場合には、金属板へ
のろう材成分の拡散が多すぎて金属板が硬くなり、耐ヒ
ートサイクル性が低下する。
【0020】
【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。
【0021】実施例1〜3 重量割合で、Ag粉末90部、Cu粉末10部、TiH
2粉末3部、Zr粉末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テルピネオー
ル溶液を加えて混練し、ろう材ペースト1を調製した。
また、同様に、Ag粉末85部、Cu粉末15部、Ti
2粉末3部、Zr粉末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テルピネオ
ール溶液を加えて混練し、ろう材ペースト2を調製し
た。窒化アルミニウム基板(サイズ:60mm×36m
m×0.65mm 曲げ強さ:40kg/mm2 熱伝
導率:135W/mK)の銅回路形成面にペースト1
を、放熱銅板形成面にペースト2をそれぞれスクリーン
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9mg/cm2 とした。
【0022】次に、窒化アルミニウム基板の銅回路形成
面に、56mm×32mm×0.3mmの銅回路パター
ンを、また放熱銅板形成面に56mm×32mm×0.
15mmの放熱銅板のパターンを接触配置してから、真
空度1×10-5Torr以下の真空下、表1で示される
条件で加熱した後、600℃まで急冷し、その後2℃/
分の降温速度で冷却して回路基板を作成した。
【0023】比較例1 窒化アルミニウム基板の両面にペースト1を塗布したこ
と以外は実施例1と同様にして回路基板を作成した。
【0024】比較例2 放熱銅板の厚みを0.30mmとしたこと以外は実施例
1と同様にして回路基板を作成した。
【0025】これら一連の処理を経て製作された回路基
板について、空気中、350℃×5分、25℃×5分を
1サイクルとする通炉試験を5回行い、回路基板のJI
SB 0621に従う平面度及び抗折強度を測定した。
また、耐ヒートサイクル性を評価するため、空気中、−
40℃×30分保持後、25℃×10分放置、更に12
5℃×30分保持後、25℃×10分放置を1サイクル
とした耐久性試験を行い、銅回路又は放熱銅板が剥離開
始したサイクル数を測定した。更には、銅回路及び放熱
銅板に固体拡散しているAg層の厚みを特開平10−1
45039号公報に示されている方法に従い、任意の5
箇所で測定しその値を平均した。それらの結果を表1に
示す。
【0026】
【表1】
【0027】
【発明の効果】本発明によれば、熱履歴後の反りが少な
く、かつヒートサイクル性に優れた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 (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 Fターム(参考) 5E338 AA18 CC08 CD01 EE02 EE26

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銅回路、
    他方の面に放熱銅板が、それぞれAg成分と活性金属成
    分を含むろう材を用いて接合されてなるものにおいて、
    放熱銅板側へ固体拡散しているAg層の厚みが銅回路側
    よりも10μm以上厚くなってい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銅回路、
    他方の面に放熱銅板が形成されてなるものにおいて、銅
    回路に対する放熱銅板の体積率が30〜90%であり、
    空気中で350℃×5分、25℃×5分を1サイクルと
    する通炉試験を5回行った後のJIS B 0621に
    従う平面度が100μm以下であることを特徴とする回
    路基板。
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