JP2003152141A - セラミックス放熱回路基板 - Google Patents

セラミックス放熱回路基板

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JP2003152141A
JP2003152141A JP2001350294A JP2001350294A JP2003152141A JP 2003152141 A JP2003152141 A JP 2003152141A JP 2001350294 A JP2001350294 A JP 2001350294A JP 2001350294 A JP2001350294 A JP 2001350294A JP 2003152141 A JP2003152141 A JP 2003152141A
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Noriyoshi Hirao
則好 平尾
Setsuo Ando
節夫 安藤
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Hitachi Metals Ltd
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    • H01L2924/13055Insulated gate bipolar transistor [IGBT]

Abstract

(57)【要約】 【課題】 回路基板と放熱部材とを半田で接合する際に
生じる半田流れ、半田ボイドを防止し半田濡れ性を改善
する。 【解決手段】 一方に半導体チップを搭載するCu又は
Alの回路板3を、他方にCu又はAlの板4をそれぞ
れ接合したセラミックス絶縁基板2と、表面にAl皮膜
60を有するAl−SiC複合体の放熱部材6とからな
り、前記放熱部材6のAl皮膜上に接合層64を形成
し、この接合層64と前記セラミックス絶縁基板のCu
又はAl板4とを半田7により接合してなるセラミック
ス放熱回路基板において、前記接合層64をNiを主体
とする層とすると共に、その表面65の中心線平均面粗
さ(Ra)を0.2〜1.5μmとし、厚さは3〜15
μmとしたセラミックス放熱回路基板である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、主に炭化ケイ素
(SiC)からなる多孔体に、アルミニウム(Al)を
主成分とする金属を含浸して形成した炭化ケイ素とアル
ミニウムの複合体(Al−SiC複合体)と、窒化ケイ
素(Si34)、窒化アルミニウム(AlN)、酸化ア
ルミニウム(Al23)等のセラミックス絶縁基板とを
はんだを用いて接合したセラミックス放熱回路基板に関
するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、産業機器の分野では、半導体スイ
ッチングデバイスを用いて大きな電力を最適な電力に効
率よく交換制御する大電力モジュール装置の開発が進ん
でいる。例えば、電動車輌用インバータとして高電圧、
大電流動作が可能な絶縁ゲート型バイポーラトランジス
タ(IGBT)モジュールがある。このような大電力モ
ジュール化に伴い、半導体チップから発生する熱も増大
している。半導体チップは熱に弱く、発熱が大きくなれ
ば半導体回路の誤動作や破壊を招くことになる。そこ
で、半導体チップなど電子部品を搭載するための回路基
板の裏面にヒートシンクなどの放熱部材を設けて、放熱
部品を介して半導体チップから発生した熱を外部に発散
させ、半導体回路の動作を安定にすることが行われてい
る。電子部品を搭載するための回路基板としては、窒化
ケイ素(Si34)、窒化アルミニウム(AlN)、酸
化アルミニウム(Al23)等のセラミックス絶縁基板
が主に用いられており、このセラミックス絶縁基板の表
面にCu板やAl板をろう材を介して接合して回路基板
となしている。
【0003】この種の回路基板として、良好な熱伝導性
を有する窒化アルミニウム(AlN)からなるセラミッ
クス絶縁基板上に銅(Cu)回路板を接合し、回路を形
成した後、めっきを施して半導体チップを実装したもの
がある。AlN基板とCu回路板との接合は、両者の間
に活性金属を含むろう材を介在させて加熱処理し接合す
る活性金属ろう付け法や、表面が酸化処理されたAlN
基板とCu回路板をCuの融点以下でCu−Oの共晶温
度以上で加熱接合するDBC(Direct BrazingCopper)
法等がある。このCu回路板を接合した基板では、Cu
回路とその表面にはんだでダイボンディングされたシリ
コン半導体チップとの熱膨張差が大きいため、回路の作
動中に繰り返し与えられる熱応力によりチップ直下では
んだにクラックが生じやすい。また、Cu回路板とAl
N基板の熱膨張差が大きいため、その接合部に剥離が生
じたり、AlNにクラックが発生する問題があった。
【0004】これに代わり、例えば、特開平10−65
296号ではSi34基板の両面にAl−Si系ろう材
を介してAl回路板を接合したセラミックス回路基板が
開示されている。回路板をCuに替えAlにしたAl回
路板では、Alの変形抵抗がCuより小さいため、回路
とAlNの接合部に働く応力を低く抑えることができ
る。また、シリコン半導体チップとのダイボンディング
部では、Alが塑性変形することにより回路表面の膨張
量がAlNのそれに近くなり、はんだに加わる応力を低
減できる。したがって、Al回路とAlN基板との接合
部が剥離しにくく接合信頼性の高いものが得られる。ま
た、Alの比重2.7g/cmはCuの比重8.9g/cmと比較
して約1/3程度のため回路基板の重量をこれまでの半
分以下に軽量化できるメリットもある。しかしその反
面、Alの比抵抗2.66×10−6ΩcmはCuの比抵抗1.67
×10−6Ωcmより約1.6倍大きく、高耐圧・大電流を
負荷することができず、電気容量の使用範囲に制約があ
るといった問題がある。このため高耐圧・大電流のパワ
ーモジュールに用いる場合には回路部の体積拡大が必要
となり、このため回路基板全体の厚みが増大し、モジュ
ールが大型化してしまう難点がある。以上のようにCu
板とAl板のどちらにしても一長一短があり、回路基板
として用いる際はその用途に合わせて選択することにな
る。
【0005】他方、放熱部材としては、従来より銅、モ
リブデン、タングステン等の材料を用いたものがある。
しかしながら、モリブデンやタングステンからなる放熱
部品は高価であり、また金属の比重が大きいため放熱部
品の重量が重くなり好ましくない。また、銅あるいは銅
―モリブデン合金、銅―タングステン合金からなる放熱
部材は、セラミックス絶縁基板との熱膨張係数の差が大
きいため、放熱部材とセラミックス絶縁基板とを半田で
接合する際に、また、使用中の熱サイクルにより、半田
層の破壊、熱放散経路の遮断、セラミックス絶縁基板の
割れが生じやすい。そこで、上記の従来材に替わる放熱
部材として、AlまたはAl合金中にSiCを分散させ
た低熱膨張・高熱伝導特性を有するAl−SiC複合体
が注目されている(特公平7−26174号、特開昭6
4−83634号等参照)。Al−SiC複合体は、一
例としてSiC粉末あるいはSiC繊維で形成された多
孔体(プリフォーム)に窒素雰囲気中で加圧もしくは非
加圧で加熱溶融したAl又はAl合金を含浸させた溶融
金属含浸法により複合材としたものがある。これによれ
ば、SiCの含有量を20〜90体積%の範囲で選択
し、熱膨張係数を制御することができる。また、SiC
多孔体の形状の自由度が高く、複雑な形状の製品をニア
ネットシェイプ成形できる利点を有している。
【0006】以上のことより、Si34、AlN、Al
23等からなるセラミックス絶縁基板にCu板やAl板
をろう材を介して接合した回路基板と、Al−SiC複
合体からなる放熱部材とを半田により接合したセラミッ
クス放熱回路基板が知られている。この様なセラミック
ス放熱回路基板の一例を図1に示す。セラミックス基板
2はAlN、AlまたはSi等からなる絶
縁基板である。セラミックス絶縁基板2の上面にはAg
−Cu−Ti系ろう材を用いてCu回路板3を、下面に
はCu板4がそれぞれ接合されている。尚、回路板3に
Alを用いた場合にはAl−Si系のろう材を用いてセ
ラミックス絶縁基板2と接合する。Cu回路板3の上面
には複数の半導体チップ5が半田により実装されワイヤ
ーで配線されている。一方、放熱部材6はAl−SiC
複合体からなり、表面にAlの皮膜を有している。この
Al皮膜上に半田濡れ性を持たせるために接合層を形成
し、半田7を介して上記Cu板4が接合されている。ま
た、放熱部材6の下面には高熱伝導性グリス等を介在し
て、例えば放熱フィンを有するヒートシンク8がボルト
10で締結されている。このようなセラミックス回路基
板1では、半導体チップ5等から発生した熱はCu回路
板3、セラミックス絶縁基板2、Cu板4、はんだ7、
および放熱基板6を経由してヒートシンク8の表面から
放散される。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】さて、以上のセラミッ
クス放熱回路基板は、回路基板9(本発明ではセラミッ
クス絶縁基板2にCu回路板3やCu板4を接合したも
のを指す。)とAl−SiC放熱部材6とを、まずそれ
ぞれの条件で空焼きした後、両者の間に板状の低融点半
田7を介在させている。ここで、通常、半導体チップ5
を接合した後の回路基板9と放熱部材6とを接合するの
で、半導体チップ5の接着に用いたろう材に比べ低融点
の半田7で回路基板9と放熱部材6とを接合する必要が
ある。よって、Pb−Sn系またはPb−Sb系半田
等、組成に制約を受けたものを用いざるを得ない。そし
てその後、H雰囲気中で240℃×10分程度の半田
付け工程を行うことによって、回路基板9と放熱部材6
とを一体化したセラミックス放熱回路基板を製造してい
る。
【0008】ここで次のような問題が生じる。即ち、こ
の半田付け工程において半田がAl−SiC放熱部材6
の周辺にまで流れ出してしまうことがある。この半田流
れにより半田が放熱部材6の隅部のボルト穴近くまで広
がると、半導体チップ5とAl−SiC放熱部材6間の
絶縁が保てずIGBTの機能が損なわれる。また、半田
付け後のヒートシンク8の組立工程に支障をきたす等の
問題があった。さらに、半田流れが生じると半田の層間
に空洞が形成され易くなり、いわゆる半田ボイドと言う
不良が発生していた。半田ボイドの発生率が3%程度を
超えると接合強度の低下および熱伝導性の低下が顕著と
なりIGBTの機能が損なわれると言う問題もあった。
【0009】そこで、本発明は、回路基板と放熱部材と
を半田で接合する際に生じる半田流れを防止することを
目的とし、さらに半田ボイドの低減と半田濡れ性の改善
を図ったセラミックス放熱回路基板を提供することを目
的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明は、一方に半導体
チップを搭載するCu又はAlの回路板を、他方にCu
又はAlの板をそれぞれ接合したセラミックス絶縁基板
と、表面にAl皮膜を有するAl−SiC複合体の放熱
部材とからなり、前記放熱部材のAl皮膜上に接合層を
形成し、当該接合層と前記セラミックス絶縁基板のCu
又はAl板とを半田により接合してなるセラミックス放
熱回路基板において、前記接合層をNiを主体とする層
とすると共に、その表面の中心線平均面粗さ(Ra)を
0.2〜1.5μmとしたセラミックス放熱回路基板で
ある。さらに望ましい中心線平均面粗さ(Ra)は0.
5〜1.0μmである。
【0011】また、本発明のセラミックス放熱回路基板
では、前記接合層の厚さを3〜15μmとすることが望
ましく、さらに望ましくは4〜8μmである。また、前
記接合層は2層からなり、下地層がNi―Pめっきであ
り、表面層がNi―Bめっきであることが望ましい。
【0012】Al−SiC複合体の表面に形成されてい
るAl皮膜にNiを主体とする接合層を形成することに
より、半田濡れ性を向上させており、さらに、その接合
層の中心線平均面粗さRaを0.2〜1.5μmに制御
することにより半田流れを防ぐことが出来る。接合層の
表面粗さは、その下にあるAl皮膜の表面を適宜サンド
ブラスト処理等をして中心線平均面粗さ(Ra)を0.
2〜1.5μmに調整することによって得られる。即
ち、これはAl皮膜の表面粗さがほぼそのまま接合層の
表面粗さになって反映されるためである。この表面粗さ
が1.5μmを超えると半田流れが生じやすくなる。他
方、0.2μm未満であると十分なアンカー効果が得ら
れず接合強度に問題が生じる。また、接合層の形成は半
田接合する上で必要であるが、この厚さは前記表面粗さ
を制御するためにも、また接合強度及び熱伝導の点でも
好ましい範囲がある。即ち、表面性状を調整したAl皮
膜の表面粗さをほぼそのまま接合層の表面に映し出すた
めには、接合層の厚さは15μmを超えないことが必要
である。他方、3μm未満であると密着強度及び膜の劣
化を生じ問題がある。また、接合層は二層構造が好まし
い。Ni−Pめっきを下地層に形成することによって前
記Al皮膜上に半田付けが可能となり、その上にNi−
Bめっき層を施すことによって半田濡れ性が向上する。
以上のように、所定の表面粗さと厚みをもった接合層を
設けることによって、半田流れを防止すると共に、密着
強度を得ることに効果がある。
【0013】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施態様を図面と
共に説明する。図1はセラミックス放熱回路基板の一例
を示す断面図であり、図2は本発明の回路基板と放熱部
材との接合部であってAl皮膜と接合層の900倍の顕
微鏡写真を示し、図3は図2の一部を拡大した接合層の
周辺を模式的に示した図である(但し、縮尺は無視して
いる)。実施例のセラミックス放熱回路基板の基本構成
は、上述した図1の回路基板及び放熱部材と同様であ
る。即ち、Cu回路板3とCu板4を接合したセラミッ
クス絶縁基板2とからなる回路基板9と、Al−SiC
複合体からなる放熱部材6とからなり、回路基板9と放
熱部材6とを半田7により接合した後ヒートシンク8を
ボルトで組み立てたものである。本発明では回路基板と
放熱部材を組んだものをセラミックス放熱回路基板と言
っているが、ヒートシンクを含んでいても構わない。こ
こで、実施例のセラミックス絶縁基板2はAlNからな
り、その上面に厚さ0.3mmのCu回路板3をAg−
Cu−Ti系のろう材により接合し、下面には厚さ0.
2mmのCu板4を同じAg−Cu−Ti系のろう材を
介して接合している。
【0014】また、放熱部材6はSiC粉末からなるプ
リフォームに溶融金属含浸法により純Alを37Vol%
含浸して得たもので、その表面に約0.05〜0.1m
m程度のAl皮膜60を有している。このAl皮膜60
の上には図2、図3で示すように接合層64を形成して
いる。本例の接合層64は、Ni−P無電解めっきによ
る第1の層62(下地層)を厚さ4〜5μm程度に形成
し、その上にNi−B無電解めっきによる第2の層63
(表面層)を1〜2μm程度に形成している。Ni−P
の層は主に密着性を改善し、Ni−Bの層は主に半田濡
れ性を改善する。尚、本発明では一層の接合層でも二層
の接合層でも良いが、これら接合層64の総厚さが3〜
15μm、望ましくは4〜8μmになるように制御して
いる。さらにまた、その表面65の中心線平均面粗さ
(Ra)は0.2〜1.5μm、望ましくは0.5〜
1.0μmになるように制御している。
【0015】図3は接合層付近の拡大断面を模式的に示
しているが、この実施例では中心線平均面粗さ(Ra)
は約0.9μmであった。図2、図3より接合層の表面
粗さは、Al皮膜60の表面61の表面性状がほぼその
まま接合層64の表面まで沿って現れ反映されることが
分かる。表面性状を調整する方法としては、例えばサン
ドブラスト、ショットブラスト、グリッドブラスト又は
ハイドロブラスト等により結晶粒を機械的に除去する方
法、又は塩酸又は硫酸等の酸エッチング処理により粒界
相から溶出する方法がある。ここでは製造能率やコスト
等から考えてサンドブラストによるものが好ましい。そ
こで、下記するサンドブラスト条件により表面処理した
Al皮膜の表面61の中心線平均面粗さ(Ra)と、こ
のAl皮膜上に形成した接合層64の表面65の中心線
平均面粗さ(Ra)を触針式表面粗さ測定器により距離
2.5mmに渡って測定した。その結果を図4に示す、
ここで(a)はAl皮膜60の表面の面粗さRa=0.
987μmを示し、(b)はその後、第1の層5μmと
第2の層1μmからなる接合層64の表面の面粗さRa
=0.943μmを示している。このようにAl皮膜6
0と接合層64の中心線平均面粗さ(Ra)は、ほぼ同
じものが得られることが確認できた。さらに、これと同
様に接合層の厚さを種々変えてその違いを観察したとこ
ろ、接合層64の総厚さが15μmを超えるとAl皮膜
60の表面性状を反映し難くなり半田流れが生じること
も確認された。また、総厚さが3μm未満であると接合
強度に問題が生じることも分かった。
【0016】サンドブラスト条件は以下の通りであっ
た。 処理速度:0.35秒/cm ノズルとの距離:100mm ノズルの噴出圧力:0.3MPa 基板表面に対する噴射角度:45° 砥粒:アルミナ製#240 上記したサンドブラスト条件(処理速度、ノズルとの距
離、ノズルの噴出圧力、基板表面に対する噴射角度、砥
粒の種類及び粒度等)を調整すれば、Al皮膜の中心線
平均面粗さ、ひいては接合層の表面粗さを制御できる。
中心線平均面粗さ(Ra)は0.2〜1.5μmの範囲
に制御するが、例えば、粗さを小さくするにはサンドブ
ラスト条件のうち噴出圧力を低くすると良く、逆に荒く
するには噴出圧力を高くすることで調整できる。Raが
1.5μmを超えると半田流れが生じやすくなる。他
方、0.2μm未満であると十分なアンカー効果が得ら
れず接合強度に問題が生じる。
【0017】図5は接合層64の中心線平均面粗さ(R
a)を横軸に、半田拡がり係数を縦軸にとった特性デー
タである。半田拡がり係数とは、初期の半田直径(Dm
m)と加熱したときの半田高さ(Hmm)の差と半田直
径Dの比((D−H)×100/D)を拡がり率(%)で
表したものである(JISZ3197拡がり試験方法参
照)。試験は大気中でホットプレート上に接合層に相当
するめっきを施した試験板を設け、250℃ではんだ溶
融後30秒間加熱により測定したものである。この結果
よりRaが略0.2〜1.5μmの範囲で合格判定であ
る拡がり係数75以上を有している。さらに略0.8〜
1.5μmの範囲では80%以上の拡がり係数を示して
いる。拡がり係数が高いほど半田濡れ性が良好である
が、拡がりすぎても半田流れに通じるため、拡がり係数
は75〜85%が好ましい。また、Raが1.5μm以
上となると拡がり係数が88以上となり、はんだ流れが
見られる。
【0018】(実施例)縦187mm×横137mm×
厚さ3mmのAl−SiC放熱部材6の上に、縦55.
4mm×横57mm×厚さ0.6mmの回路基板9を6
個配置したセラミックス放熱回路基板について以下の試
験を行った。Al−SiC放熱部材6のAl皮膜60の
表面61の中心線平均面粗さ(Ra)及び接合層64の
第1のめっき層62及び第2のめっき層63の材質と厚
さを種々変化させた試料No1〜10を作製した。半田
は縦54.9mm×横56.5mm×厚さ0.2mmの
低融点半田を使用し、回路基板9をH雰囲気で325
℃×10分、放熱部材6をH雰囲気で260℃×10
分でそれぞれ空焼きした後、回路基板9と前記各放熱部
材の間に前記半田板を介在させ250℃×10分の半田
接合を行った。これらについて半田流れの有無、半田ボ
イドの発生率(%)及び接合強度について評価した。
尚、ボイド発生率は超音波映像により回路基板の総面積
あたりのボイド面積の発生率の平均をとった。接合強度
については引っ張り試験を行いめっき層が剥離するか否
かで合格・不合格の判断をした。また、比較例として中
心線平均面粗さ(Ra)と接合層の材質及び厚さを変え
た試料No11〜15を作製し、同様の評価を行った。
尚、その他の回路基板の構成は実施例と比較例共に図1
に示す構造のものを使用した。以上の評価結果を表1に
示す。
【0019】
【表1】
【0020】以上より、中心線平均面粗さ(Ra)が
0.2〜1.5μmにあるものは半田流れが無く、ボイ
ド発生率も抑えられている。その結果、接合強度も全て
合格となった。また、接合層の厚さが3〜15μmの範
囲にあるものは面粗さに反映されて、半田流れが無く、
ボイド発生率も低く接合強度も十分であった。実際には
面粗さと接合層厚さの両方の条件をクリアできているこ
とが必要である。例えば、実施例8からは面粗さが小さ
くなるとボイドの発生率が高くなることが伺える。比較
例1では接合層の厚さが小さいがために強度不足を示し
ている。逆に比較例2では面粗さが大きいがために半田
流れが生じていると考えられる。比較例2、3からは面
粗さの他に接合層の厚さの違いがめっき膜強度に影響を
与え、これが接合強度の合否の差に現れていると考え
る。また、ボイドの発生は半田濡れ性の影響を受けると
考える。
【0021】
【発明の効果】本発明によれば、Al−SiC複合体か
らなる放熱部材のAl皮膜上に形成する接合層の中心線
平均面粗さ(Ra)を0.2〜1.5μmとすること、
及び接合層の厚さを3〜15μmにすることによって、
回路基板と放熱部材とを半田で接合する際に生じる半田
流れを防止することができる。また、半田ボイド発生の
低減と半田濡れ性の改善を図ることが出来る。よって、
接合強度、熱伝導性共に安定したセラミックス放熱回路
基板を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】セラミックス放熱回路基板の一例を示す断面図
である。
【図2】本発明の回路基板と放熱部材との接合層付近の
電子顕微鏡写真である。
【図3】図2の接合層付近の模式的な断面図である。
【図4】本発明の実施例によるAl皮膜の面粗さ(a)
と接合層の面粗さ(b)の測定結果である。
【図5】本発明の実施例による中心線平均面粗さと半田
拡がり係数との関係を示す特性図である。
【符号の説明】 1:セラミックス放熱回路基板、2:AlN基板、3:
Cu回路板、4:Cu板、5:半導体チップ、6:Al
−SiC放熱部材、7:半田、8:ヒートシンク、9:
回路基板、10:締結部材、60:Al皮膜、61:A
l皮膜の表面、62:第1のめっき層(下地層)、6
3:第2のめっき層(表面層)、64:接合層、65:
接合層の表面
【手続補正書】
【提出日】平成13年11月28日(2001.11.
28)
【手続補正1】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図2
【補正方法】変更
【補正内容】
【図2】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4G026 BA03 BA16 BA17 BB14 BB27 BB31 BC01 BC02 BD02 BD06 BD12 BD14 BF11 BF18 BF42 BF46 BG02 BG28 BH07 5E338 AA01 AA18 BB63 EE02 5F036 AA01 BA23 BB05 BB08

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一方に半導体チップを搭載するCu又は
    Alの回路板を、他方にCu又はAlの板をそれぞれ接
    合したセラミックス絶縁基板と、表面にAl皮膜を有す
    るAl−SiC複合体の放熱部材とからなり、前記放熱
    部材のAl皮膜上に接合層を形成し、当該接合層と前記
    セラミックス絶縁基板のCu又はAl板とを半田により
    接合してなるセラミックス放熱回路基板において、前記
    接合層をNiを主体とする層とすると共に、その表面の
    中心線平均面粗さ(Ra)を0.2〜1.5μmとした
    ことを特徴とするセラミックス放熱回路基板。
  2. 【請求項2】 前記接合層の厚さが3〜15μmである
    ことを特徴とする請求項1記載のセラミックス放熱回路
    基板。
  3. 【請求項3】 前記接合層は2層からなり、下地層がN
    i―Pめっき、表面層がNi―Bめっきであることを特
    徴とする請求項1又は2記載のセラミックス放熱回路基
    板。
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