JP2019153670A - 絶縁回路基板 - Google Patents

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Abstract

【課題】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。【解決手段】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、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、回路層は、セラミックス基板に接合されたアルミニウムからなる第１回路層と、第１回路層の上面に接合された銅からなる第２回路層と、を有し、金属層は、セラミックス基板に接合されたアルミニウムからなる第１金属層と、第１金属層の上面に接合された銅からなる第２金属層と、を有し、第１回路層及び第１金属層の厚さは、０．２ｍｍ以上０．９ｍｍ以下かつ同じ厚さであり、第２回路層の厚さは、０．６５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であり、回路層の接合面積をＳ１、金属層の接合面積をＳ２としたときのＳ１／Ｓ２が０．５以上０．８以下、第２回路層の厚さをＴ１、第２金属層の厚さをＴ２としたときのＴ１／Ｔ２が１．４以上３．２以下である。【選択図】図１

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。
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基板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は、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、回路層及び金属層の内に生じた内部応力を低減させて、クラックなどが生じないようにしているが、その効果は充分ではない。
また、近年、セラミックス基板の表面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなるアルミ層が接合され、その上面に銅又は銅合金からなる銅層が固相拡散接合された絶縁回路基板が用いられている。このような絶縁回路基板は、セラミックス基板にアルミ層を介して銅層が接合されており、このアルミ層には、応力緩衝機能があるため、セラミックス基板の表面に接合されるアルミ層の厚さ及び銅層の厚さは、略同じに設定されることがよいとされている。また、アルミ層の応力緩衝機能により銅層の厚さを、例えば、０．４ｍｍ以上にすることができる。
特開２００４−２２１５４７号公報
しかしながら、セラミックス基板の表面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる回路層及び金属層が接合され、回路層に回路パターンを形成した後、比較的厚い銅又は銅合金からなる金属板をこれらの上面に接合した場合、その回路パターンの形状や面積などによって、セラミックス基板の回路層側の面の応力と、金属層側の面の応力とのバランスが崩れて、セラミックス基板に大きな反りが発生する。
また、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。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、反り変化を抑制できる絶縁回路基板を提供することを目的とする。
本発明の絶縁回路基板は、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、前記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、前記回路層は、前記セラミックス基板に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる第１回路層と、前記第１回路層の上面に接合された銅又は銅合金からなる第２回路層と、を有し、前記金属層は、前記セラミックス基板に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる第１金属層と、前記第１金属層の上面に接合された銅又は銅合金からなる第２金属層と、を有し、前記第１回路層及び前記第１金属層の厚さは、０．２ｍｍ以上０．９ｍｍ以下、かつ、これらが同じ厚さであり、前記第２回路層の厚さは、０．６５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であり、前記回路層の接合面積をＳ１、前記金属層の接合面積をＳ２としたときの面積比Ｓ１／Ｓ２が０．５以上０．８以下、前記第２回路層の厚さをＴ１、前記第２金属層の厚さをＴ２としたときのＴ１／Ｔ２が１．４以上３．２以下である。
本発明では、第１回路層及び第１金属層の上面に第２回路層及び第２金属層を接合する際に、セラミックス基板の回路パターン間に応力が発生しても、第２金属層の厚さが第２回路層の厚さよりも薄く形成されているので、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、絶縁回路基板の反りを低減しつつ、はんだ付けの際等における高温時の反り変化を抑制することができる。
なお、Ｔ１／Ｔ２が、１．４未満では、回路層側を凸とする反りを解消できず、３．２を超えると第２金属層が薄くなり過ぎて、高温の反り変化が大きくなる。また、Ｓ１／Ｓ２が０．５以上０．８以下の場合に、有効である。また、第１回路層及び第１金属層の厚さが０．２ｍｍ未満となるとアルミニウム又はアルミニウム合金による応力緩衝効果が低下し、０．９ｍｍを超えると回路パターンを形成する際の制約が大きくなる。
本発明の絶縁回路基板の好ましい態様としては、前記第２回路層は、前記第１回路層の上面に固相拡散接合されており、前記第２金属層は、前記第１金属層の上面に固相拡散接合されているとよい。
本発明によれば、絶縁回路基板のはんだ付けの際等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の平面図であり、（ａ）が回路層側から見た図であり、（ｂ）が金属層側から見た図である。 図１に示す絶縁回路基板の製造方法を説明する断面図（１）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（２）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、絶縁回路基板１の表面には、図１の二点鎖線で示すように、素子３０が搭載されパワーモジュール１００となる。この素子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。この場合、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おり、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、素子３０が回路層１２の上面に搭載される。また、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、パワーモジュール１００が製造される。
［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１５とを備える。
セラミックス基板１１は、回路層１２と金属層１５の間の電気的接続を防止する矩形板状の絶縁基板であって、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、ジルコニア強化アルミナ基板等により形成され、その板厚は０．２ｍｍ〜１．２ｍｍである。
例えば、セラミックス基板１１は、窒化アルミニウムにより構成され、サイズが１００ｍｍ×１１０ｍｍ、板厚Ｔ３が１．０ｍｍに設定されている。
回路層１２は、図１及び図２に示す例では、回路パターンにより分断された２つの小回路層１２１，１２２からなり、各小回路層１２１，１２２は、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。この回路層１２は、セラミックス基板１１に接合される第１回路層１３と、第１回路層１３の上面に接合される第２回路層１４とを備えている。
これらのうち第１回路層１３は、純度９９質量％以上の純アルミニウム又はアルミニウム合金が用いられ、ＪＩＳ規格では１０００番台のアルミニウム、特に１Ｎ９９（純度９９．９９質量％以上：いわゆる４Ｎアルミニウム）を用いることができる。また、第１回路層１３の厚さは、０．２ｍｍ以上０．９ｍｍである。この第１回路層１３の厚さが０．２ｍｍ未満となると純アルミニウム又はアルミニウム合金による応力緩衝効果が低下し、０．９ｍｍを超えると回路パターンを形成する際の制約が大きくなるからである。
例えば、第１回路層１３は、純度９９質量％以上の純アルミニウムにより構成され、その板厚Ｔ３は、０．６ｍｍに設定されている。
第２回路層１４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、０．６５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下に設定されている。この第２回路層１４の板厚Ｔ１は、後述する第２金属層１７の板厚Ｔ２よりも大きく、例えば、Ｔ１／Ｔ２が１．４以上３．２以下に設定される。
例えば、第２回路層１４は、無酸素銅により構成され、その板厚が１．０ｍｍに設定されている他、各小回路層１２１，１２２の間隔は、１．０ｍｍに設定されている。
金属層１５は、セラミックス基板１１に接合される第１金属層１６と、第１金属層１６の上面に接合される第２金属層１７とを備えている。
これらのうち第１金属層１６は、上記第１回路層１３と同様に、純度９９質量％以上の純アルミニウム又はアルミニウム合金が用いられ、その厚さは、０．２ｍｍ以上０．９ｍｍである。
例えば、第１金属層１６は、純度９９質量％以上の純アルミニウムにより構成され、その板厚Ｔ４は、０．６ｍｍに設定されている。すなわち、第１回路層１３及び第１金属層１６は、同じ組成で、かつ、同じ厚さである。
第２金属層１７は、上記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Ｔ２は、０．４ｍｍ以上１．４ｍｍ以下に設定されている。この第２金属層１７の板厚Ｔ２は、第１回路層１４の板厚Ｔ１よりも小さく、例えば、Ｔ１／Ｔ２が１．４以上３．２以下に設定される。
例えば、第２金属層１７は、無酸素銅により構成され、その板厚が０．７ｍｍに設定されている。
そして、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（ｍｍ２）、金属層１５の接合面積をＳ２（ｍｍ２）としたときに、Ｓ１／Ｓ２は、０．５以上０．８以下となる関係に調整される。なお、上記接合面積Ｓ１，Ｓ２は、いずれも３０℃（常温）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。
その製造方法は、セラミックス基板１１に回路層１２のうちの第１回路層１３及び金属層１５のうちの第１金属層１６となるアルミニウム又はアルミニウム合金からなる第１回路層用金属板１３０及び第１金属層用金属板１５０を接合する第１接合工程と、第１接合工程により接合された第１回路層用金属板１３０（第１回路層前駆体１３Ａ）に回路パターンを形成する回路パターン形成工程と、銅又は銅合金により構成される板材をプレス加工により第２回路層１４となる回路パターンが形成された第２回路層用金属板１４０と、第２金属層１７となる一枚板の第２金属層用金属板１７０とを形成する金属板形成工程と、第１回路層１３の上面及び第１金属層１６の上面に第２回路層用金属板１４０及び第２金属層用金属板１７０を接合する第２接合工程と、からなる。以下、この工程順に説明する。
（第１接合工程）
まず、図３（ａ）に示すように、セラミックス基板１１に第１回路層用金属板１３０及び第１金属層用金属板１６０をそれぞれＡｌ−Ｓｉ系のろう材を用いて接合する。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Ａｌ−Ｓｉ系のろう材箔１８を介在させて第１回路層用金属板１３０及び第１金属層用金属板１６０を積層し、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と第１回路層用金属板１３０及び第１金属層用金属板１６０を接合する。これにより、セラミックス基板１１の表面に第１回路層前駆体１３Ａ及び裏面に第１金属層１６が接合部（ろう付け部）を介して接合され、図３（ｂ）に示す状態となる。
なお、積層方向への加圧は０．３ＭＰａ〜１．５ＭＰａで、６３０℃以上６５５℃以下とするとよい。また、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材箔は、厚さ５μｍ〜１５μｍであるとよい。さらに、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材の他、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｍｎ系、又はＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系ろう材を用いることもできる。
（回路パターン形成工程）
次に、第１回路層前駆体１３Ａの表面にマスクを印刷した後、酸性の有機溶剤等を用いてエッチングを行うことにより回路パターンを形成する。このマスクは、第１回路層前駆体１３Ａの表面に必要に応じて回路パターンを形成するように設けられる。これにより、第１回路層前駆体１３Ａに回路パターンが形成されて、図３（ｃ）に示すように、第１回路層１３がセラミックス基板１１に接合された状態となる。
（金属板形成工程）
まず、図４（ａ）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、第２回路層用金属板１４０及び第２金属層用金属板１７０を形成する。具体的には、厚さ０．４ｍｍ以上１．４ｍｍ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、９５ｍｍ×１００ｍｍ）の第２金属層用金属板１７０が形成される。また、厚さ０．６５ｍｍ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が形成された（図４に示す例では、矩形板状）２つの金属板からなる第２回路層用金属板１４０が形成される。このようにして形成された第２回路層用金属板１４０の面積と第２金属層用金属板１７０の面積との面積比は、０．５以上０．８以下に設定されている。
（第２接合工程）
次に、図４（ｂ）に示すように、第１回路層１３の上面に第２回路層用金属板１４０を接合し、第１金属層１６の上面に第２金属層用金属板１７０をＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材を用いて接合する。具体的には、第１回路層１４の上面及び第１金属層１６の上面に、それぞれＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉ系ろう材箔１８を介在させて第２回路層用金属板１４０及び第２金属層用金属板１７０を積層し、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、第１回路層１３と第２回路層用金属板１４０とを接合し、第１金属層１６と第２金属層用金属板１７０を接合する。これにより、図４（ｃ）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）を介して固相拡散接合され、裏面に金属層１５が接合部（ろう付け部）を介して固相拡散接合された絶縁回路基板１が形成される。
また、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、第２回路層１４の厚さＴ１は、０．６５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であり、回路層１２の接合面積Ｓ１及び金属層１５の接合面積Ｓ２の面積比Ｓ１／Ｓ２が０．５以上０．８以下、第２回路層１４の厚さＴ１／第２金属層１７の厚さＴ２が１．２以上１．７以下となる。
ここで、セラミックス基板１１の表面に生じる応力は、回路層１２や金属層１５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２（ｂ）に示すように、パターン間の部分（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１５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の回路パターン間（上記領域Ａｒ１）に残留応力が発生しても、第２金属層１７の厚さが第２回路層１４の厚さよりも薄く形成されているので、セラミックス基板１１の回路層１２側の面及び金属層１５側の面のバランスを保つことができる。したがって、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、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、上記実施形態において、第１回路層前駆体１３Ａをエッチングすることにより、第１回路層１３を形成することとしたが、これに限らず、プレスで打ち抜いた複数の金属板をセラミックス基板１１に接合するようにしてもよい。
また、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１〜４の試料を構成する部材には、板厚１．０ｍｍ、１００ｍｍ×１１０ｍｍの窒化アルミニウムからなるセラミックス基板を用意するとともに、セラミックス基板に接合される純アルミニウムからなる第１回路層及び第１回路層の上面に接合される無酸素銅からなる第２回路層を有する回路層と、純アルミニウムからなる第１金属層及び第１金属層の上面に接合される無酸素銅からなる第２金属層を有する金属層について表１に示す板厚、接合面積のものを用意した。この際、回路層を構成する２つの小回路層の間隔は、１．０ｍｍとした。なお、比較例４については、回路層及び金属層は、無酸素銅により構成されているものとし、アルミニウム層（第１金属層及び第２金属層）を備えないものとした。
また、表１では、回路層の厚さをＴ１、金属層の厚さをＴ２、回路層の接合面積をＳ１、金属層の接合面積をＳ２としている。
これらを上記実施形態で述べた製造方法により接合して、絶縁回路基板の試料を作製した。そして、得られた各試料につき、常温（３０℃）から２８５℃に加熱した後冷却して常温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常温となった際の常温での反り量（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セラミックス基板の中央（７５ｍｍ×８５ｍｍの範囲）を測定し、その変化量も求めた。なお、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。
また、実施例１〜７及び比較例１〜４の絶縁回路基板に対して、液相温度を−４０℃〜１５０℃の間で５００回変化させる温度サイクル試験を実行した後、セラミックス基板に割れがあるか否かを目視にて判定した。この際、セラミックス基板に割れがあるものを否「×」、セラミックス基板に割れがないものを良「〇」と判定した。表１に結果を示す。
Figure 2019153670
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、Ｔ１／Ｔ２が１．４以上３．２以下である実施例１〜７では、変化量が１０００μｍ以下と小さくなり、はんだ付けの際等の高温時における反り量が小さい絶縁回路基板が得られることが確認できた。
また、比較例４は、Ｓ１／Ｓ２及びＴ１／Ｔ２が上記範囲内であることから変化量は小さいものの、回路層及び金属層のそれぞれがアルミニウム又はアルミニウム合金からなる第１回路層及び第１金属層を有していないため、上記温度サイクル試験の結果、セラミックス基板が割れたことから、評価が「×」であった。このため、回路層及び金属層のそれぞれは、セラミックス基板に接合されるアルミニウム又はアルミニウム合金からなる第１回路層及び第１金属層と、第１回路層の上面に接合される銅又は銅合金からなる第２回路層及び第１金属層の上面に接合される銅又は銅合金からなる第２金属層と、を備えることで、セラミックス基板の割れを抑制できることが確認できた。
１ 絶縁回路基板
１１ セラミックス基板
１２ 回路層
１３ 第１回路層
１３Ａ 第１回路層前駆体
１４ 第２回路層
１５ 金属層
１６ 第１金属層
１７ 第２金属層
１８ ろう材箔
３０ 素子
３１ はんだ
１００ パワーモジュール
１２１ １２２ 小回路層
１３０ 第１回路層用金属板
１４０ 第２回路層用金属板
１６０ 第１金属層用金属板
１７０ 第２金属層用金属板
Ｓ１ 接合面積
Ｓ２ 接合面積
Ｓ１１ 接合面積
Ｓ１２ 接合面積
Ｔ１ 第２回路層の板厚
Ｔ２ 第２金属層の板厚
Ｔ３ 第１回路層の板厚
Ｔ４ 第２金属層の板厚
Ｔ５ セラミックス基板の厚さ
Ａｒ１ 領域

Claims (2)

  1. 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、前記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、
    前記回路層は、前記セラミックス基板に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる第１回路層と、前記第１回路層の上面に接合された銅又は銅合金からなる第２回路層と、を有し、
    前記金属層は、前記セラミックス基板に接合されたアルミニウム又はアルミニウム合金からなる第１金属層と、前記第１金属層の上面に接合された銅又は銅合金からなる第２金属層と、を有し、
    前記第１回路層及び前記第１金属層の厚さは、０．２ｍｍ以上０．９ｍｍ以下、かつ、これらが同じ厚さであり、
    前記第２回路層の厚さは、０．６５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であり、前記回路層の接合面積をＳ１、前記金属層の接合面積をＳ２としたときの面積比Ｓ１／Ｓ２が０．５以上０．８以下、前記第２回路層の厚さをＴ１、前記第２金属層の厚さをＴ２としたときのＴ１／Ｔ２が１．４以上３．２以下であることを特徴とする絶縁回路基板。
  2. 前記第２回路層は、前記第１回路層の上面に固相拡散接合されており、前記第２金属層は、前記第１金属層の上面に固相拡散接合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。
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