JP2019153670A - 絶縁回路基板 - Google Patents
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Abstract
Description
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、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。
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。
[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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)
- 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。 - 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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