JP3260213B2 - 回路基板 - Google Patents
回路基板Info
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- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K1/00—Printed circuits
- H05K1/02—Details
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- H05K1/0306—Inorganic insulating substrates, e.g. ceramic, glass
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Description
を有する窒化アルミニウム基板からなる回路基板の改良
に関するものであって、電子部品のパワーモジュール等
に使用されるものである。
高性能化に伴い、大電力・高能率インバーター等大電力
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、大電力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、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。
々あるが、回路基板の製造という点からは、Mo−Mn
法、活性金属ろう付け法、硫化銅法、DBC法、銅メタ
ライズ法等があげられる。
ルミナに変わって高熱伝導性の窒化アルミニウム基板が
注目されており、銅板の接合方法としては、銅板と窒化
アルミニウム基板との間に活性金属を含むろう材(以
下、単に「ろう材」という)を介在させ、加熱処理して
接合体とする活性金属ろう付け法(例えば特開昭60-177
634 号公報)や、表面が酸化処理された窒化アルミニウ
ム基板と銅板を銅の融点以下でCu−Oの共晶温度以上
で加熱接合するDBC法(例えば特開昭56-163093 号公
報)等がある。
以下の利点がある。 (1)接合体を得るための処理温度が低いので、窒化ア
ルミニウム基板と銅板の熱膨張差によって生じる残留応
力が小さい。 (2)ろう材が延性金属であるので、ヒートショックや
ヒートサイクルに対する耐久性が大である。
属ろう付け法を用いても、ヒートショックやヒートサイ
クルなどの熱衝撃、熱履歴によって生じる損傷に対して
十分な耐久性があるとはいえず新しい技術の提案が待た
れていた。そこで、金属放熱板(通常は窒化アルミニウ
ム基板の下面に設けられる)の体積を金属回路(通常は
窒化アルミニウム基板の上面に設けられる)の体積の5
0〜90%となるように調整したり(特開昭63-24815号
公報)、金属放熱板の厚さを金属回路のそれの50%以
下にする(特開平5-170564号公報)ことによってある程
度は改善された。
路と金属放熱板の材質は共に銅であるので、両者の体積
を変えることは熱膨張による応力のバランスが異なった
ものとなる。その結果、接合体自体の耐熱衝撃性は良好
であるが、金属放熱板にベース銅板を半田付けする際の
急激な温度上昇によって回路基板の反りの変化量が著し
くなって金属放熱板とベース銅板との間に隙間ができ、
その部分が半田付け後にボイドとなる危険性があった。
るには、金属回路と金属放熱板の熱膨張係数を違えれば
よいことを見いだし、本発明を完成させたものである。
化アルミニウム基板の一方の面に銅又はアルミニウム製
の金属回路、他方の面にはアルミニウム又は銅製の金属
放熱板が設けられてなるものであって、上記金属回路と
上記金属放熱板との熱膨張係数差が6〜8×10 -6 /℃
であることを特徴とする回路基板である。
ると、本発明で使用される窒化アルミニウム基板は、ホ
ットプレス法、常圧焼結法等の常法によって製造された
もので十分であり、また、その際に使用される窒化アル
ミニウム粉末についても特別なものである必要はなく、
金属アルミニウム直接窒化法、アルミナ還元窒化法、気
相法等で製造されたものが使用される。窒化アルミニウ
ム基板の焼結密度としては、機械的強度及び電気特性の
点から、相対密度95%以上であることが望ましい。
路及び他方の面に放熱金属板を形成する方法としては、
窒化アルミニウム基板と金属板との接合体をエッチング
する方法、金属板から打ち抜かれた金属回路及び/又は
放熱金属板のパターンを窒化アルミニウム基板に接合す
る方法等によって行うことでき、これらの際における金
属板又はパターンと窒化アルミニウム基板との接合方法
としては、活性金属ろう付け法やDBC法等を採用する
ことができる。なお、金属回路又は金属放熱板がアルミ
ニウム製である場合には、以下のろう材である必要はな
い。
成分は、銀と銅を主成分とし、溶融時の窒化アルミニウ
ム基板との濡れ性を確保するために活性金属を副成分と
する。この活性金属成分は、窒化アルミニウム基板と反
応して酸化物や窒化物を生成させ、それらの生成物がろ
う材と窒化アルミニウム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。これらの比率としては、銀69〜7
5重量部と銅25〜31重量部の合計量100重量部あ
たり活性金属3〜35重量部である。
ーストは、上記ろう材の金属成分に有機溶剤及び必要に
応じて有機結合剤を加え、ロール、ニーダ、バンバリミ
キサー、万能混合器、らいかい機等で混合することによ
って調整することができる。有機溶剤としては、メチル
セルソルブ、エチルセルソルブ、テルピネオール、イソ
ホロン、トルエン等、また有機結合剤としては、エチル
セルロース、メチルセルロース、ポリメチルメタクリレ
ート等が使用される。
れる金属回路と金属放熱板とを異種の材料で構成し、両
者の熱膨張係数を違えたことが大きな特徴である。従来
技術においては、電気伝導性等の点から、金属回路の材
質は、無酸素銅又はそれに僅かな酸素を混入させたタフ
ピッチ銅が好ましく使用されている。このような銅の熱
膨張係数は、文献値とほぼ等しく17×10-6/℃であ
り、窒化アルミニウム基板の4.5×10-6/℃よりも
大きいので回路基板に熱が加えられたときに熱応力が発
生していた。
の接合を行うには、少なくともろう材の溶融温度以上の
加熱とその後の冷却が必要となるので銅と窒化アルミニ
ウムの接合界面に数百℃以上の温度差に相当する熱応力
がかかった。また、回路基板として完成された後も、そ
れをベース銅板に取りつける半田付け時や、半導体素子
からの発熱、周囲の温度差による熱衝撃等によって熱応
力がかかる機会が多かった。
数が金属回路のそれよりも小さいときに生じる熱応力
は、金属回路/金属放熱板の体積比を変えることによっ
て軽減することができる。すなわち、急激な温度変化が
あっても、金属回路の熱膨張による伸びは金属放熱板に
よって抑えられるので、回路基板の反りの変位量はとて
も小さくなり100μm以下となる。この場合における
低熱膨張材料としては、モリブデン、タングステン、
鉄、ニッケル、コバルト等や、銅にこれらの成分が添加
された合金が使用される。
のそれよりも大きい場合、その熱膨張差から生じる応力
は、金属回路/金属放熱板の体積比を変えることによっ
て同様に軽減することができる。この場合においては、
金属回路よりも放熱金属板の方が熱膨張による応力が大
きくなるので、厚みをかなり薄くすることが可能とな
り、低熱抵抗性が特に要求される使用態様に好適とな
る。しかしながら、熱膨張の大きい材料は、それが小さ
い材料に比べて種類は少なく、またその他の特性や製造
の容易性等を考慮すると、金属回路を銅製とした場合に
金属放熱板はアルミニウム製又は銀製となる。
路と金属放熱板との熱膨張係数の大小関係はいずれであ
ってもよいが、両者の差としては、4×10-6/℃以上
特に6〜8×10-6/℃であることが望ましい。
的に説明する。参考例1〜3 比較例1〜2 銀粉末75重量部、銅粉末25重量部、ジルコニウム粉
末5重量部、 水素化チタン粉末5重量部、テルピネオ
ール15重量部及び有機結合剤としてポリイソブチルメ
タアクリレートのトルエン溶液を固形分で1.5重量部
加えてよく混練し、ろう材ペーストを調整した。このろ
う材ペーストを60×30×0.65mmの窒化アルミ
ニウム基板の両面にスクリーン印刷によって全面に塗布
した。その際の塗布量(乾燥後)は6〜8mg/cm2
とした。
アルミニウム基板の両面に、60×30×0.25mm
の表1に示す各種金属板を接触配置してから炉に投入
し、高真空中、温度900℃で30分加熱した後、2℃
/ 分の降温速度で冷却して接合体を製造した。得られた
接合体について、その金属の種類に従い、以下の手順で
金属回路及び金属放熱板を形成した。
合体の銅板上にUV硬化タイプのエッチングレジストを
スクリーン印刷で回路パターンに塗布後、塩化第2銅溶
液を用いてエッチング処理を行って銅板不要部分を溶解
除去し、さらにエッチングレジストを5%苛性ソーダ溶
液で剥離して形成させた。一方、金属板がモリブデン
(Mo)、タングステン(W)又はステンレス(SUS
304)の場合には、エッチング液として塩化第2鉄溶
液を用い、それ以外は同様にして行った。
は、金属回路間等に残留不要ろう材や活性金属成分と窒
化アルミニウム基板との反応物があるので、それを温度
60℃、10%フッ化アンモニウム溶液に10分間浸漬
して除去した。
部、テルピネオール15重量部及び有機結合剤としてポ
リイソブチルメタアクリレートのトルエン溶液を固形分
で1.5重量部加えてよく混練してペーストを調整し
た。このペーストを60×30×0.65mmの窒化ア
ルミニウム基板の両面にスクリーン印刷で全面に塗布し
た。その際の塗布量(乾燥後)は6〜8mg/cm2 と
した。
ニウム基板の両面に、60×30×0.25mmの表1
に示す各種金属板を接触配置してから炉に投入し、高真
空中、温度580℃で30分加熱した後、2℃/ 分の降
温速度で冷却して接合体を製造した。得られた接合体に
ついて、金属板が銅である場合には、上記と同様にして
金属回路及び金属放熱板を形成し、また金属板がアルミ
ニウム(Al)である場合には、エッチング液として過
酸化水素水と硫酸の混合溶液を用い、それ以外は上記と
同様にして行った。
板について、ヒートサイクル(熱衝撃)試験を行った。
ヒートサイクル試験は、気中、−40℃×30分保持
後、25℃×10分間放置、さらに125℃×30分保
持後、25℃×10分間放置を1サイクルとして行い、
金属回路又は金属放熱板が剥離開始したヒートサイクル
回数を測定した。また、室温から260℃に加熱したと
きの回路基板の反りの変位を非接触式レーザー変位計で
測定した。これらの結果を表1に示す。
りの変位が著しく小さく、しかも熱衝撃や熱履歴に対す
る耐久性すなわち耐ヒートサイクル性が大である。
Claims (1)
- 【請求項1】 窒化アルミニウム基板の一方の面に銅又
はアルミニウム製の金属回路、他方の面にはアルミニウ
ム又は銅製の金属放熱板が設けられてなるものであっ
て、上記金属回路と上記金属放熱板との熱膨張係数差が
6〜8×10 -6 /℃であることを特徴とする回路基板。
Priority Applications (1)
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Applications Claiming Priority (1)
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ID=16290250
Family Applications (1)
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---|---|---|---|---|
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