JPH10190176A - 回路基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 パワーモジュール用等の発熱の大きい用途に
回路基板を用いた場合、ヒートサイクル等による残留応
力により、セラミックス基板にクラックを生じ易い問題
があった。本発明はクラック発生が少なく信頼性の高い
回路基板を提供する。 【解決手段】 セラミックス基板の片面に金属回路が、
その反対面に金属放熱板が接合層を介してなる回路基板
であって、接合層が金属部材の端部から金属部材の厚み
の０．１〜１．０倍はみ出すように制御することにより
耐ヒートサイクル性に優れる回路基板を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高い信頼性、放熱
性を要する電子部品のパワーモジュール等に使用される
回路基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から各種電子機器の構成部品とし
て、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（Ａｌ
Ｎ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）などのセラミックス焼
結体基板表面に導電層として銅（Ｃｕ）回路板等を一体
に接合した回路基板が広く使用されている。

【０００３】これらの回路基板は、熱伝導性および電気
伝導性に優れたＣｕ等の金属により回路板を形成してい
るため、回路動作の遅延が減少するとともに回路配線の
寿命も向上するし、半田等の接合材料に対する濡れ性が
向上し、セラミックス焼結体表面に半導体素子（ＩＣチ
ップ）や電極板を高い接合強さで接合することができ、
その結果、半導体素子からの発熱の放散性や素子の動作
信頼性を良好に保つことができ、更にセラミックス基板
の放熱面にもＣｕ等の金属板を接合することにより、セ
ラミックス基板の応力緩和および熱変形防止の目的も達
成できるという利点を有している。

【０００４】パワーモジュール用回路基板は、パワーモ
ジュールへの実装工程において、金属回路のパターンと
パターンの間のセラミックス基板や金属回路の端部のセ
ラミックス基板にクラックが発生し、パワーモジュール
使用時に破壊し、パワーモジュールが動作不能となる問
題がある。セラミックス基板にクラックが発生する原因
としては、セラミックスとろう材及び回路用又は放熱用
の金属板との熱膨張差に起因する残留応力の影響が大き
いと考えられている。

【０００５】回路基板の回路形成方法としては以下に示
すような方法が知られている。 （１）セラミックス基板上にろう材ペーストを回路パタ
ーンに印刷し、その回路パターンを少なくとも覆うよう
にあらかじめ作製された金属回路板を接合する搭載法。

【０００６】（２）セラミックス基板の全面にろう材ペ
ーストを塗布し、それを覆うように全面に金属板を接合
し、回路面とする金属板上に回路パターンをエッチング
レジストにより形成させた後、エッチング処理して不要
回路、接合材を部分除去するフルエッチ法。

【０００７】（３）セラミックス基板上にろう材ペース
トを目的とする回路形状にパターン印刷し、その全面を
覆うように金属板を接合し、接合体の金属板上に回路パ
ターンをエッチングレジストにより形成させた後、エッ
チング処理して金属回路を形成させるパターン印刷法。

【０００８】しかし上記方法には一長一短がある。すな
わち、（１）の方法では、セラミックス基板に与える残
留応力は少ないが、あらかじめ作成された金属回路板を
接合するため、ろう材と金属板の位置関係を精度良く制
御するのが困難であり、また生産性が低く、量産には不
向きであるという問題がある。（２）の方法は生産性は
良好であるが、不要な回路及びろう材除去工程を経るた
め、エッチング後セラミックス基板に大きな応力が残留
する。ろう材の端部は金属板の端部より内側か、直下に
ある。（３）のパターン印刷法は、（２）のフルエッチ
法ほどセラミックス基板に残留応力を与えない。しか
し、基板が大きくなると依然としてセラミックスにクラ
ックを生じ易い問題がある。

【０００９】セラミックス基板に窒化アルミニウムを用
いた場合の窒化アルミニウム回路基板においては、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をもたせるため、
銅回路と窒化アルミニウム基板との間に介在させる接合
層の厚みを例えば２０μｍ以上に厚くする例が報告され
ている。（特開平６−１９６８２８号公報）しかしなが
ら、接合層の厚みを厚くすると不要なろう材の除去が困
難となるなど、未だ解決すべき課題があった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記に鑑み
てなされたものであり、回路基板の放熱性、絶縁耐圧を
損なうことなく、セラミックス基板のクラックの発生を
低減させ、信頼性の高いパワーモジュール用回路基板を
提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者らは上記目的を
達成するため、セラミックス基板を用いた回路基板のろ
う材と銅板の位置関係について見直しを行い、ろう材が
銅板の縁よりも少なくとも外にはみ出しているように接
合する事により、クラックが大幅に減少することを見出
し、本発明に到達した。

【００１２】すなわち本発明は、セラミックス基板の片
面に金属回路が、その反対面に金属放熱板が接合層を介
して形成されてなる回路基板であって、接合層が金属部
材の端部から金属部材の厚みの０．１倍以上、１．０倍
以下の長さはみ出している回路基板である。

【００１３】さらに、本発明は接合層とセラミックス基
板のなす角が９０度以下である上記の回路基板である。

【００１４】さらに、本発明は、セラミックス基板に窒
化アルミニウム焼結体また窒化珪素焼結体を用いた上記
の回路基板である。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明で使用されるセラミックス
基板の材質に特に制限はないが、金属との熱膨張差の大
きい窒化アルミニウム、又は窒化珪素の場合特にクラッ
ク低減効果が大きい。セラミックス基板は、良好な放熱
性を示すためには、熱伝導率が８０Ｗ／ｍＫ以上のもの
が適している。また、セラミックス基板の曲げ強さにつ
いては、回路基板の強さに影響を及ぼすため３５０ＭＰ
ａ以上が好ましい。

【００１６】セラミックス基板の厚みとしては、要求さ
れる回路基板の強さによって異なるが、通常、０．３ｍ
ｍから１．５ｍｍのものが使われる。

【００１７】本発明において、セラミックス基板に形成
される金属回路もしくは金属回路と金属放熱板について
説明すると、その材質は、銅、ニッケル、アルミニウ
ム、モリブデン、タングステン等の純金属もしくは合金
が用いられる。その金属回路又は金属放熱板の厚みは
０．１〜２．０ｍｍが好ましい。

【００１８】本発明において重要なことは、図１に示す
回路基板断面略図において、金属回路の厚みをＴ、接合
層のはみ出し幅をｗとした場合に、ｗ／Ｔが０．１〜
１．０であることである。 また、ｗ／Ｔを１．０より
大きくしても残留応力低減の効果は得られない。また図
２に示すように接合層と基板とのなす接触角を９０度以
下に好ましくは４５度以下にすると、更に残留応力を低
減する効果がありクラック防止に有効である。

【００１９】本発明のろう材のはみ出しは金属部材の全
周囲で完全に達成されている必要はなく、その一部がは
み出していれば十分である。すなわち回路のコーナー
部、特に凸型のコーナー部、回路の電極取り付け部周
辺、又回路形成部等に残留応力が残りやすく、その部分
で達成されていればよい。はみ出し形成部の長さががあ
まりにも少なければ当然その効果は期待できず、金属回
路の全周の長さの２０％以上の長さが接合層のはみ出し
部を形成していることが好ましく、更に好ましくは４０
％以上である。さらに、パターンとパターンとの間隔が
狭いと回路間の干渉が起きる危険性があるため、パター
ン間隔は金属回路の厚みの２倍以上であることが好まし
い。

【００２０】本発明に係る接合層はろう材ペーストを用
いて形成されたものである。ここで使用されるろう材ペ
ーストは、例えば金属回路又は金属放熱板の材質がＣｕ
である場合、ＡｇもしくはＣｕもしくはＡｇとＣｕを含
むろう材である。また基板が窒化アルミニウム、又は窒
化珪素である場合、適宜Ｔｉ、Ｚｒ等からなる活性金属
成分をろう材に添加することが出来る。

【００２１】本発明の回路基板を製造する方法は前記
（３）のパターン印刷法がろう材のはみ出し量を制御し
やすい事から好ましい方法であるが、本発明はフルエッ
チ法、搭載法、もしくはその他の製造方法に制限される
ものではない。

【００２２】金属回路、金属放熱板の材質がＣｕである
場合について製造方法を一例を挙げて説明する。先ず、
セラミックス基板上にろう材ペーストを目的とする銅回
路形状よりはみ出し代分だけ大きく印刷する。はみ出し
代は請求範囲に従って行う。

【００２３】本発明を達成するためには精度良く印刷す
る必要がある。基準となるセラミックス基板の位置決め
精度を上げるため、基板の縁部をダイヤで研削仕上げを
行って、真直度、直角度を１／１００以下に高精度加工
してから用いるのが好ましい。その後、全面を覆うよう
にベタＣｕ板を接触配置する。ベタＣｕ板の配置された
窒化アルミニウム基板を熱処理して両者の接合体を得
る。このようにして製造された接合体のＣｕ板上にエッ
チングレジストを用いて目的とする回路パターンを精度
良くスクリーン印刷し、レジスト回路パターンを形成さ
せる。

【００２４】次いで、エッチング処理してパターン外の
不要なＣｕを除去した後、エッチングレジスト膜を除去
してＣｕ回路を有する窒化アルミニウム回路基板とす
る。その後、Ｃｕ回路の酸化と腐食を防止するため、必
要に応じて Ｎｉメッキ等により選択的にＣｕ回路上に
保護膜を形成させる。

【００２５】

【実施例】長さ６０ｍｍ×幅５０ｍｍ×厚み０．６３５
ｍｍの窒化アルミニウム焼結体上の片面にろう材をスク
リーン印刷法により回路パターン＋はみ出し量に印刷
し、もう片面にはロウ材を同様に塗布した後、両面にＣ
ｕ板（厚み：金属回路用Ｃｕ板０．３ｍｍ、金属放熱用
Ｃｕ板０．１５ｍｍ）を接触配置し、真空中８３０℃で
３０分間熱処理を行い窒化アルミニウム基板とＣｕ板の
接合体を得た。

【００２６】この接合体のＣｕ板上に紫外線硬化型エッ
チングレジストを、接合層のはみ出し量が所定の寸法と
なるようにスクリーン印刷法により回路パターンを印刷
して硬化させた後、塩化第２鉄溶液でパターン外の不要
なＣｕを除去した。次いで、レジストを除去した。更
に、無電解ＮｉメッキによりＣｕ回路に選択的にＮｉ保
護膜を形成させた。このようにして、表１の実施例１〜
４、比較例１、２に示す窒化アルミニウム回路基板を完
成させた。また、実施例５については、セラミックス基
板に窒化珪素焼結体を用いた以外は上記と同様にして、
回路基板を作製した。

【００２７】これらの回路基板についてヒートサイクル
試験を実施した。ヒートサイクル試験は、−４０℃で３
０分間保持し、＋１２５℃で３０分間保持する加熱冷却
操作を１サイクルとし、ＪＩＳ−Ｃ−００２５に示され
ている温度変化試験方法に準じて実施した。１０回、３
０回、５０回、１００回のヒートサイクル後のクラック
発生の有無を評価した結果を表１に示す。クラックは発
生率で示した。クラックの評価は、ヒートサイクル終了
後、回路間のクラックの有無を蛍光探傷検査により観察
することで行った。

【００２８】表１に示す結果から明らかなように、比較
例１、２の回路基板には、ヒートサイクル試験３０回で
クラックが発生しているのに比べ、実施例１〜４は、ヒ
ートサイクル３０回ではクラックは発生しておらず高い
信頼性を有することは、明らかである。

【００２９】また、実施例１の回路基板はヒートサイク
ル試験５０回でクラックが発生しているのに比べ、実施
例４はヒートサイクル５０回ではクラックは発生してお
らず、接合層とセラミックス基板との接触角は４５度以
下にする方が効果が高いことは明らかである。更に、実
施例５では、ヒートサイクル試験１００回後もクラック
は発生しておらず、本発明の優位性が明らかである。

【００３０】

【表１】

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、回路パターンを変更す
ることなく、接合層を金属部材よりはみ出させることに
より、より高い信頼性・放熱性を有するパワーモジュー
ルなどに用いられる回路基板を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る回路基板について、その断面を
模式的に示したものである。

【図２】 接合層とセラミックス基板との接触角

【図３】 実施例、比較例に用いた回路パターン

【符号の説明】

ａ：金属回路 ｂ：金属回路接合層 ｃ：セラミックス基板 ｄ：金属放熱板接合層 ｅ：金属放熱板 Ｔ：金属回路の厚み ｗ：金属回路接合層のはみ出し幅 θ1、θ2、θ3：接合層とセラミックス基板との接触角

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】セラミックス基板の片面に金属回路が、そ
   の反対面に金属放熱板が接合層を介してなる回路基板で
   あって、接合層が金属部材の端部から金属部材の厚みの
   ０．１倍以上、１．０倍以下はみ出していることを特徴
   とする回路基板。
2. 【請求項２】接合層とセラミックス基板のなす角が９０
   度以下であることを特徴とする請求項１記載の回路基
   板。
3. 【請求項３】セラミックス基板に窒化アルミニウム焼結
   体また窒化珪素焼結体を用いたことを特徴とする請求項
   １または２記載の回路基板。