JPH10247763A

JPH10247763A - 回路基板及びその製造方法

Info

Publication number: JPH10247763A
Application number: JP5047697A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kadota; 健次門田; Toichi Takagi; 東一高城
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 1997-03-05
Filing date: 1997-03-05
Publication date: 1998-09-14

Abstract

(57)【要約】【課題】クラック発生がない高信頼性のモジュール用
回路基板を提供する。【解決手段】反りのないセラミックス基板をたわませ
ながら金属回路又は回路用金属板と放熱用金属板とを接
合して、前記金属回路又は回路用金属板側に凹面となる
ように反っている回路基板で、好ましくは反りのある方
向の長さに対して１／４０００以上３／１００以下の反
り量を有する回路基板である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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
セラミックス基板上に金属回路を配設した回路基板及び
その回路基板の製造方法に関する。

【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）等の回路用金属
板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
伝導性に優れた銅等の金属により回路板を形成している
ので、回路動作の遅延が少ないとともに回路配線の寿命
も長いという利点がある。また半田等の接合材料に対す
る濡れ性が良く、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
ができる。その結果、半導体素子から発生する熱を十分
に放散し、素子の動作信頼性を良好に保つことができ
る。また、セラミックス基板の前記回路面とは反対側に
銅等の放熱用金属板を接合することにより、前記放熱用
金属板を介して接合されるヒートシンクへの熱放散を助
長するばかりでなく、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】

【発明が解決しようとする課題】セラミック基板を用い
る回路基板に関しては、回路基板のヒートシンクへの接
合、或いは電極等を搭載接合するなどのモジュールへの
実装時における熱応力やモジュールを各種装置へ装着す
る時にかかる荷重に原因して、セラミックス基板に微小
クラックが発生することがある。特に前記微小クラック
は金属回路間や金属回路の端部付近に発生しやすい。前
記微小クラックはモジュールが使用時に受ける繰り返し
の加熱冷却に原因する応力により拡大し、比較的大きな
クラックに成長すると今度はクラックの部分で絶縁不良
となり、パワーモジュールが使用不能となる問題があ
る。

【０００５】従来より、回路基板の製造方法としてはい
くつかの方法が知られているが、良好な生産性を得るた
めには、フルエッチ法がよく使われる。フルエッチ法
は、セラミックス基板と金属板とをろう材ペーストや基
板と金属の共晶を用いるなどの方法で接合し、金属回路
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、エッチング処理により不要部分を除
去する方法である。フルエッチ法は、生産性は良好であ
るが、不要な金属回路及びろう材や共晶の除去工程を経
るため、エッチング後の金属回路間のセラミックス基板
に大きな引張応力が残留し、前述の微小クラックが発生
しやすい。

【０００６】また、回路基板の他の製造方法として搭載
法が知られているが、搭載法はセラミックス基板上にろ
う材ペーストを回路パターン状に印刷し、回路パターン
に予め形成した金属板をろう材ペースト上に配置し接合
する方法で、エッチングプロセスを経ないので残留応力
は比較的小さい。しかし、スクリーン印刷法によるろう
材塗布量に限界があること、高度な印刷技術が必要であ
ること、工程の煩雑化による生産性が低下することなど
の問題がある。

【０００７】前記いずれの製造方法による回路基板につ
いても、パワーモジュールに実装する工程では、半導体
チップや電極が回路基板に接合されたり、回路基板がヒ
ートシンク銅板へ接合されたりするが、これらの工程で
は、エッチング後の金属回路間や金属回路の端部付近に
残留するセラミックス基板内の引張応力を、さらに増大
させるため、クラックが発生し易い問題があった。更
に、パワーモジュールを装置に装着する場合において
も、ヒートシンクにあらかじめ開けておいた穴に、固定
用のボルトを通し、装置にねじ止めするときの荷重で、
セラミックス基板に残留する大きな引張応力をさらに増
大させるため、この時点に於いてもクラックが発生する
と云う問題があった。

【０００８】以上の問題に対して、窒化アルミニウム焼
結体を用いた回路基板について、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に、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以上に厚くする方法が提案されている（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。

【０００９】本発明は、上記の事情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、クラック発生を低減させ、信頼性の高いモジュール
が容易に得ることのできる回路基板を提供すること、ま
た前記回路基板を生産性高く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、本質的に反り
のないセラミックス基板を少なくとも一方向でたわませ
ながら金属回路又は回路用金属板と金属放熱板とを接合
してなり、しかも金属回路又は回路用金属板側が凹面に
反っていることを特徴とする回路基板であり、反り量
が、該反りのある方向の長さに対して１／４０００以上
３／１００以下であることを特徴とする前記の回路基板
である。

【００１１】更に、本発明は、セラミックス基板の熱膨
張係数が５×１０^-6℃^-1以下であることを特徴とする回
路基板であり、好ましくは、セラミックス基板が窒化珪
素からなる回路基板であり、或いは、セラミックス基板
が窒化アルミニウムからなり、金属回路又は回路用金属
板と金属放熱板とを接合した後の反り量が、該反りのあ
る方向の長さに対して１／２５０以上３／１００以下で
あることを特徴とする前記の回路基板である。

【００１２】また、本発明は、本質的に反りのないセラ
ミックス基板を、少なくとも一方向で該方向の長さの１
／４０００以上３／１００以下たわませながら、金属回
路又は回路用金属板と放熱用金属板とを接合することを
特徴とする回路基板の製造方法であり、好ましくは、前
記製造方法において、たわんでできるセラミックス基板
の凹面側に金属回路又は回路用金属板を、凸面側に放熱
用金属板を接合することを特徴とする回路基板の製造方
法である。また、本発明は、セラミックス基板に接合し
た回路用金属板より金属回路を形成することを特徴とす
る前記の回路基板の製造方法である。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明について図をもっ
て、詳しく説明する。

【００１４】図１は、本発明の回路基板とその製造方法
の説明図である。（ａ）は用いるセラミックス基板の断
面図、（ｂ）は金属回路又は回路用金属板と放熱用金属
板とを接合する直前のたわませたセラミックス基板の断
面図、（ｃ）は凹面側に金属回路があり、凸面側に放熱
用金属板がある反りを有する回路基板の断面図である。

【００１５】本発明においては、本質的に反りのないセ
ラミックス基板を少なくとも一方向でたわませながら２
枚の厚みや形状の異なる金属板を前記セラミックス基板
の両面に接合することで、所望の方向に反りのある回路
基板を得ることが本質的である。そして、このような反
りを有する回路基板を用いてモジュールを形成すると、
モジュールは一般的に平面的になるようにヒートシンク
を接合し、更に固定部品に固定して用いられるので、回
路基板の所望の一面に圧縮応力を発生させておけば、モ
ジュールへの組立て時やその実使用下でのクラックの発
生、成長を低減することができ、その結果信頼性の高い
モジュールを得ることができるという知見に基づいてな
されたものである。

【００１６】本発明の回路基板は、上述したとおりに、
回路基板を平坦な状況で用いるときに、回路基板の所望
の面に圧縮応力が残留するように作られたものである。
微小クラックの発生、成長を抑制する目的から、金属回
路又は回路用金属板のある面に圧縮応力が残留するよう
に、金属回路又は回路用金属板が凹面に配置されている
ように、反っていることが本質的である。従って、凸面
に放熱用金属板が配置された構造を有する。

【００１７】反り量に関しては、モジュールへの組立時
や該モジュールの使用条件下で受ける熱変動、衝撃の大
きさ、或いはセラミックス基板、金属回路、放熱用金属
板、更に接合材等の大きさ、形状、材質特性等に応じ
て、適宜選択すれば良いが、本発明者らの検討によれ
ば、反りのある方向の長さに対して反り量が１／４００
０以上３／１００以下であることが好ましい。１／４０
００未満の場合には本発明の効果が十分に得られない場
合が多く、３／１００を越える場合にはモジュール作成
時にセラミックス基板が破壊することがある。尚、金属
回路のパターン抜き部が連続する場合には、それと直角
方向に回路基板を反らせるとき、本発明の効果が大いに
発揮される。

【００１８】本発明に用いるセラミックス基板として
は、後述する回路用金属板や放熱用金属板の熱膨張率よ
りも小さな熱膨張率を有するもので、回路基板として必
要な電気絶縁性、耐熱性を有するものであればいずれで
も用いることができる。このようなセラミックス基板と
して、アルミナ、ムライト、窒化珪素、窒化アルミニウ
ム、酸化ベリリウムなどが挙げられる。これらのうち、
熱膨張率が５×１０^-6℃^-1以下のセラミックス回路基板
を選択すると、前記金属板との熱膨張率差が大きく、回
路基板の反りが僅かであっても大きな圧縮応力が期待で
き良好であり、このようなセラミックス基板として、窒
化珪素、窒化アルミニウム等の非酸化セラミックス基板
が挙げられる。

【００１９】また、セラミックス基板としては、更に、
得られる回路基板の熱放散性を良好とするために、熱伝
導率が６０Ｗ／ｍＫ以上のものが適している。更に、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
に影響することから、３５０ＭＰａ以上のものが好まし
い。

【００２０】上記した、好ましい熱膨張率、熱伝導率、
曲げ強さの範囲に該当するセラミックス基板としては、
窒化珪素、窒化アルミニウムが挙げられる。特に、窒化
アルミニウムの場合、その理由は不明であるが、反り量
が反りのある方向の長さに対して１／２５０以上１／３
００以下のときに熱伝導率が高く、しかも信頼性の高い
モジュールを得ることができ、一層好ましい。

【００２１】上記セラミックス基板の厚みについては、
要求される回路基板の放熱特性、機械的性質、電気特性
等により異なるが、通常０．３ｍｍ以上１．５ｍｍ以下
が採用される。本発明においても、これら通常の厚さの
ものが用いられるが、これに限定されるものではない。

【００２２】本発明に用いられる金属回路、回路用金属
板及び放熱用金属板については、銅、ニッケル、アルミ
ニウム、モリブデン、タングステン等の金属や前記金属
を主成分とする合金、或いは前記金属或いは合金の接合
したもの等が用いられ、その厚みは０．１〜２．０ｍｍ
が一般的である。尚、本発明においては金属回路と放熱
用金属板とが同一である必要はないので、材質、厚さ、
形状等の点で異なっていても構わない。

【００２３】前記金属回路、回路用金属板及び放熱用金
属板は、セラミックス基板と接合層を介して接合されて
いるが、本発明の場合、該接合層はろう材ペーストを用
いて形成されたものであっても、セラミックスと金属と
の共晶層により形成されたものであっても構わない。前
記ろう材ペーストとしては、例えば金属回路又は放熱用
金属板の材質が銅である場合には銅若しくは銅と銀を含
むろう材であり、更に窒化物セラミックス基板の場合に
は、チタンなどの活性金属を含んだ前記ろう材が好まし
く用いられる。一方、共晶層を形成せしめる場合には、
例えばセラミックス基板にアルミナを用い金属板に銅を
用いるときには銅の酸化物が共晶層として選択される。

【００２４】本発明の回路基板の製法について、以下フ
ルエッチ法での製法を例示し、詳細に説明するが、本発
明はこれに限定されるものではない。

【００２５】まず、反り量が該反りのある方向の長さに
対して１／４０００未満の、本質的に反りのないセラミ
ックス基板の両面に、例えば銅と銀とを含むろう材ペー
ストを塗布する。次に、本発明の請求項に係る反りと同
じ曲面を有する凹凸一対の治具を用意し、凹面を上面に
有する治具の上に前記ろう材ペーストを覆うに充分な広
さの放熱用金属板を置き、その上に前記セラミックス基
板を置く。更に、回路用金属板を前記セラミックス基板
上に置き、その上に凸面を下面に有する治具を置く。更
に、セラミックス基板をたわませる荷重を負荷し、荷重
を負荷した状態で熱処理を行い金属板とセラミックス基
板とを接合する。

【００２６】セラミックス基板のたわませかたについて
は、目標とする反りを有する回路基板の反り方向と同一
の方向の長さに対して１／４０００以上３／１００以下
たわませることが好ましい。然るに、回路基板をたわま
せる方向とその量は、回路基板の反りの方向とその量に
概ね一致するからである。

【００２７】前記荷重をかける方法については、上記操
作において、金属とセラミックス基板との接合とセラミ
ックス基板の変形とが行われれば良いので、治具を加熱
と荷重に耐え得る材質とする方法、或いはホットプレス
のように油圧或いは機械的な圧力をかける方法等のいず
れの方法でも良い。しかし、前者の方法に於いて、治具
が高密度で重しを兼ねることができるタングステンやモ
リブデン等の高融点金属で作成する方法が、荷重負荷に
特別の装置を必要としないので安価に回路基板を製造で
きることから好ましい方法である。

【００２８】上記で得た両面に金属板が接合したセラミ
ックス基板（以下接合体という）について、金属板上に
エッチングレジストを用いて回路パターンを印刷し、レ
ジスト回路パターンを形成する。

【００２９】次いで、エッチング処理して、パターン外
の不要な金属やろう材等を除去した後、エッチングレジ
ストを除去して、金属回路を有する回路基板とする。更
に、金属回路の酸化と腐食を防止する等の目的で、必要
に応じてニッケルメッキ等を行い金属回路上に保護膜を
形成する。

【００３０】以下に実施例に基づいて、本発明を更に詳
細に説明する。

【００３１】

【実施例】

〔実施例１〜６〕サイズ４０ｍｍ×４０ｍｍ、厚み０．
６３５ｍｍの窒化アルミニウム焼結体の両面にチタンを
活性金属として含む銀−銅系のろう材ペーストをスクリ
ーン印刷法により塗布し乾燥した後、厚み０．３ｍｍの
金属回路用銅板と厚み０．１５ｍｍの放熱用銅板を接触
配置するように載せる。これを凹面を上面にもつように
加工した窒化珪素製治具の上面に金属回路用銅板が上に
なるように置いて、その上から凹面と同形状に作製した
凸面を下面にもった窒化珪素製治具を置き、更に、１０
０×１００×５０ｍｍのタングステンを載せて窒化アル
ミニウム基板をたわませる。これらを真空中８３０℃で
３０分間熱処理を行い窒化アルミニウム基板と銅板の接
合体を得た。

【００３２】次に、前記接合体の銅板上に紫外線硬化型
エッチングレジストをスクリーン印刷法により回路パタ
ーンに印刷し硬化させた後、塩化第２鉄溶液でパターン
外の不要な銅を除去した。次いで、フッ化水素アンモニ
ウムと過酸化水素を含む水溶液に入れ、銅回路パターン
間の不要ろう材を除去した後、レジストを除去した。更
に、無電解ニッケルメッキにより銅回路に選択的にニッ
ケル保護膜を形成させた。

【００３３】〔実施例７〕実施例７については、セラミ
ックス基板として窒化珪素焼結体を用いた以外は実施例
１〜６に示す方法で試料を得た。

【００３４】〔実施例８〕実施例８については、セラミ
ックス基板としてアルミナ焼結体を用いた以外は実施例
１〜６に示す方法で試料を得た。

【００３５】〔比較例１、２〕比較例１及び２について
は、金属回路用銅板が下になるように置いた以外は、実
施例１〜６と同様な方法で試料を得た。

【００３６】〔比較例３〕比較例３については、上記の
窒化珪素製治具に代えて、窒化珪素焼結体の反りのない
板を用いた以外は実施例１〜６と同様な方法で試料を得
た。

【００３７】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、ＪＩＳＣ００２５温度変化試
験方法に準じて実施した。３０回、５０回、１００回の
ヒートサイクル試験後にクラック発生の有無を評価し
た。

【００３８】クラックの発生の有無は、以下の方法によ
り行った。即ち、試験後、銅回路板及びろう材を前述の
方法にて溶解除去し、銅回路板の下側の銅回路板端部縁
に沿ってセラミックス基板に発生したクラック（回路間
には現われていないので銅回路板を除去しないと確認で
きないクラック）を実体顕微鏡で評価した。回路板端部
縁の長さを全て合計した長さ（全長さ）に対して回路板
端部縁でクラックの発生している縁の長さを割合で表
し、これをクラック発生率％として算出し、その結果を
表１に示した。

【００３９】

【表１】

【００４０】

【発明の効果】実施例、比較例から明らかなように、比
較例に係る回路基板は、ヒートサイクル試験３０回でヒ
ートシンク接合でクラックが発生し、ヒートサイクルの
繰り返し回数の増加に伴い、基板に発生するクラックが
多くなったため、充分な信頼性が得られなかったり、た
わみ量が大きくヒートサイクル実施前にクラック発生が
多数認められているのに対して、本発明に係る回路基板
はヒートサイクル試験３０回後のヒートシンク接合でも
セラミックス基板にクラックは発生しておらず、高い信
頼性を有し、実用的である。

【００４１】特に、室温の熱膨張係数が５×１０^-6℃^-1
以下であるセラミックス基板を用いた場合に本発明の効
果は顕著であり、ヒートサイクル試験１００回後もクラ
ックが発生しておらず、きわめて信頼性が高いことがわ
かる。

【００４２】即ち、本発明に基づけば、高い信頼性、放
熱性を有する回路基板が提供され、しかも本発明の方法
により前記回路基板を安定して提供することができ、産
業上有用である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る回路基板とその製造方法につい
ての説明図。

【符号の説明】１セラミックス基板２回路用金属板３放熱用金属板４接合層ｗセラミックス基板のたわませ量

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】本質的に反りのないセラミックス基板を少
なくとも一方向でたわませながら金属回路又は回路用金
属板と金属放熱板とを接合してなり、しかも金属回路又
は回路用金属板側が凹面に反っていることを特徴とする
回路基板。
【請求項２】反り量が、該反りのある方向の長さに対し
て１／４０００以上３／１００以下であることを特徴と
する請求項１記載の回路基板。
【請求項３】セラミックス基板の熱膨張係数が５×１
０^-6℃^-1以下であることを特徴とする請求項２記載の回
路基板。
【請求項４】セラミックス基板が窒化珪素からなるこ
とを特徴とする請求項３記載の回路基板。
【請求項５】セラミックス基板が窒化アルミニウムか
らなり、金属回路又は回路用金属板と金属放熱板とを接
合した後の反り量が、該反りのある方向の長さに対して
１／２５０以上３／１００以下であることを特徴とする
請求項３記載の回路基板。
【請求項６】本質的に反りのないセラミックス基板を、
少なくとも一方向で該方向の長さの１／４０００以上３
／１００以下たわませながら、金属回路又は回路用金属
板と放熱用金属板とを接合することを特徴とする回路基
板の製造方法。
【請求項７】請求項６記載の回路基板の製造方法におい
て、たわんでできるセラミックス基板の凹面側に金属回
路又は回路用金属板を、凸面側に放熱用金属板を接合す
ることを特徴とする回路基板の製造方法。
【請求項８】セラミックス基板に接合した回路用金属板
より金属回路を形成することを特徴とする請求項６又は
請求項７記載の回路基板の製造方法。