JPH11233903A - 基 板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】耐ヒートサイクル性に優れ、高信頼性の極めて
高い基板（回路基板、放熱基板等の電子部品用基板な
ど）を提供すること。 【解決手段】セラミックス基板の一方の面に金属回路、
他方の面に金属放熱板が設けられてなるものであって、
上記金属回路及び／又は金属放熱板の断面において、底
端部（１）を上端部（２）よりも外方向に位置させ、し
かも両端部を結ぶ線（３）と上辺（４）とのなす角度θ
を１２０°以上にしてなることを特徴とする基板。ま
た、この基板において、金属回路及び／又は金属放熱板
の外周縁面に、溝、窪み、凹凸、貫通孔等の不連続面を
形成させてなるものであり、特にこの不連続面の一部又
は全部を、金属回路及び／又は金属放熱板の外周縁面の
側部に形成させた基板。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、特に電子部品のパ
ワーモジュールに好適な高信頼性の基板（回路基板、放
熱基板等の電子部品用基板など）に関するものである。

【０００２】電子部品用基板において、セラミックス基
板に金属回路のみ、又は金属回路と金属放熱板を形成さ
せたものは回路基板として、また金属放熱板のみを形成
させたものは放熱基板として使用されている。そして、
回路基板と放熱基板の差異は放熱基板には金属回路を形
成させないことであり、その製造方法ないしは本発明の
目的は回路基板のそれと実質的に同じであるので、以
下、回路基板を例にとって本発明を説明する。

【０００３】

【従来の技術】近年、ロボットやモーター等の産業機器
の高性能化に伴い、大電力・高能率インバーター等パワ
ー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、パワー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、
その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Ｎｉ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。

【０００４】このようなモジュールは、当初、簡単な工
作機械に使用されてきたが、ここ数年、溶接機、電車の
駆動部、電気自動車に使用されるようになり、より厳し
い環境下における耐久性と更なる小型化が要求されるよ
うになってきた。そこで、セラミックス基板に対して
も、電流密度を上げるための金属回路厚の増加、熱衝撃
等に対する耐久性の向上が要求され、それをセラミック
ス焼結体の新たな製造研究により対応している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来、汎用されている
回路基板は、アルミナ基板又は窒化アルミニウム基板に
銅回路を形成させてなるものであるが、更なるヒートサ
イクルに対する信頼性を向上させるため、最近では窒化
アルミニウム基板にアルミニウム回路を形成させたもの
も開発されている。

【０００６】このような回路基板の問題点は、セラミッ
クス基板と金属板の接合時における加熱・冷却ないしは
使用時のヒ−トサイクルによって熱応力が発生し、セラ
ミックス基板にクラックが発生したり、金属板が剥離し
たりして、耐ヒートサイクルに対する信頼性が十分でな
いということである。これを解消するため、従来より多
くの提案がなされている。例えば、表面の金属板の厚み
を裏面のそれよりも厚くする（特開平４−１９８０７０
号公報）、金属板端部を薄肉形状とする（特公平５−２
５３９７号公報）、金属板とセラミックス基板の接合部
に非接合部を形成する（実開平２−１４０８７００号公
報）、金属板外周縁部に溝又は孔を形成する（特開平８
−２５０８２３号公報、特開平８−２７４４２３号公
報）などである。

【０００７】このような提案によって、回路基板の信頼
性はかなり高められたが、電車の駆動部や電気自動車等
のインテリジェントパワーモジュールのように、超高信
頼性の要求される分野においてはまだ不十分である。本
発明は、上記に鑑みてなされたものであり、耐ヒートサ
イクル性に極めて優れた高信頼性の基板、特に電子部品
用基板を提供することを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、セ
ラミックス基板の一方の面に金属回路、他方の面に金属
放熱板が設けられてなるものであって、上記金属回路及
び／又は金属放熱板の断面において、底端部（１）を上
端部（２）よりも外方向に位置させ、しかも両端部を結
ぶ線（３）と上辺（４）とのなす角度θを１２０°以上
にしてなることを特徴とする基板である。また、本発明
は、この基板において、金属回路及び／又は金属放熱板
の外周縁面に、溝、窪み、凹凸、貫通孔等の不連続面を
形成させてなるものであり、特にこの不連続面の一部又
は全部を、金属回路及び／又は金属放熱板の外周縁面の
側部に形成させたものである。更に、本発明は、これら
のいずれかの基板において、セラミックス基板の材質が
窒化アルミニウム又は窒化ケイ素で、金属回路及び／又
は金属放熱板の材質が銅、銅合金、アルミニウム又はア
ルミニウム合金であり、それらは活性金属を含むろう材
により接合されてなるものであることを特徴とするもの
である。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、更に詳しく本発明を説明す
る。

【００１０】回路基板の金属回路部分には数百アンペ
ア、数千ボルトの高電圧、高電流が流れるため、現在、
銅回路が主として用いられている。しかし、使用時の環
境の変化や、スイッチングによる熱等によって熱衝撃を
繰り返して受けるため、銅とセラミックスの熱膨張差に
よる熱応力により、セラミックス基板の界面より銅回路
が剥離する問題が生じている。

【００１１】銅とセラミックスの間に発生する熱応力
は、銅とセラミックスとの接合状態とともに銅の物理的
性状に大きく依存している。銅の物理的性状としては、
銅回路のパターン形状、セラミックス基板に対するパタ
ーン面積、銅の厚み等であるが、パターン形状とパター
ン面積は使用目的によって自ずと決まるので、それを変
更して耐ヒートサイクル性を改善することはできない。
そこで、銅の表面形状とヒートサイクル性について更に
検討した結果、銅とセラミックスの接合界面に生じる熱
応力は、特に銅の側面形状に大きく依存していることを
見いだした。

【００１２】従来より行われている、金属板とセラミッ
クス基板との接合体から金属を化学薬品によりエッチン
グする金属回路の形成法においては、金属表面からエッ
チングされるため、その側面形状は金属上面と側面との
なす角が直角ではなく、側面がえぐり取られて鋭角とな
っており、また側面上端部と側面底端部の長さはほぼ等
しいものである。このような形状の回路基板に熱衝撃が
かかると、金属回路とセラミック基板の接合界面に大き
な熱応力が発生し金属回路が剥離する。

【００１３】本発明は、このような観点にたってなされ
たものであり、金属回路及び／又は金属放熱板の側面形
状を最適化し、ヒートサイクルに対する信頼性を著しく
向上させたものである。詳しくは、金属回路及び／又は
金属放熱板の断面において、底端部を上端部よりも外方
向に位置させ、しかも両端部を結ぶ線と上辺とのなす角
度を１２０°以上としたものである。言い換えれば、図
１は金属回路の側部における断面図であるが、その底端
部（１）と上端部（２）を結んだ仮の線（３）と、上辺
（４）とのなす角度θが１２０°以上となるように底端
部を上端部よりも外方向に位置させたものである。この
ような側面形状とするには化学研磨が有効であり、具体
的には後述のようにレジスト剥離後に行う酸処理時間や
そのやり方を工夫することによって行うことができる。
なお、金属回路及び金属放熱板のいずれにおいても、底
端部（１）を有する面はセラミックス基板面に接合され
る。

【００１４】本発明で使用されるセラミックス基板の材
質としては、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、アルミナ
等であるが、パワーモジュールには窒化アルミニウムが
適している。セラミックス基板の厚みとしては、厚すぎ
ると熱抵抗が大きくなり、薄すぎると耐久性がなくなる
ため、０．５〜０．８ｍｍ程度が好ましい。

【００１５】セラミックス基板の表面性状は重要であ
り、微少な欠陥や窪み等は、金属回路、金属放熱板ある
いはそれらの前駆体である金属板をセラミックス基板に
接合する際に悪影響を与えるため、平滑であることが望
ましい。従って、セラミックス基板は、ホーニング処理
や機械加工等による研磨処理が施されていることが好ま
しい。

【００１６】金属回路及び金属放熱板の材質は、銅、銅
合金、アルミニウム又はアルミニウム合金が一般的であ
り、それらの純度は９９．５％以上が好ましく、また厚
みは１００〜５００μｍであることが好ましい。

【００１７】セラミックス基板に金属回路及び／又は金
属放熱板を形成する方法としては、セラミックス基板と
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／又は金属放熱板のパターンを
セラミックス基板に接合する方法等によって行うことが
でき、これらの際における接合方法としては、活性金属
ろう付け法が用いられる。

【００１８】活性金属ろう付け法におけるろう材の金属
成分は、銅又銅合金を接合する場合は、銀を主成分と
し、溶融時のセラミックス基板との濡れ性を確保するた
めに活性金属を副成分とした銀ろうが使用される。ま
た、アルミニウム又はアルミニウム合金を接合する場合
は、例えば特開昭６０−１７７６３４号公報に記載され
ているように、アルミニウムとシリコンを主成分とし、
これに活性金属を副成分としたアルミニウム系ろう材が
使用される。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。

【００１９】本発明におけるこれらの比率としては、銀
ろうの場合、銀６０〜１００重量部銅４０〜０重量部の
合計量１００重量部あたり、活性金属１〜３０重量部で
ある。また、アルミニウム系ろう材の場合、アルミニウ
ム７０〜９５重量部、シリコン３０〜５重量部及び銅０
〜５重量部の合計量１００重量部あたり、活性金属１〜
３０重量部である。

【００２０】接合温度は、銀ろうを用いる場合は７８０
〜８３０℃が好ましく、アルミニウム系ろう材を用いる
場合は６００〜６４０℃が好ましい。また、保持時間
は、いずれも３〜３０分が望ましい。温度が低く、保持
時間が短すぎる場合には、接合が不十分となり、逆に高
温で保持時間が長すぎる場合には、金属板へのろう材成
分の拡散が多すぎて金属板が硬くなり、耐ヒートサイク
ル性が低下する。

【００２１】金属回路及び／又は金属放熱板の側面形状
を上記した角度で表現して１２０°以上とするには、セ
ラミックス基板に金属回路及び／又は金属放熱板を形成
させた後、化学研磨によって行うことが好ましい。角度
の調整は、化学研磨液の種類、処理時間等で行うことが
できる。その一例をあげると、金属が銅である場合、化
学研磨液は硫酸（５〜２０重量％）と過酸化水素（１０
〜３０重量％）を含む混酸水溶液が用いられ、研磨時間
は１〜３０分である。また、金属がアルミニウムである
場合は、過酸化水素１０〜３０重量％の水溶液を用い、
研磨時間を１〜３０分とする。

【００２２】本発明において、上記角度が１２０°未満
であると、熱応力の緩和効果は小さくなり、ヒートサイ
クルに対する信頼性を著しく向上させることはできな
い。好ましい上記角度は１４０°以上である。なお、本
発明において、上記角度が１２０°以上であれば、その
側辺（図１の符号５）は、何も直線形状に限られること
はなく、従来のように内側にえぐりとられた形状（内側
に凹の弧状：図１にはこの例が示されている）であって
もよく、また外側に膨らんだ形状（外側に凸の弧状）で
あってもよい。

【００２３】また、本発明において、金属回路及び／又
は金属放熱板の底端部を上端部よりも外方向に位置させ
ないと、これまた熱応力の緩和効果は小さくなる。両端
部の長さの差の好ましい値は、上記角度が１２０°以上
であることを考慮し、金属回路及び／又は金属放熱板の
厚みに対し０．２〜３倍である。

【００２４】更に、本発明においては、金属回路及び／
又は金属放熱板の外周縁面に、溝、窪み、凹凸、貫通孔
等の不連続面を形成させることによって更に熱応力を緩
和し、ヒートサイクルに対する信頼性を向上させること
ができる。特に、このような不連続面の一部又は全部
を、金属回路及び／又は金属放熱板の外周縁面の側部に
形成させることが好ましい。

【００２５】本発明において、外周縁面とは、金属回路
及び／又は金属放熱板の底面端部から中心方向に向かう
幅が、金属回路及び／又は金属放熱板の幅に対し３０％
までの面をいう。また、外周縁面の側部とは、外周縁面
の全部又は一部を構成している側壁の部分をいう。

【００２６】不連続面が溝、窪み、凹凸である場合、そ
の深さは金属回路及び／又は金属放熱板の厚みに対し３
０％以上であることが好ましい。溝の平面形状は幅０．
１〜０．５ｍｍ、長さ３〜１５ｍｍ、また窪み、貫通孔
の平面形状は直径０．１〜０．５ｍｍであることが好ま
しい。これらの溝、窪み、凹凸、貫通孔等の不連続面
は、その複数個を均等間隔で金属回路及び／又は金属放
熱板の外周縁面に設けることが好ましい。

【００２７】

【実施例】以下、本発明を実施例と比較例をあげて具体
的に説明する。

【００２８】実施例１ 重量割合で、銀粉末９０部、銅粉末１０部、水素化チタ
ン粉末３部、ジルコニウム粉末３部、テルピネオール１
５部を配合し、ポリイソブチルメタアクリレートのテル
ピネオール溶液を加えて混練し、ろう材ペーストを調製
した。このろう材ペーストを窒化アルミニウム基板（サ
イズ：６０ｍｍ×３６ｍｍ×０．６５ｍｍ 曲げ強さ：
４０ｋｇ／ｍｍ² 熱伝導率：１３５Ｗ／ｍＫ）の両面
にスクリーン印刷によって回路パターン状に塗布した。
その際の塗布量（乾燥後）は９ｍｇ／ｃｍ² である。

【００２９】次に、窒化アルミニウム基板の金属回路形
成面に５６ｍｍ×３２ｍｍ×０．３ｍｍの銅回路パター
ンを、また金属放熱板形成面に５６ｍｍ×３２ｍｍ×
０．１５ｍｍの銅放熱板のパターンを接触配置してか
ら、真空度１×１０^-5Ｔｏｒｒ以下の真空下、８３０℃
で３０分加熱した後、６００℃まで急冷し、その後２℃
／分の降温速度で冷却して回路基板を作製した。

【００３０】このようにして得られた回路基板の銅回路
及び銅放熱板の側面形状は、上記角度で表現して９０°
であり、また上端部と底端部の位置はほぼ等しいもので
あったので、これを超音波を照射しながら硫酸１０％と
過酸化水素２１％の混酸水溶液（常温）に表１に示す時
間浸漬し化学研磨を行った。その結果、回路基板の銅回
路及び銅放熱板の底端部は上端部よりも外方向に位置
し、上記角度は１５０°となった。また、側辺は内側に
５０μｍ程度えぐりとられた内側に凹の弧状となった。

【００３１】実施例２ 実施例１で作製された回路基板の銅回路及び銅放熱板の
外周縁面にエッチングレジストを塗布し、塩化第２銅溶
液でエッチングして複数個の独立溝を形成させた。独立
溝は、長さ１０ｍｍ×幅０．２ｍｍ×深さ０．１２ｍｍ
であり、それらをその中心が側面底端部から０．４ｍｍ
となる位置に、２ｍｍの間隔を設けて（すなわち、溝の
中心間距離を１２ｍｍとして）外周縁面に均等に形成さ
せた。

【００３２】実施例３ 実施例２と同様のエッチング法によって、実施例１で作
製された回路基板の銅回路及び銅放熱板の外周縁面に貫
通孔を形成させた。貫通孔は、直径０．３ｍｍであり、
それらをその中心が側面底端部から０．４５ｍｍとなる
位置に、０．１ｍｍの間隔を設けて（すなわち、貫通孔
の中心間距離を０．４ｍｍとして）外周縁面に均等に形
成させた。

【００３３】実施例４〜５ 実施例１において、化学研磨処理時間を５分とし、上記
角度が１２５°の回路基板としたこと以外は、実施例２
又は３と同様にして独立溝付き又は貫通孔付きの回路基
板を作製した。

【００３４】比較例１ 化学研磨を行わなかったこと以外は、実施例１と同様に
して回路基板を作製した。この回路基板の上記角度は９
０°である。

【００３５】比較例２ 化学研磨処理時間を短くしたこと以外は、実施例１と同
様にして回路基板を作製した。得られた回路基板の上記
角度は１１０°である。

【００３６】これら一連の処理を経て製作された回路基
板について、空気中、−４０℃×１５分、２５℃×１５
分、１２５℃×１０分、２５℃×１５分を１サイクルと
するヒートサイクル試験を行い、銅回路又は銅放熱板が
剥離するサイクル数を測定した。それらの結果を表１に
示す。

【００３７】

【表１】

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、耐ヒートサイクル性に
優れ、高信頼性の極めて高い基板（回路基板、放熱基板
等の電子部品用基板など）が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】 金属回路の側部における断面図である。

【符号の説明】 １ 底端部 ２ 上端部 ３ 底端部と上端部を結ぶ仮の線 ４ 上端部を有する上辺 ５ 金属回路の側辺 θ 底端部と上端部を結ぶ仮の線と、上辺とのなす角度

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 寺野 克典 福岡県大牟田市新開町１ 電気化学工業株 式会社大牟田工場内 (72)発明者 辻村 好彦 福岡県大牟田市新開町１ 電気化学工業株 式会社大牟田工場内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミックス基板の一方の面に金属回
   路、他方の面に金属放熱板が設けられてなるものであっ
   て、上記金属回路及び／又は金属放熱板の断面におい
   て、底端部（１）を上端部（２）よりも外方向に位置さ
   せ、しかも両端部を結ぶ線（３）と上辺（４）とのなす
   角度θを１２０°以上にしてなることを特徴とする基
   板。
2. 【請求項２】 金属回路及び／又は金属放熱板の外周縁
   面に、溝、窪み、凹凸、貫通孔等の不連続面を形成させ
   てなるものであることを特徴とする請求項１記載の基
   板。
3. 【請求項３】 不連続面の一部又は全部を、金属回路及
   び／又は金属放熱板の外周縁面の側部に形成させたもの
   であることを特徴とする請求項２記載の基板。
4. 【請求項４】 セラミックス基板の材質が窒化アルミニ
   ウム又は窒化ケイ素で、金属回路及び／又は金属放熱板
   の材質が銅、銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合
   金であり、それらは活性金属を含むろう材により接合さ
   れてなるものであることを特徴とする請求項１〜３のい
   ずれかに記載の基板。