回路基板
【課題】耐ヒートサイクル性に優れた高信頼性の回路基板を提供すること。
【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、金属回路及び／又は金属放熱板が異なる３種以上の金属が層状に重なったクラッド箔であることを特徴とする回路基板である。更に、この回路基板において、セラミックス基板の材質が窒化アルミニウムであり、金属回路及び／又は金属放熱板が窒化アルミニウム基板側からアルミニウム、チタニウム、銅の順で層状に重なったクラッド箔であることを特徴とする回路基板。
【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、金属回路及び／又は金属放熱板が異なる３種以上の金属が層状に重なったクラッド箔であることを特徴とする回路基板である。更に、この回路基板において、セラミックス基板の材質が窒化アルミニウムであり、金属回路及び／又は金属放熱板が窒化アルミニウム基板側からアルミニウム、チタニウム、銅の順で層状に重なったクラッド箔であることを特徴とする回路基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、セラミックス基板に金属回路と金属放熱板とが設けられてなる回路基板の改良に関するものであって、回路基板の信頼性を向上することを目的とするものである。本発明の回路基板は、電子部品のパワーモジュール等の組立に好適なものである。
【０００２】
【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。
【０００３】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、より厳しい環境条件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、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。
【０００４】
【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構造のものであるが、更なる耐ヒートサイクル性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が開発されている。しかしながら、アルミニウムは電流密度等の電気的特性が銅よりも劣るので、そのような回路基板は広く普及されるまでには至っていない。
【０００５】本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的は耐ヒートサイクル性に優れた高信頼性の回路基板を提供することである。
【０００６】
【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、金属回路及び／又は金属放熱板が異なる３種以上の金属が層状に重なったクラッド箔であることを特徴とする回路基板である。更に、本発明は、この回路基板において、セラミックス基板の材質が窒化アルミニウムであり、金属回路及び／又は金属放熱板が窒化アルミニウム基板側からアルミニウム、チタニウム、銅の順で層状に重なったクラッド箔であることを特徴とするものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】更に詳しく本発明について説明すると、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た。
【０００８】銅とセラミックスの熱膨張差による熱応力は、熱膨張率だけではなく、その金属自体が持つ機械的性質、主に引張強度や耐力でその大きさが決まる。したがって、熱応力を軽減させるには、銅よりも引張強度や耐力の小さい金属を用いればよいが、そのような特性を持ち、しかも銅と同程度の電気的特性を有する金属は、今のところ現存しない。
【０００９】そこで、本発明者らは、種々検討した結果、引張強度や耐力が小さい金属ａをセラミックス基板と接合する面に配置することによって、金属ａとセラミックス間の熱膨張差による熱応力を低減させ、その上に電気的特性の良好な金属ｂを重ね合わせるが、その際に、セラミックスと金属の接合時の熱によって金属ａと金属ｂとが反応、拡散しあわないように、金属ａと金属ｂとの間に金属ｃを介在さて金属回路を形成すればよいことを見いだしたものである。
【００１０】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。
【００１１】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。
【００１２】金属回路及び金属放熱板を形成するクラッド箔の材質は、引張強度や耐力が小さく、セラミックスとの熱膨張差による熱応力を低減する役割を持つ金属ａとしては、アルミニウム、鉛、白金等が好ましく、中でもアルミニウムが特に好ましい。また、電気的特性の良好な金属ｂとしては、銅、銀、金、アルミニウム等が好ましく、中でも銅が特に好ましい。金属ｃとしては、チタン、ジルコニウム、モリブデン、タングステン等が好ましいが、特に好適な金属は、金属ａと金属ｂとの共晶点温度や反応性によって選択する。場合によっては、金属ｃの部分はチタンとジルコニウムからなる構造であっても良い。
【００１３】クラッド箔を構成するそれぞれの金属の厚みは、金属ａが３０〜２００μｍ、金属ｂが１００〜５００μｍ、金属ｃが５〜３０μｍであることが好ましい。
【００１４】セラミックス基板にクラッド箔の回路及び／又は放熱板を形成する方法としては、セラミックス基板とクラッド箔との接合体をエッチングする方法、クラッド箔から打ち抜かれた回路及び／又は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好ましい。
【００１５】活性金属ろう付け法については、例えば特開昭６０−１７７６３４号公報に記載されている。活性金属ろう付け法におけるろう材の金属成分は、アルミニウムとシリコンを主成分とし、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ものが好ましい。活性金属成分は、セラミックス基板と反応して酸化物や窒化物を生成し、ろう材とセラミックス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。本発明におけるこれらの比率としては、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。接合温度は、５６０〜６４０℃が望ましい。
【００１６】
【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。
【００１７】実施例１〜１０表１に示したろう材組成１００重量部にテルピネオール１５部を配合し、ポリイソブチルメタアクリレートのトルエン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３ｍｇ／ｃｍ2 とした。
【００１８】次に、窒化アルミニウム基板の両面に、表１に示した各種クラッド箔（５６ｍｍ×３２ｍｍ×０．３ｍｍ）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、６２０℃で３０分加熱した後、２℃／分の降温速度で冷却して回路基板を製造した。
【００１９】比較例１重量割合で、銀粉末９０部、銅粉末１０部、ジルコニウム粉末３部、チタン粉末３部及びテルピネオール１５部を配合し、ポリイソブチルメタアクリレートのトルエン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実施例１と同様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 とした。
【００２０】次に、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、２℃／分の降温速度で冷却して回路基板を製造した。
【００２１】これら一連の処理を経て製作された回路基板について、気中、−４０℃×３０分保持後、２５℃×１０分間放置を１サイクルとするヒートサイクル試験を行い、金属回路又は金属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。
【００２２】
【表１】
【００２３】
【発明の効果】本発明によれば、耐ヒートサイクル性に優れた高信頼性の回路基板が提供される。
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、セラミックス基板に金属回路と金属放熱板とが設けられてなる回路基板の改良に関するものであって、回路基板の信頼性を向上することを目的とするものである。本発明の回路基板は、電子部品のパワーモジュール等の組立に好適なものである。
【０００２】
【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。
【０００３】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、より厳しい環境条件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、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。
【０００４】
【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構造のものであるが、更なる耐ヒートサイクル性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が開発されている。しかしながら、アルミニウムは電流密度等の電気的特性が銅よりも劣るので、そのような回路基板は広く普及されるまでには至っていない。
【０００５】本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的は耐ヒートサイクル性に優れた高信頼性の回路基板を提供することである。
【０００６】
【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、金属回路及び／又は金属放熱板が異なる３種以上の金属が層状に重なったクラッド箔であることを特徴とする回路基板である。更に、本発明は、この回路基板において、セラミックス基板の材質が窒化アルミニウムであり、金属回路及び／又は金属放熱板が窒化アルミニウム基板側からアルミニウム、チタニウム、銅の順で層状に重なったクラッド箔であることを特徴とするものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】更に詳しく本発明について説明すると、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た。
【０００８】銅とセラミックスの熱膨張差による熱応力は、熱膨張率だけではなく、その金属自体が持つ機械的性質、主に引張強度や耐力でその大きさが決まる。したがって、熱応力を軽減させるには、銅よりも引張強度や耐力の小さい金属を用いればよいが、そのような特性を持ち、しかも銅と同程度の電気的特性を有する金属は、今のところ現存しない。
【０００９】そこで、本発明者らは、種々検討した結果、引張強度や耐力が小さい金属ａをセラミックス基板と接合する面に配置することによって、金属ａとセラミックス間の熱膨張差による熱応力を低減させ、その上に電気的特性の良好な金属ｂを重ね合わせるが、その際に、セラミックスと金属の接合時の熱によって金属ａと金属ｂとが反応、拡散しあわないように、金属ａと金属ｂとの間に金属ｃを介在さて金属回路を形成すればよいことを見いだしたものである。
【００１０】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。
【００１１】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。
【００１２】金属回路及び金属放熱板を形成するクラッド箔の材質は、引張強度や耐力が小さく、セラミックスとの熱膨張差による熱応力を低減する役割を持つ金属ａとしては、アルミニウム、鉛、白金等が好ましく、中でもアルミニウムが特に好ましい。また、電気的特性の良好な金属ｂとしては、銅、銀、金、アルミニウム等が好ましく、中でも銅が特に好ましい。金属ｃとしては、チタン、ジルコニウム、モリブデン、タングステン等が好ましいが、特に好適な金属は、金属ａと金属ｂとの共晶点温度や反応性によって選択する。場合によっては、金属ｃの部分はチタンとジルコニウムからなる構造であっても良い。
【００１３】クラッド箔を構成するそれぞれの金属の厚みは、金属ａが３０〜２００μｍ、金属ｂが１００〜５００μｍ、金属ｃが５〜３０μｍであることが好ましい。
【００１４】セラミックス基板にクラッド箔の回路及び／又は放熱板を形成する方法としては、セラミックス基板とクラッド箔との接合体をエッチングする方法、クラッド箔から打ち抜かれた回路及び／又は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好ましい。
【００１５】活性金属ろう付け法については、例えば特開昭６０−１７７６３４号公報に記載されている。活性金属ろう付け法におけるろう材の金属成分は、アルミニウムとシリコンを主成分とし、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ものが好ましい。活性金属成分は、セラミックス基板と反応して酸化物や窒化物を生成し、ろう材とセラミックス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。本発明におけるこれらの比率としては、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。接合温度は、５６０〜６４０℃が望ましい。
【００１６】
【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。
【００１７】実施例１〜１０表１に示したろう材組成１００重量部にテルピネオール１５部を配合し、ポリイソブチルメタアクリレートのトルエン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３ｍｇ／ｃｍ2 とした。
【００１８】次に、窒化アルミニウム基板の両面に、表１に示した各種クラッド箔（５６ｍｍ×３２ｍｍ×０．３ｍｍ）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、６２０℃で３０分加熱した後、２℃／分の降温速度で冷却して回路基板を製造した。
【００１９】比較例１重量割合で、銀粉末９０部、銅粉末１０部、ジルコニウム粉末３部、チタン粉末３部及びテルピネオール１５部を配合し、ポリイソブチルメタアクリレートのトルエン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実施例１と同様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 とした。
【００２０】次に、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、２℃／分の降温速度で冷却して回路基板を製造した。
【００２１】これら一連の処理を経て製作された回路基板について、気中、−４０℃×３０分保持後、２５℃×１０分間放置を１サイクルとするヒートサイクル試験を行い、金属回路又は金属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。
【００２２】
【表１】
【００２３】
【発明の効果】本発明によれば、耐ヒートサイクル性に優れた高信頼性の回路基板が提供される。
【特許請求の範囲】
【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、金属回路及び／又は金属放熱板が異なる３種以上の金属が層状に重なったクラッド箔であることを特徴とする回路基板。
【請求項２】 セラミックス基板の材質が窒化アルミニウムであり、金属回路及び／又は金属放熱板が窒化アルミニウム基板側からアルミニウム、チタニウム、銅の順で層状に重なったクラッド箔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、金属回路及び／又は金属放熱板が異なる３種以上の金属が層状に重なったクラッド箔であることを特徴とする回路基板。
【請求項２】 セラミックス基板の材質が窒化アルミニウムであり、金属回路及び／又は金属放熱板が窒化アルミニウム基板側からアルミニウム、チタニウム、銅の順で層状に重なったクラッド箔であることを特徴とする請求項１記載の回路基板。
【公開番号】特開平１１−９７８０７
【公開日】平成１１年（１９９９）４月９日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平９−２５３０７６
【出願日】平成９年（１９９７）９月１８日
【出願人】（０００００３２９６）電気化学工業株式会社 (1,539)
【公開日】平成１１年（１９９９）４月９日
【国際特許分類】
【出願日】平成９年（１９９７）９月１８日
【出願人】（０００００３２９６）電気化学工業株式会社 (1,539)
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