JP4640633B2 - セラミックス回路基板およびパワーモジュール - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子を実装するのに用いられるセラミックス回路基板及びこの回路基板を用いたパワーモジュールに関する。

現在の自動車、鉄道車輌、エレベータ、産業機器、ロボット、空調機器などには、トランジスタ、ＣＰＵ、ＩＧＢＴなどの半導体素子を搭載した回路基板をヒートシンクなどに直接或いは共通板を介して接合したパワーモジュールが多く用いられている。このような半導体素子は大きな電流を流すことができるが、発生した熱が半導体素子そのものを破壊する場合があり、回路基板としては、電気絶縁性と熱伝導性に優れた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミックス基板を用い、その表面に銅、アルミニウム等の金属回路板を接合し、裏面に銅等の高熱伝導体からなる金属板を接合したセラミックス回路基板が用られている。また、セラミックス回路基板は、熱サイクルを受けてもヒートシンク或いは共通板等他部材面と密接していなければならない。この接合は、セラミックス回路基板の裏面金属板と他部材間をろう接することで行なわれてきたが、最近では、さらに接合の信頼性を高めるために、セラミックス回路基板に貫通穴を形成し、これを利用してネジで締結する方法も用いられるようになっている。

上記ネジ締結型セラミックス回路基板のセラミックス基板にはネジを通すための貫通穴が形成されているが、他部材へネジ締めする時の締め付け力が大きくなると、セラミックス基板とネジ座面との接触部分、特にセラミックス基板の貫通穴周辺部分にクラックが入ってしまうという問題があった。この問題を解決するためのセラミックス回路基板として、例えば特許文献１に開示されたものがある。このセラミックス回路基板は、図５に示すように、セラミックス基板１１の表裏両主面に金属板１４が接合されたセラミックス回路基板において、セラミックス基板１１は両主面を繋ぐ貫通穴１２を有し、少なくとも一つの貫通穴の少なくともネジ頭部側の端部に、前記貫通穴１２と同径の貫通穴を有する補強部材１３が具備されたものである。補強部材１３を設けることで、貫通穴１２を起点とするクラックの発生が抑制することができ、このような補強部材１３としては、金属材料および樹脂材料を使用することができ、その形成範囲がネジの頭部と同等の大きさから２ｍｍ程度大きく、厚さは０．１ｍｍ〜０．３ｍｍとすることが好ましい、とされている。また、このセラミックス回路基板の貫通穴１２を利用して固定する方法としては、ネジ溝を利用したボルト方式に限らず、ネジ溝のないピン等を使用し、先端をかしめたり、ろう材や接着材で固定してもよい、と説明されている。

特開２００３−１９７８２４号公報（段落番号００１０、００２３〜００２４）

特許文献１における補強部材１３は、その座面の面積をネジ頭部の座面面積より大きくしたものであり、セラミックス基板１１に作用する圧縮力やせん断力を小さくすることによりクラックの発生を抑制しようとするものであり、実施例には補強部材１３がある場合とない場合とで不良発生率に差があることが示されている。しかし、この実施例においては、貫通穴は１ｍｍであると説明されており、ネジ止め時の締め付け力は小さいと思われるが、依然として不良が生じていることが示されている。セラミックス回路基板は熱サイクルを受けても他部材と密接していなければならないが、１ｍｍ程度のネジでは締結力が不十分であり、５ｍｍ程度以上のネジを用いることが望ましい。この点で、大きなネジを用いてより大きな締め付け力を付与すると、不良率が高くなることが予想される。また、補強部材１３は、ネジ頭部側の貫通穴１２の端部に設ければよく、裏側の金属板１４は貫通穴１２を覆わないサイズでもよいと説明されているが、裏側貫通穴部が裏金属板１４で支持されている場合と支持されていない場合では、前者では貫通穴部には圧縮荷重だけが作用するのに対し、後者では曲げ荷重も作用するため、後者の方が小さい締め付け力で破壊する。さらに、ピン等を用いて締め付け力を付与せずに固定するのでは補強部材を設けた意味がない。このように、補強部材を設けるにしてもこのセラミックス回路基板の構造には問題がある。

本発明は、セラミックス回路基板を他部材に強固にネジ締結することができ、かつ貫通孔周辺部分にクラックが発生することを抑制することができるセラミックス回路基板を提供することを目的としている。

本発明のセラミックス回路基板は、セラミックス基板の表裏面に金属板が固着されたセラミックス回路基板において、表裏面金属板とセラミックス基板には、セラミックス回路基板を他部材に締結するためのネジを通す貫通穴が形成されており、表裏面金属板の貫通穴の直径ａとセラミックス基板の貫通穴の直径ｂは、１＞ｂ／ａ≧０．５の関係にあることを特徴としている。
前記本発明のセラミックス回路基板においては、表面金属板は、電気の流路をなす回路部と該回路部とは電気的に切り離された非回路部が形成されており、該非回路部に貫通穴が形成された構成とするとよい。
また、前記本発明のセラミックス回路基板は、表裏面金属板の貫通穴の直径ａとセラミックス基板の貫通穴の直径ｂと締結するネジの呼称サイズｄは、ａ＞ｂでかつ２．２ｄ≧ａ＞１．０３ｄの関係にあるようにすることが好ましい。
また、前記本発明のセラミックス回路基板は、表裏面金属板の貫通穴はエッチングで形成されていることが望ましい。
また、前記本発明のセラミックス回路基板は、セラミックス基板が窒化ケイ素を主成分とする焼結体からなるものであることが好ましい。
本発明のパワーモジュールは、前記いずれかのセラミックス回路基板を用い、表面金属板の回路部に半導体素子を接合し、裏面金属をヒートシンクに当接し、貫通穴を介してヒートシンクにネジ締結されたことを特徴としている。

本発明のセラミックス回路基板によれば、ネジ締め力はセラミックス基板の貫通穴エッジ部より離れた位置から外側に存する金属板を介してセラミックス基板に伝達されるので、貫通穴エッジ部に生ずる応力は小さくなり、クラックの発生を抑制することができる。また、ネジ締め部を回路部として用いる金属板にも設けることができるので、ネジ締め部を増やしたり小さなピッチで締結することができるので、強固にネジ締結することができる。

まず、本発明のセラミックス回路基板について説明する。
図１は本発明のセラミックス回路基板の一例を示した外観図であり、図３は本発明のセラミックス回路基板の貫通穴部の断面図である。セラミックス回路基板１は、セラミックス基板２とその表裏面に接合された金属板３、４を備え、セラミックス基板２と金属板３、４とは、直接接合法、ろう材接合法または接着剤で接合されている。セラミックス回路基板１は、所定の位置に表面金属板３、セラミックス基板２、裏面金属板４の三部材を貫いたネジ締め用貫通穴部５を有しているが、表裏金属板３、４とセラミックス基板２に形成された貫通穴直径は異なっている。

（実施の形態１）
表面金属板３には、半導体素子（図示せず）が搭載される回路や半導体素子への電力供給もしくは電気信号を授受するための回路などからなる回路部３１が形成されている。裏面金属板４はヒートシンクなど別部材との接合部材であり回路は形成されていない。表面金属板３には導電性の優れた金属を、裏面金属板４には熱伝導の優れた金属を使用するが、銅、アルミニウムまたはその合金或いはクラッド材はどちらの面にも使用することができて好ましい。セラミックス基板（以降、基板と略す）２としては特に限定されるものではなく、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）基板や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板や窒化ケイ素基板（Ｓｉ_３Ｎ_４）を用いることができる。ネジ締結仕様の基板としては機械的強度に優れている窒化ケイ素基板が望ましく、厚さは熱伝導性面からは薄い方がよいが、薄すぎるとネジ締め時に破損する恐れがあるので０．２ｍｍ〜０．８ｍｍ程度がよい。

表面金属板３は、前記回路部３１の他に電気回路としては用いない非回路部３２を有している。非回路部３２は、表面金属板３に回路部３１を形成する際に、回路部３１とは分離して形成した表面金属板３の一部で、この非回路部３２に図３に示す直径ａの貫通穴５３が形成されている。裏面金属４は熱伝導面からはベタ状とするとよいが、セラミックス回路基板１の反りを抑制するために表面金属板３のパターンに応じた適宜なパターンが形成されていてもよい。そして、表面金属板３に形成された貫通穴５３とほぼ同心位置に、ほぼ同一直径ａの貫通穴５４が形成されている。基板２には、表面金属板３に形成された貫通穴５３とほぼ同心位置に、該貫通穴５３の直径ａより小さな直径ｂの貫通穴５２が形成されている。

セラミックス回路基板１は、図４に示すように、呼び径ｄのネジ６を表面金属板３側から挿入してヒートシンク８にネジ締結される。ネジ締めに当っては、ネジ座面と表面金属板３間にネジ頭部の外径より大きな外径を有した間座７を装着し、貫通穴５３回りの表面金属板３にネジ締め力をネジ頭部径以上の範囲で伝達するようにする。間座７は、金属或いはセラミックスなどの材質を用いることができ、外形は円状或いは矩形状等特に限定はされないが相当直径がネジの外径ｄの２倍程度とし、中心部には基板２の貫通穴直径ｂ程度の貫通穴が形成されているとよい。厚さは、ネジ頭部からの圧縮力をできるだけ均等に表面金属板３に伝達できるよう、ネジ６の大きさや間座材質や表面金属板の貫通穴直径ａなどを考慮して決めるが、１ｍｍ以上あることが望ましい。

これにより、締結時の締め付け力は、ネジ座面から間座７を介して表面金属板３を伝わって基板２の表側に伝達され、ヒートシンク８側からは裏面金属板４を伝わって基板２の裏側に伝達されるが、表面金属板３の貫通穴５３及び裏面金属板４の貫通穴５４の直径ａが基板２の貫通穴５２の直径ｂより大きくなるように形成しているので、基板２の貫通穴５２のエッジ部２４には伝わらないか、小さな力しか伝わらない。さらに、表面金属板３及び裏面金属板４に伝達されたネジ締め力を広く分散して基板２に小さな面圧で伝えるのが望ましく、このためには表面金属板３及び裏面金属板４は厚くすることが好ましいが、金属とセラミックスの熱膨張の差で基板２にクラックが生じないよう、０．２ｍｍ〜１ｍｍ程度とするとよい。このようにすることで、ネジ６の締め付け力は基板２の貫通穴５２のエッジ部２４にはほとんど伝わらないので、エッジ部２４にクラックが入るのを防止することができる。また、表裏金属板３、４から基板２に作用する面圧も小さくなるので、エッジ部２４だけでなくその外周面におけるクラックの発生も抑制することができる。

（実施の形態２）
本実施の形態２は、締結箇所を増やして強固に接合する場合や、構造的に非回路部が充分に形成できないような場合において、表面金属板３の回路部３１を貫いてネジ締めを行なうような形態である。その実施例を図２に示す。図２のセラミックス回路基板１の金属板３は、素子を実装する３１ａ部と、ボンディングワイヤーにより３１ａまたは外部端子と接続される３１ｂ、３１ｃにより構成されている。このように金属板３全てが電気回路として働く場合、図１の非回路部３２に相当する個所は無く、必然的に回路部にネジ締結用の貫通穴を形成せざるを得ない。ただしこの場合、当然のことながら、ネジもしくは、ネジおよび間座と回路部３１（３１ａ、３１ｂ、３１ｃ）との絶縁は必要となる。また、貫通穴を４隅に設ける構造が一般的ではあるが、回路部３１の形状によっては貫通穴を設けるスペースが十分に確保できない場合も考えられる。その場合、セラミックス回路基板の４隅以外に貫通穴を設けたり、使用するネジ径を部分的に変更して使用することも可能である。中でも特に回路基板１の４隅と回路基板１の中央の両方に貫通穴を設けた場合、モジュールにセラミックス回路基板１を固着した際の回路基板１の反り量を低減でき、回路基板の放熱性も改善できるメリットもある。これ以外にも前述した図１に示したセラミックス回路基板１のように、非回路部３２と回路部３１が混在する場合、表面金属板３の貫通穴５３は、非回路部３２と回路部３１の両方に形成されてもよいし、回路部３１のみに形成されてもよい。後者の場合、表面金属板３は非回路部３２を有しない構成をとることも可能である。いずれの場合であっても、表面金属板３の貫通穴直径ａを基板２の貫通穴直径ｂより大きく形成する点では実施の形態１と同様である。

本実施の形態２（図２）では、前述したように回路部３１（３１ａ、３１ｂ、３１ｃ）におけるネジ締め部では、例えば該回路３１ａが他の回路（３１ｂ、３１ｃ）と電気的にショートしないよう絶縁されなければならない。このためには、該回路３１ａの電気が間座７を通じてネジ６に伝わらないようにすればよく、非導電性セラミックス製の間座７を用いたり、金属製の間座を用いても、さらに表面金属板３との間にセラミックス、樹脂又はゴムなどの絶縁材を装着するとよい。しかし、回路３１ａの電気を間座７を通じてネジ６に伝わらないようにしても、回路３１ａに形成された貫通穴５３の側面とネジ６の側面との隙間空間で絶縁が破壊されてはならない（図４参照）。この点、本セラミックス回路基板１は、回路部３１に形成する貫通穴の直径ａを基板２の貫通穴直径ｂより大きくしているので、ネジとの間隙は（ａ−ｄ）／2＞（ｂ−ｄ）／2となり、回路部貫通穴直径ａと基板貫通穴直径ｂが同一寸法のものに比べて、回路部貫通穴側面とネジ側面との距離が長くなり、絶縁破壊の防止に有効である。

さらに、基板２の厚さが薄くなり回路部３１と裏面金属板４との間隔が狭くなっても、貫通穴部５で回路３１ａと裏面金属板４間の絶縁が破壊されてはならない。この点でも、本セラミックス回路基板１は、表裏金属板貫通穴直径ａと基板貫通穴直径ｂが同一寸法のものに比べて、基板２が貫通穴部５内で両金属板３、４より内径方向に突出しているので、突出長さの２倍分、絶縁距離が長くなり、絶縁破壊の防止に有効である。

本発明のセラミックス回路基板のクラック発生防止面での有効性を確認するため、窒化ケイ素を主成分とするセラミックス基板を用いた試料を作成してネジ締めし、その時のクラックの発生状況を調べた。試料は次の様にして作成した。窒化ケイ素を主成分とするセラミックス粉末を焼結助剤および粘結助剤と混合して一辺が約１００ｍｍの正方形状グリーンシートとし、脱脂処理および焼結を行ってセラミックス基板（基板と略す）とした後、所定直径の貫通穴を２０mmピッチでレーザー加工した。基板は、０．３２ｍｍと０．６３ｍｍの２種類の厚さのものを作製した。次いで、基板の表裏面全面に厚さ０．３ｍｍの銅板を活性金属材でろう接した。ろう接後、表裏面銅板に、基板貫通穴と同心で表裏面とも同一直径となるような貫通穴をエッチングで形成した。その後、一辺２０ｍｍの正方形に切断し、三つの部材を貫いた貫通穴部を中央部に有する試料を作製した。

締め付けテストは、試料を、タップ穴を有し上面を研磨仕上げされた鉄板にネジ頭部と表面銅板の間にステンレス製の平座金を介して締め付けて行なった。ネジはＭ５、Ｍ６、Ｍ８の３種類を用いた。同一ネジによる締め付けは、試料に所定の同じ締め付け力が作用するようトルクレンチを用いた。しかし、トルクを制御してもネジ面、座面等摺動部材間の摩擦抵抗の違いで各試料に同じ締め付け力が付与されるとは限らないため、締め付けトルクを変えてテストした。表１、２、３に、主として表裏面銅板の貫通穴直径を種々変えた時のテストデータを示す。共通仕様として、基板の貫通穴直径は、Ｍ５、Ｍ６、Ｍ８のネジに対して各々５．２ｍｍ、６．３ｍｍ、８．３ｍｍとした。座金は、基本的には使用するネジの大きさに対応するＪＩＳ並形Ａのステンレス製のものを使用したが、銅板穴径が大きくて使用できない場合は適宜な寸法のものを製作して用いた。

表１は、Ｍ５のネジで締め付けた場合で、締め付けトルクを３、５、７Ｎ・ｍと違えても、表面銅板穴径ａと基板穴径ｂとの比ｂ／ａが１より小さくなると、締結時には基板の貫通穴エッジ部に割れやクラックは発生していないことがわかる。なお、表１からもわかるように、ｂ／ａが１以上の試料において、締め付けトルクが大きい場合は小さい場合より不良数が多くなっており、当然ながら締め付けは基板の強度に応じた適切な力で行なう必要があることがわかる。

表２、３は、それぞれＭ６、Ｍ８のネジで締め付けた場合である。ネジの大きさが変ることにより表面銅板の穴径ａ及び基板の穴径ｂの寸法を変えたが、ｂ／ａ値と欠陥発生の関係は表１の結果と同様であると言える。また、基板の厚さを変えたり、締め付けトルクを変えたりした場合でも、ほぼ同様であると言える。テストＮｏ．３９及び６７でｂ／ａが約０．９５のものに不良が各１個づつ発生したが、テストに用いた基板の破壊強度に対して締め付けトルクが過大で適切でなかったためと思われる。

以上、上記結果によれば、ネジ締め付け時における基板の貫通穴エッジ部の破損防止には、ｂ／ａを１より小さくすることが好ましく、さらに０．８以下とすることが望ましいことがわかる。しかし、０．５程度以下になると銅板の穴径が大きくなり、市販の平座金では銅板を押し付けることができなくなるので新規に製作しなければならない。また、その外径も大きくなって占有面積が大きくなり、高密度実装には不都合なため、ｂ／ａは０．５以上とすることが望ましい。これを、用いるネジの呼称寸法ｄの関係で見ると、２．２ｄ≧ａ＞１．０３ｄと表すことができ、少なくともＭ５〜Ｍ８の範囲のネジに対しては適用することができる。

回路部にネジ締め部が設けられる場合、本発明のセラミックス回路基板の絶縁面での有効性を確認するため、耐圧テストを行なった。テストには上記実施例１において、Ｍ５ネジ締め用に作成した試料を用い、貫通穴部の絶縁性を評価するため、表裏面の銅板は貫通穴中心から直径１０ｍｍの範囲を残して他の部分はエッチングで除去した。即ち、本試料は、２０ｍｍ角の正方形基板の両面に貫通穴を中心とした直径１０ｍｍの銅板が接合された形状であり、ネジ締めは行なわず表面銅板と裏面銅板間に電圧を印加してテストを行なった。基板の板厚は０．３２ｍｍと０．６４ｍｍの２種類とし、電圧は板厚０．３２ｍｍには２ＫＶを、０．６４ｍｍには４ＫＶの電圧を、それぞれ１分間印加した。また、ヒートサイクル前後でもテストした。表４にテスト結果を示す。

表４によれば、実施例１で好ましいとしたｂ／ａが１より小さい試料では、耐圧テストでも不良は生じていないのに対し、ｂ／ａ値が１以上、即ち基板の貫通穴側面が表裏銅板の貫通穴側面と同一か、表裏銅板の貫通穴側面から引っ込んでいる試料では、絶縁耐圧不良が多く発生していることがわかる。

以上、本発明のセラミックス回路基板について説明したが、このセラミックス回路基板を用い、その回路部に半導体素子を搭載してヒートシンクに直接ネジ接合すると、小型で熱伝達性の良好なパワーモジュールとして提供することができる。

本発明のセラミックス回路基板の一例を示す外形略図 本発明のセラミックス回路基板の他の例を示す外形略図 本発明のセラミックス回路基板の貫通穴部を示す断面図 本発明のセラミックス回路基板のネジ締結状態を示す断面図 特許文献１に示された従来のセラミックス回路基板の断面図

符号の説明

１…本発明のセラミックス回路基板、 ２…セラミックス基板、 ３…表面金属板、
４…裏面金属板、 ５…貫通穴部、 ６…ネジ、 ７…間座、 ８…ヒートシンク、
５２…セラミックス回路基板の貫通穴、 ５３…表面金属板の貫通穴、
５４…裏面金属板の貫通穴、

Claims (6)

1. セラミックス基板の表裏面に金属板が固着されたセラミックス回路基板において、表裏面金属板とセラミックス基板には、セラミックス回路基板を他部材に締結するためのネジを通す貫通穴が形成されており、表裏面金属板の貫通穴の直径ａとセラミックス基板の貫通穴の直径ｂは、１＞ｂ／ａ≧０．５の関係にあることを特徴とするセラミックス回路基板。
2. 表面金属板は、電気の流路をなす回路部と該回路部とは電気的に切り離された非回路部が形成されており、該非回路部に貫通穴が形成されている請求項１記載のセラミックス回路基板。
3. 表裏面金属板の貫通穴の直径ａとセラミックス基板の貫通穴の直径ｂと締結するネジの呼称サイズｄは、ａ＞ｂでかつ２．２ｄ≧ａ＞１．０３ｄの関係にある請求項１又は２記載のセラミックス回路基板。
4. 表裏面金属板の貫通穴はエッチングで形成されている請求項１〜３の何れかに記載のセラミックス回路基板。
5. 前記セラミックス基板は、窒化ケイ素を主成分とする焼結体からなる請求項１乃至４のいずれかに記載のセラミックス回路基板。
6. 請求項１乃至５のいずれかのセラミックス回路基板を用い、表面金属板の回路部に半導体素子を搭載し、裏面金属をヒートシンクに当接し、貫通穴を介してヒートシンクにネジ締結されたことを特徴とするパワーモジュール。
   

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