JPH06334286A - 回路基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明はパワー素子を組み込んだモジュール
の組立作業性を、放熱性と耐電圧信頼性を損なうことな
く、容易にする新しい実装用基板を提供することを目的
とする。 【構成】 両面に高熱伝導性の接着剤で金属箔回路を接
着した窒化アルミニウム板を、金属板の一部にはんだ付
けしたことを構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、パワーモジュール用回
路基板として特に好適な熱伝導性と耐電圧性に優れた回
路基板に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、パワートランジスターなどのパワ
ー半導体チップを組み込んだパワーモジュールがインバ
ーターなどの大電力を制御する用途に使用され、急激に
その使用量が伸びている。これらのパワーモジュールで
はパワー半導体チップを実装する基板として、従来はア
ルミナメタライズ基板が使用されてきたが、パワーモジ
ュールに組立てる際に、作業性が悪く高価なものとなる
欠点があった。このため、放熱性と絶縁性の他に組立作
業性の良い、アルミナや窒化アルミニウムを用いた厚銅
箔張りセラミック基板（例えば特開昭５６−１６３０９
３号公報、特開平３−１８０８７号公報）や絶縁アルミ
ニウム基板（特開昭５８−４８４３２号公報）が使用さ
れるようになった。

【０００３】厚銅箔張りセラミック基板は、図５に示す
ように、Ｎｉめっきの施された厚銅板１上にＮｉめっき
の施された厚銅などの金属箔回路３付きセラミック板２
の全面をはんだ５により接合されている。そして、厚銅
板１は、パワー半導体チップ７から発生する熱を、セラ
ミック板２を経由して効率よく逃がしてやると共に、割
れ易いセラミック板２を補強する支持板の役目を果たし
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな厚銅板の使用は、モジュールの軽量化を妨げるのみ
ならず、熱膨張係数の差が大きく異なるセラミック板と
銅板（例えば銅の熱膨張係数１６ｐｐｍ／℃に対してア
ルミナ７．３ｐｐｍ／℃、窒化アルミニウム４．７ｐｐ
ｍ／℃）とを広い面積に渡ってはんだ付けする必要があ
るので、最悪の場合は、脆いセラミック板の割れに基づ
く絶縁不良を引き起こす懸念があった。

【０００５】さらには、セラミック板と金属箔回路との
接合には高温が必要であったり、パワー半導体チップと
金属箔回路との接続がアルミニウム太線を用いた超音波
接続であるため、金属箔回路にＮｉめっきが必要であっ
たりするなどの問題があった。

【０００６】一方、図６に示した絶縁アルミニウム基板
では、厚アルミニウム板２０が放熱兼支持板の役目をす
るため厚銅板を用いた上記問題はないが、厚銅箔張りセ
ラミック基板に比較して、より薄い高熱伝導性有機系接
着剤１０を用いているため耐電圧特性に劣ったり、パワ
ー半導体チップの効率よい放熱を行うために銅製のヒー
トスプレッダー９をはんだ付けする必要があるなどの問
題があった。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記厚銅
箔張りセラミック基板と絶縁アルミニウ基板の問題点を
解決するために鋭意検討した結果、裏面に金属箔回路を
高熱伝導性有機系接着剤を用いて接着した熱伝導性の良
いセラミック板と、金属板とをはんだを用いて接合し、
さらにそのセラミック板上に、アルミニウム太線による
パワー半導体チップと金属箔回路との超音波接続が可能
で、しかも大電流を流すこともできる金属箔回路を高熱
伝導性有機系接着剤で接着する方法等により、上記問題
点を解決することができることを見いだし、本発明を完
成するに至った。

【０００８】すなわち、本発明の第１のものは、セラミ
ック板の両面に金属箔回路が高熱伝導性有機系接着剤に
よって接着されていることを特徴とする回路基板であ
り、また第２のものはこの両面に金属箔回路の接着され
たセラミック板からなる回路基板が金属板の部分面又は
全面にはんだによって接合されていることを特徴とする
回路基板である。

【０００９】以下、さらに詳しく本発明を説明する。本
発明は、セラミック板の高熱伝導性、低熱膨張性、高絶
縁性を活かしつつ、金属箔回路を高熱伝導性有機系接着
剤で接着する手法を取り入れたものである。

【００１０】すなわち、本発明においては、高熱伝導性
有機系接着剤は、セラミック板と表裏の金属箔回路の接
着に用いられる。

【００１１】本発明で使用される高熱伝導性有機系接着
剤（以下、しばしば接着剤という）は、その硬化物の熱
伝導率が少なくとも２Ｗ／ｍＫ以上であることが望まし
い。このような特性を有する接着剤は、例えばエポキ
シ、シリコーン、ウレタン、ポリイミド、ポリイソイミ
ド、ＢＴレジンなどの熱硬化性樹脂や例えばポリエーテ
ルイミド、ポリイミドなどの熱可塑性樹脂を主体とする
樹脂に、例えば窒化アルミニウム、窒化ホウ素、ベリリ
ア、アルミナ、シリカ、マグネシア、ダイヤモンドなど
の高熱伝導性絶縁粉末及び／又は例えば銀、銅、アルミ
ニウムなどの金属粉末を配合することによって得ること
ができる。高熱伝導性絶縁性粉末及び／又は金属粉末の
配合量は７０重量％以上であることが好ましい。さらに
は、これらの接着剤には、ビニルトリエトキシシランな
どのカップリング剤や長鎖ポリアミノアマイドなどの粘
度調整剤などを存在させることもできる。

【００１２】接着剤層の厚みは、熱伝導性の点において
薄い程よい。しかし、接着剤には高熱伝導性を付与する
ため上記の粉末が充填されているので、厚みが薄くなり
すぎると塗工性が悪くなる。従って、両者を考慮して接
着剤厚みは１０〜４０μｍとすることが望ましい。接着
剤層の厚みが４０μｍを越えると接着剤の熱伝導率が２
Ｗ／ｍＫ以上であってもパワー半導体チップで発生した
熱を効率よく伝導できず、熱伝導性の良いセラミック板
の特性を十分発揮させることができない。

【００１３】以上の特性を有する接着剤であっても、主
面の金属箔回路とセラミック板との接着には、熱伝導性
の他に絶縁性を考慮する必要がある。何故なら、導電性
接着剤の場合には窒化アルミニウム板などのセラミック
板に回路パターン状に接着剤を塗布しないと回路間の絶
縁がとれなくなるからである。

【００１４】一方、裏面金属箔回路とセラミック板の接
着には必ずしも絶縁性は必要ではなく、導電性接着剤で
あっても良い。なぜならば、裏面金属箔回路は金属板と
のはんだによる接合のために用いられるが、主面の金属
箔回路と金属板の絶縁性がセラミック板で確保できるか
らである。

【００１５】本発明で使用されるセラミック板の材質
は、窒化アルミニウム、ベリリア、窒化ホウ素、窒化珪
素、アルミナ、ガラスなどのメタライズの施されていな
いセラミックが用いられる。中でも、熱伝導性と安全性
から窒化アルミニウムが望ましく、特にその表面を機械
研磨したり、表面層を酸化処理して接着性を高めたもの
が好適である。セラミック板の熱伝導性や機械的強度に
ついては、高い方が好ましく、特に熱伝導性はパワー半
導体チップ実装用基板の放熱特性を左右する重要な因子
となる。セラミック板の厚みとしては、薄いと熱伝導性
は良くなるが耐電圧性が悪くなるので０．２〜１．０ｍ
ｍとするのが良い。セラミック板は、金属板の部分面又
は全面に接合される。

【００１６】一方、本発明で使用される金属板には、パ
ワーモジュールの放熱兼支持板の役目を負わせるため熱
伝導性と強度特性、さらにははんだによる接合ができる
ことが重要な条件となる。それらの金属板の例として
は、アルミニウムとその合金にニッケルめっきしたも
の、銅とその合金にニッケルめっきしたもの、鉄にニッ
ケルめっきしたものなどが使用される。中でも、軽量性
と接着性の点からはアルミニウムにニッケルめっきした
もの、またはその合金にニッケルめっきしたものが好適
であり、また、熱伝導性の点からは銅にニッケルめっき
したものとその合金にニッケルめっきしたものが好まし
い。金属板の厚みとしては、０．５〜５ｍｍが良く、大
電力用のパワーモジュールでは強度面から３〜５ｍｍと
するのが好ましい。電力のより小さいハイブリッドＩＣ
やイグナイターなどでは２ｍｍ以下でよい。

【００１７】本発明で使用される主面の金属箔回路は、
アルミニウム太線による超音波接続が可能でしかも大電
流を流すことができるものである。例示すれば、アルミ
ニウム／厚銅からなる２層箔、アルミニウム／厚銅／ア
ルミニウムからなる３層箔などの選択エッチング（特開
昭６１−２８４９９１号公報など）でできた厚銅回路上
に形成されたアルミニウムの超音波接続パッドを有する
回路、又は厚銅のニッケルめっきなどで形成された回路
などである。ここで厚銅とは、７０〜１５００μｍの銅
箔もしくは銅板であることが好ましく、特に２００〜１
０００μｍの厚みを有するものが好ましい。

【００１８】また本発明で使用される裏面の金属箔回路
は、金属板とのはんだによる接合ができるもので、銅
箔、ニッケルめっき銅箔、アルミニウム／銅クラッド
箔、ニッケル／銅クラッド箔などがよい。裏面金属箔回
路の厚みは、接着後のセラミック基板に反りが出ないよ
うに、主面の金属箔回路の厚みに近いことが好ましい。

【００１９】本発明の回路基板では、セラミック板に接
着された金属箔回路の全面又は部分面にさらに回路基板
を接着剤を用いて接着し、多層基板とすることもでき
る。多層化に用いる回路基板としては特に制限はなく、
フレキシブル基板、ガラスエポキシ基板、低温焼成ガラ
ス基板、アルミナ基板などを用いることができる。

【００２０】

【作用】本発明の回路基板は、使用するセラミック板が
例えば窒化アルミニウム板である場合、シリコーン半導
体との熱膨張係数差が小さく、熱伝導性がアルミナ基板
の５〜１０倍になる。従って、絶縁アルミニウム基板で
パワー半導体チップの実装において必要としたヒートス
プレッダーが不要となる。また、パワーモジュールの組
立時に支持板としての役割を果たす金属板上に、本発明
による回路基板をはんだで接合するが、この工程は従来
の厚銅箔張りセラミック基板によるパワーモジュールの
組立時と同じであり工程変更の必要はない。

【００２１】さらには、本発明の回路基板では、パワー
半導体チップを容易に実装できるセラミック板と、その
パワー半導体チップを制御する制御用基板（例えば抵抗
印刷付きアルミナ基板や多層のガラスエポキシ基板）を
同じ金属板上に接着やはんだ付けで組み込むことができ
るので、現在注目されているいわゆるインテリジェント
パワーモジュールの作製が容易となる。

【００２２】

【実施例】以下、実施例及び比較例をあげてさらに具体
的に本発明を説明する。

【００２３】実施例１ 図１に示すパワーモジュール用実装回路基板を作製し
た。窒化アルミニウム板（厚み０．６３５ｍｍ、熱伝導
率１３５Ｗ／ｍＫ）１６の上下面にはアルミナ粉とエポ
キシ樹脂を主体とする熱伝導率２．０Ｗ／ｍＫの高熱伝
導性有機系接着剤（厚み２０μｍ）１０を塗布し、上面
には厚み４μｍのＮｉめっきが施された厚み３００μｍ
の銅板からなる金属箔回路３を、下面には厚み４μのＮ
ｉめっきが施された厚み２５０μｍの銅板からなる金属
箔回路４をそれぞれ配置し、一括して接着した。接着
は、温度１５０℃、１０時間の条件で行った。

【００２４】次いで、この回路基板を４μｍのＮｉめっ
きが施された厚アルミニウム板（厚み３ｍｍ）１５には
んだ５で接合しパワーモジュール用回路基板を得た。そ
の後、有機溶剤で洗浄後乾燥し、５ｍｍ角のパワー半導
体（パワートランジスター）チップ７を金属箔回路３上
にはんだ５で接合した。さらにアルミニウム製（３００
μｍ直径）ボンディングワイヤー６で結線し、図１に示
すパワーモジュールを実装した回路基板を得た。次いで
水冷したアルミニウム製放熱板上に放熱グリースを介し
て上記回路基板をねじ止めした後、パワートランジスタ
ー７に通電して通常のΔＶＢＥ法にて熱抵抗を測定した
ところ０．８１℃／Ｗであった。

【００２５】実施例２ 図２に示すパワーモジュールを実装した回路基板を作製
した。実施例１において、Ｎｉめっきの施された主面金
属箔回路３の替わりに、２０μｍアルミニウム／３００
μｍ厚銅／２０μｍアルミニウムからなる３層箔からア
ルミニウムと銅の選択的エッチングを行い、アルミニウ
ム箔回路１８と厚銅回路１９を露出させた回路を用い
た。従って、この構造においては、パワー半導体チップ
７からのボンディングワイヤー６による結線はアルミニ
ウム箔回路１８に行なわれている。また、実施例１とは
異なり、アルミニウム箔回路１８およびＮｉめっきの施
された裏面金属箔回路４と窒化アルミニウム板１６を接
着する高熱伝導性有機系接着剤１０として、窒化アルミ
ニウム粉とエポキシ樹脂を主体とする熱伝導率４．２Ｗ
／ｍＫの高熱伝導性有機系接着剤（厚み２０μｍ）を用
いた。実施例１と同様にして測定した熱抵抗は０．７８
℃／Ｗであった。

【００２６】実施例３ 図３に示すパワーモジュール用実装回路基板を作製し
た。実施例１において、Ｎｉめっきの施された厚アルミ
ニウム板１５上に窒化アルミニウム板１６と厚膜回路１
３付きアルミナ板１７が接着されていることが異なる点
はであり、両板間は連結用金具１２のはんだ付けにより
接続されている。パワー半導体チップ７は、窒化アルミ
ニウム板１６に実装され、それを駆動する信号はアルミ
ナ板１７側から伝えられる。また、厚アルミニウム板１
５とアルミナ板１７との接着には、シリカ粉とシリコー
ン樹脂を主体とする熱伝導率０．５Ｗ／ｍＫのシリコー
ン系接着剤（厚み１５０μｍ）２１が発熱量が少ないた
め用いられている。実施例１と同様にして測定した熱抵
抗は０．８１℃／Ｗであった。

【００２７】実施例４ 図４に示すパワーモジュール用実装回路基板を作製し
た。実施例３のアルミナ板１７の代わりに、金めっき付
き銅箔回路１４を最上層に有する多層回路付きガラスエ
ポキシ板１１が用いられている。パワー半導体チップ７
は、厚み０．３ｍｍのアルミナ板１７に実装され、それ
を駆動する信号はガラスエポキシ板１１からボンディン
グワイヤー６を経由して伝えられる。実施例１と同様に
して測定した熱抵抗は０．８３℃／Ｗであった。

【００２８】比較例１ アルミナＤＢＣが実際に使用される場合を想定して、表
側にＮｉめっきの施された厚銅からなる金属箔回路３
が、裏側に裏面回路４が接合されたセラミック板（厚み
０・６３５ｍｍアルミナ製）２をＮｉめっきの施された
厚さ４ｍｍの厚銅板１５にはんだ５付けして、図５に示
すパワーモジュール用実装回路基板を作製した。実施例
１と同様にして測定した熱抵抗は０．８６℃／Ｗであっ
た。

【００２９】比較例２ パワー半導体チップ７から発生した熱が、はんだ５、厚
み３００μの厚銅回路１９、厚み１６０μｍのエポキシ
系高熱伝導性有機系接着剤（熱伝導率２Ｗ／ｍＫ）１０
をそれぞれ経由して厚アルミニウム板２０に伝わる構造
（図６）のパワーモジュール用実装回路基板を作製し
た。実施例１と同様にして測定した熱抵抗は０．８９℃
／Ｗであった。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、パワーモジュールなど
において、パワー半導体チップの実装が放熱性と耐電圧
信頼性を損なうことなく容易にでき、また、パワー半導
体チップと制御部品を同一モジュール内に実装できる利
点がある。従って、本発明は、現在注目されているイン
テリジェントパワーモジュールなどに好都合に対応する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実試例の回路基板にパワー半導体
チップを実装した時の正面図である。

【図２】 本発明の一実試例の回路基板にパワー半導体
チップを実装した時の正面図である。

【図３】 本発明の一実試例の回路基板にパワー半導体
チップを実装した時の正面図である。

【図４】 本発明の一実試例の回路基板にパワー半導体
チップを実装した時の正面図である。

【図５】 従来の厚銅箔張りセラミック基板を用いたパ
ワーモジュール用実装した時の正面図である。

【図６】 従来の絶縁アルミニウム基板を用いたパワー
モジュール用実装基の実装時の正面図である。

【符号の説明】

１ ：Ｎｉめっきの施された厚銅板 ２ ：セラミック板 ３ ：Ｎｉめっきの施された主面金属箔回路 ４ ：Ｎｉめっきの施された裏面金属箔回路 ５ ：はんだ ６ ：ボンディングワイヤー ７ ：パワー半導体チップ ８ ：取り付け穴 ９ ：ヒートスプレッダー １０ ：高熱伝導性有機系接着剤 １１ ：多層回路付きガラスエポキシ板 １２ ：連結用金具 １３ ：厚膜回路 １４ ：金めっき付き銅箔回路 １５ ：Ｎｉめっきの施された厚アルミニウム板 １６ ：窒化アルミニウム板 １７ ：アルミナ板 １８ ：アルミニウム回路 １９ ：厚銅回路 ２０ ：厚アルミニウム板 ２１ ：シリコーン系接着剤

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セラミック板の両面に金属箔回路が高熱
   伝導性有機系接着剤によって接着されていることを特徴
   とする回路基板。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の、両面に金属箔回路の
   接着されたセラミック板からなる回路基板と、金属板の
   部分面又は全面が、はんだによって接合されていること
   を特徴とする回路基板。