JPH10167804A - セラミックス基板及びそれを用いた回路基板とその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 パワーモジュール用等の発熱の大きい用途に
回路基板を実装する場合、ヒートシンク銅板への接合時
等に回路基板製造時に発生する残留応力を増大させ、ク
ラックを生じ易い問題があった。本発明はクラック発生
の少なく信頼性の高い回路基板及びその製造方法を呈示
する。 【解決手段】 そりを持つセラミックス焼結板であっ
て、一方向のそり量が、該方向の長さの１／４０００か
ら１／１００で有り、該方向の直角方向のそり量が該方
向のそり量の１／２以下（０を含む）であるセラミック
ス基板。及び上記セラミックス基板の凸面側に回路形成
用金属板を、凹面側に放熱部形成用金属板を配置して、
加熱接合する回路基板の製造方法。

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
金属回路を有する回路基板に用いられるセラミックス基
板及びそれを用い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）回路板等を一体
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Ｃｕ等の金属により回路板を形成してい
るため、回路動作の遅延が減少するとともに回路配線の
寿命も向上する利点がある。また半田等の接合材料に対
する濡れ性が向上し、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、半導体素子からの発熱の放散
性や素子の動作信頼性を良好に保つことができ、更にセ
ラミックス基板の放熱面にもＣｕ等の金属板を接合する
ことにより、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】回路基板は、ヒートシ
ンクへの接合や電極を接合するなどのモジュールへの実
装工程における実装時の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よって、金属回路間のセラ
ミックス基板や金属回路の端部付近のセラミックス基板
に微小クラックが発生する。その後、モジュールを使用
時の繰り返し加熱冷却による応力のため、微小クラック
が拡大する。クラックの部分で絶縁不良となり、リーク
電流により破壊に至り、パワーモジュールが使用不能と
なる問題がある。

【０００５】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
クス基板と金属板をろう材ペーストや基板と金属の共晶
を用いるなどして接合し、回路面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
ッチング処理して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する。

【０００６】回路基板をパワーモジュールに実装する場
合、熱処理を施した後、ヒートシンク銅板へ接合する。
さらに半導体チップや電極が回路基板に接合される。こ
れらの工程は、エッチング後金属回路間のセラミックス
基板や金属回路の端部付近の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、クラックが
発生し易い問題があった。さらに、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。

【０００７】以上の問題に対して、従来の窒化アルミニ
ウム回路基板においては、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、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２０μ
ｍ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。

【０００８】本発明は、上記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、信頼性の高い回路基板を提供す
ること及びその製造方法を提供すること及びそれらに適
したセラミックス基板を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】そこで本発明者らは、セ
ラミックス基板の接合前の初期形状を工夫し、回路基板
の製造時にセラミックス基板の金属回路接合面側に予め
圧縮応力を与えることにより、クラックの発生を低減す
ることが可能であることを見出し、本発明に到達したも
のである。

【００１０】すなわち本発明は、本質的に板状体であ
り、そりを持つセラミックス焼結体であって、一方向の
そり量が、該方向の長さの１／４０００から１／１００
で有り、該方向の直角方向のそり量が該方向のそり量の
１／２以下（０を含む）であることを特徴とするセラミ
ックス基板である。

【００１１】更に、本発明は反りを持つセラミックス基
板の室温の熱膨張係数が５×１０^-6１／℃以下であるこ
とを特徴とする上記セラミックス基板である。

【００１２】また、本発明は、上記セラミックス基板を
用いたことを特徴とする回路基板である。

【００１３】更に、本発明は上記セラミックス基板の凸
面側に回路形成用金属板を、凹面側に放熱部形成用金属
板を配置して、加熱接合することを特徴とする上記回路
基板の製造方法である。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、さらに詳しく本発明につい
て説明する。本発明で使用されるセラミックス基板はア
ルミナ、ムライト、窒化珪素、窒化アルミ、酸化ベリリ
ウムなど絶縁性、耐熱性に優れる材料であればいずれを
用いても良い。一般に窒化アルミニウム基板、窒化珪素
基板のように非酸化物セラミックスの基板は室温に於け
る熱膨張係数が５×１０^-6 １／℃以下と小さく、金属
との熱膨張係数差が大きい。この為製造工程で金属回路
との間に応力が発生しやすい為、本発明によるクラック
防止効果が大きい。

【００１５】セラミックス基板として材料特性には特に
制限はないが、良好な放熱性を示すためには、熱伝導率
が８０Ｗ／ｍＫ以上のものが適している。また、基板の
曲げ強さについては、回路基板形成後の強さに影響を及
ぼすため３５０ＭＰａ以上のものが適当である。このよ
うな特性を示すセラミックスとして窒化アルミニウム或
いは窒化珪素が知られている。

【００１６】セラミックス基板の厚みは、要求される回
路基板の強さによって異なるが、通常、０．３ｍｍから
１．５ｍｍのものが使われる。

【００１７】本発明のセラミックス基板において重要な
ことは、本質的に板状体であり、そりを持つ燒結体であ
って、一方向のそり量が、該方向の長さの１／４０００
から１／１００である事である。この方向は基板形状が
長方形の場合いわゆる長手方向であることが望ましい。
該方向の直角方向のそり量が該方向のそり量の１／２以
下（０を含む）であることである。そり量が該方向の長
さの１／４０００をしたまわると本発明の効果が得られ
ず、そり量が該方向の１／１００を越えると、接合時に
生じる、セラミックス基板の内部ひずみが大きくなりす
ぎ、強さの小さいセラミックス基板では、破壊してしま
うこともある。また、該方向の直角方向のそり量は小さ
い方が好ましい、すなわち反りは一方向に一様が好まし
いが、該方向の１／２迄許容される。該方向のそり量の
１／２を越えると回路基板にした場合に金属板との接合
不良が起きやすくなる。

【００１８】セラミックス基板に形成される金属回路も
しくは金属回路と金属放熱板の材質は、銅、ニッケル、
アルミニウム、モリブデン、タングステン等の純金属も
しくは合金であって、その厚みは０．１〜２．０ｍｍが
使われる。

【００１９】本発明に係る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の
共晶相により形成されたものでもよい。ここで使用され
るろう材ペーストは、例えば金属回路又は金属放熱板の
材質がＣｕである場合、ＡｇもしくはＣｕもしくはＡｇ
とＣｕを含むろう材である。また、ここで用いる共晶相
は、例えば、セラミックス基板がアルミナで金属回路又
は金属放熱板の材質がＣｕの場合にはＣｕ−Ｏの共晶相
である。

【００２０】本発明の回路基板において重要なことは、
図１の概念図に示すようにそりのあるセラミックス基板
と金属回路、金属放熱板を接合するときに、セラミック
ス基板のそりの凸面側に回路形成用金属板を、凹面側に
放熱部形成用金属板を配置して、セラミックス基板をた
わませ、そりを修正した状態（みかけの反り量が該方向
の長さの１／４０００未満）で、加熱接合することであ
る。また、金属回路のパターン抜き部分が連続している
場合には、それとは直角な方向にそりのあるセラミック
ス基板を用いる方が効果は著しく大きくなる。

【００２１】本発明のセラミックス基板を製造する方法
について、セラミックス基板が窒化アルミニウムの場合
について一例を示す。窒化アルミニウム粉末と燒結助剤
を含むスラリーを調整した後グリーンシートに成形す
る。このグリーンシートを本請求項に係る形状を持つよ
うに作製した窒化ボロン製の治具にのせ、バインダーを
除去した後、不活性雰囲気下、１７００℃以上の温度で
燒結させる。

【００２２】本発明の回路基板を製造する方法について
一例を説明する。先ず、本発明の請求項に示すセラミッ
クス基板の表面全体にＡｇとＣｕ及び活性金属を含むろ
う材ペーストを塗布する。

【００２３】ペースト面を覆うに十分な広さの放熱板側
のベタ金属板を置き、次ぎにセラミックス基板をそりの
凸面側を上面にして置き、更に金属回路側のベタ金属板
を置いて、その上からセラミックス基板のそりを修正す
るための荷重をかけ、荷重を負荷したまま熱処理を行い
接合する。荷重をかける方法は、重しであっても良い
し、ホットプレスのように油圧又は機械的な圧力をかけ
る等いずれの方法であっても加熱と荷重に耐える治具を
適宜選択して実施すればよい。

【００２４】次いで、接合体の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スクリーン印刷し、レジ
スト回路パターンを形成させる。

【００２５】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膜を除
去して金属回路を有するセラミックス基板とする。その
後、金属回路の酸化と腐食を防止するため、必要に応じ
てＮｉメッキ等により選択的に金属回路上に保護膜を形
成させる。以下に実施例に基づいて、本発明を更に詳細
に説明する。

【００２６】

【実施例】窒化アルミニウム粉末と燒結助剤を含むスラ
リーを調整した後グリーンシートに成形する。このグリ
ーンシートを以下に示す反りを持つＢＮ製の治具にの
せ、バインダーを除去した後、窒素雰囲気下、１８５０
℃の温度で燒結させる。このようにして、一方向のそり
量がそれぞれ５、１０、５０、１００、２００、３０
０、４００、５００μｍでサイズ４０ｍｍ×４０ｍｍ、
厚み０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム基板を製造し
た。これらの窒化アルミニウム基板は該方向の直角方向
のそり量は該方向のそり量の１／２以下であった。

【００２７】また、窒化アルミニウム粉末の変わりに窒
化珪素粉末を用いる以外は上記と同様にして、一方向の
そり量がそれぞれ２００、５００μｍでサイズ４０ｍｍ
×４０ｍｍ、厚み０．６３５ｍｍの窒化珪素基板を製造
した。これらの窒化珪素基板は該方向の直角方向のそり
量は該方向のそり量の１／２以下であった。

【００２８】また、窒化アルミニウム粉末の変わりにア
ルミナ粉末を用いる以外は上記と同様にして、一方向の
そり量がそれぞれ２００、５００μｍでサイズ４０ｍｍ
×４０ｍｍ、厚み０．６３５ｍｍのアルミナ基板を製造
した。これらのアルミナ基板は該方向の直角方向のそり
量は該方向のそり量の１／２以下であった。

【００２９】上記の各基板の両面にＡｇ−Ｃｕ系の活性
金属含有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、凸面側に厚み０．３ｍｍの金属回路用Ｃ
ｕ板を、凹面側に厚み０．１５ｍｍの金属放熱用Ｃｕ板
を接触配置するように１０Ｋｇの重しを載せ、真空中８
３０℃で３０分間熱処理を行いセラミックス基板とＣｕ
板の接合体を得た。

【００３０】また、そり量が５０、１００μｍの窒化ア
ルミニウム基板の両面にＡｇ−Ｃｕ系の活性金属含有ろ
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、凹面側に厚み０．３ｍｍの金属回路用Ｃｕ板を、凸
面側に厚み０．１５ｍｍの金属放熱用Ｃｕ板を接触配置
するように重しを載せ、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Ｃｕ板の接合体を得
た。さらに、そりのない窒化アルミニウム基板について
も同様に行い窒化アルミニウム基板とＣｕ板の接合体を
得た。

【００３１】これらの接合体のＣｕ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Ｃｕ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、Ｃｕ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ＮｉメッキによりＣｕ回路に選択的に
Ｎｉ保護膜を形成させた。

【００３２】以上のようにして、実施例１から８、及び
比較例１から７の試料を得た。このようにして、表１の
実施例、比較例に示すような回路基板を完成させた。

【００３３】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、ＪＩＳ-Ｃ-００２５温度変化試験
方法に準じて実施した。１０回、３０回、５０回、１０
０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。クラックの評価は、回路間のクラックの有無を
蛍光探傷検査により観察することで行った。結果を表１
に示す。クラックは発生率（％）で示した。

【００３４】

【表１】

【００３５】表１に示す結果から明らかなように、実施
例１〜８に示す回路基板は、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。

【００３６】一方、比較例１及び５〜７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い。また、比較例２〜４に係る回
路基板は初期反り量が大きいため、ヒートサイクル実施
前にクラック発生が多数認められた。また、実施例４、
７、８を比較すると、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４、７の方
が効果が高いことが明白である。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば、高い信頼性、放熱性を
有する回路基板、及びそのためのセラミックス基板を提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る回路基板について概略図を示した
ものである。

【符号の説明】

ｗ：本発明のセラミックス基板のそり量を示す。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】そりを持つセラミックス焼結板であって、
   一方向のそり量が、その方向の長さの１／４０００から
   １／１００で有り、該方向の直角方向のそり量が該方向
   のそり量の１／２以下（０を含む）であることを特徴と
   するセラミックス基板。
2. 【請求項２】セラミックス基板の室温の熱膨張係数が５
   ×１０^-6 １／℃以下であることを特徴とする請求項１
   に記載のセラミックス基板。
3. 【請求項３】請求項１又は２に記載のセラミックス基板
   を用いたことを特徴とする回路基板。
4. 【請求項４】請求項１又は２に記載のセラミックス基板
   の凸面側に回路形成用金属板を、凹面側に放熱部形成用
   金属板を配置して、加熱接合することを特徴とする請求
   項３に記載の回路基板の製造方法