(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱伝導率１２０Ｗ／ｍＫ以上、抗折強度３５ｋｇ／ｍｍ2 以上、１５０℃空気中における体積抵抗率１×１０13Ω・ｃｍ以上の窒化アルミニウム基板の一方の面に金属回路、反対面に金属放熱板が形成されてなる回路基板と、該回路基板の金属放熱板に活性金属ろう付け法により接合されてなる厚みが５ｍｍ以下であるベース銅板と、該ベース銅板に活性金属ろう付け法により接合されてなる０．３〜２ｍｍの厚みの窒化アルミニウム焼結体とを備えてなる平面度が８０μｍ以下であることを特徴とするパワーモジュール用電子部品。
【請求項２】
金属放熱板の材質が、アルミニウム、アルミニウム合金、銅−第三金属−アルミニウムクラッド箔のうちのいずれか一つで、ベース銅板がニッケルメッキの施された銅板であり、しかも両者はＡｌ成分とＮｉ成分を含む合金層の存在する接合層を介して接合されてなるものであることを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール用電子部品。
【請求項３】
金属回路及び／又は金属放熱板の材質が銅−ニッケル−アルミニウムクラッド箔であり、そのアルミニウム面が、Ａｌ成分とＳｉ成分を含む合金層の存在する接合層を介してセラミックス基板に接合されていることを特徴とする請求項１又は２記載のパワーモジュール用電子部品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワーモジュール、特にインテリジェントパワーモジュールの組み立てに好適な回路基板を備えてなる電子部品に関する。
【０００２】
近年、ロボットやモーター等の産業機器の高性能化にともない、大電力・高効率インバーター等の大電力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するため、従来より様々な工夫がとられてきており、最近では、セラミックス基板の一方の面には半導体素子を搭載するための金属回路、反対面には金属放熱板が形成されてなる回路基板と、この回路基板の金属放熱板に厚さ数ｍｍ程度のベース銅板とが半田付けされてなる構造の電子部品も開発されており、それをヒートシンクにネジ止めして使用されている。
【０００３】
しかしながら、上記構造の電子部品では組み立てにかなりの労力が要る。また、半導体素子の発熱とその冷却にともなうヒートサイクルによって、金属回路とセラミックス基板間、セラミックス基板と放熱銅板間、更には放熱銅板とベース銅板間に熱膨張差による熱応力が発生し、各構成部材が剥がれたり、またヒートシンクにねじ止めする際に異物を挟み込み応力集中が起こってセラミックス基板が割れたりし、パワーモジュールの信頼性が低下するという問題があった。
【０００４】
そこで、本出願人は、この問題を回路基板とベース銅板とヒートシンクとの一体化構造からなる電子部品の提案（特願平１０−１８３９３号願書に添付された明細書）によって解決したが、更なる高信頼性のパワーモジュールとするには、回路基板とベース銅板を接合する際の反りをなくすることであり、この点がまだ未解決であった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的は回路基板の組み立て労力を低減し、しかも回路基板にベース銅板を接合する際の反りの発生を抑制することによってヒートサイクルに対する信頼性を一段と向上させた電子部品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、以下を要旨とするものである。
（請求項１）セラミックス基板の一方の面に金属回路、反対面に金属放熱板が形成されてなる回路基板と、該回路基板の金属放熱板に接合されてなるベース銅板と、該ベース銅板に接合されてなるセラミックス焼結体とを備えてなることを特徴とする電子部品。
（請求項２）セラミックス焼結体の反対面に、更に金属板が接合されてなることを特徴とする請求項１記載の電子部品。
（請求項３）金属放熱板の材質がアルミニウム、アルミニウム合金、又は銅−第三金属−アルミニウムクラッド箔で、ベース銅板がニッケルメッキの施された銅板であり、しかも両者はＡｌ成分とＮｉ成分を含む合金層の存在する接合層を介して接合されてなるものであることを特徴とする請求項１又は２記載の電子部品。
（請求項４）金属回路及び／又は金属放熱板の材質が銅−ニッケル−アルミニウムクラッド箔であり、そのアルミニウム面が、Ａｌ成分とＳｉ成分を含む合金層の存在する接合層を介してセラミックス基板に接合されていることを特徴とする請求項３記載の電子部品。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を更に詳しく説明する。
【０００８】
本発明の電子部品の最大の特徴は、ベース銅板の接合された回路基板において、そのベース銅板の反対面にセラミックス焼結体が接合されていることであり、また更にそのセラミックス焼結体には金属板が接合されていることである。
【０００９】
本発明で使用されるセラミックス焼結体の材質は、熱伝導性の大きなものが好ましく、特に窒化アルミニウム、窒化ケイ素、立方晶窒化ホウ素、炭化ケイ素が好ましい。その厚みは０．３〜２ｍｍが望ましく、またその広さはベース銅板よりも僅かに狭いことが望ましく、特にセラミックス焼結体の外周とベース銅板の外周との間隔が１〜３ｍｍ程度開いている広さであることが好ましい。
【００１０】
また、金属板の材質は、本発明の電子部品はヒートシンク材に取り付けられて使用されることより、そのヒートシンク材と同等又はそれ以上の熱伝導性を有するものであることが望ましく、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、更には銅又はアルミニウムを構成材とするクラッド箔が好ましい。その厚みは０．１〜０．５ｍｍが望ましく、またその広さは特に限定はないが、セラミックス焼結体の広さと同程度であることが好ましい。
【００１１】
本発明において、ベース銅板とセラミックス焼結体との接合は、活性金属を含むろう材によるろう付け法（以下、「活性金属ろう付け法」という。）、有機接着剤による接合法、ＤＢＣ法等によって行うことができる。パワーモジュール用にはセラミックス焼結体が窒化アルミニウム焼結体が適しているので、その場合は活性金属ろう付け法が採用される。
【００１２】
活性金属ろう付け法におけるろう材の金属成分は、銀と銅を主成分とし、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する。これらの割合としては、銀７０〜１００部（「重量部」以下同じ。）と銅３０〜０部の合計量１００部あたり、活性金属３〜３５部である。接合の熱処理条件は、１×１０-4Ｔｏｒｒ程度以上の高真空下、温度７８０〜８３０℃で５〜３０分間の保持である。
【００１３】
また、セラミックス焼結体と金属板との接合についても、活性金属ろう付け法、有機接着剤による接合法、ＤＢＣ法等によって行うことができる。パワーモジュール用にはセラミックス焼結体が窒化アルミニウム焼結体で、金属板が銅又はアルミニウムが適しているので、その場合は活性金属ろう付け法が採用される。
【００１４】
活性金属ろう付け法において、金属板が銅である場合は、上記方法で接合される。一方、金属板がアルミニウム又はアルミニウムを構成材とするクラッド箔である場合は、ろう材の金属成分はＡｌとＳｉ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銅及び活性金属を副成分とする。活性金属としては、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、バナジウム及びそれらの化合物が使用される。これらの割合は、アルミニウム７０〜９５部、シリコン３０〜５部及び銅１〜５部の合計量１００部あたり、活性金属１〜３５部である。接合の熱処理条件は、１×１０-4Ｔｏｒｒ程度以上の高真空下、温度６２０〜６３０℃で３〜１０分間の保持である。
【００１５】
活性金属ろう付け法においては、ろう材の金属成分は、通常、金属成分に有機溶剤と必要に応じて有機結合剤を加え、ロール、ニーダ、万能混合機、らいかい機等で混合され、ペーストを調製してから使用される。有機溶剤としては、メチルセルソルブ、テルピネオール、イソホロン、トルエン等、また有機結合材としては、エチルセルロース、メチルセルロース、ポリメタクリレート等が用いられる。
【００１６】
次に、本発明で使用される回路基板について説明する。本発明においては、セラミックス基板の一方の面に金属回路、反対面に金属放熱板が形成されてなる回路基板が使用される。
【００１７】
セラミックス基板の材質は、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、アルミナ等であるが、パワーモジュール用には窒化アルミニウムが適している。特に、熱伝導率１２０Ｗ／ｍＫ以上、抗折強度３５ｋｇ／ｍｍ2 以上、１５０℃空気中における体積抵抗率１×１０13Ω・ｃｍ以上の窒化アルミニウム焼結体が好適であり、その製造法については特願平９−１２１９９５号願書に添付された明細書の実施例に詳記されている。
【００１８】
金属回路及び金属放熱板の材質については、電気伝導性、熱伝導性を考慮し、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、又は銅−第三金属−アルミニウムクラッド箔が好ましい。クラッド箔の第三金属としては、ニッケル、チタン、クロム、ジルコニウム、銅、アルミニウムなどであるが、ニッケルが好ましい。これらのうち、アルミニウム、アルミニウム合金、銅−ニッケル−アルミニウムクラッドが好適であり、中でも銅−ニッケル−アルミニウムクラッド箔が最適である。
【００１９】
金属回路の厚みは、０．１〜０．５ｍｍであることが望ましい。厚みが薄すぎると電流容量が小さくなって回路の能力が制限され、また厚すぎると熱膨張差による熱応力がセラミックス基板に大きくかかり回路基板の信頼性が低下する。
【００２０】
金属放熱板の厚みは、０．１〜１．０ｍｍであることが望ましい。厚みが薄すぎると、回路基板とベース銅板との間の熱応力の緩和効果が小さくなり、また厚すぎると、セラミックス基板に多大な熱応力を与えることになる。
【００２１】
金属回路及び金属放熱板をセラッミクス基板に形成させる（すなわち回路基板を作製する）方法としては、セラミックス基板と金属との接合体をエッチングする方法、金属から打ち抜かれた回路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る。
【００２２】
この金属又はパターンの接合は、活性金属ろう付け法、有機接着剤による接合法、ＤＢＣ法等によって行うことができる。パワーモジュール用には窒化アルミニウム基板が適しているので、その場合は活性金属ろう付け法が採用される。
【００２３】
活性金属ろう付け法における金属成分は、金属回路及び／又は金属放熱板の材質がアルミニウム、アルミニウム合金又は銅−ニッケル−アルミニウムクラッド箔である場合、そのアルミニウム面が、Ａｌ成分とＳｉ成分を含む合金層の存在する接合層を介してセラミックス基板と接合されることが望ましいので、その場合は、上記したように、ＡｌとＳｉを主成分とし、銅及び活性金属を副成分としたものが使用される。一方、金属回路及び／又は金属放熱板の材質が銅又は銅合金である場合は、上記したように、銀と銅を主成分とし、活性金属を副成分としたものが使用される。
【００２４】
次に、本発明で使用されるベース銅板は、厚みが５ｍｍ以下であることが望ましい。厚みが薄すぎるとヒートサイクルに対する熱衝撃を緩和することができず、また厚すぎると重くなり取り扱いにくいものとなる。ベース銅板の形状は、単なる板状でも良いが、回路基板を接合した際、ベース銅板の表面と回路基板の表面とが同一平面になるように、あらかじめベース銅板に溝、窪み等を形成しておくことが望ましい。更には、ベース銅板に３〜２０μｍ程度のニッケルメッキを施しておくことによって、金属放熱板との接合が強固かつ容易となる。
【００２５】
回路基板とベース銅板とを接合するには、あらかじめ作製された回路基板とベース銅板とを活性金属ろう付け法により接合する方法、あるいは回路基板作製時の熱を利用して、回路基板の作製と同時にベース銅板を接合する方法が採用される。なお、ベース銅板は、回路基板の金属放熱板面に接合される。
【００２６】
回路基板に接合される金属放熱板の材質が、耐ヒートサイクル性の向上にとって好適な、アルミニウム、アルミニウム合金、又は銅−第三金属−アルミニウムクラッド箔である場合は、それとベース銅板とが、Ａｌ成分とＮｉ成分を含む合金層の存在する接合層を介して接合されていることが好ましい。この場合は、ベース銅板としてニッケルメッキの施されたベース銅板が使用され、また接合の熱処理は、１×１０-4Ｔｏｒｒ程度以上の高真空下で行われる。加熱炉としては、赤外線式加熱炉等のように急速な昇温が可能で微妙な温度コントロールができるものが望ましい。加熱は、アルミニウムとニッケルの共晶点近くまで上昇させ、アルミニウムとニッケルの界面をわずかに溶融させた後、１℃／分以上の速度で冷却する。具体的には、温度６２０〜６３０℃で３〜１０分間の保持を行ってから１℃／分以上の速度で冷却する。このような接合構造によれば、従来のＰｂ−Ｓｎ共晶半田による半田付け法に比べて、格段に高い信頼性のある電子部品となる。
【００２７】
【実施例】
以下、本発明を実施例、比較例をあげて具体的に説明する。
【００２８】
セラミックス基板の製造
窒化アルミニウム粉末９６部、イットリア粉末４部をボールミルにて３０分予備混合し、オレイン酸１部を加え更に３０分混合した。この混合物に、メチルセルロースを８部加え、高速ミキサーにて１分間混合した後、グリセリン３部と水１２部の混合溶液をミキサーを撹拌させながら加え、２分間混合して造粒物を得た。この造粒物をロールにて混練した後、真空脱気を行いながら押出成形機に投入し、グリーンシート形状に押し出した。次いで、これを５８ｍｍ×４５ｍｍ×０．６５ｍｍの大きさに打ち抜き、８０℃×２０分乾燥後、空気中５００℃で１時間加熱して結合剤を除去した後、還元雰囲気下、１９００℃にて１時間保持する条件で常圧焼結を行って、窒化アルミニウム基板（曲げ強さ：４０ｋｇ／ｍｍ2   熱伝導率：１７０Ｗ／ｍＫ）を製造した。
【００２９】
回路基板Ａの作製
銀粉末７５部、銅粉末２５部、水素化チタン粉末５部、ジルコニウム粉末５部、テルピネオール１５部、及び有機結合剤としてポリイソブチルメタアクリレートのトルエン溶液を固形分で１部加え、混練してろう材ペーストを調整した。このろう材ペーストを上記で製造された窒化アルミニウム基板の両面に塗布した。その際の塗布量（乾燥後）は６〜８ｍｇ／ｃｍ2 とした。
【００３０】
次に、ろう材ペーストの塗布面に銅板（厚み０．３ｍｍ）を接触配置し、真空度１×１０-5Ｔｏｒｒ以下の高真空下、温度９００℃で３０分加熱した後、２℃／分の降温速度で冷却して接合体を製造した。
【００３１】
この接合体の銅板上にＵＶ硬化タイプのエッチングレジストをスクリーン印刷により塗布した後、塩化第２銅溶液を用いてエッチング処理を行って銅板不要部分を溶解除去し、更にエッチングレジストを５％苛性ソーダ溶液で剥離して、片面に銅回路パターン（パターン率８０％）を、またその反対面にはベタ銅パターン（５７ｍｍ×４４ｍｍ、コーナーＲ２ｍｍ）を形成した。この銅回路パターン間には、残留不要ろう材や活性金属成分と窒化アルミニウム基板との反応物があるので、それを温度６０℃、１０％フッ化アンモニウム溶液に１０分間浸漬して除去した。次いで、ニッケルメッキ（厚み５μｍ）を施して回路基板Ａを作製した。
【００３２】
回路基板Ｂの作製
アルミニウム粉末８６部、シリコン粉末１０部、銅粉末４部及び水素化チタニウム粉末１５部からなる混合粉末１００部にテルピネオール１５部と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、混練してろう材ペーストを調製し、それを上記で製造された窒化アルミニウム基板の両面に塗布した。その際の塗布量（乾燥後）は３ｍｇ／ｃｍ2 とした。
【００３３】
次に、ろう材ペーストの塗布面にアルミニウム板（純度９９．５％、厚み０．５ｍｍ）を接触配置し、真空度１×１０-5Ｔｏｒｒ以下の高真空下、温度６４０℃で３０分加熱した後、２℃／分の降温速度で冷却して接合体を製造した。
【００３４】
次いで、この接合体のアルミニウム板上にＵＶ硬化タイプのエッチングレジストをスクリーン印刷により塗布した後、塩化第２銅溶液を用いてエッチング処理を行って、アルミニウム板不要部分とアルミニウム回路間に存在する不要ろう材等を溶解除去し、更にエッチングレジストを５％苛性ソーダ溶液で剥離して、片面にアルミニウム回路（パターン率８０％）を、反対面にはベタアルミニウムパターン（５７ｍｍ×４４ｍｍ、コーナーＲ２ｍｍ）からなる金属放熱板を有する回路基板Ｂを作製した。
【００３５】
回路基板Ｃの作製
回路基板Ｂの作製過程で製造された接合体（窒化アルミニウム基板の両面にアルミニウム板が接合された接合体）の片面にのみニッケルメッキ（厚み５μｍ）の施された厚さ０．３ｍｍの銅板を接触配置し、赤外線加熱方式の接合炉で、真空度０．１Ｔｏｒｒ以上の高真空下、６３０℃×５分間保持して接合を行った。得られた接合体を回路基板Ｂの作製と同様にしてエッチングし、窒化アルミニウム基板の一方の面にアルミニウム−ニッケル−銅クラッド箔からなる金属回路、他方の面にベタアルミニウムパターン（５７ｍｍ×４４ｍｍ、コーナーＲ２ｍｍ）からなる金属放熱板を有する回路基板Ｃを作製した。
【００３６】
回路基板とベース銅板の接合は、表１のようにして行った。
【００３７】
【表１】
0003729637.tif 000002
0003729637.tif 000003
【００３８】
回路基板とベース銅板とセラミックス焼結体の接合は、表２のようにして行った。
【００３９】
【表２】
0003729637.tif 000004
【００４０】
回路基板とベース銅板とセラミックス焼結体と金属板の接合は、表３のようにして行った。
【００４１】
【表３】
0003729637.tif 000005
【００４２】
実施例１〜８  比較例１〜５
回路基板Ａ、Ｂ又はＣの作製、及びその回路基板とベース銅板、セラミックス焼結体、金属板の接合方法を種々変えて電子部品を作製した。得られた電子部品について、反り、耐ヒートサイクル性、及びセラミックス基板のクラック発生率を以下に従い測定した。電子部品の作製条件とそれらの結果を表４に示す。
【００４３】
（１）反り：ＪＩＳ  Ｂ  ０６２１に従う平面度をダイヤルゲ−ジを用いて測定した。
（２）耐ヒートサイクル性：気中、−４０℃×３０分保持後、２５℃×１０分間放置、更に１２５℃×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、電子部品１０個のうち１個が剥離・破壊等の不良が生じた最初のヒートサイクル回数を測定した。
（３）クラック発生率：ヒートサイクル回数３００回後の電子部品について、その金属回路部分を溶解除去し、金属回路周囲のセラミックス基板面に発生しているクラック長さを測定し、それを金属回路全周長に対する比率を算出した。
【００４４】
【表４】
0003729637.tif 000006
【００４５】
更に、実施例５〜８、及び比較例４、５で得られた電子部品について、回路基板の金属放熱板とベース銅板との間に生成した接合層の組成をＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザー）により測定した。その結果、いずれの接合層も、Ａｌ−Ｎｉ−Ｃｕを含む合金層が３μｍ程度、Ａｌ−Ｎｉ−Ｓｉを含む合金層が５μｍ程度、Ａｌ−Ｎｉからなる合金層が８μｍ程度含まれていた。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、パワーモジュールの組み立てを大幅に短縮することのできる、耐ヒートサイクル性に優れた回路基板を備えた電子部品が提供される。