(57)【特許請求の範囲】
【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）であり、且つ、室温の熱膨張係数が５×１０-6／℃以下であるセラミックス基板を用い、フルエッチ法により回路を形成させた回路基板において、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、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ことを特徴とする回路基板の製造方法。
【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（ＡｌＮ）、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２０μｍ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）であり、且つ、室温の熱膨張係数が５×１０-6／℃以下であるセラミックス基板を用い、フルエッチ法により回路を形成させた回路基板において、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、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ことを特徴とする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、３００、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Ｃｕ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８３０℃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３０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、１００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】
0003722573.tif 000002
【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。
【図１】
0003722573.tif 000003