(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板の表裏面に、金属板を接合材によって接合されてなる接合体をエッチングして、セラミックス基板の一方の面に端子付き金属回路、その反対面に金属放熱板を形成させた後、セラミックス基板の端部を切除し、端子をセラミックス基板の少なくとも一辺から突出させることを特徴とする端子付き回路基板の製造方法。
【請求項２】
接合体が、セラミックス基板の表面を回路パターン状に、また裏面を放熱パターン状に接合材を配置した後、それらの接合パターンを覆うのに十分な広さの金属板が接合されたものであることを特徴とする請求項１記載の端子付き回路基板の製造方法。
【請求項３】
接合体が、端子となる金属板の部分とセラミックス基板との間に、接合材が配置されていないものであることを特徴とする請求項１又は２記載の端子付き回路基板の製造方法。
【請求項４】
セラミックス基板の端部の切除が、セラミックス基板にあらかじめ施された分割溝に沿って行われるものであることを特徴とする請求項３記載の端子付き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、パワー半導体モジュールに好適な端子付き回路基板及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、セラミックス基板の表面に金属回路、裏面に金属放熱板を形成させてなる回路基板はパワー半導体モジュール用基板として公知となっており、金属回路部に半導体素子と、電極又はＡｌ等のボンディングワイヤーとが半田付けされモジュール化されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
回路基板を製造してからこのような半田付け工程を行うと、金属回路材質と半導体素子ないしは電極材料との熱膨張係数の違いによって、モジュールが熱履歴を受けたときに、半田部分、特に電極部分の半田部分にクラック（このような半田層に生じるクラックを当業界では「半田クラック」とも呼ばれている。）が生じたり、電極や半導体素子が剥離したり、更にはセラミックス基板にクラック（以下、このクラックを「基板クラック」ともいう。）が生じ、信頼性が十分でなくなるので、別の対応が必要であった。また、Ａｌ等のボンディングワイヤーを半田付けする方法では、ボンディングワイヤーの細線が半田付け時の衝撃や、熱履歴時の熱膨張係数の差によって剥離、断裂することがあった。
【０００４】
本発明の目的は、上記電極等が半田付けされた回路基板を、モジュールとして使用したときに起こる半田クラックや基板クラックの発生等の諸問題を激減することのできる回路基板を提供することである。本発明の目的は、回路基板に設けられた金属回路の一部分をセラミックス基板の少なくとも一辺から突出させ、その部分を電極又はボンディングワイヤーを取り付ける端子とすることによって達成することができる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は以下のとおりである。
（請求項１）    セラミックス基板１の一方の面に金属回路２、その反対面に金属放熱板３を有するものにおいて、金属回路の一部をセラミックス基板の少なくとも一辺から突出させ、その部分を端子４としてなることを特徴とする端子付き回路基板。
（請求項２）  セラミックス基板の表裏面に、金属板を接合材によって接合されてなる接合体を製造する際に、表面金属板をセラミックス基板の少なくとも一辺から突出させて接合した後、表面金属をエッチングして金属回路部と、セラミックス基板の少なくとも一辺から突出させた端子とを一体的に形成させると共に、裏面金属を必要に応じてエッチングして金属放熱板とすることを特徴とする端子付き回路基板の製造方法。
（請求項３）  セラミックス基板の表裏面に、金属板を接合材によって接合されてなる接合体をエッチングして、セラミックス基板の一方の面に端子付き金属回路、その反対面に金属放熱板を形成させた後、セラミックス基板の端部を切除し、端子をセラミックス基板の少なくとも一辺から突出させることを特徴とする端子付き回路基板の製造方法。
（請求項４）  接合体が、セラミックス基板の表面を回路パターン状に、また裏面を放熱パターン状に接合材を配置した後、それらの接合パターンを覆うのに十分な広さの金属板が接合されたものであることを特徴とする請求項２又は３記載の端子付き回路基板の製造方法。
（請求項５）  接合体が、端子となる金属板の部分とセラミックス基板との間に、接合材が配置されていないものであることを特徴とする請求項３又は４記載の端子付き回路基板の製造方法。
（請求項６）  セラミックス基板の端部の切除が、セラミックス基板にあらかじめ施された分割溝に沿って行われるものであることを特徴とする請求項５記載の端子付き回路基板の製造方法。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、更に詳しく本発明を説明する。
【０００７】
本発明の回路基板において、金属回路の一部をセラミックス基板の少なくとも一辺から突出させて形成させた端子の構造について図面を参照してまず説明する。図１は、本発明の端子付き回路基板の実施態様の一例を示す斜視図であり、符号１はセラミックス基板、２は金属回路、３は金属放熱板、４は端子である。
【０００８】
端子の寸法は、幅１．５〜１０．０ｍｍ、長さ１０〜５０ｍｍ、厚み０．１〜０．５ｍｍであることが好ましい。端子の幅が１．５ｍｍ未満であると、電極又はボンディングワイヤーを半田付けする際、微小な衝撃によって端子が断裂してしまう恐れがある。また、端子の幅が１０ｍｍ超であると、モジュールが熱履歴を受けた際に、金属回路材質と電極材質との熱膨張差に起因するほどの大きな応力ではないが、やはり応力を受けて、基板クラックが生じる恐れがある。一方、端子の長さが１０ｍｍ未満であると、金属回路の一部をせり出させることが困難となるとともに、モジュール組み立ての半田付け時に従来と同等程度の応力を受けるので、所期の目的を達成することができない。また、端子の長さが５０ｍｍ超であると、取り扱いが不便になることの他に、端子の寸法精度の悪化が懸念される。とくに、エッチングによって端子を形成する方法においては、エッチング液の回り込み等によって端子の寸法精度の悪化がより大きくなる。また、厚みが０．１ｍｍ未満であると、微小な衝撃によって端子が分裂してしまう可能性があり、０．５ｍｍ超であると基板クラックが生じる可能性がある。
【０００９】
端子の形状については、どのような形状であってもよいが、図面に示されるように矩形が一般的である。端子の形成位置は、図面に示されるように、回路金属の１辺のみから突出させてもよく、また２辺以上から突出させてもよい。エッチングによって３辺から突出させる場合には、金属板とセラミック基板の位置合わせに細心の注意が要る。端子の個数は、２〜５００個程度であり、適切な個数はパワー半導体モジュールの用途によって決まる。
【００１０】
本発明で用いられるセラミックス基板は、窒化アルミニウム又は窒化ケイ素を主体とするものが好ましい。窒化アルミニウムを主体とするものは、曲げ強度、熱伝導率、純度がそれぞれ４００ＭＰａ以上、１５０Ｗ／ｍＫ以上、９３％以上であることが好ましく、また窒化珪素を主体とするものは、それぞれ６００ＭＰａ以上、５０Ｗ／ｍＫ以上、９３％以上であることが好ましい。厚みは０．５〜１．０ｍｍ程度が一般的である。
【００１１】
このような窒化アルミニウム基板は、窒化アルミニウム粉末とアルミナ、イットリア等の焼結助剤とバインダ−とを含む混合物を、また窒化ケイ素基板は、窒化ケイ素粉末とアルミナ、マグネシア、イットリア等の焼結助剤とバインダ−とを含む混合物を、グリーンシートに成形し、脱脂・焼結を行って窒化アルミニウム焼結体又は窒化ケイ素焼結体となし、それを加工することによって製造することができる。また、セラミックス基板の表面性状は重要であり、微少な欠陥や窪み等は、金属板との接合時の接触面積に大きな影響を与えるため、平滑であることが望ましく、ホーニング処理や機械加工等によって研磨処理が行われていることが望ましい。
【００１２】
本発明で用いられる金属回路又は放熱金属板の材質は、銅、ニッケル、アルミニウム、モリブデン等の金属、これらの金属の２種以上からなる積層板、もしくはこれらの金属の２種以上の合金が用いられる。銅板を使用する際には、無酸素銅板、特に酸素量が５０ｐｐｍ以下、特に３０ｐｐｍ以下の無酸素銅板であることが好ましい。金属回路の厚みは０．２〜０．５ｍｍ程度、金属放熱板の厚みは０．１〜０．４ｍｍ程度であることが好ましい。
【００１３】
本発明の回路基板は、たとえば以下のＡ法、Ｂ法によって製造することができる。
【００１４】
Ａ法は、セラミックス基板の表裏面に、金属板を接合材によって接合されてなる接合体を製造する際に、表面金属板をセラミックス基板の少なくとも一辺から突出させて接合した後、表面金属をエッチングして金属回路部と、セラミックス基板の少なくとも一辺から突出させた端子とを一体的に形成させると共に、裏面金属を必要に応じてエッチングして金属放熱板とする製造方法である。
【００１５】
金属板とセラミックス基板からなる接合体を製造する際の接合材としては、合金箔又は活性金属ロウ材ペーストが用いられる。合金箔又は活性金属ロウ材ペーストの金属成分は、Ａｇ成分とＣｕ成分を主成分とし、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。この活性金属成分は、セラミックス基板と反応して酸化物や窒化物を生成させ、それらの生成物がろう材と基板との結合を強固なものにする。活性金属の具体例をあげれば、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖやこれらの化合物である。これらの質量比率としては、Ａｇ８０〜９５部とＣｕ２０〜５部の合計量１００部あたり活性金属１〜７部である。しかし、使用する金属板の種類によっては合金箔又は活性金属ロウ材ペーストの金属成分を変化させることができる。
【００１６】
活性金属ロウ材ペーストは、上記ろう材の金属成分に有機溶剤及び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することによって調製することができる。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、また有機結合剤としては、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使用される。
【００１７】
ペーストの配合の一例を示せば、有機溶剤６０〜７０容量部、ろう材の金属成分３０〜６０容量部及び有機結合剤０〜２０容量部で、これらの合計が１００容量部である。ペーストの粘度としては２０，０００〜１００，０００ｃｐｓ程度である。
【００１８】
ペーストは、セラミックス基板、金属板又はその両方の面に、例えばスクリーン印刷法、ロールコーター法等により塗布される。パワー半導体モジュール用基板では、回路基板の金属放熱板は、セラミックス基板の広さとほぼ同じ広さにして形成されるので、その部分に対してはほぼ全面にペーストが塗布される。勿論、放熱パターン状にして塗布することも可能である。金属回路が形成されるセラミックス基板側においても、全面又は回路パターン状に塗布される。
【００１９】
これに対し、後記Ｂ法のように、エッチング後にセラミックス基板の端部を、好適には分割溝に沿って切除して端子を形成させる方法にあっては、最終的に切除されるセラミックス基板の端部は非接合部となっていることが望ましく、ペーストを塗布しないのがよい。また、金属板面にペーストを塗布する場合には、その金属板が端子となる箇所にはペーストを塗布しないほうが好ましい。すなわち、端子形成部は、所望形状の端子よりも少し大きめの非接合部分とするか、回路パターン状にペースト塗布を行う。非接合部分を端子形状よりも少し大きめにしておかないと、接合工程でろう材のはみ出しが発生した場合にセラミックス基板の端部の切除が容易でなくなる。
【００２０】
ペーストの塗布量としては、ペーストのはみ出しや接合不良等が起こらないように、乾燥塗膜質量４．５〜１５ｍｇ／ｃｍ2程度とするのが望ましい。
【００２１】
接合材に合金箔を用いる場合にも、上記ペーストの場合に準じて取り扱われる。すなわち、金属板を突出させた状態で接合を行う場合はよいが、セラミックス基板の端部が最終的に切除されるＢ法の場合には、端子となる金属板の部分には非接合部分を設けることが望ましいので、金型などで打ち抜いた形状を用いる。合金箔の厚みは１０〜１００μｍが一般的である。
【００２２】
セラミックス基板のほぼ全面に接合材を用いて金属放熱板を形成する場合には、その接合材面を覆うのに十分な広さ、すなわちセラミックス基板面とほぼ同等（同等を含む概念である、以下同じ）又はそれ以上の広さのベタ金属板が配置される。また、金属回路面側には、ほぼ全面又は回路パターン状に接合材を配置してから、セラミックス基板の少なくとも一辺から端子となる部分を突出させて金属板を配置する。一方、後記Ｂ法の場合には、金属放熱板、金属回路板はともにほぼ同等寸法にして、その広さはセラミックス基板とほぼ同等のものが用いられる。なお、Ｂ法において、セラミックス基板に分割溝を施す場合には、回路面、放熱面又はその両面に施される。
【００２３】
セラミックス基板のサイズは、所望する回路基板のサイズに応じて決定される。しかし、後記Ｂ法においては、所望する回路基板サイズよりも端子の長さとほぼ同等（異なってもよい）まで広めたセラミックス基板を用いることが望ましい。
【００２４】
セラミックス基板の少なくとも一辺から、金属回路形成用金属板を突出させた（はみ出させた）状態の接合体を製造するには、接合材を介させたそのような状態の積層体を、Ａｒ、Ｈｅ等の不活性ガス雰囲気下又は真空度１×１０-5〜１×１０-6Ｔｏｒｒの高真空中、８００〜９５０℃の温度で加熱することによって行われる。より強固な接合体を製造するために、加熱は積層体を１．０ＭＰａ以上に加圧しながら行うことが好ましい。また、接合体の残留応力を極力少なくするために加熱後の冷却速度を５℃／分以下、特に２℃／分以下とすることが望ましい。
【００２５】
ついで、接合体の金属回路形成用金属板上に、エッチングレジストを端子付き金属回路パターンに塗布する。この場合において、接合材の配置パターン（接合パターン）を回路パターン又は放熱パターンと同じにしたときは、エッチングレジストパターンは接合パターンとしっかり合わせることが肝要である。エッチングレジストパターンを接合パターンと同じ大きさに形成させた場合には、接合パターンと金属回路とは同形状になる。また、接合パターンと同一形状のエッチングレジストパターンを形成させるとともに、接合材のない端子形成位置に端子形状のエッチングレジストパターンを形成させると、非接合部分を有する端子付き金属回路が形成される。
【００２６】
このような非接合部を有する端子付き金属回路を形成させることの利点は、モジュール構成時に電極等の半田付け工程を省略することができることである。また、通電・停止のヒートサイクルによって発生する金属部の膨張・収縮による回路基板の損傷を防止することができることである。
【００２７】
その後、エッチング処理によって金属板の不要部分を除去した後、エッチングレジスト膜を除去する。セラミックス基板の少なくとも一辺から突出させて接合を行った場合には、エッチング後に所期した端子付き回路基板が得られる。また、後記Ｂ法における好ましい態様例のように、端子の形成部分にまで広めたセラミックス基板を用い、最終的には切除されるセラミックス基板の端部との境界に分割溝をレーザー等により施した場合には、エッチング後に分割溝に沿って切り離すことによって端子付き回路基板が得られる。この切り離しは、板状チョコレートを溝に沿って手で折るかのように、小さい外力を加えることによって容易に行うことができる。
【００２８】
金属板のエッチング液としては、通常、金属種が銅の場合には塩化第二銅溶液、アルミニウムの場合には塩化第二鉄溶液が用いられる。また、エッチングレジストには、アクリル系オリゴマー、アクリル系モノマー、無機顔料を含むものが使用される。
【００２９】
本発明においては、金属回路及び／又は金属放熱板に、ニッケル、金等のメッキを施すことができる。このメッキは任意の段階（工程）で行うことができる。さらには、これらのメッキの施されたあるいは施されていない金属回路及び／又は金属放熱板の表面には、半田レジストをパターン印刷し、それを紫外線や加熱等により硬化させ、所定の半田レジストパターンを形成させることもできる。これらの措置によって、工程処理数が減る。
【００３０】
半田レジストには、半導体素子、電極端子等を半田付けする際の所定位置以外への半田の流れ出しと、それに伴う半導体チップ等の搭載位置ズレを防止する効果がある。したがって、半田レジストは、半導体チップ等の形状、サイズに合わせ、幅１．０ｍｍ程度にして半導体素子の搭載位置の周囲を囲むように塗布することが望ましい。
【００３１】
つぎに、本発明のＢ法による回路基板の製造方法を図面を参照しながら説明する。図２〜図５はＢ法の工程を説明する斜視図であり、符号の５はセラミックス基板に施された分割溝、６は接合材、７は未接合部分、８はエッチングレジスト、９はセラミックス基板の端部である。
【００３２】
Ｂ法は、セラミックス基板１の表裏面に金属板が接合材によって接合されてなる接合体をエッチングして、セラミックス基板の一方の面に端子４付き金属回路２、その反対面に金属放熱板３を形成させた後、セラミックス基板の端部９を切除し、端子４をセラミックス基板１の少なくとも一辺から突出させる方法である。
【００３３】
Ｂ法とＡ法の大きな違いは、端子付き金属回路をエッチングによって形成させることについてはＡ法、Ｂ法も同じであるが、端子４をセラミックス基板１の少なくとも一辺から突出させる手段が、Ｂ法においては、セラミックス基板の端部９の切除によって行われることである。好適には、切除が、セラミックス基板にあらかじめ施された分割溝５に沿って切り離して行われることである。これ以外の手順については、構成材料も含め、Ａ法に準じて行われる。
【００３４】
すなわち、セラミックス基板１に分割溝５をレーザー等により加工してから（図２参照）、端子４となる金属板の部分とセラミックス基板との間に未接合部分７を残して活性金属ロウ材ペースト等の接合材６を配置する（図３参照）。図３では、金属回路形成領域にはベタ接合材が配置されたことを示しているが、回路パターン状等の接合パターンに配置することもできる。また、金属放熱板とセラミックス基板との間にも接合材（図示なし）を配置する。このとき、金属放熱板の大きさはセラミックス基板とほぼ同等のベタ金属板を用いる。
【００３５】
その後、接合材の配置されたセラミックス基板の表裏面にセラミックス基板とほぼ同等寸法の金属板を当接してから加熱を行い、接合体を製造した後、端子付き金属回路パターン状にエッチングレジストを塗布し、また裏面を金属放熱板パターンに塗布してから（図４参照）、エッチングを行う。さらに、セラミックス基板の表面に露出している不要な接合材や反応物等をエッチング除去し、必要に応じてメッキ処理を施す。その後、分割溝５に沿ってセラミックス基板の端部９を切り離し切除することによって（図５参照）、本発明の端子付き回路基板が製造される。
【００３６】
上記Ｂ法において、分割溝５の施されていないセラミックス基板を用いることもでき、その場合のセラミックス基板の端部９の切除は、例えばレーザーやダイサ（円盤状の厚みの一定な砥石を回転させ湿式方によりダイシングを行う装置）等によって行われる。
【００３７】
【実施例】
以下、実施例をあげて更に具体的に本発明を説明する。
【００３８】
窒化アルミニウム粉末に、焼結助剤としてイットリアを５％（質量％）内割り添加し、バインダーとしてメチルセルロース、水を加えてスラリーを調合した。これをシート成形した後、所定のサイズに切り出してグリーンシートを成形した。その後、空気中５００℃で脱脂を行い、続いて窒素雰囲気中、１８５０℃、４時間焼結を行なって、６０×３０×０．６３５ｍｍ（窒化アルミニウム基板Ａ）と６０×６０×０．６３５ｍｍの大きさの異なる二種類の窒化アルミニウム基板（熱伝導率１５０Ｗ／ｍ・Ｋ、３点曲げ強度４００ＭＰａ以上、純度９３％以上）を製造した。６０×６０×０．６３５ｍｍサイズの窒化アルミニウム基板にはレーザーを用い中央部に幅３０ｍｍ、深さ０．１ｍｍの分割溝（図２参照）を加工し、窒化アルミニウム基板Ｂとした。
【００３９】
実施例１
窒化アルミニウム基板Ａの表裏面全面に、活性金属ロウ材ペースト（金属成分は、Ａｇ８０％（質量％以下同じ）、Ｃｕ１５％、Ｔｉ５％）を塗布量９．５ｍｇ／ｃｍ2 で塗布した。その後、金属回路形成側には銅板（６０×６０×０．３ｍｍ）を突出させて配置し、また放熱金属板形成側には銅板（６０×３０×０．１５ｍｍ）を配置してから、真空中、９００℃で圧力２．０ＭＰａで加圧を行いながら加熱し接合体を製造した。
【００４０】
得られた接合体の金属回路形成用銅板には端子（幅５ｍｍ、長さ２５ｍｍ）付き銅回路パターン状に、また銅放熱板形成用銅板には放熱パターンに、エッチングレジストを印刷してから、塩化第二鉄溶液を用いてエッチングした後、更に過酸化水素水とフッ化アンモニウムの混合溶液を用いて不要ろう材等を除去した。これによって、セラミックス基板の長手方向の１辺から幅５ｍｍ、長さ２５ｍｍ、厚み０．３ｍｍの端子を２個持つ端子付き回路基板（図１参照）を製造した。
【００４１】
実施例２
金属回路形成側の窒化アルミニウム基板Ｂの表面に、非接合部分７を残して活性金属ロウ材ペーストを塗布した（図３参照）。また、放熱金属板形成側には全面に塗布した。塗布量はいずれも９．５ｍｇ／ｃｍ2 である。その後、表側には銅板（６０×６０×０．３ｍｍ）、裏側には銅板（６０×６０×０．１５ｍｍ）をセラミックス基板からはみ出させないで配置してから、実施例１と同一条件で加熱し、接合体を製造した。
【００４２】
ついで、得られた接合体の金属回路形成用銅板には端子付き銅回路パターン状に、また銅放熱板形成用銅板には放熱パターンに、エッチングレジストを印刷してから（図４参照）、実施例１と同様にしてエッチングと不要ろう材等の除去を行った後、分割溝５に沿ってセラミックス基板の端部９を切り離し切除した。これによって、セラミックス基板の長手方向の１辺から幅５ｍｍ、長さ２５ｍｍ、厚み０．３ｍｍの端子を２個持つ端子付き回路基板（図１参照）を製造した。
【００４３】
比較例１
金属回路形成用銅板に、端子を有しない銅回路パターンにエッチングレジストを印刷したこと以外は、実施例１と同様にして、端子を有しない回路基板を製造した後、銅回路の長手方向の両隅に銅板電極（５×２５×０．３ｍｍ）を半田付けした。
【００４４】
上記で製造された回路基板を評価するため、回路基板の放熱銅板側にベース銅板（１００×１００×３ｍｍ）を半田付けした後、実施例では端子を、また比較例では銅板電極を該ベース銅板に半田付けをした。この状態で、１２５℃の絶縁油中に５分間放置後、−４５℃の絶縁油中に５分間放置するのを１サイクルとするヒートサイクル試験を２００回行い、基板クラックを測定した。その結果、実施例１では０．２６ｍｍ、実施例２では０．２３ｍｍ、比較例１では３．７２ｍｍであった。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、モジュールとして使用したときに生じる半田クラックや基板クラックの発生を激減することのできる回路基板とその製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の回路基板の実施態様の一例を示す斜視図
【図２】分割溝の加工工程を説明する斜視図
【図３】ペーストの印刷工程を説明する斜視図
【図４】エッチンレジストの印刷工程を説明する斜視図
【図５】セラミックス基板の端部の切除工程を説明する斜視図
【符号の説明】
１  セラミックス基板
２  金属回路
３  金属放熱板
４  端子
５  分割溝
６  接合材
７  非接合部分
８  エッチングレジスト
９  セラミックス基板の端部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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