(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板の片面に金属回路が、その反対面に金属放熱板が接合層を介して形成されてなる回路基板であって、前記金属回路及び又は前記金属放熱板のパターンの凸部コーナ部における曲線に於いて、前記曲線中央部の曲率半径（Ｒc）と直線部からコーナーに入る点の曲率半径（Ｒe）及び前記セラミックス基板端部から前記金属回路までの距離（ｄ）が以下に示す関係を有することを特徴とするパワーモジュール回路基板。
(1)１≦Ｒc≦２ｍｍの時０．１≦Ｒe／Ｒc＜１，ｄ≧２．０ｍｍ
(2)２＜Ｒc≦５ｍｍの時
０．５≦Ｒe／Ｒc≦５，ｄ≧１．０ｍｍ
(3)５＜Ｒc≦１２ｍｍの時
１．０≦Ｒe／Ｒc≦５，ｄ≧０．５ｍｍ
【請求項２】
前記セラミックス基板に窒化アルミニウム焼結体基板または窒化珪素焼結体基板を用いたことを特徴とする請求項１記載のパワーモジュール用回路基板。
【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、特に高出力パワーモジュール用回路基板に関する。
【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を向上しつつ、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、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】
回路基板は、パワーモジュールへの実装工程において高温処理されるため、残存した応力により金属回路及び又は金属放熱板のコーナー部特に金属回路の凸部をなすコーナー近傍のセラミックス基板にクラックが発生し、パワーモジュール使用時に破壊に至る問題がある。特に、最近のパワーモジュールの高出力化に伴いこの問題が顕著になってきている。
【０００５】
この問題を解決するために特開平５−２６８７００号公報では単純な金属回路パターンを有するセラミックス製基板において、回路パターンのコーナー部の「曲率が１００ｍｍ−１以上のアール」を設けることによりコーナー部に熱応力が集中することを回避する試みがなされている。しかるに、同公報による実施例は曲率４ｍｍ−１と２００ｍｍ−１のアールを比較したのみで、「１００ｍｍ−１以上のアール」が妥当である数値的根拠がないばかりでなく、本発明者らの検討においては、コーナー部が曲率４ｍｍ−１（曲率半径０．２５ｍｍ）のアールの場合も良好な熱耐久性が得られなかった。
【０００６】
また、特開平４−１８２３６７号公報では金属とセラミックスを接合してなる基板において、銅板のコーナーに曲率半径０．５〜２．０ｍｍの丸みを有する基板が提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、以上のような方法では、高出力のパワーモジュールに於いてはクラックは依然として発生し、更なる改良が必要とされていた。しかし、単純に曲率を大きくしても、クラックはパターンの直線部から凸部コーナーの曲線部に入る部分でクラックが生じやすくなるという問題がある。又コーナーアールを１２ｍｍ以上と大きくすると、コーナー凸部の形状的特異性は解消され、直線部とほぼ同等の耐熱衝撃性を保有するようになる。しかし小さな回路基板において、凸部コーナーに１２アール以上の大きなアールをつけることは部品の実装性が減少するとともに、放熱面積が減少するために好ましくない。本発明は、上記状況に鑑みてなされたものであり、大幅な回路パターンの変更を必要とせずに、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、信頼性の高い高出力パワーモジュール用回路基板を提供することを目的とする。ここで凸部コーナーとは図１に示すように金属部品のコーナーにおいて角度が１８０度以下のコーナーを云う。
【０００８】
本発明者等は、コーナーアールについて、コーナー入り口部と中央部及び回路の端部とセラミックス基板の端部との距離（ｄ）について検討した。コーナーアールの曲率半径が小の場合は、コーナー中央部でクラックが生じるが、距離（ｄ）を大きくすることにより、クラックは低減する。又コーナ−アールの曲率半径が大の場合は、より厳しい熱衝撃を与えることが必要ではあるが、コーナー入り口部でクラックを生じ易いが、距離（ｄ）は小さく設定できることを見出した。コーナー入り口部と中央部でアールの大きさがなめらかに変化するようにした場合に最も効果的に形状的特異性を緩和できることを見いだし本発明を完成するに至ったものである。
【０００９】
すなわち本発明はセラミックス基板の片面に金属回路が、その反対面に金属放熱板が接合層を介して形成されてなる回路基板であって、前記金属回路及び又は前記金属放熱板のパターンのコーナ部における曲線に於いて、図１（Ａ）の曲線中央部の曲率半径（Ｒc）と図１（Ｂ）の直線部からコーナーに入る点の曲率半径（Ｒe）及び図１（ｄ）のセラミックス基板端部から金属回路までの距離が以下に示す関係を有するパワーモジュール回路基板である。
【００１０】
▲１▼１≦Ｒｃ≦２ｍｍの時
０．１≦Ｒｅ／Ｒｃ＜１，ｄ≧２．０ｍｍ
▲２▼２＜Ｒｃ≦５ｍｍの時
０．５≦Ｒｅ／Ｒｃ≦５，ｄ≧１．０ｍｍ
▲３▼５＜Ｒｃ≦１２ｍｍの時
１．０≦Ｒｅ／Ｒｃ≦５，ｄ≧０．５ｍｍ
【００１１】
更に前記セラミックス基板に窒化アルミニウム焼結体基板または窒化珪素焼結体基板を用いた上記のパワーモジュール用回路基板である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１（Ａ）の曲線中央部の曲率半径（Ｒｃ）が２ｍｍ以下と小さい場合は応力は（Ａ）に集中するが、この時距離（ｄ）を２ｍｍ以上好ましくは２．５ｍｍ以上とする必要がある。２ｍｍより少ない場合は、応力はセラミックス基板端部に達し、端部は同一応力でもクラックを生じやすく、端部で発生したクラックが進展し、回路部まで到達し、電流リークの原因となるからである。コーナー入り口（Ｂ）部の応力は、中央部（Ａ）の応力より小さいため、曲率半径を小さくすることができる、このことにより放熱面積のロスを小さくする為０．１≦Ｒｅ／Ｒｃ＜１とする必要がある。この時曲率半径ＲｅとＲｃはなめらかに接続している必要がある。
【００１３】
Ｒｃが２ｍｍより大きく５ｍｍ以下の場合、クラックはコーナー部の中央（Ａ）又は入り口部（Ｂ）のいずれでも発生し易い。従ってこの場合Ｒｅ／Ｒｃは０．５〜５の範囲である、好ましくは０．７〜３の範囲である。更に詳しく述べれば、Ｒｃ＝Ｒｅ＝３．５前後で（Ａ），（Ｂ）に働く応力はほぼ一致する。従ってＲｃ≧３．５の時、Ｒｅ／Ｒｃは１以上とし、Ｒｃ≦３．５でＲｅ／Ｒｃを１以下となるように設定すれば更に良い。また距離（ｄ）はＲｃが２ｍｍ以下の時と比べ、発生応力が低下するので、回路端部をセラミックス端部により近づけることができるが、１．０ｍｍ以上好ましくは１．５ｍｍとする必要がある。
【００１４】
Ｒｃが５ｍｍより大きい場合は、（Ａ）に比べ（Ｂ）に働く応力の方が大きくＲｅ／Ｒｃは１〜５とする必要がある。好ましくは１．５〜４である。Ｒｃを大きくするにつれ、発生応力はＲｃが５ｍｍ以下の時に比べ、小さくなっているため距離（ｄ）を０．５ｍｍ好ましくは０．８ｍｍまで近づけることができる。Ｒｃを１２ｍｍより大きくした場合、発生する応力は直線部とほぼ同等になるので、コーナー部に生じる特有の応力集中を考慮する必要がない。すなわち距離（ｄ）は使用時の沿面放電等を考慮して決めればよく、直線部と同等の扱いをすることができる。
【００１５】
本発明で使用されるセラミックス基板には特に制限はないが、高出力パワーモジュールの大きな発熱量に於いても良好な放熱性を示すためには、特に熱伝導率が６５Ｗ／ｍＫ以上のものが適している。ここで高出力パワーモジュールとは、半導体チップの発熱量が１００Ｗ以上のものを云う。また、セラミックス基板の曲げ強さについては、回路基板の強さに影響を及ぼすため３５０ＭＰａ以上が好ましい。セラミックス基板の厚みとしては、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。
【００１６】
本発明において、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について説明すると、その材質は、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が用いられる。その金属回路又は金属放熱板の厚みは０．１〜２．０ｍｍが適している。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る。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ＡｇとＣｕを含むろう材である。
【００１７】
本発明の回路基板を製造する方法について一例を挙げて説明する。先ず、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し、次いでそのペースト面を覆うに充分な広さのベタ金属板を接触配置する。ベタ金属板の配置されたセラミックス基板を熱処理して両者の接合体を製造する。このようにして製造された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。このときの回路パターンの構造は本請求項に従う。次いで、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回路基板とする。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。
【００１８】
【実施例】
厚み０．６３５ｍｍの５０ｍｍ×６０ｍｍの窒化アルミニウム焼結体の両面にろう材ペーストを介してＣｕ板を接触配置し、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。この接合体の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を印刷して硬化させた後、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。このようにして窒化アルミニウム回路基板を完成させた。また、窒化アルミニウム焼結体の変わりに窒化珪素焼結体を用いる以外は上記と同様にして窒化珪素回路基板を完成させた。このようにして、表１〜３の実施例、比較例に示すような回路基板を完成させた。
【００１９】
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。Ｒｃが０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の回路基板については、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。
【００２０】
【表１】
0003599517.tif 000002
【００２１】
表１に示す結果から明らかなように、実施例１〜３に示す回路基板は、ヒートサイクル試験３０回後も窒化アルミニウム焼結体基板にクラックは発生しておらず、高い信頼性を有する。更に、実施例４に示す回路基板はヒートサイクル試験１００回後も窒化珪素焼結体基板にクラックは発生しなかった。一方、比較例１〜４に係る回路基板は、ヒートサイクル試験１０回で、比較例５に係る回路基板は、ヒートサイクル試験３０回でクラックが発生し、ヒートサイクル試験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。
【００２２】
Ｒｃが２．０を越え５．０ｍｍ以下の回路基板については、５０回、１００回、１５０回、２００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２に示す。クラックは発生率（％）で示した。
【００２３】
【表２】
0003599517.tif 000003
【００２４】
表２に示す結果から明らかなように、同じＲｃで注目してみると、Ｒｃ＝３．０ｍｍにおいては、実施例５〜７は、ヒートサイクル試験１００回後も窒化アルミニウム焼結体基板にクラックは発生しておらず、高い信頼性を有する。一方、比較例７に係る回路基板は、ヒートサイクル試験５０回で、比較例６に係る回路基板は、ヒートサイクル試験１００回で、クラックが発生し、ヒートサイクル試験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、Ｒｃ＝４．０或いは５．０ｍｍにおいては、実施例８〜１２は、ヒートサイクル試験１５０回後も窒化アルミニウム焼結体基板にクラックは発生しておらず、更に高い信頼性を有する。一方、比較例８〜１０に係る回路基板は、ヒートサイクル試験１５０回でクラックが発生し、ヒートサイクル試験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。更に、実施例１３に示す回路基板はヒートサイクル試験４００回後も窒化珪素焼結体基板にクラックは発生しなかった。
【００２５】
Ｒｃが５．０ｍｍを越え１２ｍｍ以下の回路基板については、５０回、１００回、２００回、４００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３に示す。クラックは発生率（％）で示した。
【００２６】
【表３】
0003599517.tif 000004
【００２７】
表３に示す結果から明らかなように、同じＲｃで注目してみると、Ｒｃ＝６．０ｍｍ或いは９．０ｍｍにおいては、実施例１４、１５、１７、１８は、ヒートサイクル試験２００回後も窒化アルミニウム焼結体基板にクラックは発生しておらず、高い信頼性を有する。一方、比較例１１〜１４に係る回路基板は、ヒートサイクル試験２００回で、クラックが発生し、ヒートサイクル試験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、Ｒｃ＝１２ｍｍにおいては、実施例１９は、ヒートサイクル試験４００回後も窒化アルミニウム焼結体基板にクラックは発生しておらず、更に高い信頼性を有する。一方、比較例１５〜１６に係る回路基板は、ヒートサイクル試験４００回でクラックが発生しており充分な信頼性が得られない。更に、実施例１６に示す回路基板はヒートサイクル試験１０００回後も窒化珪素焼結体基板にクラックは発生しなかった。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、簡易な構造改善を行なうことにより、高い信頼性、放熱性を有する高出力パワーモジュール用回路基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るパワーモジュール用回路基板について、金属回路パターン凸部を模式的に示したものである。
【図２】Ｒｅ＞Ｒｃの時のコーナー部形状例
【符号の説明】
Ａ：凸部コーナーの曲線部の中央
Ｂ：凸部コーナーの曲線部の開始点
ｄ：セラミックス基板端部から金属回路までの距離
Ｒｃ：凸部コーナー曲線部の中央の曲率半径
Ｒｅ：凸部コーナー曲線部の開始点の曲率半径
【図１】
0003599517.tif 000005
【図２】
0003599517.tif 000006