(57)【要約】【課題】安価かつ安定に電気的信頼性の高い回路基板を提供すること。【解決手段】セラミックス基板（１）の表面に回路（２）、裏面に放熱板（３）が形成されてなる回路基板において、回路又は放熱板とセラミックス基板とが接している回路及び放熱板の周囲底部には、幅（Ｗ）１〜１００μm、長さ（Ｌ）１００μm以上、かつＬ／Ｗ≧２の突起状（４１）・窪み状（４２）等の変形部（４）がないことを特徴とする回路基板及びその製造方法。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板（１）の表面に回路（２）、裏面に放熱板（３）が形成されてなる回路基板において、回路又は放熱板とセラミックス基板とが接している回路及び放熱板の周囲底部には、幅（Ｗ）１〜１００μm、長さ（Ｌ）１００μm以上、Ｌ／Ｗ≧２である突起状（４１）・窪み状（４２）等の変形部（４）がないことを特徴とする回路基板。
【請求項２】
セラミックス基板の材質が窒化アルミニウム又は窒化ケイ素であり、回路及び放熱板が銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金の単体、又はそれを一層として含む積層体であり、回路及び放熱板の沿面距離が１ｍｍ以上で、両者の差が１ｍｍ以下（０を含む）であることを特徴とする請求項１記載の回路基板。   
【請求項３】
セラミックス基板（１）の表面に回路（２）、裏面に放熱板（３）が形成されてなる回路基板において、回路又は放熱板とセラミックス基板とが接している回路及び放熱板の周囲底部には、幅（Ｗ）１〜１００μm、長さ（Ｌ）１００μm以上、Ｌ／Ｗ≧２である突起状（４１）・窪み状（４２）等の変形部（４）がないことを特徴とする部分放電難発生性を有する回路基板の製造方法。
（部分放電難発生性の定義）
市販の部分放電測定システム「ＤＡＣ−６０１８」を用い、フロリナート中、９ｋＶでの放電電荷を測定した結果、放電電荷が１０ｐＣ未満であるとき、部分放電難発生性を有するとする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーモジュール等に使用される、部分放電の発生し難い回路基板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、パワーモジュール等に利用される半導体装置においては、アルミナ、ベリリア、窒化ケイ素、窒化アルミニウム等のセラミックス基板の表面と裏面に、Ｃｕ、Ａｌ、それらの金属を成分とする合金等の回路と放熱板とがそれぞれ形成されてなる回路基板が用いられている。このような回路基板は、樹脂と金属との複合基板又は樹脂基板よりも、高絶縁性が安定して得られることが特長である。
【０００３】
セラミックス基板と回路又は放熱板の接合方法としては、大別してろう材を用いたろう付け法と、ろう材を用いない方法がある。後者の代表的な例は、タフピッチ銅板とアルミナをＣｕ−Ｏの共晶点を利用して接合するＤＢＣ法である。
【０００４】
回路基板の使用される電圧は、１．２〜１．５kV程度から、３．３〜４．５kV、更には６〜１０kVへと著しく高められてきており、回路基板にも電気的信頼性が求められるようになってきた。ここで、電気的信頼性とは、高電圧下における耐絶縁性と部分放電の難発生性のことである。耐絶縁性については、窒化アルミニウム基板又は窒化ケイ素基板を用いることによって対応することができるが、部分放電難発生性に対しては、１０pC以下の非常に小さな放電電荷が要求されており、まだ十分な解決法はないのが現状である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
部分放電の難発生性は、セラミックス基板の絶縁性のみで解決できる問題ではなく、放電する回路との関わりが重要である。セラミックス基板に徒に高絶縁性を求めるのではなく、放電部位、すなわち電界集中部をなくすことが最も現実的かつ重要な解決方法である。
【０００６】
このような観点からのアプローチは、当該技術分野においてはむしろ常識とも言えるが、その具体的な方策として、実際の回路基板について、どの因子をどこまで制御したらよいかについては、よく知られていない。
【０００７】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、パワーモジュール用回路基板の電気的信頼性を高めることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
すなわち、本発明は、セラミックス基板（１）の表面に回路（２）、裏面に放熱板（３）が形成されてなる回路基板において、回路又は放熱板とセラミックス基板とが接している回路及び放熱板の周囲底部には、幅（Ｗ）１〜１００μm、長さ（Ｌ）１００μm以上、Ｌ／Ｗ≧２である突起状（４１）・窪み状（４２）等の変形部（４）がないことを特徴とする回路基板である。更に、本発明は、この回路基板において、セラミックス基板の材質が窒化アルミニウム又は窒化ケイ素であり、回路及び放熱板が銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金の単体、又はそれを一層として含む積層体であり、回路及び放熱板の沿面距離が１ｍｍ以上で、両者の差が１ｍｍ以下（０を含む）であることを特徴とする回路基板である。
【０００９】
さらに、セラミックス基板（１）の表面に回路（２）、裏面に放熱板（３）が形成されてなる回路基板において、回路又は放熱板とセラミックス基板とが接している回路及び放熱板の周囲底部には、幅（Ｗ）１〜１００μm、長さ（Ｌ）１００μm以上、Ｌ／Ｗ≧２である突起状（４１）・窪み状（４２）等の変形部（４）がないことを特徴とする部分放電難発生性を有する回路基板の製造方法である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、安価かつ安定に電気的信頼性の高い回路基板が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら更に詳しく本発明を説明する。図１は、本発明の回路基板を説明するための斜視図であり、図２は、変形部の幅（Ｗ）と長さ（Ｌ）を測定するための説明図である。
【００１２】
本発明で使用されるセラミックス基板（１）としては、アルミナ、ベリリア、炭化珪素、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等である。これらの中で、高信頼性が求められるパワーモジュールには、少なくとも７０W/mK以上の熱伝導率を有する窒化アルミニウムや窒化ケイ素が好適である。炭化珪素、酸化ベリリウム等の材質でもよいが、絶縁性と安全性の点で劣る。また、セラミックス基板の厚みは、通常０．６３５ｍｍであるが、０．５〜０．３ｍｍ程度の薄物でもよい。しかし、高電圧下での絶縁耐圧や部分放電難発生性を著しく高めたいときには、１〜３ｍｍの厚物を用いることが好ましい。
【００１３】
また、本発明で使用される回路（２）及び放熱板（３）の材質としては、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等であり、これらの単体ないしはこれを一層として含むクラッド等の積層体の形態で用いられる。また、回路及び放熱板の厚みは、通常０．３〜０．５ｍｍである。
【００１４】
セラミックス基板に回路及び放熱板を形成させるには、金属板とセラミックス基板とを接合した後、エッチングする方法、金属板から打ち抜かれた回路及び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。
【００１５】
セラミックス基板に金属板又はパターンを接合するに際し、金属が銅又は銅合金である場合は、活性金属ろう付け法（例えば、特開平１−３３９８９号公報等参照）が好都合である。一方、金属がアルミニウム又はアルミニウム合金である場合は、Ａｌ−Ｃｕ系合金、Ａｌ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｇｅ系等の接合材を用いて接合することができるが、Ａｌ−Ｃｕ系合金を使用することが望ましい。その理由は、次のとおりである。
【００１６】
まず、Ａｌ−Ｃｕ系合金は、Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、あるいはこれらにＭｇを加えた系に比べて、高力Ａｌ合金や耐熱Ａｌ合金として広く普及しており、箔化も容易であることからコスト的にも有利であることである。
【００１７】
更には、Ａｌ−Ｃｕ系合金は、ＳｉやＧｅに比べてＣｕがＡｌ中に均一に拡散し易いため、局部的な溶融が生じたり、余分なろう材が押し出されてハミダシが生じ難く、比較的短時間で安定した接合が可能となるからである。
【００１８】
Ａｌ−Ｃｕ系合金は、Ａｌ、Ｃｕの二成分合金はもとより、その他の成分を含んでいてもよい。例えば、Ａｌ、Ｃｕ以外に、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｂｉ等の成分を合計で５重量％程度以下を含んでいてもよい。
【００１９】
また、Ａｌ−Ｃｕ系合金のＣｕの割合は、１〜６重量%であることが好ましい。１重量％未満では、接合温度が高くなってＡｌの融点に近くなってしまい、また６重量%超では、接合後のろう材の拡散部が特に硬くなって回路基板の熱履歴に対して不利となる。好ましくは１．５〜５重量%である。
【００２０】
Ａｌ−Ｃｕ系合金は、箔又は粉末として使用することができるが、箔が好ましく、特に回路の厚みに対し１/１０〜１/５０の厚みであることが好ましい。１/５０未満では、十分な接合が難しくなり、また１/１０超では回路が硬くなり回路基板の熱履歴に対して不利となる。特に好ましくは、１００μｍ以下の厚みであって、しかも回路の厚みに対して１/１２〜１/４０の厚みである。
【００２１】
Ａｌ−Ｃｕ系合金を接合材として用いた場合の接合温度は、５４０〜６４０℃であるが、接合材の組成によって適正範囲は異なる。Zn、Ｉｎ等の比較的低融点成分が添加されていたり、ＣｕやＭｇ等の含有量が比較的多い場合には、６００℃以下でも十分接合できる。接合温度が６４０℃をこえると、接合時にろう接欠陥が生じ易くなるので、好ましくない。
【００２２】
また、接合時にセラミックス基板面と垂直方向に１〜５０kgf/cm2で加圧することが特に好ましい。通常、回路基板の製造においては、金属板とセラミックス基板の接合時に重しを載せて加圧することが行われているが、その圧力はせいぜい０．１kgf/cm2程度である。この程度の圧力では、セラミックス基板の比較的緩やかな反りやうねりにしか金属板は追随できない。これに対し、本発明においては、１〜５０kgf/cm2と従来技術では非常識な高い圧力をかけることが好ましい。これによって、セラミックス基板に特に厳しい平滑度や平面度を求めることなく、通常のレベルのものでもそのまま使用することができ、生産性が向上する。
【００２３】
Ａｌ又はＡｌ合金等は、３００〜３５０℃で焼き鈍しすることからもわかるように、５００℃以上では非常に柔らかい金属となる。従って、この範囲で加圧することによってろう接欠陥部（回路又は放熱板に生じた虫食い現象）は押しつぶされてなくなる。特に、ろう接欠陥部を排除することを重要視する場合には、接合後に４００℃以上の温度で加圧しながら再加熱するか、又は接合後の冷却中に少なくとも４００℃以上の温度範囲で加圧する。
【００２４】
加圧方向はセラミックス基板に垂直な方向であり、その方法等は特に限定するものではない。重しを載せる方法、治具等を用いて機械的に挟み込む方法等が採用される。
【００２５】
接合材を用いる場合は、セラミックス基板側、金属板、又は回路ないしは放熱板のパターン側のどちらに配置してもよく、また合金箔は、あらかじめ金属板又は回路ないしは放熱板のパターンと積層化しておいてもよい。ＤＢＣ法では、接合材は必要でない。
【００２６】
本発明は、このような回路基板において、高電圧下におかれても部分放電の発生を著しく少なくするために、セラミックス基板に形成された回路と放熱板の周囲底部に、本発明で定義された突起状（４１）・窪み状（４２）等のいかなる変形部（４）をも形成させないことが特徴である。
【００２７】
本発明者の検討によれば、部分放電の発生部位は、セラミックス基板と回路及び放熱板とが接している周囲にあって、直線性ないしは平面性の乱れている部分に起こることがわかっている。これは、直線性ないしは平面性の乱れた部分では、いわゆる避雷針効果によって電界集中が生じるためであると推察される。従って、鋭く長い突起（４１）や、窪み（４２）が多いほど部分放電が発生しやすい。このような変形部（４）を回路及び放熱板の周囲底部からなくすことによって、放電電荷を１０pC以下程度に抑制することができるようになったものである。
【００２８】
本発明において、「変形部」とは、セラミックス基板と回路又は放熱板とが接している回路及び放熱板の周囲底部に形成された、幅（Ｗ）１〜１００μm、長さ（Ｌ）１００μm以上、かつＬ／Ｗ≧２の突起状・窪み状等の変形部のことであり、周辺部と比べて相対的に直線性ないしは平面性の乱れている部分であると定義される。
【００２９】
図１〜２には、変形部（４）の一例として、突起状変形部（４１）と窪み状変形部（４２）を示した。本発明の回路基板が、接合材を用いて回路及び放熱板が形成されているときや、あるいは回路や放熱板に更にメッキが施されているときには、それらの接合層とメッキ層には上記した変形部を有させないようにしなければならない。
【００３０】
図２は、変形部の幅（Ｗ）と長さ（Ｌ）を測定するための説明図である。本発明において重要なことは、変形部の幅、すなわち回路及び放熱板の底部における非直線性の部分と、その長さ、すなわち突起状の場合は突起部の長さであり、窪み状の場合は窪みの深さである。変形部の高さについては、セラミックス基板と回路又は放熱板とが接している回路及び放熱板の周囲底部に少なくとも形成されていると、高電圧下において、部分放電が発生しやすくなる。
【００３１】
本発明で定義された変形部を有する現状の回路基板では、１．２〜１．５kV程度の電圧下では殆ど実害を生じない。しかしながら、今日、要求されている３．３〜４．５kV、更には６〜１０kVでは、回路基板が変形部を有すると、部分放電が発生するようになる。
【００３２】
本発明の回路基板においては、回路及び放熱板の沿面距離が１ｍｍ以上で、両者の差が１ｍｍ以下（０を含む）であることが好ましい。沿面距離が大きい程、部分放電が発生し難いが、あまり大きいと、回路基板のサイズが大きくなってしまう。ここで、「沿面距離」とは、回路又は放熱板のパターンの端部からセラミックスの端部までの最短距離のことである。
【００３３】
沿面距離の差が小さくなると、端部での電界強度が小さくなって部分放電は発生し難くなるが、逆に沿面距離の差が１ｍｍ超であると、電界強度が高くなり、部分放電が発生しやすくなる。好ましい沿面距離の差は０．８ｍｍ以下であり、０ｍｍが最適である。
【００３４】
本発明のように、回路及び放熱板の周囲部に変形部を有さない回路基板を製造するには、セラミックス基板と回路及び放熱板とが均一かつ十分に接合されていることが重要である。それには、上記した製造技術を基本とするが、以下、更に説明する。
【００３５】
窒化アルミニウム基板にＡｌ回路及びＡｌ放熱板を形成させた回路基板の場合には、接合材として、２０１７合金のようなＡｌ−Ｃｕ系合金箔を用い、それを窒化アルミニウム基板の両面に配置し、更にその上にＡｌ板を積層する。この積層体を加圧しながら、Ａｌの融点（６６０℃）よりも低い６２０℃程度で加熱する。これによって、接合不良やろう接欠陥をなくして接合体を製造することができる。この接合体をエッチングして回路と放熱板を形成させる。
【００３６】
また、窒化ケイ素基板にＣｕ回路及びＣｕ放熱板を形成させた回路基板の場合には、Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉの合金箔又はペースト接合材として用い、その積層体を加圧下、８１５℃程度の温度で加熱して接合体を得、それをエッチングすることによって製造することができる。
【実施例】
【００３７】
以下、実施例と比較例をあげて更に具体的に本発明を説明する。
（実施例１〜５  比較例１〜３）
使用したセラミックス基板は、表１に示す各厚みのもので、大きさは２インチ角である。熱伝導率は、窒化アルミニウム基板が１７０W/mK、窒化ケイ素基板が７０W/mKであり、３点曲げ強度は、窒化アルミニウム基板が４００MPa、窒化ケイ素基板が８００MPaである。回路及び放熱板を形成させるための金属板は、厚み０．４ｍｍのＡｌ(＞９９．９%)、厚さ０．３ｍｍの無酸素銅(Ｃ１０２０)、又は厚さ０．３ｍｍの無酸素銅と０．０２ｍｍのＮｉ箔のクラッドである。また、接合材は、Ａｌ−４%Ｃｕ合金箔、Ａｌ−７%Ｓｉ合金ペースト、Ａｇ−２５%Ｃｕ−２．５%Ｔｉ合金箔、Ａｇ−２０％Ｃｕ−５%ＴｉＨ２ペーストを用い、接合時の加圧力と温度を表１に示した。
【００３８】
セラミックス基板と金属板とを接合材を介して重ね、カーボン板(厚さ３ｍｍ)に挟んでホットプレス装置によりセラミックス基板と垂直方向に均等に加圧しながら加熱し、サンドイッチ構造の接合体を製造した。次いで、エッチングレジストを、表２に示されるような、（a）０．８ｍｍ、(b)１．５ｍｍ、又は（ｃ）２．３ｍｍの沿面距離となるように塗布した後、ＦeＣｌ３液でエッチングした。
【００３９】
実施例２、３では、活性金属を用いて接合しているため、エッチング後の白板表面に活性金属残りがないように２０％ＮＨ４Ｆ−１５％Ｈ２Ｏ２混合温液(３５℃)を１０分間吹き付けた。各試料は、無電解Ｎｉ−Ｐメッキを約３μm施して回路基板とした。
【００４０】
得られた回路基板について、最大の突起状変形部と最大の窪み状変形部の幅（Ｗ）と長さ（Ｌ）を顕微鏡で６０倍に拡大して観察した。次いで、市販の部分放電測定システム「ＤＡＣ―６０１８」を用い、フロリナート中、９kVでの放電電荷を測定した。それらの結果を表２に示す。
【００４１】
【表１】
2006229247.tif 000003
【００４２】
【表２】
2006229247.tif 000004
【００４３】
表１、２に明らかなように、本発明の実施例はいずれも９kVでの放電電荷は１０pC未満であり、電気的信頼性の高い回路基板が得られたのに対し、比較例では、放電電荷が大きく、高電圧での実用には耐え得ないものであった。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の回路基板を説明するための斜視図。
【図２】変形部の幅（Ｗ）と長さ（Ｌ）を測定するための説明図。
【符号の説明】
【００４５】
１  セラミックス基板
２  回路
３  放熱板
４  変形部
４１  突起状変形部
４２  窪み状変形部
【図１】
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【図２】
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