(57)【要約】【課題】廉価で熱伝導率の高い銅製ヒートシンクを使用し、半田クラックを抑制し得るモジュールを提供する。【解決手段】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において、セラミックス基板の外周縁と金属放熱板の外周縁とのマージン幅（金属放熱板側マージン幅という）が、セラミックス基板の外周縁と金属回路の外周縁とのマージン幅（金属回路側マージン幅という）よりも大きく、しかも前記金属放熱板側マージン幅と前記金属回路側マージン幅の何れかが０．３ｍｍ以上３ｍｍ以下であって、しかも、両マージン幅の差が０．５ｍｍ以下であることを特徴とする回路基板を用いる。【選択図】なし【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において、セラミックス基板の外周縁と金属放熱板の外周縁とのマージン幅（金属放熱板側マージン幅という）が、セラミックス基板の外周縁と金属回路の外周縁とのマージン幅（金属回路側マージン幅という）よりも大きく、しかも前記金属放熱板側マージン幅と前記金属回路側マージン幅の何れかが０．３ｍｍ以上３ｍｍ以下であって、しかも、両マージン幅の差が０．５ｍｍ以下である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において、金属放熱板側マージン幅が金属回路側マージン幅より大きく、さらに、金属回路側マージン幅並びに金属放熱板側マージン幅が３ｍｍより大きく２０ｍｍ以下であることを特徴とする回路基板。
【請求項３】
前記の両マージン幅の差が０．１ｍｍ以上２０ｍｍ未満であることを特徴とする請求項２記載の回路基板。
【請求項４】
セラミックス基板に窒化アルミニウム焼結体或い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、請求項２、又は請求項３記載の回路基板。
【請求項５】
請求項１、請求項２、請求項３、又は請求項４記載のセラミックス回路基板の金属放熱板上にヒートシンクを設けたことを特徴とするセラミックス回路基板。
【請求項６】
請求項５記載のセラミックス回路基板を用いてなることを特徴とするパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半田クラックに対する耐久性を向上させた、特に、ＩＣパッケージやＩＧＢＴ、ＧＴＯ等のパワーモジュールに好適なセラミックス回路基板とそれを用いたパワーモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体分野において、ＬＳＩの集積化や高速化がすすむことに加え、ＧＴＯやＩＧＢＴ等のパワーデバイスの用途が拡大することなどの事情から、シリコンチップの発熱量が増加の一途をたどっている。そして、前記パワーモジュールが電気鉄道車両や電気自動車などの長期信頼性が要求される分野に採用されるにつれ、シリコンチップが搭載されている回路基板、あるいは回路基板が搭載されているモジュールの放熱特性が一層重大な関心事となっている。
【０００３】
これらの用途に於いては、半導体素子を搭載したセラミックス回路基板が銅等の熱放散性に優れる金属製ヒートシンクに半田を介して接合されて用いられている。しかし、セラミックス回路基板と金属製ヒートシンクとの熱膨張差が大きいため、前記半導体素子から発生した熱に原因して、セラミックス回路基板とヒートシンクとを接合している半田部に「半田クラック」と呼ばれるクラックを生じさせ、その結果、セラミックス回路基板とヒートシンクとの間の熱の伝導経路を遮断し、その結果、半導体素子の放熱が充分に行われずに前記半導体素子の温度上昇、熱的劣化を生じさせ、機能が停止してしまう問題がある。
【０００４】
半田クラックの発生は電気鉄道車両、電気自動車などの長期的に信頼性を必要とする用途にとっては致命的な欠点であり、放熱特性に優れ、電気的信頼性が大幅に向上したセラミックス回路基板とそれを用いたモジュールが切望されている。
【０００５】
最近、前述の熱膨張差の発生を抑制することを目的に、Ａｌ−ＳｉＣ複合体からなる低熱膨張率のヒートシンクを使用したパワーモジュールが開発され、長期信頼性を必要とするハイブリッドカーや電気鉄道車両などに使用されはじめている。
【０００６】
Ａｌ―ＳｉＣ複合体からなる低熱膨張率のヒートシンクは、パワーモジュールの長期信頼性に対して非常に効果的であり、いろいろな製法によるものが市販されている。例えば、ダイキャスト法（特開平５−５０８３５０号公報）や溶湯鍛造法（「まてりあ」第３６巻、第１号、１９９７年、４０−４６頁）などの高圧鋳造法、或いは、自発浸透法（特開平２−１９７３６８号公報）等が知られている。
【０００７】
しかし、Ａｌ−ＳｉＣ複合体を用いたヒートシンクは、前記のいずれの製法によるものであっても、従来公知の銅製ヒートシンクよりも製造コストが高いという欠点がある。その理由として、Ａｌ−ＳｉＣ複合体の製造法自体から由来する要因や、また板状のヒートシンクとしての寸法的な歩留まり要因などが挙げられるが、いずれせよ従来から使用されている銅板にはコストや寸法精度の点で及ばない。
【０００８】
また、Ａｌ−ＳｉＣ複合体の熱伝導率は、ＳｉＣの含有量に依存するが、約１５０Ｗ／ｍ・Ｋ〜２００Ｗ／ｍ・Ｋ程度であり、銅製ヒートシンクの熱伝導率の約４００Ｗ／ｍ・Ｋに対して約半分以下の低熱伝導率である。従って、半導体素子から発生する熱を効率的にパワーモジュールから外部に逃すには不利であり、パワーモジュールとしての許容電力量が低くなってしまう欠点がある。
【０００９】
前記理由のために、Ａｌ−ＳｉＣ複合体からなるヒートシンクは、その信頼性の高さは認められながらも、使用用途は限定され、銅製ヒートシンクからのＡｌ−ＳｉＣ複合体からなるヒートシンクへの置き換えは進んでいない。特に、廉価であることを要求される汎用品のパワーモジュールについては、銅製ヒートシンクを今後とも用いる趨勢にある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
即ち、廉価で熱伝導率の高い銅製ヒートシンクを使用し、しかも、前記半田クラックを抑制し得るセラミックス回路基板、或いはそれを用いたモジュールが強く望まれているものの、実用的に満足できるものは得られていなかった。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記の事情に鑑み鋭意検討を重ねた結果、セラミックス回路基板の構造を特定のものとすることにより、耐半田クラック性を大幅に向上することができることを実験的に見出し、本発明に至ったものである。
【００１２】
即ち、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において、セラミックス基板の外周縁と金属放熱板の外周縁とのマージン幅（金属放熱板側マージン幅という）が、セラミックス基板の外周縁と金属回路の外周縁とのマージン幅（金属回路側マージン幅という）よりも大きく、しかも前記金属放熱板側マージン幅と前記金属回路側マージン幅の何れかが０．３ｍｍ以上３ｍｍ以下であって、しかも、両マージン幅の差が０．５ｍｍ以下であることを特徴とする回路基板である。
【００１３】
さらに本発明は、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において、金属放熱板側マージン幅が金属回路側マージン幅より大きく、さらに、金属回路側マージン幅並びに金属放熱板側マージン幅が３ｍｍより大きく２０ｍｍ以下であることを特徴とする回路基板である。
【００１４】
さらに本発明は、前記の両マージン幅の差が０．１ｍｍ以上２０ｍｍ未満であることを特徴とする前記の回路基板である。
【００１５】
また本発明は、セラミックス基板に窒化アルミニウム焼結体或いは窒化珪素焼結体基板を用いたことを特徴とする前記の回路基板である。
【００１６】
加えて、前記のセラミックス回路基板の放熱金属板上にヒートシンクを設けたことを特徴とするセラミックス回路基板、更に、前記の回路基板を用いてなることを特徴とするパワーモジュールも本発明である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明のセラミックス回路基板は、図１、図２、図３、並びに図４に例示したとおりに、セラミックス基板１の表裏に金属板２、３が接合され、片面（表面）の金属板２は、パターニングされ回路として使用され、他の片面（裏面）の金属板３は、金属放熱板として使用される。また、必要応じて、ヒートシンクと呼ばれる放熱部材４に半田５を介して接合された構造を有している。
【００１８】
本発明においては、セラミックス基板の外周縁と金属放熱板外周縁とのマージン幅（放熱板側マージン幅）ｂが、セラミックス基板の外周縁と金属回路外周縁とのマージン幅（金属回路側マージン幅）ａより大きい。本発明者は、前記目的を達成するべくいろいろ実験的検討を重ねた結果、前記特定な構造に加えて、放熱板側マージン幅と金属回路側マージン幅のいずれかが０．３ｍｍ以上３ｍｍ以下であって、しかも、両マージン幅の差が０．５ｍｍ以下である場合、或いは、金属回路側マージン幅並びに金属放熱板側マージン幅が３ｍｍより大きく２０ｍｍ以下である場合に、銅などのヒートシンクを半田接合した場合に耐半田クラック性が極めて優れる回路基板が得られるという知見を得て、本発明に至ったものである。
【００１９】
なお、本発明は、セラミックス基板の強度が２５０ＭＰａ以上の場合に、特に有効である。なぜなら、セラミックスの強度が２５０ＭＰａを下回る場合には、半田クラックの発生よりも、セラミックス割れの方が発生し易いからである。
【００２０】
前記構造を採用するときに耐半田クラック性が優れるという理由は明らかではないが、本発明者らは以下のように推察している。即ち、従来のセラミックス回路基板は、セラミックス基板の外周縁と金属回路外周縁とのマージン幅ａが、セラミックス基板の外周縁と金属放熱板外周縁とのマージン幅ｂと等しいか、ｂよりも大きい構造を採用している（図５）。このため、従来のセラミックス回路基板では、セラミックス回路基板と金属製ヒートシンクとの熱膨張差に起因する応力が、半田内部に集中的に加わるため、半田クラックを発生しやすい。
【００２１】
これに対して、本発明のセラミックス回路基板では、セラミックス基板の外周縁と金属放熱板外周縁とのマージン幅ｂが、セラミックス基板の外周縁と金属回路外周縁とのマージン幅ａより大きいことにより、応力の一部を放熱金属板３とセラミックス基板１の接合部分に分担させるようになり、半田に加わる応力集中を緩和させることができ、その結果、半田クラックに対する耐久性を向上させることができるものである。そして、放熱板側マージン幅と金属回路側マージン幅のいずれかが０．３ｍｍ以上３ｍｍ以下であって、しかも、両マージン幅の差が０．５ｍｍ以下である場合、或いは、金属回路側マージン幅並びに金属放熱板側マージン幅が３ｍｍより大きく２０ｍｍ以下である場合に、前記効果が一層顕著になると推測される。
【００２２】
本発明者等は、各種数値解析を行った結果をもとに、セラミックス回路基板の回路と金属放熱板の外周縁の位置関係とセラミックス回路基板と銅などのヒートシンクを半田接合した後のヒートサイクル時における半田クラックの発生度合いについて実験を行なって調べた。その結果、図２の回路基板断面図に例示するとおりに、金属放熱板側マージン幅ｂが、金属回路側マージン幅ａよりも大きくなるとき、ヒートサイクル試験時の耐半田クラック性に優れていることを見出し本発明に到達したものである。
【００２３】
更に詳述すれば、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いる回路基板において、図３に例示すように、金属回路及び金属放熱板の外周縁のなす線を平面図で表した場合、金属放熱板の外周縁のなす線が、金属回路の外周縁よりも内側になるように、特定の量をずらして、金属回路と金属放熱板をセラミックス基板上に配置した回路基板とする事である。
【００２４】
この時、それぞれのマージン幅は０．３ｍｍ以上２０ｍｍ以下としておくことが重要である。マージン幅の何れかが０．３ｍｍより小さくなると沿面放電を生じやすくなり、また２０ｍｍを越えて大きくするにつれ、必要なセラミックス基板のサイズも大型化する必要があり、不経済であると同時に、大型化による半田接合面積の増大も招き、セラミックス割れや半田クラックを発生する危険性が高くなるからである。
【００２５】
さらに、金属回路側及び金属放熱板側マージン幅の差は、０．１ｍｍ以上にすることが重要である。マージン幅の差が０．１ｍｍより小さくなると、耐半田クラック性向上効果がないため適当でない。また、上限はマージン幅が２０ｍｍ以下であるから２０ｍｍを越える事はない。
【００２６】
また、前記マージン幅の差は、金属放熱板の全周囲で完全に達成されている必要はなく、その一部が達成されていれば十分である。すなわち図４に示すように、回路のコーナー部などの残留応力が残りやすい部分で達成されていればよく、金属放熱板の外周の全長さの２０％以上が本発明の請求範囲を満足していればよい。
【００２７】
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が、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５×１０−６１／℃以下と小さく、銅等のヒートシンクとの熱膨張係数差が大きいため、接合に用いる半田にかかる負荷が大きい為、本発明による半田クラック防止効果が大きい。
【００２８】
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６５Ｗ／ｍ・Ｋ以上のものが適している。また、セラミックス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２５０ＭＰａ以上のものが適当である。
【００２９】
本発明のセラミックス基板に用いられる接合層はろう材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は、例えば金属回路又は金属放熱板の材質が銅である場合、銀もしくは銀と銅を含むろう材である。セラミックス基板が非酸化物セラミックスの基板である場合には、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等の活性金属を含むものが好ましい。
【００３０】
セラミックス基板上に形成される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を用いる事が出来る。
【００３１】
また、ヒートシンクなどの放熱部材は、前記したとおりに、熱伝導性に優れる銅が用いられることが多く、放熱部材と放熱金属板との接合用金属としても銅が好ましく使用されるが、本発明においては、これに限定されるものでなく、本発明の効果を阻害しない限り、アルミニウム、タングステン、モリブデン等の金属、もしくは前述の金属−セラミックス複合材などを用いることも出来る。
【００３２】
本発明のセラミックス回路基板を得る方法としては、従来公知の方法を組み合わせて得ることができるが、次に例示する、ろう材を介して金属回路及び金属放熱板をセラミックス基板に接合する方法を用いれば、作製しやすく、更に、従来の基板寸法やプロセスを用いることができる。
【００３３】
即ち、セラミックス基板の表面全体にＡｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｃｕなどの金属のうちの幾つか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十分な広さの金属板を接触配置する。金属回路及び金属放熱板の材質に応じて、必要ならば、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ等の活性金属を含むことができる。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。接合の方法に関しては、従来公知の方法で加熱し、前記ろう材を溶融、反応させて、セラミックス基板と金属板とを接合する。
【００３４】
次いで、回路用金属板、金属放熱板にエッチングレジスト膜を被せ、エッチング処理により、パターン外の不要な金属やろう材等を除去して、回路形成、金属放熱板の寸法調整を行うことで、本発明にかかるセラミックス回路基板を容易に得ることが出来る。このときの金属回路及び金属放熱板の外周縁の構造は本請求項に従う。
【００３５】
その後、エッチングレジスト膜を除去して、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。
【００３６】
また、本発明は、前記のセラミックス回路基板の金属放熱板上にヒートシンクを設けたことを特徴とするセラミックス回路基板である。前記セラミックス回路基板の有する耐半田クラック性がそのままに反映されるので、半導体部品を搭載し、ワイヤーボンディング等の回路形成するのみで、半田クラックが生じ難い、その結果信頼性に富むパワーモジュールを簡単に得ることができる。
【００３７】
加えて、本発明は、前記のセラミックス回路基板を用いてなることを特徴とするパワーモジュールである。前記特徴のあるセラミックス回路基板を用いているので、耐半田クラック性に優れ、信頼性の高い特徴を有する。
【００３８】
【実施例】
（実施例１〜７、比較例１〜６）
銀粉末７５質量部、銅粉末２５質量部、ジルコニウム粉末１５質量部、テルピネオール１５質量部、及び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質量部加えて良く混練し、ろう材ペーストを調整した。このろう材ペーストを厚み０．３２ｍｍ或いは厚み０．６３５ｍｍの６０×５０ｍｍの窒化珪素焼結体の両面にスクリーン印刷法により塗布した。その際の塗布量（乾燥後）は６〜８ｍｇ／ｃｍ２とした。
【００３９】
ろう材ペーストが全面に塗布された窒化珪素の表面側に大きさ６０×５０ｍｍの無酸素銅板（厚み：金属回路用銅板については０．３ｍｍ或いは０．４ｍｍ或いは０．６ｍｍ、金属放熱用銅板については０．１５ｍｍ或いは０．２５ｍｍ或いは０．３ｍｍ）を接触配置した。これを、圧力１×１０−３Ｐａ以下の真空下、９００℃で３０分加熱した後、炉冷し、接合体を作製した。
【００４０】
前記接合体の銅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で塗布、硬化させ、塩化第２鉄水溶液を用いてエッチング処理を行なうことにより、パターン外の不要な銅を除去し、回路及び放熱板を形成した。さらに、銅回路間には不要なろう材や活性金属成分と窒化珪素の反応生成物が残留するので、温度６０℃、１０質量％フッ化アンモニウム水溶液に１０分間浸漬して、前記残留物を除去し、セラミックス回路基板を作製した。
【００４１】
以上のようにして、表１の実施例１〜５、比較例１〜５に示す窒化珪素回路基板を完成させた。実施例６、７及び比較例６の試料については、セラミックス基板として窒化アルミニウム焼結体を用いた以外は前記に示した方法で試料を得た。
【００４２】
これらのセラミックス回路基板各々について、９０×８０×３ｍｍの銅板中央部に鉛−錫共晶半田（実施例１、２、３、４、６、比較例１、２、３、４、６）あるいは、錫−銀−銅半田（実施例５、７、比較例５）を用い、２３０℃の温度でリフローにより半田付けを行ない一体構造とし、モジュールを作製した。これらのモジュールについて、ヒートサイクル試験を行なった。
【００４３】
ヒートサイクル試験は気相中において−４０℃で３０分保持した後に室温で１０分放置し、次に気相中１２５℃で３０分保持した後に室温で１０分放置することを１回とした。この試験を１００、３００、５００回経過させた後に、超音波映像探査装置（日立建機製ｍｉ−ｓｃｏｐｅ）を用いて、セラミックス回路基板と銅製ヒートシンクとの間に存在する半田のクラック発生状態を調べた。各々の結果を表１に示す。
【００４４】
【表１】
2004055576.tif 000002
【００４５】
表１に示す結果から明らかなように、実施例１〜７に示す回路基板を用いたモジュールは、ヒートサイクル試験５００回経過後も半田接合部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。
【００４６】
一方、比較例１〜６に係る回路基板を用いたモジュールは、ヒートサイクル試験３００回後に部分的にクラックが認められ、５００回後にはかなりの部分にクラック、剥離が認められたため、充分な信頼性が得られない。
【００４７】
【発明の効果】
本発明のセラミックス回路基板は、熱サイクル時に発生するセラミックス回路基板と金属製ヒートシンクとの間に発生しがちな半田クラックを大幅に抑制しているという特徴を有し、産業上非常に有用なものである。また、該セラミックス回路基板を用いたパワーモジュールは、安価で放熱性が高い金属製ヒートシンク用いながらも、熱サイクルを被る実使用条件下での信頼性が大幅に向上しているという特徴があり、産業上非常に有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る回路基板の一例の断面図。
【図２】本発明に係る回路基板の他の一例の断面図。
【図３】本発明に係る回路基板の他の一例の平面図。
【図４】本発明に係る回路基板の他の一例の平面図。
【図５】従来の回路基板の平面図。
【符号の説明】
１　セラミックス基板
２　金属板（金属回路）
３　金属板（金属放熱板）
４　放熱部材（ヒートシンク）
５　半田
６　半導体部品
ａ　金属回路の外周縁とセラミックス基板の外周縁とのマージン幅
（金属回路側マージン幅）
ｂ　金属放熱板の外周縁とセラミックス基板の外周縁とのマージン幅
（放熱板側マージン幅）
【図１】
2004055576.tif 000003
【図２】
2004055576.tif 000004
【図３】
2004055576.tif 000005
【図４】
2004055576.tif 000006
【図５】
2004055576.tif 000007