(57)【要約】【課題】電子部品のパワーモジュールに好適な高信頼性の基板（回路基板、放熱基板等の電子部品用基板）を提供すること。【解決手段】セラミックス基板の一方の面に金属回路、他方の面に金属放熱板が設けられてなるものであって、金属回路、若しくは金属回路と金属放熱板の外周から０．５ｍｍ未満までの縁面に不連続面を形成させてなり、金属回路の外周から１ｍｍまでの金属体積に対する、外周から０．５ｍｍまでの金属体積の百分率が７〜４１％であり、空気中、−４０℃×１５分、２５℃×１５分、１２５℃×１０分、２５℃×１５分を１サイクルとするヒートサイクル試験において、金属回路又は金属放熱板が剥離するサイクル数が１７００回以上であることを特徴とする基板である。【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板の一方の面に金属回路、他方の面に金属放熱板が設けられてなるものであって、金属回路、若しくは金属回路と金属放熱板の外周から０．５ｍｍ未満までの縁面に不連続面を形成させてなり、金属回路の外周から１ｍｍまでの金属体積に対する、外周から０．５ｍｍまでの金属体積の百分率が７〜４１％であり、空気中、−４０℃×１５分、２５℃×１５分、１２５℃×１０分、２５℃×１５分を１サイクルとするヒートサイクル試験において、金属回路又は金属放熱板が剥離するサイクル数が１７００回以上であることを特徴とする基板。
【請求項２】
上記外周から０．５ｍｍ未満までの縁面が、薄肉形状であることを特徴とする請求項１記載の基板。
【請求項３】
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、金属回路及び／又は金属放熱板の材質が銅、銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金であり、それらは活性金属を含むろう材により接合されてなるものであることを特徴とする請求項１又は２記載の基板。
【請求項４】
font-family:"ＭＳ 明朝"'>セラミックス基板の一方の面に金属回路、他方の面に金属放熱板が設けられてなるものであって、金属回路、若しくは金属回路と金属放熱板の外周から０．５ｍｍ未満までの縁面に不連続面を形成させてなり、金属回路の外周から１ｍｍまでの金属体積に対する、外周から０．５ｍｍまでの金属体積の百分率が７〜４１％であることを特徴とする基板の製造方法。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に電子部品のパワーモジュールに好適な高信頼性の基板（回路基板、放熱基板等の電子部品用基板など）に関するものである。
【０００２】
電子部品用基板において、セラミックス基板に金属回路のみ、又は金属回路と金属放熱板を形成させたものは回路基板として、また金属放熱板のみを形成させたものは放熱基板として使用されている。そして、回路基板と放熱基板の差異は放熱基板には金属回路を形成させないことであり、その製造方法ないしは本発明の目的は回路基板のそれと実質的に同じであるので、以下、回路基板を例にとって本発明を説明する。
【背景技術】
【０００３】
近年、ロボットやモーター等の産業機器の高性能化に伴い、大電力・高能率インバーター等パワーモジュールの変遷が進んでおり、半導体素子から発生する熱も増加の一途をたどっている。この熱を効率よく放散させるため、パワーモジュール基板では従来より様々な方法が取られてきた。特に最近、良好な熱伝導を有するセラミックス基板が利用できるようになったため、その基板上に銅板等の金属板を接合し、回路を形成後、そのままあるいはＮｉメッキ等の処理を施してから半導体素子を実装する構造も採用されつつある。
【０００４】
このようなモジュールは、当初、簡単な工作機械に使用されてきたが、ここ数年、溶接機、電車の駆動部、電気自動車に使用されるようになり、より厳しい環境下における耐久性と更なる小型化が要求されるようになってきた。そこで、セラミックス基板に対しても、電流密度を上げるための金属回路厚の増加、熱衝撃等に対する耐久性の向上が要求され、それをセラミックス焼結体の新たな製造研究により対応している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来、汎用されている回路基板は、アルミナ基板又は窒化アルミニウム基板に銅回路を形成させてなるものであるが、更なるヒートサイクルに対する信頼性を向上させるため、最近では窒化アルミニウム基板にアルミニウム回路を形成させたものも開発されている。
【０００６】
このような回路基板の問題点は、セラミックス基板と金属板の接合時における加熱・冷却ないしは使用時のヒ−トサイクルによって熱応力が発生し、セラミックス基板にクラックが発生したり、金属板が剥離したりして、耐ヒートサイクルに対する信頼性が十分でないということである。これを解消するため、従来より多くの提案がなされている。例えば、表面の金属板の厚みを裏面のそれよりも厚くする（特開平４−１９８０７０号公報）、金属板端部を薄肉形状とする（特公平５−２５３９７号公報）、金属板とセラミックス基板の接合部に非接合部を形成する（実開平２−１４０８７００号公報）、金属板外周縁部に溝又は孔を形成する（特開平８−２５０８２３号公報、特開平８−２７４４２３号公報）などである。
【０００７】
このような提案によって、回路基板の信頼性はかなり高められたが、電車の駆動部や電気自動車等のインテリジェントパワーモジュールのように、超高信頼性の要求される分野においてはまだ不十分である。本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、耐ヒートサイクル性に極めて優れた高信頼性の基板、特に電子部品用基板を提供す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、セラミックス基板の一方の面に金属回路、他方の面に金属放熱板が設けられてなるものであって、金属回路、若しくは金属回路と金属放熱板の外周から０．５ｍｍ未満までの縁面に不連続面を形成させてなり、金属回路の外周から１ｍｍまでの金属体積に対する、外周から０．５ｍｍまでの金属体積の百分率が７〜４１％であり、空気中、−４０℃×１５分、２５℃×１５分、１２５℃×１０分、２５℃×１５分を１サイクルとするヒートサイクル試験において、金属回路又は金属放熱板が剥離するサイクル数が１７００回以上であることを特徴とする基板である。また、本発明は、これらのいずれかの基板において、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、金属回路及び／又は金属放熱板の材質が銅、銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金であり、それらは活性金属を含むろう材により接合されてなるものである。
更に、本発明は、セラミックス基板の一方の面に金属回路、他方の面に金属放熱板が設けられてなるものであって、金属回路、若しくは金属回路と金属放熱板の外周から０．５ｍｍ未満までの縁面に不連続面を形成させてなり、金属回路の外周から１ｍｍまでの金属体積に対する、外周から０．５ｍｍまでの金属体積の百分率が７〜４１％であることを特徴とする基板の製造方法である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、耐ヒートサイクル性に優れ、高信頼性の極めて高い基板（回路基板、放熱基板等の電子部品用基板など）が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
回路基板の金属回路部分には数百アンペア、数千ボルトの高電圧、高電流が流れるため、現在、銅回路が主として用いられている。しかし、使用時の環境の変化や、スイッチングによる熱等によって熱衝撃を繰り返して受けるため、銅とセラミックスの熱膨張差による熱応力により、セラミックス基板の界面より銅回路が剥離する問題が生じている。
【００１１】
銅とセラミックスの間に発生する熱応力は、銅とセラミックスとの接合状態とともに銅の物理的性状に大きく依存している。銅の物理的性状としては、銅回路のパターン形状、セラミックス基板に対するパターン面積、銅の厚み等であるが、パターン形状とパターン面積は使用目的によって自ずと決まるので、それを変更して耐ヒートサイクル性を改善することはできない。そこで、本発明者らは、従来の上記提案について更に検討した結果、銅とセラミックスの接合界面に生じる熱応力の緩和には、銅端部の厚み調整によることが有効であり、更なる検討を加えて、その最適条件を見いだし、本発明に至ったものである。
【００１２】
本発明で使用されるセラミックス基板の材質としては、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、アルミナ等であるが、パワーモジュールには窒化アルミニウムが適している。セラミックス基板の厚みとしては、厚すぎると熱抵抗が大きくなり、薄すぎると耐久性がなくなるため、０．５〜０．８ｍｍ程度が好ましい。
【００１３】
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、金属回路、金属放熱板あるいはそれらの前駆体である金属板をセラミックス基板に接合する際に悪影響を与えるため、平滑であることが望ましい。従って、セラミックス基板は、ホーニング処理や機械加工等による研磨処理が施されていることが好ましい。
【００１４】
金属回路及び金属放熱板の材質は、銅、銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金が一般的であり、それらの純度は９９．５％以上が好ましく、また厚みは１００〜５００μｍであることが好ましい。
【００１５】
セラミックス基板に金属回路及び／又は金属放熱板を形成する方法としては、セラミックス基板と金属板との接合体をエッチングする方法、金属板から打ち抜かれた金属回路及び／又は金属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、これらの際における接合方法としては、活性金属ろう付け法が用いられる。
【００１６】
活性金属ろう付け法におけるろう材の金属成分は、銅又銅合金を接合する場合は、銀を主成分とし、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した銀ろうが使用される。また、アルミニウム又はアルミニウム合金を接合する場合は、例えば特開昭６０−１７７６３４号公報に記載されているように、アルミニウムとシリコンを主成分とし、これに活性金属を副成分としたアルミニウム系ろう材が使用される。活性金属の具体例をあげれば、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニオブ、タンタル、バナジウムやこれらの化合物である。
【００１７】
本発明におけるこれらの比率としては、銀ろうの場合、銀６０〜１００重量部銅４０〜０重量部の合計量１００重量部あたり、活性金属１〜３０重量部である。また、アルミニウム系ろう材の場合、アルミニウム７０〜９５重量部、シリコン３０〜５重量部及び銅０〜５重量部の合計量１００重量部あたり、活性金属１〜３０重量部である。
【００１８】
接合温度は、銀ろうを用いる場合は７８０〜８３０℃が好ましく、アルミニウム系ろう材を用いる場合は６００〜６４０℃が好ましい。また、保持時間は、いずれも３〜３０分が望ましい。温度が低く、保持時間が短すぎる場合には、接合が不十分となり、逆に高温で保持時間が長すぎる場合には、金属板へのろう材成分の拡散が多すぎて金属板が硬くなり、耐ヒートサイクル性が低下する。
【００１９】
本発明の基板は、このような基板において、金属回路及び／又は金属放熱板の縁面金属体積率を０．１〜６０％としたものである。これ以外の縁面金属体積率では、熱応力の緩和効果が十分でなくなる。
【００２０】
本発明において、縁面金属体積率を上記値とするには、金属回路及び／又は金属放熱板の縁面を縁取り加工する方法、縁面に溝、窪み、凹凸、貫通孔等の不連続面を形成させる方法などによって行うことができるが、中でも不連続面を形成させる方法が好ましく、特に縁取り加工をした縁面に不連続面を形成させる方法が好ましい。
【００２１】
不連続面が溝、窪み、凹凸である場合、その深さは金属回路及び／又は金属放熱板の厚みに対し３０％以上であることが好ましい。溝の平面形状は幅０．１〜０．５ｍｍ、長さ３〜１５ｍｍ、また窪み、貫通孔の平面形状は直径０．１〜０．５ｍｍであることが好ましい。これらの溝、窪み、凹凸、貫通孔等の不連続面は、その複数個を均等間隔で金属回路及び／又は金属放熱板の外周縁面に設けることが好ましい。不連続面を外周から０．５ｍｍ以上の内側に形成させても、十分な熱応力緩和効果が得られない。
【００２２】
このような縁取り加工ないしは不連続面の形成は、金属回路及び／又は金属放熱板を金属板とセラミックス基板の接合体からエッチングによって形成させる場合には、その縁取り加工ないしは不連続面をパターンの一部として組み込むことによって容易に行うことができる。また、金属板から打ち抜かれた金属回路及び／又は金属放熱板のパターンをセラミックス基板に接合する場合には、そのパターンにあらかじめ縁取り加工ないしは不連続面を形成しておくとによって行うことができる。
【００２３】
更に、本発明の基板においては、金属回路及び／又は金属放熱板の側部における断面において、その底端部（底辺端部のことであり、この底端部を持つ面がセラミックス基板に接合される）と上端部（上辺の端部）を結んだ仮の線と、上辺とのなす角度が１２０°以上となるように底端部を上端部よりも外方向に位置させることが好ましい。このような側面形状とするには化学研磨が有効である。具体的には、本発明の基板を作製した後に、金属が銅である場合には、化学研磨液として硫酸（５〜２０重量％）と過酸化水素（１０〜３０重量％）を含む混酸水溶液を用い、研磨時間を１〜３０分とする。また、金属がアルミニウムである場合は、過酸化水素１０〜３０重量％の水溶液を用い、研磨時間を１〜３０分とする。
【実施例１】
【００２４】
以下、本発明を実施例と比較例をあげて具体的に説明する。
【００２５】
（実施例１）
重量割合で、銀粉末９０部、銅粉末１０部、水素化チタン粉末３部、ジルコニウム粉末３部、テルピネオール１５部を配合し、ポリイソブチルメタアクリレートのテルピネオール溶液を加えて混練し、ろう材ペーストを調製した。このろう材ペーストを窒化アルミニウム基板（サイズ：６０ｍｍ×３６ｍｍ×０．６５ｍｍ 曲げ強さ：４０ｋｇ／ｍｍ2 熱伝導率：１３５Ｗ／ｍＫ）の両面にスクリーン印刷によって回路パターン状に塗布した。その際の塗布量（乾燥後）は９ｍｇ／ｃｍ2 である。
【００２６】
次に、窒化アルミニウム基板の金属回路形成面に５６ｍｍ×３２ｍｍ×０．３ｍｍの銅回路パターンを、また金属放熱板形成面に５６ｍｍ×３２ｍｍ×０．１５ｍｍの銅放熱板のパターンを接触配置してから、真空度０．１Ｔｏｒｒ以下の真空下、８３０℃で３０分加熱した後、６００℃まで急冷し、その後２℃／分の降温速度で冷却して回路基板を作製した。
【００２７】
得られた回路基板の銅回路の外周縁面に独立溝パターンのエッチングレジストを塗布し、塩化第２銅溶液でエッチングして複数個の独立溝を形成させた。独立溝は、長さ０．３ｍｍ×幅０．３ｍｍ×深さ０．２ｍｍであり、それらをその中心が側面底端部から０．２２５ｍｍとなる位置に、０．１ｍｍの間隔を設けて（すなわち、溝の中心間距離を０．４ｍｍとして）銅回路の外周縁面に均等に形成させた。
【００２８】
（実施例２）
基板裏面の銅放熱板の外周縁面にも貫通孔を形成させたこと以外は、実施例１と同様にして基板を作製した。貫通孔は、直径０．３ｍｍであり、それらをその中心が側面底端部から０．２２５ｍｍとなる位置に、０．１ｍｍの間隔を設けて（すなわち、貫通孔の中心間距離を０．４ｍｍとして）銅放熱板の外周縁面に均等に形成させた。
【００２９】
（実施例３）
独立溝のかわりに貫通孔（直径０．３ｍｍ）を形成させたこと以外は、実施例１と同様にして基板を作製した。貫通孔は、実施例２の貫通孔の形成に準じて形成させた。
【００３０】
（実施例４）
基板裏面の銅放熱板の外周縁面にも貫通孔を形成させたこと以外は、実施例３と同様にして基板を作製した。
【００３１】
（実施例５）
独立溝を形成させない回路基板を実施例１と同様にして作製した後、その銅回路の外周から０．５ｍｍまでの縁面をエッチングによって厚み０．１５ｍｍの薄肉形状とし、次いで実施例１と同様にして独立溝付きの基板を作製した。
【００３２】
（実施例６）
銅回路の外周から０．５ｍｍまでの縁面を厚み０．０５ｍｍの薄肉形状としたこと以外は、実施例３と同様にして貫通孔付きの基板を作製した。縁面の薄肉形状の形成は、実施例５と同様にして行った。
【００３３】
（実施例７〜１２）
金属回路形成面に５６ｍｍ×３２ｍｍ×０．３ｍｍのアルミニウムパターンを、また金属放熱板形成面に５６ｍｍ×３２ｍｍ×０．１５ｍｍのアルミニウム放熱板のパターンを用いたこと以外は、実施例１〜６に準じて基板を作製した。
【００３４】
ここで使用されたアルミニウム系ろう材は、、アルミニウム粉末８６重量部、シリコン粉末１０重量部、銅粉末４重量部、及び水素化チタン粉末２０重量部である。また、窒化アルミニウム基板との接合条件は、真空度０．１Ｔｏｒｒ以下の真空下、６００℃で５分加熱した後、３００℃まで急冷し、その後２℃／分の降温速度による冷却である。
【００３５】
（比較例１）
銅回路の外周縁面に独立溝を形成させなかったこと以外は、実施例１と同様にして基板を作製した。
【００３６】
（比較例２）
銅回路の外周縁面に、長さ０．１ｍｍ×幅０．１ｍｍ×深さ０．２ｍｍの独立溝を形成させたこと以外は、実施例１と同様にして回路基板を作製した。
【００３７】
（比較例３）
アルミニウム回路の外周縁面に独立溝を形成させなかったこと以外は、実施例７と同様にして基板を作製した。
【００３８】
（比較例４）
アルミニウム回路の外周縁面に長さ０．１ｍｍ×幅０．１ｍｍ×深さ０．２ｍｍの独立溝を形成させたこと以外は、実施例７と同様にして回路基板を作製した。
【００３９】
これら一連の処理を経て製作された基板について、空気中、−４０℃×１５分、２５℃×１５分、１２５℃×１０分、２５℃×１５分を１サイクルとするヒートサイクル試験を行い、金属回路又は金属放熱板が剥離するサイクル数を測定した。それらの結果を表１に示す。
【００４０】
【表１】
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