(57)【要約】 【課題】鉛フリーはんだで接合したときに優れた信頼性を示すセラミック回路基板およびそれを用いた電力制御部品を提供する。【解決手段】セラミック基板にアルミニウム回路及び放熱アルミニウム板を接合してなるセラミック回路基板であって、放熱アルミニウム板が純度の異なる２層のアルミニウム板からなることを特徴とするセラミック回路基板であり、セラミック基板と接合する放熱アルミニウム板の純度が９９．５質量％以上であり、セラミックス基板と接合しない放熱アルミ板の純度が９９．５質量％未満であることを特徴とするセラミック回路基板。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック基板にアルミニウム回路及び放熱アルミニウム板を接合してなるセラミック回路基板であって、放熱アルミニウム板が純度の異なる２層のアルミニウム板からなることを特徴とするセラミック回路基板。
【請求項２】
セラミック基板と接合する放熱アルミニウム板の純度が９９．５質量％以上であり、セラミックス基板と接合しない放熱アルミ板の純度が９９．５質量％未満であることを特徴とする請求項１記載のセラミック回路基板。
【請求項３】
セラミック基板が窒化アルミニウム基板であり、その厚みが０．５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１又は２記載のセラミック回路基板。
【請求項４】
請求項１〜３のうちいずれか一項記載のセラミック回路基板を用いることを特徴とするモジュール。
【請求項５】
鉛フリーはんだを用いて、請求項１〜３のうちいずれか一項記載のセラミック回路基板の放熱アルミニウム板と放熱板を接合することを特徴とする電力制御部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミック回路基板およびそれを用いた電力制御部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
パワーモジュール等に利用される回路用基板として、熱伝導率やコスト、安全性等の点から、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基板が利用されている。これらのセラミック基板は、ＣｕやＡｌ等の金属回路や放熱板を接合し回路基板として用いられる。これらは、樹脂基板や樹脂層を絶縁材とする金属基板に対し、高い信頼性が得られる点が特長である。
【０００３】
パワーモジュールに関して、これまでスズ−鉛系共晶はんだが主に使用されてきた。しかしながら、最近米国において、電子部品廃棄物が屋外に放置されると、基板上のはんだに含まれる鉛が酸性雨と容易に反応して地下水に溶出し、この地下水が飲料水として使用されると人体に悪影響を及ぼすことが公表されているように、環境問題が課題となっている。そのため環境への配慮として、例えば回路基板と放熱板との接合において、鉛フリーはんだを用いて接合することが行われるようになってきた。しかしながら、鉛フリーはんだを用いて接合した場合、鉛フリーはんだ自体が硬く脆いため、繰り返し使用するとはんだそのものにクラックが発生するなど、信頼性に欠けるという課題があった。
【０００４】
鉛フリーはんだを用いて接合する場合の信頼性を上げるため、回路パターン及び放熱金属板の材質を銅より柔らかいアルミニウムにすることで、回路基板の信頼性を向上させる方法が提案されている。（特許文献１）しかしながら、この方法でも鉛フリーはんだで接合した場合の信頼性は十分ではなく、新しい技術の提案が待たれていた。
【特許文献１】特開平４−１２５５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、上記課題に鑑み、鉛フリーはんだで接合しても優れた信頼性を有するセラミック回路基板およびそれを用いた電力制御部品を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
即ち、本発明は、セラミック基板にアルミニウム回路及び放熱アルミニウム板を接合してなるセラミック回路基板であって、放熱アルミニウム板が純度の異なる２層のアルミニウム板からなることを特徴とするセラミック回路基板であり、セラミック基板と接合する放熱アルミニウム板の純度が９９．５質量％以上であり、セラミックス基板と接合しない放熱アルミ板の純度が９９．５質量％未満であることを特徴とするセラミック回路基板であり、セラミック基板が窒化アルミニウム基板であり、その厚みが０．５ｍｍ以上であることを特徴とするセラミック回路基板である。
【０００７】
さらに、前記セラミック回路基板を用いることを特徴とするモジュールであり、鉛フリーはんだを用いて、前記セラミック回路基板の放熱アルミニウム板と放熱板を接合することを特徴とする電力制御部品である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、耐ヒートサイクル性に優れた高い信頼性を有するセラミック回路基板およびそれを用いた電力制御部品が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明者は、鋭意検討を行った結果、セラミック基板にアルミニウム回路及び放熱アルミニウム板を接合してなるセラミック回路基板において、放熱アルミニウム板を純度の異なる２層のアルミニウム板とすることによって、セラミック基板と接合する放熱アルミニウム板の層がヒートサイクルによる鉛フリーはんだ層の変形を吸収して、応力を緩和することを見いだした。これによって、鉛フリーはんだを用いて接合しても、セラミック基板の信頼性を低下させないことを見いだした。
【００１０】
セラミック回路基板は、エッチング等の処理を行い、回路を形成した後、はんだ付けやワイヤーボンディングが可能なように、アルミニウム板上に、めっき処理が施される。このセラミック回路基板に、半導体素子や、電子部品、放熱板等が取り付けられるか、あるいは鉛フリーはんだを用いて接合され、電力制御部品として使用される。
【００１１】
本発明に係るセラミック基板は特に限定されないが、熱伝導性、強度等の観点より、窒化アルミニウム基板の使用が好ましい。また、その厚みは使用目的により異なるが、０．５ｍｍ以上のものが好ましく、０．６〜１ｍｍがより好ましい。
【００１２】
本発明に係るアルミニウム板の厚みは特に限定されず、流れる電流に応じて適宜決められる。一般に、０．１〜０．５ｍｍのものが用いられることが多い。放熱アルミニウム板の純度は、セラミック基板に接合する側が９９．５質量％以上、また、セラミック基板と接合しない側の純度が９９．５質量％未満であること好ましい。
セラミック基板に接合する放熱アルミニウム板の純度が９９．５質量％未満であると鉛フリーはんだ層で発生する応力を十分に吸収することができず、鉛フリーはんだ層でクラックが発生する場合がある。一方、セラミック基板と接合しない放熱アルミニウム板の純度が９９．５質量％以上であると、放熱アルミニウム板の変形に対して、鉛フリーはんだ層が追従できず、クラックが発生してしまう場合がある。さらに回路パターンに用いられるアルミニウム板の純度は、９９質量％以上であることが望ましい。純度が９９質量％より低いと、アルミニウム板とろう材との反応が不十分であったり、アルミニウム板が硬くなりセラミック回路基板の信頼性が低下する場合がある。本発明において、アルミニウムと共存する元素は特に限定されないが、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｔｉ、のうち一種以上が共存する場合が多い。
【００１３】
本発明において、セラミック基板とアルミニウム板の接合は、活性金属ろう付け法が好ましい。
Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｇｅ、Ａｇ、Ｔｉなどの金属合金がろう材として用いられるが、本発明ではＡｌ−Ｃｕ系合金、Ａｌ合金、Ｃｕ合金、Ｍｇ合金が好ましい。ろう材は、ペースト又は箔として用いられる。
ろう材は、セラミック基板、又は、アルミニウム板もしくは金属回路のどちらに塗布、或いは配置してもよく、合金箔を用いる場合は、予めアルミニウム板と合金箔をクラッド化しておくこともできる。
【００１４】
ろう材の塗布量は、乾燥基準で５〜２０ｍｇ／ｃｍ２ が好ましい。塗布量が５ｍｇ／ｃｍ２ 未満では未反応の部分が生じる場合があり、一方、２０ｍｇ／ｃｍ２を超えると、接合層を除去する時間が長くなり生産性が低下する場合がある。塗布方法は特に限定されず、スクリーン印刷法、ロールコーター法等の公知の塗布方法を採用できる。
【００１５】
本発明において、めっきレジストは特に限定されず、溶剤乾燥タイプインク、ＵＶ硬化タイプインク等が使用できる。塗布方法は特に限定されず、スクリーン印刷法、ロールコーター法等の公知の塗布方法を採用できる。塗布厚は、乾燥後で0.005〜0.07ｍｍの厚みとなるように塗布することが望ましい。厚みが0.005ｍｍより薄いと、部分的にアルミニウムが表出してしまう場合があり、一方、0.07ｍｍより厚いと、めっきレジストの除去に時間がかかり、生産性が低下する場合がある。
【００１６】
めっきレジストの除去方法は特に限定されず、例えば、エタノールやトルエンのような有機溶剤を用いて除去する方法や、アルカリ水溶液に浸浸させる方法が挙げられる。
【００１７】
本発明に係るめっき処理は、特に限定されず、作業性、コスト等の面から、無電解ニッケルめっき、無電解ニッケル金めっき、はんだめっきが好ましい。なお、めっき層の厚みは特に限定されないが、２〜８μｍが望ましい。めっき厚が、２μｍ未満であると、はんだ濡れ性、ワイヤーボンディング特性等の実装特性に悪影響を与える場合がある。一方、めっき厚みが８μｍを超えると、めっき被膜の剥がれ等により基板特性に悪影響を及ぼす場合がある。
【００１８】
セラミック回路基板を製造は、アルミニウム板にエッチングレジストを塗布しエッチングする。エッチングレジストとしては、紫外線硬化型や熱硬化型のものが挙げられる。また、エッチング液としては、塩化第２鉄溶液、塩化第２銅液、硫酸、過酸化水素水等の溶液が使用できるが、好ましいものとして、塩化第２鉄溶液、或いは塩化第２銅溶液が挙げられる。
【００１９】
エッチングによって不要な金属部分が除去されたセラミック回路基板には、塗布したろう材、その合金層および窒化物層等が残っているので、ハロゲン化アンモニウム水溶液、硫酸、硝酸等の無機酸、過酸化水素水を含む溶液を用いて、それらを除去するのが一般的である。
【００２０】
作製されたセラミック回路基板は、はんだによりベース板や半導体素子等の電子部品と接合される。はんだの種類は特に限定されず、鉛フリーはんだに加えて、通常のスズ−鉛系共晶はんだを用いることも可能である。はんだ付け方法は特に限定されないが、例えば、はんだペーストをスクリーン印刷法等で所定の部分に塗布し、部品等を搭載し、はんだが溶融する所定の温度の炉内にいれることではんだ付けされる。はんだ層は、セラミック回路基板のアルミニウム板側面に接触しない方が、セラミック回路基板の信頼性の点で好ましい。
【００２１】
本発明に係る鉛フリーはんだは、特に限定されるものではなく、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｚｎ系、Ｓｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｉｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ｓｂ系等、公知の組成のものが使用できる。
使用方法は、フラックスを添加してペースト状にした鉛フリーはんだペーストを塗布後、リフローして使用する方法が一般的である。
【実施例１】
【００２２】
（実施例１〜６）
厚み０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム基板の一主面に回路形成用のアルミニウム板を、反対側の主面には放熱板用の純度の異なる２枚のアルミニウム板を、接合材を介してセットし、クッション材としてカーボンコンポジット板(厚さ２mm)に挟んで、ホットプレス装置により、窒化アルミニウム基板に垂直方向に均等に５ＭＰａで加圧しながら、Ｎ2中で５５０〜６２０℃に加熱し所定温度に達した時点で１５分保持して接合した。この接合体のアルミニウム板上に、めっきレジストをスクリーン印刷法でめっき保護箇所に塗布した後、めっき厚みが５μｍとなるように無電解ニッケルめっきを行った。その後、めっきレジストをエタノールで洗浄して除去し、回路面側の主面に、めっき面と同等かそれより広い所定のエッチングレジストパターンを印刷して、塩化鉄水溶液を用いてエッチングを行い、アルミニウム回路を形成した。放熱板側のアルミニウム板に銅ベース板をはんだ付けし、耐ヒートショック性の評価を行った。結果を表１に示す。
【００２３】
〈使用材料〉
窒化アルミニウム基板：電気化学工業社製  商品名「デンカＡＮプレート」
アルミニウム板（回路形成用）：  １Ｎ９９（純度：９９．９９質量％）
アルミニウム板（放熱板用）：     １Ｎ３０（純度：９９．３質量％）  
１０５０（純度：９９．５質量％）  
１０８５（純度：９９．８５質量％）
１Ｎ９９（純度：９９．９９質量％）
はんだ：千住金属工業  ソルダーペースト  Ｍ７０５−ＰＬＧ−３２−１１
Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ 
接合材：Ａｌ／９．５質量％Ｓｉ／１質量％Ｍｇ合金箔。
めっきレジスト：太陽インキ製造社製  商品名「ＭＡ−８３０」
エッチングレジスト：太陽インキ製造社製  商品名「ＰＥＲ−２７Ｂ−６」
銅ベース板：三昌製作所  材質：Ｃ１０２０Ｒ−１／２Ｈ
〈耐ヒートショック性試験方法〉
ヒートショック試験：−４０゜Ｃ（１０分間）→＋１２５゜Ｃ（１０分間）を１サイクルとして、５００サイクル分実行した、アルミニウム回路基板を各１００枚ずつ試験に供してアルミニウム板の剥離状態を評価した。
Ａ：０〜１０枚剥離  Ｂ：１１〜４０枚剥離  Ｃ：４１枚以上剥離
セラミック基板の割れ：超音波探査装置（日立建機社製商品名「ＡＴ−７０００」を用いてセラミック基板に割れがあるかどうか観察した。
Ａ：０〜１０枚割れ  Ｂ：１１〜４０枚割れ  Ｂ：４１枚以上割れ
【００２４】
【表１】
2007013028.tif 000003
【実施例２】
【００２５】
（実施例７〜９）
セラミック基板の厚みを０．４ｍｍにしたこと（実施例７）、セラミック基板の厚みを０．５ｍｍにしたこと（実施例８）、セラミック基板の厚みを１．０ｍｍにしたこと（実施例９）以外は実施例１と同様にアルミニウム回路基板を作製し評価を行った。結果を表１に示す。
【実施例３】
【００２６】
（実施例１０）
セラミック基板を窒化珪素製基板（電気化学工業社製  商品名「デンカＳＮプレート」）に変えたこと以外は、実施例１と同様にアルミニウム回路基板を作製し評価を行った。結果を表１に示す。
【実施例４】
【００２７】
（比較例１，２）
放熱板を一層のアルミニウム板にしたこと以外は実施例１と同様にアルミニウム回路基板を作製し評価を行った。結果を表１に示す。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明のアルミニウム回路基板の一実施の形態を示す説明図。
【図２】従来のアルミニウム回路基板の一実施の形態を示す説明図。
【符号の説明】
【００２９】
１    セラミック基板
２    銅ベース板
３    はんだ層（鉛フリーはんだ層）
４    回路アルミニウム板
５    放熱アルミニウム板（１層）
６    放熱アルミニウム板（２層）
【図１】
2007013028.tif 000004
【図２】
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