(57)【要約】【課題】優れた温度サイクルの信頼性を有する回路基板および電子装置を提供する。【解決手段】回路基板は、絶縁基板１と、絶縁基板１の上面に設けられたろう材層２と、ろう材層２の上面に設けられた保護層３と、保護層３を介してろう材層２によって絶縁基板１の上面に接合された金属回路板４とを備えている。保護層３の端は、平面視において金属回路板４の配置領域の外側にある。金属回路板４は、電子部品５が電気的に接続されるかまたは電子部品５が接合される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板と、
該絶縁基板の上面に設けられたろう材層と、
該ろう材層の上面に設けられた保護層と、
該保護層を介して前記ろう材層によって前記絶縁基板の前記上面に接合されており、電子部品が電気的に接続されるかまたは前記電子部品が接合される金属回路板とを備えており、
前記保護層の端は、平面視において前記金属回路板の配置領域の外側にあることを特徴とする回路基板。
【請求項２】
前記ろう材層の端は、平面視において前記保護層の配置領域の外側にあり、
前記保護層の下面における端部は、前記ろう材層の上面における前記保護層から露出された部分よりも低い位置に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】
請求項１または請求項２に記載された回路基板と、
該回路基板に実装されており、前記金属回路板に電気的に接続されているかまたは前記金属回路板に接合された電子部品とを備えたことを特徴とする電子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回路基板およびそれを用いた電子装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の電子部品を有するパワー
モジュールまたはスイッチングモジュール等の電子装置に用いられる回路基板として、例えばセラミックスからなる絶縁基板に銅またはアルミニウム等の金属回路板が接合された回路基板が用いられている。このような回路基板として、例えば下記特許文献１に示されているものがある。
【０００３】
回路基板において、金属回路板は、ろう材層によって絶縁基板に接合されており、電子部品が電気的に接続されるかまたは電子部品が接合される。例えば複数の金属回路板を有する回路基板において、電子装置の小型化に伴って複数の金属回路板同士の間隔を低減させつつ規定電流を増大させるために、金属回路板の位置精度または寸法精度を向上させることが要求されている。金属回路板の位置精度または寸法精度を向上させるためには、絶縁基板に金属板をろう材層を介して接合した後、エッチング処理によって金属板の不要な部分を除去して金属回路板を形成する方法が好適である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１９０１７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
絶縁基板に接合された金属板にエッチング処理を施す場合に、エッチング液によってろう材層が部分的に除去される可能性があった。例えば実質的に銅（Ｃｕ）からなる金属板を用いてかつろう材層に例えば銀−銅−チタン（Ａｇ−Ｃｕ−Ｔｉ）合金等の銅を含むろう材を用いた場合に、エッチング液によってろう材層における銅相部分が除去されることがあり、ろう材層に空隙が生じる可能性がある。空隙がろう材層の上面における金属回路板の端に対応する部分に生じた場合、金属回路板の端部に生じる応力の影響がろう材層の上面のうち空隙が形成された部分に集中してしまい、回路基板にクラックが生じる可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一つの態様によれば、回路基板は、絶縁基板と、絶縁基板の上面に設けられたろう材層と、ろう材層の上面に設けられた保護層と、保護層を介してろう材層によって絶縁基板の上面に接合された金属回路板とを備えている。金属回路板は、電子部品が電気的に接続されるかまたは電子部品が接合される。保護層の端は、平面視において金属回路板の配置領域の外側にある。
【０００７】
本発明の他の態様によれば、電子装置は、上記回路基板と、回路基板に実装されており金属回路板に電気的に接続されているかまたは金属回路板に接合された電子部品とを備えている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の一つの態様によれば、回路基板は、ろう材層の上面に設けられた保護層を備えており、保護層の端は、平面視において金属回路板の配置領域の外側にあることによって
、金属板にエッチング処理が施されることによって金属回路板が形成された回路基板において、ろう材層中にエッチング液によって溶け出す金属組成相が含まれていたとしても、ろう材層の上面における金属回路板の端に対応する部分は、保護層によって覆われているため、空隙が生じる可能性が低減されている。従って、本発明の一つの態様による回路基板は、絶縁基板に加わる応力を金属回路板の端部に対応する部分からずらすことができ、温度サイクルの信頼性に関して向上されている。
【０００９】
本発明の他の態様によれば、電子装置は、上記回路基板と、回路基板の金属回路板に電気的に接続されているかまたは金属回路板に接合された電子部品とを備えていることによって、温度サイクルの信頼性に関して向上されている。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】（ａ）は本発明の実施形態における電子装置の平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における縦断面図である。
【図２】図１（ｂ）に示された電子装置の部分Ｂの拡大図である。
【図３】図２に示された構造の他の例を示す縦断面図である。
【図４】図２に示された構造の他の例を示す縦断面図である。
【図５】図１（ｂ）に示された電子装置の他の例を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の例示的な実施形態について図面を参照して説明する。
【００１２】
本発明の一つの実施形態における電子装置は、回路基板１０と、回路基板１０に実装された電子部品５とを備えている。
【００１３】
回路基板１０は、絶縁基板１と、絶縁基板１の上面に設けられたろう材層２と、ろう材層２の上面に設けられた保護層３と、保護層３を介してろう材層２によって絶縁基板１の上面に接合された金属回路板４とを備えている。ろう材層２は、絶縁基板１の下面にも設けられており、保護層３は、絶縁基板１の下面に設けられたろう材層２の下面にも設けられている。回路基板１０は、保護層３を介してろう材層２によって絶縁基板１の下面に接合された放熱板６をさらに備えている。
【００１４】
絶縁基板１は、例えば実質的にセラミック材料からなる。セラミック材料は、例えば、酸化アルミニウム質セラミックス，ムライト質セラミックス，炭化ケイ素質セラミックス，窒化アルミニウム質セラミックス，または窒化ケイ素質セラミックス等である。これらセラミック材料の中では熱伝導性（放熱性）の点からは炭化ケイ素質セラミックス，窒化アルミニウム質セラミックス，または窒化ケイ素質セラミックスが好ましく、強度の点からは窒化ケイ素質セラミックスまたは炭化ケイ素質セラミックスが好ましい。絶縁基板１が窒化ケイ素質セラミックスのように比較的強度の高いセラミック材料からなる場合、より厚みの厚い金属回路板４および放熱板６を使用しても絶縁基板１にクラックが入る可能性が低減されるので、小型でもより大電流を流すことができる回路基板とすることができる。
【００１５】
絶縁基板１の厚みは、薄い方が熱伝導性の点ではよい。絶縁基板１の厚みは、回路基板の大きさまたは用いられる材料の熱伝導率または強度に応じて選択される。例示的な厚みは、0.1ｍｍ〜１ｍｍ程度である。
【００１６】
絶縁基板１は、例えば窒化ケイ素質セラミックスから成る場合であれば、窒化ケイ素，酸化アルミニウム，酸化マグネシウム，および酸化イットリウム等の原料粉末に適当な有機バインダー，可塑剤，および溶剤を添加混合して泥漿物に従来周知のドクターブレード
法やカレンダーロール法を採用することによってセラミックグリーンシート（セラミック生シート）を形成し、次にこのセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施して所定形状となすとともに、必要に応じて複数枚を積層して成形体となし、しかる後、これを窒化雰囲気等の非酸化性雰囲気にて1,600〜2,000℃の温度で焼成することによって製作される。
【００１７】
例えば金属回路板４および放熱板６が銅から成る場合、ろう材層２を形成するためのろう材ペーストは、銀および銅粉末，銀−銅合金粉末，またはこれらの混合粉末から成る銀ろう材（例えば、銀：72質量％−銅：28質量％）粉末に、チタン，ハフニウム，ジルコニウムまたはその水素化物等の活性金属を銀ろう材に対して２〜５質量％添加混合し、適当なバインダーと有機溶剤・溶媒とを添加混合し、混練することによって製作される。接合温度またはろう材の硬度を低下させる目的でインジウム（Ｉｎ）またはスズ（Ｓｎ）を１〜10質量％程度添加しても良い。
【００１８】
金属回路板４および放熱板６がアルミニウムから成る場合は、銀ろう材に替えてアルミニウムろう材（例えば、アルミニウム：88質量％−シリコン：12質量％）を用いればよい。この場合も同様にして活性金属入りろう材ペーストを作製して、同様にして接合すればよい。アルミニウムろう材を使用した場合には、銅より低温の約600℃で接合することが
できる。
【００１９】
保護層３の端は、平面視において金属回路板４の配置領域の外側にある。保護層３の端とは、平面視における保護層３の輪郭線のことをいい、例えば保護層３が平面視において長手方向を有する形状である場合でも長手方向における端に限られない。金属回路板４の配置領域とは、図１（ａ）における金属回路板４の輪郭線およびその内側の領域のことをいう。
【００２０】
保護層３は、予め金属回路板４となる金属板の所定部分にめっきまたは蒸着等の方法によって形成されている。保護層３が形成された金属板を絶縁基板１にろう材によって接合させ、金属板の不要部分をエッチングによって溶出させることによって、保護層３は、平面視において金属回路板４からはみ出した状態で形成される。
【００２１】
保護層３は、金属回路板４となる金属板にエッチングを施すときにエッチング液からろう材層２を保護するという機能を有している。保護層３は、例えば金属板として銅板を用いた場合には、銅用のエッチング液に侵されにくい金属であれば良く、例えばニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、またはルテニウム（Ｒｕ）等が挙げられる。
【００２２】
保護層３は、例えばニッケルで形成される場合、金属板の金属回路板４となる部位から0.1〜0.3ｍｍはみ出した部位の外側を覆うようにめっきレジストを形成し、電解めっき法で例えば１μｍ〜20μｍ程度の厚みで形成して、めっきレジストを剥離することによって、形成される。厚みが1μｍ以上であることによって、ピンホール等が生じる可能性を低
減させることができ、金属板をエッチングするときにエッチング液から保護するという機能をより実現することができる。厚みが20μｍ以下であることによって、比較的熱伝導率の小さいニッケルを用いた場合にも回路基板の放熱性が低下を抑えることができる。
【００２３】
ろう材層２の成分が金属回路板４に拡散しにくくなる保護層３の材料として、ニッケル、パラジウム、白金、チタン、クロム、またはタングステン等が挙げられる。これらの金属材料を用いて保護層３を形成した場合、ろう材層２がエッチング液によって侵食され難くなるだけでなく、ろう材層２の成分が金属回路板４に拡散しにくくなるので金属回路板
４の硬度が高くなり難いので、回路基板の温度サイクルの信頼性を向上させることができる。
【００２４】
金属回路板４および放熱板６は、銅またはアルミニウム等の金属から成り、例えば銅のインゴット（塊）に圧延加工法または打ち抜き加工法等の機械的加工、またはエッチング等の化学的加工のような金属加工法を施すことによって、例えば厚さが0.05〜１ｍｍの平板状で所定パターンに形成される。金属回路板４および放熱板６は、絶縁基板１と同程度の大きさおよび形状の金属板を絶縁基板１に接合した後にエッチングで所定パターン形状に加工すると、高精度で精細なパターンを形成できるようになる。
【００２５】
金属回路板４および放熱板６が銅から成る場合は、無酸素銅で形成されていることが好ましい。無酸素銅で形成されていると、金属回路板４または放熱板６と絶縁基板１との接合を行なう際に、銅の表面が銅中に存在する酸素により酸化されることなく、ろう材層２との濡れ性が良好となるので、接合が強固となる。
【００２６】
金属回路板４または放熱板６となる金属板を絶縁基板１にろう材２によって接合するには、金属板および絶縁基板１の少なくとも一方における接合面にスクリーン印刷等でろう材ペーストを例えば30〜50μｍの厚さで所定パターンに印刷塗布して、所定の構造となるように金属板によって絶縁基板１を挟んだ後、金属板に５〜10ｋＰａの荷重をかけながら真空中または非酸化性雰囲気中で780℃〜900℃、10〜120分間加熱し、ろう材ペーストの
有機溶剤、溶媒、および分散剤を気体に変えて発散させるとともにろう材層２を溶融させることによって行なわれる。
【００２７】
金属回路板４または放熱板６の寸法より全体にわたってほぼ均一の寸法だけ大きい保護層３が形成された金属板を用い、保護層３がろう材層２と接するように配置して金属板を絶縁基板１に接合した後に、金属板をエッチングで金属回路板４および放熱板６の所定パターン形状に加工する場合は、例えば以下のようにする。絶縁基板１の上に接合された金属板の表面にエッチングレジストインクをスクリーン印刷法等の技術を用いて所定パターン形状に印刷塗布してレジスト膜を形成した後、例えば金属板が銅板である場合であれば、塩化第２鉄または塩化第２銅溶液等のエッチング液に浸漬したり、エッチング液を吹き付けたりして金属回路板４および放熱板６の所定パターン以外の部分を除去し、その後にレジスト膜を除去すればよい。このときに、エッチングレジストインクのパターン形状は、銅板をエッチングしたときに保護層３の外周縁端が平面視で金属回路板４の外周端から外側に張り出すパターンとしておくことが重要である。
【００２８】
金属回路板４は、絶縁基板１に接合した後に、その表面にニッケルから成る、良導電性で、かつ耐蝕性およびろう材との濡れ性が良好な金属をめっき法により被着させておくと、金属回路板４に半導体素子等の電子部品５を半田等のダイボンド材７を介して強固に接着させることができるとともに、金属回路板４と外部電気回路との電気的接続を良好なものとすることができる。この場合は、内部に燐を８〜15質量％含有させてニッケル−燐のアモルファス合金としておくと、ニッケルから成るめっき層の表面酸化を抑制してろう材との濡れ性等を長く維持することができるので好ましい。ニッケルに対する燐の含有量が８質量％以上15質量％以下であると、ニッケル−燐のアモルファス合金を形成しやすくなってめっき層に対する半田の接着強度を向上させることができる。このニッケルから成るめっき層は、その厚みが1.5μｍ以上であると、金属回路板４の表面を被覆しやすく、金
属回路板４の酸化腐蝕を抑制することができる。また、10μｍ以下であると、特に絶縁基板の厚さが300μｍ未満の薄いものになった場合には、めっき層の内部に内在する内在応
力を低減させることができ絶縁基板１に生じる反りまたは割れ等を抑制することができる。放熱板６にも同様のニッケル金属層を形成しておくと、例えば外部回路基板または冷却体への接合が良好になるのでよい。
【００２９】
図２に示されているように、保護層３の端３１が金属回路板４１の端４１からずれていることによって、仮に金属回路板４用の金属板にエッチング処理を施す際にろう材層２において保護層３から露出されている部分に空隙２１が生じたとしても、空隙２１は金属回路板４の端４１からずれた位置に生じる。
【００３０】
図３に示されているように、保護層３の端３１がろう材層２の端と同じ位置にあったとしても、保護層３の端３１が金属回路板４１の端４１からずれていることによって、仮にろう材層２の側面に空隙２１が生じたとしても、空隙２１は金属回路板４の端４１からずれた位置に生じる。
【００３１】
図４に示されているように、ろう材層２の端が保護層３の端３１からずれておりかつ保護層３の下面における端部の高さ位置３２がろう材層２の上面における保護層３から露出された部分の高さ位置２２よりも低い場合、仮にろう材層２に空隙２１が生じたとしても、空隙２１は保護層３の下面における端部の高さ位置３２より高くなる。
【００３２】
再び図１（ａ）および（ｂ）を参照して、電子部品５は、ダイボンド材７によって金属回路板４に固定されており、ボンディングワイヤ８によって金属回路板４に電気的に接続されている。ダイボンド材７は、例えば、金属接合材または導電性樹脂である。金属接合材は、例えば、半田、金−スズ（Ａｕ−Ｓｎ）合金、またはスズ−銀−銅（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）合金等である。電子部品５は、例えば、トランジスタ、ＣＰＵ（Central Processing Unit）用のＬＳＩ（Large Scale Integrated circuit）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、またはＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor - Field Effect Transistor）等の半導体素子である。
【００３３】
本実施形態の回路基板において、保護層３の端は、平面視において金属回路板４の配置領域の外側にあることによって、エッチングによって金属回路板４が形成された回路基板において、金属回路板４用の金属板をエッチングすることによって露出されたろう材層２中に金属板と同じエッチング液に溶け出す組成相があってその組成相が溶け出したとしても、金属回路板４の外周端の外側には保護層３があるために金属回路板４の外周端部付近のろう材層２は溶け出すことがないので、張り出した保護層３の下面のろう材層２によって絶縁基板１に加わる応力を金属回路板４の端部からずらすことができるので、温度サイクルの信頼性を向上させることができる。
【００３４】
本実施形態の電子装置は、上述の回路基板を備えていることによって、温度サイクルの信頼性を向上させることができる。
【００３５】
本実施形態の回路基板において、図４に示されているように、ろう材層２の端が保護層３の端３１からずれておりかつ保護層３の下面における端部の高さ位置３２がろう材層２の上面における保護層３から露出された部分の高さ位置２２よりも低い場合、仮にろう材層２に空隙２１が生じたとしても、空隙２１は保護層３の下面における端部の高さ位置３２より高くなることによって、保護層３の下までは侵食され難く、保護層３の端まで応力緩和が効果的に働くために、絶縁基板１に加わる応力が金属回路板４の端部から外側にずれることによって、温度サイクルの信頼性を向上させることができる。
【００３６】
放熱板６についても、金属回路板４と同様に、保護層３の端が放熱板６の配置領域より外側に位置することによって、金属回路板４と同様に放熱板６の外周端部においても、絶縁基板１に加わる応力が分散するので、温度サイクルの信頼性が向上される。
【００３７】
図５に示されているように、上述の構造は、絶縁基板１に形成されたメタライズ層９を
有する電子装置においても適用が可能である。具体的には、他の例における電子装置は、絶縁基板１の上面および下面に形成された複数のメタライズ層９をさらに備えている。メタライズ層９は、焼成によって絶縁基板１と一体的に形成されている。複数の金属回路板４のそれぞれは、保護層３を介してろう材層２によってメタライズ層９に接合されている。ろう材層２が絶縁基板１の上面に設けられている構造とは、図５に示されているように、ろう材層２がメタライズ層９を介して絶縁基板１の上面に設けられている構造を含むものである。
【００３８】
電子装置は、図１に示された例と同様に、ろう材層２の上面に設けられた保護層３を備えており、保護層３の端は、平面視において金属回路板４の配置領域の外側にあることによって、金属板にエッチング処理が施されることによって金属回路板４が形成された回路基板において、ろう材層２中にエッチング液によって溶け出す金属組成相が含まれていたとしても、ろう材層２の上面における金属回路板４の端に対応する部分は、保護層３によって覆われているため、空隙が生じる可能性が低減されている。従って、図５に示された電子装置は、絶縁基板に加わる応力を金属回路板の端部に対応する部分からずらすことができ、温度サイクルの信頼性に関して向上されている。
【符号の説明】
【００３９】
１・・・・・絶縁基板
２・・・・・ろう材層
３・・・・・保護層
４・・・・・金属回路板
５・・・・・電子部品
６・・・・・放熱板
７・・・・・ダイボンド材
８・・・・・ボンディングワイヤ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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