(57)【要約】【課題】  将来セラミックス基板に亀裂が生じた場合であっても、絶縁破壊電圧の信頼性を容認できるか否かを判別する評価方法を提供する。【解決手段】  室温→低温→室温→高温→室温の順に与えた熱履歴を１サイクルとする冷熱衝撃試験を1回以上行い、その後、このセラミックス回路基板の表裏間に交流電圧を印加したときの絶縁破壊電圧値が６ｋＶ以上で、かつ前記絶縁破壊電圧値が冷熱衝撃試験を実施する前の当該セラミックス回路基板の表裏間の絶縁破壊電圧値の７０％以上であるとき、将来当該セラミックス回路基板に生じる亀裂の形態はＡモード亀裂であると判定し、よって絶縁破壊電圧による信頼性を容認するセラミックス回路基板の評価方法である。【選択図】図３
2009117614.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板と、前記セラミックス基板の一面に接合された金属回路板からなる回路パターンと、前記セラミックス基板の他面に接合された金属放熱板と、からなるセラミックス回路基板の評価方法であって、
室温→低温→室温→高温→室温の順に与えた熱履歴を１サイクルとする冷熱衝撃試験を1回以上行い、その後、当該セラミックス回路基板の表裏間に交流電圧を印加したときの絶縁破壊電圧値が６ｋＶ以上で、かつ前記絶縁破壊電圧値が前記冷熱衝撃試験を実施する前の当該セラミックス回路基板の表裏間の絶縁破壊電圧値の７０％以上であり、このとき当該セラミックス回路基板に生じる亀裂の形態によって絶縁破壊電圧による信頼性を評価することを特徴とするセラミックス回路基板の評価方法。
【請求項２】
前記冷熱衝撃試験により前記セラミックス回路基板に亀裂が生じた場合、当該亀裂の長さをＬ、前記冷熱衝撃試験回数をＮ、亀裂進展速度をｄＬ／ｄＮとすると、Ｎ＞１０においては、前記亀裂長さＬの進展速度ｄＬ／ｄＮが０．１ｍｍ／サイクル以下であり、Ｎの増加に伴い前記進展速度ｄＬ／ｄＮが徐々に減少を示し、Ｎ＞１００において０．０１ｍｍ／サイクル以下、Ｎ＞１０００において０．００１ｍｍ／サイクル以下にあるとき、このような亀裂形態は良性であると判定することを特徴とする請求項１に記載のセラミックス回路基板の評価方法。
【請求項３】
前記冷熱衝撃試験により前記セラミックス回路基板に亀裂が生じた場合、前記セラミックス基板と金属回路板との接合面の断面を見たとき、亀裂は前記金属回路パターンのコーナー部を起点とし、一旦下部に向かった後、面内方向にのみ進展する、このような亀裂形態は良性であると判定することを特徴とする請求項１又は２に記載のセラミックス回路基板の評価方法。
【請求項４】
請求項１乃至３に記載の評価方法で耐絶縁破壊を評価したときに、当該セラミックス回路基板には亀裂が生じていない、あるいは亀裂が生じていたとしても、前記セラミックス基板と金属回路板との接合面の断面を見たとき、前記金属回路パターンのコーナー部を起点とし、一旦下部に向かった後、面内方向にのみ進展する亀裂形態を有することを特徴とするセラミックス回路基板。
【請求項５】
前記セラミックス基板に強度７００ＭＰａ以上、靭性６ＭＰａｍ０．５以上の窒化珪素を用い、金属回路板または金属放熱板の少なくとも一方に無酸素銅を用いたことを特徴とする請求項４に記載のセラミックス回路基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックス基板の一方の面に金属回路板を接合し、他方の面に金属放熱板を接合した、セラミックス回路基板であり、冷熱衝撃試験でセラミックス基板部に生じる亀裂の形態を回路基板表裏間の絶縁破壊電圧の低下または劣化により判定するセラミックス回路基板の評価方法とセラミックス回路基板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、車両用分野や産業機械分野または民生用機器等の制御用電装部品には、放熱性能と電気絶縁性に優れたセラミックス回路基板が用いられている。このセラミックス回路基板は、前記回路基板に搭載された発熱素子（以下では半導体素子と表現することもある）が安定に動作するように前記素子から発生する熱を、前記回路基板を経由して熱伝導率の良好なベース板や冷却フィンと言われる放熱部材へ逃がし、かつ前記素子と放熱部材を電気的に絶縁させる重要な働きをする部品である。特に近年では電装部品が増加する一途をたどっており、今後も大幅な需要が見込まれるＥＶ、ＨＥＶ、燃料電池車等の車両用への用途拡大が最も期待されている。その理由として高電圧かつ大電流動作が可能なＩＧＢＴやＭＯＳ−ＦＥＴ等のパワーエレクトロニクスに代表される半導体用素子の搭載が可能なことによるものである。このような半導体モジュールでは年々要求される動作電圧・電流や動作周波数は増加する傾向をしめしている。したがって前記のようなモジュールに用いられるセラミックス回路基板には高放熱性の他にも、低インダクタンスであることや高い耐絶縁性（以下では絶縁耐圧性能と表現することがある）の維持が要求されている。
【０００３】
現在では前記セラミックス回路基板として、高耐絶縁性と高熱伝導率を有する窒化アルミニウム基板や窒化珪素等のセラミックス基板に、銅やアルミニウムといった熱伝導の良好な金属を接合したものが多用されている。また安価なアルミナやジルコニア基板を用いた回路基板の利用も一部では認められる。しかしながら中でも強度・靭性に優れた窒化珪素基板は、高い絶縁破壊電圧を有しており、信頼性の観点から今後の需要拡大が注目される。
前記セラミックス回路基板であるが、一般的には前記セラミックス基板の一方の面に電気回路となる金属回路板を接合し、他方の面に放熱用またはモジュールへの接合を容易にするために金属板を接合した構造を有している。また前記金属回路板、金属板には銅又はアルミニウムを主成分とした純金属または合金を用いて、ろう材による活性金属法や、直接接合する、いわゆるＤＢＡやＤＢＣといった方法でセラミックス基板と接合される。また金属回路板の電気回路はエッチング等により形成され、各種素子や外部との電気信号、電力の授受を行うための端子等が接続される。更に、このセラミックス回路基板の金属放熱板は、既述したベース板等の放熱部材に固着しモジュールとして使用される。
【０００４】
ところで、上記のセラミックス回路基板の信頼性評価試験の一つとして、従来より冷熱衝撃試験が用いられている。これはセラミックス回路基板単体もしくはモジュール等の試験体を、例えば、室温（２０〜２５℃）→低温（−５５〜−４０℃）→室温→高温（１１０〜１７０℃）→室温を１サイクルとする温度雰囲気中（大気雰囲気等）に暴露させ、任意サイクル後の前記試験体の状態を観察するものである。低温および高温での保持時間は装置の試験温度への到達時間により異なるが、１５〜６０分である。また用途により低温と高温の温度条件は異なり、例えば産業機器用途では低温−４０℃、高温１２５℃で、要求される耐サイクル数は３００〜５００サイクル程度が一般的である。また、車両用途や近年需要が高まっているＨＥＶ等の用途においては低温−５５℃、高温１５０〜１７０℃で、要求される耐サイクル数が１５００〜３０００サイクル以上と、より厳しい条件が現時点では一般的である。ただし、この試験条件は今後一層厳しくなることはあっても、緩和されることは考え難い。また大気雰囲気の代わりに特殊な液体を媒体（商品名：ガルデン等）とする、冷熱衝撃試験を行う場合もあり、この場合には媒体と試験体との熱伝達係数が大きくなり、より一層厳しい試験条件となることが予想される。
次に前記試験を行ったセラミックス回路基板に認められる主な不具合としては、金属回路パターンの剥離や、セラミックス基板部に生じる亀裂が挙げられる。無論、このような不具合が生じないことが好ましいのは言うまでも無い。特にセラミックス基板に亀裂が生じる場合には、その亀裂形態により、回路基板表裏間の耐絶縁性が劣化することが憂慮される。
【０００５】
次に、従来の絶縁耐圧性能に関する公知文献を以下に示す。
特許文献１では、金属回路パターンもしくは金属放熱板側の端部に、セラミックス基板との未接合部を設ける構造が示されている。これによれば接合時のろう材のはみ出しを抑え、沿面による絶縁破壊等を防ぐ効果があると考えられるが、やはりパターンの端部剥離が懸念される構造である。
特許文献２は、金属回路パターンおよび金属放熱板の端部にオーバーハング部を設けることで、回路基板の信頼性を改善しようとするものであるが、絶縁破壊に与える効果に関しては何も述べられていない。
特許文献３以降はいずれも、パターン剥離やセラミックス基板の亀裂防止といった信頼性向上を主目的として、沿面距離等を規定したものである。もちろんこれらの中には一部において有用性は認められると考えられるものもある。しかしながら、実際に顧客から要望されるセラミックス回路基板の金属回路パターン形状は既製の形状に留まらず、また厚い金属板の接合を求められることもある。このような場合には例え、前記文献の対策を施したとしても、少なからずセラミックス基板に損傷を与える可能性がある。
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−１９０１７６号
【特許文献２】特開平１０−４１５６号
【特許文献３】特開平４−１８２３６７号
【特許文献４】特開平５−１０２６２０号
【特許文献５】特開平１０−２００２１９号
【特許文献６】特開２００３−１００９６５号
【特許文献７】特開２００４−５５５７６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述したように、技術の趨勢を見る限りにおいては、今後も更なるセラミックス回路基板を用いたパワーモジュール等の大容量化（大電流化、高電圧化）が進み、回路基板に要求される信頼性改善が益々重要になると考えられる。信頼性に関して、特許文献にみられる従来の各々の知見は、回路基板に生じ得る前記した不具合の事前対策としては有効と考えられるものも見受けられる。金属パターンの剥離やセラミックス基板に亀裂を全く生じさせないことが最もふさわしい事は言うまでも無い。しかしながら、更に重要な問題は、回路基板に万一不具合が生じた場合でも、モジュール等の動作保証が可能なセラミックス回路基板の限界を確認し、顧客に理解いただいた上で、利用することが好ましい。この点に関しては、特許文献等に見られるように、セラミックス基板の亀裂や金属パターンの剥離の有無のみで良否の評価をするのが大部分であった。
【０００８】
ところで本発明者らは、既製品に多用されつつある窒化アルミや窒化珪素を用いた回路基板の冷熱衝撃試験を実施してきた。
窒化アルミはセラミックス材の中でも熱伝導率が良好ではあるが、セラミックス素材として強度、靭性が低いために、金属板に純アルミニウムやアルミ合金を接合したものが回路基板として用いられる。これは熱伝導率の良好な銅板を接合した場合には、０．３ｍｍ程度の銅厚であっても、容易にセラミックス基板に亀裂を生じてしまうためである。
前記のアルミ貼り回路基板を低温−５５℃、高温１５０℃で冷熱衝撃試験した場合、３０００サイクルにおいて、窒化アルミ基板には全く損傷を与えないが、その断面観察から窒化アルミとアルミニウム金属板の接合界面、特に金属部材中で剥離が生じることがわかっている。これは接合界面に存在するシリコン（Ｓｉ）を含有する、ろう材層等の拡散脆性層に起因する現象であると考えられる。
一方、窒化珪素を用いた回路基板では、セラミックス素材の強度、靭性が良好であることから、熱伝導に優れた銅板を接合することが可能である。勿論純アルミニウムやアルミ合金を接合した回路基板としても十分用いることができる。前記のような銅板を接合した回路基板の冷熱衝撃試験結果では、銅板や、ろう材などの金属部材での剥離は全く認められない。換言すれば、窒化珪素回路基板のパターンが剥離する場合には、セラミックスに亀裂が生じているといえる。
【０００９】
このように同じ窒化物を用いた回路基板であっても、接合金属層により、その損傷状態はまったく異なっている。また亀裂の発生は、金属回路板や金属放熱板の材質（銅やアルミニウム等の違い）、厚さやパターン形状の違い、またセラミックス基板の機械物性（破壊靭性、曲げ強度等）に依存するところが大きいと言える。しかしながら、前記金属回路板や金属放熱板の材質、厚さ、パターン形状は顧客の要望により限定される場合もある。他方、セラミックス回路基板を製造・提供する側としては、放熱性と特に絶縁耐圧性能の信頼性を持続させるために、セラミックス基板の材質や前記パラメータを可能な限り適正化することに注意を払っている。しかしながら限界もある。
【００１０】
本発明は、無駄なく絶縁耐圧性能の信頼性が高いセラミックス回路基板を提供することを目的としている。そこで、本発明では、仮にセラミックス基板に亀裂が生じた場合でも亀裂の形態によってはモジュールとしての性能を容認できる場合があることに着目し、それを判別できる評価方法とそれによるセラミックス回路基板を提供するものである。また、性能限界を知ることは回路基板が実装されるモジュール等の品質を高めることとなり、安全な最終製品を提供することにも寄与できる。また、極端な過剰品質やそれに伴うコスト増を低減するためにも有効である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、セラミックス基板と、前記セラミックス基板の一面に接合された金属回路板からなる回路パターンと、前記セラミックス基板の他面に接合された金属放熱板と、からなるセラミックス回路基板の評価方法であって、室温→低温→室温→高温→室温の順に与えた熱履歴を１サイクルとする冷熱衝撃試験を1回以上行い、その後、当該セラミックス回路基板の表裏間に交流電圧を印加したときの絶縁破壊電圧値が６ｋＶ以上で、かつ前記絶縁破壊電圧値が前記冷熱衝撃試験を実施する前の当該セラミックス回路基板の表裏間の絶縁破壊電圧値の７０％以上であり、このとき当該セラミックス回路基板に生じる亀裂の形態によって絶縁破壊電圧による信頼性を評価することを特徴とするセラミックス回路基板の評価方法である。かかる評価方法は、絶縁破壊電圧の測定値の劣化（値が高いほうが絶縁性に優れる）が亀裂の有無や形態に関与していることを見出し、この変化の程度で信頼性を評価するものである。尚、冷熱衝撃試験の条件は用途によって変わってくるが、例えば室温は２０〜２５℃、低温は−５５〜−４０℃、高温は１１０〜１７０℃の範囲から、保持温度は１５〜６０分の範囲から適宜選定できる。尚、高温の上限値１７０℃はモジュールに用いられる半導体素子のジャンクション温度の最大値である。
【００１２】
本発明のセラミックス回路基板の評価方法は、前記冷熱衝撃試験により前記セラミックス回路基板に亀裂が生じた場合、当該亀裂の長さをＬ、前記冷熱衝撃試験回数をＮ、亀裂進展速度をｄＬ／ｄＮとすると、Ｎ＞１０においては、前記亀裂長さＬの進展速度ｄＬ／ｄＮが０．１ｍｍ／サイクル以下であり、Ｎの増加に伴い前記進展速度ｄＬ／ｄＮが徐々に減少を示し、Ｎ＞１００において０．０１ｍｍ／サイクル以下、Ｎ＞１０００において０．００１ｍｍ／サイクル以下に減少するとき、このような亀裂形態は良性であると判定するものである。
このように亀裂の進展速度が上記勾配以下で減少するときあるいはその傾向を示すときは、亀裂はほぼ停滞したものと判定することができる。このような亀裂形態をＡモード亀裂と呼び、抜き取りの判定でＡモード亀裂であれば絶縁破壊電圧の劣化は許容内とみなされ、当該ロットはセラミックス回路基板として実用に供すると判定するものである。
【００１３】
また、本発明のセラミックス回路基板の評価方法は、前記冷熱衝撃試験により前記セラミックス回路基板に亀裂が生じた場合、前記セラミックス基板と金属回路板との接合面の断面を見たとき、亀裂は前記金属回路パターンのコーナー部を起点とし、一旦セラミックス基板表面から下部に向かった後、面内方向にのみ進展する、このようなＡモード亀裂形態は良性であると判定するものである。
このように亀裂が面内方向（基板平面に対して略平行）のみに進展するときは、Ａモード亀裂であり絶縁破壊電圧の劣化は許容内とみなされ、当該ロットはセラミックス回路基板として実用に供することができる。
【００１４】
本発明は、上記評価方法で耐絶縁破壊を評価したときに、当該セラミックス回路基板には亀裂が生じていない、あるいは亀裂が生じていたとしても、前記セラミックス基板と金属回路板との接合面の断面を見たとき、前記金属回路パターンのコーナー部を起点とし、一旦下部に向かった後、面内方向にのみ進展する亀裂形態を有することを特徴とするセラミックス回路基板である。
上記セラミックス回路基板において、前記セラミックス基板に強度７００ＭＰａ以上、靭性６ＭＰａｍ０．５以上の窒化珪素を用い、金属回路板または金属放熱板の少なくとも一方に無酸素銅を用いることが望ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のセラミックス回路基板の評価方法によれば、万が一にも回路基板に亀裂が生じた場合でも、放熱性や、特に絶縁耐圧性能を急激に劣化させることなく、要求される耐サイクル数までは必用な性能を維持できる良性の亀裂形態であると判定できる。
また、亀裂が生じたとしても良性の亀裂形態のみであるので、一応の信頼性が確保されたセラミックス回路基板として提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施態様を図面を参照して説明する。
セラミックス回路基板の一例を図１に示す。ここではセラミックス回路基板５は、活性金属法により、ろう付接合した場合を示す。ろう付接合体は、湿式エッチングにより金属回路板１、金属放熱板３に各々所望のパターンを形成し、不要なろう材を除去する工程と、表裏の金属板表面にＮｉやＮｉ−Ｐ等のめっき処理等が施されて作製される。また、あらかじめプラモデル状に金属パターン形状をエッチング形成した銅板を用いてニアネット接合する場合もある。この場合には接合後にパターン間の架橋部を除去する工程のみで銅貼り回路基板が形成可能である。
【００１７】
この回路基板を冷熱衝撃試験した場合に、回路基板のセラミックス基板部には金属板の接合時の残留応力や、冷熱衝撃試験時の金属板とセラミックス材の熱膨張差に起因する応力が発生する。図２の金属回路板のパターン６での応力シミュレーションを右側に示すように金属回路板４のパターンのエッジ側面の下部６ａや、凸状パターンのコーナーの下部６ｂに発生する。特に凸状パターンのコーナー下部６ｂに生じる応力は一般にエッジ側面下部６ａの応力よりも大きく、セラミックス基板に亀裂が発生し易い箇所となる。また亀裂が生じた際には、前記コーナー部近傍を起点とし、パターン形状に沿った状態で放射状にパターン外周下部のセラミックス基板表面部を伴って引き剥がすように進展する。
【００１８】
ここで本願発明者らはセラミックス基板部に亀裂が生じる場合、図３に示すように、大別して２種類の亀裂形態が存在することを新たに見出した。ここではこの２種類の亀裂形態を各々Ａモード亀裂、Ｂモード亀裂と表現する。これらの亀裂は何れも前記コーナー部近傍を起点として生ずるものであるが、Ａモード亀裂はセラミックス基板内を放射状（扇形または三角形に類似した形状も含む）に進展し、徐々に基板の面内方向（基板平面に対して略平行）へと進入角度を変えて進む形態のもので図３の亀裂８を指す。これはパターンコーナー直下のセラミックス基板に作用する主応力の方向が、亀裂進展に伴い基板表面に対して徐々に傾斜しており、亀裂は主応力方向と垂直に侵入するため、同時に少しずつ基板面内側に亀裂が進展するためであると考えている。この際図３に示すように面内方向にのみ進展する亀裂にはｔ１、ｔ２の厚さのセラミックス基板部が残存する。このためＡモード亀裂では、亀裂を生じながらも高い絶縁性能を維持することが可能となる。特に好ましくは残存厚さｔ２がｔ１よりも極力大きいことが良い。またこの現象は０．６３ｍｍｔの厚いセラミックス基板のみではなく、０．３２ｍｍｔ厚やさらに薄い０．１５ｍｍｔの厚さのセラミックス基板においても生じるものである。更にはＡモード亀裂が冷熱衝撃試験の評価寿命内において、金属放熱板に到達することがない場合も同様の理由で、絶縁に関して高い信頼性を維持できる。
【００１９】
これに対してＢモード亀裂は、セラミックス基板表面に対して亀裂の進入角度が急峻（垂直に近い場合もある）で金属放熱板側へ進展する形態のもので図３の亀裂７を指す。この場合は上記したＡモード亀裂の場合のセラミックス残存厚さの効果は得られずに、急激に絶縁性能が劣化する。このＢモード亀裂は冷熱衝撃試験や、更に厳しいヒートショック試験で生じる場合もあるが、多くは銅板を接合する過程で導入される。これらは回路基板の応力設計に原因がある場合が多く、セラミックス基板材質選定が良くない場合や、回路基板表裏のパターン形状のバランスが悪い場合に認められる。
以上のことから、セラミックス回路基板に亀裂が生じた場合でも、Ａモード亀裂であれば、実際には回路基板の絶縁耐圧性能を殆ど劣化させないということが考えられる。
【００２０】
さて、セラミックス回路基板の亀裂発生の起点は、凸パターンのコーナー下部６ｂが大部分であり、また前記亀裂はセラミックス基板内を放射状に進展する。ここでパターン上面からセラミックス基板の表面側を見た場合の亀裂の長さＬは、超音波顕微鏡等を用いて非破壊で測定することができる。この亀裂は冷熱衝撃試験の試験回数Ｎの増加に伴い当然増加する傾向を示す。ところがＡモード亀裂の場合は、亀裂が放射状に進展するため、亀裂進展に伴い亀裂先端縁の距離が長くなくなることで、より亀裂進展に必用とされるエネルギーは大きくなる。その一方で亀裂進展の駆動力となる接合残留エネルギーや冷熱衝撃試験時に蓄積されたエネルギーは亀裂進展に伴い徐々に開放されるため、亀裂進展速度は徐々に遅くなる傾向を示す場合があることが分かってきた。ただし、亀裂進展速度はこのセラミックス基板材の破壊靭性に依存するところが大きいため、あまり破壊靭性の小さい材料を基板材に用いた場合では、上記の効果が得られないだけではなく、最終的に金属回路パターンの剥離に至る場合もあることも分かっており、例えばセラミックス基板材には、破壊靭性が６ＭＰａ√ｍ以上の窒化珪素基板を用いたときこの傾向を示し易いことに留意すべきである。
【００２１】
Ａモード亀裂においては、セラミックス回路基板の絶縁破壊電圧の低下は初期値に対して比較的小さいことが分かった。しかしながら回路基板の設計パラメータにより亀裂長Ｌや亀裂侵入深さｔ３が異なり、正確には前記パラメータにより、その劣化の程度は異なる。例えば基板厚０．３２ｍｍｔの窒化珪素基板の場合、試験前においては少なくとも絶縁破壊電圧で９ｋＶ以上の値を示す。一方、現在市場で多用されているＩＧＢＴモジュールにおいては、３〜６ｋＶ程度の絶縁破壊電圧が必用とされており、絶縁耐圧特性の大幅な劣化は許容されない。
そこで、図４の外観斜視図で示すような回路基板を作製し、絶縁破壊電圧の劣化の最も大きいＢモード亀裂をわざと生じさせ、前記絶縁破壊電圧の劣化具合を検証した。パラメータとして厚さ０．３２ｍｍｔのセラミックス基板２の外周から金属回路板４のパターンまでの距離Ｗと金属回路板および金属放熱板（無酸素銅使用）の厚さｔの異なる回路基板５を作製した。実験の結果、ここで作製した回路基板全てにＢモード亀裂が生じた訳ではなく、このパターンの場合、Ｗやｔが大きいほどＢモード亀裂が生じやすくなる傾向にあった。回路パターンのコーナーＲ値を大きくしても、Ｂモード亀裂を生じることもある。そのＢモード亀裂の一例を図５に示す。なお、同図の亀裂観察は、銅板を接合後にエッチングでパターンを形成し、絶縁破壊試験を実施後、接合銅板をエッチング除去してから行ったものである。セラミックス基板の破面形態から、ほぼセラミックス基板表面に対し４５°以上の角度で亀裂１１が生じ、そのまま金属放熱板まで到達しており、明らかにＢモード亀裂であることがわかる。このＡモードまたはＢモード亀裂は、金属回路板および金属放熱板を接合する際の接合残留応力が、セラミックスの破壊強度を上回る場合に生じると考えられる。
【００２２】
Ｂモード亀裂の生じた回路基板の絶縁破壊電圧の測定結果を、同じく上記回路基板５の場合でＡモード亀裂が生じた回路基板の測定値と比較して図６に示す。Ａモード亀裂１５（◆印）の場合は、初期の絶縁破壊電圧値が９〜１０ｋＶであることを考えると、絶縁破壊電圧の劣化は殆ど認められない。一方Ｂモード亀裂１６（●印）の場合は一様に絶縁破壊電圧が低下しており、平均して約７０％未満の耐圧の維持しか認められないことがわかる。したがって、上記Ｂモード亀裂を生じた０．３２ｍｍｔのセラミックス基板の場合には、一般にモジュールとして要求される絶縁破壊電圧値の閾値である６ｋＶを下回るため、信頼性に劣ると考えられる。ただし、絶縁破壊電圧はセラミックス基板の厚さに大きく依存し、セラミックス基板が０．３２ｍｍｔよりも薄い場合には当然のことながら６ｋＶの閾値を下回る場合がある。しかしながら顧客により０．３２ｍｍｔよりも薄い基板を必要とすることもあり、その場合、前記６ｋＶの閾値は更に低く設定されてしかるべきであり、亀裂形態が同じであれば本発明と矛盾するものではないことを述べておきたい。
また、この実験結果から、Ｂモード亀裂の場合は初期の絶縁破壊電圧値に対し７０％未満の低下が生じるが、Ａモード亀裂の場合はほとんど劣化は生じず少なくとも７０％以上の絶縁耐圧性能を有していることが分かる。Ｂモード亀裂の発生にはパターン形状やセラミックス基板に対する金属板の大きさにも依存するものの、表裏パターンのバランス（ここでは前記Ｗの値）の影響が無視できないことも類推できる。
【００２３】
一方、前記亀裂長および亀裂進展速度は、シミュレーション解析と実験結果を併用して予測することが可能である。このように亀裂長Ｌが予測できることで、金属回路パターン上での半導体素子や接続端子の配置によるモジュール性能劣化が予測でき、より信頼性の高いセラミックス回路基板およびそれを用いたモジュールの設計が可能になると考えられる。ここで冷熱衝撃試験回数Ｎに対する亀裂進展速度は、セラミックス基板の破壊靭性に依存するところが大きいが、それ以外に基板に作用する応力、たとえば接合する金属回路板や金属放熱板による接合残留応力に依存する傾向が大きく亀裂長ＬをＮの関数とみなして、ｄＬ／ｄＮで求めることができる。
【００２４】
ここで冷熱衝撃試験回数と亀裂進展速度の関係を金属板（金属回路板および金属放熱板）厚さ毎に測定した実験結果を図７に示す。
冷熱衝撃試験は室温（２０℃×１０分保持）→低温（−５５℃×３０分保持）→室温→高温（１５０℃×３０分保持）→室温の順に与えた熱履歴を１サイクルとして行い、セラミックス基板には０．３２ｍｍｔ厚の窒化珪素板を用い、金属回路板と金属放熱板の厚さは、金属回路板厚／金属放熱板厚＝０．８／０．６ｍｍ、１．０／０．８ｍｍ、１．２／１．０ｍｍ、１．５／１．２ｍｍ、２．０／２．０ｍｍ、２．５／２．５ｍｍの無酸素銅を用いた。尚、金属回路のパターンは図４に示す形状なので、図２等のパターンとは異なるが、図７の結果は異なる他の回路パターンでも同様であると考えている。
また、亀裂の長さ測定に関しては、事前に同一試料で断面観察と超音波顕微鏡の両方で亀裂長さの測定を行い、両者の結果の相関を調査し実施した。なお以下に示す亀裂長さは超音波顕微鏡で実施したものである。また、所定回数の冷熱衝撃試験を実施した試料は、銅板とろう材を除去した後、亀裂長評価用試料とした。
【００２５】
以上のように求められた亀裂進展速度を図７に示す。この結果から亀裂進展速度は、銅板厚２．５ｍｍ以下の場合、冷熱試験回数１０サイクル以下の極初期を除いて、０．１ｍｍ／サイクル以下となる。即ち、１０サイクル以上で０．１ｍｍ／サイクル以下、１００サイクル以上において０．０１ｍｍ／サイクル以下、１０００サイクル以上において０．００１ｍｍ／サイクル以下に減少して行く、このように冷熱試験回数Ｎの増加に伴って、亀裂長Ｌの増加速度が限りなく小さくなる。このような亀裂形態がＡモード亀裂であり、この場合は亀裂長Ｌが徐々に停留すると見なして良く、亀裂としては絶縁耐圧性能に悪影響を及ぼさない良性の亀裂であると判定できる。
【００２６】
以下、本発明の具体的な実施例を説明する。ただし、セラミックス回路基板（以下では回路基板と表現することがある）のパターン形状や構成材の厚さおよび、各種機械特性を有するセラミックス基板材の選択に関して、全ての実施例を表現することは、対象が無数に存在するため本発明の範囲内であったとしても全てを説明することは困難である。したがって、既述した回路基板を例にとり、本発明の実施例の説明を行うが、これらの実施例により本発明が限定されるものではないことを述べておきたい。また、本発明は亀裂形態と絶縁耐圧性能の関連を示すため、本発明に示すＡモード亀裂を有する回路基板は全て本発明の範囲内であり、同様に亀裂を生じない回路基板についても本発明の範囲内であると言える。
【００２７】
（実施例）
ここでは図４に外観斜視図で示した回路基板５を用いる。この回路基板はサイズが５０ｍｍ角で、０．３２ｍｍｔ厚さの窒化珪素セラミックス基板２に、４８ｍｍ角の無酸素銅製の金属放熱板３と、１０ｍｍ角で無酸素銅製の金属回路板パターン４を４個、ろう付接合した構造を有している。また、パターンのコーナー部のＲは１．０ｍｍとした。尚、セラミックス基板としては高強度の窒化アルミ基板や酸化物基板（例えばジルコニアや高強度アルミナ基板）や、その他のセラミックス複合体の絶縁基板を用いた場合でも同様の効果が得られる場合は本発明の範囲内と考える。更に金属板材として銅、アルミニウムやそれらの合金、積層クラッド材を用いた場合も同様である。
次に金属回路板のパターン側の外周沿面部長さＷであるが、絶縁破壊には沿面で放電が生じる場合と、セラミックス基板を貫通する放電の２種類が考えられる。本来、セラミックス材料の絶縁性能を評価する場合には、後者の放電が望ましい。そこで、本実施例においては前記沿面部からの放電を防止するために、試作した全ての回路基板の沿面部に絶縁性のレジスト厚膜を形成した。
【００２８】
作製した回路基板の一覧を表１に示す。回路設計パラメータとして前記外周沿面部長さＷの他に、金属回路板厚さ、金属放熱板厚さ、窒化珪素基板の曲げ強度（３点曲げ試験で評価）と破壊靭性（ＩＦ法により評価）などの機械特性の異なる窒化珪素基板を種々選択しセラミックス回路基板を作製した。金属回路板および金属放熱板と窒化珪素基板との接合には活性金属を含むろう材を用いて、ろう付接合した。また前記接合後、湿式エッチングでパターンを形成したのち、金属板表面にＮｉ−Ｐめっきを施して回路基板を作製した。試作した回路基板は冷熱衝撃試験を実施する前に全数を光学顕微鏡および超音波顕微鏡を用いて初期亀裂の有無を確認した。その後試作した回路基板の一部を耐圧試験機で交流電圧印加により絶縁破壊電圧の初期評価および亀裂モードを確認するために断面観察を行った。尚、初期亀裂が生じた試料は、いずれもＢモード亀裂であった。絶縁破壊電圧の評価では０ｋＶから１０ｋＶ（本実験で使用した絶縁破壊電圧評価装置の上限が１０ｋＶのためであるが、更に高い電圧を印加した場合でも絶縁破壊しない場合もある）まで徐々に昇圧し、絶縁破壊が生じた電圧を絶縁破壊電圧とした。
【００２９】
次いで、室温２０℃（１０分保持）、低温−５５℃（３０分保持）、高温１５０℃（３０分保持）の冷熱衝撃試験を３０００サイクルまで実施し、上記の条件と装置を用いて同様の評価を実施し、亀裂有無、亀裂形態と絶縁破壊電圧値の関連を調べた。また、上記の試験後の回路基板の一部を、パターンのコーナー角部を通る断面を切断研磨して観察しＡモード亀裂またはＢモード亀裂の分類を行った。そして、パターンの一箇所でもＢモード亀裂が生じた回路基板は、Ｂモード亀裂と判断した。
また亀裂長Ｌの測定も超音波顕微鏡を用いて金属回路板および金属放熱板とろう材をエッチング除去した後に実施した。亀裂長Ｌに関しては不良と認められる明確な判定基準があるわけではないが、本実施例においては、金属回路パターンの完全な剥離（回路基板からの分離）が生じた場合は本発明例から除外することとした。
【００３０】
【表１】
2009117614.tif 000003
【００３１】
試作した回路基板の外周沿面部長さＷ値は２、４、８ｍｍの３種類である。表１の結果から、まず接合後の状態で、既にＢモード亀裂が生じている回路基板が認められる。この回路基板は厚い銅板の場合（試料Ｎｏ．１１、１６、１７、２２、２３、２７）や、Ｗ値が大きく沿面距離が金属放熱板側と比較して長い場合（試料Ｎｏ．１９〜２３、２７〜２９）、また使用したセラミックス基板の曲げ強度が低い回路基板（試料Ｎｏ．２８、２９）に認められる傾向がある。この理由は、厚い銅板は接合残留応力を増加させることや、Ｗ値の増加は回路基板の表裏のバランスが悪く、回路パターン側に応力が集中することに起因すると考えられる。また、前記の亀裂はいずれもＢモード亀裂であることから、Ｂモード亀裂は回路基板の製造段階（特に銅板の接合過程）で生じやすいと考えられる。したがって、設計段階でシミュレーション解析を行うなど、事前に最適設計がなされればＢモード亀裂は阻止できるとも考えられる。ただし、Ｂモード亀裂を生じる場合として別にヒートショック試験が挙げられるが、冷熱衝撃試験で生じる亀裂は主にＡモード亀裂が支配的である。また、Ａモード亀裂ではあるがセラミックス基板の破壊靭性が小さい場合は（試料Ｎｏ．３０）、金属回路パターンが完全に回路基板から剥離してしまった。これは既述したが破壊靭性の小さいセラミックス基板の亀裂は進展速度が停留せず、基板に生じた亀裂の応力拡大係数が、基板の破壊靭性に到達し、剥離破壊に至ったと考えられる。従って、回路基板に用いられるセラミックス基板の破壊靭性は極力大きいことが望ましい。その値はセラミックス基板材によって異なるが、窒化珪素セラミックス基板の場合は６ＭＰａｍ０．５以上であることが好ましい。
【００３２】
次に絶縁破壊電圧に関して、接合後に亀裂を生じない回路基板では、いずれも初期絶縁破壊電圧が約９ｋＶ以上であるのに対して、Ｂモード亀裂を生じた回路基板では、前記破壊電圧が低いもので５ｋＶ程度のものが見受けられる（試料Ｎｏ．１６、２０、２３）。今回作製した回路基板では比較的厚い銅板を用いたため、冷熱衝撃試験を３０００サイクル実施した後では、大部分の回路基板で亀裂が生じた。また３０００サイクルまでの途中の亀裂長は、１００、５００、１０００、２０００の各サイクルで測定したが、銅厚とシミュレーションによる主応力解析値と図７に示した実験による亀裂進展速度内（以下）であり、サイクル数の増加により亀裂長Ｌは長くなることも確認した。ただし、既述したように初期にＢモード亀裂を生じた試料以外は全て亀裂が全く認められないか、Ａモード亀裂のいずれかである。図８にＡモード亀裂の断面観察例を示す。このようにＡモード亀裂では基板の面内方向に進展した亀裂は、金属放熱板に達することなく進むこともわかった。
【００３３】
一方で金属回路板と金属放熱板の厚さが０．４ｍｍ以下の場合には亀裂が全く認められなかった試料（試料Ｎｏ．１、２）もあり、セラミックス基板に亀裂を生じさせない回路基板を得るためには、少なくとも金属回路板の厚さは０．４ｍｍ程度以下が好ましいと考えられる。また金属回路板と金属放熱板の厚さが０．６ｍｍの試料（試料Ｎｏ．３、４）でも１０００サイクル程度では亀裂は認められないことから、亀裂の発生を好まない顧客でも、条件によっては使用可能な用途があると考える。ただし、グリースやはんだ等の熱伝導率の劣る材料を用いたモジュールでは薄い銅を用いた回路基板の場合、モジュールの熱抵抗が大きくなってしまう場合があり、０．６ｍｍ以下の銅板の使用にはまだ別の課題があるのが現状である。
いずれにしても、試験後の絶縁破壊電圧値を見ると、作製した回路基板のロット内のバラツキもあるが、Ｂモード亀裂の回路基板も勿論であるが、Ａモード亀裂を生じた回路基板においても若干の低下が認められる。ただし、Ａモード亀裂であれば試験後においても６ｋＶ以上の絶縁破壊電圧を有しており、絶縁回路基板として十分に使用できることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】セラミックス回路基板の接合方法と外観の一例を説明する斜視図である。
【図２】セラミックス基板に生じる応力分布の一例を示す図である。
【図３】セラミックス基板に生じる２種類の亀裂形態を説明する図である。
【図４】本発明の一実施例において試作した回路基板の斜視図である。
【図５】Ｂモード亀裂を生じた回路基板の観察例である。
【図６】Ａモード亀裂及びＢモード亀裂と絶縁破壊電圧値の関係を示す図である。
【図７】本発明の一実施例のセラミックス基板に生じる亀裂進展速度と冷熱衝撃試験回数との関係を示す図である。
【図８】本発明におけるＡモード亀裂を生じた回路基板の断面観察例である。
【符号の説明】
【００３５】
１：金属回路板
２：セラミックス基板
３：金属放熱板
４：金属回路パターン
５：セラミックス回路基板
６：セラミックス基板の応力分布（黒色部が応力大）
６ａ：金属回路板４のパターンのエッジ側面の下部
６ｂ：凸状パターンのコーナーの下部
７：Ｂモード亀裂
８：Ａモード亀裂
９：銅パターンを除去した後のセラミックス基板の外観
１０：セラミックス基板の金属パターン接合面側表面
１１：破断面（Ｂモード亀裂）
１２：Ａモード亀裂の起点
１３：Ａモード亀裂
１４：亀裂の進展方向を示す矢印
１５：亀裂の無い回路基板
１６：Ｂモード亀裂のある回路基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図６】
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【図７】
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【図４】
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【図５】
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【図８】
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