(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化アルミニウム基板の一方の面に銅回路、他方の面に銅放熱板が、活性金属成分としてチタンを含み、Ag及びCuを主成分とするろう材を用いて接合されてなるものであって、先ず金属放熱板の周囲にはみ出た接合層が形成するように銅放熱板と窒化アルミニウム基板とを接合させ、次にAg-Cu合金層を選択エッチング処理することにより、上記銅放熱板の端部から０．６〜１．０ｍｍの幅に、ＴｉＮを含みＡｇ成分及びＣｕ成分を含まない帯状の接合層を露出させてなることを特徴とする半田クラックの抑止効果に優れた回路基板の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の製造方法により得られる回路基板の露出した帯状の接合層に、Ｎｉメッキが施されてなるものであることを特徴とする回路基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セラミックス基板に金属回路と金属放熱板とが設けられてなる回路基板の改良に関するものであって、回路基板をヒートシンク材に半田付けする際に発生するクラックを抑止することを目的とするものである。本発明の回路基板は、電子部品のパワーモジュール等の組立に好適なものである。
【０００２】
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。
【０００３】
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、より厳しい環境条件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、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。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
セラミックス基板自体の耐久性が向上すると、今度は回路基板をヒートシンク材（通常は銅部材）に半田付けする際に、半田部分で剥離が起こるような現象（以下、「半田クラック」という。）が生じ始めた。本発明の目的は、半田クラックの抑止効果に優れた回路基板を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
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、上記金属放熱板の周囲の少なくとも一部に、上記金属放熱板と接触させて又は接触させないで、ＴｉＮを含みＡｇ成分又はＣｕ成分を含まない帯状層を形成させてなることを特徴とする回路基板、及び上記帯状層にＮｉメッキが施されてなるものであることを特徴とする回路基板である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、更に詳しく本発明について説明すると、半田クラックは、半田厚みに依存することは一般的に知られており、その厚みの厚い方が起こりにくいが、その反面、半田部分の熱抵抗が大きくなり問題となる。また一方で、半田クラックの起点は必ず放熱金属板の周囲から起こることもわかっている。
【０００７】
従来、活性金属を含むろう材を金属回路又は金属放熱板の端部からはみ出させてセラミックス基板とそれらを接合し、Ａｇ、Ｃｕ等の主成分以外にＴｉ等の活性金属成分を含む接合層を金属回路又は金属放熱板の周囲に形成させる技術が提案されているが、この接合層はＡｇ−Ｃｕ合金等のＡｇ成分又はＣｕ成分が主体となっており、しかもその厚みは２０〜５０μｍ程度と厚いものであったので、厳しい条件下の使用では半田クラックが発生しやすいものであった。
【０００８】
本発明者らは、放熱金属板の周囲にＴｉＮを含みＡｇ成分又はＣｕ成分を含まない帯状層（以下、単に「帯状層」という。）を形成させることによって、放熱金属板自体の外周部の厚みを薄くする従来技術よりも、半田クラックを防ぐことができることを見いだしたものである。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
金属回路及び金属放熱板の材質としては、銅又は銅合金が一般的であるが、これに限定されることはない。その厚みは、近年、電流密度が向上していく傾向から、金属回路は０．３ｍｍ以上で、金属放熱板は０．２ｍｍ以上であることが好ましい。
【００１２】
セラミックス基板の一方の面に金属回路、他方の面に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、放熱金属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、Ｍｏ−Ｍｎ法、活性金属ろう付け法、硫化銅法、ＤＢＣ法、銅メタライズ法等の種々の方法を採用することができるが、パワーモジュール用としては、活性金属ろう付け法が好ましい。
【００１３】
活性金属ろう付け法については、例えば特開昭６０−１７７６３４号公報に記載されている。活性金属ろう付け法におけるろう材の金属成分は、銀と銅を主成分とし、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する。活性金属成分は、セラミックス基板と反応して酸化物や窒化物を生成し、ろう材とセラミックス基板との結合を強固なものにする。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。本発明においては、帯状層を金属放熱板の周囲に形成させるに際し、活性金属ろう付け法で生成した接合層を利用することができるので、その場合は活性金属として少なくともチタンを含ませる。これらの比率としては、銀８０〜９５重量部と銅２０〜５重量部の合計量１００重量部あたり活性金属１〜７重量部である。接合温度は、８００〜８４０℃が望ましい。
【００１４】
本発明は、上記した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たものにおいて、金属放熱板の周囲の少なくとも一部に帯状層を、上記金属放熱板と接触させて又は接触させないで形成させた点に大きな特徴がある。
【００１５】
本発明における帯状層は、０．５ｍｍ以上の幅を持っていることが好ましく、またその長さと形成場所は任意に定めることができる。すなわち、帯状層は、金属放熱板に接触させその周囲の全てに形成させることが望ましいが、必ずしもそのようにする必要はなく、半田クラックが頻発する例えばコーナー部にのみ形成させてもよい。更には、帯状層は必ずしも金属放熱板に接触させて形成させる必要はなく、０．５ｍｍ程度以内に離して形成することもできる。
【００１６】
また、帯状層の組成は、ＴｉＮを含むがＡｇ成分又はＣｕ成分を含んでいないことが必要であり、Ａｇ成分又はＣｕ成分を含んでいると半田クラックの抑制効果は従来と同程度となり所期の目的を達成することができない。本発明の帯状層には、上記した活性金属成分又はその化合物が含まれていてもよい。
【００１７】
更には、帯状層と半田は十分に濡れる必要があるので、帯状層にはＮｉメッキが施されていることが好ましい。Ｎｉメッキの厚みは１０μｍ以下が好ましい。
【００１８】
本発明の帯状層を形成させるには、セラミックス基板として窒化物基板を用い、しかも活性金属成分としてチタンを含ませたろう材を用いて生成させた接合層を利用する方法と利用しない方法の二通りがある。
【００１９】
接合層を利用する場合は、先ず金属放熱板の周囲にもはみ出た接合層が形成するように金属放熱板とセラミックス基板とを接合させる。次いで、このはみ出た接合層の大部分はＡｇ−Ｃｕ合金層であるが、Ｔｉ成分が窒化物基板のＮ分と反応して生成したＴｉＮ層等も含んでいるので、Ａｇ−Ｃｕ合金層を選択エッチングすることによって、本発明の帯状層を形成させることができる。その際のエッチング液としては、５〜１５％過酸化水素水溶液等を使用することができる。
【００２０】
金属放熱板の周囲にはみ出た接合層を形成させるには、チタンを含むろう材をセラミックス基板に塗布した後、その塗布面積よりも小さい金属放熱板を配置して加熱する方法、チタンを含むろう材を用いて金属放熱板とセラミックス基板とを加熱接合した後、金属放熱板の縁をエッチング除去して接合層を露出させる方法等によって行うことができる。
【００２１】
接合層を利用しない場合は、セラミックス基板と金属放熱板とを接合させた後に、金属放熱板の周囲に新たにＴｉＮを含む層を形成させることが必要であるが、その方法としては、チタンを含むろう材を用い上記に準じて形成させる方法、スパッタリング法等がある。
【００２２】
このようにして形成された帯状層は、ろう材のＴｉ成分が窒化物基板のＮ分と反応して生成したＴｉＮ層を主成分とするものであり、その厚みは接合層厚みの２０〜５０μｍ程度から数μｍ程度にまで薄くなるのでその部分の半田厚みが厚くなり、回路基板の半田クラック発生の抑止効果が向上する。
【００２３】
【実施例】
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。
【００２４】
実施例１〜６
重量割合で、銀粉末９０部、銅粉末１０部、ジルコニウム粉末３部、チタン粉末３部及びテルピネオール１５部を配合し、ポリイソブチルメタアクリレートのトルエン溶液を加えてよく混練し、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全面に塗布した。その際の塗布量（乾燥後）は９ｍｇ／ｃｍ2 とした。
【００２５】
次に、金属回路形成面に６０ｍｍ×３６ｍｍ×０．３ｍｍの銅板を、また金属放熱板形成面に６０ｍｍ×３６ｍｍ×０．１５ｍｍの銅板をそれぞれ接触配置してから、真空度１×１０-5Ｔｏｒｒ以下の真空下、８３０℃で３０分加熱した後、２℃／分の降温速度で冷却して接合体を製造した。
【００２６】
次いで、この接合体の銅板上にＵＶ硬化タイプのエッチングレジストをスクリーン印刷で塗布後、塩化第２銅溶液を用いてエッチング処理を行って銅板不要部分を溶解除去し、更にエッチングレジストを５％苛性ソーダ溶液で剥離した。このエッチング処理後の接合体には、銅回路パターン間に残留不要ろう材や活性金属成分と窒化アルミニウム基板との反応物があるので、それを除去するため、２０％過酸化水素と１０％フッ化アンモニウムの混合溶液（６０℃）に１０分間浸漬した。
【００２７】
上記のようにして、窒化アルミニウム基板の一方の面に銅回路、他方の面に銅放熱板（外周部がエッチング除去されている）が設けられてなる回路基板を製造した後、銅回路面の全面を覆うように再度レジストインクを塗布する一方、銅放熱板にはその端部から所定幅を残して再度レジストインクを塗布し、塩化第２銅溶液を用いてエッチング処理を行い、銅放熱板の端部を溶解除去し、表１に示す幅の接合層を露出させた。
【００２８】
これを４０℃、１０％過酸化水素溶液に浸漬し、露出させた接合層に存在するＡｇ−Ｃｕ合金等のＡｇ成分及びＣｕ成分を溶解除去し（マイクロＸ線回折により確認）、帯状層を形成させた。その後、一部の回路基板には、更に無電解Ｎｉメッキを施した。
【００２９】
比較例１
帯状層を形成させなかったこと以外は、実施例１と同様にして回路基板を製造した。
【００３０】
比較例２〜４
露出させた接合層からＡｇ−Ｃｕ合金等のＡｇ成分及びＣｕ成分を溶解除去しなかったこと以外は、実施例１〜３と同様にして回路基板を製造した。
【００３１】
これら一連の処理を経て製作された回路基板について、ヒートシンク材（１００ｍｍ×５０ｍｍ×３ｍｍの銅板）に共晶半田にて半田付けした後、気中、−４０℃×３０分保持後、２５℃×１０分間放置を１サイクルとするヒートサイクル試験を行い、半田クラックの発生サイクル数を測定した。その結果を表１に示す。
【００３２】
【表１】
0003812988.tif 000002
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、半田クラック発生の抑止効果に優れた回路基板が提供される。