(57)【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形成されてなる回路基板において、上記金属回路及び／又は上記金属放熱板は、第一の金属がアルミニウム、第二の金属がニッケル、第三の金属が銅からなるクラッド箔であってその第一の金属がセラミックス基板に接合されており、しかも第一の金属の端部がそれに隣接する第二の金属の端部よりも内側に１０μｍ以上、２００μｍ以下の範囲内に位置しており、また第二の金属の端部が第三の金属の端部よりも内側に０μｍ以上、１００μｍ以下の範囲内に位置していることを特徴とする耐ヒートサイクル性に優れ、しかも検出電荷１０ｐＣにおける部分放電開始電圧が５ｋＶ以上である回路基板。
【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】
【従来の技術】
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】
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構造のものであるが、更なる耐ヒートサイクル性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が開発されている。しかしながら、アルミニウムは電流密度等の電気的特性が銅よりも劣るので、そのような回路基板は広く普及されるまでには至っていない。
【０００５】
一方、銅回路を形成した回路基板の信頼性向上については、従来より多くの提案がある。例えば、銅回路の厚みをその裏面の放熱銅板のそれよりも厚くする（特開平４−１９８０７０号公報）、銅回路縁部を薄肉形状（段差を設ける）とする（特公平５−２５３９７号公報）、銅回路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。これによって、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パワーモジュールのように、超信頼性の要求される分野においてはまだ不十分である。
【０００６】
そこで、本出願人は、第一（例えばアルミニウム）、第二（例えばニッケル）、第三（例えば銅）の異なる３種以上の金属からなるクラッド箔によって、金属回路及び／又は金属放熱板を形成させるが、その際に第一の金属の端部をそれに隣接する第二の金属の端部よりもせり出させた構造の回路基板を提案した（特願平１０−０５０４８１号）。このような構造によって、飛躍的に耐ヒートサイクルに対する信頼性が高まったが、その反面、回路基板の表裏間の部分放電開始電圧がトレードオフの関係で低くなり、回路基板の縁部から放電しやすくなるという問題が未解決であった。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的は耐ヒートサイクル性に優れ、しかも部分放電開始電圧が十分に高い、高信頼性の回路基板を提供することである。
【０００８】
【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形成されてなる回路基板において、上記金属回路及び／又は上記金属放熱板は、第一、第二、第三以上の異なる３種以上の金属からなるクラッド箔であってその第一の金属がセラミックス基板に接合されており、しかも検出電荷１０ｐＣにおける部分放電開始電圧が５ｋＶ以上であることを特徴とする回路基板である。
【０００９】
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形成されてなる回路基板において、上記金属回路及び／又は上記金属放熱板は、第一の金属がアルミニウム、第二の金属がニッケル、第三の金属が銅からなるクラッド箔であってその第一の金属がセラミックス基板に接合されており、しかも第一の金属の端部がそれに隣接する第二の金属の端部よりも内側に１０μｍ以上、２００μｍ以下の範囲内に位置しており、また第二の金属の端部が第三の金属の端部よりも内側に０μｍ以上、１００μｍ以下の範囲内に位置していることを特徴とする回路基板である。
【００１０】
【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。
【００１１】
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ってセラミックス基板の界面より銅回路が剥離する問題がある。
【００１２】
銅とセラミックスの熱膨張差による熱応力は、熱膨張率だけではなく、その金属自体が持つ機械的性質、主に引張強度や耐力でその大きさが決まる。したがって、熱応力を軽減させるには、銅よりも引張強度や耐力の小さい金属を用いればよいが、そのような特性を持ち、しかも銅と同程度の電気的特性を有する金属は、今のところ現存しない。
【００１３】
そこで、上記のように、本出願人は、異なる３種以上の金属からなるクラッド箔によって、金属回路及び／又は金属放熱板を形成することを提案した。すなわち、第一（例えばアルミニウム）、第二（例えばニッケル）、第三（例えば銅）ないしはそれ以上の異なる３種以上の金属で構成されたクラッド箔において、引張強度や耐力の小さい第一の金属をセラミックス基板に接合させることによって、第一の金属とセラミックス基板間との熱膨張差による熱応力を低減させ、その上に電気的特性の良好な第三の金属を、第一の金属と反応・拡散しあわないように、第二の金属を介在させたクラッド箔構造の回路基板を提案した。更には、このクラッド箔構造の回路基板において、セラミックス基板に接合している第一の金属の端部を、その金属に隣接している第二の金属の端部よりもせり出させた構造のものを提案した。
【００１４】
これらのクラッド箔構造の回路基板によって、著しく耐ヒートサイクルに対する信頼性が高まったが、放電が起こりやすくなり、回路基板に高電圧が印可された場合に、絶縁破壊の前段階である部分放電開始電圧の低下が生じるという問題が未解決であった。
【００１５】
この点について、更に検討した結果、クラッド箔を構成している各金属の端部のせり出し関係を適正化することによって、この問題を解決できることを見いだしたものである。すなわち、セラミックス基板に接合している第一の金属の端部を、その金属に隣接している第二の金属の端部よりも内側に位置させ、しかも第二の金属の端部をその金属に隣接している第三の金属の端部と同等もしくは内側に位置させることによって、クラッド箔構造の耐ヒートサイクルに対する超信頼性を大きく犠牲にすることなく、部分放電開始電圧を高めることができたものである。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
本発明で使用されるクラッド箔の構成金属について説明すると、引張強度や耐力が小さく、セラミックスとの熱膨張差による熱応力を低減する役割を持つ第一の金属としては、アルミニウム、鉛、白金等が好ましく、中でもアルミニウムが特に好ましい。また、電気的特性の良好な第三の金属としては、銅、銀、金、アルミニウム等が好ましく、中でも銅が特に好ましい。第一の金属に隣接する第二の金属としては、チタン、ジルコニウム、モリブデン、タングステン、ニッケル等が好ましいが、中でもニッケルが特に好ましい。クラッド箔の構成金属の厚みとしては、第一の金属が３０〜２００μｍ、第二の金属が５〜３０μｍ、第三の金属が１００〜５００μｍであることが好ましい。
【００１９】
本発明において、クラッド箔を構成している各金属の端部のせり出し関係は、第一の金属の端部をその金属に隣接している第二の金属の端部よりも内側に１０μｍ以上、２００μｍ以下の範囲内に位置させ、また第二の金属の端部をその金属に隣接している第三の金属の端部と同等位置ないしは１００μｍ以内の内側に位置させる。
【００２０】
このような構造でないと、実施例で説明するとおり、耐ヒートサイクルに対する超信頼性が著しく損なわれるか、又は部分放電開始電圧を高めることができない。すなわち、後記の耐ヒートサイクル試験において、３０００回を上回る信頼性を有し、しかも部分放電開始電圧が５ｋＶ以上の回路基板とはならない。
【００２１】
本発明における「部分放電開始電圧」とは、フッ素系化合物からなる絶縁油（例えば住友スリ−エム社製商品名「フロリナ−ト」）に回路基板を浸漬し、印加交流電圧を徐々に上昇したとき、検出電荷１０ｐＣを越える部分放電が回路基板表裏間に発生し始める電圧のことである。部分放電開始電圧は、ＪＥＣ−０４０１（電気学会  電気規格調査会標準規格）に準じて測定することができ、その測定回路の一例を図１に示す。また、部分放電試験器も市販されているので（例えば菊水電子社製商品名「ＫＰＤ１０５０」）、それを利用することもできる。
【００２２】
本発明におけるせり出し関係を有するクラッド箔構造の金属回路及び／又は金属放熱板を形成するには、セラミックス基板とクラッド箔との接合体をエッチングする方法、クラッド箔から打ち抜かれた回路及び／又は放熱板のパターンをセラミックス基板に接合する方法によって行うことができ、その際の接合方法は活性金属ろう付け法が用いられる。
【００２３】
セラミックス基板とクラッド箔との接合体をエッチングする方法の場合は、そのエッチング液の種類、処理条件を工夫して行う。例えば、第一の金属がアルミニウム、第二の金属がニッケル、第三の金属が銅である場合、セラミックス基板とクラッド箔との接合体を、クラッド箔を構成している全ての金属が溶解するエッチング液、例えば塩化第二銅水溶液、塩化第二鉄水溶液等を用いてエッチングを行う。この場合は、クラッド箔を構成している全ての金属によってパターンが形成されるが、同時にエッチング速度の速い第一の金属の端部が最も内側に位置し、次いで第二の金属、第三の金属の順に内側に位置している。
【００２４】
しかしながら、多くの場合、このようなエッチング条件で製造された回路基板は、そのクラッド箔端部における各金属のせり出し関係が、本発明で規定される状態にはなっていないので、再エッチングを行って適正化する。例えば、第一の金属の端部の位置を更に内側とするためには、第二と第三の金属によるパターンをマスキングしてから、第一の金属を溶解するエッチング液、例えば苛性ソーダー水溶液等のアルカリ溶液を用いてエッチングを行う。また、第三の金属よりも第二の金属の端部を更に内側に位置させるためには、第三の金属をマスキングしてから第二の金属を溶解するエッチング液、例えば５〜２０％硫酸溶液を用いてエッチングを行う。
【００２５】
本発明で用いられる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。ろう材の金属成分は、アルミニウムとシリコンを主成分とし、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。本発明におけるこれらの比率としては、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。接合温度は、５６０〜６４０℃が望ましい。
【００２６】
【実施例】
以下、本発明を実施例と比較例をあげて更に具体的に説明する。
【００２７】
実施例１〜３  比較例１
重量割合で、アルミニウム粉末８６部、シリコン粉末１０部、銅粉末４部及び水素化チタニウム粉末１５部からなる混合粉末１００部にテルピネオール１５部と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、混練してろう材ペーストを調製し、それを窒化アルミニウム基板（寸法：５８ｍｍ×３２ｍｍ×０．６５ｍｍ  曲げ強さ：４０ｋｇ／ｍｍ2   熱伝導率：１７０Ｗ／ｍ・Ｋ）の両面に塗布した。その際の塗布量（乾燥後）は３ｍｇ／ｃｍ2 とした。
【００２８】
次に、ろう材ペーストの塗布面にアルミニウム板（純度：９９．５％  寸法：５８ｍｍ×３２ｍｍ×０．１ｍｍ）を接触配置し、真空度１×１０-5Ｔｏｒｒ以下の高真空下、温度６４０℃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。
【００２９】
その後、上記接合体の両面にあるアルミニウム面に、ニッケル（５８ｍｍ×３２ｍｍ×１０μｍ）と銅（５８ｍｍ×３２ｍｍ×０．３ｍｍ）からなるクラッド箔をニッケル面をアルミニウム面に接触させて載置し、赤外線加熱方式の接合炉で、真空度０．１Ｔｏｒｒ以下の高真空下、６３０℃×５分の条件で熱処理して接合を行った。
【００３０】
得られた接合体は、第一の金属がアルミニウム、第二の金属がニッケル、第三の金属が銅であるクラッド箔が、そのアルミニウム面を窒化アルミニウム基板の両面に接合された構造である。
【００３１】
次いで、この接合体の表裏面にＵＶ硬化タイプのエッチングレジストをスクリーン印刷により塗布した後、表１に示す条件でエッチングを行い回路基板を作製した。その結果、クラッド箔の構成金属の全てによってパターンが形成されたが、クラッド箔端部の各金属のせり出し関係が適切ではなかったので、実施例１〜３においては、再度レジスト印刷を行い、マスキングしてから第二処理を行った。
【００３２】
比較例２
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。
【００３３】
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。銅回路端部からの接合層のはみ出し長さは４０μｍであった。
【００３４】
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、処理時間４０分で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、１０重量％のフッ化アンモニウム（ＮＨ4 Ｆ）と１０重量％の過酸化水素（Ｈ2 Ｏ2 ）の混合溶液からなる薬液に６０℃、３０分浸漬し、回路基板を作製した。
【００３５】
これら一連の処理を経て作製された回路基板について、第二の金属（ニッケル）の端部に対する第一の金属（アルミニウム）の端部の位置、及び第三の金属（銅）の端部に対する第二の金属（ニッケル）の端部の位置を、その部分の断面を切断・樹脂包埋・研磨した後、ＳＥＭ観察により測定した。それらの結果について、金属回路面における結果を表１に示した。表１において、「＋」は第二又は第三の金属の端部が第一又は第二の金属の端部よりもせり出ていること示し、「−」は内側に入り込んでいることを示す。なお、金属放熱板面におけるクラッド箔端部の各金属のせり出し関係は、金属回路面とそれとほぼ同等であった。
【００３６】
得られた回路基板について、絶縁油（住友スリ−エム社製商品名「フロリナ−ト」）中、検出電荷１０ｐＣを越える回路基板表裏間の部分放電開始電圧を市販試験器（菊水電子社製商品名「ＫＰＤ１０５０」）を用い、２５℃、ＲＨ４０％、電磁波シールドされた室内で測定した。また、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、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。
【００３７】
【表１】
0003797784.tif 000002
【００３８】
比較例３
実施例１の第一処理の行われた接合体について、その第三と第二の金属に再度レジスト印刷を行いマスキングしてから、５０℃、２％の過酸化水素水溶液に５分間浸漬し、第二の金属（ニッケル）の端部に対する第一の金属（アルミニウム）の端部の位置が＋３０μｍ、第三の金属（銅）の端部に対する第二の金属（ニッケル）の位置がほぼ同等である回路基板を作製した。その結果、部分放電開始電圧は３．８ｋＶであり、金属の剥離発生サイクル数は４５００回であった。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、耐ヒートサイクル性に優れ、しかも部分放電開始電圧も十分に高い、高信頼性の回路基板が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  部分放電開始電圧測定の回路図。
【図１】
0003797784.tif 000003