JP2002305274A - 回路基板及びモジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】半田クラックとセラミックス基板へのクラック
の発生を著しく少なくすることができる高信頼性の回路
基板及びモジュールを提供する。 【解決手段】窒化アルミニウム基板又は窒化ケイ素基板
１の一方の面に回路２、他方の面に放熱板３が接合され
てなるものであって、回路及び放熱板がＡｌ製又はＡｌ
合金製であり、回路硬度が２５０ＭＰａ以下、放熱板硬
度が３００〜４６０ＭＰａ、２６０℃加熱時における回
路基板の反り量が±１００μｍ以下である回路基板。こ
の回路基板がベース銅板４に半田付けされてなるベース
銅板付き回路基板。これらの回路基板を用いて組み立て
られたモジュール。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、パワーモジュール
等に使用される回路基板及びそれを用いて組み立てられ
たモジュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、パワーモジュール等の組み立てに
は、アルミナ、ベリリア、窒化ケイ素、窒化アルミニウ
ム等のセラミックス基板の表面に回路、裏面に放熱板が
形成された回路基板が用いられている。このような回路
基板は、樹脂基板又は樹脂基板と金属基板との複合基板
よりも高絶縁性であることが特長である。

【０００３】回路及び放熱板の材質が、Ｃｕ又はＣｕ合
金よりもＡｌ又はＡｌ合金とすることの利点は、Ｃｕ又
はＣｕ合金では、セラミックス基板や半田との熱膨張差
に起因する熱応力の発生が避けられないので、長期的な
信頼性が不十分であるのに対し、Ａｌ又はＡｌ合金は、
熱伝導性や電気伝導性ではＣｕ又はＣｕ合金よりもやや
劣るが、熱応力を受けても容易に塑性変形するので、応
力が緩和され、信頼性が飛躍的に向上するからである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Ａｌ又
はＡｌ合金(以下、両者を「Ａｌ等」ともいう。) の上
記塑性変形は、熱応力の大きさや、熱応力を受けるＡｌ
等の部分によって著しく左右される。塑性変形が回路又
は放熱板の一部に集中して発生すると半田の塑性変形量
をこえてしまい、半田クラックが生じることになる。こ
れを避けるため、高硬度のＡｌ等を用いることが考えら
れるが、応力緩和効果が低下してしまう。

【０００５】そこで、今日の要求は、セラミックス基板
への応力緩和効果を十分に確保しながら、半田クラック
も抑制するという二律背反を達成する極めて高度な技術
の出現である。その一例として、Ａｌ／ＳｉＣに代表さ
れるような、セラミックス基板と同程度の熱膨張係数を
有するベース板を使用することが提案されている。しか
しながら、このベース板は、一般的なベース銅板と比較
して高価であるため、特殊な用途に限定して使用される
場合が多く、別の技術開発が待たれていた。

【０００６】本発明の目的は、Ａｌ／ＳｉＣのような高
価なベース板を使用しないで、セラミックス基板への応
力緩和効果と半田クラック抑制効果の両方を高度に発現
する高信頼性回路基板及びそれを用いたモジュールを提
供することである。

【０００７】本発明の目的は、多くあるＡｌ系材料の中
から回路及び放熱板に適したＡｌ特性を追求し、回路と
放熱板とに適度な硬度差と厚み差を設けた回路基板を作
製するとともに、好ましくはそれをベース銅板に半田が
放熱板の側面まで盛り上げて半田付けすることによって
達成することができる。

【０００８】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、以
下のとおりである。 （請求項１）窒化アルミニウム基板又は窒化ケイ素基板
の一方の面に回路、他方の面に放熱板が接合されてなる
ものであって、回路及び放熱板がＡｌ製又はＡｌ合金製
であり、回路硬度が２５０ＭＰａ以下、放熱板硬度が３
００〜４６０ＭＰａ、２６０℃加熱時における回路基板
の反り量が±１００μｍ以下であることを特徴とする回
路基板。 （請求項２）請求項１記載の回路基板が、その放熱板と
ベース銅板とを接面させてベース銅板に半田付けされて
なり、該半田が放熱板の側面までに盛り上げられてなる
ことを特徴とするベース銅板付き回路基板。 （請求項３）請求項１記載の回路基板、又は請求項２記
載のベース銅板付き回路基板を用いて組み立てられたモ
ジュール。

【０００９】

【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。

【００１０】本発明の特徴は、Ａｌ等による回路と放熱
板とに適度な硬度差と厚み差を設けて、熱履歴を受けた
際のＡｌ等の塑性変形を調節するとともに、放熱板とベ
ース銅板を接面させて半田付けする際に、半田を放熱板
の側面まで盛り上げたことであり、これによって半田ク
ラックとセラミックス基板へのクラックの両者を抑制で
きたことである。

【００１１】従来、回路と放熱板の材質をＡｌ等とした
回路基板の信頼性を高めるため、メッキ組成(特開平８
−２６０１８７号公報)、Ａｌ等の表面改質(特開平８−
２６０１８６号公報)、Ａｌ等の粒径規定(特開平８−１
５６３３０号公報)等による提案があるが、十分な解決
法ではなかった。

【００１２】本発明が施した第１の手法は、Ａｌ等のビ
ッカース硬度の規定である。半田付け面積が広く半田ク
ラックの発生が不良の支配因子である放熱板には硬度の
やや高い、ビッカース硬度３００〜４６０ＭＰａのＡｌ
等を選び、回路パターンの影響を受けてセラミックス基
板のクラック発生が支配的である回路には硬度の低い、
ビッカース硬度２６０ＭＰａ以下のＡｌ等を選んだこと
である。

【００１３】Ａｌ等の中でも、接合後に軟らかいもの
は、塑性変形が容易であることから、回路基板が熱履歴
を受けた際に発生する熱応力が緩和され、セラミックス
基板にはクラックが発生し難くなるが、塑性変形量が半
田のそれをこえると半田が破壊するため、半田クラック
が発生しやすくなる。逆に、硬いＡｌ等は、セラミック
ス基板にはクラックが発生しやすいが、半田クラックは
抑制される。

【００１４】パワーモジュール用の回路基板の放熱板面
は、半田付け面であり、ベース板へ固定するため全面に
半田付けされるので半田への熱応力も大きく、半田クラ
ックの発生、進行が放熱性を支配する。一方、回路面
は、ＩＣチップやダイオードをつけるだけなので半田付
け面積は比較的小さく、通常は回路面積の１／１０〜１
／３程度である。セラミックス基板への熱応力は回路パ
ターン端部に集中して発生するため、パターン形状を無
視できない。パターンのないいわゆる「ベタパターン」
の放熱面ではあまり問題にならないが、回路面では、パ
ターンに沿って端部で発生しパターン内部へと進行する
「水平クラック」が放熱性を支配することが多い。

【００１５】本発明の回路基板では、これらの点から、
回路のビッカース硬度を２５０ＭＰａ以下にして、セラ
ミックス基板に発生するクラックを抑制し、放熱板のビ
ッカース硬度を３００〜４６０ＭＰａとして半田クラッ
クの発生を抑制する。

【００１６】回路のビッカース硬度が２５０ＭＰａをこ
えると、熱応力による塑性変形が不均一となり、部分的
な変形が大きくなって、メッキやボンディングワイヤの
剥離が生じる恐れがある。硬度は、小さい程好ましい
が、あまり軟らかいと傷つきやすいので、好ましくは１
８０〜２２０ＭＰａである。一方、放熱板のビッカース
硬度が４６０ＭＰａ超であると塑性変形が困難になっ
て、セラミックス基板、半田共にクラックが発生しやす
くなる。また、３００ＭＰａ未満では塑性変形が容易と
なるので、繰り返しの熱履歴を受けると大きな変形が生
じ、これまた半田クラックが発生しやすくなる。特に好
ましい放熱板のビッカース硬度は３５０〜４３０ＭＰａ
である。

【００１７】ビッカース硬度は、加重をかけて微細な圧
子を打ち込んで硬度を読み取る方法であり、金属やセラ
ミックスの硬度の測定方法として広範に採用されてい
る。本発明においては、加重９．８Ｎ、保持時間１５秒
の条件で測定される。

【００１８】本発明における硬度は、回路及び放熱板の
硬度であり、接合前のＡｌ等の硬度とは異なる。Ａｌ等
は、通常、接合材を用い、５００〜６４０℃で加熱して
セラミックス基板と接合されるため、熱処理を受けて微
構造が変化し、また接合材が拡散してＡｌ等純度も低下
する。さらには、接合後に熱処理をすることも行われて
おり、それによってＡｌ等特性が変化する。これらの理
由から、接合前のＡｌ等の硬度を厳格に規定してもあま
り意味がない。

【００１９】Ａｌ等硬度の調整方法には、材料を選択す
る方法と熱処理条件で調節する方法がある。材料につい
ては、接合後のＡｌ等は高純度ほど軟らかくなるため、
純度を選択すればよい。通常、純Ａｌとして市販されて
いるものは、通常９９．０〜９９．９９９％でかなり幅
があり、硬度に大きな差がある。すなわち、９９．５％
以下のＡｌでは接合後のビッカース硬度を２５０ＭＰａ
以下とするのは困難であり、９９．９％以上のＡｌでは
接合後に３００ＭＰａ以上とするのは難しい。したがっ
て、本発明においては、回路にはＡｌ合金でも可能であ
るが、高純度のＡｌ材を、また放熱板には比較的低純度
のＡｌ等を使用することが好ましい。Ａｌ合金の一例を
挙げれば、ＡＡ記号で３００３を始めとするＡｌ−Ｍｎ
系合金や、５０５２を始めとするＡｌ−Ｍｇ系合金など
である。

【００２０】本発明が施した第２の手法は、回路と放熱
板とに厚み差を設け、２６０℃に加熱した際の回路基板
の反り量を±１００μｍ以下としたことである。反りの
「＋」は回路面が凹に、反りの「−」は回路面が凸にな
る反りである。好ましくは、０〜＋５０μｍの反りであ
る。

【００２１】本発明においては、回路の厚さは特に制限
するものではないが、一般的に用いられる厚さは０．３
〜０．５ｍｍである。本発明においては、通常、回路板
の厚みやパターン率に応じて、放熱板の厚みを調整して
反り量が調整される。

【００２２】回路と放熱板に厚み差がないか、又は極端
な厚み差があると、発生する熱応力に偏りが生じて反り
やうねりが発生し、半田ボイドの発生、半田クラック等
の損傷や、ボンディングワイヤやメッキの剥離を十分に
防止することができなくなる。放熱板の硬度が回路板の
硬度に対して大きい場合には、放熱板を薄くし、回路板
の硬度に対して放熱板の硬度が小さい場合には、放熱板
を厚くする。

【００２３】本発明で使用されるセラミックス基板の材
質については、パワーモジュール用回路基板としての使
用を考えれば、熱伝導率７０Ｗ／ｍＫ以上の窒化ケイ素
基板又は窒化アルミニウム基板が選ばれる。とくに、窒
化アルミニウム基板が望ましい。

【００２４】本発明の回路基板の製造方法について説明
する。

【００２５】セラミックス基板に回路及び放熱板を形成
させるには、それらのパターンを接合するか、Ａｌ等の
板を接合してからエッチングするか、又はその両方を併
用する方法がある。いずれにしてもセラミックス基板と
回路及び放熱板とを接合する必要がある。接合方法に
は、溶湯法のように接合材を使用しない方法もあるが、
本発明ではＡｌ−Ｃｕ−Ｍｇ系合金箔を用いて接合する
ことが好ましい。接合材は、これに限るものではなく、
Ａｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｇｅ系、あるいはこれらにＭｇを
加えた系も使用することができる。

【００２６】接合材の厚みは、種類にもよるが１０〜５
０μｍが一般的である。厚みが１０μｍ未満では、接合
が困難となり、５０μｍ超であると、合金成分がＡｌ等
に拡散し硬い部分が多くなるので、熱履歴を受けた際に
信頼性が低下する原因となる。好ましい接合材の厚み
は、１５〜３５μｍである。接合材は、セラミックス基
板側、Ａｌ等側のどちらに配置しても良い。

【００２７】本発明において、セラミックス基板の両面
に上記合金箔を介してＡｌ等の板、パターン又はその両
方を配置し、それをセラミックス基板と垂直方向に１〜
１０ＭＰａ、特に４〜８ＭＰａの圧力をかけることが好
ましい。加圧は、積層体に重しを載せる、治具等を用い
て機械的に挟み込む等によって行うことができる。

【００２８】セラミックス基板と回路及び放熱板の接合
温度は、５８０〜６４５℃にて行い、窒素の雰囲気下も
しくは真空中で行われる。

【００２９】ついで、接合体は必要に応じてエッチング
される。回路又は放熱板のパターンを接合したときに
は、エッチングは特に必要でない。エッチングは、通常
のレジスト、エッチング工程によって行うことができ
る。また、メッキ等の表面処理も必要に応じて行われ
る。

【００３０】本発明の回路基板は、図１に示されるよう
に、ベース銅板４に半田５付けされて使用されることが
好ましい。この場合、ベース銅板４と放熱板３間の半田
クラックを抑制することが重要なことである。半田クラ
ックを抑制するためには、半田にかかる応力（歪み）を
小さくする必要がある。この半田にかかる応力は、放熱
板と半田の界面で大きくなり、特に放熱板の角部におい
て最大となる。

【００３１】本発明においては、半田にかかる応力を小
さくするために、前述のように放熱板の硬度や厚みを適
正化するとともに、最大応力が発生する放熱板角部にお
ける半田の厚みを大きくとる。すなわち、回路基板の放
熱板とベース銅板とを接面させて、ベース銅板と半田付
けする際に、放熱板の側面まで半田を盛り上げる。

【００３２】放熱板側面まで半田を盛り上げるために
は、ベース銅板と回路基板を半田付けする前に、予め放
熱板側面に半田を薄く濡れさせておくか、半田付けの際
に回路基板の上に重しを載せる等の工夫が必要である。
しかも、半田クラックを抑制するためには、半田の厚み
や盛り上げる高さ、位置などが重要になる。

【００３３】半田の厚み（Ｔ）は、１００〜３００μｍ
あることが好ましい。半田の厚みが１００μｍ未満の場
合には、半田に応力がかかった際に、塑性変形を十分に
行うことができないため、応力を緩和することができ
ず、半田クラックが発生しやすくなる。逆に、半田の厚
みが３００μｍ超であると、塑性変形は十分に行える
が、半田は熱伝導率が小さいため、厚くすると熱抵抗が
増加し、モジュールとしての機能が損なわれる。より好
ましくは、１５０〜２５０μｍである。

【００３４】放熱板側面での半田の盛り上がり状態は、
図２に示される説明図において、半田の裾長さ（Ｗ）と
半田の盛り上げ高さ（Ｈ）により規定できる。

【００３５】半田の裾長さ（Ｗ）は、２００μｍ〜２ｍ
ｍとするのが好ましい。２００μｍ未満の場合には、放
熱板角部で半田に発生する応力を低減するのに十分な効
果が得られない。逆に、２ｍｍを超えた場合には、隣り
合った回路基板同士で干渉することがあるため、モジュ
ール組み立て時に不具合が生じる可能性がある。

【００３６】半田の盛り上げ高さ（Ｈ）は、５０μｍ以
上であることが好ましい。５０μｍ未満の場合には、放
熱板角部で半田に発生する応力を低減するのに十分な効
果が得られない。より好ましくは、１００μｍ以上であ
り、さらに好ましくは放熱板厚みまで（セラミックス基
板に接するまで）である。

【００３７】

【実施例】以下、実施例と比較例をあげて更に具体的に
本発明を説明する。

【００３８】実施例１〜８ 比較例１〜５ 用いた窒化アルミニウム基板及び窒化ケイ素基板は市販
品で、いずれも大きさ２インチ角で、レーザーフラッシ
ュ法による熱伝導率が窒化アルミニウム１７５Ｗ／ｍ
Ｋ、窒化ケイ素７２Ｗ／ｍＫ、３点曲げ強度は窒化アル
ミニウムが４２０ＭＰａ、窒化ケイ素が７８０ＭＰａで
ある。Ａｌ板は、回路形成用及び放熱板用のそれぞれに
ついて、表１に示す各厚みのものを用いた。

【００３９】セラミックス基板の表裏面に、表１に示す
Ａｌ板と接合材を重ね、カーボン板をねじ込んで基板に
押しつけできる治具を用い、セラミックス基板に対して
垂直方向に均等に加圧した。接合は、真空又は窒素雰囲
気下、温度５５０〜６３５℃で加圧をしながら行った。

【００４０】接合後、エッチングレジストをスクリーン
印刷してＦeＣｌ₃液でエッチングした。回路面、放熱面
のパターンは、正方形(コーナーＲは２ｍｍ)で、セラミ
ックス基板中央部に形成（沿面距離１ｍｍ）させた。次
いで、レジストを剥離した後、無電解Ｎｉ−Ｐメッキを
５μｍ施して回路基板とし、以下の物性を測定した。

【００４１】（１）回路基板の反り量：回路基板の２６
０℃加熱時の反り量は、２６０℃に加熱したホットプレ
ートの上に、回路基板の回路面を上にして載せ、５分間
放置し、レーザー変位計にて測定した。また、そり量測
定の際は、回路面が凹となる場合を（＋側）、逆に回路
面が凸となる場合を（−側）として、表１に記載した。

【００４２】（２）回路、放熱板のビッカース硬度：回
路基板の断面を切り出して、回路、放熱板のそれぞれ厚
み方向の中心においてビッカース硬度を測定した。

【００４３】その後、回路基板の中央部に、１３ｍｍ角
のＳｉチップを半田付けした。半田は、Ｓｎ−Ｐｂ系
（Ｓｎ／Ｐｂ＝１０／９０）の厚み１００μｍのものを
用いた。

【００４４】さらに、チップを半田付けした回路基板を
２６０℃のホットプレートの上で加熱し、放熱板の側面
に半田（Ｓｎ／Ｐｂ＝５０／５０）を押し当て、半田が
濡れたことを確認後、一度半田をふき取った。上記のチ
ップ付けした回路基板をベース銅板に半田付けする際に
は、半田の裾長さ（Ｗ）を1ｍｍとするため、予めベー
ス銅板に耐熱テープによりセラミックス基板と同じ大き
さのマスキングを施したものを用いた。半田はＳｎ−Ｐ
ｂ系（Ｓｎ／Ｐｂ＝５０／５０）を用い、半田の厚み
（Ｔ）を１００〜３００μｍにするために、厚み３００
μｍのものを使用した。また、半田の裾長さ（Ｗ）を均
一にするために、回路基板の位置決め用のカーボン製治
具を使用した。さらに、半田の厚み（Ｔ）を均一化し、
半田の盛り上げ高さ（Ｈ）を５０μｍ以上とするため、
回路基板の中央部に重しを載せた。

【００４５】ベース銅板上の半田の厚み（Ｔ）、半田の
裾長さ（Ｗ）及び半田の盛り上げ高さ（Ｈ）の測定にお
いては、ベース銅板に半田付けした回路基板の４つのコ
ーナー部について断面観察（ＳＥＭ観察）を行い、測定
した。

【００４６】ベース銅板に半田付けした回路基板のヒー
トサイクル試験を行った。ヒートサイクル試験は、−４
０℃×３０分→室温×１０分→１２５℃×３０分→室温
×１０分を１サイクルとして１０００サイクル実施し
た。ヒートサイクル試験後、半田クラックやパターンの
剥離等の基板への損傷の有無を外観チェックし、更に超
音波探傷像（ＳＡＴ）で図３に示される半田クラック
（Ｌ）の進行を調べた。チップ下半田クラックについて
は、１ｍｍを超える半田クラックが検出できたものを
「不良」とした。また、ベース銅板上の半田クラックに
ついては、３ｍｍを超える半田クラックが検出できたも
のを「不良」とした。その後、回路及び放熱板を塩酸で
溶解し、セラミックス基板に発生したクラックの有無を
観察した。それらの結果を表１に示す。

【００４７】

【表１】

【００４８】表１から明らかなように、本発明の実施例
は、いずれもヒートサイクル試験１０００サイクル後に
おいても半田クラックやセラミックス基板へのクラック
発生も著しく少なかった。これに対して、比較例では、
ビッカース硬度が、本発明の範囲外にあったので、ヒー
トサイクル後にクラックが多く発生し、高信頼性回路基
板としては、不十分なものであった。

【００４９】

【発明の効果】本発明によれば、半田クラックとセラミ
ックス基板へのクラックの発生を著しく少なくすること
ができる、高信頼性の回路基板及びそれを用いたモジュ
ールを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のベース銅板付き回路基板の概略断面
図。

【図２】半田の厚み（Ｔ）、半田の裾長さ（Ｗ）及び半
田の盛り上げ高さ（Ｈ）を測定するための説明図。

【図３】半田クラック長さ（Ｌ）を測定するための説明
図。

【符号の説明】 １ セラミックス基板 ２ 回路 ３ 放熱板 ４ ベース銅板 ５ 半田

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5E338 AA01 AA18 BB71 CC01 CD11 EE02 EE28 5F036 AA01 BA23 BB21 BC06 BD03

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 窒化アルミニウム基板又は窒化ケイ素基
   板の一方の面に回路、他方の面に放熱板が接合されてな
   るものであって、回路及び放熱板がＡｌ製又はＡｌ合金
   製であり、回路硬度が２５０ＭＰａ以下、放熱板硬度が
   ３００〜４６０ＭＰａ、２６０℃加熱時における回路基
   板の反り量が±１００μｍ以下であることを特徴とする
   回路基板。
2. 【請求項２】 請求項１記載の回路基板が、その放熱板
   とベース銅板とを接面させてベース銅板に半田付けされ
   てなり、該半田が放熱板の側面までに盛り上げられてな
   ることを特徴とするベース銅板付き回路基板。
3. 【請求項３】 請求項１記載の回路基板、又は請求項２
   記載のベース銅板付き回路基板を用いて組み立てられた
   モジュール。