JP3449458B2 - 回路基板 - Google Patents
回路基板Info
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- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
- H05K1/00—Printed circuits
- H05K1/02—Details
- H05K1/0213—Electrical arrangements not otherwise provided for
- H05K1/0254—High voltage adaptations; Electrical insulation details; Overvoltage or electrostatic discharge protection ; Arrangements for regulating voltages or for using plural voltages
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- H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
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- H05K1/03—Use of materials for the substrate
- H05K1/0306—Inorganic insulating substrates, e.g. ceramic, glass
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- Structure Of Printed Boards (AREA)
- Manufacturing Of Printed Wiring (AREA)
Description
モジュール等に使用される回路基板に関する。 【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。 【0004】 【発明が解決しようとする課題】この要求を満たすに
は、例えば電流密度を上げるための金属回路厚の増加
や、金属回路パターンの微細化等があるが、それをヒー
トサイクルに対する耐久性と生産性に優れる活性金属ろ
う付け法によって実現させることは困難であった。何故
なら、活性金属ろう付け法においては、金属回路パター
ン形成時にろう材除去を行う必要があるからである。 【0005】本発明の目的は、ヒートサイクルに対する
耐久性が高く、金属回路パターンの微細化を実現させた
回路基板を生産性よく製造することである。本発明の目
的は、活性金属を含む接合層の金属回路の下端部からの
はみ出し長さ及び金属回路パターン間隔の長さを最適化
することによって達成することができる。 【0006】 【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、活
性金属を含む接合層を、金属回路の下端部から内側及び
/又は外側にはみ出させて金属回路がセラミックス基板
に接合されてなるものであって、金属回路同士間、接合
層同士間及び金属回路と接合層との間の間隔のうち最短
間隔が0.5〜1.0mmで、その最短間隔における1
50℃の絶縁抵抗が1×1011Ω・cm以上であり、
金属回路の下端部からのはみ出し接合層の長さが−50
μm(内側に50μm)〜+30μm(外側に30μ
m)、及び金属回路の下端部と上端部との寸法差が50
〜120μmであることを特徴とする回路基板である。 【0007】 【0008】 【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、銅等の金属回路と窒化アルミニウム基板等
のセラミックス基板が接合層を介して接合されてなる回
路基板の信頼性については、接合層の厚みも以外に、ヒ
ートサイクルに伴う金属回路のセラミックス基板からの
剥離は金属回路端部から生じるため、その端部形状を適
正化し、熱応力を緩和させることが重要なことである
(例えば特開平3−261669号公報、特開平4−3
43287号公報)。 【0009】従来までの認識は、エッチングファクター
すなわち金属回路の下端部と上端部との寸法差が大き
く、しかも金属回路下端部からの接合層のはみ出し長さ
の大きい方が熱応力が分散されるので、金属回路が剥離
し難いとういことであった。しかしながら、エッチング
ファクターの小さい金属回路パターンの設計を行うに
は、パターン間距離を長くする必要があったので、小型
化や金属回路パターンの微細化に対応できないという問
題があった。そこで、本発明者らは、エッチングファク
ターと接合層のはみ出し長さを規定することによって、
信頼性を保持しつつ、小型化と金属回路パターンの微細
化を可能とした。 【0010】本発明の回路基板の形状の一例を示す部分
概略断面図を図1、図2に示す。図1は、接合層が金属
回路の下端部から外側にはみ出た例であり、図2は接合
層が外側と内側にはみ出た例である。図において、1は
金属回路、2は接合層、3はセラミックス基板であり、
またtは金属回路の厚み、aははみ出し接合層の長さ
(+が外側、−が内側にはみ出ていることを示す)、b
は金属回路の下端部と上端部との寸法差、cは金属回路
同士間、接合層同士間及び金属回路と接合層との間の間
隔のうちの最短間隔である。 【0011】本発明の回路基板の前提条件は、金属回路
とセラミックス基板とが活性金属を含む接合層により接
合されていることであり、これは活性金属ろう付け法に
よって製造することができる。この場合、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る。 【0012】金属とセラミックスの接合方法としては、
活性金属ろう付け法以外に、Mo−Mn法、硫化銅法、
DBC法、銅メタライズ法等があるが、本発明で活性金
属ろう付け法を採用している理由は、この方法はヒート
サイクルに対する耐久性と生産性に優れるからである。 【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。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。また、このろう材で形成される接
合層の厚みは、10〜20μm程度であることが好まし
い。 【0014】次に、本発明の回路基板においては、金属
回路の厚みtが0.3mm以上、特に0.3〜0.5m
mが好ましい。0.3mmよりも薄いと高電流密度の要
求に対応することができない。金属放熱板を形成させる
場合は、その厚みは0.2mm以上であることが好まし
い。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。 【0015】また、本発明においては、金属回路同士
間、接合層同士間及び金属回路と接合層との間の間隔の
うち最短間隔cが0.5〜1.0mmである。最短間隔
cが0.5mmよりも狭いと絶縁抵抗が小さくなり、
1.0mmよりも広くなると、もはやファインパターン
とはいえない。 【0016】更に、本発明においては、上記最短間隔c
における150℃の絶縁抵抗が1×1011Ω・cm以上
である。絶縁抵抗がこれよりも小さいと5.0kV及び
0.5mAの電流が流れたときに絶縁破壊を起こしてし
まう。 【0017】このような絶縁抵抗にするには、上記最短
間隔cを0.5mm以上とすると共に、金属回路の下端
部からのはみ出し接合層の長さaを−50μm(内側に
50μmはみ出している意味)から+30μm(外側に
30μmはみ出している意味)、好ましくは−20μm
〜+20μmとすることである。なお、−50μmより
も更に内側に接合層をはみ出させることによって絶縁抵
抗を更に大きくすることができるが、この場合はセラミ
ックス基板と金属回路との空隙に微少な異物が入り込み
易くなり、実装時の加熱によってその異物が外に出て不
具合を起こしたり、ヒートサイクルに対する耐久性が悪
くなる。 【0018】更に、本発明の回路基板にあっては、エッ
チングファクターを示す金属回路の下端部と上端部との
寸法差bが50〜100μmであることが好ましい。5
0μmよりも小さいと、熱応力の集中が大きく回路基板
の耐久性に問題があり、また100μmよりも大きい
と、実際にシリコンチップ等を搭載する金属回路面の広
さが狭くなりファインパターン化に支障を来し小型化が
困難となる。 【0019】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。 【0020】また、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。 【0021】 【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。 【0022】実施例1〜6 比較例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:40k
g/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。 【0023】次に、金属回路形成面に60mm×36m
m×0.3mmの銅板を、また金属放熱板形成面に60
mm×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。 【0024】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、表1に示す種々の処理時間でエ
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、表1に
示す濃度のフッ化アンモニウム(NH4 F)と過酸化水
素(H2 O2 )の混合溶液からなる薬液に浸漬し、表1
に示される寸法の回路基板を製造した。 【0025】これら一連の処理を経て製作された回路基
板について、気中、−40℃×30分保持後、25℃×
10分間放置、更に125℃×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、銅回路又は放熱銅板が剥離開始したヒートサイク
ル回数を測定した。 【0026】また、最短間隔cにおける温度150℃の
絶縁抵抗をJIS C 6481に準じて測定した。更
に、パターン間の絶縁耐圧試験を、絶縁油中、AC5.
0kV、カットオフ電流0.5mAを1分間印加して行
った。それらの結果を表1に示す。 【0027】 【表1】【0028】 【発明の効果】本発明によれば、ヒートサイクルに対す
る耐久性が高く、金属回路パターンの微細化を実現させ
た回路基板を生産性よく製造することができる。
概略断面図。 【図2】本発明の回路基板の形状の一例を説明する部分
概略断面図。 【符号の説明】 1 金属回路 2 接合層 3 セラミックス基板 t 金属回路の厚み a はみ出し接合層の長さ b 金属回路の下端部と上端部との寸法差 c 金属回路同士間、接合層同士間及び金属回路と接合
層との間の間隔のうちの最短間隔
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 活性金属を含む接合層を、金属回路の下
端部から内側及び/又は外側にはみ出させて金属回路が
セラミックス基板に接合されてなるものであって、金属
回路同士間、接合層同士間及び金属回路と接合層との間
の間隔のうち最短間隔が0.5〜1.0mmで、その最
短間隔における150℃の絶縁抵抗が1×1011Ω・
cm以上であり、金属回路の下端部からのはみ出し接合
層の長さが−50μm(内側に50μm)〜+30μm
(外側に30μm)、及び金属回路の下端部と上端部と
の寸法差が50〜120μmであることを特徴とする回
路基板。
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