JP4554105B2 - 回路基板及びモジュール - Google Patents

Description

【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、回路のビッカース硬度が２５０ＭＰａ以下、放熱板のビッカース硬度が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。
（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８−１５６３３０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１８０〜２２０ＭＰａ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１０〜５０μｍ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〜２ｍｍ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／ｍＫ、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２６０℃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−Ｐｂ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３００μｍ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、−４０℃×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

Claims (3)

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、回路のビッカース硬度が２５０ＭＰａ以下、放熱板のビッカース硬度が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。

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