JP2001203299A

JP2001203299A - アルミニウム板とそれを用いたセラミックス回路基板

Info

Publication number: JP2001203299A
Application number: JP2000012539A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Hiyama; 茂雄檜山; Masahiro Ibukiyama; 正浩伊吹山; Yoshitaka Taniguchi; 佳孝谷口
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2000-01-21
Filing date: 2000-01-21
Publication date: 2001-07-27

Abstract

(57)【要約】【課題】Ａｌ回路基板におけるＡｌ回路の皺の発生を防
止する。【解決手段】Ａｌ板の一主面上にろう材層を設けたこと
を特徴とするセラミックス回路基板用のＡｌ板であり、
好ましくは、ろう材層がＣｕ、Ｓｉ、Ｇｅのいずれか１
種以上の元素と含有するＡｌ合金からなり、更にＭｇを
０．０５〜３質量％含有する、更に好ましくは、Ａｌ板
の厚さが２００〜１０００μｍで、ろう材層厚みが１０
〜４０μｍであるセラミックス回路基板用のＡｌ板、並
びにそれを用いてなるセラミックス回路基板。

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
等に使用される高信頼性のセラミックス回路基板に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来から、熱発生の大きい半導体等を搭
載するためのパワーモジュール等の回路基板としてアル
ミナセラミックス等の絶縁性に優れたセラミックス基板
の表面に、導電性を有する回路層を接合した回路基板が
広く普及している。

【０００３】しかし、近年これら半導体素子は機器類の
小型化、高性能化に伴って熱発生量が増加する傾向にあ
り、信頼性高く安定動作を得るために半導体素子の発生
する熱を放散して、素子が破壊されない温度より十分低
くすることが一層重要な課題となってきており、前記回
路基板の特性として電気絶縁性が高いことに加え、より
高い熱伝導性が要求されてきている。

【０００４】上記の要求に伴って、熱伝導性の高い窒化
アルミニウム（ＡｌＮ）などのセラミックスを基板材料
として用いた、放熱性の高い銅回路基板が開発されてい
る。しかし、前記銅回路基板は機械特性が不十分であ
り、回路基板として用いる場合には、半導体素子の作動
に伴う繰り返しの熱サイクルや動作環境の温度変化等
で、セラミックス部分の銅回路層の接合部分付近にクラ
ックが発生しやすく、信頼性が低いという問題があっ
た。

【０００５】この問題の解決として、例えば特開平４−
１２５５４号公報や特開平４−１８７４６号公報に回路
材料として銅よりも降伏耐力の小さいアルミニウム（Ａ
ｌ）を用いたセラミックス回路基板が開示されている。
（以下、Ａｌからなる回路を有する回路基板を単にＡｌ
回路基板という。）

【０００６】しかし、信頼性の指標となる−４０℃から
１２５℃までの繰り返し冷却、加熱する耐ヒートサイク
ル性については、前記回路基板であっても１０００回程
度でアルミニウム回路材の剥離が起こったり、セラミッ
クス基板にクラックが入る等の問題が発生し、上述のよ
うに高い信頼性の要求される用途には十分対応ができな
い。

【０００７】また、特開平８−２０８３５９号公報に
は、Ａｌの溶湯を用いてＡｌを直接ＡｌＮ基板に接合し
た回路基板が開示されている。この発明によれば、Ａｌ
回路基板単体で３０００回を越える耐ヒートサイクル性
が達成されている。

【０００８】しかし、このようにして得られたＡｌ回路
基板を実際に使用されるモジュールに組み上げた後に耐
ヒートサイクル性を調べると１０００回程度でクラック
や回路材の剥離が生じるだけでなく、Ａｌ回路表面にし
わ状の凸凹が激しくなる等の問題があり、実用上満足で
きる物ではない。特に、表面に発生する凸凹は、その程
度が激しい場合には、半導体チップ等を実装したとき
に、半田接合強度の低下やワイヤーボンドにおける密着
強度の低下をきたし、信頼性低下の原因となる。さら
に、Ａｌ溶湯を用いて直接接合しているために、Ａｌ回
路層の厚さのバラツキが大きく、安定して信頼性の高い
回路基板が得られないだけでなく、設備費や設備の維持
費がかかりコストアップになるという問題がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記公知技
術の事情に鑑みてなされたものであり、例えば、電気自
動車や鉄道等の用途に適応できるパワーモジュールのよ
うな、高い信頼性が要求される用途に対応できるセラミ
ックス回路基板を提供することを目的とするものであ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記目的を
達成するために鋭意検討した結果、あらかじめＡｌ板表
面にろう材層を有する複合材を用いてセラミックス基板
と接合することにより、Ａｌ回路表面に発生するしわ問
題を解決し、接合後のセラミックス回路基板のヒートサ
イクル性等の信頼性が向上できることを見出し、本発明
に至ったものである。

【００１１】すなわち、本発明は、アルミニウム板の一
主面上にろう材層を設けたことを特徴とするセラミック
ス回路基板用のアルミニウム板であり、前記ろう材層が
Ｃｕ、Ｓｉ、Ｇｅのいずれか１種以上の元素とを含有す
るアルミニウム合金からなることを特徴とし、好ましく
は、更にＭｇを０．０５〜３質量％含有することを特徴
とする。

【００１２】また、本発明は、前記アルミニウム板の厚
さが２００〜１０００μｍであり、ろう材層の厚みが１
０〜４０μｍであることを特徴とするセラミックス回路
基板用のアルミニウム板である。

【００１３】また、本発明は、セラミックス基板の少な
くとも一主面上に、前記セラミックス回路基板用アルミ
ニウム板のろう材層を介して、接合して成ることを特徴
とするセラミックス回路基板であり、ことに、セラミッ
クス基板が、窒化アルミニウム又は窒化珪素のいずれか
であることを特徴とするセラミックス回路基板である。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明のセラミックス回路基板の
接合に用いられるろう材は、あらかじめアルミニウム板
の一主面上に設けた複合材であることを特徴とする。ろ
う材に関しては、箔を用いる方法またはペーストを用い
てスクリーン印刷する方法が知られているが、ヒートサ
イクル試験において３００回以下でＡｌ回路表面にしわ
状の凸凹を発生する。この理由については、明確ではな
いが、アルミニウムは降伏耐力が小さいために、ヒート
サイクル時に生じる熱応力によってアルミニウム結晶粒
界面ですべりを生じた結果、Ａｌ回路表面にしわ状の凸
凹を発生したと推察される。これに対して、ろう材を複
合構造にすることによりしわを抑制できる。これは、複
合材製造時の残留応力による歪みの影響によりアルミニ
ウム結晶の粒成長が抑制され、その結果、しわが抑制さ
れたと推定される。また、セラミックス回路基板作製時
における接合作業が容易となり、安定して良好な接合が
得られるという副次的効果もある。

【００１５】本発明に用いるろう材は、接合時の熱応力
をできるだけ低く抑えるために、より低温で接合される
ことが重要である。本発明者らが、アルミニウム板とセ
ラミックス基板との接合について、いろいろ実験的に検
討を重ねた結果、液相を生じる温度が５００℃から６３
０℃である低融点ろう材を用いて接合するときに得られ
るセラミックス回路基板、さらにそれを用いて作製した
モジュールの信頼性を高くすることができるという知見
を得て、本発明に至ったものである。

【００１６】すなわち、本発明において、アルミニウム
材の融点以下の温度でアルミニウム板やセラミックス基
板によく濡れるように、銅（Ｃｕ）、珪素（Ｓｉ）、ゲ
ルマニウム（Ｇｅ）のいずれか１種以上の元素を含有す
るアルミニウム合金が、アルミニウム板とセラミックス
基板の接合材として、好ましく選択される。また、前記
アルミニウム合金は、５００℃から６３０℃の温度範囲
で液相を形成するものが好ましい。すなわち、５００℃
未満では接合性の面で不十分な場合があるし、６３０℃
を越える温度ではアルミニウム板やセラミックス基板に
残留する熱応力が大きくなり易いし、アルミニウム融点
に近くなるためにろう接欠陥が発生しやすくなるためで
ある。

【００１７】また、本発明に於いては、前記アルミニウ
ム合金が更にマグネシウム（Ｍｇ）を特定量含有するこ
とが好ましい。Ｍｇの存在は、主としてセラミックス基
板表面に存在する接合を阻害する酸素成分を還元する効
果があるためと推察されている。従い、Ｍｇ量は、接合
を阻害するような酸素成分をＭｇが還元できる量にすれ
ばよいが、Ｍｇが接合温度で揮散することを考慮する
と、Ｍｇ量は少なくとも０．０５質量％程度必要であ
る。一方、３質量％以上では、接合後の密着強度が低下
することがある。

【００１８】また、本発明において、アルミニウム板の
厚さが２００〜１０００μｍであり、ろう材層の厚みが
１０〜４０μｍであることが好ましい。アルミニウム板
の厚さが２００μｍ未満では、電気回路特性が不十分で
あり、回路基板としての性能が得られない。１０００μ
ｍを超えると、熱膨張差に起因する熱応力のためにセラ
ミックス基板にクラックを生じ易くなる。また、ろう材
厚みが１０μｍ未満になると十分な接合ができず回路基
板単体だけでもヒートサイクル試験において１０００回
以下でＡｌ回路剥離が発生することがある。４０μｍを
超えると接合後のろう材成分が拡散するために、Ａｌ材
の降伏耐力が大きくなり、ヒートサイクル試験において
１０００回以下で接合付近のセラミックス部分にクラッ
クが発生することがある。

【００１９】また、本発明において、回路に用いるアル
ミニウム板は、９５質量％以上のアルミニウム含有率で
あることが好ましい。９５質量％未満のアルミニウム含
有率のものは、降伏耐力が高くなり、アルミニムウム回
路のセラミック基板からの剥離が生じ易くなるためであ
る。

【００２０】本発明に用いるアルミニウム複合材は、従
来公知の方法で得ることができる。例えば、箔化したろ
う材とＡｌ板を重ねあわせ、加熱圧着または熱間圧延に
よって貼り合わせ、圧延された後に、さらに冷間圧延に
より所定の厚みまで箔化されることによって得る方法が
一般的に採用されるが、前記方法以外にメッキ法或いは
メッキ法と前記の圧延による方法とを組み合わせること
によっても本発明のアルミニウム板を得ることができ
る。

【００２１】また、セラミックス基板としては、電気絶
縁性で熱伝導性に富むものならばどの様なものでも構わ
ず、例えば、アルミナやベリリアを添加した炭化珪素、
窒化珪素、窒化アルミニウム等を挙げることができる
が、これらの内では、電力が大きなパワーデバイスで熱
の発生が大きいことを考慮すると絶縁耐圧が高く、熱伝
導性の高いことから窒化アルミニウム基板、窒化珪素
（Ｓｉ₃Ｎ₄）基板が適している。

【００２２】本発明の回路基板は、ろう材層を有するア
ルミニウム複合材を用いてセラミックス基板とを加熱接
合した後、エッチングする方法、或るいは、アルミニウ
ム複合材から打ち抜き等により予め回路パターンを形成
し、これをセラミックス基板とを加熱接合する方法等に
よって製造することができる。尚、接合する際に、接合
する面に０．１〜５ＭＰａの垂直力を付加することが望
ましい。

【００２３】

【実施例】〔実施例１〜７〕ろう材については、黒鉛−
炭化珪素複合材のルツボにアルミニウムを溶融させ、そ
こに所望組成となるように添加金属を加え、充分撹拌溶
解し、必要に応じフラックスを添加し、鉱滓等を除去
後、型に流し込み冷却固化させてろう材用の合金を得
た。

【００２４】次に、前記合金を、圧延とアニールとを繰
り返して、徐々に所望の厚さの合金箔とした。前記合金
箔ろう材について、その組成を蛍光Ｘ線法にて定量評価
した。

【００２５】前記合金箔を所定厚さのアルミニウム板に
重ね、加熱圧着並びに熱間圧延によって貼り合わせ、圧
延した。さらにアニール、冷間圧延を施して、所定厚み
まで薄肉化して、表１に示す通りに、いろいろなろう材
を有するアルミニウム板を作製した。

【００２６】セラミックス基板としては、大きさ５０×
５０×０．６３５ｍｍ、熱伝導率１７５Ｗ／ｍＫ、３点
曲げ強度の平均値が４２０ＭＰａである窒化アルミニウ
ム基板を用意した。

【００２７】前記窒化アルミニウム基板を用い、その表
裏両面に、前記のろう材を有したアルミニウム板をろう
材合金箔を介して積層し、接合面に対して垂直方向に３
ＭＰａの荷重を負荷した。そして、１０ー²Ｐａの真空中
で、５００℃から６３０℃の温度範囲中の所望の温度に
て、加圧しながら、アルミニウム板と窒化アルミニウム
基板とを接合した。これらの条件を表１に示す。

【００２８】

【表１】

【００２９】その後、アルミニウム板表面の所望部分に
エッチングレジストをスクリーン印刷して、塩化第二鉄
溶液を用いてエッチング処理し、回路パターンを形成し
た。次いで、レジストを剥離した後に、アルミニウム回
路の所望部分と前記アルミニウム回路と反対側のアルミ
ニウム板（放熱板）の全面に３μｍ厚さに無電解Ｎｉ−
Ｐメッキを行いセラミックス回路基板とし、以下に示
す、信頼性の評価を行った。この結果、外観検査で、基
板のクラック発生、回路部の基板からの剥離、或いは回
路部の皺の発生等の異常は認められなかった。この結果
を表２に示す。

【００３０】更に、前記セラミックス回路基板のアルミ
ニウム回路上のＮｉ−Ｐメッキを施した部分に、０．４
ｍｍ厚さ×１５ｍｍ角のＳｉチップ２枚をＰｂ−Ｓｎ共
晶半田で半田付けし、又、直径０．５ｍｍのアルミニウ
ムワイヤーを超音波にてボンディングし、前記Ｓｉチッ
プとアルミニウム回路とを結線した。更に、放熱板側に
７０×１００×３ｍｍのＡｌ／ＳｉＣ複合材からなるヒ
ートシンク（熱膨張率７．５ｐｐｍ／Ｋ、熱伝導率２０
０Ｗ／ｍＫ）をＰｂ−Ｓｎ共晶半田で半田付けしてモジ
ュールを作製した。得られたモジュールについて、以下
に示す信頼性の評価を行った。その結果を表２に示す。

【００３１】

【表２】

【００３２】〔比較例１、２〕比較の例として、予めろ
う材をアルミニウム板に複合化したものをセラミックス
基板に接合することに代えて、アルミニウム板をろう材
の箔を介してセラミックス基板に積層し、接合したこと
以外は実施例１、実施例６と同じ操作を行ってセラミッ
クス回路基板を得た（それぞれ比較例１、比較例２）。
前記セラミックス回路基板について、実施例１〜７と同
じ信頼性の評価を行ったところ、いずれも回路部分に皺
の発生が認められ、不良であった。この結果を表２に示
す。

【００３３】〔信頼性の評価方法〕回路基板並びにモジ
ュールについて、−４０℃×３０分→室温×１０分→１
２５℃×３０分→室温×１０分を１サイクルとするヒー
トサイクルを３０００回実施した。その後、目視及び超
音波探傷により、ボンディングワイヤーの脱離やアルミ
ニウム回路板の剥離、窒化アルミニウム基板におけるク
ラック発生の状況等の異常の有無を観察した。

【００３４】表２から明らかなように本発明のろう材層
を設けたアルミニウム板を用いたセラミックス回路基板
並びにモジュールは、ヒートサイクル３０００回後で
も、回路材の剥離や皺、また窒化アルミニウム基板およ
び半田部のクラックの発生等の異常は認められず、極め
て高い信頼性を有している。

【００３５】

【発明の効果】本発明のアルミニウム板は、その一主面
上にろう材層を設けた構造を有し、これを用いてなるア
ルミニウム回路基板は、繰り返しの加熱冷却を受けて
も、回路剥離や皺の発生、また基板や半田部分でのクラ
ックの発生といった異常のない、高信頼性の回路基板で
あり、しかも前記構造に由来して低コストで前記回路基
板を得ることができるという特徴を有しているので、産
業上非常に有用である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4G026 BA16 BA17 BB27 BF20 BG02 BH07 5E343 AA02 AA24 BB28 BB54 BB55 CC01 DD33 DD76 ER13 GG16

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミニウム板の一主面上にろう材層を設
けたことを特徴とするセラミックス回路基板用アルミニ
ウム板。
【請求項２】ろう材層が、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｇｅのいずれか
１種以上の元素を含有するアルミニウム合金からなるこ
とを特徴とする請求項１記載のセラミックス回路基板用
アルミニウム板。
【請求項３】ろう材層が、更にＭｇを０．０５〜３質量
％含有することを特徴とする請求項２記載のセラミック
ス回路基板用アルミニウム板。
【請求項４】アルミニウム板の厚さが２００〜１０００
μｍであり、ろう材層の厚みが１０〜４０μｍであるこ
とを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３記載の
セラミックス回路基板用アルミニウム板。
【請求項５】セラミックス基板の少なくとも一主面上
に、請求項１、請求項２、請求項３又は請求項４記載の
セラミックス回路基板用アルミニウム板を、前記アルミ
ニウム板のろう材層を介して、接合して成ることを特徴
とするセラミックス回路基板。
【請求項６】セラミックス基板が、窒化アルミニウム又
は窒化珪素のいずれかであることを特徴とする請求項５
記載のセラミックス回路基板。