JP4554105B2

JP4554105B2 - Circuit board and module

Info

Publication number: JP4554105B2
Application number: JP2001106854A
Authority: JP
Inventors: 佳孝谷口; 好彦辻村; 信行吉野
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2001-04-05
Filing date: 2001-04-05
Publication date: 2010-09-29
Anticipated expiration: 2021-04-05
Also published as: JP2002305274A

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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a circuit board used for a power module or the like and a module assembled using the circuit board.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a circuit board in which a circuit is formed on the surface of a ceramic substrate such as alumina, beryllia, silicon nitride, and aluminum nitride and a heat sink is formed on the back surface is used for assembling power modules and the like. Such a circuit board is characterized by having a higher insulating property than a resin substrate or a composite substrate of a resin substrate and a metal substrate.
[0003]
The advantage of using Al or Al alloy as the material of the circuit and the heat sink than Cu or Cu alloy is that Cu or Cu alloy avoids the generation of thermal stress due to the difference in thermal expansion from the ceramic substrate or solder. In the absence of long-term reliability, Al or Al alloy is slightly inferior to Cu or Cu alloy in terms of thermal conductivity and electrical conductivity, but is easily plasticized even when subjected to thermal stress. This is because the deformation is relieved and the stress is relieved and the reliability is dramatically improved.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the plastic deformation of Al or an Al alloy (hereinafter also referred to as “Al etc.”) depends greatly on the magnitude of the thermal stress and the portion of Al etc. that receives the thermal stress. If the plastic deformation is concentrated on a part of the circuit or the heat radiating plate, the plastic deformation amount of the solder is exceeded and a solder crack is generated. In order to avoid this, it is conceivable to use high hardness Al or the like, but the stress relaxation effect is lowered.
[0005]
Therefore, today's demand is the emergence of extremely advanced technology that achieves the trade-off of suppressing solder cracks while sufficiently ensuring the stress relaxation effect on the ceramic substrate. As an example, it has been proposed to use a base plate having a thermal expansion coefficient similar to that of a ceramic substrate, such as Al / SiC. However, since this base plate is more expensive than a general base copper plate, it is often used only for special purposes, and another technical development has been awaited.
[0006]
An object of the present invention is to use a highly reliable circuit board that highly expresses both a stress relaxation effect and a solder crack suppression effect on a ceramic substrate without using an expensive base plate such as Al / SiC, and the same. Is to provide modules.
[0007]
The purpose of the present invention is to pursue Al characteristics suitable for a circuit and a heat sink from many Al-based materials, and to produce a circuit board having an appropriate hardness difference and thickness difference between the circuit and the heat sink, Preferably, this can be achieved by soldering the base copper plate with solder rising up to the side of the heat sink.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
That is, the present invention is as follows.
(Claim 1) A circuit is formed on one surface of an aluminum nitride substrate or a silicon nitride substrate, and a heat dissipation plate is joined to the other surface, and the circuit and the heat dissipation plate are made of Al or Al alloy. A circuit board having a Vickers hardness of 250 MPa or less, a heat sink having a Vickers hardness of 300 to 460 MPa, and a warping amount of the circuit board when heated at 260 ° C. of ± 100 μm or less.
(Claim 2) The circuit board according to claim 1 is soldered to the base copper plate with the heat dissipation plate and the base copper plate in contact with each other, and the solder is raised to the side surface of the heat dissipation plate. A circuit board with a copper base plate.
(Claim 3) A module assembled using the circuit board according to claim 1 or the circuit board with a base copper plate according to claim 2.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
[0010]
The feature of the present invention is that an appropriate hardness difference and a thickness difference are provided between the Al circuit and the heat sink to adjust the plastic deformation of Al or the like when subjected to a thermal history, and the heat sink and the base copper plate are connected. This is because when the soldering is performed, the solder is raised up to the side surface of the heat sink, thereby suppressing both solder cracks and cracks on the ceramic substrate.
[0011]
Conventionally, in order to increase the reliability of a circuit board in which the material of the circuit and the heat sink is Al or the like, a plating composition (JP-A-8-260187), surface modification of Al or the like (JP-A-8-260186), Although there is a proposal based on a particle size regulation of Al or the like (JP-A-8-156330), it has not been a sufficient solution.
[0012]
The first method applied by the present invention is the provision of Vickers hardness such as Al. For the heatsink, which has a large soldering area and the occurrence of solder cracks is the dominant factor, select Al with a slightly higher hardness, such as 300 to 460 MPa of Vickers hardness, and the generation of cracks in the ceramic substrate is dominated by the influence of the circuit pattern. For the target circuit, Al or the like having a low hardness and a Vickers hardness of 260 MPa or less was selected.
[0013]
Among Al and the like, those that are soft after bonding are easily plastically deformed, so the thermal stress generated when the circuit board receives a thermal history is relaxed, and cracks are less likely to occur in the ceramic substrate. If the amount of plastic deformation exceeds that of the solder, the solder breaks, and solder cracks are likely to occur. On the contrary, hard Al or the like is likely to crack in the ceramic substrate, but the solder crack is suppressed.
[0014]
The heat sink surface of the circuit board for the power module is the soldering surface, and since it is soldered to the whole surface to fix it to the base plate, the thermal stress on the solder is also large, and the occurrence and progression of solder cracks dominate the heat dissipation To do. On the other hand, on the circuit surface, since an IC chip or a diode is only attached, the soldering area is relatively small, and is usually about 1/10 to 1/3 of the circuit area. Since the thermal stress on the ceramic substrate is concentrated at the edge of the circuit pattern, the pattern shape cannot be ignored. On the circuit surface, the “horizontal crack” that occurs at the end along the pattern and proceeds to the inside of the pattern often dominates the heat dissipation. .
[0015]
In the circuit board of the present invention, from these points, the Vickers hardness of the circuit is set to 250 MPa or less to suppress cracks generated in the ceramic substrate, and the Vickers hardness of the heat sink is set to 300 to 460 MPa to suppress the occurrence of solder cracks.
[0016]
When the Vickers hardness of the circuit exceeds 250 MPa, the plastic deformation due to thermal stress becomes non-uniform, and the partial deformation becomes large, which may cause plating or peeling of the bonding wire. The hardness is preferably as small as possible, but is preferably 180 to 220 MPa because it is soft and easily damaged. On the other hand, if the Vickers hardness of the heat sink exceeds 460 MPa, plastic deformation becomes difficult, and cracks are likely to occur in both the ceramic substrate and the solder. Moreover, since plastic deformation becomes easy at less than 300 MPa, large deformation occurs when subjected to repeated thermal history, and solder cracks are likely to occur. A particularly preferred Vickers hardness of the heat sink is 350 to 430 MPa.
[0017]
Vickers hardness is a method for reading a hardness by applying a fine indenter under a load, and is widely used as a method for measuring the hardness of metals and ceramics. In the present invention, the measurement is performed under conditions of a weight of 9.8 N and a holding time of 15 seconds.
[0018]
The hardness in the present invention is the hardness of the circuit and the heat sink, and is different from the hardness of Al or the like before joining. Al or the like usually uses a bonding material and is heated at 500 to 640 ° C. to be bonded to the ceramic substrate. Therefore, the microstructure is changed by heat treatment, and the bonding material diffuses and the purity of Al or the like decreases. . Furthermore, heat treatment is also performed after joining, and thereby characteristics such as Al change. For these reasons, it does not make much sense to strictly define the hardness of Al or the like before joining.
[0019]
There are two methods for adjusting the hardness of Al and the like: a method of selecting a material and a method of adjusting the heat treatment conditions. As for the material, Al or the like after bonding becomes softer as the purity becomes higher, so the purity may be selected. Usually, what is marketed as pure Al is usually 99.0 to 99.999%, which is quite wide and has a large difference in hardness. That is, when Al is 99.5% or less, it is difficult to reduce the Vickers hardness after bonding to 250 MPa or less, and when Al is 99.9% or more, it is difficult to increase it to 300 MPa or more after bonding. Therefore, in the present invention, although an Al alloy can be used for the circuit, it is preferable to use a high-purity Al material and a relatively low-purity Al or the like for the heat sink. Examples of Al alloys include Al—Mn alloys such as 3003 with the AA symbol, and Al—Mg alloys such as 5052.
[0020]
The second method applied by the present invention is to provide a thickness difference between the circuit and the heat radiating plate so that the amount of warping of the circuit board when heated to 260 ° C. is ± 100 μm or less. A warpage “+” is a warp where the circuit surface is concave, and a warp “−” is a warp where the circuit surface is convex. Preferably, the warp is 0 to +50 μm.
[0021]
In the present invention, the thickness of the circuit is not particularly limited, but generally used thickness is 0.3 to 0.5 mm. In the present invention, the amount of warpage is usually adjusted by adjusting the thickness of the heat sink according to the thickness and pattern ratio of the circuit board.
[0022]
If there is no thickness difference between the circuit and the heat sink, or if there is an extreme thickness difference, the generated thermal stress will be biased, causing warping and undulation, solder voids, damage such as solder cracks, and bonding wires And peeling of the plating cannot be sufficiently prevented. When the heat sink has a larger hardness than the circuit board, the heat sink is made thinner. When the heat sink has a smaller hardness than the circuit board, the heat sink is made thicker.
[0023]
As for the material of the ceramic substrate used in the present invention, a silicon nitride substrate or an aluminum nitride substrate having a thermal conductivity of 70 W / mK or more is selected in consideration of use as a power module circuit substrate. In particular, an aluminum nitride substrate is desirable.
[0024]
A method for manufacturing a circuit board according to the present invention will be described.
[0025]
In order to form a circuit and a heat radiating plate on a ceramic substrate, there are methods of bonding the patterns, etching after bonding a plate of Al or the like, or using both of them together. In any case, it is necessary to join the ceramic substrate, the circuit, and the heat sink. As a joining method, there is a method in which a joining material is not used as in the molten metal method, but in the present invention, it is preferable to join using an Al—Cu—Mg alloy foil. The bonding material is not limited to this, and an Al—Si system, an Al—Ge system, or a system obtained by adding Mg to these can also be used.
[0026]
The thickness of the bonding material is generally 10 to 50 μm although it depends on the type. If the thickness is less than 10 μm, joining becomes difficult, and if it exceeds 50 μm, the alloy component diffuses into Al or the like and hard portions increase, which causes a decrease in reliability when receiving a thermal history. A preferable thickness of the bonding material is 15 to 35 μm. The bonding material may be arranged on either the ceramic substrate side or the Al side.
[0027]
In the present invention, a plate such as Al or a pattern or both of them is arranged on both surfaces of the ceramic substrate via the alloy foil, and a pressure of 1 to 10 MPa, particularly 4 to 8 MPa is applied to the ceramic substrate in a direction perpendicular to the ceramic substrate. preferable. The pressurization can be performed by placing a weight on the laminate or mechanically sandwiching it using a jig or the like.
[0028]
The bonding temperature between the ceramic substrate, the circuit and the heat sink is 580 to 645 ° C., and is performed in a nitrogen atmosphere or in a vacuum.
[0029]
Next, the bonded body is etched as necessary. Etching is not particularly necessary when circuit or heat sink patterns are joined. Etching can be performed by a normal resist or etching process. Further, surface treatment such as plating is also performed as necessary.
[0030]
As shown in FIG. 1, the circuit board of the present invention is preferably used by being soldered 5 to a base copper plate 4. In this case, it is important to suppress solder cracks between the base copper plate 4 and the heat radiating plate 3. In order to suppress solder cracks, it is necessary to reduce the stress (strain) applied to the solder. The stress applied to the solder increases at the interface between the heat sink and the solder, and is maximized particularly at the corner of the heat sink.
[0031]
In the present invention, in order to reduce the stress applied to the solder, the hardness and thickness of the heat sink are optimized as described above, and the solder thickness at the corner of the heat sink at which the maximum stress is generated is increased. That is, when the heat sink of the circuit board and the base copper plate are brought into contact with each other and soldered to the base copper plate, the solder is raised up to the side surface of the heat sink.
[0032]
In order to increase the solder to the side of the heat sink, before soldering the base copper plate and the circuit board, either wet the solder on the side of the heat sink in advance, or place a weight on the circuit board during soldering. It is necessary to devise such as mounting. Moreover, in order to suppress solder cracks, the thickness of the solder, the height and position of the solder are important.
[0033]
The solder thickness (T) is preferably 100 to 300 μm. When the thickness of the solder is less than 100 μm, the plastic deformation cannot be sufficiently performed when stress is applied to the solder. Therefore, the stress cannot be relaxed and solder cracks are likely to occur. On the contrary, if the thickness of the solder exceeds 300 μm, plastic deformation can be sufficiently performed. However, since the solder has a small thermal conductivity, if the thickness is increased, the thermal resistance increases and the function as a module is impaired. More preferably, it is 150-250 micrometers.
[0034]
The rising state of the solder on the side surface of the heat sink can be defined by the solder hem length (W) and the solder rising height (H) in the explanatory view shown in FIG.
[0035]
The hem length (W) of the solder is preferably 200 μm to 2 mm. When the thickness is less than 200 μm, an effect sufficient to reduce the stress generated in the solder at the corners of the heat sink cannot be obtained. On the other hand, when the distance exceeds 2 mm, adjacent circuit boards may interfere with each other, which may cause a problem when the module is assembled.
[0036]
The raised height (H) of the solder is preferably 50 μm or more. If it is less than 50 μm, an effect sufficient to reduce the stress generated in the solder at the corners of the heat sink cannot be obtained. More preferably, it is 100 micrometers or more, More preferably, it is to the thickness of a heat sink (until contact with a ceramic substrate).
[0037]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples.
[0038]
Examples 1-8 Comparative Examples 1-5
The aluminum nitride substrate and silicon nitride substrate used are commercial products, both of which are 2 inches square, the thermal conductivity by laser flash method is 175 W / mK of aluminum nitride, 72 W / mK of silicon nitride, and the three-point bending strength is aluminum nitride. Is 420 MPa and silicon nitride is 780 MPa. As the Al plate, one having each thickness shown in Table 1 was used for each of the circuit formation and the heat dissipation plate.
[0039]
The Al plate and the bonding material shown in Table 1 were overlapped on the front and back surfaces of the ceramic substrate, and a carbon plate was screwed and pressed against the substrate using a jig that was pressed evenly in the vertical direction. Joining was performed while applying pressure at a temperature of 550 to 635 ° C. in a vacuum or nitrogen atmosphere.
[0040]
After bonding, an etching resist was screen printed and etched with FeCl ₃ solution. The pattern of the circuit surface and the heat radiating surface was square (corner R was 2 mm), and was formed at the center of the ceramic substrate (creeping distance 1 mm). Next, after removing the resist, 5 μm of electroless Ni—P plating was applied to obtain a circuit board, and the following physical properties were measured.
[0041]
(1) Warping amount of circuit board: The warping amount of the circuit board when heated at 260 ° C. is placed on a hot plate heated to 260 ° C. with the circuit surface of the circuit board facing up, left for 5 minutes, and laser displacement Measured with a meter. Further, in the measurement of the amount of warpage, Table 1 shows the case where the circuit surface is concave (+ side) and the case where the circuit surface is convex (− side).
[0042]
(2) Vickers hardness of circuit and heat sink: A section of the circuit board was cut out, and the Vickers hardness was measured at the center in the thickness direction of each of the circuit and the heat sink.
[0043]
Thereafter, a 13 mm square Si chip was soldered to the center of the circuit board. The solder used was Sn—Pb (Sn / Pb = 10/90) with a thickness of 100 μm.
[0044]
Further, the circuit board on which the chip is soldered is heated on a hot plate at 260 ° C., the solder (Sn / Pb = 50/50) is pressed against the side surface of the heat radiating plate, and it is confirmed that the solder has been wetted. The solder was wiped off. When soldering the circuit board to which the chip is attached to the base copper plate, the base copper plate was previously masked to the same size as the ceramic substrate with heat-resistant tape in order to set the hem length (W) of the solder to 1 mm. A thing was used. The solder used was Sn—Pb (Sn / Pb = 50/50), and a solder having a thickness of 300 μm was used to make the solder thickness (T) 100 to 300 μm. Further, in order to make the solder hem length (W) uniform, a carbon jig for positioning the circuit board was used. Further, in order to make the solder thickness (T) uniform and the solder raised height (H) to be 50 μm or more, a weight was placed at the center of the circuit board.
[0045]
In the measurement of the solder thickness (T), solder hem length (W), and solder bump height (H) on the base copper plate, cross-sectional observation is performed on the four corners of the circuit board soldered to the base copper plate ( SEM observation) was performed and measured.
[0046]
A circuit board soldered to the base copper plate was subjected to a heat cycle test. The heat cycle test was carried out 1000 cycles with -40 ° C. × 30 minutes → room temperature × 10 minutes → 125 ° C. × 30 minutes → room temperature × 10 minutes as one cycle. After the heat cycle test, the appearance of the substrate, such as solder cracks and pattern peeling, was checked for appearance, and the progress of the solder cracks (L) shown in FIG. 3 was examined with an ultrasonic flaw detection image (SAT). Regarding the under-chip solder cracks, those in which a solder crack exceeding 1 mm could be detected were defined as “defective”. Further, regarding the solder cracks on the base copper plate, those that could detect a solder crack exceeding 3 mm were regarded as “defective”. Then, the circuit and the heat sink were dissolved with hydrochloric acid, and the presence or absence of cracks generated on the ceramic substrate was observed. The results are shown in Table 1.
[0047]
[Table 1]

[0048]
As is clear from Table 1, in all of the examples of the present invention, the occurrence of solder cracks and cracks on the ceramic substrate was remarkably small even after 1000 cycles of the heat cycle test. On the other hand, in the comparative example, since the Vickers hardness was outside the range of the present invention, many cracks were generated after the heat cycle, which was insufficient as a highly reliable circuit board.
[0049]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the highly reliable circuit board which can reduce generation | occurrence | production of a solder crack and the crack to a ceramic substrate remarkably, and a module using the same can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a circuit board with a base copper plate of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram for measuring solder thickness (T), solder hem length (W), and solder height (H).
FIG. 3 is an explanatory diagram for measuring a solder crack length (L).
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ceramic substrate 2 Circuit 3 Heat sink 4 Base copper plate 5 Solder

Claims

A circuit is formed on one surface of an aluminum nitride substrate or a silicon nitride substrate, and a heat sink is bonded to the other surface. The circuit and the heat sink are made of Al or Al alloy, and the circuit has a Vickers hardness of 250 MPa. A circuit board, wherein the heat sink has a Vickers hardness of 300 to 460 MPa, and the amount of warping of the circuit board when heated at 260 ° C. is ± 100 μm or less.

2. The base copper plate according to claim 1, wherein the heat sink and the base copper plate are brought into contact with each other and soldered to the base copper plate, and the solder is raised to the side surface of the heat sink. Circuit board with.

A module assembled using the circuit board according to claim 1 or the circuit board with a base copper plate according to claim 2.