JP5069485B2

JP5069485B2 - 金属ベース回路基板

Info

Publication number: JP5069485B2
Application number: JP2007064006A
Authority: JP
Inventors: 英世小山内
Original assignee: Dowa Metaltech Co Ltd
Current assignee: Dowa Metaltech Co Ltd
Priority date: 2007-03-13
Filing date: 2007-03-13
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2027-03-13
Also published as: JP2008227184A

Description

本発明は金属ベース回路基板、特に、パワーモジュールなどに使用されるパワー半導体素子を搭載する金属ベースを有する回路基板に関する。

従来より、パワー半導体素子を搭載する回路基板としてアルミニウムや銅をベース板（ヒートシンク）とし、ベース板上に絶縁層を形成しその上に回路用金属板を形成した金属ベース回路基板が知られている。

特許文献１には、回路用金属板としてアルミニウム板、絶縁層として絶縁性樹脂が用いられた金属ベース基板が開示されている。また、該回路用アルミニウム板の少なくとも絶縁層側にアルマイト層を有し、絶縁樹脂を接着剤として該回路用アルミニウム板と金属ベース板が接着されている。さらには、該アルミニウム回路上に銅、さらにニッケル及び／又はニッケル−金層を設けることが開示されている。

これにより、接着力が高く、半田付け特性、金線を用いたワイヤボンディング性に優れた金属ベース回路基板を提供している。

特許文献２には、ベース板（ヒートシンク）として、ベース板本体と、このベース板本体の表面に形成されたシリカコーティング層及び／又はアルミナ層からなる絶縁層とを備え、この絶縁層には回路が積層接着されている。上記ベース板本体は（２．０〜１０．０）×１０^-6／℃の低い熱膨張係数を有するものであり、具体的にはＣｕ／Ｍｏ／Ｃｕのクラッド材、Ｃｕ／ＣｕＯ、ＡｌＳｉＣ、ＡｌＣ、ＣｕＳｉＣなどの複合材料などで形成されている。更に上記回路は９９．５％以上の純度のＡｌ合金により形成され、前記絶縁層とはＡｌ系のろう材により積層接着されている。
特開平１０−３３５７６９号特開２００３−７８９５号

しかしながら、従来の樹脂を絶縁層として用いる金属ベース回路基板は、樹脂の熱伝導率が低いため（数Ｗ／ｍＫ）、半導体素子の熱を十分に逃がせず、特に大容量のパワー半導体素子に用いることは難しい。

また、ベース板として前記低熱膨張係数の材料を用いることは、ベース板としての部材の加工が難しい。すなわち、Ｃｕ／Ｍｏ／Ｃｕのクラッド材では圧延により部材を作製する必要があり、またＡｌＳｉＣなどはＡｌを含浸させる工程があり、それぞれ製造技術的に難しい面を持っている。さらには、表面にアルミナを形成させるタイプのものでは、部材表面にＡｌをコーティングする工程も必要である。これらは、原料、製造の両面でコストがかかる原因となる。

本発明の目的は、アルミニウムベース板上にアルミナ層を形成し、所定の厚さの回路用アルミニウム板をアルミニウムろう材で接合することにより、熱伝導性が良く、安価な金属ベース回路基板を提供することにある。

本発明の金属ベース回路基板は、表面にアルミナ層が形成されたアルミニウムベース板と、前記アルミナ層上にアルミニウム系のろう材を介して、接合された厚さが０．３〜０．９ｍｍの回路用アルミニウム板とより成り、前記アルミナ層の厚さが５０〜１５０μｍであり、前記アルミナ層が陽極酸化によって形成されたアルマイト層であり、前記アルミニウムベース板の厚さが０．３〜２．０ｍｍであり、前記アルミニウムベース板及び前記回路用アルミニウム板の材質が、質量％で９９．５％以上のアルミニウムからなる純アルミニウム板またはアルミニウム合金であることを特徴とする。

本発明によれば、熱伝導率が高く放熱性及び製造性に優れた安価な金属ベース回路基板を提供することができる。

以下図面によって本発明の金属ベース回路基板を説明する。

本発明においては図１及び図２に示すようにアルミニウムベース板１の全面或いは部分的に酸化アルミニウム層（アルミナ層）２を５０〜１５０μｍの厚さで設ける。アルミナ層が５０μｍ未満であると耐電圧が小さく電気的信頼性が十分にとれず、また１５０μｍを超えると放熱性が十分でなくなるからである。さらに大電流、高耐圧を扱うパワー半導体素子を本発明の金属ベース回路基板に搭載する場合は、５０〜１５０μｍが好ましい。また、陽極酸化によりアルミナ層を形成するときは、膜厚を大きくするのが難しい場合があり、５０〜１２０μｍ程度の厚さが好ましい。

アルミニウムベース板１の厚さは０．３〜２．０ｍｍとし、機械的な強度と熱伝導性及びヒートサイクル後の絶縁性の関係から０．５〜２ｍｍ程度とするのが好ましい。厚さが小さいと機械的強度が小さく、金属ベース回路基板として強度が不足し部品実装等の工程で変形するおそれがある。また厚さが厚すぎるとヒートサイクルによる熱応力により前記アルミナ層にクラックが発生し絶縁破壊が発生するおそれがある。

アルミニウムベース板１及びこのアルミニウム板１に接合される回路用アルミニウム板４の組成として、アルミニウムの質量％が９９．５％以上の純アルミニウム板またはアルミニウム合金板を用いることが好ましい。添加元素により熱伝導率が低下するため、純度の高いものが好ましい。すなわち、９９．７％以上、さらには９９．９％以上のアルミニウム板が好ましい。

アルミナ層２はアルミニウムベース板１と、回路用アルミニウム板４に形成される回路パターン間の絶縁層となる。このアルミナ層２はアルミニウムベース板１を陽極酸化処理により形成することが好ましい。部分的にアルミナ層２を形成するときには陽極酸化処理の不要な部分をレジストを使用しマスキングすれば良い。陽極酸化処理により硬質アルマイト（ビッカース硬さ：約４００〜５５０Ｈｖ）を得ることが好ましく、さらに封孔処理をすることが好ましい。それは普通アルマイト（ビッカース硬度：約１５０〜３５０Ｈｖ）と比べ耐電圧が高く、また封孔処理をすることによっても絶縁の信頼性を上げることができるからである。

前記アルミナ層２上に、スクリーン印刷機を用いてペースト状のＡｌ系ろう材を塗布し、あるいは箔状のＡｌ系ろう材３を搭載し、その上に回路用アルミニウム板４をのせ、十分に密着させながら５７０〜６００℃程度の温度まで加熱、接合する。Ａｌ系ろう材としてはＡｌ−Ｓｉ系、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系等、市販されているものが好適に使用できる。

回路用アルミニウム板の厚さは０．３〜０．９ｍｍの範囲が良い。厚さが薄すぎると、チップを搭載し通電した際に、電気抵抗や熱容量が不足する場合があるからである。また、厚すぎるとヒートサイクルが付加されたときに、アルミナ層との熱膨脹率の差から発生する熱応力により、アルミナ層にクラックが発生し、ベース板のアルミニウムとの間の絶縁が破壊される恐れがある。したがって、前記範囲の厚さが好ましく、０．３〜０．６ｍｍがさらに好ましい。

次に回路用アルミニウム板４の表面等に、印刷法あるいはラミネート法によりレジストを使いマスキングし、エッチング液（例えば塩化鉄系薬液）を使いエッチングし、回路パターンを形成する。あるいは回路用アルミニウム板を予め回路パターン形状に加工しておき、前記ろう材３で接合することにより、前記レジスト、エッチングの工程を省略しても良い。

さらに回路パターンの部分に無電解めっき、あるいは電解めっき５を施す。このめっきはニッケルまたはニッケルの合金めっきまたは銅めっき、金めっき等が半田付けを可能にする意味で好ましい。この中でも比較的安価で、経時変化による半田付け性（半田濡れ性）の劣化の小さいニッケルまたはニッケル合金めっきが好ましい。この場合めっきの前処理は亜鉛置換（ジンケートあるいはダブルジンケート処理）が無電解めっき、電解めっきのいずれの場合も好ましい。亜鉛置換によるめっき前処理（活性化処理）はパラジウムによる活性化処理をした場合よりも、アルミニウムとめっきの密着強度が高く信頼性に優れるからである。また無電解めっきの方が、回路パターンそれぞれに電極をとらずに各回路パターン（アイランド）にめっきできるので好ましい。めっき層は、半田濡れ性を確保し、且つめっきに発生する応力を低減するために、１〜６μｍが好ましく、２〜５μｍがさらに好ましい。また無電解めっきの場合、アルミニウムベース板は陽極酸化処理しているのでベース板にめっきがつかないので、めっきのためのマスキングが不要となり好ましい。

なお、回路パターンをエッチングにより作成する場合、エッチング前の回路用金属板に全面めっきしてからエッチングすると、めっき被膜がエッチングの邪魔をしてエッチングされにくくなる。エッチングをする箇所は部分的にめっきをしない処理をしてからエッチングをすることも考えられるが、めっきのためのマスキングが必要となり、工程が増えるので好ましくない。したがって、エッチングにより回路パターンを形成した後に無電解めっき（例えばＮｉ−Ｐめっき）を実施するのが好ましく、このときアルミニウムベース板は陽極酸化処理されているので、無電解めっきの場合ベース板にめっきを付けず回路パターンのみめっきを形成することができるので、工程上好ましい。

以上の構造の金属ベース回路基板を絶縁油に浸漬し、電極を回路パターンと、ベース板にそれぞれ取り付け、交流電圧を１分間印加する試験（リーク電流０．５ｍＡ未満）において、アルミナ層の厚さが５０μｍで３ｋＶ以上、７５μｍで５ｋＶ以上、１５０μｍで７ｋＶ以上の絶縁耐圧を有することがわかった。また、以上の構造の金属ベース回路基板によって、熱伝導率が高く放熱性に優れた安価な金属ベース回路基板を提供することができる。熱伝導率は樹脂を絶縁層としたものは数Ｗ／ｍＫであったが、本発明によると３０Ｗ／ｍＫ程度となり、従来のクラッドや含浸材などの特別なベース板の材質が不要であるので、安価に製造することができる。

本発明においては、アルミニウムベース板１として純アルミニウム板（９９．９％Ａｌ）の縦１００×横５０ｍｍで厚さが０．３ｍｍのものを準備した。また、アルミニウムベース板１の表面に陽極酸化処理により厚さが７５μｍ、ビッカース硬質が約５００Ｈｖの硬質アルミナ（酸化アルミニウム）層２（硬質アルマイト層）を設けた。さらに封孔処理を行った。このアルミナ層２の上にスクリーン印刷機を用いてペースト状のＡｌ−Ｓｉ系ろう材（Ａｌ：８７．５ｗｔ％、Ｓｉ：１２．５ｗｔ％）３をベース板１の中央部に８０ｍｍ×３０ｍｍの長方形形状に印刷し、８０℃で乾燥後、その上にかぶさるように８０ｍｍ×３０ｍｍ、厚さが０．３ｍｍの長方形のパターン形状のアルミニウム板４を載せ、十分にこれらを密着させながら真空炉で６００℃で加熱し、接合させて基板を形成した。

次に、この基板にスクリーン印刷によりレジストを使い３０×２０ｍｍの２個の回路パターン（パターン間隔１ｍｍ）が基板中央に形成されるようにマスキングし、塩化鉄溶液を使いエッチングし、同形状の回路パターンを形成した。さらに回路パターン部分に無電解ニッケル−リンめっき５（前処理：亜鉛置換）を施し、金属ベース回路基板を作製した。

金属ベース回路基板を絶縁油（フロリナート）に浸漬し、電極を回路用アルミニウム板４と、ベース板１のアルミニウムにそれぞれに取り付け、交流電圧を１分間印加した。このとき、リーク電流が０．５ｍＡ未満であって３ｋＶで絶縁が保たれたものを○、保たれなかったものを×として表１に示した。

さらに、ヒートサイクルを１００回繰り返した後の絶縁性についても同様に表１に示した。なお、ヒートサイクルは−４０℃×３０分→室温×１０分→１２５℃×３０分→室温×１０分を１サイクルとし、気中で行った。

このとき、前記絶縁試験と同じ条件で３ｋＶで絶縁が保たれたものを同じく○、保たれなかったものを×として表１に示した。

アルミニウムベース板１の厚さを０．５ｍｍとしたことを除いて、実施例１と同様にして金属ベース回路基板を作成し、その絶縁性を調べ表１に示した。

アルミニウムベース板１の厚さを１．０ｍｍとしたことを除いて実施例１と同様にして金属ベース回路基板を作成し、その絶縁性を調べ表１に示した。

アルミニウムベース板１の厚さを１．５ｍｍとしたことを除いて、実施例１と同様にして金属ベース回路基板を作成し、その絶縁性を調べ表１に示した。

回路用アルミニウム板４とアルミニウムベース板１の厚さを夫々０．６ｍｍとしたことを除いて、実施例１と同様にして金属ベース回路基板を作成し、その絶縁性を調べ表１に示した。

アルミニウムベース板１の厚さを１．０ｍｍとしたことを除いて、実施例５と同様にして金属ベース回路基板を作成し、その絶縁性を調べ表１に示した。

アルミニウムベース板１の厚さを１．５ｍｍとしたことを除いて、実施例５と同様にして金属ベース回路基板を作成し、その絶縁性を調べ表１に示した。

アルミニウムベース板１の厚さを２．０ｍｍとしたことを除いて、実施例５と同様にして金属ベース回路基板を作成し、その絶縁性を調べ表１に示した。

アルミナ層２の厚さを５０μｍとしたことを除いて、実施例６と同様にして金属ベース回路基板を作成し、その絶縁性を調べ表１に示した。

アルミナ層２の厚さを１５０μｍとしたことを除いて、実施例９と同様にして金属ベース回路基板を作成し、その絶縁性を調べ表１に示した。

回路用アルミニウム板４とアルミニウムベース板１の厚さを夫々０．９ｍｍとしたことを除いて、実施例１と同様にして金属ベース回路基板を作成し、その絶縁性を調べ表１に示した。

アルミニウムベース板１の厚さを１．５ｍｍとしたことを除いて、実施例１１と同様にして金属ベース回路基板を作成し、その絶縁性を調べ表１に示した。

アルミニウムベース板１の厚さを２．０ｍｍとしたことを除いて、実施例１１と同様にして金属ベース回路基板を作成し、その絶縁性を調べ表１に示した。

厚さが０．６ｍｍのアルミニウムベース板１の形状を図３に示すように裏面の周囲部分のみ幅１０ｍｍにわたり厚さ２ｍｍの枠６のある形状としたことを除いて実施例５と同様に金属ベース回路基板を作成し、その絶縁性を調べ表２に示した。

以下、他の実施例を説明する。

図４に示すように厚さ０．６ｍｍのアルミニウムベース板１の裏面に高さ５ｍｍ、幅３ｍｍ、間隔３ｍｍの短冊状のフィン７を形成したことを除いて実施例５と同様に金属ベース回路基板を作成し、その絶縁性を調べ表２に示した。

（比較例１）

回路用アルミニウム板４の厚さを１．２ｍｍ、アルミニウムベース板１の厚さを１．５ｍｍとしたことを除いて、実施例１と同様にして金属ベース回路基板を作成し、その絶縁性を調べ表１に示した。

（比較例２）

アルミニウムベース板１の厚さを２．０ｍｍとしたことを除いて、比較例１と同様にして金属ベース回路基板を作成し、その絶縁性を調べ表１に示した。

（比較例３）

アルミナ層２の厚さを１５０μｍとしたことを除いて、比較例２と同様にして金属ベース回路基板を作成し、その絶縁性を調べ表１に示した。

表１に示すように回路用アルミニウム板４の厚さを、０．３ｍｍ（実施例１〜４）、０．６ｍｍ（実施例５〜１０、１４、１５）、０．９ｍｍ（実施例１１〜１３）、１．２ｍｍ（比較例１〜３）と大きくした試験を行ったが、回路用アルミニウム板４の厚さが１．２ｍｍの場合、上記のような絶縁性は保たれないことがわかった。これは、回路用アルミニウム板４をアルミニウムベース板１にろう材で接合したときの熱応力により、表面のアルミナ層２が破壊して絶縁性が保たれなかったと推測される。

また、実施例５の基板の回路パターン上にセラミックヒーターを半田付けし、さらにこれに熱電対を取り付け、その丁度反対側にあたるベース板１にも熱電対を埋め込み、絶縁体部分の熱抵抗を測定し、そこから絶縁体部分の熱伝導率を算出したところ、３０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率であることが確認された。

（比較例４）

アルミニウムベース板１の厚さ８．０ｍｍとしたことを除いて、実施例５と同様にして金属ベース回路基板を作成し、その絶縁性を調べ表１に示した。

（比較例５）

アルミニウムベース板１の厚さ８．０ｍｍとしたことを除いて、比較例１と同様にして金属ベース回路基板を作成し、その絶縁性を調べ表１に示した。

比較例４においてはヒートサイクル後の、比較例５においてはサンプル作製後とヒートサイクル後のいずれも、それぞれ絶縁性に問題があることがわかった。

本発明の金属ベース回路基板の斜視図である。本発明の金属ベース回路基板の断面図である。本発明の他の実施例における金属ベース回路基板の断面図である。本発明の更に他の実施例における金属ベース回路基板の断面図である。

符号の説明

１アルミニウムベース板
２アルミナ層
３ろう材
４回路用アルミニウム板
５ニッケルめっき
６枠
７フィン

Claims

表面にアルミナ層が形成されたアルミニウムベース板と、前記アルミナ層上にアルミニウム系のろう材を介して、接合された厚さが０．３〜０．９ｍｍの回路用アルミニウム板とより成り、前記アルミナ層の厚さが５０〜１５０μｍであり、前記アルミナ層が陽極酸化によって形成されたアルマイト層であり、前記アルミニウムベース板の厚さが０．３〜２．０ｍｍであり、前記アルミニウムベース板及び前記回路用アルミニウム板の材質が、質量％で９９．５％以上のアルミニウムからなる純アルミニウム板またはアルミニウム合金であることを特徴とする金属ベース回路基板。
前記アルマイト層が硬質アルマイト層であることを特徴とする請求項１記載の金属ベース回路基板。
前記アルマイト層が封孔処理されたものであることを特徴とする請求項１または２記載の金属ベース回路基板。