WO2003090277A1

WO2003090277A1 - Circuit board, process for producing the same and power module

Info

Publication number: WO2003090277A1
Application number: PCT/JP2003/005054
Authority: WO
Inventors: Toshiyuki Nagase; Yoshiyuki Nagatomo
Original assignee: Mitsubishi Materials Corporation
Priority date: 2002-04-19
Filing date: 2003-04-21
Publication date: 2003-10-30
Also published as: EP1498946B1; CN1647267A; US20050214518A1; EP1498946A1; AU2003235329A1; EP1498946A4; ATE552717T1; CN100364078C; JPWO2003090277A1; US7128979B2; JP4241397B2

Description

明細書回路基板、その製造方法、およびパワーモジュール技術分野

本発明は、パワーモジュール、およびパワーモジュールに使用される回路基板およびその製造方法に関する。この技術は特に、 H E V (Hybrid Electric Vehicle；ハイプリッド電気自動車）などに用いられる高信頼性ィンバータモジュール用パワーモジュール等に好適に適用できる。背景技術.

従来、パワーモジュール等に利用される半導体装置においては、アルミナ、ベリリア、窒化ケィ素、窒化アルミニウム等のセラミックス基板の表裏面に、 C u 又は A 1からなる導電層および放熱板がそれぞれ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、樹脂基板と金属基板との複合基板、あるいは樹脂基板よりも、髙絶縁性が安定して得られる。

導電層及び放熱板が C uである場合には、セラミックス基板やはんだとの熱膨張差に起因する熱応力の発生が避けられず、長期的な信頼性が不十分になりやすレ、。これに対し、導電層及ぴ放熱板が A 1である場合には、熱伝導性や電気伝導性では C uよりも劣るものの、熱応力を受けた際に容易に塑性変形し、応力が緩和されるため、信頼性が高レ、利点がある。

特開 2 0 0 1— 5 3 1 9 9号公報、およぴ特開平 8— 3 3 5 6 5 2号公報には関連技術が開示されている。

ところで、絶縁セラミックスの両面に圧延材の A 1板を接合するには、ろう材を用いて 5 0 0 °C以上の高温で接合する必要がある。この場合、ろう付けした後に常温状態で反りを生じることがあり、この反り力、回路基板製造工程やパワーモジュールを製造するアセンブリ工程での不良を発生する原因となっていた。反りの原因は、図 3 Aに示すように、ろう付け工程において導電層中の A 1結晶が異常に大きく成長することにあると考えられる。結晶粒径が著しく大きくなることにより、絶縁セラミックス基板の両面に形成された導電層の機械的特性に異方性が生じ、応力の不均衡から反りを生じるのである。絶縁セラミックス基板の表裏面に導電層が接合される場合、それぞれの導電層の厚みが等しくされることが応力均衡の点から好ましい。

A 1結晶の粒径は添加元素を増加することによって抑制できるが、添加元素量が増えると応力緩和効果が低下する。このため、八 1の0. 2%耐カゃ加工硬化指数が基準値よりも大きくなり、例えば一 40〜125 °Cの温度サイクル試験をおこなった際に、セラミックス基板に割れを生じる可能性がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、回路基板の反りを低減すること、およびセラミックス基板の割れを防止することを課題とする。発明の開示，

本発明の回路基板は、絶縁セラミックス基板の両面に導電層が接合され、前記導電層は 99. 98質量％以上のアルミニウムを含み、その平均結晶粒径は 0. 5 mm以上かつ 5 mm以下であり、結晶粒径の標準偏差 σは 2 mm以下である。導電層の結晶粒径は、導電層の表面を N a OH水溶液、 HF、または G aなどでエッチングし、導電層のマク口組織を露出させた後、光学顕微鏡もしくは電子顕微鏡（SEM) により組織を観察することにより、測定できる。

前記導電層は、 C.u、 F e、 S iのそれぞれを 20 p pm以上含有し、圧延されたものであってもよい。前記導電層は 1 5%以上の圧下率で圧延されていてもよい。この場合、 A 1結晶の異常成長を抑制でき、結晶粒径のばらつきを減らす効果が得られる。

最大結晶粒径を有する結晶の面積は、前記絶縁セラミックス基板の面積の 1 5%以下であってもよい。この場合、導電層の機械的特性に異方性が生じることを防止する効果がさらに高い。

前記絶縁セラミックス基板は、 A 1₂〇₃、 A 1 N、および S i ₃N₄の少なくとも 1種により形成されていてもよい。前記導電層は前記絶縁セラミックス基板表面にろう材を用いて接合されていてもよい。前記ろう材は、 A 1— S i系， A 1 — Ge系， A 1— Mn系， A 1— Cu系， A 1— Mg系， A 1— S i— Mg系， A 1—C u— M n系，および A 1一 C u— M g— M n系のろう材から選択される 1または 2以上のろう材であってもよレ、。この場合、導電層と絶縁セラミックス基板との接合が良好になる。 '

本発明のパワーモジュールは、前記回路基板と、この回路基板を支持する放熱板とを有する。前記回路基板の前記導電層の少なくと'も一部は、前記放熱板に対して、前記ろう材よりも融点の低いろう材により接合されていてもよい。

一方、本発明の回路基板の製造方法は、絶縁セラミックス基板上にろう材を介して、 9 9 . 9 8質量％以上のアルミニウムを含む導電層を配置し、これらを 5 0 k P a以上かつ 3 0 0 k P a以下の力で圧接させつつ、真空中または不活性ガス中で 6 0 0 °C以上に加熱することにより前記導電層と前記絶緣セラミックス基板とを前記ろう材で接合し、かつ、前記導電層の平均結晶粒径を 0 . 5 mm以上かつ 5 mm以下、結晶粒径の標準偏差 σを 2 mm以下にする。

前記製造方法は、 9 9 . 9 8質量％以上のアルミニウムを含む板材を熱処理したのち、 1 5 %以上の圧下率で圧延を行うことにより前記導電層を得る工程をさらに有していてもよい。最終の熱処理からの圧下率が 1 5 %以上にされることにより、導電層の 0 . 2 %耐力を 3 5 N/mm ²程度以下、 A 1材の加工硬度指数を 0 . 1 8程度以下にすることができる。このため、繰り返し温度変化に曝された場合のセラミックス基板の割れ等を防ぐ効果が高められる。例えば、一 4 0 °C 〜1 2 5 °Cの温度サイクル試験をおこなった際に、基板に割れが生じるまでのサイタル数を高めることができる。温度サイクル試験とは、例えば、回路基板に冷熱衝擊試験器にて一 4 0 °C X 3 0分および 1 2 5 °C X 3 0分を 1サイクルとする温度処理を繰り返し行う試験である。

本発明によれば、導電層の平均結晶粒径が 0 . 5 mm以上 5 mm以下とされ、結晶粒径の標準偏差 σが 2 mm以下であるから、導電層の機械的特性に異方性が生じにくく、回路基板の反りが低減できる。また、導電層は 9 9 . 9 8質量％以上のアルミニウムを含有するから応力緩和能力も大きく、温度変化に曝されてもセラ.ミックス基板の割れ等が生じにくい。したがって、本発明によれば、回路基板の反りを低減できるだけでなく、温度変化に曝された場合にもセラミックス基板に割れ等の不具合が生じることが防止できる。導電層の平均結晶粒径が 5 _m¾より大きいと導電層の機械的特性に異方性を生じて基板に反りが生じ易くなる。平均結晶粒径が 0 . 5 mmより小さいと、加工硬化が大きくなるなど機械的特性が変化し、温度変化に曝された際に変形抵抗が増し、セラミックス基板の割れや、半導体チップをはんだ付けした部分にクラックが生じ易くなる。結晶粒径の標準偏差が 2 mm以上であると、導電層の結晶粒径のばらつきが大きくなりすぎ、機械的特性に異方性を生じる可能性がある。前記導電層の平均結晶粒径は 0 . 8 mm以上 1 . 5 mm以下、結晶粒径の標準偏差 σは l mm以下であるとより好ましい。この場合、温度変化に曝されたときのセラミックス基板の割れ等の不具合をさらに防止できる。図面の簡単な説明

図 1は、本発明に係る回路基板の実施形態を示す断面図である。

図 2は、反り量を説明するための断面図である。

図 3 Aおよび図 3 Bは、結晶粒径測定を説明するための模式図であり、図 3 A は従来技術における結晶例を示し、図 3 Bは本発明の回路基板の導電層における結晶の例を示す。

図 4は、本発明に係るパワーモジュールの実施形態を示す断面図である。図 5は、本発明に係る実施例において、平均結晶粒径と温度サイクル寿命の関係を示すグラフである。

図 6は、本発明に係る実施例において、セラミックス基板面積に占める最大結晶の面積の割合と反り量との関係を示すグラフである。

図 7は、接合後の A 1板中に拡散した S iの濃度分布を示すグラフである。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明に係る回路基板およびその製造方法の実施形態を図面に基づいて説明する。

図 1は、本発明の第 1実施形態の回路基板 1を示す断面図であり、' この回路基板 1は、絶縁セラミック基板 2の両面のそれぞれに、ろう材層 4を介して、 A 1 板（導電層） 3を接合したものである。絶縁セラミック基板 2の材質は限定されないが、好ましくは S i ₃N₄、 A 1 N または A 1₂0₃から選択される 1種または 2種の複合材とされる。このなかでも、特に A 1 Nが好ましい。この A 1 Nは、熱伝導率が 1 70〜20 OW/mKと高く、導電層の A 1に近い値であるため、導電層上に搭載される S iチップの熱を速やかに放熱させることができる。また、 A 1 Nの熱膨張係数が 4. 3 X 10-6 7°Cと低く、 S iチップの熱膨張係数に近い値であるため、 S iチップを固定しているはんだにクラックを生じさせにくい。絶縁セラミックス基板 2の厚さは限定されないが、一例として 0. 3〜1. 5mm程度とされる。絶縁セラミック基板 2の形状は一般的には矩形状であるが、その他の形状であってもよい。

A 1板 3ほ 99. 9 8質量％以上の A 1を含有する。 A 1含有率がそれよりも低いと、 A 1板 3の応力緩和効果が低下し、温度変化に曝された際に回路基板 1 の反りやセラミックス基板 2の割れが生じやすくなる。 A 1板 3の厚さは限定されないが、一例として 0. 25〜0. 6mmにされる。より具体的な実施形態では、絶縁セラミック基板 2は、例えば厚さ 0. 635mmの A 1 N板、 A 1板 3 は、例えば厚さ 0. 4 mmとされる。 A 1板 3はセラミックス基板 2の全面に接合されていてもよいし、セラミックス基板 2の一部にのみ接合されていてもよい。例えば、図 1に示すようにセラミックス基板 2の周辺部を除く部分にのみ形成されていてもよい。

ろう材 4の厚さは限定されないが、一例として 0. 005〜0. 05mmとされる。より具体的な例では 0. 03mm程度である。ろう材 4の材質は限定されないが、好ましくは、 A 1— S i系、 A 1—G e系， A 1— Mn系， A 1— C u 系， A l _Mg系， A l— S i— Mg系， A l— Cu— Mn系，および A l— C u— Mg— Mn系のろう材から選択された 1種または 2種以上とされる。いずれのろう材も A 1含有量は 70〜98質量％とされる。この中でも特に、 A 1—S i系ろう材又は A 1— G e系ろう材が好まし'い。これら A 1— S i系ろう材、 A 1— G e系ろう材は、金属間化合物を生じ難いからであり、この金属間化合物が生じると、前述した一 40°C〜1 25 °C程度の温度サイクル発生時に亀裂発生の原因となり易い。また、金属間化合物が生じ難いので、低い圧力下で接合することが可能になる。 A 1— S i系ろう材の一例を挙げると、 95〜75質量％の 1および 3〜 20質量％の S iを含む合金であり、融点（共晶点）は 577°Cである。

A 1板 3の平均結晶粒径は 0. 5 mn！〜 5 mmとされ、結晶粒径の標準偏差 σ は 2mm以下とされている。平均結晶粒径が 5 mmより大きいと、 A 1板 3の機械的特性に異方性が生じ、温度変化に曝されると回路基板 1に反りが生じる可能性がある。平均結晶粒径が 0. 5mmより小さいと、加工硬化が大きくなり、温度サイクルによる変形抵抗が上昇し、セラミックスの割れや S iチップはんだ付け部のクラック発生が生じ易くなる。標準偏差が 2 mm以上の場合には、結晶粒径のばらつきが大きくなりすぎるため、機械的特性に異方性を生じる可能性がある。

A 1板 3の結晶粒径の測定は、以下のように行うことができる。絶縁セラミツクス基板 2と接合した A 1板 3表面を、エッチングして導電層のマク口組織を露出させる。エッチング液としては N a OH水溶液や、 HF、 G aなどが使用できる。エツチング後、水洗およぴ乾燥して、光学顕微鏡もしくは電子顕微鏡 ( S E M) により結晶粒の組織観察をおこなう。さらに、図 3 Bに示すように顕微鏡画像に対して画像処理をおこなうことにより、平均結晶粒径および標準偏差を測定する。同様に、最大結晶粒径も求めることができる。

画像解析の方法の一例は以下の通りである。まず、セラミックス基板 2に接合された A 1板 3の表面を以下のいずれかの条件でエッチングし、マク口組織すなわち A 1の結晶粒界を観察できるサンプルを作製する。

エツチング条件（ 1 ) ：例えば、 A 1板 3の表面をフッ硝酸（酸性フッ化ァンモ二ゥム： 1 00 g/L, 硝酸 80 OmL/L) で 3分処理する。

エッチング条件 (2) ：例えば、 A 1板 3の表面を 4質量％N a OH水溶液で 2 0分処理する。

エッチング条件（3)： A 1板 3の表面を研磨したうえ G aを塗布し、 50°CX 2 hで A 1の粒界に G aを拡散させた後、さらに表面を鏡面研磨する。

得られたサンプルを光学顕微鏡または S EMなどで写真撮影し、写真中の各結晶粒境界を簡易 CADソフトなどで取り込み、画像処理を行うことにより個々の結晶粒の面積 Sを求める。これを以下の式から平均粒径に変換する。平均粒径 = 2 X (S/π)

さらに、写真全体における平均粒径の分布から、平均値および標準偏差を算出すればよい。

最大結晶粒径を有する結晶の面積が、絶縁セラミックス基板 2の面積に占める割合は、 1 5%以下であることが好ましい。その場合には、回路基板 1の反り量を低減することができる。

A 1板 3を絶縁セラミックス基板 2と接合した場合、 A 1結晶が異常成長するとセラミックス基板 2両面の A 1板 3の機械的特性に異方性を生じ、反り量が大きくなつてしまう力 S、上記のように A 1板 3の結晶粒径を設定すると、 A 1板 3 の機械的特性に異方性を低減でき、回路基板 1の反りが低減できる。

絶縁セラミックス基板 2の表裏に接合される A 1板 3は、それぞれの厚みが等しくされることが好ましい。 A 1板 3は絶縁セラミックス基板 2の両面に接合されることが好ましい。片側のみであると絶縁セラミックス基板 2に反りが発生しやすいためである。ただし、必要に応じては片側のみでもよい。

A 1板 3は、 Cu、 F e、 S iをいずれも 20 p p m以上含有していることが好ましい。この場合には、 A 1結晶の過度の成長が抑制され、結晶粒径のばらつきが低減されるため、一部の結晶粒の粗大化が生じにくく、機械的異方性の原因となりにくレヽ。より好ましくは、 Cuが 20〜60 p pm、 F eが 20〜40 p pm、 Cuが 20〜80 p pmとされる。これらの上限値を超えると、 0. 2% 耐カゃ加工硬度指数が前述した値（0. 2%耐力が 35N/mm²程度以下、加ェ硬度指数が 0. 1 8程度以下）より大きくなつて、温度サイクル発生時に絶縁セラミックス基板との界面や導電層の上に搭載される S iチップのはんだ付け面に応力発生し、絶縁セラミックス基板やはんだの亀裂発生の原因となる。

次に、上記回路基板 1の製造方法を説明する。

A 1板 3の上に順に、シート状のろう材 4、絶縁セラミック基板 2、シート状のろう材 4、および A 1板 3を重ねる。これらに 50〜300 k P a (0. 5〜 3 k g f /cm² ) の圧力を加えつつ、真空中または不活性ガス中 (例えば A r ガス雰囲気中）で 600°C以上かつ A 1板 3の融点以下の温度に加熱する。これによりろう材 4が溶け、セラミックス基板 2と A 1板 3が強固に接合される。このときの加熱条件は、先に述べた結晶粒径条件を満たすように設定される。ろう付け後、室温まで冷却し、片面の A 1板 3を所定のパターンにエッチングし、回路を形成する。

貼り合わせの際の圧力が 5 0 k P a未満では接合ムラが生じるおそれがある。

3 0 0 k P aよりも大きいと接合時にセラミックス基板 2に割れが発生しやすい。加熱温度が 6 0 0 °C未満であると、接合が不十分になりやすくなる。また、上記範囲を外れると前述した結晶粒径の条件を満たしにくくなる。

回路基板 1の反り量を計るには、 1 0 0 mm角の回路基板 1の対角線上に 1 0 0 mm間隔で 2点をとり、この 2点間の断面曲線を 3次元測定装置またはレーザ一変位計を用いて測定する。図 2に示すように、この断面曲線と平面 Pとの間隔のうち最大変位 Cを測定する。回路基板 1の交差する対角線のそれぞれに沿って測定した値のうち、大きい方を反り量として定義する。

A 1板 3の結晶成長は添加元素を増加することによって抑制可能であるが、この添加元素の濃度すなわち A 1の純度により、 A 1 自体の機械的特性が著しく変化する。上記の結晶粒径を実現するために、 A 1板 3は、 9 9 . 9 8質量％以上のアルミニウムを含む板材を 2 0 0〜4 5 0 °Cで最終熱処理したのち、 1 5 %以上の圧下^で圧延することにより得られていることが好ましい。これにより、 A

1板 3の 0 . 2 %耐力を 3 5 N/mm ²程度以下、導電層の加工硬度指数を 0 .

1 8程度以下にすることが容易になる。したがって、応力緩和効果を向上することができ、一 4 0 °C〜1 2 5 °Cの温度サイクル試験をおこなった際に回路基板に割れが生じることを防止できる。また、 A 1板 3において、最終熱処理からの圧下率が 1 5 %以上であれば、結晶粒の粗大化が進行しにくくなる。

本実施形態によれば、絶縁セラミッタス基板 2が、ヤング率が 3 2 0 G P a程度で、反り抑制措置が必要な必要なアルミナ、 A 1 N、または、 S i ₃ N ₄などから形成され、かつ、ろう材 4が、導電層の結晶粒の成長がおきる 5 0 0 °C以上の温度領域、特に 6 0 0 °C以上の熱処理を必要としている A 1— S i系のようなろぅ材とされた場合であっても、 A 1板 3の平均結晶粒径が 0 . 5 mn！〜 5 mm程度の範囲とされ、かつ、結晶粒径の標準偏差 σが 2 mm程度以下に設定されることにより、 A 1板 3の機械的特性に異方性が生じることを低減できる。従って、絶縁セラミックス基板 2および A 1板 3の熱膨張差に起因する熱応力の発生を低減し、回路基板 1に反りやクラックが生じることを防ぎ、回路基板の長期的な信頼性を向上することが可能となる。

次に、本発明の第 2実施形態であるパワーモジュールを説明する。本実施形態のパワーモジュール 1 0には、前¾の第 1実施形態に係る回路基板 1が実装されている。図 4はパワーモジュール 10の断面図である。

図 4に示すように、パワーモジュール 1 0は、放熱板 1 1の一方の主面に 1又は 2以上の方形の回路基板 1が固着されたものである。放熱板 1 1は A 1系合金板からなる板材であって、絶縁セラミックス基板と同様、熱伝導率が高く（例えば 1 5 OWZmK以上）、熱膨張係数が低い（例えば 10 X 10— ⁶/°C以下）ものが好ましく、 A 1 S i Cからなるもの、あるいは、孔明き F e -N i合金板の両面に A 1を接合した三層構造のものが好適である。また、放熱板 1 1の厚さは限定されないが、一例として 3〜 1 Ommのものが使用される。回路基板 1は、前述した第 1実施形態と同様のものとされ、 A 1 N等からなる例えば厚さ 0. 3〜 1. 5 mmの絶縁セラミック基板 2と、絶縁セラミック基板 2の両面に接合された第 1および第 2の A 1板 3を備える。第 1及び第 2 A 1板 3は、例えば厚さが 0. 25〜0. 6 mmとされる。回路基板 1は例えば一辺が 3 Omm以下の方形状とされる。

回路基板 1は、放熱板 1 1にろう材によりろう付けされている。ろう材としては、 A.I— S i系， A l _Cu系， 1ー]\1_§系， A 1— Mn系および A I— G e系のろう材から選ばれる 1又は 2以上を用いることが好ましい。回路基板 1を放熱板 1 1へろう付けするには、放熱板 1 1の上にろう材のシートおよび回路基板 1をこの順序で重ね、これらに圧力 50〜 300 k P aを加え、真空中または不活性ガス中で 580〜650°Cに加熱してろう材を溶融させ、その後冷却する。上記ろう材としては、融がろう材 4の融点以下であり、より好ましくは 500 〜6 30°C、例えば 575 °C程度のものが好適である（ただし、融点とは液相線を越える点とする）。この場合、絶縁セラミック基板 2と A 1板 3を接合したろう材 4は完全には溶融せずに、放熱板 1 1と第 1 A 1板 3とを接合させることができる。このように構成されたパワーモジュール 1 0は、放熱板 1 1の隅に形成された取付孔 1 1 aに雄ねじ 1 3が挿入され、これら雄ねじ 1 3が水冷式ヒートシンク 1 4に形成された雌ねじ 1 4 aにそれぞれ螺合されることにより、放熱板 1 1の他方の面が、例えば A 1合金からなる水冷式のヒートシンク 1 4に密着接合される。

このように構成されたパワーモジュール 1 0では、第 1実施形態と同様の効果を奏する。このような回路基板 1を実装したことにより、熱サイクル時に生じる回路基板 1の縁における収縮量の相違も比較的小さく抑制できて、パワーモジュール 1 0の熱サイクル寿命を延ばすことができる。その結果、パワーモジュールとしての信頼性を向上できる。実施例

以下、本発明の実施例について説明する。

<実施例 1, >

図 4に示す構造のパワーモジュールを作成した。

5 O mm X 5 O mm X 0 . 6 3 5 mmの A 1 N.製セラミック基板 2の両面に、縦横寸法が絶縁セラミック基板 2と同一で、厚さが 0 . 4 mmの A 1板 3をそれぞれ接合して回路基板 1を作成した。 A 1板 3は、 4 5 0 °Cでの最終熱処理後、圧下率 3 0 %で圧延を行ったもので、 9 9 . 9 9質量％のし 2 3 p p mの C u、 3 0 p p mの S i、 3 3 p p mの F eを含有していた。ろぅ材 4は、 8質量⁰ /₀ の S iを含有する A 1 - S i系ろう材とした。このろう材の融点は 6 2 6 °Cであつた。 A I板 3、 A 1— S i系ろう材 4、絶縁セラミック基板 2、 A 1— S i系ろう材 4、 A 1板 3をこの順序で重ねた状態で、これらに圧力 2 0 0 k P aを加えつつ、真空中で 6 3 0 °Cに加熱し、 1 0分経過後冷却することによりこれらを接合した。

次に、 1 0 0 mm X 1 0 O mm X 3 mmの A 1 S i Cからなる放熱板 1 1と、 S iチップ 1 6を用意し、回路基板 1と放熱板 1 1と S iチップ 1 6をハンダでろう付けしてパワーモジュール 1 0を得た。こうして得られたパワーモジュールを 3 0個用意し実施例 1の試料とした。 <実施例 2〜 1 2および比較例 1〜 6 >

表 1に示すように、絶縁セラミックス基板の材料、ろう材、最終圧延率、 A 1 純度、 Cu量、 S i量、 F e量を種々変化させて、パワーモジュールをそれぞれ 30個作成した。比較例については、比較例 1が Cu量、比較例 2が S i量、比較例 3が F e量、比較例 4が最終圧延率、比較例 5が A 1純度をそれぞれ本発明のねらいとする範囲から外して作成した。また、比較例 6は絶縁セラミックス基板の片面にのみ A 1板を接合した。 . 実施例 1〜 1 2、比較例 1〜 6のそれぞれの A 1板 3の表面を、 2〜 5 %N a OH水溶液でエッチングしてマクロ組織を露出させ、電子顕微鏡（S EM) で結晶粒の組織観察をおこなって画像処理し、平均結晶粒径、標準偏差、最大結晶粒径、および導電層に含まれる最大結晶粒径を有する結晶の面積が絶縁セラミックス基板 2の面積に占める割合を測定した。結晶粒径については、結晶粒の面積（ S ) を測定し、これを円周率（π) で割ったものの平方根から半径を求めて 2倍した (2 X (SZT ))。結果を表 1に併記する。

表 1 -や欠平均結晶粒径標準偏差最大結晶粒径

No. セラミックスろう材 A 1純度 C U S i直 Fem

圧延率 (mm) (mm) (mm) 実施例 1 AIN AI-8wt%Si 30% 99.99% 23ppm 30ppm 33ppm 2.9 0.7 4.0 実施例 2 AIN Ai-8wt%Si 30% 99.98% 80ppm 35ppm 39ppm 1.9 0.7 3.1 実施例 3 AIN AI-8wt%Si 30% 99.98% 80ppm 35ppm 39ppm 2.0 1.0 4.0 実施例 4 アルミナ AI-8wt Si 30% 99.98% 80ppm 35ppm 39ppm 1.8 0.9 3.2 実施例 5 Si₃N₄ AI-8wt%Si 30% 99.98% 80ppm 35ppm 39ppm 2.1 0.8 3.3 実施例 6 Si A AI-4wt%Si 30% 99.98% 80ppm 35ppm 39ppm 2.3 0.9 3.7 実施例 7 AIN AI-8wt Si 15% 99.98% 20ppm 60ppm 40ppm 3.4 1.1 4.6 室施佝 I R QQ QQ0/_N

n A I 1M n 1 OW 001 1 ο/„ し. 11 u. o Q. L O 実施例 9 AIN AI-8wt%Si 15% 99.98% 80ppm 60ppm 20ppm 1.7 0.7 3.1 実施例 10 AIN AI-8wt%Si 15% 99.99% 20ppm 20ppm 20ppm 3.9 1.3 4.8 実施例" AIM AI-12wt%Si 15% 99.99% 20ppm 20ppm 20ppm 4.2 1.4 4.9 実施例 12 AIN AI-45wt%Ge 15% 99.99% 20ppm 20ppm 20ppm 4.1 1.5 4.8 比較例 1 AIN AI-8 t%Si 30% 99.99% 16ppm 32ppm 31ppm 22.9 15.5 84.9 比較例 2 AIN AI-8wt%Si 30% 99.99% 25ppm 12ppm 16ppm 4.3 3.2 14.9 比較例 3 AIN AI-8wt°/oSi 30% 99.99% 23ppm 28ppm 10ppm 3.8 3.2 15.0 比較例 4 AIN AI-8 t%Si 10% 99.99% 23ppm 28ppm 39ppm 3.2 3.5 17.2 比較例 5 AIN AI-8wt%Si 30% 99.95% 350ppm 500ppm 450ppm 21.9 5.5 46.7· 比較例 6 AIN AI-8wt°/oSi 30% 99.99% 23ppm 30ppm 33ppm 2.9 0.7 4.7

く比較試験及び評価〉

実施例 1〜 1 2および比較例 1〜 6のパワーモジュールを、冷熱衝撃試験器にセットし、一 4 0 °C X 3 0分、室温 X 3 0分、 1 2 5 °C X 3 0分、および室温 X 3 0分を 1サイクルとする熱処理を繰り返した。温度サイクルを 1 0 0回繰り返した時点で、回路基板 1と放熱板 1 1との間、および、絶縁セラミック基板 2と A 1板 3との間の剥離の有無を観察し、剥離が確認されない場合には更に温度サイタルを 1 0 0回繰り返した。この工程を繰り返して、剥離が確認されるまでの温度サイクル回数を温度サイクル寿命として測定した。剥離の有無は拡大鏡により確認することにより行った。この結果を表 2に示す。

各回路基板 1において反り量を測定し、 3 0個のうち、 A 1板 3接合後の製造工程中に発生した不具合数を力ゥントした。不具合数とは、回路基板製造工程や、この絶縁回路基板を用いパワーモジュールを製造するアセンブリ工程での不具合を生じたパワーモジュルの個数である。不具合とは、具体的には、反り量が大きいために回路パターン形成用のレジスト印刷工程中に基板固定のための吸着ステージ上でセラミックス基板が割れたり、ヒートシンクはんだ付け中に反りに起因したはんだボイドが発生するなどである。これらの結果を表 2に併記する。

表 2

No. 制製： l生a r甲hの · Γ、具目口 ¾数τ

/又り里 . m ；显度サイクノレ a¾l¾¾S呆

実施例 1 46 0/30 3000サイクル以上良好

実施例 2 32 0/30 3000サイクル以上良好

実施例 3 40 0/30 3000サイクル以上良好

実施例 4 38 0/30 3000サイクル以上良好

実施例 5 39 0/30 3000サイクル以上良好

実施例 6 48 0/30 3000サイクル以上良好

実施例 7 35 0/30 3000サイクル以上良好

実施例 8 33 0/30 3000サイクル以上良好

実施例 9 40 0/30 3000サイクル以上良好

実施例 10 45 0/30 3000サイクル以上良好

実施例 1 1 48 0/30 3000サイクル以上良好

実施例 12 48 0/30 3000サイクル以上良好

比較例 1 305 5/30 絶縁回路基板とヒ-卜シンク間のはんだ 1500サイクルで割れ。

比較例 2 213 3/30 絶縁回路基板とヒ-トシンク間のはんだ 1500サイクルで割れ。

比較例 3 195 3/30 絶縁回路基板とヒ-トシンク間のはんだ 1500サイクルで割れ。

比較例 4 50 3/30 絶縁回路基板とヒ-トシンク間のはんだ 1500サイクルで割れ。

比較例 5 225 4/30 絶縁回路基板の表 A I とセラミックスの界面において 500サイクルで剥がれ。比較例 6 315 4/30 絶縁回路基板とヒ-トシンク間のはんだ 1500サイクルで割れ。

<評価>

表 1に示すように、実施例 1〜 1 2では、 A 1板 3を最終圧下率 1 5 %以上、純度 99. 98質量％以上、 20 111以上の〇11、 20 p p m以上の S i、 2 0 p pm以上の F eが含有されたものとすることにより、平均結晶粒径が 0. 5 mm〜 5 mm, 結晶粒径の標準偏差 σが 2 mm以下となった。実施例 1〜 1 2のパワーモジュールは、いずれも良好な温度サイクル寿命を有していた。

これに対じて、上記条件からはずれた比較例 1〜 6では、平均結晶粒径および標準偏差が本発明範囲を満たさず、温度サイクル寿命が短くなった。

図 5は、実験により得られた平均結晶粒径と温度サイクル寿命との関係を示す。図 5から、平均結晶粒径が 0. 5より小さいと温度サイクル寿命が 31 00回以下と極端に短くなつているのがわかる。また、導電層の平均結晶粒径が 0. 8m m以上 1. 5 mm以下の範囲であると 5000回程度と温度サイクル寿命が非常に長くなつていることがわかる。

図 6は、導電層に含まれる最大結晶粒径を有する結晶の面積が絶縁セラミックス基板の面積に占める割合と反り量との関係を示す。図 6から、最大結晶粒径部分が、基板全体の 1 5 %を超えると 50 mmあたりの基板の反り量が 1 20 μ m 以上に急増することがわかる。

—方、 A 1板内の S i濃度を測定した結果、 A 1板/ A 1 N基板の接合時には、ろう材に含まれる S iが A 1板中へ拡散していることが確認された。図 7は A 1 /A 1 Nの接合界面から A 1板内へ向かう距離 Xと、 S i濃度との関係を示すグラフである。このグラフに示されるように、 S iが拡散する深さは、 A 1 /A 1 Nの接合界面から 0. 1mm程度であった。したがって、 A 1板の表層部（例えば厚さ 0. 1mm程度の範囲）について元素分析を行えば、ろう材からの S i拡散の影響を受けることなく、 A 1板材そのものの組成を測定することができる。よって、 S i : 20〜60 p pm、 F e : 20〜40 p pm、 C u ： 20 ~ 80 p pmといった微量分析も十分に可能である。

図 7に示すように、 A 1板 ZA 1 N基板の接合界面付近では、 0. 1質量％程度の S iが拡散し、八 1純度が99. 90質量％程度までに減少している。このような S i拡散によって、 A 1板の接合界面付近は相対的に髙強度となり、クラックの進展を防止する効果が得られる。 A 1板の残りの部分（表面側の約 3 / 4 の領域）については、高純度 A 1の状態が確保されているため、変形抵抗が小さく、温度サイクル試験時に、 A 1 N基板にかかる応力を低減できる。産業上の利用の可能性

本発明によれば、回路基板の反りを低減できるだけでなく、温度変化に曝された場合にもセラミックス基板に割れ等の不具合が生じることが防止できる。

Claims

請求の範囲

1. 絶縁セラミックス基板の両面に導電層が接合された回路基板であって、前記導電層は、 99. 98質量。/。以上のアルミニウムを含み、その平均結晶粒径は 0.

5 mm以上かつ 5 mm以下であり、結晶粒径の標準偏差 σは 2 mm以下である。

2. 請求項 1記載の回路基板であって、前記導電層は、 Cu、 F e、 S iのそれぞれを 20 p pm以上含有し、かつ圧延されている。

3. 請求項 2記載の回路基板であって、前記導電層は、 1 5%以上の圧下率で圧延されている。

4. 請求項 1記載の回路基板であって、前記導電層に含まれる最大結晶粒径を有する結晶の面積は、前記絶縁セラミックス基板の面積の 1 5%以下である。

5.請求項 1記載の回路基板であって、前記絶縁セラミックス基板は、 A 1₂ O 3、 A 1 N、および S i ₃N₄の少なくとも 1種により形成されている。

6. 請求項 1記載の回路基板であって、前記導電層は前記絶縁セラミックス基板表面にろう材を用いて接合され、前記ろう材は、 A I— S i系， A I— Ge系， A l—Mn系， A 1 _C u系, A 1一 Mg系, A 1— S i— Mg系， A 1— C u 一 Mn系，および A 1一 C u— Mg— Mn系のろう材から選択される 1または 2 以上のろう材である。

7. 請求項 2記載の回路基板であって、前記導電層に含まれる最大結晶粒径を有する結晶の面積は、前記絶縁セラミックス基板の面積の 1 5 %以下であり、前記絶縁セラミックス基板は、 A 1₂〇₃、 A 1 N、および S i ₃N₄の少なくとも 1種により形成されており、前記導電層は前記絶縁セラミックス基板表面にろう材を用いて接合され、前記ろう材は、 A 1— S i系，八 1ー06系， A 1— Mn系， A l— Cu系， A l— Mg系， A l _S i— Mg系， A l—Cu—Mn系，および A 1一 C u— Mg— Mn系のろう材から選択される 1または 2以上のろう材である。

8. 回路基板の製造方法であって、絶縁セラミックス基板上にろう材を介して、 99. 98質量％以上のアルミニウムを含む導電層を配置し、これらを 50 k P a以上かつ 300 k P a以下の力で圧接させつつ、真空中または不活性ガス中で 600 °C以上に加熱することにより前記導電層と前記絶縁セラミックス基板とを前記ろう材で接合し、かつ、前記導電層の平均結晶粒径を 0. 5 mm以上かつ 5 mm以下、，結晶粒径の標準偏差 σを 2 mm以下にする。

9. 請求項 8記載の回路基板の製造方法であって、 99. 98質量％以上のアルミニゥム、及び Cu、 F e、 S iのそれぞれを 20 p pm以上含む板材を熱処理したのち 1 5%以上の圧下率で圧延を行うことにより前記導電層を得る工程をさらにす。

10. 請求項 1記載の回路基板と、この回路基板を支持する放熱板とを有するパヮーモジユーノレ。

1 1. 請求項 1 0のパワーモジュールであって、前記回路基板の前記導電層の少なくとも一部は、前記放熱板に対して、前記ろう材よりも融点の低いろう材により接合されている。