JP2002305274A - Circuit board and module - Google Patents

Circuit board and module

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JP2002305274A
JP2002305274A JP2001106854A JP2001106854A JP2002305274A JP 2002305274 A JP2002305274 A JP 2002305274A JP 2001106854 A JP2001106854 A JP 2001106854A JP 2001106854 A JP2001106854 A JP 2001106854A JP 2002305274 A JP2002305274 A JP 2002305274A
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Yoshihiko Tsujimura
好彦 辻村
Nobuyuki Yoshino
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a reliable circuit board that can reduce soldering cracks and cracks to a ceramics substrate, and to provide a module. SOLUTION: In the circuit board, a circuit 2 is joined to one surface of an aluminum nitride substrate or a silicon nitride substrate, a heat sink 3 is jointed to the other, the circuit and heat sink are made of Al or an Al alloy, hardness in the circuit is set to 250 MPa or lower, the hardness of the heat sink is set to 300 to 460 MPa, and the amount of warpage in the circuit board at 260 deg.C is set to ±100 μm or lower. The circuit board is soldered to a base copper plate 4 for composing a circuit board, having the base copper plate. The circuit boards are used for assembling the module.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[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。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field 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】[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。
2. Description of the Related Art Conventionally, in assembling a power module or the like, a circuit board having a circuit formed on a surface of a ceramic substrate made of alumina, beryllia, silicon nitride, aluminum nitride or the like and a radiator plate formed on a back surface is used. Such a circuit board is characterized by having higher insulating properties than a resin board or a composite board of a resin board and a metal board.

【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。
The advantage that the material of the circuit and the heat sink is made of Al or Al alloy rather than Cu or Cu alloy is that Cu or Cu alloy generates thermal stress due to a difference in thermal expansion between the ceramic substrate and solder. Unavoidable, the long-term reliability is insufficient, whereas Al or Al alloy is
Thermal conductivity and electrical conductivity are slightly inferior to those of Cu or Cu alloy, but are easily plastically deformed even when subjected to thermal stress, so that stress is relieved and reliability is dramatically improved.

【0004】[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。
However, the above-mentioned plastic deformation of Al or an Al alloy (hereinafter, also referred to as "Al etc.") is caused by the magnitude of thermal stress and the amount of Al subjected to thermal stress.
And so on. If the plastic deformation is concentrated on a part of the circuit or the heat radiating plate, the amount of plastic deformation of the solder is exceeded, and a solder crack occurs. In order to avoid this, it is conceivable to use high hardness Al or the like, but the stress relaxation effect is reduced.

【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。
[0005] Therefore, the demand today is the emergence of an extremely advanced technology that achieves the trade-off of suppressing solder cracks while ensuring a sufficient stress relaxation effect on the ceramic substrate. As one example, it has been proposed to use a base plate having a similar thermal expansion coefficient to that of a ceramic substrate, as represented by Al / SiC. However, since this base plate is more expensive than a general base copper plate, it is often used only for special applications, and another technical development has been awaited.

【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。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a highly reliable circuit board and a highly reliable circuit board which exhibit both a stress relaxing effect on a ceramic substrate and a solder crack suppressing effect without using an expensive base plate such as Al / SiC. Is to provide a module that uses.

【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。
An object of the present invention is to pursue Al characteristics suitable for a circuit and a radiator plate from among many Al-based materials, and to manufacture a circuit board having an appropriate hardness difference and a thickness difference between the circuit and the radiator plate. Preferably, this can be achieved by soldering the base copper plate with solder raised to the side surface of the heat sink.

【0008】[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、回路硬度が250MPa以下、放熱板硬度が3
00〜460MPa、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。
That is, the present invention is as follows. (Claim 1) An aluminum nitride substrate or a silicon nitride substrate having a circuit bonded to one surface and a radiator plate bonded to the other surface, wherein the circuit and the radiator plate are made of Al or an Al alloy. Hardness 250MPa or less, heat sink hardness 3
A circuit board wherein the amount of warpage of the circuit board when heated at 00 to 460 MPa and 260 ° C. is ± 100 μm or less. (Claim 2) The circuit board according to claim 1, wherein the heat radiating plate 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 radiating plate. Characterized circuit board with 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】[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。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

【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。
A feature of the present invention is to provide an appropriate hardness difference and thickness difference between a circuit made of Al or the like and a radiator plate to adjust plastic deformation of Al or the like when subjected to a heat history, and to provide a radiator plate and a base. That is, when soldering the copper plate in contact with the copper plate, the solder is raised to the side surface of the heat radiating plate, thereby suppressing both solder cracks and cracks on the ceramic substrate.

【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8−1
56330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。
Conventionally, in order to improve the reliability of a circuit board in which the material of the circuit and the heat sink is made of Al or the like, a plating composition (Japanese Patent Laid-Open No.
-260187), surface modification of Al and the like (Japanese Unexamined Patent Publication No.
260186), particle size regulation of Al etc.
56330), but it was not a sufficient solution.

【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。
The first method implemented by the present invention is the definition of Vickers hardness of Al or the like. The heat sink, which has a large soldering area and the occurrence of solder cracks is a dominant factor for failure, has a slightly higher hardness, and has a Vickers hardness of 300 to 460 MPa.
For circuits where the occurrence of cracks in the ceramic substrate is dominant under the influence of the circuit pattern,
This means that Al or the like having a Vickers hardness of 260 MPa or less was selected.

【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。
[0013] Among Al and the like, those that are soft after joining are easily plastically deformed, so that the thermal stress generated when the circuit board receives a thermal history is relaxed, and the ceramic substrate is less likely to crack. However, if the amount of plastic deformation exceeds that of the solder, the solder is broken, and solder cracks are likely to occur. Conversely, hard Al or the like easily causes cracks on the ceramic substrate, but suppresses solder cracks.

【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。
The heat radiating plate surface of the circuit board for the power module is a soldering surface, and is soldered to the entire surface to be fixed to the base plate. Dominates sex. On the other hand, since the circuit surface is only for attaching an IC chip or a diode, the soldering area is relatively small.
/ 3. Since the thermal stress on the ceramic substrate is concentrated at the end of the circuit pattern, the pattern shape cannot be ignored. So-called "solid pattern" without pattern
Although there is not much problem with the heat radiation surface, on the circuit surface, "horizontal cracks" which occur at the ends along the pattern and propagate into the pattern often dominate the heat radiation.

【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。
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 on the ceramic substrate, and the Vickers hardness of the heat sink is set to 300 to 460 MPa to suppress the generation of solder cracks.

【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1
80〜220MPa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。
If the Vickers hardness of the circuit exceeds 250 MPa, plastic deformation due to thermal stress becomes non-uniform, partial deformation increases, and there is a possibility that plating or peeling of bonding wires may occur. The hardness is preferably as small as possible, but is preferably 1 because it is easily damaged when it is too soft.
80 to 220 MPa. On the other hand, if the Vickers hardness of the heat sink is more than 460 MPa, plastic deformation becomes difficult, and cracks easily occur in both the ceramic substrate and the solder. Further, if the pressure is less than 300 MPa, plastic deformation becomes easy, so that when subjected to repeated heat history, large deformation occurs, and solder cracks are liable to occur. Particularly preferred Vickers hardness of the heat sink is 350 to 430 MPa.
It is.

【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。
The Vickers hardness is a method of reading the hardness by driving a fine indenter under a load, and is widely used as a method of measuring the hardness of metals and ceramics. In the present invention, the measurement is performed under the conditions of a weight of 9.8 N and a holding time of 15 seconds.

【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。
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. Since Al or the like is usually bonded to a ceramic substrate by heating at 500 to 640 ° C. using a bonding material, the microstructure changes due to heat treatment, and the bonding material diffuses to lower the purity of the Al and the like. . Further, heat treatment is also performed after the bonding, whereby the characteristics such as Al change. For these reasons, it is meaningless to strictly define the hardness of Al or the like before joining.

【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。
As a method for adjusting the hardness of Al or the like, there are a method of selecting a material and a method of adjusting the hardness under heat treatment conditions. As for the material, Al and the like after bonding become softer as the purity becomes higher.
What is necessary is just to select the purity. Usually, those commercially available as pure Al have a considerable range of 99.0 to 99.999%, and there is a great difference in hardness. That is, 99.5%
For the following Al, the Vickers hardness after joining is 250 MPa
It is difficult to reduce the content below, and it is difficult to set the content to 300 MPa or more after joining with Al of 99.9% or more. Therefore, in the present invention, it is possible to use an Al alloy for the circuit, but it is preferable to use a high-purity Al material and a relatively low-purity Al or the like for the heat sink. As an example of an Al alloy, Al-Mn starting with 3003 in AA symbol
Alloy or an Al-Mg alloy such as 5052.

【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。
A second technique implemented by the present invention is to provide a thickness difference between the circuit and the heat sink, and to reduce the warpage of the circuit board when heated to 260 ° C. to ± 100 μm or less. The “+” of the warp is a warp in which the circuit surface is concave, and the “−” of the warp is a warp in which the circuit surface is convex. Preferably, the warpage is 0 to +50 μm.

【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。
In the present invention, the thickness of the circuit is not particularly limited, but the thickness generally used is 0.3.
0.50.5 mm. In the present invention, the amount of warpage is usually adjusted by adjusting the thickness of the heat sink in accordance with the thickness and the pattern ratio of the circuit board.

【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。
If there is no thickness difference between the circuit and the heat radiating plate, or if there is an extremely large thickness difference, the generated thermal stress will be biased, causing warpage and undulation, causing solder voids, damage such as solder cracks and the like. In addition, peeling of the bonding wire and plating cannot be sufficiently prevented. When the hardness of the heat sink is greater than the hardness of the circuit board, the thickness of the heat sink is reduced. When the hardness of the heat sink is smaller than the hardness of the circuit board, the thickness of the heat sink is increased.

【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。
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 circuit board for a power module. In particular, an aluminum nitride substrate is desirable.

【0024】本発明の回路基板の製造方法について説明
する。
A method for manufacturing a circuit board according to the present invention will be described.

【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。
In order to form a circuit and a heat radiating plate on a ceramic substrate, there is a method of joining those patterns, etching after joining a plate of Al or the like, or using both of them. In any case, it is necessary to join the ceramic substrate with the circuit and the heat sink. There is a joining method that does not use a joining material like the molten metal method,
In the present invention, the joining is preferably performed using an Al-Cu-Mg-based alloy foil. The joining material is not limited to this,
An Al-Si system, an Al-Ge system, or a system in which Mg is added thereto can also be used.

【0026】接合材の厚みは、種類にもよるが10〜5
0μm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。
The thickness of the joining material depends on the type, but is 10 to 5
0 μm is common. If the thickness is less than 10 μm, joining becomes difficult. If the thickness is more than 50 μm, the alloy component diffuses into Al or the like and hard portions increase, which causes a decrease in reliability when subjected to thermal history. The preferred thickness of the bonding material is 15 to 35 μm. The bonding material may be disposed on either the ceramic substrate side or the Al side.

【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。
In the present invention, a plate, a pattern or both of Al or the like is disposed on both sides of the ceramic substrate via the above-mentioned alloy foil, and is placed in a direction perpendicular to the ceramic substrate by one to one.
It is preferable to apply a pressure of 10 MPa, especially 4 to 8 MPa. Pressing can be performed by placing a weight on the laminate, mechanically sandwiching it with a jig or the like, or the like.

【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。
The bonding temperature between the ceramic substrate, the circuit and the heat sink is 580 to 645 ° C., and the bonding is performed in a nitrogen atmosphere or in a vacuum.

【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。
Next, the joined body is etched as needed. Etching is not particularly necessary when the circuit or heat sink pattern is joined. The etching can be performed by a usual resist and etching process. Further, surface treatment such as plating is also performed as needed.

【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。
The circuit board of the present invention is preferably used by being soldered 5 to a base copper plate 4 as shown in FIG. In this case, it is important to suppress solder cracks between the base copper plate 4 and the heat sink 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 is large at the interface between the heat sink and the solder, and is particularly maximized at the corners of the heat sink.

【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。
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 thickness of the solder at the corner of the heat sink at which the maximum stress occurs is increased. . That is, when the heat radiating plate 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 to the side surface of the heat radiating plate.

【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。
In order to raise the solder to the side of the heat sink, the solder may be slightly wetted on the side of the heat sink before soldering the base copper plate and the circuit board, or the solder may be placed on the circuit board at the time of soldering. It is necessary to devise measures such as placing weights.
Moreover, in order to suppress solder cracks, the thickness of the solder, the height at which it is raised, and the position are important.

【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。
The thickness (T) of the solder is 100 to 300 μm
Preferably, there is. If the thickness of the solder is less than 100 μm, when stress is applied to the solder, the plastic deformation cannot be sufficiently performed, so that the stress cannot be reduced and solder cracks are easily generated. Conversely, if the thickness of the solder is more than 300 μm, plastic deformation can be sufficiently performed. However, since the thermal conductivity of the solder is small, when the thickness is large, the thermal resistance increases and the function as a module is impaired. More preferably, it is 150 to 250 μm.

【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。
The swelling state of the solder on the side of the heat sink is as follows.
In the explanatory view shown in FIG. 2, it can be defined by the skirt length (W) of the solder and the height (H) of the swelling of the solder.

【0035】半田の裾長さ(W)は、200μm〜2m
m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。
The skirt length (W) of the solder is 200 μm to 2 m
m is preferable. If it is less than 200 μm, a sufficient effect cannot be obtained to reduce the stress generated in the solder at the corners of the heat sink. Conversely, if the distance exceeds 2 mm, adjacent circuit boards may interfere with each other, so that a problem may occur during module assembly.

【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。
It is preferable that the height (H) of the raised solder is 50 μm or more. If it is less than 50 μm, a sufficient effect cannot be obtained to reduce the stress generated in the solder at the corners of the heat sink. The thickness is more preferably 100 μm or more, and still more preferably the thickness of the heat sink (until it comes into contact with the ceramic substrate).

【0037】[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。
The present invention will be described more specifically below with reference to examples and comparative examples.

【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/m
K、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。
Examples 1 to 8 Comparative Examples 1 to 5 The aluminum nitride substrate and silicon nitride substrate used were commercially available products, each having a size of 2 inches square and having a thermal conductivity of 175 W / m2 of aluminum nitride by a laser flash method.
K, silicon nitride 72 W / mK, and three-point bending strength are 420 MPa for aluminum nitride and 780 MPa for silicon nitride. As the Al plates, those having respective thicknesses shown in Table 1 were used for the circuit formation and the heat radiation plate.

【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。
An Al plate and a bonding material shown in Table 1 were superimposed on the front and back surfaces of the ceramic substrate, and a carbon plate was screwed and pressed against the substrate using a jig, and pressure was uniformly applied vertically to the ceramic substrate. The bonding was performed while applying pressure at a temperature of 550 to 635 ° C. in a vacuum or nitrogen atmosphere.

【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。
After joining, the etching resist was screen printed and etched with a FeCl 3 solution. The pattern of the circuit surface and the heat radiating surface was square (corner R was 2 mm) and formed at the center of the ceramic substrate (creeping distance 1 mm). Next, after the resist was peeled off, electroless Ni-P plating was performed at 5 μm to form a circuit board, and the following physical properties were measured.

【0041】(1)回路基板の反り量:回路基板の26
0℃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。
(1) The amount of warpage of the circuit board: 26 of the circuit board
The amount of warpage during heating at 0 ° C. was measured on a hot plate heated to 260 ° C. with the circuit surface of the circuit board facing up, left for 5 minutes, and measured with a laser displacement meter. In the measurement of the amount of warpage, the case where the circuit surface is concave is defined as (+ side), and the case where the circuit surface is convex is defined as (− side).

【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。
(2) Vickers hardness of circuit and heat sink: A cross section of the circuit board was cut out, and Vickers hardness was measured at the center of each of the circuit and the heat sink in the thickness direction.

【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。
Thereafter, a 13 mm square Si chip was soldered to the center of the circuit board. The solder used was a Sn-Pb (Sn / Pb = 10/90) 100 μm thick solder.

【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−P
b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300
μm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。
Further, the circuit board on which the chip was soldered was heated on a hot plate at 260 ° C., and solder (Sn / Pb = 50/50) was pressed against the side surface of the heat sink to confirm that the solder was wet. Thereafter, the solder was once wiped off. When soldering the circuit board with the chip to the base copper plate, the base copper plate was previously masked to the same size as the ceramic substrate with a heat-resistant tape in order to set the foot length (W) of the solder to 1 mm. Was used. Solder is Sn-P
b (Sn / Pb = 50/50), and the thickness (T) of the solder is set to 100 to 300 μm.
μm was used. Further, a carbon jig for positioning the circuit board was used in order to make the skirt length (W) of the solder uniform. Furthermore, the thickness (T) of the solder is made uniform,
In order to make the solder height (H) 50 μm or more,
A weight was placed on the center of the circuit board.

【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。
In the measurement of the thickness (T) of the solder on the base copper plate, the hem length (W) of the solder, and the height (H) of the solder swelling, the four corners of the circuit board soldered to the base copper plate were used. The cross section was observed (SEM observation) and measured.

【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、−4
0℃×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。
A heat cycle test was performed on the circuit board soldered to the base copper plate. Heat cycle test is -4
1000 cycles were performed with one cycle of 0 ° C. × 30 minutes → room temperature × 10 minutes → 125 ° C. × 30 minutes → room temperature × 10 minutes. After the heat cycle test, the appearance of the substrate was checked for damage such as solder cracks and pattern peeling, and the progress of the solder cracks (L) shown in FIG. 3 was examined by an ultrasonic inspection image (SAT). Regarding the solder crack under the chip, a solder crack exceeding 1 mm could be detected as "defective". Further, as for the solder cracks on the base copper plate, those in which a solder crack exceeding 3 mm was detected were regarded as "defective". Thereafter, 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. Table 1 shows the results.

【0047】[0047]

【表1】 [Table 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。
As is clear from Table 1, in each of the examples of the present invention, even after 1000 cycles of the heat cycle test, the occurrence of solder cracks and cracks in the ceramic substrate was extremely small. On the other hand, in the comparative example,
Since the Vickers hardness was out of the range of the present invention, many cracks occurred after the heat cycle, which was insufficient for a highly reliable circuit board.

【0049】[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。
According to the present invention, it is possible to provide a highly reliable circuit board and a module using the same, which can significantly reduce the occurrence of solder cracks and cracks in the ceramic substrate.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明のベース銅板付き回路基板の概略断面
図。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a circuit board with a base copper plate of the present invention.

【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。
FIG. 2 is an explanatory diagram for measuring a thickness (T) of a solder, a skirt length (W) of a solder, and a height (H) of a swelling of the solder.

【図3】半田クラック長さ(L)を測定するための説明
図。
FIG. 3 is an explanatory diagram for measuring a solder crack length (L).

【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[Description of Signs] 1 Ceramic substrate 2 Circuit 3 Heat sink 4 Base copper plate 5 Solder

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5E338 AA01 AA18 BB71 CC01 CD11 EE02 EE28 5F036 AA01 BA23 BB21 BC06 BD03 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 5E338 AA01 AA18 BB71 CC01 CD11 EE02 EE28 5F036 AA01 BA23 BB21 BC06 BD03

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【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、回路硬度が250MPa以下、放熱板硬度が
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。
1. A circuit in which a circuit is bonded to one surface of an aluminum nitride substrate or a silicon nitride substrate and a radiator plate is bonded to the other surface, wherein the circuit and the radiator plate are made of Al or an Al alloy. A circuit board having a hardness of 250 MPa or less, a heat sink hardness of 300 to 460 MPa, and an amount of warpage of the circuit board of ± 100 μm or less when heated at 260 ° C.
【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。
2. The circuit board according to claim 1, wherein the heat radiating plate and the base copper plate are brought into contact with each other and soldered to the base copper plate, and the solder is raised up to the side surface of the heat radiating plate. Characterized circuit board with copper base plate.
【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。
3. The circuit board according to claim 1, or claim 2.
A module assembled using the circuit board with a base copper plate as described.
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