JP2005116843A - Metallic plate circuit and ceramic circuit board - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、セラミックス回路基板、特にパワー半導体モジュールに使用される導電性回路板となる回路用金属板、この回路用金属板をろう付けにより接合したセラミックス回路基板に関するものである。 The present invention relates to a ceramic circuit board, in particular, a circuit metal plate to be a conductive circuit board used for a power semiconductor module, and a ceramic circuit board in which the circuit metal plate is joined by brazing.
パワー半導体モジュールに使用される基板としては、窒化アルミニウムや窒化珪素からなる絶縁性セラミックス基板の一方の面(主面)に回路となる導電性金属板を接合し、他方の面にも放熱用の金属板を接合したセラミックス回路基板が広く用いられている。この金属板としては、銅板またはアルミニウム板等が使用されている。そして、回路となる導電性金属板の上面には、半導体チップ等が接続される。また、セラミックス基板と金属板との接合はろう材による活性金属法が広く採用されている。 As a substrate used for a power semiconductor module, a conductive metal plate to be a circuit is joined to one surface (main surface) of an insulating ceramic substrate made of aluminum nitride or silicon nitride, and the other surface is also used for heat dissipation. Ceramic circuit boards joined with metal plates are widely used. As this metal plate, a copper plate or an aluminum plate is used. And a semiconductor chip etc. are connected to the upper surface of the conductive metal plate used as a circuit. In addition, an active metal method using a brazing material is widely used for joining the ceramic substrate and the metal plate.
近年、電動車両用インバータとして高電圧、大電流動作が可能なパワー半導体モジュール(IGBT、MOS FET等)が用いられている。このような大電力モジュールにおいては、回路となる銅板等の金属板に接続されている半導体チップから発生する熱量も増大する。その結果、セラミックス回路基板に繰り返して発生する熱応力も増大している。この熱応力に耐えられなくなると、セラミックス基板には、反りや割れ等の不具合が発生することになる。窒化アルミニウムまたは窒化珪素製のセラミックス基板は、電気絶縁性および熱伝導性は優れているが、上記のように、セラミックス回路基板に繰り返して負荷される熱衝撃に一層対応できる信頼性の高いセラミックス回路基板の開発が要求されている。 In recent years, power semiconductor modules (IGBT, MOS FET, etc.) capable of high voltage and large current operation are used as inverters for electric vehicles. In such a high power module, the amount of heat generated from a semiconductor chip connected to a metal plate such as a copper plate serving as a circuit also increases. As a result, the thermal stress repeatedly generated on the ceramic circuit board is also increased. If it becomes impossible to withstand this thermal stress, problems such as warping and cracking will occur in the ceramic substrate. A ceramic substrate made of aluminum nitride or silicon nitride has excellent electrical insulation and thermal conductivity, but as described above, a highly reliable ceramic circuit that can further cope with thermal shocks repeatedly applied to the ceramic circuit substrate. Substrate development is required.
従来から、上記のような繰り返しの熱衝撃に対応できるセラミックス回路基板については、種々の改良技術が提案されている。例えば、下記の特許文献が提案されている。 Conventionally, various improved techniques have been proposed for ceramic circuit boards that can cope with the repeated thermal shock as described above. For example, the following patent documents have been proposed.
上記特許文献1には、アルミナまたは窒化アルミニウムのセラミックス部材と銅または銅合金の金属部材との接合体から構成される電子部品搭載用絶縁基板において、熱衝撃による割れを抑えるために、セラミックス部材面上に少なくとも0.25mm以上の幅で金属部材の周囲を包囲するフィレット(ろう材の露出部材)が、焼成ペーストによって形成された接合体が記載されている。
上記特許文献2には、割れや破壊を招くことがなく、大きくたわむことが可能なセラミックス回路基板の提供を目的として、セラミックス基板の少なくとも主面にろう材層を介して金属板を接合し、金属板をエッチング処理することにより所定の金属回路パターンを形成したセラミックス回路基板において、ろう材層が金属回路パターンの側面よりも外方に張り出すように形成されているセラミックス回路基板が記載されている。さらに特許文献2には、金属回路パターンの側面は、エッチング処理によって滑らかな曲面状の傾斜面を形成することにより、接合端部に作用する集中応力を緩和させることが記載されている。
In
上記特許文献3には、耐熱衝撃性に優れたセラミックス/金属接合体の提供を目的として、金属板の端部において、端面が金属板の辺縁へ行くにしたがってセラミックス基板側へ近づくように傾斜させ、かつ金属板に垂直な平面で切断した端面の形状がセラミックス基板側に凸であるセラミックス/金属接合体が記載されている。
In
上記特許文献4には、製造の容易性、回路基板表面の凹凸の改善を目的として、打抜加工により隣り合う回路導体が細いブリッジで連結された打抜回路パターンを形成し、この打抜回路パターンとプリプレグシートを積層し、これをホットプレス加圧して、絶縁基板面に打抜回路パターンを埋め込んだ後、上記ブリッジを切断する大電流回路基板の製造方法が記載されている。
In
上記特許文献5には、高い寸法精度でかつ低コストで製造することができる半導体装置用絶縁基板の製造方法の提供を目的として、回路パターンの各部に相当する平面形状を有し、比較的厚く形成された複数の本体部分と、この複数の本体部分を相互に接続し、かつ比較的薄く形成された接続部分とが一体化された金属パターン板を絶縁膜上にこの金属パターン板を固定した後、上記薄く形成された接続部分を除去する絶縁基板の製造方法が記載されている。また、この接続部分の除去は、エッチングまたは機械的な切断により除去することが記載されている。
In
上記特許文献6には、機械的な加工により回路パターンを形成することにより小規模な加工設備での製造を可能とすると共に、回路変更や少量製造への対応を容易にした回路基板の製造方法の提供を目的として、導体板を溝状に穿つ分割帯により所望の回路を形成する複数の配線路に離隔することによって回路パターンを形成し、この導体板をベース材に接合する回路基板の製造方法が記載されている。さらに同特許文献6には、分割帯は穿孔による開口部の連結によって形成され、この分割帯の形成を任意位置で中断して、離隔する配線路の間を部分的につなぐ橋絡部を形成し、導体板をベース板に接合した後に橋絡部を除去することが記載されている。 Patent Document 6 discloses a circuit board manufacturing method that enables manufacturing with a small-scale processing facility by forming a circuit pattern by mechanical processing, and that facilitates circuit changes and small-scale manufacturing. For the purpose of providing a circuit board, a circuit pattern is formed by separating a plurality of wiring paths that form a desired circuit by dividing a conductor plate into a groove shape, and the circuit board is manufactured by joining the conductor plate to a base material. A method is described. Further, in Patent Document 6, the dividing band is formed by connecting openings by perforation, and the formation of the dividing band is interrupted at an arbitrary position to form a bridging portion that partially connects the separated wiring paths. In addition, it is described that the bridging portion is removed after the conductor plate is joined to the base plate.
上記特許文献7には、絶縁基板上に残るエッチング残渣を簡単に除去することができ、金属製の冷却フィン等を強固に固定することができるように接合体全体の反りを制御することができる回路基板の提供を目的として、金属板にプレス加工を行って回路パターンを形成するときに、回路間を連結するブリッジも形成し、絶縁基板上にこの金属板を接合した後に、このブリッジをパンチまたはニッパー等を用いて切断することが記載されている。
In
上記特許文献1、および特許文献2に記載の発明は、セラミックス基板に回路用金属板をろう材を介して接続したときに、この回路用金属板の側面(端面)から所定の長さほどろう材のはみ出し部を設けることにより、セラミックス基板と回路用金属板の端面との接合面における熱応力の集中を緩和させ、さらに、特許文献2に記載の発明においては、回路用金属板の端面を滑らかな曲面状に傾斜させることにより、熱応力の集中をより緩和させようとするものである。
In the inventions described in
しかし、パワー半導体モジュールに使用されるセラミックス回路基板においては、熱伝導性および熱衝撃に対する強度の改善の他に、製造工程を単純化して製造コストを低減することが強く要求されている。このためには、セラミックス基板に接合する回路用金属板のパターン作成において、手間のかかるエッチング工程を極力無くすることができる回路用金属板の形状、およびその製造方法が重要になる。特許文献1および特許文献2には、このような製造工程を単純化した回路用金属板の製造方法、形状については記載されていない。
However, ceramic circuit boards used in power semiconductor modules are strongly required to simplify manufacturing processes and reduce manufacturing costs, in addition to improving thermal conductivity and strength against thermal shock. For this purpose, in forming a pattern of a circuit metal plate to be bonded to a ceramic substrate, the shape of the circuit metal plate that can eliminate the time-consuming etching process as much as possible and the manufacturing method thereof are important.
特許文献2、および特許文献3には、回路用金属板の側面にエッチング処理により傾斜面を形成し、この傾斜面により、セラミックス基板と回路用金属板の端面における応力集中を防止させることが記載されている。しかし、エッチング処理により回路用金属板の側面に傾斜面を形成すると、セラミックス基板との接合境界線となるこの傾斜面下端部においては、直線性は低下し、微細な凹凸が生じる。近年のセラミックス回路基板においては、集積密度の向上も要求され、複数の回路用金属板間の間隔は、1.5mm以下に設定することが要求されている。このような微小な間隔、および上記の傾斜面をエッチング処理により形成すると、上記のような凹凸の発生により直線性が低下し、使用時に電流の短絡が発生する危険性も生じる。さらに、高価なフォトレジスト装置も必要になり、製造工程の複雑化と高コスト化を招くことになる。
特許文献4〜特許文献7に記載の発明は、架橋部で接続された複数の回路用金属板を打ち抜き加工で製作して、この回路用金属板をセラミックス等の基板に接合した後、架橋部をエッチング処理あるいはニッパー等の工具を用いて切断するものである。しかし、これらの特許文献においては、回路用金属板の端面部に傾斜面を形成して熱応力を緩和することについては記載されていない。
また、特許文献7ではサンドブラストを使用し、ろう材層を効率よく除去する方法が示されているが、この場合ろう材のはみ出し部を形成することが出来ない。
The inventions described in
本発明の目的は、従来のセラミックス回路基板の耐熱応力性を改善すると共に、回路用金属板を構成する複数の金属板間において、電流の短絡を防止でき、さらに、製造工程を単純化して製造コストを一層低減することができる、回路用金属板、およびこの回路用金属板を用いたセラミックス回路基板を提供することにある。 The object of the present invention is to improve the thermal stress resistance of a conventional ceramic circuit board, to prevent a short circuit of current between a plurality of metal plates constituting a circuit metal plate, and to simplify the manufacturing process for manufacturing. An object of the present invention is to provide a circuit metal plate and a ceramic circuit board using the circuit metal plate, which can further reduce the cost.
本発明は、セラミックス基板に接合される底面と回路面となる上面とを備え機械的加工手段により形成された厚さTの回路用金属板であって、この回路用金属板は、厚さTより小さい厚さtの幅狭な架橋部を介して一体化されていると共に、回路用金属板の側面には、底面から立設する垂直壁面と、この垂直壁面の上端から上面方向に上り傾斜となる傾斜壁面を備えている回路用金属板である。
さらに、本発明の回路用金属板は、これら垂直壁面と傾斜壁面との間に、底面に平行な平坦面を備えている金属板である。また、本発明の回路用金属板は、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金の一種の材質からなり、特に、銅を用いる場合には、銅純度が高い無酸素銅を使用することが望ましい。
The present invention is a circuit metal plate having a thickness T, which is formed by mechanical processing means and includes a bottom surface bonded to a ceramic substrate and an upper surface serving as a circuit surface. It is integrated through a narrow bridging portion with a smaller thickness t, and on the side surface of the circuit metal plate, there is a vertical wall surface standing from the bottom surface, and an upward slope from the upper end of the vertical wall surface toward the upper surface direction. It is the metal plate for circuits provided with the inclined wall surface which becomes.
Furthermore, the metal plate for a circuit of the present invention is a metal plate having a flat surface parallel to the bottom surface between the vertical wall surface and the inclined wall surface. The metal plate for circuit of the present invention is made of a kind of material such as copper, copper alloy, aluminum, and aluminum alloy. In particular, when copper is used, it is desirable to use oxygen-free copper having high copper purity.
さらに、本発明の回路用金属板は、この回路用金属板に形成した架橋部の全体積は、回路面を含む全回路用金属板の全体積の0.1〜2%になるように構成されている回路用金属板であり、さらに、(回路用金属板の厚さT)−(架橋部の厚さt)が0.1mm以上になるように構成されている回路用金属板である。 Furthermore, the circuit metal plate of the present invention is configured such that the total volume of the bridging portion formed on the circuit metal plate is 0.1 to 2% of the total volume of the entire circuit metal plate including the circuit surface. In addition, the circuit metal plate is configured such that (thickness T of the circuit metal plate) − (thickness t of the bridging portion) is equal to or greater than 0.1 mm. .
また、本発明の回路用金属板は、セラミックス基板と接合するときに、これらセラミックス基板と回路用金属板との位置合せを行うための位置合せ手段を備えている回路用金属板であり、この位置合せ手段としては、回路用金属板の側面からにこの回路用金属板の外側方向に突出する位置合せ突出部から構成される手段、あるいは架橋部に形成された孔部から構成される手段、あるいは、これら位置合せ突出部から構成される手段と、架橋部に形成された孔部とから構成される手段の双方を備えている回路用金属板である。 The circuit metal plate of the present invention is a circuit metal plate provided with alignment means for aligning the ceramic substrate and the circuit metal plate when bonded to the ceramic substrate. As the alignment means, a means constituted by an alignment protrusion protruding from the side surface of the circuit metal plate in the outward direction of the circuit metal plate, or a means constituted by a hole formed in the bridging portion, Or it is a metal plate for circuits provided with both the means comprised from these alignment protrusion parts, and the means comprised from the hole formed in the bridge | bridging part.
さらに、本発明は、上記構成の回路用金属板が、セラミックス基板にろう材層を介して接合されたセラミックス回路基板であって、セラミックス基板にこの回路用金属板を接合した後に、架橋部と位置合せ突出部が除去された構成であるセラミックス回路基板である。また、本発明のセラミックス回路基板においては、これら架橋部と位置合せ突出部の除去跡に回路用金属板の傾斜壁面に沿った傾斜壁面あるいは傾斜壁面以外の残存面が形成されているセラミックス回路基板である。 Furthermore, the present invention is a ceramic circuit board in which the circuit metal plate having the above-described structure is bonded to the ceramic substrate via a brazing material layer, and after the circuit metal plate is bonded to the ceramic substrate, It is the ceramic circuit board which is the structure from which the alignment protrusion part was removed. Further, in the ceramic circuit board of the present invention, a ceramic circuit board in which an inclined wall surface along the inclined wall surface of the circuit metal plate or a remaining surface other than the inclined wall surface is formed on the removal trace of the bridge portion and the alignment protrusion portion. It is.
なお、本発明のセラミックス回路基板を構成するセラミックス基板は、窒化珪素、窒化アルミニウム等、高熱伝導特性を有するセラミックス材を使用する。 The ceramic substrate constituting the ceramic circuit board of the present invention uses a ceramic material having high thermal conductivity such as silicon nitride and aluminum nitride.
本発明の回路用金属板は、その側面に垂直壁面と傾斜壁面を形成した構造、あるいは垂直壁面と傾斜壁面との間に平坦面を形成した構造とした。このような構造とすることにより、セラミックス基板に生じる熱応力を分散させることができる。例えば、図4(d)に示す垂直壁面と平坦面と傾斜壁面を備えた例について、端部近傍のセラミックス基板に生じる応力をシミュレーションした。即ち、平坦部の長さrを0.3mm、垂直部の厚みtを変化させ、垂直壁面と傾斜壁面もない単なる矩形の端部を100としたときの応力低減についてみた。その結果、tを0.3mmとしたとき98.6%、tを0.1mmとしたとき88.5%の熱応力であった。以上により応力低減効果を確認することが出来た。 The circuit metal plate of the present invention has a structure in which a vertical wall surface and an inclined wall surface are formed on the side surface, or a structure in which a flat surface is formed between the vertical wall surface and the inclined wall surface. By setting it as such a structure, the thermal stress which arises in a ceramic substrate can be disperse | distributed. For example, the stress generated in the ceramic substrate in the vicinity of the end portion was simulated for the example including the vertical wall surface, the flat surface, and the inclined wall surface shown in FIG. That is, the stress reduction was observed when the length r of the flat portion was 0.3 mm, the thickness t of the vertical portion was changed, and a simple rectangular end portion having no vertical wall surface and inclined wall surface was defined as 100. As a result, the thermal stress was 98.6% when t was 0.3 mm, and 88.5% when t was 0.1 mm. The stress reduction effect was able to be confirmed by the above.
次に、本発明の回路用金属板において、(金属板の厚さT)−(架橋部の厚さt)を0.1mm以上に限定する理由は次の通りである。(T−t)は言わば架橋部の下に形成された隙間である。セラミックス基板と金属板をろう付けにより接合する時、セラミックス基板と金属板の間からろう材がしみ出る。このしみ出たろう材が架橋部の下面に接触した場合、そのまま下面をつたわって広がり架橋部の下面にはしみ出たろう材の溜まり部が形成される。このようなろう材の溜まり部は0.1mm以上になることがある。そうすると隙間が0.1mm以下の場合、ろう材の溜まりはセラミックス基板上に接触してしまい、結果的に隣りの金属板に接触して短絡が発生する原因となる。このため、0.1mm以上の隙間を確保しておくことにより架橋部下面にろう材が伝わったとしてもろう材の溜まりはセラミックス基板に接触することがなく短絡を未然に防止することが出来る。 Next, in the metal plate for a circuit of the present invention, the reason why (metal plate thickness T) − (crosslinked portion thickness t) is limited to 0.1 mm or more is as follows. (Tt) is a gap formed under the bridge portion. When the ceramic substrate and the metal plate are joined by brazing, the brazing material oozes out between the ceramic substrate and the metal plate. When the exuded brazing material comes into contact with the lower surface of the bridging portion, it spreads over the lower surface as it is, and a pool portion of the exuding brazing material is formed on the lower surface of the bridging portion. Such a brazing material reservoir may be 0.1 mm or more. Then, when the gap is 0.1 mm or less, the brazing material pool comes into contact with the ceramic substrate, resulting in contact with the adjacent metal plate and causing a short circuit. For this reason, by securing a gap of 0.1 mm or more, even if the brazing material is transmitted to the lower surface of the bridging portion, the brazing material does not contact the ceramic substrate and can prevent a short circuit.
さらに、複数の架橋部の全体積は、回路となる複数の金属板の全体積の0.1〜2%に限定した理由は下記の通りである。すなわち、本発明に使用する回路用金属板の厚さは、0.2mm〜1.0mmの銅または銅合金製の薄板を使用する。このため、架橋部の全体積が回路となる金属板の全体積の0.1%未満では、架橋部の剛性が低下する。その為、セラミックス基板にこの金属板を接合するときの熱処理の際に架橋部に歪が発生し、架橋部で接続された複数の金属板の配線間隔を維持することができず、短絡あるいは寸法不良が発生する危険性が生じるからである。この短絡あるいは寸法不良の発生を防止しようとすると、接合時にこの金属板の位置決め手段を設ける必要が生じる。
また、2%より大きくなると、上記の(金属板の厚さT)−(架橋部の厚さt)を0.1mm以上確保することができず、しみ出たろう材が架橋部の下面に接触して広がり、金属板間の短絡発生の原因になると共に、厚い分架橋部を除去するための作業工数が増大するからである。
Furthermore, the reason why the total volume of the plurality of bridging portions is limited to 0.1 to 2% of the total volume of the plurality of metal plates to be a circuit is as follows. That is, the thickness of the metal plate for a circuit used in the present invention is a thin plate made of copper or copper alloy having a thickness of 0.2 mm to 1.0 mm. For this reason, if the total volume of the bridging portion is less than 0.1% of the total volume of the metal plate serving as a circuit, the rigidity of the bridging portion decreases. For this reason, distortion occurs in the bridging portion during the heat treatment when joining the metal plate to the ceramic substrate, and the wiring interval of the plurality of metal plates connected at the bridging portion cannot be maintained, resulting in a short circuit or dimension. This is because there is a risk that defects will occur. In order to prevent the occurrence of this short circuit or dimension failure, it is necessary to provide positioning means for the metal plate at the time of joining.
On the other hand, if it exceeds 2%, the above (metal plate thickness T)-(crosslinked portion thickness t) cannot be secured to 0.1 mm or more, and the exuded brazing material contacts the lower surface of the crosslinked portion. This is because it spreads and causes a short circuit between the metal plates, and increases the man-hours for removing the thick bridge portion.
本発明は、次の効果を有している。
(1)本発明の回路用金属板は、プレス加工等による機械的加工手段により製造するので、従来のエッチングを用いた方法と比較して、製作コストおよび製造工数を著しく低減することができる。さらに、回路基板の側面に形成する垂直壁面は、プレスによる塑性圧縮あるいはプレス切断により成形するので、側面の直線性が極めて向上する。これにより、回路用金属板間の配線間隔が確保できるので、回路間で短絡が発生しないセラミックス回路基板を提供することができる。
The present invention has the following effects.
(1) Since the circuit metal plate of the present invention is manufactured by mechanical processing means such as press processing, the manufacturing cost and the number of manufacturing steps can be significantly reduced as compared with the conventional method using etching. Furthermore, since the vertical wall surface formed on the side surface of the circuit board is formed by plastic compression or press cutting using a press, the linearity of the side surface is greatly improved. Thereby, since the wiring space | interval between the metal plates for circuits can be ensured, the ceramic circuit board which does not produce a short circuit between circuits can be provided.
(2)回路用金属板の側面に形成された垂直壁面と傾斜壁面は、セラミックス基板に生じる熱応力を分散させる作用を行うので、本発明のセラミックス回路基板をパワー半導体モジュールとして使用しても、繰り返しの熱応力によるわれの発生を防止することが可能になる。 (2) Since the vertical wall surface and the inclined wall surface formed on the side surface of the circuit metal plate perform the action of dispersing the thermal stress generated in the ceramic substrate, even if the ceramic circuit substrate of the present invention is used as a power semiconductor module, It is possible to prevent the occurrence of cracks due to repeated thermal stress.
以下、本発明を実施するための形態を図面に基いて説明する。図1〜図3は、本発明の回路用金属板について第1の実施形態を示す図であり、それぞれ平面図、A−A線縦断面図、B−B線縦断面を示す。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. 1-3 is a figure which shows 1st Embodiment about the metal plate for circuits of this invention, and each shows a top view, an AA longitudinal cross-sectional view, and a BB longitudinal cross-section.
図1〜図3において、本発明の回路用金属板1は、厚さTが0.2〜1.0mmの導電性金属、例えば、無酸素銅(C1020)からなる薄板2(図4(a)に示す)からプレス加工等の機械的加工手段により形成され、3個の金属板3、4、5が複数個の幅狭な架橋部6a、6b、6c、6dを介して接続された構成からなっている。すなわち、3個の金属板3、4、5間は、架橋部6a、6b、6c、6dを除いた部分は打ち抜かれて直線状の隙間7が形成されている。この隙間7は間隔Kを有し、回路面となる各金属板3、4、5間の配線間隔(以下、配線間隔Kという)になる。配線間隔Kは、製品仕様により異なるが、各金属板3、4、5を高密度で配置する必要がある場合には、1.2〜1.5mmにする必要がある。回路用金属板1の材質としては、上記無酸素銅の他に、銅合金、あるいはアルミニウムまたはアルミニウム合金を用いることができるが、上記の無酸素銅を用いることが好ましい。この理由は、セラミックス基板に回路用金属板1をろう材により接合するとき、回路用金属板1に含まれる酸素によりろう材が酸化されることがないので、セラミックス基板9(図5に示す)に回路用金属板1を強固にろう付けすることができるからである。
1 to 3, a
図2に示すように、架橋部6a(6b、6c、6d)の厚さtは、金属板3、4、5から構成される回路用金属板1の厚さTの1/4〜1/2程度、その長さLは、各金属板3、4、5の間の配線間隔Kと同一であり、例えば1.2〜1.5mmにする必要がある。架橋部6a(6b、6c、6d)の幅W(長さLと直交する方向の長さ)は、板厚Tを考慮して適度な強度を保持させるために1.5〜3mmにするとよい。また、隣接する金属板3、4、5間を接続する架橋部の個数は、回路用金属板1の厚さT、およびこれら3個の金属板3、4、5の形状を考慮して1個または複数個設けるようにする。なお、上記金属板3、4、5等の個数および形状は、セラミックス回路基板の設計仕様に基づいて決定されるものである。ただし、各架橋部の配置については各金属板のコーナー部は避けることが望ましい。これはコーナー部が最大応力発生の部位であるからである。
As shown in FIG. 2, the thickness t of the bridging
3分割状に形成された金属板3、4、5の上面3a、4a、5aは、回路面となって半導体チップ等が接続され、底面3b、4b、5bはセラミックス基板9(図5に示す)とのろう付けの接合面になる。各金属板3、4、5の側面には、底面3b、4b、5bから立設する垂直壁面3c、4c、5cが形成され、さらに、この垂直壁面3c、4c、5cの上端から上面3a、4a、5a方向に向かって上り傾斜となる傾斜壁面3d、4d、5dが形成されている。垂直壁面3c、4c、5cは、各底面3b、4b、5bから垂直または略垂直方向に立ち上がるように形成されている。一方、傾斜壁面3d、4d、5dは、各底面3b、4b、5bの垂直方向となす傾斜角度αが5°〜45°になるように設定されている。なお、上記の上り傾斜とは、上面3a、4a、5aの各面積が、底面3b、4b、5bの各面積より小さくなるように傾斜していることを意味する。なお、垂直壁面3c、4c、5cおよび傾斜壁面3d、4d、5dは、架橋部6a、6b、6c、6dとの接続部を除いた金属板3、4、5の全側面に形成されている。垂直壁面3c、4c、5cの高さT1は、回路用金属板1の厚さをTとしたとき、0.1T〜0.3Tにするとよい。本発明においては、回路用金属板1がセラミックス基板9にろう付けされた後に、架橋部6a、6b、6c、6dは除去される。
The
さらに、本発明の回路用金属板1は、図1に示すように、ほぼ長方形状である回路用金属板1の外側面に、位置合せ用突出部8a、8bが形成されている。この位置合せ用突出部8a、8bは、セラミックス基板9に回路用金属板1をろう付けするときその位置合せの作用を行うものであり、回路用金属板1の側面から外側方向に距離D1あるいはD2の突出長さが設けられている。これら位置合せ用突出部を形成する位置は、図1に示す例では、略長方形状の回路用金属板1の隣り合う外側面にそれぞれ1個形成した例を示しているが、セラミックス基板9に回路用金属板1をろう付けするための装置(冶具)の仕様等に基づいて、回路用金属板1の任意の外側面に1個または複数個の位置合せ用突出部を形成するとよい。なお、セラミックス基板9に回路用金属板1をろう付けした後は、これら位置合せ用突出部8a、8bは除去される。
Furthermore, as shown in FIG. 1, the
本発明において、機械的加工手段とは、プレス装置による打ち抜き加工、塑性圧縮加工等を示す。これらの加工手段を用いて、図4(a)に示す無酸素銅からなる金属薄板2から回路用金属板1の製作は、次の手順により製造することができる。
In the present invention, the mechanical processing means indicates punching by a press device, plastic compression processing, or the like. Using these processing means, the
図2に示す回路用金属板1の上面部、底面部および側面部の形状を備えた金型を数種準備し、プレス装置を利用して、例えば、次のような処理手順により製造する。
(手順1)
図4(a)に示す長方形状の金属薄板2から、図4(b)に示すように、打ち抜きによりその外側面に突出部8c、8dを形成すると共に、配線間隔Kをプレス切断により成形し、3個の金属板3、4、5が架橋部6a、6b、6c、6dにより接続された回路用金属板1の原形を製作する。続いて、突出部8c、8dと、架橋部6a、6b、6c、6dを塑性圧縮加工により厚さがtになるように圧縮した後、突出部8c、8dが所定の突出長さになるように、架橋部6a、6b、6c、6dの幅Wが所定の値になるように加工する。
Several types of molds having the shapes of the upper surface portion, the bottom surface portion, and the side surface portion of the metal plate for
(step 1)
From the rectangular
(手順2)
金属板3、4、5の側面に塑性圧縮加工を施して、図4(c)、(d)に示すように、金属板3、4、5の側面部に傾斜壁面3d、4d、5dを形成する。これと同時に、塑性変形を利用して金属板3、4、5の底面3b、4b、5bの端部には平坦部3e、4e、5eと、垂直壁面3f、4f、5fを備えた突出部3g、4g、5gを形成する。平坦部3e、4e、5eの長さ(突出部3g、4g、5gの突出長さ)rは、0.2mm〜0.4mm程度でよい。なお、平坦部3e、4e、5eは、各底面3b、4b、5bと平行あるいはほぼ平行になるように形成する。
(Procedure 2)
The side surfaces of the
(手順3)
突出部3g、4g、5gをプレス切断し、図4(e)に示すように、垂直壁面3c、4c、5cを形成する。このようにプレス切断により垂直壁面3c、4c、5cを形成することにより、各金属板3、4、5の側面は極めて精度が高い直線状になるので、寸法精度が高い配線間隔Kを確保することが可能になる。
(Procedure 3)
The
(手順4)
位置合せ用突出部8c、8dの突出長さがD1、D2になるように切断する。これにより、図2に示すように、金属板3、4、5の半導体チップとの接合面3a、4a、5aが同一平面状となると共に、架橋部6a、6b、6c、6dを除いて、各金属板3、4、5の側面に垂直壁面3c、4c、5cと、傾斜壁面3d、4d、5dが形成された図1に示す回路用金属板1を得ることができる。
(Procedure 4)
Cut so that the protruding lengths of the
なお、本発明のセラミックス回路基板においては、図5に示すように、セラミックス基板9の放熱側面(裏面)にも無酸素銅からなる金属板13等をろう付けする。この金属板13は、回路用金属板1のように複数の金属板3、4、5を形成する必要はないが、上記の手順により、金属板13の側面に垂直壁面13c、傾斜壁面13d、位置合せ用突出部8a、8b(図示せず)を形成する。
In the ceramic circuit board of the present invention, as shown in FIG. 5, a
続いて、本発明のセラミックス回路基板の構成例を図5に基づいて説明する。図5において、9は厚さ0.2〜1.0mm、熱伝導率70W/m・K以上の窒化珪素からなるセラミックス基板である。セラミックス基板9の一方の面(主面)には、本発明の回路用金属板1を構成する金属板3、4、5がろう材層10、11、12を介して接合されている。このとき、セラミックス基板9と金属板3、4、5との接合は、上記した各金属板3、4、5の接合面3b、4b、5bがセラミックス基板9の主面に接合される。すなわち、金属板3、4、5は、接合面積が大きくなるような面である接合面(底面)3b、4b、5bが、セラミックス基板9と接合される。なお、ろう材層10、11、12の厚さSは5〜50μmにするとよい。
Next, a configuration example of the ceramic circuit board of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 5, 9 is a ceramic substrate made of silicon nitride having a thickness of 0.2 to 1.0 mm and a thermal conductivity of 70 W / m · K or more. On one surface (main surface) of the
一方、セラミックス基板9の他一の面(放熱側となる下面)には、平板状の金属板(銅板)13がろう材層14を介して接合される。銅板13は、その側面の全周にも垂直壁面13c、傾斜壁面13dが形成され、銅板13の表面積が大になる面13bがセラミックス基板9の下面に接合される。垂直壁面13c、傾斜壁面13dは、前記した機械的加工手段、例えば、プレス装置により形成され、傾斜壁面13dの傾斜角度は傾斜壁面3a、4a、5aの傾斜角度αと同様に5°〜45°(CAE)に設定するとよい。また、ろう材層14の厚さは、5〜50μmにするとよい。
On the other hand, a flat metal plate (copper plate) 13 is bonded to the other surface of the ceramic substrate 9 (the lower surface on the heat dissipation side) via a
本発明のセラミックス回路基板においては、セラミックス基板9に金属板3、4、5、および銅板13をろう材層により接合したときに、これらろう材層10、11、12、および14は、各金属回板3、4、5、銅板13の側面から所定の距離Hほどはみ出させるようにするとよい。このはみ出し長さHは、少なくとも0.2mm以上、好ましくは0.25〜0.5mmにすると、本発明のセラミックス回路基板を使用しているときに、セラミックス基板9と金属板3、4、5、および銅板13の側面に集中する熱応力を緩和させることができる。さらに、本発明においては、各金属板3、4、5、13の側面に、垂直壁面3c、4c、5c、13cと、傾斜壁面3d、4d、5d、13dを形成しているので、セラミックス基板9と金属板3、4、5、および銅板13の側面に集中する熱応力を緩和させることができる。
In the ceramic circuit board of the present invention, when the
なお、セラミックス基板9上へのろう材10、11、12、14の塗布は、スクリーン印刷により塗布することができるが、金属板3、4、5、13のセラミックス基板側の面に直接塗布して形成しても良い。
The
上記した本発明の回路用金属板1においては、図8(a)に示すように、回路用金属板1の厚さをT、各架橋部6a(6b、6c、6d)の厚さをtとしたとき、隙間t1=(T−t)を0.1mm以上に設定することが重要である。この理由は、次の通りである。本発明に使用する回路用金属板1は、その厚さが0.2mm〜1.0mmの無酸素銅等からなる薄板を使用する。このため、隙間t1を0.1mmより小さくすると、セラミックス基板9とこの回路用金属板1をろう付けにより加熱接合する時、例えば図8(b)に示すようにセラミックス基板9と金属板3(4、5)の間のろう材層10(11、12)からしみ出したろう材15が架橋部6a(6b、6c、6d)の下面60aにつたわりながら延びて、ろう材が溜まる現象が発生することがある。そして、ついにはセラミックス基板9上の隙間t1に沿って流れることになり、これが進行すると隣りの金属板4に接触して短絡が発生する原因になるからである。
In the
さらに、本発明の回路用金属板1においては、複数個設けた架橋部6a、6b、6c、6dの全体積は、回路部を含む全回路用金属板3、4、5の体積の0.1〜2%にすることが重要である。この理由は次の通りである。
本発明のセラミックス回路基板に用いる回路用金属板1は、上記のように厚さが0.2mm〜1.0mmであり剛性が低い銅製薄板等を使用する。このため、架橋部6a、6b、6c、6dの全体積が回路となる金属板3、4、5の全体積の0.1%未満では、架橋部6a、6b、6c、6dの剛性が著しく低下して変形するので、セラミックス基板9にこの金属板3、4、5をろう付けするときに、架橋部6a、6b、6c、6dで接続された複数の金属板3、4、5間の配線間隔Kを維持することができず、短絡あるいは配線間隔Kの寸法不良が発生する危険性が生じるからである。この配線間隔Kの寸法不良の発生を防止しようとすると、接合時にこの各金属板の位置決め手段を設ける必要があるが、この位置決めを自動化するためには、高価な設備を必要とする。
Furthermore, in the
The metal plate for
また、架橋部の全体積が2%より大きくなると、上記隙間t1を0.1mm以上確保することが困難になり、しみ出したろう材15が架橋部6a、6b、6c、6dとセラミックス基板8のすき間に沿って流れるため、金属板3、4、5間の短絡発生の原因になると共に、ろう材が付着した架橋部6a、6b、6c、6dを除去するための作業工数が増大し、かつ、ろう材を間隔Hほどしみ出させた部分に溜まったろう材15を除去する工程が必要となるからである。
Further, if the total volume of the bridging portion is larger than 2%, it becomes difficult to secure the gap t1 of 0.1 mm or more, and the
さらに、本発明のセラミックス回路基板においては、図8(a)、(b)に示すように、隣り合う金属板3、4、5間の配線間隔Kは1.3mm以上とすることが好ましく、配線間隔K内にはみ出しているろう材層の端部どうしの間隔Pは、0.8mm以上に設定することが好ましい。この理由は、セラミックス基板9に塗布するろう材層10、11、12の厚さSを5〜50μmにすれば、しみ出したろう材15が流れ出して隣のろう材層と接触することを防止できるようになるからである。
Furthermore, in the ceramic circuit board of the present invention, as shown in FIGS. 8A and 8B, the wiring interval K between the
続いて、本発明のセラミックス回路基板の製造方法について説明する。まず、図1に示すような略長方形状をした回路用金属板1の縦横寸法よりも若干大きい寸法を備えたセラミックス基板9を準備する。なお、セラミックス基板9は、次の方法により製造することができる。まず、公知のドクターブレード法等により窒化珪素を主成分とする薄板状のグリーンシートを製作する。続いて、このグリーンシートを脱脂、焼結した後、所望の寸法、例えば、縦横80mm×100mmの大きさに切断することにより、厚さ0.2〜1.0mmのセラミックス基板9を得ることができる。
Then, the manufacturing method of the ceramic circuit board of this invention is demonstrated. First, a
次に、図6に示すように、セラミックス基板9の主面にスクリーン印刷により厚さが5〜50μmのろう材層10、11、12を塗布する。このとき、セラミックス基板9の主面にろう材を塗布する範囲は、金属板3、4、5を接合する範囲より間隔H、すなわち0.2〜1.2mmほど外側にはみ出すように塗布する。セラミックス基板9の放熱側面(裏面)にも同様にろう材層14を塗布する。
Next, as shown in FIG. 6, brazing material layers 10, 11, and 12 having a thickness of 5 to 50 μm are applied to the main surface of the
続いて、図7に示すように、ろう材を塗布したセラミックス基板9の主面に、図1に示す回路用金属板1を、セラミックス基板9の放熱側面には銅板13を、正確に位置合わせして、加圧状態で保持する。このとき、各金属板3、4、5、および銅板13の側面部全周からろう材層10、11、12、14が間隔Hほどはみ出るように、セラミックス基板9の表裏面にそれぞれ回路用金属板1と銅板13を正確に位置決めする必要がある。さらに、セラミックス基板9に回路用金属板1を位置合わせしたときに、各金属板3、4、5の側面部とセラミックス基板7の側面部とには、所定の間隔D1、D2が確保されるように位置合わせする必要がある。本発明においては、このセラミックス基板9と回路用金属板1、および銅板13の位置合せは、位置合せ用突出部8a、8b等の位置合せ手段を利用して行う。
Subsequently, as shown in FIG. 7, the
次に、セラミックス基板9に回路用金属板1と銅板13をろう付けするときの位置合せ手段について説明する。この位置合せは下記の手順1〜5に従って実施することができる。
Next, alignment means for brazing the
(位置合せ手順1)
まず、図9(a)に示すように、セラミックス基板9の隣り合う側面に沿って、垂直方向に延びる垂直壁16、17を設けた位置合せ冶具18を準備する。そして、放熱側にろう付けする金属板13に形成されている位置決め用突出部8a、8bの先端部がこの冶具18の内壁面16a、17aに当接した状態にして、図9(b)に示すように、位置合せ治具18の底18aに置く。
(Positioning procedure 1)
First, as shown in FIG. 9A, an
(位置合せ手順2)
続いて、ろう材層10、11、12、14を塗布したセラミックス基板9の隣り合う側面をこの位置合せ冶具18の内壁面16a、17aと接触させた状態で、銅板13の上に置く。これにより、金属板13とセラミックス基板9とは正確に位置合せを行った状態で重ね合せることができる。
(Positioning procedure 2)
Subsequently, the adjacent side surfaces of the
(位置合せ手順3)
続いて、回路用金属板1の側面に設けられている位置合せ用突出部8a、8bの先端部を、冶具18の内壁面16a、17aに接触させた状態でセラミックス基板9上に重ねる。これにより、図7に示す間隔D1、D2と、ろう材のはみ出し間隔Hを確保した状態で、セラミックス基板9の主面に回路用金属板1を精度良く重ね合わせることができる。
(Positioning procedure 3)
Subsequently, the tip ends of the
(位置合せ手順4)
位置合せした回路用金属板1の上にスペーサ板19を載置する。スペーサ板19は耐熱性があり熱膨張率が低いカーボン製の薄板を使用するとよい。
(Alignment procedure 4)
A
(位置合せ手順5)
次に、上記位置合せ手順1〜4を数回繰り返して、主面(上面)に回路用金属板1を、下面に金属板13を重ね合わせたセラミックス基板9を、スペーサ板19を介して位置合せ冶具18内に数段積み重ねて、クランプ装置等を利用してこの積み重ね物の上下方向に押圧力が作用するように保持する。そして、これら積み重ねた数枚のセラミックス基板9を加圧した状態で、約800℃の温度で所定時間加熱した後、冷却することにより、セラミックス基板9の主面に回路用金属板1を、放熱側面に金属板13をろう材層を介して接合することができる。
(Alignment procedure 5)
Next, the
続いて、回路用金属板1に設けられている架橋部6a、6b、6c、6d、および回路用金属板1と金属板13の位置合せ用突出部8a、8bを、数値制御の工作機械を使用し、極細のエンドミル工具により除去すると、図5に示すようなセラミックス回路基板を得ることができる。なお、上記エンドミル工具により架橋部6a等を除去するときに、架橋部6a、6b、6c、6dおよび位置合せ用突出部8a、8bと金属板3、4、5との接続部、すなわち、架橋部6a等および位置合せ用突出部8a、8bの除去跡にも、予め形成されている金属板の傾斜壁面3d、4d、5dと、垂直壁面3c、4c、5cに連なる傾斜壁面と垂直壁面を形成するとよい。放熱側にろう付けした金属板13に形成されている位置合せ用突出部8a、8bの除去も、上記と同様にエンドミル工具により除去することができる。
Subsequently, the
なお、本発明においては、架橋部6a、6b、6c、6dおよび位置合せ用突出部7a、7bの厚さ、長さ、幅は極めて微小な寸法にしているので、従来と同様に、短時間のエッチングにより架橋部6a、6b、6c、6d、位置合せ用突出部8a、8bを除去することも可能である。また、これら架橋部、位置合せ用突出部の除去は、ニッパー等の切断工具を用いて手作業により除去してもよい。
In the present invention, the thicknesses, lengths, and widths of the
また、本発明においては、架橋部6a、6b、6c、6d、および位置合せ用突出部8a、8bを、エンドミル等を用いた切削工具により除去するときに、その除去跡は他の側面部と同様な垂直壁面と傾斜壁面を形成することが望ましいが、架橋部6a、6b、6c、6dの幅W、および位置合せ用突出部8a、8bの幅は微小であるので、これら架橋部や位置合せ用突出部の除去後、適宜の残存面のままでも本発明の効果を発揮させることができる。なお、通常、最大応力発生部位は回路面のコーナー部になるので、架橋部は回路コーナー部を避けることが望ましい。さらに最適な架橋部の配置位置を決定する際、コンピュータシミュレーション等による応力解析を活用することが有効である。
In the present invention, when the bridging
続いて、本発明を実施するための回路用金属板の第2の形態を図10に基づいて説明する。この第2の形態である回路用金属板1aは、図1に示す第1の形態に、さらに、架橋部6a、6b等に位置合せ用孔部20を形成したものである。この孔部20は、全ての架橋部6a、6b、6c、6dに形成する必要はなく、1〜3個の架橋部に形成するようにする。また、1個の架橋部に孔部20を複数個形成してもよい。孔部20の直径は、架橋部の幅Wを3mm程度に設定したときには、1〜2mm程度に設定するとよい。なお、孔部20は、上記した回路用金属板を機械的加工手段により製造するときに、プレスによる打ち抜き加工により形成することができる。
Then, the 2nd form of the metal plate for circuits for implementing this invention is demonstrated based on FIG. The
位置合せ用孔部20は、回路用金属板1aをセラミックス基板9に接合するときの位置合せ手段として作用すると共に、位置合せした後、特にセラミックス基板9を加熱してろう材を溶融させる工程において、回路用金属板1aとセラミックス基板9との位置ずれを防止する作用も発揮させることができる。
The
回路用金属板1aをセラミックス基板7にろう付けするとき、回路用金属板1aをセラミックス基板7に位置合せする手順は、前記した位置合せ手順1〜5とほぼ同様である。前記位置合せ手順と異なる点は、図11に示すように、スペーサ板19に突起19aを設け、この突起19aを回路用金属板1aの架橋部に穿設した位置合せ用孔部20に嵌合させるようにしたことにある。この突起19aと位置合せ用孔部20との嵌合により、セラミックス基板9上の所定の位置に、回路用金属板1aを正確に位置合せできると共に、加熱時においても、回路用金属板1aとスペーサ板19の突起19aとが嵌合しているので、セラミックス基板9と回路用金属板1aとの位置ずれを防止することができる。
When the
なお、上記した本発明の第2の実施の形態において、回路用金属板1aの位置合せ用突出部8a、8bを省略することも可能である。この場合、回路用金属板1aをセラミックス基板9上に位置合せする作業は、次のようにして行うことができる。まず、回路用金属板1aに形成した孔部20にスペーサ19の突起19aを嵌合させる。続いて、位置合せ治具18に載置したセラミックス基板9上に、スペーサ19を、その側面が位置合せ治具18の内壁面16a、17aに当接した状態で載置することにより正確な位置決めを行うことができる。なお、この実施の形態においては、セラミックス基板9の放熱側にろう付けする金属板13には、位置合わせ用の突出部8a、8bを形成することが望ましい。
In the above-described second embodiment of the present invention, the
なお、上記した本発明の回路用金属板の実施の形態において、突出部3g、4g、5gをプレス切断して、垂直壁面3c、4c、5cを形成する例について説明したが、本発明は、図12に示すように、これら突出部3g、4g、5gを残存させた回路用金属板としてもよい。このような回路用金属板としては、配線間隔Kを大きくすることができるセラミックス回路基板に適用するとよい。これにより、突出部3g、4g、5gをプレス切断する工程が不要になりコスト低減を行うことができる。
In the embodiment of the circuit metal plate of the present invention described above, the example in which the protruding
1:回路用金属板
2、3,4:金属板
3c、4c、5c:垂直壁面
3d、4d、5d:傾斜壁面
3e、4e、5e:平坦面
3f、4f、5f:垂直壁面
6a、6b、6c、6d:架橋部
8a、8b:位置決め用突出部
9:セラミックス基板
10、11、12:ろう材層
18:位置合せ冶具
19:スペーサ板
20:孔部
T:回路用金属板の厚さ
t:架橋部の厚さ
1:
Claims (11)
前記回路用金属板の側面には、前記底面から立設する垂直壁面と、前記垂直壁面の上端から前記上面方向に上り傾斜となる傾斜壁面とを備えていることを特徴とする回路用金属板。 A circuit metal plate having a thickness T formed by mechanical processing means, having a bottom surface bonded to a ceramic substrate and an upper surface serving as a circuit surface, wherein the circuit metal plate has a thickness smaller than the thickness T. And being integrated through a narrow cross-linked portion of t,
The circuit metal plate is characterized in that a side wall of the circuit metal plate is provided with a vertical wall surface standing from the bottom surface and an inclined wall surface inclined upward from the upper end of the vertical wall surface in the upper surface direction. .
11. The ceramic according to claim 10, wherein a remaining surface other than the inclined wall surface or the inclined wall surface along the inclined wall surface of the circuit metal plate is formed on the removal trace of the bridging portion and the alignment protrusion. Circuit board.
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