JP2005136369A

JP2005136369A - 基板

Info

Publication number: JP2005136369A
Application number: JP2004030722A
Authority: JP
Inventors: Hideko Fukushima; 英子福島; Hiroyuki Okita; 宏行沖田
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2003-10-08
Filing date: 2004-02-06
Publication date: 2005-05-26

Abstract

【課題】黒鉛と金属の複合体からなる基板には、ネジ止め等のために貫通孔が形成されているが、ネジ止めする際や使用時にかかる応力により、貫通孔周辺部分にクラック等が発生しやすく、その薄型化が困難であった。
【解決手段】黒鉛と金属の複合体からなる基板において、前記基板は両主面間を繋ぐ貫通孔を有しており、当該貫通孔の直径をＤｍｍ、前記放熱基板の厚さをＴｍｍ、前記放熱基板の側面から前記貫通孔までの最短距離をＷｍｍとしたとき、Ｄ（２Ｔ−１）−２ＷＴ≦０の関係を満足する基板である。また、上記黒鉛と金属の複合体からなる基板において、前記基板は両主面間を繋ぐ貫通孔を有しており、当該貫通孔の内周部にパイプ部材、例えばスリットやノッチを設けたパイプ部材を嵌合してなる基板である。
【選択図】図２

Description

本発明は、他部材との固定に用いられる締結用の貫通孔を備えた黒鉛と金属の複合体からなる基板に関し、主に高出力用トランジスタ、パワーモジュール等の実装に用いられる基板、詳しくは放熱基板に関する。

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、ＭＯＳＦＥＴ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、セラミックス基板上に銅板、アルミニウム板、各種クラッド板等の金属板を接合したセラミックス回路基板が広く使用されている。このような銅板等で回路を構成したセラミックス回路基板では、半導体チップから発生する熱量も増大する。そこで、図５に示されるように、セラミックス基板４の一方の表面に金属回路板としての銅板（図示せず）を接合する一方、他方の表面に放熱基板１を接合して形成されている。

このようなパワートランジスタモジュール用基板やスイッチング電源モジュール用基板等に使用される放熱基板には、熱衝撃に対する高い信頼性が要求されるとともに、実装ボード、機械ケーシング等のベース部材との間に高い密着性が要求されている。放熱基板とベース部材等との接合には、はんだ等のろう材を介して接合する手法以外に、例えば図７に示されるように、放熱基板の角部付近に貫通孔２を形成し、この貫通孔２を利用してネジ、ボルト、ワッシャ等の締結部材を装着して固定する手法も多用されている。
このような貫通孔を介した固定の場合、締め付力により貫通孔の周囲にクラックが発生するという問題があった。セラミックス回路基板の薄型化が望まれており、これに使用される放熱基板についても薄型化が進められている。このため放熱基板の強度は必然的に低下し、特に放熱基板の貫通孔周辺部分には、ボルトやネジ締結の際の締付け力、使用時の応力によりクラック等が発生しやすく、貫通孔周辺部の強化が求められている。このような問題に対して例えば次のような改良技術が提案されている。

特開２００１−１７７１９７特開２００２−２８０５０１

特許文献１には、窒化ケイ素を主成分とするセラミックス絶縁基板を他の部材に固定するにあたり、貫通孔の直径と、基板の厚みと、基板の側端面から貫通孔端までの距離との間に特定の関係を持たせることを提案しており、これにより構造を簡略化し得ることが記載されている。

特許文献２には、炭化ケイ素からなる多孔体にアルミニウムを主成分とする金属を含浸して形成したAl−SiC複合体を他の部材に固定するにあたり、固定用の貫通孔の内周面にアルミニウム被覆層を形成し補強を図ることが記載されている。

上記した特許文献１、特許文献２によれば強度の向上は見られる。しかしながら、これら文献における基体は、窒化ケイ素質を主成分とするセラミックス体、または炭化ケイ素とアルミニウムの複合体である。一般に、これらの基体は曲げ強度５００ＭＰａ以上の比較的高い強度を有していると言える。
一方、本発明が対象とする黒鉛と金属からなる複合材の場合は、上述した特許文献１、２の材質に対し、およそ１００ＭＰa以下の強度しかない。従って、締結力を従来通り保つことには限界がある。例え、従来以下の締結トルクであっても放熱基板とネジとの接触部分、特に放熱基板の貫通孔周辺部分にクラックが入ってしまうと言う問題があった。また、半導体素子の高集積化および高出力化に伴い熱サイクル負荷も大幅に上昇しており、放熱基板とネジとの接触部分、特に負荷が集中しやすい貫通孔周辺部分を起点として熱応力によるクラックが発生しやすくなっている。
特許文献１、２では、黒鉛と金属からなる複合材に対してのクラック対策は考慮されておらず、その為、締結トルクを高くすることが出来ない。よって、固定しょうとする部材との密着性を得ることが出来なかった。また、熱応力によるクラック対策についても考慮されていなかった。

そこで、本発明は黒鉛と金属からなる複合材、特に、低熱膨張性の多孔質黒鉛化押し出し成形体にアルミニウム、銅等の高熱伝導性の金属を含浸した複合体に対し、ネジ止めの際や使用時の応力による基板貫通孔周辺部分のクラック、損傷を防止し、さらに熱伝導性を高めて熱応力の集中を緩和した基板を提供することを目的としている。

本発明は、黒鉛と金属の複合体からなる基板において、前記基板は両主面間を繋ぐ貫通孔を有しており、当該貫通孔の内周部にパイプ部材を嵌合してなる基板である。

本発明は、黒鉛と金属の複合体からなる基板において、前記基板は両主面間を繋ぐ貫通孔を有しており、当該貫通孔の直径をＤｍｍ、前記放熱基板の厚さをＴｍｍ、前記放熱基板の側面から前記貫通孔までの最短距離をＷｍｍとしたとき、Ｄ（２Ｔ−１）−２ＷＴ≦０の関係を満足する基板である。このときにも、前記貫通孔にパイプ部材を嵌合することは好ましいことである。また、貫通孔に嵌合されたパイプ部材と基板との界面が金属接合していてもよい。

さらには、上記貫通孔に嵌合されたパイプ部材と基板との関係において、パイプ部材の高さが基板の厚さの1.004〜1.04倍であり、パイプの肉厚が200μｍ以上であり、スリットあるいはノッチを入れたパイプ部材を使用することが望ましい。スリットの場合、スリット幅が100μｍ以上、より好ましくは300μｍ以上である。ノッチの場合は、ノッチ幅が200μｍ以上、ノッチ深さがパイプ肉厚の0.5倍以上であることが好ましい。
これらの理由は、パイプの厚さが基板の厚さの1.004倍より小さいと基板が損傷を受け、1.04倍より大きいと基板を固定することができない。スリットあるいはノッチを入れたパイプの外径は基板貫通孔の径以上とし、スリットあるいはノッチを入れたパイプを基板貫通孔の径より小さくして貫通孔に挿入し、パイプの弾性変形を利用してパイプを基板の貫通孔に固定する。このとき、スリット幅が100μｍより小さいか、ノッチ幅が200μｍより小さい場合、ボルト締め付け時、基板が損傷を受ける。

本発明において、前記基板は、曲げ強さが１００ＭＰa以下、ヤング率５０ＧＰａ以下で、且つ熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上、熱膨張率が１５×１０^-6／K以下の多孔質黒鉛化押出成形体に金属が含浸した複合体であり、前記パイプ部材は、剛性率が１０ＧＰａ以上、熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫ以上、熱膨張率が３０×３０^-6／K以下（３００Ｋにおいての物性値）の金属部材であることは望ましい構成である。
また、本発明において、前記パイプ部材としては、ステンレス鋼、炭素鋼、高張力鋼、アルミニウム、銅、マグネシウム、黄銅、またはこれらの合金のうち1種を用いることが出来る。

本発明によれば、貫通孔に嵌合したパイプ部材は補強部材として働き、高い締結トルクをかけてもクラックなどの損傷を防止することができ、高い戻しトルクをも得ることができる。さらに、スリットあるいはノッチ入りのパイプ部材の使用により、はんだやろう材などの接着剤を使用することなく、基板の貫通孔にパイプを固定することができる。また、パイプ部材は貫通孔周辺に集中する熱応力を分散させる熱伝導部材としても働き、放熱基板としての効果も高くなる。
以上により、本発明の基板をパワー半導体モジュールとして使用すれば、締結時の締付けトルクによるクラック、また繰り返しの熱応力によるクラックの発生を防止することができる。

以下、本発明の実施の態様について図面を参照して説明する。
図１は本発明の基板の一例を示した外観図であり、図２は本発明の基板の一例を示した断面図である。図３は貫通孔周辺を示す断面図である。図４は他の基板の一例を示す上面図である。図５はスリット入りパイプ部材の外観図、図６はノッチ入りパイプ部材の外観図である。

先ず、本発明で用いられる黒鉛と金属の複合体からなる基板の例を説明する。
本発明における基板は、黒鉛質金属複合体を基体とするものである。このものは、５０〜９０体積％の黒鉛粒子の多孔質体を銅、銅合金、アルミ、アルミ合金、マグネシウム、マグネシウム合金、真鍮、黄銅、シリコン、亜鉛、銀、ニッケル、マグネシウムなどからなる金属によって埋めた組織を有する。このような基体は、例えば次の工程で作製される。
純度９９．７％以上のコークスなどの黒鉛粒子を用い、それらをピッチとともに混合し、押出し成形した成形体を２０００℃以上の温度にて焼成する。その後、必要に応じ更にピッチを含浸し、２５００℃以上の温度にて黒鉛化処理を行う。得られた黒鉛質材料（プリフォーム）に上記した銅、銅合金、アルミ、アルミ合金、マグネシウム、マグネシウム合金、真鍮、黄銅、シリコン、亜鉛、銀などを１種以上含む溶融金属を含浸してなるものである。含浸方法は、減圧鋳造法、加圧鋳造法、溶湯鍛造法などが挙げられるが、溶湯鍛造法であることが好ましい。含浸させる金属としては、上記したような可能な限り高熱伝導率を有する金属が好ましいが、使用される環境、特にそれらが曝される温度により決定される。また、含浸は融点より１０℃以上高い温度及び１０ MPa以上の圧力で行うことが必要とされる。曝される最高温度が５００℃の場合、アルミやアルミ合金が好ましく、９００℃の場合は、銅や銅合金、銀が好ましい。
次に、得られた黒鉛質金属複合体には熱処理を施すことが必要である。この熱処理は、（融点−10℃）以下であって、かつアルミやアルミ合金の場合２００℃以上の温度、銅や銅合金の場合は３００℃以上の温度において、それぞれ昇温速度30℃／分以下、冷却速度20℃／分以下の条件で行うものである。その後、所望するサイズに切削加工し、その周囲に、例えば無電解めっきにより、Ni-P、Ni-B、Cu、Ａｌなどの均一な厚さの金属層を形成する。
その他に、黒鉛粒子と金属を粉末冶金法により複合化させる方法、黒鉛粒子を充填した中に金属を含浸させて複合体を作製する方法もある。
本発明は、このような黒鉛と金属の複合体（黒鉛質金属複合体）からなる基板に実施することが効果的である。

さて、図１に示すように基板１には、少なくとも１つ以上の貫通孔２が形成されている。基板１の片面には、貫通孔２が形成された部分を除いて、セラミック回路基板４等が接合されている。基板１とセラミックス基板４とは、例えば直接接合法、活性金属接合法、あるいはＡｌろう材接合または接着剤により接合される。基板１に形成される貫通孔２は、少なくとも１つ設けられていればよいが、貫通孔２への負荷を低減させるために複数設けることが好ましい。貫通孔２の形成位置は基板１やこれに接合されるベース板の形状や大きさにより適宜選択することができる。通常は四隅に貫通孔が形成されており、基板１の各角部等に形成することが好ましい。また、貫通孔２の内周面のネジ溝の有無は、特に限定されるものではない。貫通孔を複数形成する場合には、基板の長手方向の中心を通り、かつ長手方向に垂直な直線を引いた場合、この長手方向に垂直な直線に対して対称な位置となるように形成することが好ましい。このような配置とすることにより、各貫通孔２にかかる負荷を均等にし、クラックの発生を低減することが可能となる。また、このような配置とすることにより、基板の方向性がなくなるため、基板を固定する際に左右または上下の区別がなく固定することが可能となり、作業性も向上する。

本発明における第1の発明は、図４に示すように基板１の隅部に設けた貫通孔２と基板の厚みとの間にある関係式を持たせることにより耐締付け力を向上させ、クラックの発生を抑制できることを見出したことである。即ち、貫通孔２の直径をＤｍｍ、基板１の厚さをＴｍｍ、基板１の側面から前記貫通孔までの距離W1、W2のうち最短距離をＷｍｍとしたとき、Ｄ（２Ｔ−１）−２ＷＴ≦０の関係を満足することである。このような関係とすることによりクラックの発生を抑制できることを見出したものである。

本発明における第2の発明は、上述の関係式を持った貫通孔を形成することが出来ない場合、またこの関係式を満足する場合であっても、貫通孔２の内周部にパイプ部材３を嵌合して設けることにより、補強を図ることが出来ることである。さらに、このパイプ部材を熱伝導部材として働かせ積極的に熱を放熱することが出来る点である。以上によって、貫通孔を起点とするクラックの発生等を防止することができる。

パイプ部材３は、図３（ａ）のように貫通孔２の内周部に設けられ、貫通孔２の両端部に鍔が設けられていれば、貫通孔２を起点とするクラックの発生をより抑制することができ好ましい。鍔を貫通孔２の一方の端部のみに形成する場合には、ネジ止めの際にボルト等の頭部が接触する側の貫通孔２端部に形成されていることが好ましい。このような部分に形成されていることで、ネジ頭部と基板との直接的な接触を防ぎ、クラックの発生を有効に抑制することが可能となる。好ましくは、貫通孔２の両端部にパイプ部材３を形成することで、貫通孔２周辺部の強度をより一層向上させることが可能となる。
パイプ部材３の形状は特に制限されるものではないが、図３（ｂ）に示されるように貫通孔２の内周側のみでもよく、さらに貫通孔の内周から連続的に鍔が形成されていてもよい。連続していない部分があると、その部分に応力が集中してしまい、クラックが発生しやすくなる。内周部の形状としては、例えば円状、多角形状のものであって、その中心部に貫通孔を有するものが挙げられる。

なお、本発明においては必ずしもネジ溝を有するようなネジのみに限られず、基板の貫通孔２を利用して固定する一般的な固定部材、例えばピン状、釘状の固定部材を用いる場合であっても十分な効果を有するものである。また、固定方法に関してもネジ溝を利用したボルト（雄ネジ）とナット（雌ネジ）のような方式で固定する方法であってもよいし、ネジ溝のないネジ（ピン等の固定部材）を使用し、ネジの先端をかしめる方式または接着剤やグリース、放熱性を向上させる場合には熱伝導グリースで固定する方式であっても良い。

さらには、図５、図６に示すようにスリットあるいはノッチ入りのパイプ部材を使用することにより、容易にパイプを基板の貫通孔に固定することができる。図５、図６のパイプ部材３ａ、３ｂは、スリット３０あるいはノッチ３１があることにより、円周方向に弾性変形することが可能となる。そこでそれを利用して、基板の貫通孔以上のパイプ外径を有するパイプを基板に挿入することで、パイプと基板を容易に固定することができる。よって、作業性が良くなる。また、パイプ固定後にも存在するパイプの隙間は、加熱に伴うパイプの膨張による基板への負荷を緩衝する役割も有する。よって、冷熱サイクル、はんだリフロー工程に対して十分な耐久性がある。ここで、パイプ部材の高さは、基板厚さの1.004〜1.04倍とすることが良いことが分かった。基板厚さの1.004倍より小さいと、基板にクラックが入る。1.04倍より大きいと、基板を固定することができない。また、スリット３０の幅は100μｍ以上とする、100μｍより小さいと基板との基板との固定ができない。上限はパイプ部材のサイズによって異なるが、通常、外径に対し50％以上となると弾性変形による取り付けが出来なくなる。
図６のパイプ部材３ｂは、一部にノッチ３１が形成されている。このパイプ部材の高さは、スリット入りの場合と同様であるが、ノッチ入りの場合は、ノッチ３１の幅は200μｍ以上、ノッチ深さはパイプ肉厚の0.5倍以上としている。200μｍ以下では、パイプの固定ができないからである。そして、ノッチ深さが0.5倍以上としたのはパイプの弾性変形が有効とならず、パイプの固定ができないことが分かったためである。
また、パイプ部材と基板の界面をろう材などを用い金属接合することにより、密着性が向上し、より放熱性を向上させることができるので好ましい。

本発明の実施例をパイプ部材の種類、Ｔ、Ｄ、Ｗの条件及び基板のクラック発生の有無について表１に示す。温度差ΔTは、厚さ３ｍｍの基板の角に貫通孔を形成し、基板上の貫通孔から３０ｍｍ離れたところに発熱体を設置したときの発熱体裏面の温度と貫通孔縁部の温度差を表記した。温度差が小さい方が放熱性がよいことになる。

上記、実施例２、３においてパイプ部材と基板との界面をろう付けし、温度差ΔTを測定した。実施例２のろう付け時のΔTは１．５、実施例３のろう付け時のΔTは１．３となり、放熱性の向上が認められた。

次に、スリット入りあるいはノッチ入りパイプ部材について、パイプ部材のみで貫通孔に装着できるか否か及びその時のクラック発生の有無について確認した。結果を表２に示す。

以上の結果より、スリット又はノッチを設けたパイプ部材を用いるとパイプの貫通孔での固定性が向上し作業性が容易になる。通常のパイプ部材でもクラック防止については効果があるが、金属接合を行わない場合、パイプの貫通孔での固定性が悪い。また、固定できたとしても、冷熱サイクル後に基板貫通孔周辺にクラックが発生する。

高出力用トランジスタ、パワーモジュール、光通信用パッケージ、CPUヒートスプレッダ等の放熱基板に利用できる。

本発明の一実施例であり、基板の一面にセラミック回路基板を接合した様子を示す斜視図である。図１のＡ−Ａ線の縦断面図である。本発明のパイプ部材を用いた他の実施例を示す要部縦断面図である。本発明の貫通孔の配置態様を示す基板の上面図である。スリット入りのパイプ部材の一例を示す外観図である。ノッチ入りパイプ部材の一例を示す外観図である。従来の基板の一例を示す斜視図である。

符号の説明

１：基板
２：貫通孔
３：パイプ部材
４：セラミック回路基板
３ａ：スリット入りパイプ部材
３ｂ：ノッチ入りパイプ部材
３０：スリット
３１：ノッチ

Claims

黒鉛と金属の複合体からなる基板において、前記基板は両主面間を繋ぐ貫通孔を有しており、当該貫通孔の内周部にパイプ部材を嵌合してなることを特徴とする基板。
黒鉛と金属の複合体からなる基板において、前記基板は両主面間を繋ぐ貫通孔を有しており、当該貫通孔の直径をＤｍｍ、前記放熱基板の厚さをＴｍｍ、前記放熱基板の側面から前記貫通孔までの最短距離をＷｍｍとしたとき、Ｄ（２Ｔ−１）−２ＷＴ≦０の関係を満足することを特徴とする基板。
前記貫通孔にパイプ部材を嵌合してなることを特徴とする請求項２記載の基板。
前記パイプ部材の高さが貫通孔にパイプ部材を嵌合する前の基板の厚さの1.004〜1.04倍であり、パイプの肉厚が200μｍ以上であることを特徴とする請求項１又は３記載の基板。
前記パイプ部材は、スリットあるいはノッチを入れてなることを特徴とする請求項４記載の基板。
前記パイプ部材のスリット幅が100μｍ以上であることを特徴とする請求項５記載の基板。
前記パイプ部材のノッチ幅が200μｍ以上、ノッチ深さがパイプ肉厚の0.5倍以上であることを特徴とする請求項５記載の基板。
前記貫通孔に嵌合されたパイプ部材と基板との界面が金属接合してなることを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の基板。
前記基板は、曲げ強さが１００ＭＰa以下、ヤング率５０ＧＰａ以下で、且つ熱伝導率が１５０Ｗ／ｍＫ以上、熱膨張率が１５×１０-6／K以下の多孔質黒鉛化押出成形体に金属が含浸した複合体であり、前記パイプ部材は、剛性率が１０ＧＰａ以上、熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫ以上、熱膨張率が３０×３０-6／K以下（３００Ｋにおいての物性値）の金属部材であることを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載の基板。
前記パイプ部材は、ステンレス鋼、炭素鋼、高張力鋼、アルミニウム、銅、黄銅、マグネシウムまたはこれらの合金のうち1種であることを特徴とする請求項１〜９の何れかに記載の基板。