JP2008294047A - セラミック回路基板構造 - Google Patents

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Abstract

【課題】 セラミック回路基板において、セラミック基板と銅板あるいはアルミニウム板のろう付け後の冷却過程や冷熱サイクルによって生ずる残留応力を低減すると共に、熱交換器との伝熱性の良い基板構造を提供すること。
【解決手段】 セラミック基板１の表面および裏面に第１金属板２，第２金属板３を接合する。その第２金属板３は厚み方向中間がくびれるように形成されて、セラミック基板１側の端部外周に平面が拡大する薄肉拡大部４を設け、中間に平面が縮小する縮小中間部５を設け、熱交換器７側の端部外周に平面が拡大する伝熱拡大部６を設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、セラミック基板に銅板またはアルミニウム板をろう付け接合してなるセラミック回路基板構造に関する。
パワートランジスタモジュール基板や電源モジュール基板等の回路基板は、窒化アルミニウム焼結体等よりなるセラミック基板上の両面に銅板やアルミニウム板がろう付け固定されている。このような回路基板構造は、銅板等をセラミック基板に高温でろう付け固定した後の冷却過程や、稼働中の冷熱サイクルにより、セラミックの熱膨張係数と銅板等の熱膨張係数との差に基づいて熱応力が生じ、その熱応力に基づいて銅板等の端部でセラミックに亀裂が生じる場合があることが知られている。
そこで、特許文献１に記載の「セラミック回路基板」は、熱応力に基づくセラミックの亀裂等を防止するために、ろう付けされた銅板の端部に薄肉部を設け、その薄肉部が熱応力によって容易に塑性変形して、セラミック基板を保護する提案がされている。
特開平５−２５３９７号公報
従来の熱応力対策が施されたセラミック回路基板は、セラミック基板の亀裂を防止する点においては有効であるが、回路基板の稼働中に発生する熱を熱交換器に円滑に伝達し難い問題点があった。即ち、セラミック基板側に薄肉部を設け、その平面を大とすることは、熱交換器に接する表面積が小となり、熱交換器への伝熱性を悪くする欠点がある。
そこで本発明は、セラミック基板の亀裂に対処しつつ、伝熱性の良いセラミック回路基板構造を提供することを課題とする。
請求項１に記載の本発明は、セラミック基板(1) の表面および裏面に第１金属板(2)および第２金属板(3)が接合されたセラミック回路基板構造において、
熱交換器の表面に接合される側の前記第２金属板(3) は、その厚み方向の中間がくびれるように形成されて、セラミック基板(1)側の端部の外周に平面が拡大する薄肉の薄肉拡大部(4) が形成されると共に、相対的に前記中間に平面が縮小する縮小中間部(5)が形成され且つ、熱交換器(7) 側の端部の外周に平面が拡大する伝熱拡大部(6)が形成されたことを特徴とするセラミック回路基板構造である。
請求項２に記載の本発明は、請求項１において、
前記第２金属板(3) の厚み方向の断面外周が階段状に形成されたセラミック回路基板構造である。
請求項３に記載の本発明は、請求項１において、
前記第２金属板(3) の厚み方向の断面外周が凹湾曲形状にされたセラミック回路基板構造である。
請求項４に記載の本発明は、請求項１において、
前記第２金属板(3) の厚み方向の断面外周がＶ字形状にされたセラミック回路基板構造である。
請求項５に記載の本発明は、請求項１〜請求項４のいずれかにおいて、
前記伝熱拡大部(6)の外周が前記セラミック基板(1) の外周に略等しいセラミック回路基板構造である。
本発明のセラミック回路基板構造は、その第２金属板３として厚み方向の中間がくびれるように形成されて、セラミック基板１側の端部の外周に平面が拡大する薄肉の薄肉拡大部４が形成されているので、その薄肉拡大部４の存在により、金属板の加熱接合後の冷却過程や、回路基板の稼働中の冷熱サイクルの付加により生ずる熱応力の最も加わる第２金属板３の端部を、薄肉拡大部４の塑性変形により吸収し、残留応力を低減することができる。それと共に、相対的に平面が縮小する縮小中間部５が形成されていても、熱交換器７側の端部外周に平面が拡大する伝熱拡大部６を設けているから、その熱交換器７と第２金属板３との伝熱性を向上し、回路基板稼働時に生じる熱を熱交換器７に迅速に伝達し、回路基板を確実に保護することができる。
上記構成において、請求項２に記載の発明のように、第２金属板３の厚み方向の断面外周を階段状に形成することができる。この場合には、外周の異なる複数の板材を複数重ね合わせて接合することにより容易にセラミック回路基板構造を製造することができる。
上記構成において、請求項３に記載の発明のように、第２金属板３の厚み方向の断面外周を凹階段湾曲形状に形成することができる。この場合には、残留応力の低減をより確実に行うことができる。
上記構成において、請求項４に記載の発明のように、第２金属板３の厚み方向の断面外周をＶ字形状に形成することができる。この場合には、残留応力の低減と、伝熱性の向上とをより確実に行うことができる。
上記構成において、請求項５に記載の発明のように、第２金属板３の伝熱拡大部６の外周をセラミック基板１の外周に略等しく形成することができる。この場合には、セラミック基板１と第２金属板３とを接合する際の両者の位置決めを容易に行える。
次に、図面に基づいて本発明の実施の形態につき説明する。
図１は本発明のセラミック回路基板構造を熱交換器７に接合した状態の縦断面図であり、図２は図１のII−II矢視断面図、図３は図１のIII−III矢視図である。
このセラミック回路基板構造は、セラミック基板１の表面および裏面に第１金属板２，第２金属板３がろう付けにより接合されている。そして第１金属板２側にパワートランジスタや電源モジュール等が接合されると共に、第２金属板３側が熱交換器７に接合される。
そして、第２金属板３は図１および図２に示す如く、その厚み方向の中間がくびれるように形成されて、セラミック基板１側の端部の外周に平面が拡大する薄肉の薄肉拡大部４が設けられると共に、相対的に中間に平面が縮小する縮小中間部５が設けられる。さらに、熱交換器７側の端部の外周に平面が拡大する伝熱拡大部６が形成されている。この例では、薄肉拡大部４と縮小中間部５と伝熱拡大部６とは、夫々銅板またはアルミニウム板の３層の接合体からなり、その断面外周は階段状に形成されている。
このようなセラミック回路基板構造は、第１金属板２側に接続される図示しないパワートランジスタ等からの発熱が、第１金属板２，セラミック基板１，第２金属板３を介し熱交換器７に伝熱され、パワートランジスタ等が異常に高温になるのを防止するものである。このとき、パワートランジスタ等は冷熱サイクルが付加され、金属板とセラミックの熱膨張係数の差に基づく熱応力の主応力部は第２金属板３の端部に生じる。即ち、熱応力の最大値は第２金属板３の端部に生ずる。
その熱応力は第２金属板３の薄肉拡大部４の周縁部が容易に塑性変形することにより吸収され、残留応力を低減する。それによって、第２金属板３との端部で、セラミック基板１に亀裂が生じるのを防止する。即ち、縮小中間部５を介し、伝熱拡大部６が熱交換器７に接合されるものであるから、その熱交換器７と第２金属板３との伝熱面積が大となり、第１金属板２上の発熱を熱交換器７に円滑に伝熱してそれを放熱することができる。
次に、図４は本発明の第２の実施の形態を示し、この例の第２金属板３は薄肉拡大部４と縮小中間部５と伝熱拡大部６とが一体に形成され且つ、その厚み方向の断面外周が凹湾曲形状に形成されたものである。そして、第２金属板３のセラミック基板１との接触部に薄肉拡大部４が形成されると共に、熱交換器７の接触部に伝熱拡大部６が設けられ、中間に縮小中間部５が設けられたものである。
次に、図５は本発明の第３の実施の形態を示し、この例では、第２金属板３の断面外周をＶ字状に形成したものである。そして、図４と同様にセラミック基板１側の接触部に薄肉拡大部４を、熱交換器７側の接触部に伝熱拡大部６を、それらの中間に縮小中間部５を設けたものである。
次に、図６および図７は本発明の第４実施の形態を示し、この例が他の例と異なる点は、第２金属板３における伝熱拡大部６が図７の如く、方形の平面の各辺の中間位置に夫々凸部6aが一体に設けられたものである。そして、その凸部6aの先端部がセラミック基板１の側端面に整合する。
なお、伝熱拡大部６の平面外周をセラミック基板１のそれと同一に形成することもできる。そのようにすることにより、熱交換器７と第２金属板３との伝熱性をより円滑に行うことができる。
本発明のセラミック回路基板構造の第１の実施の形態を示す縦断面図。 図１のII−II矢視断面図。 図１のIII−III矢視図。 本発明のセラミック回路基板構造の第２の実施の形態を示す正面図。
同構造の第３の実施の形態を示す正面図。 同構造の第４の実施の形態を示す正面図。 同構造に用いられる伝熱拡大部６の斜視図。
符号の説明
１ セラミック基板
２ 第１金属板
３ 第２金属板
４ 薄肉拡大部
５ 縮小中間部
６ 伝熱拡大部
6a 凸部
７ 熱交換器

Claims (5)

  1. セラミック基板(1) の表面および裏面に第１金属板(2)および第２金属板(3)が接合されたセラミック回路基板構造において、
    熱交換器の表面に接合される側の前記第２金属板(3) は、その厚み方向の中間がくびれるように形成されて、セラミック基板(1)側の端部の外周に平面が拡大する薄肉の薄肉拡大部(4) が形成されると共に、相対的に前記中間に平面が縮小する縮小中間部(5)が形成され且つ、熱交換器(7) 側の端部の外周に平面が拡大する伝熱拡大部(6)が形成されたことを特徴とするセラミック回路基板構造。
  2. 請求項１において、
    前記第２金属板(3) の厚み方向の断面外周が階段状に形成されたセラミック回路基板構造。
  3. 請求項１において、
    前記第２金属板(3) の厚み方向の断面外周が凹湾曲形状にされたセラミック回路基板構造。
  4. 請求項１において、
    前記第２金属板(3) の厚み方向の断面外周がＶ字形状にされたセラミック回路基板構造。
  5. 請求項１〜請求項４のいずれかにおいて、
    前記伝熱拡大部(6)の外周が前記セラミック基板(1) の外周に略等しいセラミック回路基板構造。
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