JP2009283732A - 回路基板及び電子装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回路基板の生産歩留まりを向上させ、安定した動作が可能な回路基板及び電子装置を提供すること。
【解決手段】一主面に冷媒流路となるべき第１の凹部１ａを有する誘電体基板１と、前記第１の凹部を覆うように、前記誘電体基板の一主面に設けられた第１の金属板２と、を具備した回路基板。前記誘電体基板の他主面に第２の金属板３をさらに有することが好ましい。前記第１の金属板は、電子素子４が搭載されるべき搭載部と、前記電子素子と電気的に接続された回路部とを有するものであることが好ましい。前記誘電体基板は、前記搭載部と前記回路部との間に突出する凸部、又は第２の凹部を有することが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、回路基板及び電子装置に関するものである。

従来の半導体装置の概略図を図６に示す。図６に示す半導体装置２００は、セラミック絶縁体１０１と、上記セラミック絶縁体１０１の一の面に接合され、上記セラミック絶縁体１０１との間に液体の流れる空間１０１ａを形成する凸形状を有する第１の金属部材１０２ａと、を具備したものである（例えば、特許文献１参照）。
特開平７−１３０９２５号公報

しかしながら、従来の半導体装置では、第１の金属部材上に半導体素子を取付ける場合や、半導体装置の動作時に、第１の金属部材が加熱され、第１の金属部材がセラミック絶縁体から剥離するおそれがあった。

そこで、回路基板の生産歩留まりを向上し、安定した動作が可能な回路基板及び電子装置が望まれていた。

本発明の実施形態にかかる回路基板は、一主面に冷媒流路となるべき第１の凹部を有する誘電体基板と、前記第１の凹部を覆うように、前記誘電体基板の一主面に設けられた第１の金属板と、を具備した。

また、本発明の実施形態にかかる電子装置は、前記回路基板と、前記第１の金属板の前記搭載部上に取着された電子素子と、を具備した。

本発明の実施形態にかかる回路基板は、一主面に冷媒流路となるべき第１の凹部を有する誘電体基板と、前記第１の凹部を覆うように、前記誘電体基板の一主面に設けられた第１の金属板と、を具備したことから、第１の金属板の剛性により、第１の金属板の変形を抑制し、以って誘電体基板から第１の金属板の剥離を抑制することができる。

また、本発明の実施形態にかかる電子装置は、前記回路基板を備えることから、第１の金属板の剥離を抑制できるため、安定した動作が可能なものとなる。

以下、本発明の実施形態にかかる電子装置１００を添付図面に基づき説明する。

図１は、本実施形態にかかる電子装置１００の斜視図である。

図１に示す電子装置１００は、一主面に冷媒流路となるべき第１の凹部１ａを有する誘電体基板１と、第１の凹部１ａを覆うように、誘電体基板１の一主面に設けられた第１の金属板２と、を具備する回路基板１０を有する。また、第１の金属板２には、電子素子４が取着されている。

ここで、冷媒流路１ａは、誘電体基板１に設けられた第１の凹部１ａと、第１の金属板２とを有する。本実施形態では、誘電体基板１に第１の凹部１ａを有するため、従来の半導体装置と同じ流路面積の場合、金属と冷媒とが接する領域が従来のものよりも小さいものとなる。それゆえ、冷媒に起因する金属の腐食を抑制し、以って電子装置１００の安定動作を提供することができる。

また、第１の金属板２に冷媒流路形成のための凹凸を設けなくともよい。それゆえ、第１の金属板２の剛性を維持できるため、第１の金属板２の変形を抑制し、以って誘電体基板１から第１の金属板２の剥離を抑制することができる。

以上のように、本実施形態にかかる電子装置１００によれば、第１の金属板２の腐食や剥離を抑制できるため、安定した動作が可能なものとなる。

以下、本実施形態にかかる回路基板１０について、各構成要素に分けて詳細に説明する。
＜回路基板＞
（誘電体基板）
誘電体基板１は、冷媒流路となるべき第１の凹部１ａを有する。

誘電体基板１を構成する材料としては、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）質焼結体、ムライト（３Ａｌ_２Ｏ_３・２ＳｉＯ_２）質焼結体、炭化珪素（ＳｉＣ）質焼結体、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）質焼結体、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）質焼結体、ガラスセラミックス等のセラミック材料、又はポリイミド等の高耐熱の樹脂材料等の絶縁材料を用いることもできる。

誘電体基板１は、セラミック材料からなる場合、樹脂材料等の絶縁材料と比較して、剛性や耐熱性、腐食性に優れる。また、セラミック材料は、樹脂材料よりも剛性に優れることから、従来よりも高圧力で冷媒を流路に供給した場合であっても、当該水圧で誘電体基板１が変形することを抑制でき、以って、後述する第１の金属板２、第２の金属板３との接合信頼性を高めることができる。

反対に、誘電体基板１は、樹脂材料等の絶縁材料からなる場合、セラミック材料と比較して比重が小さいため、装置の軽量化が容易となる。

上記誘電体基板１の製造方法は、従来周知の製造方法を用いることができる。

また、誘電体基板１に第１の凹部１ａを形成するためには、スライシングやダイシングのブレードで溝状に第１の凹部１ａを形成したり、レーザやブラスト,エッチングで第１の凹部１ａを形成したりする方法を用いることができる。

スライシングやダイシングのブレードで溝状に第１の凹部１ａを形成する場合は、プレス焼成加工の場合と比較して、凹部の寸法形成精度が高いという点で優れる。

また、レーザ加工の一例としては、従来周知のＹＡＧレーザや炭酸ガスレーザ等を用いることができる。この場合、ブラスト加工、エッチング加工よりも、第１の凹部１ａの寸法精度を高め、且つ冷媒流路の自由度を高めることができる。

さらに、第１の凹部１ａの内周表面にメッキを施すことが好ましい。この場合、基板表面より第１の凹部１ａの表面粗さを小さくすれば、第１の凹部１ａを流れる冷媒に加わる抵抗を低減できる。

メッキとして具体的には、無電解Ｎｉ、無電解Ｎｉ＋Ａｕ等を用いることができる。無電解Ｎｉ＋Ａｕメッキの場合は、無電解Ｎｉメッキと比べて、表面粗さをより微細化することが出来る点で好ましい。

誘電体基板１の破壊靭性強度は、５ＭＰａ以上であることが好ましい。５ＭＰａ以上とすることにより、第１の金属又は第２の金属と誘電体基板１との熱膨張係数差に起因した回路基板１０の疲労破壊を抑制できる。また、誘電体基板１でネジ止め固定した場合であっても、誘電体基板１に亀裂が生じることを抑制できる。

それゆえ、回路基板１０に大電流を流した場合であっても、亀裂等が生じる箇所を低減できるため、以って短絡電流等を抑制した回路基板１０を提供することができる。

なお、誘電体基板１の上記破壊靭性強度は、インシトロンジャパンカンパニイリミテッド社製・エンビロメンタル強度試験機８５６２型装置により測定することが可能である。

回路基板１０の破壊靱性強度を測定するためには、まずＪＩＳ Ｒ １６０７ファインセラミックスの破壊靭性試験方法に基づき、試験片を製作する。次にＪＩＳ Ｒ１６０７のＩＦ法（Ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ Ｆｒａｃｔｕｒｅ Ｍｅｔｈｏｄ）に従い、所定の試験治具を用いて測定を実施する。最後に、ＪＩＳ Ｒ １６０７に従い、測定にて得られた値を計算する。

以上のようにして、本実施形態にかかる誘電体基板１の破壊靭性強度を測定することができる。
（第１の金属板）
第１の金属板２は、例えば、銀、銅、又はアルミニウム等の導電体材料を用いることができる。特に、第１の金属板２として銅板を用いた場合には、銀板よりも低コストで、また、電気伝導率がアルミニウムよりも高いことから好適に第１の金属板２として利用することができる。

第１の金属板２は、第１の凹部１ａを覆うように、誘電体基板１の一主面に設けられるものである。

第１の凹部１ａの直上に位置する第１の金属板２の下面は、誘電体基板１の第１の凹部１ａに設けられたメッキと同一のメッキが施されていることが好ましい。この場合、単に第１の金属板２の腐食抑制を得られるだけではなく、冷媒流路を冷媒が流れる際に、冷媒流路の上部と下部とで潤滑性の差異を抑制できる。それゆえ、安定した冷媒の供給、排出を行うことができる。

冷媒流路は、誘電体基板１に設けられた第１の凹部１ａと、この第１の凹部１ａを覆う第１の金属板２とを具備する。

第１の金属板２は、後述する電子素子４が搭載されるべき搭載部２ａと、電子素子４と電気的に接続された回路部２ｂとを有することが好ましい。この場合、電子素子４と回路部２ｂとがボンディングワイヤ等の接続手段で電気的に接続されるため、仮に回路部２ｂで局所的に発熱等が生じた場合であっても、搭載部２ａと回路部２ｂとが接続されているため、安定して回路基板１０全体を冷却することができる。

誘電体基板１と第１の金属板２との接合方法は、活性金属法や、Ｍｏ−Ｍｎ法を用いることができる。すなわち、まず、誘電体基板１にチタン等の活性金属を含む化合物層（メタライズ層）を形成する。次いで、活性金属層と第１の金属板２との間にロウ材を設ける。
最後に、当該ロウ材を熱処理により溶融させて活性金属層と第１の金属板２とを接合する。

活性金属法は、Ｍｏ−Ｍｎ法と比較して、工法が容易、且つ、接続層を薄くできるため第１の金属板２と誘電体基板１との熱伝導を容易となるため好ましい。
（第２の金属板）
第２の金属板３は、誘電体基板１の他主面に設けられるものである。

第２の金属板３の材料は、第１の金属板２と同様の材料を用いることができる。

誘電体基板１と第２の金属板３との接合方法は、従来周知の活性金属法や、Ｍｏ−Ｍｎ法を用いることができる。

第２の金属板３は、第１の金属板２と比較して同一寸法とすることで、誘電体基板１の表裏における熱膨張のバランスをとり易く、接合信頼性が向上する点で好ましい。

また、第２の金属板３は、第１の金属板２と比較して面積を大きくした場合は、第２の金属板厚みより薄くすることが接合信頼性を向上させる点で好ましい。
（変形例）
以下、変形例について添付図面に基づき説明する。

第１変形例の回路基板１０を図３に示す。

第１変形例と本実施形態との相違点は、冷媒流路１ａの形状である。すなわち、第１変形例に示す回路基板１０では、その冷媒流路１ａの形状が、第１の凹部１ａの底部から第１の金属に向かって広がるものである。

第１変形例は、冷媒流路の断面積が、図２に示す実施形態と同一である場合、図２に示す実施形態よりも、冷媒流路１ａの底面と側壁面のなす角度が大きいので底面と側壁面のコーナー部に加わる応力が小さくなり、コーナー部にクラックが生じることを抑制できる。

なお、第１変形例に示す冷媒流路１ａの形状は、誘電体基板１をブラスト処理することにより容易に形成できるため、回路基板１０の大量生産に適する。また、ブラストにより形成した冷媒流路１ａは各コーナー部にＲが形成されるため、誘電体基板１の冷媒流路１ａの角部に応力が集中しにくいので好ましい。

次に、第２変形例の回路基板１０を図４（ａ）、図４（ｂ）に示す。

第２変形例と本実施形態との相違点は、誘電体基板１の形状である。すなわち、誘電体基板１に、搭載部２ａと回路部２ｂとの間に突出する凸部１ｂ、又は第２の凹部１ｃを有するものである。

この場合、図４（ａ）のように、搭載部２ａと回路部２ｂとの間に突出する凸部１ｂがある場合は、空間距離が向上するため、回路基板１０の絶縁性を向上させることができる。また、図４（ｂ）のように、搭載部２ａと回路部２ｂとの間に第２の凹部１ｃがある場合は、沿面距離が向上するため、回路基板１０の絶縁性を向上させることができる。

最後に、第３変形例の回路基板１０を図５に示す。

第３変形例と本実施形態との相違点は、冷媒流路の形成部位である。すなわち、凹部の形状は、溝状であり、搭載部２ａの周囲を囲うように配されてなることから、搭載部２ａから回路部２ｂへ誘電体基板１を介して熱伝導することを抑制できる。それゆえ、回路部２ｂにおける熱抵抗を低減し、以って、電力損失を抑制した回路基板１０とすることができる。

また、凹部の形状は、平面視して螺旋状に配されることが好ましく、電子素子４の過冷却を抑制できるため、安定した電子素子４の冷却を提供することができる回路基板１０とすることができる。

さらに、誘電体基板１は、一主面又は側面に、冷媒を供給するための供給口５と、該冷媒を排出するための排出口６とを有することが好ましく、回路基板１０や電子装置１００を外部回路基板等（不図示）に取り付けた後に、作業性良く冷媒流路に冷媒を供給することができる。また、当該構成によれば、回路基板１０への冷媒供給パイプ（不図示）又は冷媒排出パイプ（不図示）の取り付け、取り外し等が容易であるため、回路基板１０のメンテナンス等も容易に行うことができる。
＜電子装置＞
（電子素子）
電子素子４は、ＩＣ、ＬＳＩ、半導体レーザ（ＬＤ）、フォトダイオード（ＰＤ）等である。

特に、電子素子４として、ＳｉＣ半導体を用いた場合は、回路基板１０には、高電圧が印加され、当然、電子素子４の発熱も高いものとなる。本実施形態によれば、冷却媒体により発熱を抑制できるため、電子素子４の動作を一層安定したものとできる。

なお、電子素子４に３０Ａ以上の電流が流れる場合、本実施形態にかかる電子装置１００は特に有効である。すなわち、３０Ａ以上の電流が電子素子４に流れ、電子素子４が発熱した場合であっても、外部への熱放散を良好なものにできる。それゆえ、さらに安定した電子素子４の動作を得ることができる。

本実施形態にかかる電子装置を示す斜視図である。 本実施形態にかかる回路基板を示す断面構造図である。 第１変形例を示す断面構造図である。 第２変形例を示す断面構造図であり、（ａ）は、凸部を有するもの、（ｂ）は凹部を有するものである。 第３変形例を示す平面視した図である。 従来の半導体装置を示す断面構造図である。

符号の説明

１・・・・・誘電体基板
１ａ・・・第１の凹部
１ｂ・・・凸部
１ｃ・・・第２の凹部
２・・・・・第１の金属板
２ａ・・・搭載部
２ｂ・・・回路部
３・・・・・第２の金属板
４・・・・・電子素子
５・・・・・供給口
６・・・・・排出口
１０・・・・回路基板
１００・・・電子装置

Claims (10)

1. 一主面に冷媒流路となるべき第１の凹部を有する誘電体基板と、
   前記第１の凹部を覆うように、前記誘電体基板の一主面に設けられた第１の金属板と、
   を具備した回路基板。
2. 前記誘電体基板の他主面に第２の金属板をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の回路基板。
3. 前記第１の金属板は、電子素子が搭載されるべき搭載部と、前記電子素子と電気的に接続された回路部とを有するものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回路基板。
4. 前記誘電体基板は、前記搭載部と前記回路部との間に突出する凸部、又は第２の凹部を有することを特徴とする請求項３に記載の回路基板。
5. 前記第１の凹部は、前記搭載部の直下に設けられてなることを特徴とする請求項３に記載の回路基板。
6. 前記第１の凹部の形状は、前記第１の凹部の底部から前記第１の金属に向かって広がるものであることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の回路基板。
7. 前記第１の凹部の形状は、溝状であり、前記搭載部の周囲を囲うように配されてなることを特徴とする請求項３に記載の回路基板。
8. 前記第１の凹部の形状は、平面視して螺旋状に配されることを特徴とする請求項７に記載の回路基板。
9. 前記誘電体基板は、前記一主面又は側面に、前記冷媒を供給するための供給口と、該冷媒を排出するための排出口とを有することを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の回路基板。
10. 請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の回路基板と、
    前記第１の金属板の前記搭載部上に取着された電子素子と、
    を具備した電子装置。

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