JP2012074591A - 回路基板および電子装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回路基板において搭載部材に搭載される電子部品の実装信頼性を向上させること。
【解決手段】回路基板10は、絶縁基板１と、絶縁基板１の上面に設けられたろう材層２と、ろう材層２によって絶縁基板１の上面に接合されており電子部品20が搭載される搭載部材３とを備えている。搭載部材３は、金属から成る第１の部材31と、第１の部材31よりも小さい熱膨張係数を有しているとともに平面視において第１の部材31の中心部を囲むように第１の部材内31に設けられた第２の部材32とを含んでいる。
【選択図】図１

Description

本発明は、回路基板およびそれを用いた電子装置に関するものである。

パワーモジュールまたはスイッチングモジュール等の例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate
Bipolar Transistor）などの電子部品が搭載された電子装置に用いられる回路基板とし
て、絶縁基板の上面に例えば銅またはアルミニウム等から成る搭載部材および金属回路板が接合された回路基板が用いられる。電子装置において、電子部品は、金属板に搭載され、例えばボンディングワイヤによって金属回路板に電気的に接続される。

特開平9-69672号公報

パワーモジュールまたはスイッチングモジュール等の電子装置は、規定電流の増大化に関する開発が求められている。規定電流を増大させるためには、金属回路板および搭載部材を厚くする必要がある。電子部品が搭載される搭載部材を厚くする場合、熱による搭載部材の膨張または収縮の影響が大きくなり、電子装置における電子部品の実装に関する信頼性の低下につながる可能性がある。

本発明の一つの態様によれば、回路基板は、絶縁基板と、絶縁基板の上面に設けられたろう材層と、ろう材層によって絶縁基板の上面に接合されており電子部品が搭載される搭載部材とを備えている。搭載部材は、金属から成る第１の部材と、第１の部材よりも小さい熱膨張係数を有しているとともに平面視において第１の部材の中心部を囲むように第１の部材内に設けられた第２の部材とを含んでいる。

本発明の他の態様によれば、電子装置は、上記構成の回路基板と、回路基板の金属板に搭載された電子部品とを備えている。

本発明の一つの態様によれば、回路基板は、金属から成る第１の部材と、第１の部材よりも小さい熱膨張係数を有しているとともに平面視において第１の部材の中心部を囲むように第１の部材内に設けられた第２の部材とを含む搭載部材を備えといることによって、第１の部材に例えば銅またはアルミニウム等の比較的熱膨張係数の高い材料を用いた場合においても、第１の部材における熱的要因による膨張および収縮が制限され、搭載部材上に搭載される電子部品の実装信頼性に関して向上されている。

本発明の他の態様によれば、電子装置は、上記構成の回路基板を備えていることによって、搭載部材３に搭載された電子部品20の実装信頼性に関して向上されている。

（ａ）は本発明の第１の実施形態における電子装置を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示された電子装置のＡ−Ａにおける縦断面図である。 （ａ）は図１（ａ）に示された電子装置における回路基板を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示された回路基板のＡ−Ａにおける縦断面図である。 図２（ｂ）に示された回路基板において符号Ｂによって示された部分の拡大図である。 図３に示された部分の第１の他の例を示す縦断面図である。 図３に示された部分の第２の他の例を示す縦断面図である。 図３に示された部分の第３の他の例を示す縦断面図である。 図３に示された部分の第４の他の例を示す縦断面図である。 本発明の第２の実施形態における回路基板を示す平面図である。 本発明の第１および第２の実施形態における電子装置の他の例を示す縦断面図である。

以下、本発明のいくつかの例示的な実施形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１〜図３に示されているように、本発明の第１の実施形態における電子装置は、回路基板10と、回路基板10に実装された電子部品20とを備えている。

回路基板10は、絶縁基板１と、絶縁基板１の上面に設けられたろう材層２と、ろう材層２によって絶縁基板１の上面に接合された搭載部材３と、ろう材層２によって絶縁基板１の上面に接合された複数の金属回路板４とを備えている。回路基板10は、ろう材層２によって絶縁基板１の下面に接合された放熱板９をさらに備えている。

絶縁基板１は、例えば実質的にセラミック材料からなる。セラミック材料は、例えば、酸化アルミニウム質セラミックス，ムライト質セラミックス，炭化ケイ素質セラミックス，窒化アルミニウム質セラミックス，または窒化ケイ素質セラミックス等である。これらセラミック材料において、放熱性に影響する熱伝導性に関して、炭化ケイ素質セラミックス，窒化アルミニウム質セラミックス，または窒化ケイ素質セラミックスが好ましく、強度に関して、窒化ケイ素質セラミックスまたは炭化ケイ素質セラミックスが好ましい。絶縁基板１が窒化ケイ素質セラミックスのように比較的強度の高いセラミック材料からなる場合、より厚みの大きい搭載部材３、金属回路板４および放熱板９を用いたとしても絶縁基板１にクラックが入る可能性が低減されるので、小型化を図りつつより大きな電流を流すことができる回路基板10を実現することができる。

絶縁基板１の厚みが小さい方が、熱伝導性が向上される。絶縁基板１の厚みは、回路基板10の大きさまたは用いられる材料の熱伝導率または強度に応じて選択される。例示的な厚みは、0.1ｍｍ〜１ｍｍ程度である。

絶縁基板１は、例えば窒化ケイ素質セラミックスから成る場合であれば、窒化ケイ素，酸化アルミニウム，酸化マグネシウム，および酸化イットリウム等の原料粉末に適当な有機バインダー，可塑剤，および溶剤を添加混合して泥漿物に従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法を採用することによってセラミックグリーンシート（セラミック生シート）を形成し、次にこのセラミックグリーンシートに適当な打ち抜き加工を施して所定形状となすとともに、必要に応じて複数枚を積層して成形体となし、しかる後、これを窒化雰囲気等の非酸化性雰囲気にて1,600〜2,000℃の温度で焼成することによって製作される。

ろう材層２に用いられるろう材ペーストは、例えば搭載部材３、金属回路板４および放熱板９が銅を含む場合、銀および銅粉末，銀−銅合金粉末，またはこれらの混合粉末から成る銀ろう材（例えば、銀：72質量％−銅：28質量％）粉末に、チタン，ハフニウム，ジ
ルコニウムまたはその水素化物等の活性金属を銀ろう材に対して２〜５質量％添加混合し、適当なバインダーと有機溶剤および溶媒とを添加混合し、混練することによって製作される。接合温度またはろう材の硬度を低下させる目的でインジウム（Ｉｎ）またはスズ（Ｓｎ）を１〜10質量％程度添加しても良い。

ろう材層２に用いられるろう材ペーストは、例えば搭載部材３、金属回路板４および放熱板９がアルミニウムを含む場合は、銀ろう材に替えてアルミニウムろう材（例えば、アルミニウム：88質量％−シリコン：12質量％）を用いればよい。この場合も同様にして活性金属入りろう材ペーストを作製して、同様にして接合すればよい。アルミニウムろう材を使用した場合には、銅より低温の約600℃で接合することができる。

搭載部材３は、金属から成る第１の部材31と、第１の部材31よりも小さい熱膨張係数を有しているとともに平面視において第１の部材31の中心部311を囲むように第１の部材31
内に設けられた第２の部材32とを含んでいる。第２の部材32は、平面視において第１の部材31の中心部311を連続して囲んでいる。図２（ａ）において、中心部311は、破線によって示されている。

搭載部材３の第１の部材31は、例えば実質的に銅（Ｃｕ）またはアルミニウム（Ａｌ）から成る。第２の部材32の材料例は、ニッケル（Ｎｉ），鉄（Ｆｅ），モリブデン（Ｍｏ），タングステン（Ｗ），クロム（Ｃｒ），チタン（Ｔｉ），またはそれらを含む合金等の金属である。第２の部材32が金属から成る場合は、第２の部材32は、金属板をプレスまたはエッチング等の従来周知の方法によって加工することで形成される。第２の部材32の他の材料例は、酸化アルミニウム質セラミックス，ムライト質セラミックス，炭化ケイ素質セラミックス，窒化アルミニウム質セラミックス，または窒化ケイ素質セラミックス等のセラミックスである。これらセラミック材料において、放熱性に影響のある熱伝導性に関して、炭化ケイ素質セラミックス，窒化アルミニウム質セラミックス，または窒化ケイ素質セラミックスが好ましく、強度に関して、窒化ケイ素質セラミックスまたは炭化ケイ素質セラミックスが好ましい。

本実施形態における搭載部材３の第１の実施例について説明する。搭載部材３の第１の部材31は、例えば銅（熱膨張係数17×10^-6／Ｋ、熱伝導率393Ｗ／ｍ・Ｋ、ヤング率128ＧＰａ）が用いられる。搭載部材３の第２の部材32は、例えばスーパーインバー（Fe-32Ｎ
ｉ−５Ｃｏ、熱膨張係数0.5×10^-6／Ｋ、熱伝導率14Ｗ／ｍ・Ｋ、ヤング率136ＧＰａ）が用いられる。第２の部材32は、平面視において第１の部材31の中心部を囲むことができるように貫通孔を有している。この第２の部材32を搭載部材３より大きい寸法を有する平面状のめっき電極に貼り付け、電解めっきによって第２の部材32の厚みを超えるように銅めっきをかけ、めっき電極から外して第２の部材32が露出するまで研磨することによって、第１の部材31に第２の部材32が埋め込まれた搭載部材３が形成される。ここで、搭載部材３として、第１の部材31として銅を使い、その外寸を15ｍｍ×15ｍｍとし、第２の部材32としてスーパーインバーを使い、その外寸を13ｍｍ×13ｍｍ、幅1.5ｍｍの枠体と外寸７
ｍｍ×７ｍｍ、幅１ｍｍの枠体とし、第１の部材31の中心311を囲むように第２の部材32
を配置した場合に、搭載部材３の熱膨張係数は約10×10^-6／Ｋとなり、また搭載部材３の上下方向の熱伝導率は、約240Ｗ／ｍ・Ｋとなり、同じ体積比率となるように銅、スーパ
ーインバー、銅を2.2:3.1:2.2と平面状にクラッドした場合の熱膨張係数はほぼ同じとな
るが、平面状にクラッドした上下方向の熱伝導率が32Ｗ／ｍ・Ｋであることに比べ、大幅に熱伝導率を向上させることができる。これは、搭載部材３の上下方向には熱伝導率の高い第１の部材31が連続していることでなされるものである。これによって、第２の部材の熱伝導率が30Ｗ／ｍ・Ｋ以下と小さかったとしても、高熱伝導率で低熱膨張の搭載部材３とすることができるようになる。なお、第２の部材32を第１の部材31の中心311を円形に
囲んで形成すると、矩形の場合に発生する辺中央部とコーナー部に加わる応力の違いが無
くなり、全ての方向に等しく応力が加わるようになるので、第１の部材31の熱膨張係数を最も効果的に抑えることができると共に搭載部材３の特に第1の部材31の中心311の見かけの熱膨張係数の部位による変化を小さくできるので好ましい。また、第１の部材31の中心部は平面視でその上面に接合する電子部品より大きいと、電子部品で発生する熱が全面で第１の部材31を介して下面に効率的に伝導され、部分的に温度が上昇したりすることがないので好ましい。

本実施形態における搭載部材３の第２の実施例について説明する。第２の実施例の搭載部材３において、上述の第１の実施例の搭載部材３と異なる構成は、第２の部材32がセラミック材料から成ることである。その他の構成は、第１の実施例と同様である。第２の部材32は、絶縁基板１と同様にして作製することができる。セラミック材料から成る第２の部材32をチタン粒子が分散された水溶液に浸し第２の部材32の表面にチタン粒子を形成した後にこれを850℃程度で焼成し第２の部材32の表面にチタンを焼き付け、これに無電界
銅めっきを掛けることで第２の部材32の全面に銅を形成した後は、上記と同様にして電解銅めっきを厚く掛け、その後表面が平坦になるように研磨することで、搭載部材３を形成することができる。

本実施形態における搭載部材３の第３の実施例について説明する。第３の実施例の搭載部材３において、上述の第２の実施例の搭載部材３と異なる構成は、第１の部材31が例えばアルミニウムのように比較的融点の低い材料から成ることである。その他の構成は、第２の実施例と同様である。第２の部材32を上記のようにして作製した後に、複合金属板を内部に形成できる大きさの金型内に第２の部32を配置し、その後溶融した第１の部材31を充填することで搭載部材３を形成することができる。この場合も第１の部材31と第２の部材32の密着性が向上するように第２の部材32の表面を粗化したり、部材が酸化しないように窒素中で充填したりすることが好ましい。なお、第１の部材31を溶融させて搭載部材３を作製する例としては、第２の部材32がセラミックス、鉄、タングステン等の比較的融点が高い材料から成る場合、第１の部材31として銅を用いることも可能である。

再び図１および図２を参照して、金属回路板４および放熱板９は、銅またはアルミニウム等の金属から成り、例えば銅のインゴット（塊）に圧延加工法または打ち抜き加工法等の機械的加工、またはエッチング等の化学的加工のような金属加工法を施すことによって、例えば厚さが0.05〜１ｍｍの平板状で所定パターンに形成される。金属回路板４および放熱板９は、絶縁基板１と同程度の大きさおよび形状の金属部材を絶縁基板１に接合した後にエッチングで所定パターン形状に加工すると、高精度で精細なパターンを形成できるようになる。

金属回路板４および放熱板９が銅から成る場合は、無酸素銅によって形成されていることが好ましい。無酸素銅によって形成されていると、金属回路板４または放熱板９と絶縁基板１との接合を行なう際に、銅の表面が銅中に存在する酸素によって酸化されることが低減され、ろう材層２との濡れ性が良好となるので、金属回路板４または放熱板９と絶縁基板１との接合強度が向上される。

金属回路板４または放熱板９となる金属部材と絶縁基板１との接合は、金属部材および絶縁基板１の少なくとも一方における接合面にスクリーン印刷等でろう材ペーストを例えば30〜50μｍの厚さで所定パターンに印刷塗布して、所定の構造となるように金属部材によって絶縁基板１を挟んだ後、金属部材に５〜10ｋＰａの荷重をかけながら真空中または非酸化性雰囲気中で780℃〜900℃、10〜120分間加熱し、ろう材ペーストの有機溶剤、溶
媒、および分散剤を気体に変えて発散させるとともにろう材層２を溶融させることによって行なわれる。

金属部材を絶縁基板１に接合した後に、金属部材をエッチングによって金属回路板４および放熱板９の所定パターン形状に加工する場合は、例えば以下のようにする。絶縁基板１の上に接合された金属部材の表面にエッチングレジストインクをスクリーン印刷法等の技術を用いて所定パターン形状に印刷塗布してレジスト膜を形成した後、例えば金属部材が銅板である場合であれば、塩化第２鉄または塩化第２銅溶液等のエッチング液に浸漬したり、エッチング液を吹き付けたりして金属回路板４および放熱板９の所定パターン以外の部分を除去し、その後にレジスト膜を除去すればよい。金属部材がアルミニウムから成る場合、エッチング液の例は、塩化第２鉄および塩酸を含む混酸である。

搭載部材３は、絶縁基板１に接合した後に、その表面に導電性が高くかつ耐蝕性およびろう材との濡れ性が良好な金属をめっき法により被着させておくと、搭載部材３に半導体素子等の電子部品20を半田等のダイボンド材７を介して強固に接着させることができるとともに、搭載部材３と外部電気回路との電気的接続を良好なものとすることができる。この場合は、内部に燐を８〜15質量％含有させてニッケル−燐のアモルファス合金としておくと、ニッケルから成るめっき層の表面酸化を抑制してろう材との濡れ性等を長く維持することができるので好ましい。ニッケルに対する燐の含有量が８質量％以上15質量％以下であると、ニッケル−燐のアモルファス合金を形成しやすくなってめっき層に対する半田の接着強度を向上させることができる。このニッケルから成るめっき層は、その厚みが1.5μｍ以上であると、搭載部材３の表面を被覆しやすく、搭載部材３の酸化腐蝕を抑制す
ることができる。また、10μｍ以下であると、特に絶縁基板１の厚さが300μｍ未満の薄
いものになった場合には、めっき層の内部に内在する内在応力を低減させることができ絶縁基板１に生じる反りまたは割れ等を抑制することができる。搭載部材３にニッケル金属層を形成することによって、接合材４および枠体５における酸化腐食を抑制することができる。金属回路板４または放熱板９にも同様のニッケル金属層を形成しておくと、例えば外部回路基板または冷却体への接合が良好になるのでよい。

電子部品20は、ダイボンド材７によって搭載部材３に固定されており、複数のボンディングワイヤ８によって金属回路板４に電気的に接続されている。ダイボンド材７は、例えば、金属接合材または導電性樹脂から成る。金属接合材は、例えば、半田、金−スズ（Ａｕ−Ｓｎ）合金、またはスズ−銀−銅（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）合金等である。電子部品20は、例えば、トランジスタ、ＣＰＵ（Central Processing Unit）用のＬＳＩ（Large Scale
Integrated circuit）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、またはＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor - Field Effect Transistor）等の半導体素子
である。

本実施形態の回路基板10において、搭載部材３は、金属から成る第１の部材31と、第１の部材31よりも小さい熱膨張係数を有しているとともに平面視において第１の部材31の中心部311を囲むように第１の部材31内に設けられた第２の部材32とを含んでいることによ
って、本実施形態における回路基板10は、第１の部材31に例えば銅またはアルミニウム等の比較的熱膨張係数の高い材料を用いた場合においても、第１の部材31における熱的要因による膨張および収縮が制限され、搭載部材３上に搭載される電子部品20における実装信頼性に関して向上されている。

本実施形態において電子装置は、上記構成の回路基板10と、回路基板10の搭載部材３に搭載された電子部品20とを備えていることによって、搭載部材３に搭載された電子部品20における実装信頼性に関して向上されている。

本実施形態の回路基板10において、搭載部材３は、平面視において、金属から成る第１の部材31の中心部311を囲むように第１の部材31内に設けられた第２の部材32を含んでい
ることによって、比較的熱伝導率の高い第１の部材31が搭載部材３における熱伝導方向に
連続して形成されており、回路基板10は、例えば熱膨張率を調整することを目的に銅（Ｃｕ）とタングステン（Ｗ）とが混在された搭載部材に比べて放熱性に関して向上されている。搭載部材３における熱伝導方向とは下方向である。放熱性を向上させることを目的に、平面視において、第１の部材31における第２の部材32によって囲まれている領域は、電子部品20より大きい方が好ましい。

図４を参照して、搭載部材３の第１の他の例について説明する。第２の部材32は、第１の部材31の内部に埋設されている。第２の部材32と第１の部材31との接合面積が増大されていることによって、回路基板10は、第２の部材32と第１の部材31との密着性に関して向上されている。搭載部材３の上面の全領域において比較的熱伝導率の高い第１の部材31が形成されていることによって、回路基板10は、電子部品20によって発生される熱の伝導性に関して向上されている。第２の部材32に関して、“第１の部材31内に設けられた”とは、図４に示されているように第２の部材32の上端および下端が第１の部材31内に位置するような構造と、図３に示されているように第２の部材32の上端および下端が第１の部材31から露出されている構造とを含むものである。

図５を参照して、搭載部材３の第２の他の例について説明する。金属回路板４に比べて薄い搭載部材３とした場合には、熱膨張係数の小さな絶縁基板１の熱膨張係数の影響が搭載部材３の上面にも影響しやすくなるので、より電子部品20の破壊に影響の大きい搭載部材３の上側の膨張収縮を小さくすることができる様になる。この場合には、回路基板10の裏面に対しての熱伝導を考えた場合、搭載部材３の厚みが薄いほど熱抵抗は小さくなるため、回路基板10の放熱性が改善されるので、この点でも好ましい。

図６を参照して、搭載部材３の第３の他の例について説明する。第２の部材32を縦断面が上に行くほど大きくなるように形成し、その内部および周囲に第１の部材31を形成した場合には、電子部品20の破壊に影響の大きい搭載部材３の上側の膨張または収縮を第２の部材32によって、より小さく抑えることができる様になるので好ましい。

図７を参照して、搭載部材３の第４の他の例について説明する。第２の部材32を縦断面において下部が小さくなるような階段状に形成し、その内部および周囲に第１の部材31を形成した場合には、第１の部材31と第２の部材32の接合面積がより広くなることで、搭載部材３の上側の膨張または収縮を第２の部材32によってより小さく抑えることができる様になるので好ましい。

（第２の実施形態）
図８を参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態において第１の実施形態と異なる構成は、それぞれ第１の部材31の中心部311を囲んでいる複数の
第２の部材32が互いに結合されていることである。その他の構成は、第１の実施形態と同様である。本実施形態における回路基板10は、搭載部材３において応力の偏りが低減されていることによって、電子部品20の実装信頼性に関して向上されている。

図９に示されているように、上述の第１および第２の実施形態における構成は、絶縁基板１に形成されたメタライズ層11を有する電子装置においても適用が可能である。具体的には、電子装置は、絶縁基板１の上面および下面に形成された複数のメタライズ層11をさらに備えている。メタライズ層11は、焼成によって絶縁基板１と一体的に形成されている。

搭載部材３および複数の金属回路板４のそれぞれは、絶縁基板１の上面に形成されたメタライズ層11にろう材層２によって接合されている。ろう材層２が絶縁基板１の上面に設けられている構造とは、図９に示されているように、ろう材層２がメタライズ層11を介し
て絶縁基板１の上面に設けられている構造を含むものである。

放熱板９は、絶縁基板１の下面に形成されたメタライズ層11にろう材層２によって接合されている。ろう材層２が絶縁基板１の下面に設けられている構造とは、図６に示されているように、ろう材層２がメタライズ層11を介して絶縁基板１の下面に設けられている構造を含むものである。

回路基板10がメタライズ層11を有する場合、ろう材層２は活性金属を含まないものであってもよい。

１・・・・・絶縁基板
２・・・・・ろう材層
３・・・・・搭載部材
31・・・・・第１の部材
32・・・・・第２の部材
４・・・・・金属回路板
７・・・・・ダイボンド材
８・・・・・ボンディングワイヤ
９・・・・・放熱板
10・・・・・回路基板

Claims (2)

1. 絶縁基板と、
   該絶縁基板の上面に設けられたろう材層と、
   該ろう材層によって前記絶縁基板の前記上面に接合されており、電子部品が搭載される搭載部材とを備えており、
   該搭載部材は、金属から成る第１の部材と、該第１の部材よりも小さい熱膨張係数を有しているとともに平面視において前記第１の部材の中心部を囲むように前記第１の部材内に設けられた第２の部材とを含んでいることを特徴とする回路基板。
2. 請求項１に記載された回路基板と、
   該回路基板の前記搭載部材に搭載された電子部品とを備えたことを特徴とする電子装置。

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