JP2015070049A

JP2015070049A - 回路基板および電子装置

Info

Publication number: JP2015070049A
Application number: JP2013201729A
Authority: JP
Inventors: 浩二早川; Koji Hayakawa
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2015-04-13

Abstract

【課題】金属板の端部において銅板と絶縁基体との熱膨張差に起因する熱応力による絶縁基体のクラックや銅板の剥離を防止した信頼性の高い回路基板および電子装置を提供することにある。【解決手段】回路基板１は、絶縁基体３と、絶縁基体３上に接合された金属板２と、を有する回路基板１であって、金属板２は、絶縁基体３との接合表面に設けられた第１銅板２ａと、外表面に設けられた第２銅板２ｂと、第１銅板２ａと第２銅板２ｂとの間に設けられた低熱膨張板２ｃと、を有し、金属板２の端部Ａにおける銅板の体積に対する低熱膨張板２ｃの体積の比率は、金属板２の中央Ｂよりも大きい。【選択図】図１

Description

本発明は、回路導体等に用いられる回路基板および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、例えば、セラミックスから成る絶縁基体の主面に、２つの銅板に挟まれた低熱膨張板を有する金属板が接合された回路基板が用いられる。

特開平１−２４９６６９号公報

上記従来技術の回路基板においては、低熱膨張板により軽減されてはいたが、例えばセラミックスから成る絶縁基体と銅板との熱膨張差に起因する熱応力は依然として発生しやすかった。特に、絶縁基体側の銅板の端部には応力が集中しやすいので、その部分で絶縁基体にクラックが生じたり、あるいは銅板が剥離しやすくなっていた。

本発明の目的は、前記の問題を鑑みて、金属板の端部において銅板と絶縁基体との熱膨張差に起因する熱応力による絶縁基体のクラックや銅板の剥離を防止した信頼性の高い回路基板および電子装置を提供することにある。

本発明の一つの態様の回路基板は、絶縁基体と、該絶縁基体上に接合された金属板と、を有する回路基板であって、前記金属板は、前記絶縁基体との接合表面に設けられた第１銅板と、外表面に設けられた第２銅板と、前記第１銅板と前記第２銅板との間に設けられた低熱膨張板と、を有し、前記金属板の端部における銅板の体積に対する前記低熱膨張板の体積の比率は、前記金属板の中央よりも大きい。

本発明の一つの態様の電子装置は、上記構成の回路基板と、該回路基板に搭載された電子部品とを含んでいる。

本発明の回路基板によれば、金属板の端部における銅板の体積に対する低熱膨張板の体積の比率は、金属板の中央よりも大きいので、金属板の端部においては中央よりも低熱膨張板の影響が大きくなるため金属板の熱膨張が小さくなる。よって、金属板の端部においては、金属板と絶縁基体との熱膨張差に起因する熱応力が抑制される。従って、金属板の端部における金属板と絶縁基体との熱膨張差に起因する熱応力による絶縁基体のクラックや銅板の剥離を防止することができる。

本発明の電子装置によれば、上述の回路基板を有することから、絶縁基体のクラックや銅板の剥離を防止することができる。

本発明の実施形態の回路基板および電子装置を示す断面図である。本発明の実施形態の回路基板の他の例を示す断面図である。本発明の実施形態の回路基板の他の例を示す断面図である。本発明の実施形態の回路基板の他の例を示す断面図である。図１に示す回路基板の上面図の例である。図１に示す回路基板の上面図の他の例である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態における回路基板および電子装置について説明する。なお、図面において、回路基板および電子装置は、仮想のｘｙｚ空間内に設けられており、ｘｙ平面上に載置されている。また、本実施形態における上方、上面、上部とは仮想のｚ軸の正方向を示しており、下方、下面、下部とは仮想のｚ軸の負方向を示している。

図１に示す例においては、回路基板１は、絶縁基体３と、金属板２とを備えている。また、図１に示す例において、電子装置１０は、回路基板１と、電子部品４とを備えている。

絶縁基体３は、その主面に金属板２が接合されている。絶縁基体３は、電気絶縁材料からなり、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のセラミックスからなる。これらセラミック材料の中では放熱性に影響する熱伝導性の点に関して、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、強度の点に関して、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。

絶縁基体３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、金属板２と絶縁基体３との熱膨張率差に起因する熱応力により絶縁基体３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を実現することができる。

絶縁基体３の厚みは、薄い方が熱伝導性の点ではよく、例えば約0.1ｍｍ〜１ｍｍであ
り、回路基板１の大きさまたは用いる材料の熱伝導率または強度に応じて選択すればよい。

絶縁基体３は、例えば窒化ケイ素質セラミックスからなる場合であれば、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または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等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1600〜2000℃の温度で焼成することによって製作される。

金属板２は、絶縁基体３の主面に、例えば、Ａｇ−Ｃｕ系のろう材を介して接合されている。金属板２は、絶縁基体３との接合表面に設けられた第１銅板２ａと、外表面に設けられた第２銅板２ｂと、第１銅板２ａと第２銅板２ｂとの間に設けられた低熱膨張板２ｃと、を有している。

また、金属板２において、金属板２の端部Ａにおける銅板の体積に対する低熱膨張板２ｃの体積の比率は、金属板２の中央Ｂよりも大きい。図１に示す例においては、第１銅板
２ａおよび第２銅板２ｂよりも、低熱膨張板２ｃの端部が外側に突き出ており、この構成によって、前述した体積比率が実現されている。この構成によって、金属板２の端部Ａにおいては中央Ｂよりも低熱膨張板２ｃの影響が大きくなるため金属板２の熱膨張が小さくなる。よって、金属板２の端部Ａにおいては、金属板２と絶縁基体３との熱膨張差に起因する熱応力が抑制される。従って、金属板２の端部Ａにおける金属板２と絶縁基体３との熱膨張差に起因する熱応力による絶縁基体３のクラックや銅板２ａの剥離を防止することができる。

金属板２を構成する銅板２ａ、２ｂは平板状であり、その厚みは、例えば、10〜300μ
ｍである。銅板２ａ、２ｂは、電気抵抗が低く高熱伝導性を有するので、金属板２を構成する部材として好ましい。

銅板２ａ、２ｂは、例えば無酸素銅である。銅板２ａ、２ｂとして無酸素銅を用いた場合には、金属板２と絶縁基体３とを接合する際に、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るとともに、ろう材との濡れ性が良好となるので、金属板２と絶縁基体３との接合強度が向上される。

低熱膨張板２ｃは、銅（Ｃｕ）よりも熱膨張係数の小さい金属からなるものであり、例えば、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、またはＦｅ−Ｎｉ３６％等の金属材料を用いればよい。

また、ろう材が銅成分を有する場合には、ろう材および銅板２ａの両部材の接合部において互いの部材中の銅成分が拡散し合うことによって拡散層が形成されるので、金属板２およびろう材が互いに強固に接合されることとなり好ましい。

図１に示す例において、中央部の金属板２の上面には接合材を介して電子部品４が実装されており、この電子部品４は、他の金属板に、ボンディングワイヤ等の導電性接続材（不図示）によって接続される。このように、図１に示す例において、金属板２は、回路導体として機能している。また、金属板２は、回路導体に限らず、回路基板１に搭載される電子部品４のマウント用の金属部材、接地導体用の金属部材または放熱板等としても用いることができる。また、このように、金属板２は、例えば数十Ａ程度の比較的大きな電流を通電するための導電路、または放熱材として、セラミックス等からなる絶縁基体３に接合されて用いられる。

電子部品４は、例えば、トランジスタ、ＣＰＵ（Central Processing Unit）用のＬＳ
Ｉ（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。

電子部品４を金属板２に接合する接合材は、例えば、金属または導電性樹脂等からなる。この接合材は、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。

なお、金属板２の表面に、めっき法によってめっき膜を形成しても良い。この構成によれば、接合材との濡れ性が良好となるので電子部品４を金属板２の表面に強固に接合することができる。めっき膜は、導電性および耐食性が高い金属を用いれば良く、例えば、ニッケル、コバルト、銅、若しくは金、またはこれらの金属材料を主成分とする合金材料が挙げられる。めっき膜の厚みは、例えば1.5〜10μｍであれば良い。

また、めっき膜は内部にリンを含有することが好ましい。例えば、ニッケル−リンのア
モルファス合金のめっき膜であれば、ニッケルめっき膜の表面酸化を抑制して接合材等の濡れ性等を長く維持することができるので好ましい。また、ニッケルに対するリンの含有量が８〜15質量程度であると、ニッケル−リンのアモルファス合金が形成されやすくなって、めっき膜に対する接合材等の接着強度を更に向上させることができる。

金属板２を絶縁基体３に接合させるろう材は、前述したように、例えば、Ａｇ−Ｃｕ系の材料から成る。このろう材の厚みは、例えば約５〜100μｍ程度であればよい。

このろう材は、絶縁基体３に対して濡れることにより強固に接合されるために、例えば、チタン、ハフニウムおよびジルコニウムのうち少なくとも１種の活性金属材料を含有している。ろう材が活性金属材料を含有する場合、絶縁基体３との接合界面に活性金属材料が偏在した部分が形成される。また、このろう材は、例えば、Ｉｎ、Ｓｎのうち少なくとも１つを有していることが好ましい。

図２に示す例においても、図１に示す例と同様に、金属板２において、金属板２の端部Ａにおける銅板の体積に対する低熱膨張板２ｃの体積の比率は、金属板２の中央Ｂよりも大きくなっている。また、図２に示す例においては、第１銅板２ａおよび第２銅板２ｂの側面にそれぞれ窪みが設けられており、この構成によって、前述した体積比率が実現されている。この構成によって、金属板２の端部Ａにおける絶縁基体３との間の熱応力を低減し、絶縁基体３のクラックや銅板２ａの剥離を防止することができる。

図３に示す例においては、金属板２の側面が、絶縁基体３の主面に対して傾きを有している。また、この例においても、図２に示す例と同様に、第１銅板２ａおよび第２銅板２ｂの側面にそれぞれ窪みが設けられている。この構成により、金属板２において、金属板２の端部Ａにおける銅板の体積に対する低熱膨張板２ｃの体積の比率は、金属板２の中央Ｂよりも大きくなっている。

図２および図３に示す例のように、低熱膨張板２ｃは、端部において、上面の全面が第２銅板２ｂと接合されており、下面の全面が第１銅板２ａと接合されていることが好ましい。このような構成によれば、低熱膨張板２ｃによる低熱膨張の影響が、第１銅板２ａおよび第２銅板２ｂの端部にまで及ぶので、金属板２の熱応力の集中を軽減できる。

図４に示す例においては、第１銅板２ａおよび第２銅板２ｂよりも、低熱膨張板２ｃの端部が外側に突き出ており、かつ、上面視において第１銅板２ａの端部の位置は、２銅板２ｂの端部の位置と異なっている。熱応力は、第１銅板２ａの端部、および、２銅板２ｂの端部において最も大きくなりやすいので、上面視において両端部の位置が一致している場合には双方の端部にかかる熱応力が足し合わされて増大し、金属板２の端部が絶縁基体３から剥がれやすくなる。上記の構成によれば、上面視において第１銅板２ａの端部の位置は、２銅板２ｂの端部の位置と異なっているので、双方の端部にかかる熱応力を分散させることにより、金属板２の端部が絶縁基体３から剥がれることを抑制することができる。

次に、本発明の図１に示す例の実施形態に係る回路基板１の製造方法について説明する。

（１）まず、金属板２を準備する。この工程では、低熱膨張板２ｃの両主面に、第１銅板２ａ、第２銅板２をそれぞれ貼り合わせる。この貼り合わせは、熱もしくはクラッド加工による拡散接合法が用いられる。

（２）次に、ろう材を介して、金属板２を絶縁基体３に接合する。ろう材は、例えば、
銀、銅を主成分とし、さらにＴｉを含み、Ｉｎ、又はＳｎによって融点を７９０℃程度に調整したものが用いられる。このようなろう材を金属板２の一方主面に塗布し、当該一方主面側を、ろう材を介して絶縁基体３主面に当接させる。このようにして得られた積層体を、真空炉内に載置し、真空状態において８３０℃程度で熱処理を行う。これにより、ろう材が固化し、結果、金属板２が絶縁基体３に接合される。

（３）次に、金属板２をエッチングすることによって、図１〜４に示す例のような端面を有する金属板２を形成する。エッチング処理工程においては、まず、金属板２の上側主面にマスキングを施し、金属板２の端面のみが露出している状態とする。

図１に示す例の金属板２とするためには、まず、第１銅板２ａ、第２銅板２ｂ、および低熱膨張板２ｃ全体について第１エッチング処理を行う。この際のエッチング液としては、低熱膨張板２ｃがＭｏである場合には例えば硝酸を用い、低熱膨張板２ｃがＦｅ−Ｎｉ３６％である場合には例えば塩化第二鉄を用いる。第１エッチング処理後には、金属板２の端面はほぼ面一となる。

次に、第２エッチング処理としてシャワーエッチングを用い、第１銅板２ａ、第２銅板２ｂだけを選択的にエッチングする。シャワーエッチングを施した場合、エッチング液の循環がスムーズなので第１銅板２ａ、第２銅板２ｂの端部を、低熱膨張板２ｃに比べて全体的に後退させることができる。よって、図１に示す例のように、低熱膨張板２ｃが第１銅板２ａ、第２銅板２ｂと比較して外側に突き出た状態となる。なお、第２エッチング処理に用いるエッチング液は、銅板のみを選択的にエッチングするよう、所定のエッチング液を用いることとする。例えば、低熱膨張板２ｃがＭｏである場合には、銅板のみを選択的にエッチングするため、例えば塩化第二鉄を用いる。

図２に示す例の金属板２とするためには、まず、図１に示す例と同様に、まず第１エッチング処理を行う。その後、２エッチング処理としてディッピングエッチングを用い、第１銅板２ａ、第２銅板２ｂだけを選択的にエッチングする。ディッピングエッチングを施した場合、シャワーエッチングよりもエッチング液の循環がスムーズでないため、エッチングの進行が遅くなる。よって、第１銅板２ａ、第２銅板２ｂの端部が全体的に後退するのではなく、図２に示す例のように、第１銅板２ａ、第２銅板２ｂの端面に窪みができたような構成となる。なお、第２エッチング処理に用いるエッチング液は、図１に示す例の第２エッチング処理で用いたものと同様とする。

図３に示す例の金属板２とするためには、まず、図１に示す例と同様に、まず第１エッチング処理を行う。この第１エッチング処理は、図１の場合の第１エッチング処理よりエッチングの時間を短くする。これにより、金属板の下方ではエッチングが進まないまま処理が終わってしまうので、図３に示す例のように金属板２の端面に勾配ができる。その後、第２エッチング処理として、図２の場合の第２エッチング処理と同様のエッチングを行う。

図４に示す例の金属板２とするためには、図１の場合と同様の第１エッチング処理、および第２エッチング処理を行う。その後、同様の第２エッチング処理を再度行う。金属板２上方側にある第２銅板２ｂでは第１銅板２ａ側よりもエッチング液の循環がよりスムーズなので、第２銅板２ｂは第１銅板２ａよりも端部が後退し、図４に示す例のような端面となる。

図１〜図４の例の回路基板１の形成は、上記の製造方法に限られない。例えば、予め端部が後退した銅板、予め端面に窪みを有する銅板、または、予め端面に勾配を有する銅板および低熱膨張板を準備し、それらを貼り合わせた後に絶縁基体３に接合して回路基板１
を形成しても良い。この場合には、エッチング処理を接合後に行う必要がなくなる。

次に、本発明の回路基板１の上面視における構成を説明する。図５は、図１に示す回路基板１の上面図の例である。図１に示す例の金属板２では、第１銅板２ａおよび第２銅板２ｂよりも、低熱膨張板２ｃの端部が外側に突き出ている。金属板２は、この構成的特徴を、金属板２の全周で有していることが好ましいが、さらには、図５に示す金属板２の角部周辺（Ｘ部分）において、銅板の体積に対する低熱膨張板２ｃの体積の比率が、Ｘ部分以外より大きいことが好ましい。つまり、Ｘ部分における低熱膨張板２ｃが外方に突き出ている部分の長さが、Ｘ部分以外より長くなっていることが好ましい。これにより、金属板２の全周で熱応力を緩和できるとともに、熱応力が特に集中しやすい金属板２の角部にて効率的に熱応力を緩和できる。また、図２〜図４の例においても、同様に、Ｘ部分における銅板の体積に対する低熱膨張板２ｃの体積の比率が、Ｘ部分以外より大きいことが好ましい。

また、図６に示す例のように、図５で説明したような金属板２の角部（Ｘ部分）が、上面視において丸みを帯びている場合には、熱応力の集中をさらに防止しやすくなる。

図５、６の例は、図１だけでなく、図２〜図４に示す例の回路基板１であっても良いものとする。

なお、本発明の金属板等は上記実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内であれば種々の変更は可能である。

例えば、図１〜図４に示した金属板２は、３層構造であったが、５層構造、または、それ以上の層数であっても良い。金属板２が５層構造である場合、例えば、金属板２は、絶縁基体３との接合表面に設けられた第１銅板と、外表面に設けられた第２銅板と、第１銅板と第２銅板との間に設けられた第３銅板とを有しており、かつ、第１銅板と第３銅板との間に第１低熱膨張板が設けられ、第２銅板と第３銅板との間に第２低熱膨張板が設けられていても良い。

１・・・回路基板
２・・・金属板
２ａ・・・第１銅板
２ｂ・・・第２銅板
２ｃ・・・低熱膨張板
３・・・絶縁基体
４・・・電子部品
５・・・電子装置

Claims

絶縁基体と、
該絶縁基体上に接合された金属板と、を有する回路基板であって、
前記金属板は、
前記絶縁基体との接合表面に設けられた第１銅板と、
外表面に設けられた第２銅板と、
前記第１銅板と前記第２銅板との間に設けられた低熱膨張板と、を有し、
前記金属板の端部における銅板の体積に対する前記低熱膨張板の体積の比率は、前記金属板の中央よりも大きい
回路基板。
前記金属板の端部において、前記第１銅板、前記第２銅板の少なくとも一方の端面に窪みが設けられている
請求項１記載の回路基板。
前記金属板の端部において、前記低熱膨張板が、前記第１銅板および前記第２銅板よりも外側に突き出ている
請求項１または請求項２記載の回路基板。
請求項１乃至３のいずれかに記載の回路基板と、
該回路基板に搭載された電子部品と、を含んでいる
電子装置。