JP2022000871A - 電気回路基板及びパワーモジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】配線材としての金属板が絶縁基板にろう材により接合された電気回路基板において、絶縁基板上で隣接する配線間の放電と、配線へのろう材の這い上がりを抑制して、配線間の狭ギャップ化を図る。【解決手段】電気回路基板は、絶縁基板1と、絶縁基板にろう材3で接合されている金属板2とを備える。金属板の側面であって少なくとも互いに対向配置される2つの側面21には、ろう材によって絶縁基板と金属板とが接合する接合面11,29に略平行に延在する溝24が形成されている。【選択図】図2
Description
本開示は、配線材としての金属板が絶縁基板にろう材により接合された電気回路基板及びこれを用いたパワーモジュールに関するものである。
従来、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の電子部品が搭載されたパワーモジュール等の電子装置に用いられる電気回路基板として、例えば、セラミック焼結体等からなる絶縁基板の上面に銅等の金属材料からなる金属板が接合された電気回路基板が用いられている。
金属板を打ち抜き加工で作製して、絶縁基板の上面に対して垂直な側面を有する金属板とすることで、金属板(の側面)同士の間隔を小さくすること(狭ギャップ化)が行なわれている(例えば、特許文献1を参照。)。
絶縁基板と金属板との接合は、金属板をろう材を介して絶縁基板に積層し、ろう付けすることで行われる。
特許文献2に記載の発明にあっては、打ち抜き加工により形成されるバリをセラミック基板に押圧した状態でろう付けし、同打ち抜き加工による金属板の側面の破断面の表面粗さを利用してろう材の這い上がりを防止する。
金属板を打ち抜き加工で作製して、絶縁基板の上面に対して垂直な側面を有する金属板とすることで、金属板(の側面)同士の間隔を小さくすること(狭ギャップ化)が行なわれている(例えば、特許文献1を参照。)。
絶縁基板と金属板との接合は、金属板をろう材を介して絶縁基板に積層し、ろう付けすることで行われる。
特許文献2に記載の発明にあっては、打ち抜き加工により形成されるバリをセラミック基板に押圧した状態でろう付けし、同打ち抜き加工による金属板の側面の破断面の表面粗さを利用してろう材の這い上がりを防止する。
近年、パワーモジュールは高放熱化、高密度化が要求されており、それに伴いパワーモジュール用の電気回路基板における導体厚の増大、配線間の狭ギャップ化が求められる。
狭ギャップ化を進めるには、セラミックス基板上の同一面に配置される対向した配線間にかかる電位差による放電を抑制することも重要となる。
打ち抜き加工の破断面の表面粗さを利用したろう材の這い上がり防止では破断面の起伏が特異点となりこの部分を起点として放電が発生し電気回路基板としての適性な使用を阻害することがあった。
狭ギャップ化を進めるには、セラミックス基板上の同一面に配置される対向した配線間にかかる電位差による放電を抑制することも重要となる。
打ち抜き加工の破断面の表面粗さを利用したろう材の這い上がり防止では破断面の起伏が特異点となりこの部分を起点として放電が発生し電気回路基板としての適性な使用を阻害することがあった。
本開示の1つの態様の電気回路基板は、絶縁基板と、前記絶縁基板にろう材で接合されている金属板とを備え、前記金属板の側面であって少なくとも互いに対向配置される2つの側面には、前記ろう材によって前記絶縁基板と前記金属板とが接合する接合面に略平行に延在する溝が形成されている。
本開示の電気回路基板によれば、上記溝がろう材の這いあがりを遮断するように延在するからろう材の這い上がりが抑えられ、上記溝はスパイク状の放電特異点を構成しないことから絶縁基板上で隣接する配線間の放電が抑えられ、配線間の狭ギャップ化を図ることができる。
本開示の実施形態の電気回路基板及びパワーモジュールについて図面を参照して説明する。なお、以下の説明における上下の区別は便宜的なものであり、実際に電気回路基板が使用される際の上下を限定するものではない。
〔電気回路基板〕
本実施形態の電気回路基板10は、図1および図2に示す例のように、絶縁基板1と、絶縁基板1の主面(上下面)にろう材3で接合されている金属板2,4とを備えている。
図1に示すように絶縁基板1の上側には金属板2,2の2つの側面21,21が対向配置される部位Eが構成されている。部位Eを拡大して図2に示す。図3には金属板2の側面21を含む端部の斜視図を示す。ろう材3によって絶縁基板1と金属板2とが接合する接合面(絶縁基板1の上面11と金属板2の下面29)に平行な2次元座標をXYとし、これに垂直な厚み方向の座標をZとする。
金属板2の側面21は、絶縁基板1から離れた側(上側)に配置された垂直面22と、垂直面22に連続して絶縁基板1に近い側(下側)に配置された傾斜面23とにより構成される。
金属板2の側面21には、XY平面に略平行に延在する溝24が形成されている。溝24は、垂直面22に形成されている。溝24が形成された領域は、傾斜面23に隣接した領域である。溝24が形成された領域は接合面、すなわち、金属板2の下面29から離れている。
本実施形態の電気回路基板10は、図1および図2に示す例のように、絶縁基板1と、絶縁基板1の主面(上下面)にろう材3で接合されている金属板2,4とを備えている。
図1に示すように絶縁基板1の上側には金属板2,2の2つの側面21,21が対向配置される部位Eが構成されている。部位Eを拡大して図2に示す。図3には金属板2の側面21を含む端部の斜視図を示す。ろう材3によって絶縁基板1と金属板2とが接合する接合面(絶縁基板1の上面11と金属板2の下面29)に平行な2次元座標をXYとし、これに垂直な厚み方向の座標をZとする。
金属板2の側面21は、絶縁基板1から離れた側(上側)に配置された垂直面22と、垂直面22に連続して絶縁基板1に近い側(下側)に配置された傾斜面23とにより構成される。
金属板2の側面21には、XY平面に略平行に延在する溝24が形成されている。溝24は、垂直面22に形成されている。溝24が形成された領域は、傾斜面23に隣接した領域である。溝24が形成された領域は接合面、すなわち、金属板2の下面29から離れている。
垂直面22は、打ち抜き加工によるせん断面であり、図3に示すようにZ方向に走る加工痕25が付けられている。
傾斜面23は、面取り加工面である。すなわち、側面21の溝24が形成された領域と金属板2の下面29との間に配置される金属板2の角部は面取り加工された面取り加工面であり、この面取り加工面は、金属板2の下面29に対して斜めの傾斜面23である。
また、面取り加工としては、押し潰しによる面取り加工を適用したものである。したがって、傾斜面23は、押し潰しによる加工面である。溝24は、傾斜面23の押し潰し面取り加工時に生じた皺によるものである。
傾斜面23は、面取り加工面である。すなわち、側面21の溝24が形成された領域と金属板2の下面29との間に配置される金属板2の角部は面取り加工された面取り加工面であり、この面取り加工面は、金属板2の下面29に対して斜めの傾斜面23である。
また、面取り加工としては、押し潰しによる面取り加工を適用したものである。したがって、傾斜面23は、押し潰しによる加工面である。溝24は、傾斜面23の押し潰し面取り加工時に生じた皺によるものである。
垂直面22のうち溝24が形成された領域以外をせん断部26とする。せん断部26にZ方向に走る加工痕25が残っている。また、溝24が形成された領域を皺部27、傾斜面23をC面部として、図4に掲載した表に表面粗さの測定例を示す。ここで、表面粗さは、平均粗さRa(単位:μm)であり、レーザー顕微鏡を用いて測定することができる。例えば、キーエンス社製のレーザー顕微鏡(KV9510)を用いて、測定レンジが50μm、カットオフが0.08mm、測定ピッチが0.05μmの条件で測定することができる。
皺部27におけるZ方向の表面粗さは、同皺部27のX方向の表面粗さより大きい。図4の例では、平均値で前者が0.42μmに対して後者が0.28μmである。これは、Z方向が溝24を横断する方向であり起伏が激しくなるのに対して、X方向が溝24に沿った方向であり起伏が小さくなるためである。かかる構造により、ろう付けの際に皺部27に達したろう材3は、表面粗さの小さいX方向(またはY方向)へ濡れ広がりやすくなるので、ろう材3のZ方向への這い上がりが抑えやすくなる。
せん断部26では、Z方向に走る加工痕25に起因して、Z方向の表面粗さが比較的小さく、X方向の表面粗さが比較的大きい。しかし、せん断部26では、皺部27の表面粗さより小さく抑えられており滑らかな面が得られている。
C面部(傾斜面23)では面取り加工によって、せん断部26よりもさらに表面粗さが小さく抑えられており、さらに滑らかな面が得られている。C面部(傾斜面23)は面取り加工によって、Z方向の表面粗さと、X方向の表面粗さとの差がほぼ解消されている。
皺部27におけるZ方向の表面粗さは、同皺部27のX方向の表面粗さより大きい。図4の例では、平均値で前者が0.42μmに対して後者が0.28μmである。これは、Z方向が溝24を横断する方向であり起伏が激しくなるのに対して、X方向が溝24に沿った方向であり起伏が小さくなるためである。かかる構造により、ろう付けの際に皺部27に達したろう材3は、表面粗さの小さいX方向(またはY方向)へ濡れ広がりやすくなるので、ろう材3のZ方向への這い上がりが抑えやすくなる。
せん断部26では、Z方向に走る加工痕25に起因して、Z方向の表面粗さが比較的小さく、X方向の表面粗さが比較的大きい。しかし、せん断部26では、皺部27の表面粗さより小さく抑えられており滑らかな面が得られている。
C面部(傾斜面23)では面取り加工によって、せん断部26よりもさらに表面粗さが小さく抑えられており、さらに滑らかな面が得られている。C面部(傾斜面23)は面取り加工によって、Z方向の表面粗さと、X方向の表面粗さとの差がほぼ解消されている。
以上のような溝24が形成された皺部27があることによって、ろう付けの際のろう材3の這い上がりが抑えられる。溝24はろう材3が這い上がる方向Zに対して垂直な、ろう材3の這い上がりを遮断する方向に延在するから、ろう材3の這い上がりが抑えられる。溝24内まで這い上がったろう材3は、溝24に沿ってX方向またはY方向へ広がりやすいので、Z方向への這い上がりをより抑えやすい。また、金属板2の側面21におけるろう材3の這い上がり高さ(Z方向寸法)が周方向(X方向およびY方向)の各位置で同程度になり易いので、金属板2と絶縁基板1との接合強度にむらが発生し難い。そのため金属板2と絶縁基板1との接合信頼性が高い回路基板10となる。
また、溝24はろう材3が這い上がる方向Zに複数本が存在している。複数の溝24が存在することで金属板2の側面21においてZ方向に凹凸が形成され、Z方向においてある程度の表面粗さを有するものとなっている。複数の溝24が形成されることで皺部27が構成されているので、ろう材3の這い上がりが確実に抑えられる。溝24の金属板2の側面21における開口幅は0.05μm〜0.8μmである。このように小さい幅の溝24であるので、金属板2の側面21においてZ方向に0.5μm〜30μmの間隔で複数本(例えば、5本〜15本)の溝24を設けることができる。
また、溝24は長く延在する構造であり、1点で尖るようなスパイク状の放電特異点とならず、絶縁基板1上で隣接する配線間の放電が抑えられ、配線間の狭ギャップ化を図ることができる。図5は従来の電気回路基板における金属板の側面のうち破断面の領域の断面を示す縦断面図であり、図6は本実施形態の電気回路基板10における金属板2の側面21のうち皺部27の断面を示す縦断面図である。従来の破断面の表面は先端が鋭くとがっているのに対して、皺部27においてはこのように鋭く尖ることなく凹凸が形成されている。
溝24はろう材3が這い上がる方向Zに対して垂直なX方向およびY方向に延在する構造である。1本の溝24の長さは問わない。1本の溝24の長さは、例えば、金属板2の1辺の長さよりも短くてもよい。この場合でも、互いに端点の異なる複数本の溝24がZ方向に並列しながら長手方向に連なって皺部27が延設されていれば、任意の1本の溝24が途切れた部分のZ方向の少なくともいずれか一方の隣には他の溝24が存在するからである。
以上のろう材の這い上がりと放電とを抑制する効果を得るためには、溝24が形成された領域(皺部27)におけるZ方向の表面粗さが、同領域のX方向の表面粗さより大きければよいが、より好ましくはZ方向の表面粗さを0.3μm以上とするとともに、X方向の表面粗さを0.15μmから0.4μmとする。
また、溝24はろう材3が這い上がる方向Zに複数本が存在している。複数の溝24が存在することで金属板2の側面21においてZ方向に凹凸が形成され、Z方向においてある程度の表面粗さを有するものとなっている。複数の溝24が形成されることで皺部27が構成されているので、ろう材3の這い上がりが確実に抑えられる。溝24の金属板2の側面21における開口幅は0.05μm〜0.8μmである。このように小さい幅の溝24であるので、金属板2の側面21においてZ方向に0.5μm〜30μmの間隔で複数本(例えば、5本〜15本)の溝24を設けることができる。
また、溝24は長く延在する構造であり、1点で尖るようなスパイク状の放電特異点とならず、絶縁基板1上で隣接する配線間の放電が抑えられ、配線間の狭ギャップ化を図ることができる。図5は従来の電気回路基板における金属板の側面のうち破断面の領域の断面を示す縦断面図であり、図6は本実施形態の電気回路基板10における金属板2の側面21のうち皺部27の断面を示す縦断面図である。従来の破断面の表面は先端が鋭くとがっているのに対して、皺部27においてはこのように鋭く尖ることなく凹凸が形成されている。
溝24はろう材3が這い上がる方向Zに対して垂直なX方向およびY方向に延在する構造である。1本の溝24の長さは問わない。1本の溝24の長さは、例えば、金属板2の1辺の長さよりも短くてもよい。この場合でも、互いに端点の異なる複数本の溝24がZ方向に並列しながら長手方向に連なって皺部27が延設されていれば、任意の1本の溝24が途切れた部分のZ方向の少なくともいずれか一方の隣には他の溝24が存在するからである。
以上のろう材の這い上がりと放電とを抑制する効果を得るためには、溝24が形成された領域(皺部27)におけるZ方向の表面粗さが、同領域のX方向の表面粗さより大きければよいが、より好ましくはZ方向の表面粗さを0.3μm以上とするとともに、X方向の表面粗さを0.15μmから0.4μmとする。
図2に示すように面取り加工面(傾斜面23)にろう材3が這い上がるが、面取り加工面(傾斜面23)が配線間の領域20に対して後退している(垂直面22より後退している)ので、絶縁基板1上におけるろう材3の縁と隣接するろう材3の縁との間隔が確保され、配線間の狭ギャップ化を図ることができる。かかる作用効果を得るためには、本実施形態に拘わらず、皺部27と下面29との間の面取り加工面は、必ずしも傾斜面(C面)とする必要は無く、R面でもよい。但し、R面と比較してC面すなわち傾斜面とすることで、ろう材3がたまる空間がより大きくなり、配線間をより狭ギャップにすることができる。
上述した例のように傾斜面23は、側面21のうちで最も表面粗さが小さい。そのため、ろう付けの際に傾斜面23にろう材3が濡れやすく、ろう材3の側面31が大きなメニスカス形状を形成し、傾斜面23下の領域にろう材3を蓄えやすくなる。その結果、絶縁基板1上におけるろう材3の縁と隣接するろう材3の縁との間隔がさらに大きく確保され、さらなる配線間の狭ギャップ化を図ることができる。
傾斜面23は表面粗さが小さいのでろう材の濡れ性が高いが、傾斜面23より上方に位置する傾斜面23より表面粗さの大きい皺部27の溝24によってろう材3の這い上がりが抑止される。傾斜面23のZ方向の表面粗Raさは0.15μm以下であるとより濡れ性が良好となる。上述したように、面取り加工としては、押し潰しによる面取り加工を適用した。切削加工により面取り加工をすると切削による傷で表面粗さが粗くなる。表面粗さを小さくするには研磨等が必要である。押し潰しでは面取り加工前の表面粗さが大きくなり難く、容易に皺部27より粗さを小さくできる。
絶縁基板1に金属板2をろう付けした後、図2に示すように傾斜面23及びろう材3の側面31の部分は、垂直面22に対して凹んでいるので、配線間の領域20にも充填され封止樹脂が引き剥がれにくくなり、電気回路基板10に対する封止樹脂の接合性が良好である。
上述した例のように傾斜面23は、側面21のうちで最も表面粗さが小さい。そのため、ろう付けの際に傾斜面23にろう材3が濡れやすく、ろう材3の側面31が大きなメニスカス形状を形成し、傾斜面23下の領域にろう材3を蓄えやすくなる。その結果、絶縁基板1上におけるろう材3の縁と隣接するろう材3の縁との間隔がさらに大きく確保され、さらなる配線間の狭ギャップ化を図ることができる。
傾斜面23は表面粗さが小さいのでろう材の濡れ性が高いが、傾斜面23より上方に位置する傾斜面23より表面粗さの大きい皺部27の溝24によってろう材3の這い上がりが抑止される。傾斜面23のZ方向の表面粗Raさは0.15μm以下であるとより濡れ性が良好となる。上述したように、面取り加工としては、押し潰しによる面取り加工を適用した。切削加工により面取り加工をすると切削による傷で表面粗さが粗くなる。表面粗さを小さくするには研磨等が必要である。押し潰しでは面取り加工前の表面粗さが大きくなり難く、容易に皺部27より粗さを小さくできる。
絶縁基板1に金属板2をろう付けした後、図2に示すように傾斜面23及びろう材3の側面31の部分は、垂直面22に対して凹んでいるので、配線間の領域20にも充填され封止樹脂が引き剥がれにくくなり、電気回路基板10に対する封止樹脂の接合性が良好である。
上述したように溝24が形成された領域(皺部27)が接合面、すなわち、金属板2の下面29から離れていれば、溝24と下面29との間の角に面取り加工を施さないで実施してもよい。その場合でも、金属版2の側面21において溝24が形成された領域(皺部27)まではろう材3が濡れ拡がるので、側面21から絶縁基板1上にかけて、ろう材3のフィレット部が形成される。フィレット部は凹曲面のいわゆるメニスカス形状であり、比較的大きいフィレット部が形成されることで熱応力が緩和され、金属板の接合信頼性が向上する。
〔電気回路基板の製造方法〕
次に、本実施形態の電気回路基板10の製造方法につき図面を参照して説明する。
金属板2は大型の金属からなる板状母材をプレス加工することで作製することができる。一枚の大型の板状母材から複数の金属板2を打ち抜き加工することで生産性を高めることができる。さらには帯状の板状母材を用いて順送プレス設備等を適用して連続的にプレス加工することでさらに効率よく製造することができコストダウンを図れる。
次に、本実施形態の電気回路基板10の製造方法につき図面を参照して説明する。
金属板2は大型の金属からなる板状母材をプレス加工することで作製することができる。一枚の大型の板状母材から複数の金属板2を打ち抜き加工することで生産性を高めることができる。さらには帯状の板状母材を用いて順送プレス設備等を適用して連続的にプレス加工することでさらに効率よく製造することができコストダウンを図れる。
単純な四角形の金属板2をプレス加工により面取り加工も行って切り出す場合につき説明する。金属板2は、配線設計に応じて様々な形状、数とされる。
各工程における断面を図7、図8、図9に示す。
各工程における断面を図7、図8、図9に示す。
まず、プレス機により金属板2の辺を打ち抜く。すると図7に示すように、抜き落とし側の角にバリ45が生じ、側面の抜き落とし側に破断面が生じる。
次のプレスにより、上記の傾斜面23を押し潰し加工する面(プレス方向に対して傾斜した面)を有したプレス型46により、バリ45が生じた角をプレス加工し、傾斜面23を形成する(図8参照)。これによりバリ45および破断面を潰して平滑な面を得る。本プレス工程により、平滑な傾斜面23を得るとともに、上述した皺部27を形成する。
以上により図9に示すような断面の金属板2が形成される。
その後、金属板2の傾斜面23が形成された側の一主面(下面29)を接合面として、絶縁基板1にろう材3を介して接合する。
バリ45を潰して傾斜面23を形成する加工は、金属板2の全周に亘り施すことが望ましい。金属板2の側面であって少なくとも互いに対向配置される2つの側面には同加工を施す。
次のプレスにより、上記の傾斜面23を押し潰し加工する面(プレス方向に対して傾斜した面)を有したプレス型46により、バリ45が生じた角をプレス加工し、傾斜面23を形成する(図8参照)。これによりバリ45および破断面を潰して平滑な面を得る。本プレス工程により、平滑な傾斜面23を得るとともに、上述した皺部27を形成する。
以上により図9に示すような断面の金属板2が形成される。
その後、金属板2の傾斜面23が形成された側の一主面(下面29)を接合面として、絶縁基板1にろう材3を介して接合する。
バリ45を潰して傾斜面23を形成する加工は、金属板2の全周に亘り施すことが望ましい。金属板2の側面であって少なくとも互いに対向配置される2つの側面には同加工を施す。
以上の実施形態において絶縁基板1は、セラミック焼結体からなり、高い機械的強度および高い伝熱特性(冷却特性)などの特性を有するものがよい。セラミック焼結体としては、公知の材料を用いることができ、例えば、アルミナ(Al2O3)質焼結体、窒化アルミニウム(AlN)質焼結体、窒化ケイ素(Si3N4)質焼結体および炭化珪素(SiC)質焼結体などを用いることができる。このような絶縁基板1は、公知の製造方法によって製造することができ、例えば、アルミナ粉末に焼結助剤を添加した原料粉末に有機バインダー等を加えて混練して、基板状に成形したのち、焼成することで製造することができる。
金属板2は、電気回路基板10において、電子部品が搭載され、電子部品を外部電気回路に電気的に接続するための回路導体として、あるいは電子部品に発生する熱を放熱する放熱板として機能する。そのため、その形状は特に定まったものはなく、配線設計に応じて設定されるものである。金属板2の厚みは、電気抵抗や強度、放熱性を考慮して、例えば、0.2mm〜2.0mmに設定することができる。また、金属板2の数および配置もまた図1に示す例に限られるものではない。
金属板2は、例えば銅(Cu)または銅合金あるいはアルミニウム(Al)またはアルミニウム合金等の金属材料によって形成されている。いわゆる99%以上の純銅や純アルミニウムであると電気抵抗が小さく、熱伝導性にも優れている。また金属板2の成分として酸素が含有される場合には、金属板2における含有量が少ない方が、ボンディングワイヤと金属板2との接合強度の向上に関して有利である。
金属板2は、例えば銅(Cu)または銅合金あるいはアルミニウム(Al)またはアルミニウム合金等の金属材料によって形成されている。いわゆる99%以上の純銅や純アルミニウムであると電気抵抗が小さく、熱伝導性にも優れている。また金属板2の成分として酸素が含有される場合には、金属板2における含有量が少ない方が、ボンディングワイヤと金属板2との接合強度の向上に関して有利である。
金属板2は、ろう材3によって絶縁基板1に接合され(ろう付けされ)ている。ろう材3としては、例えば、金属板2が銅(Cu)または銅合金からなる場合であれば、銀―銅(Ag−Cu)合金ろうに、チタン(Ti)、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム(Zr)等の活性金属を含む活性金属ろうを用いることができる。金属板2がアルミニウム(Al)またはアルミニウム合金からなる場合は、Al−Si系合金またはAl−Ge系合金のろう材を用いることができる。絶縁基板1に、スクリーン印刷等の方法でろう材ペーストを塗布して、その上に金属板2を載置して加圧した状態で加熱することで金属板2は絶縁基板1に接合(ろう付け)される。
絶縁基板1の下面の金属板4は放熱板として機能するものとすることができる。
絶縁基板1の下面の金属板4は放熱板として機能するものとすることができる。
金属板2の表面には、その表面の保護のため、あるいはろう材3またはボンディングワイヤ等の接合性の向上のためにめっき層をもうけてもよい。めっき層は、パラジウム、ニッケル、銀等の金属めっき層とすることができる。
なお、電気回路基板10は、いわゆる多数個取りの形態で作製してこれを分割することで作製することもできる。
なお、電気回路基板10は、いわゆる多数個取りの形態で作製してこれを分割することで作製することもできる。
〔パワーモジュール〕
上記のような電気回路基板10に電子部品40を搭載することで、図10および図11に示す例のようなパワーモジュール100となる。パワーモジュール100は、例えば、自動車などに用いられ、ECU(engine control unit)およびパワーアシストハンドル、モータドライブなどの各種制御ユニットに使用される。パワーモジュール100は、このような車載の制御ユニットに限られるものではなく、例えば、その他の各種インバータ制御回路、電力制御回路、パワーコンディショナー等に用いられる。
上記のような電気回路基板10に電子部品40を搭載することで、図10および図11に示す例のようなパワーモジュール100となる。パワーモジュール100は、例えば、自動車などに用いられ、ECU(engine control unit)およびパワーアシストハンドル、モータドライブなどの各種制御ユニットに使用される。パワーモジュール100は、このような車載の制御ユニットに限られるものではなく、例えば、その他の各種インバータ制御回路、電力制御回路、パワーコンディショナー等に用いられる。
図10および図11に示す例のパワーモジュール100においては、セラミック基板(1)の表面(上面)の中央部に接合された金属板2(121)の上に、1つの電子部品40が搭載されている。電子部品40が搭載された金属板2(121)を挟むように配置されて接合された金属板2(122)と電子部品40とはボンディングワイヤ41によって電気的に接続されている。この外側の金属板2(122)は、外部の電気回路と接続するための端子として機能する。また、電子部品40で発生した熱は、セラミック基板(1)の上面に接合された金属板2(21、22)およびセラミック基板(1)を介してセラミック基板(1)の下面に接合された金属板4(123)に伝わり、さらに外部へ放熱することができる。つまり、セラミック基板(1)の下面に接合された金属板4(123)は放熱板として機能する。電子部品40の数、大きさおよび搭載位置等については、図10および図11に示す例に限られるものではない。
電子部品40は、例えばパワー半導体であり、上記のような各種制御ユニットにおいて、電力制御のために用いられる。例えばSiを用いたMOS−FET(Metal Oxide Semiconductor−Field Effect Transistor)やIGBTといったトランジスタ、あるいはSiCやGaNを用いたパワー素子があげられる。
電子部品40は、不図示の接合材によって電気回路基板10の金属板2に接合されて固定される。接合材は、例えば、はんだまたは銀ナノペーストを用いることができる。金属板2の表面に部分的に金属皮膜を設ける場合は、平面視での電子部品40の大きさが金属皮膜の大きさより小さいと、電子部品40の側面から金属皮膜の上面にかけて接合材のフィレットが形成されるので、電子部品40の金属板2(金属皮膜)への接合強度を高めることができる。また、金属皮膜の表面は接合材によって覆われて露出しないので、後述する封止樹脂50の接合性が向上する。
電子部品40は、不図示の接合材によって電気回路基板10の金属板2に接合されて固定される。接合材は、例えば、はんだまたは銀ナノペーストを用いることができる。金属板2の表面に部分的に金属皮膜を設ける場合は、平面視での電子部品40の大きさが金属皮膜の大きさより小さいと、電子部品40の側面から金属皮膜の上面にかけて接合材のフィレットが形成されるので、電子部品40の金属板2(金属皮膜)への接合強度を高めることができる。また、金属皮膜の表面は接合材によって覆われて露出しないので、後述する封止樹脂50の接合性が向上する。
ボンディングワイヤ41は、電子部品40の端子電極(不図示)と金属板2とを電気的に接続する、接続部材である。ボンディングワイヤ41としては、例えば、銅もしくはアルミニウム製のものを用いることができる。
図12(a)に示す例のパワーモジュール101は、図10および図11に示す例のパワーモジュール100が、上面から下面の外周部にかけて封止樹脂50で覆われて、電子部品40が封止されているものである。封止樹脂50は、セラミック基板(1)の下面に接合された金属板4(123)の主面(下面)は覆っていない。そのため、放熱板として機能する金属板4(123)を外部の放熱体等に直接に熱的に接続することができるので、放熱性に優れたパワーモジュール101とすることができる。また、端子として機能する金属板2(122)は、絶縁基板1からはみ出す長さであり、封止樹脂50からもはみ出している。これによって、端子として機能する金属板2(122)と外部の電気回路との電気的に接続が容易に可能となっている。
封止樹脂50には、熱伝導性、絶縁性、耐環境性および封止性の点から、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、イミド樹脂などの熱硬化性樹脂を使用することができる。
図12(a)に示す例のパワーモジュール101は、図10および図11に示す例のパワーモジュール100が、上面から下面の外周部にかけて封止樹脂50で覆われて、電子部品40が封止されているものである。封止樹脂50は、セラミック基板(1)の下面に接合された金属板4(123)の主面(下面)は覆っていない。そのため、放熱板として機能する金属板4(123)を外部の放熱体等に直接に熱的に接続することができるので、放熱性に優れたパワーモジュール101とすることができる。また、端子として機能する金属板2(122)は、絶縁基板1からはみ出す長さであり、封止樹脂50からもはみ出している。これによって、端子として機能する金属板2(122)と外部の電気回路との電気的に接続が容易に可能となっている。
封止樹脂50には、熱伝導性、絶縁性、耐環境性および封止性の点から、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、イミド樹脂などの熱硬化性樹脂を使用することができる。
図12(b)に示す例のパワーモジュール102は、図10および図11に示す例のパワーモジュール100が、内側空間を有する筐体60の内部空間に配置され、内部空間に封止樹脂50が充填されて電子部品40および電気回路基板10が封止されている例である。
図12(a)および図12(b)に示す例のように、電子部品40、金属板2および絶縁基板1を覆う封止樹脂50を備えるパワーモジュール101,102とすることができる。封止樹脂50によって電子部品40の耐環境性が向上し、また隣接する金属板121,122間の絶縁性が向上したものとなる。
筐体60は、枠体61と、この枠体61の一方の開口を塞ぐ放熱板62とで構成されており、枠体61と放熱板62とで囲まれた空間が内側空間となる。また、内側空間から筐体60の枠体61を貫通して外部へ導出されたリード端子63を備えている。そして、リード端子63の内部空間内の端部と電気回路基板10の金属板2とがボンディングワイヤ41で接続されている。これにより、電子部品40と外部の電気回路とが電気的に接続可能となっている。
枠体61は、樹脂材料、金属材料またはこれらの混合材料からなり、放熱板62により一方の開口が塞がれて電気回路基板10を収納する内側空間を形成している。枠体61に用いられる材料としては、放熱性、耐熱性、耐環境性および軽量性の点から、銅、アルミニウムなどの金属材料またはポリブチルテレフタレート(PBT)、ポリフェニレンサルファイト(PPS)などの樹脂材料を使用することができる。これらの中でも、入手しやすさの点から、PBT樹脂を用いることが望ましい。また、PBT樹脂には、ガラス繊維を添加して繊維強化樹脂とすることが、機械的強度が増大するので好ましい。
図12(a)および図12(b)に示す例のように、電子部品40、金属板2および絶縁基板1を覆う封止樹脂50を備えるパワーモジュール101,102とすることができる。封止樹脂50によって電子部品40の耐環境性が向上し、また隣接する金属板121,122間の絶縁性が向上したものとなる。
筐体60は、枠体61と、この枠体61の一方の開口を塞ぐ放熱板62とで構成されており、枠体61と放熱板62とで囲まれた空間が内側空間となる。また、内側空間から筐体60の枠体61を貫通して外部へ導出されたリード端子63を備えている。そして、リード端子63の内部空間内の端部と電気回路基板10の金属板2とがボンディングワイヤ41で接続されている。これにより、電子部品40と外部の電気回路とが電気的に接続可能となっている。
枠体61は、樹脂材料、金属材料またはこれらの混合材料からなり、放熱板62により一方の開口が塞がれて電気回路基板10を収納する内側空間を形成している。枠体61に用いられる材料としては、放熱性、耐熱性、耐環境性および軽量性の点から、銅、アルミニウムなどの金属材料またはポリブチルテレフタレート(PBT)、ポリフェニレンサルファイト(PPS)などの樹脂材料を使用することができる。これらの中でも、入手しやすさの点から、PBT樹脂を用いることが望ましい。また、PBT樹脂には、ガラス繊維を添加して繊維強化樹脂とすることが、機械的強度が増大するので好ましい。
リード端子63は、内側空間から枠体61を貫通して外部へ導出するように取り付けられている、導電性の端子である。このリード端子63の内側空間側の端部は電気回路基板10の金属板2と電気的に接続され、外部側の端部は外部の電気回路(図示せず)または電源装置(図示せず)などと電気的に接続される。このリード端子63は、導電性端子に用いられる各種の金属材料は、例えばCuおよびCu合金、AlおよびAl合金、FeおよびFe合金、ステンレススチール(SUS)等を用いることができる。
放熱板62は、動作時に電子部品40で生じた熱を、パワーモジュール102の外部に放熱するためのものである。この放熱板62には、Al、Cu、Cu−Wなどの高熱伝導性材料を使用することができる。特に、AlはFeなどの一般的な構造材料としての金属材料と比べて熱伝導性が高く、電子部品40で生じた熱をより効率的にパワーモジュール102の外部に放熱できるので、電子部品40を安定して正常に動作させることが可能となる。また、AlはCuあるいはCu−Wなどの他の高熱伝導性材料と比較して、入手しやすく安価であることから、パワーモジュール102の低コスト化にも有利になる点で優れている。
放熱板62は、動作時に電子部品40で生じた熱を、パワーモジュール102の外部に放熱するためのものである。この放熱板62には、Al、Cu、Cu−Wなどの高熱伝導性材料を使用することができる。特に、AlはFeなどの一般的な構造材料としての金属材料と比べて熱伝導性が高く、電子部品40で生じた熱をより効率的にパワーモジュール102の外部に放熱できるので、電子部品40を安定して正常に動作させることが可能となる。また、AlはCuあるいはCu−Wなどの他の高熱伝導性材料と比較して、入手しやすく安価であることから、パワーモジュール102の低コスト化にも有利になる点で優れている。
放熱板62と電気回路基板10の金属板4(123)とは、不図示の伝熱性接合材で熱的に接続されている。伝熱性接合材としては、ろう材を用いて熱的に接続するとともに機械的に強固に接合してもよく、グリスなどで熱的に接続し、機械的には比較的弱く接合してもよく、さらに後述のように封止樹脂50によって接合してもよい。
封止樹脂50は、内側空間に充填され、電気回路基板10に搭載された電子部品40を封止して保護するものである。電気回路基板10と放熱板62との機械的な接合と内側空間の封止とを同じ封止樹脂50で行なってもよい。この場合、電気回路基板10と放熱板62との機械的な強固な接合と樹脂封止とを同一工程で行うことができる。
封止樹脂50は、内側空間に充填され、電気回路基板10に搭載された電子部品40を封止して保護するものである。電気回路基板10と放熱板62との機械的な接合と内側空間の封止とを同じ封止樹脂50で行なってもよい。この場合、電気回路基板10と放熱板62との機械的な強固な接合と樹脂封止とを同一工程で行うことができる。
パワーモジュール102は、さらに放熱特性を向上させるために、放熱板62の、電気回路基板10が接合されている側とは反対側の露出した面に、伝熱性接合材71を介して冷却器70を接合してもよい。この伝熱性接合材71は上記した、放熱板62と電気回路基板10の金属板4(123)とを接続する伝熱性接合材と同様のものを用いることができる。図12(b)に示す例では、冷却器70は金属等のブロック体に水等の冷媒を通過させる流路を設けたものを示しているが、これ以外の、例えば冷却フィンであってもよい。このような冷却器70は、図10および図11または図12(a)に示す例のパワーモジュール100,101にも適用することができ、電気回路基板10の金属板4(123)に接続すればよい。この場合は、平板状のもの、すなわち図12(b)に示す放熱板62だけを冷却器70として適用することもできる。
なお、電気回路基板10およびパワーモジュール100は、上記実施形態に記載された例に限定されるものではなく、本開示の要旨の範囲内で種々の変更は可能である。
図10から図12においては傾斜面21、溝24の描画を省略した。
なお、電気回路基板10およびパワーモジュール100は、上記実施形態に記載された例に限定されるものではなく、本開示の要旨の範囲内で種々の変更は可能である。
図10から図12においては傾斜面21、溝24の描画を省略した。
1 絶縁基板
2,4 金属板
3 ろう材
10 電気回路基板
21 側面
22 垂直面
23 傾斜面
24 溝
29 下面
2,4 金属板
3 ろう材
10 電気回路基板
21 側面
22 垂直面
23 傾斜面
24 溝
29 下面
Claims (9)
- 絶縁基板と、前記絶縁基板にろう材で接合されている金属板とを備え、
前記金属板の側面であって少なくとも互いに対向配置される2つの側面には、前記ろう材によって前記絶縁基板と前記金属板とが接合する接合面に略平行に延在する溝が形成されている電気回路基板。 - 前記側面の前記溝が形成された領域における前記接合面に垂直な方向の表面粗さは、同領域の前記接合面に平行な方向の表面粗さより大きい請求項1に記載の電気回路基板。
- 前記側面の前記溝が形成された領域は、前記接合面から離れている請求項1又は請求項2に記載の電気回路基板。
- 前記側面の前記溝が形成された領域と前記接合面との間に配置される前記金属板の角部は面取り加工された面取り加工面である請求項3に記載の電気回路基板。
- 前記面取り加工面は、前記接合面に対して斜めの傾斜面である請求項4に記載の電気回路基板。
- 前記面取り加工面は、押し潰しによる加工面である請求項4又は請求項5に記載の電気回路基板。
- 前記面取り加工面は、前記側面のうちで最も表面粗さが小さい請求項4から請求項6のうちいずれか一に記載の電気回路基板。
- 請求項1から請求項7のうちいずれか一に記載の電気回路基板と、
該電気回路基板の前記金属板上に搭載された電子部品と、を備えるパワーモジュール。 - 前記電子部品、前記金属板および前記絶縁基板を覆う封止樹脂を備える請求項8に記載のパワーモジュール。
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