JP3529085B2 - Circuit board with heat sink - Google Patents

Circuit board with heat sink

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JP3529085B2
JP3529085B2 JP15568698A JP15568698A JP3529085B2 JP 3529085 B2 JP3529085 B2 JP 3529085B2 JP 15568698 A JP15568698 A JP 15568698A JP 15568698 A JP15568698 A JP 15568698A JP 3529085 B2 JP3529085 B2 JP 3529085B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、パワーモジュール
用電子回路部品、特にインテリジェントパワーモジュー
ルに好適なヒートシンク付き回路基板に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a power module electronic circuit component, and more particularly to a circuit board with a heat sink suitable for an intelligent power module.

【0002】近年、ロボットやモーター等の産業機器の
高性能化にともない、大電力・高効率インバーター等大
電力モジュールの変遷が進んでおり、半導体素子から発
生する熱も増加の一途をたどっている。この熱を効率よ
く放散するため、大電力モジュール回路基板では様々な
方法がとられてきた。最近では、良好な熱伝導を有する
セラミックス基板が利用できるようになったため、その
基板上に銅板などの金属板を接合し回路を形成後、その
ままあるいはメッキ等の処理をしてから半導体を実装
し、またセラミックス基板の反対面には放熱銅板を接合
し、更に放熱銅板には厚さ数mm程度の銅ベース板を半
田付けしてからアルミニウム、銅等のヒートシンクにネ
ジ止めして使用されている。
In recent years, with the high performance of industrial equipment such as robots and motors, the transition of high power and high efficiency inverters and other high power modules has progressed, and the heat generated from semiconductor elements has also continued to increase. . In order to efficiently dissipate this heat, various methods have been taken in high power module circuit boards. Recently, ceramic substrates with good heat conduction have become available, so after joining a metal plate such as a copper plate on the substrate to form a circuit, the semiconductor is mounted as it is or after plating or other treatment. A heat-dissipating copper plate is joined to the opposite surface of the ceramics substrate, and a copper base plate having a thickness of about several mm is soldered to the heat-dissipating copper plate and then screwed to a heat sink such as aluminum or copper. .

【0003】しかしながら、このようなヒートシンク付
き回路基板を高温環境下で使用すると、外部からの機械
的衝撃を受けなくてもセラミックス基板にクラックが生
じることがある。その理由は、アルミニウム、銅等のヒ
ートシンクの熱膨張係数は16〜23×10-6/℃であ
り、窒化アルミニウム等のセラミックス基板の4〜7×
10-6/℃程度と異なっているので、ヒートサイクルを
受けた場合に、熱応力がセラミックス基板に残るためで
ある。
However, when such a circuit board with a heat sink is used in a high temperature environment, cracks may occur in the ceramic substrate without being subjected to a mechanical shock from the outside. The reason is that the heat expansion coefficient of the heat sink of aluminum, copper or the like is 16 to 23 × 10 −6 / ° C., and that of the ceramic substrate of aluminum nitride or the like is 4 to 7 ×.
This is because it is different from about 10 −6 / ° C., so that thermal stress remains on the ceramic substrate when subjected to a heat cycle.

【0004】そこで、熱伝導性が良好で熱膨張係数をセ
ラミックス基板のそれに近づけた、炭化ケイ素焼結体に
アルミニウムを含浸させた構造のヒートシンクの使用が
提案されている(特開平9−157773号公報)が、
このものは切削等の加工性がよくないので、回路基板の
生産性に問題があった。また、銅ベース板の半田付け
や、ヒートシンクのネジ止め等の際に、異物を挟み込ま
ないように細心の注意が必要であり、それも生産性が向
上しない一因であった。
Therefore, it has been proposed to use a heat sink having a structure in which a silicon carbide sintered body is impregnated with aluminum, which has a good thermal conductivity and a thermal expansion coefficient close to that of a ceramic substrate (Japanese Patent Laid-Open No. 9-157773). Gazette)
Since this product has poor workability such as cutting, there was a problem in productivity of the circuit board. In addition, when soldering the copper base plate or screwing the heat sink, it is necessary to pay close attention not to pinch foreign matter, which is also one of the reasons that productivity is not improved.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記に鑑み
てなされたものであり、ヒートサイクルに対する信頼性
と生産性の大なるヒートシンク付き回路基板を提供する
ことを目的とするものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a circuit board with a heat sink, which is highly reliable against heat cycles and has high productivity.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、セ
ラミックス基板の一方の面に回路、反対面に放熱板が形
成されてなる回路基板の放熱板に、ベース板を介して又
は介さずにヒートシンクが取り付けられてなるものにお
いて、上記ヒートシンクの材質が、シリカアルミナ質繊
維強化のアルミニウム又はアルミニウム合金であること
を特徴とするヒートシンク付き回路基板であり、特に上
記ヒートシンクと、上記回路基板の放熱板又はベース板
とが、Al成分とNi成分を含む合金層の存在する接合
層を介して接合されてなるものであることを特徴とする
ものである。
That is, according to the present invention, a ceramic substrate is provided with a circuit on one surface and a heat radiating plate on the opposite surface, and the heat radiating plate of the circuit substrate is provided with or without a base plate. A heat sink mounted circuit board with a heat sink, characterized in that the material of the heat sink is silica-alumina fiber reinforced aluminum or aluminum alloy, and in particular, the heat sink and the heat dissipation plate of the circuit board. Alternatively, the base plate and the base plate are joined together via a joining layer in which an alloy layer containing an Al component and a Ni component is present.

【0007】[0007]

【発明の実施の形態】以下、更に詳しく本発明を説明す
ると、本発明に用いられるセラミックス基板の材質は、
窒化珪素、窒化アルミニウム、アルミナ等であるが、パ
ワーモジュール用には窒化アルミニウムが適している。
特に、熱伝導率120W/mK以上、抗折強度35kg
/mm2 以上、150℃空気中における体積抵抗率1×
1013Ω・cm以上の窒化アルミニウム焼結体が好適で
あり、その製造法については特願平9−121995号
明細書の実施例に詳記されている。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention will be described in more detail below. The material of the ceramic substrate used in the present invention is as follows.
Although silicon nitride, aluminum nitride, alumina, etc. are used, aluminum nitride is suitable for power modules.
Particularly, thermal conductivity of 120 W / mK or more, bending strength of 35 kg
/ Mm 2 or more, volume resistivity in air at 150 ° C 1 ×
An aluminum nitride sintered body having a resistivity of 10 13 Ω · cm or more is suitable, and its manufacturing method is described in detail in the examples of Japanese Patent Application No. 9-121995.

【0008】上記回路、上記放熱板及び上記ベース板の
材質については、電気伝導性、熱伝導性を考慮すると銅
又は銅合金が最適である。熱応力に対する耐久性を重ん
じる場合は、アルミニウム又アルミニウム合金が用いら
れる。更には、銅−第三金属−アルミニウムクラッド箔
を用いることもでき、それによって銅の電気伝導性とア
ルミニウムの耐久性の両方を備えたものとなる。クラッ
ド箔における第三金属の具体例は、ニッケル、チタン、
クロム、ジルコニウム等である。
Regarding the material of the circuit, the heat dissipation plate and the base plate, copper or copper alloy is most suitable in consideration of electric conductivity and heat conductivity. Aluminum or aluminum alloys are used when durability against thermal stress is emphasized. Furthermore, a copper-third metal-aluminum clad foil can also be used, which provides both the electrical conductivity of copper and the durability of aluminum. Specific examples of the third metal in the clad foil include nickel, titanium,
Examples include chromium and zirconium.

【0009】回路、放熱板及びベース板に用いられる上
記金属は、その表面にニッケルメッキが施されたもので
あってもよい。特に後述のように、放熱板とベース板、
放熱板とヒートシンクを接合する際にその接合層にAl
成分とNi成分を含む合金層を存在させたり、また銅−
ニッケル−アルミニウムクラッド構造の回路や放熱板を
セラミックス基板に形成させる場合には、金属のいずれ
か一方又は両方にニッケルメッキが施されていることが
好ましい。ニッケルメッキの厚みとしては、3〜20μ
m程度である。
The metal used for the circuit, the heat dissipation plate and the base plate may have a surface plated with nickel. Especially as described later, the heat sink and the base plate,
When joining the heat sink and the heat sink to the joining layer
An alloy layer containing Ni and Ni components, or copper-
When forming a circuit or heat sink having a nickel-aluminum clad structure on a ceramic substrate, it is preferable that either one or both of the metals be nickel-plated. The thickness of nickel plating is 3-20μ
It is about m.

【0010】回路の厚みは、0.1〜0.5mmである
ことが望ましい。厚みが薄すぎると電流容量が小さくな
って回路の能力が制限され、また厚みが厚すぎると熱膨
張差による熱応力がセラミックス基板に大きくかかるの
で回路基板の耐久性が低下する。
The thickness of the circuit is preferably 0.1 to 0.5 mm. If the thickness is too thin, the current capacity becomes small and the circuit capability is limited, and if the thickness is too thick, the ceramic substrate is subject to large thermal stress due to the difference in thermal expansion, and the durability of the circuit substrate deteriorates.

【0011】放熱板の厚みは、0.1〜1.0mmであ
ることが望ましい。厚みが薄すぎると、回路基板とベー
ス板又はヒートシンクとの間の緩衝効果が小さくなり、
また厚みが厚すぎると、セラミックス基板に多大な熱応
力を与えることになるので回路基板の耐久性が低下す
る。
The thickness of the heat sink is preferably 0.1 to 1.0 mm. If the thickness is too thin, the cushioning effect between the circuit board and the base plate or heat sink will decrease,
On the other hand, if the thickness is too large, a great amount of thermal stress will be applied to the ceramic substrate, and the durability of the circuit substrate will deteriorate.

【0012】更には、ベース板の厚みは、5mm以下で
あることが望ましい。厚みが薄すぎるとヒートサイクル
に対する熱衝撃を緩和することができず、またろう材の
金属成分が放熱板に拡散し熱伝導特性が変化する。ま
た、厚みが厚すぎると重くなり、取り扱いにくいものと
なる。このようなベース板は、本発明においては、必ず
しも必要ではなく、回路基板の放熱板にヒートシンクを
直接接合することもできる。ベース板を介してヒートシ
ンクを放熱板に取り付けることによって、ヒートサイク
ルに対する熱衝撃を著しく緩和することができ、耐久性
が一段と向上するという利点がある。
Further, the thickness of the base plate is preferably 5 mm or less. If the thickness is too thin, the thermal shock to the heat cycle cannot be alleviated, and the metal component of the brazing material diffuses into the heat dissipation plate to change the heat conduction characteristics. Also, if the thickness is too thick, it becomes heavy and difficult to handle. Such a base plate is not always necessary in the present invention, and the heat sink can be directly joined to the heat dissipation plate of the circuit board. By attaching the heat sink to the heat dissipation plate via the base plate, there is an advantage that the thermal shock to the heat cycle can be remarkably alleviated and the durability is further improved.

【0013】回路及び放熱板をセラッミクス基板に形成
(ヒートシンクを有さない回路基板を作製)する方法と
しては、セラミックス基板と金属板との接合体をエッチ
ングする方法、金属板から打ち抜かれた回路又は放熱板
のパターンをセラミックス基板に接合する方法等によっ
て行うことができる。
As a method of forming a circuit and a heat dissipation plate on a ceramics substrate (manufacturing a circuit board having no heat sink), a method of etching a bonded body of a ceramics substrate and a metal plate, a circuit punched from the metal plate or It can be performed by a method of joining the pattern of the heat sink to the ceramic substrate.

【0014】金属板又はパターンの接合は、活性金属成
分を含むろう材によるろう付け法、有機接着剤による接
合法、DBC法等によって行うことができる。パワーモ
ジュール用にはセラミックス基板が窒化アルミニウム基
板で、金属は銅が適しているので、その場合は活性金属
成分を含むろう材によるろう付け法が用いられる。
The metal plates or patterns can be joined by a brazing method using a brazing material containing an active metal component, a joining method using an organic adhesive, a DBC method, or the like. For the power module, the ceramic substrate is an aluminum nitride substrate, and copper is suitable for the metal. In that case, a brazing method using a brazing material containing an active metal component is used.

【0015】活性金属成分を含むろう材の金属成分は、
銀と銅を主成分とし、溶融時のセラミックス基板との濡
れ性を確保するために活性金属を副成分とする。活性金
属成分の具体例をあげれば、チタン、ジルコニウム、ハ
フニウム、ニオブ、タンタル、バナジウム及びそれらの
化合物である。これらの割合としては、銀70〜100
部(重量部、以下同じ)、銅30〜0部の合計量100
部あたり活性金属3〜35部である。
The metal component of the brazing material containing the active metal component is
It contains silver and copper as main components, and an active metal as a sub-component in order to ensure wettability with the ceramic substrate during melting. Specific examples of the active metal component are titanium, zirconium, hafnium, niobium, tantalum, vanadium and their compounds. As a ratio of these, silver 70 to 100
Parts (weight parts, the same applies hereinafter), total amount of copper 30 to 0 parts 100
3 to 35 parts of active metal per part.

【0016】アルミニウム又はその合金からなる金属板
又はパターンをセラミックス基板に接合する場合は、ろ
う材の成分はAlとSiを主成分とし、溶融時のセラミ
ックス基板との濡れ性を確保するために銅及び活性金属
を副成分とする。これらの割合は、アルミニウム70〜
95部、シリコン30〜5部及び銅1〜5部の合計量1
00部あたり、活性金属1〜35部である。
When a metal plate or pattern made of aluminum or its alloy is bonded to a ceramic substrate, the brazing filler metal contains Al and Si as main components, and copper is used to ensure wettability with the ceramic substrate during melting. And an active metal as an accessory component. These ratios are aluminum 70-
Total amount of 95 parts, 30 to 5 parts of silicon and 1 to 5 parts of copper 1
The active metal is 1 to 35 parts per 100 parts.

【0017】ろう材の金属成分は、通常、金属成分に有
機溶剤と必要に応じて有機結合剤を加え、ロール、ニー
ダ、万能混合機、らいかい機等で混合し、ペーストを調
製して使用される。有機溶剤としては、メチルセルソル
ブ、テルピネオール、イソホロン、トルエン等、また有
機結合剤としては、エチルセルロース、メチルセルロー
ス、ポリメタクリレート等が用いられる。
The metal component of the brazing material is usually prepared by adding an organic solvent and, if necessary, an organic binder to the metal component and mixing them with a roll, a kneader, a universal mixer, a ladle mixer or the like to prepare a paste for use. To be done. As the organic solvent, methyl cellosolve, terpineol, isophorone, toluene, etc., and as the organic binder, ethyl cellulose, methyl cellulose, polymethacrylate, etc. are used.

【0018】本発明で使用されるヒートシンクの材質
は、シリカアルミナ質繊維で強化されたアルミニウム又
アルミニウム合金である。
The material of the heat sink used in the present invention is aluminum or aluminum alloy reinforced with silica-alumina fiber.

【0019】シリカアルミナ質繊維としては、アルミナ
含有量が60重量%以上、特に80重量%以上で、平均
繊維径が1〜10μm、平均繊維長0.5mm以上であ
るものが好ましく、これによって強化されたアルミニウ
ム又はアルミニウム合金の熱膨張係数はセラミックス基
板のそれに近くなる。一方、アルミニウム又はアルミニ
ウム合金としては、アルミニウムの他に、アルミニウム
とシリコン等との合金が使用されるが、なかでもAC3
A(JIS規格)が最適である。
The silica-alumina fiber preferably has an alumina content of 60% by weight or more, particularly 80% by weight or more, an average fiber diameter of 1 to 10 μm, and an average fiber length of 0.5 mm or more. The coefficient of thermal expansion of the formed aluminum or aluminum alloy is close to that of the ceramic substrate. On the other hand, as aluminum or an aluminum alloy, in addition to aluminum, an alloy of aluminum and silicon or the like is used.
A (JIS standard) is most suitable.

【0020】シリカアルミナ質繊維とアルミニウム又は
アルミニウム合金の割合は、シリカアルミナ質繊維を2
0〜40体積%、特に30体積%程度含んでいることが
好ましく、このような繊維強化アルミニウム又はアルミ
ニウム合金は、シリカアルミナ質繊維からなる成型密度
0.5〜2.3g/cm3 のプリフォームを成形し、そ
れにアルミニウム又はアルミニウム合金を含浸させるこ
とによって製造することができる。プリフォームの成型
密度が0.5g/cm3よりも小さいとヒートシンクの
熱膨張係数が大きくなり、また2.3g/cm3 をこえ
ると熱伝導性が低下する。
The ratio of silica-alumina fiber to aluminum or aluminum alloy is 2: 1.
It is preferable to contain 0 to 40% by volume, especially about 30% by volume. Such a fiber-reinforced aluminum or aluminum alloy is a preform made of silica-alumina fiber and having a molding density of 0.5 to 2.3 g / cm 3 . Can be molded and impregnated with aluminum or an aluminum alloy, to produce the same. If the molding density of the preform is less than 0.5 g / cm 3 , the thermal expansion coefficient of the heat sink will be large, and if it exceeds 2.3 g / cm 3 , the thermal conductivity will decrease.

【0021】シリカアルミナ質繊維のプリフォームにア
ルミニウム又はアルミニウム合金を含浸させるには、プ
リフォームを200〜600℃程度の温度に予熱し、3
00〜700kgf/cm2 の圧力で行うことが好まし
い。予熱温度が200℃未満では溶融した金属との温度
差が大きく、含浸速度の低下や含浸のばらつきが生じ、
また600℃をこえると冷却速度が小さくなり生産性が
低下する。一方、含浸圧力が300kgf/cm2 未満
では含浸速度の低下や含浸のばらつきが生じ、また70
0kgf/cm2 をこえるとプリフォームの圧密化が発
生する。
In order to impregnate a silica-alumina fiber preform with aluminum or an aluminum alloy, the preform is preheated to a temperature of about 200 to 600 ° C.
It is preferable to carry out at a pressure of 00 to 700 kgf / cm 2 . If the preheating temperature is less than 200 ° C, the temperature difference with the molten metal is large, and the impregnation speed decreases and the impregnation varies.
On the other hand, if it exceeds 600 ° C, the cooling rate becomes small and the productivity is lowered. On the other hand, if the impregnation pressure is less than 300 kgf / cm 2 , the impregnation rate will decrease and the impregnation will vary.
If it exceeds 0 kgf / cm 2 , the preform is compacted.

【0022】アルミニウム又はアルミニウム合金を含浸
・冷却後、繊維長と平行方向に部材を切り出す。得られ
た部材は、高熱伝導性で、セラミックスに近い熱膨張係
数を有し、しかも切削加工性にも優れているので、本発
明の回路基板のヒートシンク材に適している。この部材
を、本発明の回路基板のヒートシンクとして、回路基板
の放熱板に、ベース板を介して又は介さずに取り付ける
には、シリカアルミナ質繊維長と平行な面を放熱板又は
ベース板に接合する。
After impregnating with aluminum or aluminum alloy and cooling, the member is cut out in the direction parallel to the fiber length. The obtained member has high thermal conductivity, a thermal expansion coefficient close to that of ceramics, and excellent machinability, and is suitable for the heat sink material of the circuit board of the present invention. To attach this member to the heat sink of the circuit board as a heat sink of the circuit board of the present invention with or without the base plate, the surface parallel to the silica-alumina fiber length is bonded to the heat sink or the base plate. To do.

【0023】ヒートシンクの形状は、放熱板又はベース
板よりも広い面積を持ち、平板形状、直方体形状ないし
はフィン形状が使用される。
The heat sink has a larger area than the heat radiating plate or the base plate, and a flat plate shape, a rectangular parallelepiped shape or a fin shape is used.

【0024】ヒートシンクを回路基板の放熱板に取り付
ける場合は、Al成分とNi成分を含む合金層を存在さ
せた接合層を介して行われるが、ヒートシンクをベース
板に取り付ける場合には、この接合層を介在させる方法
の他に、ネジ止め等の物理的手段によっても行うことが
できる。
When the heat sink is attached to the heat dissipation plate of the circuit board, it is carried out through a joining layer in which an alloy layer containing an Al component and a Ni component is present. When the heat sink is attached to the base plate, this joining layer is used. In addition to the method of interposing, a physical means such as screwing can be used.

【0025】回路基板とベース板とヒートシンク、又は
回路基板とヒートシンクとを一体化し、本発明のヒート
シンク付き回路基板を製作するには、それらの一つ一つ
を接合する方法、任意の2以上の部材を予め接合してお
きそれらを接合する方法、回路基板作製時の熱源を利用
して、回路基板の作製と同時に全ての部材又は一部の部
材を接合する方法が採用される。
In order to fabricate the circuit board with the heat sink of the present invention by integrating the circuit board, the base plate and the heat sink, or the circuit board and the heat sink, a method of joining each of them and any two or more of them. A method of joining members in advance and joining them, or a method of joining all the members or a part of the members at the same time as the production of the circuit board by utilizing a heat source at the time of producing the circuit board is adopted.

【0026】本発明の特徴の一つは、これらの部材の接
合において、ヒートシンクと回路基板の放熱板とを、又
はヒートシンクとベース板とを、Al成分とNi成分を
含む合金層の存在する接合層を介して接合されているこ
とである。これによって、従来のPb−Sn共晶半田に
よる半田付け法よりも、高い信頼性を有するヒートシン
ク付き回路基板となる。
One of the features of the present invention is that, in joining these members, a heat sink and a heat sink of a circuit board, or a heat sink and a base plate, and an alloy layer containing an Al component and a Ni component are present. That is, they are joined through layers. As a result, the circuit board with a heat sink has higher reliability than the conventional soldering method using Pb-Sn eutectic solder.

【0027】このような接合層を介在させて接合するに
は、放熱板(ベース板を介在させる場合はベース板)又
はヒートシンクのいずれか又は両方にニッケルメッキを
施し、それらを直接接触配置し、加熱処理することによ
って行うことができる。熱処理は、1×10-4Torr
程度の真空下で行われ、その加熱炉は赤外線式加熱炉等
のように急速な昇温が可能で微妙な温度コントロールが
できるものが望ましい。加熱は、アルミニウムとニッケ
ルの共晶点近くまで上昇させ、アルミニウムとニッケル
の界面をわずかに溶融させた後、1℃/分以上の速度で
冷却する。具体的には、温度620〜630℃で3〜1
0分間の保持を行ってから1℃/分以上の速度で冷却す
る。
In order to join with such a joining layer interposed, either or both of the heat dissipation plate (the base plate when the base plate is interposed) and the heat sink are nickel-plated, and they are arranged in direct contact with each other. It can be performed by heat treatment. Heat treatment is 1 × 10 -4 Torr
It is desirable that the heating furnace is carried out under a vacuum of a certain degree, and the heating furnace such as an infrared heating furnace can rapidly raise the temperature and can perform delicate temperature control. The heating raises the temperature to near the eutectic point of aluminum and nickel, slightly melts the interface between aluminum and nickel, and then cools at a rate of 1 ° C./minute or more. Specifically, the temperature is 620 to 630 ° C., and the value is 3-1.
Hold for 0 minutes and cool at a rate of 1 ° C./minute or more.

【0028】[0028]

【実施例】以下、実施例をあげて更に具体的に本発明を
説明する。
EXAMPLES The present invention will be described in more detail below with reference to examples.

【0029】ヒートシンクの作製 表1に示すシリカアルミナ質繊維からなるプリフォーム
を500℃で予熱し、750℃で溶融したアルミニウム
合金(AC3A)に浸漬した。含浸圧力は500kgf
/cm2 とし、含浸速度は12.5mm/secとし
た。冷却後、部材を取り出してヒートシンク材とし、そ
のレーザーフラッシュ法による熱伝導率、熱膨張係数及
びフライス盤による切削加工性を評価した。切削加工性
は、アルミニウム合金(AC3A)加工時の加工速度と
遜色ないものを○とした。それらの結果を表1に示す。
Preparation of Heat Sink A preform made of silica-alumina fiber shown in Table 1 was preheated at 500 ° C. and immersed in an aluminum alloy (AC3A) melted at 750 ° C. Impregnation pressure is 500 kgf
/ Cm 2 and the impregnation rate was 12.5 mm / sec. After cooling, the member was taken out and used as a heat sink material, and its thermal conductivity, thermal expansion coefficient by the laser flash method, and machinability by a milling machine were evaluated. The machinability was rated as ◯ when it was comparable to the machining speed during machining of the aluminum alloy (AC3A). The results are shown in Table 1.

【0030】[0030]

【表1】 [Table 1]

【0031】セラミックス基板の製造 窒化アルミニウム粉末96部、イットリア粉末4部をボ
ールミルにて30分予備混合し、オレイン酸1部を加え
更に30分混合した。この混合物に、メチルセルロース
を8部加え、高速ミキサーにて1分間混合した後、グリ
セリン3部と水12部の混合溶液をミキサーを撹拌させ
ながら加え、2分間混合して造粒物を得た。この造粒物
をロールにて混練した後、真空脱気を行いながら押出成
形機に投入し、グリーンシート形状に押し出した。次い
で、これを58mm×45mm×0.635mmの大き
さに打ち抜き、80℃×20分乾燥後、空気中500℃
で1時間加熱して結合剤を除去した後、還元雰囲気下、
1900℃にて1時間保持する条件で常圧焼結を行っ
て、窒化アルミニウム基板を製造した。得られた窒化ア
ルミニウム基板の熱伝導率は130W/mK、抗折強度
は37kg/mm2 、150℃空気中における体積抵抗
率は1×1014Ω・cmであった。
Manufacture of Ceramic Substrate 96 parts of aluminum nitride powder and 4 parts of yttria powder were premixed in a ball mill for 30 minutes, 1 part of oleic acid was added and further mixed for 30 minutes. To this mixture, 8 parts of methyl cellulose was added and mixed for 1 minute with a high-speed mixer, then a mixed solution of 3 parts of glycerin and 12 parts of water was added while stirring the mixer, and mixed for 2 minutes to obtain a granulated product. The granulated product was kneaded with a roll and then charged into an extrusion molding machine while performing vacuum deaeration, and extruded into a green sheet shape. Next, this is punched into a size of 58 mm × 45 mm × 0.635 mm, dried at 80 ° C. for 20 minutes, and then in air at 500 ° C.
After removing the binder by heating for 1 hour in a reducing atmosphere,
Pressureless sintering was performed under the condition of holding at 1900 ° C. for 1 hour to manufacture an aluminum nitride substrate. The thermal conductivity of the obtained aluminum nitride substrate was 130 W / mK, the bending strength was 37 kg / mm 2 , and the volume resistivity in air at 150 ° C. was 1 × 10 14 Ω · cm.

【0032】回路基板Aの作製 銀粉末75部、銅粉末25部、ジルコニウム粉末15
部、テルピネオール15部、及び有機結合剤としてポリ
イソブチルメタアクリレートのトルエン溶液を固形分で
1部加え、混練してろう材ペーストを調製した。このろ
う材ペーストを上記で製造された窒化アルミニウム基板
の両面に塗布した。その際の塗布量(乾燥後)は6〜8
mg/cm2 とした。
Preparation of circuit board A Silver powder 75 parts, copper powder 25 parts, zirconium powder 15
Part, 15 parts of terpineol, and 1 part of a solid solution of a toluene solution of polyisobutyl methacrylate as an organic binder were added and kneaded to prepare a brazing paste. This brazing paste was applied to both sides of the aluminum nitride substrate manufactured above. The coating amount (after drying) at that time is 6 to 8
It was set to mg / cm 2 .

【0033】次に、ろう材ペーストの塗布面に銅板(厚
み0.3mm)を接触配置してから、真空度1×10-5
Torr以下の高真空下、温度900℃で30分加熱し
た後、2℃/分の降温速度で冷却して接合体を製造し
た。
Next, a copper plate (thickness: 0.3 mm) is placed in contact with the brazing material paste application surface, and the degree of vacuum is 1 × 10 -5.
A joined body was manufactured by heating at a temperature of 900 ° C. for 30 minutes under a high vacuum of Torr or less and then cooling at a temperature decrease rate of 2 ° C./minute.

【0034】この接合体の銅板上にUV硬化タイプのエ
ッチングレジストをスクリーン印刷により塗布した後、
塩化第2銅溶液を用いてエッチング処理を行って銅板不
要部分を溶解除去し、更にエッチングレジストを5%苛
性ソーダ溶液で剥離して、片面に銅回路パターンを、ま
たその反対面にはベタ銅パターン(57mm×44m
m、コーナーR2mm)を形成した。この銅回路パター
ン間には、残留不要ろう材や活性金属成分と窒化アルミ
ニウム基板との反応物があるので、それを温度60℃、
10%フッ化アンモニウム溶液に10分間浸漬して除去
した。次いで、ニッケルメッキ(厚み5μm)を施して
回路基板Aを作製した。
After applying a UV curing type etching resist on the copper plate of this bonded body by screen printing,
Etching is performed using a cupric chloride solution to dissolve and remove unnecessary portions of the copper plate, and the etching resist is peeled off with a 5% caustic soda solution to form a copper circuit pattern on one side and a solid copper pattern on the other side. (57 mm x 44 m
m, corner R2 mm) was formed. Between the copper circuit patterns, there is a residual unnecessary brazing material or a reaction product of the active metal component and the aluminum nitride substrate.
It was removed by immersing it in a 10% ammonium fluoride solution for 10 minutes. Then, nickel plating (thickness 5 μm) was applied to produce a circuit board A.

【0035】回路基板Bの作製 アルミニウム粉末86部、シリコン粉末10部、銅粉末
4部及び水素化チタニウム粉末15部からなる混合粉末
100部にテルピネオール15部とポリイソブチルメタ
アクリレートのトルエン溶液を加え、混練してろう材ペ
ーストを調製し、それを上記で製造された窒化アルミニ
ウム基板の両面に塗布した。その際の塗布量(乾燥後)
は3.0mg/cm2 とした。
Preparation of Circuit Board B To 100 parts of a mixed powder consisting of 86 parts of aluminum powder, 10 parts of silicon powder, 4 parts of copper powder and 15 parts of titanium hydride powder, 15 parts of terpineol and a toluene solution of polyisobutyl methacrylate are added, A brazing material paste was prepared by kneading and applied to both surfaces of the aluminum nitride substrate manufactured above. Application amount at that time (after drying)
Was 3.0 mg / cm 2 .

【0036】次に、ろう材ペーストの塗布面にアルミニ
ウム板(純度99.5%、厚み0.5mm)を接触配置
し、真空度1×10-5Torr以下の高真空下、温度6
40℃で30分加熱した後、2℃/分の降温速度で冷却
して接合体を製造した。
Next, an aluminum plate (purity 99.5%, thickness 0.5 mm) is placed in contact with the brazing material paste application surface, and the temperature is set to 6 at a high vacuum of a vacuum degree of 1 × 10 -5 Torr or less.
After heating at 40 ° C. for 30 minutes, it was cooled at a temperature decrease rate of 2 ° C./minute to manufacture a joined body.

【0037】次いで、この接合体のアルミニウム板上に
UV硬化タイプのエッチングレジストをスクリーン印刷
により塗布した後、塩化第2銅溶液を用いてエッチング
処理を行って、アルミニウム板不要部分とアルミニウム
回路間に存在する不要ろう材等を溶解除去し、更にエッ
チングレジストを5%苛性ソーダ溶液で剥離して、片面
にアルミニウム回路、反対面にはベタアルミニウムパタ
ーン(57mm×44mm、コーナーR2mm)を有す
る回路基板Bを作製した。
Next, a UV-curing type etching resist is applied on the aluminum plate of this joined body by screen printing, and then an etching treatment is carried out using a cupric chloride solution so that a space between the aluminum plate unnecessary portion and the aluminum circuit is obtained. The existing unnecessary brazing material is dissolved and removed, and the etching resist is peeled off with a 5% caustic soda solution to form a circuit board B having an aluminum circuit on one side and a solid aluminum pattern (57 mm x 44 mm, corner R2 mm) on the other side. It was made.

【0038】回路基板Cの作製 回路基板Bの作製過程で製造された接合体(窒化アルミ
ニウム基板の両面にアルミニウム板が接合された接合
体)の両面に、ニッケルメッキ(厚み5μm)の施され
た厚さ0.3mmの銅板を接触配置し、赤外線加熱方式
の接合炉で、真空度0.1Torr以下の高真空下、6
30℃×5分の条件で接合を行った。得られた接合体を
回路基板Bの作製と同様にしてエッチングし、窒化アル
ミニウム基板の一方の面にアルミニウム−ニッケル−銅
クラッド箔からなる回路、他方の面に同構造のクラッド
箔からなる放熱板を有する回路基板Cを作製した。
Manufacturing of Circuit Board C Both surfaces of the bonded body (bonded body in which aluminum plates are bonded to both sides of an aluminum nitride substrate) manufactured in the manufacturing process of the circuit board B were nickel-plated (thickness: 5 μm). A copper plate having a thickness of 0.3 mm is placed in contact with the infrared heating type bonding furnace, and a high vacuum with a vacuum degree of 0.1 Torr or less is used.
Bonding was performed under the conditions of 30 ° C. × 5 minutes. The obtained joined body is etched in the same manner as in the production of the circuit board B, and a circuit made of aluminum-nickel-copper clad foil is formed on one surface of the aluminum nitride substrate and a heat dissipation plate made of a clad foil having the same structure is formed on the other surface. A circuit board C having

【0039】ベース板の接合 表2に示すa〜cによって、回路基板の放熱板にベース
板を接合した。
Joining of Base Plate The base plate was joined to the heat dissipation plate of the circuit board by a to c shown in Table 2.

【0040】[0040]

【表2】 [Table 2]

【0041】ヒートシンクの取り付け 表3に示す〜によって、回路基板の放熱板にベース
板を介して又は介さずにヒートシンクを取り付けた。
Attachment of Heat Sink According to Table 3 to 3, the heat sink was attached to the heat dissipation plate of the circuit board with or without the base plate.

【0042】[0042]

【表3】 [Table 3]

【0043】実施例1〜9 比較例1 回路基板の作製、ベース板の接合及びヒートシンクの取
り付けを、表4に示す種々の組合せによってヒートシン
ク付き回路基板を作製した。
Examples 1 to 9 Comparative Example 1 A circuit board with a heat sink was manufactured by various combinations shown in Table 4 for manufacturing the circuit board, joining the base plate and attaching the heat sink.

【0044】得られたヒートシンク付き回路基板のヒー
トサイクル(熱衝撃)試験を行った。ヒートサイクル試
験は、気中、−40℃×30分保持後、25℃×10分
間放置、更に125℃×30分保持後、25℃×10分
間放置を1サイクルとして行い、回路基板10枚のうち
少なくとも1枚が銅板剥離や、ヒートシンクとの界面で
破壊した等の不良が生じた最初のヒートサイクル回数を
測定した。それらの結果を表4に示す。
A heat cycle (thermal shock) test was performed on the obtained circuit board with a heat sink. The heat cycle test was carried out in the air at −40 ° C. for 30 minutes, then left at 25 ° C. for 10 minutes, further held at 125 ° C. for 30 minutes, and then left at 25 ° C. for 10 minutes as one cycle. The first number of heat cycles in which at least one of the copper plates peeled off or had defects such as breakage at the interface with the heat sink was measured. The results are shown in Table 4.

【0045】また、実施例1〜9で得られた回路基板に
ついて、回路基板の放熱板又はベース銅板とヒートシン
クとの間に生成した接合層の組成をEPMA(電子線マ
イクロアナライザー)により測定した。その結果、いず
れの接合層も、Al−Ni−Cuを含む合金層が3μm
程度、Al−Ni−Siを含む合金層が5μm程度、A
l−Niからなる合金層が8μm程度含まれていた。
With respect to the circuit boards obtained in Examples 1 to 9, the composition of the bonding layer formed between the heat sink of the circuit board or the base copper plate and the heat sink was measured by EPMA (electron beam microanalyzer). As a result, in all the bonding layers, the alloy layer containing Al-Ni-Cu was 3 μm.
, Al-Ni-Si containing alloy layer is about 5 μm, A
An alloy layer made of l-Ni was contained in a thickness of about 8 μm.

【0046】[0046]

【表4】 [Table 4]

【0047】[0047]

【発明の効果】本発明によれば、パワーモジュール用電
子回路部品として好適な、放熱性と耐ヒートサイクル性
に優れたヒートシンク付き回路基板を提供することがで
き、パワーモジュールの生産性が向上する。
According to the present invention, it is possible to provide a circuit board with a heat sink, which is suitable as an electronic circuit component for a power module and is excellent in heat dissipation and heat cycle resistance, thereby improving the productivity of the power module. .

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−363052(JP,A) 特開 平11−269575(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C22C 49/00 - 49/14 H01L 23/373 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (56) Reference JP-A-4-363052 (JP, A) JP-A-11-269575 (JP, A) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) C22C 49/00-49/14 H01L 23/373

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 セラミックス基板の一方の面に回路、反
対面に放熱板が形成されてなる回路基板の放熱板に、ベ
ース板を介して又は介さずにヒートシンクが取り付けら
れてなるものにおいて、上記ヒートシンクの材質が、シ
リカアルミナ質繊維強化のアルミニウム又はアルミニウ
ム合金であることを特徴とするヒートシンク付き回路基
板。
1. A heat sink is attached to a heat sink of a circuit board having a circuit on one side of a ceramic substrate and a heat sink on the opposite side, with or without a base plate, A circuit board with a heat sink, characterized in that the material of the heat sink is silica-alumina fiber reinforced aluminum or aluminum alloy.
【請求項2】 ヒートシンクと、回路基板の放熱板又は
ベース板とが、Al成分とNi成分を含む合金層の存在
する接合層を介して接合されてなるものであることを特
徴とする請求項1記載のヒートシンク付き回路基板。
2. The heat sink and the heat radiating plate or the base plate of the circuit board are joined via a joining layer having an alloy layer containing an Al component and a Ni component. 1. A circuit board with a heat sink according to 1.
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